1-Aula Bio Aerobio e Anaerobio 2012 [Modo de Compatibilidade]

1

Tratamento de Resíduos Industriais

Juacyara C. Campos

2

Exigências Ambientais� O que remover?

� Do grosso ao fino:� sólidos grosseiros em suspensão� sólidos em suspensão sedimentáveis ou não� óleos e graxas� metais pesados� matéria orgânica solúvel biodegradável (DBO)� nitrogênio amoniacal (DBO nitrogenada)� nitrato e nitrito� fósforo� matéria orgânica não biodegradável (DQO residual)� toxicidade

� Tipos de Tratamento� Tratamento Primário� Tratamento Secundário� Tratamento Terciário

3

Tratamento Secundário –Processos Biológicos � TRATAMENTO SECUNDÁRIO:

� Empregado na remoção de matéria orgânica solúvel. � Engloba os tratamentos biológicos.

Classificação quanto à presença de O 2

� Processos Biológicos Aeróbios: � Lodos Ativados � Filtros Biológicos� Lagoas de Estabilização� Lagoas Aeradas

� Processos Biológicos Anaeróbios: � Reator UASB

� Filtros Anaeróbios, etc.

Classificação quanto à aglomeração da biomassa

� Processos de Biomassa Fixa: � Filtros Biológicos� Biodiscos (RBC- Rotating Biological Reactor)� Reatores de Leito Submerso� Reatores de Leito Fluidizado� Reatores de Leito Móvel (MBBR – Moving Bed

Biofilm Reactor)� Processos com Biomassa em Suspensão:

� Lodos Ativados� Lagoas� UASB

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Processos Biológicos Aeróbios

SUBSTÂNCIA ORGÂNICA

METABOLIZAÇÃO

Absorção de moléculas pelas células

O2

CO2 + H2O

Produtos de metabolização

Novas células

BIOSORÇÃO NO FLOCO OU FILME MICROBIANO

ATUAÇÃO DE ENZIMAS EXTRACELULARES

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Processos Biológicos Aeróbios

� Produção energética para degradação de uma molécula de glicose:� Via Aeróbia:

� C6H12O6 + 6 O2 � 6 CO2 + 6 H2O + 649 cal/mol

� Via Anaeróbia: � C6H12O6 � 3 CO2 + 3 CH4 + 34 cal/mol

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Processos Biológicos Aeróbios –Morfologia dos aglomerados microbianos

� Formas de Aglomeração� Flocos Microbianos (“lodo”)� Filmes Microbianos (biofilme)

� Constituintes� Bactérias

� Formadoras de flocos� Filamentosas

� Protozoários e outros microrganismos� Exopolímeros (polissacarídeos e proteínas)

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� Bactérias� Grupo responsável pela oxidação da matéria orgânica

solúvel.� Origem: solo (principal); entérica (pequena parte)� Dimensões: 0,5-3 µm� Formas:

� bastões, esferas, espiraladas e vibrio� formadoras de floco e filamentosas

� Nutrição:� Autotróficas: CO2 como fonte de C �� bactérias nitrificantes� Heterotróficas: matéria orgânica como fonte de C

� Consumo de Oxigênio:� Aeróbias, Anaeróbias e Facultativas

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Bactéria

Parede celular

9

� Protozoários� Amebas� Flagelados� Ciliados de nado livre � Pedunculados

� Metazoários


livre natante

andarilho

carnívoro

Rotíferos

Nematóides

Tardígrados

Anelídeos (vermes com cerdas)

Microcrustáceos

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Protozoárioflagelado

Protozoário ciliadode nado livre

Protozoário ciliadocarnívoro

Protozoário pedunculado

Protozoário pedunculadoSuctória

rotífero

Protozoário ciliadoandarilho

ameba

11


12

Processos Biológicos Aeróbios –Morfologia dos aglomerados microbianos� Composição elementar da biomassa

� C ≅ 47%� H ≅ 6%� O ≅ 27%� N ≅ 11%

� Fórmulas empíricas elementares (base seca)� C5H7NO2

� C118H170O51N17P

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Condições Operacionais

� pH: 6-8� T: 10 – 40 oC� OD > 0,5 mg/L

� Mínimo operacional: 2 mg/L

� Nutrientes: � DBO/N/P= 100: 5 :1

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Processos Biológicos Aeróbios –Modelos Matemáticos� Crescimento Microbiano e Consumo de

Substrato – Processo em Batelada

S

X

tempo

1 2 3 4

1 Crescimento exponencialDesaceleraçãoCrescimento NuloDecaimento

234

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Processos Biológicos Aeróbios –Modelos Matemáticos

µµµµm = taxa específica máxima de crescimento celular (d-1 ou h-1)KS = constante de meia velocidade (mg/L ou g/m3)Y = fração de conversão de substrato em massa celular -produção específica de lodo (mg SSV/mgDBO ou DQO removida)b = taxa de decaimento celular (d--1 ou h-1)

