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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Primeiro orientador
Membros da banca
Márcia Helena Rissato Zamariolli Damianovic
Tiago José Belli
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
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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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