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Tese Renato Ribeiro-FINAL (FINAL)_BGQ.pdf: 2538261 bytes, checksum: 368478fea67bb3f88e3e4eebf8a854cd (MD5) / Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico / Universidade Federal Fluminense. Instituto de Química. Programa de Pós-Graduação em Geoquímica, Niterói, RJ / O óxido nitroso (N2O) possui um potencial de aquecimento global 310 vezes superior ao do
dióxido de carbono (CO2). Além disso, o N2O é a principal fonte de óxido nítrico (NO) na
estratosfera, sendo indiretamente responsável pelo consumo do ozônio (O3) estratosférico. Os
resíduos de origem humana representam uma das fontes de N2O, e estima-se que sistemas de
tratamento de esgotos podem contribuir com cerca de 10% do total das emissões antrópicas. Nas
estações de tratamento de esgotos (ETEs), as emissões de N2O ocorrem naturalmente devido às
transformações microbiológicas dos compostos de nitrogênio (N) através dos processos de
nitrificação e desnitrificação. Entretanto, não existe um único mecanismo de emissão de N2O
provenientes de ETEs, e suas vias de produção são dependentes do projeto da planta e também
relacionadas às diferentes condições dos principais parâmetros operacionais, tais como carga
orgânica afluente, concentração de oxigênio dissolvido (OD), taxa de aeração e idade do lodo,
dentre outros. O objetivo principal da presente tese foi determinar a relação das diferentes
condições operacionais, tais como variabilidade na carga orgânica afluente, diferentes idades do
lodo e taxas de aeração, limitação das concentrações de OD e choques de carga orgânica e de N
amoniacal, nas emissões de N2O provenientes de diferentes sistemas de tratamento de esgotos
por lodos ativados (convencional e aeração prolongada) operados com remoção biológica de N
(RBN) e não-RBN, em escalas de bancada e real. Três experimentos realizados in situ em uma
ETE de lodos ativados convencional, mostraram a influência da carga de NT afluente,
especialmente NH4
+, e da taxa de aeração na emissão de N2O do tanque de aeração. O excesso de
aeração intensifica o processo físico de transferência do N2O do meio líquido para a atmosfera e,
portanto, deve ser evitado. O monitoramento contínuo das emissões de N2O dos tanques de
aeração de três ETEs com sistemas de lodos ativados e operadas com RBN e não-RBN
mostraram que as altas emissões de N2O representam condições de excesso de aeração ou uma
perda da conversão de NH4
+ a NO3
-, com acúmulo de NO2
-. Uma preocupação adicional é o
lançamento de lixiviados de aterros sanitários em sistemas de tratamento de esgotos. Condições
de estresse, tais como choque de carga de N amoniacal, podem causar uma limitação nas
concentrações de OD, acúmulo de NO2
- e, consequentemente, maiores emissões de N2O. Assim,
as medições contínuas de N2O podem fornecer informações importantes sobre a adequação da
taxa de aeração e da perda de eficiência da nitrificação completa. Sistemas de tratamento de
esgotos que não operam com RBN respondem por maiores emissões de N2O quando comparados
com aqueles que removem N. Entretanto, um dos maiores desafios das ETEs com RBN é o
controle adequado dos parâmetros operacionais responsáveis pelos processos de nitrificação e
desnitrificação completos. Diferentes condições experimentais realizadas em um sistema de
lodos ativados, em escala de bancada, mostraram que idades do lodo reduzidas (5 dias)
combinadas com baixas concentrações de OD (0,5 mg L-1) resultaram em menores eficiências de
oxidação de NTK e, consequentemente, em uma insignificante taxa de acúmulo de NO2
-. Nesta
condição, a nitrificação foi dificultada pela oxidação da matéria orgânica, com a maior parcela
do N removida pela incorporação ao lodo excedente. Por outro lado, idades do lodo mais
elevadas (10 dias) combinadas com o aumento da concentração de OD (1,0 mg L-1) resultaram
no acúmulo de NO2
- e no aumento da eficiência de oxidação de NTK, o que representa uma
condição ideal para oxidação da matéria orgânica e nitrificação. Nesta condição a maior parcela
do N foi transferida para a atmosfera. Parte do N transferido para a atmosfera pode ser atribuído
ao N2O, que variou de 0,3 a 5,6% da carga de NT afluente, com o maior valor associado a
nitrificação parcial. Portanto, o controle adequado das concentrações de OD é um fator chave
para evitar o acúmulo de NO2
-, e consequentemente, elevadas emissões de N2O. / Nitrous oxide (N2O) has a global warming potential 310 times greater than carbon dioxide
(CO2). Moreover, N2O is the major source of nitric oxide (NO) in the stratosphere which implies
that it is indirectly responsible for the consumption of stratospheric ozone (O3). Human waste is
a source of N2O and it is estimated that wastewater treatment systems are thought to contribute
with about 10% of total anthropogenic N2O emissions. In wastewater treatment plants
(WWTPs), N2O emissions occur naturally due to the microbial transformations of nitrogen (N)
compounds by the nitrification and denitrification processes. However, there is no single N2O
emission mechanism from WWTPs and the pathways related to its production are dependent on
the WWTP design and closely related to operating parameters, such as organic matter and total
N (TN) loads, dissolved oxygen (DO) concentration, aeration rate and sludge retention time
(SRT), among others. The main goal of the present doctoral thesis was to determine the
relationship of different operating conditions, such as variable organic loading, different SRTs
and air flow rates, limited DO concentrations and organic (and NH4
+) shock loading on N2O
emissions in different activated sludge systems (conventional and extended aeration) operated
with biological N removal (BNR) and non-BNR, in the laboratory and in full-scale processing.
