Modelação da cinética biológica e optimização de reactores SBR para a nitrificação e desnitrificação de efluentes limitados em carbono

Abstract

O presente trabalho teve como principal objectivo aprofundar o conhecimento sobre os mecanismos de remoção de azoto e carbono em reactores descontínuos sequencias (SBR) a operar com biofilmes. Neste contexto, através da identificação dos processos de conversão relevantes e quantificação dos fluxos reais de substratos, pretendeu-se constituir uma plataforma de conhecimento conducente à optimização destes reactores para a remoção de azoto em efluentes com baixo teor de carbono orgânico solúvel. Com esta finalidade, a metodologia de investigação integrou a execução de ensaios experimentais e a realização de simulações matemáticas. O estudo experimental, à escala laboratorial, decorreu em duas fases. Na primeira fase, os trabalhos realizados focaram-se na selecção de um suporte para desenvolvimento de biofilme nitrificante e desnitrificante. O suporte seleccionado, DupUM, foi então aplicado na segunda fase do trabalho, conduzida num reactor de biofilme descontínuo sequencial (SBBR) alimentado com um meio sintético. No decorrer do trabalho, as condições de operação do SBBR foram sucessivamente modificadas com o intuito de identificar os processos de conversão de azoto e carbono ao longo do ciclo de operação do reactor. A influência de razões C/N, a ausência de carbono orgânico e o aumento de forças de abrasão no desempenho do reactor foram alguns dos aspectos avaliados experimentalmente. A operação do SBBR, numa fase inicial, caracterizou-se pela ocorrência do processo de nitrificação incompleto, com a consequente acumulação de nitrito durante a fase de arejamento. Ao longo do tempo, verificou-se o enriquecimento do biofilme em população nitrificante, comprovado através da aplicação da técnica de FISH com sondas genéticas, resultando na melhoria do processo de nitrificação, traduzida pela ausência de acumulação de nitrito no reactor. Ao longo de um ciclo de operação do SBBR, verificou-se que: i) na fase de alimentação, a fonte de carbono orgânico (acetato) era consumido simultaneamente no crescimento de biomassa e no armazenamento de PHB (polihidroxibutirato) na biomassa; e que ii) na fase de arejamento, o acetato era directamente armazenado pela biomassa sob a forma de PHB, sendo este, posteriormente, utilizado como fonte de carbono e energia no crescimento de nova biomassa. A biomassa em suspensão revelou ter um papel preponderante no mecanismo de remoção de carbono. Os resultados experimentais indicaram que cerca de 79 % do PHB total formado foi armazenado na biomassa em suspensão, apesar desta representar apenas 20 % da biomassa total presente no reactor. Este resultado foi atribuído à maior acessibilidade pela biomassa em suspensão ao acetato, devido à existência de menores limitações difusionais à transferência de massa. A degradação de PHB na biomassa em suspensão e no biofilme apresentou uma cinética de primeira ordem com velocidades de 0.011 min-1 e de 0.024 min-1, respectivamente. Comparativamente com os valores reportados na literatura, a velocidade de degradação de PHB para a biomassa em suspensão é consideravelmente superior, tendo-se atribuído esta diferença à aclimatação de biomassa a novas condições. O desempenho do SBBR foi analisado recorrendo a um modelo matemático. O modelo foi desenvolvido integrando o modelo de lamas activadas (ASM3), para remoção de azoto e carbono, no modelo de biofilme unidimensional, disponível no software AQUASIM, e tendo como base os resultados experimentais obtidos. Desta forma, o modelo desenvolvido contemplou algumas alterações à estrutura original do modelo ASM3, salientando-se a possibilidade de ocorrer crescimento de biomassa directamente na fonte de carbono orgânico, sem prévio armazenamento sob a forma de polímeros intracelulares. O objectivo principal do modelo desenvolvido não foi descrever, com precisão, os dados experimentais obtidos mas, sobretudo, identificar os processos de conversão relevantes na remoção de carbono e azoto a decorrer no SBBR. O modelo proposto constitui, desta forma, uma ferramenta auxiliar para a análise dos processos de conversão e subsequente previsão de resultados operacionais. O efeito da localização da população oxidante de nitrito no biofilme foi analisado recorrendo ao modelo matemático. As simulações matemáticas indicaram como possível causa para a acumulação de nitrito no SBBR, a localização da população oxidante de nitrito nas camadas mais interiores do biofilme, encontrando-se, desta forma, limitada em oxigénio. Como consequência da menor resistência à transferência de massa, as simulações matemáticas confirmaram, à semelhança dos resultados experimentais, a importância da biomassa em suspensão no mecanismo de remoção de carbono neste tipo de reactores. Na ausência de carbono orgânico, verificou-se a oxidação completa do amónio a nitrato no biofilme, como consequência da menor competição exercida sobre o oxigénio pela população heterotrófica. O efeito da competição exercida pela biomassa em suspensão sobre o carbono orgânico não permitiu a ocorrência do processo de nitrificação e desnitrificação em simultâneo. No entanto, através de simulações matemáticas, demonstrou-se que a ausência de biomassa heterotrófica em suspensão e a redução da concentração de oxigénio dissolvido potencia a realização em simultâneo do processo de nitrificação e desnitrificação no biofilme, permitindo, assim, um aumento da eficiência de remoção de azoto no SBBR.

