Biotecnologia no Tratamentos de efluentes urbanos e

industriais

Curso de Pós Graduação em Biotecnologia Módulo: Biorremediação e Bioconversão

Profa. Dra. Marcia Freire dos Reis Aula n°6

2009

Características dos efluentes líquidos

Características físicas

Características químicas

Características biológicas

Sólidos

Cor

Odor

Temperatura

Res. Animais

Res. Vegetais

Bactérias

Vírus

Conteúdo de orgânicos Conteúdo de inorgânicos Conteúdo de gases

Hidrocarbonetos

Gorduras

Fenóis

Proteínas , etc

Metais pesados

Nitrogênio

Fósforo

Cloretos, etc

Sulfeto de H2

Metano

oxigênio

Tabela1. Poluentes a considerar durante o tratamento de efluentes. Fonte: LORA, 2002.

Poluentes Efeitos a considerar

Sólidos em suspensão

Provocam a formação de depósitos de lodo e condições anaeróbicas ao descarregar-se o efluente não tratado num reservatório de água.

Orgânicos biodegradáveis

Sua estabilização (destruição) biológica pode levar ao esgotamento de oxigênio natural no reservatório de água

Nutrientes Eutrofização

Poluentes prioritários

Carcinogenicidade, mutagenicidade e alta toxicidade

Metais pesados Bioacumulação e alta toxicidade

COVs Tóxicos e poluição atm

Microganismos patogênicos

Transmissão de doenças

Tabela 2. Fontes típicas e efeitos dos poluentes presentes em efluentes líquidos. Fonte: Lora, 2002

Poluentes Efeitos Fontes típicas

Orgânicos Biodegradáveis

Desoxigenação, condições anaeróbias,

morte de peixes, odores

Efluentes em grande quantidade de HC dissolvidos, refino de açúcar,

destilarias; cervejarias; processamento de leite; industria de papel e celulose

Metais pesados Morte de peixes, envenenamento de

gado, morte de plâncton; acumulação na carne

dos peixes e dos moluscos

Limpeza, platinado e decapagem de metais; refinamento dos fosfatos e da bauxita, geração de cloro, fabricação

de baterias, curtimento de couro

Ácidos e álcalis Afetação do sistema de compensação do pH, desordenamento do sistema ecológico

Percolados de jazidas de carvão,; decapagem de aço; industrias têxteis;

produções químicas, limpeza de lã; lavadores

Desinfetantes: Cl2, H2O2, Formalina,

Fenóis

Morte seletiva de microrganismos, aparecimento

de sabor e odor na água

Branqueamento de papel e tecidos, síntese de resinas, fabricação de

penicilina, fabricação de gás, coque e alcatrão de carvão, tinturas e produção química

Íons: Fe, Ca, NO3, S-, SO-2

Mudanças nas características da água: aparecimento da cor,

dureza, salinidade e incrustações

Metalurgia; fabricação de cimento; cerâmica; bombeamento de

petróleo de jazidas.

Poluentes evidentes à vista

e ao olfato

Alteração do balanço químico por esgotamento rápido do oxigênio e sobrenutrição; aparecimento de odores e

crescimento seletivo de microrganismos

Fabricação de gás e coque; plantas de fertilizantes; fabricação

de explosivos; tinturas; processamento de alimentos e

carne; fabricação de fibras sintéticas; obtenção de polpa a

partir da madeira, branqueamento.

Microrganismos Patogênicos

Infecções em humanos, reinfecção de outros seres vivos; doenças das plantas

pela irrigação com água contaminada por fungos.

Resíduos de matadouros; processamento de lãs, águas

residuais do processamento de aves; resíduos hospitalares.

Abordagem dos problemas de efluentes industriais

Avaliação da situação - Conhecimento dos processo de fabricação envolvidos

na industria - Determinação das características do efluentes

líquidos teor de matéria orgânica, teor de sólidos em suspensão, concentração de substancias tóxicas.

- Consulta à legislação - Diagnóstico de RH ou rede de esgoto disponíveis para

a descarga dos efluente tratado.Minimização da carga poluidora

- Verificar a viabilidade de reúso/reciclagemDeterminação da forma de disposição final dos efluentes

- Formas de disposição x legislação existente.

Determinação do Grau de Tratamento necessário1-Tratamento primário Remoção física dos resíduos sólidos em suspensão

facilmente removíveis por sedimentação ou flotação. Ajuste de pH ou T°C.

2- Tratamento Secundário Remoção da matéria dissolvida e de uma parcela maior

de sólidos em suspensão de forma a se obter um efluente de baixa concentração de matéria orgânica, isento de sólidos em suspensão, com pH neutro e temperatura ambiente. Processos biológicos.

