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.

Avaliação de ultrafiltração como alternativa à flotação por ar dissolvido no pós-tratamento do efluente de lodos ativados — estudo em escala piloto na estação de tratamento de esgoto Brasília norte / Evaluation of ultrafiltration as an alternative to dissolved air flotation for the post-treatment of activated sludge effluent — pilot study in the Brasília norte wastewater treatment plant

RESUMO A melhoria da qualidade dos efluentes das estações de tratamento de esgotos Brasília Norte e Sul tornou-se premente após o corpo receptor dos seus efluentes, o lago Paranoá, passar a ser utilizado como manancial de abastecimento. Este trabalho apresenta estudo comparativo entre o tratamento terciário por ultrafiltração precedido por coagulação em escala piloto e a flotação por ar dissolvido existente na estação de tratamento de esgotos Brasília Norte. A instalação piloto de ultrafiltração e a flotação por ar dissolvido foram alimentadas pela mesma matriz, o efluente da etapa de lodos ativados das estações de tratamento de esgotos Brasília Norte, após coagulação. Foram avaliadas sete condições operacionais da instalação piloto de ultrafiltração variando-se a vazão, o tempo de operação entre limpezas e a duração da limpeza física. O comportamento operacional e a qualidade do efluente produzido foram monitorados. O aumento do fluxo do permeado (de 40,2 para 50,6 e 61,0 L.m−2.h−1) e do tempo de operação entre as limpezas (de 25 para 38 e 50 min), bem como a redução da duração da retrolavagem (de 80 para 60 e 30 s) resultaram em evolução mais intensa da pressão transmembrana. A ultrafiltração foi mais eficiente do que a flotação por ar dissolvido na remoção de turbidez, sólidos suspensos totais, demanda química de oxigênio e fósforo total, com ganho médio de remoção de 9,4, 13,0, 8,5 e 12,8%, respectivamente. Destaca-se a remoção de coliformes na ultrafiltração, 3,4 log superior à da flotação por ar dissolvido. A utilização da ultrafiltração como alternativa à flotação por ar dissolvido apresenta a vantagem de produzir efluente de melhor qualidade, particularmente no aspecto microbiológico, com menor flutuação da qualidade, porém o tratamento e a destinação do lodo produzido pela ultrafiltração devem ser equacionados.

ABSTRACT Improvement in the effluent quality of the Brasília Norte and Brasília Sul wastewater treatment plants became necessary after their effluent receiving body, Paranoá Lake, started being used as source of drinking water for the population of Brasília (Federal District, Brazil). This is a comparative study between the tertiary treatment with ultrafiltration membrane (pilot scale) and the existing dissolved air flotation of Brasília Norte wastewater treatment plant. Both ultrafiltration pilot plant and dissolved air flotation were fed with the same matrix, the effluent of the activated sludge stage of Brasília Norte wastewater treatment plants, after coagulation. Seven operational conditions were evaluated at ultrafiltration pilot plant, with variations in flow rate, time of operation between cleaning processes, and the duration of backwashing. The operational behavior and the quality of the produced effluent were monitored. The increase in permeate flux (from 40.2 to 50.6 and 61.0 L.m−2.h−1) and in the time of operation between cleaning processes (from 25 to 38 and 50 min), as well as the reduction of backwashing duration (from 80 to 60 and 30s), resulted in a more intense evolution of transmembrane pressure. Ultrafiltration was more efficient than dissolved air flotation in the removal of turbidity, total suspended solids, chemical oxygen demand, and total phosphorous, with average gain in removal of 9.4, 13.0, 8.5, and 12.8%, respectively. It is worth mentioning the removal of coliforms by ultrafiltration, which was, on average, 3.4 log higher than that by dissolved air flotation. The use of ultrafiltration as an alternative to dissolved air flotation has the advantage of producing better quality effluent, particularly regarding microbiological aspects, providing lower quality fluctuation; however, treatment and destination of the ultrafiltration waste must be considered.

