Tratamento Biológico Tratamento Biológico de Resíduos/Esgotos de Resíduos/Esgotos

Juliana Calabria de AraujoJuliana Calabria de Araujo

CEFETMGCEFETMG

Curso Técnico em Meio AmbienteCurso Técnico em Meio Ambientedisciplina de Ecologia Aplicadadisciplina de Ecologia Aplicada

juli.calabria@ig.com.brjuli.calabria@ig.com.br

Roteiro

• Tratamento Aeróbio• tipos de sistemas, microrganismos e

metabolismos

• Tratamento Anaeróbio• Tipos de reatores, microrganismos e metabolismos

• Combinação dos 2 tipos de tratamento

Tratamento BiológicoTratamento Biológico

•Evitar a poluição ou promover a despoluição Ambiental.

•Tratamento de Esgotos : remoção da matéria carbonácea (reduzir a DBO), material em suspensão, patógenos e nutrientes (N e P).

•Respiração:

matéria orgânica + O2 CO2 + H2O + energia (ATP)

e N, P e S são oxidados a NO3-, PO4

3- e SO42-.

•Tratamento Biológico : Aeróbio e Anaeróbio

• Sólidos Suspensos• M. orgânica biodegradável• Patógenos e parasitas• Nutrientes (N e P)• Poluentes• M. orgânica refratária• Metais pesados• M. inorgânico dissolvido

Principais Contaminantes em águas residuárias

(Bitton, 1994 adaptado de Metcalf & Eddy, 1991)

Composição do Esgoto Doméstico(Metcalf & Eddy, Inc. 1991)

Constituinte Porcentagem/ Concentração

Proteínas 40% - 60%

Carboidratos 25% - 50%

Gorduras e óleos 10%

Uréia (NH3-N) 50 – 25 mg/L

P total 15 – 8 mg/L

C. Orgânicos traços(pesticidas, surfactantes, fenóis, e outros poluentes)

Características principais dos esgotos domésticos (Fonte:CETESB, 1989)

Parâmetros Faixa

DQO 300 a 660 mg O2 /L

DBO 110 a 310 mg O2/l

Sólidos Suspensos 40 a 190 mg/l

NK total 16 a 37 mg N/lresolução CONAMA 357/2005 20 mg N/L

P total 2,5 a 7,0 mg P/l

Fontes de Poluição por compostos antropogênicos aromáticos tóxicos

CompostosAromáticos

Fontes Industriais

BTEX Combustíveis fósseis, solventesEstireno PlásticosPAH Combustíveis fósseis, preservantes de

madeirasAlquilfenóis Sulfactantes, detergentesSulfo aromáticos Sulfactantes, detergentes, despolpamento

com sulfito, corantesAmino aromáticos Pesticidas, corantes, pigmentos, fármacosAzo aromáticos CorantesNitro aromáticos Explosivos, fármacos, pesticidas,

corantesClorofenóis edioxinas

Preservantes de madeiras, pesticidas,efluentes de branqueamento de polpa

Hidrocarbonetoscloroaromáticos ePCB

Pesticidas, solventes, fluidos hidraulicose dielétricos

BTEX= benzeno, tolueno, etilbenzeno e xileno; PAH=hidrocarbonetosaromáticos policíclicos; PCB= bifenilas policloradas.Fonte: FIELD et al., 1995.

Principais microrganismos presentes nos esgotos, de importância no tratamento

biológico (Metcalf & Eddy, 1991)

Microrganismos DescriçãoBactérias Unicelulares, várias formas e tamanhos, são os

principais responsáveis pela estabilização da MO, algumas patogênicas causando doenças intestinais

Protozoários Unicelulares sem parede celular, aeróbios ou facultativos, alimentam-se de bactérias, algas e outros microrganismos, essesnciais no tratamento para a manutenção de um equilíbrio entre os diversos grupos, alguns patogênicos

Fungos Aeróbios, multicelulares, não fotossintéticos, heterotróficos. Grande importância na decomposição da MO, podem crescer em condições de baixo pH

Estrutura de uma célula

Bactéria

ProtozoárioOpercularia

Metabolismo BacterianoMetabolismo BacterianoSubstratos(Fonte de energia)

ProdutosCO2, H2OCH4, H2S, Propionato, acetato

Catabolismo Geração de energia

ATPATP

ForçaProtomotiva

Anabolismo Consumo de energia

Compostos simples (Monômeros)

