Tratamento anaerobio aula7_2015

MICROBIOLOGIA AMBIENTAL

ENGENHARIA AMBIENTAL

Prof.ª Mestranda Graziele Ruas1 Sem 2016 e(2 Sem 2015)

TRATAMENTO DE EFLUENTESAULA 7

TRATAMENTO BIOLOGICO DE ESGOTOS

Microbiologia Ambiental 2015 2

• Ocorre por mecanismos biológicos;

• Os processos reproduzem o que ocorre em um corpo d’água após o lançamento de despejos (Autodepuração) – processo pelo qual a matéria orgânica é mineralizada;

• Nas ETEs esse mesmo fenômeno acontece mas com a introdução de tecnologias => fazendo com que o processo seja controlado e ocorra com taxas mais elevadas.



• Sistemas de Esgoto

– Grande parte da água distribuída transforma-se em esgoto (~80%), este deve ser coletado e tratado antes de ser lançado em corpos hídricos e/ou no solo => para evitar transmissão de doenças e impactos ambientais;

– O tratamento de esgoto pode ser:

• Individual (fossa);

• Coletivo (rede coletora + ETE).

• LEI Nº 11.445, DE 5 DE JANEIRO DE 2007.

– Estabelece diretrizes nacionais para o saneamento básico; altera as Leis nos 6.766, de 19 de dezembro de 1979, 8.036, de 11 de maio de 1990, 8.666, de 21 de junho de 1993, 8.987, de 13 de fevereiro de 1995; revoga a Lei no 6.528, de 11 de maio de 1978; e dá outras providências.


Aspectos Legais – Lei do Saneamento

• Art. 3o Para os efeitos desta Lei, considera-se:• I - saneamento básico: conjunto de serviços, infra-estruturas e instalações

operacionais de:• a) abastecimento de água potável: constituído pelas atividades, infra-estruturas e

instalações necessárias ao abastecimento público de água potável, desde a captação até as ligações prediais e respectivos instrumentos de medição;

• b) esgotamento sanitário: constituído pelas atividades, infra-estruturas e instalações operacionais de coleta, transporte, tratamento e disposição final adequados dos esgotos sanitários, desde as ligações prediais até o seu lançamento final no meio ambiente;

• c) limpeza urbana e manejo de resíduos sólidos: conjunto de atividades, infra-estruturas e instalações operacionais de coleta, transporte, transbordo, tratamento e destino final do lixo doméstico e do lixo originário da varrição e limpeza de logradouros e vias públicas;

• d) drenagem e manejo das águas pluviais urbanas: conjunto de atividades, infra-estruturas e instalações operacionais de drenagem urbana de águas pluviais, de transporte, detenção ou retenção para o amortecimento de vazões de cheias, tratamento e disposição final das águas pluviais drenadas nas áreas urbanas;


Aspectos Legais – Lei do Saneamento

• LEI Nº 9.433, DE 8 DE JANEIRO DE 1997.

• Institui a Política Nacional de Recursos Hídricos, cria o Sistema Nacional de Gerenciamento de Recursos Hídricos, regulamenta o inciso XIX do art. 21 da Constituição Federal, e altera o art. 1º da Lei nº 8.001, de 13 de março de 1990, que modificou a Lei nº 7.990, de 28 de dezembro de 1989.


Aspectos Legais – PNRH

• DA OUTORGA DE DIREITOS DE USO DE RECURSOS HÍDRICOS

• Art. 11. O regime de outorga de direitos de uso de recursos hídricos tem como objetivos assegurar o controle quantitativo e qualitativo dos usos da água e o efetivo exercício dos direitos de acesso à água.

• Art. 12. Estão sujeitos a outorga pelo Poder Público os direitos dos seguintes usos de recursos hídricos:

• I - derivação ou captação de parcela da água existente em um corpo de água para consumo final, inclusive abastecimento público, ou insumo de processo produtivo;

• II - extração de água de aqüífero subterrâneo para consumo final ou insumo de processo produtivo;

• III - lançamento em corpo de água de esgotos e demais resíduos líquidos ou gasosos, tratados ou não, com o fim de sua diluição, transporte ou disposição final;

• IV - aproveitamento dos potenciais hidrelétricos;• V - outros usos que alterem o regime, a quantidade ou a qualidade da água

existente em um corpo de água.


