Potential of methane utilization as electron donor for denitrification in horizontal flow fixed bed anoxic reactor

A presente dissertação apresenta e discute os resultados do trabalho experimental cujo objetivo foi avaliar a remoção de nitrogênio na forma de mitrato (N-NO3-) pelo processo de desnitrificação biológica em reator anóxico horizontal de leito fixo (RAHLF) contendo matrizes de espuma de poliuretano, em escala de laboratório, utilizando gás metano como fonte de carbono e único doador de elétrons adicionado ao sistema. Para concentrações iniciais de N-NO3- de 20 mg/L e 40 mg/L no substrato sintético, foi possível obter diminuição das concentrações iniciais em 85% e 50%. No entanto, os altos níveis de redução de N-NO3-, obtidos sob condições limitantes de metano, deram suporte à hipótese de que parte da remoção do N-NO3- foi realizada mediante a utilização de compostos reduzidos de enxofre ou nitrogênio, tais como: S0, HS- ou NH4+, provavelmente formados sob condições anóxicas, simultaneamente com o processo de desnitrificação. Foi possível verificar, também, a influência da relação carbono (mg/L CH4 / nitrogênio (mg/L N-NO3-) no estabelecimento das rotas metabólicas de desnitrificação predominantes, quais sejam, a redução dissimilativa do nitrogênio à amônia (RDNA) ou a desnitrificação. Adicionalmente, foram realizados ensaios em reatores tipo batelada, com o objetivo de se medir o consumo de metano. Porém, os resultados não foram satisfatórios, provavelmente em razão da diversidade microbiana presente no inóculo. Foram realizadas análises de microscopia óptica e de fluorescência, assim como de DGGE, para avaliar a diversidade e as alterações nas populações microbianas ao longo do RAHLF e do tempo de experimento. Os diferentes sistemas utilizados apresentaram limitações relacionadas à baixa solubilidade do gás metano no meio líquido, à resistência à transferência de massa da fase gasosa para a líquida e desta última para a biomassa aderida à espuma.This study presents and discusses experimental work results conducted with the purpose of evaluating nitrate - nitrogen (N-NO3-) removal by biological denitrification process in a lab scale horizontal flow fixed bed anoxic reactor (RAHLF), using methane gas as sole carbon source and electron donor. Support media for microorganisms were polyurethane foam matrixes. For initial N-NO3- concentrations of 20 mg/L and 40 mg/L present in synthetic substrate, it was possible to obtain 85% and 50% removal respectively. These high reduction rates, obtained under limiting conditions of methane, sustained the idea of part of the N-NO3- removal being accomplished by reductive sulfur or nitrogen species utilization, such as: S0, HS- or NH4+, probably formed under anoxic conditions simultaneously to denitrification process. It was possible to verify also carbon (mg/L CH4) / nitrogen (mg/L N-NO3-) ratio effect in denitrification metabolic paths establishment, i.e. dissimilative reduction of nitrogen to ammonia or denitrification itself. In addition, batch tests where conducted with methane consumption measuring purpose. Yet, results where not satisfactory probably due to great microbial diversity present in inoculum. Optical microscopy and fluorescence exams where developed, as well as, DGGE, in order to evaluate diversity and alterations in bacterial populations as a function of reactor\'s length and time. Different systems used in experimental work presented limitations due to low methane gas solubility in bulk liquid and mass transfer resistance from gas to liquid phase and from this to fixed biomass