BRPI0705361A2 - processo para aumentar a concentração de colÈnias de microorganismos em um processo de remoção de impurezas por digestão anaeróbica - Google Patents
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Abstract
PROCESSO PARA AUMENTAR A CONCENTRAçãO DE COLÈNIAS DE MICROORGANISMOS EM UM PROCESSO DE REMOçãO DE IMPUREZAS POR DIGESTãO ANAERóBICA. A presente invenção refere-se a um processo para aumentar a concentração das colónias de microorganismos que se formam na superfície da Gramiineas bambusoideae em um processo em batelada e/ou em fluxo continuo que utiliza biomassa como meio filtrante para a remoção de nitratos e de impurezas orgânicas e inorgãnicas a partir de água e/ou de afluentes no qual uma etapa de adsorção é seguida por uma etapa de degradação biológica pela digestão anaeróbia dos microorganismos dos tipos Pseudonomas SP (Nitrosomonas, Nitrosococus, Nitrobacter, Azobacter, Azotomas e Rhizobium). De acordo com a presente invenção a adição de cerca de 200-300 ppm de acetato de sódio à solução alimentada para o reator, mantendo uma relação 2:1 C:N, proporciona um aumento de eficiência de 80% a 98% para retirada de nitrato e de matéria orgânica e inorgânica solúvel a partir da água.
Description
"PROCESSO PARA AUMENTAR A CONCENTRAÇÃO DE COLÔNIAS DE MICROORGANISMOS EM UM PROCESSO DE REMOÇÃO DE IMPUREZAS POR
DIGESTÃO ANAERÓBICA" Antecedentes da Invenção
Campo da Invenção
A presente invenção refere-se a um processo para aumentar a concentração das colônias de microorganismos que se formam na superfície da Gramíneas bambusoideae em um processo em batelada e/ou em fluxo continuo que utiliza biomassa como meio filftrante para a remoção de nitratos e de impurezas orgânicas e inorgânicas a partir de água e/ou de afluentes e efluentes domésticos e industriais no qual uma etapa de adsorção é seguida por uma etapa de degradação biológica pela digestão anaerobia dos microorganismos dos tipos Pseudonomas SP (Nitrosomonas, Nitrosococus, Nitrobacter, Azobacter, Azotomas e Rhizobium).
Descrição do Estado da Técnica
Como é de conhecimento público, conhecido, o aumento da competitividade no mercado internacional tem intensificado as exigências dos paises importadores no que se refere aos processos industriais empregados visando assegurar, não apenas a qualidade do, produto final, mas a preservação do meio ambiente.
Essa questão resultou na implementação de normas de qualidade e ambientais, tais como ISO 9000 e ISO 14000, que têm incrementado o interesse das indústrias no aprimoramento de seus processos industriais com ênfase particular na questão ambiental, especialmente aquelas associadas à água.
O Brasil, embora sendo um dos paises que possuem o maior fluxo interno de água, enfrenta há uma enorme disparidade na distribuição deste recurso entre suas diferentes regiões. Com efeito, ao passo que no norte do pais existe abundância, no sul esudeste, industrializados e populosos, função do elevado consumo e grande poluição dos rios, resultante da precária situação do saneamento básico e da fertilização da agricultura, ocorre escassez de água.
Este quadro causa sérios problemas à saúde pública e ao meio ambiente. Pelo que um dos desafios atuais para a melhoria desta situação é o desenvolvimento de sistemas de tratamento de água simples, eficientes e adaptáveis às condições econômicas e estruturais do Pais.
Ao longo das últimas décadas, no Brasil e no mundo, o controle de poluição tem se caracterizado por um esforço muito grande no desenvolvimento de tecnologias de remoção de poluição carbonada. Assim sendo, dentro na linha de aumento gradual das exigências de controle de poluição está o desafio de se encontrar alternativas para a remoção dos compostos nitrogenados das águas residuais, de afluentes e de efluentes domésticos e industriais.
Para assegurar uma melhor resposta ao meio ambiente e a sociedade, é de extrema importância para que as estações de tratamento de águas e/ou afluentes/efluentes, particularmente aquelas baseadas na implementação de tecnologias experimentais, sejam projetadas de forma confiável.
