Introdução. A aplicação de processos para o controle de efluentes historicamente

Transcrição

1 O crescimento do consumo de água tem gerado uma necessidade equivalente de gerenciar estratégias eficientes ao tratamento de águas e efluentes. A remoção de nutrientes pode trazer ganhos econômicos e ambientais, podendo diminuir o custo da água tratada, bem como aumentar a qualidade da mesma. Neste artigo abordaremos a remoção de nitrogênio, enfocando como a combinação de processos biológicos pode ser uma boa alternativa de tratamentos. José Alfredo Mattio engenheiro químico, especialista em saneamento ambiental e responsável pelo Setor de Meio Ambiente da Air Liquide Brasil Introdução A aplicação de processos para o controle de efluentes historicamente tem sido direcionada para a remoção de sólidos suspensos totais (SST), matéria orgânica biodegradável (DBO5) e remoção de organismos patogênicos (geralmente quantificados pela presença de coliformes fecais). A remoção de nutrientes tem se mostrado necessária por uma série de motivos que estão ilustrados na tabela I. A queda do teor de oxigênio dissolvido na água, o qual pode matar organismos aquáticos que dependam do mesmo, é causada pela oxidação da amônia ou pela respiração de algas presentes, porque os nutrientes induzem a eutrofização. A toxicidade causada pela presença de amônia não ionizada pode ser outro motivo pela morte de organismos aquáticos. A qualidade da água para beber também pode ser prejudicada pela presença de nitrato; a presença de compostos orgânicos produzidos por algas causa sabor e odor na água tratada e, finalmente, pode reduzir sobremaneira a reutilização de água em processos industriais. Descargas contendo nutrientes têm sido regulamentadas e devem portanto ter um tratamento adequado antes do descarte em corpos receptores. Várias tecnologias podem ser empregadas para remoção de nutrientes, mais especificamente o nitrogênio, que pode estar presente em diversos segmentos industriais. 11 Revista Meio Ambiente Industrial

2 Tabela I Remoção de em Efluentes Líquidos Efluentes Industriais NUTRIENTE CONSTITUINTE Amônia-Nitrogêni o IMPACT O Amônia- Nitrogêni o Demanda de oxigênio:oxidação da amônia que é descarregada no meio ambiente aquático diminui a concentração do O no meio líquido. Toxicidade aquática: a amônia na forma não iônica é tóxica para uma variedade de organismos aquáticos. N itrato-nitrogêni o Fornecimento de água: nitrato na água potável pode causar metemoglobinemia. Tota l Eutrofização: nutrientes causam excessivo crescimento de algas que reduzem o O durante a noite e produzem compostos orgânicos que causam odor e sabor. Fósforo Fósforo Tota l Eutrofização: nutrientes causam excessivo crescimento de algas que reduzem o O durante a noite e produzem compostos orgânicos que causam odor e sabor. Mecanismos de Remoção O nitrogênio pode formar uma variedade de compostos devido aos diferentes estados de oxidação que pode assumir. No meio ambiente, muitas destas mudanças de estado de oxidação para outra são atingidas via processos biológicos. As principais formas de nitrogênio no meio ambiente aquático ou terrestre são : A transformação desses compostos do nitrogênio pode ocorrer atra- Composto Nitrogenado Amônia Íon Amônio Fórmula Estado de Oxidação NH - NH N 0 Íon Nitrito Íon Nitrato vés de vários mecanismos. Podemos citar a fixação, amonificação, síntese, nitrificação e denitrificação. Cada um deles pode acontecer através da presença de microorganismos diferenciados com conseqüente ganho ou perda de energia. Nas águas residuais, quatro tipos de nitrogênio são mais comuns de serem encontrados: nitrogênio orgânico, amônia, nitrito e nitrato. Estas diferentes formas constituem o nitrogênio total. SWACO Revista Meio Ambiente Industrial 11

