Baixe Cinética e Processos Biológicos em Tratamento de Efluentes: Nitrificação e Denitrificação e outras Resumos em PDF para Química Inorgânica, somente na Docsity!
I-121 - CINÉTICA QUÍMICA E FUNDAMENTOS DOS PROCESSOS DE
NITRIFICAÇÃO E DENITRIFICAÇÃO BIOLÓGICA
Eduardo S. Ferreira(1) Engenheiro Químico e Pós Graduado em Controle Ambiental pela Fundação Universidade do Rio Grande - FURG. Especializado em remoção de nitrogênio de efluentes líquidos, separação água-óleo, clarificação, oxidação química, neutralização, tratamento biológico e tratamento de água. Coordenou a implantação de todo tratamento de efluentes líquidos da Refinara Ipiranga, onde atua como chefe de projetos.
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RESUMO
A demanda crescente dos usos das águas naturais tem gerado necessidades crescentes de processos efetivos no tratamentos de efluentes líquidos, e estratégias de gerenciamento dos recursos naturais. As tecnologias disponíveis para o controle do nitrogênio em efluentes industriais e domésticos têm se tornado uma poderosa ferramenta tanto para a correta disposição de efluentes, como para o gerenciamento das águas. O controle do nitrogênio, em efluentes líquidos, através da aplicação de processos biológicos, começou nos Estados Unidos ao final da década de 60, tendo sido identificado como de grande importância, demonstrado pelos efeitos adversos que as formas de nitrogênio apresentam sobre os sistemas aquáticos. Os processos biológicos de remoção de nitrogênio - nitrificação e denitrificação, apresentam-se com muita eficácia e simplicidade quando comparados a métodos físico-químicos como a cloração, troca iônica e deslocamento com ar ( stripping ), que embora possam e devam ser utilizados em certas situações, não são, algumas vezes, ambientalmente compatíveis como os processos biológicos. Por esta razão, os processos biológicos de remoção de nitrogênio além de estarem substituindo os processos físico-químicos, estão encontrando aplicações crescentes, mesmo nas condições mais adversas, com melhores custos operacionais. A cinética da nitrificação e da denitrificação pode ser considerada como o estudo dos fatores que influenciam as taxas destas reações químicas, e como sendo a modelagem destas taxas. O crescimento das Nitrossomonas é limitado pela concentração de amônia, e o crescimento das Nitrobacter é limitado pela acumulação de nitrito. A taxa de oxidação da amônia é controlada pelo crescimento das Nitrossomonas, denominado coeficiente de produção das Nitrossomonas. A cinética da denitrificação pode ser descrita através de equações, de maneira similar à outras reações químicas por via microbiana, como a própria nitrificação ou como a remoção de matéria orgânica. A taxa de remoção de nitrato pode ser correlacionada com a fração do substrato ( expresso como DQO ) e do nitrato que são usadas para síntese da biomassa e, como a fração do nitrato que é utilizada na respiração anóxica e na respiração endógena. As taxas das reações de remoção do nitrogênio são fortemente afetadas pela cinética dos reatores biológicos. Reatores tipo Plug-Flow e reatores em série, produzirão maiores taxas de denitrificação quando a ordem da reação for maior que zero. As taxas das reações de nitrificação são lineares com relação à concentração de nitrogênio amoniacal, o que é resultado da ordem zero destas reações. Para a escolha e dimensionamento de reatores biológicos, são necessárias as considerações cinéticas, a fim de se chegar ao sistema de lodo ativado - sistema de crescimento em suspensão, ou a fim de se chegar ao sistema de filtro biológico - sistema de crescimento em leito fixo, tendo-se em conta a vazão de projeto, concentrações das formas de nitrogênio e matéria orgânica, seleção dos coeficientes cinéticos adequados aos respectivos efluentes - taxa de produção do lodo, taxas de crescimento das nitrificadoras, temperaturas dos reatores, idade do lodo ou tempo de retenção do lodo e coeficientes de respiração.
PALAVRAS-CHAVE: Nitrificação, Denitrificação, Efluentes Líquidos, Reatores Biológicos, Cinética Química, Nitrogênio total, Nitrogênio Amoniacal, Nitrito, Nitrato.
INTRODUÇÃO
Fazendo parte dos processos biológicos de tratamento de efluentes, as etapas de remoção das formas de nitrogênio estão encontrando aplicações crescentes à medida que as diversas atividades humanas se intensificam. Neste sentido os processos biológicos mostram-se de maneira simples, eficazes, fáceis de serem projetados e operados.
No presente trabalho serão estudados os conceitos básicos da nitrificação e denitrificação, a cinética química destas reações biológicas, compreendendo os diversos fatores que influenciam as taxas destas reações, a importância do tipo de tratamento biológico com relação à remoção de nitrogênio. Também serão demonstrados os principais tipos de reatores biológicos e sua cinética específica, com a finalidade de se estabelecer uma comparação entre os diversos tipos e entre as suas particularidades, inclusive para adaptação de sistema complementar de remoção de nitrogênio em tratamentos biológicos comuns.
A cinética dos diversos reatores biológicos pode ser abordada partindo-se de modelos consagrados, e desenvolvida conforme cada tipo de reator, dependendo das condições existentes tanto dos efluentes brutos como das metas estabelecidas para lançamento de efluentes líquidos.
A adaptação de tratamentos biológicos, com vistas à remoção das formas de nitrogênio - orgânica, amoniacal nitritos e nitratos, é uma tarefa simples e viável, tendo-se como ponto de partida o desempenho atual do sistema - eficácia e dados de entrada e saída, podendo ser adicionadas etapas específicas dentro do sistema biológico existente ou após o mesmo para uma complementação específica da remoção de algumas das formas de nitrogênio presente.
