Organic matter and nitrogen removal from wastewater by membrane bioreactor in simultaneous nitrification and denitrification condition

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1 214 Remoção de matéria orgânica e nitrogênio em esgoto sanitário utilizando biorreator de membranas submersas em condição de Nitrificação e Desnitrificação Simultânea Organic matter and nitrogen removal from wastewater by membrane bioreactor in simultaneous nitrification and denitrification condition Bruna Araujo Lotto, bruna.lotto@aluno.ufabc.edu.br Eduardo Lucas Subtil, eduardo.subtil@ufabc.edu.br Universidade Federal do ABC, Santo André, São Paulo Submetido em 01/03/2017 Revisado em 01/03/2017 Aprovado em 02/05/2017 Resumo: O projeto avaliou a eficiência de um Biorreator de Membrana Submersa (BRM) no tratamento de esgoto sanitário. O período de operação dessa piloto foi dividido em três etapas em função da concentração de oxigênio dissolvido. Os resultados demonstraram que o sistema é capaz de gerar um efluente com baixas concentrações de DQO (17,3 ± 9,5 mg O2/L) e DBO (10,3 ± 2,5 mg O2/L) em todas as etapas. Além disso, o sistema mostrou-se eficiente na remoção de nitrogênio total (36% na operação convencional e 44 % na operação NDS). A eficiência de remoção de nitrogênio por desnitrificação foi em média 7% no período convencional e 64% no período NDS. Os resultados mostram o maior potencial do sistema BRM em remover nitrogênio quando operado em condições de nitrificação e desnitrificação simultânea (NDS). Palavras chave: Tratamento de esgoto. BRM. NDS. Abstract: The project evaluated the efficiency of a Submerged Membrane Bioreactor in wastewater treatment. The operation period was divided into three stages regarding dissolved oxygen concentration. The results showed that the system was able to produced an effluent with low concentrations of COD (17,3 ± 9,0 mg O 2/L) and BOD (10,3 ± 2,5 mg O2/L) in all the operation stages. Furthermore, the system was efficient in the total nitrogen removal (36% in the conventional operation and 44% in the SND operation). The nitrogen removal efficiency due to denitrification was on average 7% in the conventional stage and 64% in the SND stage. These results show the higher potential on the nitrogen removal when the MBR system is associated with SND. Keywords: Wastewater Treatment, MBR, SND.

2 215 Introdução A escassez de água é um dos grandes desafios enfrentado pela sociedade moderna. Nos últimos anos, este problema vem se agravando devido ao grande crescimento populacional e às alterações climáticas que reduzem a disponibilidade de água em determinadas regiões. Neste contexto, o a gestão integrada dos recursos hídricos disponíveis que considera, além dos mananciais, as fontes alternativas de água, incluindo o reúso de água, é essencial para minimizar os riscos associados à escassez hídrica. Dentre várias tecnologias disponíveis para o tratamento de esgotos sanitários e reúso de água uma opção promissora é o sistema de Biorreatores com Membranas Submersas (BRMs). A tecnologia de BRMs trata-se da combinação de um tratamento biológico, a partir de sistema de lodos ativados, a um processo de separação por membranas de microfiltração ou ultrafiltração (SUBTIL, 2014). A força motriz desse processo é a Pressão Transmembrana (PTM), que é controlada por uma bomba de sucção. Sendo assim, é possível operar o sistema com altas concentrações de lodo e um elevado Tempo de Retenção de Sólidos (TRS) (SUBTIL et al., 2013). Apesar do crescimento recente do uso de BRMs no tratamento de esgotos sanitários e reúso de água, sua aplicação com os processos biológicos e físico-químicos de remoção de nutrientes é muito recente. Contudo, a introdução de padrões de qualidade de água e de emissão de efluentes cada vez mais restritivos, sobretudo para nutrientes, faz com que a remoção de nitrogênio deva ser levada em consideração em diversas situações de lançamento ou reúso de água e, consequentemente, incluídas como pré-requisitos nos projetos dos sistemas de tratamento de esgotos sanitários. 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 (N2) (HENZE et al., 2008). No sistema convencional de remoção de nitrogênio, para que este processo ocorra, é necessário que haja condições ambientais diferentes, uma vez que o processo de nitrificação é realizado por bactérias autotróficas aeróbias, enquanto que a desnitrificação ocorre devido à presença de bactérias heterotróficas em ambiente anóxico. Desta forma, os sistemas convencionais requerem uma fase separada com um volume anóxico para que ocorra a desnitrificação. Nesta configuração, resalta Artan et al. (2004), é utilizada apenas uma fração do potencial de desnitrificação (PD n),

