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Doctoral Thesis
DOI
https://doi.org/10.11606/T.3.2020.tde-03052021-115016
Document
Author
Full name
Matheus Ribeiro Augusto
E-mail
Institute/School/College
Knowledge Area
Date of Defense
Published
São Paulo, 2020
Supervisor
Committee
Souza, Theo Syrto Octavio de (President)
Araújo, Juliana Calabria de
Contrera, Ronan Cleber
Foresti, Eugenio
Okada, Dagoberto Yukio
Title in Portuguese
Estratégias de microaeração para desamonificação de lixiviados de aterros sanitários em reator único.
Keywords in Portuguese
Aeração
Anammox
Aterros sanitários
Desamonificação
Lixiviação
Nitritação
Tratamento de águas residuárias
Abstract in Portuguese
A desamonificação consiste na combinação dos processos autotróficos de nitritação e anammox (anaerobic ammonium oxidation), para remoção de nitrogênio de água residuárias. Pode ser realizada em um único estágio, adotando-se estratégias adequadas de microaeração e/ou formação de biofilme, que possibilitam a criação de zonas aeróbias e anóxicas no sistema. Apresenta importantes vantagens econômicas em relação aos processos convencionais de nitrificação e desnitrificação heterotrófica, especialmente no tratamento de águas residuárias com baixa relação C/N, como os lixiviados de aterros sanitários. Neste contexto, o objetivo do presente trabalho foi estudar a influência de duas diferentes alternativas de microaeração na aplicação do processo de desamonificação em um único estágio e no desempenho no tratamento de lixiviados de aterros sanitários. Foram operados, em paralelo e submetidos às mesmas condições operacionais, dois reatores contínuos: reator com biomassa imobilizada em espuma de poliuretano (R1) e reator com biomassa imobilizada em membrana tubular de silicone (R2). A difusão de oxigênio no reator R1 foi realizada de forma intermitente através de um difusor de bolha fina, enquanto no reator R2 foi realizada de forma contínua através de uma membrana tubular de silicone, que não gera bolhas. A operação foi dividida em duas etapas: na etapa 1, a alimentação foi realizada com água residuária sintética e, na etapa 2, com lixiviados de aterros sanitários. O processo anammox foi observado nos dois reatores logo no início da etapa 1, após 48 dias, mas alcançou estabilidade somente após 90 dias no reator R1 e após 83 dias no reator R2. Na fase I da etapa 1 (N-NH4 +afluente = 50 mg N.L-1) os reatores R1 e R2 apresentaram eficiência média de remoção de nitrogênio total (NT) de 70 ± 5 e 79 ± 3 %, respectivamente. Estas mesmas eficiências foram de 60 ± 4 e 61 ± 5 % para a fase II (NNH4+ afluente = 100 mg N.L-1 ), 76 ± 2 e 69 ± 3 % para a fase III-1 (N-NH4 + afluente = 250 mg N.L-1), e 22 ± 18 e 40 ± 2 % para a fase IV (N-NH4+ afluente = 500 mg N.L-1). Na fase IV a biomassa anammox do reator R1 sofreu inibição. Procedeu-se à fase de recuperação do processo do desamonificação (fase III-2, com N-NH4+ afluente = 250 mg N.L-1), e a eficiência média de remoção de NT, para os reatores R1 e R2, foi retomada para 74 ± 5 e 70 ± 5 %, respectivamente. Após a fase de restabelecimento, as eficiências de remoção de NT, para os reatores R1 e R2, foram de 77 ± 3 e 70 ± 4 % para a fase V (N-NH4+ afluente = 400 mg N.L-1), e 73 ± 3 e 62 ± 3 % para a fase VI (N-NH4+ afluente = 500 mg N.L-1). Os resultados obtidos na etapa 1 indicaram o pleno estabelecimento do processo de desamonificação. A produção de NO3- e o consumo de alcalinidade foram muito semelhantes aos valores estequiométricos. Além disso, as análises microbiológicas de FISH indicaram a coexistência das bactérias nitritantes e anammox nos dois reatores. O reator R1 apresentou capacidade de remoção de NT superior, especialmente nas fases finais da etapa 1. No entanto, o reator R2 demonstrou maior estabilidade e resistência à inibição, graças ao seu inovador sistema de microaeração. Na etapa 2, os sistemas foram alimentados com lixiviados de aterro sanitários. Na fase I, utilizou-se o lixiviado do aterro sanitário 1, não diluído. Nas fases II e III, utilizaram-se 10 e 15 % do lixiviado do aterro sanitário 2, respectivamente. Na fase I da etapa 2 (NTKafluente = 160 ± 7 mg N.L-1 ) os reatores R1 e R2 apresentaram eficiência média de remoção de NT de 60 ± 8 e 62 ± 2%, respectivamente. Estas mesmas eficiências foram de 57 ± 6 e 61 ± 4 % para a fase II (NTKafluente = 189 ± 9 mg N.L-1), e 63 ± 16 e 63 ± 8 % para a fase III (NTKafluente = 258 ± 41 mg N.L-1). A produção de NO3-, o consumo de alcalinidade, a remoção de matéria orgânica e as análises microbiológicas de FISH indicaram uma possível participação das bactérias desnitrificantes heterotróficas na remoção de nitrogênio. Os dois reatores apresentaram elevadas capacidades de remoção de NT, revelando o potencial das configurações e alternativas de microaeração estudadas.