Componentes celularese Macromoléculas

Novas célulasBiossíntese

Utilização do substrato disponível (MO) no meio pelas bactérias

A-Matéria solúvel –facilmente biodegradável (partículas de dimensões diminutas)

B-Matéria em suspensão no esgoto-fração de degradação lenta (polímeros, como proteínas, lipídios e polissacarídeos), sofrem hidrólise fora da célulaMaterial

solúvel dos esgotos

MaterialEm suspensão dos esgotos

Exoenzimas

Materialsolúvel

Bactéria

Endoenzimas

Tratamento biológico

C6H12O6 + 6O2 6CO2 + 6H2O + energia (G0’-2870 KJ/mol) (NO3, SO4, PO4)

• Metabolismo Aeróbio

C6H12O6 + aceptor 3CH4 + 3CO2 + energia (G0’-390 KJ/mol) (H2+ NH3+ H2S)

• Metabolismo Anaeróbio

Metabolismo BacterianoMetabolismo BacterianoAmbiente Doador de

elétronsReceptor de

elétronsProcesso

Aeróbio Compostoorgânico

oxigênio Oxidação aeróbiaMetabolismo

aeróbioNH4

+ oxigênio Nitrificação

Anaeróbio Compostoorgânico

NO3- Desnitrificação

H2 eacetato

SO4 2- Redução de sulfato

H2 CO2 Metanogênico

Fonte: Metcalf & Eddy (1991).

Microrganismos metanogênicos hidrogenotróficos:4H2 + CO2 CH4 + 2 H2O

Relação entre o consumo de oxigenio, Relação entre o consumo de oxigenio, crescimento microbiano, e remoção do crescimento microbiano, e remoção do

carbono orgânicocarbono orgânico

Substrato, COConsumo de O2

(DBO)

Protozoários

Bactérias

TempoBitton (1994); Adaptado de Gaudy (1972).

DBODBO5d5d (T 20 (T 20 00C escuro)C escuro)

• DBOc é a quantidade de O2 consumido pelos microrganismos heterotróficos para oxidar a matéria orgânica carbonácea (DBO (mg/L)= D1-D5/ P); P = vol. da am. diluida

• DBOn (nitrógena) é a quantidade de O2 consumido pelos microrganismos autotróficos nitrificantes para oxidar o íon amônio a nitrato (DBOn teórica= 4,57 g de O2 usado por 1 g de NH4

+ oxidado a nitrato);

• Para medir a DBOc usa-se o 2-cloro-6 (triclorometil)piridina na conc. final de 10mg/L;

• Equação geral: comp.orgânicos CO2+H2O+NH4+ massa bacteriana

• (1/2Kg de novas células, para cada 1Kg de DBO estabilizada)• Biomassa bacteriana biomassa de protozoários+CO2

O2

O2

heterotróficas

protozoários

DQODQO

• Quantidade de O2 necesário para oxidar o carbono orgânico completamente à CO2, H2O e amônia (Sawyer & McCarty, 1978);

• Medido pela oxidação com K2Cr2O7 na presença de ácido sulfúrico e prata e é expresso em mg/L;

• Em geral 1g de carboidrato ou 1g de proteína é equivalente a 1g de DQO;

• DQO>DBO, grandes quantidades de compostos orgânicos que não são facilmente biodegradáveis;

• Em esgoto doméstico não-tratado a DQO varia de 250 a 1.000 mg/L; Conc. De N-NH3 é 40 mg/L, para lançamento deve ser < 20 mg/L

Fases do Crescimento bacteriano em uma cultura pura (segundo Monod)

A

B

C

D

A: fase estacionáriaB: fase logarítimaC: fase de declínioD: fase endógenaLog do

Número

Tempo (horas)1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

É interessante (para o tratamento) que apenas parte da MO consumida seja utilizada para produção de energia, sendo desejável que grande parcela constitua elemento material para a reprodução bacteriana.

Redução da DBO,Armazenam glicogênio.

