Processos aeróbios remocao MO

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Tratameto Aeróbio de Efluentes
Com o passar dos anos, vários tipos de tratamentos de efluentes foram desenvolvidos e aperfeiçoados com a finalidade de amenizar a poluição causada pela disposição de águas residuais em corpos d’água receptores. Com o avanço da tecnologia, os efluentes proveniente da industrias vem sofrendo constante alterações em sua composição, através do grande número de compostos químicos utilizados ou gerados nas linhas de processamento industriais.
O processo biológico para tratamento de efluentes, também conhecido como tratamento secundário, depende da ação de microrganismos e reproduz, em uma unidade previamente projetada, os fenômenos biológicos que ocorrem na natureza.
Uma vez disponível o oxigênio, elemento vital para a biodiversidade dos ecossistemas aquáticos, o processo de biodegradação dos poluentes orgânicos segue a via denominada aeróbia. Nessas condições, do ponto de vista estrito da nutrição e do metabolismo, a respiração aeróbia é a rota característica do processo. No entanto, não se pode perder de vista que os processos aeróbios de tratamento de efluentes são conduzidos por comunidades microbianas heterogêneas, que estabelecem complexas interações ecológicas do ponto de vista nutritivo e metabólico.
Os microrganismos utilizam a matéria orgânica presente no efluente como fonte de carbono e a transforma em substâncias químicas simples, como : sais minerais, gás carbônico e outros. Obviamente, nem toda matéria orgânica será transformada, sendo que as substâncias mais resistentes são denominadas persistentes, recalcitrantes ou refratárias.
Até o momento, os métodos de tratamento biológico constituem o processo mais econômico de tratamento secundário de efluente aquoso, sendo um exemplo clássico de aplicação bem sucedida de um processo em grande escala na área de biotecnologia, resultante da aplicação de conhecimentos coordenados da engenharia e da microbiologia (Santiago, 1985).
Comunidades e Aglomerados Microbianos Típicos de Processo Aeróbios.
Do processo de tratamento não só participam bactérias aeróbias, como também organismos de diferentes níveis tróficos como protozoários, metazoários e até invertebrados. Certamente o papel desempenhado pelas bactérias é preponderante, no entanto, esses outros organismos também tem papel relevante no processo de despoluição e no funcionamento dos sistemas de tratamento de efluentes.
Na natureza e nos sistemas de tratamento, as condições vigentes do meio( pH, nutrientes, presença de contaminantes, temperatura e etc.) são diferentes daqueles utilizados para promover o cultivo de linhagens bacterianas puras em laboratório.
Nessas condições adversas, muitas espécies microbianas produzem cápsulas, que se constituem camadas de exopolímeros excretadas pelas células, que facilitam a adesão a superfícies, suportes, ou a outras células, além de constituírem uma barreira protetora para as bactérias em ambiente hostis. 
Contrário ao crescimento disperso, com células bacterianas individualizadas que se verifica em cultivos e meios ricos e balanceados, nos sistemas naturais e de tratamento de efluentes, verifica-se a formação de aglomerados microbianos, em cuja formação, os exopolímeros têm papel fundamental. A excreção de substâncias exopoliméricas extracelulares (em inglês, EPS) assegura a formação de estruturas de dimensões de até algumas centenas de micra, como os flocos microbianos e os biofilmes.
Além de polissacarídeos, nessa matriz porosa e hidratável existe ainda traços de proteínas e ácidos nucleicos. As proteínas consistem em enzimas excretadas no meio para assimilação de substratos mais complexos, enquanto os ác. Nucleicos são provenientes da acelerada dinâmica populacional, que ao morrerem sofrem lise e liberam seus componentes na matriz.
Os flocos microbianos são aglomerados que apresentam dinâmica populacional que depende das condições ambientais e nutricionais vigente na fase aquosa. Apresentam dimensões da ordem de 100 a 400 mm e densidade levemente superior à da água. A propriedade de sedimentar com facilidade é denominada sedimentabilidade. Essa propriedade é afetada por muitas variáveis de processo, que por sua vez, influem nas características de tamanho, foram e agregação dos flocos. A influência das condições operacionais na morfologia dos agregados é ainda difícil de prever, sabendo-se, contudo, que a idade das lamas e a carga orgânica específica alimentada são parâmetros importantes nesse contexto.
A comunidade bacteriana em um processo aeróbio de tratamento pode ser subdivido em duas categorias
Formadoras de flocos
Formadoras de filamentos ou filamentosas.
Flocos que apresentam sedimentabilidade adequada apresentam populações equilibradas desses dois grupos.
 A escassa presença de filamentos pode gerar flocos sem resistência estrutural (pintpoint flocs) , que se quebram com facilidade, gerando fragmentos pequenos que sedimentam lentamente, afetando o processo de clarificação do efluente.
Quando os microrganismos filamentosos crescem em excesso, a sedimentabilidade do lodo diminui por causa de dois fatores: (a) o floco fica menos denso, ou seja, a estrutura do floco torna-se mais difusa e (b) a aproximação de dois flocos é dificultada devido aos filamentos longos que formam uma espécie de ponte entre flocos que funcionam como barreiras contra a aproximação destes (Haandel & Marais, 1999). Tal fenômeno é denominado intumescimento do lodo (bulking), podendo levar ocorrer a formação de uma grande camada flocos agregados, que tendem a flutuar na fase líquida ao invés de sedimentar.
