Evaluation of a Submerged Membrane Bioreactor (SMBR) on Nitrogen Removal via Simultaneous Nitrification and Denitrification (SND)

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1 Evaluation of a Submerged Membrane Bioreactor (SMBR) on Nitrogen Removal via Simultaneous Nitrification and Denitrification (SND) Marina Victoretti Silva 1, Eduardo Lucas Subtil² *, Mércia Regina Domingues Moretto 2, Bruna Araújo Lotto³ 1 Mestranda em Ciência e Tecnologia Ambiental na Universidade Federal do ABC 2 Centro de Engenharia, Modelagem e Ciências Sociais Aplicadas da Universidade Federal do ABC 3 Aluna de graduação do bacharelado em Ciência e Tecnologia na Universidade Federal do ABC *Autor correspondente: Centro de Engenharia, Modelagem e Ciências Sociais Aplicadas, Universidade Federal do ABC. Avenida dos Estados, Bangú, Santo André SP CEP: Brasil. eduardo.subtil@ufabc.edu.br Abstract Submerged Membrane Bioreactors (SMBR) are recognized as feasible option for wastewater treatment and wáter reuse. Despite this the technology is generally saw as a high investment when compared to conventional treatment system, especially because it spends more energy with the aeration system. However, SMBR when operated under specific conditions for simultaneous nitrification and denitrification (SND) can produce an effluent of high quality and lower costs when compared to a conventional configuration. This study evaluated the impacts of the nitrogen removal through SND during operation of a SMBR and the effluent quality after treating domestic wastewater. To accomplish this the SMBR operated in three stages: adaptation, activated sludge in conventional operational conditions and SND conditions. The second stage was divided in two parts according the flux rate (at 20ºC). In terms of performance, turbidity removal was achieved with high efficiency during the period. The efficiencies of the BOD and COD removal reached respectively, 99% and 94% for the adaptation period and 98% for both during the second stage. The average efficiency of nitrification reached 96% and the total nitrogen removal was 38% for the second stage. Base don the results, the membrane module operated in satisfactory conditions and the system was able to produce a high quality effluent in terms of organic matter and turbidity. KeyWords: Submerged Membrane Bioreactor, Simultaneous Nitrification and Denitrification, Fouling, Wastewater Treatment. AVALIAÇÃO DE UM BIORREATOR DE MEMBRANAS SUBMERSAS (BRMs) NA REMOÇÃO DE NITROGÊNIO VIA NITRIFICAÇÃO E DESNITRIFICAÇÃO SIMULTÂNEAS (NDS) Resumo Biorreatores com Membranas Submersas são reconhecidos como opção viável para o tratamento de esgotos sanitários e o reúso de águas. Apesar disso, a tecnologia é geralmente vista como um alto investimento quando comparado a sistemas convencionais de tratamento de esgoto, sobretudo pelo maior gasto energético com aeração. Porém, BRMs quando operados sob condições específicas para nitrificação e desnitrificação simultâneas, podem produzir um efluente de elevada qualidade com menor custo quando comparado à configuração convencional. Este estudo avaliou os impactos da remoção de nitrogênio via NDS na operação de BRMs tratando esgoto sanitário, visando caracterizar o fouling das membranas. Para isso, um reator BRMs foi operado em três etapas, sendo a etapa I de aclimatação, a etapa II sob condição de operação convencional (C-BRM) e a etapa III sob condições de Nitrificação e Desnitrificação simultâneas (NDS-BRM). A etapa C-BRM foi dividida em duas partes de acordo com a taxa de fluxo (à 20ºC) da operação. Foi alcançada elevada eficiência de remoção de turbidez durante todo o período estudado. As eficiências de remoção de DBO e DQO foram de 99% e 94% respectivamente para o período de aclimatação e 98% para ambas na etapa C-BRM. A eficiência média de nitrificação foi de 96% e remoção de nitrogênio total de 38% para a etapa C-BRM. Diante disso nota-se que o módulo de membranas operou em condições satisfatórias durante o período, e que o sistema foi capaz de produzir um efluente de elevada qualidade em relação à remoção de material orgânico e turbidez. Palavras chave: Biorreator de membrana submersa; Fouling; Nitrificação e Desnitrificação simultâneas; Tratamento de esgoto.

