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Processos aeróbios
• Prof. Paulo Roberto Koetz
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2
Tratamento Biológico
•Remoção da matéria orgânica– Metabolização por microorganismos
• Aeróbio– presença de oxigênio
• Anaeróbio– ausência de oxigênio
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Tratamento Biológico
•Metabolismo– Utilização pelas bactérias do material
orgânico• Fonte de energia• Fonte material para a síntese celular.
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4
Tratamento Biológico
•Catabolismo– Material orgânico
• Fonte de energia
•Anabolismo– Material orgânico
• Massa celular.
•Processos interdependentes
•Simultaneos
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Divisão celular
Parede
celular Septo
Membrana
DNA Cromossoma
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Metabolismo Aeróbio Metabolismo Metanogênico
Catabolismo: 33%
Catabolismo: 97%
Anabolismo: 67%
Anabolismo: 3%
METABOLISMO BACTERIANO: AERÓBIO X ANAERÓBIO
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7
Metabolismo Microbiano
ClassificaçãoFonte de
energia
Fonte de
CarbonoMicroorganis
mo
Fotoautotrófico Luz CO2 Algas - Bactérias
Quimioautotróficos
Redox
inorgânica
NH3, NO2, S-2
CO2
Bactérias
nitrificantes
Quimioheterotróficos
Redox orgânica Corg
Corg Fungos
Bactérias
Fotoheterotróficos Luz Corg Sulfobactérias
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Classificação em função do metabolismo
Metabolismo μO Redutor Receptor e- Composto final
RespiratórioAeróbios
obrigatóriosCorg O2 H2O
Respiratório anóxico Anóxicos Corg
NO3 – NO2 – SO4
NO2 – N - S-2
MetanogênicoAnaeróbios obrigatórios
Corg CO2 CH4
Fermentativo aeróbio
Anaeróbias facultativas
Corg O2 H2O
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Tratamento Biológico
• Objetivos– Coagular sólidos não decantáveis– Diminuir o tamanho da molécula– Diminuir a reatividade química.– Remover nutrientes, N e P– Remover substâncias orgânicas e inorgânicas.– Condicionar o efluente aos padrões de emissão de efluentes líquidos
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Tratamento Biológico
•Os processos biológicos– Remoção da poluição dissolvida
•O efluente do tratamento primário– Sólidos particulados
– Sólidos dissolvidos
......Mas............
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Tratamento Biológico
• Redução do tamanho das moléculas– Esta redução não irá ocorrer no corpo
receptor
• Liberação de C, N na atmosfera
• Formação de novas células• As novas células quando removidas carregam
as substâncias poluentes dos efluentes.
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Tratamento Biológico
• Conhecimentos necessários– Características físico-químicas dos
efluentes
–Microbiologia do tratamento de efluentes
–Cinética do crescimento dos microorganismos
–Desenho de reatores
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Tratamento Biológico
• Microorganismos envolvidos–Bactérias quimioheterotróficas
• Remoção da matéria orgânica em maior quantidade
–Bactérias quimioautotróficas• Transformações especiais
– nitrificantes
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Tratamento Biológico
• Microorganismos envolvidos– Protozoários– Fungos– Algas
• Metabolismo simbiótico das lagoas de estabilização
– Outros organismos
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Tratamento Biológico
• Aeróbio– Material orgânico é oxidado para produtos
minerais• Lodo Ativado• Lagoa Aerada• Filtro Biológico
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Tratamento Biológico
• Anaeróbio– Produtos finais são gases
• Biogás– Metano– Dióxido de carbono
– Lagoa Anaeróbia– Filtro Anaeróbio– Leito Fluidizado / Expandido– UASB– RALF
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Sistemas Aeróbios:MO + O2 + µO µO + CO2 + H2O
Sistemas Anaeróbios:MO + µO µO + CO2 + CH4 + H2O
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Princípios do tratamento biológico
• Substrato– Metabolizado dentro ou fora da célula– Complexo enzimático– Substância poluente específica de um efluente
• Indústria de alimentos– proteínas, carboidratos e lipídios, mas também sais orgânicos
e inorgânicos, ácidos orgânicos e inorgânicos e outros
Substrato µO Metabólitos + µO
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Princípios do tratamento biológico
• Microrganismos– Bactérias, archae fungos, leveduras, algas e
cianobactérias.• Metabólitos
– Substâncias transformadas que não são mais utilizadas no metabolismo celular
– Moléculas modificadas– Moléculas lisadas– ¨Novos¨ resíduos
Substrato µO Metabólitos + µO
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Princípios do tratamento biológico
• Contem o material proveniente dos resíduos– Na forma de novas células ou adsorvidos na parede celular.
