Dinámica funcional de la comunidad bacteriana del lodo activado de una planta de tratamiento de agua residual y su relación con variables ambientales y de operación / Funcional dynamics of the bacterial community from activated sludge wastewater treatment plant and its relationship with environmental and operational variables

RESUMEN El proceso de lodos activados es comúnmente utilizado en plantas de tratamiento de aguas residuales (PTAR) para reducir la concentración de materia orgánica disuelta que llega en el afluente. A pesar de los avances en el estudio de las comunidades microbianas de los lodos activados, falta mucho para entender su potencial funcional y su variabilidad ante las fluctuaciones temporales del afluente y los cambios en la operación de las PTAR. En consecuencia, en este trabajo se analizó la variación del potencial metabólico de la comunidad bacteriana del lodo activado a lo largo de un ciclo anual y se relacionó esa dinámica con variables ambientales y operacionales de una PTAR con alcantarillado combinado. La predicción del metagenoma de la comunidad bacteriana se realizó con PICRUSt2. Esta aproximación permitió evidenciar el fenómeno de redundancia funcional en la comunidad. También, se logró analizar la fluctuación temporal de los genes asociados a procesos relacionados con los ciclos del nitrógeno y azufre y su relación con variables ambientales y operacionales de la PTAR. Se encontró que dichos procesos están relacionados diferencialmente con la precipitación y los cambios en la edad de lodo observados para el periodo estudiado. Estos resultados contribuyen al entendimiento de las dinámicas de la comunidad bacteriana con relación al funcionamiento de este tipo de sistemas biotecnológicos.

ABSTRACT Activated sludge process is commonly used in wastewater treatment plants (WWTP) where a microbial community removes the organic matter from the influent. Despite the advances in the study of this community, there is still a gap of knowledge about its functional potential and its variability due to temporary fluctuations of the influent and the WWTP operation. Therefore, this work analyzed the metabolic potential variation of the activated sludge bacterial community throughout an annual cycle. Furthermore, the dynamics of the bacterial community was related to environmental and operating variables of a WWTP with combined sewerage. The metagenome prediction of the bacterial community was carried out with PICRUSt2. This approach allowed to demonstrate the phenomenon of functional redundancy in the community. Moreover, the temporal fluctuation of genes associated with the nitrogen and sulfur cycles and their relationship with environmental and the operating variables of the WWTP were analyzed. It was found that those processes were differentially related to precipitation events and variations in the sludge age observed during the studied period. These results contribute to the understanding of the bacterial community dynamics in relation to the functioning of this type of biotechnological systems.

Desempeño de un reactor biológico secuencial (RBS) en el tratamiento de aguas residuales domésticas / Performance of a Sequencing Batch Reactor (SBR) in the treatment of domestic sewage

Se estudió la remoción biológica de materia orgánica y nutrientes de un agua residual doméstica empleando un Reactor Biológico Secuencial (RBS) a escala piloto. El estudio fue dividido en cuatro fases en las que se modifico la carga orgánica y la duración de las etapas anaerobia, aerobia y anoxica que conforman cada ciclo de tratamiento, considerando edades de lodo de 10 y 7,5 días. Durante las Fases I y II se operó el sistema con bajos valores de carga másica: 0,364 y 0,220 kg.DQO/Kg.SSV.dia, mientras que durante las Fases III y IV se emplearon cargas mayores: 0,665 y 0,737 kg.DQO/Kg.SSV.dia respectivamente. Los resultados obtenidos muestran que las mayores eficiencias de remoción de materia orgánica en términos de DBO se alcanzaron durante la Fases III (91%) y IV (82%), con remoción de fósforo superior a 40%. En cuanto al proceso de nitrificación durante las Fases I y II se registraron tasas de 0,032 y 0,024 kg.N-NH3/kg.SSV.dia, esto debido al menor contenido de materia orgánica y a la baja relación DBO/NKT, mientras que durante las Fases III y IV estas fueron menores: 0,015 kg.N-NH3/kg.SSV.dia durante la Fase III y 0,020 kg.N-NH3/kg.SSV.dia en la Fase IV, sin embargo, fue en estas fases donde se alcanzaron los mayores niveles de desnitrificación durante la etapa anóxica, favorecido por una relación C/N adecuada, próxima de 4 kg.DBO/kg.N-NO3- y la presencia de un substrato de fácil biodegradación. Los resultados obtenidos muestran los RBS como una alternativa eficiente y viable en el tratamiento de aguas residuales domésticas.

It was studied the biological removal of organic matter and nutrients from domestic wastewater using a Sequential Biological Reactor (SBR) at pilot scale. The study was divided into four phases in which the organic load and the duration of anaerobic, aerobic and anoxic cycle were modified, considering sludge ages of 10 and 7.5 days. During Phases I and II the system was operated with low mass load values: 0.364 and 0.220 kg.COD/kg.VSS.day, while during Phases III and IV were used heavier loads: 0.665 and 0.737 kg.COD/Kg.VSS.day respectively. The results obtained show that the removal efficiencies of organic matter in terms of BOD were achieved during Phase III (91%) and IV (82%) with phosphorus removal exceeding 40%. As for the nitrification process during Phases I and II showed rates of 0.032 and 0.024 kg.N-NH3/kg.VSS.day, this due to lower organic matter content and low BOD/TKN, while during phases III and IV these were lower: 0.015 kg.N-NH3/kg.VSS.day during Phase III and 0.020 kg.N-NH3/kg.VSS.day in Phase IV, however, was in these phases which reached the highest levels of denitrification during the anoxic phase, favored by a C/N appropriate next of 4 kg.BOD/kg.N-NO3- and the presence of an easily biodegradable substrate. The results show the RBS as an efficient and viable process in the treatment of domestic wastewater.

Dimensionamento do volume do reator seqüencial em batelada (RSB) com enchimento estático / Sizing of the sequential batch reactor (SBR) with static filling

Este trabalho teve como objetivo propor uma metodologia de dimensionamento para o volume do RSB. O desenvolvimento do modelo matemático para calcular o volume do reator foi realizado a partir da modelagem fenomenológica do comportamento do lodo. A metodologia ora proposta foi aplicada em estudo de caso para comparação com metodologias já consolidadas no dimensionamento do sistema de lodos ativados em batelada. A partir da metodologia apresentada neste trabalho, a determinação do volume do reator e do ciclo operacional mostrou que é possível contribuir para o dimensionamento do RSB sem transgredir o conhecimento da ação do lodo sobre a matéria orgânica e sem admitir fluxo contínuo no comportamento hidráulico do reator.

The purpose of this study was to propose a methodology for sizing SBR volumes. The mathematical model to calculate reactor volume was developed by modeling sludge behavior phenomena. The methodology proposed here was applied to a case study in order to compare it to already consolidated methods used to size the activated sludge batch system. The reactor volume and operational cycle were determined based on the method presented here, showing that it is possible to help size the SBR without challenging knowledge regarding the action of sludge on organic matter, and without allowing continuous flow into the hydraulic compartment of the reactor.