Reatores híbridos anaeróbio e aeróbio para remoção de matéria orgânica e nitrogênio em esgoto doméstico diluído / Hybrid anaerobic and aerobic reactors for organic matter and nitrogen removal in diluted domestic sewage

RESUMO A remoção de matéria orgânica e de nitrogênio em esgoto doméstico diluído foi avaliada em dois reatores híbridos, um anaeróbio (RHAN) e outro aeróbio (RHAE). O RHAN era formado por uma câmara tipo upflow anaerobic sludge blanket sobreposta por outra de filtro anaeróbio, enquanto o RHAE tinha uma câmara de lodo ativado sobreposta por outra de biofilme aerado submerso. A operação do sistema foi dividida em duas fases, FI e FII, com razões de recirculação de 50 e 75% e duração de 94 e 110 dias, respectivamente. Para a remoção de nitrogênio, o RHAE foi operado com oxigênio dissolvido de 3,0 mg.L-1. A técnica da reação em cadeia da polimerase foi empregada tanto para o lodo suspenso das câmaras inferiores, como para o biofilme aderido nas câmaras superiores, para identificar a presença de micro-organismos desnitrificantes e nitrificantes. As maiores eficiências de remoção em termos de demanda química de oxigênio e nitrogênio total foram obtidas em FII, sendo 91% e ~50%, respectivamente; as concentrações no efluente foram ~40 mg O2.L-1 e ~15 mg N-NT.L-1. A presença de três grupos de bactérias, as desnitrificantes, as oxidantes de amônia e as oxidantes de nitrito, foi confirmada no biofilme aderido do RHAE, indicando uma biomassa mixotrófica e sugerindo a possibilidade do processo de nitrificação e desnitrificação simultânea.

ABSTRACT The removal of organic matter and nitrogen in diluted domestic sewage was evaluated in two hybrid reactors, one anaerobic (ANHR) and another aerobic (AEHR). ANHR was formed by a upflow anaerobic sludge blanket (UASB)-type chamber overlaid by an anaerobic filter, while AEHR had an activated sludge chamber overlaid by a submerged aerated biofilm chamber. The experimental period was divided into two phases, FI and FII, with recirculation ratios of 50 and 75%, and duration of 94 and 110 days, respectively. For nitrogen removal, AEHR was operated with a 3.0-mg.L-1 dissolved oxygen. Polymerase chain reaction technique was used for both suspended sludge in the down-chambers and attached biofilm in the upper-chambers, to identify the presence of denitrifying and nitrifying microorganisms. The highest removal efficiencies in terms of chemical oxygen demand and total nitrogen were obtained in FII, being 91 and ~50%, respectively; effluent concentrations were ~40 mg O2.L-1 and ~15 mg N-TN.L-1. The presence of three groups of bacteria, the denitrifiers, the ammonia oxidants and the nitrite oxidants, was confirmed in the attached biofilm of the RHAE, indicating a mixotrophic biomass and suggesting the possibility of simultaneous nitrification and denitrification process.

Advances in biodegradation of sulfonamides antibiotics in aerobic activated sludge system / 生物工程学报

Sulfonamides (SAs) are a kind of antibiotics widely used in medical treatment and livestock breeding. However, they have poor degradability in human and animal intestines, and will enter the sewage treatment system through the discharge of feces and urine. The aerobic activated sludge (AAS) in wastewater treatment plant was found to be able to effectively transform SAs. This article summarizes the advances in biodegradation of SAs in aerobic activated sludge system, which includes the biodegradation mechanisms, the main biodegradation pathways, and the environmental factors affecting the degradation efficiency. Challenges encountered in the current research were discussed, with the aim to provide scientific basis for optimizing the biodegradation of SAs in wastewater treatment process.

A review on polyhydroxyalkanoates synthesis in activated sludge system: the effects of dissolved organic compounds by using anaerobic fermentation liquid from waste activated sludge / 生物工程学报

Polyhydroxyalkanoates (PHA) synthesis by activated sludge using volatile fatty acids (VFAs) in fermentation liquid of excess sludge as carbon source is a hotspot in the field of environmental biotechnology. However, there is no unified conclusion on the effects of non-VFAs, mainly dissolved organic matter (DOM), on PHA production. Thus, this critical review mainly introduces the main characteristics and common analysis methods of DOM in anaerobic fermentation liquid. The effects of DOM on PHA production are analyzed from the aspects of microbiology, metabolic regulation and sludge properties. The results of different studies showed that high concentration of DOM is bad for PHA production, but an appropriate amount of DOM is conducive to the stability of sludge properties, reducing the final PHA purification cost. Finally, suitable strategies were proposed to regulate the PHA synthesis by activated sludge with DOM for PHA production by anaerobic fermentation liquid.

