Tratamentos de efluentes urbanos e industriais - Parte 2

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1 Tratamentos de efluentes urbanos e industriais - Parte 2
Curso de Pós Graduação em Biotecnologia Módulo: Biorremediação e Bioconversão Profa. Dra. Marcia Freire dos Reis Aula n°7 2009

2 FILTROS BIOLÓGICOS Constituídos basicamente de um leito de material no qual o MO se aderem e, através do qual o efluente a ser tratado é percolado. Filtros  concreto com dreno inferior para a coleta do efluente tratado e do sólidos biológicos que se desprendem do material do leito.

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4 ESQUEMA DE TRATAMENTO DO FILTRO BIOLÓGICO
 problemas de colmatação Efluente Decantador primário Decantador Secundário Afluente Filtro Lodo primário Lodo Secundário Eficiência:  DBO de 70-80%

5 Classificação dos filtros biológicos
Item Filtro de baixa taxa (ou convencional) Filtro de taxa intermediária Filtro de alta taxa Filtro de taxa Superalta Taxa de aplicação hidráulica (m3/m2.dia) 1-4 4-10 10-40 4-200 Taxa de aplicação orgânica (kg DBO/m3.dia) 0,08 – 0,32 0,24 – 0,48 0,38 – 1,00 0,80- 6,00 Profundidade (m) 1,5 – 3,0 1,25 – 2,50 1,0 – 12,0 4,0 – 12,0 Taxa de recirculação 0 - 1 1 - 3 1 - 4 Material de enchimento Pedra, escória Pedra, escória, material de enchimento Materiais sintéticos, madeira vermelha Potência requerida (kw/1.000 m3) 2 -4 2 - 8 6- 10 10 – 20 Moscas dos filtro muitas Menos que no convencional Poucas, as larvas são carreadas Poucas ou nenhuma Arraste do limo intermitente contínua Contínua Efluente Normalmente bem nitrificado Parcialmente nitrificado Nitrificado em baixas cargas

6 Efeitos da recirculação
Vantagens: Eficiência de remoção de DBO Permite a aplicação de cargas orgânicas maiores Evita que o filtro fique seco Eventuais problemas de odor Evita a proliferação de moscas Retorno dos MO ativos gerando uma inoculação do filtro em toda a sua profundidade com grande variedade de MO Matéria orgânica + MO > Tempo de contato Diluição da matéria orgânica do afluente ….

7 Materiais de enchimento - Características
 Volume de vazios  área superficial Estruturalmente forte Suficientemente leve Biológica e quimicamente inerte  Custo Materiais de enchimento naturais  pedra britada, pedregulho, sabugo de milho, coque de carvão, etc.  volume de vazios x peso x  custo Materiais sintéticos  plástico   área superficial x  volume de vazios x  peso x  custo  arranjos ao acaso (alta taxa) e arranjos ordenados (taxa super altas).

8 TRATAMENTO BIOLÓGICO ANAERÓBIO
Na natureza existem vários ambientes favoráveis ao desenvolvimento da digestão anaeróbia: pântanos, estuários, mares e lagos, usinas de carvão, jazidas petrolíferas...  gás combustível a partir de resíduos orgânicos. séc. XIX: tratamento de esgoto doméstico Gás produzido usado na iluminação. Digestão anaeróbia ocorre em 3 etapas:

9 + lentos  > tempo de retenção Carboidratos, lipídeos, proteínas
Matéria orgânica Ação sinérgica dos MO + lentos  > tempo de retenção Carboidratos, lipídeos, proteínas Bactérias fermentativas Hidrólise e fermentação (1) Ácidos graxos etanol Bactérias acetogênicas Desidrogenação acetogênica (2) H CO2 Acetato Hidrogenação acetogênica (2) Bactérias metagênicas Descarborboxilação de acetato (3) Fase limitante Formação redutiva de metano CH4 + H2O CH4 + CO2 Condições ótimas de crescimento!

10 Novas concepções de digestores
Operados em pequeno TRH X População  MO

11 Composição média da vinhaça de caldo de cana de açúcar usada no biodigestor piloto e do seu efluente. Vinhaça Efluente pH 3,73 (1) 7,30 Sólidos totais (g/L) 25,2 10,9 Sólidos voláteis (g/L) 19,3 5,2 Sólidos voláteis (% ST) 76,6 47,6 DQO (mg/L) 31.350 6.144 (2) DBO (mg/L) 17.070 918 (3) Nitrogênio (mg/L) 412 343 Fósforo (mg/L) 109 108 Sulfato (mg/L) 897 - Potássio (mg/L) 1.473 1.221 (1) pH do afluente após a adição da cal e DAP passou para 4,75; (2) DQO sobrenadante após decantação = mg/L e (3) DBO do sobrenadante após decantação = 830 mg/L.

