Influência da razão DQO/[SO 4 2- ] e da concentração de Na + na remoção de matéria orgânica e sulfato em reator UASB / Influence of COD/[SO4 2-] ratio and Na+ concentration on organic matter and sulfate removal in UASB reactor

RESUMO O tratamento anaeróbio de efluentes industriais ricos em sulfato e sódio pode ser limitado por vários fatores, dentre os quais a relação DQO/sulfato, a concentração de SO4 2- e a concentração de sódio. Entre os fenômenos investigados estão a competição entre bactérias redutoras de sulfato e arquéias metanogênicas por substrato, a concentração de sulfeto gerado na sulfetogênese e a inibição por cátions. Este trabalho apresentou e discutiu os resultados da operação de um reator UASB, com volume útil de 10,5 L e vazão de 16,0 L.dia-1. Utilizou-se glicose, acetato e metanol (DQO≈2.000 mg.L-1), sob razão DQO/sulfato variando de 0,20 a 6,15, concentração de sulfato de 0,3 a 10,0 g.L-1 e concentração do cátion Na+ de 0,70 g.L-1 a 5,40 g.L-1. A eficiência de remoção de DQO foi mantida acima de 80%, e a concentração de sulfato removida ficou limitada a cerca de 800 mg.L-1 durante o período experimental. A atividade metanogênica específica do lodo (AME) foi de 0,630 gCH4-DQO.gSSV-1 até carga de sulfato de 0,300 gSO4 2-.L-1 e (razão DQO/sulfato de 6,15), declinando até atingir 0,168 gCH4-DQO.gSSV-1 (queda de 70%) na última fase com 10,000 gSO4 2-.L-1 (razão DQO/[SO4 2-] de 0,24) e concentração de Na+ de 5,41±0,10 g.L-1. O aumento crescente das concentrações de sódio e sulfato, mantendo-se a concentração de matéria orgânica constante, permitiu constatar a inibição da metanogênese por sódio e sulfeto, mesmo em concentrações abaixo das consideradas inibidoras individualmente. O efeito do sódio na estrutura do grânulo foi determinante na inibição da metanogênese observada.

ABSTRACT The anaerobic treatment of industrial wastewater presenting high concentrations of sulfate and sodium may be limited by several factors, including the ratio COD / [SO4 2-], the concentration of SO4 2- and the concentration of Na+. The competition between sulfate reducing bacteria and methanogenic archaea for substrate, the concentration of sulfide generated in sulfidogenesis, and the inhibition by cations are among the main phenomena that have been investigated. This paper presented and discussed the results of a UASB reactor with a volume of 10.5 L and flowrate of 16.0 L.day-1, subjected to increasing COD/sulfate ratio whereas influent COD was kept constant. Glucose, acetate and methanol (≈2,000 COD mg.L-1) were the carbon sources, and the COD/sulfate ratio ranged from 0.20 to 6.15 for sulfate concentrations of 0.3 to 10.0 g.L-1, Na + concentrations of 0.70 g.L-1 to 5.40 g.L-1. The COD removal efficiency was maintained above 80%, and the sulfate removal was limited to 800 mg.L-1 throughout the experimental period. The specific methanogenic activity (SMA) was 0.630 gCH4-DQO.gSSV-1 for 0.300 gSO4 2-.L-1 (COD/sulfate of 6.15), decreasing to 0.168 (70% decrease) in the last phase (COD /sulfate of 0.24) at concentrations of 10.000 gSO4 2-.L-1 and of Na+ 5.41±0.10 g.L-1. The progressive increase of sulfate and sodium concentrations at constant influent COD resulted in methanogenesis inhibition by sodium and sulfide, even at concentrations bellow the inhibition limits, if individually considered. The effect of sodium in the granule structure was determinant for methanogenesis inhibition.

