Tratamentos de efluentes urbanos e industriais - Parte 2

Curso de Pós Graduação em Biotecnologia Módulo: Biorremediação e Bioconversão

Profa. Dra. Marcia Freire dos Reis Aula n°7

2009

FILTROS BIOLÓGICOS Constituídos basicamente de um leito de material no qual o MO se aderem e,

através do qual o efluente a ser tratado é percolado.

Filtros concreto com dreno inferior para a coleta do efluente tratado e do sólidos biológicos que se desprendem do material do leito.

ESQUEMA DE TRATAMENTO DO FILTRO BIOLÓGICO

Afluente

Decantador

primário

Lodo primário

Filtro

Decantador

Secundário

Lodo Secundário

Efluente

Eficiência: DBO de 70-80%

problemas de colmatação

Classificação dos filtros biológicosItem Filtro de baixa

taxa (ou convencional)

Filtro de taxa intermediária

Filtro de alta taxa Filtro de taxa

Superalta

Taxa de aplicação hidráulica (m3/m2.dia)

1-4 4-10 10-40 4-200

Taxa de aplicação orgânica (kg DBO/m3.dia)

0,08 – 0,32 0,24 – 0,48 0,38 – 1,00 0,80- 6,00

Profundidade (m) 1,5 – 3,0 1,25 – 2,50 1,0 – 12,0 4,0 – 12,0

Taxa de recirculação 0 0 - 1 1 - 3 1 - 4

Material de enchimento Pedra, escória Pedra, escória Pedra, escória, material de enchimento

Materiais sintéticos, madeira vermelha

Potência requerida (kw/1.000 m3) 2 -4 2 - 8 6- 10 10 – 20

Moscas dos filtro muitas Menos que no convencional

Poucas, as larvas são carreadas

Poucas ou nenhuma

Arraste do limo intermitente intermitente contínua Contínua

Efluente Normalmente bem nitrificado

Parcialmente nitrificado

Nitrificado em baixas cargas

Nitrificado em baixas cargas

Efeitos da recirculação

Vantagens:

Eficiência de remoção de DBO

Permite a aplicação de cargas orgânicas maiores

Evita que o filtro fique seco

Eventuais problemas de odor

Evita a proliferação de moscas

Retorno dos MO ativos gerando uma inoculação do filtro em toda a sua profundidade com grande variedade de MO

Matéria orgânica + MO > Tempo de contato

Diluição da matéria orgânica do afluente

….

Materiais de enchimento - Características Volume de vazios

área superficial

Estruturalmente forte

Suficientemente leve

Biológica e quimicamente inerte

Custo

Materiais de enchimento naturais pedra britada, pedregulho,

sabugo de milho, coque de carvão, etc. volume de vazios x

peso x custo

Materiais sintéticos plástico área superficial x volume de

vazios x peso x custo arranjos ao acaso (alta taxa) e arranjos

ordenados (taxa super altas).

TRATAMENTO BIOLÓGICO ANAERÓBIO

Na natureza existem vários ambientes favoráveis ao

desenvolvimento da digestão anaeróbia: pântanos,

estuários, mares e lagos, usinas de carvão, jazidas

petrolíferas... gás combustível a partir de resíduos

orgânicos.

séc. XIX: tratamento de esgoto doméstico Gás

produzido usado na iluminação.

Digestão anaeróbia ocorre em 3 etapas:

Matéria orgânica

Carboidratos, lipídeos, proteínas

Hidrólise e fermentação (1)

Ácidos graxos

etanol

Desidrogenação acetogênica (2)

Hidrogenação acetogênica (2)Acetato

Descarborboxilação de acetato (3)

CH4 + CO2

H2 + CO2

Formação redutiva de metano

CH4 + H2O

Bactérias fermentativas

Bactérias acetogênicas

Bactérias metagênicas

Ação sinérgica dos MO+ lentos > tempo

de retenção

Fase limitante

Condições ótimas de crescimento!

Novas concepções de digestores Operados em pequeno TRH

X

População MO

• Composição média da vinhaça de caldo de cana de açúcar usada no biodigestor piloto e do seu efluente.

Vinhaça Efluente

pH 3,73 (1) 7,30

Sólidos totais (g/L) 25,2 10,9

Sólidos voláteis (g/L) 19,3 5,2

Sólidos voláteis (% ST) 76,6 47,6

DQO (mg/L) 31.350 6.144 (2)

DBO (mg/L) 17.070 918 (3)

Nitrogênio (mg/L) 412 343

Fósforo (mg/L) 109 108

Sulfato (mg/L) 897 -

Potássio (mg/L) 1.473 1.221

(1) pH do afluente após a adição da cal e DAP passou para 4,75; (2) DQO sobrenadante após decantação = 2.228 mg/L e (3) DBO do sobrenadante após decantação = 830 mg/L.