Modelo de Monod Modificado

bXSK

SX

dt

dX

S

m −+

⋅⋅µ=)SK(Y

SX

dt

dS

S

m

+⋅⋅µ−=

Consumo de Substrato:Y = - dX/dS

t=0 : X=Xo e S=So

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� Consumo de Oxigênio� Oxidação bioquímica� Síntese de material

celular� Oxidação das reservas

Consumo de Substrato

Resp. Endógena

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� Simplificações� Quando S>>ks � dX/dt = k’X-b� Se a respiração endógena for desprezada �

dX/dt = k’X (modelo de primeira ordem em relação a X)

� Quando S<<ks � dX/dt = k*SX-bX� Se a respiração endógena for desprezada �

dX/dt = k*XS (modelo de segunda ordem em relação a X e a S)

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� Literatura (esgoto doméstico)� µm= 1,5-15 (dia-1)� ks=50-500 (mg/L)� Y=0,3-0,7 (mg SSV/mgDBO)� b=0,02-2 (dia-1)� ao=0,5-0,6 (mgO2/mg DBO)� b’ =0,05-0,24 (mgO2/mg SSV.dia)

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Processo de Lodos Ativados� “activated sludge”� Primeira unidade de tratamento: Manchester (UK) – 1914� Constituintes básicos

� Tanque de aeração� Decantador (secundário)� Sistema de reciclo

� Funcionamento: capacidade de decantação do lodo� Parâmetros para avaliação da sedimentabilidade do lodo

� SSed� IVL

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Processos de Lodos Ativados

Fonte: von Sperling

21

Processo de Lodos Ativados

22

Processo de Lodos Ativados -Sedimentabilidade do lodo

30 min. depois �

testenosólidosdeMassa

min30emdecantadolododeVolumeIVL ====

P/ esgoto

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Processo de Lodos Ativados� Parâmetros Operacionais

� Carga mássica (Cm) – Relação F/M(food/microorganisms ratio) ou A/M(alimento/microrganismo) – kgDBO ouDQO/(kgSSVdia)� Forte carga� Convencional� Oxidação Total ou Aeração

Prolongada

� Taxa de Aplicação ou Carga OrgânicaVolumétrica (Cv)– kg DBO ou DQO/ (m³dia)

� Idade do lodo (θc) – dias

� Consumo específico de substrato (U)(kg DQO ou DBO/kgSSVdia)

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Variantes do processo de lodos ativadosParâmetros Forte Carga Convencional Oxidação Total

Aeração Prolongada

Cm (kgDBO/kgSSv.d) – F/M ou A/M 1-5 0,2-0,5 0,02-0,10

Tempo de Retenção Hidráulica- τ (h) 1-2 3-8 18-24

Razão de reciclo – r 0,5-3 0,1-0,8 0,1-0,5

Xe – concentração de biomassa (mg SST/L) 1.500-3.000 2.000-5.000 5.000-8.000

Y- fração de conversão de substrato em massa celular (kg SSV/kg DBO removida)

0,4-0,7 0,3-0,5 0,1-0,2

Cv - taxa de aplicação ou carga orgânica volumétrica (kg DBO/m³.d)

2-6 0,6-1,6 0,1-0,5

Nitrificação Nula Iniciada avançada

Rendimento (remoção DBO) 50-70% 80-95% >90%

θC – tempo de retenção da biomassa ou idade do lodo(dias)

2-4 4-15 20-30

25

Variantes do processo de lodos ativados

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Aeração e Agitação

� Reatores de geometria retangulares� Aeradores de superfície� Difusores

27


Fonte: von Sperling

28


Fonte: von Sperling

29


Fonte: Jordão e Pessoa

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Lc=diâmetro da célula de convecçãod=diâmetro nominal do aerador

H= altura lâmina líquida

d/Lc= 0,1 – 0,2Lc/H = 2 -4

31


Rendimento mássico= 5-10%

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Aeração e Agitação� Capacidade oxigenante (CO): massa

de O2 transferida em condições-padrão (20oC, patm, ausência de mo)(kgO2/h)� kLa=coef. de transf. O2 para o meio

líquido (dia-1)� C*=9,2 mg/L� V=vol. Líquido� Taxa virtual (máxima) de transferência

de O2

� Rendimento Energético (ηE): taxa deO2 transferida por unidade de potênciadissipada (kgO2/kWh)� Aeradores: 1-2 kgO2/kWh� Difusores: 0,5-2,5 kgO2/kWh

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CONDIÇÕES AMBIENTAIS E NUTRICIONAIS PARA ATIVIDADE BIOLÓGICA NO PLA

� pH: Recomendado: 7-8,5� Em pH=9, a eficiência diminui de forma acentuada� Em pH=10, o sistema entra em colapso� Em pH<5, ocorre a evolução de fungos

� Temperatura:� T>45 ºC, ocorre a desnaturação das proteínas

� Oxigênio Dissolvido:� Recomendado: 1-3 mg/L� OD < 1-2 mg/L, não há protozoários

� Mistura:� Recomendado: 20 W/m³ para manter os sólidos em suspensão� > 50 W/m³ , ocorre ruptura do floco por excesso de energia mecânica.