2 Introdução A crescente produção e, consequente descarte de esgoto bruto, tratado ou parcialmente tratado, nos corpos d água representa grande preocupação, principalmente, em áreas densamente povoadas em que o esgoto é o efluente produzido em maior volume, e os rios que recebem diariamente o esgoto tratado ou parcialmente tratado são mananciais de abastecimento para cidades localizadas a jusante dos pontos de lançamento. Além de conter carga orgânica, o esgoto possui diversas substâncias poluentes que podem causar danos à saúde do ser humano e de outros animais (YOON et al., 2006; BRICIU et al., 2009). Os esgotos apresentam grandes concentrações de nutrientes, como o nitrogênio. Esta é uma importante preocupação, que exige tratamento avançado quando se tem lançamento em situações mais restritivas (BUENO, 2011). A remoção de nitrogênio no tratamento biológico de esgotos sanitários baseia-se no processo onde o nitrogênio oxidado (nitrato) serve como aceptor de elétrons para a utilização do carbono orgânico, sendo convertido, ao final do processo, em nitrogênio gasoso (N 2 ). No sistema convencional de remoção de nitrogênio, para que este processo ocorra, são necessárias condições ambientais diferentes. Desta forma, os sistemas convencionais requerem uma fase separada com um volume anóxico para que ocorra a desnitrificação. Nas últimas duas décadas vários estudos demonstraram que os dois processos importantes de remoção de nitrogênio (nitrificação e desnitrificação) podem ocorrer simultaneamente no mesmo reator (MÜNCH et al, 1996; HELMER; HAO, 1998; MENOUD et al., 1999; WANG et al., 2005), sendo denominado de Nitrificação e Desnitrificação Simultâneas. A principal hipótese para a NDS é que o floco pode conter ambas as zonas aeróbicas e anóxicas de modo que ambos os processos de nitrificação e desnitrificação possam ser sustentados nos biorreatores. Neste contexto, comparado com o processo convencional de remoção de nitrogênio, a NDS apresenta vantagens por uma série de razões, entre elas: a eliminação da necessidade de operar o sistema com dois tanques em séries para obter condições ambientais diferentes, reduzindo o tamanho da estação e simplificando a operação; e menor consumo de energia devido a redução da necessidade de aeração (HOCAOGLU et al., 2011). Embora a NDS seja possível, tem sido relatado que o processo não pode ser continuamente sustentado no sistema de lodos ativados convencional, cuja necessidade de operação do sistema com baixas concentrações de oxigênio dissolvido e elevada idade do lodo favorecem o desenvolvimento de organismos filamentosos, que são responsáveis pela deterioração das propriedades de sedimentabilidade do lodo e estabilidade do sistema (MARTINS et al., 2003; TIAN et al., 2011). Nesse sentido, os BRMs possuem grande potencial de serem configurados com NDS, haja vista que as propriedades de sedimentabilidade do lodo não interferem na qualidade final do efluente do sistema de BRMs. Além disso, os BRMs são, atualmente, reconhecidos como opção viável para melhorar o tratamento de esgotos sanitários e implementar o reúso de águas residuárias (MELINA et al., 2006; SANTOS et al., 2011). A tecnologia refere-se à combinação de um processo biológico, geralmente um sistema de lodos ativados, e outro de separação por membranas. Diante do fato que o sistema pode ser operado com elevadas concentrações de biomassa e idade do lodo, é possível obter um consórcio microbiano altamente diversificado resultando em um efluente de alta qualidade. Apesar do processo NDS não ser uma descoberta recente, sua aplicação em conjunto com o sistema de BRMs é ainda pouco documentada, haja vista que este sistema é considerado uma tecnologia emergente de tratamento de esgotos sanitários. Contudo, as características dos BRMs são particularmente adequadas para aplicação do processo de Nitrificação e Desnitrificação Simultâneas devido a sua capacidade de reter os microrganismos de crescimento lento, como as bactérias nitrificantes, e a baixa eficiência de transferência de oxigênio como consequência da elevada concentração de biomassa. Alguns estudos tem demonstrado que os BRMs são capazes de remover com sucesso nitrogênio via NDS. Porém, a extensão do efeito da NDS no processo de separação por membranas em biorreatores tratando esgoto sanitário, precisa ainda ser avaliado para que a operação do sistema nesta condição não tenha um impacto negativo no desempenho global da tecnologia de BRMs (ARABI e NAKHLA, 2009). Diante disso, esse estudo teve como objetivo principal avaliar o impacto da remoção de nitrogênio via Nitrificação e Desnitrificação Simultâneas na operação de Biorreatores de Membranas Submersas tratando esgotos sanitários, visando caracterizar o efeito deste processo no fouling do sistema de membranas. Materiais e Métodos A fim de avaliar a influência do processo de nitrificação e desnitrificação simultânea no sistema de membranas, o experimento foi dividido em três etapas, sendo elas: aclimatação, operação convencional (C-BRM) e nitrificação e

