Eletrobiorreator a membrana aplicado ao tratamento de efluentes sanitários objetivando a remoção de nutrientes e o controle da colmatação

Tese (doutorado) - Universidade Federal de Santa Catarina, Centro Tecnológico, Programa de Pós-Graduação em Engenharia Ambiental, Florianópolis, 2018.Os eletrobiorreatores a membrana (EBRM) são considerados uma tecnologia com elevado potencial para o tratamento de efluentes sanitários, uma vez que promovem a união entre processos eletroquímicos, de biodegradação e de filtração por membranas em um único reator. Entretanto, sabe-se que o bom desempenho desses sistemas está atrelado à otimização de alguns parâmetros operacionais, tais como o modo de exposição e densidade de corrente, idade do lodo (?C) e tempo de detenção hidráulica (TDH). Nesse contexto, investigou-se no presente estudo a eficiência e a estabilidade de um EBRM empregado no tratamento de efluentes sanitários sob diferentes condições operacionais, com ênfase na remoção de nutrientes e avaliação da colmatação da membrana. Para tanto, foram realizados ensaios preliminares de bancada objetivando a otimização das condições elétricas de operação do sistema. Em seguida, o trabalho foi divido em três etapas. Na Etapa 1 um EBRM em escala piloto foi avaliado sem a aplicação de corrente elétrica, para fins de comparação. Na Etapa 2 foram avaliados os efeitos da aplicação da corrente elétrica e da variação da ?C (30, 15 e 8 dias) no desempenho de um EBRM em escala piloto. Já na Etapa 3 avaliou-se os efeitos da variação do TDH (30, 20 e 15 horas) no desempenho de um EBRM precedido por uma câmara anóxica (EBRM Ax/Ae), além do potencial de reúso do permeado produzido. Os resultados obtidos nos ensaios preliminares indicaram que, de modo a garantir elevada eficiência e reduzir o consumo de energia, a densidade de corrente de 10,0 A m-2 sob modo de exposição intermitente de 6 min ligada / 18 min desligada foi considerada a ideal para aplicação do processo eletroquímico. Avaliando-se comparativamente os resultados obtidos na Etapa 1 e no início da Etapa 2, verificou-se que a aplicação da corrente elétrica de forma otimizada permitiu aumentar significativamente a remoção de fósforo e reduzir expressivamente a colmatação da membrana. Além disso, observou-se que a taxa de crescimento dos microrganismos e as atividades autotrófica e heterotrófica da biomassa foram favorecidas pela ocorrência dos processos eletroquímicos. Durante o desenvolvimento da Etapa 2, observou-se, também, que a variação da idade do lodo não afetou o desempenho do reator quanto à remoção de matéria orgânica e nutrientes, porém, a colmatação da membrana foi mais expressiva na menor ?C avaliada. Por outro lado, a taxa de crescimento dos microrganismos e as atividades autotrófica e heterotrófica da biomassa foram favorecidas com a redução da ?C. Logo, concluiu-se que as melhores condições operacionais foram obtidas com ?C de 15 dias. Durante a Etapa 3, constatou-se que as eficiências de remoção de matéria orgânica e fósforo não foram afetadas pela variação do TDH, ao passo que a remoção de nitrogênio total aumentou de 81 para 90 % com a redução do TDH de 30 para 15 h, o que foi atribuído ao aumento da disponibilidade de substrato, à maior diversidade de bactérias desnitrificantes e ao aumento da abundância relativa das bactérias do gênero Nitrospira. Em contrapartida, a colmatação da membrana também foi mais expressiva no menor TDH avaliado. Em função disso, concluiu-se que as melhores condições de operação foram obtidas com TDH de 20 horas. Por fim, constatou-se, ainda, que o permeado produzido apresentou elevado potencial para reúso não potável.Abstract : Membrane electrobioreator (EMBR) is a technology with the potential of treating sanitary effluents since they promote the union between electrochemical, biodegradation and membrane filtration processes in a single reactor. However, it is known that the high performance of these systems is related to the optimization of some operational parameters, such as exposure mode and current density, sludge retention time (SRT) and hydraulic retention time (HRT). In this context, we investigated the efficiency and stability of an EMBR applied in sanitary wastewater treatment under different operating conditions, with emphasis on nutrient removal and evaluation of membrane fouling. In order to do that, preliminary bench tests were carried out aiming at the optimization of the electrical conditions for the system operation. Then, the work was divided into three stages. In run 1, a pilot scale EMBR was evaluated without the application of an electric current, for comparison purposes. In run 2, we evaluated the effects of the application of an electric current and the variation of SRT (30, 15 and 8 days) on the performance of a pilot scale EMBR. Lastly, we assessed the effects of the HRT variation (30, 20 and 15 hours) on the performance of an EMBR preceded by an anoxic tank in run 3. Besides that, the reuse potential of its produced permeate was evaluated. The results obtained in the preliminary tests indicated that a 10.0 Am-2 current density under intermittent exposure mode of 6 min on / 18 min off was ideal for the application of the electrochemical process, ensuring high efficiency and reduced energy consumption. By comparing the results obtained in run 1 and at the beginning of run 2, we verified that the electric current application in an optimized mode allowed to increase phosphorus removal and reduce membrane fouling in a substantially way. In addition, it was observed that the microorganisms growth rate and the biomass autotrophic and heterotrophic activities were favored by the electrochemical processes introduction. During the development of run 2, it was also observed that the sludge retention variation did not affect the reactor s performance regarding the removal of organic matter and nutrients. However, membrane fouling was more expressive at the lowest SRT evaluated. On the other hand, the growth rate of the microorganisms and the autotrophic and heterotrophic activities of biomass were favored by the reduction of SRT. Therefore, it was concluded that the best operational conditions were obtained with a SRT of 15 days. During run 3, it was found that the removal efficiencies of organic matter and phosphorus were not affected by the variation of HRT, while the total nitrogen removal increased from 81 to 90% with HRT reduction from 30 to 15 hours. This efficiency improvement was attributed to the increase in substrate availability, besides the greater diversity of denitrifying bacteria and the rise of the relative abundance of Nitrospira genus bacteria. However, membrane fouling was also higher in the lowest HRT. Given this information, it was concluded that the best operational conditions were obtained with a 20 hours HRT. At last, it was found that the reactor's permeate had a high potential for non-potable reuse