Processos Biológicos

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Tratamento de Resíduos Industriais - TRI 
Aline Marques Ferreira Linhares 
alinemarquesrj@hotmail.com 
Setembro 2016 
Processos biológicos aeróbios 
 
Tratamento secundário: 
Processos biológicos 
Classificação dos processos biológicos: 
 Predominam os mecanismos biológicos 
 Objetivo: remoção da matéria orgânica solúvel (eventualmente, remoção de nutrientes – 
Nitrogênio e Fósforo) 
 Consórcios microbianos heterogêneos – predomínio de bactérias 
 
 
 Quanto à biomassa: 
Lodos ativados 
Lagoas 
UASB 
Filtros biológicos 
Biodiscos (discos rotatórios) 
Reatores de leito submerso 
Reatores de leito fluidizado 
Reatores de leito móvel 
Biomassa suspensa Biomassa fixa 
 Quanto à presença de O2: 
Lodos ativados 
Lagoas aeradas 
Filtro biológico 
Biodisco 
UASB 
Filtros anaeróbios 
Aeróbios Anaeróbios 
Processos biológicos aeróbios 
 Catabolismo: 
 Autólise – respiração endógena: 
 Anabolismo: 
 Degradação de glicose - aeróbia: 
 Degradação de glicose - anaeróbia: 
Microbiologia 
 Componente biológico: bactérias, fungos, protozoários, rotíferos 
 Componente não biológico: partículas orgânicas e inorgânicas, polímeros microbianos 
extracelulares (polissacarídeos e glicoproteínas) 
 Os componentes biológicos dependem das condições ambientais, das características do 
efluente, do projeto e do modo de operação da planta 
Bactérias: 
 isoladas ou em agregados 
 predomínio de bactérias heterotróficas 
 bactérias autotróficas  bactérias nitrificantes 
 responsáveis pela degradação da matéria orgânica 
 formadoras de flocos e filamentosas 
 bactérias filamentosas dentro do floco – esqueleto para a formação do floco 
 bactérias formadoras de flocos: Bacillus, Pseudomonas, Micrococcos alcaligenes, 
Flavobacterium 
Microbiologia 
Bactérias: 
Microbiologia 
Protozoários: 
 consomem bactérias isoladas e material particulado  auxílio na clarificação  polimento 
 degradam matéria orgânica 
 Produzem polissacarídeos e mucoproteínas  floculação do material suspenso 
 indicadores de estabilidade da operação  mais sensíveis à toxicidade do que as bactérias 
  aeróbios restritos 
Microbiologia 
Rotíferos: 
 nematóides e outros organismos multicelulares 
 baixa velocidade de crescimento  altos tempos de retenção celular 
Rotífero 
Vídeo 
Microbiologia 
Teoria do “esqueleto filamentoso”: 
 flocos divididos em dois níveis estruturais: 
• macroestrutura: bactérias filamentosas, agregadas por seus polímeros 
extracelulares com função de matriz estrutural compondo o “esqueleto” interno 
dos flocos 
• microestrutura: base para qualquer floco, sendo composta de organismos não 
filamentos  formadores de flocos 
Dezzoti, 2008 
Bassin, 2008 
Lodos ativados 
 Primeira unidade em escala real – Manchester em 1914 
 Um dos processos mais aplicados – locais de grande concentração urbana 
 Grande potencial de degradação e custo relativamente baixo 
 Elevada qualidade do efluente tratado e baixos requisitos de área 
 Maior complexidade operacional, nível de mecanização e consumo energético 
 Oxigênio fornecido por aeração: aeração mecânica, por ar comprimido ou introdução 
de oxigênio puro – faixa de 1,5 a 2,0 mg/L 
Bactérias  oxidação da matéria 
orgânica em tanques de aeração 
Lodos ativados convencional 
Aeração prolongada 
Idade do lodo 
Fluxo contínuo 
Fluxo intermitente (reatores 
sequenciais por batelada e 
variantes) 
Fluxo 
Remoção de carbono 
Remoção de carbono e 
nutrientes (N e/ou P) 
Objetivo do tratamento 
Lodos ativados convencional 
 Reações de metabolização de compostos biodegradáveis 
 Requer boas condições de mistura e reação – desenvolvimento de comunidade microbiana 
Revista TAE, 2014 
Tanque de aeração: 
 Separar o lodo proveniente do tanque de aeração 
Decantador secundário: 
 Retorno do lodo para o tanque de aeração 
 Objetivo de manter a concentração microbiana elevada no tanque de aeração 
Sistema de reciclo: 
Lodos ativados convencional 
Condições típicas: 
10 vezes maior do que em 
lagoas aeradas de mistura 
completa 
Concentração de sólidos no 
tanque de aeração 
6 a 8 horas 
TRH 
4 a 10 dias 
TRC – idade do 
lodo 
Tanque de aeração: 
Lodos ativados convencional 
 Aeração mecânica: 
Aeração: 
Von Sperling, 1997 
 Ar difuso: 
Von Sperling, 1997 
Lodos ativados convencional 
Decantador secundário: 
Von Sperling, 1997 
Lodos ativados convencional 
 Carga orgânica aplicada ou relação A/M ou F/M – kg DBO5 ou DQO/kg SSV.dia: 
Parâmetros operacionais: 
𝐴/𝑀 = 
𝑄. 𝑆𝑎
𝑉. 𝑋𝑒
 Q = vazão do efluente 
Sa = concentração de matéria orgânica do afluente 
Xe = concentração de biomassa no tanque de 
aeração (expressa como SSV) 
V = volume do tanque de aeração 
 Carga volumétrica aplicada – kg DBO5 ou DQO/m
3.dia: 
𝐶𝑣 = 
𝑄. 𝑆𝑎
𝑉 
 