Fig. 1. a)Floco ideal ; b) Floco com pouco filamento; c) Com excesso de filamento
Abaixo esquema de um floco, com presença de bactérias filamentosas e formadora de flocos, EPS e predadores naturais.
Fig. 2. Estrutura de um Floco
Dentre as bactérias comumente encontradas em flocos e biofilmes, destacam-se os gêneros: Pseudomonas, Achromobacter, Flavobacterium, Alcaligenes, Citromonas, Bacillus, Escheria, Brevibacterium, Acinebacter, Micrococcus, Aerobacter, Sphaerotillus, Zooglea,Beggiatoa, Nocardia, Nitrosomonas, Nitrobacter.
Nessas comunidades há predominância de bactérias aeróbias heterotróficas (utilizam carbono orgânico), que convivem com populações menos numerosas de bactérias autotróficas (utilizam forma de carbono inorgânico). Este último contém as bactérias envolvidas no processo de nitrificação.
Protozoários e metazoários formam comunidades microbianas típicas nos processos de tratamento de efluentes. Nutrem-se de outros organismos (portanto são predadores) e de material orgânico particulado. Possuem o papel de indicadores da diversidade das comunidades bacterianas, bem como, do próprio funcionamento do processo de tratamento.
Os protozoários, representado por amebas, flagelados e ciliados, devido a sua ação predadora, têm a capacidade de melhorar a clarificação do sobrenadante após a separação do lodo.
Os metazoários, representado pelos rotíferos, apresentam dimensões próximas as dos flocos (100 a 500 mm) e podem desempenhar importante papel na remoção de bactérias livres em suspensão (não floculadas). Os grãos fecais, revestidos de muco, produzidos por esses organismos também podem contribuir para a formação de flocos microbianos. ( Bitton, 1994).
Foram realizados experimentos sobre tratamento de efluentes industrias e observou-se que a presença de substâncias tóxicas promovia o desaparecimento dos organismos dos níveis tróficos superiores. Isto é, primeiro desaparece os invertebrados e rotíferos, e a seguir, a população de protozoários é reduzida. Estudo de sucessão desses grupos microbianos tem sido difundidos, em especial, para os sistemas de tratamento doméstico. Deve-se frisar, no entanto, que a generalização desses resultados para o tratamento de efluentes industriais é perigosa, visto a complexidade química que podem se encontrada nos mesmos.
Dinâmica dos Biofilmes
Os biofilmes são comunidades biológicas com um elevado grau de organização, onde as bactérias formam comunidades estruturadas,coordenadas e funcionais. Estas comunidades biológicas encontram-se embebidas em matrizes poliméricas produzidas por elas próprias.
 Os biofilmes podem desenvolver-se em qualquer superfície úmida, seja ela biótica ou abiótica. A associação dos organismos em biofilmes constitui uma forma de proteção ao seu desenvolvimento, favorecendo relações simbióticas e permitindo a sobrevivência em ambientes hostis. As bactérias são ubiquitárias, logo, virtualmente, os biofilmes podem formar-se em qualquer superfície e em qualquer ambiente.
A etapa prévia à formação de biofilmes consiste na do transporte de substâncias orgânicas para a superfície do suporte e posterior adsorção. Em seguida, os microrganismos são transportados para essa superfície pré-condicionada, podendo ou não aderir irreversivelmente a ela. As células que aderem irreversivelmente a elas passam a excretar quantidades apreciáveis de material exopolimérico, esta etapa acontece com velocidade de crescimento exponencial. A etapa seguinte, em crescimento linear, consiste no crescimento com a presença de filamentos. Segue-se um momento de estabilização com a aderência de outros microrganismos que garantem a sobrevivência da comunidade desenvolvida.
Fig. 3. Dinâmica de formação de Biofilme
Num processo de tratamento operando em forma contínua, os biofilmes presentes no reator podem estar em diferentes estágios de desenvolvimento. O descolamento do biofilme assegura a renovação superficial e gera material sólido particulado, na forma de flocos, para a fase líquida, que deve ser separado por sedimentação.
Problemas relacionados aos flocos
Idealmente os flocos devem ter contornos bem definidos, presença suficiente de filamentos e dimensões relativamente uniformes. Diversas mudanças nas condições de processo podem alterar essas estruturas e as mais comuns alterações de processo são : variações no aporte de nutrientes, excesso ou insuficiência de oxigênio dissolvido no meio variação na salinidade da fase aquosa, mudanças de pH e temperatura, presença de substâncias tóxicas no afluente do processo, entre outras.
Tais alterações afetam a diversidade e a população microbiana presente nos floco, bem como as suas características físicas e químicas. A desfloculação parcial é um fenômeno relativamente comum, com nefastas consequências para a etapa de separação dos flocos da fase aquosa. Dentre as outras ocorrências de formação inadequada que podem ser mencionadas são: crescimento disperso das bactérias com formação de aglomerados pequenos; formação de massa viscosa gelatinosa, com excesso de material exopolimérico; formação de flocos pequenos e frágeis (pin floc ou pinpoint floc); intumescimento dos flocos pela excessiva presença de filamentos e espuma.
4.1 Quanto à presença de filamentos.
Como visto antes a presença em excesso de bactérias filamentosas produz o intumescimento dos flocos. Quando em ausência, produz flocos frágeis sujeitos a desfloculação.
