Effects of coal ash supplementation on aerobic granular sludge cultivated in a simultaneous fill/draw sequencing batch reactor / Efeitos da suplementação de cinzas de carvão mineral em lodo granular aeróbio cultivado em reator em batelada sequencial de alimentação/descarte simultâneos

ABSTRACT This study aimed to verify if coal ash, a residue from thermal power plants, could act as a granulation nucleus, cations source, and abrasive element to favor granules formation and stability in aerobic granular sludge (AGS) systems. Two simultaneous fill/draw sequencing batch reactors (SBRs) (R1 and R2) were operated with 6-h cycles, i.e., the filling and drawing phases occurred simultaneously, followed by the reaction and settling phases. R1 was maintained as control, while R2 was supplemented with coal ash (1 g·L-1) on the first day of operation. Granulation was achieved in both reactors, and no significant differences were observed in terms of settleability, biomass retention, morphology, resistance to shear, and composition of the EPS matrix. However, the ash addition did not change the settleability, biomass retention, granule morphology, shear resistance, and extracellular polymeric substances (EPS) content significantly. COD removal was high (≥ 90%), while nitrogen (~50%) and phosphorus (~40%) removals were low, possibly due to the presence of nitrate during the anaerobic phase. With granulation, microbial population profile was altered, mainly at the genus level. In general, the operational conditions had a more considerable influence over granulation than the ash addition. The possible reasons are because the ash supplementation was performed in a single step, the low sedimentation rate of this particular residue, and the weak interaction between the ash and the EPS formed in the granular sludge. These factors appear to have decreased or prevented the action of the ash as granulation nucleus, source of cations, and abrasive element.

RESUMO O objetivo deste estudo foi verificar se a cinza de carvão mineral, um resíduo de usinas termelétricas, poderia atuar como núcleo de granulação, fonte de cátions e elemento abrasivo em sistemas de lodo granular aeróbio (LGA) para favorecer a formação e estabilidade dos grânulos. Dois reatores em batelada sequencial (RBS) (R1 e R2) foram operados em regime de alimentação/descarte simultâneos com ciclos de 6 h, ou seja, as fases de alimentação e descarte do efluente ocorreram simultaneamente, seguidas das fases de reação e de decantação. O R1 foi mantido como controle, enquanto o R2 foi suplementado com as cinzas (1 g·L-1) no primeiro dia de operação. A granulação foi alcançada em ambos os reatores, não havendo diferenças marcantes em termos de sedimentabilidade, retenção de biomassa, morfologia do grânulo, resistência ao cisalhamento e conteúdo de substâncias poliméricas extracelulares (SPE). A remoção de DQO foi alta (≥ 90%), enquanto as remoções de nitrogênio (~50%) e fósforo (~40%) foram baixas, possivelmente pela presença de nitrato na fase anaeróbia. Após a granulação, o perfil da comunidade microbiana mudou, especialmente em termos de gênero. Globalmente, as condições operacionais tiveram maior influência sobre a granulação do que a adição das cinzas, possivelmente porque elas só foram adicionadas uma vez e possuem baixa velocidade de sedimentação, bem como devido a uma fraca interação das cinzas com a matriz de SPE formada no lodo aeróbio. Esses fatores podem ter diminuído, ou mesmo impedido, a ação das cinzas como núcleo de grânulo, fonte de cátions ou elemento abrasivo.

Seleção de substratos padrões para ensaios respirométricos aeróbios com biomassa de sistemas de lodo ativado / Standards substrate selection for aerobic respirometric tests with biomass of activated sludge systems

Nesta pesquisa investigou-se a influência de diferentes substratos na determinação da taxa específica de consumo de oxigênio de biomassa com cultura mista heterotrófica e autotrófica nitrificante, visando à caracterização do substrato mais adequado no desenvolvimento de ensaios respirométricos aeróbios. Foram utilizadas diferentes biomassas derivadas de quatro variantes de sistemas de lodo ativado. Os grupos heterotróficos e autotróficos nitrificantes foram avaliados em relação à sua velocidade de consumo dos substratos testados, sendo utilizada a técnica da respirometria aeróbia aberta semi-contínua de distintos pulsos, descrita em Van Haandel e Catunda (1982). Um respirometro automático acoplado a um computador foi utilizado em todos os testes respirométricos. Para identificar a taxa de consumo dos organismos heterotróficos, os substratos de fonte de carbono selecionados foram acetato de sódio (C2H3NaO2), acetato de etila (C4H8O2), etanol (C2H6O), glicose (C6H12O6) e fenol (C6H6O). Para o grupo autotrófico nitrificante foram utilizados bicarbonato de amônio (NH4HCO3), cloreto de amônio (NH4Cl) e nitrito de sódio (NaNO2). Os resultados referentes ao grupo heterotrófico indicaram significativa diferença da taxa metabólica desses organismos na utilização dos substratos avaliados, exercendo maiores taxas de consumo de oxigênio para o acetato de sódio, enquanto para o grupo nitrificante o bicarbonato de amônio mostrou-se mais adequado. Comparando todos os sistemas estudados, observa-se a mesma tendência de maior biodegradabilidade ou afinidade aos substratos acetato de sódio e bicarbonato de amônio.

The influence of different substrates on the oxygen uptake rate (OUR) of sludge composed of heterotrophic and autotrophic bacteria was determined, in order to characterize the most suitable substrate for aerobic respirometric tests was the object of this research. Four different sludges were used, generated in variants of activated sludge systems. The OUR of the heterotrophic and autotrophic (nitrifying) bacteria was determined after additions of the different tested substrates by the technique of open semi-continuous aerobic respirometry, described in Van Haandel and Catunda (1982). An automated respirometer coupled to a computer was used in all respirometric tests. The OUR of the heterotrophic organisms, substrates was determined after adding separately sodium acetate (C2H3NaO2), ethyl acetate (C4H8O2), ethanol (C2H6O), glucose (C6H12O6) and phenol (C6H6O). For the autotrophic nitrifying group ammonium bicarbonate (NH4HCO3), ammonium chloride (NH4Cl) and sodium nitrite (NaNO2) were used as substrates. The results of the tests with the heterotrophic group of bacteria showed that significant differences in the OUR and hence in the metabolic rate by these organisms when the selected substrates were used, with sodium acetate exerting the highest OUR. For the group of nitrifying bacteria ammonium bicarbonate was the most appropriate substrate. The tendency of highest biodegradability and substrate affinity for sodium acetate and ammonium bicarbonate was observed for all four sludges from the different systems that were used in the investigation.