Aspectos Legais – PNRH

• FUNÇÃO DA ETE

– REDUZIR A CARGA DE CONTAMINANTE OU POLUENTE DOS ESGOTOS A UM NÍVEL COMPATÍVEL COM O CORPO RECEPTOR;

– ASSIM O EFLUENTE FINAL PODE SER ABSORVIDO PELA NATUREZA SEM PROVOCAR DEGRADAÇÃO AO MEIO AMBIENTE E COLOCAR EM RISCO A SAÚDE PÚBLICA.



• TIPOS DE TRATAMENTO

– O tipo de tratamento a ser aplicado a um efluente depende:

• Das características do efluente;

• Do manancial onde ele vai ser disposto;

• Dos usos que a água desse manancial vai ter a jusante do local de lançamento do efluente;

• Disponibilidade de área e energia elétrica.





Tratamento Preliminar

Remoção de sólidos grosseiros

e Areia

Tratamento Primário

Decantação de

Sólidos, digestão e secagem do lodo

Tratamento Secundário

Remoção da

Matéria Orgânica (Biologica

mente)

Tratamento Terciário

Remoção de nutrientes,

metais pesados, compostos não

biodegradáveis e microrganismos

patogênicos.


• TRATAMENTO SECUNDÁRIOS

– É ONDE OCORRE O TRATAMENTO BIOLÓGICO (Bactérias, protozoários e fungos).


• PRINCIPAIS ORGANISMOS ENVOLVIDOS NO TRATAMENTO BIOLOGICO

– BACTÉRIAS;

– PROTOZOÁRIOS;

– FUNGOS;

– ALGAS E

– METAZOÁRIOS (pluricelulares, heterotróficos, eucariontes).




Bactérias

Principal função na remoção da

DQO

Conversão da Amônia a Nitrito;

Conversão do Nitrito a Nitrato;

Conversão do Nitrato a

Nitrogênio.

Fungos

Importante papel na

decomposição do lixo.

Algas

Realizam fotossíntese.

Protozoários

Consumo de MO e

bactérias livres;

Formação dos Flocos.


TRATAMENTO BIOLOGICO DE ESGOTOS – TRATAMENTO AERÓBIO

MATÉRIA ORGÂNICA

MICRORGANISMOS

AERÓBIOS

CO2, ÁGUA E

MATERIAL CELULAR



– TRATAMENTO ANAEROBIO

• TRATAMENTO ANAERÓBIO


MATÉRIA ORGÂNICA

MICRORGANISMOS

AENARÓBIOS

CH4 e CO2

BIOGÁS

• METANOGÊNESE

– Acetotrófica

– Hidrogenotrófica.





• BALANÇA DE DQO NA BIODEGRAÇÃO AEROBIA E ANAEROBIA



• BALANÇA DE DQO NA BIODEGRAÇÃO AEROBIA E ANAEROBIA




• TIPOS DE CRESCIMENTO E SUSTENTAÇÃO DA BIOMASSA

• CRESCIMENTO DISPERSO: biomassa dispersa no meio líquido, sem estrutura de sustentação;

– SISTEMAS

• Lagoas de estabilização e variantes;

• Lodos ativados e variantes;

• Reator Anaeróbio de fluxo contínuo ascendente.



• Lagoas de estabilização e variantes:

– Lagoas Facultativas;

– Sistemas de Lagoas Anaeróbias;

– Lagoas Aerados Facultativas;

– Sistema de Lagoas Aeradas de Mistura Completa;

– Lagoas de Alta taxa;

– Lagoas de Maturação;

– Lagoas de Polimento.



• TIPOS DE CRESCIMENTO E SUSTENTAÇÃO DA BIOMASSA

• CRESCIMENTO ADERIDO: cresce aderido a um meio suporte, formando um biofilme. A matriz do meio suporte pode ser material sólido natural ou artificial, ou constituído pela própria biomassa aglomerada.



• SISTEMA DE CRESCIMENTO ADERIDO

– Filtro Biológico;

– Biodisco;

– Biofiltro Aerado;

– Filtro Anaeróbio;

– Sistema de Disposição no solo;

– Reator Anaeróbio de fluxo Ascendente (a própria biomassa é o meio suporte).



• SISTEMA DE CRESCIMENTO ADERIDO –BIOFILME

– Vantagens: elevada concentração de biomassa pode ser retida no reator por longos períodos de tempo.




• Em um sistema anaeróbio, o oxigênio é consumido à medida que penetra no biofilme, até atingir valores que definem condições anóxicas ou anaeróbias;

• Na camada anóxica => redução de nitratos;

• Camada anaeróbia => formação de ácidos orgânicos e redução de sulfatos.

