Estudo da cinética de acumulação de polímeros de reserva num reactor de biofilmes para a remoção de azoto

Abstract

Os sistemas de tratamento de águas residuais domésticas têm sido tradicionalmente projectados para a remoção de carbono orgânico. Apesar do processo também permitir alguma remoção de azoto sob a forma de amónio, através do crescimento heterotrófico e da nitrificação, a verdade é que os níveis de nitrato descarregados nas águas superficiais têm-se mantido elevados. Estas descargas originam a introdução excessiva de nutrientes nos meios de rejeição, contribuindo em grande escala para o processo de eutrofização e de deplecção de oxigénio. A necessidade de desenvolver sistemas compactos ou ampliar instalações existentes para permitir a remoção de azoto afigura-se como uma potencial área de investigação na aplicação de biofilmes em reactores sequenciais descontínuos (SBBR). No presente trabalho analisou-se o efeito do tipo de alimentação ao SBBR (contínua versus descontínua) na sua capacidade de remoção de azoto. Estudou-se a cinética de produção e degradação de polímeros de reserva, nomeadamente o poli-β hidroxibutirato (PHB) e o poli-β hidroxivalerato (PHV), pelaa biomassa presente no reactor, relacionando o tipo de alimentação com o armazenamento de carbono intracelular. Os efeitos da presença de oxigénio também foram avaliados para o estudo da optimização do desempenho do reactor na remoção de azoto. Um reactor SBBR com um volume total de 28 l foi operado com um meio sintético que pretendia simular um efluente doméstico, constituído por acetato e amónio com uma razão C/N mássica de 3.78. O suporte para a formação de biofilme ocupava cerca de 34 % do volume total do reactor. O sistema operou em ciclos de 300 min, constituídos por uma fase de enchimento com mistura, uma fase de arejamento e uma fase de descarga. No modo de operação com alimentação descontínua, verificou-se uma acumulação significativa de PHB, tendo-se obtido fracções de PHB expressas em moles de carbono, de 0.12 mol/mol na biomassa suspensa e de 0.019 mol/mol no biofilme. Não se observou a acumulação de quantidades apreciáveis de PHV. Durante a fase de “abundância” de carbono, a taxa específica de consumo de acetato foi de 0.30 mol/(mol·h) e a taxa específica de síntese de PHB foi de 0.22 mol/(mol·h). Consequentemente, a fracção de substrato armazenado sob a forma de PHB foi de 0.7. Verificou-se que o carbono armazenado foi usado para crescimento aeróbio e não para a desnitrificação, devido à concentração elevada de oxigénio no meio. A remoção de carbono orgânico foi total e a remoção de azoto foi de 75.7 %. A taxa de nitrificação, nestas condições, foi de 0.43 mmol/(l·h) e a percentagem amónio nitrificado foi de 67.8 % do azoto fornecido. A taxa de desnitrificação foi de 0.46 mmol/(l·h) e a percentagem azoto desnitrificado foi de 43.6 % do azoto fornecido. No modo de operação com alimentação contínua, com períodos sucessivos de mistura e de arejamento, não se verificou acumulação de polímeros de reserva. Este facto era previsível uma vez que este regime de alimentação não favoreceu as condições transientes de carbono. O aumento gradual dos períodos de arejamento favoreceu a nitrificação. Até 60 min de arejamento, quer a nitrificação quer a desnitrificação são favorecidas. Acima desse valor, devido ao excesso de oxigénio na fase líquida e consequente penetração nos flocos de biomassa e no biofilme, deixam de se verificar as condições anóxicas que permitem a desnitrificação. A remoção de azoto constitui um compromisso entre os processos de nitrificação e de desnitrificação, verificando-se, com este trabalho, que existe um fornecimento óptimo de oxigénio que maximiza este compromisso. Com este sistema, o tempo total de arejamento que maximizou a desnitrificação foi de cerca de 27 % do tempo total. Nestas condições, a percentagem de amónio nitrificado e a percentagem azoto desnitrificado foram de 58.8 % e 39.0 %, respectivamente, do amónio fornecido. A remoção total de azoto foi de 69.2 %. Face aos resultados obtidos, verificou-se que a alimentação contínua constitui um modo de operação interessante no SBBR: as percentagens de remoção de azoto foram próximas das obtidas com alimentação descontínua, com a vantagem de eliminar a necessidade de um tanque de mistura ou de um segundo reactor. O fornecimento de oxigénio com períodos sucessivos de mistura e de arejamento também demonstrou vantagens na medida em que permitiu uma redução de 65 % do consumo de oxigénio (60 min de arejamento em alimentação contínua versus 165 min em alimentação descontínua).

