Activated Sludge and Moving Bed Biofilm Reactor technologies: an experimental comparison for dairy wastewater treatment

Abstract

O processo designado por Reator de Biofilme com Leito Móvel (MBBR - "Moving Bed Biofilm Reactor) é uma tecnologia emergente que tem dado frutos, nomeadamente, ao nível da facilidade de operação e altas taxas de remoção de carga orgânica. Por outro lado, os efluentes de uma indústria de laticínios caracterizam-se pelo seu grande volume e, mais precisamente, pelo seu elevado teor orgânico que, quando submetidos a tratamento inadequado, geram impactes ambientais pronunciados no meio onde são descarregados.O presente trabalho teve como finalidade a comparação de dois tipos de tratamento biológico. De um lado, o tratamento por Lamas Ativadas, que consiste no método mais difundido e empregado na maioria dos casos onde o tratamento biológico é eficaz, desde ETAR municipais a ETAR de águas indústriais. Do outro lado, a tecnologia MBBR, desenvolvida na Noruega nos anos 90, tem mostrado um elevadíssimo potencial ao combinar o melhor dos processos de biomassa suspensa e fixa, sem reter o pior de ambos. Foi montado um sistema experimental constituído por três reatores de escala laboratorial: um reator de lamas ativadas (AS), um reator MBBR, ambos a operar em modo contínuo, e um reator MBBR a operar em modo sequencial (MB-SBR). O efluente utilizado é constituído através de uma diluição de leite e água, regulando-se a diluição conforme o teor orgânico que se queira obter, sendo que a diluição de 1/200 corresponde a uma carência química de oxigénio de 600 mg/L, carbono total de 256 mg/L e azoto total de 52 mg/L. A carga orgânica duplicou-se duas vezes de 1/200 para 2/200 e para 4/200 constituindo os períodos A,B e C, respectivamente. As experiências incidiram essencialmente em avaliar a capacidade dos processos para a remoção de matéria orgânica e azoto, ao mesmo tempo que se avalia a produção de lamas.Os resultados obtidos conferiram uma elevada capacidade de redução de carga orgânica aos três reatores, com especial proeminência para o reator MB-SBR, no entanto foi o que mais sentiu o aumento da carga orgânica. Os reatores contínuos tiveram eficiências bastante semelhantes, sendo 89.6 % e 92.1 %, para o reator AS e MBBR, respetivamente e em termos da carência química de oxigénio. Referindo-se ao carbono total, tem-se 90.6 %, 92.1 %, e 95.6 %, para o AS, MBBR, e MB-SBR, respetivamente. De salientar que o reator MBBR produziu cerca de 50 % menos lamas que o reator AS e menos 23 % que o seu congénere a operar em modo sequencial (MB-SBR). Em termos da remoção de azoto, a existência de períodos anóxicos e aeróbios no reator MB-SBR determinaram maiores eficiências relativamente aos reatores contínuos.

The Moving Bed Biofilm Reactor (MBBR) is an emerging technology that has been proving quite effective in the removal of high organic strength wastewaters as well as for having diminished operational technicalities. On the other hand, dairy industry effluents are an environmental burden due to their high organic load and large volume of discharge, that, pose a threat to the environment when discarded with inadequated or incomplete treatment.The present work aims to compare two types of biological treatment. On one side, the Activated Sludge process, which is the most common biological treatment, employed in several applications, from municipal to industrial wastewater treatment plants. On the other side, the MBBR, developed in Norway due to external pressures to develop a good technology for Nitrogen removal, results from the fusion between suspended-growth and attached growth (biofilm) processes, retaining the best of both.An experimental arrangement was set, comprised of three single staged, laboraty scale reactors: one Activated Sludge reactor (AS) and one Moving Bed Biofilm Reactor (MBBR), both operating in continuous flow mode, and one Moving Bed Biofilm Reactor operated in sequencial batch mode (MB-SBR). The reactors were feeded with synthethical wastewater, simulating a dairy industry effluent, by diluting market low fat milk in water. The organic load was regulated by adjusting the milk ratio in the dilution, being 1 part of milk to 200 of water the lowest dilution tested, corresponding to a chemical oxygen demand of roughly 600 mg/L, Total Carbon of 256 mg/L, and Total Nitrogen of 52 mg/L. The dilutions tested were 1/200, 2/200, and 4/200, which resulted in period A,B, and C, respectively.The conducted experiments tested the removal capabilities in respect to carbonaceous and nitrogenous matter as well as the quantification of the biomass produced and the excess sludge wasted.The experimental results obtained conferred very high removal capabilities to all reactors, with special regard to the batch reactor (MB-SBR). However, it was the most sensible to the increase in the organic load. The continuous reactor had a very similar behaviour in respect to carbonaceous matter removal, in which 89.6 % and 92.1 % was the Chemical Oxygen Demand removal, for the AS and the MBBR, respectively. Regarding Total carbon, the global removal efficiencies obtained were 90.6 %, 92.17 %, and 95.6 %, for the AS, MBBR, and the MB-SBR, respectively. Concerning the quantification of excess sludge, the MBBR came with an impressive advantage, producing roughly 50 % of the amount produced in the AS reactor, and 23 % of the amount produced in the MB-SBR. Total Nitrogen results revealed an advantage to the reactor operating in batch mode due to the existence of both anoxic and aerobic periods in the MB-SBR cycle of operation.