Remoção de matéria orgânica em uma nitrificação simultânea

Scientific Reports volume 12, Número do artigo: 1882 (2022) Cite este artigo

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Uma correção do autor para este artigo foi publicada em 17 de novembro de 2022

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O tratamento de esgoto de suínos é um desafio complexo, devido às altas concentrações de matéria orgânica (MO) e nitrogênio (N) que exigem um processo eficiente. Este estudo teve como objetivo avaliar dois diferentes meios de suporte para a remoção de MO e N de um reator Upflow Anaerobic Sludge Blanket (UASB) alimentado com águas residuárias de suinocultura. Testes de atividade de nitrificação específica máxima (MSNA) e desnitrificação (MSDA) para biofilme e biomassa suspensa foram realizados usando como suportes: espuma de poliuretano (R1) e anéis de polietileno (R2). Os resultados mostraram que o sistema R2 foi mais eficiente que R1, atingindo remoção de MO de 77 ± 8% e N de 98 ± 4%, atribuído à maior atividade desnitrificante específica registrada (5,3 ± 0,34 g NO3-N/g TVS∙h). Além disso, 40 ± 5% do N inicial no efluente poderia ter sido transformado em nitrogênio molecular através do SND, dos quais apenas 10 ± 1% foram volatilizados. Nesse sentido, testes MSDA indicaram que a biomassa suspensa foi responsável por pelo menos 70% da remoção de N e apenas 20% podem ser atribuídos ao biofilme. O SND pôde ser confirmado com a análise da diversidade microbiana, pois a presença do gênero Pseudomonas dominou a comunidade procariótica do sistema em 54,4%.

O nitrogênio é um nutriente essencial para o crescimento biológico e um dos principais constituintes de todos os organismos vivos. No entanto, sua presença excessiva deve ser evitada pelos seguintes motivos: (a) Nitrogênio em formas reduzidas exerce demanda de oxigênio no corpo d'água receptor1, (b) Amônia e nitrito são tóxicos para peixes em concentrações superiores a 0,045 e 0,20 mg/L, respectivamente2, (c) Efluentes com altas concentrações de nitrogênio requerem grande quantidade de cloro para sua desinfecção3, e (d) Nitrito e nitrato em concentrações superiores a 0,2 e 1,5 mg/L, respectivamente, juntamente com fósforo em concentrações superiores a 0,10 mg/ L pode causar eutrofização de lagos e corpos d'água, o que resulta em crescimento descontrolado de algas e outras plantas aquáticas4,5. O nitrogênio pode aparecer nas águas residuais em diferentes formas ionizadas: amônio (NH4+) e amônia (NH3+) que dependem da concentração, pH e temperatura6.

Atualmente, diferentes tecnologias têm sido propostas para a remoção de nitrogênio da água. Essas tecnologias incluem processos físico-químicos como troca iônica, adsorção, osmose reversa e processos químicos como metais ativos e métodos catalíticos7,8,9,10. No entanto, essas tecnologias não estão focadas na remoção de altas concentrações de amônia e outras espécies de N, como Jonoush et al.11, que relataram a remoção de nitrato em baixas concentrações (50 mg/L) usando um cátodo de Ni–Fe não nobre. Várias tecnologias biológicas foram desenvolvidas para remoção de nitrogênio, por exemplo, (i) sistema de reator único para alta remoção de amônio sobre nitrito, mais conhecido como processo SHARON, que se baseia na oxidação de amônio a nitritos de 50%, em condições de baixo oxigênio (< 0,7 mg de O2/L); (ii) Oxidação anaeróbica de amônio (ANAMMOX), onde o amônio funciona como doador de elétrons e o oxigênio nitrito como receptor de elétrons para obtenção de nitrogênio gasoso; e (iii) nitrificação-desnitrificação (SND) simultânea, que se dá pela formação de microzonas anóxicas no interior dos consórcios bacterianos encontrados no reator aeróbico. A coexistência de zonas aeróbias e anóxicas leva à automontagem de microrganismos autotróficos nitrificantes e heterotróficos desnitrificantes no SND por causa da distribuição de OD. Portanto, é muito importante realizar o tratamento anaeróbio de efluentes com alto teor de carbono para promover posteriormente no sistema aeróbico uma nitrificação-desnitrificação e reduzir a competição por OD com microrganismos heterotróficos. Um afluente de alta relação C/N também pode influenciar negativamente a abundância de bactérias nitrificantes e a eficácia do processo de nitrificação, devido à dominação de heterótrofos. Há relatos de que a taxa de remoção de nitrogênio total (TN) atingiu 77% a uma relação C/N de 19,5 e uma taxa de 87% a uma relação de 7,712. Portanto, SND tornou-se a tecnologia mais promissora para remoção de amônio e outros compostos nitrogenados em concentrações superiores a 250 mg N/L, mas merece atenção e mais pesquisas ainda são necessárias13,14.