Abstract Thermophilic anaerobic digestion treatment of industrial wastewater generated at high temperatures can be used as an alternative for environmental pollution control and bioenergy production. Therefore, this study investigated thermophilic anaerobic reactors containing immobilized biomass (AnSBBR) to treat vinasse for methane production, in batch and fed-batch mode, in a three-step approach. In Step I (batch), the biomass was properly adapted to the thermophilic condition (55 °C) with a feed containing vinasse plus molasses as a co-substrate. In Step II (batch), the applied volumetric organic load (AVOL) was increased and resulted in a methane molar productivity of 304 molCH4.m-3.d-1 at an AVOL of 25.9 gCOD.L-1.d-1 and a yield of methane per removed organic matter near 331 NmL-CH4.gCOD-1. In Step III, a fed-batch strategy was employed at an AVOL of 25.1 gCOD.L-1.d-1 and achieved an optimum methane productivity of 352 molCH4.m-3.d-1 with COD and carbohydrate removal efficiencies of approximately 80 % and 90%, respectively. A kinetic model fitted to the experimental data allowed better understanding of the anaerobic metabolic reactions. Finally, the results obtained demonstrated that a thermophilic AnSBBR is an efficient technological alternative for methane production through vinasse digestion.

La alcalinidad bicarbonática tiene papel fundamental en la estabilidad de reactores biológicos aplicados al tratamiento de aguas residuales, principalmente en sistemas anaerobios. Como algunas aguas residuales pueden sufrir severa acidificación, en algunos casos es necesaria la adición de una fuente externa de alcalinidad para que el proceso sea conducido de forma estable. En ese contexto, se evaluó el efecto de la adición de bicarbonato de sodio sobre la determinación de la concentración de sólidos. La metodología consistió en la evaluación de las concentraciones de sólidos (sólidos totales - ST, sólidos volátiles totales - SVT y sólidos fijos totales - SFT) en muestras conteniendo suero de queso y ácidos volátiles (para simulación de efluentes de reactores anaerobios). Los valores de ST, SVT y SFT fueran fuertemente influenciados, principalmente debido al aumento de los SFT. Ese efecto fue cuantificado relacionándose los valores experimentales con los teóricos, determinados por las reacciones estequiométricas de la descomposición del bicarbonato de sodio y otros compuestos formados (acetato de sodio y propionato de sodio) con el aumento de la temperatura. Así, como un de los principales parámetros de evaluación de sistemas de tratamiento de aguas residuales es la remoción de sólidos presentes en el medio, la concentración de sólidos puede ser evaluada de forma más adecuada teniendo en cuenta la determinación de los sólidos fijos debido a las sales inorgánicas. Esa metodología es considerada adecuada cuando se adiciona grande cantidad de alcalinizad a la agua residual.

Bicarbonate alkalinity plays an important role in the stability of biological reactors used in wastewater treatment, primarily in anaerobic systems. As some wastewaters tend to acidify readily, addition of an external alkali source may be necessary to maintain process stability. An assessment was made of the effect of sodium bicarbonate addition on the determination of solids concentration. The methodology consisted in accompanying a series of solids concentrations (total solids, TS; total volatile solids, TVS; and total fixed solids, TFS) in samples containing cheese whey and volatile acids used to simulate anaerobic reactor effluents. TS, TVS and TFS showed to be strongly affected by NaHCO3 addition, mainly due to an increase in TFS. This effect could be quantified by relating the experimental values to the theoretical ones from the stoichiometric equations for NaHCO3 decomposition and other compounds (sodium acetate and sodium propionate) formation with temperature increase. In this way, as one of the main parameters of assessing liquid effluent treatment systems is the reduction in solids present in the medium, the concentration of solids can be quantified more adequately by determining fixed solids from the inorganic salts present. This methodology showed to be adequate in cases where a significant amount of alkali is added.