� Nutrientes:� DBO:N:P �� 100:5:1� A falta de nutrientes pode acarretar a evolução de microrganismos filamentosos; espuma;

dificuldade de desagüe do lodo (aspecto gelatinoso)

� Toxicidade:� Inibe o crescimento de microrganismos� Provoca o “bulking” disperso

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Monitoramento clássico do PLA

� Vazão (Q)� pH� T� SST� Sólidos Sedimentáveis� OD� DBO� DQO� N� P� Metais� Microscopia� IVL� A/M

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Microrganismos indicadores das condições de depuração

Microrganismos Características do processo

Predominância de flagelados e rizópodes

Lodo jovem, característico de início de operação ou idade do lodo baixa.

Predominância de flagelados Deficiência de aeração, má depuração e sobrecarga orgânica.

Predominância de ciliados pedunculados e livres.Presença de Arcella (rizópode com teca)

Boas condições de depuração.Boa depuração.

Presença de Aspidisca costata (ciliado livre)

Nitrificação.

Presença de Trachelophyllum (ciliado livre)

Idade do lodo alta.

Presença de Vorticella icróstoma(ciliado penduculado) e baixa concentração de ciliados livres

Efluente de má qualidade.

Predominância de anelídeos (gen. Aelosoma)

Excesso de oxigênio dissolvido.

Predominância de filamentos Intumescimento do lodo ou bulkingfilamentoso.

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Controles operacionais

� X, carga mássica ou idade do lodo.� X

� Re-ajustado pela vazão de lodo a ser descartado� Carga Mássica (DBO variável de alimentação)

� Manter constante a carga mássica, através do descarte dolodo excedente

� Idade do lodo� Seu controle assegura um bom desempenho do

decantador

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Problemas operacionais e possíveis ações

Problemas Possíveis causas

Baixa eficiência na remoção da DBO solúvel

- θc muito baixo- N e P insuficientes- pH fora da faixa recomendável- Tóxicos presentes no afluente- Aeração insuficiente- mistura inadequada (curto circuito)

Odores -Aeração insuficiente- condições anaeróbias no decantador

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Problemas operacionais e possíveis ações

Problema Possíveis causas

Alta concentrações de sólidos à saída do sobrenadante do decantador

- θc muito alto

- desnitrificação no lodo acumulado no decantador-“bulking”associado a θc muito baixo-“bulking”associado a filamentosos cujo aparecimento pode estar ligado a:

-- baixo θc

-- insuficiente N e P-- aeração insuficiente

-- reciclo muito pequeno

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Projeto do Processo

� Efluente Industrial ≠ Esgoto Doméstico� Projeto

� Cálculo Vreator� Xreator� O2

� Taxa de reciclo� Tipo e posicionamento de aeradores, geometria do(s)

tanque(s)

� Cálculo� Método empírico� Método baseado em testes de laboratório

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Variações do processo de Lodos Ativados

� SBR (reator de batelada sequencial)� MBBR (Moving Bed Bioreactor - reator

biológico de leito móvel)� Air-Lift� Leito Fluidizado� MBR (Membrane Bioreactor-Biorreator com

membrana)

45

Biodisco – RBC – Rotating Biological Contactors

� Discos corrugados atuam como meio de suporte para culturas microbianas aderidas.

� Durante a rotação, o disco arrasta uma película de efluente, à qual transfere-se oxigênio e nutrientes durante o contato com o ar.

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(a) Biodisco convencional (RBC – Rotating Biological Contactors) (b) Biodisco convencional em reator fechado (para prevenir crescimento de algas, deterioração do plástico pela radiação ultravioleta e para manter a T(c) Biodisco submerso com dispositivo para captura de ar (cups) – aeraçãoé usada para direcionar ar para cups para causar a rotação(d) Biodisco submerso com dispositivo para captura de ar Fonte: Metcalf & Eddy (2003)

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Biodisco� As variáveis que afetam a eficiência do tratamento são:

� Velocidade de rotação – 1-1,6 rpm� Tempo de retenção do efluente� Temperatura� Grau de imersão do disco (~40%)

� Combinação: Lodo Ativado + Biodisco � o biodiscopermite confinar ar durante a exposição à atmosfera eliberá-lo no fundo do tanque, aerando assim o volume domesmo.

