Tratamentos Biológicos - Biotecnologia

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AULA 
TRATAMENTOS BIOLÓGICOS 
TAÍS HELENA MARTINS LACERDA 
TRATAMENTO BIOLÓGICO 
 Praticamente todas as águas residuárias podem ser tratadas por processos biológicos. 
 Tem como objetivos gerais coagular e remover os sólidos coloidais não sedimentáveis e 
estabilizar a matéria orgânica. 
 Como objetivos específicos: remoção da matéria orgânica solúvel, remoção de sólidos 
suspensos, remoção de nutrientes com N e P e outros nutrientes e remoção de outros 
componentes específicos. 
TRATAMENTO BIOLÓGICO AERÓBIO 
 Os microrganismos são usados para converter a matéria orgânica em tecido celular e gases. 
 Bactérias (são unicelulares, necessitam de água para crescer e preferem pH neutro para crescerem), 
 Protozoários (unicelulares, consomem bactérias e matéria orgânica em partícula, como fonte de energia), 
 Rotíferos (seres aeróbios, multicelulares, consomem bactérias dispersas ou flocos e partículas de matéria 
orgânica), 
 Fungos (multicelulares, não fotossintetizante, aeróbios, necessita de pouco N e pouca umidade), e 
 Algas (seres autotróficos e fotossintetizantes, devido utilizar o gás carbônico para a atividade fotossintética, o 
pH do meio pode aumentar). 
TRATAMENTO BIOLÓGICO AERÓBIO 
 O processo biológico pode ser traduzido pela equação: 
 
 
SUBSTRATO + AGENTE ATIVO + AGENTE OXIDANTE  CÉLULAS + PRODUTOS 
 
 Substrato  compostos orgânicos solúveis, coloidais, suspensos 
 Agente Ativo  bactérias e protozoários 
 Agente oxidante  o oxigênio livre no processo aeróbio 
 Células  células produzidas 
 Produtos  são os compostos da reação, como gás carbônico, água, amônia, 
óxidos de enxofre e nitrogênio e produtos orgânicos estáveis 
O PROCESSO AERÓBIO ESQUEMATICAMENTE 
Matéria 
orgânica 
Novas células 
Produtos finais: CO2,, 
H2O, NH3, SOx, NOx, 
etc. 
Produtos 
orgânicos 
estáveis 
Oxidação 
síntese 
Respiração 
endógena 
Energia 
Remoção 
O2 
O2 
AS REAÇÕES DO PROCESSO AERÓBIO 
 Equação de oxidação: 
CHONS + O2 + bactérias  CO2 + H2O + NH3 + energia 
 
 Equação de Síntese: 
CHONS + O2 + bactérias + energia  novas células 
 
 Respiração endógena: 
Novas células + 5 O2  5 CO2 + 2 H2O + NH3 + ... 
 
 
Desenvolvimento de células: (1) aclimatação; (2) crescimento logarítmico; 
(3) fase exponencial e (4) morte, respiração endógena 
 
ANALOGIA ENTRE DBO E 
TRATAMENTO DE ESGOTO 
 É um dos testes para determinação de matéria orgânica na água. 
 
 Adição de amostra e nutrientes no frasco para DBO (volume 300 mL), incubação 
da amostra na temperatura de 20°C durante 5 dias. 
 
 Mede-se o Odinicial. 
 
 O que acontece no frasco durante o teste? 
Tempo 
(dia) 
Oxigênio 
Dissolvido 
mg/L 
Branco 
Amostra 
Assim, com acontece 
com o consumo de 
oxigênio no rio e 
também durante o teste 
da DBO, o processo 
aeróbio de tratamento 
de esgotos também 
depende da presença de 
microrganismos e de 
oxigênio livre. 
ANALOGIA ENTRE DBO E 
TRATAMENTO DE ESGOTO 
 Analogia entre autodepuração, DBO e processo aeróbio: 
 
Autodepuração Cidade/ 
 Indústria 
Esgoto bruto 
Rio 
ODi 
OD 
distância 
o tempo 
Recuperação 
SISTEMA DE TRATAMENTO QUE INCLUEM O 
PROCESSO BIOLÓGICO AERÓBIO 
 Lodos ativados 
 Lagoas aeradas 
 Filtro biológico 
 RBC 
 Lagoa facultativa 
 Solo (irrigação, infiltração rápida, escoamento superficial) 
 Plantas aquáticas (flutuantes e fixas) 
 
 Os processos acima podem ser divididos de acordo com a localização 
dos microrganismos, isto é, suspensos e fixos. Exemplo de crescimento 
suspenso (lodos ativados) e fixos (filtro biológico) 
LODO ATIVADO 
 O processo de Lodo ativado é a parte das estações de tratamento denominadas 
de convencionais. Usado para tratamento de esgoto doméstico, efluentes 
industriais orgânicos (matéria orgânica < 2g DBO/L). 
 