A alcalinidade a bicarbonato exerce papel fundamental na estabilidade de reatores biológicos aplicados ao tratamento de águas residuárias, principalmente em sistemas anaeróbios. Como algumas águas residuárias possuem a tendência de acidificar rapidamente, em alguns casos faz-se necessária a adição de uma fonte externa de alcalinidade para que seja mantida a estabilidade do processo. Neste contexto, avaliou-se a influência da adição de bicarbonato de sódio na determinação da concentração de sólidos. A metodologia consistiu no acompanhamento das concentrações da série de sólidos (sólidos totais - ST, sólidos voláteis totais - SVT e sólidos fixos totais - SFT) em amostras contendo soro de queijo e ácidos voláteis (para simular efluentes de reatores anaeróbios). Os valores de ST, SVT e SFT foram fortemente influenciados, principalmente devido ao aumento dos SFT. Dessa forma, foi possível quantificar este efeito relacionando-se os valores experimentais com valores teóricos determinados a partir das equações estequiométricas de decomposição do bicarbonato de sódio e outros compostos formados (acetato de sódio e propionato de sódio) com o aumento da temperatura. Assim, como um dos principais parâmetros de avaliação de sistemas de tratamento de efluentes líquidos é a redução dos sólidos presentes no meio, torna-se possível quantificar de maneira mais adequada o seu valor pela determinação dos sólidos fixos devido aos sais inorgânicos presentes. Portanto, esta metodologia de análise mostrou-se adequada para as os casos em que a quantidade de alcalinizante adicionado é significativa.

Este trabajo evaluó el comportamiento hidrodinámico y la remoción de materia orgánica en un reactor anaerobio de lecho fijo rellenado con espuma de poliuretano (0,5cm) y operado por lotes secuenciales con recirculación de la fase líquida. El estudio hidrodinámico fue realizado sin microorganismos y con velocidad superficial de líquido entre 0,16 y 0,80cm/s. El reactor fue operado de forma continua para evaluar el patrón de flujo en el lecho y por lotes para estimar el tiempo de mezcla de la fase fluida. Bajo operación continua, el flujo pudo ser caracterizado como pistón y, en el caso de operación discontinua, el tiempo de mezcla fue considerado despreciable cuando fue comparado al tiempo total de reacción a ser utilizado en la operación por lotes para remoción de la materia orgánica. El reactor, rellenado con biomasa anaerobia inmovilizada sobre espuma de poliuretano, fue operado en lotes de 8h con temperatura de 30 ±1ºC y alimentado con agua residual elaborada con glucosa y con demanda química de oxígeno de 500mg/L aproximadamente. El desempeño del proceso fue evaluado sin recirculación de la fase líquida y con recirculación, con aplicación de velocidad superficial de 0,19cm/s. Los mejores resultados de estabilidad del proceso anaerobio y de remoción de materia orgánica fueron alcanzados con la recirculación de la fase liquida, con valores hasta 95%.

An assessment was made of the hydrodynamic behavior and organic matter removal of a fixed bed anaerobic sequencing batch reactor with liquid-phase circulation, containing 0.5cm polyurethane foam cubes. The hydrodynamic study was performed without biomass and with superficial rates ranging from 0.16 to 0.80cm/s, employing continuous operation to quantify the flow behavior in the bed and discontinuous operation to quantify mixing time. In the continuous mode the bed showed a piston flow behavior. In the discontinuous operation mode the mixing time obtained in all conditions may be considered negligible when compared to the total cycle time to be employed in the assay with biomass. In the assay regarding organic matter removal, 8h cycles were employed in sequencing batch mode using anaerobic biomass. The reactor was maintained at 30 ±1ºC, treated glucose-based synthetic wastewater with a concentration of approximately 500mgCOD/L. Reactor performance was assessed for the condition without liquid circulation as well as at a superficial circulation rate of 0.19cm/s. The reactor presented better performance and stability for the circulation condition, achieving efficiencies as high as 95% organic matter removal.

