NITRIFICAÇÃO, DESNITRIFICAÇÃO E RESPIRAÇÃO MICROBIANA EM REATOR COM BIOFILMES EM BATELADAS SEQÜENCIAIS (SBBR).
Rosane Hein de Campos (1)
Engenheira Civil pela UCPEL, mestre em Engenharia Ambiental pela UFSC (2001), doutoranda em Engenharia Ambiental na UFSC, bolsista CNPq.
Viviane Furtado Velho
Acadêmica de Engenharia Sanitária e Ambiental, UFSC, bolsista PIBIC do CNPq.
Willibaldo Schmidell Netto
Engenheiro Químico, Doutor pela USP, São Paulo. Professor Visitante do Departamento de Engenharia Química, Centro Tecnológico da Universidade Federal de Santa Catarina.
Rejane Helena Ribiero da Costa
Engenheira Civil pela UFPB. Mestre em Hidráulica e Saneamento, EESC- USP, São Carlos, SP. Doutora em Tratamento e Qualidade das Águas pela INSA-Toulouse, França (1989). Pós-Doutorado na Université Montpellier 1, França. Professora Titular do Departamento de Engenharia Sanitária e Ambiental do Centro Tecnológico da UFSC.
Endereço(1): Rua Maria Eduarda, 57 apto. 404- Bairro Pantanal, CEP:88040-270, Florianópolis, SC, Brasil. Tel: 55 (48) 3331-7738, fax: 55 (48)3331-6459.E-mail: heinde@ig.com.br
RESUMO
Um reator de biofilme operado em batelada seqüencial, em escala piloto, foi utilizado para promover o processo de nitrificação e desnitrificação, em uma única unidade, com esgoto urbano proveniente do bairro Pantanal (Florianópolis-Brasil) e verificar se o método utilizado para determinar a velocidade específica de respiração microbiana era adequado. Os resultados mostraram boas eficiências de remoção em ambos os processos de nitrificação (95+2,5%) e desnitrificação (78+19%), com concentrações médias de amônia, no final da batelada, de 0,7+0,3 mgNH4-N/L. A remoção da matéria orgânica, em termos de DQO também foi eficiente (89+5%). O bom desempenho do reator, mostrou que a amônia estava praticamente toda oxidada aos 480min e que o ciclo poderia ser finalizado, mesmo que o nitrito não tivesse sido totalmente convertido a nitrato, uma vez que ambos poderiam ser desnitrificados no ciclo posterior. Por outro lado, o processo de nitrificação estava completo aos 720min, indicando que ciclos menores poderiam ser realizados, ou seja, ciclos de 12h (4hanóxica e 8haeróbia). A velocidade de consumo de oxigênio foi um bom indicador da atividade biológica e forneceu um método de resposta rápida na degradabilidade do substrato e no controle do desempenho do RBBS.
PALAVRAS CHAVES
Reator com biofilme em batelada seqüencial, nitrificação, desnitrificação, respiração microbiana, efluente urbano.
INTRODUÇÃO
Os reatores de biofilme operados em bateladas seqüenciais (RBBS) têm sido empregados recentemente para tratar águas residuárias com altas concentrações de substâncias orgânicas e cargas flutuantes (CHANG et al., 2000). Têm como opção combinar as vantagens de tecnologias dos reatores em bateladas seqüenciais e dos reatores biológicos com biofilmes (ANDREOTTOLA et al., 2002). Esta combinação permite que o sistema seja mais estável, devido a maior área superficial para o crescimento bacteriano fixo e, com isso, pode manter uma alta concentração de biomassa, incentivando culturas de organismos de crescimento lento e obter uma distribuição homogênea de biomassa (KABALLO e WILDERER, 1993, citado por CHO et al., 2001). Desta maneira a coexistência de atividade aeróbia/anóxica no mesmo ecossistema é possível, sendo favorável para uma operação seqüencial.
A operação típica do RBBS consiste em dois estágios biológicos: anaeróbio/anóxico e aeróbio, seguidos por sedimentação para a produção do efluente clarificado. A duração de cada estágio é
controlada por tempo pré-determinado, que é usualmente maior do que o tempo necessário para o tratamento de água residuária (CHANG et al., 2000). A performance do sistema pode ser intensificada pelo controle do tempo de reação, adição extra de fonte de carbono e ajuste da concentração de oxigênio dissolvido (NYBERG et al., 1996).
