Population Changes of Eubacteria, Sulfate-Reducing Bacteria and Methanogenic Archaea in an Anaerobic Reactor Processing Ethanol Distillery Vinasse

Abstract The microbiological characterization by molecular techniques (DGGE and quantitative PCR) of Archaea, Bacteria domain and sulfate-reducing bacteria (SRB) from a laboratory scale Up-flow Anaerobic Sludge Blanket (UASB) processing sugar cane vinasse was performed during the operational phase with increasing organic loads. The organic load removal efficiency was between 97% and 75% for volumetric organic loads (VOL) in the range of 0.6 to 15.4 kgCOD.m-3.d−1 and for higher VOL (until 27.0 kgCOD.m-3 .d−1) the removal efficiency decreased to 48%. Archaea represented the majority of the estimated population (107 copies of 16S RNA ribosomal gene. mL-1) followed by bacteria (106 copies of 16S RNA ribosomal gene. mL-1) and sulfate-reducing bacteria (SRB) (105 copies of dsrB gene. mL-1). There was a significant difference between the populations of Archaea and SRB with increasing VOL. DGGE profiles show differences among populations with increasing VOL, especially with respect to sulfate-reducing bacteria. The presence of SRB together with a high sulfate removal percentage (97%) of about 15 kgCOD.m-3d-1h, indicates the establishment of a sulfidogenic process.

A presença de fármacos nos esgotos domésticos e sua remoção pelos processos de lodo ativado com oxigênio puro, lagoa aerada e reator anaeróbio de fluxo ascendente / Pharmaceuticals in domestic sewage and their removal by pure oxygen activated sludge, aerated basin and upflow anaerobic sludge blanket

Processos biológicos de tratamento de esgotos são largamente utilizados mundialmente e, apesar de serem eficientes na remoção de matéria orgânica, têm capacidades limitadas na remoção de poluentes orgânios emergentes, principalmente fármacos. Este trabalho avaliou a eficiência dos processos de tratamento de esgotos por lodos ativados com oxigênio puro, lagoas aeradas e reator anaeróbio de fluxo ascendente (RAFA) na remoção de seis fármacos selecionados - paracetamol, ibuprofeno, atenolol, sinvastatina, carbamazepina e clonazepam, com altos índices de utilização pela população. Para isto, foram analisadas amostras de esgoto bruto e de esgoto tratado oriundas de três estações de tratamento de esgotos em operação no Estado de São Paulo, sendo realizadas quatro campanhas de coleta, durante dois anos, em períodos hidrológicos de seca e chuva. A técnica analítica utilizada foi a cromatografia líquida de alta eficiência acoplada à espectrometria de massas (LC-MS/MS), através de método estabelecido e validado para a execução desta pesquisa. Ibuprofeno, sinvastatina e clonazepam não foram identificados em nenhuma das amostras analisadas. Atenolol, paracetamol e carbamazepina foram detectados em todas as estações estudadas, observando-se remoção e liberação deles durante todos os processos de tratamento. A estação que adota o processo por lagoas aeradas mostrou maior eficiência na remoção de paracetamol e atenolol, sendo que um elevado tempo de detenção hidráulica empregado nela parece ter influenciado positivamente na eficácia de remoção destas subtâncias. A estação que utiliza lodos ativados com oxigênio puro apresentou remoções inferiores e maiores taxas de liberação dos fármacos paracetamol e carbamazepina. Já a estação que adota RAFA apresentou discreta superioridade na remoção de carbamazepina, e eficiências intermediárias para paracetamol e atenolol. A carbamazepina mostrou resistência à degradaçào pelos processos avaliados, porém a desinfecção do efluente final, por cloração, aparentemente elevou a remoção deste composto

