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GESTÃO DE RESÍDUOS SÓLIDOS E EFLUENTES INDUSTRIAIS PROCESSOS BIOLÓGICOS PROF.: Evelin Márcia Viana

Processos Aeróbicos X Anaeróbicos

Vantagens dos processos anaeróbios A simplicidade na construção e operação,ocasionando um baixo investimento e custo Operacional; Baixo consumo de energia (sem aeração); O reator RALF/UASB pode ser aplicado para qualquer população; O excesso de produção de lodo é baixa; O lodo produzido é bem estabilizado; Tolerância a elevadas cargas orgânicas; Produz Metano que poderá ser utilizado para fins energético.

Desvantagens dos processos anaeróbios A remoção de DBO é limitada a 70 a 80%; O processo somente se aplica a esgotos com temperaturas maiores que 15º C ; O processo é afetado por um grande número de compostos químicos; A partida do processo pode ser lenta na ausência de lodo de semeadura adaptado; Possibilidade de geração de maus odores, porém controláveis: Remoção de nutrientes é baixa; A remoção de Coliformes e Patógenos é baixa;

Sistemas Anaeróbios X Sistemas Aeróbios Matéria Orgânica (100% DQO) CO2 (40 a 50%) Biogás (50 a 60%) Efluente (5 a 10%) Efluente (10 a 30%) Reator Anaeróbio Reator Aeróbio Lama (50 a 60%) Lama (5 a 15%) Aproveitamento Energético do Biogás (1,0 m3 CH4 = 8,5 KWh) Baixa Produção de Lama! Reciclagem dos Biossólidos Atendimento à Legislação Ambiental

Desempenho dos reatores Ralf/Uasb Remoção de DQO 50 a 75% Remoção de DBO 60 a 85% Remoção de SST 60 a 85% Remoção de Patogênicos 85 %

Sequências Metabólicas da Digestão Anaeróbia

Fases do processo anaeróbio 1-Hidrólise Enzimas extracelulares produzidas pela biomassa do lodo Provavelmente etapa limitante do processo Processos Físicos: Calor, Ultrasons, Microondas Processos Químicos: ácidos e álcalis O material orgânico particulado é convertido em compostos dissolvidos de menor peso molecular. O processo requer a interferência das chamadas exo-enzimas excretadas pelas bactérias fermentativas.

Fases do processo anaeróbio 1- Hidrólise (cont.) As proteínas degradam-se para formarem aminoácidos; Os hidratos de carbono transformam-se em açúcares solúveis (mono e dissacarídios) Lipídios são convertidos em ácidos gordos de cadeia longa (AGCL) de C (C15 a C17) e glicerina. Em particular, a taxa de conversão de lipídios abaixo de 20º C torna-se muito baixa

Fases do processo anaeróbio 2 - Acidogênese Os monômeros que são os produtos da hidrólise são então reduzidos a ácidos graxos voláteis, álcoois, ácido lático, CO2, H2, NH3, H2S, etc, mediante um processo intracelular de oxidação-redução; Estas reduções são possíveis por ação catalizadora de um grupo de bactérias chamadas acidogênicas; Bactérias anaeróbias estritas (maioria) e facultativas; 60 a 70 % da biomassa de um digestor anaeróbio; Não é etapa limitante

Fases no processo anaeróbio 3- Acetogênese Na continuação, outro grupo de bactérias denominadas acetogênicas transformam os compostos anteriores em acetato. De forma similar à etapa anterior nesta etapa se produz CO2 e H2.

Fases no processo anaeróbio 4 - Metanogênse Metano é produzido pelas bactérias acetoclásticas a partir da redução de ácido acético ou pelas bactérias hidrogenotróficas a partir da redução de dióxido de carbono. (a) Metanogênese acetoclástica: CH3COOH CH4 + CO2 - Methanosaeta: utiliza exclusivamente acetato, filamentosa, Ks=0.46 mM, td=3 a 9 dias. - Methanosarcina: muito versátil metabolicamente (podem utilizar também hidrogênio e metilaminas) cresce em agregados de cocos, Ks=3-5 mM, td=24 horas

(b) Metanogênese hidrogenotrófica: 4H2 + CO2 CH4 + 2H2O Methanobacterium, Methanospirillum, Methanobrevibacter A metanogênese limita a velocidade do processo de digestão como um todo, embora a temperaturas abaixo dos 20ºC a hidrólise possa se tornar também limitante;

Bactérias metanogênicas Archeas Acetoclásticas CH3COOH CH4 + CO2 Archeas Autotróficas CO2 + H2 CH4 Substrato: Acetato (Methanosaeta) Substrato: Sacarose (cultura mista)’

Caracterização de Consórcios Microbianos em Reatores Anaeróbios Bactérias Archeas

Digestão Anaeróbia Sulfetogênese A produção de sulfetos é um processo no qual o sulfato e outros compostos a base de enxofre são utilizados como aceptores de elétrons durante a oxidação de compostos orgânicos. Bactérias anaeróbias estritas : redução de sulfato, sulfito e outros compostos sulfurados a sulfeto. Substratos utilizados: ácidos graxos voláteis, ácidos aromáticos, hidrogênio, metanol, etanol, glicerol, açúcares, aminoácidos e vários compostos fenólicos.

