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BiotecnologiaBiotecnologia
Profa. Liliana Lemos
TRATAMENTO BIOLÓGICO DE RESÍDUOS 3
Biotecnologia e Micro-organismos
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Tratamento Anaeróbico de Crescimento Tratamento Anaeróbico de Crescimento
SuspensoSuspenso
Nos últimos 15 anos um número de
processos anaeróbicos têm sido
desenvolvido no tratamento de lodos e
efluentes orgânicos com elevada força
iônica.
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Digestão Anaeróbica
No processo de digestão anaeróbica, o material
orgânico, como resultado da mistura de
decantados primários e secundários (lodos
biológicos), é convertido biologicamente, em
condições anaeróbicas, à uma variedade de
produtos finais incluindo metano (CH4) e
dióxido de carbono (CO2). O processo é
conduzido num reator hermético.
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O lodo, introduzido continuamente ou
intermitentemente, é retido no reator por
diferentes períodos de tempo. O lodo
estabilizado, retirado continuamente ou
intermitentemente do reator é diminuído em
conteúdo orgânico e patogênico e, é não
putrescível.
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Os dois tipos de digestores anaeróbicos
comumente utilizados são identificados como
digestores de velocidade padrão e de alta
velocidade. O processo de digestão com
velocidade padrão, dentro do digestor, é
usualmente não aquecido e não misturado.
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O tempo de retenção para o processo com
velocidade padrão varia de 30 a 60 dias.
No processo de digestão com alta
velocidade, o conteúdo dos digestores é
aquecido e completamente misturado. O
tempo de retenção necessário para esse tipo
de digestor é tipicamente de 15 dias ou
menos.
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Tratamento Anaeróbico de Crescimento SuspensoTratamento Anaeróbico de Crescimento Suspenso
Processo de Processo de digestão com digestão com
velocidade padrãovelocidade padrão
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Tratamento Anaeróbico de Crescimento SuspensoTratamento Anaeróbico de Crescimento Suspenso
Processo de digestão Processo de digestão com alta velocidade com alta velocidade
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Tratamento Anaeróbico de Crescimento SuspensoTratamento Anaeróbico de Crescimento Suspenso
A combinação dos dois processos básicos
(de alta velocidade e padrão) é conhecido
como “processo em dois estágios”. A
função primária do segundo estágio é
separar os sólidos digeridos no licor
sobrenadante; no entanto, digestão
adicional e produção de gás podem ocorrer.
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Tratamento Anaeróbico de Crescimento SuspensoTratamento Anaeróbico de Crescimento Suspenso
Processo em dois estágios Processo em dois estágios
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Microbiologia do ProcessoMicrobiologia do Processo
A conversão biológica de matéria orgânica em lodo,
nas plantas de tratamento, sabe-se que ocorre em três
etapas.
A primeira etapa do processo envolve uma
transformação, mediada por enzimas (hidrólise), de
compostos com alta massa molecular em compostos
apropriados para o uso como fonte de energia e
carbono celular.
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A segunda etapa (acidogênese) envolve a
conversão bacteriana dos compostos
resultantes da primeira etapa em compostos
intermediários identificáveis (ácidos,
principalmente o acético) com baixa massa
molecular.
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A terceira etapa (metanogênese)
envolve a conversão bacteriana dos
compostos intermediários em produtos
finais, principalmente metano e CO2.
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Microbiologia do ProcessoMicrobiologia do Processo
Em um digestor o consórcio de organismos
anaeróbicos trabalham juntos na realização da
conversão de lodos orgânicos em resíduos. Um
grupo de organismos é responsável pela hidrólise
de polímeros orgânicos e lipídios em blocos
estruturais básicos tais como monossacarídeos,
amino ácidos e outros compostos do gênero.
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O segundo grupo de bactérias anaeróbicas fermenta
os produtos originários do processo anterior em
simples ácidos orgânicos, sendo o mais comum o
ácido acético.
Este grupo de micro-organismos, descrito como não-
metanogênico, consiste de bactérias anaeróbicas
facultativas.
