Princípios do Tratamento Biológico de Águas Residuárias

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1 Princípios do Tratamento Biológico de Águas Residuárias Disciplina : Tratamento de Resíduos Professor : Jean Carlo Alanis Princípios da Microbiologia no Tratamento de Águas Residuárias Introdução Faz uso de mecanismos biológicos Reprodução dos processos naturais Uso dos mecanismos biológicos nas ETAR s Importância e entrosamento das áreas de conhecimento Microrganismos envolvidos : bactérias, protozoários, fungos, algas e vermes 1

2 Classificação dos Microrganismos Microbiologia é o ramo da Biologia que estuda os microrganismos; Tradicionalmente havia dois grandes reinos : Vegetal e Animal, atualmente, incluem-se os Protistas; A diferença entre os protistas e os demais (vegetais e animais) está no elevado nível de diferenciação celular dos últimos; O grau de diferenciação celular indica o nível de desenvolvimento de uma espécie; Classificação mais atual divide os seres vivos nos reinos : Monera, Protista, Vegetal e Animal. Natureza das Células Biológicas As células tem como limite externo a membrana celular; É flexível e funciona como uma barreira seletiva; Tem a função de selecionar as substâncias que podem sair ou entrar na célula; Bactérias, algas, fungos e plantas possuem ainda a parede celular; O interior da célula contém uma suspensão coloidal de proteínas, carboidratos, etc. (citoplasma) 2

3 Natureza das Células Biológicas Natureza das Células Biológicas Exemplo de uma célula animal : 3

4 Natureza das Células Biológicas Exemplo de Célula Vegetal : Fontes de Energia e Carbono para as Células Microbianas Todos os seres vivos necessitam de energia, carbono e nutrientes (N 2, P, S, K, Ca, Mg, etc.); Em termos de energia existem dois tipos de organismos: a-) fototróficos : fonte de energia - energia luminosa; b-) quimiotróficos : fonte de energia - reações químicas Em relação à fonte de carbono: a-) autótrofos - fonte de carbono - CO 2; b-) heterótrofos - fonte de carbono - matéria orgânica 4

5 Metabolismo dos Microrganismos Os processos químicos que ocorrem nas células (metabolismo) são divididos em duas categorias : - catabolismo : reações de produção de energia onde ocorre a degradação do substrato - anabolismo : reações que conduzem à formação de material celular através da energia liberada no catabolismo Estas reações são catalisadas por enzimas específicas : Endoenzimas e Exoenzimas A remoção da M.O. ocorre através de dois processos de catabolismo : - oxidativo : a matéria orgânica é oxidada por um agente oxidante do meio líquido (O 2, Nitrato ou Sulfato) - fermentativo : ocorre devido a um rearranjo dos elétrons na molécula fermentada formando no mínimo dois produtos Geração de Energia nas Células Microbianas A respiração não é restrita à processos com consumo de O 2 A oxidação implica na perda de um ou mais elétrons da substância oxidada, assim, há doadores e aceptores de elétrons no meio; Se há vários aceptores no meio, o sistema utiliza primeiro aquele que produz mais energia. Ex: O.D; Se há nitratos os microrganismos que o utilizam na respiração o convertem em N 2 (desnitrificação) - esta condição recebe o nome de anóxica; Nas condições anaeróbias estritas são utilizados os sulfatos (reduzidos a sulfetos) e o CO 2 (convertido a CH 4 ); 5

6 Geração de Energia nas Células Microbianas Há microrganismos adaptados para diversas condições de respiração : aeróbios estritos : utilizam apenas O 2 em sua respiração; facultativos : utilizam O 2 livre (preferencialmente) ou nitrato como aceptores de elétrons; anaeróbios estritos : utilizam o sulfato ou o CO 2 como aceptores de elétrons sem obter energia da respiração aeróbia.; As reações aeróbias liberam mais energia que as anaeróbias, os microrganismos se reproduzem mais rapidamente e a estabilização da M.O é mais rápida. Ecologia do Tratamento de Esgotos A importância e o papel dos microrganismos, dependem do processo empregado; Nas lagoas de estabilização facultativas, as algas têm a função de produzir O 2 através da fotossíntese; Nos sistemas anaeróbios destacam-se as bactérias acidogênicas e metanogênicas, adaptadas à ausência de O 2; Em processos aeróbios encontram-se bactérias, protozoários, fungos e rotíferos; As bactérias são os organismos mais importantes no tratamento biológico de resíduos. 6