A nitrificação e denitrificação biológicas, sendo respectivamente a oxidação do nitrogênio amoniacal e a redução dos nitratos e nitritos, é levada a cabo por bactérias - seres que apresentam metabolismo específico e próprio, o que deve ser levado em conta para se estabelecer os limites de trabalho de cada sistema de tratamento quanto a sua capacidade, suas tolerâncias de toxidez e carga, dentro de determinados parâmetros de dimensionamento e projeto, com a finalidade de se produzirem efluentes com boa qualidade ambiental e atendendo a legislação vigente. Desta forma será estabelecida uma compreensão a respeito dos processos e sistemas de remoção de nitrogênio, seus limites e limitações, seus benefícios, sua aplicabilidade e versatilidade diante das diversas possibilidades existentes no tratamento de efluentes líquidos de indústrias e de cidades.
CONCEITUAÇÃO E FUNDAMENTOS DA NITRIFICAÇÃO BIOLÓGICA
A nitrificação é um processo biológico, portanto presume a ação de seres vivos, levada a cabo por bactérias especiais, mas que ocorrem naturalmente em sistemas onde existam condições aeróbias e a presença de nitrogênio amoniacal.
Embora pareça bastante simples este processo precisa ocorrer sob condições controladas, caso contrário os próprios produtos do metabolismo destas bactérias causarão aumento de toxidez no meio o que é muito nocivo para as mesmas.
Para entendermos melhor o que ocorre vamos ver como se processam estas reações químicas de oxidação por via biológica:
NH 4 OH + 2 O 2 ➜➜➜➜ HNO 3 + 2 H 2222 O ( Nitrificação ) ( equação 1 )
Este processo biológico consiste na oxidação de amônia para nitratos, com formação intermediária de nitritos. Dois organismos autotróficos são responsáveis pela transformação do nitrogênio: as NITROSSOMONAS e as NITROBACTER.
NH 4 OH + (^) 3/2O 2 ➜➜➜➜ NO 2 + 2 H 2222 O ( equação 2 ) As Nitrossomonas oxidam o nitrogênio amoniacal para N-NO 2 ( nitrito ), conforme equação 2.
NO 2 + (^) 1/2 O 2 ➜➜➜➜ NO 3 ( equação 3 )
As Nitrobacter oxidam o nitrito - NO2 para nitrato - NO 3 , conforme a equação 3.
Esta reação libera, conforme estimativas de pesquisadores, de 15,4 a 20,9 Kcal/mol de nitrito, nas condições tipicamente encontradas no interior das células microbianas.
Assim as Nitrossomonas obtêm mais energia por mol de nitrogênio oxidado do que as Nitrobacter. Se assumirmos que a produção de novas células é proporcional à energia liberada, concluiremos que existirá uma quantidade maior de Nitrossomonas formadas do que de Nitrobacter, por mol de nitrogênio oxidado.
A reação global de oxidação da amônia, obtida pela soma das duas equações anteriores, é:
NH 4 + 2 O 2 ➜➜➜➜ NO 3 + 2 H +^ + H 2222 O ( equação 6 )
As equações que representam a síntese das Nitrossomonas e Nitrobacter, assumindo que sua fórmula empírica é C 5 H 7 NO 2 , são as seguintes:
13 NH 4 +^15 CO^2 ➜➜➜➜^ 10 NO 2 +^3 C 5 H^7 NO^2 +^23 H^
4 H 2222 O^ ( equação 7 ) Nitrossomonas
10 NO 2 +^5 CO 2 + NH^4 +^2 H^2 O^ ➜➜➜➜^ 10 NO^3 + C 5 H^7 NO^2 +H^
+ (^) ( equação 8 ) Nitrobacter
As células bacterianas crescem combinando as reações que produzem energia como aquelas que envolvem síntese celular. A eficiência dos microorganismos em converter a energia liberada em biomassa mostra como estas equações são combinadas. A eficiência pode ser medida em termos de produção celular ( yield - Y ), expressa como massa celular produzida por massa de substrato utilizada, ou seja massa de SSV produzida por massa de amônia ou nitrito oxidada.
Os valores de produção celular - Y calculados das relações teóricas de liberação de energia são 0,29 g SSV/g N-NH 4 e 0,084 g SSV/g NO 2. Os valores de produção celular em experimentos são menores: 0,04 a 0,13 g SSV/g N-NH 4 e 0,02 a 0,07 g SSV/g N-NO 2. Assim sendo, os valores práticos são mais baixos por que uma fração da energia livre liberada pela oxidação é desviada para a manutenção de funções microbianas. A produção total de nitrificadoras, quando se considerar nitrificação como processo de única etapa na oxidação de amônia para nitrato, é de 0,06 a 0,20 g SSV/g N-NH 4 oxidada.
Os valores práticos de produção celular variam conforme variarem as condições ambientais e com mudanças na taxa de crescimento das células microbianas, e são o crescimento líquido das células microbianas, levando em conta o processo de decaimento endógeno. O efeito do decaimento endógeno, no entanto, é considerado como não significante, gerando a incerteza na estimativas da produção efetiva de Nitrossomonas.