Com a identificação dos organismos filamentosos, Haandel & Marais (1999) obtiveram dados experimentais que determinavam as condições que estimulam o crescimento excessivo dos mesmos. Desse modo, foi possível correlacionar o surgimento de certos tipos de bactérias filamentosas às condições operacionais no sistema de tratamento ouàs características do esgoto bruto. A tabela a seguir mostra as condições que favorecem o surgimento de lodo filamentoso e o tipo de bactéria que se desenvolverá.
Tabela 1. Tipos de lodo filamentoso como indicadores das condições causando intumescimento. Fonte : Handell & Marais.
	Condiçao operacional
	Tipo indicativo de bactéria filamentosa
	OD baixo
	Tipo 1701; S. natans; H. hydrossis
	Esgoto séptico
	Thiotrix sp; Beggiatoa e tipo 021N
	Deficiência de N e P 
	Thiotrix sp.; S. natans; tipo 021N, (H. hydrossis; tipos 004 0675)
	Ph baixo
	Fungos
	Anóxico/
Aeróbio
	M. parvicella; H. hydrossis; Nocardia sp.; Tipo 021N; 0042; 0675; 0092; 0581; 0961 e 0803
Junto a tabela se torna possível a determinação da causa do surgimento de lodo filamentoso pela identificação do tipo de bactéria presente. Eliminando-se a causa, supostamente, resolve-se o problema de lodo filamentoso.
4.2 Formação de Espuma
A formação de espuma, ou escuma, no sistema de lodo ativado se deve a organismos que retêm gás nos flocos de maneira que estes tendem a flotar. Os gêneros mais importantes são Parvicella e Norcadia. A espuma s apresenta como uma camada superficial grossa e viscosa quando o ambiente é tranquilo como nos reatores anóxicos ou no decantador final, ou então, como uma espuma nos reatores aerados. A presença de espuma pode causar problemas operacionais severos, com redução da eficiência de transferência de oxigênio pelos aeradores de superfície, além da espuma se espalhar nas unidades de tratamento e áreas adjacentes, tornando-as escorregadias. Em situações críticas a espuma formada pode ser tão volumosa que contém uma fração considerável de lodo ativado, prejudicando a eficiência do tratamento.
 Em regiões clima tropical, a espuma sobre a superfície do decantador entrará em decomposição anaeróbia, espalhando um odor ofensivo (Haandel & Marais, 1999).
As causas de formação da espuma em um sistema de lodo ativado não foram identificadas precisamente. A espuma tem sido observada em sistemas que tratam esgoto doméstico, água residuária industrial e uma mistura deles, sem sistemas de mistura completa e com fluxo tubular e com idades de lodo variando entre 1,8 a 30 dias. Todavia, estabeleceu-se que o surgimento de espuma está associado à presença de lodo filamentoso em sistemas de lodo ativado, sendo que a espuma tende a a aparecer antes da manifestação do lodo filamentoso e só desaparece quando grande parte do lodo filamentoso já está removida.
O controle da espuma em lodo ativado se baseia essencialmente em três aspectos:
Controle eficiente de lodo filamentoso, em muitos casos, evitará o surgimento de espuma.
Medidas operacionais específicas para reduzir os organismos formadores de espuma.
Muitos organismos são capazes de produzir bio-surfactantes para ter acesso a fontes de carbono pouco miscíveis em água como hidrocarbonetos e óleos vegetais, contribuindo para a formação de espuma. A presença de diferentes substâncias tensoativas no afluente do processo pode contribuir para a formação de espuma.
Um método utilizado para remover a espuma é a aplicação de jatos de água para “quebrar” a espuma e eliminar bolhas de ar. Neste caso é necessário que a caixa de gordura do decantado na qual será depositada tenha capacidade suficiente para receber e transportar o material.
Etapas da Biodegradação
A DQO do despejo, que corresponde à fração de matéria orgânica do despejo quimicamente oxidável, decresce com o tempo, à medida que o substrato sofre oxidação por via biológica, isto é, vai sendo metabolizado pelos microrganismos aeróbios/facultativos presentes no lodo ativado. A DQO remanescente, após um longo período de aeração, corresponde à concentração de substrato não-biodegradável do efluente.
Concomitante com o decréscimo da DQO, a concentração de sólidos aumenta no intervalo de tempo correspondente ao início da aeração, pois, nesse intervalo, é elevada a concentração e a disponibilidade de substrato metabolizável pelos microrganismos, que o incorpora para a formação de novas células e para atender as suas demandas energéticas. Essa fase é denominada fase de síntese, na qual a taxa de produção de novas células excede a taxa de sua destruição.
Assim, os microrganismos consomem os poluentes do efluente como fonte de carbono, para suas demandas energéticas e para produzir outras células. Este processo apresenta excelentes remoções de DQO, mas há um preço: uma grande produção de lodo que também deve possuir uma destinação ou uso na produção de gás metano, por exemplo.
Os flocos de lodo possuem uma alta capacidade de adsorção, de modo que, os poluentes, ao entrar em contato com os flocos, são adsorvidos velozmente. Essa adsorção é rápidapara material orgânico particulado e para moléculas de elevada massa molecular, no entanto, mesmo moléculas orgânicas menores são rapidamente adsorvidas. A seguir as moléculas menores são transportadas através da camada exopolimérica até chegar a sua destinação final. As moléculas maiores podem sofrer modificações catalisadas por enzimas extracelulares, até que adquiram configuração adequada.
