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.

Enriquecimento de microrganismos metanotróficos a partir de lodo de reator UASB tratando esgotos domésticos / Enrichment of methanotrophic microorganisms from sludge of UASB reactor treating domestic sewage

RESUMO Nesse estudo, microrganismos metanotróficos foram enriquecidos a partir de lodo proveniente de um reator UASB tratando esgotos domésticos em reator em batelada sequencial (RBS) com meio autotrófico contendo nitrito e nitrato. As eficiências médias de remoção de nitrito e nitrato foram de 68% e 53%, respectivamente, provavelmente devido à atividade heterotrófica desnitrificante. A detecção de arquéias dos grupos ANME-I e ANME-II foram realizadas por PCR durante todo período de cultivo. A estrutura da comunidade microbiana presente no inóculo e enriquecida no RBS após 100 dias de operação foi estudada por pirosequenciamento. Os resultados das análises demonstraram que a comunidade enriquecida no reator foi diferente à inoculada. Os filos dominantes no inóculo foram Synergistestes , Firmicutes e Euryarchaeota , ao passo que na biomassa enriquecida Planctomycetes, Verrucomicrobia, Chloroflexi e Proteobacteria predominaram. As condições de cultivo do RBS reduziram a abundância de Methanobacterium (8% para 1%) e selecionaram bactérias metanotróficas como Methylocaldum , Methylocistis e Methylosinus . As sequências de Methylocaldum sp. apresentaram abundância relativa de 2.5%. A presença e elevada predominância do filo Verrucomicrobia na biomassa enriquecida do RBS sugere que outras espécies de metanotróficas, ainda pouco conhecidas, relacionadas a este filo podem estar presentes no reator. O potencial de oxidação anaeróbia do metano foi determinado para ambas amostras e revelaram que a atividade metanotrófica da biomassa foi aproximadamente três vezes maior que a do inóculo. Em suma, estes resultados sugerem que o inóculo usado e as condições de cultivo aplicadas foram adequados para o enriquecimento de metanotróficas.

ABSTRACT In this study, methanotrophic microorganisms were enriched from sludge derived from a UASB reactor treating domestic sewage. The enrichment was performed in a sequencing batch reactor (RBS) with an autotrophic medium containing nitrite and nitrate. The nitrite and nitrate removal efficiencies were 68% and 53%, respectively, probably due to heterotrophic denitrification. Archaeal cells of the ANME-I and ANME-II groups were detected by PCR throughout the whole cultivation period. The microbial community composition of the biomass present in the inoculum and enriched in RBS after 100 days of operation was investigated and compared with the help of data obtained from pyrosequencing analyses. Pyrosequencing analysis demonstrated that the community enriched in the reactor had differing composition from the inoculum. The dominant phyla detected in the inoculum were Synergistestes , Firmicutes and Euryarchaeota while in the enriched biomass Planctomycetes, Verrucomicrobia, Chloroflexi and Proteobacteria predominated. The cultivation conditions applied decreased the abundance of Methanobacterium (from 8 to 1%) and selected for methanotrophic bacteria such as Methylocaldum , Methylocistis and Methylosinus . Sequences of Methylocaldum sp. accounted for 2.5% of the total reads. The presence and high predominance of Verrucomicrobia in the enriched biomass suggest that other unknown methanotrophic species related to this phylum might also have occurred in the reactor. The potential for anaerobic oxidation of methane was determined for both samples and revealed that the methanotrophic activity of the enriched biomass was almost three times greater than in the inoculum. Taken together these results indicated that the inoculum used and the cultivation conditions applied were adequate for the methanotrophic enrichment.

Influência do excesso de nitrogênio amoniacal no tratamento de efluente têxtil em reator de bateladas sequenciais com Aspergillus niger AN 400 / Influence of excess nitrogen in the treatment of the textile effluent in sequential batch reactors with Aspergillus nigerAN 400

RESUMO Água residuária têxtil foi tratada com Aspergillus niger AN 400 em reator de bateladas sequenciais, em ciclos de 48 h para avaliar o efeito de fonte adicional de nitrogênio sobre a eficiência do sistema alimentado com efluente diluído (10% v/v) e glicose (3 g.L-1). O afluente recebeu fonte adicional de nitrogênio (etapa I), acarretando em excesso de nitrogênio amoniacal (192 mg.L-1) no meio, resultando em remoção de matéria orgânica de 85%, porém em apenas 55% de remoção de corante. Ao se diminuir a concentração média de amônia para 98 mg.L-1 (etapa II), a remoção de corante (83%) passou a ser superior à de matéria orgânica, de 69%, mostrando o efeito negativo de concentrações elevadas de amônia sobre o sistema, favorecendo ainda o crescimento de bactérias, o que provavelmente inibiu a produção de enzimas fúngicas e contribuiu para a perda de eficiência na remoção de corante e formação de subprodutos.

