A remoção de nitrogênio é um aspecto importante do tratamento de águas residuárias, visto que este nutriente causa diversos inconvenientes, com consequentes danos à saúde humana e ao meio ambiente. A forma mais utilizada para a remoção biológica de nitrogênio de águas residuárias é a nitrificação autotrófica seguida de desnitrificação heterotrófica. Esta última etapa necessita de doadores de elétrons orgânicos, provenientes de fontes endógenas ou exógenas. Isto pode encarecer os sistemas de tratamento que utilizam reatores anaeróbios como primeira unidade de tratamento biológico, já que os efluentes destes não possuem matéria orgânica prontamente degradável, exigindo a adição de fontes exógenas de doadores de elétrons. Neste sentido, a desnitrificação autotrófica usando compostos reduzidos de enxofre como doadores de elétrons mostra-se interessante, já que sulfetos são comumente encontrados em efluentes anaeróbios. O objetivo deste projeto de pesquisa é a avaliação da desnitrificação autotrófica usando sulfeto como doador de elétrons para remoção de nitrogênio de efluentes de reatores anaeróbios tratando esgoto sanitário. Para atingir esse objetivo, foram realizados estudos exploratórios, de viabilidade e aplicabilidade do processo. Na primeira etapa, foram operados reatores em batelada para caracterização cinética, operacional e microbiológica do processo. Na segunda etapa, utilizou-se sistema de reatores contínuos em escala de bancada para remoção de nitrogênio de esgoto sanitário sintético. Por fim, na terceira etapa foi operado sistema piloto com nova configuração para tratamento secundário e terciário de esgoto sanitário real. A ocorrência da desnitrificação autotrófica foi detectada nas duas primeiras etapas, e houve indícios de sua presença na terceira etapa da pesquisa. Na primeira etapa, nitrato e nitrito foram aplicados com sucesso como receptores de elétrons, e o processo manteve-se estável apenas quando a relação \'NO IND.X\'POT.-\'/\'S POT.2-\' apresentou valores menores do que a estequiométrica. Modelos cinéticos de ordem zero foram os que melhor se ajustaram aos dados de consumo dos receptores de elétrons, e os parâmetro máximos obtidos foram 7,05 e 5,02 mg N/h.gSSV, para nitrato e nitrito respectivamente. Análises filogenéticas revelaram a presença de organismos semelhantes a Thiobacillus denitrificans, bactéria desnitrificante quimiolitotrófica usualmente associada ao processo. Na segunda e terceira etapas, foi possível a remoção global de nitrogênio de, em média, 40% apenas com doadores de elétrons endógenos, através da nitrificação de 40 a 60% da vazão total e posterior mistura com a fração não-nitrificada. A perda de sulfeto nos reservatórios intermediários do sistema de reatores da segunda etapa foi considerada um obstáculo ao processo, que foi solucionado com a nova configuração proposta na terceira etapa e aplicada em escala piloto. Embora a gama variada de processos possíveis em seu interior não tenha sido completamente elucidada, o sistema piloto promoveu tratamento secundário e terciário de esgoto sanitário, com remoção de nitrogênio e atendimento aos padrões de emissão deste parâmetro. Os resultados obtidos na pesquisa mostraram que o processo é versátil e pode coexistir com outros processos, apresentando viabilidade e potencial no tratamento de efluentes de reatores anaeróbios utilizados no tratamento de esgotos sanitários. / Nitrogen removal is an important aspect of wastewater treatment, for this nutrient causes several issues, with damages to human health and to the environment. The most used technique for biological nitrogen removal from wastewaters is autotrophic nitrification followed by heterotrophic denitrification. The latter needs organic electron donors from endogenous or exogenous sources, which can increase treatment costs for plants that rely on anaerobic reactors as their first biological unit, since their effluents do not have enough readily biodegradable organic matter, demanding the addition of exogenous sources of electron donors. In this way, autotrophic denitrification using reduced sulfur compounds as electron donors could be an interesting alternative, for sulfides are usually present in anaerobically pre-treated effluents. The aim of this research is to evaluate autotrophic denitrification using sulfide as electron donor for nitrogen removal from anaerobically pre-treated