5.1 Conversão de Carbono Orgânico
O metabolismo do carbono orgânico é considerado o processo mais importante no tratamento de águas residuais. Os passos responsáveis pela rápida remoção dos compostos orgânicos após o contato com os flocos é chamado de biossorção, que inclui desde a adsorção dos compostos até sua final assimilação.
Parte do carbono é catabolizada, parte para anabolismo e uma outra excretada.
Realizando o balanço de massa na etapa da biossorção, temos:
Corgânico(alimentado) + O2 → CO2 +H2O + minerais + biomassa + Corganico(reservas) + Corganico(inerte)
5.2 Conversão de Azoto
Em águas residuai, o nitrogênio encontra-se predominante nas formas oregânica (proteínas, peptídeos, aminoácidos, aminas) amoniacal, sendo esta última forma a forma predominante utilizada em biorreatores necessariamente específicos para a remoção de nitrogênio.
As bactérias autotróficas responsáveis pela nitrificação apresentam crescimento mais lento que as bactérias heterotróficas que se alimentam de carbono orgânico para seu metabolismo. A consequência disto é que, para sistemas de lodo ativado, é necessário aumentar a idade do lodo, ou seja, aumentar o tempo de residência no biorreator.
A amônia, quando em pH menor que 7, encontra-se na forma amoniacal, condição a qual a conversão em nitrito pelas Nitrosamonas é obtida.:
NH4+ + 1,5 O2 → NO2 - + 2 H+ + H2O
Em seguida o nitrito é convertido a nitrato atravé das bactérias do gênero Nitrobacter.
NO2 – + 0,5 O2 → NO3-
Dado que a taxa de crescimento das nitrosamonas é geralmente inferio à das Nitrobacter, o passo limitante no processo nitrificação é normalmente a conversão de amônio a nitrito.
O processo de desnitrificação resulta da do processo de respiração anóxixa em que o nitrato atua como receptor final de elétrons, no qual o nitrato(NO3-) é reduzido a nitrito(NO2 – ), óxido nítrico(NO), óxido nitroso (N2O) e finalmente nitrogênio molecular (N2).
A desnitrificação resulta geralmente da atuação de uma grande variedade de bactérias aeróbias facultativas que incluem as Pseudomonas e Thiobacillus.
A remoção avançada de nitrogênio corresponde ao implemento dos processos de nitrificação e desnitrificação. Mais recente, surgiram métodos possivelmente econômicos, tais como o SHARON e o ANAMMOX, para produzir um efluente de com baixo teor de nitrogênio.
5.2.1 Processo SHARON (Single-reactor High-activity Ammonia Removal Over Nitrite)
Este processo propõe a eliminação de nitrogênio em um único reator via nitrito.
Segundo Mulder e Kempen, 1997, esse processo foi imaginado para a realização de pré-tratamentos de efluentes excessivamente contaminadis por amônio, a fim de realizar, por exemplo, a redução de 1000 mg/L para 100 mg/l (90% de redução), sem ainda atingir a condição necessária para o despejo em rios ou córregos.
As condições do projeto são realizadas de tal maneira a realizar o wash-out da população de Nitrobacter. O nitrito é diretamente convertido a nitrogênio molecular com a adição de uma fonte carbono externa e esquematizado a seguir:
6 NO2- +3 CH3OH + 3 CO2  → 3N2 + 6HCO3-  + 3 H20
De modo a manter o processo em único reator o fornecimento de oxigênio dá-se de forma alternada: ora a aeração acontece, ora não.
Processo ANAMMOX (Anaerobic Ammonium Oxidation)
Este processo é particulamente útil para o tratamento de águas residuais pobres em carbono orgânico e com concentrações de amônio elevadas (acima de 200 mg/L). No entanto, é necessário que, na etapa precedente de nitrificação incompleta, o controle de fornecimento de O2 resulte na proporção molar ótima (1:1) entre amônio e nitrito. Esse resultado pode ser obtido com o auxílio de um processo SHARON sem a desnitrificação, ou seja, sem a etapa anaeróbia.
Essa etapa dá-se via bactérias autotróficas de crescimento lento, segundo a equação:
NH4+ + NO2 - → N2 + 2 H2O
5.3 Conversão do Fósforo
O fósforo é encontrado em encontrado em águas residuais comumente sob a forma de ortofosfato, polifosfato e ligado a compostos orgânicos. No tratamento em biorreatores aeróbios clássicos, as duas últimas formas são convertidas em ortofosfato, que se for incorporado a biomassa, irá contaminar o efluente tratado.
Em alternativa aos tratamentos físico-químicos utilizados, surgiu um método de remoção bioquímico através de bactérias poli-P ou PAO – phosphorus accumulating organisms. As poli-P foram bactérias identificadas como bactérias do gênero Acinobacter, havendo referência também à Arthrobacter e Pseudomonas.
As bactérias poli-P processam o fósforo em duas etapas: uma anaeróbica e uma aeróbica.
Na etapa anaeróbica, as poli-P utilizam suas reservas de polifosfato e liberando ortofosfato, para poder incorpora ácidos orgânicos voláteis(acetato, propionato, butirato) na forma de poli-hidroxialcano(PHA).
