Nitrogênio orgânico Nitrogenio orgânico
particulado solúvel
Kjeldahl (NTK) N Total
Amônia livre &
orgânico Nitrogênio
Nitrogênio Nitrogênio não
biodegradável biodegradável
Nitrogênio Nitrogênio não
biodegradável Biomassa ativa
nitrato,Nitrito &
salina, biodegradável SN H SN O XN B SN D XN D SN I XN I& XN P
Fig. 2.5: Divisão da matéria nitrogenada segundo a medição do NTK.
SS = concentração de substrato rapidamente biodegradável.
SO = concentração de oxigênio dissolvido.
XB,H = concentração de biomassa heterotrófica ativa.
µmax,H = taxa de crescimento especifica máxima de biomassa heterotrófica.
YH = coeficiente de produção de biomassa heterotrófica observada.
KS, KO,H = constantes de média-saturação apropriadas.
No caso de existência de nutrientes que imponham limitações à taxa de crescimento de bactérias heterotróficas durante condições aeróbias, as frações apropriadas de Monod são multiplicadas ao lado direito de (2.9).
2.3
Processo de Remoção de Matéria Nitrogenada
A matéria nitrogenada presente em um processo de tratamento de esgotos divide-se conforme à medição do Nitrogênio Total Kjeldahl1(NTK). Portanto, adotamos esta divisão em lugar de utilizar
como base a DQO, que resulta sendo útil como indicador da matéria carbonácea oxidada (Jeppsson, 1996).
2.3.1
Divisão da matéria nitrogenada
Baseado no NTK, a matéria nitrogenada é dividida em nitrogênio orgânico, amônio, biomassa ativa, nitrito e nitrato (Jeppsson, 1996), tal como mostrado na Figura 2.5.
1. Nitrogênio orgânico: em forma similar à divisão da matéria carbonácea, divide-se em duas frações segundo sua biodegradabilidade
• Nitrogênio orgânico solúvel: que por sua vez se divide em:
- Nitrogênio orgânico solúvel não biodegradável (SNI): esta fração é usualmente des-
prezível e pode ser desconsiderada.
- Nitrogênio orgânico solúvel biodegradável (SN D): presente em forma de compostos
nitrogenados e compreende a matéria nitrogenada rapidamente biodegradável. É conver- tida pelas bactérias heterotróficas em amônia, através do processo de amonificação.
• Nitrogênio orgânico particulado: que por sua vez se divide em duas frações:
- Nitrogênio orgânico particulado biodegradável (XN D): é convertida à forma solúvel
(rapidamente biodegradável) através da hidrólise.
- Nitrogênio orgânico particulado não biodegradável ou inerte: tal fração é associada à matéria orgânica carbonácea não biodegradável, sendo envolvida pela biomassa e re- movida com o lodo excedente. Reúne a matéria particulada orgânica inerte (XN I) e os
produtos particulados orgânicos inertes (XN P).
2. Amônio livre e salino (SN H): pode estar presente tanto na forma livre (N H3), quanto na forma ionizada (N H4+), segundo o seguinte equilíbrio dinâmico:
NH3+ H+←→ NH4+ (2.10)
O amônio é resultado dos processos de hidrólise e amonificação descritos acima e também ingressa no esgoto afluente, dado que já no sistema de coleta e interceptação tem início estes processos. É utilizado pelas bactérias heterotróficas e autotróficas. Para o desenvolvimento do presente trabalho assume-se somente a existência do amônio na forma ionizada (íon amônio ou amônio), por ser esta a forma predominante na faixa de pH próxima à neutralidade.
3. Biomassa ativa (XN B): é a fração da biomassa que é assumida ser nitrogênio e é incluída
na divisão porque o decaimento de biomassa conduzirá à produção de nitrogênio orgânico biodegradável particulado, XN D.
4. Nitrito e nitrato: produzidos no processo de nitrificação e são representadas numa única variá- vel, SN O.
2.3.2
Processo de Nitrificação
A nitrificação é um processo microbiológico de dois passos, onde amônio é transformado em nitrito e subseqüentemente este é transformado em nitrato. Neste processo a energia é obtida através da oxidação da amônio solúvel, de onde obtém-se o nutriente para as atividades metabólicas de cres- cimento da biomassa para um grupo especial de bactérias autotróficas, denominadas nitrificadoras. Estas bactérias utilizam o gás carbônico como principal fonte de carbono.
