Processo de granulação aeróbia em reatores em bateladas sequenciais em condições de baixa carga orgânica

Abstract

A tecnologia de grânulos aeróbios tem sido amplamente estudada para a remoção de nitrogênio e fósforo de águas residuárias. Entretanto, a maioria dos estudos tem sido realizada utilizando efluentes sintéticos de média e elevada carga orgânica volumétrica (COV). Existem poucos relatos sobre a granulação aeróbia com efluentes reais de baixa COV, como os esgotos domésticos. Neste contexto, o processo de granulação aeróbia em condições de baixa COV foi avaliado utilizando três Sistemas Experimentais (SE) distintos. No SE-I foi explorada a remoção de nitrogênio durante a formação e a maturação dos grânulos aeróbios em um reator em bateladas sequenciais (RBS) alimentado com esgoto doméstico. Após 160 dias de operação, o processo de granulação estava completo no reator. Os grânulos maduros apresentavam uma estrutura esférica e densa, com diâmetro médio de 473 µm e IVL30 (índice volumétrico de lodo) de 75,6 mL·gSST-1. A assimilação da amônia para o crescimento celular foi mais expressiva durante o período de start-up do reator. Após a formação dos grânulos, a assimilação foi menor do que 5% e a remoção do nitrogênio ocorreu, principalmente, por nitrificação-desnitrificação via nitrito. O SE-II teve como objetivo compreender como a presença de matéria orgânica particulada (XS) afeta a formação dos grânulos e a qualidade do efluente tratado sob diferentes condições operacionais. Para isso, dois reatores alimentados com esgoto sintético foram operados na ausência (R1) ou presença (R2) de XS. Os grânulos cultivados na presença de XS apresentaram uma estrutura irregular e filamentosa, a qual afetou a capacidade de sedimentação da biomassa e, consequentemente, a qualidade do efluente tratado. A operação em volume constante (enchimento ascendente pela parte inferior do reator e descarte simultâneo pela parte superior do reator) mostrou-se favorável para uma maior eficiência de remoção de substrato e também para o suprimento do crescimento filamentoso na presença de XS. No SE-III buscou-se entender como a velocidade ascensional de esgoto (VWW) aplicada durante a fase de enchimento-descarte simultâneos (volume constante) influencia as propriedades do lodo e a conversão do substrato. Para isso, o reator utilizado foi alimentado com esgoto doméstico de baixa carga orgânica em diferentes VWW: 1, 5,9, 8, 12,5 e 16 m·h-1. Elevadas eficiências de remoção de sustrato foram obtidas a uma VWW de 1 m·h-1, uma vez que houve uma maior retenção de biomassa no reator sob essas condições. Em média, 96 ± 4% de amônia e 89 ± 7% de fósforo foram removidos a uma baixa VWW de 1 m·h-1. No entanto, o processo de desnitrificação foi a etapa limitante na remoção de nitrogênio. De maneira geral, os sistemas estudados mostraram que é possível desenvolver grânulos maduros e estáveis com esgoto doméstico de baixa carga orgânica utilizando RBS. Além disso, também foi possível remover carbono, nitrogênio e fósforo em uma única unidade operacional compacta. Entretanto, o modo de operação do RBS deve ser adaptado de acordo com o tipo de efluente a ser tratado, principalmente aqueles que contêm XS em sua composição.<br>

Abstract : The aerobic granular sludge (AGS) technology has been widely studied for the biological nutrient removal from wastewater. However, most of the studies have been performed using synthetic wastewaters at high or middle-high organic loading rates (OLR). Only few studies reported successful granulation with real influents at low OLR, such as domestic wastewater. In this context, three different Experimental Systems (ES) were used in order to evaluate the aerobic granulation process under conditions of low OLR. In the ES-I the performance of a sequencing batch reactor (SBR) was evaluated in terms of nitrogen removal during the formation and maturation of aerobic granules fed with real domestic wastewater. The granulation process was complete after 160 days of operation. The mature granules had a nearly spherical structure, an average size of 473.0 µm, and a good settling ability (SVI30 of 75.6 mL·g-1). Ammonium assimilation for cell growth was more significant during the reactor start-up period. After granule formation, assimilation accounted for less than 5% and nitrogen was mainly removed by nitrification-denitrification via nitrite. The ES-II aimed at understanding how the presence of XS affects the formation of the granules and the quality of the treated effluent under different operating conditions. Two reactors fed with synthetic influents were operated in absence (R1) or presence (R2) of particulate organic matter (XS). The granules grown in presence of XS had irregular and filamentous outgrowths in the surface, which affected the settleability of the biomass and therefore the quality of the effluent. Operating at constant volume (simultaneous fill from the bottom of the reactor and draw from the upper part of the reactor) showed to be beneficial for the substrate removal efficiency and for suppressing filamentous overgrowth in presence of XS. In the ES-III the focus was on understanding how the wastewater upflow velocity (VWW) applied during the fill-and-draw phase (constant volume) influenced the sludge properties and in turn the substrate conversion. The reactor was fed with low-strength domestic wastewater at different VWW: 1, 5.9, 8, 12.5 and 16 m h-1. High efficiencies for substrate removal were obtained at VWW of 1 m·h-1, due to the higher biomass retention in the system under these conditions. Average removal efficiencies of 96 ± 4% for ammonium and 89 ± 7% for phosphorus were obtained at very low VWW of 1 m·h-1. However, denitrification was the limiting step for nitrogen removal. Overall, the studied systems showed that it is possible to develop mature and stable aerobic granules in SBR using low-strengthdomestic wastewater. Besides, it was also possible to efficiently remove carbon, nitrogen, and phosphorus in a single and compact reactor unit. However, the operation mode of such reactors must be adapted according to the composition of the influent, especially the ones containing XS.