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Reatores híbridos anaeróbio e aeróbio para remoção de matéria orgânica e nitrogênio em esgoto doméstico diluído

Resumo

A remoção de matéria orgânica e de nitrogênio em esgoto doméstico diluído foi avaliada em dois reatores híbridos, um anaeróbio (RHAN) e outro aeróbio (RHAE). O RHAN era formado por uma câmara tipo upflow anaerobic sludge blanket sobreposta por outra de filtro anaeróbio, enquanto o RHAE tinha uma câmara de lodo ativado sobreposta por outra de biofilme aerado submerso. A operação do sistema foi dividida em duas fases, FI e FII, com razões de recirculação de 50 e 75% e duração de 94 e 110 dias, respectivamente. Para a remoção de nitrogênio, o RHAE foi operado com oxigênio dissolvido de 3,0 mg.L-1. A técnica da reação em cadeia da polimerase foi empregada tanto para o lodo suspenso das câmaras inferiores, como para o biofilme aderido nas câmaras superiores, para identificar a presença de micro-organismos desnitrificantes e nitrificantes. As maiores eficiências de remoção em termos de demanda química de oxigênio e nitrogênio total foram obtidas em FII, sendo 91% e ~50%, respectivamente; as concentrações no efluente foram ~40 mg O2.L-1 e ~15 mg N-NT.L-1. A presença de três grupos de bactérias, as desnitrificantes, as oxidantes de amônia e as oxidantes de nitrito, foi confirmada no biofilme aderido do RHAE, indicando uma biomassa mixotrófica e sugerindo a possibilidade do processo de nitrificação e desnitrificação simultânea.

