REMOÇÃO BIOLÓGICA DE NITROGÊNIO EM REATOR EM BATELADA SEQUENCIAL ALIMENTADO COM ÁGUAS RESIDUÁRIAS DE CAFÉ PRÉ-TRATADAS

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1 70 REMOÇÃO BIOLÓGICA DE NITROGÊNIO EM REATOR EM BATELADA SEQUENCIAL ALIMENTADO COM ÁGUAS RESIDUÁRIAS DE CAFÉ PRÉ-TRATADAS BIOLOGICAL NITROGEN REMOVAL FROM PRE-TREATED COFFEE WASTEWATER IN SEQUENTIAL BATCH REACTOR Resumo Wilmar Alirio Botello Suárez (1) Roberto Alves de Oliveira (2) O tratamento biológico de águas residuárias geradas no processamento de café por via úmida (ARC), é frequentemente realizado em sistemas baseados na digestão anaeróbia. Porém, efluentes gerados com esta tecnologia ainda contém elevada concentração de nutrientes, entre eles nitrogênio (N), os quais podem afetar significativamente sistemas aquáticos receptores. Neste trabalho, objetivou-se avaliar o desempenho de um reator em batelada sequencial (RBS), na remoção biológica de nitrogênio via nitrificação/desnitrificação convencional, no tratamento de efluentes de digestão anaeróbia de ARC. O sistema foi estabelecido a escala de bancada (V=25 L) a temperatura ambiente, alimentado com fluxo continuo por um período de 46 dias, e ciclo de 24 h, com cinco fases: aeróbia/anóxica/sedimentação/descarte/inatividade. Após este período, foram quantificadas as populações bacterianas nitrificantes e desnitrificantes cultiváveis associadas ao lodo ativado, e foi analisado o perfil de um ciclo operacional em intervalos de uma hora. A remoção média de Nitrogênio Total Kjeldah (NTK) foi de 88,6%, observando redução de nitrogênio amoniacal e alcalinidade do afluente e incremento da concentração de nitratos. A análise microbiológica permitiu estabelecer predominância de bactérias litróficas sobre organotróficas, encontrando maior proporção de bactérias oxidantes de amônia. Através da análise do perfil do ciclo operacional foi evidenciada redução de compostos nitrogenados, mas acúmulo de N-NH3 transcorridas 17 h de processo. Conclui-se que, sob as condições avaliadas, o uso do reator RBS pode fornecer altos índices de remoção de nitrogênio presente em ARC pré-tratadas, e que o sistema pode ser otimizado, visando realizar a estabilização de maiores volumes de resíduo. Palavras-chave: Nitrificação. Desnitrificação. Tratamento de efluentes. Abstract Biological treatment coffee processing wastewater (CPWW), is often performed with anaerobic digestion systems. However, effluents generated with this technology still contain high concentration of nutrients, including nitrogen (N), which can affect aquatic systems receptors 1 Doutorando em Microbiologia Agropecuária pela UNESP. Endereço eletrônico: bwilmar61@yahoo.com 2 Doutor em Hidráulica e Saneamento pela USP. Professor assistente Doutor UNESP, Jaboticabal. Endereço eletrônico: oliveira@fcav.unesp.br.

