Potencial de remoção de nitrogênio em um único estágio de filtros plantados com macrófitas para o tratamento de esgoto doméstico bruto: aporte da biologia molecular para a compreensão dos processos

Abstract

O objetivo desta pesquisa foi avaliar o desempenho na remoção de nitrogênio em sistemas de wetlands de fluxo vertical para o tratamento de efluente doméstico bruto (Sistema Francês), com o aporte da biologia molecular para a compreensão dos processos. O estudo foi realizado na França ao longo de 16 meses. Dois filtros pilotos com superfície de 2m² cada foram testados e operados com um ciclo de alimentação intermitente (2,5 dias e carga hidráulica aplicada de 0,23 m/d) e um ciclo de repouso (4,5 dias). Uma camada de saturação foi criada no fundo do filtro a fim de propiciar condições para a desnitrificação subsequente à nitrificação. Duas profundidades de saturação foram testadas: 25 cm e 15 cm. O monitoramento incluiu parâmetros físico-químicos (SST, DQO dissolvida, N-NH4+, NTK e N-NO3-), bem como, medições contínuas (Eh, O2, °C e comportamento hidráulico). As análises estatísticas demostraram que o melhor desempenho de remoção para os parâmetros analisados ocorreu quando os filtros operaram com 25 cm de saturação (com TDH teórico de 6,66 h). Os resultados de todos os parâmetros avaliados demonstraram variações no desempenho do sistema, além de indicar que melhorias no projeto ou adição de um estágio de tratamento posterior são necessárias para que seja possível a remoção completa do nitrogênio. Levando em consideração que cada filtro piloto representa um único filtro do primeiro estágio do Sistema Francês, as eficiências de remoção (nitrificação de 57% e desnitrificação de 85%) foram consideradas satisfatórias. Em relação à verificação do perfil microbiano, três filtros em escala piloto e quatro estações em escala real foram testados. Para todos os sistemas avaliados não houve diferença estatística em relação aos diferentes pontos de coletas, demostrando uma boa e homogênea repartição do afluente na superfície dos filtros. Uma maior quantidade (n° cópias gene/g pellet) de bactérias nitrificantes foi observada no período de inverno, o que retrata um efeito temporal, visto que as bactérias nitrificantes possuem crescimento lento. Através do sequenciamento, foi observado para ambos os filtros a presença dos gêneros Nitrosonomas, Nitrosospira e Nitrospira, sendo dominantes as bactérias oxidantes de amônia (AOB). Os filtros pilotos apresentaram diferença significativa (p: 0,001) para a variável estação do ano. Todas as estações em escala real apresentaram resultados semelhantes. Dentre as profundidades testadas, a maior quantidade de AOB foi observada em 30 cm. Esse resultado demonstra que a camada de matéria orgânica depositada na superfície tem papel importante na estrutura do perfil microbiano. O ciclo de alimentação/repouso avaliado apresentou um aumento quantitativo e qualitativo na comunidade bacteriana nos dias de alimentação e decaimento nos dias de repouso, o que demonstra a dinâmica de crescimento das bactérias. Esse resultado pode indicar que um período de repouso utilizado no Sistema Francês de no máximo sete dias é suficiente para impedir que haja decaimento excessivo da comunidade bacteriana, otimizando, assim, a eficiência do tratamento.<br>

Abstract : This research aims to evaluate the performance on nitrogen removal in vertical flow wetlands systems for the treatment of raw wastewater (French system), with the contribution of molecular biology to understand the processes. This study was performed in France over 16 months. Two pilot systems with 2m² surfaces each, were tested and operated with intermittent feeding cycle (2.5 days and a 0.23 m/d applied hydraulic load) and 4.5 days resting cycle. A saturation layer was created in the in the filter background in order to provide conditions for the denitrification subsequent to nitrification. Two saturations depths were tested: 25 and 15 cm. The monitoring included physico-chemical parameters (TSS, dissolved COD, NH4+ - N, NO3- - N and TKN), as well as continuous measurements (Eh, O2, °C and hydraulic behavior). The statistical analysis demonstrated that the best removal performance for the parameters analyzed occurred when the filters operated at 25 cm saturation (with theoretical HRT of 6.66 h). The results of all evaluated parameters showed variations in system performance, they also indicate that improvements in the design or addition of a further processing stage are required so that complete removal of nitrogen is possible. Considering that each pilot filter represents a single filter of the first stage of the French system, the removal efficiencies (57% nitrification and 85% denitrification) were considered satisfactory. Regarding the verification of the microbial profile, three pilot scale filters and four real scale systems were tested. For all evaluated systems, there was no statistical difference in relation to the different collection points, demonstrating a good and homogeneous distribution of the surface of the affluent filters. A larger amount (nº gene copies/g pellet) of nitrifying bacteria was observed in the winter period, which illustrates a temporal effect, since the nitrifying bacteria have slow growth. Through sequencing, it was observed for both filters the presence of Nitrosomonas sp, Nitrosospira sp and Nitrospira sp, being dominant ammonia oxidizing bacteria (AOB). The pilots systems showed significant differences (p: 0.001) for the variable season of year. All full-scale systems showed similar results. Among the tested depths, the greater amount of AOB was observed in 30 cm. This result shows that the organic matter layer deposited on the surface, plays an important role in microbial profile structure. The evaluated feeding?resting cycles showed a quantitative and qualitative increase in the bacterial community in the feeding days and decay in the resting days, which demonstrates the growing bacteria dynamic. This result can indicate that a resting period used in the French System of up to seven days, is enough to prevent excessive decay of the bacterial community, thus optimizing the efficiency of the treatment.