domestic sewage. For this, exploratory, viability and applicability studies of the process were performed. In the first part of the experiments, batch assays were conducted for kinetic, operational and microbiological characterization of the process. In the second part, a bench-scale system composed of three continuous reactors was used to remove nitrogen from synthetic domestic sewage. And, finally, in the third part a pilot-scale system presenting a new configuration was operated for secondary and tertiary treatment of real domestic sewage. Autotrophic denitrification was detected in the first two parts, and there were evidences of its presence in the third part of the research. In the first part, nitrate and nitrite were applied successfully as electron acceptors, and the process remained stable only when the \'NO IND.X\'POT.-\'/\'S POT.2-\' ratio was lower than the predicted by stoichiometry. Zero-order kinetic models were the ones that best adjusted to the electron acceptors consumption data, and the maximum obtained parameters were 7.05 and 5.02 mg N/h.gVSS, for nitrate and nitrite respectively. Phylogenetic analyses indicated the presence of organisms similar to Thiobacillus denitrificans, a chemolithotrophic denitrifying bacterium usually associated to the process. In the second and third parts, an average global nitrogen removal of 40% could be achieved using endogenous electron donors only, by nitrifying 40 to 60% of the total flow and later mixing it with the remaining non-nitrified fraction. Sulfide loss in the intermediary tanks of the reactors system operated in the second part was considered an obstacle to the process, which was solved with the new pilot-scale configuration proposed in the third part of the research. Although the wide range of possible processes in its interior was not fully understood, the pilot-scale system promoted secondary and tertiary treatment of domestic sewage, removing nitrogen and obeying the emission standards for this parameter. The results obtained in this research indicated that the process is versatile and can coexist with other processes, being thus viable and presenting potential in the treatment of anaerobically pre-treated domestic sewage.

A remoção de nitrogênio acoplada à oxidação de sulfeto pode ser uma opção adequada para o pós-tratamento de efluentes de reatores anaeróbios, os quais contêm nitrogênio amoniacal, que deve ser nitrificado, e sulfeto, que poderia ser utilizado como doador de elétrons endógeno para a desnitrificação autotrófica. Com base nessa constatação, esta pesquisa propôs a aplicação da nitrificação e desnitrificação autotrófica acoplada à oxidação de sulfeto, em um único reator, para a remoção de nitrogênio de efluentes de reatores anaeróbios tratando esgoto sanitário. Visto que existem lacunas na literatura referente ao processo desnitrificante autotrófico citado, as bases teóricas para a determinação das condições operacionais partiram da caracterização cinética e de aspectos fundamentais da desnitrificação autotrófica com uso de sulfeto como doador de elétrons. Numa primeira etapa, avaliou-se o efeito da concentração de sulfeto na desnitrificação, com uso de nitrato e nitrito como receptores de elétrons, em reatores verticais de leito fixo. Os resultados revelaram que compostos intermediários de enxofre foram principalmente formados quando se aplicou excesso de sulfeto, fato que foi mais evidente com o uso de nitrato. Evidências visuais sugeriram que enxofre elementar foi o principal intermediário formado, o qual também estava sendo utilizado quando aplicadas concentrações estequiométricas de sulfeto relativas a nitrato/nitrito. De modo geral, a desnitrificação autotrófica não foi afetada pela desnitrificação heterotrófica residual via atividade endogênica. Numa segunda etapa, determinou-se a cinética intrínseca da desnitrificação autotrófica via nitrato e nitrito com uso de diferentes concentrações de sulfeto em reatores diferenciais de leito fixo. Este bioprocesso pôde ser descrito por modelo cinético de ordem ½ para biofilmes. As constantes cinéticas variaram entre 0,425-0,658 mg N1/2 / L1/2 h para desnitrificação via nitrito e entre 0,190-0,609 mg N1/2 / L1/2 h para desnitrificação via nitrato. Neste último, o menor valor foi devido ao uso de elétrons doados a partir de compostos intermediários de enxofre formados. Numa terceira etapa, utilizou-se um