Estudo comparativo das tecnologias de biorreator à membrana de leito móvel e biorreator à membrana convencional no tratamento de esgoto sanitário: avaliação do desempenho na remoção de nutrientes e da colmatação das membranas operando os reatores em batelada sequencial

Abstract

A remoção de nutrientes, como nitrogênio e fósforo, presentes nos despejos domésticos ou industriais, ganhou especial atenção nos últimos anos, uma vez que estão diretamente relacionados com a eutrofização dos ecossistemas aquáticos. Nesse sentido, o estudo e desenvolvimento de novas tecnologias de tratamento de esgoto que sejam capazes de produzir um efluente tratado com mínimo residual de poluentes assume grande importância. Nesse sentido, a presente pesquisa buscou avaliar comparativamente a utilização da tecnologia de biorreator à membrana convencional (BRM) e de leito móvel (BRM-LM) operados em batelada sequencial objetivando a remoção de nitrogênio e fósforo de esgoto sanitário. Tal avaliação foi conduzida em dois reatores idênticos (BRMBS e BRMBS-LM), construídos em escala laboratorial e submetidos as mesmas condições operacionais, exceto pela presença de material suporte em um dos reatores (BRMBS-LM). A unidade experimental foi operada por 352 dias, nos quais foram avaliados: (1) o desempenho dos reatores durante o período de partida; (2) o efeito da redução do tempo de detenção hidráulica (TDH) de 12 h para 6 h e (3) o efeito da utilização de alta (4 mg L-1) e baixa (1,5 mg L-1) concentração de oxigênio dissolvido (OD). Observou-se que ambos os reatores apresentaram desempenho similar durante o período de partida, alcançando eficiências de remoção de matéria orgânica, amônia, nitrogênio (NT) e fósforo total (PT) próximos a 96%, 99%, 70% e 85%, respectivamente. Resultados obtidos nas análises de ciclo revelaram que a contribuição da biomassa aderida para a remoção global de amônia no reator híbrido foi secundária, nessa etapa. Além disso, melhores condições de filtrabilidade foram observadas no licor misto do BRMBS-LM em comparação ao BRMBS. No que diz respeito à redução do TDH de 12 para 6 h, verificou-se uma melhora na remoção nitrogênio total em ambos os reatores, principalmente no BRMBS-LM, onde as zonas anóxicas podem ter sido estabelecidas no biofilme. Por outro lado, a remoção de PT aumentou apenas no BRMBS. A redução do TDH também resultou em maiores velocidades de colmtação das membranas em ambos reatores, principalmente no BRMBS, onde o aumento de produtos microbianos solúveis e de bactérias filamentosas foram mais significativos. Por fim, observou-se que ambos os reatores apresentaram uma queda no desempenho de processo de nitrificação a medida que o oxigênio dissolvido da fase aeróbia foi reduzido para o valor máximo de 1,5 mg L-1. Tal cenário evidenciou-se principalmente no BRMBS, em que a eficiência média de remoção de amônia decaiu para 68%, enquanto que no BRMBS-LM para 88%. Além disso, a remoção de nitrato melhorou significativamente no reator de leito móvel sob condição de menor concentração de OD. Da mesma forma, observou-se que o potencial de remoção anóxica e aeróbia de fósforo aumentou substancialmente nesse reator. Por outro lado, a operação dos reatores sob OD máximo de 1,5 mg L-1 resultou em maiores velocidades de colmatação das membranas. De maneira geral, esses resultados sugerem que o BRMBS-LM exibiu uma maior capacidade de suportar as condições de oxigênio limitantes, evidenciando uma característica importante desse reator para fins de economia de energia sem prejudicar de maneira substancial o desempenho do tratamento.

Abstract : The removal of nutrients (namely nitrogen and phosphorus) has gained special attention in recent year as they are directly related to the eutrophication of aquatic ecosystems. Thus, the study and development of new wastewater treatment technologies that are capable to produce an effluent with minimal residual pollutants assumes great importance. Hence, the present study aimed to evaluate the use of membrane bioreactor (MBR) and moving bed membrane bioreactor (MBR-MB) operated in parallel and in sequencing batch mode to removing nitrogen and phosphorus from municipal wastewater. This evaluation was conducted in two identical reactors (SB-MBR and SB-MBMBR), built at lab-scale and subjected to the same operating conditions, differentiating them only by the presence of plastic carriers in one of the reactors (SB-MBMBR). The reactors were operated for 352 days, in which the evaluated: (1) the reactors performance during the start-up period; (2) the reduction of hydraulic detention time from 12 h to 6 h and (3) the reactors performance under two dissolved oxygen concentration in the aerobic phase. It was observed that both reactors presented similar performance during the startup period, reaching efficiencies of removal close to 96%, 99%, 70% and 85% for organic matter, ammonia, total nitrogen (TN) and phosphorus, respectively. Results obtained in the cycle analysis revealed that the contribution of the adhered biomass to the global removal of ammonia in the hybrid reactor was marginal. Better filtrability conditions were observed in SB-MBMBR mixed liquor. With regard to the reduction of HRT from 12 to 6 h improved the total nitrogen removal in both reactors, mainly in SB-MBMBR, where the anoxic zones may have been established in the biofilm. On the other hand, total phosphorus removal increased only in conventional SB-MBR. The HRT reduction also leaded in higher membrane fouling rate in both reactors, especially in the conventional SB-MBR, which the increase of soluble microbial products and filamentous bacteria were more significant. At last, it was observed that both reactors showed a poorer performance in the nitrification process as the oxygen dissolved in the aerobic phase was reduced to the maximum value of 1.5 mg L-1. This scenario was evidenced mainly in the conventional SB-MBR, in which the average ammonia removal efficiency dropped to 68%, while in SB-MBMBR the average efficiency decreased to 88%. In addition, the nitrate removal significantly improved in the SB-MBMBR under the lower dissolved oxygen condition. Likewise, it was observed that the anoxic and aerobic phosphorus removal potential increased substantially in the SB-MBMBR. On the other hand, the operation of the reactors under the maximum OD of 1.5 mg L-1 resulted in higher membrane fouling rates. Overall, the results found suggest that SB-MBMBR exhibited a greater ability to support the oxygen-limited conditions, evidencing an important feature of this reactor configurations for energy saving purposes.