A fjord-like tropical ecosystem, Pacific coast of Costa Rica: overview of research in Golfo Dulce / Un ecosistema tropical similar a un fiordo, costa del Pacífico de Costa Rica: panorama de la investigación en el Golfo Dulce

Abstract Introduction: Coastal ecosystems worldwide are under the influence of local, regional and global stressors, such as pollution, eutrophication and climate change. Golfo Dulce is a relatively pristine and accessible deep tropical ecosystem that provides opportunities for comparative and collaborative research. Objective: To summarize published reports on past research conducted in this ecosystem, identify topics for further study, and suggest new research issues. Methods: A search was made on the web for reports based on research conducted in Golfo Dulce and published in scientific journals. Reports focusing on environmental parameters and on the biota were included. Results: A total of 123 studies that include data from Golfo Dulce are cited. The four topics more frequently addressed were reports based on the results of the R/V Victor Hensen expedition (1993-1994) and follow-up work on microbiology, studies on water parameters, research on vertebrates, and zooplankton studies. The reports focusing on vertical profiles of oxygen and temperature are discussed in detail, followed by those on the biota. Conclusions: Golfo Dulce has low oxygen concentrations below 50 m and is frequently anoxic at the 200 m deep basin with occasional formation of H2S. However, the ecosystem contains a relatively high diversity of identified organisms, from bacteria to whales. Of particular relevance for future studies are multidisciplinary surveys aiming at obtaining data on primary productivity, the diversity and biomass of the main groups of planktonic, demersal and benthic organisms, and the frequency and magnitude of the influx of deep offshore waters over the sill into the basin. These data, as well as the information gathered in the past, are essential for updating the trophic model developed more than 25 years ago and in support of new predictive models on the functioning of the ecosystem.

Resumen Introducción: Los ecosistemas costeros alrededor del mundo están bajo la influencia de tensores locales, regionales y globales, como la contaminación, la eutroficación y el cambio climático. El Golfo Dulce es un profundo ecosistema tropical relativamente inalterado y accesible, que provee oportunidades para la investigación comparativa y colaborativa. Objetivo: Resumir los informes publicados sobre investigaciones pasadas realizadas en el ecosistema, identificar tópicos para estudios futuros y sugerir nuevas áreas de investigación. Métodos: Se hizo una búsqueda en la red de informes basados en investigaciones hechas en Golfo Dulce y publicadas en revistas científicas. Fueron incluidos aquellos informes sobre parámetros ambientales y la biota. Resultados: Un total de 123 estudios que incluyen datos sobre Golfo Dulce son citados. Los cuatro tópicos citados con más frecuencia fueron: Los resultados de la expedición del R/V Victor Hensen (1993-1994) y estudios de seguimiento sobre microbiología, informes sobre parámetros acuáticos, investigaciones sobre vertebrados y estudios sobre zooplancton. Los informes sobre perfiles de oxígeno y temperatura son presentados con mayor detalle, seguidos por aquellos sobre la biota. Conclusiones: Golfo Dulce tiene bajas concentraciones de oxígeno por debajo de 50 m y es usualmente anóxico a 200 m en el fondo, con formación ocasional de H2S. Sin embargo, el ecosistema contiene una diversidad de organismos identificados relativamente alta, desde bacterias hasta ballenas. De relevancia particular para futuros estudios es, entre otros, la conducción, de muestreos multidisciplinarios orientados a obtener datos sobre productividad primaria, la diversidad y biomasa de los principales grupos de organismos planctónicos, demersales y bénticos, así como la frecuencia y magnitud del flujo de agua oceánica hacia el interior. Estos datos, así como los obtenidos en el pasado, son esenciales para actualizar el modelo trófico desarrollado hace más de 25 años, o en apoyo de nuevos modelos predictivos de funcionamiento del ecosistema.

Modelagem matemática para sistema de tratamento de esgoto doméstico com remoção simultânea de matéria orgânica e nitrogênio / Mathematical modeling for domestic sewage treatment system with simultaneous removal of organic matter and nitrogen

RESUMO Neste trabalho, avaliou-se o uso do modelo matemático ASM3 para um sistema piloto de reator compartimentado anaeróbio/anóxico e aeróbio tipo MBBR, utilizado para a remoção simultânea de matéria orgânica e nitrogênio em esgoto doméstico. A simulação computacional foi implementada pelo software ASIM. Selecionou-se um conjunto padrão de parâmetros para o modelo, com uma combinação dos valores calibrados e dados da literatura. Com a modelagem computacional foi possível incluir as características operacionais próprias do sistema de tratamento e, embora o modelo não tenha tido sua capacidade de previsão dos parâmetros validada, foi possível verificar a aplicabilidade do ASM3 para as fases operacionais definidas neste estudo.

