Caracterização microbiológica do lodo granular na remoção de nutrientes e potencial de recuperação de exopolímeros de efluentes em reatores em bateladas sequenciais: Microbiological characterization of granular sludge for nutrient removal and potential of exopolymer recovery from effluents in sequencing batch reators

Abstract

A tecnologia de lodo granular desenvolvida em reatores em bateladas sequenciais (RBS) é uma nova geração de processo alternativa aos lodos ativados para tratamento de águas residuárias. Porém, estudos utilizando esgoto real destacaram dificuldades para alcançar estabilidade dos grânulos e completa remoção de nutrientes. Além disso, atualmente existe a demanda pelo desenvolvimento de tecnologias inovadoras e sustentáveis que alcancem além da proteção ambiental, a recuperação de recursos, a eficiência energética e espacial. Neste contexto, os objetivos desta tese de doutorado foram (i) identificar o papel da comunidade microbiana para sustentar granulação, remoção de nutrientes e formação de substâncias poliméricas extracelulares (EPS), e (ii) investigar o potencial de biorrefinaria de exopolímeros do tipo alginato, em sistemas de tratamento de esgoto sanitário utilizando lodo granular. No primeiro estudo da tese (§ 4.1), as investigações iniciaram-se com a granulação e remoção de nitrogênio em um RBS piloto, tratando esgoto sanitário (0,6-1,0 g DQOsolúvel L-1 d-1). Os grânulos formados (300 µm) eram compostos por protozoários e bactérias, com predominância de organismos oxidante de amônia (AOB) nas camadas externas do grânulo. A nitrificação parcial foi a principal via metabólica da conversão de nitrogênio. As rotas de desnitrificação via nitrito, desnitrificação autotrófica, desnitrificação completa e incompleta também foram verificadas, com moderadas emissões de N2O (2,8 % da carga total de nitrogênio afluente). No segundo estudo da tese (§ 4.2), o desempenho da granulação e da remoção de nutrientes foram comparadas entre dois regimes de enchimento: rápido (estratégia operacional EO1: 18 L min-1) e lento (estratégia operacional EO2: 3,5 L min-1), em um RBS piloto com esgoto sanitário. O enchimento lento foi benéfico para formar grânulos maiores, para aumentar a fração de grânulos no lodo e para melhorar a sedimentabilidade (EO1: 290 µm, 55% grânulos,109 mL gSST-1; EO2: 450 µm, 78%, 74 mL gSST-1). O lento enchimento em EO2 também foi vantajoso para a hidrólise da matéria orgânica particulada, no acúmulo de biomassa (0,7 gSSV L-1 em EO1 e 1,5 gSSV L-1 em EO2) e na remoção de fósforo (33% em EO1 e > 97,5% em EO2 a partir de 165 dias). Porém, em ambas EO a biomassa não se acumulou substancialmente e houve o acúmulo de nitrito no sistema. Estas falhas de processo foram relacionadas com à configuração do ciclo do RBS e aos micro-organismos selecionados pela operação. Os organismos heterotróficos ordinários (OHO) de crescimento rápido foram predominantes em ambas EO (30% Thauera em EO1; 56% Comamonas em EO2). As populações afiliadas à Rhodocyclaceae, como o gênero Thauera, contribuiram positivamente para a granulação nas condições operacionais utilizadas para a remoção de C-N (EO1), porém resultou na formação de grânulos irregulares, levando à desintegração dos grânulos após 274 dias em EO1. Por outro lado, no terceiro estudo da tese (§ 4.3), a aplicação de condições de seleção de organismos acumuladores de poli-fosfato (PAO) de crescimento lento do gênero ?Candidatus Accumulibacter? (também membro da família Rhodocyclaceae) em um RBS de bancada, resultou em granulação robusta, demonstrando uma relevante diferença no impacto, a nível de gênero, no desempenho da estabilidade. O quarto estudo desta tese (§ 4.4), revelou que condições de aumento gradual da carga orgânica (0,3 a 2,0 g DQOacetato dia-1 L-1), razão C:P (8-16 g DQO g-1P), e razão Ca:Mg (0,37-1 mol Ca mol-1 Mg), levaram à elevada seleção de ?Ca. Accumulibacter? (máximo 83% de contagem de leitura total) em condições ambientais de pH 7,5 e 18 ºC, e sustentaram a formação de substancial fração em massa de exopolímero no lodo granular (máximo 0,53 g STEPS g-1 SVbm). O exopolímero extraído do lodo granular apresentou um comportamento reológico típico de alginato. Em conclusão, a seleção de PAO por meio da gestão da operação do reator leva à efetiva coesão dos grânulos, promove remoção de fósforo e sustenta a produção de biopolímeros de elevado valor agregado ao interesse industrial, inserindo, portanto, a tecnologia de lodo granular na economia circular.<br>

