Removal of nutrients from Organic Liquid Agricultural Waste using filamentous algae / Remoção de nutrientes de Resíduos Agrícolas Líquidos Orgânicos utilizando algas filamentosas

Abstract A feasibility analysis of tertiary treatment for Organic Liquid Agricultural Waste is presented using filamentous algae belonging to the genus Cladophora sp. as an alternative to chemical tertiary treatment. The main advantages of tertiary treatments that use biological systems are the low cost investment and the minimal dependence on environmental variables. In this work we demonstrate that filamentous algae reduces the nutrient load of nitrate (circa 75%) and phosphate (circa 86%) from the organic waste effluents coming from dairy farms after nine days of culture, with the added advantage being that after the treatment period, algae removal can be achieved by simple procedures. Currently, the organic wastewater is discarded into fields and local streams. However, the algae can acquire value as a by-product since it has various uses as compost, cellulose, and biogas. A disadvantage of this system is that clean water must be used to achieve enough water transparency to allow algae growth. Even so, the nutrient reduction system of the organic effluents proposed is friendly to the ecosystem, compared to tertiary treatments that use chemicals to precipitate and collect nutrients such as nitrates and phosphates.

Resumo Uma análise de viabilidade do tratamento terciário para Resíduos Agrícola Líquidos Orgânicos é apresentada usando algas filamentosas pertencentes ao gênero Cladophora sp. como alternativa ao tratamento químico terciário. Os tratamentos terciários que utilizam sistemas biológicos têm baixo custo de investimento e a dependência de variáveis ​​ambientais é mínima. Neste trabalho, é demonstrado que essas algas filamentosas reduzem a carga nutricional de nitrato (circa 75%) e fosfato (circa 86%) dos efluentes de resíduos orgânicos provenientes de fazendas de leite em nove dias de cultura e tem a vantagem de que as algas podem ser facilmente coletadas posteriormente. Atualmente, as águas residuais orgânicas são descartadas nos campos e córregos locais. Posteriormente, as algas podem ser consideradas como matéria prima, uma vez que possuem várias utilidades como composto, celulose e biogás. Uma desvantagem desse sistema é que água limpa deve ser usada para obter transparência de água suficiente para permitir o crescimento de algas. Mesmo assim, o sistema de redução de nutrientes dos efluentes orgânicos propostos e amigável ao ecossistema, comparado aos tratamentos terciários que utilizam produtos químicos para precipitar e coletar nutrientes como nitratos e fosfatos.

Eletrocoagulação como pós-tratamento do efluente de um wetland construído de escoamento vertical / Electrocoagulation as post-treatment of the effluent from a vertical flow constructed wetland

RESUMO A eletrocoagulação (EC) foi aplicada como tratamento terciário para o efluente de wetland construído de escoamento vertical (WCV). O sistema de EC compreendeu um reator cilíndrico de vidro (1 L) e eletrodos de alumínio conectados a uma fonte de alimentação de corrente contínua. O estudo foi desenvolvido em duas etapas. Na primeira, as condições operacionais do reator foram delimitadas por meio de um experimento bifatorial 32 (3×3) de natureza quantitativa × quantitativa, analisando intensidade de corrente e tempo. Com base nos resultados obtidos, a regressão linear resultou na combinação de 1,3 A e 18 min, com custo operacional elétrico de 2,71 R$.m−3. Em seguida, realizou-se a etapa de monitoramento durante quatro meses, aplicando a EC sob essas condições fixas estabelecidas. As eficiências médias de remoção alcançadas foram de 99,7% para P-PO43-, 20,6% para N-NO3−, 2,37 log de coliformes totais, 2,35 log de Escherichia coli, 84,9% para demanda química de oxigênio, 95% para turbidez, 95,1% para cor aparente, aumento de 19% no pH, de 18,6% na temperatura e diminuição de 15,8% na condutividade elétrica. O tratamento demonstrou elevadas e homogêneas eficiências de remoção dos poluentes, principalmente para P-PO43-, indicando que a EC produz efluente com menor potencial poluidor e é indicada para tratamento de efluente doméstico em nível terciário.