Redução de DQO , total (%) 80,5

Redução de DQO, Sobrenadante (%) 91,4

Redução de DBO, total (%) 94,6

Redução de DBO, Sobrenadante (%) 95,1

Produção de gás

L gás / L vinhaça (variando de 7 a 23) 13,1

L gás / kg de DQO adicionada 0,40

L gás / L digestor (Valor máximo) 7,09

Teor de metano (%) 60-65

Tempo de retenção hidráulica , mínimo (dia) 1,5

Taxa de aplicação máxima (kg DQO/m3.dia) 18,7

Operação de um biodigestor de 11 m3, tipo fluxo ascendente , usando vinhaça de caldo de cana de açúcar como substrato e como inóculo de um biodigestor alimentado com esterco bovinos

LAGOAS Lagoas de estabilização

Lagoas aeradas

Lagoas de estabilização

Grandes tanques de pequena profundidade, definidos por diques de terra águas residuárias tratadas por processos naturais bactérias + algas.

Velocidade de oxidação + tempos de retenção (dezenas de dias) + áreas de terreno + custo de construção e O&M + Eficaz na remoção MO patogênico.

Luz

Algas fotossintetizantes

O2

Respiração

Bactérias

Água residuária

CO2

Sais minerais

Ciclo biológico entre algas e bactérias

Classificação das lagoas de estabilização

Lagoas anaeróbias cargas orgânicas (100 – 400 m3/dia), isenta de O.D. Usadas para pré-tratamento de águas resíduárias seguidas de lagoas facultativas. Processo = ao digestor anaeróbio.

Lagoas Facultativas

Camadas superiores condições aeróbias x camada inferior (fundo) condição anaeróbia. Profundidade de 0,1 – 2,0 m. Carga organica de 9-21 g DBO/ m3 dia.

Lagoas de maturação

Usadas após as lagoas facultativas. Função principal destruição de MO patogênicos. Predominância total de condição aeróbia.

Lagoas fotossintéticas aceleradas

Lagoas de estabilização pouco profundas pré-tratamento de águas residuárias pré- decantadas, visando uma máxima produção de algas. É necessária a remoção de algas do efluente (floculação/flotação ) e microfiltração. Profundidade 0,3 – 5,00 m, carga orgânica de 7-14 g DBO/ m3 dia.

Lagoas aeradas

Foram desenvolvidas a partir de lagoas de estabilização.

População MO semelhante a dos lodos ativados lagoas

aeradas correspondem à unidades de lodos ativados

operando sem retorno de lodo.

Lagoas aeradas → sepração de sólidos remoção de

DBO X < área quando comparada a lagoas de

estabilização fotossintética (1-10% da área).

Lagoa aerada de mistura completa

Turbulência, regime mistura completa, biomassa + O.D. distribuídos homogêneos.

Lagoa aerada facultativa

Turbulência, sufienciente para manter a aeração biomassa decanta no fundo da lagoa (decomposição anaeróbia).

Separação de sólidos

É indispensável a separação de sólidos do efluente,

para que se tenha eficiência de tratamento.

Unidade de separação de sólidos lagoas de

decantação ligadas em série com a lagoa aerada.

Recomendações:

1- Tempo de retenção mínimo de 1 dia

2- Evitar crescimento de algas, o tempo de retenção

máximo é de 1-2 dias.

3- Altura máxima da água sobre ao depósitos de lodo de

1 m Controle de odores

FUNGOS LIGNINOLÍTICOS E

SUAS APLICAÇÕES EM

BIOTECNOLOGIA

FUNGOS BASIDIOMICETOS : Degradação branca da madeira

Mineralização da lignina sistema enzimático extracelular

Enzimas ligninolíticas: lignina peroxidase (LIP), manganês peroxidase (MnP) e lacase

Degrada lignina e uma ampla variedade de poluentes ambientais

Figura 1-Estrutura possível para a lignina proposta por E. Adler (Fengel e Wegener, 1984).

• Devido à natureza e presença de diferentes tipos de ligações existentes entre os monômeros da lignina, como por exemplo - 1, - , - O - 4 e 4 – O -5, as enzimas responsáveis pelo ataque inicial precisam ser não-específicas.

• A ligação éter, característica estrutural comum aos compostos biológicos (lignina) e xenobióticos, está relacionada ao alto grau de resistência para mineralização biológica desses compostos.