3- Tratamento Terciário Remoção de substancias específicas , tais como

nutrientes (N, P), Metais pesados....

Tabela 3. Classificação dos métodos de tratamento de efluentes industriais.Fonte: Lora, 2002.

Tipo de Tratamento

Processos inclusos e objetivos

Primário

(métodos físicos)

Prepara o efluente para o tratamento biológico. Inclui a separação do sólidos grossos com grades ou desintegradores, a equalização

e a neutralização. Os óleos, as gorduras, e os sólidos em suspensão são removidos por flotação, decantação e filtragem.

Secundário

(métodos biológicos)

Inclui a degradação biológica dos compostos solúveis. São típicos níveis de entrada de 50-1.000 mg/L de DBO e de saída < 30 mg/L

de DBO. Geralmente, o tratamento é aeróbio, porém pode-se utilizar tratamento combinado.

Terciário

(métodos físico-químicos)

Remoção de tipos específicos de poluentes, fundamentalmente orgânico não biodegradável. Inclui operações de filtragem,

adsorção com carvão ativado granular, oxidação química, etc.

Tratamento de lodos

Inclui processos de espessamento dos lodos por decantação e flotação, ou processo de secagem e deposição final dos mesmos.

Tratamento Primário

Tratamento secundário

Tratamento terciário

Gradeamento Lagoas Troca iônica

Câmara de areia Lodos ativados Carvão ativado

Sedimentação primária

Digestão anaeróbia

Filtração

flotação Filtro Biológico Coagulação

Tabela 4. Formas de Tratamento

Tratamento Terciário

Processos Biológicos usados no tratamento de efluentes líquidos

MO Biodegradação da matéria orgânica nutrição e respiração.

Nutrição Obtenção de matéria orgânica para a estruturação dos organismos e a obtenção de energia molecular para a realização das atividades biológicas normais.

Respiração Processo de oxidação através do qual são liberadas energias contidas nas moléculas orgânicas. Os MO utilizam a matéria orgânica de um efluente utilizando pequena parte dela para a autoconstrução e reprodução e oxida o restante através da respiração aproveitando a energia e restituindo ao meio elementos na forma de subprodutos do seu metabolismo.

DBO(Demanda Bioquímica de Oxigênio) quantidade de oxigênio requerida pela unidade de volume de resíduo, para a estabilização biológica da matéria orgânica biodegradável, através de organismos vivos ou de suas enzimas.

Efluente DBO (mg/L)

Esgoto doméstico 350

Vinhaça de usinas de álcool (melaço) 10.000 – 25.000

Produção de leveduras 3.000- 14.000

Resíduos de fábricas de antibióticos 5.000 – 30.000

Cervejarias 2.000

Licor sulfítico de fábricas de papel 20.000 – 45.000

Laticínios em recuperação do soro de leite

30.000

Medida da quantidade de matéria orgânica

DQO (Demanda Química de oxigênio) Quantidade de oxigênio necessária para a oxidação de matéria orgânica da amostra através do dicromato de potássio em meio ácido na presença de catalisadores.

Ex. Despejo industrial de café solúvel (efluente da borra)

pH= 4,25

SF = 809 mg/L

SV= 15.012 mg/L

SS = 14.537 mg/L

DQO = 17.811 mg/L

DBO= 7.543 mg/L

DQO / DBO > 2

?

Relação DQO / DBO

Alternativas Tratamentos possíveis

< 2 Biológico convencional (filtros biológicos, lodos ativados convencionais, estabilização por contato, aeração prolongada, lagoas... DQO / DBO afluente ~ DQO / DBO efluente.

>2 1a alternativa: A parte não

biodegradável não é importante do

ponto de vista da poluição.

Tratamento biológico convencional DQO/DBO afluente < DQO/DBO efluente do tratamento.

2a alternativa: A parte não

biodegradável também é

responsável pela poluição.

Hipótese 1: SSV/SV > 0,8 decantação simples, flotação, decantação com alteração de pH, decantação com auxílio de floculantes.

Hipótese 2: SDV/SV > 0,8 adsorção em leitos de carvão ativado, oxidação química, combustão….

Tabela 5. Resumo das interpretações das análises

COT (Carbono Orgânico Total Concentração total

orgânico na amostra de água residuária, sendo fácil e

rapidamente medido através do uso de método

instrumental.

Medida da concentração dos microrganismosA

concentração mássica de MO é avaliada normalmente

pela concentração de sólidos em suspensão voláteis

(SSV) ou Totais (SST) inclui células vivas e mortas,

porém não destruídas por lise + sólidos orgânicos e

inorgânicos não celulares em suspensão.