48

Biodisco Decantador e Clorador

Biodisco para remoção de amôniaPetrobras

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LAGOAS

� Lagoas de Estabilização� Estritamente Aeróbias� Anaeróbias� Facultativas� Maturação

� Lagoas Aeradas� Mistura Completa� Facultativa

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LAGOAS� A diferença básica entre a lagoa de estabilização e a lagoa

aerada é que na primeira, a aeração não é feita por meiosmecanicamente induzidos (aeradores de superfície), massomente por meios naturais (transferência do oxigênioatmosférico para a água e, em maior parte, pela açãofotossintética dos vegetais clorofilados presentes na lagoa .

� O oxigênio liberado na fotossíntese é utilizado pelosmicrorganismos aeróbios na degradação da matéria orgânica e,por sua vez, os produtos dessa degradação aeróbia (CO2, NO3

-,PO4

-3) são utilizados pelas algas numa, por assim dizer, perfeitasimbiose.

51

LAGOAS

52

Lagoas de Estabilização� De acordo com a forma predominante pela qual se dá a estabilização

da matéria orgânica:� Anaeróbias: predominância de fermentação anaeróbia, que ocorrem em

uma camada imediatamente abaixo da superfície, onde há ausência de OD

� Facultativas: ocorrem, simultaneamente, fermentação anaeróbia; oxidaçãoaeróbia e reação fotossintética; a uma zona de atividade anaeróbia sesobrepõe uma zona de atividade biológica aeróbia, próxima à superfície

� Maturação: refinamento do tratamento realizado através de lagoas ou deoutro processo biológico.Ocorre a redução de bactérias, dos SS, dosnutrientes, e da DBO residual

� Estritamente aeróbias: ocorre um equilíbrio entre a oxidação e afotossíntese para garantir condições aeróbias em todo o meio; é comumchamar incorretamente de aeróbias aquelas que, na realidade, sãofacultativas.

53

Lagoas de Estabilização� A escolha do tipo de lagoa dependerá das condições locais, mas

geralmente opta-se pela lagoa facultativa.

� Por se tratar de uma obra a céu aberto, diversos fatores naturaisinterferem no processo de estabilização da matéria orgânica :� evaporação da água que acarreta num aumento da

concentração de sólidos, da matéria orgânica e dos elementospresentes no efluente a ser estabilizado

� a temperatura que interfere na velocidade de metabolismo dosorganismos e da fotossíntese

� o vento que contribui para a homogeneização de oxigêniodissolvido na massa líquida

� a nebulosidade que atrapalha a radiação solar, interferindo navelocidade da fotossíntese.

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Lagoas Aeradas� Regime de mistura completa:

� nível de agitação é tal que todos os sólidos são continuamente mantidos em suspensão� tempo de residência ~ 3 dias� potência de aeração ~ 25 HP/ 106 galões de volume da lagoa. (10X menor que PLA)

� 1gal=0,0037854m³� Regime de lagoa facultativa:

� nível de agitação é de cerca de 5 vezes menor que o regime de mistura completa� insuficiente para manter para manter em suspensão homogênea todos os sólidos

presentes de forma que parte desses sólidos se deposita no fundo da lagoa onde, emrazão da provável escassez de oxigênio dissolvido, sofrem decomposição anaeróbia

� devido ao acúmulo, esses sólidos devem ser removidos (freqüência de remoção variade 1 a 6 anos)

� tempo de residência dessa lagoa é da ordem de 6 dias

� A seleção do regime de operação de uma lagoa aerada resulta de uma avaliaçãodos custos de operação e, principalmente, dos custos da terra (área). É claro queas lagoas facultativas, por demandarem menor potência de aeração, exigemmaiores volumes de bacia.

55Fonte: von Sperling

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Lagoas - Modelos� Simplificação: modelo de

primeira ordem� So=concentração de matéria

orgânica no afluente [mg/L]� S=concentração de matéria

orgânica no efluente [mg/L]� τ= tempo de retenção

hidráulica (V/Q), d � k = constante de taxa de

remoção, d-1

� Duas ou mais lagoas em série:� n = número de lagoas em

série� V = volume (L ou m³)� Q= vazão (m³/s ou L/s)

57

Lagoas Aeradas

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Filtro Biológico� Despejo percola através de meio poroso� Contato direto do substrato com ar� Microrganismos se desenvolvem aderidos na

superfície do suporte� Filtro biológico convencional: “trickling filter”� Recheios de brita e plástico� A espessura do biofilme pode variar entre 0,1

a 2 mm.

59

Filtro Biológico

Adaptado de Jordão & Pessoa

MeioFiltrante

. .CamadaAnaeróbia

CamadaAeróbia

H2S

Ácidosorgânicos

CO2

O2

DBO

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Filtro Biológico� Espessuras de biofilme maiores têm efeito adversos:

� operação do filtro - maior probabilidade de colmatação do leito� eficiência de remoção do substrato, decorrente de menores taxas de transferência

de substrato, oxigênio e dos metabólitos.