reator de leito fixo operado em batelada alimentada seqüencial, com ciclos de 8 horas, submetido à aeração intermitente e empregando a desnitrificação autotrófica com uso de sulfeto presente no efluente sanitário, pré-tratado anaerobiamente, como doador de elétrons. O prévio estabelecimento da nitrificação com posterior aplicação de baixas concentrações de sulfeto foi a melhor estratégia de partida do reator. A alimentação em batelada alimentada com aplicação de sulfeto em excesso apenas nos períodos anóxicos foi a melhor estratégia de alimentação, proporcionando eficiência média de 85,7% e 53,0% para nitrificação e desnitrificação, respectivamente. O acúmulo de nitrito foi observado após aplicação de carga de choque de sulfeto, que inibiu as bactérias oxidadoras de nitrito. No entanto, houve dificuldade em se estabelecer a desnitrificação via nitrito em função da toxicidade deste composto aos organismos desnitrificantes instalados no reator. A baixa eficiência global de remoção de nitrogênio e algumas restrições operacionais indicaram que a desnitrificação autotrófica usando sulfeto em um único reator operado em bateladas seqüenciais não foi adequada para a proposta desta pesquisa. / Nitrogen removal coupled with sulfide oxidation may be suitable for the post treatment of effluents from anaerobic reactors. These effluents contain ammonium, which must be nitrified, and sulfide, which could be used as an endogenous electron donor for autotrophic denitrification. Since there are gaps in literature regarding the mentioned autotrophic denitrifying process, the theoretical basis for determination of operating conditions came from the characterization of kinetics and fundamentals aspects of autotrophic denitrification using sulfide as electron donor. In a first step, the effect of sulfide concentration on this bioprocess using nitrate and nitrite as electron acceptors in vertical fixed-bed reactors was evaluated. The results showed that intermediary sulfur compounds were mainly produced when excess of electron donor was applied, which was more evident when nitrate was used. Visual evidences suggested that elemental sulfur was the intermediary compound produced. There was also evidence that the elemental sulfur previously formed was being used when sulfide was applied in stoichiometric concentration relative to nitrate/nitrite. For all conditions assayed, autotrophic denitrification was not affected by residual heterotrophic denitrification via endogenic activity, occurring as a minor additional nitrogen removal process. In a second step, the intrinsic kinetics of sulfide-oxidizing autotrophic denitrification via nitrate and nitrite in systems containing attached cells was determined. Differential reactors were fed with nitrified synthetic domestic sewage and different sulfide concentrations. This bioprocess could be described by a half-order kinetic model for biofilms. The half-order kinetic coefficients ranged from 0.425 to 0.658 mg N1/2 / L1/2 h for denitrification via nitrite and from 0.190 to 0.609 mg N1/2 / L1/2 h for denitrification via nitrate. In this latter, the lower value was due to the use of electrons donated from intermediary sulfur compounds formed. In a third step, a sequencing fed-batch biofilm reactor of 8-h cycles was operated under intermittent aeration, applying autotrophic denitrification using sulfide present in the sanitary effluent, anaerobically pre-treated, as electron donor. The effect of the start-up period and the feeding strategy were evaluated. The previous establishment of nitrification process with subsequent application of sulfide in low concentrations was the best start-up strategy. The fed-batch mode with sulfide application in excess only in the anoxic periods was the best feeding strategy, providing average efficiencies of 85.7% and 53.0% for nitrification and denitrification, respectively. Nitrite accumulation was observed after application of shock loading of sulfide, which inhibited nitrite-oxidizing bacteria. However, it was difficult to establish denitrification via nitrite due to the toxicity of this compound to denitrifying organisms developed inside the reactor. The low overall efficiency of nitrogen removal and some operational constraints indicated that autotrophic denitrification using sulfide in a single sequencing fed-batch reactor was not suitable for the purpose of this research.

