Mathematical modeling of the partial nitritation/anammox process in membrane-aerated biofilm reactors (MABR).

Em comparação com o processo convencional de remoção biológica de nitrogênio, o processo de nitritação parcial/anammox apresenta vantagens significativas: suprime a necessidade de uma fonte de carbono orgânico, reduz os gastos com energia para aeração e reduz a quantidade de lodo produzido. O processo apresenta grande potencial de utilização no tratamento de correntes caracterizadas pela presença de nitrogênio amoniacal, porém com baixo conteúdo de matéria orgânica rapidamente biodegradável como é o caso dos efluentes de processos anaeróbios. Este trabalho avaliou quantitativamente a eficiência de remoção de nitrogênio de efluentes em reatores de biofilme aerado por membrana (Membrane-Aerated Biofilm Reactor MABR), utilizando-se do software de modelagem de processos aquáticos AQUASIM. Foi implementado um modelo multiespécies que contempla a atividade das bactérias oxidantes de amônia (AOB), bactérias oxidantes de nitrito (NOB), bactérias anammox (AnAOB) e bactérias heterotróficas (HB). Mais especificamente, avaliou-se a aplicação do MABR no tratamento de correntes líquidas submetidas a dois processos anaeróbios de tratamento: 1) efluentes de reatores UASB; e 2) sobrenadante de digestores anaeróbios de lodo. Na Aplicação 1, as simulações indicaram que a vazão de ar ótima foi cerca de 2 a 3 vezes menor que a vazão líquida aplicada ao MABR. Os resultados indicaram taxas de remoção de nitrogênio total (NT) variando de 50% a 75%, para tempos de detenção hidráulica (TDH) de 3h e 6h e taxas de aplicação de nitrogênio 1,07 g N/m2/dia e 0,53 g N/m2/dia, respectivamente. Não foram detectadas bactérias anammox no biofilme, possivelmente devido à elevada relação matéria orgânica/nitrogênio (DQO/N) da corrente afluente (4,6). Na Aplicação 2, as simulações indicaram que a vazão de ar ótima foi cerca de 5 vezes maior que a vazão líquida aplicada. Os resultados mostraram taxas de remoção de NT variando de 81% a 90%, para TDH de 1,25 e 2,5 dias e taxas de aplicação de nitrogênio 2,67 g N/m2/dia e 1,33 g N/m2/dia, respectivamente. Observou-se a presença de bactérias anammox no biofilme nesta aplicação, possivelmente devido à relação DQO/N da corrente afluente consideravelmente mais baixa (1,5). Este trabalho servirá como base para futuros estudos experimentais e em escala real, indicando faixas de vazão de ar, TDH e taxas de aplicação de nitrogênio que maximizam a remoção de NT.Compared to the conventional biological nitrogen removal process, the partial nitration/anammox process has significant advantages: eliminates the need for an organic carbon source, reduces energy costs for aeration, and reduces the amount of sludge produced. The process has great potential for treatment of streams with ammonium content, but low concentrations of readily biodegradable organic matter as found in effluents from anaerobic processes. This work assessed the nitrogen removal efficiency of anaerobic effluents in a membrane-aerated biofilm reactor (MABR) using AQUASIM. A multispecies model with ammonium-oxidizing bacteria (AOB), nitrite-oxidizing bacteria (NOB), anammox bacteria (AnAOB) and heterotrophic bacteria (HB) was implemented. More specifically, it has been simulated the application of MABR for post-treatment of two anaerobic processes: 1) UASB reactors; and 2) supernatant from anaerobic sludge digesters. In Application 1, the simulations indicated that the optimal air flow rate was about 2 to 3 times smaller than the liquid flow rate applied to the MABR. The results indicated total nitrogen (TN) removal rates ranging from 50% to 75%, for hydraulic retention times (HRT) of 3h and 6h and nitrogen loading rates of 0.53 g N/m2/day and 1.07 g N/m2/day, respectively. Anammox bacteria were not detected in the biofilm, probably due to the high COD/N ratio of the influent (4.6). In Application 2, the simulations indicated that the optimal air flow rate was about 5 times greater than the applied liquid flow rate. The results showed TN removal rates ranging from 81% to 90%, for HRT of 1.25 and 2.5 days and nitrogen loading rates of 1.33 g N/m2/day and 2.67 g N/m2/day, respectively. Anammox bacteria was detected in the biofilm in this application, possibly due to the considerably lower COD/N ratio (1.5) of the influent. This work will serve as a basis for future experimental and full-scale studies, indicating ranges of air flow rate, HRT and nitrogen loading rate that maximize TN removal