Durante esta etapa, a presença de nitrato destrói a vantagem seletiva que as bactérias poli-P possuem, ao possibilitar a outras bactérias a produção eficiente de energia por desnitrificação, gastando parte dos produtos de fermentação que iriam ser incorporados pelas poli-P. Portanto, quando associada à remoção de nitrogênio, o processo é operado de modo a minimizar a entrada de nitrato.
A segunda etapa para remoção consite na etapa aeróbia. Nessa etapa as bactérias utilizam a energia proveniente das fontes de carbono acumuladas (PHA) ou externas para o crescimento e para reposição das suas reservas de polifosfato. Assim o ortofosfato é removido do meio para o interior das células e, sendo, ou reciclado para etapa anaeróbia, ou removido na purga.
Biorreatores Empregados no Tratamento Aeróbio
A forma predominante de aglomeração microbiana, flocos ou flimes, se constititui no primeiro critério de classificação dos biorreatores, quer seja de biomassa em suspensão ou de biomassa fixa.
Entretanto, é preciso frisar que ambas as formas podem co-existir nos reatores, de modo que flocos podem aparecer em sistemas de biomassa fixa e vice-versa.
A tabela a seguir mostra alguns dos processo aeróbicos para remoção de matéria orgânica segundo a classificação.
Tabela 2
	Biomassa Fixa
(suporte móvel)
	Biomassa Fixa
(suporte fixo)
	Biomassa em 
suspensão
	Leito expandido
Leito fluidizado
RBC(biodiscos)
	Filtro Biológico
Leito Submerso
MABR
	Lagoa Aerada
Tanque agitado com reciclo
Poços Profundos
Air-Lift
O processo de Lodo Ativado
Os processos com lodo ativado são os processos mais antigos e mais difundidos. É genericamente subdivido em duas operações: tanque de aeração, onde uma alta concentração de flocos microbianos, mantidos em suspensão, promove a degradação dos poluentes; o outro componente é o sedimentador, localizado em sequência ao tanque de aeração. Parte do lodo é comumente retornado ao tanque, em parte, para que este opere com elevada concentração microbiana.
Alguns parâmetros, importantes para o processo de lodo ativado, serão descritos a seguir.
Carga orgânica aplicada:
Razão entre a quantidade de matéria orgânica em DBO5 (por unidade de tempo) alimentada pela a massa de sólido voláteis no tanque de aeração.
Sólidos suspensos voláteis (SSV) correspondem à fração de SST(sólidos suspensos totais), que se perde após calcinação em mufla a 600°C. Para lodos biológicos a concentração de SSV é relacionada à quantidade de biomassa presente.
A/M = Q.Sa / V.Xe
[KgDBO5 ou DQO/ KgSSV.dia]
Onde:
Q = vazão de efluente a ser tratada
Sa = DBO5 ou DQO do afluente ao processo
V = capacidade do tanque de aeração
Xe = concentração de biomassa no tanque de aeração
Carga Volumétrica
Cv = Q. Sa / V
Expressa em [KgDBO5 ou DQO/ m3.dia]
 Idade do Lodo
Tx = V.Xe / w.Xu
Xu = concentração de biomassa no fundo do sedimentador.
W = vazão de descarte do lodo
 Para processos de lodo ativado sem reciclo, Xe = Xu, e o a idade do lodo se torna igual ao tempo de residência hidráulica.
	Tx = Ti = V / w
	
	Ti = Tempo de residência hidráulico
 Os biorreatores utilizados no tratamento podem se incluit nas seguintes categorias:
Contínuo sem reciclo de lodo;
Contínuo com reciclo;
Descontínuo ou batelada.
r X = [µm.X.S /Ks + S] – KD.X
r S = -[µm.X.S /Y(KS +S)]
 Para o primeiro caso, considerando a mistura na fase líquida como ideal, X=Xe e S=Se, onde o termo “e” identifica o efluente.
Ti = [(Sa - Se).Y.(Ks +Se)/ µm.Xe.Se]
1= Ti. [(µm. Se/ (KS +Se)) -KD]
Onde,
r X = velocidade de crescimento de biomassa
r S = velocidade de consumo de substrato
Ti = tempo de retenção hidráulica (V/F)
µm = máxima velocidade específica de crescimento microbiano[T-1]
KS = constante de meia velocidade. Concentração de substrato que corresponde à metade de µm. [M.L-3]
KD = Taxa de decaimento celular [T-1]
Y = fator de conversão do substrato
X = concentração microbiana[M.L-3]
S = concentração do substrato biodegradável (e =efluente; a =afluente) 
 Para o caso do reator operando com reciclo de lodo, temos as seguintes equações:
Sa -Se = (µm.Se.Xe.Ti)/ Y.(KS+ Se)
r(Xu/Xe)+ Ti.[( µm.Se/ (KS.Se)) -KD] = (1 +r)
r = razão de reciclo
Xu = concentração de biomassa no fundo do sedimentador
 É importante lembrar que Ti > V/F devido a corrente de recirculação
 Simulações de projetos, realizadas com as equações acima revelaram que o volume (V) e a concentração microbiana (Xe) variam fortemete para valores de r na faixa de 0 a 0,3.
