Efeito da configuração de ciclo e rotas metabólicas na produção e emissão de óxido nitroso em reator em bateladas sequenciais com lodo granular

Abstract

A tecnologia de lodo granular aeróbio (LGA) tem se destacado nas últimas décadas pelo seu ótimo desempenho na remoção simultânea de nitrogênio, carbono e fósforo, em tratamento de efluentes diversos. No entanto, tem-se observado que nos processos de tratamento que têm como objetivo a remoção biológica de nitrogênio, verifica-se a emissão de óxido nitroso (N2O), que é um importante gás de efeito estufa (GEE). A emissão de N2O pode estar associada a variáveis operacionais como: baixas concentrações de oxigênio dissolvido (OD); acúmulo de nitrito ou ácido nitroso e variações nas concentrações de nitrogênio amoniacal nas fases aeradas; limitação de fonte de carbono (baixa C:N); fases anóxicas/aeróbias alternadas; e mudanças abruptas no sistema (cargas de nitrogênio, níveis de OD e N-NO2-). Ademais, estes parâmetros podem provocar alterações na comunidade microbiana e consequente variação nos fatores de emissão (FE) de N2O. Neste sentido, o objetivo desta tese de doutorado foi investigar a produção e a emissão de N2O, em reator em bateladas sequenciais (RBS) com LGA, operado em regime de nitrificação e desnitrificação alternadas (NDA), no tratamento de esgoto sanitário, por meio de: (1) aplicação de diferentes configurações de ciclo; (2) estudo de rotas metabólicas; e (3) verificação dos efeitos da razão C:N (em termos de DQOS:NH4). Os efeitos das configurações do ciclo foram avaliados em RBS piloto (110 L): (i) com enchimento único e aeração contínua (NDAU) e (ii) com enchimento escalonado e aeração intermitente (NDAE). As rotas metabólicas e os efeitos da razão C:N foram avaliados em ensaios em batelada, usando um reator de bancada (1L), com LGA retirado do RBS piloto. Foram obtidas maiores remoções de nitrogênio total (NT) e de N-NH4+ em regime NDAE (54 e 95%, respectivamente), estando relacionadas à alimentação escalonada e à aeração intermitente, que promoveram a separação temporal da nitrificação e desnitrificação. Porém, esta configuração apresentou maior FE (157-480 g N-N2O pessoa-1 ano-1), relacionado à presença de OD na fase anóxica. Verificou-se que gêneros como Thauera, que são desnitrificantes heterotróficos, estiveram presentes com abundância relativa de 3,8% (dia 556, NDAE). Em NDAU, os maiores FE (227,5±41,9g N-N2O pessoa-1 ano-1) e conversão de NT a N2O (5,9±2,0%) foram associados à atividade de desnitrificação autotrófica por Nitrosomonas sp., no período de temperaturas amenas (20°C). Enquanto a desnitrificação heterotrófica foi a principal via de emissão no período de temperaturas elevadas (25°C) e pode ser associada à presença de Acidovorax e Thermomonas. Igualmente, organismos de crescimento lento, capazes de desnitrificar e também de remover o fósforo, como Defluviccocus e Tetrasphaera, estiveram presentes nessa condição. Nos experimentos em bateladas alimentados com menores relações C:N foram obtidas as maiores emissões de N2O (conversão de 19 e 18% do NT afluente a N2O, para DQO:NH4 = 0 e 1, respectivamente). Do ponto de vista estequiométrico, a relação DQO:NH4 do substrato que alimentava o RBS piloto não apresentou déficit de elétrons para realização da desnitrificação heterotrófica via N-NO3-. Em conclusão, os reatores em bateladas sequenciais com LGA, em regime de nitrificação e desnitrificação alternadas, emitem uma grande quantidade de N2O durante o tratamento de esgoto sanitário. O controle das emissões deste GEE inclui a gestão das configurações operacionais do reator, assim como o monitoramento de fatores externos (razão C:N e temperatura), com o propósito de otimizar o tratamento do efluente líquido e minimizar a geração de subprodutos gasosos.

Abstract: Aerobic Granular Sludge (AGS) has recently received growing attention due to its outstanding ability on simultaneously remove nitrogen, carbon and phosphorus from wastewaters. However, a significant greenhouse gas (GEE) production ? nitrous oxide (N2O) has been reported from AGS systems regarding the nitrogen removal. N2O emissions are related to some operational conditions set in biological reactors, such as: low concentration of dissolved oxygen (DO), nitrite or nitrous acid accumulation or even ammonia nitrogen during aerobic phases, limited carbon source (e.g. low C: N ratio), alternating anoxic/aerated phases and sudden system changes (nitrogen loads, DO or NO2--N concentrations). Besides, such parameters may provide changes on the microbial ecology and deviation on the nitrous oxide emission factor (EF). Considering the aforementioned points, this study aimed to analyze the production and emission of N2O using sequencing batch reactor (SBR) with AGS and alternating nitrification denitrification (AND) process for nitrogen removal from real sanitary wastewater, considering: (1) different cycle configurations; (2) the study of metabolic pathways; and (3) analyze the effect of C/N ratios (expressed as DQOs: NH4) in the substrate. The influence of cycle configuration on nitrogen removal was performed in a pilot-scale 110L SBR, taking into account (i) single feeding and continuous aeration (ANDS) and (ii) step-feeding and intermittent aeration (ANDI). Metabolic pathways and C: N ratios were evaluated in batch tests using a 1L bench-scale reactor and AGS as inoculum collected in the pilot-scale RBS. Higher removal efficiencies of total (TN) and ammonia nitrogen (NH4+-N) were achieved in the ANDI strategy (54 and 95%, respectively), being were addressed to the step-feeding and intermittent aeration which detached the nitrification from the denitrification phase. However, this configuration presented higher EF (157-480 g N2O-N person-1 year-1), related to the presence of OD in anoxic phase. It was found that genera such as Thauera, which are heterotrophic denitrifiers, were present with a relative abundance of 3.8% (day 556, ANDI). In ANDS, the highest EF (227.5 ± 41.9g N2O-N person-1 year-1) and NT to N2O conversion (5.9 ± 2.0%) were associated with autotrophic denitrification by Nitrosomonas sp. in the period of low temperatures (20 ° C). While heterotrophic denitrification was the main N2O emission pathway in the warmer temperature period (25 ° C) and may be associated with the presence of Acidovorax and Thermomonas. Likewise, slow-growing organisms capable of denitrification and also of removing phosphorus, such as Defluviccocus and Tetrasphaera, were present in this condition. In the batch experiments fed with lower C:N ratios the highest N2O emissions were obtained (conversion of 19 and 18% of the tributary NT to N2O, for COD: NH4 = 0 and 1, respectively). Nitrous oxide emissions were higher in lab-scale sequencing batch reactors fed with low C:N substrates (around 19 and 18% of TN converted into N2O, considering COD:NH4 ratios of 0 and 1, respectively). From a stoichiometry perspective the substrate COD:NH4 ratio fed in the pilot-scale reactor did not present electron-deficiency to support the heterotrophic denitrification via NO3--N. This research, therefore, showed that sequencing batch reactors with AGS emit large amounts of nitrous oxide across the sewage treatment. Controlling this GHG emission includes the management of operational configurations of the reactor, as well as the monitoring of external factors (such as C:N ratio and temperature), in order to optimize the treatment of the liquid effluent and minimize the production of gaseous by-products.