DBO realmente oxidada,Para a produção de novas células

Lodos ativadosLodos ativados

tanque de aeração

decantador secundário

adaptado de VON SPERLING, 1996

lodo secundário

linha de recirculação

MO+LA +O2 CO2+ H2O+ Energia

Esgoto bruto

Esgoto tratado

tanque de aeração

decantador secundário

T. Aeróbio: Lodos ativados

Floco biológico

Lodos ativadosLodos ativados

• MO estabilizada por bactérias que crescem dispersas no tanque de aeração

• TDH líquido – 6 a 8 horas

• Idade do lodo – 4 a 10 dias

• Remoção contínua do lodo biológico excedente

• Lodo não é estabilizado no processo

• Fornecimento de O2 – aeradores mecânicos ou ar difuso

Lodos ativadosLodos ativados

• SS sedimentáveis e MO suspensa são removidos no decantador primário

• Decantador secundário – biomassa sedimenta

• Efluente sai clarificado

• Lodo secundário retorna para o tanque de aeração – aumento de eficiência do processo

• Remoção de DQO de 70 a 90%

Microrganismos indicadores das condições de depuração em Lodos ativados

Microrganismos Características do processo

Predominância de flagelados e rizópodes

Predominância de flagelados

Predominância de ciliados pedunculados e livres

Presença de Arcella (rizópode com teca)

Presença de Aspidisca costata (ciliado livre)

Presença de Vorticella microstoma e baixa concentração de ciliados livres

Predominância de anelídeos (Aelosoma)

Predominância de filamentos

Lodo jovem, característico de início de operação

Deficiência de aeração, má depuração e sobrecarga orgânica

Boas condições de depuração

Boa depuração

Nitrificação

Efluente de má qualidade

Excesso de O2 dissolvido

Intumescimento do lodo

Microrganismos indicadores do processo de lodos ativados

Protozoários são aeróbios indicando boa condições de aeração; apresentam grande sensibilidade a substâncias tóxicas. Ausência destes ou falta de locomoção indica ambiente tóxico. Rotíferos também são bons indicadores de um sistema de LA estável. Protozoários ciliados são responsáveis pela remoção de E.coli (sua população é reduzida de 91 a 99% no processo de LA).

Charchesium Entamoeba Histolytica

VorticellaRotífero –Lecane sp.

Remoção da Matéria Orgânica em Lodos Remoção da Matéria Orgânica em Lodos AtivadosAtivados

Aumento doLodo ativado

CO2, H2ONO3 SO4, PO4

Matéria + Lodo Ativado + O2

Orgânica(COHNPS)

1

2

Retorno do Lodo Ativado

Tanque de AeraçãoTanque de Sedimentação

Lodo descartado

Ar

Corpo receptor

1- Biossíntese2-Biodegradação

Microrganismos presentes em sistemas de Microrganismos presentes em sistemas de Lodos AtivadosLodos Ativados

GÊNEROS FUNÇÕESPseudomonas Remove carboidratos e promove

desnitrificaçãoZooglea Formação de flocosBacillus Degradação de ProteínasAthrobacter Degradação de CarboidratosMicothrix Degradação de Gorduras,

crescimento filamentosoNocardia Crescimento filamentoso,

formação de espuma e escumaAcinetobacter Remoção de FósforoNitrosomonas NitrificaçãoNitrobacter NitrificaçãoAchromobacter DesnitrificaçãoFonte: Horan, 1999.

Lodos Ativados modificado para a remoção biológica de N e P

NH3 +2O2 NO3- +H+ +H2ONO3

- NO2- N2

DESNITRIFICAÇÃO

Nitrificação

Nitrosomonas: (Nitrosospira, Nitrosococcus)

NH4+ + O2 2NH2OH+ 2H+

NH4+ + 1.5O2NO2

-+2H++H2O + 275KJ

Nitrobacter: NO2- + 0.5 O2NO3

-+75KJ(Nitrospira, Nitrococcus)

Desnitrificação6NO3 +5CH3OH3N2+5CO2+7H2O+6(OH)-

Pseudomonas, Bacillus, Spirillum, Hyphomicrobium, Agrobacterium, Acinetobacter,Propionobacterium, Rhizobium, Corynebacterium,Cytophaga, Thiobacillus, Alcaligenes.

