22º Congresso Brasileiro de Engenharia Sanitária e Ambiental

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1 22º Congresso Brasileiro de Engenharia Sanitária e Ambiental 14 a 19 de Setembro Joinville - Santa Catarina II-157- USO DA RESPIROMETRIA NA AVALIAÇÃO DA INFLUÊNCIA DO ph NA CAPACIDADE ATIVA DAS BACTÉRIAS NITRIFICANTES Andréa Fagundes Ferreira(1) Mestre em Engenharia Civil, área de concentração em Saneamento pela Universidade Federal da Paraíba. Graduada em Engenharia Sanitária e Ambiental pela Universidade Federal do Pará. Professora da Universidade do Estado do Pará e da Universidade Federal do Pará. Adriana Guimarães Costa Mestre em Engenharia Civil, área de concentração em Saneamento pela Universidade Federal da Paraíba. Graduada em Engenharia Sanitária e Ambiental pela Universidade Federal do Pará (UFPA). Professora da Universidade do Estado do Pará e da Universidade Federal do Pará. Adrianus van Haandel Professor do Departamento de Engenharia Civil do Centro de Ciências e Tecnologia da Universidade Federal da Paraíba. PhD em Engenharia Civil/Saneamento. End (1): Trav. Mauriti no 3106 apto.204-b. Bairro: Marco. Belém-Pará. CEP: Telefone: (91) / (91) engefag@yahoo.com.br. RESUMO Visando contribuir para a evolução dos sistemas aerados, em que ocorre a nitrificação, o presente trabalho tem por objetivo desenvolver uma metodologia baseada na respirometria, que permita a determinação experimental da velocidade de reação das bactérias nitrificantes, mediante uma variação do ph do meio. Além disso, é pretendido conhecer a

2 faixa de ph ideal para o desenvolvimento destas bactérias. A faixa de ph estudada foi de 5,0 a 8,5. A metodologia aplicada teve como base a respirometria, tendo os seguintes passos: (1) Coleta de 2 litros de licor misto em um sistema mestre, sendo medida sua TCO (mg/l/h) até que essa alcançasse o valor endógeno; (2) Ajuste do ph pela adição de HCl ou NaOH; (3) Adição de substrato (10 mgn/l em NH4Cl) para as bactérias Nitrosomonas; (4) Medição da TCO, até que esta alcançasse o valor endógeno do início do teste. O mesmo processo foi repetido, a partir de (2), para as bactérias Nitrobacter, sendo adicionado 10 mgn/l como NaNO2 como substrato. Além da TCO foram realizados testes de ph, alcalinidade, amônia, nitrito e nitrato, em seis momentos de coleta, a fim de se confirmar a credibilidade do teste respirométrico. A metodologia aplicada no estudo demostrou eficiência no monitoramento da velocidade oxidativa das nitrificantes. Além disso, os resultados obtidos demostraram que a velocidade de reação das bactérias Nitrobacter foi, em média 25 % maior que a reação das Nitrosomonas. Em ph s ácidos, as nitrificantes têm sua capacidade oxidativa inibida, tendo alcançado taxas de crescimento de 0,12 d-1 para as Nitrosomonas, e 0,18 d-1 para as Nitrobacter. Nos ph neutros, foi observada a taxa máxima de crescimento dessas bactérias. Em ph s alcalinos, as Nitrobacter apresentaram maior sensibilidade, e as Nitrosomonas tiveram a capacidade oxidativa pouco reduzida. Desta forma, os resultados obtidos demostram que a variação do ph influencia diretamente na atividade das bactérias nitrificantes. Além disso, foi observado que em nenhum dos ph s estudados a atividade das nitrificantes foi inibida completamente, o que demostra que, na faixa de ph estudada, as nitrificantes são capazes de oxidar, ainda que de forma limitada, o nitrogênio presente no sistema. PALAVRAS-CHAVE: Respirometria, Nitrificantes, ph. INTRODUÇÃO A nitrificação é um dos processos mais importantes que podem se desenvolver em sistemas aeróbios de tratamento como o sistema de lodo ativado. Trata-se da oxidação de amônia para nitrato, um processo que ocorre em dois passos intermediado por bactérias diferentes: o primeiro é a oxidação de amônia para nitrito mediada por Ntrosomonas e o segundo a oxidação de nitrito para nitrato, sob a ação de Nitrobacter. O processo é importante por várias razões: (1) no caso de esgoto doméstico, a demanda de oxigênio para a nitrificação é aproximadamente a metade da demanda para oxidação do material orgânico, (2) o consumo de alcalinidade que acompanha a nitrificação pode reduzir o ph a valores tais que inviabilizem processos biológicos e aumentando a corrosão no sistema de tratamento (3) no caso de tratamento terciário a nitrificação é o primeiro passo da remoção biológica de nitrogênio sendo seguido pela desnitrificação. Downing et al (1964) estabeleceram que os dois passos da nitrificação podem ser descritos pela cinética de Monod, típico para processos biológicos. Mostraram que a cinética da nitrificação depende de uma variável operacional (a idade de lodo) e de três constantes: (1) a taxa de crescimento máximo de Nitrosomonas e Nitrobacter, (2) a constante de