As equações para síntese das nitrificadoras, com produção de 0,08 g SSV/gN-NH 4 e 0,07 g SSV/g N-NO 2 , são as seguintes, respectivamente:
1,00 NH 4 +^ 1,44 O 2 +^ 0,0496 CO 2 ➜➜➜➜^ 0,990 NO^2 +^ 0.01 C 5 H 7 NO 2 +^ 1,99 H^
0,970 H 2222 O^ ( equação 9 )
1,00 NO 2 +^ 0,00619 NH^4 +^ 0,031 CO^2 +^ 0,0124H^2 O +^ 0,50O^2 ➜➜➜➜^ 0,00619 C 5 H^7 NO 2 +^ 1,00 NO3 +^ 0,00619 H^
+ (^) ( equação 10)
A combinação destas equações dá a reação global que representa a nitrificação:
1,00 NH 4 +^ 1,89 O 2 +^ 0,0805 CO 2 ➜➜➜➜^ 0,984 NO^2 +^ 0.0161 C 5 H 7 NO 2 +^ 1,98 H^
0,952 H 2222 O^ ( equação 11 )
As conseqüências desta equação nos projetos de sistemas de nitrificação são importantes, por serem significativas. Os coeficientes estequiométricos implicam que a cada mol de amônia removida, o processo requer significativas quantidades de oxigênio, produz pouca quantidade de biomassa, e resulta numa substancial destruição da alcalinidade, através da produção de íons hidrogênio. Como exemplo, de acordo com a equação acima, a síntese e oxidação de 50 mg/L de N-NH 4 ( eqüivalente a 64,25 mg/L NH 4 ) resulta em:
- Consumo de 216,0 mg/L de oxigênio
- Produção de 6,50 mg/L de organismos nitrificadores
- Destruição de 353,5 mg alcalinidade ( como CaCO 3 )
Os valores utilizados e geralmente aceitos na prática para projetos de sistemas de nitrificação são os seguintes, apresentados na tabela 1:
Tabela 1: Coeficientes e parâmetros de projeto.
Parâmetro Equação Coeficiente
Utilização de Oxigênio
Produção de Biomassa
Alcalinidade destruída
g O2 requerido / g N-NH 4
g SSV nitrificadoras produzidas / g N-NH 4
g alcalinidade (CaCO 3 ) / g N-NH 4
O coeficiente de utilização de oxigênio de 4,6 é bastante conservativo, uma vez que ele considera apenas a energia da reação, sem considerar a parcela de nitrogênio que é utilizada para síntese celular.
Ressaltamos a que, na maioria dos sistemas de nitrificação, em tratamento de efluentes, outros compostos biodegradáveis terão influência no coeficiente global de utilização do oxigênio, produção de biomassa e destruição da alcalinidade.
As reações de nitrificação tomam lugar em ambientes aquosos. Assim a produção de ácidos livres (H+) e o consumo do dióxido de carbono (CO 2 ) deslocarão o equilíbrio do sistema do ácido carbônico aquoso, podendo afetar o pH do reator de nitrificação, que por sua vez, afeta a taxa de crescimento das nitrificadoras.
Cinética da Nitrificação
Nas reações de nitrificação, acima demonstradas, a cinética pode ser considerada como o estudo dos fatores que afetam as taxas destas reações, e suas justificativas. A remoção de amônia ocorre através de síntese microbiana e oxidação a nitrito e nitrato. As expressões cinéticas serão apresentadas para descrever melhor as taxas de crescimento das nitrificadoras e de oxidação da amônia, e o impacto que o número de fatores ambientais têm na performance destas taxas serão também considerados. Outros fatores podem ser citados, como a relação entre o carbono orgânico alimentado e o nitrogênio, limitações difusionais e a influência de zonas redutoras, sendo estas últimas relativas ao aporte de oxigênio.
O crescimento das Nitrossomonas é limitado pela concentração de amônia, enquanto que o crescimento das Nitrobacter é limitado pela concentração de nitrito. A equação cinética proposta por Monod é usada para descrever a cinética do crescimento biológico tanto de uma como de outra espécie:
K S
S
S +
μ ≡ μ' ( equação 12 )
onde:
μ = taxa de crescimento específica de microorganismos, d-
μ’ = taxa máxima de crescimento específica de microorganismos, d- KS = coeficiente de meia-saturação ou meia-velocidade, mg/L S = concentração de substrato limitante ao crescimento, mg/L
O coeficiente KS é equivalente à concentração de substrato limitante do crescimento na metade da taxa máxima específica de crescimento microbiano. O nitrito, em sistemas operando em equilíbrio, não é acumulado devido a taxa máxima de crescimento das Nitrobacter ser consideravelmente maior do que a taxa máxima de crescimento das Nitrossomonas e pelos valores de KS serem menores que 1 mg/L para ambos microorganismos, em temperaturas abaixo de 20º C.
A taxa de crescimento das nitrificadoras pode ser modelada utilizando-se a conversão de amônia a nitrito como etapa limitante:
K N
N
N
N
μ ≡ μ' ( equação 13 )
Tabela 2: Taxa máxima de crescimento das Nitrossomonas e coeficientes de meia saturação.
μ’ (^) N KN 1,32 3, 0,84 1, 1,62 0,
Quando KN é baixo em relação ao nível de amônia, a taxa de crescimento das nitrificadoras e a taxa de oxidação de amônia são independentes da concentração de amônia, o que significa que as Nitrossomonas vão crescer com taxa máxima, em sistemas de lodos ativados com reatores de mistura completa. Quando o nível de amônia é maior do que os valores de KN, a cinética das reações fica próxima da primeira ordem, isto é, a taxa de crescimento é dependente da concentração de substrato. Mas a independência da taxa de crescimento com relação à concentração do substrato, tem sido relatada por pesquisadores como seguindo uma cinética de ordem zero.
O número de fatores ambientais influencia significativamente a taxa de crescimento das nitrificadoras, impactando a tempo de residência requerido para garantir suficiente desenvolvimento e retenção das nitrificadoras no sistema de tratamento biológico. Enquanto que fatores que afetam a cinética do processo podem não influenciar intrinsecamente a taxa de crescimento, eles afetarão a seleção de valores do projeto de processos.