Dezzoti, 2008 
Lodos ativados convencional 
 Idade do lodo ou tempo médio de retenção celular (TRC) – dias: 
Parâmetros operacionais: 
𝜃𝑐 = 
𝑉. 𝑋𝑒
𝑤. 𝑋𝑢
 
Xe = concentração de biomassa no tanque de 
aeração (expressa como SSV) 
Xu = concentração de biomassa na saída do 
fundo do decantador (expressa como SSV) 
V = volume do tanque de aeração 
w = vazão de descarte do lodo 
Q = volume de líquido retirado do sistema na 
unidade de tempo  Tempo de retenção hidráulica (TRH) – horas: 
𝑇𝑅𝐻 = 
𝑉
𝑄 
 
Dezzoti, 2008 
Lodos ativados convencional 
 Velocidade de sedimentação zonal (VSZ): 
Parâmetros operacionais: 
(1) Fase de velocidade de sedimentação constante: tangente à curva no instante inicial = VSZ 
 VSZ = boa sedimentabilidade 
(2) Velocidade de sedimentação decresce com o tempo 
(3) Velocidade de sedimentação muito pequena = lodo adensado ou compactado 
(1) 
(2) 
(3) (2) 
Dezzoti, 2008 
Lodos ativados convencional 
 Índice volumétrico do lodo (IVL): 
Parâmetros operacionais: 
𝐼𝑉𝐿 = 
𝑉30
𝑋𝑒 . 𝑉𝑝
 