Processos Biológicos

Os processos biológicos de tratamento de águas residuárias (efluentes) podem ser classificados em: aeróbios (MO utilizam o oxigênio livre como receptor final do hidrogênio); anaeróbios (utilizado o oxigênio ligado a compostos químicos como receptor final do hidrogênio) e facultativos que dão preferência a via aeróbia.

Sistemas aeróbios

Y= 0,30 a 0,51 mg SSV/ mg DBO.

Sistemas anaeróbios

Y= 0,032 A 0,27 mg SSV / DBO.

Processos anaeróbios produtos finais com conteúdo energético (CH4, álcool) fonte energia.

x

Degradação < a dos processo aeróbios, portanto há a necessidade de tratamento aeróbio posterior.

As velocidades de reação dos processos aeróbios são em T°C entre 15-30°C

x

Processos anaeróbios existe a necessidade de aquecimento para se

obter velocidades de reação (exceção para filtros anaeróbios).

• Processo biológico permite, utilizando o metabolismo de microrganismos, reduzir até níveis aceitáveis o teor de orgânicos num efluente resultado= massa decantável de MO, desenvolvidos utilizando a matéria orgânica como fonte de C.

• O metabolismo processo bioquímico (reações de oxidação – redução) que ocorre nos organismos vivos a fim de garantir a energia para os processo de síntese, o movimento e a respiração.

• Equações gerais dos processos de biodegradação são as seguintes:

Síntese:

Orgânicos + O2 + N + P → Novas células + CO2+ H2O + resíduo solúvel não biodegradável.

Respiração:

Células + O2 → CO2 + H20 + N+ P+ Energia+ resíduo celular não biodegradável.

• Equações do metabolismo biológicoOxidação e síntese

Orgânicos + a’O2 + N + P + células a (novas células) + CO2 + H2O + PMSnb

RESPIRAÇÃO ENDÓGENA

b células + b’ O2 → CO2 + H2O+ N+P+ Res. Cel. Não biodegradável + PMSnbOnde: a’ = oxigênio requerido para a remoção de uma unidade de matéria orgânica,

mediante a sua oxidação até produtos finais (mg O2 / mg DBO);a = taxa de conversão da matéria orgânica removida em ovas células pelo

processo de síntese (mg SSV/ mg DBO);b = fração diária de células oxidadas endogeneamente (mg SSV/ mg SSV-dia);b’ = oxigenio requerido para suportar a degradação endógena;K = constante de reação. PMSnb = produto microbiano solúvel não biodegradável.

k

APLICAÇÕES DO TRATAMENTO BIOLÓGICO

REMOÇÃO DE MATÉRIA ORGÂNICA DO EFLUENTE (COLÓIDES E

ORGÂNICOS DISSOLVIDOS);

OXIDAÇÃO DO NITROGÊNIO DA AMONIA ATÉ NITRITOS E NITRATOS

(PROCESSO DE NITRIFICAÇÃO);

CONVERSÃO DOS NITRATOS EM NITORGÊNIO GASOSO (PROCESSO

DE DESNITRIFICAÇÃO);

REMOÇÃO DE P;

ESTABILIZAÇÃO DE LODOS ORGÂNICOS.

• Produtos finais de biodegradação em processos aeróbios e anaeróbios

Processo aeróbio Elemento original

Processo anaeróbio

CO3-2 ← CO2 ←

NO3- ← NO2

- ←NH3 ←

SO4-2 ←

H2O ←

PO4-3

C

N

S

H

P

→ CH4 + CO2

→NH3

→ H2S

→ Subprodutos orgânicos ou NH3

Tratamento Biológico Aeróbio

Em princípio qualquer despejo que apresente DBO maior que algumas dezenas de mg/L.

Mesmo quando DBO (presença de compostos tóxicos) pode ser possível o tratamento aclimatação dos MO.

Requisito + importante: DBO:N:P = 100:5:1

pH do reator: 6-8

Fornecimento de O2: O2 > 2mg/L ar comprimido, de

aeradores superficiais, da fotossíntese realizada por algas de lagoas de estabilização, ou por convecção natural nos filtros biológicos.

Os principais processo aeróbios aplicáveis

no tratamento de resíduos industriais são:

Lodos Ativados

Filtros biológicos

Lagoas aeróbias

Bactérias principais responsáveis pela

decomposição da matéria orgânica

D+ MO papel secundário (clarificação

dos efluentes)

LODOS ATIVADOS Processo biológico + usado atualmente

para estabilizar a matéria orgânica biodegradável de despejos industriais e sanitários.

Sistema no qual a massa biológica cresce e flocula, sendo continuamente recirculada e colocada com a matéria orgânica do despejo líquido em presença de O2.

