PROCESSOS AERÓBIOS FERMENTAÇÃO RESPIRAÇÃO ANAERÓBIA RESPIRAÇÃO AERÓBIA
podendo gerar até mesmo menos de 1 ATP por mol de glicose. Além disso, nem toda a energia contida em 1 mol de glicose é armazenada na forma de ATP, ficando grande parte da mesma dissipada no ambiente.
Respiração aeróbia: 38 ATPs/mol x 7 kcal/mol ATP = 266 kcal
Glicose 6 CO2 + 6 H2O (∆H = 688 kcal/mol) ⇒ 266/688 = 39 %
Fermentação: 2 ATPs/mol x 7 kcal/mol ATP = 14 kcal
Glicose Etanol (∆H = 57 kcal/mol) ⇒ 14/57 = 25 % Este fato demonstra a capacidade de microrganismos aeróbios de extrair uma maior quantidade de energia de um substrato comparativamente com os anaeróbios. Este fato tem uma implicação direta na partição da quantidade de substrato que vai para geração de energia e a que vai para a síntese de novas células. Processos aeróbios geram de 5 a 20 vezes mais material celular a partir de uma quantidade determinada de substrato do que os processos anaeróbios.
Esta diferença em termos energéticos está relacionada à termodinâmica das reações envolvidas. A Figura abaixo apresenta um gráfico das relações entre doadores de elétrons (substratos) e de aceptores de elétrons com a energia gerada pelas reações metabólicas.
Esta maior capacidade de extração de energia do substrato dos processos aeróbios implica em um desenvolvimento mais acelerado de uma população de microrganismos, porém, não implica em que sejam maiores a velocidade específica de conversão de substrato em produto. Na realidade, em geral, os microrganismos anaeróbios degradam um substrato 2 vezes mais rápido do que os aeróbios.
É importante lembrar que os argumentos termodinâmicos não podem ser usados em todos os casos para prever ou explicar determinadas ocorrências nestes sistemas. Os fatores ambientais são de fundamental importância.
Nas Tabelas a seguir estão apresentados alguns parâmetros cinéticos típicos dos processos anaeróbio e aeróbio, onde podemos observar numericamente os comentários feitos acima. CO2 SO42- NO3- O2 NO2- Formiato Glicose Glicerol Metanol Piruvato Glicina Lactato Etanol Succinato Benzoato Acetato
Doadores de elétrons Aceptores de elétrons
0 -5 -10 -15 -20 -25 -
Sumário de valores de constantes cinéticas para vários substratos utilizados em processos anaeróbios mesofílicos Substrato Processo k (gDQO/gSSVd) KS (mgDQO/L) µmax (d-1) YX/S (gSSV/gDQO) b (d-1) Carbohidratos Acidogênese 1,33 – 70,6 22,5 – 630 7,2 – 30 0,14 – 0,17 6,1 Ácidos de
cadeia longa Oxidação anaeróbia 0,77 – 6,67 105 – 3180 0,085 – 0,55 0,04 -0,11 0,01 – 0,015 Ácidos de cadeia curta Oxidação anaeróbia 6,2 – 17,1 12 – 500 0,13 – 1,20 0,025 – 0,047 0,01 – 0,027 Acetato Metanogênese acetoclástica 2,6 – 11,6 11 – 421 0,08 – 0,7 0,01 – 0,054 0,004 – 0,037 H2 e CO2 Metanogênese 1,92 - 90 4,8x10-5 – 0,6 0,05 – 4,07 0,017 – 0,045 0,088
Sumário de valores de constantes cinéticas para vários substratos utilizados em processos aeróbios mesofílicos
Valores
coeficiente unidade faixa típico
k d-1 2 - 10 5
KS mgDBO/L 25 - 100 60
mgDQO/L 15 - 70 40
YX/S gSSV/gDQO 0,4 – 0,8 0,6
b d-1 0,025 – 0,075 0,06
Nestas Tabelas é importante verificar as diferenças entre os fatores de conversão de substrato em células (Y), que mesmo não sendo nas mesmas unidades podem dar uma idéia da ordem de grandeza. Os microrganismos aeróbios aproveitam em torno de 60 % da matéria orgânica para produzir novas células, enquanto que os anaeróbios acidogênicos aproveitam em média 15 % e os metanogênicos 3 %.
No entanto, em termos de velocidade de conversão de substrato em produtos os microrganismos anaeróbios acidogênicos são em média 7 vezes mais rápidos do que os aeróbios, e os metanogênicos acetoclásticos, limitantes do processo anaeróbio, tem uma velocidade média ligeiramente superior à dos aeróbios (1,4 vezes).
Em termos de velocidade de decaimento (b ou Kd), os metanogênicos acetoclásticos
decaem numa velocidade aproximadamente 3 vezes menor. Este fator implica em que um lodo anaeróbio pode ser conservado sem alimentação por períodos mais longos do que os aeróbios. Isto tem importância fundamental na retomada de processos após um período de parada para manutenção, ou em casos de processos sazonais.
INTERAÇÕES MICROBIANAS NOS PROCESSOS DE TRATAMENTO BIOLÓGICO (Texto adaptado de VAZOLLER, 1999)
• Sistemas Aeróbios
O sistema biológico mais comumente utilizado como exemplo dos processos aeróbios é o conhecido por Lodos Ativados. No entanto, sua descrição microbiana é bastante semelhante para outros sistemas, como Filtro Biológico, Lagoas Aeradas, Valos de Oxidação e Biodiscos. Por serem sistemas microbianos semelhantes, estes serão abordados em conjunto.
¾ Lodos ativados
No processo de Lodos Ativados participam uma série de microrganismos. Dentre os principais tipos encontram-se: bactérias heterótrofas e quimioautrótofas (destacando-se as filamentosas), protozoários e micrometazoários.
