Aplicação de alginato de sódio e substâncias poliméricas extracelulares para redução do tempo de granulação e estabilidade da biomassa em reator em bateladas sequenciais

Abstract

A tecnologia de lodo granular aeróbio (LGA) para o tratamento de efluentes está em expansão mundialmente e pode ser considerada como uma variante dos sistemas de lodos ativados. Contudo, o tempo de formação e a estabilidade dos grânulos ainda é um problema para a efetiva implantação dessa tecnologia. O uso de agentes para a agregação do lodo tem sido estudado visando remediar essas deficiências. Neste contexto, o presente trabalho estudou a aplicação de dois biopolímeros: alginato de sódio e substâncias poliméricas extracelulares (EPS) extraídas do LGA, atuando como aditivos para granulação aeróbia, em um reator em bateladas sequenciais granular (RBSG) alimentado por esgoto sanitário real. O estudo foi desenvolvido em 3 etapas, onde a primeira compreendeu a determinação da dosagem ótima dos biopolímeros por meio de ensaios de testes de jarros. A segunda etapa consistiu nas Fases I e II, as quais tiveram como objetivo avaliar o efeito de alginato de sódio (Fase I ? 107 dias, 400 mg L-1) e de EPS extraído de LGA (Fase II ? 100 dias, 50 mg L-1) na formação e manutenção da biomassa granular. Como resultados, verificou-se que a aplicação de alginato de sódio na Fase I favoreceu a aglomeração das partículas (2,9 ± 0,45 gSST L-1), com biomassa predominantemente granular (>50% acima de 212 µm de diâmetro), a partir do dia 37 de operação, e boa sedimentabilidade (IVL30= 68 ± 11 mL g-1). Na Fase II, a predominância de grânulos ocorreu a partir do dia 44, com concentração de biomassa de 1,3 ± 0,3 gSST L-1 e boa sedimentabilidade (IVL30 = 78 ± 21 mL g-1). Na terceira etapa foram avaliadas as mudanças das características da biomassa utilizada como inóculo (Fase III ? 1 g SST L-1; Fases IV e V ? 3 g SST L-1), e o tratamento do esgoto para diferentes condições operacionais de aplicação de EPS (Fase III ? 50 mg EPS L-1; Fase IV - 250 mg EPS L-1; Fase V - 250 mg EPS L-1 + 100 mg Ca L-1), sendo observadas diferenças significativas na velocidade de sedimentação da biomassa e no IVL30. A aplicação de íons de cálcio na estrutura do biopolímero (Fase V) contribuiu com essas diferenças, indicando impacto positivo no desenvolvimento do LGA. O efeito do biopolímero EPS como agente aglomerador foi relacionado à sua assimilação pelos microrganismos. As proteínas constituíram a componente principal da matriz EPS secretada pelos microrganismos, proporcionando uma maior aglomeração entre as partículas. Em relação às comunidades microbianas, a Fase I apresentou majoritariamente Betaproteobactérias (45%), destacando os gêneros Acidovorax, Zoogloea e Thermomonas. A Fase II destacou Alphaproteobactérias (64%), com presença de organismos desnitrificantes como Mesorhizobium, Clostridium e Brachymonas. As Fases III e IV apresentaram Alphaproteobaterias como a classe mais abundante (>43%). Contrastante a isso, a Fase V apresentou organismos da classe Chitinophagia (30,51%). Nessas três fases observou-se a ocorrência de organismos secretores de EPS, como os gêneros Xanthomonas e Thauera. O desempenho de tratamento do efluente não foi afetado pela adição dos biopolímeros. As eficiências de remoção obtidas (Fases I-V) ficaram entre 70 e 80% de DQOS, 50 e 60% de NH4-N e 10-31% de PT. Em conclusão, o processo de granulação foi acelerado tanto pela adição de alginato de sódio quanto pelo EPS, com recuperação da biomassa granular nos momentos de desintegração. Em todas as fases, o tratamento do efluente foi adequado e dentro dos limites de lançamento determinados pela legislação em vigor.

Abstract: Aerobic granular sludge (AGS) is an on-growing wastewater treatment technology all over the world, and is considered as an adaptation of the activated sludge process. However, the required period for granule formation and the instability of these aggregates are yet drawbacks for its real world application. Studies have suggested the application of external agents for enhanced granule formation in order to overcome these barriers. In this context, the present work evaluated the application of two biopolymers: sodium alginate and extracellular polymeric substances (EPS) extracted from AGS as enhancers of the aerobic granulation, in a granular sequencing batch reactor (GSBR) fed with low-strength real wastewater. This research was divided in 3 stages, in which the first aimed to determine the optimal dosage of the biopolymers through jar-test assays. The second stage consisted of Phases I and II, which focused to evaluate the effect of sodium alginate (Phase I ? 107 days, 400 mg L-1) and EPS extracted from AGS (Phase II ? 100 days, 50 mg L-1) on the formation and maintenance of granular biomass. The application of sodium alginate in Phase I promoted considerable adhesion of particles (2.9 ± 0.45 gTSS L-1). It also demonstrated predominance of granular biomass (>50% over 212 µm diameter) from the 37th day onwards, and good biomass settleability (SVI30= 68 ± 11 mL g-1). During Phase II, the predominance of granular biomass occurred from day 44th onwards. The biomass concentration was 1.3 ± 0.3 gTSS L-1 and demonstrated good settleability (SVI30 = 78 ± 21 mL g-1). The third stage aimed to clarify the implications of different inoculum start-up conditions (Phase III ? 1 g TSS L-1; Phase IV e V - 3 g TSS L-1) and the wastewater treatment efficiency while applying EPS in singular conditions for each phase (Phase III ? 50 mg EPS L-1; Phase IV - 250 mg EPS L-1; Phase V - 250 mg EPS L-1 + 100 mg Ca L-1). The addition of calcium ions (Phase V) in the structure of the biopolymer contributed for statistically significant differences on the settling velocity and SVI30 parameters, thus promoting a positive impact towards AGS development. Furthermore, the effect of EPS as a binding agent was related to its assimilation from the microorganisms. The secreted EPS matrix from these microorganisms showed proteins as its main constituent, which would further promote increased adhesion of particles. The microbial community analysis showed in Phase I the Betaproteobacterias (45%) as its most abundant class, while also highlighting the Acidovorax, Zoogloea e Thermomonas genus. Phase II featured Alphaproteobacterias (64%) as its most abundant class, alongside some denitrifying organisms, such as the Mesorhizobium, Clostridium e Brachymonas genus. Phases III and IV shared Alphaproteobacterias as their most abundant class (>43%). Contrarily, Phase V demonstrated organisms from Chitinophagia (30.51%) class. These three Phases shared some organisms responsible for EPS secretion, such as the Xanthomonas and Thauera genus. The addition of any of the biopolymers did not interfere on the reactor?s treatment performance. Moreover, the removal efficiencies for all phases (Phases I ? V) remained within 70 to 80% for SCOD, 50 to 60% for NH4-N and 10 to 31% for TP. In conclusion, the addition of sodium alginate and EPS was able to improve the granulation process rate, as well as promoting the recovery of disintegrated biomass. Furthermore, all phases showed adequate wastewater treatment performance, and were in accordance to the effluent discharge parameters from the current legislation.