Nitrificação

3.5.1.1 Princípios da Nitrificação

A nitrificação foi introduzida nos anos 50 como um processo adicional ao da remoção do material orgânico nos sistemas de lodos ativados (VAN HAANDEL & MARAIS, 1999).

O processo consiste na oxidação da amônia em nitrato, realizado em duas etapas: a oxidação da amônia em nitrito (nitritação) por bactérias como as Nitrossomonas sp (equação 3.1) e a oxidação do nitrito em nitrato (nitratação) por bactérias como as

Nitrobacter sp (equação 3.2).

NH4 + 1,5 O2 → NO2- + 2H+ + H2O + energia (Equação 3.1)

NO2- + 0,5 O2 → NO3- + energia (Equação 3.2)

A reação global da nitrificação (equação 3.3) é a soma das equações 1 e 2.

NH4+ + 2 O2 → NO3- + 2H+ + H2O ( Equação3.3)

A energia liberada nestas reações é utilizada pelos microrganismos nitrificantes na síntese de compostos orgânicos a partir de fontes de carbono inorgânico, como dióxido de carbono (von SPERLING, 1997).

A nitrificação ocorre simultaneamente com a DBO que é exercida no tanque de aeração e a quantidade de oxigênio requerida para a nitrificação é maior do que a

quantidade de oxigênio necessária para a oxidação da DBO. Normalmente a nitrificação é um processo favorecido pela elevada idade do lodo (FERREIRA, 2000).

A remoção de nitrogênio também tem repercussões econômicas importantes. A nitrificação é um processo que consome tanto oxigênio como alcalinidade. Observa-se na equação 3.3 que 1 mol de amônia requer 2 moles de oxigênio para a sua oxidação, logo a oxidação de 1 gNH4+-N/L consome 4,57 g O2/L (von SPERLING, 1997; VAN HAANDEL & MARAIS, 1999; JORDÃO & PESSÔA , 2005).

Observa-se também na equação 3, que além do consumo de oxigênio, ocorre a liberação de H+_{, consumindo a alcalinidade do meio e possivelmente reduzindo o pH.} Para cada mg de NH4-N oxidado são necessários 7,1 mg de alcalinidade, caso contrário o pH do meio poderá descer a níveis tóxicos e inibir a nitrificação (von SPERLING, 1997).

De acordo com Ferreira (2000), a eficiência da nitrificação oscila entre 85 e 99% em condições normais, ocorrendo eficiências fora das faixas adequadas de pH, OD e idade do lodo, sendo o controle de pH um dos fatores mais decisivos na eficácia do processo, devido a possíveis flutuações do teor de nitrogênio introduzidas pelos efluentes.

3.5.1.2 Microrganismos envolvidos no processo

Os microorganismos envolvidos no processo de nitrificação são bactérias autotróficas quimiossintetizantes, ou seja, aquelas que utilizam como fonte de carbono o gás carbônico e a energia é obtida através da oxidação de um substrato inorgânico, como a amônia, à formas mineralizadas (von SPERLING, 1996).

As bactérias responsáveis pela nitrificação são dividas em dois grupos principais: As Nitrosomas, responsáveis pela oxidação do amônio ao nitrito e as Nitrobacter responsáveis pela oxidação do nitrito a nitrato. Porém, outras bactérias como

Nitrosococcus, Nitrosospira, Nitrosolobus e Nitrosorobio também são capazes de oxidar

o amônio a nitrito. Além das Nitrobacter, os nitritos também podem ser oxidados por outras bactérias autotróficas, como as Nitrospira, Nitrococcus, Nitrospina e Nitroesystis (RITMANN & McCARTY, 2001; METCALF & EDDY, 2003).

Alguns estudos têm mostrado que em vários processos de tratamento de águas residuárias, a Nitrobacter não é a mais importante oxidadora de nitrito e que a Nitrospira tem sido mais freqüentemente identificada neste processo (RITMANN & McCARTY, 2001).

A velocidade de crescimento das bactérias responsáveis pela nitrificação, principalmente as Nitrossomonas, é bem lenta e bastante inferior à das bactérias heterotróficas, responsáveis pela remoção da matéria carbonácea. Segundo EPA (1993) e Ferreira (2000), o tempo de geração das bactérias heterotróficas é de 10 a 20 vezes menores do que as nitrificantes. Já as Nitrobacter quando comparadas com as

Nitrosomonas, apresentam uma taxa de crescimento mais rápida, razão pela qual não há

acúmulo representativo de nitrito no sistema de tratamento (EPA, 1993).

De acordo com von Sperling (1997), em um sistema de tratamento biológico em que se objetiva a nitrificação, a idade do lodo é um fator importe, de modo que propicie o desenvolvimento das bactérias nitrificantes, antes que elas sejam arrastadas do sistema.

