Lodos ativados e remoção de n e p aula 8_2016

MICROBIOLOGIA AMBIENTAL

ENGENHARIA AMBIENTAL

Prof.ª Mestranda Graziele Ruas2 Sem 2015/2016

TRATAMENTO BIOLÓGICO DE EFLUENTES – Lodo Ativado e

remoção de Nutrientes

TRATAMENTO BIOLÓGICO DE EFLUENTES

SISTEMA DE LODOS ATIVDOS

É amplamente utilizado no mundo todo para o tratamento de despejos (efluentes) industriais

e domésticos, quando há necessidade de se alcançar uma elevada qualidade do efluente e

reduzido requisitos de área.

ENGENHARIA AMBIENTAL 2016 2

• SISTEMA DE LODOS ATIVADOS

– POSSUI ELEVADO ÍNDICE DE MECANIZAÇÃO E NECESSIDADE DE MÃO DE OBRA ESPECIALIZADA;

– OPERAÇÃO MAIS SOFISTICADA;

– MAIORES CONSUMOS DE ENERGIA ELÉTRICA.

• UNIDADES BÁSICAS DE UM SISTEMA DE LODOS ATIVADOS:

– Tanque de aeração (reator);

– Tanque de decantação (decantador secundário);

– Recirculação de lodo (aumenta a concentração da biomassa e eficiência do sistema).

• SISTEMA DE LODOS ATIVADOS

• SISTEMA DE

ATIVADOS

• SISTEMA DE LODOS ATIVADOS– No reator ocorrem as reações bioquímicas de

remoção da matéria orgânica e em determinadas condições remoção de matéria nitrogenada.

– No decantador secundário ocorre a sedimentação da biomassa permitindo que o efluente final seja clarificado.

– Os sólidos sedimentados no decantador secundário são recirculados (aumentando a eficiência do sistema).

• SISTEMA DE LODOS ATIVADOS– A biomassa pode ser facilmente separada no

decantador secundário devido a sua propriedade flocular.

– A recirculação da biomassa permite que a detenção dos sólidos seja maior que a detenção hidráulica, permitindo que o TDH diminui e o volume do reator também diminua.

– Deve-se retirar a mesma quantidade de biomassa que é gerada com a entrada de determinado volume de efluente.

• SISTEMA DE LODO ATIVADOS

– Pode ser adaptado para fazer remoção biologia de nutrientes.

• SISTEMA DE LODO ATIVADO PARA O PÓS-TRATAMENTO DE EFLUENTE DE REATORES ANAERÓBIOS

– O lodo aeróbio excedente é introduzido no UASB;

– O lodo gerado no sistema é mais facilmente tratável, o seu tratamento é constituído apenas pela etapa da desidratação

SISTEMA DE LODO ATIVADO PARA O PÓS-TRATAMENTO DE EFLUENTE DE REATORES ANAERÓBIOS

VANTAGENS

• Redução na produção de lodo;

• Redução do consumo de energia;

• Redução no uso de produtos químicos no tratamento do lodo;

• Menor necessidade de unidades e equipamentos;

• Maior simplicidade operacional.

DESVANTAGENS

• Não há total retirada de nutrientes;

• A eficiência do tratamento é praticamente igual ao sistema de lodos convencional e ovolume de unidades é aproximadamente o mesmo.

MATÉRIA ORGÂNICA CARBONÁCEA E NITROGENADA

MATÉRIA ORGÂNICA CARBONÁCEA

• Matéria Orgânica Inerte (Solúvel e particulada).

• Matéria Orgânica Biodegradável– Rapidamente biodegradável –

solúvel.

– Lentamente biodegradável –particulada. (Moléculas complexas).

MATÉRIA ORGÂNICA NITROGENADA

• Matéria Nitrogenada Inorgânica (Amônia).

• Matéria Nitrogenada Orgânica:– Inerte (Solúvel e Particulada).

– Biodegradável (Rapidamente -amonificação, lentamente -hidrólise).

Hidrólise: atuação de enzimas extracelulares que quebram as moléculas tornando-as solúveis!

