Recuperação da atividade anammox no RBS-Lab

Após os primeiros experimentos de aeração observou-se um decréscimo considerável nas eficiências de remoção de nitrogênio em relação às fases anteriores (Fase 1 de enriquecimento de bactérias anammox e Fase 2, quando o reator foi alimentado com digestato de resíduos alimentares e suplementado com nitrito, em condições anaeróbias). A aeração parece ter causado instabilidade na performance do reator, uma vez que favoreceu outros processos mediados por micro-organismos com metabolismo aeróbio, como a nitrificação.

Com intuito de recuperar a atividade anammox no reator, após a estratégia E6, o reator passou a ser operado novamente em condições anaeróbias. A partir dos 628 dias de operação até o dia 663, o RBS foi alimentado com o digestato de resíduo alimentar e suplementado com nitrito, em condições anaeróbias, assim como na Fase 2 de operação. Esse período foi denominado R1. Nos primeiros dias de R1 (628 até aproximadamente 640 dias) o digestato anaeróbio a ser tratado no reator foi diluído quatro vezes resultando em uma concentração de N-NH4⁺ afluente próxima de 200 mg.L-1. Nitrito foi adicionado ao reator com concentração menor, próxima de 150 mg.L^-1, resultando em uma relação N-NO2^-/ N-NH4⁺ afluente próxima de 0,76. Baixas concentrações de nitrito foram adicionadas com intuito de evitar possível inibição de bactérias anammox, que são sensíveis a elevadas concentrações desse composto, especialmente quando não estão ativas no meio, de acordo com o observado por Carvajal-Arroyo et al. (2014a). A adição de baixas cargas de nitrito é uma das estratégias recomendadas para a recuperação de reatores anammox após condições adversas (YE et al., 2018). Observou-se durante os primeiros dias de operação de R1 que nem a amônia, tão pouco o nitrito afluentes estavam sendo consumidos completamente e por esse motivo, o digestato passou a ser diluído 8 vezes a partir dos 640 dias de operação, resultando em concentrações afluentes próximas a 100 mg.L^-1 de N-NH4⁺. Consequentemente, as concentrações de nitrito aplicadas foram reduzidas, permanecendo próximas a 75 mg.L^-1 de N-NO2^-. Mesmo com a redução das concentrações afluentes de amônia, o RBS teve dificuldades em remover os compostos nitrogenados gerando efluentes com concentrações elevas de N-NH4⁺ e N-NO2^- (Figura 6.21). Durante R1, as concentrações afluentes de N-NH4⁺ e N-NO2^- tiveram medianas iguais a 99,4 mg.L^-1 e 77,7 mg.L-1 sendo que as eficiências de remoção desses compostos foram, respectivamente, iguais a 46% e 77%, como pode ser observado na Tabela A8 dos Apêndice A.

Dessa maneira, uma tentativa de recuperar mais rapidamente a atividade de bactérias anammox no RBS foi realizada durante o período denominado R2 (de 664 até 719 dias de operação). Durante esse período, o reator foi alimentado com meio de cultura mineral e autotrófico e em condições anaeróbias, assim como na Fase 1, de enriquecimento e cultivo de bactérias anammox. Uma vez submetido à essas condições, o reator recuperou sua performance e estabilidade na remoção dos compostos nitrogenados, alcançando remoção de praticamente todo o nitrogênio amoniacal afluente, que teve mediana igual a 94,3 mg.L^-1. Elevada eficiência de remoção de nitrogênio amoniacal, com mediana igual a 100% foi alcançada (Figura 6.21; Tabela A7). Durante este período, experimento de atividade anammox específica (AAE) foi realizado, e as taxas de consumo de N-NH4⁺, N-NO2^- e produção de N-NO3^- foram iguais a, respectivamente, 2,51, 3,28 e 0,99 mg.L-1N.gSTV-1.d-1, indicando que a atividade desses

micro-organismos foi realmente recuperada no reator durante o período R2. Os resultados do experimento de AAE são apresentados no Apêndice B (Figura A1; Tabela A11).

