Remoção biológica de nitrogênio pelo processo de nitrificação/desnitrificação

A remoção biológica de nitrogênio se baseia em estabelecer as condições para que ocorra o ciclo natural de transformação do nitrogênio. Nesse ciclo, organismos autotróficos, em ambientes aeróbios, promovem a oxidação da amônia a nitrito e posteriormente a nitrato. Em seguida organismos heterotróficos, em ambiente anóxico, reduzem o nitrato a nitrogênio gasoso.

A nitrificação é a primeira etapa para a remoção biológica de nitrogênio presente em águas residuárias, conforme relatado anteriormente, essa etapa é realizada por bactérias autotróficas que obtêm a energia necessária para o crescimento bacteriano a partir da oxidação de compostos inorgânicos do nitrogênio, principalmente o íon amônio (NH4+), utilizando dióxido de carbono (CO2) (Metcalf e Eddy, 1991). Essas bactérias, em ambiente aeróbio oxidam a amônia (NH4+) a nitrato (NO3-), tendo como composto intermediário o nitrito (NO2-). A reação é desenvolvida por diferentes grupos de bactérias e se realiza em duas fases subsequentes. Na primeira fase, denominada nitritação, a amônia é oxidada a hidroxilamina (NH2OH) (Equação 3.1) e desta a nitrito (Equação 3.2), pela ação das bactérias oxidadoras de amônia (BOA), como as Nitrosomonas, enquanto que na segunda

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fase, denominada nitratação, o nitrito é oxidado a nitrato (Equação 3.3) pela ação das bactérias oxidadoras de nitrito (BON) como as Nitrobacter.

( Equação 3.1)

( Equação 3.2)

( Equação 3.3)

Do ponto de vista energético, a reação de nitritação disponibiliza mais energia do que a reação de nitratação. Entretanto, a energia absoluta disponível para a síntese de ATP é pequena, ocasionando baixas taxas de crescimento das bactérias nitrificantes, (Madigan e Martinko, 2006). Os coeficientes de produção celular (Y) estimados para Nitrosomonas e

Nitrobacter são 0,15 mg células/mg N-NH4+ oxidado e 0,02 mg células/mg N-NO2- oxidado. Este fato favorece as bactérias que oxidam a amônia em relação às que oxidam o nitrito.(Metcalf e Eddy, 2003).

A densidade e a atividade fisiológica das bactérias nitrificantes são considerados os principais parâmetros para a bioconversão do nitrogênio em sistemas em esgotos, (Wagner

et al. 1995). Entretanto, a baixa taxa de crescimento e a sensibilidade desses

microrganismos a fatores ambientais como pH, temperatura, concentração do substrato e presença de substâncias tóxicas e a fatores operacionais como tempo de detenção celular,

variações de vazão e concentração de OD influenciam a estabilização dos processos de remoção de nitrogênio em estações de tratamento de esgotos (Okabe et al.1999, Kim et

al.2007 e Hallin et al. 2005).

Dionisi et al.(2002), utilizando técnicas de biologia molecular (PCR competitiva), quantificaram o número de BON (bactérias que oxidam nitrito) em amostras de sólidos em suspensão do licor misto de uma estação de tratamento de esgotos domésticos e de uma estação de tratamento de esgotos industriais. As resultados dos experimentos indicaram

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que as bactérias do gênero Nitrospira foram dominantes nos dois sistemas e que as BON apresentam baixa diversidade e são filogeneticamente diferentes das BOA.

Siripong e Rittmann (2007), também utilizando técnicas de biologia molecular, avaliaram a diversidade de bactérias nitrificantes presentes no lodo ativado de sete estações de tratamento de esgotos que se diferenciavam em relação ao tamanho, tipo de fluxo e TDH. De acordo com os autores, foi observada a coexistência de bactérias dos gêneros

Nitrosomona, Nitrospira e Nitrobacter em todas as amostras analisadas.