Denitrification coupled with methane anoxic oxidation and microbial community involved identification

In this work, the biological denitrification associated with anoxic oxidation of methane and the microbial diversity involved were studied. Kinetic tests for nitrate (NO3-) and nitrite (NO2-) removal and methane uptake were carried out in 100 mL batch reactors incubated in a shaker (40 rpm) at 30 ºC. Denitrificant/methanotrophic biomass was taken from a laboratory scale reactor fed with synthetic nitrified substrates (40 mgN L-1 of NO3- and subsequently NO2-) and methane as carbon source. Results obtained from nitrate removal followed a first order reaction, presenting a kinetic apparent constant (kNO3)) of 0.0577±0.0057d-1. Two notable points of the denitrification rate (0.12gNO3--N g-1 AVS d-1 and 0.07gNO3--N g-1 AVS d-1) were observed in the beginning and on the seventh day of operation. When nitrite was added as an electron acceptor, denitrification rates were improved, presenting an apparent kinetic constant (kNO2) of 0.0722±0.0044d-1, a maximum denitrification rate of 0.6gNO2--N g-1AVS d-1, and minimum denitrification rate of 0.1gNO2--N g-1AVS d-1 at the beginning and end of the test, respectively. Endogenous material supporting denitrification and methane concentration dissolved in the substrate was discarded from the control experiments in the absence of methane and seed, respectively. Methylomonas sp. was identified in the reactors fed with nitrate and nitrite as well as uncultured bacterium.

Efeito do bicarbonato de sódio no tratamento de vinhaça em AnSBBR operado a 55 e 35ºC / Effect of the sodium bicarbonate in the treatment of vinasse in AnSBBR operated at 55 and 35ºC

Avaliou-se a influência do bicarbonato de sódio (NaHCO3) no desempenho do reator anaeróbio batelada sequencial com biomassa imobilizada tratando vinhaça a 55 e a 35ºC. O reator foi preenchido com espuma de poliuretano e agitado a 300 rpm. A adaptação a 55ºC estendeu-se por 50 dias, tendo o reator sido alimentado com vinhaça (DQO de 0,3 a 1,0 g/L). Para a operação a 35ºC, procedeu-se inicialmente ao enriquecimento da população metanogênica, durante 21 dias, com substrato à base de etanol (2,5 gDQO/L). Posteriormente, cargas orgânicas volumétricas (COV) de 0,85 a 5,70 gDQO/L.d foram aplicadas no reator a 55ºC, com suplementação de 1,2 a 0,4 gHCO3-/gDQO. A 35ºC, o reator foi submetido a COV de 2,85 a 36,0 gDQO/L.d com 0,4 a 0,2 gHCO3-/gDQO. A remoção de DQO variou de 43 a 78 por cento a 55ºC e de 75 a 85 por cento a 35ºC. A suplementação de alcalinidade mostrou-se essencial para a estabilidade do processo, sendo requerida em menor quantidade a 35ºC.

The influence of the sodium bicarbonate (NaHCO3) on the performance of an anaerobic sequencing batch biofilm reactor treating vinasse at 55 and 35ºC was evaluated. The reactor was filled with polyurethane foam and agitated at 300 rpm. The acclimatization period at 55ºC lasted 50 days, and the reactor was fed with vinasse (COD from 0.3 to 1.0 g/L). A previous enrichment of methanogenic population was provided for the reactor operated at 35ºC, feeding it with an ethanol based substrate (2.5 gCOD/L) during 21 days. Further on, organic loading rates (OLR) ranging from 0.85 to 5.70 gCOD/L.d were applied to the reactor at 55ºC, supplemented with 1.2 to 0.4 gHCO3-/gCOD. At 35ºC the reactor was subjected to OLR ranging from 2.85 to 36.0 gCOD/L.d with 0.4 to 0.2 gHCO3-/gCOD. COD removal ranged from 43 to 78 percent at 55ºC and from 75 to 85 percent at 35ºC. Alkalinity supplementation was found to be essential for process stability, but the amount required was lower at 35ºC.