Após a recuperação da atividade anammox no RBS-Lab, o reator foi novamente alimentado com digestato de resíduo alimentar e suplementado com nitrito, em condições anaeróbias, durante o período denominado R3 (de 720 até 788 dias). Durante esse período, o digestato de resíduo alimentar voltou a ser diluído quatro vezes, resultando em concentrações bastante elevadas de N-NH4⁺ afluentes, próximas a 250 mg.L^-1. O reator novamente alcançou elevadas eficiências de remoção de nitrogênio amoniacal, com mediana igual a 85%. O N-NO2^-, que teve concentração afluente variando entre 150,3 e 204,9 mg.L^-1, foi completamente removido, com eficiência de remoção mediana igual a 100% durante este período (Figura 6.21; Tabela A7).

Figura 6.21 - Dinâmica dos compostos nitrogenados (a) e eficiências de remoção de

N-NH4+ (b) durante o período de recuperação (R1, R2 e R3) da Fase 3 de operação do RBS-Lab

Os coeficientes estequiométricos para o consumo de N-NO2^-/ consumo de N-NH4⁺ variaram bastante, especialmente durante R1, com valores entre 0,61 e 1,81. Para a produção de N-NO3

-/ consumo de N-NH4⁺ os valores permaneceram entre 0,21 e 1,63. Valores próximos aos da estequiometria para reação anammox foram encontrados durante R2, com medianas iguais a 1,40 para o consumo de N-NO2^-/ consumo de N-NH4⁺ e iguais a 0,29 para a produção de N-NO3^-/ consumo de N-NH4⁺. Durante R3, de maneira geral os valores para esses dois coeficientes estequiométricos foram menores em relação aos da literatura para o processo anammox. A mediana para o consumo de N-NO2^-/ consumo de N-NH4⁺ foi igual 1,00 e para a produção de N-NO3^-/ consumo de N-NH4⁺ igual a 0,05 (Figura 6.22; Tabelas A8 e A10). Durante R3 o processo anammox pode ter ocorrido acoplado à redução do nitrato a nitrito por bactérias

desnitrificantes. Segundo Waki et al. (2013) na presença de doadores de elétrons, como matéria orgânica, por exemplo, bactérias desnitrificantes reduzem o nitrato a nitrito, e bactérias anammox são capazes de competir pelo nitrito proveniente da redução do nitrato e utilizá-lo para a oxidação do ion amônio. Isso pode acontecer, especialmente quando o afluente possui baixa relação C/N, caso contrário, bactérias desnitrificantes acabam por vencer a competição pelo nitrito em detrimento de bactérias anammox. Esse processo é também chamado de desnitrificação parcial/ anammox (MA et al., 2016). Vale ressaltar, que durante R3 a relação DQO/N afluente ao reator foi baixa, em torno de 1,0. Dessa forma, esta poderia ser uma explicação para o maior consumo de amônia em relação ao nitrito, entretanto, trata-se de uma hipótese, que necessitaria de maiores investigações para ser confirmada. Outra explicação se encontra apoiada no fato de que após o período de recuperação, o gênero predominante de bactéria anammox no RBS-Lab passou a ser Ca. Jettenia, que é capaz de realizar a redução desassimilatória do nitrato à amônia (RDNA) utilizando compostos orgânicos como doadores de elétrons (ALI et al., 2015; HUANG et al., 2014; LIANG et al., 2015; YANG et al., 2018). Por meio deste metabolismo, Ca. Jettenia poderia retirar nitrato do meio e produzir amônia, consumindo matéria orgânica. Isso explicaria os menores coeficientes obtidos em R3.

Figura 6.22 - Coeficientes estequiométricos para o consumo de N-NO2^-/ consumo de

N-NH4⁺ e para a produção de N-NO3^-/ consumo de N-NH4⁺ durante o período de recuperação (R1, R2 e R3) da Fase 3 de operação do RBS-Lab

Em termos de nitrogênio total boas eficiências de remoção foram alcançadas durante R2 e R3, com medianas iguais a 87% e 85%, respectivamente (Figura 6.23). As cargas de nitrogênio removidas nestas fases, atingiram 71,9 g.m-3.d-1 durante R2 e 107,6 g.m-3.d-1 durante R3 (Figura

6.24). Isso resultou em baixas concentrações de nitrogênio total no efluente iguais a 32,9 mg.L

-1 durante R2 e 58,4 mg.L^-1 em R3.

