Novas concepções para reatores anaeróbios de manta de lodo: uso de mistura mecânica ou hidráulica com decantação lamelar e sem separador trifásico / New concepts for anaerobic sludge blanket reactors: the use of mechanical or hydraulic mixing with high-rate settler and without three-phase separator

RESUMO Neste artigo, apresenta-se uma abordagem conceitual sobre propostas de alternativas para a concepção de sistemas com reator anaeróbio de manta de lodo. Em essência, propõem-se: i) a eliminação dos separadores de gás, líquido e sólido que constam em reatores upflow anaerobic sludge blanket reactors e sua substituição por unidade de sedimentação de alta taxa em setor incluso ou externo ao volume do reator biológico; ii) a recirculação de parcela do lodo retido no sedimentador, transformando o conjunto em um sistema semelhante ao de lodo ativado, porém preservando a manta de lodo no reator anaeróbio (activated anaerobic sludge blanket system) e, assim, viabilizando melhor controle do tempo de retenção celular; e iii) a simplificação (menor número de entradas) do sistema de distribuição do afluente junto ao fundo da zona de reação, mediante duas alternativas: agitação mecânica ou agitação hidráulica com jatos — em ambos os casos, intermitentes. As propostas, conforme apresentadas, constituem resumo de pesquisa baseada em reatores de bancada sucedida pela operação e testes em duas unidades-piloto paralelas (volume total: 20,8 m3, incluindo volumes de reação e de sedimentação). Constatou-se que é possível remover sólidos suspensos do efluente da região de reação sem a necessidade do separador trifásico e, também, que é possível manter-se a manta de lodo mesmo com a agitação na região de reação. Foram obtidos bons resultados na remoção de sólidos suspensos totais, demanda bioquímica de oxigênio e demanda química de oxigênio nos sedimentadores com valores de taxa de aplicação superficial de 34,0 até 81,6 m3m-2dia. Constatou-se, também, que valores bastante baixos de gradiente de velocidade (G £ 20s-1) são suficientes para promover a manutenção da manta de lodo e que a intermitência na agitação é favorável ao processo biológico. Os resultados relacionados com a remoção de demanda química de oxigênio, demanda bioquímica de oxigênio e sólidos suspensos totais foram comparados com os de outros estudos sobre reatores upflow anaerobic sludge blanket reactors convencionais. Contudo, aqueles relacionados com o tempo de reação celulat foram os mais significativos para as conclusões desta pesquisa. Quando o reator foi operado com tempo de detenção hidráulica de 8,2 h e velocidade ascensional no reator biológico de 0,69 mh-1, o tempo de reação celular do sistema resultou em 175 dias. Com velocidade ascensional menores, os valores de tempo de reação nuclear foram ainda maiores (por exemplo: velocidade ascensional = 0,39 mh-1; tempo de reação celular = 363 dias). Os resultados deste trabalho abrem perspectivas para novas pesquisas e novos horizontes para projeto de sistemas com reatores anaeróbios de manta de lodo e decantadores de alta taxa.

ABSTRACT This paper presented a conceptual approach toward alternatives for the design of anaerobic sludge blanket reactors. In essence, it is proposed: i) the elimination of gas-liquid-solid separators that integrate the upflow anaerobic sludge blanket reactors and their replacement by a high rate settlers placed inside or outside the volume of biological reactor; ii) the recirculation of a fraction of the of the sludge retained in the settler, converting the process into a solution that resembles the activated sludge system, however, preserving the sludge blanket (Activated Anaerobic Sludge Blanket System), and thus ensuring better control of the cell retention time; and iii) the simplification (lower inlet points) of the influent distribution system placed over the bottom of the reaction zone, upon the implementation of two alternatives: mechanical mixing or hydraulic agitation with jet discharges, intermittent, in both cases. The proposals, as presented, are a summary of researches based on bench scale tests succeeded by the operation and tests in two parallel pilot units (total volume: 20.8 m3, including reaction zone and settler). It was found that it is possible to remove suspended solids from the effluent of the reaction zone without the need for a three-phase separator, and also, that it is possible to maintain the sludge blanket even with mixing in the reaction zone. Good results regarding total suspended solids, biochemical oxygen demand and chemical oxygen demand removal in the settlers were obtained, with applied hydraulic loading rate from 34.0 to 81.6 m3m-2 day. It was also found that very low velocity gradient values (G £ 20 s-1) are required to promote the maintenance of the sludge blanket, and the intermittency in the agitation is favorable to the biological process. The results concerning, , and TSS removal were compared with those of other studies on conventional upflow anaerobic sludge blanket reactors. However, those related to sludge age were the most significant to the conclusions of this research. When the reactor was operated with a hydraulic retention time of 8.2 h and a upflow velocity upflow velocity of 0.69 mh-1 in the biological reactor, the average sludge age reached 175 days. When applying smaller values of upflow velocity, the sludge age values reached greater values (Example: upflow velocity = 0.39 mh-1; sludge age = 363 days). The results and conclusions of this research open new perspectives for future research and new horizons for designing systems consisting of anaerobic sludge blanket and high-rate settlers.