Microbial succession within an anaerobic sequencing batch biofilm reactor (ASBBR) treating cane vinasse at 55ºC

The aim of this work was to investigate the anaerobic biomass formation capable of treating vinasse from the production of sugar cane alcohol, which was evolved within an anaerobic sequencing batch biofilm reactor (ASBBR) as immobilized biomass on cubes of polyurethane foam at the temperature of 55ºC. The reactor was inoculated with mesophilic granular sludge originally treating poultry slaughterhouse wastewater. The evolution of the biofilm in the polyurethane foam matrices was assessed during seven experimental phases which were thus characterized by the changes in the organic matter concentrations as COD (1.0 to 20.0 g/L). Biomass characterization proceeded with the examination of sludge samples under optical and scanning electron microscopy. The reactor showed high microbial morphological diversity along the trial. The predominance of Methanosaeta-like cells was observed up to the organic load of 2.5 gCOD/L.d. On the other hand, Methanosarcinalike microorganisms were the predominant archaeal population within the foam matrices at high organic loading ratios above 3.3 gCOD/L.d. This was suggested to be associated to a higher specific rate of acetate consumption by the later organisms.

Este trabalho investigou a formação de um biofilme anaeróbio capaz de tratar vinhaça da produção de álcool de cana-de-açúcar, que evoluiu dentro de um reator operado em bateladas seqüenciais com biofilme (ASBBR) tendo a biomassa imobilizada em cubos de espuma de poliuretano na temperatura de 55ºC. O reator foi inoculado com lodo granular mesofílico tratando água residuária de abatedouro de aves. A evolução do biofilme nas matrizes de espuma de poliuretano foi observada durante sete fases experimentais que foram caracterizadas por mudanças nas concentrações de matéria orgânica como DQO (1,0 a 20,0 g/L). A caracterização da biomassa foi feita por exames de amostras do lodo em microscopia ótica e eletrônica de varredura. O reator apresentou grande diversidade de morfologias ao longo do experimento. A predominância de células como Methanosaeta foram observadas até a carga orgânica de 2,5 gDQO/L.d. Por outro lado, microrganismos como Methanosarcina foram a população arquéia predominante nas matrizes de espuma em taxas de carregamento orgânico acima de 3,3 gDQO/L.d. Este fato pode estar relacionado com maior taxa de utilização específica de acetato por esses microrganismos.

Remoção de sulfato de águas residuárias industriais em reator anaeróbio de leito fixo operado em bateladas sequenciais / Sulfate removal from industrial wastewaters in fixed film anaerobic sequential batch reactor

Avaliou-se o potencial de uso reator anaeróbio operado em bateladas seqüenciais com biomassa imobilizada (ASBBR), em escala piloto, no tratamento de água residuária industrial contendo elevadas concentrações de sulfato. O ASBBR, com volume total de 1.2 m³, foi preenchido com carvão mineral como meio suporte para imobilização da biomassa (leito fixo). Foram aplicadas cargas de 0,15; 0,30; 0,65; 1,30 e 1,90 kg SO4-2/ciclo (ou batelada) com duração de 48 h, correspondendo, respectivamente, às concentrações de sulfato no afluente de 0,25; 0,50; 1,0; 2,0 e 3,0 gSO4-2.l-1. Utilizou-se etanol como doador de elétrons para a redução do sulfato. O reator foi operado à temperatura ambiente (29±8ºC), tendo sido obtidas eficiências médias na redução de sulfato entre 88 e 92 por cento em 92 ciclos (275 dias). Os resultados obtidos permitem concluir que o uso de reatores ASBBR constitui-se em alternativa eficiente para a remoção de sulfatos de águas residuárias com características semelhantes às utilizadas neste trabalho.