ABSTRACT Textile wastewater was treated by Aspergillus niger AN 400 in sequential batch reactor, which was operated in cycles of 48 h in order to evaluate the effect of an additional source of nitrogen on the system's efficiency, which was fed with effluent diluted (10% v/v) and glucose (3 g.L-1). The influent received addition of an external source of nitrogen (phase I), in which there was excess ammonia (192 mg.L-1) in the medium, resulting in organic matter removal of 85%, but in only 55% removal of dye. In the phase II, when the average concentration of ammonia in the medium was lower (98 mg.L-1), removal of dye (83%) became higher than that of organic matter (69%), showing the negative effect of high concentrations of ammonia over the system and favoring the growth of bacteria, which probably inhibit the production of fungal enzymes and contributed to the loss of efficiency in the removal of dye and the formation of byproducts.

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 água com hidrocarbonetos aromáticos por uso de reator em bateladas sequenciais com inoculo fúngico / Treatment of water with aromatic hydrocarbons by use of sequential batch reactor with fungi inoculum

Um reator em batelada, aerado, com biomassa imobilizada de Aspergillus niger AN400 foi operado durante 10 ciclos de 7 dias para remover benzeno (200 mg.L-1), tolueno (200 mg.L-1) e xileno (50 mg.L-1) - BTX - e de nutrientes de meio basal. O reator era alimentado semanalmente com 4 L do meio e glicose - 1 g.L-1, na Fase I, e 0,5 g.L-1, na Fase II. Os BTX foram detectados até o quarto dia de operação, em todos os ciclos. As melhores eficiências médias de remoção foram na Fase I: 75%de matéria orgânica solúvel, 80% de ortofosfato e 77% de amônia. O reator pode ser uma alternativa viável para tratamento de águas poluídas com BTX, porém há a necessidade de estudar o comportamento do reator durante período de operação mais longo e com ciclos reacionais mais curtos, bem como da identificação dos metabólitos produzidos.

A batch reactor with air and immobilized biomass of Aspergillus niger AN400 was operated during 10 cycles of 7 days to remove benzene (200 mg.L-1), toluene (200 mg.L-1), and xylene (50 mg.L-1) - BTX - and nutrients from basal medium. The reactor was weekly fed with 4 L of the medium and glucose - 1 g.L-1 (Phase I) and 0.5 g.L-1 (Phase II). The BTX had been detected until the fourth day of operation in all cycles. The best efficiencies of removal had been in Phase I: 75% of soluble organic matter, 80% of orthophosphate and 77% of ammonia. The reactor can be a viable alternative for the contaminated water treatment with BTX. However it has the necessity to study behavior of the reactor during longer period of operation and with shorter reaction cycles, as well as the identification of the produced metabolites.

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.

Enriquecimento de bactérias anaeróbias oxidadoras de amônia - anammox / Enrichment of anaerobic ammonium oxidizing bacteria - anammox

Bactérias anaeróbias oxidadoras de amônia (bactérias Anammox, do inglês anaerobic ammonium oxidizing bacteria) foram enriquecidas em reator em batelada sequencial (RBS), a partir de lodo proveniente de um sistema convencional de lodos ativados tratando esgoto doméstico de Belo Horizonte (MG). Após três meses de cultivo, atividade Anammox foi detectada no sistema pelo consumo de quantidades estequiométricas de NO2- e NH4+. Análises de hibridação in situ fluorescente (FISH, do inglês fluorescent in situ hybridization) confirmaram a presença de bactérias Anammox, provavelmente Candidatus Brocadia anammoxidans, e revelaram que estas representavam 53 por cento do total de células (após 6 meses de cultivo). O desempenho do reator ao longo dos sete meses de operação demonstrou remoção quase que total de nitrito, baseada em concentração afluente de 61 a 95 mg N-NO2-/L. A eficiência máxima de remoção de amônia alcançada foi de 95 por cento, a partir de concentração afluente de 55 a 82 mg N-NH4+/L.

Anaerobic ammonium-oxidizing (Anammox) bacteria were enriched from sludge collected at a conventional activated sludge system treating domestic wastewater of Belo Horizonte(MG), Brazil, employing a sequencing batch reactor (SBR). After three months of cultivation, Anammox activity was detected in the system by the consumption of stoichiometric amounts of NO2- and NH4+. Fluorescent in situ hybridization (FISH) results revealed the presence of Anammox bacteria (probably Candidatus Brocadia anammoxidans) and showed that they accounted for 53 percent of the total bacterial population (after 6 months of cultivation). The reactor performance during the seven months of operation showed a near perfect removal of nitrite, based on the influent NO2--N concentration of 61-95 mg/L. The maximum ammonia removal efficiency was 95 percent from the influent N-NH4+ concentration of 55-82 mg/L.

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.