3 216 ou seja, o nitrogênio equivalente ao potencial de carbono orgânico biodegradável e sua eficiência é limitada pela quantidade de nitrogênio oxidado (nitrato) introduzido no volume anóxico. Porém, recentemente foi desenvolvido o processo conhecido por Nitrificação e Desnitrificação Simultânea (NDS), em que os dois processos ocorrem em um mesmo reator, nas mesmas condições e ao mesmo tempo (SUBTIL, 2014). No processo de NDS a quantidade de oxigênio fornecida ao sistema é reduzida. Com isso, formam-se flocos que podem conter ambas as zonas, aeróbia e anóxica. Neste sentido, o sistema NDS permite que haja o desenvolvimento simultâneo de bactérias nitrificantes (que se encontram ativas em áreas que possuem maior concentração de oxigênio) e desnitrificantes (ativas em áreas onde a concentração de oxigênio é limitante) (ZOPPAS, 2012). Comparado com o processo convencional de remoção de nitrogênio, a NDS apresenta várias vantagens por uma série de razões: I) elimina a necessidade de operar o sistema com dois tanques em séries para se obter condições ambientais diferentes, reduzindo o tamanho da estação e simplificando a operação (GUO et al., 2009); II), toda matéria orgânica biodegradável do afluente torna-se disponível como PDn, uma vez que o processo de desnitrificação ocorre em todo o volume do reator; III), utiliza menos fonte de carbono (22-40 %), reduzindo a produção de lodo em até 30% (TURK; MAVINIC, 1987); IV), e consome menos energia devido a redução da necessidade de aeração (HOCAOGLU et al., 2011). Neste contexto, o presente trabalho teve por objetivo principal avaliar a remoção de matéria orgânica e nitrogênio em um biorreator com membrana submersa operado em condição de nitrificação e desnitrificação simultânea. Materiais e Métodos Unidade piloto e procedimento experimental Neste trabalho foi utilizado uma planta piloto de um Biorreator de Membranas Submersas instalada no Centro Internacional de Referência em Reuso de Água da Universidade de São Paulo CIRRA-USP. Durante todo o experimento o sistema foi alimentado com esgoto sanitário em fluxo contínuo. A Figura 1 mostra o fluxograma da unidade piloto utilizada nesse estudo.

4 217 O reator utilizado foi construído em acrílico, com volume útil de 156 L mantido em temperatura ambiente durante o período do estudo. O ph do lodo foi controlado e mantido entre 6,7 e 7,3 com solução de hidróxido de sódio (NaOH) a 0,5 mol/l. A aeração foi feita por ar difuso, em duas linhas, uma para o licor misto e outra para a superfície das membranas. Para garantir o suprimento de oxigênio, manter a biomassa em suspensão e auxiliar a não acumular sólidos na superfície das membranas, foram utilizados difusores de bolhas finas. A vazão de ar foi monitorada através de rotâmetros instalados nas linhas de ar do lodo e da membrana sendo estas 10 L/min e 25 L/min, respectivamente. Para manter a faixa de concentração de oxigênio dissolvido estabelecida para cada fase, foi usado um controlador de oxigênio dissolvido em meio aquoso com sensor de luminescência (DS-NET, Policontrol). Este controlador estava ligado a uma válvula solenoide que abria e fechava a aeração do licor misto de acordo com os limites inferiores e superiores estabelecidos para cada fase. Os valores de ph (Dosatronic ph 1200, marca Provitec), temperatura (termopar, NAKA 4-20 ma), Potencial Redox (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), operando com ciclos de 9 minutos de filtração e 2 minutos de relaxamento, conectada ao manifold do cassete de membranas. Na linha de sucção foram instalados 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). 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 potencial Redox.