Avaliação do desempenho de manta geotêxtil em reator em batelada sequencial no tratamento de esgoto sanitário / Performance evaluation of the geotextile blanket in sequential batch reactor in wastewater treatment

RESUMO No presente trabalho, foi avaliado o desempenho de um sistema de lodo ativado em batelada, com módulo de filtração, proporcionado por uma manta geotêxtil, na remoção de matéria orgânica presente em esgoto sanitário. O reator em escala piloto tinha volume útil de 85 L e foi operado durante 182 dias, com tempo total de ciclo de 24 horas de duração e idade do lodo (θc) de 25 dias. O sistema foi composto de um reator convencional (SB1), utilizado como controle e operado nas mesmas condições que o SM1, o qual utilizou a filtração em manta geotêxtil. Para confecção dos três módulos de filtração, foi utilizada uma manta sintética não tecida combinada com três tipos de espaçadores: tela antiderrapante em poliéster com revestimento em PVC (etapa I) durante 56 dias, geomanta tridimensional de filamentos de polipropileno termosoldados (etapa II) durante 49 dias e manta acrílica 100% poliéster (etapa III) durante 76 dias. A concentração de oxigênio dissolvido (OD) manteve-se na faixa de 3 mgO2.L-1, a relação alimento (A)/microrganismo (M) variou de 0,2 a 0,1 gDBO5.gSSV-1.d-1, e a carga orgânica média aplicada mudou de 0,194 a 0,267 kgDQO.m-3.d.-1. A remoção da turbidez manteve-se na faixa de 97%, a de matéria orgânica em termos de demanda bioquímica de oxigênio (DBO5) foi de 93% e entre 87 e 93% para o parâmetro demanda química de oxigênio (DQO), com o reator SM1 apresentando valores de eficiência e estabilidade operacional superiores ao SB1.

ABSTRACT This work evaluated the performance of a batch activated sludge system with a filtration module, provided by a geotextile blanket to remove organic matter present in sewage. The pilot-scale reactor had a useful volume of 85L, and it was operated for 182 days, with a total cycle time of 24 hours, and sludge age (θc) 25 days. The system was based on a conventional controller (SB1), used as a control and operated under the same conditions as the reactor (SM1) using geotextile blanket filtration. The preparation of the three filtration modules was applied to a non-woven synthetic blanket combined with three types of spacers: PVC-coated non-slip polyester mesh (Step I) for 56 days, three-dimensional geo-mat of thermosolded polypropylene filament (Step II) for 49 days, and 100% polyester acrylic blanket (Step III) for 76 days. The OD concentration remained in the range of 3 mgO2L-1, an F/M ratio ranging from 0.2 to 0.1 gBOD5. gVSS-1d-1 and the organic loading rate average applied ranged from 0.194 to 0.267 kg COD / m3.d.-1. Turbidity removal remained in the range of 97%, and the organic matter removal in terms of BOD5 was 93%, and from 87 to 93% in terms of COD, with SM1 reactor showing efficiency and stability values higher than SB1.

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.

Effect of microbial community structure of activated sludge in an Anaerobic-anoxic-oxic process with Actinic reaction enzyme system start-up / 生物工程学报

In order to explore the microbial communities and functions of activated sludge in an Anaerobic-anoxic-oxic (A²/O) process under the start-up of Actinic reaction enzyme system (ARES) system and to understand the impact of the ARES system in domestic sewage treatment process, the activated sludge microbial community structure in the A²/O process system before and after ARES system start-up was analyzed by Illumina-HiSeq 2000 high-throughput sequencing platform. By combining with the main parameters related to the effect of sewage treatment, we analyzed the environmental functions of the microbial communities. The microbial community structure of activated sludge was significantly different before and after the ARES system start-up. There were 9 main bacterial phyla in the system (average relative abundance ≥1%), accounting for 96%-98% of the total bacteria sequenced. After the ARES system was started, the relative abundance of Betaproteobacteria and Chlorobi increased by 3.45%-3.85% and 0.45%-2.61%, respectively. In the anaerobic unit, the relative abundance of Bacteroidetes increased by 12.97%, while the Actinobacteria and Firmicutes decreased by 9.60% and 1.45%, respectively. At the genus level of bacteria, the relative abundance of Denitratisoma increased by 0.80%-3.27%, while the Haliangium and Arcobacter decreased by 3.36%-4.52% and 1.48%-3.45%, respectively. The relative abundance of bacteria was significantly different before and after the ARES system start-up. There were 7 abundant fungi phyla (average relative abundance ≥1%) in the system. After the ARES system was started, the relative abundance of Rozellomycota decreased by 42.71%-46.77%. In the anaerobic unit, the relative abundance of Ascomycota decreased by 13.39%, while the relative abundance of Glomeromycota increased by 13.86%. At the genus level of fungi. The relative abundance of Entomophthoraceae sp. and Glomcromycota sp. increased by 31.35%-36.50% and 6.27%-13.84%, respectively, while the Rozellomycota sp. and Xylochrysis lucida decreased by 42.71%-46.77% and 3.67%-5.54%, respectively. Our results showed that the application of ARES system caused the response of the microbial community to environmental changes, especially for the fungi communities, in the meanwhile, improved the effluent quality, especially the removal rate of total nitrogen.