Sewage biological treatment processes are the most used worldwide and, in general, they show organic matter removal high efficiency, however their pharmaceuticals removal capacity were quite limited. The aim of this study is verify the efficiency of sewage biological treatment processes per pure oxygen activated sludge, aerated basin and upflow anaerobic sludge blanket (UASB), in removal of six selected drugs acetaminophen, ibuprofen, atenolol, simvastatin, carbamazepine and clonazepam, most frequently used by population. For this purpose, it was analyzed raw sewage and treated sewage samples from three sewage treatment plants localized at Sao Paulo, Brazil, in four collection stages, during two years, at dry and wet periods. The analytical technique of choice was high performance liquid chromatography tandem mass spectrometry (LC-MS/MS), by developed and validated method for this study. Ibuprofen, simvastatin and clonazepam were not detected at any samples collected. Atenolol, acetaminophen and carbamazepine were identified at all plants investigated, with removal and production during all treatment processes here considered. Aerated basin plant was most efficient in acetaminophen and atenolol removal, and a high hydraulic detention time seem be better to remove these compounds. Pure oxygen activated sludge plant showed lower removal rates and higher production of acetaminophen and carbamazepine. Already the UASB plant revealed a little superiority in carbamazepine removal, and intermediary efficacy to acetaminophen and atenolol removal. Carbamazepine showed persistence in treatment processes evaluated, however final effluent disinfection, with chlorination, apparently raised this compound removal

Eficiência de lagoas de polimento no pós-tratamento de reator UASB no tratamento de águas residuárias de suinocultura / Efficiency of a polishing pond for the post-treatment of the effluent from UASB reactor treating swine wastewater

Avaliou-se o desempenho de um sistema de lagoas seriadas que recebeu efluentes de reator UASB, no tratamento de águas residuárias de suinocultura. O sistema foi composto de reator anaeróbio de chicanas (RAC), reator UASB, em escala real, e uma série de lagoas (uma lagoa facultativa e três de maturação), em escala piloto. As análises físico-químicas realizadas foram: pH, demanda bioquímica de oxigênio (DBO), demanda química de oxigênio (DQO), sólidos suspensos totais (SST), sólidos suspensos voláteis (SSV), nitrogênio amoniacal (N-am.), fósforo total (Pt), coliformes totais (CT) e Escherichia coli (EC). As lagoas de pós-tratamento contribuíram eficientemente para remoção de nutrientes, matéria orgânica e sólidos, fornecendo um efluente com qualidade para o reuso agrícola ou lançamento em corpos d'água...

The performance of a post-treatment pond for treating swine wastewater from an UASB reactor was evaluated. The system was assembled with an anaerobic baffle reactor (RAC), followed by an UASB reactor (UASB) on a real scale, and a post-treatment pond on a demonstration scale. The following parameters were analyzed: pH, biochemical oxygen demand (BOD), chemical oxygen demand (COD), total suspended solids (TSS), volatile suspended solids (VSS), ammonia nitrogen (N-am.), total phosphorus (Pt), total coliforms (CT) and Escherichia coli (E coli.). The post-treatment lagoons contributed efficiently to remove nutrients, organic matter and solids, providing an effluent quality for agricultural reuse or discharge into a body of water...

Avaliação de desempenho de lagoa de polimento para pós-tratamento de reator anaeróbio de manta de lodo (UASB) no tratamento de águas residuárias de suinocultura / Evaluation of the performance of a polishing pond for the post-treatment of the effluent from an upflow anaerobic sludge blanket (UASB) reactor treating swine wastewater

Avaliou-se o desempenho de uma lagoa de polimento, no tratamento de efluentes de águas residuárias de suinocultura de um reator anaeróbio de manta de lodo (UASB). O sistema foi composto de decantador, reator UASB, em escala real, e lagoa de polimento em escala experimental. As análises físico-químicas realizadas foram: temperatura, pH, demanda bioquímica de oxigênio (DBO), demanda química de oxigênio (DQO), sólidos suspensos totais (SST) e sólidos suspensos voláteis (SSV), nitrogênio total kjedhal (NTK), nitrogênio amoniacal (N-am.) e orgânico (N-org.), fósforo total (Pt), coliformes totais e termotolerantes. A lagoa de polimento apresentou alto desempenho, com remoção média de 58,9 por cento de DBO, 60,1 por cento de NTK, 57 por cento de N-am. e 95,34 por cento de coliformes termotolerantes.

