nitrogênio na forma de nitrito é (Equações IV.14, IV.15 e IV.16)
𝐾
𝑚𝑠𝑁1,2=
𝑇𝐶𝑂𝑒𝑥𝑜𝑁1,2 4,57(IV.14)
𝐾
𝑚𝑠𝑁1=
𝑇𝐶𝑂𝑒𝑥𝑜𝑁1 3,43(IV.15)
𝐾
𝑚𝑠𝑁2=
𝑇𝐶𝑂𝑒𝑥𝑜𝑁2 1,14(IV.16) Em que:
𝑇𝐶𝑂𝑒𝑥𝑜𝑁1,2= taxa de consumo de oxigênio máxima exógena das bactérias autotróficas na nitrificação completa (N1,2) metabolizando amônia e nitrito (N
a e 𝑁𝑂2−) com Na >>> 𝐾𝑠𝑠𝑁1 e
𝑁𝑂2−>>> 𝐾
𝑠𝑠𝑁2 (mgO2.L-1.h-1);
𝑇𝐶𝑂𝑒𝑥𝑜𝑁1= taxa de consumo de oxigênio máxima exógena das bactérias autotróficas na nitritação
(N1) metabolizando amônia com N
a >>> 𝐾𝑠𝑠𝑁1 (mgO2.L-1.h-1);
𝑇𝐶𝑂𝑒𝑥𝑜𝑁2= taxa de consumo de oxigênio máxima exógena das bactérias autotróficas na nitratação
(N2) metabolizando nitrito 𝑁𝑂
2−>>> 𝐾𝑠𝑠𝑁2 (mgO2.L-1.h-1).
4,57= demanda estequiométrica de oxigênio para a oxidação de 1g de gNH4-N a nitrato;
3,43= demanda estequiométrica de oxigênio para a oxidação de 1g de gNH4-N a nitrito;
1,14= demanda estequiométrica de oxigênio para a oxidação de 1g de NO2 a nitrato.
Então, dessa forma, é possível relacionar a 𝑇𝐶𝑂𝑒𝑥𝑜𝑁1,2 com a 𝑟𝐶𝑁1,2, combinando a Equação IV.12 com as Equações IV.14, IV.15 e IV.16. Como resultado temos a Equação IV.17.
𝑟𝐶𝑁1,2= (𝑑𝑋𝑎𝑁1,2 𝑑𝑡 ) = (𝑌𝑜𝑏𝑠 𝑁1 ∗𝑇𝐶𝑂𝑒𝑥𝑜𝑁1 3,43 ∗ 𝑁𝑎 𝑁𝑎+𝐾𝑠𝑠𝑁1∗ 𝑋𝑎 𝑁1) + (𝑌 𝑜𝑏𝑠 𝑁2 ∗𝑇𝐶𝑂𝑒𝑥𝑜𝑁2 1,14 ∗ 𝑁𝑛𝑜2 𝑁𝑜2+𝐾𝑠𝑠𝑁2∗ 𝑋𝑎 𝑁2) (IV.17)
Com isso, considera-se um conjunto de constantes que precisam ser determinadas para a correta caracterização da cinética do metabolismo heterotrófico na oxidação do material orgânico e da nitrificação e que podem ser estimadas através da respirometria. Na Tabela IV.3 é apresentado um resumo dessas constantes e com qual processo se relaciona. Destaca-se que, para a nitrificação, apesar de que em muitas pesquisas consideram-se apenas a nitrificação em 1 única etapa (BASSIN, 2008; VAN HAANDEL; MARAIS, 1999; VAN HAANDEL; VAN DER LUBBE, 2012), serão utilizadas para efeito de comparação as duas formas de abordagem (nitrificação em 1 etapa e nitrificação em 2 etapas).
As formas de obtenção das constantes relacionadas na Tabela IV.3 serão avaliadas no contexto da presente tese com vistas a definir procedimentos que possam ser seguidos e utilizados no processo de otimização dos projetos de sistemas RBS.
A cinética da desnitrificação e da biodesfosfatação foi discutida separadamente devido as particularidades apresentadas por esses processos e por conta da não obtenção direta dos seus parâmetros via respirometria (CRONJE et al., 2002; UBISI et al., 1997).