Influence of Landfill Leachate on Organic Matter Removal in Activated Sludge and Activated Sludge with Carrier Processes

Abstract This study assessed the performance of two pilot units, a conventional activated sludge (CAS) and an Integrated Fixed-Film Activated Sludge (IAS), in the treatment of leachate from sanitary landfill combined with domestic sewage, with the aim of removing organic substances. In order to assess the possible impacts on treatment, three experimental phases were designed using influent leachate contributions of 5%, 10%, and 20% of the total BOD load. Overall, the results showed that no significant changes in the behavior of biological processes. The IAS unit presented average BOD removal efficiencies of above 88%, 87% and 80% for the three leachate load contributions of 5%, 10% and 20% studied. The CAS unit presented lower average efficiency with a 5% leachate contribution (64%), but displayed a similar performance to the IAS unit in the other phases (82% and 80%); similar quantitative aspects were observed for both treatment processes with regards to biomass composition analysis. The kinetic coefficients related to heterotrophic metabolism did not indicate negative effects on treatment efficiency as a result of the increase in leachate addition, with values of 2.8; 2.8 and 2.7 d-1 obtained respectively for each phase with the CAS unit, and 2.0; 1.5 and 1.6 d-1 with the IAS unit, representing similar values to those found in the literature (1.5 a 5.0 d-1). The results reinforced the conclusion that the leachate load introduced did not cause inhibition or significant alterations to heterotrophic metabolism, and, therefore, to the removal of organic matter.

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.

Comparação de métodos para quantificação de bactérias nitrificantes / Comparison of methods for quantification of nitrifying bacteria

RESUMO A quantificação de bactérias nitrificantes é de extrema importância para o monitoramento de sistemas biológicos de tratamento que promovam a nitrificação. Neste trabalho, 15 amostras de efluentes coletadas em sistema de tratamento por lodos ativados (LA) foram analisadas de modo a quantificar bactérias nitrificantes por meio de duas técnicas: tubos múltiplos ou técnica do número mais provável (NMP); e hibridação in situ fluorescente (FISH). Os resultados sugerem que houve uma tendência de se obter valores diferentes para bactérias oxidadoras de amônia por meio da NMP em comparação com a FISH. Não obstante, a análise estatística revelou que a diferença de quantificação encontrada entre as técnicas não foi significativa, indicando que ambas podem ser usadas. Para as oxidadoras de nitrito, não foi possível realizar comparação, uma vez que os gêneros que estavam sendo determinados em cada uma das técnicas provavelmente eram diferentes. Sendo assim, as técnicas NMP e FISH se mostraram métodos relativamente simples e adequados para quantificação de microrganismos nitrificantes, com vantagens e limitações inerentes a cada uma.

ABSTRACT The quantification of nitrifying bacteria is of utmost importance for monitoring biological treatment systems designed to promote nitrification. In this study, 15 activated sludge samples were analyzed in order to quantify nitrifying bacteria by two different methods: the most-probable number (MPN); and the fluorescence in situ hybridization (FISH). The results suggest that there was a tendency to obtain different values for ammonia-oxidizing bacteria by MPN compared to FISH. However, statistical analysis of these data revealed that the difference found between the two techniques was not significant, indicating that both can be used for quantification of ammonia-oxidizing bacteria. For nitrite-oxidizing bacteria it was not possible to make this comparison, since the bacterial genera that were being determined in each technique were likely different. Thus, MPN and FISH techniques proved to be relatively simple and suitable for quantification of nitrifying microorganisms in sludge samples, each of them with advantages and limitations.