Os compostos de nitrogênio, em seus diferentes estados de oxidação: nitrogênio amoniacal e albuminóide, nitrito e nitrato, estão entra as substâncias que constituem riscos para a saúde humana.
A amônia pode estar naturalmente presente em águas superficiais ou subterrâneas, tipicamente com uma concentração bastante baixa devido à sua fácil adsorção por partículas do solo ou à oxidação a nitritos e nitratos. Entretanto, a ocorrência de concentrações elevadas pode ser resultante de fontes de poluiçãopróximas, bem como da redução de nitrato por bactérias ou por ions ferrosos presentes no solo. A presença de amônia produz efeito significativo no processo de desinfecção da água pelo cloro, através da formação de cloraminas, que possuem baixo poder bactericida.
O nitrato é um dos ions mais encontrados em águas naturais, geralmente em baixos teores em águas superficiais, mas podendo atingir altas concentrações em águas profundas. 0 seu consumo através das águas de abastecimento está associado a dois efeitos adversos à saúde: (i) a indução à metemoglobinemia, especialmente em crianças; e (ii) a formação potencial de nitrosaminas e nitrosamidas carcinogênicas.
O desenvolvimento da metemoglobinemia a partir do nitrato encontrado nas águas potáveis depende da sua conversão bacterial em nitrito durante a digestão, o que pode ocorrer na saliva e no sistema gastrointestinal. As crianças pequenas, mais especificamente aquelas menores de 3 meses de idade, são bastante susceptíveis ao desenvolvimento desta doença devido às condições mais alcalinas do seu trato gastrointestinal, fato que também se observa em pessoas adultas que apresentam gastrenterite e anemia, ou que têm porções do estômago cirurgicamente removidas, bem como também mulheres grávidas.
No Brasil, e em muitos outros paises, são bastante freqüentes os casos em que fontes de águas subterrâneas são contaminadas por nitratos, sobretudo em zonas de agricultura intensiva.
Quando as concentrações encontradas ultrapassam o Valor Máximo Admissível para águas para consumo humano, não sendo viável a utilização de outra fonte de abastecimento, o tratamento é imprescindível, sob pena de colocar em risco a saúde pública.Os métodos tipicamente utilizados para o tratamento de águas visando à remoção de nitratos compreendem as etapas de adsorção e desnitrificação biológica.
Uma das soluções importante para desnitrificação de águas para consumo humano ocorre através da digestão anaeróbia, que é a transformação da matéria orgânica em metano e dióxido de carbono através de um sistema microbiano complexo que funciona na ausência de oxigênio. Esta técnica consome pouca energia, produz pouco lodo e gera um biogás combustível utilizável, diretamente, no local de produção, pelo que é um método cada vez mais aplicado para a despoluição de águas residuais.
A desnitrificação propriamente dita é a redução dos nitratos em condições anóxicas, também chamada redução biológica dissimilatória, na qual as bactérias utilizam nitratos, em vez de oxigênio, como aceptores finais de elétrons.
Dois tipos de reação caracterizam este processo: na. primeira reação, o nitrato é reduzido a nitrito, o qual é depois reduzido a produtos gasosos como: nitrogênio molecular ou oxido nitroso, em um processo também chamado respiração do nitrato. A seguinte reação caracteriza essa primeira etapa do processo de desnitrificação:
N03 - N02 - NO - N20 - N2
A segunda reação envolve a redução do nitrato a amônia via nitrito, em um processo denominado amonificação, que ocorre em conjunto com o processo de metanogênese. O doador de elétrons pode ser obtido pela adição de uma fonte de carbono externa ou pelo uso do carbono que já existe no efluente a ser tratado. A etapa de desnitrificação é realizada por bactérias, sobretudo do gênero Pseudomonas.Outras bactérias nitrificadoras importantes são: Nitrosomonas, Nitrosococus, Nltrobacter, Azobacter, Azotomas e Rhizobium. Essas são bactérias heterotróficas anaeróbias que utilizam o nitrato como aceptor de elétrons, necessitando de algum material orgânico como doador de elétrons.
