Granulação natural em reator operado em bateladas sequenciais: características dos grânulos e desempenho no tratamento de esgoto sanitário / Natural granulation in sequencing batch reactor: granules characteristics and performance for domestic wastewater treatment

RESUMO Os reatores operados em bateladas sequenciais (RBS) com biomassa granular aeróbia são uma tecnologia compacta e promissora no tratamento de águas residuárias. Porém, sua utilização com esgoto sanitário ainda é um desafio, devido à instabilidade e desintegração dos agregados. O presente trabalho avaliou a granulação da biomassa em um RBS em escala piloto, sem a adição de inóculo, para o tratamento de esgoto sanitário. O estudo foi dividido em três estratégias operacionais com ciclos compostos pelas fases: enchimento, anóxica, aeróbia, sedimentação, descarte e repouso. Trabalhou-se com variações no tempo dos ciclos, 4 horas (estratégias I e II) e 6 horas (estratégia III), e na fase anóxica, 13, 30 e 90 minutos nas estratégias I, II e III, respectivamente. O desenvolvimento dos grânulos ocorreu de forma natural, sem inoculação, e o reator tratou o esgoto sanitário atendendo às exigências nacionais de padrões de lançamento de efluentes. As características do lodo granular aeróbio e o desempenho do reator no tratamento de esgoto melhoraram com o aumento da fase anóxica. Grânulos (200 a 400 µm) compreenderam mais de 80% da biomassa com boas características de sedimentabilidade (a razão entre os índices volumétricos de lodo após 30 e 10 minutos de sedimentação - IVL30/IVL10 - esteve entre 0,7 e 1,0) na estratégia III. As variáveis de maior relevância no processo foram a razão IVL30/IVL10 e a razão entre a demanda química de oxigênio solúvel do efluente e do anóxico (DQOS efluente/DQOS anóxico), polissacarídeos e temperatura, indicando a importância desses parâmetros para a manutenção da estabilidade operacional de um RBS com grânulos.

ABSTRACT Sequencing batch reactor (SBR) with aerobic granular biomass is a compact and promising technology in wastewater treatment. However, its use for sanitary sewage is still a challenge due to the instability and disintegration of the aggregates. The present work evaluated the biomass granulation in a pilot SBR, without addition of inoculum, for sanitary sewage treatment. The study was divided into three operational strategies with cycles composed by the phases of: filling, anoxic, aerobic, settling, effluent withdrawal and idle. The variations in the operational cycle time were: 4 hours (strategies I and II) and 6 hours (strategy III); and anoxic phase of 13, 30 and 90 minutes in strategies I, II and III, respectively. The granules development occurred in a natural way, without inoculation, and the reactor treated the sanitary wastewater meeting the national requirements of effluent discharge standards. The characteristics of the aerobic granular sludge and the reactor's performance improved with the anoxic phase increase. Granules (200-400 µm) were more than 80% of the biomass with good sedimentation characteristics (SVI30/SVI10 ratio between 0.7-1.0), in strategy III. The greatest relevance variables for the process were SVI30/SVI10 and COD Effluent/CODS Anoxic ratios, polysaccharides and temperature, indicating the importance of these parameters for the maintenance of the operational stability of granular SBR.

Reator em bateladas sequenciais de grânulos aeróbios: estudo da formação dos grânulos e do efeito da duração do ciclo na remoção de carbono, nitrogênio e fósforo de esgoto doméstico / Aerobic granular sludge sequencing batch reactor: study of granule formation and the cycle time effect in the carbon, nitrogen, and phosphorus removal from domestic wastewater

Neste trabalho estudou-se a formação de grânulos aeróbios em um reator em bateladas sequenciais alimentado com esgoto doméstico e avaliou-se o desempenho desse reator em relação à remoção de carbono, nitrogênio e fósforo utilizando ciclos operacionais de 3 e 4 h. Após 150 dias de operação, a biomassa do reator era constituída predominantemente por grânulos maduros e compactos, com concentração de sólidos suspensos em torno de 1,5 g.L-1. O reator apresentou elevada capacidade de remoção de carbono, nitrogênio e fósforo, principalmente quando operado em sucessivos ciclos de 4 h, atingindo uma eficiência média de remoção de demanda química de oxigênio solúvel de 82±5%, de NH4+-N de 69±19% e de PO43--P de 30±10%.