Tabela IV.3 – Resumo dos parâmetros cinéticos que podem ser obtidos direta ou indiretamente
via respirometria
Constantes Equação para obtenção e/ou formas de obtenção Para o consumo de matéria orgânica biodegradável (Sba) – Organismos Heterotróficos
𝒓𝑪𝑯𝑬𝑻 𝑌𝑜𝑏𝑠𝐻𝐸𝑇 (1 − 𝑓𝑐𝑣∗ 𝑌𝑜𝑏𝑠𝐻𝐸𝑇) ∗ 𝑇𝐶𝑂𝑒𝑥𝑜𝐻𝐸𝑇 (IV.10) 𝒓𝑼𝑺𝒃𝒂 𝐾𝑚𝑠𝐻𝐸𝑇∗ 𝑆𝑏𝑎 𝑆𝑏𝑎+ 𝐾𝑠𝑠𝐻𝐸𝑇∗ 𝑋𝑎 𝐻𝐸𝑇 (IV.6) 𝒀𝒐𝒃𝒔𝑯𝑬𝑻
Obtido através de verificações de campo e testes específicos. O valor de 𝑌𝑜𝑏𝑠𝐻𝐸𝑇 tende a ser
diferente e menor do que 𝑌𝑟𝑒𝑎𝑙𝐻𝐸𝑇em função das condições especificas do sistema, da água
residuária, dos fatores ambientais, etc. O valor de 𝑌𝑟𝑒𝑎𝑙𝐻𝐸𝑇pode ser obtido diretamente do teste
respirométrico, sendo considerado como a fração restante da DQO adicionada que não foi oxidada. Ver subseção IV.2.3.3.
𝒇𝒄𝒗
Obtido através de verificações experimentais. Distinguem-se 3 métodos: (1) analítico, (2) matemático com interações com outras equações e (3) métodos de verificação direta. Ver subseção IV.2.3.3 𝑻𝑪𝑶𝒆𝒙𝒐𝑯𝑬𝑻 (1 − 𝑓𝑐𝑣∗ 𝑌𝑜𝑏𝑠𝐻𝐸𝑇) ∗ (𝐾𝑚𝑠𝐻𝐸𝑇∗ 𝑆𝑏𝑎 𝑆𝑏𝑎+ 𝐾𝑠𝑠𝐻𝐸𝑇∗ 𝑋𝑎 𝐻𝐸𝑇) (IV.9) + (IV.6) 𝑲𝒎𝒔𝑯𝑬𝑻 Obtido através dos testes respirométricos padrões, com pulsos de matéria orgânica. Expresso em mgDQO.mg𝑋
𝑎𝐻𝐸𝑇-1.d-1. Ver subseção IV.2.3.3.
𝑲𝒔𝒔𝑯𝑬𝑻 Obtido através testes respirométricos específicos para a sua determinação. Ver subseção IV.2.3.4.
𝑿𝒂𝑯𝑬𝑻 Obtido através de equações de balanço de massas. Distinguem-se 3 equações Ver subseção IV.2.3.3
Para o consumo de amônia e nitrito (𝑁𝐻4+ e 𝑁𝑂2−) – Organismos Nitrificantes
𝒓𝑪𝑵𝟏,𝟐 (𝑌𝑜𝑏𝑠𝑁1∗ 𝑇𝐶𝑂𝑒𝑥𝑜𝑁1 3,43 ∗ 𝑁𝑎 𝑁𝑎+ 𝐾𝑠𝑠𝑁1∗ 𝑋𝑎 𝑁1) + (𝑌 𝑜𝑏𝑠𝑁2∗ 𝑇𝐶𝑂𝑒𝑥𝑜𝑁2 1,14 ∗ 𝑁𝑛𝑜2 𝑁𝑜2+ 𝐾𝑠𝑠𝑁2∗ 𝑋𝑎 𝑁2) (IV.17) 𝒓𝑪𝑵𝟏 (𝑌𝑜𝑏𝑠𝑁1∗ 𝑇𝐶𝑂𝑒𝑥𝑜𝑁1 3,43 ∗ 𝑁𝑎 𝑁𝑎+ 𝐾𝑠𝑠𝑁1∗ 𝑋𝑎 𝑁1) (IV.17) 𝒓𝑪𝑵𝟐 (𝑌𝑜𝑏𝑠𝑁2∗ 𝑇𝐶𝑂𝑒𝑥𝑜𝑁2 1,14 ∗ 𝑁𝑛𝑜2 𝑁𝑜2+ 𝐾𝑠𝑠𝑁2∗ 𝑋𝑎 𝑁2) (IV.17) 𝒀𝒐𝒃𝒔𝑵𝟏, 𝒀𝒐𝒃𝒔𝑵𝟐
Obtido através de testes específicos para cada grupo (nitritadoras e nitratadoras). Semelhante ao rendimento para os grupos heterotróficos, é conhecido também um valor de 𝒀𝒓𝒆𝒂𝒍𝑵𝟏 e 𝒀𝒓𝒆𝒂𝒍𝑵𝟐 , que possuem valores maiores que os valores de rendimento observados. Os