NO3" + 5/6 CH3OH - 5/6 C02 + 1/2 H20 + 0H~
A desnitrificação se apresenta eficiente em relações de concentração de matéria orgânica em nitrogênio em volta de 5 g (DQO) .g"1 (N-NCV) (relação 5/1 DQO/.N-N03") . Relações abaixo desse valor apresentam uma baixa na eficiência de desnitrificação e valores muito acima resultam em uma geração excessiva de amônia, não eliminando o nitrogênio presente no efluente na forma de gases.
Outros estudos recentes da literatura demonstram que o nitrato também pode ser removido por meio da presença de amônia livre no meio, conforme a seguinte reação:
3N03~ + 5NH/ - 4N2 + 9H20 + 2H+
Essa reação é possível devido à situação energética favorável em termos de energia livre de Gibbs igual a -297 KJ/mol. A reação deve ser conduzida em ambiente com valores de pH acima da neutralidade devido à formação de óxidos nitrosos tóxicos aos microorganismos em meio ácido.
Estes microorganismos podem ser desenvolvidos e inoculados utilizando recursos de biomassa, como por exemplo, o bambu, que é encontrado com facilidade e em abundância em várias regiões do mundo. Sumário da Invenção
Processos que utilizam biomassa, particularmente o bambu (Gramíneas bambusoideae), para o tratamento e remoção deimpurezas orgânicas e inorgânicas de água para consumo humano e de efluentes domésticos e industriais são conhecidos no estado da técnica.
Todavia, esses processos conhecidos no estado da técnica apresentam como inconveniente o longo tempo necessário para que a concentração das colônias de microorganismos que se formam na superfície da Gramíneas bambusoideae alcance um nivel minimo que assegure uma operação eficiente do processo.
A presente invenção tem por objetivo solucionar esse inconveniente, pelo proporcionar um rápido aumento da quantidade de matéria orgânica disponível no meio para que a concentração das colônias de microorganismos que se formam na superfície da Gramíneas bambusoideae alcance rapidamente referido nivel minimo que assegura uma operação eficiente do processo.
De acordo com a presente invenção, esse objetivo é realizado pela adição de cerca de 200-300 ppm de acetato de sódio à solução alimentada para o reator, mantendo a relação 2:1 C: N, que acelera o crescimento das referidas colônias. Descrição da Invenção
Para desenvolver um processo de tratamento natural que possibilite a redução do teor de nitratos e de impurezas orgânicas e inorgânicas de águas subterrâneas contaminadas e/ou de afluentes e efluentes domésticos e industriais, estudou-se a viabilidade e as condições de operação de um processo de adsorção fisica e quimica de nitrato, seguida de desnitrificação por digestão biológica. Para isto foram utilizados reatores de bambu de fluxo pistonado com o lodo ativado adsorvido na parede interna e na superfície do bambu. O mesmo foi usado como meio filtrante.
Para a etapa de adsorção, o parâmetro fundamental para o projeto de unidades em escala real é o carregamento, quemede a quantidade de contaminante removida por unidade de massa de adsorvente. Esse resultado informa o tempo de saturação de uma determinada coluna e a massa necessária de meio filtrante para a remoção dos contaminantes, neste caso o nitrato.
Remoção de Nitrato por Adsorção Fisico-Quimica e Degradação Biológica
Dois tipos de adsorventes foram usados para medir a eficiência de remoção de nitrato em águas naturais através do processo de adsorção: carvão ativado e bambu.
O carvão ativado, recebido a partir da Carbonifera Catarinense S/A, foi moido até atingir um diâmetro de partícula compatível às malhas de peneira 80 e 100 mesh tayler.
O bambu foi utilizado em dois formatos. Primeiro foram preparados discos com uma massa média de 25 g e, em seguida foi obtido bambu moido, com uma dimensão de partícula compatível às malhas de peneira 30 - 100 mesh tayler, lavado com uma solução de NaOH 0,1 M para remoção de compostos solúveis em água e seco em estufa a 105 °C por duas horas.
A água utilizada nos testes foi simulada através do uso de água destilada com a adição de uma quantidade de nitrato de sódio suficientes para simular concentrações de 10 a 500 mg/L de N-N03.
Os ensaios de adsorção foram realizados em regime de batelada e em fluxo continuo. A cada batelada foram adicionados 1000 mL de água contendo uma concentração de nitrato (N-NO3) de 10 a 500 mg/L. Os sistemas foram mantidos sob agitação constante (100 rpm) à temperatura ambiente (20 a 40 °C), pH 3-9.