 Para o caso do reator trabalhando em batelada:
dX/dt = [µm.X.S /Ks + S] – KD.X
dS/ dt = -[µm.X.S /Y(KS +S)]
e S=So, X=Xo; concentrações em t=0
A sedimentabilidade do lodo é um tributo fundamental para o funcionamento adequado do processo de lodo ativado. Ela pode ser avaliada através deum ensaio realizados com o auxílio de uma proveta graduada e um cronômetro. O Lodo ativado apresenta uma sedimentação do tipo zonal, onde os sólidos sedimentam formando uma interface nítida com liquido clarificado. 
Fig.4 Altura x t
 Como observado na figura acima, a altura da interface decresce a uma taxa elevada nos instantes iniciais e sofre uma redução com o passar do tempo. A tangente traçada no instante inicial representa a Velocidade de Sedimentação Zonal (VSZ). Um valor elevado indica um lodo com boas características de sedimentabilidade.
 A medida de volume ocupado pelo lodo após 30min de sedimentação (V30), expresso em ml, dividido pela massa de sólidos (em base seca) presente no teste expresso em grama. Assim o Índice Volumétrico do Lodo. 
IVL = V30 / (Xe.Vp)
	Vp = volume da proveta
 O IVL considerado adequado situa-se na faixa de 80 a 120 ml/ g.
 O IVL é um parâmetro mais consistente do que a VSZ, pois é avaliado ao final do processo de sedimentação. AVSZ reflete apenas a temdência primeira de sedimentação do lodo.
 A tabela a seguir apresenta as faixas de valores associadas a um funcionamento ótimo para as diferentes condições de operação apresentadas.
Tabela 3
	Parâmetro
	Aeraçao
Prolongada
	Convencional
	Forte Carga
	A/M(KgDBO5/KgSSV.d)
	0,05 – 0,15
	0,2 – 0,5
	1 – 5
	Cv (KgDBO5/m3.d)
	0,1- 0,5
	0,6 – 1,6
	2 – 6
	Ti (h)
	18 – 24
	3 – 8
	1 – 2
	Xe (mgSSV/L)
	3000 – 6000
	2000 – 4000
	1500 – 3000
	Produçao específica de lodo
(KgSSV/KgDBO removida)
	0,1 – 0,2
	0,3 – 0,5
	0,4 - 0,7
	Consumo específico de oxigênio
(KgO2/KgDBO)
	1,3 – 2
	0,8 – 1,2
	0,4 – 0,8
	Razão de reciclo
	0,1 – 1,5
	0,2 – 0,8
	0,5 – 3
	Tx (h)
	20 - 30
	5 – 15
	5 – 10
	Eficiência
	>90
	80 - 95
	50 - 70
	Nitrificação
	Avançada
	Iniciada
	Nula
 
A sedimentação pode ser afetada pelas condições de operação. A idade do lodo é uma delas. Quando utilizado tempos de lodo inferiores a faixa ótima, a etapa de sedimentação apresentará altos valores de IVL. Para idade acima do recomendado, o lodo apresenta IVL adequado, porém dá-se início a desfloculação e aumento do número de organismos dispersos, que implica maior teor de SSV no efluente do processo.
Sistemas de Operação do Lodo Ativado
Uma das variantes do processo de lodo ativado é conhecida pelo nome de valo de oxidação.
Em um valo de oxidação, os efluentes podem ser tratados pela circulação do líquido nas faixas aeradas. O tratamento de lodos ativados em um vale de oxidação pode consistir em vários vales nos quais ocorrem reações biológicas anaeróbias, aeróbias ou anóxicas para reduzir a quantidade de material orgânico e nutrientes. O fluido dos vales é recirculado entre as condições aeróbia e anaeróbia. Os efluentes tratados são, depois, removidos para sedimentação, tratamento de lodos e bombeamento para os receptores. 
Fig.5 Valo de Oxidação
Empresas internacionais comercializam versões desse sistema, sob diversos nomes: CarouselTM (EIMCO), OrbalTM (Alpha) e outros.
A relação ótima de A/m encontra-se na faixa de 0,07 a 0,15 KgDBO5/ KgSSV.dia. O teor de de SSV, no valo , pode situar-se entre 4.000 e 8.000 mg/L. O biorreator possui relação comprimento/largura da ordem de 8 a 12 m, com altura do ´liquido entre 2 e 5 metros.
Outra variante do processo de lodo ativado consiste da sua operação em bateladas sequenciais . Conhecida com SBR (Sequencing Batch Reactor). 
Fig. 6 Processo SBR
Nesse reator, o lodo e o afluente a ser tratado são adcionados ao reator. Na segunda etapa o processo de aeração se inicia, seguido da sedimentação no mesmo vaso e posterior separação do sobrenadante . 
No caso de esgotos domésticos, a remoção de nutrientes (fósforo e nitrogênio) pode ser alcançado em altos níveis explorando a versatilidade do sistema, que pode operar em condições anóxicas e aeróbias, caso necessário.
No processo por estabilização por contato, é realizada com consórcio microbianos com alta capacidade de biossorção. A corrente alimentada é posta em contato com a lama, em um tanque agitado de tempo de residência reduzido. Nesse tanque acontece fornecimento de oxigênio de modo a ocorrer biodegradação parcial dos poluentes. Segue para um decantador onde o lodo será separado e enviado a um tanque de estabilização aerado para terminar a biodegradação. Tempo de residência elevados no tanque de estabilização(3 - 6h) podem permitir acentuada nitrificação.