The performance of a polishing pond for treating swine wastewater from an upflow anaerobic sludge blanket (UASB) reactor was evaluated. The system was assembled with a slat settler, followed by an UASB reactor, on a real scale, and a post-treatment pond, on a demonstration scale. The following parameters were analyzed: temperature, pH, biochemical oxygen demand (BOD), chemical oxygen demand (COD), total suspended solids (TSS), volatile suspended solids (VSS), total Kjedahl nitrogen (NTK), ammonia nitrogen (N-am.), organic nitrogen, total phosphorus, and total and thermotolerant coliforms. The polishing pond was highly efficient, removing an average of 58.9 percent of BOD, 60.1 percent of NTK, 57 percent of N-am., and 95.34 percent of thermotolerant coliforms.

Performance of an Anaerobic Baffled Reactor (ABR) in treatment of cassava wastewater / Desempenho de um Reator Anaeróbio Compartimentado (RAC) no tratamento da manipueira

The performance of an anaerobic baffled reactor (ABR) was evaluated in the treatment of cassava wastewater, a pollutant residue. An ABR divided in four equal volume compartments (total volume 4L) and operated at 35ºC was used in cassava wastewater treatment. Feed tank chemical oxygen demand (COD) was varied from 2000 to 7000 mg L-1 and it was evaluated the most appropriated hydraulic retention time (HRT) for the best performance on COD removal. The ABR was evaluated by analysis of COD (colorimetric method), pH, turbidity, total and volatile solids, alkalinity and acidity. Principal component analysis (PCA) was carried to better understand data obtained. The system showed buffering ability as acidity decreased along compartments while alkalinity and pH values were increased. There was particulate material retention and COD removal varied from 83 to 92% for HRT of 3.5 days.

O desempenho de um reator anaeróbio compartimentado (RAC) foi avaliado para o tratamento da manipueira, resíduo tóxico. Um RAC dividido em quatro compartimentos de mesmo volume (volume total 4L) e operado a 35ºC foi utilizado no tratamento da manipueira. A demanda química de oxigênio (DQO) do tanque de alimentação variou de 2000 a 7000 mg L-1 e avaliou-se o tempo de residência hidráulica (TRH) mais apropriado ao melhor desempenho do reator. O RAC foi avaliado pelas análises de DQO (método colorimétrico), pH, turbidez, sólidos totais e voláteis, alcalinidade e acidez. A Análise das Componentes Principais (PCA) foi conduzida para melhor compreensão dos dados obtidos. O sistema apresentou capacidade tamponante conforme a acidez decresceu ao longo dos compartimentos ao passo que a alcalinidade e o pH aumentaram. Houve retenção do material particulado e a remoção da DQO variou de 83 a 92% para TRH de 3,5 dias.

Assessment of the addition of Thiobacillus denitrificans and Thiomicrospira denitrificans to chemolithoautotrophic denitrifying bioreactors

The aim of the present study was to assess the impact of adding cultures of Thiobacillus denitrificans and Thiomicrospira denitrificans to two upflow anaerobic sludge bed (UASB) reactors: one inoculated with granular sludge and the other filled only with activated carbon (AC). The performances of the bioreactors and the changes in biomass were compared with a non-bioaugmented control UASB reactor inoculated with granular sludge. The reactors inoculated with granular sludge achieved efficiencies close to 90% in nitrate and thiosulfate removal for loading rates as high as 107 mmol-NO3 -/l per day and 68 mmol-S2O3 2-/l per day. Bioaugmentation with Tb. denitrificans and Tm. denitrificans did not enhance the efficiency compared to that achieved with non-bioaugmented granular sludge. The loading rates and efficiencies were 30-40% lower in the AC reactor. In all the reactors tested, Tb. denitrificans became the predominant species. The results strongly suggest that this bacterium was responsible for denitrification and sulfoxidation within the reactors. We additionally observed that granules partially lost their integrity during operation under chemolithoautotrophic conditions, suggesting limitations for long-term operation if bioaugmentation is applied in practice (AU)