� Meio Suporte:� massa de sólidos, convenientemente depositada no tanque, com a

finalidade de agregar biomassa, em condições favoráveis aodesenvolvimento das reações bioquímicas que caracterizam oprocesso, permitindo ampla ventilação.

� pedregulhos, cascalhos, pedras britadas, escórias de fornos de fundiçãoe outros materiais inertes.

� atualmente, o plástico (PVC) tem tido preferência na fabricação demódulos (tubos, blocos e tocos) de filtros com meio suporte sintético.

� a grande vantagem do meio plástico como suporte é que ele possui ummaior coeficiente de vazios e, portanto superfície específica maior doque das pedras. Como é mais leve, facilita o transporte e arranjo nostanques.

61

Filtros BiológicosPropriedades físicas de material suporte utilizado em biofiltros. Fonte: Metcalf & Eddy (2003)

MaterialTamanho nominal

(cm)

Massa específica

média (kg/m³)

Área superficial específica (m²/m³)

Volume de vazio

(%)

Aplicação

Pedra britada (pequena) 2,5-7,5 1.250-1.450 60 50 N

Pedra britada (grande) 10-13 800 – 1.000 45 60 C, CN, N

Plástico – convencional 61 x 61 x 122

30-80 90 >95 C, CN, N

Plástico – área superficial específica elevada

61 x 61 x 122

65-95 140 >94 N

Plástico com preenchimento randômico –convencional

Variado 30-60 98 80 C, CN, N

Plástico com preenchimento randômico – área superficial específica elevada

Variado 50-80 150 70 N

C = remoção de DBO; N =nitrificação terciária; CN = remoção de DBO combinada com nitrificação.

62

Filtros BiológicosAplicações de filtros biológicos, carga aplicada e qualidade do efluente final. Fonte: Metcalf & Eddy (2003)

AplicaçãoCarga aplicada Qualidade do efluente tratado

Unidade Faixa Unidade Faixa

Tratamento Secundário

kg DBO/m³.d(a) 0,3-1,0 DBO (mg/L)SST (mg/L)

15-3015-30

Combinada remoção de DBO e nitrificação

kg DBO/m³.dg NTK/m².d(b)

0,1-0,30,2-1,0

DBO (mg/L)N-NH4

+(mg/L)<10<3

Nitrificação terciária

g N-NH4+/m².d 0,5-2,5 N-NH4

+(mg/L) 0,5-3

Remoção parcial de DBO

kg DBO/m³.d 1,5-4,0 Remoção de DBO (%)

40-70

(a)carga volumétrica (b) carga baseada na área superficial do leito filtrante

63

Filtros Biológicos

64

Filtros Biológicos

65

Filtros Biológicos

� So=concentração de matéria orgânica no afluente, DBO ou DQO solúvel e biodegradável [mg/L]

� Se=concentração de matéria orgânica no efluente, DBO decantado ou DQO solúvel e biodegradável [mg/L]

� q= carga hidráulica [m³/m².d]� n = constante relacionada ao meio filtrante � D=profundidade do leito utilizado [m]� k= constante determinada

experimentalmente (modelo de primeira ordem)

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Comparação FB e PLA� FB: remoção de substrato é da ordem de 60 %� PLA: remoção de substrato é da ordem de 80 %;� No FB não há energia despendida na aeração. O despejo

é aspergido no topo do leito do filtro pela própria ação dobinário de forças que fazem com que o aspergidor (tubocom extremidade fechada e perfurado na parte inferior)gire em torno do seu eixo, promovendo assim a aspersãouniforme do despejo no topo do leito. [Exceto para FB defluxo ascendente � o despejo é feito fluir de baixo paracima.]

� Os custos de instalação/manutenção/operação do FBconstituem-se numa pequena fração dos custoscorrespondentes do PLA.

� Restrição do FB: tratamento de baixas vazões dedespejos.

