Nitrificação e Desnitrificação em Sistemas Biológicos de Filme Fixo

3.7.1.1. Nitrificação

A remoção biológica do nitrogênio presente nas águas residuárias depende basicamente da forma química desse elemento no meio, de séries de reações de oxi - redução, dos microrganismos autotróficos e heterotróficos envolvidos, e das condições físico-químicas (Herbert, 1999). A Figura 3.41 ilustra as formas químicas do nitrogênio e os processos envolvidos no ciclo desse elemento.

Figura 3.41: Ciclo do nitrogênio. Adaptado de Colliver e Stephenson (2000)

Segundo Sedlak (1991), a remoção biológica do nitrogênio presente em águas residuárias envolve três processos básicos: assimilação, nitrificação e desnitrificação. A tabela 3.19 descreve sucintamente estes processos biológicos.

Tabela 3.19: Remoção de nitrogênio – Processos biológicos. Fonte: Kapoor e Viraraghan (1997); Van Loosdrecht e Jetten (1998)

Descrição Processos

Autotrófica Heterotrófica

Nitrificação

O nitrogênio amoniacal é convertido a nitrito e posteriormente esse último é oxidado a nitrato

A oxidação do nitrogênio amoniacal por microrganismos heterotróficos ocorre mediante a disponibilidade de substrato orgânico e geração de energia pela reação de nitrificação, como o realizado pela Thiosphaera

(Paracoccus pantotropha)

Desnitrificação

Compostos reduzidos de enxofre e hidrogênio servem como substratos e o dióxido de carbono ou bicarbonato servem como fontes de carbono para síntese celular

As bactérias heterotróficas em ambiente anóxico utilizam matéria orgânica para a conversão do nitrato a formas mais reduzidas (N2, N2O e NO)

Entre esses, a nitrificação autotrófica e desnitrificação heterotrófica são os processos mais aplicados para a remoção de nitrogênio em água e esgoto.

A nitrificação é um processo biológico, portanto presume a ação de seres vivos, levada a cabo por bactérias especiais, mas que ocorre 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.

A nitrificação compreende a primeira etapa para remoção dos compostos nitrogenados. Nesse processo, Nitrosomonas, Nitrosococcus, Nitrosospira, Nitrosolobus Nitrosovibrio são as bactérias responsáveis pela transformação da amônia a nitrito, etapa essa denominada de nitritação. E as bactérias envolvidas na nitratação (conversão do nitrito a nitrato) são Nitrobacter, Nitrococcus, Nitrospira e Nitrospina (Hagopian e Riley,1998).

Além disso, esse processo, em decorrência da oxidação do nitrogênio amoniacal e síntese, apresenta certas características, as quais são descritas na Figura 3.42 (Barnes e Bliss,1983 e Sedlak,1991).

Figura 3.42: Reações e características envolvidas na nitrificação. Adaptado de Barnes e Bliss (1983) e Sedlak (1991)

Em relação à bioquímica, o processo de nitrificação envolve muito mais do que a oxidação seqüencial da amônia para nitrito, pelas Nitrossomonas, e nitrito para nitrato, pelas Nitrobacter. Várias reações intermediárias e enzimas estão envolvidas no processo. Além disto, deve ser considerada a resposta dos organismos nitrificadores às condições do ambiente em que se encontram. Esta informação tem importância no projeto de processo dos sistemas de nitrificação que assegure que as nitrificadoras sejam capazes de ter atividades metabólicas eficientes.

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 35ºC, e de 35º a 42ºC como ótima para as Nitrobacter. Este processo é fortemente dependente da 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.

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 na faixa de 0,15 a 2,0mg/l OD. Estes coeficientes crescem com o aumento de temperatura.

A relação entre o OD e a cinética da nitrificação apresenta as seguintes relações:

9 O valor de OD para o qual a nitrificação é limitada pode ser de 0,5 a 2,5mg/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;

9 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;

9 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;

9 Também sob condições transientes, a conversão do nitrito a nitrato pode tornar-se a etapa limitante da taxa, no processo de nitrificação. Em tais condições a acumulação do nitrito não está correlacionada com baixos valores de OD.

Podemos concluir que a taxa de crescimento das Nitrossomonas não está limitada em níveis de OD acima de 1,0mg/l, mas, na prática, é requerido um OD maior do que 2,0mg/l.

Efeito do pH

Para fins de projeto, é suficiente levar em consideração que a taxa de nitrificação pode cair significativamente se o pH é reduzido abaixo da zona neutra, e que para uma ótima performance o melhor é manter o pH na faixa de 6,5 a 8,0. A aclimatação das nitrificadoras atenua os efeitos do pH, dentro da zona especificada.

