Tratamento de efluentes líquidos (esgotos domésticos ou águas residuárias industriais) Esquema básico de sistemas de lodo ativado Redução da carga de carbono (DBO demanda bioquímica de oxigênio) Redução de compostos tóxicos orgânicos Redução de nutrientes (N, P) Redução de material particulado Lodo ativado (aeróbio): compostos orgânicos CO 2, NH 3, H 2 O, biomassa Reator anaeróbio compostos orgânicos CO 2, NH 3, H 2 O, biomassa, metano, Tempo de residência hidráulica ~6 horas Idade do lodo (recirculação de sólidos) ~ 5 a 15 dias Concentração de biomassa: 1,5 a 6g/L Eficiência de remoção da carbono dissolvido: 85 a 95% Essencial: formação de flocos Reatores de biofilmes suspensos: lodos ativados (aeróbios) 95% bactérias (facultativas a maioria) Resto: protozoários e rotíferos Problemas microbianos de relevância para a operação de plantas de lodo ativado: Lodo precisa decantar! Flocos dispersos não decantáveis Pin floc Toxicidade Bulking por bactérias filamentosas Problemas de nitrificação e denitrificação Problemas com remoção biológica de fósforo Floco é biofilme! Flocos dispersos não decantáveis ou falta de formação de flocos: Crescimento muito rápido de microrganismos, o que impede a produção de exopolímeros em quantidades suficientes para a formação da matriz e, portanto, do floco. Causado geralmente por excesso de carga orgânica, principalmente em sistemas de tratamento de águas residuárias industriais. Falta de nutrientes essenciais para crescimento microbiano (BOD5:N:P ~100:5:1) Pin floc: Flocos de tamanho muito pequeno (Ø 50µm, normal Ø 1mm) formados em condições de baixa disponibilidade de nutrientes. Toxicidade: Problema recorrente em unidades de tratamento de resíduos industriais e em unidades menores de tratamento de esgoto doméstico, devido ao baixo índice de diluição das descargas tóxicas. H 2 S é um potente inibidor de bactérias aeróbias em ph abaixo de 7.0, correspondente ao pka da molécula. 1
Desenvolvimento de bactérias filamentosas: Bulking: formação de flocos com baixa velocidade de decantação ou que se acumulam na superfície: 25 espécies diferentes Escuma 3 espécies diferentes: Nocardia, Microthrix, etc. Lodo ativado: Bactérias filamentosas > 25 espécies Lodo filamentoso Lodo bom Razões da redução da sedimentação dos flocos por bactérias filamentosas: Formação de conexões entre flocos Estrutura pouco compacta pelo crescimento da bactéria filamentosa no interior do floco Bulking Efluente do decantador secundário Espuma Fatores que estimulam crescimento de filamentosas: baixa concentração de oxigênio dissolvido, baixa taxa de alimento/microrganismo, contaminação com esgoto séptico ou com óleos e graxas,falta de nutrientes (N ou P), ph baixo Protozoários e rotíferos: indicadores da eficiência de remoção de nutrientes no processo. Organismos estritamente aeróbios Consomem bactérias e matéria orgânica particulada: principais agentes de remoção de bactérias planctônicas do esgoto. Reatores anaeróbios de tratamento de esgoto: Upflow Anaerobic Sludge Blanket Reactor - UASB Carchesium sp. Sistema preferencial de tratamento de águas residuárias com elevados teores de matéria orgânica biodegradável Opercularia sp. Vorticella convallaria Grânulos de Reatores Anaeróbios Grânulos de Reatores Anaeróbios Grânulos de microrganismos de reator anaeróbio UASB 2
Esquema de Biorreator Anaeróbio em Aterro Sanitário Degradação Anaeróbia de Polímeros Biogênicos: Ambientes com baixa concentração de sulfato primários secundários Polímeros primários Monômeros Ácidos graxos de baixo peso molecular Álcoóis Lactato Succinato primários secundários H 2, CO 2, CH 3 -R, HCOO - Acetogênicos Acetato Metanogênicos CH 4, CO 2 Metanogênicos Comparação lodos ativados - UASB Item lodo ativado UASB Consumo de energia alto baixo Remoção de nutrientes sim não Pós-tratamento não sim Eficiência de remoção da matéria orgânica dissolvida alta alta Tratamento de efluentes com teor elevado de Matéria orgânica não sim Produção de metano não sim Área ocupada grande pequena Produção de lodo elevada baixa Complexidade alta baixa Partida rápida demorada Remoção biológica de nitrogênio: nitrificação e denitrificação Remoção da amônia que é tóxica para peixes Organismos autotróficos Crescimento lento, inibidos pela competição de outras bactérias em ambientes com altas concentrações de carbono biodegradável Nitrosomonas (Nitrosococcus, Nitrosospira) NH 4+ + O 2 NO 2 - + 3H + + 2e - Nitrobacter (Nitrococcus, Nitrospira) NO 2 - + H 2 O NO 3- + 2H + + 2e - Nitrificação reduz a alcalinidade do meio, devido à fixação de HCO 3- pelas bactérias para a produção de biomassa Nitrosomonas Remoção biológica de nitrogênio: denitrificação Remoção do nitrato formado durante a nitrificação, que é tóxico para seres humanos, particularmente recém-nascidos. O que é tóxico,na verdade, é o nitrito produzido pela denitrificação parcial do nitrato pelas bactérias do intestino. Organismos heterotróficos Respiração anaeróbia, inibida por oxigênio Single sludge influent Remoção biológica de nitrogênio: configuração de reatores nitrificação anoxic aerobic anoxic sludge recycle denitrificação aerobic settling tank effluent sludge wasting Bactérias denitrificantes: NO 3- NO 2- NO N 2 O N 2 Multisludge 3
