Introdução ao tratamento biológico de resíduos

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1 Introdução ao tratamento biológico de resíduos Uso de processos biológicos decorrentes da atividade microbiana para a diminuição da concentração ou remoção de poluentes. Reproduz os processos biológicos que ocorrem na natureza Autodepuração após lançamento de despejos em corpos d água Decomposição de resíduos sólidos em solos 1 Introdução ao tratamento biológico de resíduos Objetivo da engenharia sanitária: introduzir tecnologias para que o processo de depuração se desenvolva em condições controladas Controle de eficiência Taxas elevadas Separação da biomassa do efluente tratado Uso de reatores biológicos para tratamento de águas residuárias Aterros sanitários para disposição e degradação de resíduos sólidos 2

2 Tratamento biológico de efluentes Existem vários sistemas biológicos a serem adotados com a finalidade de estabilização da matéria poluente. O sucesso de cada um está relacionado com o conhecimento prévio da água residuária, da eficiência a ser alcançada e das reações de mineralização desejadas. Reatores aeróbios, anaeróbios ou mistos. 3 Exemplos de sistemas aeróbios Lodos ativados, filtros biológicos aeróbios, lagoas aeradas e valos de oxidação Degradação de compostos orgânicos poluentes através do metabolismo aeróbio, facilitado pela disponibilidade artificial de oxigênio em reatores ou em lagoas, e conversão a dióxido de carbono e água. Tanque de aeração em um sistema de lodo ativado Lagoas de estabilização e de polimento Fornecimento natural de oxigênio pelo desenvolvimento de algas em lagoas construídas para a degradação de compostos orgânicos poluentes e conversão a dióxido de carbono e água. 4

3 Exemplos de sistemas anaeróbios Reator UASB (manta de lodo), reator de leito fluidizado, filtro anaeróbio. Degradação de compostos orgânicos a ácidos orgânicos, álcoois, hidrogênio, dióxido de carbono e metano, na ausência de oxigênio Leito fluidizado UASB 5 Os tipos microbianos presentes nos diferentes sistemas dependem principalmente: características da água residuária a ser tratada (composição, concentração) teor de oxigênio dissolvido no sistema (aeróbio, anóxico, anaeróbio) organização da biomassa (crescimento disperso ou aderido) Em geral, os diferentes tipos microbianos nos processos biológicos atuam conjuntamente, formando uma cadeia alimentar com interações nutricionais facultativas e obrigatórias. 6

4 Formas de associações microbianas em bioreatores Biomassa de crescimento disperso: Biomassa livre: microrganismos dispersos no meio líquido Biomassa associada (grânulos e flocos): microrganismos associados formando uma estrutura biológica Biomassa de crescimento aderido: Biofilmes: a maioria dos microrganismos estão aderidos à superfície e desta forma, mantidos no reator. Alguns microrganismos podem se soltar e permanecer no meio líquido, porém desempenham uma função muito menor na remoção dos poluentes. 7 Flocos aeróbios: comuns em sistemas de lodo ativado Estrutura biótica e abiótica, contendo material orgânico adsorvido, material inerte do esgoto, produtos microbianos para agregação, células vivas e células inativas Bactérias filamentosas (matriz estrutural) Bactérias não filamentosas Bactérias produtoras de polímeros extracelulares (matriz gelatinosa) Protozoários, rotíferos 40x 8

5 Flocos aeróbios: microrganismos mais comuns Bactérias: são os microrganismos principais do sistema; função de remover a matéria carbonácea e nutrientes Zooglea, Pseudomonas, Chromobacter, Achromobacter, Alcaligenes, Flavobacterium, Aerobacter, Bacillus, Citromonas Filamentosas: Beggiatoa, Thiotrix, Sphaerotilus, Nocardia Nitrogênio: Nitrosomonas, Nitrobacter Fungos: não são habitantes frequentes de lodos ativados, sua presença está relacionada a fatores ambientais; Sepedonium spp., Subarromyces splendens, Ascoidea rubescens, Fusarium aquaeductuum, Geotrichum candidum, Trichosporon cutaneum Condições em que predominam: baixa temperatura, baixo ph (<5,0); presença de compostos tóxicos, elevada carga orgânica podem ser indicadores Problema: em excesso causam bulking 9 Flocos aeróbios: microrganismos mais comuns Protozoários: alimentam-se de material particulado incluindo bactérias e outros protozoários Ciliados fixos: Vorticella, Opercullaria, Carchesium, Ciliados livre-natantes: Aspedisca, Chilodonella Amebas: Arcella Flagelados: Peranema, Bodo Controlam a densidade de bactérias Ausência de flagelados pode indicar presença de compostos tóxicos Rotíferos: alimentam-se de bactérias, pouco envolvimento na remoção de matéria carbonácea Indicadores da idade do lodo Ausência pode indicar presença de compostos tóxicos no sistema Curva de sucessão biológica em lodo ativado 10