The potential use of an anaerobic sequencing batch biofilm reactor (ASBBR) in pilot-scale for the treatment of a sulfate-rich industrial wastewater was evaluated. The pilot 1.2 m³ ASBBR reactor was filled with mineral coal for biomass immobilization (fixed film). The sulfate loading rates applied were 0.15; 0.30; 0.65; 1.30 and 1.90 kg SO4-2/cycle (or batch). Each cycle lasted 48 h. The influent concentrations were, respectively, 0.25; 0.50; 1.0; 2.0 and 3.0 gSO4-2.l-1. Ethanol was used as electron donor for sulfate reduction. The reactor operated at ambient temperature (29±8ºC), and the mean efficiencies of sulfate removal were in the range 88 to 92 percent in the 92 run cycles. The total operating period comprised 275 days. Based on the results obtained in this research, it could be concluded that the ASBBR can be an efficient alternative for the removal of sulfate from other industrial wastewaters with similar characteristics.

Effect of bicarbonato alkalinity on gravimetric solids analysis in anaerobic wastewater treatment

La alcalinidad bicarbonática tiene papel fundamental en la estabilidad de reactores biológicos aplicados al tratamiento de aguas residuales, principalmente en sistemas anaerobios. Como algunas aguas residuales pueden sufrir severa acidificación, en algunos casos es necesaria la adición de una fuente externa de alcalinidad para que el proceso sea conducido de forma estable. En ese contexto, se evaluó el efecto de la adición de bicarbonato de sodio sobre la determinación de la concentración de sólidos. La metodología consistió en la evaluación de las concentraciones de sólidos (sólidos totales-ST, sólidos volátiles totales-SVT y sólidos fijos totales-SFT) en muestras conteniendo suero de queso y ácidos volátiles (para simulación de efluentes de reactores anaerobios). Los valores de ST, SVT y SFT fueran fuertemente influenciados, principalmente debido al aumento de los SFT. Ese efecto fue cuantificado relacionándose los valores experimentales con los teóricos, determinados por las reacciones estequiométricas de la descomposición del bicarbonato de sodio y otros compuestos formados (acetato de sodio y propionato de sodio) con el aumento de la temperatura. Así, como uno de los principales parámetros de evaluación de sistemas de tratamiento de aguas residuales es la remoción de sólidos presentes en el medio, la concentración de sólidos puede ser evaluada de forma más adecuada teniendo en cuenta la determinación de los sólidos fijos debido a las sales inorgánicas. Esa metodología es considerada adecuada cuando se adiciona grande cantidad de alcalinizada a la agua residual

Avaliação da acurácia de diversos métodos para determinação de ácidos graxos voláteis e alcalinidade a bicarbonato para monitoramento de reatores anaeróbios / Evaluation of the accuracy of several methods for determination of volatile fatty acids and bicarbonate alkalinity for the monitoring of anaerobic reactors

Sistemas de tratamento anaeróbios são sensíveis às mudanças de condições ambientais que influenciam no metabolismo dos microrganismos responsáveis pela estabilidade do processo. Os objetivos deste trabalho foram (i) avaliar a acurácia de métodos que determinam os parâmetros de controle ácidos graxos voláteis (AGV) e alcalinidade a bicarbonato (AB) em amostras preparadas com concentrações de 50 a 1000 mg/L e, (ii) verificar diferentes procedimentos de remoção de CO2 formado durante titulação ácida das amostras. A partir do teste estatístico de Tukey aplicado aos resultados obtidos, observou-se que os métodos Kapp e DiLallo & Albertson com utilização de ultra-som para a remoção de CO2 do meio líquido apresentaram os melhores resultados para AGV. Os métodos da Condutividade, Kapp e Jenkins se destacaram na determinação de AB.

Anaerobic treatment systems are sensitive to the environmental condition changes. Such changes may have influence on the metabolism of the microorganisms responsible for the process stability. The aims of this work were (i) to evaluate the accuracy of methods to determine control parameters volatile fatty acids (VFA) and bicarbonate alkalinity (BA) in samples prepared with concentrations from 50 to 1000 mg/L and, (ii) to verify different procedures of the CO2 removal formed during the acid titration of the samples. From the Tukey statistical test applied to the obtained results it was observed that the Kapp and DiLallo & Albertson methods using sonic equipment to remove CO2 from the liquid presented better results for VFA. The Conductivity, Kapp and Jenkins methods were considered the most reliable for BA determination.

