Prof. Paulo Roberto Koetz Processos aeróbios Prof. Paulo Roberto Koetz

Remoção da matéria orgânica Tratamento Biológico Remoção da matéria orgânica Metabolização por microorganismos Aeróbio presença de oxigênio Anaeróbio ausência de oxigênio

Tratamento Biológico Metabolismo Utilização pelas bactérias do material orgânico Fonte de energia Fonte material para a síntese celular.

Processos interdependentes Simultaneos Tratamento Biológico Catabolismo Material orgânico Fonte de energia Anabolismo Massa celular. Processos interdependentes Simultaneos

Divisão celular Parede celular DNA Cromossoma Septo Membrana

METABOLISMO BACTERIANO: AERÓBIO X ANAERÓBIO

Metabolismo Microbiano Classificação Fonte de energia Carbono Microorganismo Fotoautotrófico Luz CO2 Algas - Bactérias Quimioautotróficos Redox inorgânica NH3, NO2, S-2 Bactérias nitrificantes Quimioheterotróficos Redox orgânica Corg Corg Fungos Fotoheterotróficos Sulfobactérias

Classificação em função do metabolismo Redutor Receptor e- Composto final Respiratório Aeróbios obrigatórios Corg O2 H2O Respiratório anóxico Anóxicos NO3 – NO2 – SO4 NO2 – N - S-2 Metanogênico Anaeróbios obrigatórios CO2 CH4 Fermentativo aeróbio Anaeróbias facultativas

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

Os processos biológicos Tratamento Biológico Os processos biológicos Remoção da poluição dissolvida O efluente do tratamento primário Sólidos particulados Sólidos dissolvidos ......Mas............

Redução do tamanho das moléculas 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.

Conhecimentos necessários Tratamento Biológico Conhecimentos necessários Características físico-químicas dos efluentes Microbiologia do tratamento de efluentes Cinética do crescimento dos microorganismos Desenho de reatores

Microorganismos envolvidos Tratamento Biológico Microorganismos envolvidos Bactérias quimioheterotróficas Remoção da matéria orgânica em maior quantidade Bactérias quimioautotróficas Transformações especiais nitrificantes

Microorganismos envolvidos Tratamento Biológico Microorganismos envolvidos Protozoários Fungos Algas Metabolismo simbiótico das lagoas de estabilização Outros organismos

Tratamento Biológico Aeróbio Material orgânico é oxidado para produtos minerais Lodo Ativado Lagoa Aerada Filtro Biológico

Tratamento Biológico Anaeróbio Produtos finais são gases Biogás Metano Dióxido de carbono Lagoa Anaeróbia Filtro Anaeróbio Leito Fluidizado / Expandido UASB RALF

Sistemas Aeróbios: Sistemas Anaeróbios: MO + O2 + µO  µO + CO2 + H2O Sistemas Anaeróbios: MO + µO  µO + CO2 + CH4 + H2O tae_06_biol_int 3/11/2005 10 h

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

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

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

Condições ambientais Temperatura pH Agitação Viscosidade do meio Macro-Nutrientes Micronutrientes Co-fatores Luz Pressão osmótica

Condições ambientais - Temperatura Psicrofílico – 5ºC a 20ºC Mesofílico - 20ºC a 50ºC Termofílico - 50ºC a 55ºC

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

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

Condições ambientais - Nutrientes Carbono orgânico Nitrogênio Fósforo Micronutrientes

Tratamento Biológico A cinética dos processos biológicos é sempre feita a partir de experimentos com sólidos dissolvidos

Aceleração estacionária Desaceleração Morte Fase log ln µO Lag Tempo Curva de crescimento estacionária Fase log Desaceleração Morte ln µO Lag Aceleração Tempo

Curva de crescimento Log nº células (x) dX dt Tempo (t)

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

A população está crescendo em progressão geométrica 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

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.

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

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-

Otimização das condições de crescimento Reatores Contenção do efluente Otimização das condições de crescimento Fixação dos equipamentos auxiliares

B – Carga orgânica aplicada volumétrica Parâmetros de projeto B – Carga orgânica aplicada volumétrica TDH - Tempo de detenção hidráulico Velocidade de fluxo, Q/A Modelização

Parâmetros de projeto Sistemas Aeróbios Sistemas Anaeróbios MO + O2 + µO  µO + CO2 + H2O Sistemas Anaeróbios MO + µO  µO + CO2 + CH4 + H2O

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

MO + µO  µO + CO2 + CH4 + H2O Tratamento biológico Sistemas Aeróbios MO + O2 + µO  µO + CO2 + H2O Sistemas Anaeróbios MO + µO  µO + CO2 + CH4 + H2O

Processos biológicos de tratamento Met. gasosos S Ar Met. Sól – líq, Agitação

Tipos de Reatores Batelada Pistão Mistura perfeita Filme fixo Leito Fluidizado

Tipo de efluente a ser tratado Cinética do processo 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

Tratamento biológico Afluente Q = 1 000 m3.d-1 Efluente S0 = 2 000 mg.L-1 (S0) = 2 000 kg.d-1 Sf = 100 mg.L1 Vr = 500 m3 Afluente