Emissões de N2O e de CO2 por um reator em bateladas sequenciais com lodo granular aeróbio no tratamento de esgoto sanitário

Abstract

Estações de tratamento de efluentes são uma importante fonte de emissão de gases de efeito estufa, sendo o N2O e o CO2 os principais contribuintes no caso de processos biológicos aeróbios. A emissão de CO2 está relacionada à remoção de matéria orgânica, e a emissão de N2O, que apresenta potencial de aquecimento global 265 vezes superior, está relacionada a processos de nitrificação/desnitrificação para remoção de nitrogênio. Este trabalho teve como objetivo geral estudar o desempenho de um sistema de tratamento de esgoto sanitário por meio de um reator em bateladas sequenciais com grânulos aeróbios (RBSG) em escala piloto, em condições de clima subtropical, com foco na emissão de N2O e de CO2. O RBSG foi avaliado quanto ao tratamento de esgoto sanitário e às emissões de N2O para 4 estratégias operacionais, compreendendo fases anóxicas e aeróbias de diferentes durações. As estratégias E-I e E-II tiveram ciclos de 4 horas, e as estratégias E-III e E-IV operaram com ciclos de 6 horas. Na última etapa operacional (E-IV), também foram monitorados o lançamento de N2O dissolvido na fração líquida e as emissões de CO2. Foi verificada a existência de grânulos aeróbios nas estratégias de operação estudadas, com concentração média de biomassa no licor misto entre 1,1 e 1,7 g SSV/L. As remoções de DBO variaram entre 69 e 86%, e as remoções de amônia, entre 52 e 84%. Verificou-se acúmulo de nitrito entre 15 mg NO2-?N/L (E-III) e 1,1 mg NO2-?N/L (E-IV). Foi observado que a emissão de N2O ocorreu, principalmente, no início da fase de aeração, atingindo picos de emissão e posteriormente decaindo até atingir valores próximos a zero. Para as estratégias E-I, E-II, E-III e E-IV, observou-se fatores de emissão de N2O baseado na vazão (FEBVN2O) de 3,29·10-3, 1,05·10-3, 0,29·10-3 e 3,65·10-3 g N2O?N/L, e conversões de N afluente a N2O de 5,28%, 1,95%, 0,47% e 5,67%, respectivamente. Na E-IV, verificou-se que a fração de N2O lançada na fração líquida correspondeu a 2,9% do total de N2O emitido pelo RBSG, e o fator de emissão de CO2 baseado na vazão (FEBVCO2) foi de 0,297 g CO2/L. Com base nestes valores, foi possível comparar a magnitude dos impactos de aquecimento global (IAG) referentes ao N2O e ao CO2 gerados pelo RBSG, sendo o IAGCO2 igual a 16,4% e o IAGN2O igual a 83,6% (cerca de 5 vezes superior).

Abstract: Wastewater treatment plants are important sources of greenhouse gases emission, being N2O and CO2 the main contributors in the case of aerobic biological processes. CO2 emission is related to organic matter removal, and the emission of N2O, whose global warming potential is 265 times higher than that of CO2, is related to nitrification/denitrification processes for nitrogen removal. This research aimed to investigate the performance of a pilot scale granular sequencing batch reactor (GSBR) operated under subtropical climate conditions, focusing on the N2O and CO2 emissions. The GSBR was evaluated in relation to the effluent treatment and to the N2O emission for 4 operational strategies, with different anoxic and aerobic phases configuration. The cycle duration was 4h for S-I and S-II, and 6h for S-III and S-IV. During the last operational strategy, dissolved N2O concentration and CO2 emission quantification were also performed. For all studied strategies, the presence of aerobic granular sludge has been observed, and the mixed liquor biomass concentration varied between 1.1 and 1.7 g VSS/L. BOD removal varied between 69 and 86%, and ammonium removal varied between 52 and 84%. Nitrite accumulation between 15 mg NO2-?N/L (S-III) and 1,1 mg NO2-?N/L (S-IV) has been observed. N2O emission occured mainly at the beginning of the aeration phase, reaching peaks during the first minutes and then decaying until near zero values. For S-I, S-II, S-III and S-IV, the N2O flow-based emission factors (FBEFN2O) were 3.29·10-3, 1.05·10-3, 0.29·10-3 and 3.65·10-3 g N2O?N/L, and the influent N conversions to N2O were 5.28%, 1.95%, 0.47% e 5.67%, respectively. During S-IV, the amount of N2O released in the liquid fraction was 2.9% of the total amount of N2O emitted by the GSBR, and the CO2 flow-based emission factor (FBEFCO2) was 0.297 g CO2/L. Based on these results, the N2O and the CO2 global warming impact (GWI) from the GSBR were compared, with the GWICO2 accounting for 16.4%, and the GWIN2O accounting for 83.6% (around 5 times higher).