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http://repositorio.ufc.br/handle/riufc/79473
Type: | Tese |
Title: | Engineering strategies to enhance resource recovery in eerobic granular sludge systems |
Title in English: | Engineering Strategies To Enhance Resource Recovery In Aerobic Granular Sludge Systems |
Authors: | Frutuoso, Francisca Kamila Amancio |
Advisor: | Santos, André Bezerra dos |
Co-advisor: | Valente Silva, Tânia Filomena Castro |
Keywords in Brazilian Portuguese : | Tratamento de esgotos sanitários;Lodo granular aeróbio;Lodo de esgoto;Tratamento biológico aeróbio;Microbiologia Molecular |
Keywords in English : | Sewage treatment;Aerobic granular sludge;Sewage sludge;Aerobic biological treatment;Molecular microbiology |
Knowledge Areas - CNPq: | CNPQ::ENGENHARIAS::ENGENHARIA SANITARIA::SANEAMENTO AMBIENTAL |
Issue Date: | 2024 |
Citation: | FRUTUOSO, Francisca Kamila Amancio. Engineering strategies to enhance resource recovery in eerobic granular sludge systems. 2024. 187 f. Tese (Doutorado em Engenharia Civil - Saneamento Ambiental) - Centro de Tecnologia, Universidade Federal do Ceará, Fortaleza, 2024. |
Abstract in Brazilian Portuguese: | lodo granular aeróbio (LGA) é uma tecnologia emergente de tratamento de esgoto que combina a possibilidade de remoção simultânea de carbono, nitrogênio e fósforo com a elevada capacidade de recuperação de recursos, muitos de elevado interesse industrial. Associado à valorização da economia circular em estações de tratamento de águas residuárias (ETAR), a recuperação de subprodutos a partir da biomassa do LGA emergiu como uma estratégia eficiente e economicamente sustentável de gerenciamento de lodos, especialmente considerando que as substâncias poliméricas extracelulares (EPS, extracellular polymeric substances) podem compor até 40% da biomassa seca. Os exopolímeros semelhantes ao alginato (ALE, Alginate-Like Exopolymers) e triptofano (TRP), presentes na matriz extracelular do LGA, são subprodutos valiosos com aplicações promissoras na indústria. No entanto, a literatura ainda carece de uma compreensão abrangente dos impactos dos parâmetros operacionais na biossíntese desses recursos biológicos no lodo, bem como sua interconexão com a granulação e a estabilidade do sistema a longo prazo. Nesse contexto, a presente pesquisa investigou diversos aspectos operacionais e estímulos para a produção desses recursos, avaliando a eficiência de produção, a granulação e a estabilidade em cinco sistemas operacionais diferentes (OS I, OS II, OS III, OS IV e OS V). No OS I, a influência de diferentes fontes de carbono (acetato, propionato, glicerol, glicose e sacarose) na produção de ALE, EPS e TRP foi investigada. O acetato mostrou-se promissor, resultando na maior produção de biopolímeros e TRP, embora tenha sido observada uma desintegração parcial dos grânulos durante a operação. Por outro lado, o propionato foi o substrato que melhor proporcionou estabilidade ao LGA a longo prazo, além de apresentar uma produção considerável desses biorrecursos. No OS II, explorou-se o impacto da salinidade nas eficiências de remoção, estabilidade dos grânulos e produção de ALE, EPS e TRP. Baixas concentrações salinas (até 7,5 g/L) favoreceram a produção de ALE e o aumento da biomassa, mas concentrações mais elevadas (10 g/L) levaram ao colapso do sistema em determinado período. A análise detalhada revelou a identificação de aminoácidos, como tirosina e triptofano, em maiores quantidades nas substâncias poliméricas extracelulares de reatores operados com sal. No OS III, foi realizada uma comparação entre alimentação escalonada e convencional sob pressão osmótica. A alimentação escalonada mostrou benefícios significativos em termos de desnitrificação e estabilidade a longo prazo. O aumento gradual do sal (2,5 a 10 g/L) influenciou a produção de ALE, EPS e TRP, mas a alimentação escalonada não teve um impacto significativo na produção desses recursos. No OS IV, investigou-se os efeitos do estresse osmótico intermitente, comparando-o com o estresse constante e um sistema controle sem adição de sal, tanto como estratégia para diminuir o tempo de partida dos sistemas de granulação aeróbia quanto em avaliar se o estresse osmótico intermitente promove granulação rápida e produção estável de ALE. O reator sujeito a estresse salino intermitente revelou uma granulação rápida e completa em apenas 21 dias, contrastando com os 59 dias necessários para o reator com adição constante de sal. Além disso, a adição salina apresentou impactos positivos significativos na granulação em comparação com o reator controle, corroborando descobertas anteriores nos OS II e OS III. Essa constatação ressalta a importância crucial da variação nas condições salinas para promover a formação eficiente de grânulos. Diante disso, o destaque vai para o reator sob estresse salino intermitente, identificado como o mais eficiente em termos de granulação, estabilidade, produção de recursos e remoção de poluentes. No OS V, a pesquisa focou no co-tratamento de lixiviados com esgoto doméstico, com uma atenção especial ao controle do tempo de retenção celular ou idade de lodo (SRT, sludge retention time). Baixa proporção de lixiviado (5%) não prejudicou o desempenho e a estabilidade do LGA, enquanto o aumento da fração de lixiviado (10%) influenciou a remoção de matéria orgânica e a produção de ALE. A análise de componentes principais (PCA, principal component analysis) destacou o SRT como crucial para otimizar a síntese de biopolímeros, indicando uma produção ótima com SRT entre 10 e 20 dias. Em síntese, essa pesquisa proporciona uma compreensão detalhada dos fatores que influenciam a produção de biorrecursos em sistemas de granulação aeróbia. Acredita-se que os resultados alcançados fornecem contribuições significativas para a otimização do desempenho desses sistemas em termos de tempo de partida, estabilidade, produção de recursos e remoção de contaminantes em efluentes salinos e não salinos, abrindo novos caminhos para a evolução sustentável das práticas de tratamento de águas residuais. |
