Microbiologia do Tratamento de Efluentes Líquidos

Juliana Calabria de Araujo

Tratamento Biológico•Evitar a poluição ou promover a despoluição Ambiental.

•Tratamento de Esgotos : remoção da matéria carbonácea (reduzir a DBO), material em suspensão, patógenos e nutrientes (N e P).

•Respiração:

matéria orgânica + O2 CO2 + H2O + energia (ATP)

e N, P e S são oxidados a NO3-, PO4

3- e SO42-.

•Tratamento Biológico : Aeróbio e Anaeróbio

Auto depuração e Tratamento

Respiração: matéria orgânica + O2 CO2 + H2O + energia (ATP)

e N, P e S são oxidados a NO3-, PO4

3- e SO42-.

Composição do Esgoto Doméstico(Metcalf & Eddy, Inc. 1991)

Constituinte Porcentagem/ Concentração

Proteínas 40% - 60%

Carboidratos 25% - 50%

Gorduras e óleos 10%

Uréia (NH3-N) 25 – 50 mg/L

P total 8 – 15 mg/L

C. Orgânicos traços(pesticidas, surfactantes, fenóis, e outros poluentes)

Nível do Tratamento

NívelPreliminar SS grosseiros (materiais de maiores dimensões e areia)

SS sedimentáveisDBO em suspensão

NutrientesPatogênicosCompostos não biodegradáveisMetais PesadosSólidos inorgânicos dissolvidosSS remanescentes

Terciário

Secundário

Remoção

DBO em suspensão( não removida no tratamento primário)

Primário

Remoção de PoluentesNível do tratamentoEficiência do tratamento

Fonte: Von Sperling, 1996

DBO solúvel

PROTOZOÁRIOS

O2

biomassa

CO2H2O

matéria orgânica+

biomassa

FUNGOSBACTÉRIAS HETEROTRÓFICAS

RESPIRAÇÃO AERÓBIA

+

+

LODOS ATIVADOSEsgoto proveniente do tratamento primário

Tanque de aeração

Retorno de lodo ativado

Tanque de sedimentação

Efluente

Excesso de lodoLodo digerido

AR

Biomassa em suspensão

Menores áreas Recirculação de lodo Maior consumo energia Maior custo com O e M Idade do lodo: 10 dias

MO + LA + O2 CO2+ H2O+ Energia + lodo

tanque de aeração

decantador secundário

T. Aeróbio: Lodos ativados

Floco biológico

Microrganismos presentes em sistemas de Lodos Ativados

GÊNEROS FUNÇÕESPseudomonas Remove carboidratos e promove

desnitrificaçãoZooglea Formação de flocosBacillus Degradação de ProteínasAthrobacter Degradação de CarboidratosMicothrix Degradação de Gorduras,

crescimento filamentosoNocardia Crescimento filamentoso,

formação de espuma e escumaAcinetobacter Remoção de FósforoNitrosomonas NitrificaçãoNitrobacter NitrificaçãoAchromobacter DesnitrificaçãoFonte: Horan, 1999.

Nostocoida limicola

Beggiatoa sp.

Microrganismos indicadores dos lodos ativados

Protozoários indicam boas condições de aeração; são sensíveis a substâncias tóxicas. Ausência ou falta de locomoção = ambiente tóxico. Rotíferos também são indicadores de LA estável. ciliados são responsáveis pela remoção de E.coli (é reduzida de 91 a 99% no processo de LA).

Aspidisca costata- nitrificação Arcella sp.- Boa depuração

Vorticella-lodo bomRotífero –Lecane sp. “pin floc” –lodo má qualidade

Lodos ativados• MO estabilizada por bactérias que crescem dispersas

no tanque de aeração• TDH líquido – 6 a 8 horas• Idade do lodo – 4 a 10 dias• Remoção contínua do lodo biológico excedente• Lodo não é estabilizado no processo• Fornecimento de O2 – aeradores mecânicos ou ar

difuso

Lodos ativadosLodos ativados

• SS sedimentáveis e MO suspensa são removidos no decantador primário

• Decantador secundário – biomassa sedimenta• Efluente sai clarificado• Lodo secundário retorna para o tanque de aeração –

aumento de eficiência do processo• Remoção de DQO de 70 a 90%

Lodos Ativados modificado para a remoção biológica de N e P

NH3 +2O2 NO3- +H+ +H2ONO3

- NO2- N2

DESNITRIFICAÇÃO

Remoção biológica de N convencional= nitrificação + desnitrificação

NitrificaçãoNitrosomonas: (Nitrosospira, Nitrosococcus)

NH4+ + O2 2NH2OH+ 2H+

NH4+ + 1.5O2NO2

-+2H++H2O + 275KJ

Nitrobacter: NO2

- + 0.5 O2NO3-+75KJ

(Nitrospira, Nitrococcus)

Desnitrificação6NO3 +5CH3OH3N2+5CO2+7H2O+6(OH)-

Pseudomonas, Bacillus, Spirillum, Hyphomicrobium, Agrobacterium, Acinetobacter,Propionobacterium, Rhizobium, Corynebacterium,Cytophaga, Thiobacillus, Alcaligenes.

