Effects of coal ash supplementation on aerobic granular sludge cultivated in a simultaneous fill/draw sequencing batch reactor / Efeitos da suplementação de cinzas de carvão mineral em lodo granular aeróbio cultivado em reator em batelada sequencial de alimentação/descarte simultâneos

ABSTRACT This study aimed to verify if coal ash, a residue from thermal power plants, could act as a granulation nucleus, cations source, and abrasive element to favor granules formation and stability in aerobic granular sludge (AGS) systems. Two simultaneous fill/draw sequencing batch reactors (SBRs) (R1 and R2) were operated with 6-h cycles, i.e., the filling and drawing phases occurred simultaneously, followed by the reaction and settling phases. R1 was maintained as control, while R2 was supplemented with coal ash (1 g·L-1) on the first day of operation. Granulation was achieved in both reactors, and no significant differences were observed in terms of settleability, biomass retention, morphology, resistance to shear, and composition of the EPS matrix. However, the ash addition did not change the settleability, biomass retention, granule morphology, shear resistance, and extracellular polymeric substances (EPS) content significantly. COD removal was high (≥ 90%), while nitrogen (~50%) and phosphorus (~40%) removals were low, possibly due to the presence of nitrate during the anaerobic phase. With granulation, microbial population profile was altered, mainly at the genus level. In general, the operational conditions had a more considerable influence over granulation than the ash addition. The possible reasons are because the ash supplementation was performed in a single step, the low sedimentation rate of this particular residue, and the weak interaction between the ash and the EPS formed in the granular sludge. These factors appear to have decreased or prevented the action of the ash as granulation nucleus, source of cations, and abrasive element.

RESUMO O objetivo deste estudo foi verificar se a cinza de carvão mineral, um resíduo de usinas termelétricas, poderia atuar como núcleo de granulação, fonte de cátions e elemento abrasivo em sistemas de lodo granular aeróbio (LGA) para favorecer a formação e estabilidade dos grânulos. Dois reatores em batelada sequencial (RBS) (R1 e R2) foram operados em regime de alimentação/descarte simultâneos com ciclos de 6 h, ou seja, as fases de alimentação e descarte do efluente ocorreram simultaneamente, seguidas das fases de reação e de decantação. O R1 foi mantido como controle, enquanto o R2 foi suplementado com as cinzas (1 g·L-1) no primeiro dia de operação. A granulação foi alcançada em ambos os reatores, não havendo diferenças marcantes em termos de sedimentabilidade, retenção de biomassa, morfologia do grânulo, resistência ao cisalhamento e conteúdo de substâncias poliméricas extracelulares (SPE). A remoção de DQO foi alta (≥ 90%), enquanto as remoções de nitrogênio (~50%) e fósforo (~40%) foram baixas, possivelmente pela presença de nitrato na fase anaeróbia. Após a granulação, o perfil da comunidade microbiana mudou, especialmente em termos de gênero. Globalmente, as condições operacionais tiveram maior influência sobre a granulação do que a adição das cinzas, possivelmente porque elas só foram adicionadas uma vez e possuem baixa velocidade de sedimentação, bem como devido a uma fraca interação das cinzas com a matriz de SPE formada no lodo aeróbio. Esses fatores podem ter diminuído, ou mesmo impedido, a ação das cinzas como núcleo de grânulo, fonte de cátions ou elemento abrasivo.

Tecnologia de lodo granular aeróbio no tratamento de esgoto doméstico: oportunidades e desafios / Aerobic granular sludge technology in domestic wastewater treatment: opportunities and challenges

