Biotecnologia no Tratamentos
de efluentes urbanos e
industriais
Curso de Pós Graduação em Biotecnologia
Módulo: Biorremediação e Bioconversão
Profa. Dra. Marcia Freire dos Reis
Aula n°6
2009
Características dos efluentes
líquidos
Características
físicas
Características
químicas
Sólidos
Res. Animais
Cor
Res. Vegetais
Odor
Bactérias
Temperatura
Conteúdo de orgânicos
Hidrocarbonetos
Gorduras
Fenóis
Proteínas , etc
Características
biológicas
Vírus
Conteúdo de inorgânicos
Metais pesados
Nitrogênio
Fósforo
Cloretos, etc
Conteúdo de gases
Sulfeto de H2
Metano
oxigênio
Tabela1. Poluentes a considerar durante o tratamento de efluentes. Fonte: LORA,
2002.
Poluentes
Sólidos em
suspensão
Orgânicos
biodegradáveis
Efeitos a considerar
Provocam a formação de depósitos de lodo e condições
anaeróbicas ao descarregar-se o efluente não tratado num
reservatório de água.
Sua estabilização (destruição) biológica pode levar ao
esgotamento de oxigênio natural no reservatório de água
Nutrientes
Eutrofização
Poluentes
prioritários
Carcinogenicidade, mutagenicidade e alta toxicidade
Metais pesados
COVs
Microganismos
patogênicos
Bioacumulação e alta toxicidade
Tóxicos e poluição atm
Transmissão de doenças
Tabela 2. Fontes típicas e efeitos dos poluentes presentes em efluentes
líquidos. Fonte: Lora, 2002
Poluentes
Efeitos
Fontes típicas
Orgânicos
Biodegradáveis
Desoxigenação,
condições anaeróbias,
morte de peixes, odores
Efluentes em grande quantidade de
HC dissolvidos, refino de açúcar,
destilarias; cervejarias; processamento
de leite; industria de papel e celulose
Metais pesados
Morte de peixes,
envenenamento de
gado, morte de plâncton;
acumulação na carne
dos peixes e dos
moluscos
Limpeza, platinado e decapagem de
metais; refinamento dos fosfatos e da
bauxita, geração de cloro, fabricação
de baterias, curtimento de couro
Ácidos e álcalis
Afetação do sistema de
compensação do pH,
desordenamento do
sistema ecológico
Percolados de jazidas de carvão,;
decapagem de aço; industrias têxteis;
produções químicas, limpeza de lã;
lavadores
Desinfetantes:
Cl2, H2O2,
Formalina,
Fenóis
Morte seletiva de
Branqueamento de papel e
microrganismos, aparecimento
tecidos, síntese de resinas,
de sabor e odor na água
fabricação de penicilina, fabricação
de gás, coque e alcatrão de
carvão, tinturas e produção
química
Íons: Fe, Ca,
NO3, S-, SO-2
Mudanças nas características
da água: aparecimento da cor,
dureza, salinidade e
incrustações
Metalurgia; fabricação de cimento;
cerâmica; bombeamento de
petróleo de jazidas.
Poluentes
evidentes à vista
e ao olfato
Alteração do balanço químico
por esgotamento rápido do
oxigênio e sobrenutrição;
aparecimento de odores e
crescimento seletivo de
microrganismos
Fabricação de gás e coque;
plantas de fertilizantes; fabricação
de explosivos; tinturas;
processamento de alimentos e
carne; fabricação de fibras
sintéticas; obtenção de polpa a
partir da madeira, branqueamento.
Microrganismos
Patogênicos
Infecções em humanos,
reinfecção de outros seres
vivos; doenças das plantas
pela irrigação com água
contaminada por fungos.
Resíduos de matadouros;
processamento de lãs, águas
residuais do processamento de
aves; resíduos hospitalares.
Abordagem dos problemas de efluentes
industriais
Avaliação da situação
- Conhecimento dos processo de fabricação envolvidos
na industria
- Determinação das características do efluentes
líquidos teor de matéria orgânica, teor de sólidos em
suspensão, concentração de substancias tóxicas.
- Consulta à legislação
- Diagnóstico de RH ou rede de esgoto disponíveis para
a descarga dos efluente tratado.
Minimização da carga poluidora
- Verificar a viabilidade de reúso/reciclagem
Determinação da forma de disposição final dos
efluentes
- Formas de disposição x legislação existente.
Determinação do Grau de Tratamento necessário
1-Tratamento primário
Remoção física dos resíduos sólidos em suspensão
facilmente removíveis por sedimentação ou flotação.
Ajuste de pH ou T°C.
2- Tratamento Secundário
Remoção da matéria dissolvida e de uma parcela maior
de sólidos em suspensão de forma a se obter um
efluente de baixa concentração de matéria orgânica,
isento de sólidos em suspensão, com pH neutro e
temperatura ambiente. Processos biológicos.