• COEXISTÊNCIA ENTRE AS CONDIÇÕES ANAEROBIAS, ANÓXICAS E AERÓBIAS.


CRESCIMENTO DISPERSO

• Tempo de detenção hidráulica (maior);

• TDH = Tempo de Geração Celular;

• Caso o TDH não seja suficiente as células serão “lavadas”;

• Taxa de remoção de MO menor;

• Para que os microrganismos sejam reutilizados deve haver recirculação de biomassa.

CRESCIMENTO ADERIDO• O Tempo de detenção

hidráulica pode ser menor que o tempo de geração celular;

• Há possibilidade de se adotar volume menores de reator;

• Reduz necessidade de clarificação;

• Os microrganismos são reutilizados;

• Há uma consistência maior entre os microrganismos anaeróbios, anóxicos e aeróbios.

Microbiologia Ambiental 201528

TRATAMENTO BIOLOGICO DE ESGOTOS –TRATAMENTO ANAEROBIO



– Um dos mais antigos processos de tratamento de efluentes;

– Há produção de metano;

– Processo econômico;

TRATAMENTO BIOLÓGICO DE EFLUENTES – Tratamento Anaeróbio

VANTAGENS• Alto grau de estabilização do efluente;• Baixa produção de lodo ( 2 A 8 x menor

que processos aeróbios);• Pequenas exigências nutritivas;• Nenhuma exigência de oxigênio;• A eficiência do tratamento não é

limitado pela transferência do oxigênio;• Metano como produto final útil;• Baixa demanda por área e custos baixos

na implantação;• Possibilidade de manutenção da

biomassa, sem alimentação do reator (até meses);

• Baixo consumo de energia;• Aplicado em pequena e grande escala;• Tolerância a elevadas cargas orgânicas.

DESVANTAGENS• Baixa remoção de N, P e patógenos;

• Produção de efluente com aspecto desagradável, geralmente precisa de pós-tratamento;

• Aplicação limitada para certos efluentes;

• Temperaturas relativamente altas (30 a 35ºC);

• Efluentes diluídos tem pouco produção de metano;

• Baixa velocidade do crescimento das arqueas metanogênicas;

• Maior TDH;

• Baixa velocidade no ajuste a novos despejos e variação de condições ambientais;

• Partida lenta sem o lodo para semeadura;

• Possibilidade de geração de maus odores e corrosão.

Biologia Ambiental 2014 30


• DESPEJOS PASSÍVEIS DE SEREM TRATADOS PELA VIA ANAERÓBIA– Todos os despejos com compostos orgânicos podem ser

tratados pela via anaeróbia, mas o processo e mais eficiente e econômico quando o efluente é facilmente biodegradável;• Resíduos sólidos urbanos e da agricultura, lodos de ETEs, despejos

de animais;• Efluentes agrícolas, efluentes de industrias de bebidas e

alimentícias;• Para o tratamento de esgotos domésticos é indicado para países

tropicais, pois necessita de uma temperatura > 20°C, com a produção de metano é baixa para esgotos domésticos inviabilizando a produção de energia térmica para o sistema.






Matéria Orgânica

Microrganismos Anaeróbios

CH4 + CO2

(Biogás)


Tratamento de esgotos com a recuperação e o reuso de seus subprodutos (Lettinga, 1995)


• TRATAMENTO ANAERÓBIO – BALANÇO DE DQO

– A DQO é uma medida indireta de matéria orgânica presente no efluente;

– Como já vimos a maior parte da DQO que entra no sistema anaeróbio é convertida em Metano;

– Já no tratamento aeróbio ~50% da DQO o efluente vira lodo!



• A) Sistemas de Tanque Séptico – Filtro Anaeróbio

– Sistema fossa – filtro

• O tanque séptico remove a maior parte dos sólidos em suspensão => sofrem digestão anaeróbia (remoção de DBO limitada);

• O filtro anaeróbio remove parte da DBO – a biomassa cresce aderida a um meio suporte (pedras);

– O fluxo e ascendente;

– Completamente cheio de líquido;

– Fechado;

– Suporta altas cargas de DBO.







