Resumo Os processos de tratamento biológico de esgotos com remoção biológica de nitrogênio são potenciais fontes de emissão de óxido nitroso (N2O). No entanto, é importante ampliar o conhecimento dos principais fatores de controle associados à produção de N2O para propor estratégias de mitigação de sua emissão. O objetivo deste estudo foi identificar os parâmetros que favoreceram o acúmulo de nitrito (NO2 -) e sua influência na produção e emissão de N2O em um reator em batelada sequencial anaeróbio/aeróbio/anóxico/aeróbio com remoção de nitrogênio. Mesmo com a concentração de oxigênio dissolvido e o potencial redox controlados, a primeira fase aeróbia promoveu apenas a nitrificação parcial resultando em acúmulo de NO2 - (variando de 29 a 57%) e geração de N2O. Este NO2 - não foi totalmente consumido na fase anóxica subsequente promovendo uma produção ainda maior de N2O pela desnitrificação parcial. Foi observada uma relação direta entre o acúmulo de NO2 - nessas fases e a produção de N2O. Enquanto na primeira fase aeróbia a razão N2O/NO2 - variou entre 0,5 a 8,5%, na anóxica foi entre 8,3 e 22,7%. Portanto, houve uma maior produção de N2O durante a fase anóxica do que na primeira fase aeróbia. Com isso, os maiores fluxos de N2O ocorreram na segunda fase aeróbia, variando de 706 a 2416 mg N m-2 h-1, assim que a aeração foi acionada. A promoção da nitrificação e da desnitrificação completas neste sistema mostrou ser o fator chave para evitar o acúmulo de NO2 - e, consequentemente, a emissão de N2O.

Abstract Biological wastewater treatment processes with biological nitrogen removal are potential sources of nitrous oxide (N2O) emissions. It is important to expand knowledge on the controlling factors associated with N2O production, in order to propose emission mitigation strategies. This study therefore sought to identify the parameters that favor nitrite (NO2 -) accumulation and its influence on N2O production and emission in an anaerobic/aerobic/anoxic/aerobic sequencing batch reactor with biological nitrogen removal. Even with controlled dissolved oxygen concentrations and oxidation reduction potential, the first aerobic phase promoted only partial nitrification, resulting in NO2 - build-up (ranging from 29 to 57%) and consequent N2O generation. The NO2 - was not fully consumed in the subsequent anoxic phase, leading to even greater N2O production through partial denitrification. A direct relationship was observed between NO2 - accumulation in these phases and N2O production. In the first aerobic phase, the N2O/NO2 - ratio varied between 0.5 to 8.5%, while in the anoxic one values ranged between 8.3 and 22.7%. Higher N2O production was therefore noted during the anoxic phase compared to the first aerobic phase. As a result, the highest N2O fluxes occurred in the second aerobic phase, ranging from 706 to 2416 mg N m-2 h-1, as soon as aeration was triggered. Complete nitrification and denitrification promotion in this system was proven to be the key factor to avoid NO2 - build-up and, consequently, N2O emissions.

Resumo O principal objetivo deste estudo foi determinar os efeitos das diferentes condições operacionais, tais como carga orgânica variável, diferentes idades do lodo e taxas de aeração, limitação das concentrações de oxigênio dissolvido (OD) e choque de carga de amônio (NH4 +), nas rotas de remoção do nitrogênio total (NT) e nas emissões de óxido nitroso (N2O) provenientes de um sistema de lodos ativados em escala de bancada. Idades do lodo reduzidas (5 dias) combinadas com baixas concentrações de OD (0,5 mg L-1) foram responsáveis por uma baixa eficiência de oxidação do NT Kjeldahl (NTK) e, consequentemente, negligenciáveis taxas de acúmulo de nitrito (NO2 -). Esses resultados sugerem uma perda na eficiência da nitrificação completa em razão do maior comprometimento do OD com à oxidação da matéria orgânica, com a maior parcela do N removida pela incorporação ao lodo excedente. O aumento da idade do lodo (de 5 para 10 dias) combinada com o aumento da concentração de OD para 1,0 mg L-1, levaram ao alcance das taxas máximas de oxidação do NTK e de acúmulo de NO2 -, o que representou uma condição ótima para ambos os processos de oxidação da matéria orgânica e nitrificação incompleta. Sob essas condições, a transferência de gás para a atmosfera tornou-se a rota preferencial de remoção do NT. No entanto, a contribuição do N2O foi estimada em até 5,6% da carga de NT afluente. Condições de stress (choque de carga de NH4 +) e aeração insuficiente podem causar períodos de limitação de OD e acúmulo de NO2 -, podendo levar assim à maiores emissões de N2O. Portanto, o controle adequado das concentrações de OD é o fator chave para evitar o acúmulo de NO2 - e, consequentemente, maiores emissões de N2O.

Abstract This study sought to determine the effects of different operating conditions, such as variable organic loading, different sludge retention times (SRTs) and airflow rates, limited dissolved oxygen (DO) concentrations and ammonium (NH4 +) shock loading on total nitrogen (TN) removal routes and nitrous oxide (N2O) emissions in a lab-scale activated sludge system. 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 into the sludge waste. However, N2O contribution is estimated as less than 5.6% (with respect to TN in the influent). Insufficient aeration and stress conditions (such as NH4 + shock loading) can cause limited DO conditions and NO2 - accumulation, leading to higher amounts of emitted N2O. Therefore, the adequate control of DO concentrations is a key factor to avoid NO2 - accumulation and consequently high N2O emissions.

As concentrações de N2O dissolvido e os fluxos de N2O na interface água-ar (utilizando câmaras estáticas) foram determinados ao longo do Rio Paquequer e em alguns de seus tributários. As concentrações de N2O variaram de 0,32 a 4,7 μgN.L-1, e os fluxos de N2O, de <0,56 a 141 μgN.m-2 .h-1 . As menores concentrações e fluxos de N2O ocorreram nas cabeceiras do Rio Paquequer e do Córrego Príncipe, e a maiores, nos trechos urbanos e no Córrego Fischer. As concentrações de N2O dissolvido e os fluxos de N2O na interface água-ar foram positivamente correlacionados com a alta variabilidade nas concentrações de NH4+. Espera-se que a taxa de emissão de N2O, em massa de N, no trecho poluído do Rio Paquequer seja maior do que o valor estimado de 0,62 kgN.dia-1, uma vez que a transferência pela purga em razão da turbulência provocada por cascatas, cachoeiras e corredeiras não foi determinada.

Dissolved N2O concentrations and water-air fluxes (using floating chambers) were measured along the Paquequer River and in some tributaries. Concentrations ranged from 0.32 to 4.7 μgN.L-1 and fluxes from <0.56 to 141 μgN.m-2.h-1. The lowest N2O concentrations and fluxes were found in the headwaters of Paquequer river and in Príncipe brook, and the highest within the urban boundaries and in Fischer brook. Dissolved N2O concentrations and water-air fluxes were positively correlated with highly variable NH4+concentrations. Mass emission rate of N2O in the polluted stretch of Paquequer River is likely to be higher than the estimate 0.62 kgN.day-1 since transfer by turbulent degassing in falls, cascades and rapids were not determined.