5 218 O período de operação do sistema piloto foi dividido em três etapas, sendo elas: Aclimatação, BRM em operação convencional (C-BRM) e BRM com nitrificação e desnitrificação simultânea (NDS-BRM). Na Tabela 1 são apresentadas as condições operacionais para cada etapa. Tabela 1- Condição operacional do sistema de BRMs. Parâmetros C-BRM NDS-BRM (I) NDS-BRM (II) OD 1 (mg O 2 /L) 2.35 ± ± ± 0.10 ORP (mv) 237 ± ± ± 54 SSTTA 2 (g SST/L) 8.37 ± ± ± 1.24 Vazão(L/h) 19,0 ± ,8 ± ,0 ± 1.5 ph 6.98 ± ± ± 0.15 Temperatura ( C) 25.3 ± ± ± Oxigênio Dissolvido 2 Sólidos Suspensos Totais no Tanque de Aeração Monitoramento do sistema de BRMs Na Tabela 2 são apresentados os parâmetros monitorados e a frequência de análise. Com exceção dos parâmetros monitorados por sensores, aqueles relacionados com o fouling e as análises de microscopia, os métodos analíticos utilizados estão descritos no Standard Methods for Examination of Water and Wastewater, 21thEdition (APHA, 2005). Outro aspecto importante a ser considerado na análise de nitrogênio é a quantidade de nitrogênio no afluente que é removida por assimilação para síntese celular e a quantidade que, de fato, é removida por desnitrificação. Em termos gerais, um balanço de nitrogênio pode ser expresso como na equação que se segue: = + (1) Em que: NTafluente = concentração NKT no afluente; NTefluente = concentração de NKT + concentração de nitrogênio oxidado (nitrito e nitrato) no efluente. Com relação ao nitrogênio assimilado e nitrogênio desnitrificado, utilizouse as seguintes equações: % = ( ), 100 (2)

6 219 % = ( ) (, ) ( ) 100 (3) Em que, Yobs = valor de produção de biomassa (g SST/g DQO); DQO = DQOmédia afluente DQOmédia efluente. Tabela 2 - Programa de monitoramento do sistema piloto. Variáveis Unidade Afluente Lodo Efluente Método Temperatura o C - Online - - OD mg/l - Online - - Redox mv - Online - - ph - 2x semana Online 2x semana B DBO 5 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-NH - 3 mgn/l 2x semana - 2x semana 4500 B/C N-NO - 2 mgn/l 2x semana - 2x semana 4110 B N-NO - 3 mgn/l 2x semana - 2x semana B P-PO 4 total mgp/l 2x semana - 2x semana 4500-P Alcalinidade mgcaco 3/L 2x semana - 2x semana B Resultados e Discussões a. Material Orgânico DBO e DQO Na Figura 2 e na Tabela 3 são apresentados os dados referentes as concentrações de DBO5 e DQO no permeado e os valores de eficiência de remoção médias para as três fases. É possível observar que os valores das concentrações após o tratamento são relativamente baixos tanto para DBO 5 quanto para DQO em todas as fases, ou seja, independente da variação de matéria orgânica do esgoto bruto, as concentrações de DQO e DBO no esgoto tratado foram bastante reduzidas. Foram alcançadas remoções superiores a 94% para DQO e 96% para DBO 5 em todas as fases, indicando que a redução na concentração de oxigênio dissolvido não impactou a remoção de matéria orgânica. Paetkau e Cicek (2011) obtiveram resultados semelhantes em sistema operando com concentração de oxigênio dissolvido de 4 e 0,71 mg/l, em ambas as condições a remoção de DQO esteve sempre acima de 95%.