4-8 h de retenção

25 - 40% lodo separado no decantador

O processo se aplica para esgotos domésticos em mistura ou não com efluentes industriais, e para despejos industriais orgânicos (conc. Máxima de DBO < 2 g DBO/ L).

Eficiência de remoção >95%.

vantagens Desvantagens

Excelente qualidade do efluente obtido Necessidade de controle adequado do processo por pessoal

especializado

Possibilidade de ou tempo de contato Volume do lodo resultante elevado

Variar relação Matéria orgânica / massa MO Consumo elevado de energia

Não aparecimento de moscas

Lodo pode ser estabilizado no próprio tanque de aeração

Pequenos volumes de reatores

Estabilidade do processo

Capacidade de absorver o recebimento de cargas de choque e compostos tóxicos

Microrganismos presentes

Bactérias base do floco do lodo ativado, tanto estrutural

como funcionalmente.

Bactérias formadoras de flocos (estabilização da matéria

orgânica) > bactérias nitiricadoras (NH3→NO-3) >

bactérias filamentosas (formação do bom floco) >

protozoários (clarificação do efluente).

Águas que contêm glicose, sacarose, maltose, lactose…

promovem bom crescimento dos filamentos x águas de

lavanderia, industria têxtile quimicas inibem.

Separação do lodo biológico no decantador é

fundamental para o desempenho do lodo

ativado Teste do Índice Volumétrico do lodo

(IVL) caracteriza a qualidade do lodo.

80-120 mL/g Floco ideal

50- 150 mL/g sem problemas “bulking”

200 mL/g começo de “Bulking”

• causas do aparecimento do bulking no lodo ativado

Deficiência de nutrientes

Baixa concentração de oxigênio

A correção das causas não resolve o problema instantaneamente, pois é preciso aguardar a renovação de todos os MO no sistema necessária a aplicação de métodos corretivos como adição de desinfetantes (Cl e peróxido de hidrogenio)

Requisitos para um bom funcionamento do processo.

O.D. tanque de aeração 1 – 3 mg/L O2

pH tanque de aeração 6-9

DBO:N:P

Ausência de descargas orgânicas e tóxicas.

Construção e dimensionamento

1-) Tanques de aeração

Geralmente retangulares, construídos de concreto,

profundidade de 3-5 m.

2-) Dispositivos de aeração

Aeração por insuflação e aeração por agitadores

superficiais

3-) Decantadores

Decantadores primários na estações de

tratamento sólidos sedimentáveis + consumo

de energia.

4-) Parâmetros para dimensionamento

4.1-) Carga orgânica no lodo ativado expressa em kg de DBO/ kg SSTA dia (sólidos suspensos no tanque de aeração) e variam desde 0,05 kg – 2 kg DBO / kg SSTA.

Lodos ativados com capacidade convencional taxa próximas de 0,3 kg de DBO/ kg de SSTA dia.

4.2-)Tempo de retenção nos tanques de aeração varia entre 4-8 h.

Variantes do processo:

Q0 = vazão de entrada na câmara de aeração

Qw= vazão de saída do sistema

Qr= vazão de recirculação

Existem numerosas modificações na concepçãooriginal do processo de lodos ativados.

• Relação alimento / microganismos (F/M)

F = S0 , mg/mg –dia

M XvtOnde:

S0 = DBO Ou DQO degradável no efluente (alimento), mg/L;

Xv = biomassa (microrganismos) submetidos a aeração, mg/L.

t = tempo de retenção

Representação esquemática do sistema convencional de lodos ativados.

Representação esquemática do sistema de alimentação escalonada.

Representação esquemática do sistema de aeração prolongada.

Representação esquemática do sistema carroussel.

Representação esquemática do sistema valo de oxidação.

• Características das diferentes variantes de sistema de lodo ativado

Processo Carga de orgânicos kg /DBO/dia/m3

Idade do lodo (dias)

F/M

mg/mg-dia

SSLM

mg/L

% remoção

DBO

Lodo ativado convencional

0,4 – 0,8 3 – 8 0,2 – 0,5 1200- 4000 85-90

Lodo ativado de alta velocidade

0,8 – 2,4 1 – 3 0,6 – 1,8 3000 – 5000 60-80

Estabilização por contato

0,5 – 1,1 5- 15 0,2 – 0,5 1000 – 2500*

4000 – 10000**

75-90

Canal de oxidação

- 60 – 90 0, 02 – 0,10 3500 – 5000 90-95

Lodo ativado com oxigenio

2,4 – 4,0 1,5 – 5,5 0,5 – 1,5 4000 – 8000 90--95