As bactérias nitrificadoras - Nitrobacter e Nitrossomonas, muito sensíveis à toxidez do meio e, principalmente às variações desta toxidez introduzida pelos efluentes a serem tratados, podem se estabilizar e se estabelecer em um tratamento biológico, desde que sejam bem conhecidas a cinética do processo e os efeitos que os interferentes causam na conversão do nitrogênio amoniacal a nitrito e a nitrato,
Efeito da Temperatura
O processo de nitrificação ocorre numa larga faixa de temperatura, de 4º a 45º C, sendo a temperatura ótima para Nitrossomonas igual a 35º C, e de 35º a 42º C como ótima para as Nitrobacter. Este processo é fortemente dependente da temperatura.
Estimativas conservativas para a taxa máxima de crescimento da Nitrossomonas, numa faixa de temperatura de 10º a 30º C, são apresentadas a seguir:
Tabela 3: Influência da temperatura sobre a taxa máxima de crescimento das Nitrossomonas.
Temperatura, ºC (^) μμμμ’ (^) N, d-
10 0,
20 0, 30 1,
Devemos destacar que estas taxas de crescimento são bastante difíceis de serem obtidos de forma concreta e conclusiva. Entre a tabela acima e a anterior encontramos diferenças razoáveis devido serem valores coletados de diferentes fontes de literaturas.
Os valores de μμμμ’ (^) N apresentados acima estão de acordo com a equação de van’t Hoff - Arrhenius, a qual prediz que a taxa de crescimento dobra a cada 10ºC de aumento de temperatura.
A taxa de nitrificação decresce acima de 30º - 35ºC. Esta faixa de temperatura é limitada pelo resultado de dois processos interativos: o aumento antecipado da taxa de reação com a temperatura e a desnaturação de proteínas acima da temperatura crítica. Para propósitos de projeto, uma expressão tipo Arrhenius do efeito da temperatura na taxa máxima de crescimento das Nitrossomonas, numa faixa de temperatura de 5º a 30ºC, é a seguinte, e seu respectivo gráfico:
μμμμ ’ (^) N =0,47 e0,098(T - 15)^ ( equação 17 )
Figura 2: Relação entre taxa de Nitrificação e Temperatura.
Para KN tem sido relatado a variação de acordo com a expressão tipo Arrhenius, mas os valores baixos deste coeficiente e faixa reportada destes valores, mesmo em temperatura constante, levam a se escolher um valor constante de 1,0 mg/L N-NH 4 +^ assumido para projetos.
Efeito da Concentração de Oxigênio Dissolvido
A concentração de oxigênio dissolvido - OD tem efeito significante nas taxas de crescimento das nitrificadoras, em tratamentos biológicos. A modelagem do crescimento das Nitrossomonas, através da equação de Monod, com OD sendo concentração limitadora do crescimento, os valores para os coeficientes de meia-saturação tem sido relatados estejam na faixa de 0,15 a 2,0 mg/L OD. Estes coeficientes crescem com o aumento de temperatura.
A relação entre o OD e a cinética da nitrificação apresenta as seguintes relações:
♦ O valor de OD para o qual a nitrificação é limitada pode ser de 0,5 a 2,5 mg/L, tanto em sistemas de crescimento suspenso como naqueles de crescimento agregado, em condições de equilíbrio, dependendo do grau do transporte de massa ou resistência difusional, e do tempo de retenção dos sólidos.
♦ Um alto tempo de retenção de sólidos pode ser necessário para garantir nitrificação completa em baixas concentrações de OD, e para condições onde a resistência difusional seja significante.
♦ Sob condições transientes de carga orgânica de choque, as resistências difusionais e a competição das heterotróficas com as nitrificadoras podem aumentar o valor limitante do OD significativamente.
♦ Também sob condições transientes, a conversão do nitrito a nitrato pode tornar-se a etapa limitante da taxa no, no processo de nitrificação. Em tais condições a acumulação do nitrito não correlacionada com baixos valores de OD.
Podemos concluir que a taxa de crescimento das Nitrossomonas não está limitada em níveis de OD acima de 1,0 mg/L, mas na prática, é requerido um OD maior do que 2,0 mg/L. Quando em projetos de sistemas de aeração ou injeção de oxigênio em um sistema de crescimento suspenso (lodo ativado, orbal, etc.) é
E fe ito da Te m pe ra tu ra na O x id a çã o d a A m ô nia
0
0 ,
1
1 ,
2
2 ,
5 1 0 1 5 2 0 2 5 3 0
T e m p e ra tu ra , ºC
Crescimento máximo
Nitrossomonas
com o metabolismo celular ou com as reações oxidativas. Qualquer que seja o mecanismo da inibição, é fundamental quando isto ocorre que se estabeleça uma metodologia, para determinar as causas potenciais da inibição do sistema biológico.
A tabela a seguir mostra uma lista de substâncias orgânicas que causam algum grau de inibição. Entretanto devemos tomar cuidado quando interpretarmos as concentrações de compostos inibitórios de literaturas, pois a aclimatação pode ocorrer e remover efetivamente o efeito inibitório.
Tabela 4: Compostos inibidores da nitrificação.
Composto Concentração que gera 50% inibição, mg/L
Acetona 2.
Dissulfeto de Carbono 38
Clorofórmio 18
Etanol 2.
Fenol 5,
Etileno diamina 17
Hexametileno diamina 85
Anilina < 1
Monoetanolamina < 200
Determinadas substâncias inorgânicas, incluindo alguns metais, são inibitórios para as nitrificadoras. Os metais pesados, em concentrações da ordem de 10 a 20 mg/L pode ser bem tolerados pelas nitrificadoras devido a baixa concentração iônica destes metais nas faixas de pH de 7,5 - 8,0. Os compostos inorgânicos identificados como inibidores potenciais da nitrificação são os seguintes: Zinco, Cianetos, Percloratos, Cobre, Mercúrio, Cromo, Níquel, Prata, Cobalto, tiocianatos, azida de sódio, hidrazina, cromato de potássio, Cádmio, Arsênico trivalente, Fluoretos, Chumbo.