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Avaliação da acurácia de diversos métodos para determinação de ácidos graxos voláteis e alcalinidade a bicarbonato para monitoramento de reatores anaeróbios / Evaluation of the accuracy of several methods for determination of volatile fatty acids and bicarbonate alkalinity for the monitoring of anaerobic reactors

Sistemas de tratamento anaeróbios são sensíveis às mudanças de condições ambientais que influenciam no metabolismo dos microrganismos responsáveis pela estabilidade do processo. Os objetivos deste trabalho foram (i) avaliar a acurácia de métodos que determinam os parâmetros de controle ácidos graxos voláteis (AGV) e alcalinidade a bicarbonato (AB) em amostras preparadas com concentrações de 50 a 1000 mg/L e, (ii) verificar diferentes procedimentos de remoção de CO2 formado durante titulação ácida das amostras. A partir do teste estatístico de Tukey aplicado aos resultados obtidos, observou-se que os métodos Kapp e DiLallo & Albertson com utilização de ultra-som para a remoção de CO2 do meio líquido apresentaram os melhores resultados para AGV. Os métodos da Condutividade, Kapp e Jenkins se destacaram na determinação de AB.

Anaerobic treatment systems are sensitive to the environmental condition changes. Such changes may have influence on the metabolism of the microorganisms responsible for the process stability. The aims of this work were (i) to evaluate the accuracy of methods to determine control parameters volatile fatty acids (VFA) and bicarbonate alkalinity (BA) in samples prepared with concentrations from 50 to 1000 mg/L and, (ii) to verify different procedures of the CO2 removal formed during the acid titration of the samples. From the Tukey statistical test applied to the obtained results it was observed that the Kapp and DiLallo & Albertson methods using sonic equipment to remove CO2 from the liquid presented better results for VFA. The Conductivity, Kapp and Jenkins methods were considered the most reliable for BA determination.

Comportamiento de una laguna de pulido en la región metropolitana de Curitiba, Brasil y estudio de utilización de lentejas de aguas para mejorar la calidad del efluente. Parte 1

Se evalua una laguna de pulido encargada del postratamiento del efluente cloacal proveniente de un reactor UASB, en la región metropolitana de Curitiba, Brsil. La laguna fue estudiada en operación a escala real y tambien, con sombreado parcial en la parte final de la misma, obtenida mediante lentejas de agua. El objetivo principal fue evaluar si el uso de lentejas de agua mejora la calidad del efluente, ya que los vegetales a través del sombreado, impediran el paso de la luz y con ello el crecimiento de las algas. La segunda parte del artículo continua en el No. 94

Comportamiento de una laguna de pulido en la región metropolitana de Curitiba, Brasil y estudio de utilización de lentejas de aguas para mejorar la calidad del efluente. Parte 1

Se evalua una laguna de pulido encargada del postratamiento del efluente cloacal proveniente de un reactor UASB, en la región metropolitana de Curitiba, Brsil. La laguna fue estudiada en operación a escala real y tambien, con sombreado parcial en la parte final de la misma, obtenida mediante lentejas de agua. El objetivo principal fue evaluar si el uso de lentejas de agua mejora la calidad del efluente, ya que los vegetales a través del sombreado, impediran el paso de la luz y con ello el crecimiento de las algas. La segunda parte del artículo continua en el No. 94

Remoção de etanol e benzeno em reator anaeróbio horizontal de leito fixo na presença de sulfato / Ethanol and benzene removal in a horizontal-flow anaerobic immobilized biomass reactor in the presence of sulfate