O objetivo do presente trabalho foi avaliar o desempenho de um reator de leito fixo e fluxo ascendente (RLFFA) em escala de bancada submetido à baixa aeração e recirculação. O reator foi utilizado como um sistema de pós-tratamento do efluente de indústria de fabricação de ração animal (INCOFAP) a partir de resíduos de abatedouro de aves, caracterizado por elevada carga de nitrogênio amoniacal. Para tanto, o RLFFA foi avaliado quanto à remoção da fração remanescente de matéria orgânica e de nitrogênio do efluente do reator UASB instalado na indústria. O RLFFA foi operado em condições mesofílicas (30°C) e tinha volume total de 11,5 L e volume útil de 6,1 L, com leito estruturado composto por 13 estruturas cilíndricas (3 cm de diâmetro) de espuma de poliuretano, dispostas verticalmente no interior do reator. O reator apresentou sistema de recirculação interna, com razão de recirculação igual a 3, suficiente para garantir a mistura completa. O sistema foi operado em três condições distintas, que foram denominadas de fases, todas com tempo de detenção hidráulica (TDH) de 24 horas e concentração de oxigênio dissolvido próxima a 1,0 mg.L-1. Nas fases 1 e 2, o RLFFA foi alimentado com 20% de efluente do UASB diluídos em água, e a alimentação da Fase 3 foi com 10% de efluente. As relações DQO/N para as Fases de 1 a 3 foram de, respectivamente, 0,28, 0,41 e 0,26. Na Fase 1, a alcalinidade foi mantida em concentração estequiométrica para a ocorrência da nitrificação total, enquanto nas fases 2 e 3 a alcalinidade foi adicionada em excesso. As melhores eficiências de remoção de N-total e DQO foram obtidas na Fase 1, com respectivamente, 48 ± 24% e 63 ± 20%, atingindo remoção máxima de N-total de 79% e 92% para DQO. As análises estatísticas demonstraram independência entre a remoção de DQO e a remoção de N-total, e com demanda de doador de elétrons para desnitrificação heterotrófica via nitrato superior à DQO removida, indicando a ocorrência de vias complementares. A desnitrificação via nitrito e a desnitrificação autotrófica foram observadas nos ensaios cinéticos de desnitrificação via nitrito e teste de atividade para desnitrificação autotrófica utilizando sulfeto como doador de elétrons. A modelagem para qualidade da água do rio Chibarro( local de lançamento do efluente da empresa INCOFAP) utilizando uma modificação do modelo de Streeter-Phelps, indicou que o cenário com a adoção do reator estudado no presente trabalho para tratamento do efluente da INCOFAP permitiu reduzir o impacto para a qualidade da água do rio Chibarro ao se comparar ao sistema atual de tratamento do efluente da empresa INCOFAP. Entretando, ainda faz-se necessária a elevação da eficiência de remoção de N-total no sistema, para atingir a concentração máxima de N-amoniacal permitida de 20 mg.L-1 para o efluente para compatibilização com a capacidade de autodepuração do rio Chibarro. / The objective of this study was to evaluate the performance of a bench scale up-flow fixedbed reactor (UFBR) subjected to low aeration and effluent recirculation.The reactor was used as a post-treatment system of effluent from animal food plant (INCOFAP) using poultry slaughterhouse wastes, characterized by high ammoniacal nitrogen load rate.Therefore, the UFBR was evaluated in respect to residual organic matter and nitrogen removal of industrys UASB reactor effluent. The UFBR was operated in mesophilic conditions (30°C) and it had a total volume of 11.5 L and a working volume of 6.1 L, with a structured bed composed by 13 polyurethane foam vertical cylindrical structures (3 cm of diameter) inside the reactor. The reactor was provided with internal recirculation system with recirculation ratio of 3, suficiente to guarantee a complete mixture. The system was operated in three different phases, with hydraulic retention time (HRT)of 24 hours and dissolved oxygen concentration close to 1.0 mg.L-1.On Phases 1 and 2, the UFBR was fed with 20% of UASB effluent diluted in water,and the Phase 3 was fed with 10% of effluent. On phases 1 to 3 COD/N ratios were, respectively, 0.28, 0.41 and 0.26. The alkalinity on Phase 1 was maintained on stoichiometric concentration to total nitrification, while in phases 2 and 3 excess alkalinity was added. The best total nitrogen and COD removal efficiencies were obtained in Phase 1, with respectively, 48 ± 24% and 63 ± 20% , reaching maximum total nitrogen removal of 79% and 92% for COD. Statistical analysis demonstrated independency between COD and total nitrogen removal, and with higher electron donor demand for nitrate denitrification than COD removal, indicating the occurrence of complementary paths. The nitrite denitrification and autotrophic denitrification were noted in kinetics experiments and activity tests for autotrophic denitrification using sulfide as source of electron donors. The modeling for Chibarro river water quality (site of INCOFAPs effluent release) , using a modified Streeter-Phelps model, indicated the scenario with the adoption of the studied reactor on this work for INCOFAP's effluent treatment provided the reduction of the impact on Chibarros water quality in comparison with the current effluent treatment of INCOFAP. However, it is still necessary an increase on system denitrification efficiency to reach the maximum ammoniacal nitrogen concentration allowed of 20 mg.L-1 for the effluent to make compatible with de selfpurification of Chibarro river.

