Tratamento biológico por lamas ativadas vala de oxidação

O sistema de tratamento por lamas ativadas surgiu em 1914, em Manchester, sendo o seu funcionamento geral baseado em dois estágios: primeiramente há a redução e transformação dos poluentes num reator biológico, através da biomassa suspensa e em ambiente aeróbio, e de seguida, dá-se a separação dos sólidos da fase líquida, isto é a separação da lama biológica da água residual, efetuada normalmente num decantador. O designado licor misto resulta da mistura da água residual afluente e da lama biológica (lama ativada), que ocorre no interior do reator biológico. As lamas ativadas são compostas por uma grande diversidade de microrganismos (bactérias, protozoários, fungos, etc.) e por compostos orgânicos e inorgânicos, como por exemplo os polímeros extracelulares que são importantes para a biofloculação. A lama é formada pela suspensão floculenta da comunidade microbiana [14] [15].

Um sistema de tratamento com um reator biológico com a configuração de uma vala de oxidação é uma das alternativas aos sistemas convencionais de lamas ativadas. Este surgiu por volta 1959, concebido por Pasveer, com o objetivo de criar um sistema de tratamento de águas residuais menos dispendioso, para satisfazer uma pequena comunidade em Holanda [16]. As valas de oxidação apresentam, de uma forma geral, uma variedade de vantagens na sua utilização: baixos custos de manutenção; permite um nível constante de efluente no reator, com descarga contínua, que possibilita que o efluente não transborde e elimina o aumento periódico de efluente que é usual em outros processos biológicos, tais como SBRs; é produzida uma menor quantidade de lamas biológicas do que em outros processos e os custos energéticos são menores em comparação com outros processos biológicos. No entanto, estes sistemas têm as suas desvantagens, produz concentrações elevadas de sólidos suspensos em comparação com outros sistemas de lamas ativadas e necessitam de uma grande área de implementação do sistema, limitando a sua aplicação nas zonas urbanas, suburbanas ou em outras áreas em que os custos de aquisição do terreno sejam elevados [17].

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Para além do sistema original proposto por Pasveer outras configurações foram desenvolvidas ao longo dos anos, sendo uma delas a vala de oxidação do tipo Carrossel. Esta foi criada com o objetivo de tratar maiores quantidades de efluente, de forma a ultrapassar por exemplo problemas relacionados com grandes gastos energéticos durante o processo, que poderiam acontecer se fosse aplicado um tanque de arejamento convencional em arejamento prolongado para o mesmo efeito [16].

A vala de oxidação do tipo Carrossel (Figura 2) pode operar em arejamento prolongado. Neste tipo de operação a razão A/M apresenta valores entre 0.05 e 0.15 KgCBO/Kg MLSS.d, o tempo de retenção hidráulico varia entre 20 a 30 horas, a idade de lamas varia entre 20 a 30 dias, a concentração de MLSS nas lamas varia entre 2000- 6000 mg/L e a eficiência de remoção neste tipo de processo varia entre 90 a 95% [18].

Figura 2 - Exemplo de um sistema de lamas ativadas com vala de oxidação do tipo Carrossel. Adaptado de [18].

O sistema de lamas ativadas com uma configuração de vala de oxidação permite, em termos de funcionalidade, juntar as características de um sistema de mistura completa com um sistema de fluxo pistão.

A conceção hidráulica da vala de oxidação possibilita, ao longo do circuito, obter concentrações de oxigénio diferentes, formando zonas ricas em oxigénio (zonas arejadas) e zonas com concentrações baixas de oxigénio (zonas anóxicas). Assim, este gradiente de concentrações de oxigénio ao longo do reator permite que ocorram processos de nitrificação/ desnitrificação, a redução de fósforo e a simultânea redução da matéria orgânica [19][20].

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No interior do reator, a partir da comunidade microbiana presente (organismos heterotróficos aeróbios), ocorre a oxidação de uma parte da matéria orgânica a produtos finais e a outra parte é transformada em nova biomassa, segundo a estequiometria da Equação 1 [11].

Bactéria

COHNS + O2 + nutrientes CO2 + NH3 + C5H7NO2 + outro produto final Equação 1

A respiração endógena dá-se segundo a estequiometria da Equação 2 [11].