Fig 7. Estabilização por contato
Como consequência do desenvolvimento de membranas microporosas e configurações de suporte adequadas, possibilitou a substituição do decantador de lamas por uma unidade de separação pro membranas (Membrane Biological Reactors- MBR). Esta pode ser acoplada externamente ao biorreator, com recirculação do concentrado, ou imersa na suspensão reacional, sendo o efluente tratado e bombeado para o exterior do vaso.
Os MBR tornam possível a implantação de estações de tratamento compactas, uma vez que o reator é operado com altas concentrações de biomassa. Outro ponto positivo desse sistema é que as macromoléculas de lenta degradação, eventualmente presentes no efluente a tratar, podem ser passíveis de degradação, devido a sua retenção no meio reacional.
Fig. 8. MBR: a)Módulo externo; b) Módulo submerso
Outro sistema que emprega a biomassa em suspensão é o de lagoa aerada. A não disponibilidade de recirculação de biomassa, resulta numa concentração menor de sólidos em suspensão (50 a 300 mg/L) e , consequentemente, exige volumes elevados par promover níveis adequados de remoção de matéria orgânica.
As lagoas aeradas têm sido muito empregadas para o tratamento de efluentes de refinarias de petróleo, indústrias de celulose e papel, alimentícias e agro-indústrias. A disponibilidade de área para construção da lago é um requisito imperativo para a escolha desse tipo de rtatamento.
O tempo deretenção da fase líquida desses sistemas varia conforme as características do efluente a tratar. Para esgoto domésticos, em geral, tempos de retenção maiores que 4 dias não promovem incremento na qualidade do efluente tratado(Jordão e Pessoa,1995. Grady e Lim (1980) compilaram dados operacionais de diversas lagoas e obtiveram tempos de retenção hidráulica variando de 0,7 a 17 dias, com alturas de líquidos de 1,5 a 5m.
Por não possuírem sistemas de decantadores, o lodo deve ser removido periodicamente do fundo das lagoas.
Existem ainda outro tipos de reatores com biomassa em suspensão. São eles o biorreator de poço profundo (deep shaft) e o reator do tipo air-lift. São estruturas verticalizadas que podem operar com cobertura, retendo CO2, o excesso de ar e possíveis gases gerados que podem provocar mal cheiro.
Os reatores de poço profundo podem alcançar profundidades de 50 a 150 metros de profundidade, e de 15 a 30 metros nos reatores tipo torre.
Os reatores air-lift têm sido objeto de investigação acadêmica, entretanto, poucas instalações industriais estão em funcionamento. Esse reatores podem conter partúculas em suspensão para a adesão microbiana, operando, neste caso, como um reator de biomassa fixaa suporte móvel (Campos, et al., 2002). 
 
Fig. 10. a) Reator de Poçoprofundo b) Reator “Air-Lift”
Variantes do Processo de Lodo Ativado
A aplicação de carvão ativado em pó nos tanques de aeração do processo de lodos ativados, gera um sistema, que pode ser considerado como leito expandido. Tal adição, pode resultar na estimulação da atividade biologica pela remoção de compostos inibidores ou uma remoção mais eficiente de contaminantes diluídos por aumento local da sua concentração. Por outro lado, o carvão ativado adicionado vai associar-se majoritariamente à fase de lamas, sendo separado com elas no decantador e recirculado ao tanque de arejamento. Assim, o tempo de retenção dos sólidos dificilmente biodegradáveis no sistema passa a ser próximo do tempo médio de residência da biomassa, permitindo a sua bioconversão em maior extensão.
Tendo em vista que a adição de carvão ativado é uma operação simples e de baixo custo, a sua adição direta ao tanque é corriqueiramente utilizada no tratamento de águas residuais que contém poluentes orgânicos de baixa biodegrabilidade.
8. Reatores com Biomassa Fixa
 O biofilme é o princípio de funcionamento dos reatores que operam com biomassa fixa. A utilização de suportes permite reter e oferecer condições de adaptação a organismos que apresentam menores velocidades de crescimento é um atributo valioso dos reatores com bio-filme.
	A utilização de suportes, com elevadas áreas superficiais permite acumular grande quantidade de biomassa. Entretanto, nessas condições, as transferências de oxigênio e nutrientes tende a ser mais lenta, resultando em menores velocidades de consumo de substrato.
.a) Filtro Biológico b) RBC c) Leito fixo submerso d) leito expandido
	Alguns parâmetro são importantes para o uso de sitemas de biomassa fixa.
Carga hidráulica superficial 
	Ch =Fa/A
Fa = vazão do afluente
A= área seção horizontal do sitema filtante
Carga orgânica volumétrica 
	Cv = Fa.Sa/ V
8.1 Filtros Biológicos
 Os filtros biológicos são reatores biológicos com biomassa aderente a suporte, sobre a qual percola o efluente a ser tratado. A aeração se faz, em geral, por tiragem natural, e mais raramente, ventilação forçada.
 Os filtros mais antigos empregam leitos a base de pedras, cascalhos, coque, escória e outros materiais grosseiros. Postos de maneira grosseira, obtém-se uma porosidade de 40 a 60%, suficiente para evitar a colmatagem e permitir fluxo adequados de líquido e ar.