𝐼𝑉𝐿 = 
𝑣𝑜𝑙𝑢𝑚𝑒 𝑑𝑒 𝑙𝑜𝑑𝑜 𝑑𝑒𝑐𝑎𝑛𝑡𝑎𝑑𝑜 𝑒𝑚 30 𝑚𝑖𝑛𝑢𝑡𝑜𝑠
𝑚𝑎𝑠𝑠𝑎 𝑑𝑒 𝑠ó𝑙𝑖𝑑𝑜𝑠 𝑛𝑜 𝑡𝑒𝑠𝑡𝑒
 
V30 = volume ocupado pelo lodo após 30 minutos de sedimentação 
Xe = sólidos suspensos totais (SST) ou sólidos suspensos voláteis (SSV) 
Vp = volume de líquido contido na proveta 
Dezzoti, 2008 
Lodos ativados convencional 
 Índice volumétrico do lodo (IVL): 
Parâmetros operacionais: 
Sedimentabilidade IVL (mL/g) 
Ótima 0-50 
Boa 50-100 
Média 100-200 
Ruim 200-300 
Péssima >300 Von Sperling, 1997 
IVL fornece resultados mais consistentes por ser realizado ao final do processo de 
sedimentação 
VSZ representa a tendência da primeira sedimentação – o lodo pode sedimentar bem no início, 
mas decair a velocidade de sedimentação após algum tempo 
 IVL x VSZ: 
Lodos ativados convencional 
Parâmetros operacionais: 
Estudo de Roques, 1980 indica θc = 4-9 dias para baixo IVL 
 IVL x θc: 
Lodos ativados convencional 
Parâmetros operacionais: 
Floculação não ocorre em fase logarítmica de crescimento e sim na fase endógena 
 
Alta taxa A/M  crescimento microbiano aumenta, alta atividade metabólica, muita energia, 
atividades locomotoras  dificulta a formação do floco 
 
Baixa taxa A/M  inativas  flocos dispersos 
 
A/M intermediária  lodo floculante (0,3-0,6) 
 IVL x A/M: 
Lodos ativados convencional 
Problemas vinculados à formação dos flocos em lodos ativados: 
Lodos ativadosconvencional 
 Oxigênio dissolvido (OD) 
 Sólidos suspensos totais (SST) 
 Sedimentabilidade – IVL 
 Microscopia 
 pH 
 Temperatura 
 DQO 
 DBO 
 A/M 
Controle do processo: 
Lodos ativados convencional 
 Bulking do lodo: 
Problemas operacionais: 
Flocos não compactados  sedimentabilidade 
Predominância de micro-organismos filamentosos no lodo 
Causas: OD, A/M, nutrientes e flutuações no pH 
Consequências: Efluente não clarificado 
Lodos ativados convencional 
 Baixa remoção de matéria orgânica biodegradável: 
Problemas operacionais: 
Causas: TRC muito baixo, nutrientes, flutuações no pH, OD e mistura inadequada 
 Odores: 
Causas: condições anaeróbias no decantador e aeração insuficiente 
Variantes de lodos ativados 
 Definido como processo de oxidação total 
 TRC maior (18 a 30 dias) – reator com maiores dimensões – menor concentração de matéria 
orgânica por unidade de volume e menor disponibilidade de alimento 
 Mais utilizado para vazões e cargas baixas 
 Lodo biológico estabilizado  micro-organismos na fase endógena 
 Maior consumo de energia no tanque de aeração e maior eficiência em comparação aos 
outros processos de lodos ativados 
Aeração prolongada: 
Estabilização por contato: 
 Relacionado à capacidade de adsorção dos aglomerados microbianos 
Adsorção da matéria 
orgânica em suspensão, 
material coloidal e 
macromoléculas em 
solução – 0,2 a 2,0 h 
1 a 3 gSSV/L 
Finaliza a assimilação e 
biodegradação dos 
poluentes e lodo 
aclimatado – 3,0 a 6,0 h 
4 a 9 gSSV/L 
Variantes de lodos ativados 
 Regime de bateladas sequenciais 
 Todas as unidades, processos e operações de lodos ativados em um único tanque 
 Ciclos de operação com tempos de duração definidos 
 
Reator Batelada Sequencial - RBS: 
Entrada do efluente bruto e do 
substrato para a atividade microbiana 
Enchimento estático: sem mistura ou 
reação – remoção de nutrientes – 
mínimo de energia gasta e alta 
concentração de sólidos 
Enchimento com reação: ocorre 
mistura e reação 
Fase de enchimento 
Completar as reações iniciadas no 
enchimento e pode ter aeração e/ou 
mistura além de ciclos alternados de 
aeração 
Fase de reação 
Ocorre a sedimentação e a separação 
dos sólidos em suspensão do efluente 
tratado – pode ter maior eficiência do 
que um sedimentador secundário 
pelo maior tempo de repouso do 
líquido 
Fase de sedimentação 
Esvaziamento do reator 
Descarte do efluente tratado 
Utilizada apenas em aplicações com 
vários tanques – ajuste de ciclos e 
remoção do lodo excedente 
Fase de repouso ou de ajustes 
Variantes de lodos ativados 
 Vantagens: 
Fluxograma simplificado – eliminação de diversas unidades 
Construção simplificada 
Flexibilidade em relação a variação de cargas e vazões 
Boa sedimentabilidade do lodo 
Flexibilidade operacional – ajuste dos tempos 
 