A capacidade de adsorção foi determinada através da medida da concentração de nitrato remanescente na solução após a etapa de adsorção pelo método descrito na norma NBR 12620/92 -Determinação de Nitrato - método do ácido cromotrópico e do ácido fenol dissulfônico.
Matematicamente a capacidade de adsorção se expressa em função do carregamento de nitrato sob a superfície do adsorvente através do seguinte balanço material:
maS SaaÇjsorvida — mas S a removia
q = [ (C0 - Cf) .V] /W
onde C0 e Cf representam as concentrações de nitrato antes e depois da adsorção respectivamente, V é o volume da solução e W é a massa de adsorvente.
Remoção de Nitrato por Degradação Bioquímica e Filtragem
O bambu também foi usado para promover a remoção do nitrato por digestão biológica, pela biodegradação de compostos orgânicos e inorgânicos presentes na água e/ou afluentes e efluentes domésticos e industriais, especialmente os nitratos.
Para a realização desse experimento foi preparada uma solução com concentração de aproximadamente ppm de N03". O meio suporte para geração de microorganismos foi bambu utilizado nos experimentos imediatamente após sua coleta. Foram preparados 20 quatro reatores variando a massa de bambu em relação ao volume total da solução de nitrato conforme a tabela 1 abaixo.
Os reatores consistiam em caixas de termoplástico, com capacidade aproximada de 225 1 de água.
Foram utilizados três reatores. Em cada um deles foi adicionado 8 Kg de bambu cortados (transversalmente em pedaços de aproximadamente 30 cm) e 80 1 de água distribuída pela CASAN (Companhia de Águas e Saneamento do Estado de Santa Catarina) na região de Laguna-SC, acrescida de nitrato de sódio suficiente para gerar uma concentração de 30 ppm N-N03~.Tabela 1 - Carregamento dos reatores biológicos utilizadospara remoção de nitrato
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Foram preparadas soluções de nitrato de sódio e potássio suficiente para gerar uma concentração de nitrato (N-N03) variando entre 10 a 500 mg/L contendo massas de bambu em diferentes percentuais (1% a 80%) em relação a quantidade de água a ser tratada.
Esses reatores foram mantidos em repouso e amostras foram removidas em intervalos de tempo que variaram de 1 a 72 horas. Após o término do processo foi avaliada a concentração de nitrato remanescente. Após a degradação biológica do nitrato, as amostras foram purificadas em filtros rápidos de gravidade.
O meio filtrante foi composto por bambu moido, areia e carvão ativado com alturas para a capacidade uma taxa de aplicação hidráulica de aproximadamente 200 -300 m3/m2. dia"1. 0 objetivo da filtração foi remover partículas suspensas presentes na água resultante do processo biológico e diminuir a quantidade de matéria orgânica adquirida no reator biológico durante a biodegradação.
A avaliação da eficiência de filtração foi determinada através da medida do conteúdo de matéria orgânica dissolvida na água (DQO) na amostra obtida do reator e na amostraobtida da água gerado pelo filtro.
Esses experimentos foram acompanhados de formacinética, com o objetivo de medir as seguintes transformações:
. redução na concentração de nitrato, em função darespiração anaeróbica dos microorganismos que o utilizam comoaceptor final de elétrons para a respiração; e
. alteração de parâmetros na água natural: DQO(Demanda Quimica de Oxigênio), DBO (Demanda Bioquímica deOxigênio), nitrogênio total, cor, turbidez e sólidos suspensostotais em função da solubilização e/ou excreção de metabólitosresultantes da atividade microbiana.
As análises de nitrato, nitrogênio, cor, turbidez esólidos suspensos totais foram realizadas em * um fotômetro Merck®modelo Spectroquant Nova 4 0, segundo normas recomendadas pela ISO(International Organization for Standardization). As análises deDQO e DBO foram realizadas segundo método descrito em StandardMethods for the Examination of the Water and Wastewater (APHA,1995).