The main objective of the work herein presented was to improve our knowledge about the nitrogen and carbon removal mechanisms in Sequencing Batch Reactors (SBR) that operate with biofilm. Through the identification of the relevant conversion processes and quantification of real flows of substrates, our purpose was to build a knowledge platform that would allows us to optimise the performance of this type of reactors in removing nitrogen from domestic effluents with low concentration of soluble organic carbon. With this very specific purpose in mind, the research work was conducted through experiments at the laboratory scale and using a mathematical model of computer simulation. The experimental part, in laboratory scale, was conducted in two phases. Firstly, we focused on the selection of the appropriate carrier for the development of both nitrifying and denitrifying biofilm. In the second phase, the carrier selected, hereafter referred to as DupUM, was applied in a Sequencing Batch Biofilm Reactor (SBBR) fed with a synthetic wastewater. During this phase, the operating conditions of the SBBR were then changed in order to investigate and identify the nitrogen and carbon conversion processes throughout the reactor operating cycle. The influence of the C/N ratios, the absence of organic carbon and the increase of abrasion forces, on the performance of the SBBR reactor were evaluated experimentally. An incomplete nitrification process, resulting in the accumulation of nitrite during the aerated phase, characterized the initial operation of the SBBR. Over time, the increase of the nitrifying population in the biofilm was observed by FISH analyses with gene probes, which resulted in an improvement of the nitrification process. Thus, allowed for the complete oxidation of ammonia and nitrate to take place in the biofilm without nitrite accumulation. Along the SBBR's operation cycle, the following observations were made: i) during the fill phase, the organic carbon source (acetate), was simultaneously consumed in biomass growth and stored by the biomass under the form of PHB (polyhydroxybutyrate), an intracellular polymer; and ii) during the aerated phase, the acetate was rapidly removed and stored by the biomass as PHB. In the absence of acetate, the PHB storage was used by the biomass as a source of carbon and energy. Suspended biomass was revealed to play a significant role in the carbon removal mechanism. The experimental results indicated that about 79 % of the total PHB formed was stored in the suspended biomass, although this biomass represented only 20 % of the total biomass present in the reactor. This important result can be attributed to the greater accessibility from the suspended biomass to the acetate, due to the existence of lower mass transfer limitation. The degradation of PHB by the suspended biomass and by the biofilm followed a first order kinetics with rate constants of 0.011 min-1 and 0.024 min-1, respectively. The PHB degradation rate of suspended biomass is considerably higher than corresponding literature values, which has been attributed to the biomass' acclimatization to new conditions. The performance of the SBBR was analysed using a mathematical model. This model was developed based on the experimental results by integrating the ASM3 activated sludge model for carbon and nitrogen removal into the one-dimensional biofilm model available in the AQUASIM software. The developed model therefore experienced certain modifications to the original structure of ASM3, including the possible growth of biomass directly on organic carbon source without previous storage as intracellular polymers. The main objective of the this model was not to describe with great precision the experimental data obtained, but rather to describe the relevant conversion processes for carbon and nitrogen removal in the SBBR. The proposed model therefore constitutes an auxiliary tool for the analysis of conversion processes and the subsequent prediction of operational results. The effect of the nitrite oxidizing population's location within the biofilm was analysed using the mathematical model. Through mathematical simulations the location of the nitrite oxidizing population in the internal layers of the biofilm, thus being oxygen limited, was indicated as possible cause for the nitrite accumulation in the SBBR. The major role of suspended biomass in the carbon removal mechanisms underway in the SBBR, was also confirmed by mathematical simulations, as consequence of the lower mass transfer limitation. In the absence of organic carbon, a complete oxidation of ammonium to nitrate was observed in the biofilm, resulting from less competition for oxygen from the heterotrophic population. The competition exerted by the suspended biomass over the organic carbon prevented the simultaneous occurrence of nitrification and denitrification. However, using the mathematical model we could demonstrate that, in the absence of suspended heterotrophic biomass and by reducing the concentration of dissolved oxygen, the biofilm does perform simultaneously the nitrifying and denitrifying processes thereby allowing for an increase in the removal efficiency of nitrogen in the SBBR.