Digestão aprimorada de lodo ativado por resíduos usando um biorreator de membrana dinâmica anaeróbica submersa: desempenho, características do lodo e comunidade microbiana

Relatórios Científicos volume 6, Número do artigo: 20111 (2016) Citar este artigo

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A digestão anaeróbica (AD) desempenha um papel importante no tratamento de lodo ativado de resíduos (WAS); no entanto, o processo AD (CAD) convencional precisa de melhorias substanciais, especialmente para o tratamento de WAS com baixo teor de sólidos e baixa biodegradabilidade anaeróbica. Aqui, propomos um biorreator de membrana dinâmica anaeróbia submersa (AndDMBR) para espessamento e digestão simultâneos de WAS sem qualquer pré-tratamento. Durante a operação de longo prazo, o AndDMBR exibiu uma redução aprimorada de lodo e produção de metano aprimorada em relação ao processo CAD. Além disso, o biogás gerado no ADMBR continha maior teor de metano do que o processo CAD. Assinaturas isotópicas de carbono estáveis ​​elucidaram a ocorrência de vias metanogênicas combinadas no processo AnDMBR, em que a via metanogênica hidrogenotrófica teve uma contribuição maior para a produção total de metano. Verificou-se também que a degradação da matéria orgânica foi aumentada no ADMBR, fornecendo assim substratos mais favoráveis ​​para microrganismos. O pirosequenciamento revelou que Proteobacteria e Bacteroidetes foram abundantes em comunidades bacterianas e Methanosarcina e Methanosaeta em comunidades archaeais, que desempenharam um papel importante no sistema AnDMBR. Este estudo lançou luz sobre a digestão aprimorada de WAS usando a tecnologia AnDMBR.

O lodo ativado residual (WAS) é gerado durante o processo de tratamento biológico de águas residuais e potencialmente um poluente secundário se não for tratado adequadamente. O tratamento e descarte de WAS representa até 50% dos custos operacionais em estações de tratamento de águas residuais (ETEs), desafiando a gestão municipal de águas residuais em todo o mundo1,2. Para o tratamento WAS, a digestão anaeróbica (AD) é atraente por causa de suas vantagens, como redução da quantidade de lodo, produção de biogás e destruição de patógenos2. No entanto, existem algumas desvantagens nos processos convencionais de AD (CAD) que impedem suas aplicações amplas. Por exemplo, o espessamento do lodo é necessário antes do processo AD para reduzir o volume WAS. Além disso, o tempo de retenção hidráulica (HRT) é idêntico ao tempo de retenção sólida (SRT), levando a um maior volume do digestor e à operação não flexível dos processos CAD. Por outro lado, WAS, particularmente em sistemas de tratamento biológico com SRTs longos, apresenta biodegradabilidade anaeróbia relativamente pobre em comparação com lodo primário devido ao acúmulo de resíduos celulares e materiais inertes suspensos3,4, o que também afeta negativamente o desempenho do AD.

A fim de melhorar o desempenho do AD, alguns processos de AD de alta taxa, como manta de lodo de grânulos expandidos (EGSB)5 e biorreator de membrana anaeróbica (AnMBR)1,6, foram propostos. Para a tecnologia EGSB, a granulação do lodo é complexa e exigente e o WAS, ao contrário das águas residuais, pode influenciar o desempenho dos grânulos anaeróbicos5. O processo AnMBR prevalece sobre o processo CAD em termos de redução de pegada, espessamento e digestão simultâneos e desacoplamento HRT de SRT1. A eficiente separação sólido/líquido das membranas retém bem os microorganismos e, assim, aumenta a degradação de poluentes7. Recentemente, sistemas AnMBR com membranas de microfiltração/ultrafiltração (MF/UF) foram aplicados à digestão WAS. Dagnew et al.8 empregaram membranas tubulares externas para tratar WAS espessado com dosagem de polímero (sólidos totais 17,0 g/L) em um digestor anaeróbio em escala piloto e observaram cerca de 48% da taxa de redução de sólidos voláteis sob HRT 15 d e SRT 30 d. Taxa de destruição de sólidos voláteis semelhante (45–51%) foi relatada por Xu et al.9 usando um sistema AnMBR externo para a digestão de WAS espessado em fluxo de membrana de 1,3–3,5 L/(m2 h). No entanto, as principais desvantagens nos processos AnMBR são baixo fluxo de membrana de membranas MF/UF e alta taxa de incrustação de membrana6. Além disso, a configuração da membrana externa resulta em grande consumo de energia, uma vez que a incrustação é controlada por altas velocidades de circulação, o que também pode inibir a atividade metanogênica devido ao intenso cisalhamento da bomba6,10.