• B) Reator Anaeróbio de Manta de Lodo– Reatores Anaeróbios de Fluxo Ascendente e de manda de

Lodo ( RAFA) ou UASB (Upflow Anaerobic Sludge Blanket);– A biomassa cresce dispersa no meio, a própria biomassa

pode formar pequenos grânulos => que tendem a servir de meio suporte para outras bactérias;

– Alta concentração de biomassa;– O fluxo é ascendente;– Há formação de gases CH4 e CO2;– Separador trifásico para reter a biomassa, e permitir a

saída de gases e do efluente tratado;– Idade do lodo é elevada e o TDH é baixo;



• O lodo que saí do reator UASB já sai digerido e adensado, podendo ser simplesmente desidratado;

• Eficiência na remoção de DBO ~70%;

– Necessitando de pós tratamento;


• UASB


http://objetoseducacionais2.mec.gov.br/bitstream/handle/mec/13617/UASB.swf?sequence=1



N


• Nomenclatura de Reatores Anaeróbios– UASB (Upflow Anaerobic Slugdge Blanket Reactors);

• Reatores Anaeróbios de Fluxo Ascendente e Manta de Lodo.• No Brasil:

– DAFA (Digestor Anaeróbio de Fluxo Ascendente);– RAFA (Reator Anaeróbio de Fluxo Ascendente);– RALF (Reator Anaeróbio de Leio Fluidificado);– RAFAALL ( Reator Anaeróbio de Fluxo Ascendente de Leito de

Lodo).

• Segundo a PROSAB (Programa de Pesquisa em Saneamento Básico:– Reator UASB;– Reator de Manta de Lodo– Reator Anaeróbio de Fluxo Ascendente e Manta de Lodo.


TRATAMENTO BIOLÓGICO DE EFLUENTES

• TRATAMENTO ANAEROBIO – ETAPAS

– Etapa 1:

• Não há produção de Metano;

• Não há estabilização do efluente;

• A MO complexa é hidrolisada, fermentada e convertida biologicamente em MO mais simples.

• Produtos finais: Ácidos Graxos Orgânicos.



• TRATAMENTO ANAEROBIO – ETAPAS

– Etapa 2:

• Os Ácidos Orgânicos são convertidos em CO2 e CH4 por um grupo específico de microrganismos (Metanogênicas);

• Organismos estritamente anaeróbios.



• Quais microrganismos podemos encontrar em um digestor anaeróbio?

• (1) bactérias hidrolíticas que catabolizam sacarídeos, proteínas, lipídios, e outros constituintes químicos secundários da biomassa.

• (2) bactérias acetogênicas produtoras de Hidrogênio catabolizam certos ácidos graxos e produtos finais neutros.

• (3) bactérias homoacetogênicas que catabolizam compostos de um carbono ou hidrolisam compostos multicarbonados para ácido acético, e

• (4) archaeas metanogênicas que catabolizam acetato e um carbono para metano.




Conversão da DQO no Tratamento Anaeróbio!

BA

LAN

ÇO

DE

MA

SSA

NA

D

IGES

TÃO

AN

AER

ÓB

IA



• REAÇÕES METANOGÊNICAS

– METANOGÊNESE ACETOCLÁSTICA

• CH3COOH CH4 + CO2

– METANOGÊNESE AUTOTRÓFICA

• CO2 + H2 CH4



• REQUISITOS AMBIENTAIS QUE DEVEM SER CONTROLADOS

– pH;

– Amônia;

– OD;

– Temperatura; e

– Nutrientes.



• INDICADORES DE DESEQUILÍBRIO NA DIGESTÃO ANAERÓBIA– Parâmetros Acelerados:

• Concentrações de Ácidos Voláteis;

• Maior concentração de CO2 no biogás.

– Parâmetros Desacelerados (influenciam negativamente no):• pH;

• Produção total de gás;

• Estabilização do despejo.



Causas dos Desequilíbrios temporários

• Variação na temperatura;

• Variação na carga orgânica;

• E mudança na natureza do efluente.

Causas de Desequilíbrios Prolongado

• Presença de materiais tóxicos (metais pesados);

• Queda extrema de pH;

• Lento crescimento biológico durante o inicio do processo.



• COMO CONTROLAR O DESEQULIBRIO?

– Manter o pH próximo ao neutro;

– Determinar a causa do desequilíbrio;

– Corrigir o problema;

– Remover material tóxico do efluente;

• Diluir o efluente;

• Formar complexo insolúvel para precipitar;

• Neutralizar a toxidez com outro material.



• Subprodutos na Digestão Anaeróbia

– Húmus – lodo;

– Gás metano – combustível;

– Enxofre Elementar.