Figura 6.23 - Concentrações afluentes, efluentes (a) e eficiências de remoção (b) de

nitrogênio total durante o período de recuperação (R1, R2 e R3) da Fase 3 de operação do RBS-Lab.

Figura 6.24 - Cargas de nitrogênio aplicadas e removidas durante o período de recuperação

(R1, R2 e R3) da Fase 3 de operação do RBS-Lab

Observou-se que houve perda de sólidos totais voláteis no RBS-Lab após o início do período de recuperação. Ao final de R1, a concentração de STV foi igual a 3,16 g.L^-1, menor do que o obtido durante a estratégia de aeração E6 avaliada anteriormente, igual a 3,83 mg.L^-1. Após o período R2, em que foi adicionado meio de cultura mineral e autotrófico, a concentração de biomassa diminuiu ainda mais atingindo 2,57 g.L^-1. Provavelmente isso ocorreu devido à

seleção de micro-organismos anaeróbios e autotróficos no interior do reator, assim como foi observado ao final da Fase 1 de operação, como discutido anteriormente. Assim como observado também após a Fase 2, durante o período de recuperação R3, em que o reator foi novamente alimentado com digestato mais nitrito, houve um aumento da concentração de STV, atingindo valor igual a 3,61 g.L^-1 (Figura A2, Apêndice C). Durante os períodos de recuperação as relações A/M aumentaram gradualmente, sendo iguais a 0,01, 0,02 e 0,03 g N.g STV-1.d-1, durante R1, R2 e R3, respectivamente (Tabela A12, Apêndice C).

A DQO afluente variou durante R1, de 214,2 a 485,3 mg.L^-1, mas em especial em R3 apresentou grande variabilidade (233,5 a 694,3 mg.L^-1). As eficiências de remoção foram baixas com medianas iguais a 22% em R1 e 42% em R2 (Figura 6.24). A alcalinidade não foi monitorada em R1. Em R3, não foi observado consumo de alcalinidade, sendo que as concentrações medianas efluentes obtidas (601,0 mg.L^-1 de CaCO3) foram maiores do que as afluentes (550,1 mg.L^-1 de CaCO3), provavelmente devido à ocorrência de desnitrificação heterotrófica, da mesma maneira como foi observado durante a Fase 2 de operação do RBS (Tabela 6.4).

Figura 6.25 - Concentrações afluentes, efluentes (a) e eficiências de remoção de DQO (b)

durante o período de recuperação (R1, R2 e R3) da Fase 3 de operação do RBS-Lab

Tabela 6.4 - Concentrações médias e medianas afluentes e efluentes de alcalinidade

durante o período de recuperação R3 da Fase 3 de operação do RBS-Lab

Alcalinidade afluente (mg CaCO3.L-1) Alcalinidade efluente (mg CaCO3.L-1) Média (DP) 622,6 (390,1) 620,2 (242,7) Mediana 550,1 601,0 a b

Bactérias anammox têm se mostrado micro-organismos bastantes resilientes quando submetidos a condições adversas. Alguns autores têm estudado de que maneira estes micro-organismos são capazes de sobreviver e se recuperar após condições de estresse, por exemplo na ausência ou em condições de limitação de substratos, como amônia e/ou nitrito. Segundo ZHANG et al. (2015) em condições adversas, bactérias anammox passam por processos endógenos de manutenção celular que inicialmente incluem a utilização de polímeros intracelulares como o glicogênio e exopolímeros (EPS), e dessa forma mantêm sua integridade e atividade celular. Em um segundo momento, processos de decaimento se iniciam, que podem levar à redução da quantidade e/ou atividade das bactérias no meio. Durante o presente trabalho, após o início das estratégias de aeração e o desenvolvimento de grupos microbianos aeróbios, que competem com bactérias anammox por substratos, como o nitrito, a atividade dessas bactérias parece ter ficado comprometida. Entretanto, essa inibição mostrou-se reversível, e quando fornecidas novamente condições ótimas para seu crescimento (durante o período de recuperação) esses micro-organismos foram capazes de se desenvolver novamente, assim como a performance do reator na remoção de nitrogênio foi recuperada, conforme discutido anteriormente.

6.1.4 Otimização das condições de aeração visando obter maior controle do processo de