Remoções efetivas simultâneas de carbono e nitrogênio e recuperação de fósforo em um sistema integrado de biorreator de membrana aerada intermitentemente

Scientific Reports volume 5, Número do artigo: 16281 (2015) Citar este artigo

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A recuperação de nutrientes, especialmente recursos de fosfato, de águas residuais tem atraído um interesse crescente recentemente. Aqui, um biorreator de membrana aerada intermitentemente (MBR) com um filtro de malha foi desenvolvido para remoção simultânea de demanda química de oxigênio (COD), nitrogênio total (TN) e fósforo, seguida de recuperação de fósforo do lodo rico em fósforo. Este sistema integrado apresentou desempenho aprimorado na nitrificação e desnitrificação e remoção de fósforo sem excesso de lodo descarregado. A remoção de COD, TN e fósforo total (TP) em um MBR modificado foram em média de 94,4 ± 2,5%, 94,2 ± 5,7% e 53,3 ± 29,7%, respectivamente. O TP removido foi armazenado na biomassa e 68,7% do fósforo armazenado no lodo pode ser recuperado como solução concentrada de fosfato com concentração de fosfato acima de 350 mg/L. O lodo após a liberação de fósforo pode ser devolvido ao MBR para absorção de fósforo e 83,8% de sua capacidade pode ser recuperada.

A descarga excessiva de nitrogênio e fósforo em corpos d'água resulta em eutrofização e má qualidade da água1, ameaçando a saúde e o ambiente de vida dos seres humanos2. Embora, ironicamente, os recursos desses nutrientes essenciais, especialmente o fósforo lavrável, sejam limitados e se tornem materiais estratégicos para muitos países3. Assim, a remoção e recuperação desses nutrientes das águas residuais não só tem os benefícios adicionais de minimizar a eutrofização do corpo d'água, mas também aliviar a potencial crise de fósforo4,5. Por estas razões, o processo de recuperação de fosfato deve ser integrado nas estações de tratamento de águas residuais existentes para remoção de nutrientes6,7.

Abordagens biológicas têm sido amplamente utilizadas em estações de tratamento de efluentes para remoção de nitrogênio e fósforo8,9,10. Ao alternar processos anaeróbio-anóxico-aeróbico (A2O), retornando esgoto e lodo e descarregando o lodo rico em fosfato do sistema como excesso de lodo, a remoção simultânea de nitrogênio e fósforo pode ser alcançada11,12. No entanto, tais tecnologias convencionais de tratamento de efluentes ainda apresentam severas limitações técnicas, econômicas e de sustentabilidade causadas por sua operação complexa e disposição de lodo, altos requisitos de energia, baixa qualidade do efluente e nenhum processo de recuperação de fósforo13.

Nos últimos anos, o processo MBR ganhou aplicação crescente devido à sua alta eficiência de tratamento, baixa produção de lodo e boa qualidade do efluente14,15,16. Tem sido relatado que um MBR aerado pode ser conectado com processos anaeróbicos e/ou anóxicos para alcançar a remoção simultânea de carbono, nitrogênio e fósforo durante o tratamento de águas residuais17,18,19. No entanto, esses processos simplesmente conectam alguns reatores individuais em sequências, o que aumenta a complexidade da operação. Nos últimos anos, MBRs com aeração intermitente foram desenvolvidos para tratamento de águas residuais e o efeito do modo liga/desliga de aeração alternada no desempenho do sistema foi estudado20,21,22. Em nosso estudo anterior, um MBR aerado intermitentemente usando filtro de malha de aço inoxidável foi desenvolvido para remover simultaneamente a demanda química de oxigênio (COD) e nitrogênio em modo de fluxo contínuo sem qualquer excesso de lodo descarregado23. No entanto, a remoção de fósforo não foi investigada nesse sistema. Para tornar esta tecnologia mais viável na prática, a configuração e operação do sistema precisam ser otimizadas e a remoção e recuperação de fósforo precisam ser consideradas. Na verdade, algumas estratégias para recuperação de fósforo de águas residuais usando remoção biológica de fósforo aprimorada modificada24,25 ou precipitação de fósforo biologicamente induzida26 poderiam ser usadas como referência no MBR aerado intermitentemente.

Aqui, um MBR aerado intermitentemente foi projetado para melhorar a recuperação de fósforo de águas residuais neste trabalho. O presente estudo investigou o potencial de remoção simultânea de DQO, TN e TP em um único reator sem excesso de lodo descarregado. Além disso, a recuperação de fósforo foi explorada. Além disso, o mecanismo de remoção de TN e TP no MBR intermitentemente aerado foi analisado.