Start up of a sequencing batch reactor aiming to identify the necessary operational conditions to develop aerobic granular sludge.

O presente estudo teve como objetivo principal identificar as condições necessárias para a formação de lodo granular aeróbio em um reator de bateladas sequenciais, desenvolvendo uma estratégia de partida para obter a granulação e também avaliando as propriedades morfológicas do lodo formado. Ao longo da pesquisa, também foram avaliados os resultados que podem ser alcançados mediante a aplicação deste tipo de tratamento para esgoto universitário, em termos de remoção de matéria orgânica, nitrogênio e fósforo. Dividiu-se a pesquisa em duas fases, onde na primeira, desenvolvida no Laboratório de Saneamento da Escola Politécnica, utilizou-se um reator em escala de bancada e na segunda, desenvolvida no Centro Tecnológico de Hidráulica, um reator em escala piloto, ambos operando em bateladas sequenciais e com uma mesma razão altura diâmetro (H/D) de aproximadamente 10. Ambas as fases foram divididas em cinco etapas, cujo critério de divisão foi a redução progressiva do tempo de sedimentação do ciclo da batelada, inicialmente em 30 minutos, na etapa 1, e 5 minutos na etapa 10. Primeiramente, foi operado o reator de bancada por 330 dias, onde alimentou-se o sistema com efluente sintético. Em seguida, o reator piloto foi operado também por aproximadamente 330 dias, o qual foi alimentado com esgoto universitário. A pesquisa pode ser caracterizada como um período de partida para ambas as fases, onde não se obteve uma operação estável dos reatores, não sendo possível atingir um regime estacionário, uma vez que não foi realizado descarte de lodo intencional, devido à alta perda de sólidos com o efluente tratado ao final de cada ciclo. Os resultados mostraram que é possível obter a granulação aeróbia, indicando que as condições essenciais são a hidrodinâmica do reator, ou seja, a forte aeração gerando uma alta força de cisalhamento sobre as partículas e a alimentação de efluente pelo fundo do reator, fazendo com que este escoe em contato com o lodo em um ambiente anaeróbio. A estratégia operacional que envolve redução progressiva do período disponibilizado para a sedimentação do lodo contribui para aumentar a porção de biomassa granular dentro do sistema e assim favorecendo o desenvolvimento e crescimento das partículas granulares maiores e mais pesadas. No final da Etapa I foi pela primeira vez observada à presença de partículas granulares. A morfologia dos grânulos foi avaliada em termos do diâmetro de Feret e circularidade das partículas presentes. Outras propriedades do lodo foram avaliadas, como os índices volumétricos de lodo, sólidos sedimentáveis, as propriedades de remoção de carga orgânica e nutrientes. Os valores de Índice Volumétrico de Lodos (IVL) observados ficaram na faixa tipicamente observada para lodo floculento de boa sedimentabilidade. Ocorreram boas remoções de carga orgânica (DBO solúvel de 87% e DQO solúvel de 82%), assim como a eficiência de remoção de amônia, cuja média na fase I foi de 68%. Também ocorreu desnitrificação, com valores de nitrito e nitrato no efluente tratado com médias de 2,62 e 3,26 mg/L respectivamente. A remoção de fósforo foi avaliada em termos de fósforo solúvel, onde a eficiência média obtida foi de 41%. Observaram-se grânulos cujos diâmetros médios ficaram em torno de 0,3 mm, sendo que a média dos valores máximos de cada Etapa da Fase I foi de 2,3 mm. Com aproximadamente 250 dias de operação surgiram organismos filamentosos aderidos às superfícies dos grânulos formados. O crescimento de tais organismos foi progressivo, primeiramente refletindo na queda do coeficiente de circularidade dos grânulos, conferindo forma mais irregular aos mesmos e depois levando à finalização da operação do reator de bancada aos 330 dias, quando a proliferação acentuada de filamentosos resultou na quebra dos grânulos e desaparecimento destes. Na fase II, operou-se o reator em escala piloto por aproximadamente 330 dias. Nesta fase da pesquisa aplicou-se um fator de carga volumétrica e uma relação alimento-microrganismos menor do que na Fase I, contudo também foi possível observar o início do processo de granulação ainda sob tempos de sedimentação elevados (25 minutos), sendo que a granulação evoluiu ao longo da operação do reator, onde realizou-se a redução progressiva do período de sedimentação do ciclo da batelada. Os diâmetros médios dos grânulos, durante todo esse período, foram de 0,8 mm, sendo que a média dos diâmetros máximos de cada Etapa da Fase II foi de 4,8 mm. Os valores de índice volumétrico de lodo foram baixos, mostrando evolução do processo de granulação, contudo ainda na faixa considerada para lodo floculento, evidenciando ainda a presença de uma parcela considerável da biomassa na forma de flocos. Os resultados obtidos para as velocidades de sedimentação por zona também levaram à mesma conclusão. As propriedades de tratamento do lodo foram monitoradas e os resultados mostraram uma remoção de carga de 91% para DBO solúvel e 88% para DQO solúvel. A remoção de amônia apresentou eficiência média para o período de 50% e a remoção de nitrogênio kjeldahl total foi de 