Uso de alginato e NP-magnetita para a agregação de lodo biológico no tratamento de esgoto sanitário

Abstract

O tempo requerido para a formação e maturação de grânulos em reatores operados em bateladas sequenciais (RBS), que pode levar mais que 200 dias, é um dos principais desafios deste processo de tratamento. Frente a este contexto, o presente trabalho teve como objetivo favorecer a agregação de lodo biológico e promover a estabilização de grânulos aeróbios em um RBS, para o tratamento de esgoto sanitário. Foram estudados como aditivos: alginato (Ca e Na), esferas de alginato e nanopartículas de magnetita (Np-magnetita). O delineamento metodológico foi dividido em três etapas. Etapa I: síntese e caracterização de esferas de alginato e Np-magnetita; Etapa II: determinação das dosagens ótimas, em teste de jarros, em duas configurações, Ensaio 1(E1): 5 min a 120 rpm e 15 min a 40 rpm; Ensaio 2 (E2): 4 horas a 120 rpm; Etapa III: aplicação da melhor dosagem de Np-magnetita em um reator piloto, acompanhando o processo de granulação e monitoramento da eficiência de tratamento. Na Etapa I, foram obtidas Np-magnetita com tamanho médio de 5,5 nm e esferas de alginato com tamanho médio de 2 mm. Na Etapa II, foi estabelecida a concentração ideal de alginato de Ca de 400 mg L-1 para E1 e E2. Para o alginato de Na, a concentração ideal foi de 400 mg L-1 para o E1 e 500 mg L-1 para o E2. Para as esferas alginato obteve-se a concentração de 500 mg L-1 nas duas configurações. Para as Np-magnetita a melhor concentração foi a de 75 mg L-1 para E1 e E2. Na Etapa III, após 6 dias de aplicação das Np-magnetita no reator, obteve-se IVL30 de aproximadamente 85 mL g-1. Com 56 dias de operação, a biomassa apresentava as características: IVL30 de 48 mL g-1, 43% dos grânulos com diâmetro > 212 µm e densidade de 34,50 g L-1. Com a desintegração dos grânulos repetiu-se a dosagem das Np-magnetita, obtendo uma redução de 58% no IVL30 e um aumento de 157% na densidade, após 7 dias da aplicação. As Np-magnetita alteraram a composição bacteriana da biomassa, favorecendo as famílias Alcaligenaceae (39,78%) e Comamonadaceae (10,20%). Ao longo do período de estudo do reator, observou-se em média remoção de DBO, NH_4^+-N e fósforo de 72%, 57% e 64%, respectivamente. Em conclusão, os aditivos contribuíram para a agregação do lodo biológico. As Np-magnetita aceleraram o processo de granulação e contribuíram para a manutenção e estabilidade dos grânulos no reator.

Abstract: The formation and maturation of aerobic granules in sequencing batch reactors (SBR) can take more than 200 days. This limitation is one of the main challenges of this treatment process. In this context, this work aimed to study additives in order to reduce the granulation time and increase the stability of the aerobic granules in a SBR for domestic wastewater treatment. Alginate (Ca and Na), alginate beads and magnetite nanoparticles (Np-magnetite) were studied as additives. The methodology was divided in three steps. Step I: synthesis and characterization of alginate beads and Np-magnetite; Step II: Evaluation of the optimal dosages in jars test with two different configurations (Assay 1 and 2); Assay 1 (A1): 5 min at 120 rpm and 15 min at 40 rpm; Assay 2 (A2): 4 hours at 120 rpm; and Step III: application of the best Np-magnetite dosage in a pilot-scale reactor with the monitoring of the granulation process and reactor performance. Step I: Np-magnetite and alginate beads with average sizes of 5.5 nm and 2 mm were synthesized, respectively. Step II: The ideal concentration of Ca-alginate for both assays (A1 and A2) was 400 mg L-1. For Na-alginate, the best concentrations were 400 mg L-1 for A1 and 500 mg L-1 for A2. Alginate beads and Np-magnetite concentrations of 500 mg L-1 and 75 mg L-1 for both assays were achieved, respectively. Stage III: 6 days after Np-magnetite application in the reactor, the SVI30 was approximately 85 mL g-1. With 56 days the biomass presented the following characteristics: IVL30 was 48 mL g-1, 43% of biomass showed granules diameter > 212 µm and density was 34.50 g L-1. The Np-magnetite dosage was repeated in the disintegration period. Reduction of 58% in SVI30 and 157% increase in biomass density was obtained 7 days after this NP-magnetite application. Np-magnetite changed the bacterial community in the system by the presence of the Alcaligenaceae (39,78%) e Comamonadaceae (10,20%) microbial families. The BOD, NH_4^+-N and phosphorus removal efficiencies were 72%, 57% and 64%, respectively. In conclusion, the additives contributed to the biological sludge aggregation. Np-magnetite addition accelerated the granulation process and contributed to the maintenance and stability of the granules in the reactor.