Recuperação de biopolímeros de lodo biológico e seu uso como biossorvente de fósforo de efluentes

Abstract

A recuperação de recursos a partir das estações de tratamento de efluentes (ETE) é uma estratégia promissora que inclui princípios que regem a economia circular, onde se agrega valor aos subprodutos gerados. Biopolímeros com característica de hidrogel (alginate-like exopolymer-ALE) podem ser recuperados do lodo biológico residual e serem utilizados em aplicações ambientais, como material adsorvente de nutrientes presentes em efluentes. O fósforo, como um nutriente importante e com crescente escassez, pode ser recuperado de efluentes por meio de processos de adsorção, para posterior uso como insumo na agricultura. Nesta ótica, este trabalho teve por objetivo o estudo da recuperação de ALE de lodo residual de processos aeróbios de tratamento de efluentes, e posterior aplicação como adsorvente de fósforo de efluente sintético e real. O trabalho foi delineado nas seguintes etapas: (1) avaliação da recuperação de biopolímeros de lodo ativado (LA) residual de uma ETE em escala real e de lodo granular aeróbio (LGA) de um reator em bateladas sequenciais piloto; (2) avaliação da mistura de ALE recuperado de LA e alginato de sódio para a melhoria de sua estrutura como adsorvente; (3) estudos de modelos cinéticos e de isotermas de adsorção utilizando efluente sintético; (4) avaliação da adsorção de fósforo utilizando efluente real da suinocultura; e (5) caracterização do biossorvente quanto ao seu potencial de aplicação como biossólido na agricultura. O rendimento de recuperação de ALE do LA (187±13?? SVALE/ ?SVLodo) foi próximo ao obtido do LGA (220±20 ?? SVALE/?SVLodo). No lodo, há a presença de microrganismos relacionados à produção de biopolímeros e de enzimas extracelulares. A proporção de 2,5% de alginato (m/m) no biossorvente manteve sua integridade estrutural durante o ensaio de adsorção, que apresentou uma eficiência de remoção de fósforo de 53%. A condição ótima para realização da adsorção foi em pH 8, concentração inicial de fósforo no efluente sintético de 100 mgP/L e dose de biossorvente de 0,39 g/L (peso seco) (15 g/L peso úmido). O equilíbrio do processo de adsorção foi atingido após 10 minutos, o modelo de isoterma de Langmuir e o modelo cinético PPO foram os que apresentaram os melhores ajustes aos dados experimentais, resultando no qmax de 8,164 mg/gALE. Com efluente de suinocultura, observou-se capacidade de adsorção de 8,58 mg/gALE, eficiência de remoção de 78% utilizando 15 g/L de biossorvente. O adsorvente apresentou em sua composição substâncias húmicas (663,6 ± 51,7 mg/gSVALE) e ácido glucurônico (482,3 ± 97,2 mg/gSVALE), os quais em conjunto com elementos como o enxofre e o fósforo, indicam o potencial uso agrícola do ALE extraído de LA, de acordo com a legislação para aplicação de biossólidos na agricultura.

Abstract: The resource recovery from Wastewater Treatment Plants (WWTP) is a promising strategy that includes circular economy principles, and that can add value to the process by-products. Biopolymers with hydrogel properties (alginate-like exopolymer-ALE) can be recovered from residual biological sludge and be used in environmental applications, such as adsorbent material for nutrients present in effluents. Phosphorus, as an important nutrient with increasing scarcity, can be recovered from effluents through adsorption processes, for later use as a nutrient input in agriculture. In this sense, this work aimed to study the recovery of ALE from residual sludge from aerobic processes of wastewater treatment, and subsequent application as a phosphorus adsorbent in synthetic and real effluent. The work comprised (1) the evaluation of biopolymer recovery from residual activated sludge from a full-scale Conventional Activated Sludge (CAS) WWTP and from aerobic granular sludge (AGS) from a pilot scale sequential batch reactor (SBR); (2) evaluation of ALE mixture recovered from CAS and alginate to improve its structure as an adsorbent; (3) studies of kinetic models and adsorption isotherms using synthetic effluent; (4) evaluation of phosphorus adsorption using real swine effluent and; (5) characterization of the adsorbent in terms of its potential application as a biosolid in agriculture. The ALE recovery yield from CAS (18.7%) was close to that obtained from AGS (22%). In the sludge, there are microorganisms correlated with the production of biopolymers and extracellular enzymes. The proportion of the ALE and alginate of 2.5% (w/w) was most adequate for adsorption. In this condition, the biosorbent showed a phosphorus removal efficiency of 53%, in addition to maintaining its structural integrity. The optimal condition for carrying out the adsorption was at pH 8, initial phosphorus concentration in the synthetic effluent of 100mgP/L, and adsorbent dose of 0.39g/L (dry weight) (15g/L wet weight). The Langmuir isotherm model and the PPO kinetic model best fitted to the experimental data, resulting in qmax of 8,164 mg/gALE. With the use of swine effluent, a phosphorus removal efficiency of 78% was achieved with a dosage of 15 g/L of adsorbent. The adsorbent presented in its composition humic substances (663.6 ± 51.7 mg/gSVALE) and glucuronic acid (482.3 ± 97.2 mg/gSVALE), which together with elements such as sulfur and phosphorus, suggest to the ALE recovered from CAS the potential agricultural use, according to the legislation for the application of biosolids in agriculture.