CONVERSÃO DA MATÉRIA ORGÂNICA NITROGENADA

• OXIDAÇÃO DA MATÉRIA NITROGENADA– Nitrificação;

• Há consumo de Oxigênio (chama-se demanda nitrogenada);

• Há liberação de H+, consumindo alcalinidade do meio e diminuindo o pH.

• REDUÇÃO DE NITRATOS

– Em condições anóxicas ocorre a desnitrificação.

2NH3-N + 2H+ N2 + 2,5 O2 + H2O

• Economia de oxigênio no sistema;

• Consumo de H+, economizando alcalinidade e contribuindo para o tamponamento do meio.

Progressão Temporal da Oxidação da Matéria Orgânica

• Etapas (considerando um recipiente fechado):

– 1) Síntese (Anabolismo)

• Consumo de oxigênio;

• Aumento da população microbiana.

– 2) Respiração Endógena (Catabolismo)

• Auto oxidação;

• O Substrato já se encontra escasso;

CINÉTICA DA OXIDAÇÃO DA MATÉRIA ORGÂNICA

• DBO => REPRESENTA TANTO A MATÉRIA ORGÂNICA COMO O CONSUMO DE OXIGÊNIO.

– DBO remanescente: é a quantidade de MO remanescente na massa líquida em um dado instante.

– DBO exercida: oxigênio consumido para estabilizar a matéria orgânica.

• A cinética da reação da DBO remanescente é frequentemente descrita como uma reação de primeira ordem;

• Reação de primeira ordem é aquela onde a taxa de mudança da concentração da substancia é proporcional à primeira potência da concentração.

DBO consumida

DBO remanescente

DBO última ou carbonácea

• DBO remanescente

Fontes de Nitrogênio e Fósforo

• Por que Remover?

- Eutrofização das águas

• É interessante sempre fazer a remoção de N e P?

• O nitrogênio dos vegetais, na forma de proteínas, passa para os animais de maneira direta (herbivoria) ou indireta(carnivoria). Quando os vegetais e os animais morrem, sofrem decomposição protéica, por fungos e bactérias decompositoras. O nitrogênio presente será transformado em nitrogênio mineral, pela ação de bactérias nitrificantes. Isto ocorre em três fases: amonização, nitrozação e nitratação.

• Na amonização os compostos nitrogenados presentes no húmus serão transformados em amônia (NH3) pela ação dos decompositores.

• Na nitrozação as bactérias do gênero Nitrosomonas fazem a oxidação da amônia, transformando-a em ácido nitroso, o qual se dissocia formando nitritos (NO2).

• Na nitração temos a ação das bactérias do gêneroNitrobacter, que oxidam o ácido nitroso em ácidonítrico. O ácido nítrico será então dissociado emnitratos (NO3). Estes nitratos presentes no solo ena água serão absorvidos pelos vegetais etransformados em proteínas.

• Finalmente, os nitratos presentes no solo e naágua podem sofrer a ação de bactériasdesnitrificantes. Estas bactérias transformam osnitratos em nitrogênio livre que volta para aatmosfera.

• Processos utilizados na remoção de Nutrientes– A) Lagoas de Estabilização

• Mecanismos de remoção de N: Volatilização da Amônia, assimilação(algas), nitrificação-desnitrificação e sedimentação;

• NH3 é passível de volatilização, pH↑ elevado devido a altaprodutividade fotossintética;

• Remoção de P: precipitação na condição de pH ↑.

– B) Sistemas de Disposição Controlada no Solo• Fertirrigação.

– C) Sistemas de Lodos Ativados e Reatores Anaeróbios comBiofilmes• Modificações no processo para que ocorra nitrificação e

desnitrificação;

– D) Remoção físico-química• N: elevação do pH para volatilização da amônia;• P: Precipitação do Psolúvel através da adição de agentes coagulantes,

filtração e combinação dos processos.ENGENHARIA AMBIENTAL 2016 31

REMOÇÃO BIOLOGICA DE NUTRIENTES (RBN)

REMOÇÃO BIOLÓGICA DE NUTRIENTES

• Remoção de N– Amonificação → Nitrificação (com O2) → Desnitrificação (Sem

O2 e precisa de MO);– São necessárias zonas aeróbias e anóxicas.