 Existe basicamente 4 tipos de plantas de lodo ativado: 
 Convencional; 
 Alta taxa (hight rate); 
 Aeração extendida; e 
 Estabilização por contato. 
 
 Basicamente, a massa biológica cresce, flocula, recircula e tem contato com 
afluente 
 
 O que é comum em todos os processos de lodo ativado é: mistura e aeração; 
floco de lodo ativado; e clarificação ou separação (tanques). 
LODO ATIVADO 
 O Processo de lodos ativados é feito em reatores e nestes adicionam-se 
oxigênio, na forma pura ou através de ar. 
 
 A introdução de oxigênio pode ser feita: 
 Aeradores de superfície 
 Ar comprimido através de difusores 
 Oxigênio puro através de difusores 
 Turbinas mecânicas com ar comprimido 
 
 
 
 Principais reatores: fluxo contínuo, completamente misturado, fluxo 
contínuo do tipo de pistão e fluxo intermitente, ou de batelada. 
PLANTA DE LODO ATIVADO - CONVENCIONAL 
Tratamento 
primário 
Aeração 
Clarificação 
Retorno do lodo 
resíduo 
No processo convencional a água passa por um tratamento primário e é depois misturada 
com uma quantidade proporcional de lodo sedimentado entre o tratamento e a aeração 
(TR de 6 a 8 horas). O mecanismo de mistura é uniforme (difusores de ar ou misturadores 
mecânicos). Após a aeração, o material é clarificado e o efluente poderá ser descartado 
nos rios 
PLANTA DE LODO ATIVADO – HIGHT RATE 
Tratamento 
primário 
Aeração 
Clarificação 
Retorno do lodo 
resíduo 
Processo Hight- Rate - A diferença com o convencional, basicamente seria no período de 
aeração (bem menor, isto é de 2 a 3 horas) e também numa menor taxa de retorno de 
lodo. Gera menos lodo pois o TR na aeração é menor. Maior desvantagem é a baixa 
qualidade do efluente. 
PLANTA DE LODO ATIVADO – 
AERAÇÃO EXTENDIDA 
Tratamento 
primário 
Aeração 
Clarificação 
Retorno do lodo 
resíduo 
Processo Aeração extendida -a aeração é realizada num TR de 24 a 30 horas. Vantagens: 
melhor qualidade do efluente e menor quantidade de lodo gerada. Como desvantagem, o 
processo tem custo de investimento alto e também poderá ter problemas de sedimentação 
do lodo. 
PLANTA DE LODO ATIVADO – ESTABILIZAÇÃO 
POR CONTATO 
Aeração Clarificação 
Retorno do lodo 
resíduo 
Processo Estabilização por contato – o resíduo não passa por um tratamento primário, 
mas é misturado com o lodo e aerado por 30 minutos. Depois passa pelo processo de 
sedimentação, o lodo concentrado é estabilizado por aeração e retornado à planta (2 
horas). Grande vantagem é que se adapta a cargas de choque e variações. 
Estabilização 
de lodo - aeração 
LAGOAS AERADAS E FACULTATIVAS 
 Lagoas aeradas evoluíram à partir das lagoas facultativas, onde aeradores de 
superfície foram adicionados para melhorar o desempenho. 
 Lagoas aeradas podem ser usadas em conjunto com os decantadores (tanque de 
aeração) 
 As lagoas facultativas são unidades de tratamento biológico que têm base na 
relação simbiótica entre algas e bactérias, nas zonas facultativas e aeróbias. Na 
zona anaeróbia a remoção se dá por bactérias anaeróbias. 
FILTRO BIOLÓGICO 
 Pode ser substituir o processo de lodos ativados em uma estação de tratamento 
de esgotos. 
 Consiste de um reator onde é colocado um meio físico, constituindo por pedras 
(geralmente brita n°4) ou anéis plásticos (também pode ser usado uma colméia). 
Os microrganismos se desenvolvem aí, formando uma massa gelatinosa. 
PLANTAS AQUÁTICAS 
 Neste processo de tratamento, plantas crescem em águas de pouca profundidade 
(geralmente menor que 0,60 m), propiciando ambiente para desenvolvimento de 
microrganismos que irão realizar o tratamento biológico dos esgotos. Tipos de plantas: flutuantes (aguapé), e fixas (taboa) 
 
