Experimental Study in Continuous Flow For Dairy Wastewater with AS, IFAS and MBBR Systems: Treatment and Microbiology

Abstract

O Reator de Biofilme com Leito Móvel, mais conhecido como MBBR (Moving Bed Biofim Reactor em inglês) e o Reator Integrado de Lamas Ativadas com Biofilme em Leito Móvel, ou IFAS (Integraded Fixed-Film Activated Sludge em inglês) são sistemas biológicos avançados para o tratamento de águas residuais. As vantagens associadas às suas aplicações contribuíram para que muitos cientistas realizassem estudos sobre esses sistemas, uma vez que proporcionam uma operação mais fácil, com elevadas eficiências de remoção de carga orgânica para além de produzirem menos quantidade de lama, sendo uma vantagem a nível económico muito grande pois o despejo das lamas corresponde à maioria dos custos de operação, quando comparados com o sistema de Lamas Ativadas. O IFAS consegue ser facilmente implementado numa estação de tratamento de água que já utilize o sistema LA, sem que sejam necessários custos associados à ampliação do sistema. O MBBR tem como grande vantagem o facto de não necessitar de um sistema de recirculação de lamas.O presente trabalho teve como objetivo a comparação de três reatores, LA, IFAS e o MBBR em termos de eficiência de tratamento, caracterização da biomassa e identificação microbiológica. O sistema experimental consistiu em três reatores independentes que operaram em modo continuo ao longo da experiência. O efluente utilizado foi composto por uma diluição de leite com água, de modo a assemelhar-se o mais possível com um efluente proveniente de uma indústria de lacticínios real. A experiência foi dividida em dois períodos, A e B. Em ambos os períodos foram utilizados as mesmas frações de enchimento, 44.5% no reator MBBR e no reator IFAS. O período A, durou 37 dias e utilizou-se uma diluição de 1:200, já o período B teve uma duração de 25 dias e a diluição passou a ser de 1:100. Com a variação da quantidade de carga orgânica a entrar em cada um dos reatores, foi possível obter os desempenhos e relacionar cada um, face ao aumento da carga orgânica, bem como a variação do consórcio de microrganismos. O IFAS mostrou melhor desempenho, nos parâmetros analisados, em ambos os períodos face ao MBBR e ao LA. As eficiências de remoção de Carência Química de Oxigénio (CQO) no período A foram de 63%, 73% e 71% para LA, IFAS e MBBR respetivamente. O período B obteve melhores eficiências de remoção para os parâmetros analisados, com a exceção do MBBR, que no segundo dia, após o início experiência, sofreu um washout que levou à saída das lamas de dentro do reator para o tanque do efluente tratado, e subsequentemente o biofilme sofreu o fenómeno de dettachement, que fez com que grande parte do biofilme fosse perdido. O aumento da carga orgânica e problemas associados aos difusores de ar podem justificar o problema. As eficiências de remoção do CQO foram 82%, 84% e 79% para o LA, IFAS e MBBR, respetivamente. Durante o período B, o IFAS produziu menos 36.5% de lamas que o LA, enquanto que o MBBR produziu menos 85.5%. Para a caracterização microbiológica, foi utilizada como amostra, a biomassa suspensa. Conclui-se, que durante os períodos analisados não houve indícios de zoogleal bulking ou de filamentous bulking, mas, no entanto, surgiram indícios de pinpoint no reator MBBR, que foram justificados através da caracterização da biomassa e da própria observação microbiológica, uma vez que tanto a quantidade de microrganismos e de biomassa presentes no licor misto diminuíram drasticamente. Os mesoflocos predominaram nos três reatores em ambos os períodos, sendo esses associados a boas condições de sedimentação. As análises dos parâmetros morfológicos da biomassa, em ambos os períodos, permitiu concluir que os flocos de menores dimensões têm uma estrutura menos alongada, são mais densos e têm fronteiras mais suaves, enquanto que os flocos de maiores dimensões têm uma forma mais alongada, são menos densos e as suas fronteiras são mais ásperas. Conclui-se também que os ciliados foram o grupo de protozoários dominante, durante o decorrer da experiência, principalmente no IFAS. Por outro lado, foi possível observar que o reator LA tinha maior concentração de metazoários quando comparado com o MBBR e o IFAS. O MBBR foi o sistema com menor concentração de microrganismos, tendo sido observado ciliados e alguns metazoários de menores dimensões, foi detetado no final do período A, a espécie tardígrados, que está associada a idades de lamas avançadas. As espécies mais comuns de ciliados foram Colpidium sp, Zoothamnium sp, Vorticella micróstoma sp, Aspidisca cicada e Vorticella convallaria sp, e o principal grupo de metazoários foram os rotíferos em que foi possível principalmente as espécies Digononta e Monogononta.

