Tratamiento de agua residual urbana con salinidad variable en biorreactores de membrana sumergida con y sin lecho en suspensión

Resumo

This Ph.D. thesis is based on the operation of a membrane bioreactor and hybrid moving bed biofilm reactor-membrane bioreactor for the treatment of constant- and variable-salinity urban wastewater, which results have been published in several papers. The bioreactors were operated under 6, 9.5 and 12 h of hydraulic retention time, and 2500 and 3500 mg L-1 total solids. The bioreactors were operated under constant salinity conditions of 6.5 mS cm-1 electric conductivity and under salinity cycles consisting on: 6 hours of salinity-amended urban wastewater - 4.5, 6.5 and 8.5 mS cm-1 electric conductivity -, followed by 6 hours of regular-salinity urban wastewater - around 1 mS cm-1. The analyses conducted to investigate the bioreactors could be classified in four different categories: physicochemical performance, microbial kinetics, microbial ecology, and biofouling communities and biomineralization studies. The start-up of the bioreactors under saline influents was successful but resulted in the lack of substantial biofilm attached to carriers (<50 mg L-1) in the hybrid moving bed biofilm reactor-membrane bioreactor systems under both constant- and variable salinity-conditions. This fact showed that hybrid moving bed biofilm reactor-membrane bioreactor systems started-up treating saline wastewater under the conditions tested did not show any improvements over the membrane bioreactor system. In relation to this finding, the performances in terms of organic matter and nitrogen removal were similar for the membrane bioreactor and hybrid moving bed biofilm reactor-membrane bioreactors, as occurred with the heterotrophic and autotrophic kinetics and microbial community structures. High influent maximum salinity drastically decreased the total nitrogen removal while the organic matter removal was overall similar for all salinity conditions. In this way, mean removal of BOD5 and COD was of 97-99% and 71-99%, respectively, for variable salinity at 4.5 and 6.5 mS cm-1. However, slightly lower mean removal performances were found for 8.5 mS cm-1 (83-98% and 74-99). Removal of nitrogen was sensitive for maximum influent salinity, showing values of 27-85%, 15-50% and 24-38% for 4.5, 6.5 and 8.5 mS cm-1. Decrease in nitrogen removal with increasing maximum salinity was found to be related to deficiency in ammonium oxidation caused by salinity increase. Autotrophic and heterotrophic kinetics slowed with increasing hydraulic retention time and solids concentration. This was shown by the trends of the rate of substrate utilization for autotrophic and heterotrophic substrates. Even though the rate of substrate utilization for the heterotrophic biomass showed similar values for the three technological configurations used, the membrane bioreactor had faster kinetics under 2500 mg L-1 total solids and the hybrid moving bed biofilm reactor-membrane bioreactor without carriers in the anoxic zone had faster kinetics at 3500 mg L-1 total solids. However, the values of the rates of substrate utilization were higher for the 6.5 mS cm-1 scenario than for the 4.5 and 8.5 mS cm-1 scenario. For the autotrophic biomass, the membrane bioreactor had the slowest kinetics and both hybrid moving bed biofilm reactor-membrena bioreactor systems were very similar. The microbial communities in the bioreactors studied showed to be influenced primarily by the maximum influent salinity and loading (constant vs variable), then by the total solids, hydraulic retention time and in the last place by technological configuration. The microbial communities found were unique for each set of operational conditions tested, but Rhodanobacter, Nitrobacter, Ottowia, Mizugakiibacter and Gemmatimonadaceae members were represented in all salinity scenarios and operational conditions in all bioreactors. In this sense, these phylotypes may develop important ecological roles for the treatment of saline wastewater in membrane-based technologies. Finally, the different maximum influent salinities severely selected for biofouling communities and for strains with capacity to mediate the precipitation of calcium and magnesium crystals. Bacillus genus was the only phylotype with biomineralization capacity found in at all conditions. Esta tesis doctoral se centra en el estudio del funcionamiento de sistemas de biorreactores de membrana y de biorreactor de lecho fluidificado-biorreactor de membrana híbridos para el tratamiento de agua residual urbana con salinidad constante