Introdução

Em regiões tropicais e subtropicais, os processos anaeróbios para o tratamento de esgotos domésticos se encontram bem consolidados, em especial com o emprego de reatores do tipo upflow anaerobic sludge blanket (UASB). Tem sido obtida relativamente elevada eficiência de remoção de matéria orgânica (LETTINGA et al., 1993; BARROS et al., 2015; WALIA; KUMAR; MEHROTRA, 2020), mas como ocorre em sistemas biológicos anaeróbios ou aeróbios convencionais, a remoção de nutrientes, como nitrogênio e fósforo, é baixa (PATHAK et al., 2020). Frações remanescentes de matéria orgânica, nitrogênio e fósforo causam impactos negativos ao meio ambiente, como é o caso de eutrofização em corpos aquáticos (PITTMAN; DEAN; OSUNDEKO, 2011; HU; REN, 2019). Para melhorar a eficiência do tratamento de esgotos e atender às regulamentações mais rigorosas, têm sido propostos sistemas alternativos de pós-tratamento (PANTOJA FILHO et al., 2015; ALLEGUE et al., 2020).
No caso de remoção de matéria orgânica e nitrogênio, têm sido aplicados sistemas combinando reatores híbridos contendo compartimentos com lodo suspenso na parte inferior e lodo aderido na parte superior; os reatores híbridos em sequência anaeróbia e aeróbia, com recirculação, favorecem a nitrificação e desnitrificação (LEYVA-DÍAZ et al., 2016; HOSSEINPOUR et al., 2019). Na parte inferior dos reatores, o lodo suspenso favorece a remoção de matéria orgânica e a desnitrificação, e a nitrificação, nos compartimentos anaeróbio e aeróbio, respectivamente; e as condições hidrodinâmicas otimizam o contato entre os substratos e os micro-organismos. Na parte superior, o meio suporte com lodo aderido favorece maior retenção de micro-organismos e, eventualmente, de biomassa carreada dos compartimentos inferiores, em especial das nitrificantes e desnitrificantes em suspensão, sujeitas frequentemente à perda por ocorrência de lavagem. Há, portanto, vantagens operacionais e econômicas com o uso de configuração convencional de reatores anaeróbio e aeróbio sequenciais, mas cada qual com compartimentos de lodo suspenso e lodo aderido separados, em função do menor volume, da área ocupada em planta e do menor requisito de bombeamento (LEYVA-DÍAZ et al., 2016; GONZALEZ-TINEO et al., 2020).
Leyva-Díaz et al. (2016) utilizaram um reator híbrido com lodo suspenso, razão de recirculação (RR) aplicada de 100 e 200% e tempo de detenção hidráulica (TDH) de 18 horas. Eles obtiveram eficiência de remoção de demanda química de oxigênio (DQO) próxima a 83 e 86%, respectivamente, com concentrações finais de 32 e 26 de mg O2 .L-1 , e para o nitrogênio, 59 e 58%, respectivamente, com concentrações finais de 35 e 33 mg N-NT.L-1, respectivamente. Oliveira Netto e Zaiat (2012), operando reatores híbridos com TDH de 12 horas e RR de 50 e 150%, reportaram eficiências de remoção de DQO de 92 e 95%, com concentrações finais de 44 e 31 mg O2 .L-1, respectivamente; e cerca de 65 e 75% para nitrogênio, atingindo concentrações finais de 14 e 10 mg N-NT.L-1, respectivamente.
Adicionalmente à remoção convencional de matéria orgânica e nitrogênio em reatores híbridos separados com recirculação, é possível promover o processo conhecido como nitrificação e desnitrificação simultânea (NDS), obtendo melhores eficiências de remoção (MÜNCH; LANT; KELLER, 1996; PATHAK et al., 2020). Uma das condições seria operar o reator aeróbio com baixo teor de oxigênio dissolvido (OD), entre 1,0 e 3,0 mg.L-1. O processo NDS é considerado vantajoso, quando comparado aos processos convencionais, porque não necessita de um tanque anóxico adicional em um sistema contínuo, uma vez que a desnitrificação é proeminente também no reator aeróbio, junto com a nitrificação; e condições de operação mais estáveis podem ser mantidas sem precisar de uma combinação complexa entre um tanque aerado e outro anóxico (MÜNCH; LANT; KELLER, 1996; XIA et al., 2019).
A combinação de micro-organismos suspensos e aderidos em um mesmo reator pode proporcionar maior diversidade e concentração de biomassa no sistema. Uma biomassa mixotrófica, autotrófica e heterotrófica pode ser fundamental para a ocorrência e estabilidade de processo tipo NDS (FENG et al., 2018). Por exemplo, mesmo em condições anaeróbias, o gênero Nitrosomonas também pode oxidar amônia (SCHMIDT; BOCK, 1997; STEIN, 2019); e outros autores, como Park et al. (2006), sugeriram que arqueias também podem oxidar amônia a nitrito ou nitrato. Portanto, o processo NDS pode ser favorecido inclusive em um reator anaeróbio. Além disso, o processo de oxidação anaeróbia da amônia (anammox) pode acontecer tanto no reator anaeróbio, pela recirculação do efluente do reator aeróbio contendo nitrito (preferencialmente) ou nitrato, como também no próprio reator aeróbio com baixa aeração (FUCHS et al., 2017). Nesse processo, a amônia é parcialmente convertida em nitrito pelas bactérias oxidantes de amônia (BOA) e, posteriormente, as bactérias anammox convertem a amônia restante e o nitrito produzido em gás N2 . De acordo com a literatura, as condições favoráveis para a ocorrência do processo anammox são: temperatura próxima a 35°C, pH entre 6,7 e 8,3, relação DQO/N entre 0,2 e 2,5, OD de 0,2 mg.L-1 e tempo de retenção de sólidos (TRS) entre 2 a 30 dias (AHN, 2006; MIAO et al., 2018; DU et al., 2019).
O objetivo deste estudo foi avaliar a remoção de matéria orgânica carbonácea e nitrogênio em esgoto doméstico diluído, usando um sistema com dois reatores híbridos sequenciais anaeróbio-aeróbio em escala piloto, cada qual compartimentado com lodo suspenso e aderido. A presença de bactérias nitrificantes e desnitrificantes também foi avaliada por meio de técnicas de biologia molecular.
Autores: Marcus Vinícius Alves dos Santos; Juliana Cardoso de Morais; Shyrlane Torres Soares Veras; Wanderli Rogério Moreira Leite; Savia Gavazza; Lourdinha Florencio e Mario Takayuki Kato.
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