3 A remoção do nitrogênio nos efluentes envolve principalmente as reações de nitrificação e denitrificação (tabela II) : Nitrificação É a oxidação biológica da amônia. Esta transformação é feita em duas etapas: a primeira para a formação de nitrito e depois para nitrato. Duas espécies de bactérias autotróficas estão envolvidas (nitrosomonas e nitrobacter). + NH 4 + O Nitrosomonas - + O Nitrobacter Bactéria Bactéria Amônia Nitrito Nitrato Denitrificação É uma redução biológica do nitrato para nitrogênio gás. Bactérias heterotróficas estão envolvidas neste processo e requerem carbono orgânico como forma de obtenção de energia. - + Carbono - + Carbono N + CO + H O Orgânico Orgânico Nitrato Nitrito Gás É importante notar que, se ambos, oxigênio e nitrato, estiverem presentes, a bactéria irá principalmente utilizar o oxigênio para a oxidação da matéria orgânica, porque isto gera mais energia. Portanto, para que a denitrificação ocorra, é necessária a condição anóxica do meio. Processos Biológicos Empregados na Remoção do Dois princípios são utilizados nos processos biológicos normalmente empregados : 1. Os microrganismos estão em suspensão: A biomassa, suspensa no meio líquido, desenvolve-se e remove a carga orgânica e nitrogenada. Como exemplo, podemos citar o processo de lodos ativados e suas variações. 1.1 Aplicação dos processos de lodos ativados: Existe uma série de variações de processo que remove nutrientes com sucesso. Dentre elas podemos citar os processos: Phoredox, A/O (Aeróbico, Óxico), Biodenipho, Bardenpho, UCT, entre outros. A variação do esquema a seguir mostra um sistema composto por uma zona anóxica e uma zona aerada, precedendo o sedimentador. O efluente a ser tratado entra na primeira zona onde o nitrato, proveniente do reciclo da zona aerada, é transformado em nitrogênio gasoso, ocorrendo desta forma a denitrificação. A matéria orgânica biodegradável presente no efluente fornece a fonte de carbono que mantém a taxa de denitrificação. O efluente que deixa esta etapa vai para a zona aerada, onde oxigênio suficiente deve ser fornecido para a remoção conjunta da carga orgânica e nitrificação. Tabela II MECANISMO CONVERSÃO PROCESSO REQUERIDO Nitrificação Oxidação da amônia em nitrato através de bactérias autotróficas. Carbono inorgânico (CO ) é a fonte de carbono para o crescimento biológico. O ph geralmente deve estar numa faixa entre 6,8 a 8,0; 7, mg. de alcalinidade como CaCO é consumido por mg de N p roduzido. O crescimentō autotrófico é geralmente lento. Desta forma, deve-se manter suficientemente longo o tempo de residência para sua reprodução. Denitrificação Ocorre na ausência de O dissolvido e o nitrato é utilizado como aceptor de elétrons pelas bactérias heterotróficas, que fazem a conversão para nitrogênio gás. Este por sua vez escapa para a atmosfera. Presença de nitrato e matéria orgânica biodegradável na ausência de O. São necessários,86 mg de O equivalente / mg -N reduzido. São produzido s,6 mg de alcalinidade como CaCO / mg -N removido Figura1: C - Zona Anóxica de Contato Inicial D - Zona de Denitrificação N - Zona de Nitrificação ST - Sedimentador I - Influente E - Efluente RAS - Reciclo do Sedimentador WAS - Descarte de lodo IR - Reciclo Interno 114 Revista Meio Ambiente Industrial

4 Tabela III Resumo das transformações bioquímicas e funções das diversas zonas em processo biológicos de microrganismos em suspensão.. Os microrganismos estão fixos: Os biofilmes são estruturas complexas de células e produtos celulares como polímeros fixados numa superfície sólida ou substrato. Como exemplo, podemos citar os reatores de biofilmes. ZONA Anóxica Aeróbica TRANSFORMAÇÃO BIOQUÍMICA - Denitrificação - Produção de Alcalinidade - Nitrificação- Metabolismo de substrato pelas bactérias heterotróficas. - Consumo de alcalinidade FUNÇÃO - Conversão de -N p/ N - Seleção de bactérias denitrificantes - Conversão de H -N para -N - Oxidação de matéria orgânica biodegradável N ZONA REQUERIDA PARA - Remoção de nitrogênio - Remoção de nitrogênio - Remoção de material carbonáceo.1 Reatores de Biofilmes Tecnologias que empregam filmes de microrganismos têm se desenvolvido rapidamente nas últimas duas décadas e têm sido freqüentemente utilizados em plantas de tratamento de efluentes. Vários tipos de reatores têm sido desenvolvidos para aplicação de processos que envolvam biofilmes, e podemos dividi-los em duas categorias: Biofilmes com substratos fixos Biofilmes com partículas suspensas Exemplos de Reatores com Biofilmes com substrato fixo: Filtros biológicos : Consistem numa camada de material suporte, onde o efluente é distribuído uniformemente e irrigado na superfície com taxas de 0,5 a,5 m / m / hora (fig. ). O efluente percola através da camada de biofilme onde é tratado. Biofiltros São sistemas nos quais o reator é composto por um meio filtrante médio, onde os microrganismos podem ficar aderidos (fig.). O material filtrante está continuamente submergido no efluente; ar é introduzido ao meio para fornecer oxigênio. O material utilizado pode ser, entre outros, o poliestireno com diâmetros médios de 5mm. Duas configurações são possíveis. Uma delas onde o efluente é tratado em cocorrente com o ar e outra em contracorrente. Para a manutenção ótima do meio, retrolavagens periódicas devem ser feitas. Reatores com biofilmes de partículas suspensas Estes restores podem apresentar uma alta área de superfície de contato de biofilmes (acima de.000 m / m ). Também conhecidos como FBR ASA Figura : Biofiltros Figura : Filtro Biológico Revista Meio Ambiente Industrial 115