In this work, the formation of aerobic granules in a sequencing batch reactor fed with domestic wastewater was studied and the reactor's performance, in terms of carbon, nitrogen, and phosphorus removal, during operational cycles of 3 and 4 h, was evaluated. After 150 days of operation, the reactor's biomass predominantly consisted of compact mature granules, with a suspended solids concentration around 1.5 g.L-1. The reactor presented a high capacity for removing carbon, nitrogen, and phosphorus, mainly when operated in successive cycles of 4 h. Average removal efficiencies of 82±5% for soluble chemical oxygen demand, 69±19% for NH4+-N, and 30±10% for PO43--P were obtained.

Tratamento de esgoto sanitário em reator híbrido em bateladas sequenciais: eficiência e estabilidade na remoção de matéria orgânica e nutrientes (N, P) / Sewage treatment in a sequencing batch hybrid reactor: efficiency and stability in organic matter and nutrient (N, P) removal

Este trabalho apresenta os resultados de estudo sobre o comportamento de um reator híbrido, operado em bateladas sequenciais, na remoção conjunta de matéria carbonácea, nitrogênio e fósforo de esgoto sanitário. Operado em ciclos de 8 horas de duração, o reator possuía em seu interior um suporte fixo com rede de nylon. Foram testadas cargas compreendidas entre 0,39 e 1,35 kgDQO.m-3.dia-1, 42 e 60 gN-NH4-.m-3.dia e 51 e 70 gP-PO4-.m-3.dia. O reator funcionou como um sistema estável e apresentou boas condições de depuração. A remoção da matéria carbonácea mostrou-se elevada, com eficiências médias de 92 por cento de DBO5 e 80 por cento de DQO. A remoção de nutrientes variou entre 59 e 71 por cento para nitrogênio total e entre 45 e 67 por cento para fósforo total. Tanto no lodo em suspensão, quanto no biofilme, foi observada a ocorrência de bactérias oxidadoras de amônio e micro-organismos responsáveis pela desnitrificação e remoção biológica de fósforo.

This paper presents the results about the behavior of a sequencing batch hybrid reactor on combined removal of carbonaceous matter, nitrogen and phosphorus from sewage. Operated in 8-hour cycles, the reactor had a nylon net fixed inside. Loads between 0.39 and 1.35 kg COD.m-3.day-1, 42 and 60 gN-NH4-m-3.day-1 and 51 and 70 gP-PO4-m-3.day-1 were tested. The reactor operated as a stable system and showed good depuration conditions. The carbonaceous matter removal was high, with 92 and 80 percent efficiencies average to BOD5 and COD, respectively. The nutrients removal varied between 59 and 71 percent for total nitrogen and between 45 and 67 percent for total phosphorus. In both, sludge in suspension and the biofilm, occurrence of ammonium-oxidizing bacteria and microorganisms responsible for denitrification and biological phosphorus removal was observed.

Desempenho de sistema de tratamento de lixiviado de aterro sanitário com recirculação do efluente / Performance of a sanitary landfill leachate treatment system with effluent recirculation

O objetivo deste estudo foi avaliar o desempenho de um sistema de tratamento de lixiviado de aterro sanitário, em escala piloto, formado por três lagoas em série (L1, L2 e L3) seguidas por um filtro de pedras (FP). Foram estudadas três condições operacionais, verificando-se o efeito da recirculação do efluente da L3 para a L1: 0, 50 e 100 por cento da vazão. O sistema absorveu bem as flutuações de cargas, apresentando remoções superiores a 80 por cento para DBO F, 70 por cento para DQO T e 98 por cento para nitrogênio amoniacal. Na lagoa L2 houve nitrificação parcial, com acúmulo de nitritos. Ocorreu presença marcante do gênero Chlamydomonas nas lagoas L2 e L3 fotossintéticas. Observou-se diminuição da toxicidade do lixiviado, com reduções superiores a 95 por cento na saída do sistema. A melhor eficiência de remoção para as três condições operacionais estudadas foi obtida com 100 por cento de recirculação.