3 decaimento destas bactérias e (3) a constante de meia saturação. Van Haandel e Marais (1999) mostraram que na cinética de Monod a constante mais importante é a taxa máxima de crescimento de Nitrosomonas ou Nitrobacter, não somente porque esta constante tem muito mais influência sobre a taxa de nitrificação que as outras constantes mas também porque se mostra muito mais influenciada pela composição e origem da água residuária. Por estas razões necessita-se de um método experimental que permita a determinação da taxa máxima de nitrificadores de maneira expedita e precisa. Uma outra razão para determinar as constantes da cinética de nitrificação é um desenvolvimento novo, a remoção de nitrogênio pelos processo de desnitrificação autotrófica na qual se oxida a amônia com nitrito (Van Loosdreacht et al 1995 ). Neste processo metade da amônia de uma água residuária é oxidada para nitrito (mas não para nitrato) e depois o nitrito é usado para oxidar a outra metade da amônia. Este processo é particularmente vantajoso quando é limitada a disponibilidade de material orgânico para desnitrificação convencional, como é o caso por exemplo de efluentes de sistemas de tratamento anaeróbio. No presente trabalho discute-se os vários procedimentos experimentais que permitem a determinação da taxa máxima de crescimento de bactérias nitrificadoras, sendo que se propõe como novidade a resprirometria para tal fim. Nesta técnica aproveita-se do fat que tanto na oxidação de amônia como na de nitrito há consumo de oxigênio. A taxa de consumo de oxigênio (TCO) passa então a ser a variável fundamental para determinar a taxa de oxidação de amônia e nitrito, gerando a informação necessária para se calcular a taxa máxima de crescimento das bactérias Nitrosomonas e Nitrobacter. Mostra-se que a respirometria permite uma determinação muito mais rápida que os métodos mais convencionais. O método respirométrico também pode ser usado para avaliar a influência de fatores ambientais como a temperatura, o ph, a concentração de sais, e a presença de materiais tóxicas para as nitrificadoras. MATERIAL E MÉTODOS Downing et al (1964) mostraram que a concentração residual de amônia em um sistema nitrificantes é dada por: Na = Kn(bn+1/Rs)/(m m-(bn+1/rs)) equação (1) Onde: Na = concentração residual de amônia Kn= constante de meia saturação bn= constante de decaimento de Nitrosomonas m m= taxa máxima de crescimento de Nitrosomonas