Os efluentes gerados pelos reatores biológicos forampurificados em filtros rápidos de gravidade. Além da purificaçãoatravés da filtração, os efluentes também foram oxidadosutilizando como agente oxidante em concentração igual a 0,5-1,0ppm. A desinfecção teve um tempo de contato de 20 minutos. Apósessas duas operações os efluentes tiveram os parâmetros DQO, DBO,cor, turbidez e sólidos suspensos totais, nitrogênio e nitratodeterminados.
Os efluentes gerados pelos reatores biológicos forampurificados em filtros rápidos de gravidade contendo a seguintecomposição de meio filtrante apresentada na Tabela 2.Tabela 2 - Composição do leito filtrante utilizado parapurificação dos efluentes gerados pelo reator biológico.
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Além da puri ficação através da filtração, osefluentes também foram oxidados utilizando hipoclorito de sódiocomo agente oxidante em concentração igual a 0,5-1,0 ppm. Adesinf ecção teve um tempo de contato de 20 minutos. Após essasduas operações os efluentes tiveram os parâmetros DQO, cor,turbidez e sólidos suspensos totais e nitrato determinados.
Tabela 3 - Os limites para os parâmetros analisados
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Visando aumentar a quantidade de matéria orgânicadisponível no meio, de acordo com a presente invenção, acetato desódio foi adicionado à solução alimentada nos reatores 5 e 6, coma diferença que no reator 6 o pH do meio foi tamponado com NaHC03para excluir qualquer interferência da acidez do meio na atividadedos microorganismos desnitrificantes.
Segundo a segundo literatura técnica conhecida, amelhor condição para ocorrência da digestão biológica em umambiente catalisado por micoorganismos é quando a relaçãocarbono:nitrogênio (C:N) é dois para um (2:1).
Assim sendo, considerando o carbono presente noacetato e nitrogênio no nitrato, o balanço estequiométrico dareação lindica a necessidade de adição de aproximadamente 204 ppmde acetato para a quantidade de nitrato que foi simulado osexperimentos (ver tabelas).
As experiências realizadas com razões molaressuperiores a 2:1 (C:N) mostraram que a cinética da reação dedegradação biológica é favorecida, pelo menos até uma razão molarde aproximadamente 350 ppm. Acima deste valor as experiênciasdemonstraram que quando a concentração de acetato na água é muitoaumentada começam a aparecer problemas de excesso de matériaorgânica na água no final do processo.
Por outro lado, as experiências com variação daquantidade de acetato com valores abaixo de 200 ppm demonstraramque a digestão biológica é mais lenta, não favorecendo àdegradação.
Os melhores valores cinéticos foram obtidos comrazões molares entre 200 e 300 ppm, ou seja, com estasconcentrações obtivemos os melhores tempos de detenção hidrálicapara as reações.
Um terceiro reator 7 foi utilizado como teste embranco para comparação da influência da adição de acetato ebicarbonato na desnitrificação. A composição dos reatores 5, 6 e 7encontra-se ilustrada na Tabela 4.
Tabela 4 - Carregamento dos reatores biológicos utilizadospara remoção de nitrato com a adição de nutrientes.
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Resultados e Discussão
Os resultados obtidos nos experimentos podem serobservados na Tabela 3 a seguir:
Tabela 5 - Qualidade da água obtida após tratamento nosreatores 5, 6 e 7
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Os reatores 5 e 6 tiveram os bambus utilizados naprimeira reação com 4 0 horas aplicados novamente em um novo ciclode reação. O ob j etivo desse estudo foi avaliar se a fase deadaptação dos microorganismos ao meio pode ser acelerada seutilizarmos bambu com atividade microbiana j á desenvolvida. Acomposição dos reatores 8 e 9 encontra-se ilustrada na Tabela 6.Tabela 6 - Carregamento dos reatores biológicos utilizadospara remoção de nitrato com a adição de nutrientes
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Através dos resultados podemos observar que a adiçãode acetato de sódio favorece a reação de desnitrificação secompararmos os resultados obtidos pelo reator 5 em relação aoreator 7 que não teve acréscimo de acetato.
Em 40 horas de reação é possível reduzirmos aconcentração de nitrato (N-N03~) no reator 5 de 31,6 até 16,5 ppmgerando uma redução de aproximadamente 48% enquanto o reator 7apenas reduz a concentração de nitrato (N-N03~) de 29,5 para 25ppm representando uma redução por volta de 13% no mesmo intervalode tempo considerado.