7 Principais Microrganismos Envolvidos N º de microrg. Bactérias Ciliados Flagelados Livres Ciliados fixos Rotíferos Alta carga Carga convencional Baixa carga Tempo Predominância relativa entre os microrganismos aeróbios Principais Microrganismos Envolvidos Bactérias Constituem o grupo mais importante nos S.T.B; São os principais agentes na remoção da DBO ou DQO; Possuem a propriedade de formarem flocos, biofilmes, etc; A maior parte não suporta ph acima de 9,5 e abaixo de 4,0 A utilização do substrato ocorre em função do tamanho da partícula (facilmente degradável e de dgradação lenta); Em função da temperatura se dividem em : Psicrofílicas (fx - 10 a 30 o C ; ótimo - 12 a 18 o C); Mesofílicas (fx - 20 a 50 o C ; ótimo - 25 a 40 o C); Termofílicas (fx - 35 a 75 o C ; ótimo - 55 a 65 o ); 7

8 Principais Microrganismos Envolvidos Cianobactéria Algas Azuis Flocos de Bactérias Principais Microrganismos Envolvidos Protozoários A maioria é representada por organismos heterotróficos aeróbios estritos; São usualmente maiores que as bactérias podendo se alimentar das mesmas; São divididos em função de suas características estruturais, meios de locomoção, etc. (amebas, flagelados e ciliados); A alimentação varia de acordo com seu tipo : protozoários flagelados : difusão ou transporte ativo; amebas e protozoários ciliados : fagocitose; protozoários ciliados : predação de bactérias, algas, etc. Suas principais funções no TAR s são : consumo de M.O, dada sua natureza heterotrófica; consumo de bactérias livres; participação na formação de flocos. 8

9 Principais Microrganismos Envolvidos Euglena Protozoário Ciliado Tipos de Crescimento e Sustentação da Biomassa Crescimento disperso : a biomassa cresce de forma dispersa no meio líquido, sem nenhuma estrutura de sustentação. Exemplos : lagoas de estabilização e variantes, lodos ativados, reator anaeróbio de fluxo ascendente; Crescimento aderido : a biomassa cresce aderida a um suporte formando um biofilme. suporte imerso no meio líquido; receber descargas contínuas ou intermitentes de líquido. Exemplos : sistema com suporte para aderência : filtro biológico, biodisco; sistema com suporte para aderência da própria biomassa aglomerada : reator anaeróbio de fluxo ascendente 9

10 Princípios do Crescimento Bacteriano Síntese : os microrganismos heterótrofos utilizam a M.O como forma de energia condensada para a produção de material celular (crescimento e reprodução) e liberação de energia (fonte para outros seres). Respiração endógena : quando o substrato se torna escasso, os microrganismos buscam outras fontes de matéria orgânica, o principal é o próprio protoplasma. Há uma redução da concentração microbiana. Sintese e Respiração Endógena Nº de células Síntese Endogenia tempo 10

11 Curva de Crescimento Bacteriano Fase de retardo ou adaptação Período de adaptação das bactérias ao novo substrato; Não ocorre aumento no número de microrganismos; Velocidade de crescimento é nula. Fase de Aceleração Inicia-se o crecimento microbiano face ao consumo de substrato; A velocidade de crescimento aumenta com o tempo Curva de Crescimento Bacteriano Fase de crescimento exponencial Divisão das células numa taxa constante (cresc. microb.); Devido ao excesso de substrato a taxa de crescimento é máxima; A taxa de crescimento é limitada pela capacidade dos microrganismos processarem o substrato Fase de Desaceleração A velocidade de crescimento diminui com a diminuição da concentração do substrato; Acúmulo ponderável de excretas tóxicas 11

