Processos aeróbios
• Prof. Paulo Roberto Koetz
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Tratamento Biológico
•Remoção da matéria orgânica
– Metabolização por microorganismos
• Aeróbio
– presença de oxigênio
• Anaeróbio
– ausência de oxigênio
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Tratamento Biológico
•Metabolismo
– Utilização pelas bactérias do material
orgânico
• Fonte de energia
• Fonte material para a síntese celular.
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Tratamento Biológico
•Catabolismo
– Material orgânico
• Fonte de energia
•Anabolismo
– Material orgânico
• Massa celular.
•Processos interdependentes
•Simultaneos
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Divisão celular
Parede
celular
Septo
DNA Cromossoma
Membrana
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METABOLISMO BACTERIANO: AERÓBIO X
ANAERÓBIO
Metabolismo Aeróbio
Metabolismo Metanogênico
Catabolismo: 33%
Catabolismo: 97%
Anabolismo: 67%
 Anabolismo: 3%
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Metabolismo Microbiano
Classificação
Fonte de
energia
Fonte de
Carbono
Microorganis
mo
Fotoautotrófico
Luz
CO2
Algas - Bactérias
Quimioautotróficos
Redox
inorgânica
NH3, NO2, S-2
CO2
Bactérias
nitrificantes
Corg
Fungos
Bactérias
Corg
Sulfobactérias
Quimioheterotrófico Redox orgânica
s
Corg
Fotoheterotróficos
Luz
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Classificação em função do metabolismo
Metabolismo
μO
Redutor
Receptor e-
Composto final
Respiratório
Aeróbios
obrigatórios
Corg
O2
H2O
Respiratório anóxico
Anóxicos
Corg
NO3 – NO2 –
SO4
NO2 – N - S-2
Metanogênico
Anaeróbios
obrigatórios
Corg
CO2
CH4
Fermentativo
aeróbio
Anaeróbias
facultativas
Corg
O2
H2O
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Tratamento Biológico
•
Objetivos
– Coagular sólidos não decantáveis
– Diminuir o tamanho da molécula
– Diminuir a reatividade química.
– Remover nutrientes, N e P
– Remover substâncias orgânicas e inorgânicas.
– Condicionar o efluente aos padrões de emissão de
efluentes líquidos
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Tratamento Biológico
•Os processos biológicos
– Remoção da poluição dissolvida
......Mas............
•O efluente do tratamento primário
– Sólidos particulados
– Sólidos dissolvidos
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Tratamento Biológico
• Redução do tamanho das moléculas
– Esta redução não irá ocorrer no corpo
receptor
• Liberação de C, N na atmosfera
• Formação de novas células
• As novas células quando removidas carregam
as substâncias poluentes dos efluentes.
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Tratamento Biológico
• Conhecimentos necessários
– Características físico-químicas dos
efluentes
–Microbiologia do tratamento de
efluentes
–Cinética do crescimento dos
microorganismos
–Desenho de reatores
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Tratamento Biológico
• Microorganismos envolvidos
–Bactérias quimioheterotróficas
• Remoção da matéria orgânica em maior
quantidade
–Bactérias quimioautotróficas
• Transformações especiais
– nitrificantes
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Tratamento Biológico
• Microorganismos envolvidos
– Protozoários
– Fungos
– Algas
• Metabolismo simbiótico das lagoas de estabilização
– Outros organismos
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Tratamento Biológico
• Aeróbio
– Material orgânico é oxidado para produtos
minerais
• Lodo Ativado
• Lagoa Aerada
• Filtro Biológico
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Tratamento Biológico
• Anaeróbio
– Produtos finais são gases
• Biogás
– Metano
– Dióxido de carbono
– Lagoa Anaeróbia
– Filtro Anaeróbio
– Leito Fluidizado / Expandido
– UASB
– RALF
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Sistemas Aeróbios:
MO + O2 + µO  µO + CO2 + H2O
Sistemas Anaeróbios:
MO + µO  µO + CO2 + CH4 + H2O
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Princípios do tratamento biológico
Substrato
µO
Metabólitos + µO
• Substrato
– Metabolizado dentro ou fora da célula
– Complexo enzimático
– Substância poluente específica de um efluente
• Indústria de alimentos
– proteínas, carboidratos e lipídios, mas também sais orgânicos
e inorgânicos, ácidos orgânicos e inorgânicos e outros
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Princípios do tratamento biológico
Substrato
µO
Metabólitos + µO
• Microrganismos
– Bactérias, archae fungos, leveduras, algas e
cianobactérias.
• Metabólitos
– Substâncias transformadas que não são mais
utilizadas no metabolismo celular
– Moléculas modificadas
– Moléculas lisadas
– ¨Novos¨ resíduos
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Princípios do tratamento biológico
Substrato
µO
Metabólitos + µO
• Contem o material proveniente dos resíduos
– Na forma de novas células ou adsorvidos na parede celular.