The objective of this study was to evaluate the performance of a landfill leachate treatment system, at pilot scale, formed by three in series ponds (L1, L2, and L3) followed by a rock filter. Three operational conditions were studied, assessing the effluent recirculation effect from L3 to L1: 0, 50 and 100 percent of the flow rate. The system assimilated well the load fluctuations, showing removal efficiencies over 80 percent for BOD F, 70 percent for COD T and 98 percent for ammonia. In the L2 pond there was partial nitrification with nitrite accumulation. It was observed an outstanding presence of the Chlamydomonas gender in photosynthetic ponds L2 and L3. A reduction of the toxicity from the landfill leachate was observed, with reduction of over 95 percent in the system output. The better removal efficiency for the three studied operational conditions was obtained for 100 percent of recirculation.

Influência do tipo de material suporte no desempenho de reatores biológicos de leito móvel na remoção de carbono e nitrificação de esgoto sanitário / The influence of material support kind on the biological moving bed reactors performance used for the carbon removal and nitrification of sewage

Neste trabalho foi mostrada a influência do tipo de material suporte: P4 (plástico reciclado rugoso, diâmetro médio de 2,31 mm, densidade de 900 kg.m-3, superfície específica potencial de 2.596 m².m-3sup) e P5 (polietileno, pouco rugoso, forma cilíndrica, diâmetro médio de 10 mm, densidade de 880 kg.m-3, superfície específica potencial de 3.075m².m-³sup) utilizados em dois reatores biológicos de leito móvel, fluxo contínuo, na remoção de carbono e nitrificação de esgoto sanitário, os quais foram divididos em duas fases, de acordo com a idade do lodo (IL): fase A: IL de 10 dias e fase B: IL de 3 dias. Foram aplicadas cargas orgânicas superficiais médias de 4,0 kgDQO.m-2.d-1 (P4) e de 4,1 kgDQO.m-2.d-1 (P5); e cargas superficiais de nitrogênio de 0,63 kgN.m-2.d-1 (P5) e de 0,66 kgN.m-2.d-1 (P5). Para o material P4, a remoção média foi de 87 por cento de carbono e 83 por cento de nitrogênio (fase A) e 80 por cento de carbono e 77 por cento de nitrogênio (fase B). Para o P5, remoção de 63 por cento de carbono e 55 por cento de nitrogênio (Fase A) e 59 por cento de carbono e de nitrogênio (fase B). Com base nos resultados obtidos, verificou-se que a remoção de carbono e nitrogênio não foi influenciada pela idade do lodo, mas pelo tipo de material suporte (forma ou características de superfície) e superfície disponível para o crescimento da biomassa.

This paper presented the influence of material support kind: P4 (rugous recycled plastic, medium diameter of 2.31 mm, density of 900 kg.m-3, specific surface potential of 2,596 m².m-3sup) and P5 (polietilene, cilindric shape, medium diameter of 10 mm, density of 880 kg.m-3, specific surface potential of 3,075m².m-3sup) used in two continuous flux biological moving bed reactors using different material support to remove nitrogen and carbon from sewage, which was divided in two phases according to sludge retention time (SRT): phase A: SRT of 10 days and phase B: SRT of 3 days. The organic loading rates applied were 4.0 kgCOD.m-2.d-1 (P4) and 4.1 kgCOD.m-2.d-1 (P5); and the nitrogen loading rates applied were 0.63 kgN.m-2.d-1 and 0.66 kgN.m-2.d-1 for P4 and P5, respectively. The support P4 achieved efficiencies of 87 percent for total carbon removal and 83 percent for nitrogen removal during phase A. These efficiencies slightly decreased to 80 and 77 percent for total carbon and nitrogen, respectively (phase B). The support P5 got removal efficiencies of 63 percent for total carbon and 55 percent for nitrogen (phase A) and 59 percent for total carbon and nitrogen (phase B). These results showed that the total carbon and nitrogen removal efficiencies were not affected by the SRT, but by the kind of support used (carrier geometry or surface characteristics) and available specific surface area for biomass growth.

