Effect of salinity on the performance of a sequencing batch reactor during the remediation of agricultural wastewater with duckweed as vegetation: Effect on the dominant microbial species

Resumo Técnico: Efeito da Salinidade em um Reator de Batelada Sequencial Simbiótico Baseado em Lentilha-d'água

Definição do Problema
As águas residuais agrícolas frequentemente contêm altos níveis de nutrientes e pesticidas, mas estão cada vez mais contaminadas com sais devido à salinização do solo por má gestão e irrigação salina. Sistemas de tratamento biológico, incluindo reatores simbióticos baseados na natureza, são eficazes para águas residuais ricas em nutrientes, mas sua estabilidade sob condições hipersalinas permanece uma lacuna crítica de conhecimento. A alta salinidade pode obstruir a infraestrutura e inibir processos biológicos, contudo, poucos estudos analisaram o desempenho de biorreatores naturais que tratam águas residuais agrícolas com múltiplos poluentes (nutrientes e pesticidas) sob estresse de salinidade gradual.

Metodologia
O estudo utilizou um Reator de Batelada Sequencial (SBR) previamente aclimatado, operando como um sistema simbiótico com lentilha-d'água (Lemna spp.) como a vegetação. O reator estava operacional há 413 dias antes desta investigação específica.

• Design Experimental: O reator foi submetido a um aumento escalonado na concentração de NaCl no efluente, variando de 0 g/L a 30 g/L em incrementos de 5 g/L. Cada fase de salinidade durou aproximadamente 35 dias para permitir o alcance do estado estacionário. Uma fase de recuperação (0 g/L NaCl) seguiu a fase de 30 g/L para avaliar a reversibilidade do sistema.
• Características do Alimentação: A água residual agrícola sintética continha ureia (600 mg/L), N-P-K (100 mg/L) e o pesticida Tiametoxam (30 mg/L).
• Parâmetros Monitorados: O estudo rastreou a eficiência de remoção de ureia, DQO, Sólidos Totais Dissolvidos (STD), fósforo (PO₄³⁻-P), potássio (K⁺) e nitrogênio amoniacal (NH₄⁺-N).
• Análise de Biomassa e Solo: Os pesquisadores mediram as concentrações de biomassa suspensa e de solo, além do rendimento e produtividade da biomassa. As propriedades do solo, incluindo gravidade específica, Índice de Volume de Lodo (SVI), Densidade Seca Máxima (MDD) e composição elementar (C, H, N, S), foram analisadas.
• Análise Microbiana: A análise de cultura pura foi realizada em duas espécies microbianas dominantes isoladas da biomassa do reator: Exiguobacterium aurantiacum cepa 1910ICU112 e Staphylococcus haemolyticus cepa JCM 2416.

Principais Resultados

1. Desempenho de Remoção de Poluentes:

   • Tendência Geral: As eficiências de remoção de ureia, DQO, potássio e amônia-N diminuíram significamente conforme a salinidade aumentou. A remoção de ureia caiu de 99% (0 g/L) para 12% (30 g/L); a remoção de DQO caiu de 8-8% para 9%; a remoção de potássio diminuiu de 98% para 5%; e a remoção de amônia-N diminuiu de 81% para 29%.
   • Fósforo: A remoção de fósforo permaneceu estável até que a salinidade atingisse 25 g/L, após o qual começou a declinar, caindo para 78% em 30 g/L.
   • Transformação de Nitrogênio: A oxidação da amônia em nitrato e nitrito foi prejudicada. Consequentemente, a formação de nitrato-N e nitrito-N diminuiu, indicando que a amônia foi removida primariamente via assimilação, em vez de nitrificação.
   • Recuperação: Ao retornar para 0 g/L de NaCl, o reator apresentou uma recuperação significativa nas taxas de remoção e na atividade da biomassa, sugerindo a resiliência do sistema.

2. Dinâmica de Biomassa e Solo:

   • Redução de Biomassa: A biomassa total do reator diminuiu de 9,21 g/L para 7,49 g/L conforme a salinidade subiu para 30 g/L. Tanto a taxa de rendimento quanto a produtividade da biomassa declinaram correspondentemente.
   • Características do Solo: O Índice de Volume de Lodo (SVI) e a Densidade Seca Máxima (MDD) aumentaram, indicando uma estrutura de solo "fofa", provavelmente causada pelo assentamento de biomassa morta e adsorção de cátions. A gravidade específica do solo diminuiu.
   • Composição Elementar: O conteúdo de C, H, N e S no solo aumentou, atribuído ao acúmulo de biomassa morta. As concentrações de metais pesados no solo permaneceram dentro dos limites prescritos para descarte seguro.

3. Atividade Microbiana:

   • A análise de cultura pura revelou que, embora tanto a Exiguobacterium aurantiacum quanto a Staphylococcus haemolyticus sejam tolerantes ao sal, sua capacidade de degradar poluentes (ureia, DQO, STD, fósforo e amônia) foi significamente reduzida na presença de alta salinidade combinada com pesticidas.
   • A Exiguobacterium aurantiacum demonstrou melhor capacidade de remoção de poluentes do que a Staphylococcus haemolyticus sob estresse, embora ambas tenham sido inibidas em comparação com as condições não salinas.

Significância e Alegações
O artigo alega ser o primeiro a relatar os efeitos específicos da salinidade sobre diferentes tipos de biomassa em um reator simbiótico tratando águas residuais agrícolas com múltiplos poluentes. O estudo preenche uma lacuna na literatura ao avaliar a estabilidade de sistemas baseados na natureza não apenas para nutrientes, mas na presença de pesticidas e níveis variáveis de salinidade.

Os autores concluem que, embora a alta salinidade afete negativamente o desempenho geral do reator simbiótico ao reduzir a atividade da biomassa e as taxas de remoção de poluentes (particularmente para nitrogênio e compostos orgânicos), o sistema possui um potencial de recuperação uma vez que o estresse salino é removido. Além disso, o solo do fundo do reator permaneceu estável e livre de acúmulo perigoso de metais pesados, sugerindo que pode ser descartado com segurança após o ciclo de vida do reator. A pesquisa destaca que, embora a remoção de fósforo seja relativamente robusta até 25 g/L de NaCl, a presença simultânea de pesticidas e alta salinidade cria um ambiente mais desafiador para até mesmo linhagens microbianas tolerantes ao sal do que documentado anteriormente em estudos focados apenas em nutrientes.