ABSTRACT Electrocoagulation (EC) was applied as a tertiary treatment for the effluent of a vertical flow constructed wetland (VFCW). The EC system was composed of a cylindrical glass reactor (1 L) and aluminum electrodes connected to a DC power supply. The study was developed in two stages. In the first, the reactor operating conditions were set by a 32 (3×3) two-factor experiment, quantitative × quantitative, analyzing current intensity and time (current × time). Based on the results, the linear regression resulted in the combination of 1.3 A and 18 min, with an electric operation cost of 2.71 $.m−3. Next, the monitoring stage was conducted for four months, applying the EC under the established conditions. The mean removal efficiencies were 99.6% for P-PO43-, 20.6% for N-NO3−, 2.37 log of total coliforms, 2.35 log of Escherichia coli, 84.8% for chemical oxygen demand, 94.9% for turbidity, 95% for apparent color, an increase of 18.9% in pH and of 18.6% in temperature, and a decrease of 15.8% in electrical conductivity. The treatment showed high and homogeneous pollutant removal efficiencies, mainly for P-PO43-, indicating that the EC produces an effluent with lower polluting potential and it is recommended in the tertiary treatment of domestic wastewater.

Tratamento de águas residuárias de suinocultura em sistemas alagados construídos, com Chrysopogon zizanioides e Polygonum punctatum cultivadas em leito de argila expandida / Swine wastewater treatment in constructed wetlands cultivated with Chrysopogon zizanioides e Polygonum punctatum on expanded clay bed

RESUMO No presente estudo avaliou-se a remoção de demanda bioquímica de oxigênio (DBO), nitrogênio total (NT) e fósforo total (PT) da água residuária de suinocultura (ARS) em sistemas alagados construídos (SACs) de escoamento horizontal subsuperficial, além da contribuição das espécies vegetais cultivadas: Polygonum punctatum (erva-de-bicho) e Chrysopogon zizanioides (capim-vetiver). Foram implantados três SACs, utilizando-se argila expandida como meio suporte, sendo um cultivado com P. punctatum (SACE), outro cultivado com C. zizanioides (SACV) e um mantido como controle, sem cultivo (SACC). Para um tempo de retenção hidráulica nominal (τ) de 3,2 dias, observou-se remoção de DBO, NT e PT, ao longo do período experimental, com eficiências médias de 85, 38 e 51% (SACC), 89, 48 e 69% (SACE) e 81, 36 e 45% (SACV), respectivamente. O melhor desempenho foi observado no SACE. Foram obtidas, em termos de matéria seca, produtividades de 2,79 e 1,91 g m-2 d-1 e remoções de NT de 1,54 e 1,01% e de PT de 0,81 e 1,19%, da carga aplicada, para a erva-de-bicho e o capim-vetiver, respectivamente.

ABSTRACT The objective of this study was to evaluate the pollutant removal of swine wastewater in horizontal-flow constructed wetlands (CW) and the contribution of vegetable species Polygonum punctatum (smartweed) and Chrysopogon zizanioides (vetiver grass). Three CW's were implanted with expanded clay as support bed, one cultivated with P. punctatum (CWE), another cultivated with C. zizanioides (CWV) and one without cultivation, used as control (CWC). Using a nominal hydraulic retention time (τ) of 3.21 days, theaverage removal efficiencies of BOD, NT and PT obtained were 85, 38 e 51% (CWC), 89, 48 e 69% (CWE) and 81, 36 e 45% (CWV), respectively. The best performance was observed on CWE. The dry mass productivities were 2.79 and 1.91 g m-2 d-1. NT removals were 1.54 and 1.01% and PT removals were 0.81 and 1.19%, respectively for Polygonum punctatum and Chrysopogon zizanioides .

Removal of nutrients from Organic Liquid Agricultural Waste using filamentous algae

Abstract A feasibility analysis of tertiary treatment for Organic Liquid Agricultural Waste is presented using filamentous algae belonging to the genus Cladophora sp. as an alternative to chemical tertiary treatment. The main advantages of tertiary treatments that use biological systems are the low cost investment and the minimal dependence on environmental variables. In this work we demonstrate that filamentous algae reduces the nutrient load of nitrate (circa 75%) and phosphate (circa 86%) from the organic waste effluents coming from dairy farms after nine days of culture, with the added advantage being that after the treatment period, algae removal can be achieved by simple procedures. Currently, the organic wastewater is discarded into fields and local streams. However, the algae can acquire value as a by-product since it has various uses as compost, cellulose, and biogas. A disadvantage of this system is that clean water must be used to achieve enough water transparency to allow algae growth. Even so, the nutrient reduction system of the organic effluents proposed is friendly to the ecosystem, compared to tertiary treatments that use chemicals to precipitate and collect nutrients such as nitrates and phosphates.