Abstract: | Aerobic granular sludge (AGS) is an emerging sewage treatment technology that combines the possibility of simultaneous removal of carbon, nitrogen, and phosphorus, with the high capacity to recover resources, many of which are of high industrial interest. Associated with the valorization of the circular economy in wastewater treatment plants (WWTP), the recovery of byproducts from AGS biomass has emerged as an efficient and economically sustainable sludge management strategy, especially considering that extracellular polymeric substances (EPS) can make up to 40% of dry biomass. Alginate-Like Exopolymers (ALE) and tryptophan (TRP), present in the extracellular matrix of AGS, are valuable byproducts with promising applications in industry. However, the literature still needs a comprehensive understanding of the impacts of operational parameters on the biosynthesis of these bioresources in sludge, as well as their interconnection with granulation and the system’s long-term stability. In this context, the present research addressed several operational aspects and stimuli for producing of these resources, evaluating the efficiency of production, granulation, and system stability in five operating systems (OS I, OS II, OS III, OS IV, and OS V). In OS I, the influence of different carbon sources (acetate, propionate, glycerol, glucose, and sucrose) on ALE, EPS and TRP production was investigated. Acetate showed promise, resulting in greater production of biopolymers and TRY, although partial disintegration of the granules was observed during operation. On the other hand, propionate was the substrate that best provided long-term stability to the AGS and stimulated a considerable production of bioresources. In OS II, the impact of salinity on removal efficiencies, granule stability, and ALE, EPS and TRP production was explored. Low saline concentrations (up to 7.5 g/L) favored ALE production and increased biomass, but higher concentrations (10 g/L) led to the system’s collapse in a certain period. The detailed analysis revealed the identification of amino acids, such as tyrosine and tryptophan, in greater quantities in the extracellular polymeric substances of reactors operated with salt. In OS III, a comparison was made between staged and conventional feeding under osmotic pressure. Staggered feeding has shown significant benefits in terms of denitrification and long-term stability. The gradual increase in salt (2.5 to 10 g/L) influenced the production of ALE, EPS and TRP, but the staggered feeding did not significantly impact their production. In OS IV, the effects of intermittent osmotic stress were investigated, comparing it with constant stress and a control system without added salt, both as a strategy to reduce the start-up time of aerobic granulation systems and to evaluate whether intermittent osmotic stress has been shown to promote rapid granulation and maintain stable ALE production. The reactor subjected to intermittent salt stress revealed rapid and complete granulation in just 21 days, contrasting with the 59 days required for the reactor with constant salt addition. Furthermore, salt addition significantly positively impacts granulation compared to the control reactor, corroborating previous findings in OS II and OS III. This finding highlights the importance of variation in saline conditions to promote efficient granule formation. Given this, the highlight goes to the reactor under intermittent saline stress, which is identified as the most efficient in granulation, stability, production of resources, and removal of pollutants. In OS V, research focused on the co-treatment of leachate with domestic sewage, with special attention to controlling sludge retention time or sludge age (SRT). The low proportion of leachate (5%) did not harm the performance and stability of AGS, while increasing the leachate fraction (10%) influenced the removal of organic matter and ALE production. Principal component analysis (PCA) highlighted SRT as crucial for optimizing biopolymer synthesis, indicating optimal production in SRT between 10 and 20 days. In summary, this research provides a detailed understanding of the factors that influence the production of bioresources in aerobic granulation systems. The results achieved significantly contribute to optimizing the performance of these systems in terms of start-up time, stability, resource production, and contaminant removal in saline and non-saline effluents, opening new paths for the sustainable evolution of wastewater treatment practices. |
Description in Brazilian Portuguese: | Este documento está disponível online com base na Portaria no 348, de 08 de dezembro de 2022, disponível em: https://biblioteca.ufc.br/wp-content/uploads/2022/12/portaria348-2022.pdf, que autoriza a digitalização e a disponibilização no Repositório Institucional (RI) da coleção retrospectiva de TCC, dissertações e teses da UFC, sem o termo de anuência prévia dos autores. Em caso de trabalhos com pedidos de patente e/ou de embargo, cabe, exclusivamente, ao autor(a) solicitar a restrição de acesso ou retirada de seu trabalho do RI, mediante apresentação de documento comprobatório à Direção do Sistema de Bibliotecas. |
URI: | http://repositorio.ufc.br/handle/riufc/79473 |
Author's ORCID: | https://orcid.org/0000-0003-3519-6704 |
Author's Lattes: | http://lattes.cnpq.br/3206351893454627 |
Advisor's ORCID: | https://orcid.org/0000-0002-3395-8878 |
Advisor's Lattes: | http://lattes.cnpq.br/3626519258208111 |
Access Rights: | Acesso Aberto |
Appears in Collections: | DEHA - Teses defendidas na UFC |
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