Processos biolgicos Processos Biolgicos Objetivos Remoo de matria

Processos biológicos

Processos Biológicos

Objetivos • Remoção de matéria orgânica carbonácea • Processos Aeróbios • Processos Anaeróbios • Processos Mistos • Remoção de Nutrientes • Processos Aeróbios seguidos de amibientes anoxicos – Remoção de Nitrogênio

Remoção de matéria orgânica carbonácea Microbiologia e bioquímica aplicadas

Modelos de crescimento de microrganismos

Os microrganismos

Balanços estequiométricos • a) Condições aeróbias: • C 6 H 12 O 6 + 6 O 2 6 CO 2 + 6 H 2 O • b) Condições anóxicas: redução de nitratos (desnitrificação): • 2 NO 3—N + 2 H+ N 2 + 2, 5 O 2 + H 2 O • c) Condições anaeróbias: redução dos sulfato (dessulfatação): • CH 3 COOH + SO 42 - + 2 H+ H 2 S + 2 H 2 O + 2 CO 2 • d) Condições anaeróbias: redução de CO 2 (metanogênese hidrogenotrófica): • 4 H 2 + CO 2 CH 4 + 2 H 2 O • e) Condições anaeróbias: metanogênese acetotrófica: • CH 3 COOH CH 4 + 2 CO 2

Cinética Bioquímica • Processos contínuos • Processos descontínuos • Configuração dos sistemas

Cinética da remoção de DBO

• a) DBO remanescente: concentração de matéria orgânica remanescente na massa líquida em um dado instante, expresso em termos de oxigênio; • b) DBO exercida: oxigênio consumido para estabilizar a matéria orgânica até este instante.

Cinética bioquímica aplicada • Modelo de crescimento microbiano • Modelo de Monod • Taxa de utilização de substrato • Coeficientes de conversão • Endogenia • Taxa de decaimento celular (L)

Resumindo. . .

Lagoas de Estabilização Subtítulo

Definições Microrganismos Aeróbios • Processo misto / Ae / An • Condições adequadas para fenômenos necessários • Classificação processo biológico predominante/finalidade • • 18 22 de julho de 2012 Lagoas Facultativas Lagoas Anaeróbias Lagoas Aeradas Lagoas de maturação Lagoas de polimento Lagoas com macrófitas Texto do rodapé aqui Microrganismos Anaeróbios Algas Processos Químicos, Físicos e Biológicos Microrganismos facultativos

Arranjos comuns Tratamento preliminar 19 22 de julho de 2012 Texto do rodapé aqui Lagoa Facultativa Lagoa Anaeróbia Lagoa Facultativa Lagoa Aerada Lagoa de sedimentação Lagoa Polimento Lagoa macrófitas Lagoa Polimento

Baixo custo de implantação Requer grandes áreas Operação simples Projeto simples Excesso de algas no efluente final 20 22 de julho de 2012 Texto do rodapé aqui Maus odores na lagoa anaeróbia Desvantagens Vantagens Terreno reaproveitável

Tratamento preliminar • Entrada e saída em extremidades opostas • Três zonas de tratamento • Aeróbia • Facultativa • Anaeróbia • Presença de O 2 • Sedimentação de matéria orgânica 21 22 de julho de 2012 Texto do rodapé aqui Lagoa Facultativa Lagoa polimento/ macrófitas

O 2 H 2 SO 4 CO 2 Zona de oxipausa CH 4 CO 2 H 2 S 22 22 de julho de 2012 Texto do rodapé aqui

Detalhando 23 22 de julho de 2012 Texto do rodapé aqui

Dia Noite Superfície da lagoa Texto do rodapé aqui Zona aeróbia Zona anaeróbia Baixa carga de DBO 22 de julho de 2012 Noite Zona aeróbia Fundo da lagoa 24 Dia Elevada carga de DBO

Parâmetros de projeto Taxa de aplicação superficial • baseia-se na necessidade de se ter uma determinada área de exposição à luz solar na lagoa - fotossíntese TEMPO DE DETENÇÃO HIDRÁULICA • diz respeito ao tempo necessário para que os microrganismos procedam à estabilização da matéria orgânica 25 22 de julho de 2012 Texto do rodapé aqui

