lodos ativados e remoção de n e p aula 8_2016
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MICROBIOLOGIA AMBIENTAL
ENGENHARIA AMBIENTAL
Prof.ª Mestranda Graziele Ruas2 Sem 2015/2016
TRATAMENTO BIOLÓGICO DE EFLUENTES – Lodo Ativado e
remoção de Nutrientes
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TRATAMENTO BIOLÓGICO DE EFLUENTES
SISTEMA DE LODOS ATIVDOS
É amplamente utilizado no mundo todo para o tratamento de despejos (efluentes) industriais
e domésticos, quando há necessidade de se alcançar uma elevada qualidade do efluente e
reduzido requisitos de área.
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TRATAMENTO BIOLÓGICO DE EFLUENTES
• SISTEMA DE LODOS ATIVADOS
– POSSUI ELEVADO ÍNDICE DE MECANIZAÇÃO E NECESSIDADE DE MÃO DE OBRA ESPECIALIZADA;
– OPERAÇÃO MAIS SOFISTICADA;
– MAIORES CONSUMOS DE ENERGIA ELÉTRICA.
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TRATAMENTO BIOLÓGICO DE EFLUENTES
• UNIDADES BÁSICAS DE UM SISTEMA DE LODOS ATIVADOS:
– Tanque de aeração (reator);
– Tanque de decantação (decantador secundário);
– Recirculação de lodo (aumenta a concentração da biomassa e eficiência do sistema).
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TRATAMENTO BIOLÓGICO DE EFLUENTES
• SISTEMA DE LODOS ATIVADOS
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TRATAMENTO BIOLÓGICO DE EFLUENTES
• SISTEMA DE
LODOS
ATIVADOS
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TRATAMENTO BIOLÓGICO DE EFLUENTES
• SISTEMA DE LODOS ATIVADOS– No reator ocorrem as reações bioquímicas de
remoção da matéria orgânica e em determinadas condições remoção de matéria nitrogenada.
– No decantador secundário ocorre a sedimentação da biomassa permitindo que o efluente final seja clarificado.
– Os sólidos sedimentados no decantador secundário são recirculados (aumentando a eficiência do sistema).
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TRATAMENTO BIOLÓGICO DE EFLUENTES
• SISTEMA DE LODOS ATIVADOS– A biomassa pode ser facilmente separada no
decantador secundário devido a sua propriedade flocular.
– A recirculação da biomassa permite que a detenção dos sólidos seja maior que a detenção hidráulica, permitindo que o TDH diminui e o volume do reator também diminua.
– Deve-se retirar a mesma quantidade de biomassa que é gerada com a entrada de determinado volume de efluente.
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TRATAMENTO BIOLÓGICO DE EFLUENTES
• SISTEMA DE LODO ATIVADOS
– Pode ser adaptado para fazer remoção biologia de nutrientes.
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TRATAMENTO BIOLÓGICO DE EFLUENTES
• SISTEMA DE LODO ATIVADO PARA O PÓS-TRATAMENTO DE EFLUENTE DE REATORES ANAERÓBIOS
– O lodo aeróbio excedente é introduzido no UASB;
– O lodo gerado no sistema é mais facilmente tratável, o seu tratamento é constituído apenas pela etapa da desidratação
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SISTEMA DE LODO ATIVADO PARA O PÓS-TRATAMENTO DE EFLUENTE DE REATORES ANAERÓBIOS
VANTAGENS
• Redução na produção de lodo;
• Redução do consumo de energia;
• Redução no uso de produtos químicos no tratamento do lodo;
• Menor necessidade de unidades e equipamentos;
• Maior simplicidade operacional.
DESVANTAGENS
• Não há total retirada de nutrientes;
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• A eficiência do tratamento é praticamente igual ao sistema de lodos convencional e ovolume de unidades é aproximadamente o mesmo.
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MATÉRIA ORGÂNICA CARBONÁCEA E NITROGENADA
MATÉRIA ORGÂNICA CARBONÁCEA
• Matéria Orgânica Inerte (Solúvel e particulada).