Microbiologia do ProcessoMicrobiologia do Processo
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Coletivamente, esses micro-organismos são
frequentemente identificados na literatura como
“acidogênicos” ou formadores de ácidos. Entre essas
bactérias, que foram isoladas de digestores
anaeróbicos estão a Clostridium spp., Peptococcus
anaerobus, Bifidobacterium spp., Desulphovibrio spp.,
Corynebacterium spp., Lactobacillus, Actinomyces,
Staphylococcus e Escherichia coli.
Microbiologia do ProcessoMicrobiologia do Processo
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Microbiologia do ProcessoMicrobiologia do Processo
Um terceiro grupo de micro-organismos
converte o hidrogênio e ácido acético
formado pelos formadores de ácido em
metano e CO2. As bactérias responsáveis por
esta conversão são anaeróbicas estritas e
são chamadas de metanogênicas.
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Coletivamente, elas são identificadas na
literatura como metanogênicas ou formadoras
de metano. Muitos dos organismos
metanogênicos identificados em digestores
anaeróbicos são similares àqueles encontrados
no estômago de animais ruminantes e em
sedimentos orgânicos retirados de lagos e rios.
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Os principais Gêneros de micro-organismos
que têm sido identificados incluem os
bastões (Methanobatcterium,
Methanobacillus) e esferas (Methanecoccus,
Methanesarcina). As bactérias mais
importantes do grupo das metanogênicas são
aquelas que utilizam ácido acético.
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Microbiologia do ProcessoMicrobiologia do Processo
Elas possuem baixas taxas de crescimento e,
como resultado, seus metabolismos são
considerados limitantes de velocidade no
tratamento anaeróbico de um resíduo orgânico. A
estabilização de um resíduo na digestão
anaeróbica é realizada quando metano e CO2
são produzidos. O gás metano é altamente
insolúvel e a sua fuga da solução representa a
estabilização real do resíduo.
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É importante notar que metano-bactérias
podem usar somente um número limitado de
substratos para a formação de metano.
É conhecido que as metanogênicas usam os
seguintes substratos: CO2 + H2, formiato,
acetato, metanol, metilamina. As reações
típicas de conversão com produção de
energia envolvendo esses compostos são:
Microbiologia do ProcessoMicrobiologia do Processo
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Microbiologia do ProcessoMicrobiologia do Processo
OHCHCOH 2422 24
OHCOCHHCOOH 224 234
243 COCHCOOHCH
OHCOCHOHCH 2243 234
3224233 4639)(4 HNOHCOCHOHNCH
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Diagrama Esquemática do Modelo do Fluxo de Carbono Diagrama Esquemática do Modelo do Fluxo de Carbono em uma Digestão Anaeróbicaem uma Digestão Anaeróbica
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Digestores AnaeróbicosDigestores Anaeróbicos
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Digestores AnaeróbicosDigestores Anaeróbicos
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High-efficiency anaerobic bioreactors used for sludge digestion and methane production
Digestores AnaeróbicosDigestores Anaeróbicos
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Em digestor anaeróbico, os dois caminhos
principais envolvidos na formação de
metano são: 1) a conversão de hidrogênio
e CO2em metano e água:
OHCHCOH 2422 24
2) a conversão do acetato em metano e CO2:
243 COCHCOOHCH
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Os metanogens e acidogens formam um
relacionamento sintrófico (mutuamente
benéfico) no qual os metanogens
convertem os produtos finais da
fermentação, tais como H2, formiato e
acetato em metano e CO2.
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Os metanogens são capazes de utilizar o
H2 produzido pelos acidogens devido às
suas eficientes hidrogenases. Visto que os
metanogens são capazes de manter uma
pressão parcial de hidrogênio
extremamente baixa, o equilíbrio das
reações de fermentação é direcionado
para a formação de produtos mais
oxidados.(ex.: formiato e acetato).
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Etapas do processo de Digestão Anaeróbica com Fluxo Etapas do processo de Digestão Anaeróbica com Fluxo de Energiade Energia