52%. Observaram-se valores baixos de nitritos e nitratos ao longo de toda a segunda fase, indicando a ocorrência de desnitrificação. As remoções de fósforo total e solúvel apresentaram média para o período de 75% e 76%, respectivamente. Não ocorreu proliferação de organismos filamentosos durante a operação do reator piloto.The present study\'s main objective was to identify the necessary conditions for the formation of aerobic granular sludge in a sequential batch reactor, developing a starting strategy to obtain granulation and also evaluating the morphological properties of the formed sludge. It was also evaluated the aerobic sludge\'s treatment properties in terms of organic matter, nitrogen and phosphorus removal, the main contaminants present in the low strength wastewater fed to the reactor. The research was divided into two phases, where the first one a bench scale reactor was operated and a second one where a pilot scale reactor was used, both in sequential batch mode and with the same height diameter ratio (H/D) ratio of approximately 10. Phase I, (bench scale reactor) lasted for 330 days, and the system was fed with synthetic effluent. Then the pilot reactor was also operated for about 330 days (Phase II), which was fed with low strength wastewater. The research can be characterized as a start-up period for both phases, where a steady state for the reactor was not obtained, once no intentional sludge discharge was performed and an increased suspended solids concentration was observed in the effluent withdrawn at the end of each cycle during all the survey. The results showed that the essential conditions to obtain aerobic granulation are the hydrodynamics/flow patterns inside the reactor, that is, the strong aeration generating a high shear force over the particles surface and the plug flow effluent feed from the bottom of the reactor, in an anaerobic environment. The operational strategy that involves progressive reduction of the batch settling period creates a selective pressure that increases the portion of granular biomass within the system and thus favoring the development and growth of larger and heavier granular particles. At the end of phase I the presence of granular particles was observed for the first time. The morphology of the granules was evaluated in terms of the Feret\'s diameter and the circularity coefficient from the particles present in the sludge. Other properties of the sludge were evaluated, such as the sludge volumetric index, settleable solids and organic load and nutrient removal capacities. The observed values of SVI remained within a range typically correlated for flocculent sludge with good settling properties. Satisfactory organic load removal (87% soluble BOD and 82% soluble COD) was observed, as well as ammonia removal, which average value was around 68%. Denitrification also occurred, once nitrite and nitrate values in the treated effluent were low throughout the bench reactor operation. The removal of phosphorus was evaluated in terms of soluble phosphorus, where the average removal efficiency obtained was 41%. The granules average Feret\'s diameter for all this period was 0.3 mm and the average maximum value for all the stages of the first phase was 2.3 mm. With approximately 250 days of operation, filamentous organisms appeared adhered to the formed granules surfaces. The growth of these organisms was progressive, firstly reflecting in the drop of the circularity coefficient, resulting in a more irregular shape of the granules surface and then leading to the reactor\'s failure at 330 days of operation, when the filamentous overgrowth resulted in the granules breaking and disappearance. In phase II a pilot scale reactor was operated for approximately 330 days. In this phase, a lower volumetric loading factor and food to microorganism feed ratio were applied, compared to Phase I. However, it was also possible to observe the beginning of the granulation process still under high settling periods (25 minutes), with development of the granulation process throughout Phase II, using the same strategy based on the progressive reduction of the batch settling interval. The average Feret\'s diameter during this whole period was 0.8 mm, and the average maximum value for all the stages of the second phase was 4.8 mm. The values of sludge volumetric index decreased indicating evolution of the granulation process, yet still in the range considered for flocculent sludge, evidencing also the presence of a considerable amount of flocculant biomass. The results obtained for settling velocities also led to the same conclusion. The sludge treatment properties were monitored, and the results showed a 91% removal efficiency for soluble BOD and 88% removal efficiency for soluble COD. The average ammonia removal efficiency for the period was 50% and the average total kjeldahl nitrogen removal of 52%. Low nitrite and nitrate values were observed throughout the second phase in the treated effluent, indicating the occurrence of denitrification. The average total and soluble phosphorus removal for the period was 75% and 76%, respectively. No filamentous overgrowth was observed during the pilot reactor operation