y variable, cuyos resultados se han publicados en varios artículos científicos. Las condiciones de operación de los biorreactores fueron establecidas en 6, 9.5 y 12 h de tiempo de retención hidráulico y 2500 y 3500 mg L-1 de sólidos totales. Los biorreactores se operaron bajo influentes de salinidad constante a 6.5 mS cm-1 de conductividad eléctrica y bajo ciclos de salinidad de: 6 h de agua residual urbana con salinidad modificada - a 4.5, 6.5 y 8.5 mS cm-1 de conductividad eléctrica - seguidas de 6 h de agua residual urbana con salinidad convencional - alrededor de 1 mS cm-1. Los análisis realizados para determinar el comportamiento de los biorreactores se dividieron en: rendimiento físicoquímico, cinética microbiana, ecología microbiana, y y comunidades en el biofouling junto con estudios de biomineralización. La puesta en marcha de los biorreactores bajo influentes salinos fue satisfactorio, pero resultó en la escasa formación de biopelícula adherida a los carriers (< 50 mg L-1) en los reactores de lecho fluidificado-biorreactor de membrana híbridos bajo condiciones de salinidad constante y variable. Este hecho demostró que los sistemas de lecho fluidificado-biorreactor de membrana híbridos puestos en marcha bajo influentes salinos en las condiciones operacionales analizadas no presentaron ventajas con respecto a los sistemas de biorreactores de membrana. En relación a este hallazgo, el rendimiento de los biorreactores de membrana y de lecho fluidificado-biorreactor de membrana híbridos fue similar en términos de eliminación de materia orgánica y de nitrógeno total, tal y como ocurrió también con las cinéticas de comunidades heterotrófica y autotróficas y la estructura de comunidades microbianas. La salinidad máxima en el influente hizo caer el rendimiento de eliminación de nitrógeno mientras que la eliminación de materia orgánica fue similar para todas las condiciones de salinidad. De este modo, la eliminación promedio de BOD5 y de COD fue de 97-99% y 71-99%, respectivamente, para las salinidades variables de 4.5 y 6.5 mS cm-1. Sin embargo, valores ligeramente menores fueron registrados para el escenario de salinidad de 8.5 mS cm-1 (83-98% y 71-99%). La eliminación de nitrógeno se vio afectada por la salinidad máxima en el influente, mostrando valores del 27-85%, 15-50% y 24-38% para 4.5, 6.5 y 8.5 mS cm-1. El descenso de la eliminación de nitrógeno con el incremento de la salinidad máxima fue relacionado con una deficiencia en la oxidación de amonio causada por el incremento de salinidad. La cinética de autotrofos y heterótrofos se hizo más lenta con el incremento del tiempo de retención hidráulico y de la concentración de sólidos. Esto fue mostrado por la tendencia de la tasa de utilización de sustratos autotróficos y heterotróficos. Aunque la tasa de utilización de sustrato por la biomasa heterotrófica mostró valores similares para las tres configuraciones tecnológicas usadas, el biorreactor de membrana mostró valores más altos para concentraciones de sólidos totales de 2500 mg L-1 y el biorreactor de lecho fluidificado-biorreactor de membrana híbrido sin carriers en la zona anóxica para sólidos totales de 3500 mg L-1. Sin embargo, los valores de tasa de utilización de sustrato autotrófico fueron mayores para el escenario de 6.5 mS cm-1 que para los escenarios de 4.5 y 8.5 mS cm-1. El biorreactor de membrana mostró la cinética autotrófica más lenta mientras que los biorreactores de lecho fluidificado-biorreactor de membrana híbridos tenían valores muy similares. Las comunidades microbianas en los biorreactores estudiados se vio influenciada principalmente por la salinidad máxima del influente y su tipo de carga (constante o variable), seguidamente por los sólidos totales, el tiempo de retención hidráulico y en último lugar por la configuración tecnológica. Las comunidades microbianas encontradas fueron características para cada combinación de condiciones operacionales analizadas, si bien Rhodanobacter, Nitrobacter, Ottowia, Mizugakiibacter y miembros de la familia Gemmatimonadaceae fueron hallados en todos los escenarios de salinidad y condiciones de operación. Por lo tanto, estos filotipos podrían desarrollar importantes roles ecológicos para el tratamiento de agua residual salina en tecnologías de membrana. Por último, las diferentes salinidades máximas en el influente determinaron las comunidades en el biofouling y las cepas con capacidad para mediar la precipitación de cristales de calcio y magnesio. El género Bacillus fue el único filotipo con capacidad de biomineralización encontrado en todas las condiciones analizadas.