3- Tratamento Terciário
Remoção de substancias específicas , tais como
nutrientes (N, P), Metais pesados....
Tabela 3. Classificação dos métodos de tratamento de efluentes industriais.
Fonte: Lora, 2002.
Tipo de
Tratamento
Processos inclusos e objetivos
Primário
(métodos físicos)
Prepara o efluente para o tratamento biológico. Inclui a separação
do sólidos grossos com grades ou desintegradores, a equalização
e a neutralização. Os óleos, as gorduras, e os sólidos em
suspensão são removidos por flotação, decantação e filtragem.
Secundário
(métodos
biológicos)
Inclui a degradação biológica dos compostos solúveis. São típicos
níveis de entrada de 50-1.000 mg/L de DBO e de saída < 30 mg/L
de DBO. Geralmente, o tratamento é aeróbio, porém pode-se
utilizar tratamento combinado.
Terciário
(métodos físicoquímicos)
Remoção de tipos específicos de poluentes, fundamentalmente
orgânico não biodegradável. Inclui operações de filtragem,
adsorção com carvão ativado granular, oxidação química, etc.
Tratamento de
lodos
Inclui processos de espessamento dos lodos por decantação e
flotação, ou processo de secagem e deposição final dos mesmos.
Tabela 4. Formas de Tratamento
Tratamento
Primário
Gradeamento
Tratamento
secundário
Lagoas
Tratamento
terciário
Troca iônica
Câmara de areia
Lodos ativados
Carvão ativado
Sedimentação
primária
flotação
Digestão
anaeróbia
Filtro Biológico
Filtração
Coagulação
Tratamento Terciário
Processos Biológicos usados no tratamento de
efluentes líquidos
MO  Biodegradação da matéria orgânica  nutrição e
respiração.
Nutrição Obtenção de matéria orgânica para a
estruturação dos organismos e a obtenção de energia
molecular para a realização das atividades biológicas
normais.
Respiração Processo de oxidação através do qual são
liberadas energias contidas nas moléculas orgânicas. Os
MO utilizam a matéria orgânica
de um efluente
utilizando pequena parte dela para a autoconstrução e
reprodução e oxida o restante através da respiração
aproveitando a energia e restituindo ao meio elementos
na forma de subprodutos do seu metabolismo.
Medida da quantidade de matéria orgânica
DBO(Demanda Bioquímica de Oxigênio) quantidade de
oxigênio requerida pela unidade de volume de resíduo, para
a estabilização biológica da matéria orgânica biodegradável,
através de organismos vivos ou de suas enzimas.
Efluente
DBO (mg/L)
Esgoto doméstico
350
Vinhaça de usinas de álcool (melaço)
10.000 – 25.000
Produção de leveduras
3.000- 14.000
Resíduos de fábricas de antibióticos
5.000 – 30.000
Cervejarias
2.000
Licor sulfítico de fábricas de papel
20.000 – 45.000
Laticínios em recuperação do soro de
leite
30.000
DQO (Demanda Química de oxigênio) Quantidade de
oxigênio necessária para a oxidação de matéria orgânica
da amostra através do dicromato de potássio em meio
ácido na presença de catalisadores.
Ex. Despejo industrial de café solúvel (efluente da borra)
pH= 4,25
SF = 809 mg/L
SV= 15.012 mg/L
SS = 14.537 mg/L
DQO = 17.811 mg/L
DBO= 7.543 mg/L
DQO / DBO > 2
?
Tabela 5. Resumo das interpretações das análises
Relação
DQO /
DBO
Alternativas
Tratamentos possíveis
<2
Biológico convencional (filtros biológicos, lodos
ativados convencionais, estabilização por contato,
aeração prolongada, lagoas... DQO / DBO afluente
~ DQO / DBO efluente.
>2
1a alternativa: A Tratamento biológico convencional DQO/DBO
parte não
afluente < DQO/DBO efluente do tratamento.
biodegradável não
é importante do
ponto de vista da
poluição.
2a alternativa: A
parte não
biodegradável
também é
responsável pela
poluição.
Hipótese 1: SSV/SV > 0,8 decantação simples,
flotação, decantação com alteração de pH,
decantação com auxílio de floculantes.
Hipótese 2: SDV/SV > 0,8  adsorção em leitos de
carvão ativado, oxidação química, combustão….
COT (Carbono Orgânico Total Concentração total
orgânico na amostra de água residuária, sendo fácil e
rapidamente medido através do uso de método
instrumental.
Medida da concentração dos microrganismosA
concentração mássica de MO é avaliada normalmente
pela concentração de sólidos em suspensão voláteis
(SSV) ou Totais (SST)  inclui células vivas e mortas,
porém não destruídas por lise + sólidos orgânicos e
inorgânicos não celulares em suspensão.