Treatment of shrimp effluent by sedimentation and oyster filtration using Crassostrea gigas and C. rhizophorae

Efficiency in removing particulate matter from Litopenaeus vannamei shrimp culture effluent was assessed in laboratory scale employing sedimentation and oysters Crassostrea gigas and C. rhizophorae filtration processes. Cylindroconical tanks (100 L) were used in duplicate for sedimentation and 50-L in triplicate for oyster filtration. Fifteen oysters of each species weighing 76-80 g were stocked in each of the filtration treatment experimental units (biomass of 1065 - 1174 g oyster per unit). The control treatment was a tank similar to those used in the filtration treatment but with empty oyster shells. Hydraulic retention time of the effluent was of 6 hours in each treatment. First, effluent went through sedimentation, and then the supernatant went through the filtration tanks. Temperature, pH, dissolved oxygen, salinity, turbidity, total suspended solids, total volatile solids, chlorophyll a and BOD5 were evaluated. During sedimentation and filtration, temperature, pH, salinity and dissolved oxygen concentration remained stable. Sedimentation removed 18, 5.6, 27.5, 45.40 and 23.2 percent of turbidity, total suspended solids, total volatile solids, chlorophyll a and BOD5, respectively. Chlorophyll a and BOD5 after sedimentation presented significant difference (P<0.05) from the farm crude effluent. For the filtration treatment, C. rhizophorae was more efficient removing 62.1, 70.6, 36.1, 100 and 17.2 percent of turbidity, total suspended solids, total volatile solids, chlorophyll a and BOD5, respectively, whereas C. gigas removed 56.3, 41.2, 27.8, 51.4 and 8.0 percent of the same parameters. Statistically comparing C. rhizophorae and C. gigas performances, there were differences (P<0.05) in removing total suspended solids, total volatile solids and chlorophyll a.

Em escala laboratorial, foi comparada a eficiência de remoção de material particulado presente no efluente do cultivo de camarão branco Litopenaeus vannamei, mediante o processo de sedimentação e filtração com ostra nativa Crassostrea rhizophorae e com ostra do pacifico Crassostrea gigas. No processo de sedimentação foram empregados tanques cilindro cônico, em duplicata, de cor preta com 100 L de capacidade total. Para o processo de filtração foram empregados tanques cilindro cônicos, em triplicata, de cor preta de 50 L de volume total. No tratamento de filtração cada unidade experimental foi estocada com 15 indivíduos de ostras de ambas as espécies, com peso médio entre 76 - 80 g, mantendo uma biomassa entre 1.065 e 1.174 g ostra por unidade. Também foi empregado um tanque com as mesmas características ao de filtração, como controle, contendo apenas conchas de moluscos sem animal. O tempo de retenção hidráulica do efluente, em cada tratamento, foi de 6 horas, passando primeiro pelo processo de sedimentação e posteriormente o sobrenadante foi transferido para a filtração. As variáveis avaliadas no estudo foram pH, temperatura, oxigênio dissolvido, salinidade, turbidez, sólidos suspensos totais, sólidos voláteis totais, clorofila a e DBO5. No processo de sedimentação e de filtração, as variáveis temperatura, pH, salinidades e oxigênio dissolvido se mantiveram estáveis. O tratamento de sedimentação conseguiu uma remoção de 18,7 por cento; 5,6 por cento; 27,5 por cento; 45,4 por cento e 23,2 por cento, para a turbidez, sólidos suspensos totais, sólidos voláteis totais, clorofila a e DBO5, respectivamente, sendo que a clorofila a e a DBO5 foram as variáveis que no processo de sedimentação apresentaram diferenças estatísticas (P<0,05) em relação ao efluente bruto da fazenda. No processo de filtração, a ostra C. rizophorae resultou ser mais eficiente na remoção do material particulado do que a ostra C. gigas, com valores de 62,1 por cento; ...