Resumo Uma análise de viabilidade do tratamento terciário para Resíduos Agrícola Líquidos Orgânicos é apresentada usando algas filamentosas pertencentes ao gênero Cladophora sp. como alternativa ao tratamento químico terciário. Os tratamentos terciários que utilizam sistemas biológicos têm baixo custo de investimento e a dependência de variáveis ambientais é mínima. Neste trabalho, é demonstrado que essas algas filamentosas reduzem a carga nutricional de nitrato (circa 75%) e fosfato (circa 86%) dos efluentes de resíduos orgânicos provenientes de fazendas de leite em nove dias de cultura e tem a vantagem de que as algas podem ser facilmente coletadas posteriormente. Atualmente, as águas residuais orgânicas são descartadas nos campos e córregos locais. Posteriormente, as algas podem ser consideradas como matéria prima, uma vez que possuem várias utilidades como composto, celulose e biogás. Uma desvantagem desse sistema é que água limpa deve ser usada para obter transparência de água suficiente para permitir o crescimento de algas. Mesmo assim, o sistema de redução de nutrientes dos efluentes orgânicos propostos e amigável ao ecossistema, comparado aos tratamentos terciários que utilizam produtos químicos para precipitar e coletar nutrientes como nitratos e fosfatos.

Reator em bateladas sequenciais de grânulos aeróbios: estudo da formação dos grânulos e do efeito da duração do ciclo na remoção de carbono, nitrogênio e fósforo de esgoto doméstico / Aerobic granular sludge sequencing batch reactor: study of granule formation and the cycle time effect in the carbon, nitrogen, and phosphorus removal from domestic wastewater

Neste trabalho estudou-se a formação de grânulos aeróbios em um reator em bateladas sequenciais alimentado com esgoto doméstico e avaliou-se o desempenho desse reator em relação à remoção de carbono, nitrogênio e fósforo utilizando ciclos operacionais de 3 e 4 h. Após 150 dias de operação, a biomassa do reator era constituída predominantemente por grânulos maduros e compactos, com concentração de sólidos suspensos em torno de 1,5 g.L-1. O reator apresentou elevada capacidade de remoção de carbono, nitrogênio e fósforo, principalmente quando operado em sucessivos ciclos de 4 h, atingindo uma eficiência média de remoção de demanda química de oxigênio solúvel de 82±5%, de NH4+-N de 69±19% e de PO43--P de 30±10%.

In this work, the formation of aerobic granules in a sequencing batch reactor fed with domestic wastewater was studied and the reactor's performance, in terms of carbon, nitrogen, and phosphorus removal, during operational cycles of 3 and 4 h, was evaluated. After 150 days of operation, the reactor's biomass predominantly consisted of compact mature granules, with a suspended solids concentration around 1.5 g.L-1. The reactor presented a high capacity for removing carbon, nitrogen, and phosphorus, mainly when operated in successive cycles of 4 h. Average removal efficiencies of 82±5% for soluble chemical oxygen demand, 69±19% for NH4+-N, and 30±10% for PO43--P were obtained.

Assessment of an artificial free-flow wetland system with water hyacinth (Eichhornia crassipes) for treating fish farming effluents / Evaluación de un humedal artificial con Jacinto de agua (Eichhornia crassipes) para el tratamiento de efluentes piscícolas / Avaliação de uma zona húmida artificial com Jacinto de água (Eichhornia crassipes) no tratamento de efluentes piscícolas

Background: fish farming effluents are mainly composed of organic matter and are considered a source of environmental pollution. Objective: to evaluate the efficiency of an artificial free-flow wetland system using water hyacinth (Eichhornia crassipes) to treat fish farming effluents under various hydraulic loadings. Methods: effluents generated from fingerling ponds of Oreochromis sp. and Piaractus brachypomus were passed through a constructed wetland system (40 m long and 7.7 m wide) to measure NO2-, NO3-, NH4+, total phosphorus (TP), and Biochemical Oxygen Demand (BOD5) removal efficiency. The hydraulic retention time was measured for six months in five assessment phases under real production conditions by using five hydraulic loadings (44.9, 45.3, 43.1, 41.6, 42.0 cm/day). Results: the hydraulic retention time of the constructed wetland system was 1.6 days, and its removal efficiency rates were: 67.9% for NH4+, 32.1% for BOD5, 27.1% for NO2-, 23.0% for TP, and 16.7% for NO3-. Removal rate was positively correlated with the loading rate of total inorganic nitrogen during the five phases of this study (r=0.956). Also, highest removal values and efficiency increase were reached in phase 5. Conclusions: the free-flow wetland with E. crassipes is efficient for removing nitrogen compounds, TP and BOD5.