12 Operação de um biodigestor de 11 m3, tipo fluxo ascendente , usando vinhaça de caldo de cana de açúcar como substrato e como inóculo de um biodigestor alimentado com esterco bovinos Redução de DQO , total (%) 80,5 Redução de DQO, Sobrenadante (%) 91,4 Redução de DBO, total (%) 94,6 Redução de DBO, Sobrenadante (%) 95,1 Produção de gás L gás / L vinhaça (variando de 7 a 23) 13,1 L gás / kg de DQO adicionada 0,40 L gás / L digestor (Valor máximo) 7,09 Teor de metano (%) 60-65 Tempo de retenção hidráulica , mínimo (dia) 1,5 Taxa de aplicação máxima (kg DQO/m3.dia) 18,7

13 LAGOAS Lagoas de estabilização Lagoas aeradas
Grandes tanques de pequena profundidade, definidos por diques de terra  águas residuárias tratadas por processos naturais  bactérias + algas. Velocidade de oxidação +  tempos de retenção (dezenas de dias) +  áreas de terreno +  custo de construção e O&M + Eficaz na remoção MO patogênico.

14 Algas fotossintetizantes
Luz Algas fotossintetizantes CO2 Sais minerais O2 Respiração Bactérias Ciclo biológico entre algas e bactérias Água residuária

15 Classificação das lagoas de estabilização
Lagoas anaeróbias cargas orgânicas (100 – 400 m3/dia), isenta de O.D. Usadas para pré-tratamento de águas resíduárias seguidas de lagoas facultativas. Processo = ao digestor anaeróbio. Lagoas Facultativas Camadas superiores condições aeróbias x camada inferior (fundo) condição anaeróbia. Profundidade de 0,1 – 2,0 m. Carga organica de 9-21 g DBO/ m3 dia. Lagoas de maturação Usadas após as lagoas facultativas. Função principal destruição de MO patogênicos. Predominância total de condição aeróbia. Lagoas fotossintéticas aceleradas Lagoas de estabilização pouco profundas pré-tratamento de águas residuárias pré- decantadas, visando uma máxima produção de algas. É necessária a remoção de algas do efluente (floculação/flotação ) e microfiltração. Profundidade 0,3 – 5,00 m, carga orgânica de 7-14 g DBO/ m3 dia.

16 Lagoas aeradas Foram desenvolvidas a partir de lagoas de estabilização. População MO semelhante a dos lodos ativados  lagoas aeradas correspondem à unidades de lodos ativados operando sem retorno de lodo. Lagoas aeradas → sepração de sólidos   remoção de DBO X < área quando comparada a lagoas de estabilização fotossintética (1-10% da área).

17 Lagoa aerada de mistura completa
 Turbulência, regime mistura completa, biomassa + O.D. distribuídos homogêneos. Lagoa aerada de mistura completa

18 Lagoa aerada facultativa
 Turbulência, sufienciente para manter a aeração biomassa decanta no fundo da lagoa (decomposição anaeróbia). Lagoa aerada facultativa

19 Separação de sólidos É indispensável a separação de sólidos do efluente, para que se tenha  eficiência de tratamento. Unidade de separação de sólidos  lagoas de decantação ligadas em série com a lagoa aerada. Recomendações: 1- Tempo de retenção mínimo de 1 dia 2- Evitar crescimento de algas, o tempo de retenção máximo é de 1-2 dias. 3- Altura máxima da água sobre ao depósitos de lodo de 1 m Controle de odores

20 FUNGOS LIGNINOLÍTICOS E SUAS APLICAÇÕES EM BIOTECNOLOGIA

21 Degrada lignina e uma ampla variedade de poluentes ambientais
FUNGOS BASIDIOMICETOS : Degradação branca da madeira Mineralização da lignina sistema enzimático extracelular Enzimas ligninolíticas: lignina peroxidase (LIP), manganês peroxidase (MnP) e lacase Degrada lignina e uma ampla variedade de poluentes ambientais

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23 Figura 1-Estrutura possível para a lignina proposta por E
Figura 1-Estrutura possível para a lignina proposta por E. Adler (Fengel e Wegener, 1984).

24 Devido à natureza e presença de diferentes tipos de ligações existentes entre os monômeros da lignina, como por exemplo  - 1,  - ,  - O - 4 e 4 – O -5, as enzimas responsáveis pelo ataque inicial precisam ser não-específicas. A ligação éter, característica estrutural comum aos compostos biológicos (lignina) e xenobióticos, está relacionada ao alto grau de resistência para mineralização biológica desses compostos.