Os organismos nitrificadores são sensíveis a certas formas de nitrogênio, como amônia não-ionizada ou amônia livre e ácido nitroso livre, acima de determinados limites. A amônia livre começa a inibição das Nitrossomonas em concentrações de 10 - 150 mg/L e da Nitrobacter na faixa 0,1 - 1,0 mg/L. O ácido nitroso livre inicia a inibição das Nitrossomonas e Nitrobacter na faixa de concentração de 0,22 - 2,8 mg/L. As concentrações tanto do ácido nitroso livre como da amônia livre são diretamente dependentes do pH e da temperatura, e das concentrações respectivas, tanto da parcela livre como a ionizada, de amônia e nitrito, conforme os seguintes equilíbrios químicos:
NH 4 +^ + OH -^ ↔↔↔↔ NH 3 + H 2222 O ( equação 18 ) Reação de formação de amônia livre
H +^ + NO 2 -^ ↔↔↔↔ HNO 2 ( equação 19 ) Reação de formação do ácido nitroso
Os níveis limite de amônia livre mais amônia ionizada e de nitrito mais ácido nitroso, nos quais pode começar a inibição, num pH de 7,0 e temperatura de 20º C, são os seguintes:
Tabela 5: Compostos inibidores da nitrificação.
Concentração Inibitória, mg/L Amônia Equivalente livre mais ionizada, mg/L
Nitrito Equivalente livre mais ionizado, mg/L
AMÔNIA LIVRE
10 (inibe Nitrossomonas ) 1000
0,1 ( inibe Nitrobacter ) 20
ÁCIDO NITROSO LIVRE
0,22 ( inibe Nitrificação ) 280
Os valores calculados e apresentados acima, para inibição da nitrificação em pH de 7,0 e temperatura de 20 ºC, mostram que é improvável a inibição da nitrificação como resultado da presença de amônia e nitrito livres, quando o sistema biológico opera em equilíbrio. Entretanto descargas de correntes mais concentradas contendo estas formas de nitrogênio podem causar inibição.
Efeito da relação entre a Carga orgânica e Nitrogênio alimentados
O efeito da relação C:N, onde o carbono é a fração biodegradável da carga orgânica, é um dos fatores críticos que afetam o projeto de sistemas de nitrificação. Normalmente, nos sistemas biológicos com nitrificação, a quantidade de matéria orgânica alimentada serve para manter o crescimento das bactérias heterotróficas. A taxa de produção das heterotróficas é muito maior que a das nitrificadoras, e com isto as nitrificadoras podem ser carreadas para fora do sistema biológico devido à descartes para controle ou da idade do lodo ou do nível de sólidos suspensos totais. Assim para se conseguir uma população suficiente de nitrificadoras a Idade do Lodo ( ou tempo de retenção dos sólidos ) deve ser superior ao tempo de retenção de sólidos para nitrificação.
A taxa específica de crescimento das bactérias autotróficas pode ser expressa como:
μμμμ ’ (^) H = 1/ θθθθ C = Y (^) HqH- bH* ( equação 20 )
μ’ (^) H: taxa líquida específica de crescimento das heterotróficas, (dias)-
θθ^ θθ C : tempo de retenção de sólidos, dias YH: coeficiente de produção das heterotróficas, g SSV q (^) H: taxa de remoção da carga orgânica, g DBO/g SSV - dia bH: coeficiente de decaimento, (dia)-
A taxa de remoção da carga orgânica é definida como:
*qH = S 0 - S 1 /X 1 t ( equação 21 )
S 0 : alimentação de carga orgânica - DBO, mg/L S 1 : DBO solúvel no efluente, mg/L X 1 : sólidos suspensos voláteis no reator, mg/L t: tempo de retenção hidráulica do reator, dias
As equações acima demonstram que uma vez selecionado θC, o qual é governado pela taxa de crescimento das nitrificadoras, o tempo hidráulico de retenção requerido e os sólidos suspensos voláteis dependerão da concentração de matéria orgânica biodegradável alimentada, desde que YH e bH sejam assumidos como constantes e S 1 seja mínimo em todo reator onde a nitrificação está acontecendo.
O transporte de massa ou a resistência difusional podem influenciar a nitrificação das seguintes maneiras:
♦ Eles pode negar que a conversão da amônia para nitrito seja assumida como a etapa limitante do processo de nitrificação.
♦ Eles aumentarão o tempo de retenção de sólidos. ♦ Eles influenciarão o valor do oxigênio dissolvido no líquido volumoso ( bulk liquid ) na qual a taxa de nitrificação é limitada.
Estas observações nos mostram que através das equações anteriormente desenvolvidas e das relações qualitativas descrevendo o efeito dos vários fatores ambientais na nitrificação, são aplicáveis em sistemas influenciados por transporte de massa ou resistências difusionais, resentadas na ivre ão
Entretanto as relações de projeto de reatores estão consistentes com os modelos de biofilmes desenvolvidos com base na estequiometria.
Tem sido encontrado que as condições nas proximidades de um microorganismo, em um biofilme, não são as mesmas do aquelas medidas no líquido dos espaços vazios. A concentração dos substratos dentro do biofilme varia com a profundidade, e são significativamente menores do que no líquidos dos vazios, desde que estes substratos consigam ser transportados até a superfície do biofilme e também através do mesmo. Sendo isto verdadeiro tanto para o OD como para o nitrogênio amoniacal, baixas concentrações dentro do biofilme podem resultar em baixas taxas de nitrificação do que poderia ser previsto com base nas concentrações de amônia no líquido e na quantidade de biomassa fixada.
Figura 4: Relação entre taxa de Nitrificação e Temperatura.