Total 26 22 de julho de 2012 Texto do rodapé aqui

27 22 de julho de 2012 Texto do rodapé aqui

ESTIMATIVA DA CONCENTRAÇÃO EFLUENTE DE DBO O regime hidráulico da lagoa tem grande influência na eficiência do sistema aproveitamento do terreno disponível e da sua topografia para se obter a relação mais adequada do comprimento/largura (l/b). sistemas com l/b elevado fluxo em pistão sistemas com l/b próximo a 1 lagoas quadradas tendem a regime de mistura completa mais frequentemente a relação l/b das lagoas facultativas se situa em torno de 2 a 4. Nestas condições o regime hidráulico encontrado na realidade é o fluxo disperso 28 22 de julho de 2012 Texto do rodapé aqui

PARA DIMENSIONAR MISTURA COMPLETA 29 22 de julho de 2012 Texto do rodapé aqui ? FLUXO PISTONADO

O modelo de mistura completa leva a um posicionamento a favor da segurança, já que o reator de mistura completa é o de menor eficiência (ou maior tamanho) REATORES DE MISTURA COMPLETA S = DBO efluente solúvel SO = DBO afluente total (solúvel + particulada) k = coeficiente de remoção de DBO ( 0, 3 a 0, 35 d-1) tdh = tempo de detenção hidráulico 30 22 de julho de 2012 Texto do rodapé aqui

Coeficiente de remoção de DBO (k) é calculado em função do modelo hidráulico assumido, da temperatura, etc K = 0, 30 a 0, 35 d-1 (20 o. C) correção do valor de K em relação à temperatura KT = K 20 * T - 20 onde: KT = coeficiente de remoção de dbo em temperatura do líquido T qualquer (d-1) K 20 = coeficiente de remoção de dbo na temperatura do líquido de 20 OC (d-1) = coeficiente de temperatura K = 0, 30 = 1, 085 K = 0, 35 = 1, 05 31 22 de julho de 2012 Texto do rodapé aqui

DBO efluente solúvel e particulada S = DBO efluente solúvel SO = DBO afluente total (solúvel + particulada) 1 mg SS/l = 0, 3 a 0, 4 mg DBO/l ACÚMULO DE LODO lodo acumulado é resultado dos sólidos em suspensão do esgoto bruto areia, microrganismos sedimentado TAXA DE ACÚMULO É DE 1, 5 A 4, 0 m 3 /Kg. DBO 32 22 de julho de 2012 Texto do rodapé aqui

FATORES QUE INTERFEREM NO PROCESSO DE DEGRADAÇÃO BIOLÓGICA QUE OCORRE NAS LAGOAS FATORES INCONTROLÁVEIS: evaporação: concentração precipitação: diluição temperatura: radiação solar, fotossíntese, metabolismo ventos: homogeneização 1 Km FATORES CONTROLÁVEIS: característica da água residuária a ser tratada: DBO, carga orgânica sólidos: necessidade de pré-tratamento nutrientes: N e P substância com cor: luz substâncias tóxicas p. H 33 22 de julho de 2012 Texto do rodapé aqui

Sistema australiano Lagoa Tratamento Economia de até 1/3 Lagoa Facultativa Anaeróbia aa área necessária preliminar 34 22 de julho de 2012 Texto do rodapé aqui Lagoa de polimento / macrófitas

LAGOAS ANAERÓBIAS predominam os processos de decomposição anaeróbia da matéria orgânica a ausência de OD é devido a aplicação de altas cargas e pela maior profundidade são usadas com grande vantagem no pré-tratamento de águas residuárias com elevada concentração de matéria orgânica e alto teor de sólidos sedimentam no fundo sofrendo processo de digestão anaeróbia o sobrenadante parcialmente clarificado é enviado para a próxima lagoa o acúmulo de lodo é mínimo: remoção em intervalos de 3 a 5 anos a eficiência de remoção de DBO é de aproximadamente 50%, necessitando de tratamento posterior a etapa anaeróbia pode causar problema de odores desagradáveis 35 22 de julho de 2012 Texto do rodapé aqui