Reator Batelada Sequencial - RBS: 
 Desvantagens: 
Descarte do efluente tratado de forma pontual – grandes choques de carga no corpo 
receptor 
 
Variantes de lodos ativados 
 Processo híbrido: reator biológico + tecnologia de membranas 
 Pode gerar efluentes tratados que atendem aos padrões de qualidade de lançamento e 
exigências para reúso de água 
 Membranas atuam como decantador secundário 
 Possibilita a construção de estações de tratamento mais compactas 
 Aumento da idade do lodo (30 a 60 dias) e baixa relação A/M – fase endógena (menor 
geração de lodo) 
 
Biorreator com membranas (BRM): 
Silva, 2009. 
Variantes de lodos ativados 
 Pode utilizar membranas de micro ou ultrafiltração 
 Pode utilizar membranas planas ou fibras ocas 
Biorreator com membranas (BRM): 
Melhor qualidade do efluente tratado 
Operação com maior concentração de 
sólidos suspensos (10.000 mg/L) 
Menor área requerida 
Menor geração de lodo 
Significativa capacidade de desinfecção 
Incrustações das 
membranas 
Lagoas 
Lagoas: 
 bacias de grande volume  querer grandes áreas 
 profundidade de 2 a 5 m 
 tempo de retenção elevado e menor carga orgânica 
Bactérias  respiração: consumo de 
oxigênio e produção de gás carbônico 
Algas  fotossíntese: produção de 
oxigênio e consumo de gás carbônico 
Lagoas de estabilização x lagoas aeradas: 
Aeróbias 
Anaeróbias 
Facultativas 
Maturação 
Estabilização – aeração natural 
Facultativas 
Mistura Completa 
Aeradas – aeração artificial 
Lagoas 
Lagoas de estabilização: 
 Aeróbias: condições aeróbias garantidas pelo equilíbrio entre a oxidação e a fotossíntese – 
Eficiência de até 95% 
 Anaeróbia: fermentação anaeróbia imediatamente abaixo da superfície 
 Facultativas: ocorre fermentação anaeróbia, oxidação aeróbia e fotossíntese – requer altos 
TRH (> 20 dias) e grandes áreas 
 Maturação: polimento no efluente de qualquer uma das outras lagoas de estabilização ou 
outros processos biológicos– remoção de organismos patogênicos 
Lagoas 
Lagoas aeradas: 
 aeração mecânica (aeradores de superfície) ou de ar difuso  fornecimento de 
oxigênio e manutenção de sólidos em suspensão (potência menor do que no processo 
de lodos ativados) 
 dois regimes de mistura: mistura completa e facultativa 
 maior mecanização, maior complexidade de manutenção e operação e maior consumo 
de energia 
 menor TRH = menor área requerida 
Lagoas aeradas 
Lagoas de mistura completa x lagoas facultativas: 
Agitação suficiente para manter os 
sólidos em suspensão 
Tempo de residência = 3-6 dias 
Potência de agitação = 3,0-6,0 W/m3 
Agitação insuficiente para manter os sólidos 
em suspensão 
Decomposição anaeróbia 
Necessidade de remoção de sólidos (entre 1 e 6 
anos) 
TRH= 5-10 dias (6 dias) 
Potência de agitação = 0,8-1,0 W/m3 
http://www.saec.sp.gov.br/site/index.php/estacao-de-tratamento-de-esgoto-
de-catanduva/ 
Von Sperling, 2005 
Biodiscos 
Biodiscos ou Rotanting Biological Contactors – RBC: 
 Sistema composto por um conjunto de discos 
 Estruturas cilíndricas corrugadas de material plástico como o poliestireno de alta densidade 
– suporte para a adesão microbiana 
 Discos de 2 a 3,5 m de diâmetro e 1,5 a 2,0 cm de espessura girando em torno de um eixo 
horizontal em velocidade de rotação de 1 a 2 rpm 
 Biofilme formado na superfície dos discos e entra em contato com a matéria orgânica e com 
o oxigênio do ar alternadamente – requer decantador secundário 
 Utilizado principalmente em tratamento de esgoto de pequenas comunidades 
Dezzoti, 2008 
Biodiscos 
Metcalf & Eddy, 2003 
(a) Biodisco convencional 
(b) Biodisco convencional em reator 
fechado 
(c) Biodisco submerso 
(d) Biodisco submerso com dispositivo 
de captura de ar 
Biodiscos 
(a) Um estágio transformado em dois com um anteparo 
(b) Dois estágios em um único eixo 
(c) Dois estágios transformados em um removendo o anteparo 
(d) Dois eixos em um único estágio 
Dezzoti, 2008 
Biodiscos 
Parâmetros: 
 Segmentação das unidades – induzem o desenvolvimento de diferentes micro-organismos 
em cada estágio – pode atingir a nitrificação 
 Carga orgânica e hidráulica 
 Características do efluente a ser tratado 
 Necessidade ou não de clarificador 
𝐶𝑠 = 
𝑄𝑎𝑆𝑎
𝐴𝑠
 