Remoção de etanol e benzeno em reator anaeróbio horizontal de leito fixo na presença de sulfato / Ethanol and benzene removal in a horizontal-flow anaerobic immobilized biomass reactor in the presence of sulfate

Reator anaeróbio horizontal de leito fixo (RAHLF), preenchido com espumas de poliuretano, foi usado para tratar benzeno em solução etanólica, sob condições sulfetogênicas. Benzeno foi adicionado em concentração inicial de 2,0 mg.l-1, seguido de aumentos que variaram até 10 mg.l-1. O etanol foi adicionado em concentrações de 170 mg.l-1 a 980 mg.l-1. Soluções de sulfato ferroso e sulfato de sódio foram usadas, nas concentrações de 91 e 550 mg.l-1, respectivamente. O reator foi operado a 30 (± 2) ºC com tempo de detenção hidráulica de 12 h. A remoção da matéria orgânica foi próxima a 90 por cento com taxa máxima de degradação de benzeno de 0,07 mg benzeno.mg-1SSV.d-1. O presente trabalho corrobora os dados obtidos por Cattony et al (2005), na medida em que torna mais consistente a proposta do uso de unidades compactas de RAHLF, para a biorremediação in situ de compostos aromáticos.

In this study it is reported the operation of a horizontal-flow anaerobic immobilized biomass (HAIB) reactor under sulfate-reducing condition which was also exposed to different amounts of ethanol and benzene. The HAIB reactor comprised of an immobilized biomass on polyurethane foam and ferrous and sodium sulfate solutions were used (91 and 550 mg.l-1, respectively), to promote a sulfate-reducing environment. Benzene was added at an initial concentration of 2.0 mg.l-1 followed by an increased to 9 e 10 mg.l-1, respectively. Ethanol was added at an initial concentration of 170 mg.l-1 followed by an increased range of 960 mg.l-1. The reactor was operated at 30 (± 2) ºC with hydraulic detention time of 12 h. Organic matter removal efficiency of 90 percent with a maximum benzene degradation rate of 0.07 mg benzene.mg-1VSS.d-1. Thus, this work corroborate the data obtained for Cattony et al (2005) and also demonstrate that compact units of HAIB reactors, under sulfate reducing conditions, are a potential alternative for in situ aromatic compounds bioremediation.

Metodologias para determinação da atividade metanogênica específica (AME) em lodos anaeróbios / Methodologies for determining the specific methanogenic activity (SMA) in anaerobic sludges

Esse artigo apresenta uma revisão sobre os diferentes protocolos para a determinação da atividade metanogênica específica (AME) de lodos anaeróbios. Os protocolos propostos se diferem tanto em relação aos procedimentos adotados para a incubação do lodo, quanto ao método utilizado para quantificação do metano produzido durante o teste. São discutidos os princípios dos métodos manométricos e volumétricos, e descritos brevemente os protocolos de incubação do lodo, de medição do metano e o procedimento para cálculo da AME obtida pelos métodos mais utilizados pela comunidade científica nacional.

This paper presents a review on the different methodologies to determine the specific methanogenic activity (SMA) of anaerobic sludges. The protocols available in the literature differ not only regarding the procedures adopted to incubate the sludge, but also in relation to the method utilized to quantify the methane produced during the test. This paper discusses the principles of manometric and volumetric methods, and briefly describes the protocols mostly used by the Brazilian research community for sludge incubation, methane measurement and calculation of SMA.