• A remoção destes microrganismos da massa líquida
remove a poluição
• A massa de microrganismos
– Biomassa ou lodo secundário
– A biomassa retirada do sistema
• Biomassa em excedente
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Condições ambientais
•
•
•
•
•
•
•
•
•
Temperatura
pH
Agitação
Viscosidade do meio
Macro-Nutrientes
Micronutrientes
Co-fatores
Luz
Pressão osmótica
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Condições ambientais - Temperatura
• Psicrofílico – 5ºC a 20ºC
• Mesofílico - 20ºC a 50ºC
• Termofílico - 50ºC a 55ºC
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Condições ambientais - Aeração
• Aeróbios obrigatórios
– Necessidade absoluta de O2
• Bacillus e Pseudomonas
• Anaeróbios obrigatórios
– Não se multiplicam em presença de O2
• Clostridium
• Anaerobios Facultativos
– Crescem em presença ou ausência de O2
• Leveduras e Escherichia coli
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Condições ambientais - Oxigênio
• Microaerofilas
– Crescem em baixos níveis de O2
• 2 % a 10% O2
• Maiores concentrações de oxigênio são tóxicas
• Aerotolerantes
– Crescem em ausência ou presença de O2
– As diferenças entre as necessidades de O2 pelas
bactérias são devidas aos sistemas enzimáticos
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Condições ambientais - Nutrientes
• Carbono orgânico
• Nitrogênio
• Fósforo
• Micronutrientes
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Tratamento Biológico
•A cinética dos processos biológicos é
sempre feita a partir de experimentos
com sólidos dissolvidos
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Curva de crescimento
estacionária
ln µO
Desaceleração
Morte
Fase log
Lag
Aceleração
Tempo
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Log nº células (x)
Curva de crescimento
dX
dt
Tempo (t)
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Fase exponencial em TTBE
• O substrato é variado, simples e complexo
• A biomassa é heterogênea
• Os produtos intermediários são variados e
complexos.
• As condições ambientais não são homogêneas
• A curva de crescimento dos microrganismos
–não acontece com o mesmo desenho do que em
cultura pura
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Fase exponencial
• Divisão binária
• A população está crescendo em progressão geométrica
• As células se dividem em uma taxa constante
– Dependendo das condições do meio e das condições de
incubação
• Tempo de geração ou tempo de duplicação
• Taxa de crescimento exponencial de uma cultura
• Definição
–Tg = t/n
– n = número de gerações
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Fase exponencial
• Os tempos de geração entre as bactérias variam de
doze minutos até 24 hora ou mais.
• Muitas autotróficas, como as nitrificantes tem um tempo
de geração mais longo
• Uma cultura bacteriana pode ser mantida em
crescimento exponencial por um longo período de
tempo usando um sistema de cultura contínua. As
condições serão mantidas as mesmas que no final da
fase continua em batelada
• A população cresce (formação de células) na mesma
medida em que as células bacterianas são removidas
do reator. A taxa de adição de novo substrato determina
a taxa de crescimento das bactérias.
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Quantificação das bactérias (biomassa)
•
•
•
•
•
•
•
•
Microscopia direta
Contagem globas de bactérias
Turbidez.
Medida de grande concentração de bactérias
em meio líquido claro
Método rápido e não destrutivo
Sensibilidade > 107 celulas.mL-1
Medida de N total ou proteina
Medida de atividade bioquímica
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Quantificação das bactérias (biomassa)
• Sólidos suspensos voláteis
–Centrifugação
–Gravimetria
–Considera todo o SSV como biomassa
–O método mais usado em TTEF
–Expresso como mg.L-
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Reatores
• Contenção do efluente
• Otimização
das
condições
crescimento
• Fixação dos equipamentos auxiliares
de
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Parâmetros de projeto
• B – Carga orgânica aplicada
volumétrica
• TDH - Tempo de detenção hidráulico
• Velocidade de fluxo, Q/A
• Modelização
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Parâmetros de projeto
• Sistemas Aeróbios
– MO + O2 + µO  µO + CO2 + H2O
• Sistemas Anaeróbios
– MO + µO  µO + CO2 + CH4 + H2O
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Parâmetros de projeto
• Exemplos de cargas orgânicas aplicadas
–
–
–
–
–
0 kg.m-3r.d-1
4 kg.m-3r.d-1
10 kg.m-3r.d-1
20 kg.m-3r.d-1
Lagoas de estabilização
• Carga expressa em ha de superfície ou em volume
– 600 kg.ha-1r.d-1
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Tratamento biológico
Sistemas Aeróbios
MO + O2 + µO  µO + CO2 + H2O
Sistemas Anaeróbios
MO + µO  µO + CO2 + CH4 + H2O
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Processos biológicos de tratamento
Met. gasosos
S
Ar
Met. Sól – líq,
Agitação
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Tipos de Reatores
• Batelada
• Pistão
• Mistura perfeita
• Filme fixo
• Leito Fluidizado
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Escolha de um Reator
•
•
•
•
Tipo de efluente a ser tratado
Cinética do processo
Necessidades do processo
Condições locais ambientais
– Mercado
– Proselitismo
– Experiência divulgada
– Equipamentos disponíveis
– Custo do investimento
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Tratamento biológico
Q = 1 000 m3.d-1
Efluente
S0 = 2 000 mg.L-1
(S0) = 2 000 kg.d-1
Vr = 500 m3
E  (1 -
Afluente
B
2 000 kg.d-1
500 m3
Sf = 100 mg.L1
 4 kg.mr3.d1
TDH 
100
) x 100  95 %
2 000
500 m3
1000 m3.d-1
 0,5 d
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Introdução ao tratamento biológico