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http://hdl.handle.net/1843/61723
Type: | Tese |
Title: | Sponge-bed trickling filters for nitrogen removal from anaerobically treated sewage : mechanistic insights and practical experiences |
Other Titles: | Filtros biológicos percoladores preenchidos com espuma para a remoção de nitrogênio de esgoto tratado anaerobiamente : aspectos mecanísticos e experiências práticas |
Authors: | Thiago Bressani Ribeiro |
First Advisor: | Carlos Augusto de Lemos Chernicharro |
First Co-advisor: | Eveline Irma Paula Volcke |
First Referee: | Kimberly Solon |
Second Referee: | Jules van Lier |
Third Referee: | Siegfried Vlaeminck |
metadata.dc.contributor.referee4: | Wu Di |
metadata.dc.contributor.referee5: | Stijn Van Hulle Korneel Rabaey Marcos von Sperling |
Abstract: | Anaerobic sewage treatment plays an important role in controlling water pollution in Latin America. However, there are intrinsic limitations regarding the removal of nitrogenous compounds. Although the wide use of trickling filters (TF) as a post-treatment alternative, the fact that they are typically filled with crushed stones restricts nitrogen removal. As a solution, support media based on polyurethane sponge has been researched, the so-named sponge-bed trickling filters (SBTFs). This doctoral thesis focuses on the use of SBTFs for the post-treatment of anaerobic effluents. The overall goal is to establish highly efficient nitrogen removal, dealing with residual organic carbon and integrated with the abatement of dissolved gases in the anaerobic effluent. Chapter 1 presents a general introduction, summarizing the research challenges. In Chapter 2, a literature review is performed on the design and operation of trickling filters post-UASB reactors, providing support for the construction and operation of a demonstration-scale SBTF, within the scope of Chapter 3. After 300 days monitoring, the impact on nitrification due to the lack of inorganic carbon was noted, which affected nitrite-oxidizing bacteria to a lesser extent. A mathematical model was developed and validated, demonstrating the need to include bicarbonate as a state variable to describe inorganic carbon limitation. In Chapter 4, the model was used to mechanistically assess, in the long term, the main aspects that govern nitrogen conversions in SBTFs. In summary, the results show that the interaction between kinetic and mass transfer coefficients, alongside the sponge specific surface area, influences the optimal oxygen concentration to sustain the activity of ammonia-oxidizing bacteria without compromising the growth of anammox bacteria. In Chapter 5, a long-term experimental comparative study was conducted on two SBTFs operating in parallel post-UASB reactor, treating real sewage. Effluent recirculation to the upper compartment of the SBTF showed a sharp increase in nitrogen removal efficiency. Ventilation control strategies were not effective in repressing the activity of nitrite-oxidizing bacteria, preventing the growth of anammox bacteria. In Chapter 6, the developed model was expanded to include the desorption and biological conversion processes of methane and H2S dissolved in the anaerobic effluent. The simulations demonstrated the relevance of competition for oxygen between ammonia-, methane- and H2S-oxidizing microorganisms. Furthermore, the occurrence of denitrification processes via methane or H2S is not feasible. The thesis ends in Chapter 7, highlighting the main lessons learned: i) full ammonium conversion in anaerobically treated sewage is hampered by inorganic carbon limitation; ii) effluent recirculation stimulates heterotrophic denitrification. However, achieving higher total nitrogen removal efficiencies requires process optimization; iii) alternative nitrogen removal pathways based on partial ammonium conversion and/or anammox are hard to realize in naturally ventilated SBTFs; and iv) the presence of methane and H2S in anaerobic effluents negatively affects nitrogen removal; these compounds should therefore preferentially be removed upfront. |