A figura 4 é uma representação esquemática do modelo da teoria do filme normalmente usada para representar um biofilme. O modelo considera tanto as limitações de transporte interna como externa. A mistura incompleta do líquido nos vazios com a fase líquida adjacente à superfície do biofilme, indica que resistências externas à transferência de massa é uma importante consideração. Limitações externas de transporte ocorrem quando o substrato é obrigado a se difundir através de um filme líquido estagnante na superfície onde se fixa o crescimento do biofilme. Para ocorrer a difusão, tem que existir um gradiente de concentração. O fluxo de material através desta camada pode ser representado pelo seguinte modelo:
J = AD(** ∆∆∆∆ S/ ∆∆∆∆ L) ( equação 26 )
J = Fluxo mássico [ massa/volume ] A = Área superficial do biofilme [ área - comprimento² ] D = Coeficiente de difusão do componente analisado [comprimento² / tempo ] ∆S = Diferença concentração de substrato entre o líquido e o filme de líquido na superfície do biofilme [ massa / comprimento³ ]
∆L = Espessura do biofilme [ comprimento ]
SUPORTE DO BIOFILME
BIOFILME CAMADA DE
DIFUSÃO
LÍQUIDO
Xf Ss
Sf SW S = CONCENTRAÇÃO DE SUBSTRATO
Lf , Espessura do Biofilme L , Espessura Camada de Difusão
Sb
Conforme indicado na equação 26, a concentração do substrato na superfície será menor do que a concentração no líquido vazio - líquido fora do biofilme. Após atingir a superfície do biofilme, o substrato pode se difundir através do biofilme para encontrar os microorganismos aderidos ao suporte fixo. Esta etapa reduzirá posteriormente a concentração de substrato dentro do biofilme, requerendo então um gradiente de concentração.
O modelo de biofilme mostra que a taxa de oxidação da amônia em sistemas de biofilme ou de crescimento agregado não são tão fortemente influenciadas por efeitos ambientais adversos como os sistemas de crescimento de sólidos em suspensão. O modelo do biofilme também mostra que a concentração de Oxigênio Dissolvido, no líquido, deve ser 2,7 vezes maior que a concentração de nitrogênio amoniacal para prevenir transferência de oxigênio em taxas de nitrificação limitantes em sistemas de crescimento agregado.
Considerações sobre os Processos de Nitrificação Biológica
Foi citado anteriormente a influência da relação C:N - carbono para nitrogênio na alimentação, como sendo um fator crítico para os sistemas biológicos com nitrificação, onde o carbono representa a Demada Biológica de Oxigênio ( DBO 5 ). Assim estes processos biológicos podem ser classificados e considerados em função da relação C:N. Um sistema chamado como Nitrificação pode ser classificado como oxidação carbonácea- nitrificação, em uma única etapa de tratamento, desde que a relação C:N situe-se em torno de 4 a 5. Abaixo deste valor, deve ser considerado um sistema em separado ou um sistema de duas etapas.
Os reatores biológicos de nitrificação podem ser considerados de acordo com a natureza de seu crescimento da biomassa. Os sistemas de Lodos Ativados suspendem os sólidos biológicos dentro do reator através de um mecanismo de mistura, o qual pode ser designado como reator de crescimento biológico suspenso. Os reatores onde o crescimento biológico ocorre sobre um meio sólido, ou dentro dele, em poros ou canais, podem ser chamados reatores de crescimento agregado ou suportado, ou reatores biológicos de filme fixo. Alguns reatores contêm filmes microbianos em suspensão resultantes da adição de partículas finas - inertes ou ativas, com finalidade de se conseguir sítios de crescimento microbiano, com acontece com carvão ativado em pó quando adicionado a um tratamento de lodos ativados. Estes reatores são considerados como de crescimento suspenso e seguem este tipo de cinética. Em certos sistemas de nitrificação, o crescimento de biomassa tanto em meios suportados como suspensos é promovido no reator, como é o caso da suspensão de partículas de espuma plástica no reator: o crescimento agregado ocorre na superfície e no interior das partículas de plástico enquanto que o crescimento suspenso ocorre na parte líquida do reator
Existem muitas configurações diferentes de sistemas de crescimento suspenso e agregado e combinações destes dois tipos. Novas configurações estão sempre surgindo, sendo as principais as seguintes - utilizadas para se conseguir a nitrificação em tratamentos biológicos:
Lodos Ativados: Reatores “Plug Flow”, aeração estendida, mistura completa, valos de oxidação, estabilização de contato, reatores de alimentação escalonada, oxigênio de alta concentração, reatores seqüenciais em batelada, carvão ativado em pó.
Reatores de Filme Fixo: Contactores biológicos rotativos, filtro biológico, reatores de recheio, filtro biológico aerado, leito fluidizado.
Reatores de Crescimento Combinado: Lodo ativado mais contactor biológico rotativo, suporte de baixa densidade mais lodo ativado.
FUNDAMENTOS E CONCEITUAÇÃO DA DENITRIFICAÇÃO BIOLÓGICA
Processo que tem como reação a conversão das formas oxidadas de nitrogênio - nitrato - N-NO 3 e nitrito - N- NO 2 , em nitrogênio gasoso através da oxidação da matéria orgânica ( carbono ) oriunda de fontes de carbono orgânico presente no próprio efluente sob a forma de DBO. Seu requisito é o baixo nível de O.D. disponível no meio, de tal forma que os microorganismos utilizam o oxigênio do N-NO 3 e do N-NO 2 para respiração, ao invés do oxigênio do ar. Acima de 1,0 mg/L de O.D. a denitrificação é inibida pela maior facilidade de utilização do O 2.
