Uma nova configuração de reator, denominada foam-aerated biofilm reactor (FABR), foi avaliada para a remoção de nitrogênio e matéria orgânica de água residuária sintética. Esta nova configuração estabelece a contra-difusão de aceptores e doadores de elétrons no biofilme. Essa característica é especialmente eficaz no tratamento de águas residuárias com baixas relações DQO/N. Nos FABR ensaiados, o ar é injetado em um cilindro interno de aço inox perfurado, envolto por uma camada de espuma de poliuretano. Essa camada de espuma separa o compartimento aerado do compartimento não aerado, que recebe a água residuária. Avaliou-se o efeito da espessura da camada de espuma (10, 5 e 2 mm) e da relação DQO/N (5,0 e 2,5). O reator com 2 mm de espessura de espuma não apresentou boa aderência da biomassa e, portanto, não apresentou remoção de N. Os reatores com 5 e 10 mm, alimentados com ambas águas residuária, apresentaram eficiências médias de remoção de nitrogênio total entre 36 e 46% A eficiência de desnitrificação foi de 100% durante todo o período experimental. Menores valores de espessura de espuma de poliuretano e de carga orgânica aplicada não proporcionaram maior taxa de nitrificação, como era esperado. O crescimento da biomassa foi associado à queda na eficiência de nitrificação, a qual foi restabelecida após descarte de biomassa. Concluiu-se que maior limitação do sistema está associada à resistência à transferência de massa no biofilme e não à espessura da camada de espuma. O aumento dessa resistência ocorreu devido ao crescimento da biomassa no interior da espuma, levando à colmatação dos poros e criando barreiras ao transporte de massa eficiente. Um modelo matemático foi elaborado para descrever o transporte de massa na espuma e as reações no biofilme. A difusividade efetiva e a porosidade do biofilme foram determinadas experimentalmente e incorporadas ao modelo. A análise de sensibilidade do modelo proposto mostrou que o valor da difusividade efetiva influiu de maneira preponderante nos resultados. Gradientes de concentração de oxigênio, nitrato, nitrito e amônia através do biofilme foram medidos usando microsensores e comparados com os valores calculados pelo modelo. Concluiu-se que o complexo de fibras de espumas e células bacterianas podem ser considerados como um biofilme, desde que considerada a difusividade efetiva adequada, que depende do grau de colmatação dos poros.

A novel foam aerated biofilm reactor (FABR) was evaluated to remove nitrogen and COD from synthetic wastewater. This new reactor configuration establishes a counter-diffusion biofilm like the well-known membrane aerated bioreactor (MABR), however using polyurethane foam as the support material and aeration system by air diffuser. It is especially well suited for wastewaters with low COD/N ratios. In FABR, a polyurethane foam sheet separates the aerobic compartment, which received the aeration, and the anoxic compartment, which received the effluent. Foams sheets with thicknesses of 10, 5 and 2 mm and synthetic wastewater with COD/N ratios of 5 and 2.5 were evaluated. The 2 mm thick foam reactor did not show good biomass adherence and, therefore, did not show N removal efficiency. The 5 and 10 mm reactors, in both COD/N ratios, showed an average total nitrogen removal efficiency from 36 to 46% The denitrification efficiency was 100% throughout the experimental period. Lower values of polyurethane foam thickness and COD/N ratio did not provide a higher nitrification rate, as expected. Throughout the operation, biomass growth was associated with a decrease in nitrification efficiency, which was restored after biomass removal. It was concluded that the greatest limitation of the system is associated with mass transfer resistance in the biofilm and not with the thickness of the foam layer. The increase in this resistance occurred due to the biomass growth inside the foam, leading to pore clogging and creating barriers to efficient mass transport. A mathematical model was developed to describe the mass transport in the foam. The effective diffusivity and porosity of the biofilm were determined experimentally and incorporated into the model. The value of the effective diffusivity proved to be more significant for the results of the model. Gradients of oxygen, nitrate, nitrite and ammonia concentration through the biofilm were measured using microsensors and compared with the values calculated by the model. It was concluded that the foam fiber and bacterial cell complex can be considered as a biofilm, as long as it is considered adequate effective diffusivity, which depends on biomass growth within the foam pores.