Title in English
Microaeration strategies for single-stage deammonification of landfill leachate.
Keywords in English
Anammox
Deammonification
Landfill leachate
Microaeration
Nitritation
Nitrogen
Abstract in English
The nitrogen removal from wastewater through coupled autotrophic processes of nitritation and anaerobic ammonium oxidation (anammox) is known as deammonification. Single-stage systems are feasible as long as strategies for microaeration and biofilm development are adopted, enabling the formation of aerobic and anoxic zones in the reactor. Deammonification has important economic advantages over conventional nitrification and heterotrophic denitrification processes, especially in the treatment of low C/N wastewater such as landfill leachate. In this context, the objective of the present work was to evaluate the influence of two different microaeration alternatives in the development of a single-stage deammonification process and the landfill leachate treatment. Two continuous reactors, under the same operational conditions, were operated in parallel: reactor with biomass immobilized in polyurethane foam (R1) and reactor with biomass immobilized in silicone membrane (R2). The oxygen diffusion was performed intermittently through a fine bubble diffuser in the R1 reactor, while in the R2 reactor it was carried out continuously without generating bubbles through a bubble-free silicone membrane. Two different stages were evaluated: in stage 1, the feed was carried out with synthetic wastewater; in stage 2, with landfill leachate. The anammox process was observed in both reactors at the beginning of stage 1, after 48 days, but only reached stability after 90 days in R1 and after 83 days in R2. In phase I of stage 1 (NH4+ -Ninfluent = 50 mg N.L-1) the reactors R1 and R2 showed an average total nitrogen (TN) removal of 70 ± 5 and 79 ± 3 %, respectively. These same efficiencies were 60 ± 4 and 61 ± 5 % for phase II (NH4+ -Ninfluent = 100 mg N.L-1), 76 ± 2 and 69 ± 3 % for phase III-1 (NH4+ -Ninfluent = 250 mg N.L-1), and 22 ± 18 and 40 ± 2 % for phase IV (NH4+ -Ninfluent = 500 mg N.L-1). In phase IV, the anammox biomass of the R1 reactor was inhibited. The recovery phase (phase III-2, with NH4+ -Ninfluent = 250 mg N.L-1) was performed for R1 and R2 reactors, restoring the TN removal to 74 ± 5 e 70 ± 5 %, respectively. After the recovery phase, the TN removal efficiencies were 77 ± 3 and 70 ± 4 % for phase V (NH4+ -Ninfluent = 400 mg N.L-1), and 73 ± 3 and 62 ± 3 % for phase VI (NH4+ -Ninfluent = 500 mg N.L-1). Stage 1 results denote the complete establishment of the deammonification process. The NO3-production and the alkalinity consumption were like to stoichiometric values. Furthermore, FISH microbiological analyzes indicated the coexistence of aerobic and anaerobic ammonium-oxidizing bacteria in both reactors. The R1 reactor showed superior TN removal capacity especially in the final phases of stage 1. However, R2 reactor demonstrated greater stability and resistance to inhibition, due to its innovative microaeration system. In stage 2, the reactors were fed with landfill leachate. In phase I, undiluted landfill 1 leachate was used. In phases II and III, 10 and 15% of the leachate from landfill 2 were used, respectively. In phase I of stage 2 (NTKinfluent = 160 ± 7 mg N.L-1) both R1 and R2 reactors showed an average TN removal of 60 ± 8 and 62 ± 2 %, respectively. These same efficiencies were 57 ± 6 and 61 ± 4 % for phase II (NTKinfluent = 189 ± 9 mg N.L-1), and 63 ± 16 and 63 ± 8 % for phase III (NTKinfluent = 258 ± 41 mg N.L-1). NO3- production, alkalinity consumption, organic matter removal and FISH analyzes indicated possible participation of heterotrophic denitrifying bacteria in the nitrogen removal. Both reactors showed high TN removal capacity, revealing the potential of the evaluated configurations and microaeration alternatives.
 
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Publishing Date
2021-05-04
 
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