ENZIMAS LIGNINOLÍTICASENZIMAS LIGNINOLÍTICAS

• Não precisam ser induzidas

• Degradam compostos em concentrações

• Degradam compostos insolúveis

• Resistentes a ampla variedade de condições

ambientais = pH, temperatura...

Composto, resíduo ou efluente utilizado

Matéria Orgânica Resultados Autor

Herbicidas pyrithiobac-sodium em solo

Pleurotus sp 06894,61% de degradação após 30 dias de

crescimentoGONDIM-TOMAZ,

(2003)

Efluente têxtil Pleurotus sajor-caju Descoloração após 14 diasKAMIDA e DURRANT

(2005)

Estação de tratamento de efluentes por lodo ativado de

uma indústria de papel e celulose localizada no estado do

Paraná-Brasil

Adição de microrganismos adquiridos no

comércio

↑ Remoção da DQO (30% em média) e DBO

(15% em média), com ↑ vazão e da carga orgânica de entrada. Essa melhora no sistema de tratamento corresponde em

média, 1,43 toneladas de DQO e 730 kg de DBO, por dia, de carga orgânica a menos no

corpo receptor.

LAZZARETTI, CAMPO e NOGUEIRA

(2000)

Compostos fenólicosFungos

filamentosos (cepas fúngicas)

50% das cepas apresentavam atividades fenólicas e 80% cresceram na refinaria de

petróleo

CONCEIÇÃO, ANGELIS, BIDOIE e

ANGELIS (2005)

Organopoluentes, PCB, HAP, DNT

Phanerochaete chrysosporiun;

Pleurotos ostreatus

Degradação dos compostos através das enzimas ligninolíticas

QUÍNN (-------)

Resíduos de clorados na Baixada Santista (Clorogil-

Rhodia)

Phanerochaete chrysosporiun

Espécies isoladas na região degradam o pentaclorofenol (PCP) de 60% a 85% em 60

dias de incubaçãoFURTADO (2005)

Herbicida atrazinaPenicillium, como o

P. crustacium80% de degradação de pesticidas em 7 dias

de exposiçãoFURTADO (2005)

Dioxinas e furanos policlorados (PCDD/Fs) e metais pesados

Pleurotus sp 068

Degradaçaõ 14 compostos de PCDD/Fs após 64 dias de cultivo em meio contendo

70 g/L de cinzas. Além de remover 100% de cádmio, 74% de cromo total e 15,2% de

chumbo durante o mesmo período

GORNY- DOS REIS, (2005)

Os fungos de degradação branca possuem um

poderoso sistema enzimático extracelular e não

específico composto por enzimas como:LiP, MnP e

lacase, enzimas produtoras de peróxido de hidrogênio

(H2O2) e de enzimas ligadas à membrana como as

enzimas da família do citocromo P-450 que catalisam

a degradação de um número surpreendente de

compostos.

Lignina-peroxidase (LiP; EC 1.11.1.7) A LiP é uma glicoproteína, contendo 20-30% de açúcar, ferro

como grupo prostético e requer peróxido de hidrogênio para sua atividade catalítica (HATAKA,1994).

Apresenta massa molar de, aproximadamente, 38-43 kDa, apresentando ponto isoelétrico entre 3,2 - 4,0 e pH ótimo de atividade próximo a 3,0.

Diversas isoenzimas já foram isoladas do fungo de decomposição branca Phanerochaete chrysosporium, sendo que sua produção é regulada geneticamente em condições limitantes de nitrogênio e carbono.

A LiP é produzida durante o metabolismo secundário, em resposta à falta desses nutrientes.

Na presença desses nutrientes ocorre completa repressão de sua síntese.

• A LiP catalisa a oxidação de uma grande variedade de compostos modelos de lignina e poluentes aromáticos, na presença de H2O2.

• Essas reações incluem oxidação do álcool benzílico, quebra das cadeias laterais, reações de abertura de anéis aromáticos, desmetilações e desclorações oxidativas.

• Todas essas reações são compatíveis com o mecanismo envolvido na degradação não específico desta enzima (RENGANATHAN e GOLD, 1986).

Manganês peroxidase (MnP; EC 1.11.1.7)

Mais comumente encontrada, produzida por fungos de degradação branca.

É uma glicoproteína com ferro como grupo prostético, depende de H2O2 para sua atividade, seu ponto isoelétrico é de aproximadamente 4,2-4,9 e massa molar entre 45-47 KDa, sendo o ciclo catalítico semelhante ao da LiP.

A MnP é produzida simultaneamente com a LiP, durante o metabolismo secundário e é regulada pelas concentrações de nitrogênio e carbono no meio de cultura.

As MnPs participam de reações de despolimerização de ligninas e cloroligninas, desmetilação de lignina e deslignificação.