Antecedentes: el efluente piscícola se compone principalmente de materia orgánica y es la principal fuente de impactos ambientales negativos. Objetivo: evaluar la eficiencia de un humedal artificial de flujo libre con Jacinto de agua (Eichhornia crassipes) en el tratamiento de efluentes piscícolas bajo diferentes cargas hidráulicas. Métodos: efluentes generados por estanques de alevinaje de Oreochromis sp. y Piaractus brachypomus se pasaron por el humedal artificial (40 m de largo y 7,7 m de ancho) y se determinó la eficiencia de eliminación de NO2-, NO3-, NH4+, fósforo total (TP) y BOD5 (Demanda Bioquímica de Oxigeno). Durante seis meses se determinó el tiempo de retención hidráulica en cinco fases de evaluación en condiciones reales de producción con cinco cargas hidráulicas (44,9, 45,3, 43,1, 41,6, 42,0 cm/día). Resultados: el tiempo de retención hidráulica del humedal artificial fue 1,6 días y registró eficiencias de eliminación de: NH4+ (67,9%), BOD5 (32,1%), NO2- (27,1%), TP (23,0%) y NO3- (16,7%). La velocidad de eliminación se correlacionó positivamente con la velocidad de carga del nitrógeno inorgánico total en las cinco fases de estudio (r=0,956); los mayores valores de eliminación y el incremento de su eficiencia se alcanzaron durante la fase 5. Conclusiones: el humedal artificial a flujo libre con E. crassipes es eficiente en la eliminación de compuestos nitrogenados, TP y BOD5.

Antecedentes: o efluente piscícola se compõe principalmente de matéria orgânica e essa é a principal fonte de impactos ambientais negativos. Objetivo: avaliar a eficiência de uma zona húmida artificial de fluxo livre com Jacinto de água (Eichhornia crassipes) para o tratamento de efluentes piscícolas sob diferentes cargas hidráulicas. Métodos: efluentes gerados por viveiros de alevinagem de Oreochromis sp e Piaractus brachypomus se passaram pela zona húmida (40 m de comprimento e 7,7 m de largura) e foi determinada a eficiência da eliminação de NO2-, NO3-, NH4+, fósforo total (FT) e BOD5. Durante seis meses determinou-se o tempo de retenção hidráulica em cinco estágios de avaliação em condições reais de produção com cinco cargas hidráulicas (44,9; 45,3; 43,1; 41,6 e 42,0 cm/dia). Resultados: o tempo de retenção hidráulica da zona húmida artificial foi de 1,6 dias e registrou eficiências de eliminação: NH4+ (67,9%), BOD5 (32,1%), NO2- (27,1%), FT (23,0%) e NO3- (16,7%). A velocidade de eliminação correlacionou-se positivamente com a velocidade de carga do nitrogênio inorgânico total durante os cinco estágios de estudo (r=0,956); os valores de eliminação maiores e o incremento da sua eficiência se alcançaram durante o estágio 5. Conclusões: a zona húmida artificial a fluxo livre com E. crassipes é eficiente na eliminação de compostos nitrogenados, FT e BOD5.

Biorreator à membrana em batelada sequencial aplicado ao tratamento de esgoto visando à remoção de nutrientes / Membrane sequencing batch reactor for the wastewater treatment aiming the nutrients removal