Bactérias sulforedutoras - Oxidam substratos de forma incompleta até acetato: Desulfobulbus, Desulfomonas, Desulfotomaculum e Desulfovibrio - Oxidam substratos até gás carbônico: Desulfobacter, Desulfococcus, Desulfosarcina, Desulfobacterium e Desulfonema

Substancias Organicas Complexas (Polimeros) Hidrólise e Acidogénese Digestão Anaeróbia com Redução de Sulfato Sulfato Redutoras - BRS SO4= H2S Hidrogênio 4 % 24% Substancias Organicas Complexas (Polimeros) Metano (CH4) 76% Ácidos Orgânicos CO2 52% 20% Acetato CO2 Fases I e II Fase III Fase IV Hidrólise e Acidogénese Acetogénese Metanogênese

Requisitos Nutricionais da Digestão Anaeróbia - Nitrogênio Principais fontes: amônia e nitrogênio orgânico Biomassa com baixo coeficiente de produção celular (Y~0,05 gSSV/gDQO) < requisito de nitrogênio EX: degradação de ácidos graxos voláteis DQO: N: P = 1000: 5: 1 C: N: P = 330: 5: 1 _ Biomassa com elevado coeficiente de produção celular (Y~0,15 gSSV/gDQO) > requisito de nitrogênio Ex: degradação de carboidratos DQO: N: P = 350: 5: 1 C: N: P = 130: 5: 1

Requisitos Nutricionais da Digestão Anaeróbia Fósforo - 1/5 a 1/7 do estabelecido para nitrogênio ortofosfato inorgânico: maioria dos microrganismos Enxofre Sulfeto: bactérias metanogênicas (maioria) Quantidades relativamente pequenas Presença de sulfatos pode ser limitante para a metanogênese Bactérias redutoras de sulfato competem por substratos como o hidrogênio e o acetato

Requisitos Nutricionais da Digestão Anaeróbia Micronutrientes 4% do peso seco das células Ferro, cobalto, níquel, molibdênio A presença e a necessidade de sulfetos pelas metanogênicas leva a precipitação destes elementos, fazendo com que a concentração dos metais em equilíbrio seja muito baixa Pode-se utilizar aplicação pulsativa do afluente acidificado para disponibilizar, momentaneamente, os metais.

Requisitos Ambientais da Digestão Anaeróbia Temperatura Ótima – faixa mesofílica (30 a 35 0C) O grau de dissociação de diversos compostos depende da temperatura (ex: amônia); Deve-se evitar mudanças bruscas ( limite de 2 0C por dia); A taxa máxima de crescimento bacteriano decresce 11% por 10C, para digestores anaeróbios operando a temperaturas abaixo de 300C (Henze e Harremoes, 1983)

Requisitos Ambientais da Digestão Anaeróbia pH Afeta a atividade enzimática Afeta a toxicidade de vários compostos Bactérias metanogênicas: pH entre 6,6 e 7,4 Bactérias acidogênicas: pH entre 5,0 e 6,0 pH ótimo: depende do tipo de microrganismo envolvido e do tipo de substrato: Formiato: 6,8 - 7,3 Acetato: 6,5 - 7,1 Propionato: 7,2 - 7,5 Bactérias acidogênicas podem se mostrar ativas com valores de pH baixo (4,5) – azedamento do reator; Principais valores que afetam o pH: ácido carbônico e os ácidos voláteis

Requisitos Ambientais da Digestão Anaeróbia Alcalinidade Tanto a alcalinidade como os ácidos voláteis, durante a digestão, derivam primariamente da decomposição dos compostos orgânicos: Conversão de ácidos graxos voláteis intermediários CH3COONa + H2O  CH4 + CO2 +NaOH CH4 + NaHCO3 b) Conversão de proteínas e aminoácidos, com formação de amônia NH3 + H2O + CO2  NH4- + HCO3-

Requisitos Ambientais da Digestão Anaeróbia Monitoramento da alcalinidade Titulação até o pH 5,75: alcalinidade parcial (AP), equivalente à alcalinidade bicarbonato. Titulação até pH 4,3: alcalinidade intermediária (AI), equivalente à alcalinidade dos ácidos voláteis. AI/AP superiores a 0,3~~ distúrbios no processo de digestão.

Toxicidade Quais as concentrações para causar toxicidade? O efeito tóxico é reversível ou é bactericida? Toxicidade Qual o potencial de aclimatação dos microorganismos?