A oxidação de lignina e outros compostos fenólicos por MnP é dependente de íons manganês II

A redução primária do substrato no ciclo catalítico de MnP é Mn(II), que reduz eficientemente os compostos I e II, gerando Mn(III), que oxida o substrato orgânico.

A MnP é conhecida por oxidar vários fenóis, componentes de lignina

fenólica e clorofenóis.

Recentemente, também foi demonstrada a oxidação de componentes de

lignina não-fenólica e hidrocarbonetos aromáticos policíclicos na presença

de co-oxidantes (lipídeos insaturados) ou organossolventes (acetona) por

esta enzima.

Considerada como um biocatalisador potencial na biotecnologia

ambiental, é produzida por diferentes fungos de decomposição branca e tem

sido utilizada, na remediação de solos contaminados, descoloração de

efluentes, despolpação e processos de branqueamento (LACKNER;

SREBOTNIK e MESSNER, 1991)

Lacases (Benzenediol: oxigênio oxidoredutase, EC 1.10.3.2)

A lacase é uma polifenoloxidase, descoberta em exudados de Rhus

vernicifera, árvore japonesa (YOSHIDA, 1883); subseqüentemente descobriu-

se também que ela estava presente em fungos (BERTRAND, 1896;

LABORDE, 1896).

É uma glicoproteína, que contém cobre em seu sítio ativo, não requer

H2O2, e catalisa a redução de O2 para H2O.

As formas constitutiva e induzida são conhecidas, sendo que a forma

induzida geralmente apresenta maior atividade (LEONOWICZ ; SZKLARZ e

WOJTAS-WASILEWA, 1985)

Em geral, a lacase apresenta 4 átomos de cobre distribuídos em diferentes sítios de ligação e são classificados em três tipos: cobre tipo 1, 2 e 3, que são diferenciados por propriedades específicas, tendo um importante papel no mecanismo catalítico da enzima. O Cu 1 e 2 estão envolvidos na captura e transferência do elétron. O cobre tipo 2 e 3 estão envolvidos na ligação com o oxigênio. Compostos fenólicos são amplamente distribuídos na natureza, e sua oxidação é importante em processos como, oxidação celular, proteção da parede celular, corpo de frutificação, processamento de sucos e vinhos, delignificação de polpa, descontaminação de solos e água poluídos. A lacase catalisa a oxidação via transferência de um elétron de fenóis para radicais fenoxila. Algumas lacases apresentam pH ótimo em faixas ácidas (2,5-3,5), enquanto outras apresentam atividade ótima em pH neutro (6-7). A função fisiológica desta enzima não é clara e seu papel na biodegradação da lignina é incerto (GOLD e ALIC, 1993). Assim, propôs-se que a lacase tem um papel na redução da toxicidade dos compostos fenólicos por reações de polimerização.

As lacases são muito difundidas na natureza, sendo produzidas por

fungos ou plantas, podendo oxidar, desmetilar, polimerizar ou

despolimerizar compostos fenólicos.

Em plantas, têm sido associadas com lignificação.

Em fungos, por outro lado, estão associadas à degradação de lignina.

Seu potencial ligninolítico tem sido utilizado em processos de

branqueamento e polpação, aperfeiçoando a digestão de substratos

lignocelulósicos e removendo os componentes fenólicos de efluentes,

sucos de frutas (uva) e vinhos (ARORA e GILL, 2001).

Atualmente, essa enzima também tem sido utilizada como biosensor

para determinação da presença de contaminantes em amostras

ambientais (DÚRAN e ESPOSITO, 2000).

Interesse crescente no uso de fungos como agentes biorremediadores

São organismos onipresentes em ambientes naturais.Únicos entre os MO eucarióticos e procarióticos que possuem um poderoso sistema extracelular inespecífico com habilidade de oxidar vários poluentes ambientais, incluindo compostos de baixa solubilidade.Podem ser cultivados usando-se substratos baratos, tais como resíduos agrícolas, que podem ser facilmente acrescidos como nutrientes no local contaminado.Sendo fungos filamentosos, podem alcançar os poluentes no solo em caminhos que as bactérias não conseguiriam. Certamente eles crescem pela extensão das hifas e se estendem no solo com o crescimento.As enzimas ligninolíticas são principalmente de natureza constitutiva, não necessitando de prévia adaptação dos microrganismos aos poluentes, sendo possível ainda, a degradação dos poluentes em baixíssimas concentrações. Como demonstrado em P. chrysosporium, as enzimas são usualmente expressas sob condições deficientes de nutrientes que são encontradas predominantemente na maioria dos solos contaminados.