3 FI FI desnitrificação simultâneas (NDS-BRM). Até o presente momento foram concluídas as etapa de aclimatação e C- BRM, a etapa NDS-BRM encontra-se em andamento. Reator e condições de operação Uma planta de um Biorreator de Membranas Submersas em escala piloto foi instalada no Centro Internacional de Referência em Reuso de Água CIRRA/USP. A Figura 1 mostra o fluxograma da unidade piloto. Esgoto Sanitário Tanque de equalização S 5 S 6 S 7 S 1 S 2 S 3 S 4 Bomba de sucção Tanque de permeado Data logger Compressor Rotâmetro Rotâmetro Computador Figura 1. Fluxograma da unidade piloto, onde: S1 sensor de nível; S2 sensor de vazão de permeado; S3 sensor de pressão; S4 sensor de temperatura; S5 sonda de oxigênio dissolvido; S6 sensor de ph e; S7 - sensor de ORP. A aeração foi feita por ar difuso, em duas linhas, uma para o licor misto e outra para a superfície das membranas. A fim de garantir o suprimento de oxigênio, manter a biomassa em suspensão e auxiliar a não acumulação de sólidos na superfície das membranas, foram utilizados difusores de bolhas finas. A vazão de ar foi controlada por meio de rotâmetros instalados nas linhas de ar do lodo e da membrana sendo estas 10L/min e 25L/min, respectivamente. Os valores de ph (Dosatronic ph 1200, marca Provitec), temperatura (termopar, NAKA 4-20 ma), ORP (Thermo Scientific AquaSensors AnalogPlus) foram medidos e monitorados durante todo o período experimental por meio de sensores. A sucção do efluente tratado, ou seja, o permeado, foi feita por uma bomba peristáltica (O-P 5000 TX- D, marca Provitec) conectada ao manifold do cassete de membranas. Na linha de sucção há um sensor de vazão do tipo turbina com transmissor (Signet 2000) e um transmissor de pressão de -1 a 1 bar (Gulton GTP 1000) ambos com sinal de saída de 4-20 ma. Todos esses instrumentos estavam conectados ao painel onde havia instalado um data logger (Field Logger, NOVUS) que registrava e armazenava esses dados que foram transferidos para um computador. O reator utilizado foi construído em acrílico, com volume útil de 156L e foi mantido em temperatura ambiente durante o período do estudo. O ph do licor misto foi controlado e mantido entre 6.7 e 7.3. O monitoramento do ORP foi feito para acompanhar as condições de aeração no reator, para garantir que o ambiente estava em condições adequadas para a ocorrência dos processos de oxidação dos poluentes. Para a fase de aclimatação e C-BRM o ORP foi mantido acima de 100mV para garantir a ocorrência da nitrificação. O esgoto sanitário que alimentou a unidade piloto foi gerado na moradia estudantil e no restaurante universitário do campus São Paulo da USP. Por meio de uma bomba elevatória, o esgoto era encaminhado à entrada do tratamento preliminar composto por uma grade mecanizada (step-screen) e caixa de areia, de onde foi bombeado para um tanque de armazenamento com capacidade de 1000L e transferido por gravidade à unidade piloto. Módulo de Membranas O módulo de membrana utilizado é do tipo placa-plana com membranas poliméricas de ultra filtração (UF) de 0.1μm, sintetizadas em Fluoreto de Vinilideno (PVDF) da marca SINAP. De acordo com o manual do fabricante, cada placa tem 0.1 m² de área efetiva de membrana e as seguintes dimensões 22x32x0.6 cm (largura x comprimento x espessura) e produzem de 40 a 60 L/peça/dia. A estrutura física do cassete de membranas é feita em aço inox com dois difusores na base para distribuição uniforme do ar na superfície das membranas (SUBTIL et al., 2012). O cassete possui 17 placas de membranas resultando em 1.8 m 2 de área útil de membrana. O procedimento físico adotado para o controle de fouling, além da aeração das membranas, foi o relaxamento. A cada nove minutos de filtração, a bomba de permeado permanecia desligada automaticamente por dois minutos.