Tratamento anaeróbio Tratamento anaeróbio metanogênicometanogênico

• Objetivo: degradação biológica da matéria orgânica em ausência de luz e aceptores de é (SO4

–2, NO3-, etc);

• Processo global do C:

- Mat. Orgânica CO2 + CH4 + biomassa (lodos anaeróbios)

- Energética da digestão:Glicose + 6 O2 6 CO2 + 6 H2O G0’-2870 KJ/mol

Glicose 3 CO2 + 3 CH4 G0’-390 KJ/mol

Conseqüências: baixo rendimento de biomassa e cooperação

eficiente entre os microrganismos que participam do processo

• Biomassa cresce dispersa – formação de grânulos de bactérias que servem como meio suporte

• Concentração de biomassa elevada – manta de lodo

• Formação de CH4 (metano) e CO2

• Biogás – metano - queima ou reaproveitamento

• Baixa produção de lodo – já estabilizados – leitos de secagem

• Não há necessidade de decantação primária

T. Anaeróbio: Reator UASB T. Anaeróbio: Reator UASB (upflow anaerobic sludge blanket)(upflow anaerobic sludge blanket)

Pa

ulo

Libâ

nio

REATORES UASB: Esquema de funcionamentoREATORES UASB: Esquema de funcionamento

Morfologias em biodigestores anaeróbiosMorfologias em biodigestores anaeróbios

Barra 4 mBarra 2 m

Decomposição anaeróbia da matéria orgânica a Decomposição anaeróbia da matéria orgânica a metano metano (Zehnder, 1988)(Zehnder, 1988)

Polímeros (proteínas, lipídeos, polissacarídeos)

Monômeros e Oligômeros(açúcares, aminoácidos e peptídeos)

Propionato, Butirato(ácidos graxos, alcoois, lactato)

H2 + CO2

FormiatoACETATO

CH4 + CO2

Hidrólisee fermentação

Acetogênesee desidrogenação

Metanogêneseacetoclástica

Metanogênesehidrogenotrófica

Em um biodigestor anaeróbio…..

1 Hidrolíticas

2 Acidogênicas

3 Acetogênicas

4 Metanogênicas

Anammox

Metanogênicashidrogenotróficas

Metanogênicasacetotróficas

• Baixíssimos requisitos de área: 0,05 a 0,10 m2/hab.

• Custos de implantação: 30,00 a 40,00 R$/hab.

• Custos operacionais: 1,50 a 2,00 R$/hab x ano

• Apesar das grandes vantagens, encontram dificuldades em produzir efluentes que se enquadrem aos padrões ambientais

– Necessidade de pós-tratamento

REATORES ANAERÓBIOS: Alguns aspectos REATORES ANAERÓBIOS: Alguns aspectos relevantesrelevantes

Exemplos de reações que ocorrem nos biodigestores anaeróbios

(Zinder apud Glazer & Nikaido, 1995)

CH3CH2CH2COO- + 2H2O 2CH3COO- + H+ + 2H2

+11,5 -4,2

CH3CH2COO- + 3H2O CH3COO- + HCO3

- + H+ + 3H2

+18,2 -1,3

Reações G 0’

(Kcal/

reação)

G’

(Kcal/

reação)

Um microrganismo sozinho não pode Um microrganismo sozinho não pode realizar a reação completarealizar a reação completa

• Há separação de funções metabólicas nestes microrganismos;

• Muitos são especialistas;• Bactérias GeneralistasBactérias Generalistas- hidrolíticas e fermentadoras: variam segundo o

substrato (ex: Clostridium, Acetivibrio) Bactérias especialistasBactérias especialistas- Fermentadoras redutoras obrigatórias de prótons:

propionato, butirato, etanol, lactato (Syntrophomonas wolinii, S. wolfei)

- Metanogênicas: acetato e H2

Arqueas MetanogênicasDiversos Substratos utilizados pelas archaeas metanogênicas(substrato: somente doador de elétrons para a formação de metano epara o crescimento) (Fonte: ZEHNDER et al., 1982).

Substrato OrganismoH2 Methanobacterium bryantii, M. formicicum, M.

thermoautotrophicum; Methanobrevibacter arboriphilus, M.ruminantum, M. smithii; Methanococcus mazei, M. vannielii,M. voltae; Methanomicrobium mobile; Methanogeniumcariaci, M. marisnigri; Methanospirillum hungatei;Methanosarcina barkeri.

HCOOH M. formicicum, M. ruminantum, M. smithii, M. vannielii, M.voltae, M. mobile, M. cariaci, M. marisnigri, M. hungatei

CO Methanosarcina barkeriCH3OH Methanosarcina mazei, Methanosarcina barkeriCH3NH2, (CH3)2NH,(CH3)3N

Methanosarcina mazei, Methanosarcina barkeri

CH3CH2 –N(CH3)2 Methanosarcina barkeriCH3COOH M. mazei, M. barkeri, Methanosaeta (antes Methanothrix)

soehngenii