Dependendo da operação e o controle do tempo seqüenciado, o RBBS consegue executar simultaneamente a oxidação do carbono, bem como realizar o processo de nitrificação e desnitrificação em uma única unidade. Isto pode ocorrer devido à heterogeneidade e à existência de várias comunidades de microrganismos em um único sistema, com formação de regiões aeróbias, anaeróbias e anóxicas no biofilme e que dependem da sua espessura, que é fortemente influenciada pelas condições de fluxo do reator. A zona aeróbia situa-se na região mais externa do biofilme e uma região anaeróbia/anóxica mais interna, ou seja, próximo ao material suporte
.
Para Iwai e Kitao (1994), a coexistência de duas regiões anaeróbia e aeróbia é conveniente para a remoção biológica de nitrogênio e para promover a máxima remoção de nitrogênio deve existir uma concentração ótima de oxigênio no meio líquido. Portanto, a eficiência no processo de nitrificação e desnitrificação dependerá da concentração de oxigênio no meio líquido e da espessura do biofilme.A respiração microbiana é determinada por técnicas respirométricas. Os primeiros trabalhos basearam-se em estudos experimentais sobre a quantificação do consumo de oxigênio dissolvido em sistemas de lodos ativados, desenvolvidos por JENKINS (1960) e MONTGOMERY (1967). O procedimento para estimar a velocidade de consumo de oxigênio é de extrema simplicidade e com amplo campo de aplicação (ANDREOTTOLA et al. 2005). A respirometria em geral, consiste em estimar as quantidades de oxigênio consumido, realizado por células ativas. O oxigênio é pouco solúvel em água, a disponibilidade para os microrganismos depende da sua solubilidade e da transferência de massa, bem como da velocidade com que o oxigênio dissolvido é consumido (GONÇALVES et al., 2001). Entretanto, em muitos casos, há dificuldade para distinguir entre processos microbianos específicos e para identificar o consumo de oxigênio.
O objetivo deste trabalho foi verificar a nitrificação, desnitrificação e a velocidade específica de respiração microbiana em um reator de biofilme em bateladas seqüenciais (RBBS).
METODOLOGIA
No desenvolvimento do experimento, foi utilizado um reator de leito fluidizado em escala piloto, construído em coluna de acrílico transparente, fluxo ascendente, com altura total de 3m e volume total de 132,8L. Foi utilizado como material suporte o PVC (Policloreto de Vinila) reciclável, com densidade de 1329 kg/m3 e diâmetro médio de 4,02mm. O reator foi preenchido com volume de sólidos correspondente a 17% do volume total. O esgoto sanitário que alimentava o reator piloto, era coletado da rede pública, proveniente do Bairro Pantanal da cidade de Florianópolis, SC, Brasil, e armazenado em um tanque, onde ocorria a pré-decantação. Na seqüência, o esgoto entrava no sistema pela base do reator, após ser bombeado do tanque de armazenamento. A aeração era feita através de um compressor de ar, que enviava o ar comprimido para o interior do reator, passando por uma membrana de bolhas finas. O reator foi operado com ciclos de 24h, composto pelas seguintes fases: enchimento, anóxica (4h), aeróbia (20h) e retirada. Durante os ciclos foram realizados ensaios respirométricos –“on-line”, visando determinar a velocidade específica de respiração microbiana (QO2) no SBBR. A concentração celular (X) foi determinada por testes respirométricos de bancada. A Figura 1 mostra o material suporte utilizado e a Figura 2 a foto do reator piloto.
Para monitoramento foram coletadas amostras em cada fase do reator, de hora em hora, em ciclos semanais. Foram realizadas as seguintes análises: Demanda Química de Oxigênio (DQOS) - método do refluxo fechado, Nitrogênio Total Kjeldahl (NTK) destilado com destilador UDK 130 A e titulado com ácido sulfúrico 0,02N, Nitrito e Nitrato (N02-N e N03-N por cromatografia iônica – DIONEX DX 120) e Nitrogênio Amoniacal (N-NH4) método Nessler, todas em duplicata. A temperatura, o oxigênio dissolvido e o pH foram medidos através de sonda YSI 6920. As análises foram efetuadas de acordo com o Standard Methods (1998).