4 Análises e Monitoramento do Sistema Na Tabela 1 são apresentados os parâmetros monitorados e a frequência de análise. Com exceção dos parâmetros que monitorados por sensores, aqueles relacionados ao fouling, os métodos analíticos utilizados estão descritos no Standard Methods for Examination of Water and Wastewater, 21 th Edition (APHA, 2005). Tabela 1. Programa de monitoramento do reator Variáveis Unidade Afluente Lodo Efluente Método Temperatura o C - Online - ORP mv - Online - - ph - 2x semana Online 2x semana B Turbidez NTU 2x semana - 2x semana 2130 Cor uc 2x semana - 2x semana 2120 DBO5,20 mg/l 1x semana - 1x semana D DQO total mg/l 2x semana - 2x semana 5220 D Série de sólidos mg/l - 2x semana N-NTK mgn/l 2x semana - 2x semana 4500 B N-NH3 - mgn/l 2x semana - 2x semana 4500 B/C N-NO2 - mgn/l 2x semana - 2x semana 4110 B N-NO3 - mgn/l 2x semana - 2x semana B Alcalinidade mgcaco3/l 1x semana - 1x semana B Propensão ao fouling - - 1x semana - Resultados e Discussão Concentração de sólidos suspensos no reator O parâmetro estabelecido para finalizar a fase de aclimatação foi a concentração de sólidos suspensos ao atingir 10g SST/L. Devido a alguns problemas operacionais, foram necessários 103 dias até que essa concentração fosse alcançada. Qualidade do Efluente Material orgânico DBO e DQO Na Tabela 2 podem ser observados os valores médios de DQO total e DBO no efluente obtidos durante as fases de aclimatação e C-BRM. Analisando os resultados, os valores de DQO e DBO em ambas as fases foram consideravelmente baixos. Nota-se uma elevada eficiência durante todo o período de operação. Em ambas as etapas a eficiência de remoção de DQO esteve sempre acima de 97%. Apesar da grande variação na concentração afluente, o efluente manteve-se sempre com baixas concentrações de DQO médias de 46 mg/l e 17 mg/l para as fases de aclimatação e C-BRM, respectivamente. Tabela 2. Valores médios de DBO e DQO total no efluente nas etapas de aclimatação e C-BRM. Parâmetro Aclimatação C-BRM Média Mín. Máx. D.P. Ef. N Média Mín. Máx. D.P. Ef. N DBO (mg O2/L) % % 12 DQO total (mgo2/l) % % 21 Cor e Turbidez A remoção de turbidez foi bastante elevada, conforme esperado. Durante todo o período de operação foi obtida eficiência de 99% de remoção de turbidez com valores sempre abaixo de 0.8 NTU. Em relação a cor, o efluente apresentou residual médio de 31 UC e a eficiência média de remoção durante o período avaliado (C-BRM) foi de 83%. Na etapa de aclimatação não foram realizadas análises de cor.