7 220 Figura 2 - Remoção de DQO e DBO durante todo o período experimental. Tabela 3: Concentração de DQO e DBO e respectivas eficiências de remoção. Fase Aclimatação C-BRM NDS-BRM (I) NDS-BRM (II) Dias de operação DQO afluente (mg O 2/L) 715 ± ,7 ± ± ± 258 DQO efluente (mg O 2/L) 23,6 ± 12,2 21,7 ± 12,0 12,7 ± 8,4 17,6 ± 10,1 Remoção de DQO (%) 95 ± 6 94 ± 6 96 ± 4 94 ± 3 DBO afluente (mg O 2/L) 501 ± ± ± ± 9 DBO efluente (mg O 2/L) 8,0 ± 2,8 8,8 ± 4,0 11,7 ± 1,53 10,8 ± 1,9 Eficiência de remoção DBO (%) 98 ± 0 98 ±1 96 ± 1 97 ± 1 b. Material nitrogenado Os resultados da concentração de nitrogênio total no permeado para as diferentes fases de operação são apresentados na Figura 3. Pode-se observar que os níveis médios de concentração de nitrogênio total são decrescentes do período de aclimatação ao período de NDS, ou seja, houve uma maior remoção de nitrogênio total com a redução de oxigênio dissolvido no tanque de aeração. Além disso, a partir dos dados apresentados na Tabela 4, pode-se notar que as concentrações de Nitrogênio amoniacal, Nitrogênio orgânico e NKT foram baixas depois do tratamento em todas as fases de operação do sistema piloto.

8 221 Figura 3 - Concentração de nitrogênio total no permeado. 1: Aclimatação; 2: C-BRM; 3: NDS-BRM (I); 4: NDS-BRM (II). Tabela 4 - Concentração de nitrogênio e eficiência de remoção. Permeado Fase Aclimatação C-BRM NDS-BRM (I) NDS-BRM (II) Dias de operação N-NH 3 (mg/l) 2,1 ± 1,2 5,3 ± 9,3 1,2 ± 1,1 1,6 ± 1,8 N orgânico (mg/l) 2,5 ± 1,6 4,7 ± 5,0 4,7 ± 3,8 3,5 ± 3,1 NKT (mg/l) 4,6 ± 1,6 9,9 ± 13,5 5,9 ± 3,6 5,2 ± 3,1 N-NO 3 (mg/l) 47,3 ± 13,2 34,9 ± 21,1 21,6 ± 9,4 27,6 ± 7,1 N-NO 2 (mg/l) 0,25 ± 0,62 0,05 ± 0,19 0,17 ± 0,58 0,91 ± 1,94 Remoção de NT (%) 36 ± ± ± ± 16 As baixas concentrações de N-NH3 e as elevadas concentrações de NO3 no efluente evidenciam a ocorrência de nitrificação. Nesse processo, as bactérias nitrificantes, em condições aeróbicas, oxidam parte do nitrogênio amoniacal em nitrato (NO - 3). A concentração de OD durante as fases de Aclimatação e C-BRM era desfavorável à redução de nitrato pelas bactérias desnitrificantes. Sendo assim, observase que as concentrações de nitrato (NO - 3) nessas duas primeiras fases foram relativamente maiores em comparação às fases NDS-BRM (I) e NDS-BRM (II) em que as concentrações de OD eram menores.