The Moving Bed Biofilm Reactor, MBBR, and the Integrated Fixed-Film Activated Sludge, IFAS, are advanced biological systems for wastewater treatment. The advantages associated with their applications, contributed to many scientists to carry out many investigations on these systems, as they provide an easier operation, with high organic load removal efficiencies in addition to producing less amount of sludge, being a great economical advantage as the sludge disposal corresponds to the majority of the operations costs, when compared with the Activated Sludge, AS. IFAS system can be easily implemented in water treatment plant, that already uses the AS system, without the need of expansion of the system. The greatest advantages of the MBBR system is that it does not need a sludge recycling system.This study aimed to compare three systems, AS, IFAS and MBBR in terms of treatment efficiency, biomass characterization and microbial identification. The experimental system consisted in three independent reactor that operated in a continuous mode throughout the experiment. The effluent used was composed by a dilution of milk with water, in order to resemble a real dairy effluent. The experiment was divided in two periods, A and B. In both periods the same filling fraction were used, 44.5% for MBBR and IFAS reactors. Period A, lasted 37 days and a dilution of 1:200 was used, whereas period B lasted 25 days and the dilution was 1:100. With the variation in the amount of organic load entering each reactor, it was possible to obtain the performances and relate each one, compared to the organic load increase as well as the variation in the microbial consortium.IFAS showed better performance, in the analysed parameters for both periods compared to MBBR and AS. Chemical Oxygen Demand (COD) removal efficiencies in period A were 63%, 73% e 71% for LA, IFAS and MBBR, respectively. Period B obtained higher efficiencies for the analysed parameters, with the exception of MBBR, which suffered a washout in the second day after the begging of the experiment, that led the sludge out of the reactor, to the treated effluent, and subsequently the loss of biofilm provoked by the detachment phenomena. The increase in the organic load and air diffusers problems may justify the problem. The CQO removal efficiencies were 82%, 84% e 79% for AS, IFAS and MBBR, respectively. During period B, IFAS produced less 36.5 % of sludge than AS, whereas MBBR produced less 85.5%.For biomass characterization, the suspended biomass was used as a sample. It is concluded during the analysed periods, there was no evidence of zoogleal bulking or filamentous bulking, but, nevertheless, there was signs of pinpoint in MBBR reactor, which were justified through the biomass characterization and microbiological observation itself, since the quantity of microorganism and biomass presents in the mixed liquor decreased dramatically. The mesoflocs predominated in the three reactors for both periods, this type of flocs is associated with good settling conditions. The analysis of the morphological parameters, in both periods, allowed to conclude that smaller flocs have a less elongated structure, are denser and have smoother edges, while larger flocs have a more elongated shape, are less dense and have rougher edges. It is also concluded that ciliates were the dominant protozoa group, during the experiment, mainly at IFAS. On the other hand, it eas possible to observe that the AS reactor had a higher concentration of metazoan compared to MBBR and IFAS. MBBR was the system with the lowest microorganism concentration, the ciliates and smaller metazoa was observed, the tardigrade specie was detected at the end of period A which is associated with an advanced sludge age. The most common species of ciliate were, Colpidium sp, Zoothamnium sp, Vorticella micróstoma sp, Aspidisca cicada and Vorticella convallaria sp, and the main group of metazoa were the rotifers in which it was possible to visualize mainly the Digononta sp and Monogononta sp.