O presente trabalho constou da avaliação dos comportamentos hidrodinâmico e de remoção de matéria orgânica de um reator anaeróbio de leito fixo, contendo cubos de espuma de poliuretano de 0,5cm de lado, operado em batelada seqüencial e recirculação da fase líquida. O estudo hidrodinâmico foi realizado sem biomassa e com velocidade superficial entre 0,16 e 0,80cm/s operando o reator nos modos contínuo, no intuito de quantificar o comportamento de escoamento no leito, e descontínuo, no intuito de quantificar o tempo de mistura. O comportamento do escoamento no leito foi como o de um reator de fluxo pistonado, no caso da operação de modo contínuo, e o tempo de mistura obtido em todas as condições pode ser considerado desprezível quando comparado ao tempo total do ciclo a ser utilizado no ensaio com biomassa, no caso da operação de modo descontínuo. No ensaio para remoção de matéria orgânica, o reator foi operado com biomassa anaeróbia, no modo batelada seqüencial com ciclos de 8h e mantido a 30 ±1ºC, tratando água residuária sintética elaborada à base de glicose, com concentração de aproximadamente 500mgDQO/L. O desempenho do reator foi avaliado para a condição sem circulação do líquido e também para velocidade superficial de recirculação de 0,19cm/s, sendo que para a condição com recirculação o reator apresentou melhores desempenho e estabilidade, apresentando eficiências de até 95% de remoção da matéria orgânica.

Un reactor anaerobio de lotes secuenciales (ASBR) y rellenado con biomasa inmovilizada sobre espuma de poliuretano fue estudiado para tratamiento de agua residual de baja carga. El reactor fue operado con circulación de la fase líquida con la finalidad de minimizar la resistencia a la transferencia de materia, típica en sistemas con células inmovilizadas. El reactor fue operado con temperatura controlada en 30ºC y lotes de 8 horas fueron utilizados para tratar un agua residual con demanda química de oxígeno (DQO) de 500mg/L. El sistema alcanzó eficiencia de remoción de materia orgánica de 72% cuando la recirculación no fue utilizada y de 87% cuando la recirculación de la fase líquida fue empleada, o sea, el desempeño del reactor aumentó cuando la recirculación fue implementada. Además, el modelo cinético de primer orden con una concentración residual de materia orgánica fue ajustado a los datos experimentales para evaluar la influencia de la recirculación del líquido sobre el rendimiento del reactor. El parámetro cinético aparente de primer orden aumentó de 1,19 hasta 2,00h-1 cuando la velocidad superficial del líquido fue aumentada de 0,032 para 0,191cm/s, hasta alcanzar un valor estable (1,90h-1) para valores mayores de velocidad superficial (de 0,191 hasta 0,467cm/s).

An anaerobic sequencing batch reactor (ASBR) containing biomass immobilized in polyurethane foam was used to treat low strength wastewater. The reactor was operated with liquid-phase external circulation in order to minimize the mass transfer limitations, typical of systems containing immobilized biomass. The reactor was operated at 30ºC and an 8-hour cycle was used to treat a synthetic wastewater with chemical oxygen demand (COD) of 500mg/L. The system achieved overall substrate removal efficiency of 72% with no circulation and 87% when circulation was implemented, i.e., the reactor performance increased as mixing was implemented. Furthermore, a first-order kinetic model with residual substrate concentration was fitted to the experimental values to evaluate the influence of liquid circulation on the reactor performance during a cycle time. The apparent first-order parameter was seen to increase (from 1.19 to 2.00h-1) with increasing superficial velocity (from 0.032 to 0.191cm/s) up to a stable value (1.90h-1) for higher values of superficial velocity (from 0.191 to 0.467cm/s).

Um reator anaeróbio operado em batelada seqüencial (ASBR) contendo biomassa imobilizada em espuma de poliuretano foi utilizado para o tratamento de água residuária de baixa carga. O reator foi operado com recirculação externa da fase líquida visando minimizar as limitações à transferência de massa, típicas dos sistemas contendo biomassa imobilizada. O reator foi operado a 30ºC utilizando ciclos de 8 horas para tratar água residuária sintética com demanda química de oxigênio (DQO) de 500mg/L. O sistema atingiu eficiência global de remoção de substrato de 72% na condição sem recirculação e 87% quando a circulação foi implementada, i.e., o desempenho do reator aumentou com a implementação da recirculação. Além disso, um modelo cinético de primeira ordem com uma concentração residual de substrato foi ajustado aos valores experimentais para avaliar a influência da recirculação do líquido no desempenho do reator durante o ciclo. O parâmetro aparente de primeira ordem aumentou (de 1,19 a 2,00h-1) com o aumento da velocidade superficial (de 0,032 a 0,191cm/s) até um valor estável (1,90h-1) para valores maiores de velocidade superficial (de 0,191 a 0,467cm/s).