5 Material Nitrogenado Devido a alguns problemas ocorridos durante a operação para a obtenção de dados de nitrato e nitrito, aqui são apresentados apenas os resultados de remoção de nitrogênio para a etapa C-MBR. No período citado a relação C/N média foi de 5. Na Tabela 3, são apresentados os valores obtidos para Nitrogênio Amoniacal, NKT, Nitrogênio Orgânico, Nitrato e Nitrogênio total. Os resultados de nitrito não são apresentados, pois em todas as análises o valor esteve abaixo do limite de detecção do método. Exceto no dia de operação 152 que foi quantificado 1.89 mg/l de nitrito, sendo este valor desconsiderado. Tabela 3. Valores médios obtidos para as formas nitrogenadas na etapa C-BRM. Parâmetro Afluente Efluente (mg/l) Média Mín. Máx. D.P. N Média Mín. Máx. D.P. N N-NH NKT N-org N-NO N-total Nota-se que as concentrações de nitrogênio amoniacal, orgânico e NKT após o tratamento foram consideravelmente baixas. Ao observar os valores de eficiência, fica evidente que o processo de nitrificação encontrava-se estabelecido durante o intervalo de tempo apresentado, com eficiência mínima de 90%, atingindo até 99%. Outro fator que comprova a ocorrência da nitrificação é a alcalinidade. O afluente apresentou média de 283±27 mgcaco3/l, enquanto que o efluente apresentou 130±12 mgcaco 3 /L. O consumo de alcalinidade é uma característica da ocorrência do processo de nitrificação. A remoção de nitrogênio total foi de 38±18%, com mínimo de 9% e máximo de 74%. Esses valores são esperados em sistemas que não apresentam condições para a ocorrência de desnitrificação, uma vez que os resultados aquí apresentados são da operação sob condição convencional. Conforme apresentado no trabalho Paetkau e Cicek (2011) que atingiu remoção de 31% para nitrogênio total operando em condições convencionais e fluxo contínuo. Desempenho das Membranas Os resultados de desempenho das membranas estão divididos em 3 partes. Sendo a primeira correspondente à fase de aclimatação, a segunda a C-BRM com vazão média de 16 L/h e a terceira C-BRM com vazão média aumentada para 19L/h, aqui referida por C-BRM-A. Tabela 4. Valores médios de desempenho das membranas durante o período operado. Permeabilidade 20ºC PTM (bar) Vazão (L/h) Fluxo 20ºC (L/h.m²) (L/h.m².bar) Média 0.024± ±3 8± ±705 Aclimatação Máx n = 81 Mín Média 0.026± ±0.2 9± ±91 C-MBR Máx 0, n = 19 Mín 0, C-MBR-A n = 38 Média 0.024± ±1.8 10±1 458±96 Máx Mín Analisando os dados da Tabela 4, nota-se que a pressão esteve constante durante todo o período de operação do BRMs, sempre abaixo de bar. A vazão foi de 16L/h para a aclimatação e C-BRM e 19L/h após o aumento. Os valores médios de fluxo aumentaram ao longo da operação, na etapa de aclimatação manteve-se em 8 L/m².h, aumentou para 9 L/m².h na etapa C-BRM e chegou a 10 L/m².h após o aumento da vazão.

6 L/m².h.bar L/m².h.bar L/m².h.bar Em relação aos valores de permeabilidade, nota-se na Tabela 4 que esteve maior na etapa de aclimatação (736 L/m².h.bar), diminui de maneira significativa, atingindo valores menores que a metade inicial para a etapa C-BRM e após o aumento da vazão teve um pequeno aumento nos valores médios de permeabilidade a 20ºC. Os valores obtidos nas etapas C-BRM e C-BRM-A estão abaixo do valor de referência do manual do fabricante que é de 515 L/m².h.bar. As Figuras 4, 5 e 6, apresentam os valores de permeabilidade a 20ºC ao longo da operação, sendo aclimatação (Figura 2), C-BRM (Figura 3) e C-BRM-A (Figura 4). A reta de tendência representa a taxa de fouling para cada etapa, ou seja, a perda de permeabilidade. Quando comparadas as três figuras, nota-se que a maior taxa de fouling ocorreu no período de aclimatação, um descréscimo considerável na etapa C-BRM e em C-BRM-A a perda de permeabilidade é bem pequena quando comparada as etapas anteriores. As causas desse comportamento estão em fase de investigação y = -9,2047x , Dias de Operação Permeabilidade 20ºC Linear (Permeabilidade 20ºC) Figura 2. Série temporal de Permeabilidade a 20ºC na