Remoção de nitrogênio de esgoto doméstico tratado por reator UASB: comparação entre biorreator com membranas híbridas (aeração - permeação) e ultrafiltração-osmose inversa-membranas contactoras

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Universidade Federal de Minas Gerais

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Dissertação de mestrado

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Márcia Helena Rissato Zamariolli Damianovic
Tiago José Belli

Resumo

O esgoto sanitário possui diversos contaminantes como matéria orgânica e nitrogênio. Reatores UASB são capazes de remover matéria orgânica, entretanto, a remoção de nitrogênio é diminuta, necessitando um póstratamento, o qual pode ser biológico ou físico-químico. Entre os processos biológicos, destaca-se a nitrificação parcial, anammox e desnitrificação simultâneas, pela potencialidade na remoção de nitrogênio e matéria orgânica em um único biorreator. Este processo pode ser intensificado ao utilizar membranas para aeração, fornecendo oxigênio às bactérias nitrificantes e membranas para filtração, retendo as bactérias de crescimento lento, e.g. bactérias autotróficas. Quanto processos físico-químicos, a integração dos processos de ultrafiltração (UF), osmose inversa (OI) e membranas contactoras (MC) é interessante, pela capacidade de produzir água de reúso e recuperar nitrogênio. Assim, essa pesquisa teve como objetivo comparar a remoção de nitrogênio por dois processos integrados: (1) nitrificação parcial, anammox e desnitrificação em biorreator híbrido com membranas para filtração e aeração (MF-MABR) e (2) processo UF-OI-MC. Assim, foi operado um biorreator de 5,7 L com membranas de fibra oca de ultrafiltração para aeração e para filtração, com tempos de detenção hidráulica de 28,5h e alimentado com efluente de UASB da cidade de Contagem/MG (concentração de nitrogênio total, amônia e DQO do efluente de 51, 46 e 75 mg.L-1 , respectivamente). Obteve-se eficiências de remoção de matéria orgânica, amônia e nitrogênio total de 61%, 62% e 43%, respectivamente, atendendo o padrão de lançamento vigente no estado de Minas Gerais de 20 mg.L-1 . Os principais gêneros encontrados no biofilme formado na membrana aerada e na biomassa em suspensão foram Nitrospira, Denitratisoma, Candidatus Brocardia, Solibacterales e Limnobacter. Em paralelo, na rota físico-química, o efluente de UASB foi direcionado a UF e o permeado gerado para a OI. O permeado da OI apresentou características propícias para o seu reuso não-potável, enquanto o concentrado foi direcionado a MC, variando o pH (8 a 11) e temperatura (25, 42,5 e 60 °C). Valores acima de 91% de remoção e 86% de recuperação de amônia foram observados quando o concentrado da OI teve seu pH superior a 10 ou temperaturas de 60°C. A condição mais otimizada foi com pH 10 e temperatura de 25°C, removendo 98% VIII e recuperando 90% de amônia. Por fim, foi realizada análise econômica dos dois processos estudados para diferentes escalas de aplicação. Economicamente, a rota biológica se mostrou mais viável para vazões menores (<100 L/s), enquanto a rota físico-química, para vazões maiores (500–3000 L/s). Este trabalho está alinhado com os ODS (Objetivos de Desenvolvimento Sustentável) da ONU de número 6 (água potável e saneamento), 11 (cidades e comunidades sustentáveis), 12 (consumo e produção responsáveis), 13 (ação contra a mudança global do clima), e 14 (vida na água).

Abstract

Sewage contains several contaminants, such as organic matter and nitrogen. UASB reactors are capable of removing organic matter; however, nitrogen removal is minimal, requiring post-treatment, which can be biological or physicochemical. Among the biological processes, partial nitrification, anammox and simultaneous denitrification stand out due to their potential to remove nitrogen and organic matter in a single bioreactor. This process can be intensified by using membranes for aeration, supplying oxygen to nitrifying bacteria, and membranes for filtration, retaining slow-growing bacteria, e.g. autotrophic bacteria. As for physicochemical processes, the integration of ultrafiltration (UF), reverse osmosis (RO) and contact membranes (CM) is interesting due to their ability to produce reused water and recover nitrogen. Thus, this research aimed to compare the nitrogen removal by two integrated processes: (1) partial nitrification, anammox and denitrification in a hybrid bioreactor with membranes for filtration and aeration (MF-MABR) and (2) UF-OI-MC process. Thus, a 5.7 L bioreactor with hollow fiber ultrafiltration membranes for aeration and filtration was operated, with hydraulic retention times of 28.5 h and fed with UASB effluent from the city of Contagem/MG (total nitrogen, ammonia and COD concentrations of the effluent of 51, 46 and 75 mg.L-1 , respectively). Removal efficiencies for organic matter, ammonia and total nitrogen of 61%, 62% and 43% were obtained, respectively, meeting the current discharge standard in the state of Minas Gerais of 20 mg.L-1 . The main genera found in the biofilm formed on the aerated membrane and in the suspended biomass were Nitrospira, Denitratisoma, Candidatus Brocardia, Solibacterales and Limnobacter. In parallel, in the physicochemical route, the UASB effluent was directed to UF and the permeate generated to RO. The RO permeate presented characteristics suitable for reuse, while the concentrate was directed to MC, varying the pH (8 to 11) and temperature (25, 42.5 and 60 °C). Values above 91% removal and 86% recovery of ammonia were observed when the RO concentrate had a pH higher than 10 or temperatures of 60 °C. The most optimized condition was with pH 10 and temperature of 25 °C, removing 98% and recovering 90% of ammonia. Finally, an economic analysis of the two processes studied was performed for different scales of application. Economically, the biological route proved to be more viable X for lower flow rates (<100 L/s), while the physical-chemical route was more viable for higher flow rates (500–3000 L/s). This work is aligned with the UN SDGs (Sustainable Development Goals) number 6 (clean water and sanitation), 11 (sustainable cities and communities), 12 (responsible consumption and production), 13 (climate action), and 14 (life below water).

Assunto

Engenharia sanitária, Saneamento, Nitrogênio, Nitrificação, Biorreatores, Esgotos - Tratamento

Palavras-chave

Remoção biológica de nitrogênio, recuperação química de nitrogênio, esgoto real, Amônia, avaliação econômica

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