• Remoção de P– Formas: Ortofosfato e Polifosfato (inorgânico) e orgânico;

• Para remoção de P são necessárias zonas anaeróbias e aeróbias:– Na zona anaeróbia são selecionadas as bactérias que

armazenam grandes quantidades de Fosfato, bactérias chamadas Organismos Acumuladores de Fósforo (OAP), a mais conhecida é Acinetobacter;

– Na zona aeróbia é produzida energia, aumentado o armazenamento de P;

– Com a retirada de lodo excedente há remoção de P acumulado.

• Neste processo a bactéria consome grandesquantidades de fosfato. O fosfato é usado pela bactériacomo energia de reserva, a qual, sob condiçõesanaeróbias pode ser usada para coletar o substrato. Aregeneração da reserva de fosfato se dá sob condiçõesaeróbias tanto quanto sob condições anaeróbias.

• Este, portanto, é um processo cíclico, onde a bactériaconstantemente alterna entre a assimilação elançamento do fosfato no meio. Algumas bactériasacumuladoras de fósforo, PAO´s, também podemdesnitrificar.

REMOÇÃO BIOLOGICA DE P

• A) em condições anaeróbias há liberação de fosfato para a fase líquida se houver disponibilidade de substrato orgânico de fácil degradação. Sob essas condições, as bactérias poli-P usam a energia derivada da hidrólise dos polifosfatos para sequestrar substratos orgânicos que são armazenados como poli–β–idroxibutirato(PHB)

• b) em condições aeróbias, a energia derivada do metabolismo dos PHA é usada para a acumulação de polifosfato no interior da célula. A remoção biológica de fósforo envolve a sua incorporação na biomassa celular. A retirada de fósforo do sistema ocorre através do descarte da biomassa

REMOÇÃO BIOLOGICA DE N

• 1) Pré-desnitrificação (remoção de N como C do esgoto bruto)

– Zona anóxica e anaeróbia;

– Zona aeróbia = nitrificação, formação de nitratos;

– Os nitratos são levados a zona anóxica através da recirculação e convertidos a nitrogênio gasoso;

– Chamado de Ludzack-Ettinger modificado.

• 2) Remoção de N como C da respiração endógena– Zona aeróbia, anóxica e aeróbia final;– Na primeira zona aeróbia há remoção de MO e

produção de nitratos;– Na zona anóxica há transformação dos nitratos em

N2;– Não há necessidade de recirculação (diminuindo os

custos)– Chamado de processo Wuhrmann (sem a zona

aeróbia final);– Por contar com o C endógeno o processo é mais lento,

aumento o TDH.

• 3) Processo Bardenpho de quatro estágios

– Combinação dos dois arranjos anteriores;

– Remoção de N em torna de 90%;

REMOÇÃO BIOLOGICA DE N e P

• Principais processos para remoção conjunta de N e P:

– Processo A²O (Phoredox de 3 estágios);

– Processo de Bardenpho de 5 estágios (Phoredox);

– Processo UCT;

– Processo UCT modificado;

– Reatores de operação intermitente (batelada).

UTC MODIFICADO

• 1) Processo A²O

– Anaeróbio, anóxico e aeróbio;

– Recirculação do efluente entre as zonas aeróbia e anóxica para remoção de N;

– Recirculação do lodo entre as zonas aeróbias para a zona anaeróbia.

• 2) Processo Bardenpho de 5 estágios

– Recirculação do lodo para a zona anaeróbia.

• 3) Processo UTC

– Evita o retorno do nitrato a zona anaeróbia;

– Recirculação do lodo é para a zona anóxica e não zona anaeróbia.

• 4) Processo UTC MODIFICADO– Separação da zona anóxica em 2;– Primeira zona recebe o lodo e é dele que é enviado

efluente para a zona aeróbia;– A segunda zona anóxica recebe a recirculação interna da

segunda zona aeróbia, onde ocorre a maior parte da nitrificação;

– Evitando que o excesso de nitrato prejudicando o processo.

