Microbiologia do Tratamento de Efluentes Líquidos Juliana Calabria de Araujo

Tratamento Biológico Evitar a poluição ou promover a despoluição Ambiental. Tratamento de Esgotos : remoção da matéria carbonácea (reduzir a DBO), material em suspensão, patógenos e nutrientes (N e P). Respiração: matéria orgânica + O2  CO2 + H2O + energia (ATP) e N, P e S são oxidados a NO3-, PO43- e SO42-. Tratamento Biológico : Aeróbio e Anaeróbio

Auto depuração e Tratamento Respiração: matéria orgânica + O2  CO2 + H2O + energia (ATP) e N, P e S são oxidados a NO3-, PO43- e SO42-.

Composição do Esgoto Doméstico (Metcalf & Eddy, Inc. 1991) Constituinte Porcentagem/ Concentração Proteínas 40% - 60% Carboidratos 25% - 50% Gorduras e óleos 10% Uréia (NH3-N) 25 – 50 mg/L P total 8 – 15 mg/L C. Orgânicos traços (pesticidas, surfactantes, fenóis, e outros poluentes)

Nível do Tratamento Eficiência do tratamento Remoção de Poluentes DBO solúvel Fonte: Von Sperling, 1996

RESPIRAÇÃO AERÓBIA O2 matéria orgânica biomassa biomassa + CO2 H2O + + BACTÉRIAS HETEROTRÓFICAS FUNGOS PROTOZOÁRIOS

LODOS ATIVADOS MO + LA + O2 CO2+ H2O+ Energia + lodo Menores áreas Esgoto proveniente do tratamento primário Tanque de aeração Retorno de lodo ativado Tanque de sedimentação Efluente Excesso de lodo Lodo digerido AR Menores áreas Recirculação de lodo Maior consumo energia Maior custo com O e M Idade do lodo: 10 dias Biomassa em suspensão MO + LA + O2 CO2+ H2O+ Energia + lodo

T. Aeróbio: Lodos ativados tanque de aeração Floco biológico decantador secundário

Microrganismos presentes em sistemas de Lodos Ativados Nostocoida limicola Beggiatoa sp.

Microrganismos indicadores dos lodos ativados Aspidisca costata- nitrificação Arcella sp.- Boa depuração Rotífero –Lecane sp. “pin floc” –lodo má qualidade Vorticella-lodo bom Protozoários indicam boas condições de aeração; são sensíveis a substâncias tóxicas. Ausência ou falta de locomoção = ambiente tóxico. Rotíferos também são indicadores de LA estável. ciliados são responsáveis pela remoção de E.coli (é reduzida de 91 a 99% no processo de LA).

Lodos ativados MO estabilizada por bactérias que crescem dispersas no tanque de aeração TDH líquido – 6 a 8 horas Idade do lodo – 4 a 10 dias Remoção contínua do lodo biológico excedente Lodo não é estabilizado no processo Fornecimento de O2 – aeradores mecânicos ou ar difuso

Lodos ativados SS sedimentáveis e MO suspensa são removidos no decantador primário Decantador secundário – biomassa sedimenta Efluente sai clarificado Lodo secundário retorna para o tanque de aeração – aumento de eficiência do processo Remoção de DQO de 70 a 90%

Lodos Ativados modificado para a remoção biológica de N e P NO3- NO2-  N2 NH3 +2O2 NO3- +H+ +H2O DESNITRIFICAÇÃO Remoção biológica de N convencional= nitrificação + desnitrificação

6NO3 +5CH3OH3N2+5CO2+7H2O+6(OH)- Nitrificação Nitrosomonas: (Nitrosospira, Nitrosococcus) NH4+ + O2 2NH2OH+ 2H+ NH4+ + 1.5O2NO2-+2H++H2O + 275KJ Nitrobacter: NO2- + 0.5 O2NO3-+75KJ (Nitrospira, Nitrococcus) Nitrosomonas sp. Fonte: www.koioriental.com/images Desnitrificação 6NO3 +5CH3OH3N2+5CO2+7H2O+6(OH)- Pseudomonas, Bacillus, Spirillum, Hyphomicrobium, Agrobacterium, Acinetobacter, Propionobacterium, Rhizobium, Corynebacterium, Cytophaga, Thiobacillus, Alcaligenes.