ABSTRACT In this work, the use of the ASM3 mathematical model for a pilot system of anaerobic/anoxic and aerobic MBBR compartmentalized reactor, for the simultaneous removal of organic matter and nitrogen in domestic sewage, was evaluated. The simulation was implemented by the ASIM software. A standard set of parameters was selected for the model, with a combination of calibrated values and literature data. With the computational modeling, it was possible to include the operational characteristics of the treatment system and, although the model capacity to predict the parameters could not be validated. Nevertheless, it was possible to verify the applicability of the ASM3 model for the operational phases defined in this study.

Capacidade metabólica de bactérias heterotróficas de sistemas de lodo ativado em ambientes aeróbios e anóxicos / Metabolic capacity of heterotrophic bacteria of activated sludge systems in aerobic and anoxic environments

RESUMO Para projetos de sistemas de lodo ativado em países com temperaturas elevadas, como a do Brasil, sugere-se a introdução de um ou mais reatores anóxicos, visto que a nitrificação torna-se um fator quase inevitável. A desnitrificação é um processo capaz de reduzir custos com aeração em até 20%, recuperar a alcalinidade perdida com a nitrificação e ainda remover matéria orgânica e nitrogênio. Este estudo teve como objetivo avaliar a capacidade metabólica de bactérias heterotróficas desses sistemas em ambiente aeróbio e anóxico via nitrato e via nitrito. Para os testes foram comparadas duas configurações: Bardenpho e University of Cape Town (UCT). Os resultados mostraram significativa viabilidade da desnitrificação via nitrato, pois as taxas médias obtidas de consumo de oxigênio e oxigênio equivalente foram semelhantes para ambos os sistemas, indicando que, além da remoção do nitrogênio, a matéria orgânica é removida com a mesma eficiência de um reator aeróbio, possibilitando a redução de custos com aeração devido à possibilidade de limitá-lo apenas ao processo de nitrificação. Contudo, na desnitrificação pelo uso do nitrito, percebeu-se uma redução na capacidade de remoção de matéria orgânica em até 60%, que pode inferir em uma vantagem duvidosa na opção de um processo de nitrificação e desnitrificação simultâneo, mesmo que este apresente menor demanda de oxigênio dissolvido (OD). Entretanto, pode ser viável a sua utilização quando houver também a pretensão de remoção de fósforo via nitrito por organismos acumuladores de fósforo.

ABSTRACT For projects of activated sludge systems in countries with high temperatures such as Brazil, the introduction of one or more anoxic reactors is suggested, since nitrification becomes an almost inevitable factor. Denitrification is a process able to reduce aeration costs by up to 20%, recover the alkalinity lost with nitrification and still remove organic matter and nitrogen. This study aimed to evaluate the metabolic capacity of heterotrophic bacteria of these systems in aerobic and anoxic environment via nitrate and nitrite. Two configurations were compared for the tests: Bardenpho and University of Cape Town (UCT). The results showed significant viability of denitrification via nitrate, as the average rates obtained from oxygen consumption and oxygen equivalents were similar for both systems, indicating that beyond the removal of nitrogen, organic matter is removed with the same efficiency as an aerobic reactor enabling cost reduction with aeration due to the possibility of limiting it only to the nitrification process. However, denitrification by the use of nitrite showed a reduction in the ability of removal of organic matter by 60%, which may lead to a doubtful advantage in the option of a simultaneous nitrification and denitrification process, even if it presents minor oxygen demand. However, it may present exceptions, such as when there is also the claim of phosphorus removal via nitrite by phosphorus-accumulating organisms that may overcome the weakness of this rate.

Remoção simultânea de material orgânico, nitrogênio e fósforo em um reator em bateladas sequenciais com biofilme de leito móvel operado pelo processo anaeróbio-anóxico-óxico / Simultaneous removal of organic material, nitrogen and phosphorus in a reactor in batches of mobile bed biofilm sequencing by the anaerobic-anoxic-oxic process