Lodo ativado em bateladas sequenciais como opção de pós-tratamento de efluentes de reatores UASB / Activated sludge sequencial batch as an optional post-treatment of UASB reactor effluent

RESUMO Sistemas anaeróbios modernos de tratamento de esgoto doméstico, embora bastante eficientes na remoção de matéria orgânica e sólidos em suspensão, não produzem um efluente com qualidade compatível com os padrões legais para descarga em corpos d'água. Por essa razão, esses sistemas têm de ser associados a unidades de pós-tratamento. Este trabalho trata de uma investigação experimental sobre a viabilidade de aplicação do sistema de lodo ativado como uma alternativa do pós-tratamento, especificamente para o caso em que se prevê o efluente final para fertirrigação. Na investigação experimental, utilizou-se um reator de bateladas sequenciais (RBS), em escala laboratorial, como unidade de pós-tratamento. Os resultados experimentais mostraram que o comportamento do sistema RBS pode ser descrito como o modelo geral de lodo ativado da Associação Internacional da Água (IWA, na sigla em inglês), que resulta na definição dos aspectos fundamentais: qualidade do efluente final, consumo de oxigênio e produção de lodo. Na otimização do reator RBS, desenvolveu-se um modelo que permite estabelecer o tempo de permanência mínimo para o pós-tratamento em função de dois parâmetros básicos: a constante de utilização de material orgânico biodegradável pelas bactérias heterotróficas do lodo gerado no sistema de pós tratamento e a sedimentabilidade desse lodo. A constante de utilização de material orgânico foi determinada por testes respirométricos. O lodo gerado no sistema de pós-tratamento surpreendentemente mostrou ter uma sedimentabilidade bem superior àquela normalmente encontrada em sistemas de lodo ativado tratando esgoto bruto, o que constitui um argumento sólido para a aplicação do sistema RBS na prática de pós-tratamento do efluente do reator upflow anaerobic slugde blanket (UASB).

ABSTRACT Modern anaerobic systems for domestic sewage treatment, although very effective in removing organic matter and suspended solids, do not produce a quality effluent that complies with the legal standards for discharge into water bodies. Therefore, such systems have to be associated with post treatment units. This paper deals with an experimental investigation into the feasibility of applying the activated sludge system as an alternative post-treatment, specifically for the case where reuse of the final wastewater for fertigation is expected. In the experimental investigation, a pilot-scale sequencing batch reactor (SBR), in laboratory scale, was used as a post-treatment unit. The experimental results showed that the behavior of the RBS system can be described with the general IWA model for activated sludge, resulting in the definition of the fundamental aspects: quality of the final effluent, oxygen consumption, and sludge production. In the optimization of the RBS reactor, a model was developed to establish the minimum retention time for the post-treatment in terms of two basic parameters: the biodegradable organic material utilization constant by heterotrophic bacteria sludge of the post-treatment system and the sedimentability of this sludge. The organic material utilization constant was determined by respirometry testing. The sludge generated in the post-treatment system surprisingly been shown to have a much higher sedimentability than that normally found in activated sludge systems dealing with raw sewage, which is a sound argument for applying the RBS system in the practice of post-treatment reactor effluent UASB

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.