Biological treatment of domestic wastewater has been traditionally designed for organic carbon removal purposes only. Although the process allows for some removal of nitrogen in the form of ammonium by heterotrophic growth and nitrification, the fact is that nitrate levels discharges in superficial waters are still high. Those effluents create an excessive nutrient load on water bodies and contribute in a large scale to eutrophization and oxigen deplection. The resulting need to develop compact wastewater treatment facilities or to up-grade existing plants for nitrogen removal provides a new opportunity in Sequencial Biofilm Batch Reactors (SBBR) research. In the present study, the effect of feeding regime (continuous versus discontinuous) on reactor capacity for nitrogen removal was evaluated. The kinetics and degradation of two storage polymers, namely poly-β-hydroxybutyrate (PHB) and poly- β -hydroxyvalerate (PHV), by SBBR biomass was studied and the feeding regime was related to intracelular carbon storage. Futhermore, a reactor optimization study correlated the effetcs of oxygen accessibility with nitrogen removal. A SBBR with a volume of 28 l was fed with synthetic medium simulating a domestic effluent, containing acetate and ammonium with a C/N ratio of 3.78. Biofilm was allowed to grow on a carrier support occupying 34% of the total volume. The reactor operated in a cyclic sequence of 300 min consisting of mixed fill, aeration and discharge phases. In discontinuous feeding mode, the presence of a significative PHB accumulation was observed. The fractions of PHB were 0.12 mol/mol in the active suspended biomass and 0.019 mol/mol in the biofilm, respectively. Accumulation of PHV was neglectable. For the “feast” period, the specific acetate uptake rate was quantified with 0.30 mol/(mol·h) and the specific PHB production rate with 0.22 mol/(mol·h). Therefore the stored fraction of substrate on PHB form was 0.7. Because of the high oxygen concentration in the bulk phase, stored carbon was used for aerobic heterotrophic growth and not for denitrification purpose. The organic removal was total and the nitrogen removal was 75.7 % of the total nitrogen fed. The nitrification rate was 0.43 mmol/(l·h), so that 67.8 % of the amonium-nitrogen fed were nitrified. The denitrification rate was 0.46 mmol/(l·h), so that 43.6 % of the total nitrogen fed were denitrified. No polymer accumulation was found to occur in experiments with continuous feedind and sequencing periods of mixing and aeration within a cycle. This fact was predictable once continuous feeding do not provide transient carbon conditions for carbon storage occurence. The prolongation of aeration periods seems to favour nitrification. Until 60 min of total aeration time, both nitrification and denitrification are favoured. Longer aeration periods favour the penetration of oxygen into the inner layer of biomass flocs, which eliminates the anoxic conditions required for denitrification. The nitrogen removal is a compromise between nitrification and denitrification processes. There is a certain supply of oxygen that optimize this compromise. With the utilized system, the optimum denitrification process was obtained with a total aeration time of about 27% of the total cycle. In those conditions, the ammonium nitrified and the nitrogen denitrified was 58.8 % and 39.0 %, respectively of the total ammonium fed. The total nitrogen removal was 69.2 %. Continuous feeding proved to be an interesting operating mode for SBBR: nitrogen removal was similar to that obtained with discontinuous feeding, with the benefit of eliminating the need of a mixing tank or a second reactor. The supply of oxygen in oscillating periods also showed benefits since it allowed a 65 % reduction on the oxygen consumption (60 min with continuous feeding versus 165 min with discontinuous feeding).