Remoção de Nitrogênio Nitrificação Desnitrificação

Transcrição

1 UPF FEAR CEA CEA Remoção de Nitrogênio Nitrificação Desnitrificação Prof. Paulo Roberto Koetz Passo Fundo 2010

2 Historia Winogradsky discovered in 1890 that nitrification, the process of oxidizing ammonia to nitrate, is carried out in two consecutive steps by two physiologically and phylogenetically distinct groups of bacteria ammonia oxidizing bacteria nitrite oxidising bacteria.

3 Fontes de nitrogênio amoniacal Proteína Uréia São provenientes do esgoto doméstico (uréia) Dejetos animais Efluentes industriais protéicos NH 2 O = C + H 2 O 2 NH 3 + CO 2 NH 2 Outros efluentes (insumos contendo amônio)

4 Impacto do nitrogênio Nutriente essencial Crescimento animal e vegetal. Eutrofização Metahemoglobinemia em bebês

5 Impacto do nitrogênio Intoxicação da fauna aquática Redução da eficiência de cloração Saúde e bem-estar do homem

6 Conseqüências da emissão de nitrogênio amoniacal Pode comprometer o equilíbrio ambiental Amônia livre (ph > 7,0) é tóxico Morte de organismos aquáticos Em combinação com P causa a eutrofização Legislação ambiental rígida emissão máxima permitida N amoniacal total:10 mg/l

7 Efeito dos nutrientes Nitrogênio Fósforo DBO Toxidez Demanda de cloro EUTROFIZAÇÃO Algas e plantas aquáticas Tratamento de água potável Criação de peixes e recreação

8 Transformações do N em TTBE Nitrogênio Orgânico (proteínas, uréia) Decomposição bacteriana e hidrólise Nitrogênio Amoniacal Assimilação Nitrogênio orgânico Nitrogênio orgânico crescimento líquido) O 2 Lise e autooxidação Nitrito (NO 2- ) O 2 Nitrato (NO 3- ) Desnitrificação Carbono Orgânico Nitrogênio gás (N 2 )

9 Nitrificação R - NH 3 Quimioautotróficos O 2 CO 2 NO x

10 Nitratação Nitrosobactérias Nitrosomonas Nitrosospira Nitrosococcus Nitrosogloea Nitrosovibrio Nitrosolobus Produção de hidroxilamina como composto intermediário NH /2 O 2 NO -1 2 H O 2 2H E 275,4 kjmol -1 NH 1 4

11 Nitratação Nitrobactérias Nitrobacter Nitrocysis Nitrospina Nitrococcus Bactoderma Microderma Utilizam o nitrito como fonte de energia Algumas espécies de Nitrobacter utilizam composto orgânicos simples como acetato, piruvato ou glicerol A reação é catalizada pela enzima nitrito oxiredutase sendo o oxigênio proveniente da água. NO /2 O2 NO3 E 74,0 kj.mol NO2

12 Crescimento autotrófico Redução do CO 2 ao estado de oxidação da matéria orgânica celular. O poder redutor (NADH) é gerado por transporte de elétrons em sentido inverso na cadeia respiratória, com consumo de ATP As bactérias nitrificantes autotróficas apresentam uma baixa velocidade de crescimento e um baixo rendimento celular 0,15 kg.kg -1 biomassa/n-nh4 + oxidado (nitritação) 0,02 kg.kg -1 biomassa/n-no 2- oxidado (nitratação)

13 Heterotróficas x autotróficas C / N Nitrificação A nitrificação é inibida pela assimilação do amônio pelas bactérias heterótrofas

14 ph na nitrificação Intervalo ótimo entre 7,5 e 8,6 A amônia (NH 3 ) e o HNO 2 são tóxicos para as bactérias nitrificantes a partir de determinadas concentrações. 10 mg.l -1 a 150 mg.l -1 inibe Nitrosomonas 0,1 mg.l -1 a 1 mg.l -1 inibe Nitrobacter.