2.3 Processo de Remoção de Matéria Nitrogenada 25
Se amônio é usado só como fonte de energia, o primeiro passo para a oxidação em nitrito (N O−2) é realizada através das bactérias autótrofas do gênero Nitrosomonas, conforme a seguinte reação:
NH+
4 + 1,5O2 −→ NO−2 + H2O + 2H+ (2.11)
Note que neste processo há uma grande quantidade de alcalinidade consumida, pois para cada mol de N H4+ que está sendo oxidado se produzem 2 moles de H+. Por esta razão algumas ETE´s requerem a adição de algum agente alcalinizante, para manter assim o pH em níveis adequados (Jeppsson, 1996). Níveis baixos de pH diminuem a taxa de nitrificação (taxa de conversão de amô- nio a nitrato), provocando outros problemas como a corrosão de tubulações e aparição de efluentes agressivos.
O segundo passo na oxidação de nitritos em nitratos é:
NO−
2 + 0,5O2 −→ NO−3 (2.12)
Esta reação dá-se principalmente pela ativação de bactérias autótrofas, como as do gênero Ni-
trobacter. Em climas tropicais como o Brasil, a nitrificação é facilitada pelas temperaturas eleva-
das, ocorrendo quase que sistematicamente em sistemas de lodos ativados convencionais (Von Sper- ling, 2000).
Para fins de modelagem em processos de lodos ativados, o processo de conversão a nitratos é considerado como um processo de um passo. Sendo assim, os três componentes do lado esquerdo nas reações (2.11) e (2.12) limitarão o crescimento das bactérias nitrificantes. Mas para fins práticos, a taxa de remoção de amônio por nitrificação considera somente as concentrações de amônio e de oxigênio como substratos limitantes:
dSN H dt = − µmax,A YA,N H · SO SO+ KO,A · SN H SN H + KN H · XB,A (2.13) sendo SN H = concentração de amônio.
SO = concentração de oxigênio dissolvido.
XB,A = concentração de bactéria autotrófica ativa.
µmax,A = taxa de crescimento especifica máxima da bactéria autotrófica.
YA,N H = coeficiente de produção de biomassa autotrófica observada.
KN H, KO,A = constantes de media-saturação apropriadas.
Como no caso da remoção de amônio, a taxa de produção de nitratos também é considerada como um processo de um passo, obtida a partir da seguinte relação:
dSN O dt = µmax,A YA,N O · SO SO+ KO,A · SN H SN H+ KN H · XB,A (2.14)
Note que em ambas reações há o consumo de oxigênio livre, consumo que é geralmente referido como demanda nitrogenada.
esgoto bruto carbono amônio dissolvido oxigênio autótrofos solúvel carbono heterótrofos gás nitrogênio biomassa esgoto bruto ar nitritos/nitratos biomassa insolúvel
crescimento aeróbio crescimento anóxico
Fig. 2.6: Principais reações no processo de nitrificação e desnitrificação na remoção de matéria nitro- genada.
2.3.3
Processo de Desnitrificação
A desnitrificação é um processo microbiológico heterotrófico onde o nitrato é reduzido a nitro- gênio gasoso. Utiliza o nitrato como agente oxidante em lugar de oxigênio. As condições em que este processo ocorre são denominadas anóxicas, devido à ausência de oxigênio e a que algumas bactérias heterotróficas são facultadas usar nitrato para oxidação.
O mecanismo de desnitrificação pode ser descrito mediante a reação microbial geral seguinte (Von Sperling, 2000):
matéria orgânica + 2N O−3 + 2H+ −→ N2+ 2, 5O2+ H2O (2.15) Note que há economia de oxigênio dado que a matéria orgânica pode ser estabilizada na ausência de oxigênio, assim como consumo de H+implicando na economia de alcalinidade e no aumento da capacidade tampão do meio.
Em forma estrita, são três as concentrações limitantes para o crescimento das bactérias hetero- tróficas desnitrificantes: as concentrações de substrato rapidamente biodegradável, de nitrato e de amônio. No entanto, a quantidade requerida de amônio para crescimento celular é muito pouca por- que a bactéria heterotrófica é capaz de usar nitrato na falta de amônio para este fim. Sendo assim, a concentração de amônio impõe uma limitação relativamente pequena, pelo que é desconsiderada. Em consequência, para a taxa de remoção de nitrato por desnitrificação, a seguinte expressão cinética é utilizada: dSN O dt = − µmax,H YH,N O · SS SS+ KS · SN O SN O+ KN O · XB,H (2.16)