67

Nitrificação Biológica

� Oxidação em 2 etapas: NO2- e NO3

-

� Nitrificação:� Toxicidade da amônia livre� Eutroficação� Qualidade para reúso

� Processos� Biomassa em suspensão

� LA simples� LA “duplo” � no caso da presença de substâncias tóxicas

� Primeiro sistema � idade do lodo baixa � remoção da DBO� Segundo sistema � idade do lodo e TRH elevados

� Biomassa fixa� Mesma unidade que remove DBO ou em separado

68

Microbiologia da nitrificação biológica

Nitroso-bactérias: Nitrosomonas, Nitrosococus, Nitrosospira, Nitrosolobus, Nitrosorobio

Nitro-bactérias: Nitrobacter, Nitrococus, Nitrospira, Nitrospina, Nitroseystis

Reação Global:

69

Microbiologia da nitrificação biológica

� Requisito de O2: 4,57 g O2:/gNoxidado � Formação de novas células� Oxidação de nitrogênio amoniacal

� Alcalinidade (expresso em mg CaCO3/L)� 7,14 g alc./g Noxidado

� Conversão em biomassa:

70

Nitrificação biológica

� Fatores Ambientais:� pH

� Sensível ao pH� Faixa ótima: 7,5-8,0

� Toxicidade� Bactérias autotróficas são mais sensíveis do que as

heterotróficas

� Amônia Livre

71

Desnitrificação biológica

� Microbiologia:� Bactéria heterotróficas

� Pseudomonas� Processo Anóxico� pH: 7-8

óxido nítrico óxido nitroso

Reação teórica:

72

Processos de Desnitrificação

� Nitrificação e desnitrificação combinadas:� Pré-desnitrificação (remoção de nitrogênio com

carbono do esgoto bruto)� Pós-desnitrificação (remoção de nitrogênio com

carbono da respiração endógena)� Processo Bardenpho de quatro estágios� Valo de oxidação� Reatores de operação intermitente (batelada)

73

Processos

Fonte: von Sperling

74

Processos� Pré-desnitrificação

� O reator possui uma zona anóxica seguida pela zonaaeróbia.

� A nitrificação ocorre na zona aeróbia, conduzindo àformação de nitratos.

� Os nitratos são direcionados à zona anóxica por meio deuma recirculação interna. Na zona anóxica, os nitratos sãoconvertidos a nitrogênio gasoso, escapando para aatmosfera.

� Caso não houvesse a recirculação interna, a única formade retorno dos nitratos seria via o lodo de retorno, com ospossíveis riscos operacionais de desnitrificação nodecantador secundário (formação de bolhas de N2,causando lodo ascendente).

75

Processos� Remoção de nitrogênio com carbono da respiração endógena

� O reator compreende uma zona aeróbia seguida por uma zona anóxica e,opcionalmente, uma zona aeróbia final.

� A remoção de carbono e a produção de nitratos ocorrem na zona aeróbia.

� Os nitratos formados entram na zona anóxica, onde são reduzidos a nitrogêniogasoso. Desta forma, não há necessidade de recirculações internas, como no sistemade pré-desnitrificação.

� A desvantagem é que a desnitrificação ocorre em condições endógenas, já que amaior parte do carbono orgânico a ser utilizado pelas bactérias desnitrificantes foiremovida na zona aeróbia. Em decorrência, a taxa de desnitrificação é mais lenta, oque implica na necessidade de maiores tempos de retenção na zona anóxica,comparado com a alternativa de pré-desnitrificação.

� Uma possibilidade de se aumentar a taxa de desnitrificação é através da adição deuma fonte externa de carbono, como metanol.

� A zona final é de reaeração, com um baixo tempo de detenção (em torno de 30minutos). As principais finalidades são o desprendimento das bolhas de nitrogêniogasoso e a adição de oxigênio dissolvido antes da sedimentação.

76

Processos Anaeróbios

77

Degradação Anaeróbia

MatériaOrgânica

BactériasAnaeróbias

CH4CO2H2OH2SNH3H2

Novas células

78


� As diversas características favoráveis dossistemas anaeróbios, passíveis de seremoperados com elevados tempos de retençãode sólidos e baixíssimos tempos de retençãohidráulica, conferem aos mesmos um grandepotencial para sua aplicabilidade emtratamento de águas residuárias.

79

Processos AnaeróbiosVantagens Desvantagens

• baixa produção de sólidos, cerca de 5 a 10 vezes inferior à que ocorre nos processos aeróbios;

• baixa demanda de área, especialmente nos reatores de alta carga;

• produção de metano, um gás combustível de elevado teor calorífico (9000 kcal/m3);

• possibilidade de preservação da biomassa, sem alimentação do reator, por vários meses;

• tolerância a elevadas cargas orgânicas;• aplicabilidade em pequena e grande

escala;• baixo consumo de nutrientes;• baixo consumo de energia.

• as bactérias anaeróbias são suscetíveis à inibição por alguns compostos;

• a partida do processo pode ser lenta na ausência de lodo de semeadura adaptado;

• alguma forma de pós-tratamento é usualmente necessária;

• a bioquímica e a microbiologia da digestão anaeróbia são complexas e ainda precisam ser estudadas;

• possibilidade de geração de maus odores, porém controláveis;

• possibilidade de geração de efluente com aspecto desagradável;

• remoção de nitrogênio, fósforo e patogênicos insatisfatória.