LAGOAS ANAERÓBIAS predominam os processos de decomposição anaeróbia da matéria orgânica a ausência de OD é devido a aplicação de altas cargas e pela maior profundidade são usadas com grande vantagem no pré-tratamento de águas residuárias com elevada concentração de matéria orgânica e alto teor de sólidos sedimentam no fundo sofrendo processo de digestão anaeróbia o sobrenadante parcialmente clarificado é enviado para a próxima lagoa o acúmulo de lodo é mínimo: remoção em intervalos de 3 a 5 anos a eficiência de remoção de DBO é de aproximadamente 50%, necessitando de tratamento posterior a etapa anaeróbia pode causar problema de odores desagradáveis 36 22 de julho de 2012 Texto do rodapé aqui

LAGOAS DE ESTABILIZAÇÃO ANAERÓBIAS H 2 S Efluente Matéria orgânica N Orgânico Ácidos voláteis N Amoniacal Ausência de O 2 CH 4 + CO 2 + H 2 O Zona anaeróbia Sólidos sedimentáveis Lodo Ácidos orgânicos CO 2, NH 3, H 2 S, CH 4 PHD 2411 - SANEAMENTO

PAR METROS DE PROJETO Taxa de aplicação volumétrica (Carga orgânica volumétrica – COV) • baseia-se no tempo necessário para reprodução das bactérias anaeróbias TEMPO DE DETENÇÃO HIDRÁULICA • diz respeito ao tempo necessário para que os microrganismos procedam à estabilização da matéria orgânica

Tempo de detenção hidráulica (TDH) V= volume do reator (m 3) Q= vazão do afluente ao reator (m 3/dia) Valores sugeridos em projetos Lagoas Anaeróbias: 3 a 6 dias

Taxa de aplicação volumétrica (Carga orgânica clumétrica COV) Q = vazão (m 3/dia) S = concentração de DQO do substrato afluente (kg/m 3) V = volume da lagoa (m 3) VALORES SUGERIDOS EM PROJETOS DE LAGOAS ANAERÓBIAS: 0, 1 A 0, 3 kg. DQO/m 3. dia - Este parâmetro é função da Temperatura: Em locais mais quentes as Taxas podem ser mais elevadas

Volume (V) pode ser obtido pelas equações: V = DBO x Q/COV = Taxa de aplicação volumétrica (Kg. DBO/m 3. dia) Q = vazão (m 3/dia) DBO = concentração de DBO do substrato afluente (kg/m 3) V = volume da lagoa (m 3) ou V= TDH x Q TDH = Tempo de detenção hidráulica (dia) Q = vazão (m 3/dia) V = volume da lagoa (m 3)

Profundidade (H) deve ser elevada para garantir predominância de condições anaeróbias faixa de 4, 0 a 5, 0 m Estimativa da DBO no efluente da lagoa anaeróbia adota-se eficiência de remoção de 50 a 60% Acúmulo de lodo nas lagoas anaeróbias 1, 5 x 10 -3 a 2, 1 x 10 -3 m 3/Kg. DBO área máxima: 5 ha

Figura 4: Distribuição das tubulações de entrada em uma lagoa Fonte: VON SPERLING, 1996

Lagoas de - Polimento 44 22 de julho de 2012 Texto do rodapé aqui

SISTEMAS DE LAGOAS AERADAS MECANICAMENTE SEGUIDAS DE LAGOAS DE DECANTAÇÃO Tratamento preliminar Lagoa Aerada Lagoa de sedimentação Lodo

LAGOAS AERADAS FACULTATIVAS Floco biológico em suspensão na fase líquida Floco biológico sedimentado no fundo da lagoa PHD 2411 - SANEAMENTO

Dimensionamento Lagoa Aerada TEMPO DE DETENÇÃO HIDRÁULICA 5 < h< 10 2, 5 < H < 4 Geometria – sem recomendações 0, 60 K 0, 8 d-1 SS efluente: 50 – 140 mg/L 50 – 100 mg/L DBO part – 0, 3 a 0, 4 md DBO 5/mg. SS 47 22 de julho de 2012 Texto do rodapé aqui

LAGOAS AERADAS AERÓBIAS Floco biológico em suspensão na fase líquida PHD 2411 - SANEAMENTO

