Granulação e estabilidade de lodo granular aeróbio desenvolvido em reatores em bateladas sequenciais operados em diferentes condições operacionais

Abstract

A tecnologia de lodo granular aeróbio (LGA) demonstra grande potencial em escala real no tratamento de efluentes diversos. No entanto, ainda existem questões desafiadoras e limitações relevantes à sua aplicação mais ampla, destacando-se a instabilidade dos grânulos e perda da atividade biológica, levando à consequente desintegração. Deve-se levar em conta nos projetos, que o clima (temperatura e regime de chuvas) e a composição do esgoto local se diferenciam, afetando diretamente o desempenho do sistema. Neste contexto, esta tese de doutorado, realizada na Universidade Federal de Santa Catarina (UFSC) em cooperação com a Faculdade de Engenharia da Universidade do Porto (FEUP), teve como objetivo principal avaliar o processo de granulação e a estabilidade da biomassa granular, para diferentes condições operacionais, com foco na variação de carga orgânica (COV), relação carbono e nitrogênio (C:N) e fontes de substrato orgânico. No SE-I (reator piloto-alimentado com esgoto sanitário), foram aplicadas duas razões de troca volumétrica (RTV: 50 e 75%). Na RTV mais elevada, a biomassa apresentou uma fração de grânulos > 80% após 4 meses de operação, com morfologia heterogênea e estruturas espalhadas (finger type), no entanto boa sedimentabildade (Índice Volumétrico de Lodo-IVL30 < 70 mL gSST L-1) foi observada. O aumento da RTV de 50 a 75% provou ser uma estratégia importante para a estabilidade do LGA, especialmente durante períodos chuvosos, quando a carga carbonácea é diluída (COV <0,4 kgDQOS m-3 d-1). As proteínas (PN) foram a componente predominante das substâncias poliméricas extracelulares (EPS), com o dobro de concentração comparadas aos polissacarídeos (PS). Na RTV de 75% houve maior conteúdo de EPS, suportado pela maior abundância relativa das famílias Saprospiraceae e Flavobacteriaceae. O aumento da troca volumétrica não afetou o desempenho do reator, produzindo efluente de acordo com a legislação nacional. A DQO foi removida principalmente na fase anaeróbia do ciclo, em ambas as estratégias (> 90% para RTV=75%). A nitrificação na RTV=50% foi efetuada principalmente por Nitrospira ssp., e na RTV=75% por Nitrosomonas ssp. e Nitrospira ssp. (em duas etapas). Na segunda etapa da pesquisa, utilizou-se o sistema SE-II, com 2 reatores em paralelo alimentados com efluente sintético (C:N=5 e 10, e fontes de carbono simples e complexa). A granulação foi favorecida na relação C:N=5, na qual 40% dos grânulos apresentaram diâmetro (D) acima de 500 µm. Na C:N=10, os grânulos foram menores (200 µm <D < 500 µm), mas com morfologia uniforme e ótima sedimentabilidade (IVL30 e IVL5 <30 mL gSST L-1). A razão PN/PS foi influenciada pela composição do carbono no afluente, devido ao aumento da produção de PS sob relação C:N=5, e o consumo na relação C:N=10. Em ambas as relações C:N e para os diferentes substratos orgânicos foram alcançadas elevadas remoções de carbono (~90%) e nitrificação completa (N-NO2- <2 mg L-1 no efluente). A oxidação do nitrogênio amoniacal alcançou 90% para C:N=10. Nesta condição, a ocorrência de organismos como Zooglea e Flavobacterium, corroborou para a formação de grânulos maduros e estáveis. Em conclusão, a granulação e a manutenção da estabilidade do sistema LGA foram favorecidos com uma maior razão de troca volumétrica (75%). A complexidade do substrato orgânico impactou negativamente às atividades dos microrganismos, devido os produtos intermediários das vias metabólicas da glicose e aminoácidos. Organismos associados à estabilidade da biomassa granular foram favorecidos na C:N=10. No geral, é possível desenvolver biomassa granular com esgoto sanitário, no entanto, o uso de estratégias operacionais para selecionar microrganismos é necessária, para que as principais rotas metabólicas de interesse sejam favorecidas, a fim de manter a operação estável do sistema de tratamento biológico.

Abstract: Aerobic granular sludge (AGS) technology has been showing a great potential for the treatment of several types of wastewater on full-scale plants. However, there are still challenging issues and limitations to be addressed, e.g. the granules instability and loss of biological activity which leads to disintegration. Theses drawbacks should be considered since climate (i.e., temperature and rainfall) and the composition wastewater differ from place to place, which affects directly the system performance. In this context, this doctoral thesis conducted at the Federal University of Santa Catarina (UFSC) in cooperation with the Faculty of Engineering of the University of Porto (FEUP), aimed at evaluating the granulation process and the stability of granular biomass under different operational conditions by focusing on the variation of organic loading rate (OLR), carbon to nitrogen ratio (C:N) and organic substrate sources. In the first part of the research, for the pilot reactor fed with municipal wastewater, the highest VER (volumetric exchange ratio) applied of 75% led to increase in the granules fractions over 80% after 4 months of operation. Granules presented a heterogeneous morphology, finger-type structures however good settling properties (Sludge Volume Index-SVI30 < 70 mL gTSS L-1) were observed. The increase in the VER from 50 to 75% proved to be an important strategy for the AGS stability, especially during rainy periods, when the carbon concentration is lower (OLR <0.4 kgCOD m- 3 d-1). Proteins (PN) were the predominant component of extracellular polymeric substances (EPS) since concentrations were doubled when compared to the polysaccharides (PS). Under the strategy of VER of 75%, EPS content was higher, which was in accordance with the higher relative abundance of Saprospiraceae and Flavobacteriaceae families. The VER increase did not affect the effluent quality, which was in accordance with Brazilian regulations. COD was removed mainly in the anaerobic phase in both strategies (> 90% for VER=75%). The nitrification in VER=50% was carried out mainly by Nitrospira ssp., and in VER=75% by Nitrosomonas ssp. and Nitrospira ssp. (in two steps). In the second part of the research, two reactors were run in parallel fed with synthetic wastewater comprised by different nitrogen ratios (C:N=5 and 10), and simple and complex carbon sources. Granulation was favored in the C:N=5 ratio, in which 40% of the granules showed diameter (D) above 500 µm. Under C:N=10, the granules were smaller (200 µm <D < 500 µm), but presented uniform morphology and excellent settling proprieties (SVI30 and SVI5 <30 mL gTSS L-1). Carbon composition in the influent influenced the PN/PS ratio, since there was an increase in PS concentration under the C:N=5 ratio, while a decrease was observed for the C:N=10 ratio. High carbon removals (~90%) and complete nitrification (NO2--N <2 mg L-1 ) were achieved in both C:N ratios. Ammonium oxidation reached 90% for C:N=10. In this condition, the presence of organisms such as Zooglea and Flavobacterium contributed to the formation of mature and stable granules. In conclusion, the granulation and maintenance of the AGS stability were favored with higher VER (75%). The complexity of the organic substrate hindered the microbiological activity, due to the intermediary products the metabolic pathways of glucose and amino acids. Higher C:N (10) favor the development of organisms associated with the stability of granular biomass. Hence, this work shows that it is possible to successfully cultivate granular biomass with municipal wastewater. However, the factors management to select microorganisms of interest is necessary, in order to foster main metabolic pathways and, thus, maintain a more stable operation of system.