Influence of different salts and osmotic pressure in the treatment of wastewater from water scarcity regions

O objetivo deste trabalho foi avaliar o efeito inibidor dos sais NaCl, MgCl2 e CaCl2, em mistura e separadamente, nas comunidades microbianas em sistema descontínuos e contínuos para o tratamento de esgoto sanitário de regiões de escassez hídrica. Foi avaliado o estabelecimento da nitrificação e desnitrificação simultânea (NDS) sem o controle da concentração de oxigênio dissolvido mediante à aeração contínua por meio de reatores contínuos de leito fixo estruturado na presença (Reator salino, RS) e ausência (Reator Controle, RC) dos sais de estudo. Nos sistemas descontínuos, um planejamento fatorial e ensaios complementares isotônicos para as pressões osmóticas (PO) de 5, 15 e 30 atm foram realizados para a comunidade nitrificante e para a comunidade desnitrificante afim de investigar os efeitos de inibição, antagonismo, sinergismo e estímulo dos sais em mistura e separadamente. Os efeitos dos sais foram diferentes para as comunidades nitrificante e desnitrificante e as maiores taxas específicas de nitrificação e desnitrificação obtidas foram de 0,11 mgN gSSV-1 min-1 e 0,065 mgN gSSV-1 min-1, respectivamente. Os ensaios em batelada permitiram inferir que o efeito de inibição de cada sal é distinto quando em mistura ou separadamente, independentemente da PO aplicada e que o efeito de toxicidade específica de cada sal é superior ao efeito de inibição da PO do meio, podendo estar relacionado à capacidade de osmoregulação dos microrganismos por solutos compatíveis. Nos reatores contínuos, a NDS foi estabelecida sob aeração contínua com concentrações médias de OD de 6 mg L-1, alcançando eficiências de oxidação de NH4+ e de remoção de N-Total de 60% e 56,3% no RC e 95,9% e 65,8% no RS na Fase 1 com PO de 1,7 atm. Isto evidenciou que a presença dos sais em concentração moderada foi benéfica ao sistema nas condições estudadas e para os inóculos aplicados. A deficiência da remoção de N-total em relação ao que foi nitrificado foi atribuída à falta de doadores de elétrons suficientes para promover a desnitrificação heterotrófica. A remoção de DQO no RS foi pouco afetada pelo aumento da PO, tendo eficiência reduzida de 97,2% para 86,2% com o aumento da PO de 1,7 para 9 atm. Análises de PCR/DGGE indicaram que a diversidade microbiana de ambientes salinos é tão grande ou maior que a de ambientes de água doce e o sequenciamento genético evidenciou que os inóculos possibilitaram a inserção de populações capazes de atuar no ciclo do nitrogênio sob condições de elevada salinidade, destacando-se os gêneros Aeromonas, Rheinhemera, Azospirillum, Thioalkalivibrio e Pseudoalteromonas.The aim of this research was to evaluate the inhibitory effect of NaCl, MgCl2 and CaCl2 salts, in mixture and separately, on microbial communities in batch and continuous systems for the treatment of wastewater from regions with water scarcity. The establishment of simultaneous nitrification and denitrification process (SND) was assessed without dissolved oxygen control and under continuos aeration in structured bed reactors in the presence (Saline Reactor, SR) and absence (Control Reactor, CR) of the studied salts. In the batch reactors, a factorial design and complementary isotonic experiments for the osmotic pressures (OP) of 5, 15 and 30 atm were performed to investigate the effects of inhibition, antagonism, synergism, and stimulation of the salts alone and in mixture. The salts caused distinct effects on the nitrifying and denitrifying communities and the highest nitrification and denitrification specific rates obtained were 0.11 mgN gSSV-1 min-1 and 0.065 mgN gSSV-1 min-1, respectively. In the studied conditions, the results of the batch experiments showed that the inhibitory effect of each salt is different when they are alone or in mixture, regardless of the applied OP. It was observed that the microbial communities are more negatively affected by the specific toxic effect of each salt than by the unspecific inhibitory effect of the OP, which may be related to the osmoregulation capacity of the microorganisms by compatible solutes system. In the continuous reactors CR and SR, SND was established under continuous aeration at average DO concentrations of 6 mg L-1, achieving NH4+ oxidation and total nitrogen removal efficiencies of 60% and 56.3% in CR, and 95.9 % and 65.8% in SR in Phase 1 with OP of 1.7 atm. This data indicates that the presence of the salts in moderate concentration was beneficial to the system for the studied conditions and inoculum. The total nitrogen removal did not achieve higher efficiencies possibly due to the lack of electron donors, which supports heterotrophic denitrification. The COD removal in the SR was not greatly affected by the increase on OP as the efficiency reduced from 97.2% to 86.2% as the OP increased from 1.7 to 9 atm. PCR/DGGE analyses indicated that the microbial diversity of saline environments is as great as in freshwater ones. Genetic sequencing of the biomass showed the presence of bacterial populations capable of consuming oxidized and reduced forms of nitrogen under high osmotic pressure such as the genus Aeromonas, Rheinhemera, Azospirillum, Thioalkalivibrio and Pseudoalteromonas