Remoção biológica de nitrogênio: configuração de reatores Remoção biológica de fosfato: princípio microbiológico Alternância entre condições anaeróbias e aeróbias Bardenpho Anamox 5NH 4+ + 3NO 3-4N 2 + 9H 2 O + 2H + Anaerobic ammonium oxidation Mobilização de fosfato e acumulação de polihidroxialcanoato Acumulação de fosfato e degradação de polihidroxialcanoato Remoção biológica de fosfato: processos Alternância entre condições anaeróbias e aeróbias Remoção biológica de N e P: Processo da Universidade de Cape Town Recirculação B: efluente nitrificado é recirculado para o tanque anóxico para denitrificação. Recirculação A: efluente do tanque anóxico é recirculado para o tanque anaeróbio para acúmulo de PHA e posterior acúmulo de P no tanque de denitrificação. Este processo evita a competição por substratos entre bactérias acumuladoras de fosfato e denitrificantes. Comportamento dos diferentes grupos de microrganismso nas diferentes etapas dos processo de tratamento de esgoto Anaeróbio Aeróbio Aeróbio sem substrato com substrato Aeróbios latente inativos crescendo Nitrificantes latente crescendo crescendo se há NH + 4 se há NH + 4 disponível disponível Denitrificantes crescendo inativos crescendo facultativos crescendo inativo/ inativo/ crescimento lento crescimento lento Acumuladores acumulando crescendo com crescendo com de fosfato PHA PHA/acumulando PHA/acumulando fosfato fosfato Reatores de biofilme rotating biological contactors (RBC) 4
Reatores de biofilme moving bed biofilm reactor (MBBR) Reatores de biofilme reatores de leito fluidizado - BIOSTYR Reatores de biofilme trickling filter Reatores de biofilme trickling filters: enchimentos Reatores de biofilme permitem a atividade Reatores de biofilme permitem a atividade Kühl & Jorgensen Appl. Env. Microbiol. 58: 1164-1174 (1997) 5
Reatores de biofilme permitem a atividade Reatores de biofilme permitem a atividade Oxigênio Metano Damgaard et al. Wat. Res. 35: 1379-1386 (2001) De Beer et al. Appl. Env. Microbiol. 63: 973-977 (1997) Compostagem Compostagem é um processo de decomposição controlada de resíduos vegetais e animais por microrganismos. A compostagem é um processo estritamente aeróbio e termofílico, ou seja, depende da ação de organismos, que emitem grande quantidade de calor durante a sua atividade metabólica. Este calor (55-80ºC na fase termofílica) é essencial para a sanitização do composto pela inativação de organismos patogênicos e de sementes de plantas daninhas. Como a parte externa da pilha é mais fria, é essencial remexer a pilha regularmente, também para evitar que as temperaturas no seu interior atinjam valores excessivos que causariam a inativação da microbiota. Quando o suprimento de substratos facilmente biodegradáveis é exaurido, o composto começa a esfriar, iniciando-se a etapa da cura, onde passam a predominar os fungos e actinomicetos que metabolizam a celulose cristalina e a lignina. O processo de cura é concluído com a conversão completa dos compostos biodegradáveis, sobrando primordialmente húmus. Compostos submetidos a cura incompleta ainda contém elevadas populações microbianas e concentrações de polímeros biodegradáveis relativamente altas, bem como ácidos orgânicos. O conjunto destes fatores pode resultar na acidificação do solo e na exaustão do oxigênio do solo onde foi aplicado composto mal curado. Compostagem 1 2 3 Fases: 1 Mesofílica inicial: população dominada por bactérias mesofílicas, fase de aquecimento rápido, duração: poucas horas a poucos dias; 2 Termofílica: poucos dias a meses; 3 Mesofílica secundária: recolonização da pilha por bactérias mesofílicas, que foram eliminadas na etapa termofílica, poucas semanas. 4: etapa de maturação: comunidade de microrganismos dominada por actinomicetos e fungos. Duração: vários meses. 4 Tamanho das partículas: Compostagem: Parâmetros O processo de compostagem é iniciado com partículas de tamanho grande (2,5 a 7,5cm, ideal 2,5 a 5cm) e termina com um granulado; Compostagem: Tecnologias Intermediárias Canteiros de Compostagem a Céu Aberto 6