From waste to treasure: turning activated sludge into bioplastic poly-3-hydroxybutyrate / 生物工程学报

Large quantity of activated sludge is generated from wastewater treatment but without yet an appropriate deposition. High temperature can lyse the activate sludge so that nitrogen and phosphorus containing nutrients are released. Halomonas CJN was found to grow on the heat lysed activated sludge and glucose for production of bioplastic poly-3-hydroxybutyrate (PHB) in the absence of yeast extract, nitrogen and phosphorus sources as well as trace elements. This reduces the PHB production cost significantly. Furthermore, acetic acid formed from anaerobic fermentation of heat lysed activated sludge can be used to replace glucose for cell growth but not much for PHB production. After construction of an additional PHB synthesis pathway in Halomonas CJN, we can produce PHB entirely from heat lysed activated sludge, reducing production cost of PHB roughly from ¥ 30 000 Yuan/ton to ¥ 20 000 Yuan/ton, thus turning waste activated sludge to valuable raw material resource.

Avaliação do tratamento biológico de lixiviado de aterro sanitário em escala real na Região Sul do Brasil / Evaluation of the biological treatment of landfill leachate Brazilian full-scale system

RESUMO Esta pesquisa avaliou o desempenho do sistema de tratamento biológico de lixiviado de um aterro sanitário em escala real formado por duas lagoas anaeróbias (LAs) operadas em série, um sistema de lodos ativados (SLOA) e uma lagoa facultativa (LF). O objetivo do estudo foi avaliar a eficiência desse sistema biológico por meio do monitoramento de variáveis físico-químicas e ensaios de toxicidade, já que existe carência de artigos científicos para estudos em escala real e para esse tipo de configuração no tratamento de lixiviados. As coletas foram realizadas com frequência quinzenal, seguidas de análises laboratoriais para caracterização dos diferentes lixiviados coletados ao longo do tratamento. A eficiência de remoção de matéria orgânica observada foi de 80 e 60% para carbono orgânico dissolvido e demanda química de oxigênio, respectivamente. O sistema apresentou ainda eficiência de 83 e 73% para remoção de nitrogênio amoniacal e fósforo, respectivamente. Observou-se uma diminuição média de 44% de toxicidade do lixiviado tratado, que apresentou características tóxicas para o organismo teste Daphnia magna . A configuração do sistema biológico demonstrou-se vantajosa na remoção de matéria orgânica e fração nitrogenada, contudo os resultados indicam a necessidade de tratamento complementar.

ABSTRACT This study evaluated the performance of the biological treatment of leachate from a landfill full scale formed by two anaerobic lagoons operated in series an activated sludge system and a facultative pond system. The objective of the study was evaluate the efficiency proof this biological system through monitoring of physical-chemical variables and toxicity tests since there are few scientific papers considering full scale and this configuration for treatment of leachate. The sampling and laboratory analysis were performed fortnightly for characterization of different leachate along of the treatment. The removal efficiency of organic matter was 80 and 60% for dissolved organic carbon and chemical oxygen demand, respectively. The system also reached efficiencies of 83 and 73% for removal of ammoniacal nitrogen and phosphorus, respectively. It was observed an average decreasing of 44% of toxicity of the treated leachate, but it presented toxic characteristics to the organism Daphnia magna. The configuration of the biological system proved to be advantageous for the removal of organic matter, but the results indicate the need for further treatment.

Análise comparativa dos efeitos da carga orgânica e do tempo de detenção hidráulica na digestão anaeróbia mesofílica de lodo adensado de estação de tratamento de esgoto / Comparison of organic loading rate and hydraulic retention time effects on the mesophilic anaerobic digestion of thickened waste activated sludge