Abstract: | O tratamento anaeróbio de esgoto cumpre um papel importante no controle da poluição hídrica na América Latina. Não obstante, existem limitações intrínsecas quanto à remoção de compostos nitrogenados. Em que pese a ampla utilização de filtros biológicos percoladores (FBP) como alternativa de pós-tratamento, o fato de serem tipicamente preenchidos com pedra britada restringe a remoção de nitrogênio. Como solução, tem-se pesquisado o meio suporte baseado em espuma de poliuretano, designando-se os FBP como sponge-bed trickling filters (SBTFs). Esta tese de doutorado se concentra no uso de SBTFs para o pós-tratamento de efluentes anaeróbios. O objetivo global é aprimorar a remoção de nitrogênio, considerando a presença de carbono orgânico residual, e integrado com a remoção de gases dissolvidos presentes no efluente anaeróbio. O Capítulo 1 apresenta uma introdução geral, sumarizando os desafios de pesquisa. No Capítulo 2 faz-se uma revisão crítica da literatura sobre o projeto e a operação de filtros biológicos percoladores pós-reatores UASB, provendo subsídios para a construção e operação de um SBTF em escala de demonstração, no âmbito do Capítulo 3. Após 300 dias de monitoramento notou-se o impacto à nitrificação pela falta de carbono inorgânico, a qual afetou em menor escala as bactérias oxidadoras de nitrito. Um modelo matemático foi desenvolvido e validado, demonstrando a necessidade de inserção de bicarbonato como variável para descrever a limitação de carbono inorgânico. No Capítulo 4, o referido modelo foi empregado para avaliar mecanisticamente, a longo prazo, os principais aspectos que governam as conversões de nitrogênio em SBTFs. Em síntese, os resultados mostram que a interação entre coeficientes cinéticos e de transferência de massa, em consonância com a área superficial específica da espuma, influencia a concentração ótima de oxigênio para sustentar a atividade das bactérias oxidadoras de amônia sem comprometer o crescimento de bactérias anammox. No Capítulo 5, um estudo comparativo experimental de longo prazo foi realizado em dois SBTFs operando em paralelo pós-reator UASB, tratando esgoto real. A recirculação do efluente para o compartimento superior do SBTF mostrou um rápido aumento na eficiência de remoção de nitrogênio. Estratégias de controle de ventilação não foram eficazes em reprimir a atividade de bactérias oxidadoras de nitrito, inviabilizando o crescimento de bactérias anammox. No Capítulo 6, o modelo desenvolvido foi expandido para agregar os processos de dessorção e conversão biológica do metano e H2S dissolvidos no efluente anaeróbio. As simulações demonstraram a relevância da competição por oxigênio entre os microrganismos oxidadores de amônia, metano e H2S. Ademais, a ocorrência de processos de desnitrificação via metano ou H2S não se sustentam. A tese se encerra no Capítulo 7, destacando as principais lições aprendidas: i) a nitrificação plena em efluentes anaeróbios é impactada pela limitação de carbono inorgânico; ii) a recirculação do efluente estimula a desnitrificação heterotrófica, todavia o processo é passível de otimização; iii) rotas alternativas de remoção de nitrogênio baseadas em nitrificação parcial e/ou anammox são impraticáveis em SBTFs sob ventilação natural; e iv) a presença de metano e H2S dissolvidos no efluente anaeróbio impacta a remoção de nitrogênio, devendo serem preferencialmente removidos a montante do SBTF. |
Subject: | Engenharia sanitária Saneamento Reator UASB Nitrogênio Modelagem matemática Esgotos - Tratamento Digestão anaeróbia |
language: | eng |
metadata.dc.publisher.country: | Brasil |
Publisher: | Universidade Federal de Minas Gerais |
Publisher Initials: | UFMG |
metadata.dc.publisher.department: | ENG - DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA SANITÁRIA E AMBIENTAL |
metadata.dc.publisher.program: | Programa de Pós-Graduação em Saneamento, Meio Ambiente e Recursos Hídricos |
Rights: | Acesso Aberto |
metadata.dc.rights.uri: | http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/3.0/pt/ |
URI: | http://hdl.handle.net/1843/61723 |
Issue Date: | 25-Jan-2022 |
Appears in Collections: | Teses de Doutorado |
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