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26 ENZIMAS LIGNINOLÍTICAS
Não precisam ser induzidas Degradam compostos em    concentrações Degradam compostos insolúveis Resistentes a ampla variedade de condições ambientais = pH, temperatura...

27 Composto, resíduo ou efluente utilizado
Matéria Orgânica Resultados Autor Herbicidas pyrithiobac-sodium em solo Pleurotus sp 068 94,61% de degradação após 30 dias de crescimento GONDIM-TOMAZ, (2003) Efluente têxtil Pleurotus sajor-caju Descoloração após 14 dias KAMIDA e DURRANT (2005) Estação de tratamento de efluentes por lodo ativado de uma indústria de papel e celulose localizada no estado do Paraná-Brasil Adição de microrganismos adquiridos no comércio ↑ Remoção da DQO (30% em média) e DBO (15% em média), com ↑ vazão e da carga orgânica de entrada. Essa melhora no sistema de tratamento corresponde em média, 1,43 toneladas de DQO e 730 kg de DBO, por dia, de carga orgânica a menos no corpo receptor. LAZZARETTI, CAMPO e NOGUEIRA (2000) Compostos fenólicos Fungos filamentosos (cepas fúngicas) 50% das cepas apresentavam atividades fenólicas e 80% cresceram na refinaria de petróleo CONCEIÇÃO, ANGELIS, BIDOIE e ANGELIS (2005) Organopoluentes, PCB, HAP, DNT Phanerochaete chrysosporiun; Pleurotos ostreatus Degradação dos compostos através das enzimas ligninolíticas QUÍNN ( ) Resíduos de clorados na Baixada Santista (Clorogil-Rhodia) Phanerochaete chrysosporiun Espécies isoladas na região degradam o pentaclorofenol (PCP) de 60% a 85% em 60 dias de incubação FURTADO (2005) Herbicida atrazina Penicillium, como o P. crustacium 80% de degradação de pesticidas em 7 dias de exposição Dioxinas e furanos policlorados (PCDD/Fs) e metais pesados Degradaçaõ 14 compostos de PCDD/Fs após 64 dias de cultivo em meio contendo 70 g/L de cinzas. Além de remover 100% de cádmio, 74% de cromo total e 15,2% de chumbo durante o mesmo período GORNY- DOS REIS, (2005)

28 Os fungos de degradação branca possuem um poderoso sistema enzimático extracelular e não específico composto por enzimas como:LiP, MnP e lacase, enzimas produtoras de peróxido de hidrogênio (H2O2) e de enzimas ligadas à membrana como as enzimas da família do citocromo P-450 que catalisam a degradação de um número surpreendente de compostos.

29 Lignina-peroxidase (LiP; EC 1.11.1.7)
A LiP é uma glicoproteína, contendo 20-30% de açúcar, ferro como grupo prostético e requer peróxido de hidrogênio para sua atividade catalítica (HATAKA,1994). Apresenta massa molar de, aproximadamente, kDa, apresentando ponto isoelétrico entre 3,2 - 4,0 e pH ótimo de atividade próximo a 3,0. Diversas isoenzimas já foram isoladas do fungo de decomposição branca Phanerochaete chrysosporium, sendo que sua produção é regulada geneticamente em condições limitantes de nitrogênio e carbono. A LiP é produzida durante o metabolismo secundário, em resposta à falta desses nutrientes. Na presença desses nutrientes ocorre completa repressão de sua síntese.

30 A LiP catalisa a oxidação de uma grande variedade de compostos modelos de lignina e poluentes aromáticos, na presença de H2O2. Essas reações incluem oxidação do álcool benzílico, quebra das cadeias laterais, reações de abertura de anéis aromáticos, desmetilações e desclorações oxidativas. Todas essas reações são compatíveis com o mecanismo envolvido na degradação não específico desta enzima (RENGANATHAN e GOLD, 1986).

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32 Manganês peroxidase (MnP; EC 1.11.1.7)
Mais comumente encontrada, produzida por fungos de degradação branca. É uma glicoproteína com ferro como grupo prostético, depende de H2O2 para sua atividade, seu ponto isoelétrico é de aproximadamente 4,2-4,9 e massa molar entre KDa, sendo o ciclo catalítico semelhante ao da LiP. A MnP é produzida simultaneamente com a LiP, durante o metabolismo secundário e é regulada pelas concentrações de nitrogênio e carbono no meio de cultura. As MnPs participam de reações de despolimerização de ligninas e cloroligninas, desmetilação de lignina e deslignificação. A oxidação de lignina e outros compostos fenólicos por MnP é dependente de íons manganês II A redução primária do substrato no ciclo catalítico de MnP é Mn(II), que reduz eficientemente os compostos I e II, gerando Mn(III), que oxida o substrato orgânico.