La dénitrification autotrophe utilisant le fer Ferreux est un bioprocédé innovant pour l'élimination des nitrates, en même temps que l'oxydation du fer dans les eaux usées. Les dénitrifiants chimio-autotrophes convertissent le nitrate en azote gazeux et l'oxydation du Fe(II) conduit à la production de précipités de fer ferrique qui peuvent ensuite être enlevés et récupérés. La possibilité de maintenir une dénitrification autotrophe avec le fer ferreux en utilisant une culture mixte de Thiobacillus, un inoculum de boue activée et des cultures pures de la souche Pseudogulbenkiania 2002 et de T. denitrificans dans différentes conditions de pH et d'EDTA:Fe(II) a été initialement étudiée dans des essais biologiques par lots. Des ratios plus faibles d’EDTA:Fe(II) se traduisent par une efficacité et des taux d'élimination des nitrates plus élevés. La culture mixte de Thiobacillus présente le taux d'élimination de nitrate le plus élevé, égal à 1.18 mM•(g VSS•d)-1.Par la suite, la culture mixte de Thiobacillus a été ensemencée dans deux réacteurs à lit tassé à flux montant identiques. Les deux réacteurs (réacteur 1 et 2) ont reçu respectivement 120 et 60 mg / L de nitrate et une alimentation différente de Fe (II) afin de respecter un rapport molaire Fe(II):NO3- de 5:1. L’EDTA a été supplémenté à un rapport molaire EDTA:Fe(II) de 0,5:1. Le pH, le TRH et la température étaient de 6,5-7,0, 31 h et 22 ± 2 ° C. Dans le réacteur 1, le TRH a été raccourci de 31 à 24 h et la concentration de NO3- a été maintenue stable à 250 mg / L. Inversement, le réacteur 2 a été mis en fonctionnement avec un TRH décroissant et une concentration de NO3- en alimentation, maintenant ainsi un taux de charge de NO3- stable. Après environ 80 jours d'incubation, l'élimination des nitrates était de 88% dans le réacteur 1 pour un THR de 31 h. L'élimination de nitrates la plus élevée obtenue dans le réacteur 2 était de 80%. Une diminution du TRH de 31 à 24 h n'a pas affecté l'élimination du nitrate dans le réacteur 1, alors que dans le réacteur 2 l'élimination du nitrate a diminué à 64%.De plus, l'influence des métaux lourds (Ni, Cu, Zn) sur la dénitrification autotrophe utilisant du fer ferreux a été évaluée dans des essais biologiques discontinus, en utilisant les mêmes quatre cultures microbiennes différentes. L'efficacité et les taux d'élimination des nitrates les plus élevés ont été obtenus avec la culture mixte dominante de Thiobacillus, alors que la souche Pseudogulbenkiania de 2002 était la moins efficace. Cu s'est avéré être le métal le plus inhibiteur pour les cultures mixtes. Un impact plus faible a été observé lorsque le Zn a été ajouté. Le Ni présentait l'effet inhibiteur le plus faible. Une sensibilité plus élevée à la toxicité des métaux a été observée pour les cultures pures. Enfin, la caractérisation minérale des précipités obtenus pour les expériences avec du Cu, Ni et Zn a été étudiée. Chez les témoins abiotiques, l'oxydation chimique du Fe (II) a entraîné la formation d'hématite. Un mélange de différents (hydro)oxides de Fe(III) a été observé pour toutes les cultures microbiennes, et en particulier : i) un mélange d'hématite, d'akaganéite et / ou de ferrihydrite a été observé dans les précipités des expériences réalisées avec la culture mixte dominée par la présence de Thiobacillus; ii) en plus d'hématite, de l'akaganeite et / ou de la ferrihydrite, la maghémite a été identifiée lorsque la culture pure de T. denitrificans a été utilisée; iii) l'utilisation de la culture pure de la souche Pseudogulbenkiania 2002 a entraîné la formation d'hématite et de maghémite; enfin, l'enrichissement en boues activées a permis