Tratamento de Esgotos e de Residuos Solidos
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Tratamento de efluentes líquidos (esgotos domésticos ou águas residuárias industriais)
� 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 ⇒⇒⇒⇒ CO2, NH3, H2O, biomassa
⇒ Reator anaeróbiocompostos orgânicos ⇒⇒⇒⇒ CO2, NH3, H2O, biomassa,
metano,
Esquema básico de sistemas de lodo ativado
� 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)
Lodo precisa decantar!
Floco é biofilme!
Lodo ativado: Microbiologia
� 95% bactérias (facultativas a maioria)� Resto: protozoários e rotíferos
Problemas microbianos de relevância para a operação de plantas de lodo ativado:
� Flocos dispersos não decantáveis � Pin floc� Toxicidade� Bulking por bactérias filamentosas� Problemas de nitrificação e denitrificação� Problemas com remoção biológica de fósforo
Lodo ativado: Microbiologia
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)
Lodo ativado: Microbiologia
Pin floc:Flocos de tamanho muito pequeno (Ø 50µµµµm, normal Ø
1mm) formados em condições de baixa disponibilidadede 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.H2S é um potente inibidor de bactérias aeróbias em pH
abaixo de 7.0, correspondente ao pKa da molécula.
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Lodo ativado: Microbiologia
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.
Bulking Espuma
Efluente do decantadorsecundário
Lodo filamentoso
Lodo bom
Lodo ativado: Bactérias filamentosas > 25 espécies
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
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.
Lodo ativado: Microbiologia
Carchesium sp.
Opercularia sp. Vorticella convallaria
Reatores anaeróbios de tratamento de esgoto:Upflow Anaerobic Sludge Blanket Reactor - UASB
⇒⇒⇒⇒ Sistema preferencial de tratamento de águas residuáriascom elevados teores de matéria orgânica biodegradável
Grânulos de Reatores Anaeróbios
UASBGrânulos de
microrganismos de reator anaeróbio
Grânulos de Reatores Anaeróbios
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Esquema de Biorreator Anaeróbio em Aterro Sanitário
Degradação Anaeróbia de Polímeros Biogênicos:Ambientes com baixa concentração de sulfato
Polímeros
Monômeros
Ácidos graxos de baixo peso molecular
ÁlcoóisLactato
Succinato
AcetatoH2, CO2,
CH3-R, HCOO-
CH4, CO2
Fermentadoresprimários
Fermentadoressecundários
Acetogênicos
MetanogênicosMetanogênicos
Fermentadoressecundários
Fermentadoresprimários
Fermentadoresprimários
Comparação lodos ativados - UASB
Item lodo ativado UASB
Consumo de energia alto baixoRemoção de nutrientes sim nãoPós-tratamento não simEficiência de remoção da matéria orgânica dissolvida alta altaTratamento de efluentes com teor elevado de Matéria orgânica não simProdução de metano não simÁrea ocupada grande pequenaProdução de lodo elevada baixaComplexidade alta baixaPartida rápida demorada
Remoção biológica de nitrogênio: nitrificação e denitrificação
Nitrosomonas (Nitrosococcus, Nitrosospira)NH4
+ + O2 ⇒⇒⇒⇒ NO2- + 3H+ + 2e-
Nitrobacter (Nitrococcus, Nitrospira)NO2- + H2O ⇒⇒⇒⇒ NO3
- + 2H+ + 2e-
⇒ 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
Nitrificação reduz a alcalinidade do meio, devido à fixação de HCO3
- pelas bactérias para a produção de biomassa
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
Bactérias denitrificantes:NO3
- ⇒⇒⇒⇒ NO2- ⇒⇒⇒⇒ NO ⇒⇒⇒⇒ N2O ⇒⇒⇒⇒ N2
sludge recycle
influent settlingtank
effluentanoxic
sludgewasting
aerobicanoxic
aerobic
Remoção biológica de nitrogênio: configuração de reatores
nitrificação
denitrificação
Singlesludge
Multisludge
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Remoção biológica de nitrogênio: configuração de reatores
Bardenpho
Anamox 5NH4+ + 3NO3
- ⇒⇒⇒⇒ 4N2 + 9H2O + 2H+
Anaerobic ammonium oxidation
Remoção biológica de fosfato: princípio microbiológico
⇒ Alternância entre condições anaeróbias e aeróbias
Acumulação de fosfato e degradação de
polihidroxialcanoato
Mobilização de fosfato e acumulação 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.
Anaeróbio Aeróbio Aeróbiosem substrato com substrato
Aeróbios latente inativos crescendo
Nitrificantes latente crescendo crescendose há NH4
+ se há NH4+
disponível disponível
Denitrificantes crescendo inativos crescendofacultativos
Fermentadores crescendo inativo/ inativo/crescimento lento crescimento lento
Acumuladores acumulando crescendo com crescendo comde fosfato PHA PHA/acumulando PHA/acumulando
fosfato fosfato
Comportamento dos diferentes grupos de microrganismso nas diferentes etapas dos processo de
tratamento de esgoto
Reatores de biofilme – rotating biologicalcontactors (RBC)
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Reatores de biofilme – moving bed biofilmreactor (MBBR) Reatores de biofilme – reatores de
leito fluidizado - BIOSTYR
Reatores de biofilme – trickling filterReatores de biofilme – trickling filters: enchimentos
Reatores de biofilme – permitem a atividade simultânea de bactérias aeróbias e anaeróbias em
ambientes aeróbios
Kühl & Jorgensen Appl. Env. Microbiol. 58: 1164-1174 (1997)
Reatores de biofilme – permitem a atividade simultânea de bactérias aeróbias e anaeróbias em
ambientes aeróbios
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Damgaard et al. Wat. Res. 35: 1379-1386 (2001)
Oxigênio
Metano
Reatores de biofilme – permitem a atividade simultânea de bactérias aeróbias e anaeróbias em
ambientes aeróbios
De Beer et al. Appl.
Env. Microbiol.
63: 973-977 (1997)
Reatores de biofilme – permitem a atividade simultânea de bactérias aeróbias e anaeróbias em
ambientes aeróbios
CompostagemCompostagem 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
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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.
Compostagem: ParâmetrosTamanho das partículas:
� 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