Remoção autotrófica de nitrogênio amoniacal de lixiviado de aterro sanitário : estratégias de engenharia de microbiomas

Abstract

Resumo: O lixiviado de aterro sanitário é uma água residuária complexa e que exige tratamento para mitigar seu impacto ambiental. Neste estudo, o lixiviado apresentou elevada concentração de nitrogênio amoniacal total (NAT), superior a 600 mg N L-1, e limitada disponibilidade de matéria orgânica biodegradável, estimada entre 26% e 39% da matéria orgânica total, características que favorecem o tratamento por bioprocessos autotróficos como a nitrificação parcial e o anammox. O lixiviado exerceu efeito inibitório ao crescimento das raízes de Allium cepa, o que sugere a sua potencial toxicidade. Para o tratamento do lixiviado, dois biorreatores aeróbios em escala de bancada, denominados R1 e R2, foram operados em bateladas sequenciais por 600 dias. Durante a operação de R1 e R2, três estratégias de engenharia de microbiomas foram avaliadas: aclimatação e enriquecimento da biomassa nitrificante, manipulação das condições operacionais e bioaumento. A aclimatação com meio mineral e baixa concentração de NAT afluente (160 mg N L-1) resultou em eficiência média de remoção do NAT de 90% para ambos os biorreatores, provavelmente devido à intensificação da atividade das bactérias oxidantes da amônia (BOA). A manipulação das condições de aeração e o controle da concentração de oxigênio dissolvido demonstraram ser eficazes na redução do consumo energético e na limitação da produção de lodo excedente. A mudança da aeração contínua para a intermitente não prejudicou a eficiência de remoção do NAT. Entretanto, o aumento da concentração do afluente, de 160 mg N L-1 para 400 mg N L-1, esteve associado à redução da eficiência de remoção do NAT para ambos os biorreatores, com variação entre 31% e 88% durante o tratamento do lixiviado. O bioaumento contribuiu para o maior acúmulo de nitrito, beneficiando bioprocessos autotróficos como a nitrificação parcial e o anammox. Durante a operação dos biorreatores, foram identificados desafios associados ao controle da atividade das bactérias oxidantes do nitrito (BON), que podem dificultar a implementação de alguns bioprocessos. Por exemplo, a concentração da amônia livre, que variou entre 3,1 mg N L-1 e 108,3 mg N L-1, e a aeração intermitente não provocaram a inibição significativa e duradoura desses organismos, contrariando estudos prévios. A caracterização da microbiota revelou a predominância dos gêneros Nitrosomonas e Nitrospira como os principais representantes de BOA e BON, respectivamente. Foram também identificadas sequências associadas a bactérias anaeróbias do gênero "Candidatus Kuenenia", o que sugere a formação de micronichos durante o adensamento dos flocos biológicos de R1 e R2. Apesar das condições associadas ao tratamento do lixiviado favorecerem os bioprocessos autotróficos, foram detectados gêneros de bactérias heterotróficas desnitrificantes, como Denitratisoma, que podem ter contribuído para a remoção do nitrogênio do lixiviado. Os resultados sugerem que as estratégias de engenharia de microbiomas podem favorecer a manutenção de grupos microbianos com capacidades metabólicas distintas em sistemas de tratamento de lixiviado. Finalmente, o conhecimento produzido nesta pesquisa pode contribuir para o desenvolvimento de abordagens mais eficientes e de menor custo para a remoção do nitrogênio amoniacal, auxiliando no cumprimento da legislação ambiental e redução dos impactos negativos causados pelo lixiviado de aterro sanitário

Abstract: Landfill leachate is a complex water matrix that requires treatment to mitigate its environmental impact. In this study, the leachate exhibited a high concentration of ammonia nitrogen (exceeding 600 mg N L-1) and a low concentration of biodegradable organic matter, estimated to range between 26% and 39% of the total organic matter concentration. These characteristics favor treatment by autotrophic bioprocesses, such as partial nitrification and anammox. The leachate inhibited Allium cepa root growth, indicating potential toxicity. Two aerobic bench-scale bioreactors, labeled R1 and R2, were operated in sequential batch mode for a total of 600 days. Three microbiome engineering strategies were assessed during the operation of R1 and R2: acclimatization and enrichment of the nitrifying biomass, manipulation of operating conditions, and bioaugmentation. Acclimatization with a mineral medium and low influent total ammonia nitrogen (TAN) concentration (160 mg N L-1) resulted in an average TAN removal efficiency of 90% in both bioreactors, likely due to enhanced activity of ammonia-oxidizing bacteria (AOB). Adjustments to the aeration conditions and dissolved oxygen levels proved to be effective in reducing energy consumption and limiting excess sludge production. The effectiveness of TAN removal was not affected when the aeration mode was changed from continuous to intermittent. However, when the influent TAN concentration increased from 160 mg N L-1 to 400 mg N L-1, the TAN removal efficiency in both bioreactors decreased, ranging between 31% and 88% during the leachate treatment. Bioaugmentation increased nitrite accumulation, enhancing autotrophic bioprocesses such as partial nitrification and anammox. However, challenges appeared during bioreactor operations in controlling the activity of nitrite-oxidizing bacteria (NOB), which can hinder the implementation of certain bioprocesses. Free ammonia concentrations ranging from 3.1 mg N L-1 to 108.3 mg N L-1 and intermittent aeration did not significantly inhibit these organisms, contradicting previous findings. Microbial characterization showed that Nitrosomonas and Nitrospira were the dominant genera of AOB and NOB, respectively. Additionally, sequences related to anaerobic bacteria of the genus "Ca. Kuenenia" were identified, indicating the formation of microniches within the biological flocs of R1 and R2. Even though the conditions were favorable for autotrophic bioprocesses, heterotrophic denitrifying bacteria, such as Denitratisoma, were also found and may have played a role in reducing nitrogen levels in the leachate. These findings indicate that microbiome engineering strategies could help maintain microbial groups with unique metabolic capabilities in leachate treatment systems. Finally, the knowledge gained from this research may aid in developing more efficient and cost-effective methods for ammonia nitrogen removal, thereby facilitating compliance with environmental regulations and reducing the negative impacts of landfill leachate