Segundo Colliver e Stephenson (2000), a maioria das bactérias nitrificantes tem seu crescimento favorável sob: temperatura de 25 a 30°C, pH de 7,5 a 8,0, concentrações de amônia e nitrito, respectivamente, entre 2 e 10mM e 2 a 30mM e concentração de oxigênio de 3 a 4mgO2 / l Nessas condições o tempo de geração é de cerca de 8h para Nitrossomonas e

10h para Nitrobacter.

Efeito dos inibidores

Os organismos nitrificadores são suscetíveis a uma imensa série de inibidores orgânicos e inorgânicos. Como regra geral de aclimatação, as nitrificadoras podem adaptar-se a muitos inibidores, desde que estes estejam constantemente presentes no reator biológico. A inibição da nitrificação pode ocorrer através da interferência com o metabolismo celular ou com as reações oxidativas. Entretanto deve-se tomar cuidado ao interpretar as concentrações de compostos inibitórios de literaturas, pois a aclimatação pode ocorrer e remover efetivamente o efeito inibitório (Ferreira, 2002).

3.7.1.2. Desnitrificação

Processo que tem como reação a conversão das formas oxidadas de nitrogênio - nitrato - N-NO3- e nitrito – N-NO2-, 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 OD disponível no meio, de tal forma que os microrganismos utilizam o oxigênio do N-NO3- e do N-NO2- para respiração, ao invés do

oxigênio do ar. Acima de 1,0mg/l de OD a denitrificação é inibida pela maior facilidade de utilização do O2.

As formas de nitrogênio presentes no efluente bruto precisam ser convertidas de nitrogênio orgânico em nitrogênio amoniacal, para que as nitrificadoras o convertam em

nitritos e nitratos. Uma ampla faixa de bactérias facultativas heterotróficas, utilizam o oxigênio quimicamente ligado ao N-NO2- e N-NO3- para oxidação de matéria carbonácea.

Este processo é denominado desnitrificação anóxica (anóxico significa meio aeróbio com ausência de oxigênio livre).

A desnitrificação biológica envolve a redução, por via biológica, do nitrato a nitrito e nitrito a nitrogênio gasoso. O nitrito e o nitrato fornecem oxigênio para respiração microbiana da própria reação de desnitrificação.

Assim sendo, a condição adequada para a desnitrificação - oxigênio ausente mas nitrato presente- é denominada de anóxica.

Muitos microrganismos presentes em sistemas de tratamento de efluentes por lodos ativados são desnitrificadores, mesmo em sistemas não dimensionados para operar com desnitrificação. A presença destes organismos, nestes sistemas, deve-se ao seu caráter facultativo, isto é, eles podem utilizar oxigênio ou nitrato como aceptor de elétrons. As desnitrificadoras podem proliferar em sistemas aeróbios graças à sua habilidade de utilizar o oxigênio para oxidar a matéria orgânica de forma eficiente.

A desnitrificação compreende a última etapa para a remoção de nitrogênio por via biológica. Nesse processo podem-se citar: Achromobacter, Aerobacter Alcaligenes, Bacillus, Brevibacterium, Flavobacterium, Lactobacillus, Micrococcus, Proteus, Pseudomonas e Spirillum como algumas espécies de bactérias envolvidas no processo (Torres et al.,1998). A exemplo da nitrificação, esse processo, apresenta características particulares, as quais são ilustradas na figura 3.43.

Figura 3.43: Reações e características envolvidas na desnitrificação. Adaptado de Torres et al. (1998)

A desnitrificação pode ocorrer paralelamente à nitrificação em sistemas aeróbios de lodos ativados. Isto pode ser devido à formação de zonas pobres em oxigênio, criando zonas anóxicas no interior dos flocos das colônias de lodo ativado. O aporte de nitrato a estas zonas, favorece a ocorrência da desnitrificação, que também pode ocorrer em clarificadores, onde a disponibilidade de oxigênio é escassa e a de nitrato é mais alta, oriunda das zonas de nitrificação aeradas.

Os principais fatores responsáveis pelo controle do processo de desnitrificação são: temperatura, pH, concentração de OD, natureza da fonte de carbono, tempo de retenção celular (θc), concentração de nitrato, e a presença se substâncias tóxicas (Metcalf e Eddy,1991).

3.7.2. Tecnologia de Reatores Biológicos para a Remoção Simultânea