Effects of solids retention time on Extracellular Polymeric Substances (EPS) recovery, chain length and biodegradability

Abstract

Some industrial sectors produce wastewater that usually contains fine suspended solids and particles which can be problematic for the quality of water, to the aquatic life in general and soil contamination if they are discharged into the environment without proper treatment. The coagulation-flocculation process is a common method to solve this problem, however inorganic chemical coagulants and oil based synthetic flocculants are often used and they are harmful to the environment. Hence, it is becoming more important to replace these components with more sustainable natural bio-based flocculants. Microbial extracellular polymeric substances (EPS) are a new class of eco-safe flocculants that could be produced during the water treatment process. In this work it was studied the effects of solids retention time (SRT), which is a reactor operational parameter, on the EPS production, chain length and biodegradability. Also, a study about the viability of fluorescence spectroscopy on EPS protein quantification was performed. The tested substance (EPS), on the first study, were produced with three membrane bioreactors operating at different SRTs (1d, 8d and 15d), each separately treating synthetic wastewater consisting in a carbon source (glycerol and ethanol) and a nutrients source (nitrogen). The reactors were operated under nitrogen-limited conditions (COD/N of 84.4) with influent COD of 922 mg/L. Under the mentioned conditions, high COD removal efficiencies of 81-96% were achieved. The reactor that achieved the highest total EPS concentration on the sludge line was SRT 8d, however the reactor with the highest soluble EPS concentration and the most conversion of inlet COD into EPS was the reactor which operated with an SRT of 1d. Regarding the biodegradability assays, it was concluded that it might be possible the degradation of the produced EPS by their own producers under starving conditions. The bound EPS that were submitted to 2D and 3D-EEM fluorescence spectroscopy analysis were produced on a sequence batch reactor with a synthetic medium containing mainly acetate and a trace elements solution. These measurements demonstrated promising results if the sample was simple, containing almost only protein. When the EPS samples were measured, the correlation were not so favourable, probably due to the complex matrix which compose the EPS.

Alguns sectores industriais produzem águas residuais que normalmente contêm pequenos sólidos e partículas em suspensão podendo ser problemáticos para a qualidade da água, para a vida aquática em geral e podem ainda causar contaminação de solos se forem descarregados no ambiente sem o devido tratamento. O processo de coagulação-floculação é um método comum para ajudar na resolução deste problema, embora normalmente sejam utilizados coagulantes químicos inorgânicos e floculantes sintéticos à base de combustíveis fósseis que são prejudiciais ao ambiente. Como tal, está a tornar-se fundamental substituir estes componentes por floculantes naturais mais sustentáveis. As substâncias poliméricas extracelulares microbianas (EPS) representam uma nova classe de floculantes ecológicos que podem ser produzidos durante o processo de tratamento de água. Neste trabalho estudou-se o efeito do tempo de retenção de sólidos (TRS), que é um parâmetro operacional do reator, na produção e recuperação, no comprimento da cadeia polimérica e na biodegradabilidade de EPS. Também foi realizado um estudo sobre a viabilidade da espectroscopia de fluorescência na quantificação da fração de proteínas presentes nos EPS. Na primeira parte, a substância sob teste (EPS), foi produzida em três biorreatores de membrana com três diferentes TRSs (1d, 8d e 15d). Cada um dos reatores tratou separadamente águas residuais sintéticas, que consistiam em uma fonte de carbono (glicerol e etanol) e uma fonte de nutrientes (azoto). Os reatores foram operados sob condições limitadas de azoto (CQO/N de 84.4) com CQO de entrada de 922 mg/L. Nas condições mencionadas, foram obtidas elevadas eficiências de remoção de CQO, entre 81 e 96%. O reator que atingiu a maior concentração de EPS foi o que operou com TRS de 8d, mas o reator com a maior concentração de soluble EPS e com a maior conversão de CQO em EPS foi o que operou com TRS de 1d. Em relação aos ensaios de biodegradabilidade, concluiu-se que poderia ser possível a biodegradação dos EPS produzidos pelos seus próprios produtores em condições de fome. Os bound EPS que foram submetidos à análise de espectroscopia de fluorescência 2D e 3D foram produzidos em reator descontínuo sequencial com um meio sintético contendo acetato como fonte de carbono e micronutrientes. Estas medições demonstraram resultados promissores se a amostra fosse simples, só com proteína. No entanto, quando as amostras de EPS foram medidas, a correlação não foi tão favorável, provavelmente devido à matriz complexa que compõe o EPS.