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Biotecnologia no Tratamentos de efluentes urbanos e industriais Curso de Pós Graduação em Biotecnologia Módulo: Biorremediação e Bioconversão Profa. Dra.

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1 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

2 Características dos efluentes líquidos Características físicas Características químicas Características biológicas Sólidos Cor Odor Temperatura Res. Animais Res. Vegetais Bactérias Vírus Conteúdo de orgânicos Conteúdo de inorgânicos Conteúdo de gases Hidrocarbonetos Gorduras Fenóis Proteínas, etc Metais pesados Nitrogênio Fósforo Cloretos, etc Sulfeto de H 2 Metano oxigênio

3 Tabela1. Poluentes a considerar durante o tratamento de efluentes. Fonte: LORA, PoluentesEfeitos a considerar Sólidos em suspensão Provocam a formação de depósitos de lodo e condições anaeróbicas ao descarregar-se o efluente não tratado num reservatório de água. Orgânicos biodegradáveis Sua estabilização (destruição) biológica pode levar ao esgotamento de oxigênio natural no reservatório de água NutrientesEutrofização Poluentes prioritários Carcinogenicidade, mutagenicidade e alta toxicidade Metais pesadosBioacumulação e alta toxicidade COVsTóxicos e poluição atm Microganismos patogênicos Transmissão de doenças

4 Tabela 2. Fontes típicas e efeitos dos poluentes presentes em efluentes líquidos. Fonte: Lora, 2002 PoluentesEfeitosFontes 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 pesadosMorte 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 álcalisAfetação 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

5 Desinfetantes: Cl 2, H 2 O 2, Formalina, Fenóis Morte seletiva de microrganismos, aparecimento de sabor e odor na água Branqueamento de papel e tecidos, síntese de resinas, fabricação de penicilina, fabricação de gás, coque e alcatrão de carvão, tinturas e produção química Íons: Fe, Ca, NO 3, 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.

6 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.

7 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....

8 Tabela 3. Classificação dos métodos de tratamento de efluentes industriais. Fonte: Lora, 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 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 físico- químicos) 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.

9 Tratamento Primário Tratamento secundário Tratamento terciário GradeamentoLagoasTroca iônica Câmara de areiaLodos ativadosCarvão ativado Sedimentação primária Digestão anaeróbia Filtração flotaçãoFiltro BiológicoCoagulação Tabela 4. Formas de Tratamento

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11 Tratamento Terciário

12 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.

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15 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. EfluenteDBO (mg/L) Esgoto doméstico350 Vinhaça de usinas de álcool (melaço) – Produção de leveduras Resíduos de fábricas de antibióticos5.000 – Cervejarias2.000 Licor sulfítico de fábricas de papel – Laticínios em recuperação do soro de leite Medida da quantidade de matéria orgânica

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17 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= mg/L SS = mg/L DQO = mg/L DBO= mg/L DQO / DBO > 2 ?

18 Relação DQO / DBO AlternativasTratamentos possíveis < 2Biológico convencional (filtros biológicos, lodos ativados convencionais, estabilização por contato, aeração prolongada, lagoas... DQO / DBO afluente ~ DQO / DBO efluente. >21 a alternativa: A parte não biodegradável não é importante do ponto de vista da poluição. Tratamento biológico convencional DQO/DBO afluente < DQO/DBO efluente do tratamento. 2 a 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…. Tabela 5. Resumo das interpretações das análises

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20 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.

21 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.

22 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 (CH 4, álcool) fonte energia. x Degradação < a dos processo aeróbios, portanto há a necessidade de tratamento aeróbio posterior.

23 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).

24 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.

25 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 + O 2 + N + P Novas células + CO 2 + H 2 O + resíduo solúvel não biodegradável. Respiração: Células + O 2 CO 2 + H N+ P+ Energia+ resíduo celular não biodegradável.

26 Equações do metabolismo biológico Oxidação e síntese Orgânicos + aO 2 + N + P + células a (novas células) + CO 2 + H 2 O + PMSnb RESPIRAÇÃO ENDÓGENA b células + b O2 CO 2 + H 2 O+ 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 O 2 / 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. k

27 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.

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29 Produtos finais de biodegradação em processos aeróbios e anaeróbios Processo aeróbioElemento original Processo anaeróbio CO 3 -2 CO 2 NO 3 - NO 2 - NH 3 SO 4 -2 H 2 O PO 4 -3 CNSHPCNSHP CH 4 + CO 2 NH 3 H 2 S Subprodutos orgânicos ou NH 3

30 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 O 2 : O 2 > 2mg/L ar comprimido, de aeradores superficiais, da fotossíntese realizada por algas de lagoas de estabilização, ou por convecção natural nos filtros biológicos.

31 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)

32 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 O 2.

33 4-8 h de retenção % lodo separado no decantador

34 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%.

35 vantagensDesvantagens Excelente qualidade do efluente obtidoNecessidade de controle adequado do processo por pessoal especializado Possibilidade de ou tempo de contato Volume do lodo resultante elevado Variar relação Matéria orgânica / massa MOConsumo 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

36 Microrganismos presentes Bactérias base do floco do lodo ativado, tanto estrutural como funcionalmente. Bactérias formadoras de flocos (estabilização da matéria orgânica) > bactérias nitiricadoras (NH 3 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.

37 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 mL/g Floco ideal mL/g sem problemas bulking 200 mL/g começo de Bulking

38 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)

39 Requisitos para um bom funcionamento do processo. O.D. tanque de aeração 1 – 3 mg/L O 2 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.

40 2-) Dispositivos de aeração Aeração por insuflação e aeração por agitadores superficiais 3-) Decantadores Decantadores primários na estações de tratamento sólidos sedimentáveis + consumo de energia.

41 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.

42 4.2-)Tempo de retenção nos tanques de aeração varia entre 4-8 h. Variantes do processo: Q 0 = vazão de entrada na câmara de aeração Q w = vazão de saída do sistema Q r = vazão de recirculação Existem numerosas modificações na concepção original do processo de lodos ativados.

43 Relação alimento / microganismos (F/M) F = S 0, mg/mg –dia M X v t Onde: S 0 = DBO Ou DQO degradável no efluente (alimento), mg/L; X v = biomassa (microrganismos) submetidos a aeração, mg/L. t = tempo de retenção

44 Representação esquemática do sistema convencional de lodos ativados.

45 Representação esquemática do sistema de alimentação escalonada.

46 Representação esquemática do sistema de aeração prolongada.

47 Representação esquemática do sistema carroussel.

48 Representação esquemática do sistema valo de oxidação.

49 Características das diferentes variantes de sistema de lodo ativado ProcessoCarga de orgânicos kg /DBO/dia/m 3 Idade do lodo (dias) F/M mg/mg-dia SSLM mg/L % remoção DBO Lodo ativado convencional 0,4 – 0,83 – 80,2 – 0, Lodo ativado de alta velocidade 0,8 – 2,41 – 30,6 – 1,83000 – Estabilização por contato 0,5 – 1, ,2 – 0,51000 – 2500* 4000 – 10000** Canal de oxidação -60 – 900, 02 – 0, – Lodo ativado com oxigenio 2,4 – 4,01,5 – 5,50,5 – 1,54000 –


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