15 Temperatura e O.D. na nitrificação 28ºC a 36º C > 1,0 mg.l -1

16 Nitrificação Processo tecnológico No mesmo reator de oxidação do carbono Aeração prolongada Em reator separado Biomassa em suspensão Biomassa fixa

17 Remoção biológica de nitrogênio. Convencional Rendimento energético destas reações de oxidação é baixo Os organismos nitrificantes crescem lentamente com baixo rendimento celular O tempo de retenção celular é longo Para o crescimento Para a manutenção da biomassa no reator

18 Remoção biológica de nitrogênio. Convencional Processos autotróficos A velocidade de crescimento das bactérias nitrificantes autótrofas é mais baixa do que a das heterótrofas Sensíveis a baixas concentrações de oxigênio dissolvido Processos heterotróficos Vantagem ecológica Taxa de crescimento mais elevada causada pela utilização simultânea do oxigênio e nitrato como aceptores de elétrons

19 Nitrificação. Microrganismos Autótrofos quimiossintetizantes ou quimioautótrofos O gás carbônico é a principal fonte de carbono A energia é obtida através da oxidação de um substrato inorgânico Amônia formas mineralizadas Equação global

20 Nitrificação. Crescimento NH 4 1,83O 2 1,98HCO 3 0,98CO 3 1,04H O 2 0,021C H NO ,88H CO 2 3

21 Reações de nitrificação 2NH 2NO E 74,0 kj/mol Reação Global NH O O 2O E 275,4 kj/mol Nitrosomon as Nitrobacter NO 3 2H 2NO 2NO NH 3 NO H O 2 4H células células 2H O 2 células

22 Remoção biológica de nitrogênio. Convencional Fatores do processo Consumo de alcalinidade 100 g/14 g (CaCo 3 /N) Queda do ph pode causar inibição dos microrganismos Inibidores Altas concentrações de amônia e ácido nitroso ph Temperatura Concentração de oxigênio dissolvido (OD) Relação C/N (Carbono/Nitrogênio) Compostos inibidores como sulfeto

23 Nitrificação Consumo de oxigênio livre Demanda nitrogenada Liberação de hidrogênio Consome alcalinidade Reduz ph

24 Nitritação Nitrosobactérias Nitrosomonas Nitrosospira Nitrosococcus Nitrosogloea Nitrosovibrio - Nitrosolobus A nitritação ocorre com produção de hidroxilamina como composto intermediário

25 Nitratação Nitrobactérias Nitrobacter Nitrocysis Nitrospina Nitrococcus Bactoderma Microderma Utilizam o nitrito como fonte de energia Algumas espécies de Nitrobacter utilizam composto orgânicos simples como acetato, piruvato ou glicerol Catalizada pela enzima nitrito oxiredutase O oxigênio proveniente da água

26 Crescimento autotrófico Redução do CO 2 ao estado de oxidação da matéria orgânica celular. O poder redutor (NADH) é gerado por transporte de elétrons em sentido inverso na cadeia respiratória, com consumo de ATP As bactérias nitrificantes autotróficas apresentam uma baixa velocidade de crescimento e um baixo rendimento celular 0,15 kg.kg -1 (biomassa/n-nh 4+ ) (nitritação) 0,02 kg.kg -1 (biomassa/n-no 2 ) (nitratação)

27 Heterotróficas x autotróficas Nitrificação C / N Inibição Da Nitrificação A nitrificação é inibida pela assimilação do carbono pelas bactérias heterótrofas

28 Nitrificação. Inibição Intervalo ótimo entre 7,5 e 8,6 A amônia (NH 3 ) e o HNO 2 são tóxicos para as bactérias nitrificantes a partir de determinadas concentrações. 10 mg.l -1 a 150 mg.l -1 inibe Nitrosomonas 0,1 mg.l -1 a 1 mg.l -1 inibe Nitrobacter.

29 Nitrificação. Temperatura T = 28 ºC a 36 ºC T ót. = 30 ºC a 35 ºC T mín. = 4,0 ºC

30 Nitrificação. Temperatura As bactérias nitrificantes são extremamente sensíveis à reduções bruscas na temperatura Boa capacidade de recuperação podendo voltar a atingir velocidades de nitrificação iguais às obtidas em temperaturas mais elevadas Microrganismos imobilizados em filme fixo são mais resistentes à mudanças de temperatura

31 Nitrificação O.D. Concentração crítica de OD Concentração mínima no líquido para que não ocorra formação de ambiente anaeróbio ou anóxico no interior do reator Depende da velocidade de consumo de oxigênio Da quantidade de biomassa no interior do reator Em lodos ativados O consumo de oxigênio ocorre dentro do floco A concentração de O.D. diminui do exterior para o centro do floco

32 Nitrificação O.D. O.D. > 1,0 mg.l -1 a 1,5 mg.l -1 C < 2,0 mg.l -1 OD.máx. C < 0,5 mg.l -1 OD.min.

33 Nitrificação. Substrato De acordo com a lei de Monod A velocidade de reação aumenta com a concentração do substrato A velocidade de reação depende da concentração do substrato