A determinação do QO2 “in loco”, durante o processo biológico, foi determinada seguindo o seguinte procedimento:
- O método utilizado para quantificar o QO2 durante um processo biológico, ou seja, na presença de microrganismos, é aquele que emprega uma sonda para a determinação da concentração de O2
disssolvido, conhecido como método dinâmico.
No RBBS, a sonda foi instalada na parte superior do reator (zona de tranqüilização) e em um dado instante do processo fermentativo ativo (to), durante a reação aeróbia, a aeração foi interrompida de forma a diminuir a concentração de OD, através do consumo de oxigênio pelos microrganismos existentes e após um tempo, retomava-se a aeração novamente. Durante este tempo (aproximadamente 1 minuto, ou de forma a não permitir que o OD ficasse abaixo de 2,5 mg/L), as medições de OD foram registradas em pequenos intervalos (t = 5s) e os dados registrados armazenados. Para a realização deste teste, foi utilizada a sonda multiparâmetros -YSI -6920.
De acordo com SCHMIDELL (2001), em um biorreator descontínuo aerado e agitado, o balanço de massa para o oxigênio pode ser descrito:
Em que:
C = concentração de oxigênio dissolvido no instante t (mg.L-1) CS = concentração de oxigênio dissolvido na saturação (mg.L-1) KLa = coeficiente volumétrico de transferência de oxigênio (min-1) QO2X = velocidade de consumo de oxigênio (mgO2.L-1.min.-1) QO2 = velocidade específica de respiração (mgO2.gcel-1.min.-1) X = concentração celular (gcel/m3)
t = tempo (min)
Considerando que ao interromper a aeração a transferência de oxigênio para o líquido seja praticamente nula (KLa = 0), desta forma:
A integração da equação 2 fornece a equação da reta, na qual os valores de C, determinados no experimento, em função do tempo permitem o cálculo de QO2X
(
coeficiente angular da reta),
conforme a seguinte equação:
Em que:
C0 = concentração de oxigênio dissolvido no instante t = 0
Então, o QO2 será determinado da seguinte maneira: será plotado a variação da concentração de oxigênio dissolvido em função do tempo, que deverá ter uma variação linear, obtendo-se o coeficiente angular da reta, ou seja, o valor de (-QO2X) com a concentração celular (X). A concentração celular será determinada através dos sólidos suspensos totais (SST) e o QO2 determinado pela respiração microbiana dos testes em bancada.
Figura 1 – Foto do PVC (material suporte)
=
−
− dt
X dC Q C Cs a
KL ( ) O2 (Eq.4.1)
=
− dt
X dC
QO2 (Eq.4.2)
t X Q Co
C= − O2 ∗ (Eq.4.3)
Figura 2- Foto de reator piloto
RESULTADOS E DISCUSSÕES
A DQOT afluente apresentou concentrações que variaram de 212 a 458mg/L, tendo uma concentração média de (319+95) mg/L. A DQOS da mistura apresentou uma concentração média de (112+32) mg/L e a DQOS efluente de (41+14) mg/L. A Figura 3 apresenta as concentrações da DQO afluente, mistura e efluente durante os ciclos, com as respectivas remoções.
Figura 3- Concentrações da DQO e eficiência de remoção, ao longo dos ciclos.
0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 500
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
Ciclos
Concentrações (mg/L)
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100
Eficiência de Remoção (%)
DQOt afluente DQOs mistura DQOs efluente Eficiência de Remoção Seqüência4
As concentrações de DQO efluente mantiveram uma regularidade sem receber influência significativa das concentrações do esgoto bruto afluente, com concentrações da DQOS de saída entre 26 mg/L e 52 mg/L. O reator piloto apresentou uma boa eficiência média de remoção de DQO de 89%, em termos de DQO afluente e efluente, tendo atingido valores acima de 90%, nos ciclos 2 e 10. A remoção elevada da DQO está ligada ao metabolismo bacteriano, sendo que a adsorção e a sedimentação do lodo em reatores com bateladas seqüenciais são preponderantes na remoção do material particulado. As partículas sólidas adsorvidas são armazenadas e hidrolisadas e os compostos liberados após hidrólise são metabolizados pela biomassa presentes no reator (DOLD et al. 1980 citados por CYBIS et al. 2002).