	O advento de recheios e suportes de matérias plásticos deu um novo impulso ao uso de filtros biológicos. Maior área superficial, menor perda de carga, e peso reduzido permitiu a construção de filtros maiores sem o risco da colmatação e com menores custos com estruturas.
 Dentre alguns suportes encontrados no mercado, podemos destacar FlocorTM, Bio-PacTM e a EcoPackTM.
 
Recheio Flocor b) Recheio Bio-Pac
	
 
 Na tabela a seguir, características operacionais dos filtros biológicos. 
Tabela 4
	
	Carga Baixa
	Carga
intermediária
	Carga Alta
	Carga super-alta
	Ch(m3/m2.d)
	1 – 5*
1 -4**
	3,5 – 10**
	8 – 40
10 – 40**
	Até 240*
12 – 70 **
	Cv(KgDBO5/m3.d)
	0,1 – 0,4
	0,2 – 0,5
	0,4 – 4,8*
0,5 – 1,0 **
	Até 10*
0,5 – 1,6 **
	Material suporte
	Pedras
	Pedras
	Pedra/ Plástico
	Plástico
	Porosidade
	40 – 60
	40 – 60
	40 – 60
	94 – 98
	Recirculação
	Não
	Eventual
	Sim
	Sim
	Altura do leito (m)
	1,8 – 2,5
	1,8 – 2,5
	0,9 – 3,0
	3,0 – 12
	Eficiência 
	80 - 85
	50 - 70
	65 – 80*
65 – 80**
	50 – 70*
65 – 85**
Adptado de *Roques, 1980, **Gonçalve et a,2001.l
 
 8.2 Biodiscos e RBC
 Os processos de biodiscos e RBC (Rotating Biological Contactors) podem ser denominados de reatores biológico rotativos. 
 São constituídos por discos, conectados a um eixo central e esncontram-se, aproximadamente, com 40 % de sua superfície submersa. Os discos estão recobertos por biofilme que ,quando submersos, adsorvem o poluente. A transferência de oxigênio se dá quando a superfície molhada entra em contato com o ar. Em alguns tipo de RBC, pode-se empregar, adicionalmente, aeração com difusores colocados na base do tanque.
 A utilização de 2 ou mais estágis pode levar a eficiências de remoção de DBO5 elevadas, da ordem de 85 – 90 %, o que torna os RBC competitivos com outras tecnologias de sistema aeróbio. O controle da rotação e grau de imersão dos discos no fluido permitem que o grau de aeração seja alterado conforme à necessidade.
 Alguns parâmetros, como a carga orgânica superficial e a carga hidraulica superficial são dados em função da área total de suporte disponível.
 
8.3 Leito Fixo Submerso Aerado
 Biofiltros empregando recheios granulares de pequenas dimensões sofrem forte tendência a sofrer colmatação, o que impõe a necessidade de realizar retro-lavagens periodicamente. Devido à menor porosidade do meio, sistemas de aeração são necessários.
	Os reatores que utilizam material de suporte de peuqeno diametro são chamados de filtros biológicos aerados(FBA). O potencial desses reatores para nitrificação foi evidenciado no estudo conduzido por Boller et al. (1994), que permitiu concluir que os processos de leito submerso tipo FBA: Biostyr, Biocarbone e Biopur foram muito superiores aos demais testados(lodo ativado em um ou dois estágios, filtro biológico e RBC).
Bibliografia
1. M Manuela da Fonseca, José A. Teixeira. REACTORES BIOLÓGICOS FUNDAMENTOS E APLICAÇÕES
2. TRATAMENTO BIOLÓGICO DE ÁGUAS RESIDUÁRIAS/ Willibaldo Schimmiedl et aal. Florianóporis,2007.
3. ESTUDO DA INFLUÊCIA DE COMPOSTOS RECALCITRANTES NA REMOÇÃO DE MATÉRIA ORGÂNICA BIODEGRADÁVEL NO TRATAMENTO DE EFLUENTES DE REFINARIAS DE PETRÓLEO –Tese de dotorado de Laertede Medeiros Barros Jr.. –UFRN,2006.
4. http://www.copasa.com.br/cgi/cgilua.exe/sys/start.htm?infoid=29&sid=34&tpl=printerview
5. Sílvia M. A. Corrêa Oliveira, Marcos von Sperling. AVALIAÇÃO COMPARATIVA DE TECNOLOGIAS DE TRATAMENTO DE ESGOTO, EM TERMOS DE ATENDIMENTO A PADRÕES DE LANÇAMENTO PARA DBO.
6. http://www.casan.com.br/menu-conteudo/index/url/ete-estacao-de-tratamento-de-esgotos-sanitarios#0
Vertical LOOP Reactor VLR – youtube
Sumário
 Tratamento aeróbio de efluentes
 Comunidades e aglomerados microbianos típicos de processos aeróbios
 Dinâmica dos biofilmes
 Problemas relacinados aos flocos
Quanto à presença de filamentos
Formação de espuma
 Etapas da biodegradação
Conversão do carbono orgânico
Conversão do azoto
Conversão do fosfóro
6. Biorreatores empregados no tratamento aeróbio
7. Processos de lodo ativado
8. Reatores com biomassa fixa
8.1		Filtros biológicos
8.2		Biodiscos e RBC
8.3		Leito Fixo aerado