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Tratamentos de efluentes urbanos e industriais - Parte 2
Curso de Pós Graduação em Biotecnologia Módulo: Biorremediação e Bioconversão
Profa. Dra. Marcia Freire dos Reis Aula n°7
2009
FILTROS BIOLÓGICOS Constituídos basicamente de um leito de material no qual o MO se aderem e,
através do qual o efluente a ser tratado é percolado.
Filtros concreto com dreno inferior para a coleta do efluente tratado e do sólidos biológicos que se desprendem do material do leito.
ESQUEMA DE TRATAMENTO DO FILTRO BIOLÓGICO
Afluente
Decantador
primário
Lodo primário
Filtro
Decantador
Secundário
Lodo Secundário
Efluente
Eficiência: DBO de 70-80%
problemas de colmatação
Classificação dos filtros biológicosItem Filtro de baixa
taxa (ou convencional)
Filtro de taxa intermediária
Filtro de alta taxa Filtro de taxa Superalta
Taxa de aplicação hidráulica (m3/m2.dia)
1-4 4-10 10-40 4-200
Taxa de aplicação orgânica (kg DBO/m3.dia)
0,08 – 0,32 0,24 – 0,48 0,38 – 1,00 0,80- 6,00
Profundidade (m) 1,5 – 3,0 1,25 – 2,50 1,0 – 12,0 4,0 – 12,0
Taxa de recirculação 0 0 - 1 1 - 3 1 - 4
Material de enchimento Pedra, escória Pedra, escória Pedra, escória, material de enchimento
Materiais sintéticos, madeira vermelha
Potência requerida (kw/1.000 m3) 2 -4 2 - 8 6- 10 10 – 20
Moscas dos filtro muitas Menos que no convencional
Poucas, as larvas são carreadas
Poucas ou nenhuma
Arraste do limo intermitente intermitente contínua Contínua
Efluente Normalmente bem nitrificado
Parcialmente nitrificado
Nitrificado em baixas cargas
Nitrificado em baixas cargas
Efeitos da recirculação Vantagens:
Eficiência de remoção de DBO
Permite a aplicação de cargas orgânicas maiores
Evita que o filtro fique seco
Eventuais problemas de odor
Evita a proliferação de moscas
Retorno dos MO ativos gerando uma inoculação do filtro em toda a sua profundidade com grande variedade de MO
Matéria orgânica + MO > Tempo de contato
Diluição da matéria orgânica do afluente
….
Materiais de enchimento - Características Volume de vazios área superficial Estruturalmente forteSuficientemente leve Biológica e quimicamente inerte Custo
Materiais de enchimento naturais pedra britada, pedregulho, sabugo de milho, coque de carvão, etc. volume de vazios x peso x custo
Materiais sintéticos plástico área superficial x volume de vazios x peso x custo arranjos ao acaso (alta taxa) e arranjos ordenados (taxa super altas).
TRATAMENTO BIOLÓGICO ANAERÓBIO
Na natureza existem vários ambientes favoráveis ao desenvolvimento da digestão anaeróbia: pântanos, estuários, mares e lagos, usinas de carvão, jazidas petrolíferas... gás combustível a partir de resíduos orgânicos.
séc. XIX: tratamento de esgoto doméstico Gás produzido usado na iluminação.
Digestão anaeróbia ocorre em 3 etapas:
Matéria orgânica
Carboidratos, lipídeos, proteínas
Hidrólise e fermentação (1)
Ácidos graxos
etanol
Desidrogenação acetogênica (2)
Hidrogenação acetogênica (2)Acetato
Descarborboxilação de acetato (3)
CH4 + CO2
H2 + CO2
Formação redutiva de metano
CH4 + H2O
Bactérias fermentativas
Bactérias acetogênicas
Bactérias metagênicas
Ação sinérgica dos MO+ lentos > tempo
de retenção
Fase limitante
Condições ótimas de crescimento!
Novas concepções de digestores Operados em pequeno TRH
X
População MO
• Composição média da vinhaça de caldo de cana de açúcar usada no biodigestor piloto e do seu efluente.
Vinhaça Efluente
pH 3,73 (1) 7,30
Sólidos totais (g/L) 25,2 10,9
Sólidos voláteis (g/L) 19,3 5,2
Sólidos voláteis (% ST) 76,6 47,6
DQO (mg/L) 31.350 6.144 (2)
DBO (mg/L) 17.070 918 (3)
Nitrogênio (mg/L) 412 343
Fósforo (mg/L) 109 108
Sulfato (mg/L) 897 -
Potássio (mg/L) 1.473 1.221
(1) pH do afluente após a adição da cal e DAP passou para 4,75; (2) DQO sobrenadante após decantação = 2.228 mg/L e (3) DBO do sobrenadante após decantação = 830 mg/L.