A desnitrificação corresponde ao processo de redução do nitrato para nitrito que, posteriormente é convertido a nitrogênio orgânico, utilizando uma fonte de material orgânico (metanol, acetato, etanol e glicose) como redutor, ou seja, como doador de elétrons. Esse processo ocorre por meio de bactérias facultativas heterotróficas que utilizam o nitrato e o nitrito como aceptor final de elétrons. A presença de material orgânico biodegradável, utilizado como doador de elétrons, é essencial para a ocorrência das reações de desnitrificação. Nessa reação o doador de elétrons pode ser originado de três fontes distintas: (1) - matéria orgânica do afluente (esgoto), (2) - matéria orgânica do material celular bacteriano (respiração endógena) e (3) de fonte externa exógena de carbono (acetato, etanol ou metanol, por exemplo). Admitindo-se o etanol como doador de elétrons as Equações 3.4 e 3.5 apresentam as reações de redução do nitrato e nitrito, respectivamente. A Equação 3.6 apresenta a equação geral do processo de desnitrificação, a qual ocorre devido à ação das enzimas nitrato redutase, nitrito redutase, óxido redutase e óxido nitroso redutase, nessa ordem.

( Equação 3.4)

_{( Equação 3.5)}

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O processo de desnitrificação pode ser realizado por bactérias filogeneticamente diferentes. Mateju et al. (1992) indicam os grupos Azospirillum, Beggiatoa, Chromobacterium,

Clostridium, Dessulfovibrio, Erythrobacter, Galionella, Helobacterium, Halomonas, Hypomicrobium, Neisseria, Paracoccus, Propionibacterium, Rhizobium, Thiobacillus, Thiosphaera, Vibrio e Xanthomonas, envolvidos no processo de desnitrificação. De acordo

com esses autores, vários grupos de bactérias, dentre eles os gêneros Paracoccus,

Thiobacillus, Thiosphaera podem efetuar desnitrificação autotrófica com uso de CO2 ou bicarbonato, compostos de hidrogênio e de enxofre (SO, S2-, S2O32-, S2O22- ou SO32-) como fonte de energia. Além dessas bactérias, Metcalf e Eddy (2003) apresentam como bactérias desnitrificantes os seguintes gêneros: Achromobacter, Aerobacter, Alcaligenes, Bacillus,

Brevibacterium, Flavobacterium, Lactobacillus, Micrococcus, Proteus, Pseudomonas e Spirillum.

De acordo com van Haandel e van der Lubbe (2007) e Sant'anna Junior (2010) as bactérias facultativas são as espécies mais abundantes nos flocos de lodos ativados, e mesmo sendo geradas em ambientes aerados, quando expostas a condições anóxicas, podem reduzir o nitrato.

A importância de se determinar a capacidade de desnitrificação, dentre diversos fatores, pode ser atribuída à concentração de nitrogênio que deverá ser removida sob as condições operacionais do sistema de lodo ativado operado (van Haandel e Marais, 1999). Assim como no processo de nitrificação, fatores ambientais e operacionais (temperatura, pH, razão carbono/nitrogênio, OD, tempo de detenção celular e concentração de nitrato) podem interferir no processo de desnitrificação.

De acordo com Bassin (2011), mesmo que amplamente utilizado, o processo biológico convencional de remoção de nitrogênio é indicado para o tratamento de águas residuárias com baixas concentrações de nitrogênio amoniacal, normalmente menores que 100mgN/L. Esse fato se deve ao seu reduzido rendimento energético e sua baixa atividade microbiana. Para efluentes com altas concentrações de nitrogênio amoniacal, como lixiviados, determinados efluentes industriais e dejetos suínos, o uso desse processo é limitado.

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Assim como o nitrogênio, o fósforo é um nutriente encontrado em águas residuárias que, quando lançado nos corpos hídricos, pode acelerar o processo de eutrofização. As técnicas de remoção de fósforo das águas residuárias incluem processos físicos, químicos e biológicos. Dentre esses processos, devido aos custos operacionais, o biológico normalmente é mais utilizado.