la production d'hématite et de magnétite en plus de la maghémite. Aucune différence concernant la minéralogie des précipités n'a été observée avec l'addition de Cu, alors que l'addition de Ni et de Zn a probablement stimulé la formation de maghémite. Une caractérisation minérale supplémentaire est cependant nécessaire / Ferrous iron mediated autotrophic denitrification is an innovative bioprocess for nitrate removal, simultaneously with iron oxidation in wastewaters. Chemoautotrophic denitrifiers convert nitrate to nitrogen gas and Fe(II) oxidation results in the production of ferric iron precipitates that can be subsequently removed and recovered. The feasibility of maintaining Fe(II)-mediated autotrophic denitrification with a Thiobacillus mixed culture, an activated sludge inoculum and pure cultures of Pseudogulbenkiania strain 2002 and T. denitrificans under different pH and EDTA:Fe(II) conditions was initially investigated in batch bioassays. Lower EDTA: Fe(II) ratios resulted in higher nitrate removal efficiency and rates. The Thiobacillus mixed culture resulted in the highest specific nitrate removal rate, equal to 1.18 mM•(g VSS•d)-1.Subsequently, the Thiobacillus mixed culture was seeded in two identical up-flow packed bed reactors. The two reactors (reactor 1 and 2) were fed with 120 and 60 mg/L of nitrate, respectively, and a different Fe(II) feed in order to respect a molar ratio Fe(II):NO3- 5:1. EDTA was supplemented at a EDTA:Fe(II) molar ratio 0.5:1. The pH, HRT and temperature were 6.5-7.0, 31 h and 22±2°C. In reactor 1, HRT was shortened from 31 to 24 h and NO3- concentration was maintained stable at 250 mg/L. Conversely, reactor 2 was operated with decreasing HRT and feed NO3- concentration, thus maintaining a stable NO3- loading rate. After approximately 80 d of incubation, nitrate removal was 88% in reactor 1 at HRT of 31 h. The highest nitrate removal achieved in reactor 2 was 80%. A HRT decrease from 31 to 24 h did not affect nitrate removal in reactor 1, whereas nitrate removal decreased to 64% in reactor 2.Moreover, the influence of heavy metals (Ni, Cu, Zn) on Fe(II)-mediated autotrophic denitrification was assessed in batch bioassays. The highest nitrate removal efficiency and rates were achieved with the Thiobacillus-dominated mixed culture, whereas Pseudogulbenkiania strain 2002 was the least effective. Cu showed to be the most inhibitory metal for mixed cultures. A lower impact was observed when Zn was supplemented. Ni showed the lowest inhibitory effect. A higher sensitivity to metal toxicity was observed for the pure cultures. Finally, the mineral characterization of the precipitates obtained in the experiments with Cu, Ni and Zn was investigated. In abiotic controls, the chemical Fe(II) oxidation resulted in hematite formation. A mixture of different Fe(III) (hydr)oxides was observed with all microbial cultures, and in particular: i) a mixture of hematite, akaganeite and/or ferrihydrite was observed in the precipitates of the experiments carried out with the Thiobacillus-dominated mixed culture; ii) on top of hematite, akaganeite and/or ferrihydrite, maghemite was identified when the T.denitrificans pure culture was used; iii) the use of the pure culture of Pseudogulbenkiania strain 2002 resulted in hematite and maghemite formation; finally, the activated sludge enrichment allowed the production of hematite and magnetite besides maghemite. No difference in the mineralogy of the precipitates was observed with the addition of Cu, whereas the addition of Ni and Zn likely stimulated the formation of maghemite. Further mineral characterization is however required