1 processos aeróbios prof. paulo roberto koetz. 2 tratamento biológico remoção da matéria...

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Processos aeróbios

• Prof. Paulo Roberto Koetz

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Tratamento Biológico

•Remoção da matéria orgânica– Metabolização por microorganismos

• Aeróbio– presença de oxigênio

• Anaeróbio– ausência de oxigênio

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•Metabolismo– Utilização pelas bactérias do material

orgânico• Fonte de energia• Fonte material para a síntese celular.

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•Catabolismo– Material orgânico

• Fonte de energia

•Anabolismo– Material orgânico

• Massa celular.

•Processos interdependentes

•Simultaneos

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Divisão celular

Parede

celular Septo

Membrana

DNA Cromossoma

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Metabolismo Aeróbio Metabolismo Metanogênico

Catabolismo: 33%

Catabolismo: 97%

Anabolismo: 67%

Anabolismo: 3%

METABOLISMO BACTERIANO: AERÓBIO X ANAERÓBIO

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Metabolismo Microbiano

ClassificaçãoFonte de

energia

Fonte de

CarbonoMicroorganis

mo

Fotoautotrófico Luz CO2 Algas - Bactérias

Quimioautotróficos

Redox

inorgânica

NH3, NO2, S-2

CO2

Bactérias

nitrificantes

Quimioheterotróficos

Redox orgânica Corg

Corg Fungos

Bactérias

Fotoheterotróficos Luz Corg Sulfobactérias

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Classificação em função do metabolismo

Metabolismo μO Redutor Receptor e- Composto final

RespiratórioAeróbios

obrigatóriosCorg O2 H2O

Respiratório anóxico Anóxicos Corg

NO3 – NO2 – SO4

NO2 – N - S-2

MetanogênicoAnaeróbios obrigatórios

Corg CO2 CH4

Fermentativo aeróbio

Anaeróbias facultativas

Corg O2 H2O

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• 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

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•Os processos biológicos– Remoção da poluição dissolvida

•O efluente do tratamento primário– Sólidos particulados

– Sólidos dissolvidos

......Mas............

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• 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.

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• Conhecimentos necessários– Características físico-químicas dos

efluentes

–Microbiologia do tratamento de efluentes

–Cinética do crescimento dos microorganismos

–Desenho de reatores

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• Microorganismos envolvidos–Bactérias quimioheterotróficas

• Remoção da matéria orgânica em maior quantidade

–Bactérias quimioautotróficas• Transformações especiais

– nitrificantes

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• Microorganismos envolvidos– Protozoários– Fungos– Algas

• Metabolismo simbiótico das lagoas de estabilização

– Outros organismos

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• Aeróbio– Material orgânico é oxidado para produtos

minerais• Lodo Ativado• Lagoa Aerada• Filtro Biológico

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• Anaeróbio– Produtos finais são gases

• Biogás– Metano– Dióxido de carbono

– Lagoa Anaeróbia– Filtro Anaeróbio– Leito Fluidizado / Expandido– UASB– RALF

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Sistemas Aeróbios:MO + O2 + µO µO + CO2 + H2O

Sistemas Anaeróbios:MO + µO µO + CO2 + CH4 + H2O

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Princípios do tratamento biológico

• 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

Substrato µO Metabólitos + µO

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• 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


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• 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


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Condições ambientais

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

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Condições ambientais - Temperatura

•Psicrofílico – 5ºC a 20ºC•Mesofílico - 20ºC a 50ºC•Termofílico - 50ºC a 55ºC

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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

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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

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Condições ambientais - Nutrientes

•Carbono orgânico

•Nitrogênio

•Fósforo

•Micronutrientes

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

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Curva de crescimento

Aceleração

ln µ

O

Lag

Fase log

Desaceleração

estacionária

Morte

Tempo

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Curva de crescimento

Log

nº c

élul

as (

x)

dX

Tempo (t)

dt

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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

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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

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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.

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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

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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-

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Reatores

• Contenção do efluente

• Otimização das condições de crescimento

• Fixação dos equipamentos auxiliares

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Parâmetros de projeto

• B – Carga orgânica aplicada volumétrica

• TDH - Tempo de detenção hidráulico

• Velocidade de fluxo, Q/A

• Modelização13rrs d.kg.m em VQ x C B

(h) horas ou (d) dias em QV TDHr

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• Sistemas Aeróbios– MO + O2 + µO µO + CO2 + H2O

• Sistemas Anaeróbios

– MO + µO µO + CO2 + CH4 + H2O13rrs d.kg.m em VQ x C B


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• Exemplos de cargas orgânicas aplicadas– 0 kg.m-3

r.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

13rrs d.kg.m em VQ x C B


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Tratamento biológico

Sistemas Aeróbios

MO + O2 + µO µO + CO2 + H2O

Sistemas Anaeróbios

MO + µO µO + CO2 + CH4 + H2O

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Processos biológicos de tratamento

Met. Sól – líq,

S

Ar

Agitação

Met. gasosos

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Tipos de Reatores

• Batelada• Pistão• Mistura perfeita

• Filme fixo• Leito Fluidizado

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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

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Tratamento biológico

% 95 100 x )000 2

100 - (1 E Afluente

Q = 1 000 m3.d-1

S0 = 2 000 mg.L-1

(S0) = 2 000 kg.d-1

Vr = 500 m3

Efluente

Sf = 100 mg.L1

d 0,5 .dm 000 1

m 500 TDH

1-3

313

r3

-1.dkg.m 4

m 500

kg.d 000 2 B

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