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BIOTECNOLOGIA AMBIENTAL

Conceitos e AplicaçõesRaúl J. Barros 2010

http://www.ualg.pt/

Bibliografia

1. “Wastewater Engineering – Treatment and reuse”, Metcalf & Eddy Inc., 4th ed. Rev. por Tchobanoglous, G; Burton, F.L. e Stensel, H.D., McGraw-Hill, USA, 2003

2. “Environmental Biotechnology: Concepts andApplications”, H.-J. Jördening e. J. Winter, Wiley-VCH, Darmstadt, Germany, 2005

3. “Environmental Applications”, Vandevivere, P. e Verstraete, W., cap. 24 in “Basic Biotechnology”, Ratledge, C e Kristiansen, B. (Eds.) 2nd ed., Cambridge University Press, Cambridge, UK, 2001

4. Material recolhido da internet

15-04-2010 2Biotecnologia Ambiental - Raúl J. Barros

Biotecnologia Ambiental?• Definição da International Society for Environmental

Biotechnology (ISEB):

Desenvolvimento, uso e regulação de sistemas biológicos para a remediação de ambientes contaminados (solo, ar, água) e para processos amigos do ambiente (tecnologias de produção “verdes” e desenvolvimento sustentável).

http://www.gate2biotech.com/international-society-for-environmental/

A Definição pode ser alargada para incluir a aplicação da biotecnologia ao estudo do ambiente natural

15-04-2010 Biotecnologia Ambiental - Raúl J. Barros 3










Principais aplicações da biotecnologia ambiental

• Tratamento de águas:- Residuais (efluentes): - Domésticas

- Industriais- Contaminadas: - Subterrâneas

- Superficiais

• Remediação de solos contaminados

• Tratamento de lamas orgânicas e resíduos sólidos

• Tratamento de emissões gasosas

• Aplicação a processos sustentáveisExemplos: Uso de resíduos de uma actividade como matéria prima de outra (biorefinarias, biocombustíveis de 2ª geração)


Tratamento de águas

Objectivo:

• Remoção da carga poluente, convertendo-a em gases não poluentes ou em sólidos que podem ser separados da água.

15-04-2010 BM tratamento de efluentes - Raúl J. Barros 5

Principais tipos de poluentes e respectiva importância:

• Matéria orgânica degradável: Provoca abaixamento do teor de oxigénio

• Sólidos suspensos: Provocam acumulação de lamas e condições de anaerobiose

• Organismos patogénicos: Transmitem doenças infecciosas

•Nutrientes (N, P): Provocam eutrofização (crescimento excessivo de espécies aquáticas indesejadas)

• Metais pesados: Provocam toxicidade, acumulação na cadeia alimentar

• Matéria orgânica recalcitrante (tensioactivos, pesticidas, fenóis): Provoca toxicidade, acumulação na cadeia alimentar

• Poluentes prioritários: Compostos com efeitos tóxicos agudos, carcinogénicos ou mutagénicos

• Matéria inorgânica dissolvida: (Cálcio, sódio, sulfato, etc.) Se presente em excesso impede a reutilização da água, por exemplo para rega.

Tratamento de águas


Caracterização de água - Definições

• A água é caracterizada segundo uma série de parâmetros:

– Físicos

–Químicos (orgânicos e inorgânicos)

–Biológicos


Parâmetros Físicos

• Teores e tipo de sólidos

• Turbidez, Cor, Transmitância

• Odor

• Temperatura

• Massa específica

• Condutividade eléctrica


Parâmetros Físicos - Sólidos• Os sólidos na água são classificados de acordo com o seguinte

esquema:

Para além disso existe ainda o conceito de sólidos sedimentáveis, que são os que podem ser separados por gravidade15-04-2010 BM tratamento de efluentes - Raúl J. Barros 9

Sólidos Totais(TS)

Voláteis(TVS)

Fixos(TFS)

Suspensos(VSS)

Dissolvidos(VDS)

Suspensos(FSS)

Dissolvidos(FDS)

Sólidos Suspensos Totais(TSS)

Sólidos Dissolvidos Totais(TDS)