valores de rendimento reais são obtidos dos testes respirométricos em condições ideais. 𝑻𝑪𝑶𝒆𝒙𝒐𝑵𝟏, 𝑻𝑪𝑶𝒆𝒙𝒐𝑵𝟐
Obtido através de testes respirométricos com pulsos de substratos Amônia e Nitrito. O reajuste das equações IV.15 e IV16 também dão condições de estimativas. 𝑇𝐶𝑂𝑒𝑥𝑜𝑁1 = 𝐾𝑚𝑠𝑁1∗
3,43 e 𝑇𝐶𝑂𝑒𝑥𝑜𝑁2 = 𝐾𝑚𝑠𝑁2∗ 1,14
𝑲𝒔𝒔𝑵𝟏, 𝑲𝒔𝒔𝑵𝟐 Obtido através testes respirométricos específicos para a sua determinação. Ver subseção IV.2.3.4
𝑲𝒎𝒔𝑵𝟏,𝟐
Obtido através dos testes respirométricos padrões, com pulsos de amônia e nitrito em conjunto ou apenas com amônia mas sem inibição das bactérias nitratadoras Expresso em mg𝑁𝐻4+.mg𝑋𝑎𝑁1,2-1.d-1.
𝑲𝒎𝒔𝑵𝟏, 𝑲𝒎𝒔𝑵𝟐
Obtido através dos testes respirométricos padrões, com pulsos de amônia com inibição das nitratadoras para 𝑲𝒎𝒔𝑵𝟏 e com pulsos de nitrito para 𝑲𝒎𝒔𝑵𝟐. Expresso em mg𝑁𝐻4+.mg𝑋𝑎𝑁1,2-1.d-
1.
IV.2.3.3. Determinação das Constantes de Utilização do Substrato: 𝑲𝒎𝒔𝑯𝑬𝑻, 𝑲𝒎𝒔𝑵𝟏, 𝑲𝒎𝒔𝑵𝟐 e 𝑲𝒎𝒔𝑵𝟏,𝟐
Os testes para determinação da taxa de utilização dos substratos foram determinados e avaliados após a seleção das melhores condições obtidas dos testes descritos nos sub itens IV.2.2.1 (relaxação da leitura de OD), IV.2.2.2 (frequência da leitura e amplitude da faixa de OD), IV.2.2.3 (concentração de SSLM ideal para o teste respirométrico), IV.2.2.4 (ruídos da medição de oxigênio dissolvido), IV.2.2.5 (efeitos da absorção atmosférica de oxigênio e da mistura), IV.2.2.6 (efeito do volume do teste) e IV.2.3.1 (seleção dos substratos padrões).
Contudo, o procedimento padrão utilizado foi o mesmo, variando e considerando apenas as condições explicitadas nos sub itens citados anteriormente. A Figura IV.7 resume o respirograma padrão obtido e os elementos básicos de suas características além de elencar as condições do teste.
Figura IV.7 – Detalhes do procedimento para a determinação de 𝑲𝒎𝒔𝑯𝑬𝑻, 𝑲𝒎𝒔𝑵𝟏, 𝑲𝒎𝒔𝑵𝟐 e 𝑲𝒎𝒔𝑵𝟏,𝟐
FONTE: próprio autor.