• Matéria Orgânica Biodegradável– Rapidamente biodegradável –
solúvel.
– Lentamente biodegradável –particulada. (Moléculas complexas).
MATÉRIA ORGÂNICA NITROGENADA
• Matéria Nitrogenada Inorgânica (Amônia).
• Matéria Nitrogenada Orgânica:– Inerte (Solúvel e Particulada).
– Biodegradável (Rapidamente -amonificação, lentamente -hidrólise).
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Hidrólise: atuação de enzimas extracelulares que quebram as moléculas tornando-as solúveis!
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CONVERSÃO DA MATÉRIA ORGÂNICA NITROGENADA
• OXIDAÇÃO DA MATÉRIA NITROGENADA– Nitrificação;
• Há consumo de Oxigênio (chama-se demanda nitrogenada);
• Há liberação de H+, consumindo alcalinidade do meio e diminuindo o pH.
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TRATAMENTO BIOLÓGICO DE EFLUENTES
• REDUÇÃO DE NITRATOS
– Em condições anóxicas ocorre a desnitrificação.
2NH3-N + 2H+ N2 + 2,5 O2 + H2O
• Economia de oxigênio no sistema;
• Consumo de H+, economizando alcalinidade e contribuindo para o tamponamento do meio.
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Progressão Temporal da Oxidação da Matéria Orgânica
• Etapas (considerando um recipiente fechado):
– 1) Síntese (Anabolismo)
• Consumo de oxigênio;
• Aumento da população microbiana.
– 2) Respiração Endógena (Catabolismo)
• Auto oxidação;
• O Substrato já se encontra escasso;
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TRATAMENTO BIOLÓGICO DE EFLUENTES
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CINÉTICA DA OXIDAÇÃO DA MATÉRIA ORGÂNICA
• DBO => REPRESENTA TANTO A MATÉRIA ORGÂNICA COMO O CONSUMO DE OXIGÊNIO.
– DBO remanescente: é a quantidade de MO remanescente na massa líquida em um dado instante.
– DBO exercida: oxigênio consumido para estabilizar a matéria orgânica.
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CINÉTICA DA OXIDAÇÃO DA MATÉRIA ORGÂNICA
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CINÉTICA DA OXIDAÇÃO DA MATÉRIA ORGÂNICA
• A cinética da reação da DBO remanescente é frequentemente descrita como uma reação de primeira ordem;
• Reação de primeira ordem é aquela onde a taxa de mudança da concentração da substancia é proporcional à primeira potência da concentração.
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CINÉTICA DA OXIDAÇÃO DA MATÉRIA ORGÂNICA
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dias
Co
nsu
mo
de O
xig
ên
io (
mg
O2/
L)
DBO consumida
DBO remanescente
DBO última ou carbonácea
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CINÉTICA DA OXIDAÇÃO DA MATÉRIA ORGÂNICA
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CINÉTICA DA OXIDAÇÃO DA MATÉRIA ORGÂNICA
• DBO remanescente
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TRATAMENTO BIOLÓGICO DE EFLUENTES
Fontes de Nitrogênio e Fósforo
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• Por que Remover?
- Eutrofização das águas
• É interessante sempre fazer a remoção de N e P?
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TRATAMENTO BIOLÓGICO DE EFLUENTES
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TRATAMENTO BIOLÓGICO DE EFLUENTES
• O nitrogênio dos vegetais, na forma de proteínas, passa para os animais de maneira direta (herbivoria) ou indireta(carnivoria). Quando os vegetais e os animais morrem, sofrem decomposição protéica, por fungos e bactérias decompositoras. O nitrogênio presente será transformado em nitrogênio mineral, pela ação de bactérias nitrificantes. Isto ocorre em três fases: amonização, nitrozação e nitratação.
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TRATAMENTO BIOLÓGICO DE EFLUENTES
• Na amonização os compostos nitrogenados presentes no húmus serão transformados em amônia (NH3) pela ação dos decompositores.