𝐶ℎ𝑠 = 
𝑄𝑎
𝐴𝑠
 
 Carga orgânica superficial – kg DBO5/m
2.dia: 
 Carga hidráulica superficial – m3/m2.dia: 
Qa = vazão de alimentação 
Sa = concentração de matéria orgânica do afluente 
As = área de suporte disponível para fixação 
microbiana 
Filtro biológico 
 Reatorque utiliza a biomassa aderida a algum tipo de suporte 
 Efluente percola de forma descendente e é coletado no fundo – geralmente, distribuidores 
rotativos 
 Contato direto com o ar 
 Micro-organismos se desenvolvem aderidos à superfície do meio poroso 
 Biossorção + metabolização dos compostos biodegradáveis 
 Biofilme mais espesso pode ter uma subcamada anaeróbia (bactérias autotróficas 
nitrificantes) e uma subcamada aeróbia (bactérias heterotróficas) 
 Espessura do biofilme varia de 0,1 a 2,0 mm 
 Antigamente, utilizavam pedras, cascalhos e coque obtendo porosidades de 40 a 60% 
 Atualmente, recheios e suportes de material plástico – 10 e 20 vezes mais leves permitem 
filtros com maior altura 
Filtro biológico 
 Possibilidade de filtros em série e com mais estágios, além de formas de recirculação 
 Filtros que utilizam pedra como suporte variam de 0,9 a 2,5 m de altura e filtros com 
material plástico variam de 4,0 a 12,0 m. 
 Presença de bactérias, algas e em menor proporção, protozoários, fungos e até mesmo 
vermes, larvas e insetos 
 Bactérias tipicamente encontradas: Achromobacter, Flavobacterium, Pseudomonas e 
Alcaligenes 
 Fungos: Fusazium, Mucor, Penicillium, Geotrichum, Sporatichum 
 Algas não participam da degradação – fornecem oxigênio na presença de luz: Phormidiun, 
Chlorella e Ulothrix 
 Protozoários auxiliam na redução da turbidez do efluente – predominantemente do grupo 
dos ciliados: Vorticella, Opercularia e Epistylis 
Filtro biológico 
Dezzoti, 2008 
Von Sperling, 2005 
𝐶𝑣 = 
𝑄𝑎𝑆𝑎
𝑉
 