12 Curva de Crescimento Bacteriano Fase Estacionária Substrato se torna escasso no meio e há acúmulo de substâncias tóxicas; A velocidade de crescimento volta a ser nula Número de células se mantém temporariamente constante Fase de Declínio ou Mortandade Prevalecem as características da respiração endógena (o microrganismo consome suas reservas protoplasmáticas); Os nutrientes das células mortas se difundem no meio, servindo de alimento para outras células; A taxa de mortes é exponencial e constante. Operação das ETE s de acordo com o Cresc. Microb. Sistema de altíssima carga Há muito substrato disponível no meio; A concentração de substrato é elevada (alta DBO); A maioria dos sistemas de tratamento não operam nestas condições. Sistema de alta carga A concentração de substrato é mais reduzida; A massa celular possui alto componente orgânico, requerendo uma estabilização separada do lodo excedente Ex : lodos ativados convencional, filtro ativados de alta carga Sistema de baixa carga Fornece uma quantidade mínima de substrato aos microrganismos para incentivar a respiração endógena; Alta autometabolização (digestão aeróbia da massa celular); Estabilização parcial da massa celular Ex : lodos ativados com A.P, filtros biológicos de baixa carga 12

13 Cinética do Crescimento Microbiano Crescimento Bruto Específico expresso em função da concentração de bactérias no reator em um dado instante; a taxa de crescimento bruto é função do número, massa ou concentração de microrganismos em um dado instante : δx/δt = µ.x (1), onde : X = concentração de microrg. no reator - SS ou SSV (g/m 3 ); t = tempo (d); µ = taxa de crescimento específico (d -1 ) Cinética do Crescimento Microbiano Como o crescimento é função do substrato disponível no meio, a eq. (1), deve ser expressa em função da concentração deste, assim, baseado na equação de Monod, temos : onde : µ = µ max. S K s + S - µ max = taxa de crescimento específico máxima (d -1 ); - S = concentração de substrato limitante (g/m 3 ); - K S = concentração de saturação - concentr. do substr. para qual µ=µ max /2 - (g/m 3 ). 13

14 Cinética do Crescimento Microbiano Equação de Monod Desvantagens desenvolvida para um único microrganismo metabolizando um único substrato e nas ETE s encontram-se uma população múltipla assimilando um substrato múltiplo. Vantagens Não foi desenvolvida ainda nenhuma equação mais satisfatória; Permite representar de forma contínua os extremos de escassez e abundância de substrato no meio; Representa tanto as cinéticas de ordem zero quanto às de primeira (dependendo do valor de S), bem como a transição entre elas Decaimento Bacteriano Nas ETE s parte do material celular é destruído por alguns mecanismos atuantes na fase de respiração endógena A taxa de decréscimo pode ser representada como uma reação de primeira ordem: δx/δt = -K d.x (3) onde : - K d = coeficiente de respiração endógena (d -1 ) Obs : Considera-se apenas a fração biodegradável da massa, já que existe uma fração orgânica não biodegradável não sujeita ao decaimento bacteriano 14

15 Crescimento Líquido O crescimento líquido é obtido através da soma das equações (1) e (3), isto é, a soma do crescimento bruto menos o decaimento bacteriano (fase endógena): δx = µx -K d.x (4) δt ou δx = µ max. S - K d.x (5) δt K s + S Produção de Sólidos Produção Bruta : a produção de biomassa também pode ser expressa em função do substrato utilizado, ou seja, quanto mais substrato utilizado, maior a taxa de crescimento bacteriano - taxa de crescimento = Y. ( taxa de remoção de substrato) δx = Y. δs (6) δt δt onde : X = concentração de microrganismos, SS ou SSV (g/m 3 ); Y = coeficiente de produção celular, SS ou SSV, produzida por unidade de massa de substrato removida (DQO), (g/g); S = concentração de DBO (DQO) no reator, (g/m 3) ; t = tempo (d) 15

16 Produção de Sólidos Produção Líquida : na dedução da taxa de produção líquida leva-se em consideração as perdas da biomassa devido `a respiração endógena, assim, partindo da equação (6) temos : δx = Y. δs - K d.x (6) δt δt Taxa de Remoção de Substrato : a taxa de consumo de substrato deve ser quantificada, pois quanto maior a taxa, menor será o volume do reator (para uma determinada concentração de substrato) ou maior a eficiência do processo (para um determinado volume de reator) : δx = µ max. S. X (7) δt K s + S Y Modelagem do Substrato e da Biomassa em um Reator de Mistura Completa Balanço de Massa no reator Efluente X o, S o e Q Acúmulo = Entra - Sai + Produto - Consumo - Balanço de substrato : X, S e V Reator ds = Q.S o - Q.S µ.x (8) dt V V Y - Balanço de sólidos : dx = Q.X o - Q.X + µ.x - K d.x (9) dt V V X, S e Q 16