A Figura 4 apresenta as concentrações da amônia, nitrito, nitrato e a eficiência de remoção de nitrogênio, em cada ciclo.
Figura 4- Concentrações da amônia, nitrito, nitrato e a eficiência de remoção de nitrogênio, em cada ciclo.
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
Ciclos
Concentrações (mg/L)
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100
(%) Remoção Nitrogênio
NH4 afluente NH4 mistura NH4 efluente N02 efluente N03 efluente (%) Remoção de Nitrogênio
Analisando a Figura 4, verifica-se uma certa instabilidade do reator, até o ciclo 4. Nos ciclos 5 e 6, percebeu-se que amônia da mistura foi praticamente toda oxidada a nitrato, com concentrações abaixo de 0,8 mgNH4-N/L e verificou-se que a oxidação da amônia ocorria até 660min, demonstrando que o reator piloto começava a entrar em regime aproximadamente constante. A partir daí (ciclos 7 e 8), a amônia estava praticamente toda oxidada (NH4-N≈0) aos 480min indicando que o ciclo poderia ser finalizado neste instante, sem a necessidade da oxidação total do nitrito a nitrato, podendo os mesmos serem desnitrificados durante o período anóxico, sem nenhum problema. Então, os ciclos poderiam ser de 8h, ou seja, 4h anóxico e 4h aeróbio, conforme mostra a Figura 5. Os ciclos realizados posteriormente (9 e 10), mostraram-se bastante semelhantes ao ciclo 8, notando-se apenas que a concentração de NH4-N chegava próximo a zero aos 720min (12h de ciclo, ou seja, 4h anóxico e 8h aeróbio). Resultados semelhantes foram obtidos por BORTOLOTTO (2004), em termos de remoção carbonácea e nitrogenada em um reator de leito fluidizado em batelada seqüencial, atuando com ciclos de 12h com aeração. Os resultados mostraram que em nos primeiros 30min da batelada, ocorria uma queda acentuada da DQO e que após 7h30min de batelada a amônia chegava a valores próximos de zero, podendo o ciclo ser finalizado.
Figura 5-Variação com o tempo do NTK, amônia, nitrito, nitrato e DQO do ciclo 8.
CICLO 8A
0 5 10 15 20 25 30
0 60 180 270 360 480 600 720 840 960 1080 1200 1320 1440 Tempo (m in)
Concentrações (mgN/L)
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100
DQOs (mg/L)
NH4-N N02-N N03-N NTK DQOso lúvel
anóxica aeróbia
mistura retirada
Portanto, durante esta estratégia, o reator apresentou uma boa eficiência em termos de remoção carbonácea e nitrogenada. Mostrou que o processo de nitrificação foi completo aos 480min, podendo o ciclo ser finalizado e dar início a um novo ciclo.
As concentrações obtidas nesta estratégia encontraram-se abaixo do limite máximo recomendado pela legislação brasileira (Res. 357/2005/CONAMA) e pela Legislação Estadual de Santa Catarina (Decreto 14.250/1981/SC).
Durante esta estratégia, foram realizados quatro testes respirométricos, com a finalidade de determinar a velocidade de respiração celular. Os testes foram nos seguintes dias: 17/01/05, 20/01/05, 24/01/05 e 17/02/05. Os testes respirométricos foram realizados através do procedimento
“on-line” -diretamente no reator e testes de bancada para determinação da concentração celular X (mgSST/L). Procurou-se manter durante os testes de bancada as mesmas condições do reator, em termos de T e pH. A Figura 6 apresenta um dos respirogramas realizados nos testes “on-line”.
Figura 6 – Variação da concentração de OD no tempo, teste “on-line”.
TESTE 17/02
y = -0,1491x + 5,4723 R2 = 0,9986 QO2X= 0,1491
2 2,5 3 3,5 4 4,5 5 5,5
0 5 10 15 20 25 30 35 40
Tempo (min)
OD (mg/L)
Com os dados da velocidade específica de respiração (QO2) dos testes de bancada, determinou-se à concentração celular (X) no interior do reator. A Tabela 1 apresenta os dados de velocidade de respiração celular no reator piloto, bem como a concentração celular X e as respectivas concentrações de amônia e DQO dos testes “on-line”.
