Landfill leachate treatment by ozonation and membrane separation processes - Marques, Everton Gripa (UFRJ, 2021)
[PT] O lixiviado de aterro sanitário de resíduos sólidos é uma mistura complexa de compostos orgânicos e inorgânicos e pode causar sérios prejuízos ao meio ambiente devido à alta concentração de matéria orgânica recalcitrante e toxicidade. As características físico-químicas e biológicas do lixiviado dependem diretamente do tipo, idade e operação do aterro, assim como das condições meteorológicas e da natureza do resíduo sólido depositado. Portanto, encontrar o tratamento apropriado para esse tipo de efluente é uma tarefa desafiadora e um constante tópico de pesquisa. Ao longo do tempo, os aterros tendem a produzir lixiviado mais concentrado em matéria orgânica recalcitrante, o que o torna menos suscetível aos processos biológicos usualmente empregados como tratamento. Esse fenômeno, associado à legislação ambiental cada vez mais restritiva, cria uma demanda por novos métodos capazes de tratar esse efluente. Nesse cenário, processos de separação por membrana, em especial a osmose inversa (OI), possuem grande valor, mas enfrentam um grande obstáculo com a redução do fluxo de permeado ao longo do tempo de operação, principalmente devido ao fouling. Nesta tese, tecnologias foram avaliadas como opções de pré-tratamento à OI para tratar lixiviado. Inicialmente, foi utilizado um processo de ozonização em batelada para avaliar a sua eficácia como pré-tratamento em etapa única. Amostras de lixiviado de dois aterros distintos foram coletadas e caracterizadas. O modified fouling index (MFI) foi utilizado para estimar o potencial das amostras brutas e ozonizadas de causar fouling. Um planejamento experimental de superfície de resposta foi realizado para cada amostra a fim de otimizar o pH operacional e a dose de ozônio.Os resultados demonstram que as melhores condições foram 1,5 g/L de O3 em pH = 12,0 e 1,5 g/L de O3 em pH = 9,0 para os aterros 1 e 2, reduzindo o MFI das amostras em 96,22% e 94,08%, respectivamente. Além disso, observaram-se reduções significativas na ecotoxicidade de ambas as amostras. Tais resultados, junto ao comportamento similar demonstrado pelas duas amostras, sugere que a ozonização é uma tecnologia promissora para adequar esse efluente para a OI, habilitando esta membrana ao tratamento de lixiviados. Porém, a ozonização dificilmente poderia ser usada como uma etapa única de pré-tratamento. O uso de microfiltração (MF) associada à ozonização poderia diminuir a demanda de O3 e reduzir ainda mais o MFI desse efluente. Desse modo, novas amostras de lixiviado foram submetidas a diferentes combinações de ozonização e MF para melhorar a rota proposta de pré-tratamento à OI. O MFI foi novamente usado para estimar o potencial de fouling das amostras. Os resultados demonstram que a ozonização seguida por MF representa a melhor configuração de pré-tratamento, reduzindo o MFI do lixiviado em mais de 170.000 vezes. Todo o tratamento (O3 + MF + RO) é capaz de enquadrar o lixiviado aos padrões locais para descarte. Adicionalmente, notaram-se os benefícios da ozonização antes da MF quando comparada à ordem inversa tanto no menor valor de MFI (19.53 em vez de 5.10x103 s/L²) quanto na melhora do fluxo de permeado na própria MF. Por fim, os fluxos de permeado na OI ao longo de 6,5 horas de operação indicam que a rota de pré-tratamento sugerida é capaz de superar as dificuldades operacionais dessa membrana quando usada no tratamento de efluentes complexos como o lixiviado de aterro sanitário.[EN] Leachate from municipal solid waste landfills is a complex mixture of organic and inorganic compounds, and it may cause serious damage to the environment due to its high concentration of recalcitrant organic matter and toxicity. The physicochemical and biological characteristics of leachate depend directly on the type, age and operation of the landfill, as well as weather conditions and the nature of waste disposed on it. Therefore, finding the most appropriate treatment to this wastewater is a challenging task and a frequent research topic by scientific community. Over time, landfills tend to produce leachate that is richer in recalcitrant organic compounds, which makes it less susceptible to the usually applied biological processes. This phenomenon, associated with the ever-stricter environmental laws, creates a demand for novel methods for treating this effluent. In this scenario, membrane separation processes, especially reverse osmosis (RO), are of great value, but they face a major drawback with the decrease of permeate flux over operational time, mainly due to fouling. In this thesis, treatment technologies were evaluated as pretreatment options to RO for treating recalcitrant landfill leachates. Initially, batch ozonation was performed to assess its efficacy as a single-step pretreatment to RO. Leachate samples from two different landfills were collected and characterized. The modified fouling index (MFI) was used to estimate the fouling potential of raw and ozonated leachates. A response surface experimental design was applied to optimize operational pH and ozone dose. The results demonstrate that the best operational conditions were 1.5 g/L of O3 at pH 12.0 and 1.5 g/L of O3 at pH 9.0 for Landfills 1 and 2, which reduced MFI by 96.22% and 94.08%, respectively. In addition, a significant ecotoxicity reduction was observed for both samples.These results, along with the similar behavior shown for leachate samples from distinct landfills, suggest that ozonation is a promising technology to fit this kind of wastewater into the requirements of RO, enabling their use in such treatment. However, ozonation would hardly satisfy the RO requirements to be used as a single-step pretreatment. The use of microfiltration (MF) along with the ozonation step would be useful to minimize O3 demand and to reduce even more the fouling potential of this wastewater. So, new leachate samples were submitted to different combinations between ozonation and MF in order to improve the proposed pretreatment to RO. The MFI was, once again, used to estimate the fouling potential of raw and pretreated leachates. The results demonstrate that ozonation step followed by MF step represents the best layout, being able to reduce the leachate’s MFI over 170,000 times. The whole treatment (O3 + MF + RO) is capable of fitting the landfill leachate to the local standards in force for discharge in freshwater bodies. Additionally, it was possible to notice the benefits of using ozonation prior to the MF step when compared to the opposite order, both because of the smaller MFI value obtained (19.53 s/L² instead of 5.10x103 s/L²) and also for the improvement in permeate flux during MF step. Finally, the RO permeate fluxes over 6.5 hours of operation suggest that the established pretreatment route is capable of overcoming the operational difficulties presented by this type of membrane when applied in the treatment of a wastewater as complex as leachate.