𝐶ℎ = 
𝑄𝑎
𝐴
 
 Carga orgânica volumétrica– 
kg DBO5/m
3.dia: 
 Carga hidráulica ou taxa de 
aplicação hidráulica superficial– 
m3/m2.dia: 
Qa = vazão de alimentação 
Sa = concentração de matéria orgânica 
do afluente 
A = área da seção horizontal do filtro 
V = volume do leito 
Filtro biológico 
 O material suporte ideal deve possuir alta área superficial, baixo custo, alta durabilidade e 
alta porosidade (menos entupimento e boa circulação de ar) 
Metcalf & Eddy, 2003 
Filtro biológico 
Metcalf & Eddy, 2003 
Nitrificação 
 Importância: remoção de nutrientes (N) que propiciam o crescimento exagerado de bactérias 
e algas nos corpos receptores – eutrofização 
 Nitritação: oxidação da amônia a nitrito – bactérias do gênero Nitrosomonas 
 Nitratação: conversão do nitrito em nitrato – bactérias do gênero Nitrobacter 
 Bactérias autotróficas e utilizam carbono inorgânico (CO2) para a síntese celular 
Nitrificação 
 pH: atuação dos micro-organismos entre 6,5 e 9,0 
 Temperatura: pode ocorrer entre 4 e 45ºC, mas Nitrosomonas tem temperatura ótima de 
35ºC e Nitrobacter de 35 a 42ºC 
 temperaturas  consumo de oxigênio e de alcalinidade necessários à 
nitrificação 
 temperaturas  atividade nitrificante 
 Alcalinidade: alcalinidade consumida durante a nitrificação  7,14 g CaCO3/g NH4
+ 
oxidado 
 Concentração de oxigênio dissolvido: 0,5-2,5 mg/L em biomassa suspensa 
 Relação C/N: taxa de nitrificação com concentração de matéria carbonácea 
 concentração de matéria orgânica  desenvolvimento de heterotróficos 
  desenvolvimento de autotróficos 
 Toxicidade: bactérias autotróficas são mais sensíveis do que as heterotróficas 
Fatores que influenciam: 
Desnitrificação 
 Bactérias heterotróficas anaeróbias facultativas reduzem o nitrato gerado na nitrificação a 
nitrogênio molecular 
 Destaque para o gênero Pseudomonas 
 Ambiente anóxico: ausência de oxigênio e presença de nitrato (bactérias desnitrificantes 
utilizam preferencialmente o oxigênio molecular – competição com o nitrato como receptor 
de elétrons) 
 Importância: remoção de nitrato – um dos fatores que mais contribuem para a eutrofização 
 – toxicidade do nitrato - síndrome do “bebê azul” – 
conversão de hemoglobina em metahemoglobina que interrompe o transporte de oxigênio 
Desnitrificação 
 Temperatura: faixa ampla de 0 a 50ºC, ideal em 35ºC 
 pH: entre 6,5 e 8,0 
 Concentração de oxigênio dissolvido: inibe a atividade e a síntese das enzimas 
desnitrificantes 
 Relação C/N: depende da natureza da fonte de carbono e das espécies microbianas atuantes 
Fatores que influenciam: 
Desnitrificação 
Pré-desnitrificação (remoção de N com C de esgoto bruto): 
 Vantagens: 
 menor tempo de retenção na zona anóxica em comparação à pós-desnitrificação 
 redução do consumo de oxigênio  estabilização da matéria orgânica que utiliza o nitrato como 
aceptor de elétrons 
 Possibilidade de redução do volume da região aeróbia  estabilização de parte da DBO na zona 
anóxica 
 Desvantagens: 
 necessidade de razões de recirculação interna elevadas  aumento dos custos de operação 
 Possibilidade de recirculação do OD do tanque aeróbio para o anóxico  prejuízo da desnitrificação 
Dezotti, 2008 
Desnitrificação 
Pós-desnitrificação (remoção de N com C da respiração endógena): 
 O reator possui uma zona aeróbia seguida por uma zona anóxica e opcionalmente, uma zona aeróbia 
final 
 A remoção de carbono e a produção de nitratos ocorrem na zona aeróbia 
 Os nitratos formados são reduzidos a nitrogênio gasosa na zona anóxica  não requer recirculação 
interna 
 Zona aeróbia final  baixo tempo de retenção para o desprendimento de bolhas de nitrogênio gasoso e 
adição de OD antes da sedimentação 
 Desvantagem: menor taxa de desnitrificação já que ocorre em condições endógenas e grande parte do 
carbono orgânico já foi removido  maiores tempos de retenção na zona anóxica  adição de metanol 
como fonte externa de carbono 
Von Sperling, 1996 
Desnitrificação 
Pós-desnitrificação (remoção de N com C da respiração endógena): 
Desnitrificação 
Processo Bardenpho: 
 Etapa de pré e pós-desnitrificação 
 Vantagem: altos níveis de remoção de nitrogênio  nitratos removidos em duas fases anóxicas 
 Desvantagem: necessidade de reatores com volume total maior 
Obrigada!