CARACTERÍSTICAS DAS LAGOAS AERADAS Características Lagoa aerada aeróbia Lagoa aerada facultativa Todos os sólidos saem com o efluente 100 mg/l a 360 mg/l Não há controle 50 mg/l a 150 mg/l 0, 70 a 0, 80 0, 60 a 0, 80 < 5 dias 5 a 12 dias < 5 dias 90 % Alto devido a sedimentação do lodo 70 % a 80 % Praticamente nula Remoção de coliformes Muito pobre Profundidade da lagoa 2, 5 m a 5, 0 m Densidade de potência mínima > 3 w/m 3 > 0, 75 w/m 3 Controle de sólidos Concentração de SST na lagoa SSV/SST Tempo de detenção hidrálico Idade do lodo Eficiência de remoção de DBO Nitrificação

Dimensionamento Lagoa Aerada Encontra-se TEMPO DE DETENÇÃO HIDRÁULICA 2 < h< 4 - 5 50 22 de julho de 2012 2, 5 < H < 4 Geometria – sem recomendações 1, 2 a 1, 4 kg O 2/kg DBO 5 Texto do rodapé aqui Não é cte fç ( ) K’. Xv Calcula-se Concentração de sólidos 0, 01 – 0, 03 mg/l. h 1 – 1, 5 h-1 Estima -se

Dimensionamento - lagoa de sedimentação DBO particulada 0, 3 – 0, 4 mg DBO 5/mg. SS • Volume destinado à clarificação • Tempo de deternção 1 d • H (profundidade) 1, 5 m • Volume total da lagoa • Tempo de detenção 2 d (evitar crescimento de algas) • H (profundidade) 3, 0 m (permitir camada aeróbia) 51 22 de julho de 2012 Texto do rodapé aqui Critério de projeto Altura

Dimensionamento lagoa de polimento 52 22 de julho de 2012 Texto do rodapé aqui

Item geral Eficiência (%) Item específico Facultativa Anaeróbia Facultativa Aerada facultativa Aerada mistura completa decantação DBO 75 -80 75 -85 DQO 65 -80 SS 70 -80 Amônia <50 <30 <50 Nitrogênio <60 <30 <60 Fósforo <35 <35 90 -99 2 -4 1, 5 -3 0, 25 -0, 5 0, 2 -0, 4 - - 1, 2 -2 1, 8 -2, 5 40 -80 30 -75 50 -90 2 -4 5 -9 Coliformes Requisitos Custos Sistema de lagoas Área (m²/hab) Potência (W/hab) Implantação (R$/hab) Operação (R$/hab)

Parâmetro de projeto Anaeróbia Facultativa Aerada facultativa Aerada mistura completa Decantação Maturação Tempo de detenção (d) 3 -6 15 -45 5 -10 2 -4 2 * Taxa de aplicação superficial LS (kg. DBO/ha. d) - 100 -350 - - Taxa de aplicação volumética LV (kg. DBO/m³. d) 0, 1 -0, 35 - - - Profundidade (m) 3 -5 1, 5 -2 2, 5 -4 3 -4 0, 8 -1, 2 Relação L/B 1 a 3 2 a 4 1 a 2 - * Requisitos de O 2(kg. O 2/kg. DBOre movida) - - 0, 8 -1, 2 1, 1 -1, 4 - - Densidade de potência (W/m³) - - <2 >3 - - Taxa de acúmulo de lodo (m³/hab. ano) 0, 01 -0, 04 0, 03 -0, 08 - * -

Processos Anaeróbios CO 2 Professora Giovana Tommaso ZEA/FZEA/USP

Efluentes da Indústria de Alimentos Biodigestão Biodegradável Anaeróbia Fonte: LPB/EESC/USP Matéria orgânica CH 4

Schematic process Source: Long, H (http: //water. me. vccs. edu/courses/ENV 149/lesson 4. htm

IWA Model – Batstone et. al. 2002

COD Balance Aerobic Biodegradation

COD Balance Anaerobic Biodegradation

Biogás traços 30 -45% metano dióxido de carbono 55 -65% gás sulfídrico vapor d’ água Kapdi et al. , 2005 CH 4

Digestão Anaeróbia CH 4 ↓ ↓Poluentes Substrato CH 4

DESVANTAGENS DO PROCESSO Longos períodos de partida; Insuficiente potencial de geração de alcalinidade; Insuficiente qualidade do efluente; Geração de odores; Insuficiente remoção de nutrientes. Speece, 1996 Crença na fragilidade Robustez Baixos custos operacionais Pequenas áreas necessárias Ausência de aerossóis Possibilidade de tratamento sazonal Conservação de energia Speece, 1996 Vantagens do processo

