Fatores de controle

Diversos parâmetros operacionais de um sistema de tratamento de esgotos por lodos ativados estão envolvidos nos mecanismos de produção e emissão do N2O, dentre eles, a carga

orgânica afluente, relação C/N no tanque de aeração, taxa de aeração, concentração de OD, idade do lodo, dentre outros (KAMPSCHREUR et al., 2009; FOLEY et al., 2011; DESLOOVER et al., 2012; LAW et al., 2012a; DAELMAN et al., 2015). O controle desses parâmetros operacionais é imprescindível para que ocorra o processo de RBN, reduzindo assim os níveis de N lançado no corpo hídrico receptor. Entretanto, ao mesmo tempo, o acúmulo de NO2- deve ser evitado, uma

nitrificação quanto pela desnitrificação (Figura 25) (KAMPSCHREUR et al., 2009; FOLEY et al., 2011).

Figura 25. Principais fatores de controle da produção e emissão de óxido nitroso durante os processos de nitrificação e desnitrificação em sistemas de tratamento de esgotos por lodos ativados.

Fonte: KAMPSCHREUR et al. (2009) e FOLEY et al. (2011)

Uma baixa concentração de OD pode levar ao acúmulo de NO2- na etapa de nitrificação,

sendo um importante parâmetro operacional no controle das emissões de N2O. Diversos fatores

podem levar a redução nos níveis de OD no tanque de aeração, dentre eles, uma aeração insuficiente (baixa relação Qar/Qesgoto) e choques de carga orgânica e de N amoniacal (BURGESS

et al., 2002; KAMPSCHREUR et al., 2009; FOLEY et al., 2011; ABOOBAKAR et al., 2013). Burgess et al. (2002) encontraram concentrações elevadas de NO2- no efluente de uma planta

piloto de lodos ativados após a entrada de picos de carga de N amoniacal, o que provocou uma redução dos níveis de OD no tanque de aeração. Em paralelo, houve um aumento significativo nas emissões de N2O. Em estudo realizado em escala de bancada, Tallec et al. (2006) mostraram

que as maiores emissões de N2O ocorreram em concentração de OD próximo a 1 mg L-1 (Figura

26A), e associadas ao processo de desnitrificação nitrificante (NH4+  NO2-  NO  N2O 

N2). Os mesmos autores reportam que a adição de NO2- ao sistema foi responsável pelo aumento

das emissões de N2O em 8 vezes sob a mesma condição de limitação de OD (1 mg L-1). Em um

sistema de tratamento de esgotos em escala real, Aboobakar et al. (2013) encontraram uma correlação negativa entre as emissões de N2O e as concentrações de OD, com as maiores

Figura 26. (A) Emissão de óxido nitroso em sistemas de tratamento de esgotos por lodos ativados em diferentes níveis de oxigênio dissolvido em (A) escala de bancada e (B) escala real.

Fonte: TALLEC et al. (2006) e ABOOBAKAR et al. (2013)

Outro parâmetro operacional responsável pelo acúmulo de NO2- no sistema é a idade do

lodo. Ajustes nesse parâmetro operacional podem ser realizados de forma a favorecer um grupo de microrganismos em detrimento do outro. Por exemplo, o tempo de duplicação celular das BOAs (7-8 horas) é menor do que das BONs (10-13 horas) (PENG; ZHU, 2006). Assim, é possível obter o acúmulo de NO2- no sistema através da redução da idade do lodo (e

favorecimento das BOAs). Em estudo realizado em um reator de lodos ativados em escala de bancada, Pollice et al. (2002) demonstraram a influência da idade do lodo no acúmulo de NO2-

sob condições de não-limitação de OD (próximo a 2 mg L-1_{). Os autores encontraram acúmulo}

de NO2- no sistema com a redução da idade do lodo de 40 para 10 dias, com praticamente todo

NH4+ convertido a NO2-. Por outro lado, quando o reator foi operado sob limitação de OD

(aeração intermitente) o acúmulo de NO2- ocorreu independentemente da idade do lodo. Logo,

no reator nitrificante sem limitação da concentração de OD (≥ 2 mg L-1_{), a idade do lodo é um}

dos fatores de controle do acúmulo de NO2- e, consequentemente, das emissões de N2O. Outros

estudos realizados em reatores de lodos ativados, em escala de bancada, também reportaram maiores emissões de N2O com a redução da idade do lodo (ZHENG et al., 1994; NODA et al.,

2003).

