Transformações do Carbono

A matéria orgânica presente nos efluentes é constituída de sólidos sedimentáveis, coloidais e dissolvidos, os quais nas lagoas de estabilização sedimentam formando a camada de lodo, enquanto que os sólidos dissolvidos permanecem no meio líquido. No fundo das lagoas, os sólidos sedimentados são estabilizados anaerobiamente, e a matéria orgânica não sedimentada juntamente com a matéria solúvel, proveniente da degradação do lodo, são então degradadas sob condições aeróbias, anóxicas e anaeróbias, dependendo do tipo de lagoa em que está submetido o tratamento (SHILTON & WALMSLEY, 2005).

Quanto a degradabilidade, a matéria carbonácea pode ser dividida em duas frações: fração inerte, ou não biodegradável, e outra biodegradável. A fração inerte pode estar presente no efluente ou ser produzida pelo metabolismo dos microrganismos presentes no sistema. A fração biodegradável pode ter uma rápida ou lenta degradação.

Nas lagoas de estabilização, devido ao elevado tempo de detenção hidráulica, em comparação com outros sistemas biológicos de tratamento, ocorre maior remoção da matéria carbonácea lentamente degradável (VON SPERLING, 2009b).

Os principiais mecanismos bioquímicos de transformação de carbono nas lagoas, compreendem (PEARSON, 2005):

 Digestão anaeróbia: ocorre em lagoas anaeróbias e nas camadas de fundo das lagoas facultativas e de maturação;

 Redução fotossintética: ocorre nas zonas fóticas das lagoas facultativas, de maturação e de alta taxa;

 Oxidação aeróbia: ocorre nas camadas aeróbias das lagoas facultativas, de maturação e de alta taxa.

Digestão Anaeróbia

Para Jordão & Pessôa (2005), a digestão anaeróbia é um processo seqüencial, onde primeiramente ocorre a ―digestão ácida‖, onde as bactérias acidogênicas, na ausência de oxigênio dissolvido, transformam compostos orgânicos complexos (carboidratos e lipídios) em substâncias mais simples (ácidos orgânicos, aldeídos e álcoois). Nesta fase, o pH fica entre 5 e 6 e pode ocorrer a formação de compostos intermediários, como o ácido acético, propiônico e butírico, além do desprendimento de H2S e amônia, que causam maus odores. Em seguida ocorre a ―digestão

metânica‖, em que as bactérias metanogênicas transformam os ácidos

orgânicos em CH4 e CO2, quando o pH sobe para 7,2 a 7,5 e forma-se

uma escuma cinzenta. Nesta fase, os maus odores desaparecem. A metanização ocorre somente em temperaturas acima de 15ºC. Ambos os processos ocorrem simultaneamente e de forma sincronizada.

O processo de digestão anaeróbia requer uma perfeita interação entre as bactérias fermentativas e as metanogênicas. Entre os fatores que afetam os microrganismos da digestão anaeróbia encontra-se a

temperatura, o pH, a umidade, os nutrientes e a toxicidade no meio de reação (NOGUEIRA, 1992; CHERNICHARO, 2001).

Temperatura: É um dos fatores ambientais mais importantes para o

crescimento microbiano e, consequentemente, para a produção de gás. A digestão anaeróbia tem sido observada entre 0°C a 97°C. No entanto, há faixas de temperaturas que são consideras ótimas para o processo. Na faixa mesófila (20°C a 45°C), os valores ótimos encontram-se entre 30°C e 35° e na faixa termófila (45°C a 70°C) os valores ótimos situam- se entre 50°C e 55°C.

pH: Os processos de conversão anaeróbia desenvolvem-se melhor

quando próximos de um pH neutro. Em geral, as bactérias acidogênicas têm maior tolerância a valores baixos de pH do que as bactérias metanogênicas. Enquanto as bactérias produtoras de ácido podem ainda encontrar-se bastante ativas para valores abaixo de 4,5, a ação das bactérias metanogênicas pode ser inibida por completo para valores de pH abaixo de 6,0. Para as bactérias metanogênicas, os valores ótimos de pH situam-se entre 6,6 e 7,4.

Umidade: Segundo Pelczar Jr. et al. (1997) a água representa cerca de

80 a 90% do peso da célula, o restante é constituído por uma combinação de outros compostos químicos. A água funciona como um meio fluido onde ocorre a maioria das reações bioquímicas celulares. Além disso, é utilizada para dissolver uma grande variedade de substâncias. Esta última característica é muito importante porque a maioria dos microrganismos pode viver somente onde os nutrientes estão dissolvidos na água.

