biotecnologia profa. liliana lemos tratamento biolÓgico de resÍduos 3 biotecnologia e...
TRANSCRIPT
BiotecnologiaBiotecnologia
Profa. Liliana Lemos
TRATAMENTO BIOLÓGICO DE RESÍDUOS 3
Biotecnologia e Micro-organismos
Tratamento Anaeróbico de Crescimento Tratamento Anaeróbico de Crescimento
SuspensoSuspenso
Nos últimos 15 anos um número de
processos anaeróbicos têm sido
desenvolvido no tratamento de lodos e
efluentes orgânicos com elevada força
iônica.
Digestão Anaeróbica
No processo de digestão anaeróbica, o material
orgânico, como resultado da mistura de
decantados primários e secundários (lodos
biológicos), é convertido biologicamente, em
condições anaeróbicas, à uma variedade de
produtos finais incluindo metano (CH4) e
dióxido de carbono (CO2). O processo é
conduzido num reator hermético.
O lodo, introduzido continuamente ou
intermitentemente, é retido no reator por
diferentes períodos de tempo. O lodo
estabilizado, retirado continuamente ou
intermitentemente do reator é diminuído em
conteúdo orgânico e patogênico e, é não
putrescível.
Os dois tipos de digestores anaeróbicos
comumente utilizados são identificados como
digestores de velocidade padrão e de alta
velocidade. O processo de digestão com
velocidade padrão, dentro do digestor, é
usualmente não aquecido e não misturado.
O tempo de retenção para o processo com
velocidade padrão varia de 30 a 60 dias.
No processo de digestão com alta
velocidade, o conteúdo dos digestores é
aquecido e completamente misturado. O
tempo de retenção necessário para esse tipo
de digestor é tipicamente de 15 dias ou
menos.
Tratamento Anaeróbico de Crescimento SuspensoTratamento Anaeróbico de Crescimento Suspenso
Processo de Processo de digestão com digestão com
velocidade padrãovelocidade padrão
Tratamento Anaeróbico de Crescimento SuspensoTratamento Anaeróbico de Crescimento Suspenso
Processo de digestão Processo de digestão com alta velocidade com alta velocidade
Tratamento Anaeróbico de Crescimento SuspensoTratamento Anaeróbico de Crescimento Suspenso
A combinação dos dois processos básicos
(de alta velocidade e padrão) é conhecido
como “processo em dois estágios”. A
função primária do segundo estágio é
separar os sólidos digeridos no licor
sobrenadante; no entanto, digestão
adicional e produção de gás podem ocorrer.
Tratamento Anaeróbico de Crescimento SuspensoTratamento Anaeróbico de Crescimento Suspenso
Processo em dois estágios Processo em dois estágios
Microbiologia do ProcessoMicrobiologia do Processo
A conversão biológica de matéria orgânica em lodo,
nas plantas de tratamento, sabe-se que ocorre em três
etapas.
A primeira etapa do processo envolve uma
transformação, mediada por enzimas (hidrólise), de
compostos com alta massa molecular em compostos
apropriados para o uso como fonte de energia e
carbono celular.
A segunda etapa (acidogênese) envolve a
conversão bacteriana dos compostos
resultantes da primeira etapa em compostos
intermediários identificáveis (ácidos,
principalmente o acético) com baixa massa
molecular.
A terceira etapa (metanogênese)
envolve a conversão bacteriana dos
compostos intermediários em produtos
finais, principalmente metano e CO2.
Microbiologia do ProcessoMicrobiologia do Processo
Em um digestor o consórcio de organismos
anaeróbicos trabalham juntos na realização da
conversão de lodos orgânicos em resíduos. Um
grupo de organismos é responsável pela hidrólise
de polímeros orgânicos e lipídios em blocos
estruturais básicos tais como monossacarídeos,
amino ácidos e outros compostos do gênero.
O segundo grupo de bactérias anaeróbicas fermenta
os produtos originários do processo anterior em
simples ácidos orgânicos, sendo o mais comum o
ácido acético.