RESUMO Neste estudo, foi avaliado o desempenho de um reator em bateladas sequenciais com biofilme de leito móvel operado pelo processo anaeróbio-anóxico-óxico (A2O), aplicado à remoção simultânea de material orgânico, nitrogênio e fósforo de esgoto sanitário. Utilizaram-se dois reatores com volume útil de 36 L cada, sendo que um deles recebeu anéis plásticos móveis do tipo Kaldnes®, com área superficial específica estimada em 310 m2/m3 que ocuparam 50% do volume útil do reator (denominado aqui de MBSBBR). O estudo foi conduzido com tempo de retenção de sólidos (TRS) de 12 dias, tempo de retenção hidráulico (TRH) de 6 horas, taxa de alimento/microrganismo (A/M) de 0,4 a 0,5 gDQO/SSV.d, oxigênio dissolvido (OD) na faixa de 0,3-0,8 mgO2/L e taxas de aplicação de carga orgânica, nitrogênio e fósforo de 47,2 gDQO/L.d, 5,4 gNTK/L.d e 0,4 gP/L.d, respectivamente. Os resultados de eficiência de remoção de demanda química de oxigênio (DQO), N-NH3 e fósforo foram de 91,1, 90,5 e 85,4% para o reator MBSBBR e de 89,5, 91,6 e 84,4% para o reator RBS, respectivamente. Os resultados do teste estatístico de ANOVA foram aplicados às principais variáveis estudadas, e os valores convergiram para valores de f observado < f crítico . Dessa forma, considera-se que houve similaridade de desempenho nos reatores MBSBBR e RBS. Conclui-se que a introdução do meio suporte não trouxe benefícios ao tratamento em termos de remoção de nutrientes. No entanto, o estudo mostrou que é possível de se obter elevada remoção de nitrogênio, em baixas concentrações de OD, o que se torna vantajoso para o tratamento de esgoto com elevada concentração de nitrogênio.

ABSTRACT In this study, the performance of a reactor in sequential batch with mobile bed biofilm operated by the anaerobic-anoxic-oxic (A2O) process, applied to the simultaneous removal of organic material, nitrogen and phosphorus from sanitary sewage was evaluated. Two reactors with a useful volume of 36 liters each were used, one of them receiving Kaldnes® type mobile plastic rings, with a specific surface area estimated at 310 m2/m3, which occupied 50% of the reactor's useful volume (MBSBBR). The study was conducted with 12-day solid retention time (SRT), 6 hour hydraulic retention time (HRT), food/microorganism (F/M) ratio of 0.4 to 0.5 gCOD/VSS.d, dissolved oxygen (DO) in the range of 0.3-0.8 mgO2/L and application rates of organic load, nitrogen and phosphorus of 47.2 gCOD/L.d, 5.4 gTNK/L.d and 0.4 gP/L.d, respectively. The efficiency of chemical oxygen demand (COD), N-NH3 and Phosphorus removal was of 91.1%, 90.5% and 85.4% for the MBSBBR reactor and 89.5%, 91.6% and 84.4% for the RBS reactor, respectively. The results of the statistical ANOVA test were applied to the main variables studied and the values converged to values of f observed < f critical . In this way, it is considered that there was a similarity of performance between the MBSBBR and RBS reactors. It is concluded that the introduction of the support medium did not bring benefits to the treatment in terms of nutrient removal. However, the study showed that it is possible to obtain high nitrogen removal at low concentrations of DO, which is advantageous for the sewage treatment with high nitrogen concentration.

Remoção de nitrogênio em sistema combinado anóxico-aeróbio com biomassa imobilizada / Nitrogen removal in combined anoxic-aerobic system with imobilized biomass

Este trabalho visa estudar o desempenho de um sistema combinado na remoção de matéria orgânica e nitrogênio de esgoto sanitário, por meio da recirculação interna do efluente. Os reatores, em escala de bancada, foram: filtro anóxico (32,6 L), biofiltro aerado submerso (17,6 L) e decantador secundário (7,2 L). As razões de recirculação foram 0,5; 1,5; 2,0 e 4,0 sem adição de carbono externo ou alcalinizante. Na razão de recirculação de 4,0 foram aplicadas taxas de carregamento orgânico e de nitrogênio ao sistema de 0,7±0,3 Kg DQO.m-3.d-1 e 0,08±0,02 kg N-NH4 +.m-3.d-1, atingindo remoções de demanda química de oxigênio e nitrogênio total de 92±4% e 83±8%, respectivamente. Os resultados mostram viabilidade do uso da recirculação do efluente, uma vez que as concentrações finais de nitrogênio total (12±3 mg N.L-1) estão abaixo do valor estipulado pela Resolução CONAMA nº 430/2011.

This work aims to study the performance of a combined system in the removal of organic matter and nitrogen from sanitary sewage through internal recirculation of the effluent. The bench scale reactors were: anoxic filter (32.6 L), submerged aerated biofilter (17.6 L) and secondary settler (7.2 L). The recirculation rates were 0.5; 1.5; 2.0 and 4.0 without added external-carbon or alkalising. In 4.0 recirculation rate, the organic and nitrogen loading rates applied to the system were 0.7±0.3 kg chemical oxygen demand.m-3.d-1 and 0.08±0.02 kg N-NH4 +.m-3.d-1, reaching removals of chemical oxygen demand and total nitrogen of 92±4% and 83±8%, respectively. The results show the feasibility of using recirculation of effluent, once the final concentrations of total nitrogen (12±3 mg.L-1) are below the value stipulated by CONAMA Resolution nº 430/2011.