Processo anaeróbio de estabilização de matéria orgânica Matéria orgânica complexa Hidrólise e acidogênese Ácidos voláteis Acetogênese Ácido acético Metanogênese Biogás H 2 e CO 2 Bactérias fermentativas Arquéias metanogênicas CH 4

Hidrólise e acidogênese Matéria orgânica complexa açúcares aminoácidos Ácidos de cadeia curta Glicerol e ácidos graxos H 2 e CO 2 CH 4

Microbiota envolvida Domínio bactéria Clostridium Lactobacilus Streptococcus Acatobacterim CH 4 Fonte: Tommaso e Foresti 2004

Fermentação do etanol +19, 36 k. J/reação Etanol Acetato Metanogênese -130, 69 k. J/reação Reação acoplada -111, 33 k. J/reação CH 4

Estequiometria e termodinâmica CH 4

Acetogênese Ácido acético Ácido butírico Ácido acético Ácido Propiônico Outros ácidos CH 4

Termodinâmica e estequiometria Reações acopladas com a metanogênese CH 4

Metanogênese CO 22 CO Metilsubstratos • HCOO • CO • Metanol • Metilamina (Di e Tri) • Metilmercaptana e dimetilsulfito Substrato acetotrófico – -CO 3 COO CO COO 3 CH 4

Metanogênese hidrogenotrófica Methanobacterium Methanosarcina Methanospirilum Methanobrevibacter Methanogenium CH 4

Termodinâmica da metanogênese hidrogenotrófica 30% CH 4

Giovana. Tommaso Metanogênese acetoclástica Giovana. Tommaso Tempo de geração 1, 5 d Methanosarcinas sp Figura do speece Tempo de geração 7, 0 d S. Gallo CH 4 Methanosaeta sp G = - 31 k. J/reação

Sumarizando Y Hidrólise e acidogênese Y Acetogênese H 2 G’o -273 k. J/reação G’o +65 k. J/reação Metanogênese G’o -32 k. J/reação CH 4

CH 4 Fonte: Field e Siera, 2000

Alcalinidade Tempo de detenção hidráulica Tempo de retenção celular p. H Carga orgânica volumétrica CH 4

Reatores anaeróbios Giovana Tommaso Tratamento de resíduos – ZEA 0966

“Mouras´ Automatic Scavenger”tratando 264 m 3/dia 1895 • D C Exceter • Inglaterra 1905 • W O Travis EUA • Karl Imhoff ‘ 60 - ‘ 80 Efluentes da indústria de alimentos Sorvetes (Morroy et al. , 1994) Conservas (De Paula e Foresti, 1993) Laticínios, abatedouros, etc (Campos 1992) Mc. Carty, 1981

1980 • UASB • G Lettinga • Holanda 1990 • EGSB / IC 1990 • Stuckey • Sungue e Dage • Zaiat e Foresti Reatores de membrana

Configurações Mistura completa

Filtros anaeróbios convencionais Source: http: //www. epa. gov

Reatores do tipo UASB –Upflow Anaerobic Sludge Blanket reactor Source: www. uasb. org

Expanded granular sludge bed (EGSB) reactor Source: Seghezzo et al. (1998)

Internal circulation (IC) reactor Source: http: //www. waterworld. com/index. html

Anaerobic sequencing batch reactors O processo pode biomassa suspensa ou fixa – em caso de biomassa fixa a etapa de sedimentação é suprimida

Reator Horizontal Anaeróbio de Leito Fixo

Reatores compartimentados Source: Barber & Stuckey, 1999

Reatores anaeróbios – os mais comuns • “Filtros” anaeróbios • Reatores UASB

Comparação – FA x UASB Filtro anaeróbio • Leito fixo Reator UASB • Leito granular ou floculento • Atenção cuidadosa aos sólidos • Atenção cuidadosa à gordura. • Remoção de gordura • Decantação primária

Filtro anaeróbio – detalhes e critérios de projeto • Fundo falso – (0, 5 m mínimo) • Suporte – mais comum – Brita n° 4 – ( ~5 -8 cm). • Altura (convencional) – 1, 3 a 1, 4 m NBR • Material leve – até 13 m.