Em uma ETE de lodos ativados com aeração modificada (reduzida idade do lodo: 3 dias), Brotto et al. (2015) encontraram uma correlação positiva entre as concentrações de NO2- e as

emissões de N2O no tanque de aeração (Figura 27A), com as maiores emissões em concentração

de OD próximo a 2 mg L-1 (Figura 27B) e associadas ao processo de nitrificação incompleto. Em estudo realizado em 7 ETEs com diferentes sistemas de RBN, Foley et al. (2010) também reportaram uma correlação positiva entre as emissões de N2O e o acúmulo de NO2-. Em 3

diferentes ETEs com processos de RBN, Ren et al. (2012) reportaram que as baixas concentrações de OD foram responsáveis pelo acúmulo de NO2- no sistema e,

consequentemente, maiores emissões de N2O pela nitrificação incompleta (Figura 28).

Figura 27. Emissão de óxido nitroso em uma estação de tratamento de esgotos por lodos ativados com aeração modificada em diferentes níveis de (A) nitrito e (B) oxigênio dissolvido. LEGENDA: círculo preto = abril, círculo branco = maio, triângulo preto = junho, triângulo branco = julho.

Fonte: BROTTO et al. (2015)

Figura 28. Emissão de óxido nitroso provenientes de 3 estações de tratamento de esgotos por lodos ativados com remoção biológica de nitrogênio em diferentes níveis de nitrito.

A nitrificação incompleta leva ao acúmulo de NO2- e, consequentemente, as maiores

emissões de N2O. Em dois reatores de batelada sequencial (RBS), cada um operando com um

processo de nitrificação (incompleta e completa), Rodriguez-Caballero et al. (2013) encontraram as maiores emissões de N2O durante a etapa de aeração no RBS operando com nitrificação

incompleta (Figura 29). Em estudo realizado em uma ETE de lodos ativados com dois reatores em paralelo sob diferentes condições operacionais (reator nitritante – nitrificação incompleta; reator nitratante – nitrificação completa), Song et al. (2014) também reportaram maiores emissões de N2O no reator que operava com processo de nitrificação incompleto.

Figura 29. Emissão de óxido nitroso durante a etapa de aeração (120 minutos) proveniente de dois reatores de batelada sequencial cada um operando com um processo de nitrificação (incompleto e completo).

Fonte: RODRIGUEZ-CABBALERO et al. (2013)

Elevadas concentrações de NO2- (receptor de elétrons) também levam ao aumento das

emissões de N2O no processo de desnitrificação, seja por via autotrófica e mediada pelas BOAs

(desnitrificação nitrificante: NH3 como doador de elétrons) ou heterotrófica (desnitrificação

convencional: matéria orgânica como doador de elétrons) (WRAGE et al., 2001; WUNDERLIN et al., 2012). Elevadas concentrações de NO2- podem levar a uma perda de eficiência da

desnitrificação convencional em razão da baixa relação C/N, o que resulta em acúmulo de N2O

no sistema. Hanaki et al. (1992) estudaram o efeito da relação C/N nas emissões de N2O em um

reator desnitrificante em escala de bancada. Estes autores reportaram um aumento nas emissões de N2O (representou 10% da carga de NT afluente) com a redução da relação C/N (de 4.5 para

1.5) e correlacionadas ao aumento das concentrações de NO2- no sistema. Benckiser et al. (1996)

também encontraram uma dependência entre as emissões de N2O e a relação C/N em uma ETE

A baixa concentração de matéria orgânica biodegradável associada ao acúmulo de NO2-

no sistema levam ao incremento das emissões de N2O (KAMPSCHREUR et al., 2009, LAW et

al., 2012a). A disponibilidade de carbono orgânico é geralmente mensurada através da determinação da DQO. Para a obtenção de processos de desnitrificação completos, uma relação C/N próxima a 4 é requerida (HANAKI et al., 1992; LAW et al., 2012a). Itokawa et al. (2001) encontraram emissões de N2O na faixa de 20 a 30% da carga de NT afluente a um sistema de

lodos ativados com aeração intermitente, em escala de bancada, sob condição de operação de baixa relação C/N (menor que 3,5). Alinsafi et al. (2008) através de experimentos realizados em um reator desnitrificante, conduzidos em escala de bandada, mostraram que o acúmulo de NO2-

possui um efeito de inibição da enzima responsável pela redução do N2O e, posteriormente,

3 CONTROLLING FACTORS OF NITROUS OXIDE EMISSIONS FROM A