9 222 A partir dos dados de eficiência de remoção de nitrogênio total, observa-se que as fases de operação NDS-BRM foram relativamente mais eficientes, apresentando remoção de nitrogênio total em torno de 44 ± 16%. Esses resultados podem ser justificados devido às condições favoráveis à desnitrificação obtidas nas últimas fases de operação do sistema de BRMs. Os resultados do balanço de massa para o material nitrogenado são apresentados na Tabela 5, e mostram que, do total de nitrogênio removido no período de C-BRM (36%), apenas 7% correspondem ao nitrogênio desnitrificado. Ou seja, 93% da remoção de nitrogênio nesse período corresponde ao nitrogênio que foi assimilado para síntese celular. Por outro lado, os períodos de NDS-BRM apresentam valores de eficiência de remoção por desnitrificação muito mais significativos, sendo que, no período NDS- BRM (II), 64% de todo o nitrogênio que foi removido está associado ao processo de desnitrificação. Esses últimos valores apresentados são de grande importância à medida que quantifica o real valor de remoção de nitrogênio por desnitrificação e evidencia o maior potencial da operação NDS para remoção desse nutriente. Tabela 5 - Remoção de nitrogênio por assimilação e por desnitrificação em cada fase experimental. Aclimatação C-BRM NDS-BRM (I) NDS-BRM (II) N-assimilado (%) N-desnitrificado (%) Conclusões Com base nos resultados obtidos pode-se concluir que a remoção de material orgânico não foi afetada negativamente pelas condições operacionais estabelecidas e a diminuição da concentração de OD no licor misto, pois foi possível obter um efluente com baixas concentrações de DQO e DBO 5 em todas as etapas. O mesmo comportamento ocorreu para a remoção de N-NH3 e NKT cujos valores foram reduzidos durante todo o período de operação. Por outro lado, a redução na concentração de oxigênio dissolvido promoveu um aumento na remoção de nitrogênio total devido a maior atividade das bactérias desnitrificantes, conforme resultados estimados pelo balanço de massa do material nitrogenado. Desta forma, a redução na concentração de OD pode ser considerada um aspecto positivo na remoção de

10 223 nitrogênio total em BRMs de único estágio, além de resultar em menores consumos energético do sistema. Referências ARTAN, N.; ORHON; D.; CHOI, E. Appropriate design of activated sludge systems for nitrogen removal from high-strength wastewaters. J. Environ. Sci. Health, v. A39, n. 7, p , APHA. Standard Methods for the Examination of Water and Wastewater. 21 ed. American Public Health Association, GUO, W.; NGO, H.; PALMER, C.G.; XING, W.; HU, A.Y. AND LISTOWSKI A. Roles of sponge sizes and membrane types in a single stage sponge-submerged membrane bioreactor for improving nutrient removal from wastewater for reuse. Desalination, 249, p , HENZE, M.; LOOSDRECHT, M.; EKAMA, G.A.; BRDJANOVIC, D. Biological wastewater treatment: Principles, modelling and design. 1 st ed. IWA publishing, 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, v. 102, p , PAETKAU, M.; CICEK, N. Comparison of nitrogen removal and sludge characteristics between a conventional and a simultaneous nitrificationdenitrification membrane bioreactor. Desalination, v. 283, p , SUBTIL, Eduardo Lucas. Remoção simultânea de nitrogênio e matéria orgânica em Biorreatores com Membranas Submersas (BRMs) de único estágio: aplicação do processo de Nitrificação e Desnitrificação Simultânea (NDS) no tratamento de esgotos sanitários. UFABC, São Paulo, SUBTIL, Eduardo Lucas; HESPANHOL, Ivanildo; MIERZWA, José Carlos. Biorreatores com Membranas Submersas (BRMs): alternativa promissora para o tratamento de esgotos sanitários para reuso. Rev. Ambiente & Água, v. 8, n. 3, p , dez TURK, O.; MAVINIC, D.S. Benefits of using selective inhibition to remove nitrogen from highly nitrogenous wastes. J. Environ. Tech. Letters, v. 8, p , ZOPPAS, Fernanda Miranda. Estudo da remoção de nitrogênio em efluentes por nitrificação e desnitrificação simultânea f.. Dissertação (Mestrado em Engenharia) Escola de Engenharia, UFRGS, Porto Alegre, 2012.