Toxicidade Por sais Normalmente está associada ao cátion do sal: Na+, NH4+, K+, Ca2+ e Mg2+ A inibição poderá ser reduzida através da adição de um íon antagônico ( sódio e potássio)

Toxicidade Por amônia Bicarbonato de amônia: tampão para as mudanças de Ph . Inibidores: íon amônia (NH4+) – acima de 3000mg/L amônia livre (NH3) – acima de 150mg/L

Toxicidade Por sulfeto A forma não dissociada (H2S) é o principal componente dissolvido para valores de pH inferiores a 7; A forma dissociada (HS-) predomina para valores de Ph entre 7 e 14; A concentração de sulfeto livre (S-2) é desprezível na faixa de Ph associada ao tratamento de esgotos. A inibição do sulfeto é dependente da concentração de sulfeto de hidrogênio não dissociada no meio.

Toxicidade Por sulfeto (continuação) A produção de sulfetos no tratamento anaeróbio depende dos fatores: Relação DQO/SO4 -2 no afluente (uma baixa relação resulta numa elevada produção de sulfeto); Composição do substrato orgânico; pH e temperatura do meio; Resultado da competição entre as bactérias sulforedutoras e metanogênicas.

Toxicidade Por metais pesados Elementos e compostos tóxicos: cromo, cromato, níquel, zinco, cobre, arsênio e cianetos, dentre outros. Concentrações dos metais pesados mais tóxicos que podem ser toleradas no tratamento anaeróbio estão relacionadas com as concentrações de sulfetos disponíveis.

Toxicidade N amoniacal >3000 mg/L Cloretos > 2500 mg / L 􀁺 Na+, >8000 mg/L 􀁺 K+, >12 000 mg/L 􀁺 Mg2+, > 3 000 mg/L 􀁺 Ca2+, > 8 000 mg/L 􀁺 Cu, Cr(VI, III), Ni2+, estimulam em baixas concentrações e inibem em concentrações superiores

Outras Aplicações – Fermentação Anaeróbia Redução de sulfatos para Remoção e recuperação de metais pesados e enxofre Desnitrificação para a remoção de nitratos para Bioremediação

Redução de sulfatos

Remoção e recuperação de metais pesados

Remoção e recuperação de metais de enxofre

Desulfurização

Desnitrificação

Biorremediação

Retenção de biomassa nos sistemas anaeróbios Retenção por adesão: Imobilizãção de microorganismos pode se dar em: -superfícies fixas- processos anaeróbios de leito estacionário. Exemplo: filtro anaeróbio -superfícies móveis- processos anaeróbios de leito expandido e fluidificado. Biofilme aderido

Retenção de biomassa nos sistemas anaeróbios Retenção por floculação Microestruturas floculadas são facilmente separadas da fase líquida por sedimentação. Importância nos processo de 2 estágios e nos reatores anaeróbicos de fluxo ascendente e manta de lodo. Garante um efluente com baixa concentração de sólidos suspensos.

Retenção de biomassa nos sistemas anaeróbios Retenção por granulação Restringe-se aos reatores anaeróbicos de fluxo ascendente com manta de lodo (UASB) e, em menor escala, aos filtros anaeróbios. Podem ter vários milímetros de diâmetro. Na estruturação da biomassa em grânulos, diferentes populações bacterianas parecem se agrupar seletivamente em camada superpostas para a difusão de substratos e produtos. A velocidade ascensional do líquido tem grande importância na formação dos grânulos.

Met. hidrogenotróficas SUBSTRATO Acidogênicas Met. hidrogenotróficas AGV H2 CH3COOH CH4 CO2 Acidogênicas Redutoras de Sulfato Methanosarcina sp. Met. hidrogenotróficas Methanosaeta

Retenção de biomassa nos sistemas anaeróbios Retenção intersticial Imobilização de biomassa ocorrem nos interstícios existentes nos meios suportes estacionários. -reatores anaeróbios de leito fixo Retenção intersticial

Avaliação da massa microbiana A avaliação da quantidade de biomassa é feita através da determinação dos sólidos voláteis. Amostras de lodo são coletadas em diferentes níveis do reator e analisadas gravimetricamente Dificuldades: Em alguns sistemas, as bactérias encontram-se aderidas a pequenas partículas inertes A biomassa geralmente está presente como consórcio de diferentes tipos morfológicos e fisiológicos.

Avaliação da atividade microbiana Teste da AME: consiste em avaliar a capacidade das bactérias metanogênicas em converter substrato orgânico em metano e gás carbono a partir de quantidades conhecidas de biomassas e de substrato

Aplicações do teste de atividade microbiana Avaliar o comportamento de biomassas sob o efeito de compostos potencialmente inibidores; Determinar a toxicidade relativa de compostos químicos presentes em efluentes líquidos e resíduos sólidos; Estabelecer o grau de degradabilidade de diversos substratos, notadamente de rejeitos industriais; Monitorar as mudanças de atividades de lodo, devido a uma possível acumulação de materiais inertes, após longos períodos de operação de reatores; Determinar carga orgânica máxima que pode ser aplicada a um determinado tipo de lodo, proporcionando uma aceleração do processo de partida de sistemas de tratamentos; Avaliar parâmetros cinéticos.

Tipos de reatores anaeróbios

FIM