2 71 significantly. This study aimed to evaluate the performance of a sequencing batch reactor (SBR), for biological nitrogen removal by conventional nitrification/denitrification, in the treatment of effluents of anaerobic digestion of CPWW. The system was set in lab-scale (V = 25L) at room temperature, fed for 30 days with a continuous flow and operational cycle of 24h, consisting of five stages: oxic/anoxic/settling/discard/idle). After this period, cultivable nitrifying/denitrifying bacterial populations colonizing activated sludge were quantified, and the profile of an operating cycle was analyzed at intervals of one hour. The average of Total Kjeldah Nitrogen (TKN) removal was 88.6%, with reduction of ammonia nitrogen and alkalinity of influent and increasing of nitrate concentration. Microbiological analysis showed predominance of organotrophic on lithotrophic bacteria, finding higher proportion of oxidizing ammonia bacteria. The operating cycle profile shows reduction of nitrogenous forms, but increase of N-NH3 after 17h of process. It is concluded that, under the conditions evaluated, using of SBR reactor can provide high removal ratios of nitrogen present in pretreated CPWW, and the system can be optimized to perform the treatment of large volumes of waste. Keywords: Nitrification. Denitrification. Effluent treatment. 1 Introdução O processamento de café por via úmida gera grandes quantidades de águas residuárias com elevado potencial poluente. Estes efluentes, conhecidos como águas residuárias de café, ou ARC, são frequentemente dispostos em sistemas de digestão anaeróbia (DA), devido à possibilidade de tratamento com simultânea geração de energia. No entanto, efluentes resultantes deste processo apresentam elevadas concentrações de compostos nitrogenados, principalmente na forma de amônia (NH4 + ). Consequentemente, ARC pré-tratadas em sistemas de DA ainda precisam ser estabilizadas, dado que estes compostos podem ocasionar sérios problemas de eutrofização se dispostos em corpos receptores. O reator em batelada sequencial (SBR), tem sido proposto como alternativa de tratamento de efluentes de DA (CHAN et al., 2009). A sua operação convencional é baseada na conformação de ciclos operacionais, que alternam fases aeróbias e anóxicas, possibilitando o estabelecimento de comunidades microbianas nitrificantes e desnitrificantes associadas à matriz de lodo ativado, as quais, sob adequadas condições, podem transformar a amônia até nitrogênio molecular:. Este processo constitui um mecanismo natural, do qual deriva o reciclado de N à atmosfera (COOPER; DAY; THOMAS, 1994). Contudo, geralmente o RBS é operado com fluxo de alimentação intermitente. Isto reduz consideravelmente o volume de efluente tratado, precisando, em muitos casos, a necessidade de instalação de sistemas em paralelo e incrementando custos operacionais. Em virtude disso, novas configurações precisam ser avaliadas com a finalidade de estabelecer a sua plausibilidade e eficiência no pós-tratamento deste tipo de efluentes.

3 72 Portanto, o presente trabalho teve como objetivo verificar o desempenho operacional de um reator em batelada sequencial, alimentado continuamente como unidade de estabilização de ARC pré-tratadas em um sistema de digestão anaeróbia, e avaliar a sua eficiência em termos de remoção biológica de nitrogênio. 2 Material e Métodos Reator. Um reator em batelada sequencial, com volume total de 25 L, foi disposto como sistema de tratamento de efluente anaeróbio de reatores UASB tratando ARC. O RBS foi alimentado de forma continua durante 46 dias a temperatura ambiente (entre 21,3 e 31,3ºC), a uma vazão de 0,33 L s -1, mantendo um volumem de 17 L de lodo ativado (valores iniciais de ST=29,5 gl -1 e SV=21,6 gl -1 ). O ciclo operacional estabelecido foi de 24 h, constituído por cinco fases: aeróbia(a): 10 h; anóxica (Ax): 8 h; sedimentação(s): 3,8h; descarte de efluente (D): 0,2 h e inatividade (I): 2 h. A concentração de oxigênio dissolvido (OD) na etapa aeróbia foi mantida em 2,0 ± 0,2 mgl -1, e nas fases aeróbia e anóxica foi feita agitação a 35 r.p.m. Métodos analíticos. O desempenho do RBS foi monitorado mediante análise físicoquímica durante o tempo de operação. Para isso, foram coletadas amostras de 1 L do afluente e efluente do reator periodicamente (n=14). Após este período, foi realizada a análise do perfil temporal de um ciclo, mediante amostragem durante 24 h em intervalos de 1 h. As análises foram feitas segundo (APHA; AWWA; WEF, 2005). A enumeração de bactérias nitrificantes e desnitrificantes foi feita segundo ELBANNA; ATALLA, 2011 e PAPEN; VON BERG, 1998, respectivamente, mediante número mais provável (NMP). 3 Resultados e Discussão A remoção de Nitrogênio Total Kjeldah (NTK) foi de 88% (Figura 1a). Foi verificado um decréscimo entre os valores médios obtidos na alcalinidade total: de 2,1 ±0,2 g CaCO3 L 1 no afluente, para 1,2 ±0,08 g CaCO3 L 1 no efluente (Tabela 1). Os valores de nitrogênio amoniacal (NH 3-N) diminuíram do afluente para o efluente de 148,1 ±17,8 mgl -1 para 30,6 ±3,2 mgl -1 (Figura 1a). Consequentemente, estas condições, somadas a uma baixa DQOt presente no efluente anaeróbio (779 ±262 mgl -1 ), possibilitaram atingir remoções na concentração de NTK de até 84 %. Durante a operação do RBS, foi observada uma alta eficiência do processo na redução de sólidos totais e voláteis (Tabela 1). Foi verificada uma alta proporção de bactérias nitrifi-