Bactéria

C5H7NO2 + 5O2 5CO2 + 2H2O + NH3 + energia Equação 2

(Células)

A remoção biológica do azoto tem início no processo de amonificação, que por ação de microrganismos ocorre a conversão de compostos orgânicos azotados (proteínas, ureia, etc.) a azoto amoniacal. Posteriormente, dá-se a oxidação biológica do azoto amoniacal a nitrato, processo designado de nitrificação. Este processo, que ocorre em ambiente aeróbio, envolve duas etapas: primeiramente o azoto amoniacal é convertida a nitrito (Equação 3), e de seguida esta é convertida a nitrato (Equação 4). Estas duas etapas envolvem a ação de bactérias autotróficas como, as Nitrossomas e as Nitrobacter, que utilizam fontes inorgânicas de azoto (azoto amoniacal e nitritos) para a obtenção de energia [21].

Equação 3

_{Equação 4}

Existe uma variedade de fatores que afetam o processo de nitrificação como, o pH, a temperatura, o tempo de residência de sólidos e os compostos inibidores da taxa de nitrificação, visto que as bactérias que participam neste processo apresentam uma taxa

(matéria orgânica)

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de crescimento menor que as bactérias heterotróficas. Valores de pH entre 7.2 e 9.0, é o intervalo de valores mais adequado para a ocorrência deste processo, sendo que para valores fora desta gama, a velocidade de crescimento dos organismos é menor. O processo de nitrificação pode ocorrer numa gama ampla de temperaturas, entre os 4 a 45ºC, sendo que o valor ótimo de operação está compreendido entre 35 a 45ºC [22]. Na zona aeróbia do sistema de lamas ativadas, os organismos intervenientes no processo de nitrificação e na redução da matéria orgânica são produzidos continuamente, devido à síntese de matéria biológica, e seguem juntamente com o efluente até aos decantadores secundários, onde ocorre a separação do material sólido da fase liquida. A recirculação das lamas biológicas do decantador para o reator biológico permite manter uma quantidade elevada de biomassa no seu interior.

A remoção final do azoto da água residual dá-se pelo processo de desnitrificação. Este ocorre num ambiente anóxico, a uma concentração de oxigénio dissolvido baixa ou nula, em que os microrganismos efetuam a redução dos nitratos ou nitritos a azoto molecular (Equação 5). Os nitratos e nitritos funcionam como aceitadores finais na cadeia transportadora de eletrões. Os organismos intervenientes neste processo são bactérias heterotróficas (utilizam compostos orgânicos como fonte de carbono), como por exemplo as Achromobacter, Acinetobacter, Agrobacterium, entre outros. A maior parte das bactérias são facultativas, isto é, tanto utilizam o oxigénio, o nitrato ou nitrito no processo [21][11]. O intervalo de pH para o qual o processo de desnitrificação pode ocorrer é de 6.5 a 7.5 e a uma temperatura aproximadamente 30ºC [22].

orgânico Equação 5

Na zona anóxica do reator biológico ocorre, portanto, o processo de desnitrificação, permitindo a redução dos consumos de energia, visto que, durante o processo ocorre a libertação de oxigénio e parte da matéria orgânica é utilizada como fonte de carbono pelos organismos desnitrificantes. A ocorrência deste processo possibilita a reposição de parte da alcalinidade retirada durante o processo de nitrificação e contribui para uma maior estabilidade do processo, visto que reduz a possibilidade de ocorrência de fenómenos de desnitrificação na decantação secundária, sendo este último processo preocupante principalmente durante períodos de temperaturas mais altas [19][20].

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A remoção biológica do fósforo neste sistema ocorre pela incorporação do fósforo existente na água residual na biomassa celular. Em condições aeróbias, a energia é produzida pela oxidação dos compostos armazenados e o armazenamento de polifosfato dentro das células aumenta. Posteriormente, os compostos de fósforo são removidos do sistema maioritariamente no decantador secundário, onde ocorre a sedimentação das lamas biológicas [11].

O sistema de vala de oxidação apresenta uma razão de recirculação interna entre a mistura do caudal afluente, as águas residuais e as lamas em recirculação bastante mais elevada do que outros sistemas de tratamento biológico, devido ao seu fluxo orbital. Nestes sistemas, ao contrário de uma configuração Plug-flow, a água residual ao entrar no reator é instantaneamente diluída pelo alto caudal de recirculação interna inerente ao próprio fluxo orbital. A junção da situação anterior com o elevado volume de arejamento permite assim, que as pontas hidráulicas e poluentes sejam facilmente absorvidas, garantindo-se uma qualidade de efluente bastante estável [19][20].

2.3. Microrganismos em sistemas de lamas ativadas- indicadores de