Nitrosomonas sp.Fonte: www.koioriental.com/images

Complexidade microbiana de lodo ativado contendo OAP

Coloração com azul de Metileno,OAP células roxas

Coloração de Gram, filamentos de“Nostocoida limicola”G + e G-

(Crocetti et al., 2000 AEM 66: 1175)

Tratamento anaeróbio metanogênico

• Objetivo: degradação biológica da matéria orgânica em ausência de luz e aceptores de é (SO4

–2, NO3-, etc);

• Processo global do C: - Mat. Orgânica CO2 + CH4 + biomassa (lodos

anaeróbios)- Energética da digestão:Glicose + 6 O2 6 CO2 + 6 H2O G0’-2870 KJ/mol

Glicose 3 CO2 + 3 CH4 G0’-390 KJ/mol

Conseqüências: baixo rendimento de biomassa e cooperação eficiente entre os microrganismos que participam do processo

Digestão Anaeróbia da Matéria OrgânicaPolímeros Complexos

(proteínas, lipídeos, polissacarídeos)

Monômeros(açúcares, aminoácidos)

Propionato, Butirato(ácidos graxos, alcoois, lactato)

H2 + CO2

FormiatoACETATO

CH4 + CO2

2-Fermentação

3-Acetogênesee desidrogenação

(BRS, Syntrophomonas)

4-Metanogêneseacetoclástica

Metanogênesehidrogenotrófica

Celulose, hemicelulose elignina

1-Hidrólise(Clostrídios, Eubacterium, Acetivibrio cellulolyticus)

Acetogênese

Fonte: Zehnder, 1988

CO2

biomassa

CO2H2O

matéria orgânica+

biomassa

Metanogênicas - Methanosaeta

Bactérias hidrolíticas, fermentativas,acidogênicas

RESPIRAÇÃO ANAERÓBIA

+

+

CH4

+

SO4

Metanogênicas - Methanosarcina

Paul

o Li

bâni

o

REATORES UASB: Esquema de funcionamento

Exemplos de reações que ocorrem nos biodigestores anaeróbios (Zinder apud Glazer & Nikaido, 1995)

Reações G 0’

(Kcal/reação)

G’

(Kcal/reação)

Metanogênese do hidrogênio e dióxido de carbono

4H2 +HCO3- + H+ CH4 + 3H2O

-32,4 -7,6

Acetogênese do hidrogênio e dióxido de carbono

4H2 +2HCO3- + H+ CH3COO- + 4H2O

-25,0 -1,7

Oxidação do butirato a acetato

CH3CH2CH2COO- + 2H2O 2CH3COO- + H+ + 2H2

+11,5 -4,2

Oxidação do propionato a acetato

CH3CH2COO- + 3H2O CH3COO- + HCO3-

+ H+ + 3H2

+18,2 -1,3

Um microrganismo sozinho não pode realizar a reação completa

• Há separação de funções metabólicas nestes microrganismos;

• Muitos são especialistas;• Bactérias Generalistas- hidrolíticas e fermentadoras: variam segundo o

substrato (ex: Clostridium, Acetivibrio) Bactérias especialistas- Fermentadoras redutoras obrigatórias de

prótons: propionato, butirato, etanol, lactato (Syntrophomonas wolinii, S. wolfei)

- Metanogênicas: acetato, H2, e formiato

Características das arquéias metanogênicas

• Domínio Archaea (Woese et al., 1990);

• Características únicas de metabolismo (diferentes substratos), Co-enzimas (transportadoras de é): CoM e F420 (fluorescente), lípidios da membrana celular com ligação éter e não éster.

• Trabalham em sintrofia com as bactérias acetogênicas, reduzindo a [H2].

• Fase crítica da Digestão Anaeróbia, pois trabalham em pH ótimo de 6,8 a 7,4 , portanto acúmulo de ácidos orgânicos pode inibir esta etapa

• Baixíssimos requisitos de área: 0,05 a 0,10 m2/hab.

• Custos de implantação: 30,00 a 40,00 R$/hab.

• Custos operacionais: 1,50 a 2,00 R$/hab x ano

• Apesar das grandes vantagens, encontram dificuldades em produzir efluentes que se enquadrem aos padrões ambientais– Necessidade de pós-tratamento (N, P, e

patógenos)

REATORES ANAERÓBIOS: Alguns aspectos relevantes

Processo ANAMMOX• Oxidação Anaeróbia da Amônia

(Anaerobic Ammonium Oxidation);

• Descoberta em 1990 por Mulder et al., Holanda

NH4+ + NO2

- N2 + 2 H2O (G= - 358

KJ/mol NH4+)

Crescimento lento (9d), autotróficas, comumente encontradas na natureza (< proporção);

• DQO =3.000mg/L• N-amoniacal=800-1200 mg/L;

Fixação N

NitrificaçãoDenitrificação

Processo Anammox para águas residuárias ricas em amônia

Em Roterdam,Tratando efluente de um biodigestor de lodo

Referências Bibliográficas• Palmisano, A.C., Barlaz, M.A. Microbiology of Solid Waste. CRC,

224p.,1996; • Bitton, G. Wastewater Microbiology. Wiley-Liss, 478p., 1994;• Zehnder, A.J.B. Biology of anaerobic microorganisms. John Wiley

and Sons, EUA. 872p., 1988;• Vazoller et al. Microbiologia de Lodos Ativados. São Paulo, CETESB,

1989.• Jenkins, D. et al. (1988) Manual de las Causas y El control del

Bulking y de la Formacion de espumas em el Fango activado. WRC & US EPA.

• Sekiguchi et al. (1999) Applied and Environmental Microbiology 65:1280-1288

• Von Sperling, M. Introdução à qualidade das águas e ao tratamento de esgotos. 3a ed. UFMG, Belo Horizonte, 452p.,2005