Processos Biológicos
Os processos biológicos de tratamento de
águas residuárias (efluentes) podem ser
classificados em: aeróbios (MO utilizam o
oxigênio livre como receptor final do
hidrogênio); anaeróbios (utilizado o
oxigênio ligado a compostos químicos
como receptor final do hidrogênio) e
facultativos que dão preferência a via
aeróbia.
Sistemas aeróbios
Y= 0,30 a 0,51 mg SSV/ mg DBO.
Sistemas anaeróbios
Y= 0,032 A 0,27 mg SSV / DBO.
Processos anaeróbios  produtos finais com 
conteúdo energético (CH4, álcool)  fonte
energia.
x
Degradação < a dos processo aeróbios, portanto
há a necessidade de tratamento aeróbio
posterior.
As velocidades de reação dos processos
aeróbios são   em T°C entre 15-30°C
x
Processos anaeróbios existe a
necessidade de aquecimento para se
obter velocidades de reação   (exceção
para filtros anaeróbios).
• Processo biológico permite, utilizando o
metabolismo de microrganismos, reduzir
até níveis aceitáveis o teor de orgânicos
num efluente  resultado= massa
decantável
de
MO,
desenvolvidos
utilizando a matéria orgânica como fonte
de C.
• O metabolismo  processo bioquímico (reações de
oxidação – redução) que ocorre nos organismos vivos a
fim de garantir a energia para os processo de síntese, o
movimento e a respiração.
• Equações gerais dos processos de biodegradação são
as seguintes:
Síntese:
Orgânicos + O2 + N + P → Novas células + CO2+ H2O +
resíduo solúvel não biodegradável.
Respiração:
Células + O2 → CO2 + H20 + N+ P+ Energia+ resíduo
celular não biodegradável.
• Equações do metabolismo biológico
Oxidação e síntese
k
Orgânicos + a’O2 + N + P + células
a (novas células) + CO2 +
H2O + PMSnb
RESPIRAÇÃO ENDÓGENA
b células + b’ O2 → CO2 + H2O+ N+P+ Res. Cel. Não biodegradável +
PMSnb
Onde:
a’ = oxigênio requerido para a remoção de uma unidade de matéria orgânica,
mediante a sua oxidação até produtos finais (mg O2 / mg DBO);
a = taxa de conversão da matéria orgânica removida em ovas células pelo
processo de síntese (mg SSV/ mg DBO);
b = fração diária de células oxidadas endogeneamente (mg SSV/ mg SSV-dia);
b’ = oxigenio requerido para suportar a degradação endógena;
K = constante de reação.
PMSnb = produto microbiano solúvel não biodegradável.
APLICAÇÕES DO TRATAMENTO
BIOLÓGICO
REMOÇÃO DE MATÉRIA ORGÂNICA DO EFLUENTE (COLÓIDES E
ORGÂNICOS DISSOLVIDOS);
OXIDAÇÃO DO NITROGÊNIO DA AMONIA ATÉ NITRITOS E NITRATOS
(PROCESSO DE NITRIFICAÇÃO);
CONVERSÃO DOS NITRATOS EM NITORGÊNIO GASOSO (PROCESSO
DE DESNITRIFICAÇÃO);
REMOÇÃO DE P;
ESTABILIZAÇÃO DE LODOS ORGÂNICOS.
• Produtos finais de biodegradação em
processos aeróbios e anaeróbios
Processo aeróbio
Elemento
original
Processo
anaeróbio
CO3-2 ← CO2 ←
NO3- ← NO2- ←NH3 ←
SO4-2 ←
H2O ←
PO4-3
C
N
S
H
P
→ CH4 + CO2
→NH3
→ H2S
→ Subprodutos
orgânicos ou NH3
Tratamento Biológico Aeróbio
Em princípio qualquer despejo que apresente DBO maior
que algumas dezenas de mg/L.
Mesmo quando DBO  (presença de compostos tóxicos)
pode ser possível o tratamento  aclimatação dos MO.

Requisito + importante: DBO:N:P = 100:5:1

pH do reator: 6-8

Fornecimento de O2: O2 > 2mg/L  ar comprimido,
de aeradores superficiais, da fotossíntese realizada por
algas de lagoas de estabilização, ou por convecção
natural nos filtros biológicos.
Os principais processo aeróbios aplicáveis
no tratamento de resíduos industriais são:
Lodos Ativados
Filtros biológicos
Lagoas aeróbias
Bactérias principais responsáveis pela
decomposição da matéria orgânica
D+ MO papel secundário (clarificação
dos efluentes)
LODOS ATIVADOS
 Processo biológico + usado atualmente
para estabilizar a matéria orgânica
biodegradável de despejos industriais e
sanitários.
 Sistema no qual a massa biológica
cresce e flocula, sendo continuamente
recirculada e colocada com a matéria
orgânica do despejo líquido em presença
de O2.
