Removal of carbonaceous and nitrogenous matter from dairy effluent in a structured bed reactor operated with intermittent aeration

O objetivo desta pesquisa foi estudar o desempenho de um reator de leito estruturado operado sob aeração intermitente (RLEAI), em diferentes condições operacionais, no tratamento de efluentes de laticínios. O RLEAI foi operado com aeração intermitente (AI) - ciclos de três horas: 2h aeração ligada/ 1h desligada, Tempo de detenção hidráulica (TDH) de 16 horas e recirculação interna (Qr = 3.Qe). O leito foi preenchido com estruturas cilíndricas de poliuretano, fixadas em hastes de aço. Foi operado por 1327 dias, divididos em três fases: A (419 dias), B (645 dias) e C (88 dias). Na fase A, foram realizados estudos preliminares para a definição das condições operacionais. Na fase B, o reator foi submetido a diferentes cargas orgânicas volumétricas aplicadas (COVa): 1,0 (COV1.0); 1,2 (COV1.2); 1,4 (COV1.4); 1,8 (COV1.8); 2,0 (COV2.0) e 1,4 kg DQO m-3d-1 (COV1.4B), e na fase C, a variações na relação DQO/NTK afluente (11 e 3). O RLEAI foi alimentado com água residuária de laticínios coletada na indústria após o flotador e o monitoramento do sistema foi realizado por meio de análises físico-químicas e microbiológicas. Após 1327 dias de operação, o lodo presente em seu fundo foi coletado para verificar a viabilidade do seu uso, suplementado com esterco bovino, na produção de biocarvão ativado (BCA) quimicamente com KOH (1:1). O percentual de remoção de DQOT ficou acima de 89±3% na fase B e 71±11% na C. A eficiência de remoção de Nitrogênio Total (NT) foi superior a 66±18% até a COV1.4, porém da COV1.8 até a COV1.4B diminuiu, ficando abaixo de 47±27%. Na COV1.8, esse resultado foi associado ao aumento da concentração de nitrogênio orgânico efluente. Enquanto da COV2.0 à COV1.4B, foi relacionado à baixa oxidação do N-NH4+. Na fase C, a remoção de NT foi inferior a 53±6%, creditada à falta de alcalinidade no meio e baixa disponibilidade de matéria orgânica para desnitrificação heterotrófica. Durante toda operação não houve acúmulo expressivo das formas oxidadas de nitrogênio, o que indica que ocorreu o processo de Nitrificação e Desnitrificação Simultânea (NDS). A concentração de polissacarídeos e proteínas sugeriu que a espessura do biofilme, flocos e grânulos formados no reator aumentou com a COVa, o que pode ter impactado negativamente a remoção de NT. A análise estatística aplicada à estimativa do NMP g STV-1 mostrou que os microrganismos nitrificantes e desnitrificantes estiveram presentes em todas as condições estudadas na fase B, e que as bactérias desnitrificantes foram predominantes no reator, especialmente no lodo (LD). A microscopia eletrônica de varredura (MEV) mostrou que com o aumento da COVa, a diversidade de microrganismos diminuiu, havendo predominância de fungos filamentosos. Foi possível produzir o BCA com as matérias-primas utilizadas, com rendimento de 44% na etapa de pirólise e 70% na ativação. O RLEAI apresentou potencial para ser utilizado no tratamento de efluentes com variadas COVa, porém com o aumento do tempo de operação observou-se que cuidados adicionais devem ser realizados, no que tange ao descarte da biomassa e à limpeza do material suporte, devido ao desenvolvimento em excesso dos microrganismos heterotróficos. The objective of this research was to study the performance of a structured bed reactor operated under intermittent aeration (SBRRIA), in different operating conditions, in the treatment of dairy effluents. The SBRRIA was operated with intermittent aeration (IA) (cycles of three hours: 2h aeration on/1h off), hydraulic detention time (HDT) of 16 hours and internal recirculation (Qr = 3.Qe). Its bed was filled with cylindrical polyurethane structures, fixed to steel rods. The SBRRIA was operated for 1327 days, divided into three phases: A (419 days), B (645 days) and C (88 days). In phase A, preliminary studies were carried out for the adequacy of operating conditions. In phase B, the reactor was subjected to different organic loading rates (OLR): 1.0 (OLR1.0); 1.2 (OLR1.2); 1.4 (OLR1.4); 1.8 (OLR1.8); 2.0 (OLR2.0) and 1.4 kgCOD m-3d-1 (OLR1.4B), and in step C, variations in the influent COD/NTK ratio (11 and 3). The SBBRIA was fed with wastewater from dairy products collected in the industry after the floater and the monitoring of the system was carried out through physical-chemical and microbiological analyses. After 1327 days of operation, the sludge present in the bottom of the SBBRIA was collected to verify the feasibility of its use, supplemented with cattle manure, in the production of biochar chemically activated with KOH (1:1) (BCA). The percentage of removal of COD was above 89±3% in phase B and 71±11% in phase C. The removal efficiency of Total Nitrogen (TN) was superior to 66±18% up to COV1.4, but from COV1 .8 to COV1.4B decreased to below 47±27%. In OLR1.8, this result was associated with an increase in the concentration of effluent organic nitrogen. Já da OLR2.0 à OLR1.4B, foi relacionado a baixa oxidação do NH4+-N. In phase C, TN removal was less than 53±6%, credited to the lack of alkalinity in the medium and low availability of organic matter for heterotrophic denitrification. During the entire operation there was no significant accumulation of oxidized forms of nitrogen, which indicates that the Simultaneous Nitrification and Denitrification (SND) process occurred. The concentration of polysaccharides and proteins suggested that the thickness of the biofilm, flakes and granules formed in the reactor increased with the OLR, which may have negatively impacted TN removal. The statistical analysis applied to the estimation of MPN gSTV-1 showed that nitrifying and denitrifying microorganisms were present in all conditions studied in phase B, and that denitrifying bacteria were predominant in the reactor, especially in the sludge (SL). Scanning electron microscopy (SEM) showed that with increasing OLR, the diversity of microorganisms decreased, with a predominance of filamentous fungi. It was possible to produce BCA with the raw materials used, with a yield of 44% and 70% in the pyrolysis and activation steps, respectively. The SBBRIA has the potential to be used in the treatment of effluents with various OLR, but with the increase in operating time it was observed that additional care must be taken about the disposal of biomass and cleaning of the support material, due to the development of heterotrophic microorganisms.