Comparison between Activated Sludge, Moving Bed Biofilm Reactor, Integrated Fixed-Film Activated Sludge: treatment, kinetics and microbiology

Abstract

O Reator de Biofilme com Leito Móvel (MBBR - "Moving Bed Biofilm Reactor" em inglês) e o Reator Integrado de Lamas Activadas com Biofilme em Leito Móvel (IFAS - "Integrated Fixed-Film Activated Sludge" em inglês são ambos considerados sistemas biológicos avançados para o tratamento de águas residuais, que utilizam biomassa suspensa e fixa. Ambos os processos requerem menos espaço do que as Lamas Activadas (LA) para tratar águas residuais com a mesma carga orgânica. A principal vantagem do MBBR é que não é necessário a recirculação de lamas, e a principal vantagem do IFAS é a simplicidade do aumento da capacidade de tratamento de um reator LA existente através da introdução de suportes, portanto, sem a necessidade de construir novos tanques biológicos. As águas residuais da indústria de laticínios, senão forem tratadas, representam uma ameaça para o meio ambiente por terem alto teor de carga orgânica e por ser uma das indústrias com um grande consumo de água.O objetivo desta tese é a comparação entre três tipos de sistemas de tratamento biológico: LA, MBBR e IFAS em termos de eficiência de tratamento, cinética do crescimento da biomassa, e caracterização da biomassa. A configuração experimental é composta por três reatores de escala laboratorial e que funcionam independentes uns dos outros: um de Lamas Activadas (LA), um reator MBBR e um reator IFAS, todos funcionando em modo batch e alimentados por um efluente constituido por diluição de leite com água.Concluiu-se que os três reatores tiveram eficiências de remoção de Carência Química de Oxigénio (CQO) muito altas, sendo 94%, 97% e 93% no segundo teste em batch nos reatores LA, MBBR e IFAS, respectivamente. O reator IFAS mostrou a melhor eficiência num período de 4 horas, devido à presença de biomassa fixa e alta concentração de biomassa suspensa. A eficiência da remoção de azoto total foi maior no MBBR e IFAS. A cinética do crescimento da biomassa mostrou valores de YOBS maiores para o LA e os menores no MBBR. Quanto à produção de lamas em excesso, o MBBR produziu 45% menos e o IFAS 50% menos do que o reator LA. A biomass suspensa no reactor também foi caracterizada e foi concluído que não havia indicíos de "zoogleal bulking" ou "filamentous bulking". Não houve predominância de protozoários ou metazoários em nenhum dos reatores, principalmente devido ao uso de águas residuais sintéticas.

The Moving Bed Biofilm Reactor (MBBR) and the Integrated Fixed-Film Activated Sludge (IFAS) are both considered advanced biological systems for wastewater treatment, which make use of both suspended and attached biomass. Both processes require less space than the Activated Sludge (AS) to treat wastewater with the same organic strength. The major advantage of MBBR is the absence of sludge recirculation, and the major advantage of IFAS is the simplicity of upgrading an existing an AS reactor by introducing carriers, so there is no need to build new tanks. The dairy industry wastewater poses a threat to the environment if not treated, for having an high content of organic load and for being one of the industries with very high consumption of water.The aim of this thesis is the comparison between three types of biological treatment systems: AS, MBBR and IFAS in terms of treatment efficiency, biomass growth kinetics and biomass characterization. The experimental set-up was made by three independent laboratory scale reactors: one Activated Sludge (AS), one Moving Bed Biofilm Reactor (MBBR) and one Integrated Fixed-Film Activated Sludge (IFAS) , all operating in batch mode and fed with synthetic wastewater in order to simulate real wastewater from a dairy industry.It was concluded that the three reactors offered very high COD removal efficiencies, of about 94%, 97% and 93% in the second batch test,in the AS, MBBR and IFAS, respectively. The IFAS reactor showed the best performance in a 4 hour period, due to the presence of attached biomass and high concentration of suspended one. The total nitrogen removal efficiency was higher in MBBR and IFAS. The kinetics of biomass growth showed the highest YOBS value for AS and the lowest in the IFAS reactor. Concerning the excess sludge production, the MBBR produced 45% less and the IFAS 50% less, than the AS reactor. The biomass in the bulk liquid was also characterized and it was concluded that there were no indications of zoogleal bulking or filamentous bulking. No predominance of protozoa or metazoa was found in any of the reactor, mostly due to the use synthetic wastewater.