Redução de DQO , total (%) 80,5
Redução de DQO, Sobrenadante (%) 91,4
Redução de DBO, total (%) 94,6
Redução de DBO, Sobrenadante (%) 95,1
Produção de gás
L gás / L vinhaça (variando de 7 a 23) 13,1
L gás / kg de DQO adicionada 0,40
L gás / L digestor (Valor máximo) 7,09
Teor de metano (%) 60-65
Tempo de retenção hidráulica , mínimo (dia) 1,5
Taxa de aplicação máxima (kg DQO/m3.dia) 18,7
Operação de um biodigestor de 11 m3, tipo fluxo ascendente , usando vinhaça de caldo de cana de açúcar como substrato e como inóculo de um biodigestor alimentado com esterco bovinos
LAGOAS Lagoas de estabilização
Lagoas aeradas
Lagoas de estabilização
Grandes tanques de pequena profundidade, definidos por diques de terra águas residuárias tratadas por processos naturais bactérias + algas.
Velocidade de oxidação + tempos de retenção (dezenas de dias) + áreas de terreno + custo de construção e O&M + Eficaz na remoção MO patogênico.
Luz
Algas fotossintetizantes
O2
Respiração
Bactérias
Água residuária
CO2
Sais minerais
Ciclo biológico entre algas e bactérias
Classificação das lagoas de estabilização
Lagoas anaeróbias cargas orgânicas (100 – 400 m3/dia), isenta de O.D. Usadas para pré-tratamento de águas resíduárias seguidas de lagoas facultativas. Processo = ao digestor anaeróbio.
Lagoas Facultativas
Camadas superiores condições aeróbias x camada inferior (fundo) condição anaeróbia. Profundidade de 0,1 – 2,0 m. Carga organica de 9-21 g DBO/ m3 dia.
Lagoas de maturação
Usadas após as lagoas facultativas. Função principal destruição de MO patogênicos. Predominância total de condição aeróbia.
Lagoas fotossintéticas aceleradas
Lagoas de estabilização pouco profundas pré-tratamento de águas residuárias pré- decantadas, visando uma máxima produção de algas. É necessária a remoção de algas do efluente (floculação/flotação ) e microfiltração. Profundidade 0,3 – 5,00 m, carga orgânica de 7-14 g DBO/ m3 dia.
Lagoas aeradas
Foram desenvolvidas a partir de lagoas de estabilização.
População MO semelhante a dos lodos ativados lagoas aeradas correspondem à unidades de lodos ativados operando sem retorno de lodo.
Lagoas aeradas → sepração de sólidos remoção de DBO X < área quando comparada a lagoas de estabilização fotossintética (1-10% da área).
Lagoa aerada de mistura completa
Turbulência, regime mistura completa, biomassa + O.D. distribuídos homogêneos.
Lagoa aerada facultativa
Turbulência, sufienciente para manter a aeração biomassa decanta no fundo da lagoa (decomposição anaeróbia).
Separação de sólidos
É indispensável a separação de sólidos do efluente,
para que se tenha eficiência de tratamento.
Unidade de separação de sólidos lagoas de
decantação ligadas em série com a lagoa aerada.
Recomendações:
1- Tempo de retenção mínimo de 1 dia
2- Evitar crescimento de algas, o tempo de retenção
máximo é de 1-2 dias.
3- Altura máxima da água sobre ao depósitos de lodo de
1 m Controle de odores
FUNGOS LIGNINOLÍTICOS E
SUAS APLICAÇÕES EM BIOTECNOLOGIA
FUNGOS BASIDIOMICETOS : Degradação branca da madeira
Mineralização da lignina sistema enzimático extracelular
Enzimas ligninolíticas: lignina peroxidase (LIP), manganês peroxidase (MnP) e lacase
Degrada lignina e uma ampla variedade de poluentes ambientais
Figura 1-Estrutura possível para a lignina proposta por E. Adler (Fengel e Wegener, 1984).
• Devido à natureza e presença de diferentes tipos de ligações existentes entre os monômeros da lignina, como por exemplo - 1, - , - O - 4 e 4 – O -5, as enzimas responsáveis pelo ataque inicial precisam ser não-específicas.
• A ligação éter, característica estrutural comum aos compostos biológicos (lignina) e xenobióticos, está relacionada ao alto grau de resistência para mineralização biológica desses compostos.