• Na nitrozação as bactérias do gênero Nitrosomonas fazem a oxidação da amônia, transformando-a em ácido nitroso, o qual se dissocia formando nitritos (NO2).
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TRATAMENTO BIOLÓGICO DE EFLUENTES
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• Na nitração temos a ação das bactérias do gêneroNitrobacter, que oxidam o ácido nitroso em ácidonítrico. O ácido nítrico será então dissociado emnitratos (NO3). Estes nitratos presentes no solo ena água serão absorvidos pelos vegetais etransformados em proteínas.
• Finalmente, os nitratos presentes no solo e naágua podem sofrer a ação de bactériasdesnitrificantes. Estas bactérias transformam osnitratos em nitrogênio livre que volta para aatmosfera.
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TRATAMENTO BIOLÓGICO DE EFLUENTES
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TRATAMENTO BIOLÓGICO DE EFLUENTES
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• Processos utilizados na remoção de Nutrientes– A) Lagoas de Estabilização
• Mecanismos de remoção de N: Volatilização da Amônia, assimilação(algas), nitrificação-desnitrificação e sedimentação;
• NH3 é passível de volatilização, pH↑ elevado devido a altaprodutividade fotossintética;
• Remoção de P: precipitação na condição de pH ↑.
– B) Sistemas de Disposição Controlada no Solo• Fertirrigação.
– C) Sistemas de Lodos Ativados e Reatores Anaeróbios comBiofilmes• Modificações no processo para que ocorra nitrificação e
desnitrificação;
– D) Remoção físico-química• N: elevação do pH para volatilização da amônia;• P: Precipitação do Psolúvel através da adição de agentes coagulantes,
filtração e combinação dos processos.ENGENHARIA AMBIENTAL 2016 31
TRATAMENTO BIOLÓGICO DE EFLUENTES
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REMOÇÃO BIOLOGICA DE NUTRIENTES (RBN)
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REMOÇÃO BIOLÓGICA DE NUTRIENTES
• Remoção de N– Amonificação → Nitrificação (com O2) → Desnitrificação (Sem
O2 e precisa de MO);– São necessárias zonas aeróbias e anóxicas.
• Remoção de P– Formas: Ortofosfato e Polifosfato (inorgânico) e orgânico;
• Para remoção de P são necessárias zonas anaeróbias e aeróbias:– Na zona anaeróbia são selecionadas as bactérias que
armazenam grandes quantidades de Fosfato, bactérias chamadas Organismos Acumuladores de Fósforo (OAP), a mais conhecida é Acinetobacter;
– Na zona aeróbia é produzida energia, aumentado o armazenamento de P;
– Com a retirada de lodo excedente há remoção de P acumulado.
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• Neste processo a bactéria consome grandesquantidades de fosfato. O fosfato é usado pela bactériacomo energia de reserva, a qual, sob condiçõesanaeróbias pode ser usada para coletar o substrato. Aregeneração da reserva de fosfato se dá sob condiçõesaeróbias tanto quanto sob condições anaeróbias.
• Este, portanto, é um processo cíclico, onde a bactériaconstantemente alterna entre a assimilação elançamento do fosfato no meio. Algumas bactériasacumuladoras de fósforo, PAO´s, também podemdesnitrificar.
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REMOÇÃO BIOLOGICA DE P
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• A) em condições anaeróbias há liberação de fosfato para a fase líquida se houver disponibilidade de substrato orgânico de fácil degradação. Sob essas condições, as bactérias poli-P usam a energia derivada da hidrólise dos polifosfatos para sequestrar substratos orgânicos que são armazenados como poli–β–idroxibutirato(PHB)
• b) em condições aeróbias, a energia derivada do metabolismo dos PHA é usada para a acumulação de polifosfato no interior da célula. A remoção biológica de fósforo envolve a sua incorporação na biomassa celular. A retirada de fósforo do sistema ocorre através do descarte da biomassa
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REMOÇÃO BIOLOGICA DE P
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ENGENHARIA AMBIENTAL 2016 41
REMOÇÃO BIOLOGICA DE P
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ENGENHARIA AMBIENTAL 2016 42
REMOÇÃO BIOLOGICA DE P
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ENGENHARIA AMBIENTAL 2016 43
REMOÇÃO BIOLOGICA DE N
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• 1) Pré-desnitrificação (remoção de N como C do esgoto bruto)
– Zona anóxica e anaeróbia;
– Zona aeróbia = nitrificação, formação de nitratos;
– Os nitratos são levados a zona anóxica através da recirculação e convertidos a nitrogênio gasoso;
– Chamado de Ludzack-Ettinger modificado.