• A remoção destes microrganismos da massa líquida remove a poluição
• A massa de microrganismos– Biomassa ou lodo secundário– A biomassa retirada do sistema
• Biomassa em excedente
Substrato µO Metabólitos + µO
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Condições ambientais
•Temperatura•pH•Agitação•Viscosidade do meio•Macro-Nutrientes•Micronutrientes•Co-fatores•Luz•Pressão osmótica
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Condições ambientais - Temperatura
•Psicrofílico – 5ºC a 20ºC•Mesofílico - 20ºC a 50ºC•Termofílico - 50ºC a 55ºC
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Condições ambientais - Aeração
•Aeróbios obrigatórios– Necessidade absoluta de O2
• Bacillus e Pseudomonas
•Anaeróbios obrigatórios– Não se multiplicam em presença de O2
• Clostridium
•Anaerobios Facultativos– Crescem em presença ou ausência de O2
• Leveduras e Escherichia coli
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Condições ambientais - Oxigênio
•Microaerofilas
– Crescem em baixos níveis de O2
• 2 % a 10% O2
• Maiores concentrações de oxigênio são tóxicas
•Aerotolerantes
– Crescem em ausência ou presença de O2
– As diferenças entre as necessidades de O2 pelas
bactérias são devidas aos sistemas enzimáticos
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Condições ambientais - Nutrientes
•Carbono orgânico
•Nitrogênio
•Fósforo
•Micronutrientes
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Tratamento Biológico
•A cinética dos processos biológicos é sempre feita a partir de experimentos com sólidos dissolvidos
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Curva de crescimento
Aceleração
ln µ
O
Lag
Fase log
Desaceleração
estacionária
Morte
Tempo
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Curva de crescimento
Log
nº c
élul
as (
x)
dX
Tempo (t)
dt
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Fase exponencial em TTBE
• O substrato é variado, simples e complexo• A biomassa é heterogênea• Os produtos intermediários são variados e
complexos.• As condições ambientais não são homogêneas• A curva de crescimento dos microrganismos
–não acontece com o mesmo desenho do que em cultura pura
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Fase exponencial
• Divisão binária• A população está crescendo em progressão geométrica• As células se dividem em uma taxa constante
– Dependendo das condições do meio e das condições de incubação
• Tempo de geração ou tempo de duplicação• Taxa de crescimento exponencial de uma cultura• Definição
–Tg = t/n– n = número de gerações
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Fase exponencial
• Os tempos de geração entre as bactérias variam de doze minutos até 24 hora ou mais.
• Muitas autotróficas, como as nitrificantes tem um tempo de geração mais longo
• Uma cultura bacteriana pode ser mantida em crescimento exponencial por um longo período de tempo usando um sistema de cultura contínua. As condições serão mantidas as mesmas que no final da fase continua em batelada
• A população cresce (formação de células) na mesma medida em que as células bacterianas são removidas do reator. A taxa de adição de novo substrato determina a taxa de crescimento das bactérias.
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Quantificação das bactérias (biomassa)
• Microscopia direta
• Contagem globas de bactérias• Turbidez. • Medida de grande concentração de bactérias
em meio líquido claro• Método rápido e não destrutivo• Sensibilidade > 107 celulas.mL-1
• Medida de N total ou proteina• Medida de atividade bioquímica
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Quantificação das bactérias (biomassa)
• Sólidos suspensos voláteis–Centrifugação
–Gravimetria
–Considera todo o SSV como biomassa
–O método mais usado em TTEF
–Expresso como mg.L-
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Reatores
• Contenção do efluente
• Otimização das condições de crescimento
• Fixação dos equipamentos auxiliares
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Parâmetros de projeto
• B – Carga orgânica aplicada volumétrica
• TDH - Tempo de detenção hidráulico
• Velocidade de fluxo, Q/A
• Modelização13rrs d.kg.m em VQ x C B
(h) horas ou (d) dias em QV TDHr
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Parâmetros de projeto
• Sistemas Aeróbios– MO + O2 + µO µO + CO2 + H2O
• Sistemas Anaeróbios
– MO + µO µO + CO2 + CH4 + H2O13rrs d.kg.m em VQ x C B
(h) horas ou (d) dias em QV TDHr
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Parâmetros de projeto
• Exemplos de cargas orgânicas aplicadas– 0 kg.m-3
r.d-1
– 4 kg.m-3r.d-1
– 10 kg.m-3r.d-1
– 20 kg.m-3r.d-1
– Lagoas de estabilização• Carga expressa em ha de superfície ou em volume
– 600 kg.ha-1r.d-1
13rrs d.kg.m em VQ x C B
(h) horas ou (d) dias em QV TDHr
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Tratamento biológico
Sistemas Aeróbios
MO + O2 + µO µO + CO2 + H2O
Sistemas Anaeróbios
MO + µO µO + CO2 + CH4 + H2O
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39
Processos biológicos de tratamento
Met. Sól – líq,
S
Ar
Agitação
Met. gasosos
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Tipos de Reatores
• Batelada• Pistão• Mistura perfeita
• Filme fixo• Leito Fluidizado
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Escolha de um Reator
• Tipo de efluente a ser tratado• Cinética do processo• Necessidades do processo
• Condições locais ambientais– Mercado– Proselitismo– Experiência divulgada– Equipamentos disponíveis– Custo do investimento
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42
Tratamento biológico
% 95 100 x )000 2
100 - (1 E Afluente
Q = 1 000 m3.d-1
S0 = 2 000 mg.L-1
(S0) = 2 000 kg.d-1
Vr = 500 m3
Efluente
Sf = 100 mg.L1
d 0,5 .dm 000 1
m 500 TDH
1-3
313
r3
-1.dkg.m 4
m 500
kg.d 000 2 B