Processos aerbios Prof Paulo Roberto Koetz 1 Tratamento

Processos aeróbios • Prof. Paulo Roberto Koetz 1

Tratamento Biológico • Remoção da matéria orgânica – Metabolização por microorganismos • Aeróbio – presença de oxigênio • Anaeróbio – ausência de oxigênio 2

Tratamento Biológico • Metabolismo – Utilização pelas bactérias do material orgânico • Fonte de energia • Fonte material para a síntese celular. 3

Tratamento Biológico • Catabolismo – Material orgânico • Fonte de energia • Anabolismo – Material orgânico • Massa celular. • Processos interdependentes • Simultaneos 4

Divisão celular Parede celular Septo DNA Cromossoma Membrana 5

METABOLISMO BACTERIANO: AERÓBIO X ANAERÓBIO 6

Metabolismo Microbiano Classificação Fonte de energia Fotoautotrófico Luz Quimioautotróficos Redox inorgânica NH 3, NO 2, S-2 Quimioheterotrófic os Fotoheterotróficos Fonte de Microorganis mo Carbono CO 2 Algas Bactérias CO 2 Bactérias nitrificantes Redox orgânica Corg Fungos Bactérias Luz Corg Sulfobactérias 7

Classificação em função do metabolismo Metabolismo μO Redutor Receptor e- Composto final Respiratório Aeróbios obrigatórios Corg O 2 H 2 O Respiratório anóxico Anóxicos Corg NO 3 – NO 2 – SO 4 NO 2 – N - S-2 Metanogênico Anaeróbios obrigatórios Corg CO 2 CH 4 Fermentativo aeróbio Anaeróbias facultativas Corg O 2 H 2 O 8

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 9

Tratamento Biológico • Os processos biológicos – Remoção da poluição dissolvida. . . Mas. . . • O efluente do tratamento primário – Sólidos particulados – Sólidos dissolvidos 10

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. 11

Tratamento Biológico • Conhecimentos necessários – Características físico-químicas dos efluentes – Microbiologia do tratamento de efluentes – Cinética do crescimento dos microorganismos – Desenho de reatores 12

Tratamento Biológico • Microorganismos envolvidos – Bactérias quimioheterotróficas • Remoção da matéria orgânica em maior quantidade – Bactérias quimioautotróficas • Transformações especiais – nitrificantes 13

Tratamento Biológico • Microorganismos envolvidos – Protozoários – Fungos – Algas • Metabolismo simbiótico das lagoas de estabilização – Outros organismos 14

Tratamento Biológico • Aeróbio – Material orgânico é oxidado para produtos minerais • Lodo Ativado • Lagoa Aerada • Filtro Biológico 15

Tratamento Biológico • Anaeróbio – Produtos finais são gases • Biogás – Metano – Dióxido de carbono – Lagoa Anaeróbia – Filtro Anaeróbio – Leito Fluidizado / Expandido – UASB – RALF 16

Sistemas Aeróbios: MO + O 2 + µO + CO 2 + H 2 O Sistemas Anaeróbios: MO + µO + CO 2 + CH 4 + H 2 O 17

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 18

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 19

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 20

Condições ambientais • • • Temperatura p. H Agitação Viscosidade do meio Macro-Nutrientes Micronutrientes Co-fatores Luz Pressão osmótica 21

Condições ambientais - Temperatura • Psicrofílico – 5ºC a 20ºC • Mesofílico - 20ºC a 50ºC • Termofílico - 50ºC a 55ºC 22

Condições ambientais - Aeração • Aeróbios obrigatórios – Necessidade absoluta de O 2 • Bacillus e Pseudomonas • Anaeróbios obrigatórios – Não se multiplicam em presença de O 2 • Clostridium • Anaerobios Facultativos – Crescem em presença ou ausência de O 2 • Leveduras e Escherichia coli 23

Condições ambientais - Oxigênio • Microaerofilas – Crescem em baixos níveis de O 2 • 2 % a 10% O 2 • Maiores concentrações de oxigênio são tóxicas • Aerotolerantes – Crescem em ausência ou presença de O 2 – As diferenças entre as necessidades de O 2 pelas bactérias são devidas aos sistemas enzimáticos 24

Condições ambientais - Nutrientes • Carbono orgânico • Nitrogênio • Fósforo • Micronutrientes 25

Tratamento Biológico • A cinética dos processos biológicos é sempre feita a partir de experimentos com sólidos dissolvidos 26

Curva de crescimento estacionária ln µO Desaceleração Morte Fase log Lag Aceleração Tempo 27

Log nº células (x) Curva de crescimento d. X dt Tempo (t) 28

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 29

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 30

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. 31

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. m. L-1 Medida de N total ou proteina Medida de atividade bioquímica 32

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- 33

Reatores • Contenção do efluente • Otimização das condições de crescimento • Fixação dos equipamentos auxiliares 34

Parâmetros de projeto • B – Carga orgânica aplicada volumétrica • TDH - Tempo de detenção hidráulico • Velocidade de fluxo, Q/A • Modelização 35

Parâmetros de projeto • Sistemas Aeróbios – MO + O 2 + µO + CO 2 + H 2 O • Sistemas Anaeróbios – MO + µO + CO 2 + CH 4 + H 2 O 36

Parâmetros de projeto • Exemplos de cargas orgânicas aplicadas – – – 0 kg. m-3 r. d-1 4 kg. m-3 r. d-1 10 kg. m-3 r. d-1 20 kg. m-3 r. d-1 Lagoas de estabilização • Carga expressa em ha de superfície ou em volume – 600 kg. ha-1 r. d-1 37

Tratamento biológico Sistemas Aeróbios MO + O 2 + µO + CO 2 + H 2 O Sistemas Anaeróbios MO + µO + CO 2 + CH 4 + H 2 O 38

Processos biológicos de tratamento Met. gasosos S Ar Met. Sól – líq, Agitação 39

Tipos de Reatores • Batelada • Pistão • Mistura perfeita • Filme fixo • Leito Fluidizado 40

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 41

Tratamento biológico Q = 1 000 m 3. d-1 Efluente S 0 = 2 000 mg. L-1 (S 0) = 2 000 kg. d-1 Vr = 500 m 3 Sf = 100 mg. L 1 Afluente 42