Sponge-bed trickling filters for nitrogen removal from anaerobically treated sewage : mechanistic insights and practical experiences

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.