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REMOÇÃO BIOLOGICA DE N
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• 2) Remoção de N como C da respiração endógena– Zona aeróbia, anóxica e aeróbia final;– Na primeira zona aeróbia há remoção de MO e
produção de nitratos;– Na zona anóxica há transformação dos nitratos em
N2;– Não há necessidade de recirculação (diminuindo os
custos)– Chamado de processo Wuhrmann (sem a zona
aeróbia final);– Por contar com o C endógeno o processo é mais lento,
aumento o TDH.
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REMOÇÃO BIOLOGICA DE N
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• 3) Processo Bardenpho de quatro estágios
– Combinação dos dois arranjos anteriores;
– Remoção de N em torna de 90%;
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REMOÇÃO BIOLOGICA DE N
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REMOÇÃO BIOLOGICA DE N
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REMOÇÃO BIOLOGICA DE N
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REMOÇÃO BIOLOGICA DE N e P
• Principais processos para remoção conjunta de N e P:
– Processo A²O (Phoredox de 3 estágios);
– Processo de Bardenpho de 5 estágios (Phoredox);
– Processo UCT;
– Processo UCT modificado;
– Reatores de operação intermitente (batelada).
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REMOÇÃO BIOLOGICA DE N e P
UTC
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REMOÇÃO BIOLOGICA DE N e P
UTC MODIFICADO
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REMOÇÃO BIOLOGICA DE N e P
• 1) Processo A²O
– Anaeróbio, anóxico e aeróbio;
– Recirculação do efluente entre as zonas aeróbia e anóxica para remoção de N;
– Recirculação do lodo entre as zonas aeróbias para a zona anaeróbia.
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REMOÇÃO BIOLOGICA DE N e P
• 2) Processo Bardenpho de 5 estágios
– Recirculação do lodo para a zona anaeróbia.
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REMOÇÃO BIOLOGICA DE N e P
• 3) Processo UTC
– Evita o retorno do nitrato a zona anaeróbia;
– Recirculação do lodo é para a zona anóxica e não zona anaeróbia.
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UTC
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REMOÇÃO BIOLOGICA DE N e P
• 4) Processo UTC MODIFICADO– Separação da zona anóxica em 2;– Primeira zona recebe o lodo e é dele que é enviado
efluente para a zona aeróbia;– A segunda zona anóxica recebe a recirculação interna da
segunda zona aeróbia, onde ocorre a maior parte da nitrificação;
– Evitando que o excesso de nitrato prejudicando o processo.
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REMOÇÃO BIOLOGICA DE N e P
• 5) Batelada
– São realizadas bateladas com condições Anaeróbias, Aeróbias e anóxicas.
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REATORES AERÓBIOS COM BIOFILMES
• REATORES COM BIOMASSA ADERIDA
– Filtros biológicos percolados de baixa carga;
– Filtros biológicos percolados de alta carga;
– Biofiltros aerados submersos;
– Biodiscos e variantes.
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REATORES AERÓBIOS COM BIOFILMES
• 1) Filtros Biologicos percolados de baixa carga
– Biomassa cresce aderida;
– Leito de material grosseiro (brita, pedras, escoria de alto forno, ripas ou material pratico);
– Esgoto aplicado sob a forma de gotas ou jatos;
– São geralmente circulares.