4 Rs= idade de lodo no sistema de lodo ativado. Van Haandel e Marais (1999) usando dados de vários pesquisadores mostraram que a constante mais importante das três que descrevem a nitrificação é a taxa máxima de crescimento de Nitrosomonas. Por esta razão a determinação experimental é desta constante é de maior importância. Tradicionalmente determina-se o valor de m m em sistemas de lodo ativado diminuindo-se gradualmente a idade de lodo até que se observe que a nitrificação não ocorre mais (van Haandel e Marais, 1999). Neste momento é adotado que na Eq(1) o denominador se torna zero (por isso cessa a nitrificação ) e é determinada a constante m m: m m-(bn+1/rsm) = 0 m m = bn+1/rsm equação (2) onde: Rsm = idade de lodo mínima para manter a nitrificação. Este método é tecnicamente factível mas muito laborioso, levando-se semanas e até meses para uma determinação. Por esta razão propõe-se um método novo que usa a respirometria como ferramenta para determinar experimentalmente a constante m m Quando se aplica aeração a uma batelada de lodo sem alimentação, a tendência da Taxa de Consumo de Oxigênio (TCO) é de tornar se constante, compatível com a taxa de respiração endógena. Nestas condições, quando se adiciona uma quantidade de amônia ou nitrito, as bactérias nitrificadoras irão agir e observa-se imediatamente os resultados desta atividade: aumento da TCO, da concentração de nitrato e diminuição da concentração de amônia e da alcalinidade. Normalmente não se observa um aumento da concentração de nitrito porque este composto é oxidada rapidamente para nitrato pelas Nitrobacter. A oxidação de amônia para nitrato pode ser escrita como: NH4+ + 2O2 à NO3- + H2O + 2H+ equação (3) Pela estequiometria da oxidação de amônia para nitrato tem-se: rn = -ra = rni = -ralc/7,14 = TCOn/4,57 equação (4) Onde: rn = taxa de nitrificação ra = taxa de consumo de amônia rni = taxa de produição de nitrito

5 ralc= taxa de diminuição de alcalinidade TCOn= taxa de consumo de oxigênio para nitrificação De todas as variáveis somente a TCO pode ser medida continuamente em testes sem destruição de amostra e por esta razão se tona a melhor para acompanhar o processo de nitrificação com taxa variável. A Fig 1 mostra um esquema do sistema automatizado de aquisição de dados da TCO em função do tempo. Figura 1- Esquema do equipamento para geração de respirograma Figura 2- Respirograma típico com substrato amônia seguido por nitrito. A técnica de determinação da constante m m tem os seguintes passos: Desenvolve-se um lodo em um sistema de lodo ativado, alimentando-o com vazão e carga constante e idade de lodo determinada. Nestas condições a concentração de Nitrosomonas é dada por (van Haandel e Marais 1999): Xn = YnRsNc/(1+bnRs)/Rh equação (5) Onde: Xn = concentração de Nitrosomonas Yn = coeficiente de rendimento de Nitrosomonas Nc = concentração de amônia nitrificada no sistema de tratamento Rh = tempo de permanência hidráulica no sistema de tratamento. Separa-se uma batelada deste lodo aerando até que a TCO se torna essencialmente constante equivalente à taxa de respiração endógena. Aplica-se uma determinada concentração de amônia, suficiente para que a nitrificação se desenvolva a taxa máxima (Na>>Kn)