• 5) Batelada

– São realizadas bateladas com condições Anaeróbias, Aeróbias e anóxicas.

REATORES AERÓBIOS COM BIOFILMES

• REATORES COM BIOMASSA ADERIDA

– Filtros biológicos percolados de baixa carga;

– Filtros biológicos percolados de alta carga;

– Biofiltros aerados submersos;

– Biodiscos e variantes.

• 1) Filtros Biologicos percolados de baixa carga

– Biomassa cresce aderida;

– Leito de material grosseiro (brita, pedras, escoria de alto forno, ripas ou material pratico);

– Esgoto aplicado sob a forma de gotas ou jatos;

– São geralmente circulares.

• É um processo de tratamento de águas residuárias ainda pouco utilizado no Brasil e denominado de “filtro biológico”; na realidade trata-se de leitos percoladores, que consistem de um leito de material altamente permeável, nos quais se aderem os microorganismos e através dos quais o líquido a ser tratado é percolado;

• Unidades construídas de tanques, cheios de pedregulho onde os esgotos eram retidos por algum tempo, estabelecendo-se um ciclo operacional de enchimento e de esvaziamento;

• Os filtros biológicos são sistemas aeróbios, pois o ar circula nos espaços vazios entre as pedras, fornecendo oxigênio para respiração dos microrganismos. A ventilação é usualmente natural.

• Geralmente, são classificados em função da carga hidráulica ou da carga orgânica a que são submetidos: Baixa taxa; Taxa intermediária; Alta taxa; Taxa super alta (grosseiros).

• A matéria orgânica presente no despejo é degradada por uma população de microrganismos presa ao material de enchimento do filtro;

• A matéria orgânica do líquido é adsorvida na camada biológica ou biofilme. Na parte mais externa da camada biológica, a matéria orgânica é degradada pelos microrganismos aeróbios e facultativos;

• Conforme os microrganismos crescem, a espessura do biofilme aumenta e o oxigênio que entra na camada biológica por difusão é consumido antes que ele possa penetrar por toda a profundidade. Portanto, um ambiente anaeróbio se forma próximo a superfície do material de enchimento do filtro.

• Conforme o biofilme cresce em espessura, a matéria orgânica adsorvida é metabolizada antes que possa chegar aos microrganismos próximos a superfície do material do leito;

• Como consequência da falta de uma fonte externa de alimento, os microrganismos próximos a superfície do material de enchimento do leito, entram na fase de crescimento endógeno e perdem a sua habilidade de se prenderem à superfície do material do suporte;

• O líquido então arrasta pedaços dessa camada biológica e uma nova camada começa a crescer.

• Este fenômeno de perda da camada de biofilme é inicialmente uma função das cargas orgânica e hidráulica aplicada ao filtro biológico;

• A carga hidráulica influi no arraste do biofilme pelo atrito e a carga orgânica influi na taxa de metabolismo da camada biológica.

• 2) Filtros biológicos percolados de alta carga– Similares ao de baixa carga, mas recebem maior

carga de DBO por unidade;• Requerem menor área;

• Remoção de DBO um pouco menor;

• Lodo não digerido no filtro;

• Há recirculação do efluente– Mantendo vazão uniforme;

– Equilibrar carga afluente;

– Nova chance para remoção de MO;

– Trazer OD para o efluente.

• 3) Biofiltros aerados submersos– Tanque preenchido com material poroso;

– Reator trifásico:• Fase sólida: meio suporte -> formação do biofilme;

• Fase Líquida: líquido em escoamento através do meio poroso;

• Fase gasosa: aeração artificial.

– BIOFILTROS COM MEIO GRANULAR

– FILTROS BIOLOGICOS AERADOS SUBMERSOS COM LEITO ESTRUTURADO

• 4) BIODISCOS

VIDEO 1

• 1) É sempre necessário realizar a remoção de nutrientes do efluente? Justifique sua resposta e dê exemplos.

• 3) Qual a diferença do Bardenpho de 4 estágios para o de 5 estágios? Explique detalhadamente.

Perguntas

Lodos ativados e remoção de n e p aula 8_2016

Engineering

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