6 NO^3 +^5 *CH 3 ***^ ➜➜➜➜^ 5 CO 2 +^ ↑↑↑↑^ 3 N 2 +^8 H^2 O ( Denitrificação )^ ( equação 27 )
N Y NET
DQO
=
Estequiometria da Denitrificação
As equações estequiométricas da denitrificação pode ser usada para cálculo da massa do doador ( substrato ) e do aceptor ( oxigênio, nitrato, nitrito ) de elétrons e a massa de células produzidas dentro do processo biológico.
¼ O 2 + H+^ + e-^ ➜ ½ H 2 O ( equação 28 )
1/5 NO 3 +^ 6/5 H
- (^) + e- (^) ➜ 1/10 N 2 +^ 3/5 H 2 0 ( equação 29 )
1/3 NO 2 +^ 4/3 H+ + e
2/3 H2O +^ 1/6 N 2 ( equação 30 )
♦ Oito gramas de Oxigênio ( ¼ x 32 g O 2 /mol ) são equivalentes a 2,86 ( 1/5 x 14 g N/mol ) de Nitrogênio-Nitrato. A redução de 1 g N-NO 3 eqüivale a redução de 2,86 g O 2.
A redução dos aceptores de elétrons ( oxigênio, nitrato ou nitrito ) requer uma doação de elétrons, que pode ser tanto a matéria orgânica presente nos efluentes como um substrato adicionado ao sistema. A fonte de carbono mais comumente usada é o metanol quando a denitrificação é realizada em um estágio separado. A meia- reação para o metanol como doador de elétrons é:
1/6CH 3 OH +^ 1/6 H 2 O^ ➜^ 1/6CO 2 + H
- (^) + e- (^) ( equação 31 )
NO 3 + (^) 5/6CH 3 OH ➜ (^) 5/6 CO 2 + ½N 2 + (^) 7/6 H 2 O + OH-^ ( equação 32 )
De acordo com a última reação 1,9 g metanol é requerida por grama de nitrogênio-nitrato reduzida.
A seguinte equação calcula a quantidade necessária de metanol para reduzir nitrato, nitrito e algum oxigênio presente:
M = 2,47 N-NO 3 + 1,53 N-NO 2 + 0,87 O.D. ( equação 33 )
M : Metanol, mg/L N-NO 3 : Nitrato removido, mg/L N-NO 2 : Nitrito removido, mg/L O.D.: Oxigênio dissolvido removido, mg/L
A equação 33 mostra que o metanol será consumido também pelo oxigênio dissolvido, o que não é desejável, uma vez que todo metanol deve ser utilizado para consumir as formas de nitrogênio oxidadas.
Outras fontes de carbono podem ser utilizadas, quando disponíveis e se for o caso, para a redução via biológica dos nitratos e nitritos. A equação que define a relação requerida entre a DQO e o nitrogênio é:
( equação 34 )
YNET: Produção líquida de biomassa, com base na DQO, mg SSV / mg DQO removido.
Relações da Alcalinidade e do pH Durante a denitrificação é produzida alcalinidade e as concentrações de ácido carbônico são diminuídas. A relação estequiométrica teórica é a produção de 3,57 mg CaCO3 alcalinidade por mg nitrato reduzido a nitrogênio gasoso.
Partindo-se de que a alcalinidade é aumentada e a concentração de ácido carbônico é diminuída, a tendência da denitrificação é reverter parcialmente os efeitos da nitrificação e, portanto, elevar o pH do meio.
A denitrificação, além de ser uma etapa necessária à remoção de nitrogênio, pode ser interessante do ponto de vista da economia de energia e de produtos químicos de controle de alcalinidade.
K D
D
q
Y
q
D
D D
D D
μ
D D D c
= Y q − b
θ
Cinética da Denitrificação
A cinética da denitrificação pode ser estudada utilizando-se equações semelhantes àquelas das reações microbianas, como a nitrificação e a oxidação carbonácea. As equações do tipo de Monod são desenvolvidas para mostrar os conceitos da cinética da denitrificação.
KD D
D
D
μ ≡ μ' ( equação 35 )
μD: Taxa de crescimento específica das denitrificadoras, d- μ’: Taxa máxima de crescimento das denitrificadoras, d- D: Concentração de nitratos, em mg Nitrogênio/L KD: Coeficiente de meia-saturação
Se a reação seguir uma cinética de ordem zero - μD = μ’.
A taxa específica de crescimento de microorganismos ( μ’ ), em um sistema biológico, é o inverso do Tempo de retenção de Sólidos - Idade do Lodo ( (^) θ ):
μ’ = 1/ θ ( equação 36 )
A taxa de crescimento das denitrificadoras é muito similar à dos organismos heterotróficos aeróbios, e portanto muito maior que as nitrificadoras, o tempo mínimo de retenção de sólidos, necessário para prevenir a desconcentração por descarte das mesmas de um reator, será muito menor do que para as nitrificadoras.
As taxas de remoção de nitratos podem ser relacionadas com a taxa de crescimento dos organismos utilizando- se o coeficiente de produção de organismos como fator de conversão, conforme equação 37:
( equação 37 )
q (^) D: Taxa de remoção de nitratos, g N-NO 3 /g SSV - dia
μD: Taxa específica de crescimento das denitrificadoras, dia^ - q’D: Taxa máxima de remoção de nitratos, g N-NO 3 /g SSV - dia YD: Coeficiente de produção das denitrificadoras, g SSV/ g N-NO 3 removidos
A Idade do Lodo - θc , ou Tempo de Retenção dos Sólidos, pode ser comparada com as taxas de remoção de nitratos e expressada da seguinte maneira:
( equação 37 )
bD: coeficiente de decaimento das denitrificadoras, dia -
Considerações sobre Processos de Lodos Ativados com Nitrificação e Denitrificação
Estes tratamentos estão disponíveis em uma grande variedade de projetos, configurações de reatores, arranjos de alimentação, tipos de mistura e agitação, necessidades de reciclo de lodo, dispositivos de reciclo interno, meios de aeração e exigências de performance.
