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Roteiro

Tratamento Biológico de Resíduos/Esgotos Juliana Calabria de Araujo CEFETMG Curso Técnico em Meio Ambiente disciplina de Ecologia Aplicada juli.calabria@ig.com.br. Roteiro. Tratamento Aeróbio tipos de sistemas, microrganismos e metabolismos Tratamento Anaeróbio

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  1. Tratamento Biológico de Resíduos/Esgotos Juliana Calabria de AraujoCEFETMGCurso Técnico em Meio Ambientedisciplina de Ecologia Aplicadajuli.calabria@ig.com.br

  2. Roteiro • Tratamento Aeróbio • tipos de sistemas, microrganismos e metabolismos • Tratamento Anaeróbio • Tipos de reatores, microrganismos e metabolismos • Combinação dos 2 tipos de tratamento

  3. Tratamento Biológico • Evitar a poluição ou promover a despoluição Ambiental. • Tratamento de Esgotos : remoção da matéria carbonácea (reduzir a DBO), material em suspensão, patógenos e nutrientes (N e P). • Respiração: • matéria orgânica + O2 CO2 + H2O + energia(ATP) • e N, P e S são oxidados a NO3-, PO43- e SO42-. • Tratamento Biológico : Aeróbio e Anaeróbio

  4. Principais Contaminantes em águas residuárias (Bitton, 1994 adaptado de Metcalf & Eddy, 1991) • Sólidos Suspensos • M. orgânica biodegradável • Patógenos e parasitas • Nutrientes (N e P) • Poluentes • M. orgânica refratária • Metais pesados • M. inorgânico dissolvido

  5. Composição do Esgoto Doméstico(Metcalf & Eddy, Inc. 1991)

  6. Características principais dos esgotos domésticos (Fonte:CETESB, 1989)

  7. Fontes de Poluição por compostos antropogênicos aromáticos tóxicos

  8. Principais microrganismos presentes nos esgotos, de importância no tratamento biológico (Metcalf & Eddy, 1991)

  9. Estrutura de uma célula Protozoário Opercularia Bactéria

  10. Metabolismo Bacteriano Substratos (Fonte de energia) Produtos CO2, H2O CH4, H2S, Propionato, acetato Catabolismo Geração de energia ATP Força Protomotiva Componentes celulares e Macromoléculas Novas células Anabolismo Consumo de energia Compostos simples (Monômeros) Biossíntese

  11. Utilização do substrato disponível (MO) no meio pelas bactérias A-Matéria solúvel –facilmente biodegradável (partículas de dimensões diminutas) B-Matéria em suspensão no esgoto-fração de degradação lenta (polímeros, como proteínas, lipídios e polissacarídeos), sofrem hidrólise fora da célula Bactéria Material solúvel Endo enzimas Exoenzimas Material solúvel dos esgotos Material Em suspensão dos esgotos

  12. Tratamento biológico • C6H12O6 + 6O2 6CO2 + 6H2O + energia (G0’-2870 KJ/mol) (NO3, SO4, PO4) • Metabolismo Aeróbio • C6H12O6 + aceptor  3CH4 + 3CO2 + energia (G0’-390 KJ/mol) (H2+ NH3+ H2S) • Metabolismo Anaeróbio

  13. Metabolismo Bacteriano

  14. Relação entre o consumo de oxigenio, crescimento microbiano, e remoção do carbono orgânico Substrato, CO Consumo de O2 (DBO) Bactérias Protozoários Tempo Bitton (1994); Adaptado de Gaudy (1972).

  15. DBO5d (T 20 0C escuro) • DBOc é a quantidade de O2 consumido pelos microrganismos heterotróficos para oxidar a matéria orgânica carbonácea (DBO (mg/L)= D1-D5/ P); P = vol. da am. diluida • DBOn (nitrógena) é a quantidade de O2 consumido pelos microrganismos autotróficos nitrificantes para oxidar o íon amônio a nitrato (DBOn teórica= 4,57 g de O2 usado por 1 g de NH4+ oxidado a nitrato); • Para medir a DBOc usa-se o 2-cloro-6 (triclorometil)piridina na conc. final de 10mg/L; • Equação geral: comp.orgânicos CO2+H2O+NH4+ massa bacteriana • (1/2Kg de novas células, para cada 1Kg de DBO estabilizada) • Biomassa bacteriana biomassa de protozoários+CO2 O2 heterotróficas O2 protozoários

  16. DQO • Quantidade de O2 necesário para oxidar o carbono orgânico completamente à CO2, H2O e amônia (Sawyer & McCarty, 1978); • Medido pela oxidação com K2Cr2O7 na presença de ácido sulfúrico e prata e é expresso em mg/L; • Em geral 1g de carboidrato ou 1g de proteína é equivalente a 1g de DQO; • DQO>DBO, grandes quantidades de compostos orgânicos que não são facilmente biodegradáveis; • Em esgoto doméstico não-tratado a DQO varia de 250 a 1.000 mg/L; Conc. De N-NH3 é 40 mg/L, para lançamento deve ser < 20 mg/L

  17. Fases do Crescimento bacteriano em uma cultura pura (segundo Monod) DBO realmente oxidada, Para a produção de novas células A: fase estacionária B: fase logarítima C: fase de declínio D: fase endógena C • Redução da DBO, Armazenam glicogênio. Log do Número D B A 9 1 2 3 4 5 6 7 8 10 Tempo (horas) É interessante (para o tratamento) que apenas parte da MO consumida seja utilizada para produção de energia, sendo desejável que grande parcela constitua elemento material para a reprodução bacteriana.