17 Sistemas Sem Recirculação e com Recirculação de Sólidos Há três possíveis combinações de reatores : sem decantação posterior e sem recirculação de sólidos; com decantação posterior e sem recirculação de sólidos; com decantação posterior e com recirculação de sólidos Reator com decantação final e sem recirculação Afluente X o, S o e Q X, S e V S, Q e X Decantador Efluente S, X e, Q Reator Sistemas Sem Recirculação e com Recirculação de Sólidos Reator com decantação e com recirculação O lodo do fundo do decantador é contituído por bactérias ativas que ainda podem assimilar matéria orgânica Quanto maior a concentração da biomassa mais DBO é removida A recirculação aumenta o tempo médio que os microrganismos permanecem no reator A recirculação é um princípio básico dos S.L.A Afluente X o, S o, Q X, S e V S e X Q + Q r Decantador Efluente X e, S Q - Q ex Reator X r, S e Q r Recirculação X r, S Q ex Lodo Excedente 17

18 Sistemas Sem Recirculação e com Recirculação de Sólidos Reator com decantação e com recirculação (continuaç) X r é mais elevado que X, isto é, o lodo recirculado possui maior concentração de sólidos em suspensão; A produção de biomassa deve ser compensada por um descarte em quantidade equivalente para que o equilíbrio se mantenha; Sem o descarte, a concentração de sólidos aumentaria sobrecarregando o decantador e comprometendo a eficiência do processo. Tempo de Detenção Hidráulica Mesmo com a recirculação, o líquido não sofre variação quantitativa, exceto na retirada de lodo excedente (desprezível Q = 0); Somente os sólidos permanecem mais tempo no sistemas do que os líquidos, por isso é necessário que se calcule o tempo de detenção hidráulica destes sólidos; Conceitualmente o TDH indica o tempo médio de permanência das moléculas de líquido em uma unidade de tratamento, alimentada continuamente. t = Vol. do líq. no sistema Vol. de líq. retirado do sistema por unidade de tempo Se Q (afluente e efluente)e V são constantes : t = V Q 18

19 Tempo de Retenção Celular (θ c ) É a relação entre a massa de lodo presente no reator e a massa diária de lodo extraída da estação : θ c = Massa de sólidos no sistema Massa de sólidos produzidos por unidade de tempo Num sistema em estado estacionário, a quantidade de sólidos retirados é igual à quantidade de sólidos produzida: θ c = Massa de sólidos no sistema Massa de sól. retirados do sist. por unidade de tempo Tempo de Varrimento Celular O tempo de residencia de uma célula no reator deve ser superior ao tempo necessário para a mesma se duplicar; Caso contrário, a célula será varrida do sistema causando uma progressiva redução na concentração da biomassa. δx = µ.x (tx de cresc.) ou δx = µ.δt δt X Integrando temos : lnx = µ.t, onde : X o X = n o ou concentração de bactérias num tempo (t); X o = n o ou concentração de bactérias num tempo t = 0. Como o tempo de duplicação é X=2X o, temos : ln2 = µ.t, assim, t duplic = ln2 = 0,693 µ µ 19

20 Concentração de Sólidos em Suspensão no Reator Para se obter a concentração de sólidos no reator de um sistema com recirculação utiliza-se a seguinte equação : X = Y. (S o S). θ c 1 + K d. θ c t Para sistemas sem recirculação temos : X = Y. (S o S) 1 + K d. t A diferença entre elas é o termo (θ c ) que tem um efeito multipilicador, aumentando a concentração de sólidos em suspensão no reator Substrato Efluente A equação abaixo estima a DBO solúvel efluente de um reator de mistura completa S = K s. [(1/θc) + K d ] µ max [(1/θ c ) + K d ] Verifica-se que a concentração de DBO efluente S independe da concentração afluente S o ; Como K s, K d e µ max serem constantes, S depende apenas de θc; A concentração mínima de substrato solúvel pode ser atingida quando θc tende ao infinito, assim temos : S mim = K s. K d µ max - K d 20