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Master's Dissertation
DOI
https://doi.org/10.11606/D.3.2020.tde-11022021-113924
Document
Author
Full name
Andrei Rosental Buarque de Gusmão
E-mail
Institute/School/College
Knowledge Area
Date of Defense
Published
São Paulo, 2020
Supervisor
Committee
Piveli, Roque Passos (President)
Nour, Edson Aparecido Abdul
Santos, Maria de Lourdes Florêncio dos
Title in Portuguese
Desenvolvimento de lodo granular aeróbio para tratamento de esgoto sanitário: remoção de nutrientes em ciclo de três estágios.
Keywords in Portuguese
Lodo
Reator em bateladas sequenciais
Remoção de nutrientes
Tratamento de esgoto sanitário
Abstract in Portuguese
O objetivo desta pesquisa foi o estudo da granulação aeróbia em um reator em bateladas sequenciais (RBS) em escala piloto para o tratamento de esgoto sanitário. Utilizou-se um reator de coluna de bolhas com um volume útil médio de 690 L e que foi operado em ciclos de três estágios: alimentação de esgoto bruto e descarte de efluente tratado simultâneos, aeração e sedimentação. Também se buscou controlar a idade do lodo. Em todo o período de operação, que durou 300 dias, o tempo total de ciclo foi mantido em 3 horas. A operação do reator foi dividida em duas fases. Na fase I, a estratégia para granulação foi a progressiva redução do tempo de sedimentação, que variou de 30 a 10 minutos. Nessa fase, as idades do lodo desejadas variaram periodicamente, sendo adotados valores entre 6 e 10 dias, e se observou grânulos no lodo a partir do 70° dia de operação, antes do menor tempo de sedimentação de 10 minutos. Logo depois do 155° dia, houve a perda de lodo do reator, levando à necessidade de uma nova partida. Após a recuperação da biomassa, retomou-se os principais monitoramentos analíticos e o controle da idade do lodo. Nesse período (fase II), o tempo de sedimentação foi mantido em 10 minutos e as idades do lodo desejadas foram de 8 e 5 dias, sucessivamente. Durante toda a pesquisa, a biomassa permaneceu predominantemente floculada, mas se constatou a presença de agregados com tamanhos maiores que 200 µm, como é o caso dos grânulos, numa porcentagem que variou, majoritariamente, entre 44% e 72%. Ao longo do experimento, ocorreram muitas perdas de sólidos no efluente tratado, possivelmente pela expansão da manta de lodo ocasionada pela desnitrificação durante a alimentação, o que dificultou o controle da idade do lodo. Os resultados de sedimentabilidade se assemelharam aos de lodo ativado apenas floculado e não indicaram um efetivo processo de granulação. Na fase I, as eficiências médias de remoção de DQO, amônia, nitrogênio total e ortofosfato foram de 90%, 90%, 43% e 59%, respectivamente. Na fase II, essas porcentagens foram de 94%, 85%, 49% e 61% nessa mesma ordem. No entanto, houve acúmulo de nitrito no sistema, principalmente na fase I, e a necessidade de alcalinização artificial no reator em ambas as fases. Outro aspecto não desejável foi o baixo grau de mineralização do lodo. Por meio dos ensaios de sedimentabilidade e considerando o aspecto floculado do lodo durante toda a pesquisa, conclui-se que as estratégias operacionais adotadas não foram eficientes para a granulação aeróbia. No entanto, os resultados de eficiência de remoção de matéria orgânica e nutrientes se aproximaram de outros estudos com lodo granular aeróbio apesar das relativas elevadas cargas volumétricas aplicadas e da predominância da biomassa floculada. Desse modo, novas estratégias devem ser utilizadas para redução das perdas de sólidos no efluente tratado e aprimorar o processo de granulação, o que traria mais vantagens não alcançadas neste estudo, como reduzidas concentrações de fósforo e nitrito no efluente, maior biomassa de lodo no reator e sua melhor sedimentabilidade. Recomenda-se como novas estratégias, a operação do reator com menor relação alimento/microrganismo (A/M) e aumento do tempo total de ciclo. Além disso, a utilização de menores concentrações de oxigênio dissolvido (OD) e/ou a adoção de intermitência durante o período aerado são sugeridas para a obtenção de concentrações reduzidas de nitrito e nitrato no final desta etapa. Isso também seria favorável para assegurar uma alimentação anaeróbia, desejável para o desenvolvimento dos organismos acumuladores de fósforo.
Title in English
Development of aerobic granular sludge for domestic sewage treatment: nutrint removal in three-stage cycle.
Keywords in English
Aerobic granular sludge
Domestic sewage treatment
Removal of nutrients
Sequential batch reactor
Abstract in English
The objective of this research was the study of aerobic granulation in a pilot sequential batch reactor for the treatment of domestic sewage. A bubble column reactor with an average useful volume of 690 L was used and operated in cycles of three stages: simultaneous supply of raw sewage and disposal of treated effluent, aeration and settling. The control of the sludge retention time was also sought. During the entire operational period, which lasted 300 days, the total cycle time was maintained at 3 hours. The operation of the reactor was divided into two phases. In phase I, the strategy for granulation was the progressive reduction of settling time, which varied from 30 to 10 minutes. At this phase, the desired sludge retention time varied periodically, with values between 6 and 10 days, and granules were found in the sludge after the 70th day of operation, before the shortest settling time of 10 minutes. Soon after the 155th day, there was a loss of sludge from the reactor, leading to the need for a new start. After biomass recovery, the main analytical monitoring and sludge retention time control were resumed. In this period (phase II), the settling time was maintained at 10 minutes and the desired sludge retention time were 8 and 5 days, successively. During the entire research, the biomass remained predominantly flocculated, but the presence of aggregates with sizes greater than 200 µm was verified, as is the case of the granules, in a percentage that varied, mostly, between 44% and 72%. Throughout the experiment, there were many losses of solids in the treated effluent, possibly due to the expansion of the sludge blanket caused by denitrification during feeding, which made it difficult to control the sludge retention time. The settleability results were similar to those of activated flocculated sludge and did not indicate an effective granulation process. In phase I, the average COD, ammonia, total nitrogen and orthophosphate removal efficiencies were 90%, 90%, 43% and 59%, respectively. In phase II, these percentages were 94%, 85%, 49% and 61% in the same order. However, there was accumulation of nitrite in the system, mainly in phase I, and the need for artificial alkalization in the reactor in both phases. Another undesirable aspect was the low degree of sludge mineralization. Through settleability tests and considering the flocculated aspect of the sludge throughout the research, it can be concluded that the operational strategies adopted were not efficient for aerobic granulation. However, the results of efficiency in removing organic matter and nutrients came close to other studies with aerobic granular sludge despite the relative high volumetric loads applied and the predominance of flocculent biomass. Thus, new strategies should be used to reduce the loss of solids in the treated effluent and improve the granulation process, which would bring more advantages not achieved in this study, such as reduced concentrations of phosphorus and nitrite in the effluent, greater sludge biomass in the reactor and its better settling properties. It is recommended as new strategies, the operation of the reactor with less food/microorganism ratio and an increase in the total cycle time. In addition, the use of lower concentrations of dissolved oxygen and/or the adoption of intermittency during the aerated period are suggested to obtain reduced concentrations of nitrite and nitrate at the end of this step. This would also be favorable to ensure an anaerobic feeding, desirable for the development of phosphorus-accumulating organisms.
 
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Publishing Date
2021-02-15
 
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