  18. tanque de aeração decantador secundário lodo secundário linha de recirculação adaptado de VON SPERLING, 1996 Lodos ativados Esgoto tratado Esgoto bruto MO+LA +O2 CO2+ H2O+ Energia

  19. T. Aeróbio: Lodos ativados tanque de aeração Floco biológico decantador secundário

  20. Lodos ativados • MO estabilizada por bactérias que crescem dispersas no tanque de aeração • TDH líquido – 6 a 8 horas • Idade do lodo – 4 a 10 dias • Remoção contínua do lodo biológico excedente • Lodo não é estabilizado no processo • Fornecimento de O2 – aeradores mecânicos ou ar difuso

  21. Lodos ativados • SS sedimentáveis e MO suspensa são removidos no decantador primário • Decantador secundário – biomassa sedimenta • Efluente sai clarificado • Lodo secundário retorna para o tanque de aeração – aumento de eficiência do processo • Remoção de DQO de 70 a 90%

  22. Microrganismos indicadores das condições de depuração em Lodos ativados

  23. Microrganismos indicadores do processo de lodos ativados Entamoeba Histolytica Charchesium Vorticella Rotífero –Lecane sp. Protozoários são aeróbios indicando boa condições de aeração; apresentam grande sensibilidade a substâncias tóxicas. Ausência destes ou falta de locomoção indica ambiente tóxico. Rotíferos também são bons indicadores de um sistema de LA estável. Protozoários ciliados são responsáveis pela remoção de E.coli (sua população é reduzida de 91 a 99% no processo de LA).

  24. Tanque de Sedimentação Tanque de Aeração Aumento do Lodo ativado 1 Matéria + Lodo Ativado + O2 Orgânica (COHNPS) CO2, H2O NO3 SO4, PO4 2 Ar Retorno do Lodo Ativado Lodo descartado Remoção da Matéria Orgânica em Lodos Ativados Corpo receptor 1- Biossíntese 2-Biodegradação

  25. Microrganismos presentes em sistemas de Lodos Ativados

  26. Lodos Ativados modificado para a remoção biológica de N e P NO3- NO2-  N2 NH3 +2O2 NO3- +H+ +H2O DESNITRIFICAÇÃO

  27. Nitrificação Nitrosomonas:(Nitrosospira, Nitrosococcus) NH4+ + O2 2NH2OH+ 2H+ NH4+ + 1.5O2NO2-+2H++H2O + 275KJ Nitrobacter:NO2- + 0.5 O2NO3-+75KJ (Nitrospira, Nitrococcus) Desnitrificação 6NO3 +5CH3OH3N2+5CO2+7H2O+6(OH)- Pseudomonas, Bacillus, Spirillum, Hyphomicrobium, Agrobacterium, Acinetobacter, Propionobacterium, Rhizobium, Corynebacterium, Cytophaga, Thiobacillus, Alcaligenes.

  28. Tratamento anaeróbio metanogênico • Objetivo: degradação biológica da matéria orgânica em ausência de luz e aceptores de é (SO4–2, NO3-, etc); • Processo global do C: • Mat. Orgânica  CO2 + CH4 + biomassa (lodos anaeróbios) • Energética da digestão: Glicose + 6 O2 6 CO2 + 6 H2O G0’-2870 KJ/mol Glicose  3 CO2 + 3 CH4 G0’-390 KJ/mol Conseqüências:baixo rendimento de biomassa e cooperação eficiente entre os microrganismos que participam do processo

  29. T. Anaeróbio: Reator UASB (upflow anaerobic sludge blanket) • Biomassa cresce dispersa – formação de grânulos de bactérias que servem como meio suporte • Concentração de biomassa elevada – manta de lodo • Formação de CH4 (metano) e CO2 • Biogás – metano - queima ou reaproveitamento • Baixa produção de lodo – já estabilizados – leitos de secagem • Não há necessidade de decantação primária

  30. REATORES UASB: Esquema de funcionamento Paulo Libânio

  31. Morfologias em biodigestores anaeróbios Barra 2 mm Barra 4 mm

  32. Decomposição anaeróbia da matéria orgânica a metano (Zehnder, 1988) Polímeros (proteínas, lipídeos, polissacarídeos) Monômeros e Oligômeros (açúcares, aminoácidos e peptídeos) Hidrólise e fermentação Propionato, Butirato (ácidos graxos, alcoois, lactato) Acetogênese e desidrogenação H2 + CO2 Formiato ACETATO Metanogênese acetoclástica Metanogênese hidrogenotrófica CH4 + CO2

  33. Em um biodigestor anaeróbio….. Anammox 4 Metanogênicas Metanogênicas acetotróficas Metanogênicas hidrogenotróficas 3 Acetogênicas 2 Acidogênicas 1 Hidrolíticas

  34. REATORES ANAERÓBIOS: Alguns aspectos relevantes • Baixíssimos requisitos de área: 0,05 a 0,10 m2/hab. • Custos de implantação: 30,00 a 40,00 R$/hab. • Custos operacionais: 1,50 a 2,00 R$/hab x ano • Apesar das grandes vantagens, encontram dificuldades em produzir efluentes que se enquadrem aos padrões ambientais • Necessidade de pós-tratamento

  35. Exemplos de reações que ocorrem nos biodigestores anaeróbios (Zinder apud Glazer & Nikaido, 1995)

  36. Um microrganismo sozinho não pode realizar a reação completa • Há separação de funções metabólicas nestes microrganismos; • Muitos são especialistas; • Bactérias Generalistas • hidrolíticas e fermentadoras: variam segundo o substrato (ex: Clostridium, Acetivibrio) Bactérias especialistas • Fermentadoras redutoras obrigatórias de prótons: propionato, butirato, etanol, lactato (Syntrophomonas wolinii, S. wolfei) • Metanogênicas: acetato e H2

  37. Arqueas Metanogênicas

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