Lodo ativado com aeração prolongada operado sob baixa concentração de oxigênio dissolvido: comportamento cinético das bactérias heterotróficas e autotróficas nitrificantes / Extended aeration activated sludge process operated under low dissolved oxygen concentration: Kinetic behavior of nitrifying heterotrophic and autotrophic bacteria

RESUMO Este trabalho teve como objetivo a determinação dos parâmetros cinéticos que descrevem o crescimento das bactérias heterotróficas e autotróficas nitrificantes em três sistemas de lodos ativados com aeração prolongada, operados com baixa aeração, a fim de se obter a remoção de nitrogênio de esgoto sanitário pelo processo de nitrificação e desnitrificação simultâneas (NDS). Em relação às remoções de matéria orgânica e nitrogênio, aplicando-se idade do lodo na faixa de 12 a 20 dias e concentrações de oxigênio dissolvido (OD) nos reatores em torno de 0,5 mg O2.L-1, foi possível obter eficiências superiores a 90% e um esgoto tratado com concentrações de nitrato inferiores a 7,0 mg N.L-1. Os experimentos realizados comprovam que, nas condições operacionais adotadas durante os testes respirométricos, as bactérias heterotróficas e autotróficas presentes nos lodos ativados estavam ativos e, ainda que baixa, a concentração de OD não foi limitante para o desenvolvimento da cinética dos processos envolvidos na remoção de materiais orgânico e nitrogenado.

ABSTRACT The objective of this work was to determine the kinetic parameters that describe the growth of heterotrophic and autotrophic nitrifying bacteria in three systems of activated sludge with prolonged aeration, operated with low aeration, with the objective of obtaining nitrogen removal of sanitary sewage by simultaneous nitrification and denitrification (SND). In relation to the removal of organic matter and nitrogen, by using sludge ages ranging from 12 to 20 days and OD concentrations in the reactors around 0.5 mgO2.L-1, it was possible to obtain efficiencies higher than 90% and a sewer treated with nitrate concentrations below 7.0 mgN.L-1. The experiments carried out prove that, under the operating conditions adopted during the respirometric tests, heterotrophic and autotrophic bacteria present in activated sludge were active and, although the low concentration of OD was not limiting for the development of the kinetics of the processes involved in the removal of organic and nitrogenous material.

Desenvolvimento de um biorreator de grânulos aeróbios para tratamento de água residuária sintética e reativação do sistema após parada prolongada / Development of an aerobic granular sludge bioreactor for simulated wastewater treatment and system reactivation after prolonged shutdown

RESUMO Este trabalho teve por objetivo produzir lodo granular aeróbio num reator em batelada sequencial não tubular, uma geometria diferente da usualmente utilizada nesses sistemas. Este reator foi inoculado com lodo ativado proveniente de uma estação de tratamento de esgoto municipal. O reator foi operado com ciclos de seis horas, com cinco horas de reação totalmente aeróbia. O efluente simulado continha um derivado de amido usado na indústria têxtil. A indução da granulação foi conseguida por meio da redução gradual do tempo de sedimentação, verificando-se que este é um parâmetro crítico do sistema. Após estabilização, com um tempo de sedimentação de 3 minutos, obteve-se um índice volumétrico de lodo de 25 mL.gSST-1, uma concentração de biomassa de 7 gSST.L-1 e uma eficiência de remoção da demanda química de oxigênio de 88%. Os grânulos obtidos foram armazenados úmidos durante 7 meses, a 4 e 25ºC, obtendo-se resultados excecionais na repartida dos reatores, com rápida recuperação das suas características de sedimentação, taxa de crescimento, estrutura e integridade granulares.

ABSTRACT This study aimed to produce aerobic granular sludge in a non-tubular sequencing batch reactor, which is an unusual geometry in these systems. This reactor was inoculated with activated sludge from a municipal wastewater treatment plant. The reactor was operated in cycles of six hours, with five hours of fully aerobic reaction. The simulated wastewater contained a starch derivative used in the textile industry. Granulation was induced by gradually reducing the settling time; therefore, this is a critical parameter of the system. After stabilization, with a sedimentation time of 3 minutes, a Sludge Volume Index after 30 minutes of settling of 25 mL.gSST-1, a biomass concentration of 7 gTSS.L-1 and a Chemical Oxygen Demand removal of 88% were obtained. The granules were stored wet for 7 months at 4 and 25ºC, yielding exceptional results in the re-start of the reactor, with rapid recovery of their sedimentation characteristics, growth rate, and granular structure and integrity.