Reator anaeróbio horizontal de leito fixo (RAHLF), preenchido com espumas de poliuretano, foi usado para tratar benzeno em solução etanólica, sob condições sulfetogênicas. Benzeno foi adicionado em concentração inicial de 2,0 mg.l-1, seguido de aumentos que variaram até 10 mg.l-1. O etanol foi adicionado em concentrações de 170 mg.l-1 a 980 mg.l-1. Soluções de sulfato ferroso e sulfato de sódio foram usadas, nas concentrações de 91 e 550 mg.l-1, respectivamente. O reator foi operado a 30 (± 2) ºC com tempo de detenção hidráulica de 12 h. A remoção da matéria orgânica foi próxima a 90 por cento com taxa máxima de degradação de benzeno de 0,07 mg benzeno.mg-1SSV.d-1. O presente trabalho corrobora os dados obtidos por Cattony et al (2005), na medida em que torna mais consistente a proposta do uso de unidades compactas de RAHLF, para a biorremediação in situ de compostos aromáticos.

In this study it is reported the operation of a horizontal-flow anaerobic immobilized biomass (HAIB) reactor under sulfate-reducing condition which was also exposed to different amounts of ethanol and benzene. The HAIB reactor comprised of an immobilized biomass on polyurethane foam and ferrous and sodium sulfate solutions were used (91 and 550 mg.l-1, respectively), to promote a sulfate-reducing environment. Benzene was added at an initial concentration of 2.0 mg.l-1 followed by an increased to 9 e 10 mg.l-1, respectively. Ethanol was added at an initial concentration of 170 mg.l-1 followed by an increased range of 960 mg.l-1. The reactor was operated at 30 (± 2) ºC with hydraulic detention time of 12 h. Organic matter removal efficiency of 90 percent with a maximum benzene degradation rate of 0.07 mg benzene.mg-1VSS.d-1. Thus, this work corroborate the data obtained for Cattony et al (2005) and also demonstrate that compact units of HAIB reactors, under sulfate reducing conditions, are a potential alternative for in situ aromatic compounds bioremediation.

Remoción de nutrientes en sistemas de lodos activados pretratados en reactores UASB

Se evalúa la remoción biológica de nitrógeno presenta en el efluente de un reactor anaerobio tipo UASB, a través de un sistema de lodos activados, utilizando como fuente de energía el carbono orgánico de este efluente. Tambien se evalua la remoción fisico-química de fósforo presente en el efluente del reactor anaerobio tipo UASB, a través de la edición de dósis variables de cloruro férrico en un reactor anaerobio del sistema de lodos activados, asi como el desempeño del sistema de lodos activados en la remoción de la materia orgánica remanente en el reactor anaeróbio UASB

Remoción de nutrientes en sistemas de lodos activados pretratados en reactores UASB

Se evalúa la remoción biológica de nitrógeno presenta en el efluente de un reactor anaerobio tipo UASB, a través de un sistema de lodos activados, utilizando como fuente de energía el carbono orgánico de este efluente. Tambien se evalua la remoción fisico-química de fósforo presente en el efluente del reactor anaerobio tipo UASB, a través de la edición de dósis variables de cloruro férrico en un reactor anaerobio del sistema de lodos activados, asi como el desempeño del sistema de lodos activados en la remoción de la materia orgánica remanente en el reactor anaeróbio UASB

Acúmulo de ácidos graxos voláteis (AGVs) em reatores anaeróbios sob estresse: causas e estratégias de controle / Build up of volatile fatty acids (VFA) in anaerobic reactors under stress conditions: causes and control strategies

Este artigo apresenta uma visão integrada das principais causas de acúmulo de ácidos graxos voláteis (AGVs) em reatores anaeróbios. O acúmulo de acetato observado durante as condições de choque de carga e/ou estresse ocorre provavelmente devido às limitações cinéticas dos microrganismos metanogênicos, que é acentuada com a redução do pH. O acúmulo de acetato e hidrogênio na fase líquida pode, por sua vez, desencadear limitações termodinâmicas e conseqüente acúmulo de propionato e butirato. A manutenção de condições ideais de crescimento dos microrganismos metanogênicos é uma estratégia de controle para reduzir o acúmulo de acetato, embora não seja efetiva em reduzir a concentração de hidrogênio dissolvida ao ponto em que não haja limitação sintrófica. As estratégias para mitigação das limitações termodinâmicas poderiam envolver a regulação da concentração de acetato através do uso de resinas ou membranas, e a separação espacial de microrganismos através da granulação ou tratamento em duas fases.