Three in situ experiments, conducted in a conventional activated sludge WWTP, showed the
influence of the TN loading rate, especially NH4
+, and the aeration flow rate on the emission rate
of N2O from the aeration tank. Excessive air flow intensified N2O transfer from the liquor to the
atmosphere by air stripping, and therefore should be avoided. The continuous measurements of
N2O emissions from the aeration tanks of three activated sludge WWTPs operated with BNR and
non-BNR showed that high N2O emissions denote over-aeration conditions or a loss of NH4
+
conversion to NO3
-, with accumulation of NO2
- concentrations. An additional concern is the
observed propensity of WWTPs to receive landfill leachates in their wastewater systems. Stress
conditions, such as NH4
+ shock loading, can cause limited DO conditions, NO2
- accumulation
and, consequently, higher N2O emissions. Thus, continuous measurements of N2O emissions can
provide information on aeration adequacy and the efficiency of complete nitrification. Non-BNR
WWTPs are subject to high N2O emissions, in contrast to BNR WWTP with controlled
nitrification and denitrification processes. However, one of the major challenges for WWTPs
with BNR is the adequate control of operating parameters responsible for complete nitrification
and denitrification processes. Different experimental conditions performed in a lab-scale
activated sludge system showed that short SRT (5 days) combined with very low DO levels (0.5
mg L-1) were responsible for lower TKN oxidation efficiencies and, consequently, negligible
NO2
- accumulation rates. These results suggest that nitrification efficiency was hampered by the
oxidation of organic matter, with a large part of TN removed by sludge waste process. As the
SRT increased (from 5 to 10 days) and DO was set to 1.0 mg L-1, TKN oxidation rates and NO2
-
accumulation reached their maxima, which are thought to be the optimal conditions for both
organic matter oxidation and partial nitrification. Under these conditions, gas transfer to the
atmosphere became the preferential route for TN removal instead of incorporation to the sludge
waste. Part of the N transferred to the atmosphere is attributed to N2O, which varied from 0.3 to
5.6% of the influent TN load, with the highest value associated with partial nitrification.
Therefore, the adequate control of DO concentrations is a key factor to avoid NO2
- accumulation
and consequently high N2O emissions.
| Identifer | oai:union.ndltd.org:IBICT/oai:https://app.uff.br/riuff:1/4370 |
| Date | 31 August 2017 |
| Creators | Ribeiro, Renato Pereira |
| Contributors | Oliveira, Jaime Lopes da Mota, Bassin, João Paulo, Rodrigues, Renato de Aragão Ribeiro, Moreira, Luciane Silva, Maddock, John Edmund Lewis, Kligerman, Débora Cynamon, Mello, William Zamboni de |
| Publisher | Niterói |
| Source Sets | IBICT Brazilian ETDs |
| Language | Portuguese |
| Detected Language | Portuguese |
| Type | info:eu-repo/semantics/publishedVersion, info:eu-repo/semantics/doctoralThesis |
| Source | reponame:Repositório Institucional da UFF, instname:Universidade Federal Fluminense, instacron:UFF |
| Rights | info:eu-repo/semantics/openAccess |
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