Abstract : The granular sludge technology developed in sequential batch reactors (SBR) is a new-generation process alternative to activated sludge, and is being considered as standard for the intensification of biological nutrient removal (BNR) from wastewater. However, studies using real sewage have highlighted difficulties to achieve granules stability and complete nutrient removal. In addition, there is a demand for the development of innovative and sustainable technologies that achieve besides environmental protection, resource recovery and efficiency on energy and space. In this context, the doctoral thesis aimed (i) to clarify the role of microbial communities to sustain granulation, nutrient removal, and formation of extracellular polymeric substances (EPS), and (ii) to investigate the biorefinery potential of alginate-like exopolymers in sanitary wastewater treatment systems using granular sludge. Investigations began in the first research chapter (§ 4.1) with the study of granulation and nitrogen removal in a pilot SBR treating sanitary wastewater (0,6-1,0 g DQOsoluble L-1 d-1). The granules formed (300 µm) were composed of protozoa and bacteria, with predominance of ammonia oxidizing organisms (AOB) in the outer layers of granules. Partial nitrification was the main metabolic pathway of nitrogen conversion. Nitrogen conversion routes as denitrification via nitrite, autotrophic denitrification, complete and incomplete denitrification were also verified, with moderate emission of N2O (2.8 % of total nitrogen influent). In the second research chapter (§ 4.2), granulation and nutrient removal performances were compared between two feeding regimes: rapid (operational strategy OS1: 18 L min-1) and slow (operational strategy OS2: 3.5 L min-1), in the pilot SBR fed with sanitary sewage. The slow feeding was beneficial to form bigger granules and to increase the fraction of granules in the sludge and to improve their settling performance (OS1: 290 µm, 55% granules, 109 mL gTSS-1; OS2: 450 µm, 78%, 74 mL gTSS-1). The slow OS2 was also advantageous for the hydrolysis of particulate organic matter, the accumulation of biomass (0.7 gVSS L-1 under OS1 and 1.5 gVSS L-1 under OS2), and the removal of phosphorus (33% under OS1 and > 97.5% under OS2 from 165 days onward). However, under both OS the biomass did not accumulate substantially and nitrite accumulated in the system. These process failures were related to the SBR configuration cycle and to the microorganisms selected by the operation. Fast-growing ordinary heterotrophic organisms (OHO) were predominant under both OS (30% Thauera under OS1 and 56% Comamonas under OS2). Rhodocyclaceae populations, such as the Thauera genus, positively contributed to granulation under C-N removal conditions (OS1), but resulted in the formation of irregular granules, leading to granules disintegration after 274 days under OS1. On the other hand, in the third research chapter (§ 4.3), the application of conditions selecting for slow-growing polyphosphate-accumulating organisms (PAO) affiliating with the genus "Candidatus Accumulibacter" (also a member of the Rhodocyclaceae family) in a bench-scale SBR resulted in robust granulation, demonstrating a significant difference on the impact of the genus level on the granulation performance. The fourth and last research chapter (§ 4.4) revealed that conditions of gradual increase in organic load (0.3 a 2.0 g CODacetate dia-1 L-1), C:P ratio (8-16 g COD g-1 P), and Ca:Mg ratio (0.37-1 mol Ca mol-1 Mg) highly selected for ?Ca. Accumulibacter? (maximum 83% of amplicon sequencing read count) under environmental conditions of pH 7.5 and 18°C, and sustained the formation of a substantial mass fraction of exopolymers in the granular sludge (maximum 0.53 g TSEPS g-1 VSbm, 0.40 g VSEPS g-1 VSbm). The exopolymer extracted from granular sludge presented the typical rheological behavior of alginate biomaterials. In conclusion, PAO selection through reactor operation management leads to an effective granule cohesion, promotes phosphorus removal, and sustains the production of high-value biopolymers of industrial interest for the civil engineering and coating industries, thus incorporating the granular sludge technology in the circular economy.