80


� Etapas de degradação anaeróbia:� Hidrólise de polímeros (carboidratos, lipídeos e

proteínas);� Fermentação de aminoácidos e açúcares;� Oxidação anaeróbia de ácidos graxos de

cadeia longa;� Oxidação anaeróbia de metabólitos

intermediários;� Conversão de acetato a metano;� Conversão de hidrogênio e dióxido de carbono

a metano.

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� Grupos de microrganismos� Bactérias fermentativas

� Hidrólise: polímeros � monômeros� acetato, hidrogênio ,CO2, ácidos orgânicos de cadeia curta etc.

� Bactérias acetogênicas� Converte os produtos formados pelo primeiro grupo

(aminoácidos, açúcares, ácidos orgânicos e álcoois) emacetato, H2 e CO2.

� Bactérias metanogênicas� Utilizam os produtos do segundo grupo como substrato

� Acetato� CH4 e CO2

� CO2� CH4

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� Hidrólise/acidogênese� pH ideal: 5,8-6,0� Bactérias facultativas� Etapa de velocidade limitante no processo no caso de

degradação de substratos complexos

� Acetogênese� Bactérias acetogênicas são responsáveis pela oxidação

dos produtos gerados na fase anterior em substrato paraas bactérias metanogênicas (“archaes bactérias”)

� Competem pelo H2 com as metanobactérias� Manutenção de uma baixa pressão parcial de H2 no meio

em situações de inibição das metanobactérias

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� Metanogênese� Bactérias anaeróbias estritas� pH ideal: 6,8-7,2� Etapa de velocidade limitante no processo no caso de

degradação de substratos simples� Crescimento lento

� Sulfetogênese� Processo no qual o sulfato e outros compostos a base de

enxofre são utilizados durante a oxidação dos compostosorgânicos

� Bactérias sulforedutoras� Sulfato, sulfito e outros compostos sulforados� sulfetos

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Formação de metano

� Biogás formado a partir da degradação do esgoto:70-80% de CH4 e 20-30% de CO2

� O metano produzido o processo de digestãoanaeróbia é rapidamente separado da fase líquida,devido a sua baixa solubilidade em água,resultando num elevado grau de degradação dosefluentes, uma vez que este gás deixa o reator coma fase gasosa.

� O CO2 é bem mais solúvel em água que o metano,saindo parcialmente como gás e parcialmentedissolvido no efluente tratado.

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Conversão teórica da DQO em metano

� A partir da DQO removida� CH4 + 2 O2 � CO2 + H2O� 1 mol CH4 = 2 mols O2

� CNTP� 22,4 L CH4 = 64g O2 = 64 g DQO� 1 g DQO removida = 0,35 L CH4

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Conversão teórica da DQO em metano

� Em outras condições de T e P

� VCH4=volume de metano produzido (L)� DQOCH4=carga de DQO removida no reator e convertida em metano

(g de DQO)� K(T)= fator de correção para Toperacional do reator (gDQO/L)

� P= pressão atmosférica (1 atm)� K=DQO correspondente a um mol de CH4 (64 g DQO/mol)� R= constante de gases (0,082 atmL/molK)� T=temperatura do reator (oC)

Considerando que a produção de metano pode ser facilmente determinada em um reator anaeróbio � medida rápida e direta da eficiência do processo

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� DQO:N:P= 350:5:1� Inoculação e partida do reator

� Lodo anaeróbio excedente, orundo de unidades similares

� Lodo de esgoto digerido� Lodos oriundos de tanques sépticos� Esterco animal biodigerido anaerobiamente� Quantidade de material inoculante: 10-20 kg

SSV/ m³reator

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Controle do Processo

� Parâmetros de entrada� DQO e Q afluente� carga orgânica e taxa de

aplicação volumétrica

� Parâmetros de verificação de estabilidade� pH meio reacional� Acidez volátil meio reacional� Alcalinidade total e bicarbonato do meio reacional� Teor de CO2 e metano do biogás� Concentração de sólidos no efluente

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Controle do Processo

� Parâmetros de Avaliação� Eficiência de remoção de DBO e DQO� Fator de conversão da DQO em metano

� Avaliações complementares� Concentração de sólidos no reator� Oferta de nutrientes� Atividade do lodo anaeróbio� Verificação da aglomeração microbiana

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Principais respostas do sistema

� POR (potencial de oxi-redução)� Ambiente extremamente redutor� Valores ótimos de -520 a – 530 mV

� pH� A queda do pH revela um acúmulo de

intermediários ácidos num nível superior aotolerado pela capacidade tampão do meio, o quepode ser o resultado de um desequilíbrio entre aprodução e o consumo dessas substâncias,decorrente da falta de equilíbrio entre aspopulações