Complexidade microbiana de lodo ativado contendo OAP Coloração com azul de Metileno, OAP células roxas Coloração de Gram, filamentos de “Nostocoida limicola”G + e G- (Crocetti et al., 2000 AEM 66: 1175)

Tratamento anaeróbio metanogênico Objetivo: degradação biológica da matéria orgânica em ausência de luz e aceptores de é (SO4–2, NO3-, etc); Processo global do C: Mat. Orgânica  CO2 + CH4 + biomassa (lodos anaeróbios) Energética da digestão: Glicose + 6 O2  6 CO2 + 6 H2O G0’-2870 KJ/mol Glicose  3 CO2 + 3 CH4 G0’-390 KJ/mol Conseqüências: baixo rendimento de biomassa e cooperação eficiente entre os microrganismos que participam do processo

Digestão Anaeróbia da Matéria Orgânica Celulose, hemicelulose e lignina Polímeros Complexos (proteínas, lipídeos, polissacarídeos) 1-Hidrólise (Clostrídios, Eubacterium, Acetivibrio cellulolyticus) Monômeros (açúcares, aminoácidos) 2-Fermentação Propionato, Butirato (ácidos graxos, alcoois, lactato) 3-Acetogênese e desidrogenação (BRS, Syntrophomonas) Acetogênese H2 + CO2 Formiato ACETATO Metanogênese hidrogenotrófica 4-Metanogênese acetoclástica CH4 + CO2 Fonte: Zehnder, 1988

RESPIRAÇÃO ANAERÓBIA matéria orgânica CO2 biomassa SO4 CH4 biomassa + H2O + SO4 Bactérias hidrolíticas, fermentativas,acidogênicas Metanogênicas - Methanosarcina Metanogênicas - Methanosaeta

REATORES UASB: Esquema de funcionamento Paulo Libânio

Exemplos de reações que ocorrem nos biodigestores anaeróbios (Zinder apud Glazer & Nikaido, 1995) (Kcal/reação) G’ Metanogênese do hidrogênio e dióxido de carbono 4H2 +HCO3- + H+  CH4 + 3H2O -32,4 -7,6 Acetogênese do hidrogênio e dióxido de carbono 4H2 +2HCO3- + H+  CH3COO- + 4H2O -25,0 -1,7 Oxidação do butirato a acetato CH3CH2CH2COO- + 2H2O  2CH3COO- + H+ + 2H2 +11,5 -4,2 Oxidação do propionato a acetato CH3CH2COO- + 3H2O  CH3COO- + HCO3- + H+ + 3H2 +18,2 -1,3

Um microrganismo sozinho não pode realizar a reação completa Há separação de funções metabólicas nestes microrganismos; Muitos são especialistas; Bactérias Generalistas hidrolíticas e fermentadoras: variam segundo o substrato (ex: Clostridium, Acetivibrio) Bactérias especialistas Fermentadoras redutoras obrigatórias de prótons: propionato, butirato, etanol, lactato (Syntrophomonas wolinii, S. wolfei) Metanogênicas: acetato, H2, e formiato

Características das arquéias metanogênicas Domínio Archaea (Woese et al., 1990); Características únicas de metabolismo (diferentes substratos), Co-enzimas (transportadoras de é): CoM e F420 (fluorescente), lípidios da membrana celular com ligação éter e não éster. Trabalham em sintrofia com as bactérias acetogênicas, reduzindo a [H2]. Fase crítica da Digestão Anaeróbia, pois trabalham em pH ótimo de 6,8 a 7,4 , portanto acúmulo de ácidos orgânicos pode inibir esta etapa

REATORES ANAERÓBIOS: Alguns aspectos relevantes Baixíssimos requisitos de área: 0,05 a 0,10 m2/hab. Custos de implantação: 30,00 a 40,00 R$/hab. Custos operacionais: 1,50 a 2,00 R$/hab x ano Apesar das grandes vantagens, encontram dificuldades em produzir efluentes que se enquadrem aos padrões ambientais Necessidade de pós-tratamento (N, P, e patógenos)

Processo ANAMMOX NH4+ + NO2- N2 + 2 H2O (G= - 358 KJ/mol NH4+) Oxidação Anaeróbia da Amônia (Anaerobic Ammonium Oxidation); Descoberta em 1990 por Mulder et al., Holanda NH4+ + NO2- N2 + 2 H2O (G= - 358 KJ/mol NH4+) Crescimento lento (9d), autotróficas, comumente encontradas na natureza (< proporção); DQO =3.000mg/L N-amoniacal=800-1200 mg/L; Fixação N Nitrificação Denitrificação

Processo Anammox para águas residuárias ricas em amônia Em Roterdam, Tratando efluente de um biodigestor de lodo

Referências Bibliográficas Palmisano, A.C., Barlaz, M.A. Microbiology of Solid Waste. CRC, 224p.,1996; Bitton, G. Wastewater Microbiology. Wiley-Liss, 478p., 1994; Zehnder, A.J.B. Biology of anaerobic microorganisms. John Wiley and Sons, EUA. 872p., 1988; Vazoller et al. Microbiologia de Lodos Ativados. São Paulo, CETESB, 1989. Jenkins, D. et al. (1988) Manual de las Causas y El control del Bulking y de la Formacion de espumas em el Fango activado. WRC & US EPA. Sekiguchi et al. (1999) Applied and Environmental Microbiology 65:1280-1288 Von Sperling, M. Introdução à qualidade das águas e ao tratamento de esgotos. 3a ed. UFMG, Belo Horizonte, 452p.,2005