34 Nitrificação. Substrato Meio em que elas se encontram Nitrosomonas sp. são mais sensíveis que Nitrobacter sp. Compostos de enxofre Fenóis Cianetos

35 Nitrificação. Substrato Baixa relação C/N As bactérias heterotróficas, limitadas pelo carbono, disponibilizam amônia em excesso para nitrificação Altas relações C/N Inibição pelo excesso de carbono orgânico concentração de nitrato diminui, chegando a zero Vantagem aparente em separar-se a nitrificação da remoção de matéria carbonácea

36 Nitrificação Processo tecnológico No mesmo reator de oxidação do carbono Aeração prolongada Em reator separado Biomassa em suspensão Biomassa fixa

37 Nitrificação. Microbiologia A nitrificação ocorre nos reatores de lodo ativado Condições oxigênio dissolvido ph neutro Presença de biomassa ausência de substâncias tóxicas ou inibidoras.

38 Nitrificação. Microbiologia Os microrganismos autótrofos quimiossintetizantes ou quimioautótrofos O gás carbônico é a principal fonte de carbono A energia é obtida através da oxidação de um substrato inorgânico Amônia Compostos amoniacais inorgânicos

39 Nitrificação. Efeitos químicos Consumo de oxigênio livre Demanda nitrogenada Liberação de H + Consumo da alcalinidade do meio reduzindo o ph

40 Da apresentação Nitrificação

41 Referências etos/ufsc/ca4006%20- %20Artigo_campinas.doc

42 Referências Nitrificação. Microbiologia TRATAMENTO DE EFLUENTES POR PROCESSO DE LODOS ATIVADOS Samuel Chaves Melchior; Marcelo de Lima Camargo; Cassiana M. R. Coneglian; Núbia Natália de Brito; Thiago Araújo Lopes, Rodrigo de Moraes Barros; Geraldo Dragoni Sobrinho; Sandro Tonso e Ronaldo Pelegrini. Centro Superior de Educação Tecnológica (CESET) UNICAMP Rua Paschoal Marmo, CEP: Limeira - SP Curso de Tecnologia em Saneamento Ambiental Laboratório de Pesquisas Ambientais LAPA lapa@ceset.unicamp.br

43 Referências FIXED-FILM RADIAL REACTOR FOR NITROGEN REMOVAL FROM MUNICIPAL WASTEWATER UTILIZING BIOGAS AS ELECTRON DONOR

44 Referências Remoção de nitrogênio de águas residuárias com elevada concentração de nitrogênio amoniacal em reator contendo biomassa em suspensão operado em bateladas seqüenciais e sob aeração intermitente /tde /

45 Referências Remoção de nitrogênio amoniacal de efluente de reator hidrolítico de lodo primário de estação de tratamento de esgotos utilizando adsorção em zeólita visando à produção de fonte de carbono para desnitrificação /tde /

46 Desnitrificação dessassimilativa A desnitrificação respiratória Os microrganismos oxidam um substrato orgânico Os equivalentes da redução são transferidos ao nitrato, que atua como recebedor final de elétrons na cadeia respiratória. É necessário um substrato oxidável e uma concentração adequada de nitrato NO - 3 NO 2 N2 O N2

47 Desnitrificação respiratória As bactérias são aeróbias Capacidade alternativa de reduzir óxidos de nitrogênio A capacidade de realizar desnitrificação respiratória Variedade de grupos fisiológicos de microrganismos

48 Desnitrificação respiratória As fontes de energia, utilizadas pelas bactérias desnitrificantes compostos orgânicos Os mais comuns. Compostos inorgânicos Energia solar

49 Remoção biológica de nitrogênio. Convencional Duas etapas aerobica autotrofica Oxidação do nitrogênio amoniacal a nitrato Redução anóxica heterotrófica Nitrato a nitrogênio elementar Remoção simultânea de carbono

50 Desnitrificação Respiratória Desassimilativa Nitrato DQO O 2 Nitrito O 2 N 2 O Dessassimilação N 2 A desnitrificação reduz a demanda química de oxigênio (DQO)

51 Redução assimilativa de nitrato Nitrato Nitrogênio Nitrito O 2 amoniacal O 2 Assimilação Síntese celular Esta redução é controlada pela quantidade de nitrogênio amoniacal no meio comum em casos em que o nitrato é a única fonte de nitrogênio disponível

52 Bactérias da desnitrificação Heterotróficas Pseudomonas Alcaligenes Flavobacterium Autotrófica 22/6/2010Thiobacillus denitrificans

53 Sistema nitrificação/desnitrificação Remoção de carbono Nitrificação Desnitrificação Efluente Final