ENZIMAS LIGNINOLÍTICAS
• Não precisam ser induzidas
• Degradam compostos em concentrações
• Degradam compostos insolúveis
• Resistentes a ampla variedade de condições
ambientais = pH, temperatura...
Composto, resíduo ou efluente utilizado Matéria Orgânica Resultados Autor
Herbicidas pyrithiobac-sodium em solo Pleurotus sp 068 94,61% de degradação após 30 dias de
crescimentoGONDIM-TOMAZ,
(2003)
Efluente têxtil Pleurotus sajor-caju Descoloração após 14 dias KAMIDA e DURRANT (2005)
Estação de tratamento de efluentes por lodo ativado de
uma indústria de papel e celulose localizada no estado do
Paraná-Brasil
Adição de microrganismos adquiridos no
comércio
↑ Remoção da DQO (30% em média) e DBO
(15% em média), com ↑ vazão e da carga orgânica de entrada. Essa melhora no sistema de tratamento corresponde em
média, 1,43 toneladas de DQO e 730 kg de DBO, por dia, de carga orgânica a menos no
corpo receptor.
LAZZARETTI, CAMPO e NOGUEIRA
(2000)
Compostos fenólicosFungos
filamentosos (cepas fúngicas)
50% das cepas apresentavam atividades fenólicas e 80% cresceram na refinaria de
petróleo
CONCEIÇÃO, ANGELIS, BIDOIE e
ANGELIS (2005)
Organopoluentes, PCB, HAP, DNT
Phanerochaete chrysosporiun;
Pleurotos ostreatus
Degradação dos compostos através das enzimas ligninolíticas QUÍNN (-------)
Resíduos de clorados na Baixada Santista (Clorogil-
Rhodia)
Phanerochaete chrysosporiun
Espécies isoladas na região degradam o pentaclorofenol (PCP) de 60% a 85% em 60
dias de incubaçãoFURTADO (2005)
Herbicida atrazina Penicillium, como o P. crustacium
80% de degradação de pesticidas em 7 dias de exposição FURTADO (2005)
Dioxinas e furanos policlorados (PCDD/Fs) e metais pesados Pleurotus sp 068
Degradaçaõ 14 compostos de PCDD/Fs após 64 dias de cultivo em meio contendo
70 g/L de cinzas. Além de remover 100% de cádmio, 74% de cromo total e 15,2% de
chumbo durante o mesmo período
GORNY- DOS REIS, (2005)
Os fungos de degradação branca possuem um poderoso sistema enzimático extracelular e não específico composto por enzimas como:LiP, MnP e lacase, enzimas produtoras de peróxido de hidrogênio (H2O2) e de enzimas ligadas à membrana como as enzimas da família do citocromo P-450 que catalisam a degradação de um número surpreendente de compostos.
Lignina-peroxidase (LiP; EC 1.11.1.7) A LiP é uma glicoproteína, contendo 20-30% de açúcar, ferro
como grupo prostético e requer peróxido de hidrogênio para sua atividade catalítica (HATAKA,1994).
Apresenta massa molar de, aproximadamente, 38-43 kDa, apresentando ponto isoelétrico entre 3,2 - 4,0 e pH ótimo de atividade próximo a 3,0.
Diversas isoenzimas já foram isoladas do fungo de decomposição branca Phanerochaete chrysosporium, sendo que sua produção é regulada geneticamente em condições limitantes de nitrogênio e carbono.
A LiP é produzida durante o metabolismo secundário, em resposta à falta desses nutrientes.
Na presença desses nutrientes ocorre completa repressão de sua síntese.
• A LiP catalisa a oxidação de uma grande variedade de compostos modelos de lignina e poluentes aromáticos, na presença de H2O2.
• Essas reações incluem oxidação do álcool benzílico, quebra das cadeias laterais, reações de abertura de anéis aromáticos, desmetilações e desclorações oxidativas.
• Todas essas reações são compatíveis com o mecanismo envolvido na degradação não específico desta enzima (RENGANATHAN e GOLD, 1986).
Manganês peroxidase (MnP; EC 1.11.1.7) Mais comumente encontrada, produzida por fungos de degradação branca.
É uma glicoproteína com ferro como grupo prostético, depende de H2O2 para sua atividade, seu ponto isoelétrico é de aproximadamente 4,2-4,9 e massa molar entre 45-47 KDa, sendo o ciclo catalítico semelhante ao da LiP.
A MnP é produzida simultaneamente com a LiP, durante o metabolismo secundário e é regulada pelas concentrações de nitrogênio e carbono no meio de cultura.
As MnPs participam de reações de despolimerização de ligninas e cloroligninas, desmetilação de lignina e deslignificação.
