Resumo

A tecnologia de lodo granular desenvolvida em reatores em bateladas sequenciais (RBS) é uma nova geração de processo alternativa aos lodos ativados para tratamento de águas residuárias. Porém, estudos utilizando esgoto real destacaram dificuldades para alcançar estabilidade dos grânulos e completa remoção de nutrientes. Além disso, atualmente existe a demanda pelo desenvolvimento de tecnologias inovadoras e sustentáveis que alcancem além da proteção ambiental, a recuperação de recursos, a eficiência energética e espacial. Neste contexto, os objetivos desta tese de doutorado foram (i) identificar o papel da comunidade microbiana para sustentar granulação, remoção de nutrientes e formação de substâncias poliméricas extracelulares (EPS), e (ii) investigar o potencial de biorrefinaria de exopolímeros do tipo alginato, em sistemas de tratamento de esgoto sanitário utilizando lodo granular. No primeiro estudo da tese (§ 4.1), as investigações iniciaram-se com a granulação e remoção de nitrogênio em um RBS piloto, tratando esgoto sanitário (0,6-1,0 g DQOsolúvel L -1 d -1 ). Os grânulos formados (300 µm) eram compostos por protozoários e bactérias, com predominância de organismos oxidante de amônia (AOB) nas camadas externas do grânulo. A nitrificação parcial foi a principal via metabólica da conversão de nitrogênio. As rotas de desnitrificação via nitrito, desnitrificação autotrófica, desnitrificação completa e incompleta também foram verificadas, com moderadas emissões de N2O (2,8 % da carga total de nitrogênio afluente). No segundo estudo da tese (§ 4.2), o desempenho da granulação e da remoção de nutrientes foram comparadas entre dois regimes de enchimento: rápido (estratégia operacional EO1: 18 L min-1 ) e lento (estratégia operacional EO2: 3,5 L min-1 ), em um RBS piloto com esgoto sanitário. O enchimento lento foi benéfico para formar grânulos maiores, para aumentar a fração de grânulos no lodo e para melhorar a sedimentabilidade (EO1: 290 µm, 55% grânulos,109 mL gSST -1 ; EO2: 450 µm, 78%, 74 mL gSST -1 ). O lento enchimento em EO2 também foi vantajoso para a hidrólise da matéria orgânica particulada, no acúmulo de biomassa (0,7 gSSV L -1 em EO1 e 1,5 gSSV L -1 em EO2) e na remoção de fósforo (33% em EO1 e > 97,5% em EO2 a partir de 165 dias). Porém, em ambas EO a biomassa não se acumulou substancialmente e houve o acúmulo de nitrito no sistema. Estas falhas de processo foram relacionadas com à configuração do ciclo do RBS e aos micro-organismos selecionados pela operação. Os organismos heterotróficos ordinários (OHO) de crescimento rápido foram predominantes em ambas EO (30% Thauera em EO1; 56% Comamonas em EO2). As populações afiliadas à Rhodocyclaceae, como o gênero Thauera, contribuiram positivamente para a granulação nas condições operacionais utilizadas para a remoção de C-N (EO1), porém resultou na formação de grânulos irregulares, levando à desintegração dos grânulos após 274 dias em EO1. Por outro lado, no terceiro estudo da tese (§ 4.3), a aplicação de condições de seleção de organismos acumuladores de poli-fosfato (PAO) de crescimento lento do gênero ―Candidatus Accumulibacter‖ (também membro da família Rhodocyclaceae) em um RBS de bancada, resultou em granulação robusta, demonstrando uma relevante diferença no impacto, a nível de gênero, no desempenho da estabilidade. O quarto estudo desta tese (§ 4.4), revelou que condições de aumento gradual da carga orgânica (0,3 a 2,0 g DQOacetato dia-1 L -1 ), razão C:P (8-16 g DQO g -1 P), e razão Ca:Mg (0,37-1 mol Ca mol-1 Mg), levaram à elevada seleção de ―Ca. Accumulibacter‖ (máximo 83% de contagem de leitura total) em condições ambientais de pH 7,5 e 18 ºC, e sustentaram a formação de substancial fração em massa de exopolímero no lodo granular (máximo 0,53 g STEPS g -1 SVbm). O exopolímero extraído do lodo granular apresentou um comportamento reológico típico de alginato. Em conclusão, a seleção de PAO por meio da gestão da operação do reator leva à efetiva coesão dos grânulos, promove remoção de fósforo e sustenta a produção de biopolímeros de elevado valor agregado ao interesse industrial, inserindo, portanto, a tecnologia de lodo granular na economia circular.

Introdução

O Brasil tem demonstrado um lento avanço no setor do saneamento diante, principalmente, das barreiras políticas, econômicas e falta de planejamento urbano do país. Na classificação mundial, o Brasil é o 102° país com relação à população com acesso ao saneamento (WHO; UNICEF, 2015). Em cinco anos (2011-2015) a melhora no tratamento de água ficou em 0,9% e na coleta de esgoto em 2,3%. Atualmente, o acesso à água encanada chega a 93,1% nas áreas urbanas brasileiras, no entanto um contingente de apenas 58% da população urbana recebe atedimento por redes de esgotos, destacando-se a região Sudeste, com média de 81,9% (SNIS, 2017). Quanto ao tratamento dos esgotos, observa-se que o índice médio do país chega a 42,7% para a estimativa dos esgotos gerados. Cabe ressaltar, que o volume de esgotos tratados aumentou de 3,624 bilhões de m 3 em 2013 para 3,764 bilhões de m3 em 2014, correspondendo a um incremento de 3,9% (SNIS, 2016) e para 3,805 bilhões de m3 em 2015, correspondendo a 1,1% (SNIS, 2017). Um dos problemas relacionados ao lançamento de esgoto não tratado são os altos níveis de contaminação da água, especialmente por nutrientes como nitrogênio (N) e fósforo (P), os quais estão presentes em diferentes formas nos ambientes aquáticos. Lançamentos excessivos desses nutrientes podem levar à eutrofização das águas superficiais. A constante degradação da qualidade das águas receptoras de despejos leva à necessidade de ações que visam prevenir a eutrofização por meio de uma eficaz redução dos níveis de nutrientes nos descartes de esgoto.

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Autora: Lorena Bittencourt Guimarães.