A adição de bicarbonato de sódio (reator 6) atrapalhaa cinética de reação na primeira utilização do bambu em relação àobservada na reação sem bicarbonato (reator 5), sendo a redução naconcentração de nitrato no reator 6 semelhante àquela observada noreator 7. Quando o bambu é utilizado em um novo experimentopodemos observar que a cinética de desnitrificação é favorecida.
No reator 5 a concentração final de nitrato é 0,13ppm e a eficiência de desnitrificação é por volta de 99,5%.
Na segunda utilização do bambu no reator que recebeua adição de bicarbonato percebemos pouca diferença frente aoreator 5, sendo que a eficiência de remoção de nitrato no reator 6na segunda utilização foi de aproximadamente 97,5%.
Dessa forma podemos concluir que a adição de acetatono meio acelera a desnitrificação mediada pelos microorganismosgerados no bambu.
Além disso a eficiência do processo alcança valorespor volta de 99,5% para o bambu utilizado pela segunda vez,provavelmente pelo fato de os microorganismos já se encontraremdesenvolvidos no bambu que está sendo utilizado pela segunda vez.Um experimento foi realizado utilizando o bambu do reator 5 pelaterceira vez. O resultado encontra-se ilustrado na Tabela 7.
Tabela 7 - Resultados obtidos com a reação conduzida no reatorapós a terceira utilização do bambu
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A partir do acima é possivel constatar que osresultados obtidos na segunda utilização do bambu são bastantesemelhantes aos observados na terceira utilização do bambu noreator 5.
Ao passo que a desnitrificação se completa, ascaracterísticas da água se alteram, principalmente a cor que chegaa atingir valores acima de 100 Hz.
A turbidez e a concentração de sólidos suspensostotais também aumenta com a desnitrificação. A amostra obtida apósa reação no reator 5, completada a desnitrificação, foi utilizadapara verificarmos a eficiência do filtro descrito na seçãoanterior no condicionamento da água para fins de potabilidade. Osresultados se encontram na Tabela 9.
Tabela 9 - Resultados obtidos com a filtração do efluentes geradopelo reator 5 na sua segunda utilização após a passagem pelofiltro de areia, carvão e brita
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A partir dos dados acima é possível observar que ofiltro aplicado para purificação da água obtida do reator 5promove redução dos parâmetros considerados para estudo.Entretanto os valores se situam acima dos limites exigidos parapotabilidade, o que exige que novos estudos sejam realizados paraaumentar a eficiência do filtro e/ou novos processos comofloculação e oxidativos podem ser considerados.
Os resultados obtidos com o processo de acordo com apresente invenção mostraram que a quantidade de bambu, ou seja,sua percentagem em volume em relação á quantidade de água ouefluente a ser tratado, influencia significativamente na qualidadeda água obtida após o processo, independentemente se o processofor por adsorção ou por degradação biológica.
Claims (4)
1. Processo para aumentar a concentração de colôniasde microorganismos em um processo de remoção de impurezas pordigestão anaeróbica em um reator que utiliza as colônias demicroorganismos que se formam na Gramíneas bambusoldeae como meiofiltrante, caracterizado pelo fato que compreende a adição de umaquantidade estequiometricamente aceitável de acetato de sódio àsolução alimentada para o reator.
2. Processo para aumentar a concentração de colôniasde microorganismos em um processo de remoção de impurezas pordigestão anaeróbica de acordo com a reivindicação 1, caracterizadopelo fato que a referida quantidade estequiometricamente aceitávelvaria entre aproximadamente 200 - 300 ppm de acetato de sódio.
3. Processo para aumentar a concentração de colôniasde microorganismos em um processo de remoção de impurezas pordigestão anaeróbica de acordo com a reivindicação 2, caracterizadopelo fato que referida quantidade estequiometricamente aceitávelmantém uma razão molar de 2:1 de C:N.
4. Processo para aumentar a concentração de colôniasde microorganismos em um processo de remoção de impurezas pordigestão anaeróbica de acordo com a reivindicação 3, caracterizadopelo fato que referido reator é um reator é reator de fluxopistonado.
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