Este grupo de micro-organismos, descrito como não-
metanogênico, consiste de bactérias anaeróbicas
facultativas.
Microbiologia do ProcessoMicrobiologia do Processo
Coletivamente, esses micro-organismos são
frequentemente identificados na literatura como
“acidogênicos” ou formadores de ácidos. Entre essas
bactérias, que foram isoladas de digestores
anaeróbicos estão a Clostridium spp., Peptococcus
anaerobus, Bifidobacterium spp., Desulphovibrio spp.,
Corynebacterium spp., Lactobacillus, Actinomyces,
Staphylococcus e Escherichia coli.
Microbiologia do ProcessoMicrobiologia do Processo
Microbiologia do ProcessoMicrobiologia do Processo
Um terceiro grupo de micro-organismos
converte o hidrogênio e ácido acético
formado pelos formadores de ácido em
metano e CO2. As bactérias responsáveis por
esta conversão são anaeróbicas estritas e
são chamadas de metanogênicas.
Coletivamente, elas são identificadas na
literatura como metanogênicas ou formadoras
de metano. Muitos dos organismos
metanogênicos identificados em digestores
anaeróbicos são similares àqueles encontrados
no estômago de animais ruminantes e em
sedimentos orgânicos retirados de lagos e rios.
Os principais Gêneros de micro-organismos
que têm sido identificados incluem os
bastões (Methanobatcterium,
Methanobacillus) e esferas (Methanecoccus,
Methanesarcina). As bactérias mais
importantes do grupo das metanogênicas são
aquelas que utilizam ácido acético.
Microbiologia do ProcessoMicrobiologia do Processo
Elas possuem baixas taxas de crescimento e,
como resultado, seus metabolismos são
considerados limitantes de velocidade no
tratamento anaeróbico de um resíduo orgânico. A
estabilização de um resíduo na digestão
anaeróbica é realizada quando metano e CO2
são produzidos. O gás metano é altamente
insolúvel e a sua fuga da solução representa a
estabilização real do resíduo.
É importante notar que metano-bactérias
podem usar somente um número limitado de
substratos para a formação de metano.
É conhecido que as metanogênicas usam os
seguintes substratos: CO2 + H2, formiato,
acetato, metanol, metilamina. As reações
típicas de conversão com produção de
energia envolvendo esses compostos são:
Microbiologia do ProcessoMicrobiologia do Processo
Microbiologia do ProcessoMicrobiologia do Processo
OHCHCOH 2422 24
OHCOCHHCOOH 224 234
243 COCHCOOHCH
OHCOCHOHCH 2243 234
3224233 4639)(4 HNOHCOCHOHNCH
Diagrama Esquemática do Modelo do Fluxo de Carbono Diagrama Esquemática do Modelo do Fluxo de Carbono em uma Digestão Anaeróbicaem uma Digestão Anaeróbica
Digestores AnaeróbicosDigestores Anaeróbicos
Digestores AnaeróbicosDigestores Anaeróbicos
High-efficiency anaerobic bioreactors used for sludge digestion and methane production
Digestores AnaeróbicosDigestores Anaeróbicos
Em digestor anaeróbico, os dois caminhos
principais envolvidos na formação de
metano são: 1) a conversão de hidrogênio
e CO2em metano e água:
OHCHCOH 2422 24
2) a conversão do acetato em metano e CO2:
243 COCHCOOHCH
Os metanogens e acidogens formam um
relacionamento sintrófico (mutuamente
benéfico) no qual os metanogens
convertem os produtos finais da
fermentação, tais como H2, formiato e
acetato em metano e CO2.
Os metanogens são capazes de utilizar o
H2 produzido pelos acidogens devido às
suas eficientes hidrogenases. Visto que os
metanogens são capazes de manter uma
pressão parcial de hidrogênio
extremamente baixa, o equilíbrio das
reações de fermentação é direcionado
para a formação de produtos mais
oxidados.(ex.: formiato e acetato).
Etapas do processo de Digestão Anaeróbica com Fluxo Etapas do processo de Digestão Anaeróbica com Fluxo de Energiade Energia