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� Ácidos orgânicos voláteis (AOV)� Mede o equilíbrio entre as populações de microrganismos

acidogênicos e metanogênicos

� Alcalinidade� Mostra o nível da capacidade tampão, importante para

prevenção de quedas de pH

� Relação AOV/alcalinidade� Parâmetro mais adequado para o monitoramento do

processo� Permite prever e evitar a queda de pH � falha do sistema� 0,06-0,2 (quando ambos parâmetros estão expressos

mg/L)

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� Biogás� A quantidade de biogás e o seu porcentual de

metano é dependente da composição da matériaorgânica alimentada ao processo

� Atividade metanogênica específica (AME)� Relação entre a quantidade de substrato

consumido e a quantidade de biomassa porunidade de tempo (kg DQO/ kg SSV.d)

� Capacidade máxima dos microrganismos emdegradar um substrato específico, levando-o atémetano e CO2

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Reatores Anaeróbios� Os reatores biológicos anaeróbios costumavam ser divididos em

dois grandes grupos: os reatores de biomassa em suspensão eos reatores de biomassa fixa.� Reatores de 1a geração – são aqueles em que a biomassa

encontra-se em suspensão. Exemplos: Fossa Mouras, TanqueSéptico, Tanque Imhoff, Lagoa Anaeróbia, Reator Convencionale Reator Anaeróbio de Contato.

� Reatores de 2a geração – são aqueles em que osmicrorganismos encontram-se retidos dentro do reator, pelapresença de um suporte ou pela sua capacidade desedimentação. Exemplos: Filtro Anaeróbio, Reator Anaeróbio deFluxo Ascendente e Manta de Lodo (UASB).

� Reatores de 3a geração – são aqueles em que osmicrorganismos encontram-se aderidos a um suporte que podeser expandido ou fluidizado. Exemplos: Reator Anaeróbio deLeito Expandido e Reator Anaeróbio de Leito Fluidizado.

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Reatores Anaeróbios� Classificação (segundo Chernicharo, 1997)

� Sistemas Convencionais� Digestores de lodo� Tanques sépticos� Lagoas Anaeróbias

� Sistemas de Alta Taxa� Com Biofilme

� Reatores de Leito Fixo� Reatores de Leito Rotatório� Reatores de Leito Expandido (Fluidizado)

� Em suspensão� Reatores de 2 estágios� Reatores de Chicanas� Reatores de Manta de Lodo� Reatores de Leito Granular Expandido� Reatores com Recirculação Interna

Chernicharo, C.A.L., “Reatores Anaeróbios”, vol. 5 da série “Princípios do Tratamento Biológico de Águas Residuárias” Ed. ABES, 1997.

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UASB� A aceitação e disseminação da tecnologia anaeróbia para o

tratamento de efluentes, notadamente dos reatores anaeróbiosde fluxo ascendente e manta de lodo (UASB), vem crescendo acada dia.

� O reator UASB se constitui um dos processos de tratamentomais promissores devido a sua baixa necessidade de terreno,operação simples e baixos custos de construção, operação emanutenção.

� Além disso, a boa eficiência de remoção de carga orgânica esólidos suspensos o torna atrativo como um processo detratamento para os países em desenvolvimento nos quais astemperaturas prevalecentes favorecem o processo dedegradação anaeróbia.

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UASB

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UASB� As condições básicas para que um reator do tipo UASB

apresente alta capacidade de tratamento e elevadas eficiênciassão:� bom desempenho do separador trifásico, ou seja, separação

eficiente do biogás, o do lodo e do efluente tratado;� boa sedimentabilidade da biomassa, devendo desenvolver e se

manter, preferencialmente, na forma granular;� a alimentação deve ser feita, preferencialmente, pelo fundo do

reator pois, desta forma, ocorrerá um melhor contato entre oefluente a ser tratado e o lodo;

� o arraste de partículas de lodo deve ser minimizado criando-secondições, nas placas defletoras, para que essas partículasfloculem, decantem e/ou fiquem retidas em um leito de lodosecundário que se cria na superfície das placas.

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Bibliografia� ECKENFELDER JR., W.W., Industrial Water Pollution Control,

Mc Graw Hill� RAMALHO R. S., Tratamiento de Aguas Residuales, Editorial

Reverté, Espanha� METCALF & EDDY, INC., Wastewater Engineering, McGraw-Hill� von SPERLING, M., Introdução à Qualidade das Águas e ao

Tratamento de Esgotos, DESA-UFMG, Belo Horizonte(volumes de 1 a 6)

� JORDÃO E. P., PESSOA, C.A., Tratamento de Esgotos Domésticos ABES-RJ

� DAVIS M.L., CORNWELL, D.A., Introduction to Environmental Engineering, McGraw-Hill, 1991

� PEAVY, H.S. et al , Environmental EngineeringI, McGraw-Hill

1-Aula Bio Aerobio e Anaerobio 2012 [Modo de Compatibilidade]

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