Tratamento de esgoto sanitário utilizando reatores anaeróbios operados em bateladas sequenciais ( escala piloto ) / Domestic sewage treatment in pilot-scale anaerobic sequencing batch reactors

Avaliou-se o desempenho de dois reatores anaeróbios operados em bateladas seqüenciais (1,2 m ) diferenciados pelo tipo de imobilização de biomassa, na forma de suporte inerte e de biomassa granular no tratamento de esgoto sanitário do Campus da USP de São Carlos. O monitoramento ao longo de 70 dias de operação revelou similaridade no comportamento das configurações ensaiadas, que apresentaram eficiências médias de remoção de DQO e sólidos suspensos ao redor de 60 por cento e 75 por cento, respectivamente. Por meio de técnicas de biologia molecular constatou-se diferenças na comunidade bacteriana nos reatores no 35º e 70º dias de operação, indicando que a imobilização de biomassa selecionou populações bacterianas diferentemente. Em relação ao domínio Archaea houve maior similaridade, provavelmente, pelo fato desses microrganismos utilizarem substratos específicos ao final do processo anaeróbio.

Morphological study of biomass during the start-up period of a fixed-bed anaerobic reactor treating domestic sewage

Este trabalho apresenta um estudo morfológico de microrganismos aderidos à espuma de poliuretano em reator anaeróbio horizontal de leito fixo (RAHLF), aplicado ao tratamento de esgoto sanitário. O processo de colonização do suporte pela biomassa anaeróbia e as características morfológicas das células aderidas foram monitorados durante o período de partida do reator. Bacilos e cocos não fluorescentes foram predominantes no processo de aderência direta à espuma de poliuretano. Aumento na diversidade biológica foi observado a partir da 10ª semana de operação do reator, com predominância de bacilos, cocos e arqueas metanogênicas semelhantes a Methanosaeta. Problemas hidrodinâmicos, tais como formação de canais preferenciais e colmatação do leito, foram observados no reator, principalmente devido ao acúmulo de polímeros extracelulares nos interstícios do leito. Este material acumulou principalmente nos estágios iniciais do reator, causando a diminuição gradativa do desempenho do processo anaeróbio de conversão da matéria orgânica. Os resultados demonstraram a importância e utilidade do monitoramento da dinâmica de formação do biofilme durante o período de partida de reatores, com resultados positivos para identificação de problemas operacionais.

Influência do tempo de detenção e da taxa de aplicação de lodo na hidrólise e acidogênese de lodo primário / Influence of the sludge retention time and sludge application rate on the hydrolysis and acidogenesis of primary sludge

A pesquisa teve, como objetivo principal, a avaliação da influência do tempo de detenção de lodo (TDL), bem como da taxa de aplicação de lodo (TA) na hidrólise e acidogênese de lodo primário de uma estação de tratamento de esgotos. Utilizou-se um digestor hidrolítico de lodo (DHL), em escala de bancada, com volume útil de 1,3 L, operado em bateladas seqüenciais, submetido a diferentes valores de TA, expressa como a razão entre a DQO total e a concentração de SSV aplicada por batelada, ao longo de diferentes tempos de detenção do lodo (TDL). Avaliou-se o desempenho do DHL na produção de DQO filtrada e de ácidos voláteis (AGV), bem como as taxas de hidrólise e de acidogênese, para os valores de TA de 1,7, 2,1 e 2,7 gDQOt/gSSV.d . Foi avaliada, também, a composição dos ácidos voláteis (AGV) gerados no reator. Os resultados permitiram concluir que a taxa de hidrólise foi satisfatória somente a partir da TA de 2,1 gDQOt/gSSV.d, tendo sido obtido o melhor resultado com a TA de 2,7 gDQOt/gSSV.d. Em todos os ensaios, o maior valor obtido para a taxa de acidogênese ocorreu com tempos de detenção de lodo próximos a dois dias. A produção de AGV foi proporcional à taxa de aplicação de lodo somente durante o período em que a taxa de acidogênese foi ótima, decrescendo com o aumento de TDL. Os principais tipos de ácidos voláteis produzidos foram o acético e o propiônico.