Plankton biomass in secondary ponds treating piggery waste

This study aimed at analyzing the plankton biomass found in a piggery waste treatment system, composed of a high rate algal pond (HRAP), two maturation ponds (MP1, MP2) (System A) and a water hyacinth pond (WHP) (System B). The ponds were disposed in series and the study was performed for 32 weeks. The physicochemical variables monitored were: pH, temperature, dissolved oxygen, soluble chemical oxygen demand, nitrogen compounds and total phosphorus. The plankton biomass was identified at genus level and the ecology index was calculated so as to describe its development in the ponds. Results showed lower specific richness, which was associated to the mono-specific Chlorella sp population. The protozoa density was conversely proportional to the green algae density. The higher species diversity occurred in the WHP and MP2. The green algae presented high relative density (>97 percent). The Jaccard index reached 100 percent if Chlorella sp and sometimes diatoms were found in the system's inlet and outlet. The productivity of algal biomass was lower than 10 gTSS/m²/d in the maturation ponds, which was maintained in the HRAP. The green algae coefficient of variation (CV) varied from 0 to 1.5 in the HRAP and WHP, but was constant at 0.9 to the 10th week in MP1 and around 0.5 during all the experimental period for MP2. For the chlorophyll a, this coefficient varied in all the ponds.

Este trabalho teve como objetivo estudar a biomassa do plâncton encontrado em um sistema de tratamento de dejetos suínos, formado por uma série de lagoas. Foram monitoradas 1 lagoa de alta taxa (LAT), 2 lagoas de maturação (LM1, LM2) (sistema A) e 1 lagoa de aguapés (LAG) (sistema B), durante 32 semanas, por meio de variáveis físico-químicas tais como pH, temperatura, oxigênio dissolvido, demanda química de oxigênio, compostos nitrogenados e fósforo total. Igualmente, foram feitas identificações da biomassa planctônica, a nível de gênero, e calculados índices ecológicos que permitem descrever o seu desenvolvimento dentro das lagoas. O sistema de tratamento para dejetos suínos apresentou boa eficiência na remoção de matéria orgânica (DQOs) e nutrientes (nitrogênio, amônia, nitrato, nitrito e fósforo). Os resultados mostraram baixa riqueza de espécies, a qual esteve associada à população mono-específica de Chlorella sp. A densidade dos protozoários foi inversamente proporcional à densidade das clorofíceas na LAT (que apresentou altas concentrações de DQO, nitratos e nitritos e SS) e na LAG (com baixas concentrações de DQO solúvel e OD). Constatou-se que a maior diversidade de espécies ocorreu nas últimas lagoas da série (LM2 e LAG), onde havia baixa concentração de nutrientes (compostos nitrogenados e fósforo total). As clorofíceas apresentaram a maior densidade relativa (> 97 por cento). O índice de Jaccard atingiu 100 por cento somente quando Chlorella sp e, às vezes, diatomáceas foram encontradas na entrada e na saída do sistema (A ou B). A produtividade da biomassa algal foi em torno de 10 gSST/m²/dia na LAT, 8 gSST/m²/dia na LAG e inferior nas outras lagoas. O coeficiente de variação (CV) das clorofíceas variou entre 0 e 1,5 nas lagoas LAT e LAG, porém manteve-se constante em 0,9 até a 10ª semana na LM1 e em torno de 0,5 durante todo o período experimental na LM2; para a clorofila a, este coeficiente apresentou-se muito variável em...