Da Figura IV.7 percebe-se 3 instantes fundamentais:
(1) O estabelecimento da TCOend: esse instante foi caracterizado e considerado de forma visual,
após a percepção da repetição de medições constantes e contínuas do mesmo valor de TCO. Uma faixa usual de TCOend é entre 10 a 20 mg.L-1.h-1, para Xt entre 1 a 3 g.L-1. Assim, quando
(2) O instante da adição do substrato: após estabelecida a TCOend, configura-se o momento ideal
para a adição do substrato que irá induzir a expressão metabólica máxima do consumo de oxigênio (𝑇𝐶𝑂𝑚𝑎𝑥𝐸𝑋𝑂), relacionando dessa forma a taxa máxima de consumo do substrato
adicionado bem como a taxa máxima de crescimento. O entendimento de que essa 𝑇𝐶𝑂𝑚𝑎𝑥𝐸𝑋𝑂
realmente encontrava-se na sua taxa máxima advém das condições na qual o teste foi realizado, sendo assim compreendido como 𝑇𝐶𝑂𝑚𝑎𝑥𝐸𝑋𝑂 para as condições do teste.
(3) O instante do retorno da TCOend: Esse instante sinaliza o fim do substrato adicionado,
pontuando o local onde deve-se considerar para efeito de cálculos e indicando um novo instante para um novo teste.
Dessa forma, as constantes de utilização dos substratos foram determinadas através da obtenção da 𝑇𝐶𝑂𝑚𝑎𝑥𝐸𝑋𝑂 exercida para cada substrato: fonte de matéria orgânica solúvel facilmente
biodegradável para 𝐾𝑚𝑠𝐻𝐸𝑇, fonte de nitrogênio na forma de amônia e sem inibição da nitratação
para 𝐾𝑚𝑠𝑁1,2, fonte de nitrogênio na forma de amônia e com inibição da nitratação para 𝐾𝑚𝑠𝑁1 e
fonte de nitrogênio na forma de nitrito para 𝐾𝑚𝑠𝑁2.
Para a determinação de 𝐾𝑚𝑠𝐻𝐸𝑇 fez-se uso de dois métodos, ambos com base na 𝑇𝐶𝑂
𝑒𝑥𝑜,𝑚𝑎𝑥𝐻𝐸𝑇 : (1)
determinação respirometrica e (2) determinação com dados respirométricos e de campo.
O método respirométrico tem como base as Equações IV.18 e IV.19, onde suas origens deriva- se predominantemente de parâmetros respirométricos.
𝐾
𝑚𝑠𝐻𝐸𝑇=
𝑓𝑜𝑥𝑖∗𝑇𝐶𝑂𝑒𝑥𝑜,𝑚𝑎𝑥𝐻𝐸𝑇 ∗24𝑋𝑎,𝑟𝑒𝑠𝑝𝐻𝐸𝑇 (IV.18)
𝑋
𝑎,𝑟𝑒𝑠𝑝𝐻𝐸𝑇= 𝑇𝐶𝑂
𝑒𝑛𝑑,𝑚é𝑑𝐻𝐸𝑇∗
[𝑓 24𝑐𝑣∗(1−𝑓)∗𝑏ℎ𝑡] (IV.19)
Em que:
𝑓𝑜𝑥𝑖: fração da matéria orgânica que é oxidada (adimensional);
𝑇𝐶𝑂𝑒𝑥𝑜,𝑚𝑎𝑥𝐻𝐸𝑇 : taxa de consumo exógina máxima para os organismos heterotróficos (mg.L-1.h-1)
𝑋𝑎,𝑟𝑒𝑠𝑝𝐻𝐸𝑇 : concentração de organismos heterotróficos ativos, equação respirometrica (mgXa.L-1)
𝑓: fração do lodo ativo decaído que se torna resíduo endógeno (adimensional) 𝑏ℎ𝑡: constante de decaimento de lodo heterotrófico na temperatura (t) do teste (d-1).
Pode-se atribuir valores tabelados para a constante de decaimento 𝑏ℎ𝑡 e os parâmetros
estequiométricos 𝑓𝑐𝑣 e 𝑓, contudo, nessa pesquisa, desenvolveu-se experimentos auxiliares para
a determinação experimental dessas constantes, ver seção IV.4.2. A constante de decaimento 𝑏ℎ𝑡 foi determinada de acordo com a Equação IV.20 e a constante 𝑓
𝑐𝑣 de acordo com a Equação