SOLO - FERTIRRIGAÇÃO 
 O tratamento de esgotos no solo envolve o uso de plantas, a superfície do solo e a 
matriz do solo. 
 Os 3 processos principais de tratamento no solo são irrigação, infiltração rápida e 
escoamento superficial 
PROCESSO BIOLÓGICO ANAERÓBIO 
 Os processos de tratamento anaeróbio, são geralmente utilizados para águas 
residuárias com altas cargas orgânicas, tais como lodos de estação de tratamento 
ou efluente industrial com alta DBO. 
 
 Também utilizado no processo de desnitrificação, na remoção de nitrogênio, quando 
nitrito (NO2) e nitrato (NO3) agem como aceptores de elétrons. 
 
 No processo geral a matéria orgânica complexa é hidrolizada em componentes 
solúveis. O material solúvel é oxidado a ácidos orgânicos de baixa massa molecular 
(ácido acético que é o principal precursor do gás metano). Também ocorre a 
produção do gás hidrogênio. Finalmente ocorre a produção de metano. 
 
 Processo fermentativo que remove a matéria orgânica poluente e microrganismos 
patogênicos. Produz biogás e biofertilizante ricos em nutrientes assimiláveis e de 
melhor qualidade. 
 
FASES DO PROCESSO BIOLÓGICO ANAERÓBIO 
 A digestão anaeróbia é um dos processos mais antigos para a estabilização de lodos. 
Envolve a decomposição de matéria orgânica e inorgânica na ausência de oxigênio 
molecular. 
 
 Etapas do processo  a conversão biológica pode ocorrer em duas ou três etapas. 
 
 Transformação mediana por enzimas de grande PM em compostos que 
servirão com fonte de energia e carbono (1ª) 
Conversão dos compostos resultantes da primeira etapa em compostos 
intermediários de baixo PM (2ª) 
Conversão bacteriana dos compostos intermediários em compostos 
finais, principalmente metano e gás carbônico (3ª) 
MICROBIOLOGIA DO PROCESSO BIOLÓGICO 
ANAERÓBIO 
 
 Na sequência de 2 etapas, os microrganismos responsáveis pela decomposição da 
matéria orgânica são divididos em 2 grupo: 
 
 Hidrólise e fermentação dos compostos orgânicos complexos em ácidos orgânicos 
simples (acido propiônico e acético), pelas bactérias facultativas e anaeróbias; e 
 
 Conversão dos ácidos orgânicos em gás metano e CO2 (bactérias metanogênicas e 
anaeróbias). 
 
 As bactérias metanogênicas têm menores taxas de crescimento e portanto o seu 
metabolismo é considerado limitante no processo 
O PROCESSO BIOLÓGICO ANAERÓBIO 
ESQUEMATICAMENTE 
 
Na formação de metano, dois caminhos são possíveis, dependendo do substrato, e as 
bactérias metanogênicas parecem capazes de usar 3 categorias de substratos: 
Matéria Orgânica 
Complexa 
Ácidos orgânicos 
complexos 
H2 
Ácido acético 
CH4 + CO2 
20% 
76% 
4% 
52% 
24% 
72% 
28% 
CO2 
FASES DO PROCESSO BIOLÓGICO ANAERÓBIO 
 
 Fase 1  hidrólise e fermentação, produtos gerados: açúcares, álcoois, 
ácidos voláteis e H2 e CO2 
 
 Fase 2  acetogênese e dehidrogenação. Álcoois e ácidos voláteis com 
mais de 2 carbonos são oxidados a acetato e H2 
 
 Fase 3  metanogênese, caracterizada pela baixa pressão parcial de H2 
FATORES QUE AFETAM O 
PROCESSO ANAERÓBIO 
 pH  faixa de 6,5 a 7,5. A fase acidogênica o pH ideal de trabalho é de 5,5, a 6,0; já a fase 
metanogênica o pH ideal seria de 6,8 a 7,2. Ajuste de pH  cal (baixo custo), NaOH 
(custo elevado) e bicarbonato (alto custo) 
 
