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


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 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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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.


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



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)


ambientes aeróbios

6

Damgaard et al. Wat. Res. 35: 1379-1386 (2001)

Oxigênio

Metano


ambientes aeróbios

De Beer et al. Appl.

Env. Microbiol.

63: 973-977 (1997)


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

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