Hydrodynamic analysis of an anaerobic sequencing batch biofilm reactor with liquid-phase external circulation

Este trabajo evaluó el comportamiento hidrodinámico y la remoción de materia orgánica en un reactor anaerobio de lecho fijo rellenado con espuma de poliuretano (0,5cm) y operado por lotes secuenciales con recirculación de la fase líquida. El estudio hidrodinámico fue realizado sin microorganismos y con velocidad superficial de líquido entre 0,16 y 0,80cm/s. El reactor fue operado de forma continua para evaluar el patrón de flujo en el lecho y por lotes para estimar el tiempo de mezcla de la fase fluida. Bajo operación continua, el flujo pudo ser caracterizado como pistón y, en el caso de operación discontinua, el tiempo de mezcla fue considerado despreciable cuando fue comparado al tiempo total de reacción a ser utilizado en la operación por lotes para remoción de la materia orgánica. El reactor, rellenado con biomasa anaerobia inmovilizada sobre espuma de poliuretano, fue operado en lotes de 8h con temperatura de 30 ±1ºC y alimentado con agua residual elaborada con glucosa y con demanda química de oxígeno de 500mg/L aproximadamente. El desempeño del proceso fue evaluado sin recirculación de la fase líquida y con recirculación, con aplicación de velocidad superficial de 0,19cm/s. Los mejores resultados de estabilidad del proceso anaerobio y de remoción de materia orgánica fueron alcanzados con la recirculación de la fase liquida, con valores hasta 95 por ciento

Tratamento anaeróbio de resíduos orgânicos com baixa concentração de sólidos / Anaerobic treatment of organic wastes with low concentration of solids

O processo de digestão anaeróbia de resíduos sólidos orgânicos com baixa concentração de sólidos é realizado com substrato contendo em média cerca de 5 por cento (percentagem em peso) de sólidos totais. Os problemas de ordem técnica associados a este tipo de tratamento, estão relacionados ao estudo das configurações de reatores que possam viabilizar uma boa eficiência de transformação do material carbonáceo em um período relativamente curto de tempo. Portanto, neste trabalho foi estudado o processo de digestão anaeróbia de resíduos sólidos orgânicos (RSO) com baixa concentração de sólidos em um reator anaeróbio compartimentado (RAC). O reator anaeróbio compartimentado tinha capacidade unitária de 2200 litros e foi operado com tempo de retenção de sólidos de 90 dias. A eficiência de transformação média de STV foi de 75 por cento e o biogás produzido continha em média 60 por cento de gás metano.

Utilização de wetland construído no pós-tratamento de esgotos domésticos pré-tratados em reator UASB / Use of constructed wetland for the post-treatment of domestic sewage anaerobic effluent from UASB reactor

Este trabalho relata o desempenho de três sistemas wetland, operados com efluente proveniente de reator UASB, no que se refere à remoção de nutrientes, organismos patogênicos e material carbonáceo, durante três anos de monitoramento. A eficiência da remoção de material carbonáceo variou de 70 a 86 por cento; o efluente produzido expresso em DQO manteve-se na média de 60mg.L-1. A remoção de nitrogênio e fósforo, durante o primeiro ano de operação, foi considerável, 66 e 86 por cento respectivamente O wetland vegetado apresentou maior eficiência na redução de coliformes termotolerantes, quando comparado ao wetland não vegetado, ambos operados com a mesma carga hidráulica (23 mm. dia-1). No entanto a análise de variância confirma que não há diferença significativa em relação à redução de coliformes entre um e outro.