5 (fluidized-bed reactor), consistem na circulação do efluente para um reator onde partículas suspensas promovem o contato do efluente com os microrganismos aderidos no mesmo. O sistema é aeróbico e pode trabalhar com a injeção de oxigênio puro, aumentando assim a concentração de biomassa ativa (fig. 4). Processos Combinados A combinação dos processos com microrganismos em suspensão e fixos pode oferecer boas soluções utilizando-se as vantagens que cada um deles pode fornecer. Por exemplo, o sistema de filtro biológico ou os biofiltros podem ser utilizados juntamente com um sistema de lodos ativados que tem alta variação. Desta forma, pode funcionar como um polimento final no sistema, além de eliminar uma eventual perda de sólidos suspensos. Outros sistemas chamados de conjugados podem operar com microrganismos suspensos e fixos no mesmo reator, aumentando a eficiência de remoção do sistema sem acréscimo de volume do tanque. As bactérias nitrificantes também podem se reproduzir mais facilmente em reatores de biofilmes e, portanto, aumentar a taxa de remoção de nitrogênio em sistemas combinados. A tabela IV mostra algumas configurações práticas e suas aplicações: Conclusões Figura 4: FBR A melhor configuração de processo para otimizar a taxa de remoção de nitrogênio depende de cada tipo de efluente e do tratamento atualmente proposto. Um estudo detalhado de cada situação é necessário para se obter o melhor desempenho. Tecnologias mais antigas podem ser complementadas com novas, viabilizando custos e melhorando as condições operacionais. Sistemas combinados ou conjugados podem oferecer várias vantagens, tais como redução da perda de biomassa por arraste no sedimentador, assimilação de eventuais cargas de choque do sistema, melhoria do índice volumétrico do lodo (IVL), bem como grande facilidade operacional. Com sete Centros de Tecnologia e Pesquisa, a Air Liquide, líder mundial na produção de gases industriais, dispõe de tecnologias de dissolução de oxigênio em meio líquido, aumentando a performance dos sistemas de nitrificação e desenvolvendo processos que otimizam a remoção de nitrogênio. Referências Bibliográficas: Glem T. Daigger (1999) Nutrient Removal Technologies / Alternatives for Small Communities Water Environment Federation (1998) Biological and Chemical Systems for Nutrient Removal, Alexandria, VA T. E. Cloete and N. Y. O. Muyiama (1997) Microbial Comunity Analysis Randall, C. W., J. L. Barnard, and H. O. Stensel (199) Design and Retrofit of Wastewater Treatment Plants for Biological Nutrient Removal, Technomic Publishing Co., Inc., Lancaster, PA CONCENTRAÇÃO DO EFLUENTE APÓS TRATAMENTO FÍSICO-QUÍMICO (DBO ) PROCESSOS DBO EFICIÊNCIA DE ELIMINAÇÃO NITROGÊNIO FÓSFORO Efluentes sem SS F iltros biológicos % < 150 B iofiltros L odo ativado 5-45 % A nóxico + lodo Ativado 5-50 % F iltros biológicos + Biofiltro 80 5 % B iofiltro + Lodo Ativado > 1000 A naeróbico + Lodo Ativado % 5-45% > 1000 Anaeróbico + Anóxico Lodo Ativado Revista Meio Ambiente Industrial