 Alcalinidade  suficiente para evitar que o pH caia abaixo de 6,5. A alcalinidade 
normalmente está na faixa de 1000 a 5000 mg/L, durante a digestão. A alcalinidade total é 
devida a presença de carbonatos, bicarbonatos, hidróxidos (alcalinidade básica) e da acidez 
volátil (alcalinidade dos ácidos voláteis). A alcalinidade expressa em bicarbonatos (mgCaCO3/ 
L) deverá ser de 2500 a 5000. 
 
 Acidez volátil  em concentração menor que 250 mg/L. 
 
 Operação do digestor  partida sempre colocar lodo em digestão ou materiais ricos em 
bactérias metanogênicas; aumentar gradativamente a carga orgânica, analisando nutrientes e % 
de metano e gás carbônico. 
 
 
FATORES QUE AFETAM O 
PROCESSO ANAERÓBIO 
 Oxigênio dissolvido  ausente 
 
 Metais pesados  baixa concentração 
 
 Sulfetos  baixa concentração 
 
 Nutrientes (N, P)  devem estar presentes (DBO:N:P = 100:2,5:0,5) 
 
 Temperaturas ótimas  bactéria mesofílicas (30° a 38ºC), e bactérias termofílicas (49° a 
57°C) 
 
 Agitação  mecânica ou retorno dos gases 
 
COMPOSIÇÃO QUÍMICA DO BIOGÁS 
CONSTITUINTES 
GASOSOS 
QUANTIDADE 
(%) 
CH4 40-75 
CO2 25 a 40 
N2 0,5-2,5 
Oxigênio 0,1-1 
H2S 0,1-0,5 
CO 0-0,1 
H 1-3 
Fonte: MAGALHÃES, 1986 
SISTEMAS DE TRATAMENTO QUE INCLUEM O 
PROCESSO ANAERÓBIO 
 
 Tanque Séptico 
 Tanque Imhoff 
 Digestor Anaeróbio 
 Filtro Anaeróbio 
 Digestor de Fluxo ascendente 
 Lagoa anaeróbia 
SISTEMAS DE TRATAMENTO QUE INCLUEM O 
PROCESSO ANAERÓBIO 
 Tanque Séptico  usados individualmente em casas, pequenas atividades isoladas. É uma 
unidade compacta que inclui sedimentação e digestão do lodo. Necessita de tratamento 
complementar. 
 
 Tanque Imhoff  é utilizado para vazões maiores, para conjuntos habitacionais, pequenas 
indústrias, pequenos comércios. Necessita de tratamento complementar. 
 
 Digestor anaeróbio  são unidades usadas em Estações de Tratamento de Esgoto 
convencionais, para tratamento do lodo. Tem grandes tempos de residência (10 a1 5 dias), 
comparados com outros tipos de digestores. 
SISTEMAS DE TRATAMENTO QUE INCLUEM O 
PROCESSO ANAERÓBIO 
 Filtro anaeróbio  é um desenvolvimento recente para tratamento de efluentes. Consiste 
de um tanque preenchido por meio fixo (pedra, plástico), onde o fluxo é ascendente, quando 
o líquido entra em contato com as bactérias anaeróbias. O tempo hidráulico de retenção é de 
horas. Esta unidade tem uso em algumas atividades industriais, com bons rendimentos a baixo 
custo. São unidades compactas. 
 
 Digestor de fluxo ascendente  é um processo semelhante ao filtro anaeróbio mas só 
que não há um meio físico de suporte para as bactérias. As bactérias encontram-se em 
suspensão, por meio da própria velocidade do líquido, fluxo ascendente, no reator. Unidades 
compactas, que utilizam pouco espaço. 
 
 
SISTEMAS DE TRATAMENTO QUE INCLUEM O 
PROCESSO ANAERÓBIO 
 Lagoa Anaeróbia  são lagoas profundas que são utilizadas para tratar efluentes 
domésticos ou industriais, geralmente associadas com outro tipo de tratamento. 
Tem boa eficiência em geral. As lagoas, necessitam de grandes áreas, daí serem 
indicadas para atividades que tenham terreno disponíveis. Os gases formados, 
geralmente não são aproveitados.