Efeitos dos gradientes de concentração de Mn²⁺ no desempenho do MBBR

Efeitos dos gradientes de concentração de Mn²⁺ no desempenho do MBBR

Aplicação de Manganês em Resíduos de Nitrogênio e FósforoTratamento de Água

O manganês (Mn), um oligoelemento essencial, desempenha um papel vital nos processos biogeoquímicos e é o segundo metal de transição mais abundante na crosta terrestre (0,1%), depois do ferro. Em leito móvel Reator de biofilmes (MBBRs), o ciclo redox mediado por Mn provou ser eficaz na remoção de micropoluentes, incluindo antibióticos e antidepressivos. A combinação da desnitrificação mixotrófica induzida por Mn com a degradação orgânica atraiu atenção significativa para a remoção de nitrogênio.

A transição redox entre Mn²⁺ e Mn⁴⁺ promove o enriquecimento de bactérias desnitrificantes e genes funcionais, potencializando a remoção de poluentes. A integração da MBBR com a ciclagem de Mn alcança Eficiência de remoção de nitrogênio total (TN) de 84,7%, ao mesmo tempo que altera significativamente as comunidades microbianas para facilitar a degradação simultânea de nitrogênio e matéria orgânica. Estudos mostram que os óxidos de manganês (MnOx) e Mn²⁺ participam da transformação do nitrogênio, onde o MnOx pode oxidar NH₄⁺-N para NO₃⁻-N.

Mecanismos de remoção de nitrogênio mediada por Mn

1. Nitrificação e Redução de Manganês

• A redução de MnOx acoplada à nitrificação, mediada por bactérias redutoras de Mn, produz NO₃⁻-N e NO₂⁻-Ncomo produtos finais.
• Ao contrário da nitrificação convencional, oxidação anaeróbica de amônio(anammox) converte diretamente NH₄⁺-N para N₂sob condições anóxicas usando MnOx como um aceitador de elétrons.

2. Desnitrificação e acoplamento redox de Mn

• NO₃⁻-N e NO₂⁻-N da nitrificação podem se acoplar com reoxidação de MnOx reduzido, melhorando a remoção de TN.
• Mn²⁺ e seus subprodutos de oxidaçãoservem como doadores de elétrons para desnitrificação, removendo simultaneamente Mn²⁺ das águas residuais.

3. Oxidação microbiana de Mn²⁺

• A oxidação microbiana de Mn²⁺ em MnOx biogênico (BioMnOx) é conduzida por bactérias heterotróficas e autotróficas oxidantes de Mn, com heterótrofos (por exemplo, Cupriavidus sp. HY129) desempenhando um papel dominante.
• Enzimas como multicobre oxidases (MCOs)e heme peroxidases animais (AHPs)catalisar a oxidação do Mn²⁺.
• O BioMnOx exibe capacidade oxidativa superior em comparação ao MnOx natural, degradando efetivamente antibióticos (por exemplo, tetraciclina, ciprofloxacino, sulfametoxazol).

Remoção de fósforo por Mn

Ao contrário do nitrogênio, o fósforo não pode ser convertido em formas gasosas e é removido principalmente por imobilização.

• Adsorção de MnOx: O MnOx atua como um forte adsorvente de fosfato (PO₄³⁻).
• Precipitação de Mn²⁺-Fosfato: Durante a redução do MnOx, o Mn²⁺ liberado reage com o fosfato para formar compostos insolúveis Mn₃(PO₄)₂.
• Regeneração BioMnOx: Em MBBRs anaeróbicos-aeróbicos, BioMnOx regenerado a partir da oxidação de Mn²⁺ exibe maior capacidade de adsorção de micropoluentes.

Principais descobertas e aplicações

• Concentração ideal de Mn²⁺: Cupriavidus sp. HY129 alcança Remoção de 8% de NO₃⁻-N e 87,2% de Mn²⁺, mas o excesso de Mn²⁺ pode causar Acúmulo de NO₂⁻-N.
• Remoção robusta de Mn²⁺ em MBBR: BioMnOx gerado em MBBR adsorve Mn²⁺ continuamente, sem ser afetado por choques iniciais de Mn²⁺.
• Remoção Aprimorada de Poluentes: Adicionar Mn²⁺ ao MBBR melhora remoção simultânea de NH₄⁺-N, NO₃⁻-N, DQO e TP, tornando-se uma estratégia promissora para o tratamento de águas residuais.

Efeitos da concentração de Mn²⁺ na remoção simultânea de nitrogênio e manganês em sistemas MBBR

O sistema MBBR, acoplado à ciclagem redox de manganês, demonstra remoção eficaz de nutrientes (nitrogênio e fósforo) por meio de reações redox mediadas biologicamente. Conforme mostrado nas Figuras abaixo, o sistema manteve desempenho estável no tratamento de NH₄⁺-N, NO₃⁻-N, NO₂⁻-N, TN, TP, DQO e Mn²⁺ em quatro fases operacionais.

Principais descobertas

1. Eficiência de remoção de NH₄⁺-N

• Em concentrações de Mn²⁺ de 0, 2, 5 e 10 mg/L, as eficiências médias de remoção de NH₄⁺-N foram 85%, 75,92%, 75,27% e 80,21%, respectivamente.
• Desempenho idealfoi observado em 10 mg/L Mn²⁺, com um Taxa de remoção de 21%(aumento de 7,36% vs. controle).
• Os resultados confirmam que o Mn²⁺ aumenta a eficiência da nitrificação em biofilmes MBBR.

2. Eficiência de remoção de TN

• Taxas de remoção de TN: 53% (0 mg/L), 37,58% (2 mg/L), 45,87% (5 mg/L) e 47,42% (10 mg/L).
• Eficiência máxima (47,42%)ocorreu em 10 mg/L Mn²⁺, indicando desnitrificação melhorada.

3. Eficiência de remoção de DQO

• Sem Mn²⁺: 77% de remoção(344,87 → 119,13 mg/L).
• Com Mn²⁺: 96% (2 mg/L), 70,51% (5 mg/L) e 80,95% (10 mg/L).
• Adição de Mn²⁺ aumenta significativamente a degradação do DQO.

4. Eficiência de remoção de Mn²⁺

• Eliminação quase completa: 97,76% (2 mg/L), 99,42% (5 mg/L), 99,68% (10 mg/L).
• A formação de BioMnOx permite adsorção contínua de Mn²⁺, mesmo sob cargas de choque.

5. Eficiência de remoção de TP

• Menor TP de efluente (5,62 mg/L)no 10 mg/L Mn²⁺, sugerindo atividade PAO aumentada.

6. Dinâmica de NO₃⁻-N e NO₂⁻-N

• Acúmulo de NO₃⁻-Naumentou com a dosagem de Mn²⁺ (provavelmente devido a estimulação da nitrificação).
• Níveis de NO₂⁻-Npermaneceu baixo (0,02–1,13 mg/L), indicando desnitrificação parcial estável.

Conclusões

• Dosagem ideal de Mn²⁺: 10 mg/L, maximizando Remoção de TN (47,42%), NH₄⁺-N (80,21%) e DQO (80,95%)enquanto minimiza o TP.
• Mecanismos:
• Mn²⁺ → A conversão de BioMnOx melhora remoção de nitrogênioe adsorção de metais pesados.
• O ciclo redox de Mn promove degradação sinérgica de NH₄⁺-N e DQO.
• Robustez: MBBR suporta flutuações de Mn²⁺ sem inibição de desempenho.