Treatment of cattle manures with aerated tanks in a free-stall system / Tratamento de dejetos de bovinos em tanques aerados em sistema de free-stall

The objective of this study was to assess a cattle manure treatment system in aerated tanks in a free-stall confinement system, where the recycled wastewater was used to clean the facilities and the effluent was applied to forage cultivation areas. A batch activated sludge reactor with a prolonged intermittent aeration system scaled to a 24-day hydraulic retention time was used, and the wastewater was diluted at a volume ratio of 1:1. Samples were taken at the input and interior of the aeration tanks, at the irrigation pipe exit, and from pure animal waste. The following parameters were determined: pH, temperature, oil and grease, total biochemical oxygen demand (BOD) and chemical oxygen demand (COD), total solids, total nitrogen and ammoniacal nitrogen, potassium, phosphorus, and magnesium. The results indicated that the aerobic biological treatment is effective in reducing and stabilising organic matter in wastewater.

Objetivou-se com o presente trabalho avaliar um sistema de tratamento de dejetos de bovinos com tanques aerados em sistema de confinamento free-stall, com reciclagem do efluente para a limpeza das instalações e posterior utilização em áreas de cultivo de forragens. Utilizou-se um reator, operado pelo processo de lodo ativado por batelada, com sistema de aeração prolongada e intermitente, dimensionado para um tempo de retenção hidráulico de 24 dias, com diluição dos dejetos em água na proporção de volume 1:1. Foram realizadas amostragens na entrada e no interior dos tanques de aeração, na saída da tubulação de irrigação e dos dejetos puros dos animais. Determinou-se os parâmetros: pH, temperatura, óleos e graxas, demandas bioquímica de oxigênio (DBO) e química de oxigênio (DQO) totais, sólidos totais, nitrogênio total e nitrogênio amoniacal, potássio, fósforo e magnésio. Por meio dos resultados obtidos, concluiu-se que o tratamento biológico aeróbio foi eficiente para reduzir e estabilizar a matéria orgânica do efluente líquido.

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.

Desempenho de reator integrado de lodo ativado com biofilme em leito movel / Integrated fixed film activated sludge reactor performance

O objetivo deste estudo foi avaliar os efeitos da presença de suportes plásticos móveis (carriers) no processo de lodo ativado por meio da operação, sob diferentes tempos de retenção de sólidos para remoção de matéria carbonácea e nitrogênio, de dois sistemas aeróbios. Um deles, denominado LAC, foi constituído por reatores de lodo ativado com biomassa apenas em suspensão, e comparado com outro, LAI, com reatores integrados de lodo ativado com biofilme em leito móvel. Monitorou-se o crescimento das biomassas em suspensão e aderida e as condições ambientais nos reatores. Testes respirométricos determinaram os coeficientes cinéticos relativos à nitrificação. Foi possível a aplicação de carga de aproximadamente duas vezes a que foi suportada por um sistema de lodo ativado, a nitrificação se estendeu até reduzidas idades do lodo aeróbio e a desnitrificação ocorreu eficientemente. As velocidades específicas de crescimento das bactérias nitritantes e nitratantes foram determinadas para o processo com biofilme aderido, resultando similares às obtidas apenas com biomassa em suspensão.

The aim of this study was to evaluate the effects of plastic media carriers presence in the activated sludge process through the operation under different solids retention times, for the removal of carbonaceous organic matter and ammonia nitrogen, of two aerobic systems. One of them, called LAC, was constituted by activated sludge reactors with suspended biomass only and compared with another, LAI, with integrated fixed-film activated sludge reactors. The growth of attached and suspended biomass and environmental conditions in the reactors have been monitored. Respirometric analyzes were used to determine kinetic coefficients related to nitrification. It was possible to apply approximately twice the load supported by an activated sludge system, nitrification was extended until low solids retention times related to the aerobic and suspended biomass, and denitrification has occurred efficiently. The specific growth rate of nitrifying bacteria in attached biomass has resulted similar to that observed in suspended biomass.