Alguns pesquisadores têm estudado a influência da idade do lodo no processo de nitrificação, tanto nos processos de lodos ativados, quanto nos processos de biomassa fixa e nos sistemas híbridos. Medeiros et al., (2005) utilizando um RBS para tratar 1200 L/ dia de esgoto doméstico obtiveram eficiências de 86% e 88% de remoção de amônio utilizando idades de lodo de 10 e 30 dias, respectivamente. Wolff (2005) utilizando reatores híbridos com idades de lodo de 3 e 10 dias para tratar esgoto domésticos, verificou que não houve influência deste parâmetro na eficiência de remoção de nitrogênio, pois esta estava ligada principalmente as bactérias autotróficas presentes nos materiais suporte.

3.5.1.3 Fatores que afetam a Nitrificação

Alguns fatores podem influenciar na taxa de crescimento das bactérias nitrificantes. Como já dito anteriormente, a idade do lodo é um fator importante na eficiência de nitrificação. Outros fatores como a temperatura, concentração de oxigênio dissolvido (OD), pH, alcalinidade e substâncias tóxicas também influenciam.

Temperatura:

A temperatura é um parâmetro que influencia diretamente a velocidade de crescimento dos organismos nitrificantes. Em países tropicais, as chances de ocorrência de nitrificação são bastante elevadas, em virtude das altas temperaturas que aceleram a velocidade de crescimento das bactérias nitrificantes.

De acordo com Ferreira (2000), o processo de nitrificação ocorre numa larga faixa de temperatura, de 4ºC a 45ºC, sendo que a temperatura ótima para as

Nitrosomonas é de 35ºC, e de 35ºC a 42ºC como ótima para as Nitrobacter.

Para Arceivala (1981 apud von SPERLING, 1997), a temperatura ótima para nitrificação encontra-se na faixa de 25 a 36ºC.

pH e Alcalinidade:

Para Metcalf & Eddy (2003), a velocidade de nitrificação é ótima com valores de pH entre 7,5 a 8,0. O pH entre 7,0 e 7,2 é normalmente usado para manter uma velocidade razoável de nitrificação. Já em valores de pH próximos de 5,8 a 6,0, a velocidade de nitrificação pode ser 10 a 20% menor que em pH 7,0 ( EPA, 1993).

De acordo com Surampalli et al., (1997), o pH ótimo para a nitrificação encontra- se no intervalo de 7,5 a 9,0. Com o pH abaixo de 7,0 e acima de 9,8 a velocidade de nitrificação é menor que 50% da ótima.

Para Jordão & Pessôa (2005), com valores de pH abaixo de 6,3 praticamente cessa toda a nitrificação, sendo que a melhor faixa encontra-se entre 7,2 a 8,6.

Ferreira (2000) reporta que na faixa de pH de 5 a 8, em um reator biológico aquoso, o pH de equilíbrio desse reator será governado pela quantidade de CO2 e alcalinidade presente no sistema.

Oxigênio Dissolvido

A concentração de OD tem efeito significante nas velocidades de crescimento das bactérias nitrificantes em tratamentos biológicos. De acordo com EPA (1993), o valor de OD para o qual a nitrificação é limitado está entre 0,5 e 2,5 mg/L, tanto em sistemas de crescimento suspenso quanto em crescimento aderido em regime

estacionário, dependendo do grau de transporte de massa. Jordão & Pessôa (2005) recomendam manter pelo menos 2,0 mg/L.

Metcalf & Eddy (2003) reportam que, em concentrações abaixo de 0,5 mg/L, tem-se observado um efeito inibitório maior nas Nitrobacter do que nas Nitrosomas .

Substâncias Tóxicas

Os organismos nitrificantes são susceptíveis a uma série de compostos orgânicos e inorgânicos. A presença desses compostos tóxicos no tratamento pode inibir seriamente o crescimento das bactérias nitrificantes, principalmente as Nitrosomonas, pois são muito sensíveis a perturbações (von SPERLING, 1997).

De acordo com Ferreira (2000), os compostos inorgânicos identificados como inibidores potenciais da nitrificação são: zinco, cianeto, cobre mercúrio, cromo, níquel, prata, cobalto, cromato de potássio, cádmio, chumbo e fluoretos, dentre outros. Skinner & Walker (1961 apud METCALF & EDDY, 2003) mostraram a completa inibição da oxidação da amônia com a presença de 0,25 mg/L de níquel, 0,25 mg/L de cromo e 0,10 mg/L de cobre.

As nitrificantes também são sensíveis à presença de certas formas de nitrogênio, como a amônia não-ionizada ou livre (NH3) e ácido nitroso não ionizado (HNO2). A amônia livre é inibidora das Nitrosomonas em concentrações entre 10 e 150 mg/L e da

Nitrobacter em concentrações variando de 0,22 a 2,8 mg/L. Tanto as concentrações do

ácido nitroso quanto da amônia livre são dependentes do pH e da temperatura (EPA, 1993).