The potential of denitrification for the stabilization of activated sludge processes affected by low alkalinity problems

In this study, the problems provoked by nitrification of wastewater with low alkalinity were analyzed in a pilot sequencing batch activated sludge reactor (SBR). Decrease in pH resulted in disappearence of protozoa. De-flocculation of the activated sludge floc started below pH 6.5, resulting in enhanced effluent turbidity and loss of bacteria. Nitrification efficiency was affected below pH 6.2. The denitrification activity was not sufficient to keep up the pH, due to a low C/N ratio of the wastewater. Based on alkalinity and ammonia concentration of the wastewater and the necessary denitrification rate to prevent operational problems, was developed a prognostic diagram. The applicability of this diagram was tested for the SBR with excellent results. The diagram could be applied to optimize the operation of wastewater treatment plants affected by problems with low alkalinity wastewater.

Os problemas provocados pela nitrificação no esgoto com baixa alcalinidade foram analisados num reator piloto do tipo lodos ativados seqüencial por batelada (RSB), alimentado por esgoto urbano. A diminuição do pH se mostrou em três níveis: com pH de 6,8 - 6,0 os protozoários, responsáveis para a filtração da fase liquida, desaparecerem; os flocos de lodos ativados começaram a se destruir abaixo pH 6,5 resultando em elevação da turbidez no efluente final e abaixo de pH 6,2-6,0 a nitrificação foi afetada. A influência da desnitrificação para manter o pH foi analisada. Devido a baixa relação C:N no esgoto pré-tratado, a desnitrificação não se mostrou suficiente para manter o pH estável. Este trabalho apresenta o cálculo da alcalinidade que considera a influência da nitrificação e desnitrificação, de acordo com os resultados obtidos no RSB. Baseado nesse cálculo, foi desenvolvida uma recomendação na forma gráfica para usar em ETE´s afetadas por baixa alcalinidade.

Nitrification in hybrid reactor with a recycled plastic support material

This work investigated the nitrification in a hybrid moving bed pilot scale reactor, which used a low density recycled plastic support material for biomass growth. The filling rate was 20 percent of its working volume (22L). The feeding and recirculation outflow was 45L/day. The reactor operated at a temperature of 16°C, in two phases, according to the sludge retention time (SRT): A phase was 10 days and B phase was 3 days (average values). The applied average volumetric nitrogen and organic loads were 0.16KgTKN/m3.day and 1kgCOD/m³.day, respectively. The results showed an average nitrogen removal of 95 percent and average COD removal of 89 percent, in both A and B phases. Nitrogen removal rates were independents of the SRT.

Modelling and optimisation of stabilisation ponds system for the treatment of swine wastes: organic matter evaluation

O modelo de produçäo adotado na suinocultura brasileira, principalmente na regiäo oeste de Santa Catarina, é feita com os anomais confinados em pequenas áreas, trazendo como consequência grande produçäo de dejetos. Este é diluído, atravé do uso de água para a limpeza das baías, aumentando seu volume. Seu lançamento nos cursos de água da regiäo está comprometendo a qualidade dos mananciais devido a contaminaçäo bacteriológica e poluiçäo por compostos químicos. Dessa forma, há necessidade de processos de tratamento para minimizar os problemas ambientais gerados por essa atividade. As lagoas de estabilizaçäo tem sido utilizadas, por apresentar um excelente desempenho quanto à eficiência de remoçäo da matéria orgânica, dos nutrientes e de coliformes fecais; além dos baixos custos de implantaçäo e de manutençäo. Este trabalho apresenta o monitoramento numa série de quatro lagoas de estabilizaçäo, em escala real, tratando dejetos suínos em Concórdia/SC, Brasil. O sistema de lagoas foi avaliado durante 20 meses, tendo o objetivo de buscar os parâmetros principais de funcionamento das mesmas, bem como a obtençäo dos dados de custos de capital e operacional, para ajustamento de equações para a modelagem e otimizaçäo de sistemas quanto à remoçäo da matéria orgânica. O modelo desenvolvido é flexível, sua aplicaçäo é válida para utilizaçäo como adubo dos despejos tratados em plantações de milho e outros cereais