etapa de aclimatação y = -5,4173x + 941, Dias de operação Permeabilidade 20ºC Linear (Permeabilidade 20ºC) Figura 3. Série temporal de Permeabilidade a 20ºC na etapa C-BRM y = -0,0245x + 461, Dias de operação Permeabilidade 20ºC Linear (Permeabilidade 20ºC) Figura 4. Série temporal de Permeabilidade a 20ºC na etapa C-BRM-A. Conclusões Parciais Com base nos resultados obtidos pode-se concluir que: O sistema quando operado em condições convencionais atingiu 90% de eficiência média de nitrificação, o que demostra que o processo de nitrificação foi consistente; A remoção de nitrogênio total foi na ordem de 40%, sendo este valor próximo ao apresentado em outros trabalhos de sistemas semelhantes, onde o processo de desnitrificação não está estabelecido;

7 Foi possível obter um efluente de elevada qualidade em relação ao material orgânico e turbidez, com remoções na ordem de 98% e 99% para DQO e turbidez respectivamente; O módulo de membranas operou em condições próximas às recomendações do fabricante e de outros trabalhos realizados, indicados pelos valores de pressão transmembrana, fluxo e permeabilidade. Referencias bibliográficas APHA. Standard Methods for the Examination of Water and Wastewater. 21 st ed. American Public Health Association, ARABI, S.; NAKHLA. G. Characterization of foulants in conventional and simultaneous nitrification and denitrification membrane bioreactors. Separation and Purification Technology. 69, p , BRICIU, R. D.; KOT-WASIK, A.; NAMIESNIK, J. Analytical challenges and recent advances in the determination of estrogens in water environments. Journal of Chromatographic Science, v. 47, p , BUENO, R. F. Nitrificação e desnitrificação simultânea em reator com biomassa em suspensão e fluxo contínuo de esgoto. Dissertação de Mestrado da Faculdade de Saúde Pública da Universidade de São Paulo, HAO, X.; MARTINEZ, J. Removing nitrate and ammonium from drainage water by simulation of natural biological processes. Water Research; 32(3): , HELMER, C.; KUNST, S. Simultaneous nitrification/denitrification in an aerobic biofilm system. Science Technology, 37(4-5): , HOCAOGLU, M.S.; INSEL, G.; COKGOR, E.U.; ORHON, D. Effect of low dissolved oxygen on simultaneous nitrification and denitrification in a membrane bioreactor treating black water. Bioresource Technology, 102, p , MARTINS, A.M.P.; VAN LOOSDRECHT, M.C.M.; HEIJNEN, J.J. Effect of dissolved oxygen concentration on the sludge settle ability. Appl. Microbiol. Biotechnol. 62, p , MELINA, T.; JEFFERSONB, B.; BIXIOC, D.; THOEYEC, C.; DE WILDEC, W.; DE KONINGD, J.; VAN DER GRAAF, J. AND WINTGENSA, T. Membrane bioreactor technology for wastewater treatment and reuse. Desalination, 187, p , MENOUD, P.; WONG, C. H.; ROBINSON, H. A.; FARQUHAR, A.; BARFORD, J. P.; BARTON, G. W. Simultaneous nitrification and denitrification using Siporax TM packing. Water Science and Technology, 40(4-5): , MÜNCH, E.V.; LANT, P.A.; KELLER, J. Simultaneous nitrification and denitrification in bench-scale 369 sequencing batch reactors.water Science and Technology, 30(2): , SANTOS, A.; MA, W.; JUDD, S. J. Membrane bioreactors: Two decades of research and implementation. Desalination, v. 273, p , SUBTIL, E.L.; MIERZWA, J.C.; SILVA, M.C.C.; HESPANHOL, I. Assessment Performance of Conventional Membrane Bioreactor (C-MBR) and Biofilm Membrane Bioreactor (BF-MBR) Fed With Domestic Wastewater Reference. In: IWA 3 rd Regional Conference on Membrane Technology, Argentina, TIAN, W.; LI, W.; ZHANG, H.; KANG, X.; VAN LOOSDRECHT, M.C.M. Limited filamentous bulking in order to enhance integrated nutrient removal and effluent quality. Water Research, 45, p , WANG, B.Z.; HE, S.B.; WANG, L.; LIU, S. Simultaneous nitrification and de-nitrification in MBR.Water Science and Technology, 52(10-11): , 2005 YOON, Y., WESTERHOFF, P., SNYDER, S.A., WERT, E.C. Nanofiltration and ultrafiltration of endocrine disrupting compounds, pharmaceuticals and personal care products. Journal of Membrane Science, v. 270, p , 2006.