4-8 h de
retenção
25 - 40% lodo separado no decantador
 O processo se aplica para esgotos
domésticos em mistura ou não com
efluentes industriais, e para despejos
industriais orgânicos (conc. Máxima de
DBO < 2 g DBO/ L).
 Eficiência de remoção >95%.
vantagens
Desvantagens
Excelente qualidade do efluente obtido
Necessidade de controle adequado
do processo por pessoal
especializado
Possibilidade de ou tempo de contato
Volume do lodo resultante elevado
Variar relação Matéria orgânica / massa MO
Consumo elevado de energia
Não aparecimento de moscas
Lodo pode ser estabilizado no próprio tanque
de aeração
Pequenos volumes de reatores
Estabilidade do processo
Capacidade de absorver o recebimento de
cargas de choque e compostos tóxicos
 Microrganismos presentes
Bactérias base do floco do lodo ativado, tanto estrutural
como funcionalmente.
Bactérias formadoras de flocos (estabilização da matéria
orgânica) > bactérias nitiricadoras
(NH3→NO-3) >
bactérias filamentosas (formação do bom floco) >
protozoários (clarificação do efluente).
Águas
que
contêm
glicose,
sacarose,
maltose,
lactose…promovem bom crescimento dos filamentos x
águas de lavanderia, industria têxtile quimicas inibem.
 Separação do lodo biológico no decantador é
fundamental para o desempenho do lodo
ativado  Teste do Índice Volumétrico do
lodo (IVL)  caracteriza a qualidade do lodo.
80-120 mL/g  Floco ideal
50- 150 mL/g sem problemas “bulking”
200 mL/g  começo de “Bulking”
• causas do aparecimento do bulking no lodo
ativado
Deficiência de nutrientes
Baixa concentração de oxigênio
A correção das causas não resolve o
problema instantaneamente, pois é preciso
aguardar a renovação de todos os MO no
sistema  necessária a aplicação de
métodos corretivos como adição de
desinfetantes (Cl e peróxido de hidrogenio)
Requisitos para um bom funcionamento do processo.
 O.D. tanque de aeração 1 – 3 mg/L O2
 pH tanque de aeração  6-9
 DBO:N:P
 Ausência de descargas orgânicas e tóxicas.
 Construção e dimensionamento
1-) Tanques de aeração
Geralmente retangulares, construídos de concreto,
profundidade de 3-5 m.
2-) Dispositivos de aeração
Aeração por insuflação e aeração por agitadores
superficiais
3-) Decantadores
Decantadores
tratamento
primários
sólidos
consumo de energia.
na
estações
sedimentáveis
de
+

4-) Parâmetros para dimensionamento
4.1-) Carga orgânica no lodo ativado expressa
em kg de DBO/ kg SSTA dia (sólidos suspensos
no tanque de aeração) e variam desde 0,05 kg –
2 kg DBO / kg SSTA.
Lodos ativados com capacidade convencional
taxa próximas de 0,3 kg de DBO/ kg de SSTA
dia.
4.2-)Tempo de retenção nos tanques de aeração
varia entre 4-8 h.
Variantes do processo:
Q0 = vazão de entrada na câmara de aeração
Qw= vazão de saída do sistema
Qr= vazão de recirculação
Existem numerosas modificações na concepção
original do processo de lodos ativados.
• Relação alimento / microganismos (F/M)
F = S0 , mg/mg –dia
M
Xvt
Onde:
S0 = DBO Ou DQO degradável no efluente
(alimento), mg/L;
Xv = biomassa (microrganismos) submetidos
a aeração, mg/L.
t = tempo de retenção
Representação esquemática do sistema convencional de
lodos ativados.
Representação esquemática do sistema de alimentação
escalonada.
Representação esquemática do sistema de aeração
prolongada.
Representação esquemática do sistema
carroussel.
Representação esquemática do sistema valo de
oxidação.
• Características das diferentes variantes de sistema
de lodo ativado
Processo
Carga de
orgânicos kg
/DBO/dia/m3
Idade do lodo
(dias)
F/M
mg/mg-dia
SSLM
mg/L
% remoção
DBO
Lodo ativado
convencional
0,4 – 0,8
3–8
0,2 – 0,5
1200- 4000
85-90
Lodo ativado de
alta velocidade
0,8 – 2,4
1–3
0,6 – 1,8
3000 – 5000
60-80
Estabilização
por contato
0,5 – 1,1
5- 15
0,2 – 0,5
1000 – 2500*
4000 – 10000**
75-90
Canal de
oxidação
-
60 – 90
0, 02 – 0,10
3500 – 5000
90-95
Lodo ativado
com oxigenio
2,4 – 4,0
1,5 – 5,5
0,5 – 1,5
4000 – 8000
90--95