4 73 cantes, principalmente oxidantes de amônia, e menor proporção de bactérias oxidantes de nitrito e desnitrificantes (Figura 1b). Tabela 1 Valores médios de ph, alcalinidade parcial (AP), e concentração de sólidos totais (ST), sólidos voláteis (SV), nitrito (NO2 - ) e Nitrato (NO3 - ) determinada no afluente e efluente do RBS. AP Amostra ph (g CaCO3 L 1 ST (mgl ) -1 ) SV (mgl NO ) 2 NO 3 (mgl -1 ) (mgl -1 ) Afluente 8,0 ± 0,3 2,1 ±0, ± ±146 ND ND Efluente 8,2 ±0,2 1,2 ±0, ± ±267 8,5 ±2,6 79,9 ±8,4 Valores médios seguidos pelo desvio padrão (±DP). ND: Não determinado. Figura 1 a). Concentração de matéria orgânica e compostos nitrogenados no RBS. b). Concentração de bactérias nitrificantes (NT): oxidantes de amônia (BOA) e oxidantes de nitrito (BON), e heterótrofas (HT) e desnitrificantes (DN) associadas ao lodo ativado. Intervalo de confiança=95%. NMP: Número mais provável. (a) (b) DN Litotróficas Organotróficas HT BON BOA NT 2,0 3,2 4,4 5,6 6,8 Log NMP.g -1 Através da análise do ciclo operacional implementado foi verificado o desempenho de cada fase (Figura 2). Como observado, a análise de perfil permitiu obter o comportamento do reator a nível temporal, com o qual se conclui: i). O sistema apresentou reações de nitrificação/desnitrificação, ao verificar a remoção de NTK nas fases anóxica e de sedimentação (com baixos níveis de OD, de até 1,1 mg L -1 ), aumento da concentração de NO2 - e NO3 - e redução de AP e N-NH 3; ii). Acumulo de N-NH 3 a partir da hora 17 de operação devido principalmente a alimentação continua de afluente e iii). Redução significativa da temperatura ao final da fase anóxica. Isto sugere a possibilidade de operar o RBS com fluxo de alimentação continua, sob adequado controle operacional.

5 74 Figura 2 Diagrama de representação do desempenho de um ciclo operacional do RBS durante a mudança de fases. 4 Conclusões O RBS alimentado com fluxo contínuo de ARC pré-tratadas apresentou altos indices de remoção de N. Consequentemente, a implementação deste sistema constitui uma alternativa que pode ser considerada na estabilização biológica deste tipo de efluentes. 5 Agradecimentos/ Apoio financeiro Coordenação de aperfeiçoamento de pessoal de nível superior (CAPES) pelo apoio financeiro. Referências APHA; AWWA; WEF. Standard methods for the examination of water and wastewater. 21th. ed. Washington, DC: American Public Health Association, CHAN, Y. J. et al. A review on anaerobic-aerobic treatment of industrial and municipal wastewater. Chemical Engineering Journal, v. 155, n. 1-2, p. 1 18, 2009.

6 75 COOPER, P.; DAY, M.; THOMAS, V. Process Options for Phosphorus and Nitrogen Removal from Wastewater. Water and Environment Journal, v. 8, p , ELBANNA, K.; ATALLA, K. M. A new simple method for the enumeration of nitrifying bacteria in different environments Kingdome of Saudi Arabia. Plant Soil Environ, v. 58, n. 1, p , PAPEN, H.; VON BERG, R. A most probable number method (MPN) for the estimation of cell numbers of heterotrophic nitrifying bacteria in soil. Plant and Soil, v. 199, p , 1998.