Tabela 1- Dados de velocidade de respiração celular e as concentrações de NH4-N e DQO dos testes “on-line”.
Testes NH4-N
(mg/L) DQOs
(mg/L) QO2X
(mg O2/L min) X
(gSST/L) QO2
(mg O2/gSST. min)
17/01/05 - 49,5 0,192 0,26 0,742
20/01/05 8,58 63,2 0,165 0,22 0,736
24/01/05 9,86 38,6 0,214 0,25 0,850
17/02/05 11,84 69,6 0,149 0,21 0,714
Analisando a Tabela 1, pode-se perceber que não houve grandes alterações nos valores de QO2, durante o período analisado, indicando que o sistema estava estável em termos de atividade biológica.
CONCLUSÕES
- O reator apresentou bom desempenho na remoção da matéria orgânica, em termos de DQO 89+5 (%) e no processo de desnitrificação e nitrificação, com eficiências médias de 78+18,9 (%) e 95+2,5 (%),respectivamente.
- O ciclo poderia ser interrompido aos 480min, quando a concentração de amônia era próxima de zero e ciclos menores poderiam ser desenvolvidos, mesmo que o nitrito não tenha sido totalmente convertido a nitrato.
- A completa nitrificação foi realizada num tempo de 720min, podendo o ciclo ser finalizado e dar início a um novo ciclo de 12h, ou seja, 4h anóxico e 8h aeróbio.
- A velocidade de consumo de oxigênio foi um bom indicador da atividade biológica e forneceu um método de resposta rápida na degradabilidade do substrato e no controle do desempenho do RBBS.
REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS
1. ANDREOTOLLA, G., FOLADORI, P., RAGAZZI, M., and VILLA, R. Tratment of winery wastewater in the sequencing batch biofilm reactor. Water Science & Tecnology, v.45, n.12,p.347-354.2002.
2. BORTOLOTTO, A.F.N. Estratégias operacionais para nitrificação de esgoto urbano em reator de leito fluidizado em batelada. Florianópolis, 2004. p.126. Dissertação de mestrado- Curso de pós- graduação em Engenharia Ambiental- Universidade federal de Santa Catarina.
3. CHANG, C.N., CHEN, C.H., and CHAO, A. Using sequencing batch biofilm reactor (SBBR) to trat ABS wastewater. Water Science & Tecnology, v.41, n.4-5,p.433-440.2000.
4. CHO, B.C., CHANG, C.N., LIAN, S.L and HUANG, P.T. The faesible sequential control strategy of treating high strenght organic nitrogen wastewater with sequencing batch biofilm reactor. Water Science & Tecnology, v.43, n.3,p.115-122.2001.
5. CYBIS, L.F & PICKBRENNER, K. Uso de reator seqüencial em batelada para pós-tratamento de efluentes de tratamento aneróbio. PROSAB (coletânea de artigos técnicos), v.1, p.157-164. 2000.
6. GONÇALVES, R.F., CHERNICHARO, C.A.L., ANDRADE NETTO, C.O., SOBRINHO, P.A., KATO, M.T., COSTA, R.H.R., AISSE, M.M., e ZAIAT, M. Pós-tratamento de efluentes de reatores anaeróbios. Cap.4- Pós-tratamento de efluentes de reatores anaeróbios por reatores com
biofilmes. PROSAB 2, p.171-278, 2001.
7. JENKINS, D. The use of manometric methods in the study of sewage and trade wastes. IN:
ISSAC, P.C.G. (ed) Wastewater Treatment. Pergamon Press, p.99-125. 1960.
8. MONTGOMERY, H.A.C. The determination of biochemical oxigen demand by respirometric methods. Water Reserch, v.1, p.631-662. 1967.
9. NYBERG, U., ASPEGREN, H. And ANDERSSON, B. Long-term experiences with external carbon sources for nitrogen removal. Water Science & Tecnology, v.33, n.88,p.67-74.1996.
10. SCHMIDELL,W. Agitação e Aeração em Biorreatores. IN: SCHMIDELL, W., LIMA, U.A., AQUARONE, E., BORZANI, W. Biotecnologia Industrial, v.2, Edgard Blücher Ltda., p.277-331, 2001.