• Tipos de Sistemas e Reatores – Sistemas de BAIXA CARGA

– I) Digestores anaeróbios de Lodo– Estabilizar lodos primários e secundários;

– Efluentes industriais com elevada carga de sólidos;

– Etapa limitante =Hidrolise;

– Temperatura = 25 a 35° C;

• 1) Digestor Anaeróbio de Baixa Carga– Não possui dispositivo de mistura e tanque único (digestão,

adensamento do lodo e formação do sobrenadante);



• 1) Digestor Anaeróbio de Baixa Carga

Tratamento Biológico de Efluentes

– 2) Digestor Anaeróbio de um estagio e alta carga• Mecanismos de

aquecimento e mistura;

• Operado com altas taxas de alimentação e com adensamento prévio do lodo => volume reduzido e melhor estabilidade;



TRATAMENTO BIOLOGICO DE EFLUENTES


– 3) Digestor Anaeróbio de dois estágios e Alta carga

• Adiciona-se um segundo tanque de digestão em série com o digestor de alta carga;

• Primeiro tanque => digestão do lodo;

• Segundo tanque => estocagem e concentração do lodo digerido, levando à formação de sobrenadante bem mais clarificado;




• II) Tanque séptico

– Sedimentação, remoção de materiais flutuantes e digestor de baixa carga;

• III) Lagoa Anaerobia



• Tipos de Sistemas e Reatores – Sistemas de ALTA CARGA

– Baixo TDH e alta carga de detenção celular;

Sistemas Anaeróbios

Crescimento Aderido

(Aderidos a material Inerte)

Leito Fixo

Leito Rotatório

Leito Expandido

Crescimento Disperso

(Flocos ou grânulos)




– Crescimento Aderido

– 1) Reatores Anaeróbios de Leito Fixo

• Filtros Anaeróbios;

• Fluxo vertical, mais usado ascendente;

• Alto tempo de residência de sólidos e altas concentrações de microorganismos e (baixo TDH) =>grande potencial;

• Desvantagem => pode ocorrer entupimento e caminhos preferenciais




– Crescimento Aderido

– 2) Reator Anaeróbio de Leito Rotatório

• Biodisco Anaeróbio (1980);

• Os microorganismos ficam aderidos a um material inerte (plástico) formando biofilme

• A força de cisalhamento evita a retenção de muita biomassa;







• Tipos de Sistemas e Reatores – Sistemas de ALTA CARGA– Crescimento Aderido

– 3) Reatores anaeróbios de leito expandido e fluidificado• A biomassa cresce em filmes de espessura muito reduzida

aderidos a partículas de tamanho pequeno;

• Reduz o risco de entupimento, aumenta a retenção de biomassa e o contato desta com o substrato;– Reatores anaeróbio de leito expandido

– Reatores anaeróbio de leito fluidificado ( a partícula não tem posição fixa dentro do reator)


TRATAMENTO BIOLÓGICO

• Tipos de Sistemas e Reatores – Sistemas de ALTA CARGA– Crescimento Disperso: a eficiência desses sistemas

depende da capacidade da biomassa em formar flocos e sedimentar

– 1) Reator Anaeróbio de Dois Estágios

– 2) Reator Anaeróbio de Chicanas (Tanque séptico com múltiplas camadas)

– 3) Reator Anaeróbio de Fluxo Ascendente e manta de Lodo


• 1) Reator Anaeróbio de Dois Estágios


Recirculação de Lodo

Reator Anaeróbio de Dois Estágios

• 2) Reator Anaeróbio de Chicanas (Tanque séptico com múltiplas camadas)


PERGUNTAS

• 1) Quais são as fases da degradação anaeróbia e quais os microorganismos envolvidos?

• 2) Porque os reatores UASB são mais viáveis para tratamento de efluentes domésticos em países tropicais?

• 3) Qual (s) do(s) sistema(s) citado(s) é (são) interessante(s) para tratamento de efluentes em áreas rurais e comunidades indígenas/quilombolas?


REFERENCIAS

• VON SPERLING, M. (2005). Introdução à qualidade das águas e ao tratamento de esgotos. Departamento de Engenharia Sanitária e Ambiental – UFMG. Editora FCO. Belo Horizonte.

• EnvironmentalMicrobiology. Second Edition. Raina M. Maier, Ian L. Pepper & Charles P. Gerba. ELSEVIER, 2009.


Engineering

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