RESUMO Considerado por muitos profissionais como um dos maiores avanços do século 21 na área de tratamento de esgotos, os reatores de lodo granular aeróbio (LGA) vêm recebendo bastante atenção em termos de pesquisa e instalação em escala plena em diferentes continentes e condições climáticas. São frequentes os relatos na literatura de eficiências de remoção acima de 90% em termos de demanda química de oxigênio, nitrogênio total e fósforo total, além da manutenção no reator de elevadas concentrações de sólidos (> 8 g SSV/L) sem a necessidade de decantador secundário e recirculação de lodo. Contudo, há também diversos relatos de problemas de instabilidade da biomassa, longo período de formação dos grânulos (principalmente quando se utiliza esgoto real), formação de grânulos pequenos, acúmulo de nitrito e outras questões. Esta revisão explora os mecanismos necessários para granulação em estações de tratamento de esgoto em escala plena no tratamento de esgoto sanitário, incluindo os principais grupos microbianos presentes no LGA, parâmetros-chave para a formação dos grânulos, configurações de reator etc. Além disso, discutem-se algumas questões sobre a operação e a manutenção desses sistemas em escala plena.

ABSTRACT Considered by many professionals as one of the greatest advances in wastewater treatment in the 21st century, the aerobic granular sludge (AGS) reactors have received great attention in terms of research and full-scale installation in different continents and weather conditions. There are frequent reports in the literature on removal efficiencies above 90% in terms of COD, total nitrogen and total phosphorus, as well as the maintenance of high solids concentrations (> 8 g VSS/L) in the reactor without the need for secondary clarifier and sludge recirculation. However, there are also several reports on problems of biomass instability, long periods of granule formation (mainly when using real sewage), formation of small granules, nitrite accumulation (incomplete denitrification), and other issues. This review explores the mechanisms required for granulation in full-scale WWTP treating sanitary wastewater, including the main microbial groups present in the AGS, key granule formation parameters, reactor configurations, etc. In addition, some issues on the operation and maintenance of these full-scale systems are discussed.

Enhanced removal of emerging micropollutants by applying microaeration to an anaerobic reactor / Remoção acelerada de micropoluentes emergentes pela aplicação de microaeração em reator anaeróbio

ABSTRACT The present paper aimed to evaluate the impact of microaeration on both the removal performance of some emerging micropollutants (pharmaceuticals, hormones, and bisphenol A) and the microbial community structure of an anaerobic reactor treating synthetic wastewater. Under anaerobic conditions, the removal efficiencies of the micropollutants were very low (< 10%). However, the microaeration (1.0 mL air·min-1 at 27 °C and 1 atm, equivalent to a QAIR/QINF ratio of 0.1) expressively improved the removal efficiencies of all compounds (> 50%). Therefore, supplementing anaerobic reactors with low amounts of oxygen seems to be an interesting strategy to enhance the removal of the micropollutants tested. However, further studies should be carried out with other compounds in order to evaluate the wide applicability of microaeration to different classes of micropollutants in lab- and full-scale treatment systems. Concerning the microbiota structure, both bacterial and archaeal communities were not compromised by the different operational conditions and preserved their functional organization with high richness during the whole experiment.

RESUMO O presente trabalho teve como objetivo avaliar o impacto da microaeração tanto no desempenho de remoção de alguns micropoluentes emergentes (fármacos, hormônios e bisfenol A) quanto na estrutura da comunidade microbiana de um reator anaeróbio tratando uma água residuária sintética. Sob condições anaeróbias, as eficiências de remoção dos micropoluentes foram muito baixas (< 10%). Entretanto, a microaeração (1,0 mL de ar·min-1 a 27 °C e 1 atm, equivalente a uma relação QAR/QAF de 0,1) melhorou expressivamente as eficiências de remoção de todos os compostos (> 50%). Portanto, a suplementação de reatores anaeróbios com baixas quantidades de oxigênio parece ser uma estratégia interessante para melhorar a remoção dos micropoluentes testados. Entretanto, mais estudos devem ser realizados com outros compostos para avaliar a ampla aplicabilidade da microaeração a diferentes classes de micropoluentes em sistemas de tratamento em escala laboratorial e real. Com relação à estrutura da microbiota, tanto as comunidades de bactérias quanto as de arqueias não foram comprometidas pelas diferentes condições operacionais e preservaram sua organização funcional com elevada riqueza durante todo o experimento.