6 Determina-se a taxa máxima da TCO. A Fig 1 mostra um respirogr ama (TCO em função do tempo) típico A constante m m é então dada por: m m = YnrN, max/xn = (TCOn,max/4,57)(1+bnRs)(Rh/(NcRs)) equação (6) Quando se deseja determinar a constante de crescimento máxima de Nitrobacter em vez de Nitrosomonas, aplica-se simplesmente o substrato nitrito (na forma de solução de nitrito de sódio por exemplo) em vez do substrato amônia. Neste caso a estequiometria diz que a constante de proporcionalidade da taxa de oxidação de nitrito e a taxa de consumo de oxigênio é de 1,21 mgo/mgn. RESULTADOS OBTIDOS O procedimento repiromético foi usado primeiramente para fazer um balanço de massa em que a quantidade de oxigênio utilizada na nitrificação foi comparada com a massa de amônia ou nitrito adicionada à batelada de lodo. Por este meio foi possível calcular a fração de amônia ou nitirito que foi efetivamente oxidada. Os resultados estão plotados em função do ph na Fig 3 para amônia (a) e para nitrito (b). Observa-se que na faixa neutra a oxidação do substrato é eficiente, superando os 90 %, mas para ph baixo a eficiência de oxidação diminui drasticamente. (a) (b) Figura 3- Fração de nitrogênio oxidada pelas (a) Nitrosomonas e (b) Nitrobacter, nos ph s estudados. Figura 4- Taxa específica máxima de crescimento das Nitrosomonas e Nitrobacter na faixa de ph estudada. Com auxílio dos dados da taxa máxima de consumo de oxigênio e da concentração de Nitrosomonas e Nitrobacter na amostra de lodo calculou-se em função do ph a taxa máxima de crescimento das bactérias nitrificantes. Na Fig 4 são apresentados os resultados. Observa-se que a taxa máxima de crescimento de Nitrosomonas é menor que a de Nitrobacter exceto para o ph = 8,5. Este resultado é compatível com o fato que normalmente a taxa crescimento de Nitrosomonas limita a taxa de nitrificação em sistemas de lodo ativado. Os valores numéricos das constantes são compatíveis com aquelas encontradas na literatura (Van Haandel e Marais 1999)

7 CONCLUSÕES A metodologia aplicada demonstrou confiabilidade e praticidade no monitoramento da atividade das nitrificantes frente a mudança de ph do sistema Bardenpho. O que foi verificado pela boa aproximação entre os dados respirométricos e os dados analíticos obtidos, e ainda pelos valores da TCO obtidos manualmente e pelo uso do respirômetro; O ph influenciou diretamente a atividade de ambas as nitrificantes. Em ph s neutros foram observadas as taxas máximas de oxidação. em ph s ácidos as Nitrosomonas demonstraram maior inibição, e em ph s alcalinos as Nitrobacter tiveram sua capacidade oxidativa mais comprometida; As Nitrobacter foram capazes de oxidar o Nni a uma taxa mais elevada que as Nitrosomonas oxidaram a amônia, na faixa de ph estudada, e, consequentemente, tiveram também maior taxa máxima de crescimento específico. Em nenhum dos ph s estudados o crescimento das bactérias nitrificantes foi inibido totalmente, o que demonstra que na faixa de ph estudada, tais bactérias foram capazes de oxidar, ainda que de forma limitada, o nitrogênio presente no sistema. As nitrificantes apresentaram faixas de ph distintas para a taxa máxima de oxidação. A melhor faixa de ph para as Nitrosomonas foi 6,5 a 8,0, por outro lado, as Nitrobacter oxidaram o nitrito a uma maior taxa em ph s de 6,0 a 7,5. O ph ácido é capaz de causar, em primeira análise, apenas a inibição das bactérias nitrificantes, não tendo havido evidências de que, nestes ambientes, haja a morte da população de nitrificantes. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS 1.DOWNING, A. L., PAINTER. H. A. E KNOWLES, G. Nitrification in the activated sludge process. J. Proc. Inst. Sew. Purif., 64, (2), p VAN HAANDEL, A. C. E MARAIS, G. V. R. O comportamento do sistema de lodo ativado: Teoria e aplicações para projetos e operação. Campina Grande (PB). 472 p AGRADECIMENTOS A obtenção dos dados deste trabalho só foi possível graças ao apoio financeiro da FINEP e CNPq através dos programas PROSAB e PRONEX. A investigação experimental foi

8 realizada nas dependências da antiga depuradora da Cia de Água e Esgotos CAGEPA, a qual os autores agradecem.