Neste trabalho, avaliou-se o desempenho de um biorreator à membrana em batelada sequencial para a remoção de nutrientes (nitrogênio e fósforo) de esgoto sanitário. O reator, construído em escala piloto, foi operado durante 241 dias com tempo total de ciclo de 4 horas, sendo 5 minutos para alimentação, 55 minutos para a fase anóxica e 180 minutos para as fases de aeração e filtração (simultaneamente). Ao longo do monitoramento, foram empregados dois fluxos de filtração: 5,55 e 11,1 L.m-2.h-1, que resultaram nas taxas de troca volumétrica de 5 e 10%, respectivamente. As eficiências médias de remoção de Demanda Química de Oxigênio total, nitrogênio amoniacal e nitrogênio total alcançadas foram de 99, 98 e 96%, respectivamente. Em relação à remoção de fósforo, observou-se inicialmente um baixo rendimento do reator, sendo verificado ao longo do tempo, no entanto, uma tendência de melhora na remoção desse nutriente, atingindo eficiência média de 74% entre os dias 158 e 241. A utilização do fluxo de filtração de 5,55 L.m-2.h-1 proporcionou uma operação estável ao biorreator à membrana em batelada sequencial no que se refere à pressão transmembrana, tendo sido atingido o valor limite de 0,7 bar apenas uma vez em 181 dias de operação, ao passo que, com fluxo de 11,1 L.m-2.h-1, esse limite foi atingido 3 vezes em 55 dias.

This study evaluated the performance of a membrane bioreactor sequencing batch, in pilot scale, to remove nutrients (nitrogen and phosphorus) from domestic wastewater. The reactor was operated for 241 days with a total cycle time of 4 hours, with 5 minutes for feeding, 55 minutes for the anoxic phase and 180 minutes for the aeration and filtration phases (simultaneously). Throughout the monitoring, two filtration flows were employed: 5.5 and 11.1 (critical flux) L.m-2.h-1, which resulted in the volume exchange rates of 5 and 10%, respectively. The removal efficiencies of total Chemical Oxygen Demand, ammonia nitrogen and total nitrogen were achieved by 99, 98 and 96%, respectively. Regarding phosphorus removal, a poor performance was observed in the beginning of the experiment; however, a tendency of improvement in the removal of this nutrient was further verified, reaching an efficiency average of 74% between the operational days 158 and 241. The flux filtration at 5.55 L.m-2.h-1 has provided a membrane bioreactor sequencing batch stable operation in relation to transmembrane pressure since it reached the limit value of 0.7 bar only once in 181 operational days, while for 11.1 L.m-2.h-1 it was observed 3 times in 55 days.

Viabilidade do tratamento de água residuária sintética têxtil em reator aeróbio de leito fixo / Viability of the synthetic textile wastewater treatment in a fixed-bed aerobic reactor

Um reator de escoamento contínuo, inoculado com Aspergillus niger AN400, possuía volume total de 5 L e foi operado a 29ºC, com oito horas de tempo de detenção hidráulica e 150 L.h-1 de vazão de ar, para remover 25 mg.L-1 de corante vermelho do congo de água residuária sintética. A alimentação do reator foi realizada em duas fases: Fase I, com 0,5 g.L-1 de sacarose e Fase II, sem sacarose. Na Fase I, foi possível observar eficiências de remoção de matéria orgânica (mg de DQO.L-1) e de cor (mg PT.L-1) de 80 ± 16 por cento e 82 ± 10 por cento (mg Pt.L-1), respectivamente. Na Fase II, a eficiência de remoção de matéria orgânica foi de 75 ± 13 por cento e de cor (mg Pt.L-1) de 89 ± 7 por cento. As maiores remoções de nutrientes foram alcançadas pelo reator na Fase I, com 25 por cento de amônia, 90 por cento de nitrito, 93 por cento de nitrato e 21 por cento de fósforo. Aparentemente, a presença de sacarose melhorou a remoção dos nutrientes.

A continuous flow reactor, inoculated with Aspergillus niger AN400, with total volume of 5 L was operated at 29oC, with eight hours of retention hydraulic time and 150 L.h-1 of air flow rate in order to remove 25 mg.L-1 of Congo Red dye from a synthetic wastewater. The feeding of the reactor, inoculated with Aspergillus niger AN400, was done in two phases: Phase I, with 0,5 g/L of saccharose and Phase II, with no saccharose. In Phase I, it was possible to verify efficiencies of organic matter and color (mg Pt.L-1) removal of 80 ± 16 percent and 82 ± 10 percent, respectively. In Phase II, the efficiency of organic matter removal was 75 ± 13 percent and color removal was 89 ± 7 percent. The higher removals of nutrients were achieved by the reactor in Phase I with 25 percent to ammonia, 90 percent to nitrite, 93 percent to nitrate and 21 percent to phosphorus. Apparently, the presence of saccharose improved the removal of the nutrients.