Os sistemas de Lodos Ativados, com remoção de nitrogênio por nitrificação e denitrificação, oferecem uma gama de vantagens sobre os sistemas tradicionais de estágios separados ou Lodos Ativados Múltiplos(XX). Sem clarificadores intermediários e sem unidades intermediárias de nitrificação e denitrificação, os processos de Lodos Ativados conjugados ocupam menos espaço do que os sistemas múltiplos, utilizam como fonte de carbono para denitrificação a própria carga orgânica do efluente bruto e consomem menos oxigênio e menos alcalinidade.
Figura 6: O processo Ludzack-Ettinger.
O processo Ludzack-Ettinger foi modificado, por Bamard, através da colocação de um reciclo interno do lodo desde o reator aeróbio até o reator anóxico. Isto causa um aporte de nitratos, formados no estágio aeróbio de nitrificação, para o estágio anóxico, onde existe uma população de bactérias heterofílicas denitrificadoras, como apresentado na figura 7. Com as modificações pode esperar eficiências de remoção de 88%. Este processo, embora não tendo sido extensivamente testado e utilizado em grande escala, foi o precursor e iniciador de processo patenteados como o Bardenpho, A^2 O, UCT, Bionutre e outros.
Figura 7: O processo Ludzack-Ettinger Modificado.
O processo A^2 O, desenvolvido e de propriedade da Air Products, consiste em uma etapa anaeróbia, uma anóxica e outra aeróbia. Foi originalmente aplicado para remoção de fósforo, a partir do processo A/O, com a inclusão das etapas biológicas de nitrificação e denitrificação, por adição de um reator anóxico entre os reatores anaeróbios e aeróbios. A etapa anaeróbia não é necessária para nitrificação e denitrificação, mas serve como um selector para as etapas seguintes de remoção de nitrogênio, quando não se necessita remoção de fósforo. O selector anaeróbio serve para manter e controlar as condições para supressão dos organismos filamentosos nos reatores de anóxicos e aeróbios. Um diagrama do processo A^2 O está apresentado na figura 8.
Figura 8: Diagrama do processo A^2 O, com as etapas de nitrificação e denitrificação.
O processo UCT, mostrado na figura 9, foi desenvolvido pela Universidade de Capetown na África do Sul, para superar as limitações dos processos Ludzack-Ettinger Modificado e A^2 O, que é a interferência dos nitratos na remoção biológica de fósforo. Caracteriza-se por retornar o lodo ativado da zona aeróbia para a zona anóxica e por ter um reciclo anóxico para a zona anaeróbia, com o propósito de denitrificar os nitratos como reciclo de lodo, antes dos mesmos serem reciclados para o reator anaeróbio, o qual é mantido pelo reciclo de lodo do reator anóxico.
Clarificad or^
ANÓXICO
AERÓBIO
Clarificad or
ANÓXICO
AERÓBIO
Clarificad or^ ANÓXICO
AERÓBIO
Reciclo Nitrificado 100% a 400%
ANAERÓBIO
Reciclo Nitrificado 100% a 300%
Reciclo Lodo 30% a 50%
Figura 9: Configuração do processo UCT - University of Capetown, África do Sul.
O processo Bardenpho, cujo diagrama mostra-se na figura 10, é uma modificação do processo UCT, tem duas zonas anóxicas, mas na segunda zona anóxica não é um reator de denitrificação endógeno e sim utilizada para denitrificar os nitratos reciclados do reator aeróbio. O primeiro reator anóxico é utilizado apenas para denitrificar o reciclo de lodo ativado. Quando se tem a necessidade de remover fósforo um reator anaeróbio é adicionado como primeira etapa, onde os nitratos não interferirão com a remoção de fósforo.
Figura 10: Configuração do processo Bardenpho com quatro estágios de remoção de nitrogênio.
Reatores Seqüenciais em Batelada - RSB
O processos RSB caracterizam-se por etapas de enchimento e esvaziamento, sendo uma tecnologia de reatores biológicos de volume variável. Estes tipos de tratamentos, inicialmente aplicados em pequenas vazões, foram adaptados e desenvolvidos para se fazer frente às necessidades de se conseguir especificações de efluentes bastante restritivas.
O sistema RSB consiste de reatores que tem as finalidades de equalização de cargas, aeração, reação anóxica e decantação em uma única bacia de aeração. As etapas básicas do reatores RSB são as seguintes:
- CARGA: Adição do efluente bruto no reator. O ciclo de enchimento pode ser controlado por ajuste ( set ) de nível ou de volume. A maneira de introduzir os efluentes, função de necessidades específicas, pode ser estática, em agitação e em reação. O enchimento estático é utilizado quando se deseja controlar nutrientes. Esta fase ocupa cerca de 20 a 30 % do tempo do ciclo total do sistema RSB.
- REAÇÃO: A etapa da reação tem por objetivo completar as reações iniciadas na primeira fase - enchimento. Conforme necessidades de especificações do efluente tratado, podem ser requeridos diferentes graus de mistura e aeração. A duração desta fase de reação deve ser controlado por instrumentação específica - PLC’s, malhas de controle, temporizadores, etc., assim como em todas as fases, ou especificamente, na fase de reação, por monitoramento do reator, para se conseguir um determinado grau de tratamento. Esta fase, tipicamente, ocupa cerca de 30 a 40 % do tempo do ciclo de operação dos reatores RSB.
Clarificad or
ANÓXICO
AERÓBIO
Clarificad or
ANÓXICO
AERÓBIO
ANAERÓBIO
Reciclo Lodo 30% a 50%
Reciclo Anóxico 100% a 200%
Reciclo Nitrificado 100% a 200%
Reciclo Nitrificado 400%
Reciclo de Lodo Ativado 100%