Nestes sistemas as bactérias são os consumidores primários, ou seja, são responsáveis pela degradação da matéria orgânica. Os protozoários utilizam as bactérias como base nutricional, que por sua vez irão constituir a base nutricional dos micrometazoários.
A principal característica deste processo e a formação de aglomerados de microrganismos (flocos) que é importante para separação do lodo formado. A quantidade de bactéria filamentosas tem um papel fundamental na floculação do lodo.
A floculação bacteriana é conseqüência direta da operação do bioreator, que promove condições de estresse nutricional, conduzindo a menor atividade de parte das células no sistema, ou induzindo o metabolismo endógeno celular. A baixa atividade das bactérias favorece a floculação no bioreator, bem como a auto-oxidação das células, o que em certo grau auxilia na diminuição da massa celular.
0 2 4 6 8 10 0 100 200 300 400 500 Substrate (mg COD/L)
Substrate Removal Velocity
(mg COD gSV -1 d -1 ) 0 1 2 3 4 5 0 100 200 300 400 500 Substrate (mg COD/L) Growth Velocity (d -1 )
Lodos Ativados Metanogênicas Acetoclásticas
As bactérias responsáveis pelo processo biológico e presentes no floco pertencem a diferente gêneros, e em sua grande maioria são heterótrofas. O quadro abaixo apresenta alguns exemplos de gêneros microbianos presentes em Lodos Ativados.
Tipos de microrganismos encontrados no processo de lodos ativados
Tipo de microrganismo Exemplos
Bactérias
Heterótrofas Pseudomonas sp, Zooglea ramigera, Achromobacter sp, Flavobacterium sp, Bdellovíbrio sp, Mycobacterium, Alcaligenes sp e Citromonas sp.
Filamentosas Sphaerotillus natans, Beggiatoa sp, Thiothrix, Leucothrix sp, Microthrix parvicella, Nocardia sp, Nostocoida limicola, Haliscomenobacter hydrosis, Flexibacter sp.
Nitrificantes Nitrosomonas sp E Nitrobacter sp. Protozoa
Classe Sarcodina Amebas – Arcella discoides e Amoeba sp.
Classe Ciliata Ciliados livres-nadantes e sésseis – Aspidisca costata, Trachelophyllum sp, Paramecium sp, Didinium sp e Chilodenella sp.
Classe Mastigophora Flagelados – Spiromonas sp, Bodo sp, Euglena sp, Monas sp e Cercobodo sp.
Algumas espécies de bactérias filamentosas são também heterótrofas, removendo a matéria orgânica do meio, e outras são capazes de oxidar compostos reduzidos de enxofre, com formação intracelular de grânulos de enxofre elementar, como é o caso dos gêneros Thiothrix e Beggiatoa sp. Estas bactéria podem ser encontradas na estrutura dos flocos ou livres, e são em geral os microrganismos responsáveis pela ocorrência de um dos graves problemas no tanque de aeração, o intumecimento do lodo. O crescimento em abundância de filamentosas, como efeito de algum desequilíbrio operacional do sistema, forma uma macroestrutura semelhante a uma rede, que interfere na sedimentação e compactação do floco bacteriano, além da competição com as demais espécies bacterianas pelo substrato orgânico. A existência de outros metabolismos também pode ser exemplificada pelas espécies quimioautótrofas Nitrosomonas sp e Nitrobacter sp, responsáveis pela nitrificação da amônia.
A microfauna existente é um bom indicador do estágio de depuração do processo, uma vez que sua natureza varia com a concentração de matéria orgânica, com a concentração de O2 e com a concentração das várias espécies de microrganismoa presentes no sistema. A
Figura abaixo apresenta um gráfico representativo das variações de predominancia dos vários microrganismoas presentes em um processo de Lodos Ativados, em função do grau de depuração do efluente.
No início do processo pode-se observar a presença de amebas e flagelados, posteriormente substituídos por protozoários holozóicos, como por exemplo os ciliados livre- nadantes. O climax do sistema atinge quando se observa a presença de siliados sésseis e micrometazoários, como os rotíferos e nematóides.
Pode-se controlar qualitativamente o processo de lodos ativados em função da predominância das populações de microrganismos existentes. Algumas características do processo relacionadas com a predominância das populações está apresentada na Tabela abaixo:
Outro parâmetro de controle realizado com a análise microscópica é com relação às características de sedimentabilidade do lodo em função do número de filamentos existentes e do diâmetro do floco.
• Sistemas Anaeróbios
Nos processos anaeróbios ou, nos sistemas de biodigestão anaeróbia, a degradação da matéria orgânica envolve a atuação de microrganismos procarióticos anaeróbios facultativos e obrigatórios, cujas espécies pertencem ao grupo de bactérias hidrolíticas-fermentativas, acetogênicas produtoras de hidrogênio e metanogênicas. A bioconversão da matéria orgânica poluente com produção de metano requer a cooperação entre culturas bacterianas como ilustrado no esquema da Figura abaixo. Na atividade microbiana anaeróbia em biodigestores, como também em habitat naturais com formação de metano (sedimentos aquáticos, sistema gastrintestinal de animais superiores, pântanos, etc.), o que se observa é a ocorrência da oxidação de compostos complexos, resultando nos precursores do metano, acetato e hidrogênio. H2+ CO2 Formiato, etc. ÁC. GRAXOS ALCOOiS LACTATO, etc. MONOMEROS Y OLIGOMEROS ACETATO CH4+ CO2 POLÍMEROS
(proteinas, lipídos, polisacarídeos)
I - Hidrólise e fermentação II – Acetogênese y desidrogenacão III – Metanogênese 2 4 1 4 1 1 1 5 3 H2+ CO2 FORMIATO 6