Nutrientes: Além dos macronutrientes fundamentais (carbono,

nitrogênio, fósforo, hidrogênio e enxofre), os microrganismos anaeróbios necessitam da suplementação de outros nutrientes específicos para o seu crescimento e metabolismo. Dentre estes, o nitrogênio é o elemento essencial para a síntese de proteínas e sua necessidade nutricional pode ser avaliada através da relação C:N. A relação ótima de C:N está entre 20:1 e 30:1, não devendo ser ultrapassada esta relação C:N de 35:1 para que o processo ocorra de forma mais rápida; por outro lado, valores muito menores podem significar uma insuficiência de carbono para a conversão do nitrogênio disponível e, neste caso, pode ocorrer um acúmulo de nitrogênio na

forma de amônia, que em elevadas concentrações pode inibir o crescimento das bactérias (principalmente as metanogênicas).

Substâncias tóxicas: Vários compostos orgânicos e inorgânicos podem

ser tóxicos ou ter efeitos inibitórios sobre o processo de digestão anaeróbio. Cabe ressaltar que até compostos e elementos considerados necessários para os microrganismos podem ser tóxicos para a atividade microbiana, quando em concentrações elevadas. Podemos citar como expemplos a amônia, ácidos voláteis, sais, metais pesados e sulfetos.

Fotossíntese

A fotossíntese consiste na conversão de energia luminosa em energia química, que posteriormente é utilizada para reduzir o dióxido de carbono em produtos altamente energéticos como a glicose e o amido. Trata-se da transformação do carbono de um estado oxidado (CO2 ou HCO3

-

) para um estado reduzido (CH2O) de alta energia

(RICKLEFS, 2001). De acordo com Odum (1983), a produtividade primária de um sistema ecológico é definida como a taxa na qual a energia luminosa é convertida, pela fotossíntese, em substâncias orgânicas. Pode estar dividida em:

 Produção primária bruta: é a energia total assimilada pela fotossíntese;

 Produção primária líquida: é a energia acumulada na biomassa e disponível ao próximo nível trófico.

Junqueira & Carneiro (2005) relatam que a fotossíntese ocorre em duas fases fisiológicas distintas: (a) a primeira, também chamada fase

clara, onde a energia luminosa é utilizada para quebrar a molécula de

água e liberar o oxigênio e H+, ocorrendo acúmulo de energia química na forma de ATP; (b) a segunda, também chamada fase escura, que é independente da luz, onde ocorre a redução do CO2 para a formação de

glicose através do uso da energia química acumulada na primeira fase. Todos os seres fotossintetizantes também utilizam o oxigênio para a respiração, sendo o processo inverso ao da fotossíntese (FERRI, 1985). Durante as horas do dia, a produtividade primária não está limitada à disponibilidade de luz, já que os níveis terrestres excedem os pontos de saturação da maioria dos organismos fotoautotróficos (RICKLEFS, 2001). Um dos fatores limitantes é a temperatura (ótima de

16°C para espécies de clima temperado e até 38°C para as espécies de clima tropical). Outro fator é a disponibilidade de nutrientes, sendo que existe um balanço para cada espécie, considerando macronutrientes (N, P e K) e micronutrientes (Ca, Mn, Mg, Na, Se, Si) (JUNQUEIRA & CARNEIRO, 2005).

Oxidação aeróbia

A oxidação aeróbia é o processo bioquímico de obtenção de energia da maioria dos seres vivos. Consiste na utilização do oxigênio como aceptor final de elétrons durante a oxidação da matéria orgânica. É o processo inverso da fotossíntese (RICKLEFS, 2001). Em sistemas de lagoas, a respiração é realizada principalmente pelas bactérias heterótrofas, microalgas e zooplancton. Alguns organismos fotossintetizantes também utilizam o oxigênio, uma vez que necessitam oxidar a glicose ou o amido (resultado da fotossíntese), e assim, obterem energia para os processos vitais (ALBERTS et al., 2004)

Nos sistemas de tratamento biológico, a respiração realizada pelas bactérias consiste na principal forma de remoção da matéria orgânica dos efluentes. Na respiração aeróbia bacteriana, além da matéria carbonácea, os microrganismos necessitam de fontes de nutrientes essenciais, especialmente o nitrogênio e o fósforo. O equilíbrio entre esses nutrientes é fundamental para o desenvolvimento de uma população ativa nos processos de tratamento de esgotos. Uma proporção de 100:5:1 de DBO:N:P é considerada ideal para que as bactérias heterótrofas removam a DBO5 afluente (METCALF & EDDY, 2003).

Existem também compostos chamados de resíduos não biodegradáveis ou recalcitrantes (refratários), para os quais os microrganismos são incapazes de produzir enzimas que possam romper suas ligações químicas, permanecendo, assim, inalterados (PIVELI & KATO, 2006).