A oxidação de lignina e outros compostos fenólicos por MnP é dependente de íons manganês II
A redução primária do substrato no ciclo catalítico de MnP é Mn(II), que reduz eficientemente os compostos I e II, gerando Mn(III), que oxida o substrato orgânico.
A MnP é conhecida por oxidar vários fenóis, componentes de lignina
fenólica e clorofenóis.
Recentemente, também foi demonstrada a oxidação de componentes de
lignina não-fenólica e hidrocarbonetos aromáticos policíclicos na presença
de co-oxidantes (lipídeos insaturados) ou organossolventes (acetona) por
esta enzima.
Considerada como um biocatalisador potencial na biotecnologia
ambiental, é produzida por diferentes fungos de decomposição branca e tem
sido utilizada, na remediação de solos contaminados, descoloração de
efluentes, despolpação e processos de branqueamento (LACKNER;
SREBOTNIK e MESSNER, 1991)
Lacases (Benzenediol: oxigênio oxidoredutase, EC 1.10.3.2)
A lacase é uma polifenoloxidase, descoberta em exudados de Rhus
vernicifera, árvore japonesa (YOSHIDA, 1883); subseqüentemente descobriu-
se também que ela estava presente em fungos (BERTRAND, 1896;
LABORDE, 1896).
É uma glicoproteína, que contém cobre em seu sítio ativo, não requer
H2O2, e catalisa a redução de O2 para H2O.
As formas constitutiva e induzida são conhecidas, sendo que a forma
induzida geralmente apresenta maior atividade (LEONOWICZ ; SZKLARZ e
WOJTAS-WASILEWA, 1985)
Em geral, a lacase apresenta 4 átomos de cobre distribuídos em diferentes sítios de ligação e são classificados em três tipos: cobre tipo 1, 2 e 3, que são diferenciados por propriedades específicas, tendo um importante papel no mecanismo catalítico da enzima. O Cu 1 e 2 estão envolvidos na captura e transferência do elétron. O cobre tipo 2 e 3 estão envolvidos na ligação com o oxigênio. Compostos fenólicos são amplamente distribuídos na natureza, e sua oxidação é importante em processos como, oxidação celular, proteção da parede celular, corpo de frutificação, processamento de sucos e vinhos, delignificação de polpa, descontaminação de solos e água poluídos. A lacase catalisa a oxidação via transferência de um elétron de fenóis para radicais fenoxila. Algumas lacases apresentam pH ótimo em faixas ácidas (2,5-3,5), enquanto outras apresentam atividade ótima em pH neutro (6-7). A função fisiológica desta enzima não é clara e seu papel na biodegradação da lignina é incerto (GOLD e ALIC, 1993). Assim, propôs-se que a lacase tem um papel na redução da toxicidade dos compostos fenólicos por reações de polimerização.
As lacases são muito difundidas na natureza, sendo produzidas por
fungos ou plantas, podendo oxidar, desmetilar, polimerizar ou
despolimerizar compostos fenólicos.
Em plantas, têm sido associadas com lignificação.
Em fungos, por outro lado, estão associadas à degradação de lignina.
Seu potencial ligninolítico tem sido utilizado em processos de
branqueamento e polpação, aperfeiçoando a digestão de substratos
lignocelulósicos e removendo os componentes fenólicos de efluentes,
sucos de frutas (uva) e vinhos (ARORA e GILL, 2001).
Atualmente, essa enzima também tem sido utilizada como biosensor
para determinação da presença de contaminantes em amostras
ambientais (DÚRAN e ESPOSITO, 2000).
Interesse crescente no uso de fungos como agentes biorremediadores
São organismos onipresentes em ambientes naturais.Únicos entre os MO eucarióticos e procarióticos que possuem um poderoso sistema extracelular inespecífico com habilidade de oxidar vários poluentes ambientais, incluindo compostos de baixa solubilidade.Podem ser cultivados usando-se substratos baratos, tais como resíduos agrícolas, que podem ser facilmente acrescidos como nutrientes no local contaminado.Sendo fungos filamentosos, podem alcançar os poluentes no solo em caminhos que as bactérias não conseguiriam. Certamente eles crescem pela extensão das hifas e se estendem no solo com o crescimento.As enzimas ligninolíticas são principalmente de natureza constitutiva, não necessitando de prévia adaptação dos microrganismos aos poluentes, sendo possível ainda, a degradação dos poluentes em baixíssimas concentrações. Como demonstrado em P. chrysosporium, as enzimas são usualmente expressas sob condições deficientes de nutrientes que são encontradas predominantemente na maioria dos solos contaminados.
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