RESUMO Esta pesquisa comparou o desempenho de um digestor anaeróbio de lodo sob diferentes estratégias operacionais. Foi avaliada a influência do aumento da carga orgânica volumétrica (COV) (OP I) e o efeito da redução do tempo de detenção hidráulica (TDH) (OP II e OP III) no processo anaeróbio. As cargas aplicadas variaram entre 0,5 e 4,5 kgSV.m-3.d-1 e o TDH foi reduzido de 15 a 5 dias. Produção de gás metano, degradação do material orgânico e a diversidade microbiana foram utilizadas para medição e comparação do desempenho do processo. Foram necessários períodos de aclimatação a cada nova COV aplicada o que levou às instabilidades na remoção de SV e DQO do lodo. A operação com TDH entre 7 e 5 dias apresentou as maiores eficiências de remoção de SV, superiores a 70%, o que influenciou positivamente na estabilidade do processo. As COV aplicadas de 2,5 e 3,5 kgSV.m-3.d-1 resultaram nas maiores produções de metano durante a OP I. Para TDH inferiores a sete dias a produção de CH4 foi prejudicada apesar da existência de microorganismos metanogênicos atuantes no digestor. Comparativamente, a estratégia de redução do TDH resultou em um melhor desempenho do sistema que a fixação da COV. Quanto menor o TDH aplicado, melhor os resultados obtidos na operação do digestor, sugerindo que a eficiência do processo é otimizada em sistemas de alta carga com operação em baixos tempos de detenção hidráulica.

ABSTRACT This study compared the performance of a pilot anaerobic sludge digester under different operating strategies. The influence of increasing organic loading rate - OLR (OP I) and the effect of hydraulic retention time - HRT reduction (OP II and OP III) in anaerobic process were evaluated. The applied loads ranged between 0.5 and 4.5 kgSV.m-3.d-1; HRT was reduced from 15 to 5 days. Production of methane, organic matter degradation and microbial diversity were used to measure and compare the system´s performance. Acclimation periods were taken for each new OLR applied, leading to instabilities in sludge VS and COD removals. The experimental time with HRT between 7 and 5 days showed the highest VS efficiency removals (higher than 70%), which positively influenced process stability. The applied OLR of 2.5 and 3.5 kgVS.m-3.d-1 resulted in higher yields of methane during OP I. CH4 production showed impaired with HRT lower than 7 days, although it was observed active methanogenic microorganisms in the digester. Comparatively, HRT reduction resulted in a better system performance than the increasing OLR approach. The lower HRT applied, the better the results obtained in the operation of the digester, suggesting that the process efficiency is optimized with high load operation at low hydraulic retention times.

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.

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.

Desenvolvimento de sistema de Controle Ótimo para processo de tratamento de efluentes / Development of Optimal Control systems for wastewater treatment system

Este trabalho teve por objetivo geral propor e avallar técnicas de desenvolvimento de sistemas de controle automático para processos de tratamento de efluentes envolvendo lodos ativados. Os sistemas de controle propostos foram estabelecidos a partir da aplicação da Teoria de Controle Ótimo, considerando o emprego de um modelo dinâmico simplificado do processo de lodos ativados. Simulações computacionais foram utilizadas para a avaliação do desempenho dos sistemas de controle propostos. Os resultados obtidos permitiram concluir que o modelo dinâmico do processo de lodos ativados utilizado neste trabalho, estabelecido a partir de uma simplificação de modelo largamente aceito, segundo literatura técnica corrente, mostrou-se estável e adequado à definição de sistemas de controle.

This study aimed at developing and evaluating techniques for the development of automatic control systems for wastewater treatment systems involving activated sludge process. The proposed control systems were established from the application of Optimal Control Theory, considering the use of a simplified dynamic model of the activated sludge process. Computer simulations were used to assess the performance of the control systems proposed. The results showed that the dynamic model of the activated sludge process utilized in this study, obtained by simplifying a very well accepted model, according to the current technical literature, was stable and suitable for the definition of control systems.

Identification of Bacterial Population of Activated Sludge Process and Their Potentials in Pharmaceutical Effluent Treatment.

Aims/objectives: The cognition about microbial population of activated sludge and their treatment potential will be very useful for industrial wastewater treatment plant operation. Methodology: In this study microbial population of activated sludge process that was used for pharmaceutical wastewater has been investigated. Sampling was done from return sludge line and after serial dilution 1500 plates were studied. Methods for separating the bacteria from wastewater was pour plate method. All bacterial samples were purified using nutrient Agar and Macconkey Agar culture. Bacteria were separated from return sludge line and classified into 3 groups after biochemical tests and morphological analysis, These include positive bacteria of Bacillus genus, Pseudomonas aeruginosa and Flavobacterium. Results: The biodegradability study on pharmaceutical effluent using identified cultures in laboratory scale showed that Bacillus spp. are the most efficient bacteria for organic matter degradation. Conclusion: Results of this study showed that providing a microbial bank of these spp. can be useful for resistant operation of activated sludge.