Processos aeróbios • Prof. Paulo Roberto Koetz 1 Tratamento Biológico •Remoção da matéria orgânica – Metabolização por microorganismos • Aeróbio – presença de oxigênio • Anaeróbio – ausência de oxigênio 2 Tratamento Biológico •Metabolismo – Utilização pelas bactérias do material orgânico • Fonte de energia • Fonte material para a síntese celular. 3 Tratamento Biológico •Catabolismo – Material orgânico • Fonte de energia •Anabolismo – Material orgânico • Massa celular. •Processos interdependentes •Simultaneos 4 Divisão celular Parede celular Septo DNA Cromossoma Membrana 5 METABOLISMO BACTERIANO: AERÓBIO X ANAERÓBIO Metabolismo Aeróbio Metabolismo Metanogênico Catabolismo: 33% Catabolismo: 97% Anabolismo: 67% Anabolismo: 3% 6 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 7 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 8 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 9 Tratamento Biológico •Os processos biológicos – Remoção da poluição dissolvida ......Mas............ •O efluente do tratamento primário – Sólidos particulados – Sólidos dissolvidos 10 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. 11 Tratamento Biológico • Conhecimentos necessários – Características físico-químicas dos efluentes –Microbiologia do tratamento de efluentes –Cinética do crescimento dos microorganismos –Desenho de reatores 12 Tratamento Biológico • Microorganismos envolvidos –Bactérias quimioheterotróficas • Remoção da matéria orgânica em maior quantidade –Bactérias quimioautotróficas • Transformações especiais – nitrificantes 13 Tratamento Biológico • Microorganismos envolvidos – Protozoários – Fungos – Algas • Metabolismo simbiótico das lagoas de estabilização – Outros organismos 14 Tratamento Biológico • Aeróbio – Material orgânico é oxidado para produtos minerais • Lodo Ativado • Lagoa Aerada • Filtro Biológico 15 Tratamento Biológico • Anaeróbio – Produtos finais são gases • Biogás – Metano – Dióxido de carbono – Lagoa Anaeróbia – Filtro Anaeróbio – Leito Fluidizado / Expandido – UASB – RALF 16 Sistemas Aeróbios: MO + O2 + µO µO + CO2 + H2O Sistemas Anaeróbios: MO + µO µO + CO2 + CH4 + H2O 17 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 18 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 19 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 20 Condições ambientais • • • • • • • • • Temperatura pH Agitação Viscosidade do meio Macro-Nutrientes Micronutrientes Co-fatores Luz Pressão osmótica 21 Condições ambientais - Temperatura • Psicrofílico – 5ºC a 20ºC • Mesofílico - 20ºC a 50ºC • Termofílico - 50ºC a 55ºC 22 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 23 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 24 Condições ambientais - Nutrientes • Carbono orgânico • Nitrogênio • Fósforo • Micronutrientes 25 Tratamento Biológico •A cinética dos processos biológicos é sempre feita a partir de experimentos com sólidos dissolvidos 26 Curva de crescimento estacionária ln µO Desaceleração Morte Fase log Lag Aceleração Tempo 27 Log nº células (x) Curva de crescimento dX dt Tempo (t) 28 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 29 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 30 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. 31 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 32 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- 33 Reatores • Contenção do efluente • Otimização das condições crescimento • Fixação dos equipamentos auxiliares de 34 Parâmetros de projeto • B – Carga orgânica aplicada volumétrica • TDH - Tempo de detenção hidráulico • Velocidade de fluxo, Q/A • Modelização 35 Parâmetros de projeto • Sistemas Aeróbios – MO + O2 + µO µO + CO2 + H2O • Sistemas Anaeróbios – MO + µO µO + CO2 + CH4 + H2O 36 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 37 Tratamento biológico Sistemas Aeróbios MO + O2 + µO µO + CO2 + H2O Sistemas Anaeróbios MO + µO µO + CO2 + CH4 + H2O 38 Processos biológicos de tratamento Met. gasosos S Ar Met. Sól – líq, Agitação 39 Tipos de Reatores • Batelada • Pistão • Mistura perfeita • Filme fixo • Leito Fluidizado 40 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 41 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.d1 TDH 100 ) x 100 95 % 2 000 500 m3 1000 m3.d-1 0,5 d 42
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