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34 A MnP é conhecida por oxidar vários fenóis, componentes de lignina fenólica e clorofenóis.
Recentemente, também foi demonstrada a oxidação de componentes de lignina não-fenólica e hidrocarbonetos aromáticos policíclicos na presença de co-oxidantes (lipídeos insaturados) ou organossolventes (acetona) por esta enzima. Considerada como um biocatalisador potencial na biotecnologia ambiental, é produzida por diferentes fungos de decomposição branca e tem sido utilizada, na remediação de solos contaminados, descoloração de efluentes, despolpação e processos de branqueamento (LACKNER; SREBOTNIK e MESSNER, 1991)

35 Lacases (Benzenediol: oxigênio oxidoredutase, EC 1.10.3.2)
A lacase é uma polifenoloxidase, descoberta em exudados de Rhus vernicifera, árvore japonesa (YOSHIDA, 1883); subseqüentemente descobriu-se também que ela estava presente em fungos (BERTRAND, 1896; LABORDE, 1896). É uma glicoproteína, que contém cobre em seu sítio ativo, não requer H2O2, e catalisa a redução de O2 para H2O. As formas constitutiva e induzida são conhecidas, sendo que a forma induzida geralmente apresenta maior atividade (LEONOWICZ ; SZKLARZ e WOJTAS-WASILEWA, 1985)

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37 Em geral, a lacase apresenta 4 átomos de cobre  distribuídos em diferentes sítios de ligação e são classificados em três tipos: cobre tipo 1, 2 e 3, que são diferenciados por propriedades específicas, tendo um importante papel no mecanismo catalítico da enzima. O Cu 1 e 2 estão envolvidos na captura e transferência do elétron. O cobre tipo 2 e 3 estão envolvidos na ligação com o oxigênio. Compostos fenólicos são amplamente distribuídos na natureza, e sua oxidação é importante em processos como, oxidação celular, proteção da parede celular, corpo de frutificação, processamento de sucos e vinhos, delignificação de polpa, descontaminação de solos e água poluídos. A lacase catalisa a oxidação via transferência de um elétron de fenóis para radicais fenoxila. Algumas lacases apresentam pH ótimo em faixas ácidas (2,5-3,5), enquanto outras apresentam atividade ótima em pH neutro (6-7). A função fisiológica desta enzima não é clara e seu papel na biodegradação da lignina é incerto (GOLD e ALIC, 1993). Assim, propôs-se que a lacase tem um papel na redução da toxicidade dos compostos fenólicos por reações de polimerização.

38 As lacases são muito difundidas na natureza, sendo produzidas por fungos ou plantas, podendo oxidar, desmetilar, polimerizar ou despolimerizar compostos fenólicos. Em plantas, têm sido associadas com lignificação. Em fungos, por outro lado, estão associadas à degradação de lignina. Seu potencial ligninolítico tem sido utilizado em processos de branqueamento e polpação, aperfeiçoando a digestão de substratos lignocelulósicos e removendo os componentes fenólicos de efluentes, sucos de frutas (uva) e vinhos (ARORA e GILL, 2001). Atualmente, essa enzima também tem sido utilizada como biosensor para determinação da presença de contaminantes em amostras ambientais (DÚRAN e ESPOSITO, 2000).

39 Interesse crescente no uso de fungos como agentes biorremediadores
São organismos onipresentes em ambientes naturais. Únicos entre os MO eucarióticos e procarióticos que possuem um poderoso sistema extracelular inespecífico com habilidade de oxidar vários poluentes ambientais, incluindo compostos de baixa solubilidade. Podem ser cultivados usando-se substratos baratos, tais como resíduos agrícolas, que podem ser facilmente acrescidos como nutrientes no local contaminado. Sendo fungos filamentosos, podem alcançar os poluentes no solo em caminhos que as bactérias não conseguiriam. Certamente eles crescem pela extensão das hifas e se estendem no solo com o crescimento. As enzimas ligninolíticas são principalmente de natureza constitutiva, não necessitando de prévia adaptação dos microrganismos aos poluentes, sendo possível ainda, a degradação dos poluentes em baixíssimas concentrações. Como demonstrado em P. chrysosporium, as enzimas são usualmente expressas sob condições deficientes de nutrientes que são encontradas predominantemente na maioria dos solos contaminados.