Filtro anaeróbio – detalhes e critérios de projeto • c 21 d • COV • • Laticínios – 1, 2 a 4, 6 Refrigerantes – 2, 3 – 4, 7 Carnes – 1, 7 a 2, 9 Conserva de vegetais – 2, 8 • Velocidade ascensional – 2 m/h • Partida – Vup ~0, 4 m/h

Projeto de reatores UASB/EGSB Cervantes, 2008

Princípios • Lodo com boas características de sedimentação • Contato necessário entre biomassa e substrato – alimentação e produção de gás. • Separador G/L/S eficiente

UASB na Indúsrtia de Alimentoas Wastewater type Low rate Anaerobic contact Mixed bed Fluidized bed UASB EGSB Total Food Industry Malt & Brewery 2 - 6 4 185 88 285 Alcohol distillery 25 31 40 - 76 9 181 Beverages 0 3 11 2 88 15 119 Sugarcane - 49 7 1 34 3 92 Potato process 14 4 2 - 46 10 76 Dairy products 12 10 10 2 27 6 67 Starch production 2 9 10 2 32 7 64 Yeast production 7 8 6 - 25 8 54 Candies 4 - 3 - 15 2 24 Citric acid production 2 3 1 1 3 5 15 Coffee production - - 7 - 4 1 12 Wines production - - 6 1 3 1 11 Seafood 1 4 - - 2 1 8 Miscellaneous 10 22 40 5 112 25 213

Critérios de projeto

Tempo de retenção celular – (Ɵc)

Critério de projeto Vup COV

Velocidade ascensional • DQO solúvel - Vup máx 3 m/h • DQO parcialmente solúvel - Vup máx 1 e 1. 5 m/h • EGSB Vup - 6 e 10 m/h • EGSB area < UASB area

COV - Kg/m 3. d Temperatura (°C) WW- acidificada ácidos voláteis Não acidificada WW com 30 % SS-COD 15 2 -4 1. 5 -3 1. 5 -2 20 4 -6 2 -4 2 -3 25 6 -12 4 -8 3 -9 30 10 -18 8 -12 6 -9 35 15 -24 12 -18 9 -14 40 20 -32 15 -24 14 -18

Quantidade de pontos de distribuição Tipo de lodo Área requerida por ponto de distribuição (m 2) Floculento denso(>40 g TSS/L) 0. 5 -1 OLR <1 g COD/L-d 1 -2 OLR 1 -2 g COD/L-d 2 -3 OLR >2 g COD/L-d floculento(20 -40 g TSS/l) 1 -2 OLR <1 -2 g COD/L-d 2 -5 OLR >3 g COD/L-d Granular 0. 5 -1 OLR < 2 g COD/L-d 0. 5 -2 OLR 2 -4 g COD/L-d >2 OLR >4 g COD/L-d

Separador G/L/S • Inclinação : 45 -60° • Área de vazios no GLS : 15 -20% da área do reator • Altura do separador GSL : 1. 5 -2 m para reatores de 5 -7 m • Área de troca – selo hídrico

Reatores baixos

Forma cilíndrica- 75 m 3 Reatores altos 12 entradas que devem ser instaladas uniformemente pela base do reator (aprox. 1 per m 2). 100 a 450 m 3/d (DQO/DBO) ~ 80% 1 a 3. 5 m 3 lodo úmido/d

Anaerobic Lagoon Food/Beverage Processing - Washington

Contact Process Food-Processing, Virginia

UASB The Netherlands

UASB - Internal Circulation Brewery (Switzerland), 20 m height

UASB - Internal Circulation Kraft Paper Mill Foul Condensates, Alabama

EGSB Gist Brocades (yeast, pharmaceuticals) The Netherlands

Modular Design UASB Reactors

Photo Gallery Municipal Sludge Digesters

Municipal Sludge Digesters Switzerland

Centralized Biogas Plant Lintrup Biogas plant (Denmark) animal manures

Obrigada

BIBLIOGRAFIA Marcos von Sperling (1997). Princípios do tratamento biológico de águas residuárias (Volume 4). UFMG, Belo Horizonte, Minas Gerais – Brasil. Notas de aula da disciplina PHD 2411 - SANEAMENTO I (USP – SP) lecionada pelo Prof. Dr. Roque Passos Piveli e pelo Prof. Dr. Sidney Seckler Ferreira Filho