6 Microrganismos dos flocos 100x 100x 100x 40x 11 40x Floculação Objetivo: separar eficientemente a biomassa da água residuária e retornar o lodo (biomassa acumulada) ao tanque de aeração. É necessário que haja um equilíbrio entre os diferentes tipos morfológicos (filamentosas e não filamentosas) Desequilíbrios microbianos causam: Bulking ou intumescimento do lodo: Predominância de bactérias filamentosas que se projetam para fora do floco aumentando o volume de lodo de difícil decantabilidade Foaming: Desenvolvimento predominante de bactérias filamentosas nocardioformes. Pin-point floc: Predominância de bactérias não filamentosas no floco, diminuindo sua rigidez e decantabilidade 12

7 Problemas na floculação Pin point 40X 40X foaming bulking 13 40X Floculação Imposição de uma condição nutricional baixa: favorece a agregação e o metabolismo endógeno condição fisiológica no limite; liberação de polímeros que não estão sendo utilizados para divisão celular, ex. polissacarídeos, auxiliando na formação dos flocos Numero de bactérias Resp. Endógena (baixo F/M) 4 1. Fase de aclimatação (lag): adaptação 2. Fase exponencial (log): crescimento 3. Fase estacionária: equilibrio entre veloc. de crescimento e morte celular; esgotamento de substrato 4. Fase de declínio: morte e lise celular tempo Curva de crescimento bacteriano 14

8 Floculação ideal Idade do lodo (tempo médio em que os sólidos permanecem no sistema) 3-15 dias Muito baixo: bulking Muito alto: pin point Concentração de oxigênio dissolvido Depende da carga orgânica aplicada (geralmente 1,2 mg O 2 para cada mg DBO) Mínimo 0,5 mg/l Muito baixa: bulking Relação F/M (food/microorganism) Relação entre concentração de alimento (medido como DBO) e a massa microbiana presente no sistema (SSV) Entre 0,15 e 0,5 Ideal O.D. = 2,0 e F/M = 0,5 Muito baixo: bulking Outro parâmentros que podem causar bulking Presença de ácidos orgânicos e sulfeto Deficiência nutricional (N e P) Baixo ph (ph ideal > 6,0) 15 Alta concentração de óleos e graxas Relação entre as possíveis causas de bulking e os microrganismos predominantes 16

9 Degradação aeróbia da matéria orgânica Microrganismos realizam simultaneamente a oxidação da matéria orgânica à CO 2 eh 2 O através da respiração aeróbia Matéria orgânica complexa Carboidratos Compostos de baixo peso molecular Açúcares (ex. glicose) Liberação de enzimas extracelulares Catabolismo e respiração aeróbia CO 2 eh 2 O 17 Crescimento aderido: biofilme Formação de biofilme: baseado na capacidade de diferentes microrganismos crescerem aderidos a superfície. A aderência é influenciada por interações entre células, por produtos microbianos (polímeros extracelulares), pela composição do meio e pelo material suporte. Vantagem para engenharia: Aderência de microrganismos a um suporte sólido ou suspenso cuja vantagem principal é a elevada concentração de biomassa que pode ser retida por elevados períodos de tempo. Vantagem para o microrganismo: Disponibilidade de substrato Proteção contra predadores e substâncias tóxicas 18

10 Biofilme Nutrientes são adsorvidos à superfície do biofilme e transportados para o seu interior por difusão onde são metabolizados pelos microrganismos. Formação de um gradiente nutricional. Comum em sistemas de filtros biológicos aeróbios e anaeróbios 19 Formação de um biofilme 20

11 Comunicação em biofilme Quorum sensing MET; Presença de polímeros extracelulares envolvendo células de E. coli em um biofime 21 Quorum-sensing... -comunicação entre células; - moléculas sinais lançadas no ambiente por uma bactéria e reconhecidas por membros da mesma população; -função: coordenar o comportamento da população em forma de uma rápida resposta frente à mudanças ambientais -Ex: Aeromonas, sinais ajudam no controle da produção de proteases extracelulares, e na formação de biofilme. 22

12 Microbiologia do biofilme Biofilmes aeróbios: muito similar aos tipos microbianos descritos para flocos de lodos ativados Biofilmes espessos podem gerar zonas anóxicas ou anaeróbias e assim permitir o crescimento de microrganismos fermentativos e anaeróbios, similares aos descritos para grânulos anaeróbios. 23 Grânulo anaeróbio Agregação de microrganismos durante o tratamento anaeróbio de águas residuárias em um ambiente com condição hidrodinâmica constante. Comum em reatores anaeróbios de manta de lodo (UASB) e de leitos fluidizados. Saída de gases 24 Tamanho médio de um grânulo: 0,5 2,0 mm de diâmetro

13 Granulação Envolve inicialmente a participação de microrganismos filamentosos na formação de uma matriz estrutural, seguido pela proliferação de microrganismos produtores de exopolímeros que contribuem para a aderência de outros tipos microbianos ao grânulo. Teoria do espaguete 25 Bibliografia Bibliografia utilizada Duncan Mara e Nigel Horan. The handbook of water and wastewater microbiology (2003) EPA summary report: the causes and control of activated sludge bulking and foaming (1987) Leitura complementar Microbiologia e Saneamento Ambiental Rosana Filomena Vazoller 26