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REATORES AERÓBIOS COM BIOFILMES
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• É um processo de tratamento de águas residuárias ainda pouco utilizado no Brasil e denominado de “filtro biológico”; na realidade trata-se de leitos percoladores, que consistem de um leito de material altamente permeável, nos quais se aderem os microorganismos e através dos quais o líquido a ser tratado é percolado;
• Unidades construídas de tanques, cheios de pedregulho onde os esgotos eram retidos por algum tempo, estabelecendo-se um ciclo operacional de enchimento e de esvaziamento;
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REATORES AERÓBIOS COM BIOFILMES
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• Os filtros biológicos são sistemas aeróbios, pois o ar circula nos espaços vazios entre as pedras, fornecendo oxigênio para respiração dos microrganismos. A ventilação é usualmente natural.
• Geralmente, são classificados em função da carga hidráulica ou da carga orgânica a que são submetidos: Baixa taxa; Taxa intermediária; Alta taxa; Taxa super alta (grosseiros).
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REATORES AERÓBIOS COM BIOFILMES
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• A matéria orgânica presente no despejo é degradada por uma população de microrganismos presa ao material de enchimento do filtro;
• A matéria orgânica do líquido é adsorvida na camada biológica ou biofilme. Na parte mais externa da camada biológica, a matéria orgânica é degradada pelos microrganismos aeróbios e facultativos;
• Conforme os microrganismos crescem, a espessura do biofilme aumenta e o oxigênio que entra na camada biológica por difusão é consumido antes que ele possa penetrar por toda a profundidade. Portanto, um ambiente anaeróbio se forma próximo a superfície do material de enchimento do filtro.
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REATORES AERÓBIOS COM BIOFILMES
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• Conforme o biofilme cresce em espessura, a matéria orgânica adsorvida é metabolizada antes que possa chegar aos microrganismos próximos a superfície do material do leito;
• Como consequência da falta de uma fonte externa de alimento, os microrganismos próximos a superfície do material de enchimento do leito, entram na fase de crescimento endógeno e perdem a sua habilidade de se prenderem à superfície do material do suporte;
• O líquido então arrasta pedaços dessa camada biológica e uma nova camada começa a crescer.
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REATORES AERÓBIOS COM BIOFILMES
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• Este fenômeno de perda da camada de biofilme é inicialmente uma função das cargas orgânica e hidráulica aplicada ao filtro biológico;
• A carga hidráulica influi no arraste do biofilme pelo atrito e a carga orgânica influi na taxa de metabolismo da camada biológica.
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REATORES AERÓBIOS COM BIOFILMES
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REATORES AERÓBIOS COM BIOFILMES
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ENGENHARIA AMBIENTAL 2016 66
REATORES AERÓBIOS COM BIOFILMES
• 2) Filtros biológicos percolados de alta carga– Similares ao de baixa carga, mas recebem maior
carga de DBO por unidade;• Requerem menor área;
• Remoção de DBO um pouco menor;
• Lodo não digerido no filtro;
• Há recirculação do efluente– Mantendo vazão uniforme;
– Equilibrar carga afluente;
– Nova chance para remoção de MO;
– Trazer OD para o efluente.
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REATORES AERÓBIOS COM BIOFILMES
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REATORES AERÓBIOS COM BIOFILMES
• 3) Biofiltros aerados submersos– Tanque preenchido com material poroso;
– Reator trifásico:• Fase sólida: meio suporte -> formação do biofilme;
• Fase Líquida: líquido em escoamento através do meio poroso;
• Fase gasosa: aeração artificial.
– BIOFILTROS COM MEIO GRANULAR
– FILTROS BIOLOGICOS AERADOS SUBMERSOS COM LEITO ESTRUTURADO
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REATORES AERÓBIOS COM BIOFILMES
• 4) BIODISCOS
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VIDEO 1
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• 1) É sempre necessário realizar a remoção de nutrientes do efluente? Justifique sua resposta e dê exemplos.
• 3) Qual a diferença do Bardenpho de 4 estágios para o de 5 estágios? Explique detalhadamente.
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Perguntas