Parâmetros Químicos Inorgânicos

• Teores de azoto

• Teores de Fósforo

• pH

• Alcalinidade

• Cloreto

• Sulfato

• Metais (As, Cd, Ca, Cr, Co, Cu, Pb, Mg, Hg, Mo, Ni, Se, Na, Zn)

• Gases (O2, CO2, NH3, H2S, CH4)


Teores de Azoto e Fósforo• Os azoto e o fósforo pode na água são classificados de acordo

com a natureza dos compostos presentes:


Azoto Total(TN)

Azoto Kjeldahl(TKN)

Nitrato(NO3

-)

Amónio(NH4

+)

Azoto orgânico(Org N)

Fósforo total(TP)

Inorgânico(Inorg P)

Orgânico(Org P)

Nitrito(NO2

-)

Parâmetros Químicos Orgânicos

• Carência Bioquímica de Oxigénio (CBO, BOD)

– 5 dias (BOD5) ou derradeira (BODu)

• Carência Química de Oxigénio (CQO, COD)

• Carência de Bioquímica de Oxigénio devida ao azoto (NBOD)

• Carbono orgânico Total (TOC)

• Classes específicas de compostos orgânicos (exemplos:

para diferentes tipos de tensioactivos MBAS – reactivos ao azul de metileno; CTAS – reactivos ao tiocianato de cobalto; voláteis, emergentes, pesticidas, etc.)


BOD e NBOD


Parâmetros Biológicos

• Coliformes (indicadores de contaminação

potencialmente patogénica)

• Microrganismos específicos (bactérias,

protozoários, vírus)

• Toxicidade (aguda, crónica)


O que contém a água a tratar?Composição típica de águas residuais domésticas:


Tratamento de águas residuais

• Grande parte do tratamento baseia-se em actividade biológica.

• São os agentes biológicos usados nas estações de tratamento de águas residuais (ETAR) que removem através do seu metabolismo grande parte da matéria orgânica e dos nutrientes das águas contaminadas


Sequência típica de tratamento


Classificação de sistemas

• Os sistemas biológicos podem ser classificados de acordo com o tipo de metabolismo prevalente em:

– Aeróbicos (oxigénio como aceitador de electrões)

– Anóxicos (nitrato ou outras espécies como aceitador de electrões,

potencial redox positivo)

– Anaeróbicos (potencial redox negativo, forma-se metano e

dióxido de carbono, se presente, o sulfato actua como aceitador de electrões, reduzindo-se a sulfureto)


Degradação Aeróbica

Na presença de oxigénio a matéria orgânica é convertida em dióxido de carbono, água e biomassa:

Mat. Org + O2 → CO2 + H2O + Biomassa (+ NH4+ + PO4

3-)

O amónio é oxidado a nitrito e depois a nitrato:

NH4+ → NO2

- → NO3-

Nas ETAR esta degradação é feita em filtros percoladores, discos biológicos ou sistemas de lamas activadas


Degradação aeróbica


Lamas activadas:



Filtros percoladores:



Filtros percoladores: Diferentes enchimentos



Discos biológicos:

Degradação AeróbicaVantagens:

- Boa eficiência de remoção de BOD5 (mesmo para teores iniciais baixos)

- Boa remoção de nutrientes (N e P)

- Velocidades de degradação elevadas

- Baixo custo de construção

Desvantagens:

- Gasto de energia elevado (arejamento)

- Produção de lamas elevada (até 0,5 kg por kg de BOD5 removido)

- Área ocupada pelos equipamentos grande

- Biomassa filamentosa diminui a fiabilidade da sedimentação




Flocos de Biomassa:(sludge bulking)

Degradação AeróbicaBalanço energético



Existem diferentes espécies microbianas capazes defazer a degradação aeróbica completa de diferentestipos de matéria orgânica degradável(carbohidratos complexos, gorduras, proteínas).Normalmente a hidrólise de moléculas complexas éo passo limitante, sendo os produtos desteprocesso prontamente metabolizados.

A presença de protozoários no sistema pode servantajosa, pois ao consumirem bactériasminimizam a produção de lamas.


Degradação Anaeróbica

Em condições anaeróbicas a matéria orgânica é convertida em dióxido de carbono e metano, formando-se pouca biomassa:

Mat. Org → CH4 + CO2 + H2O (+ Biomassa + NH4+ + PO4

3-)

O processo ocorre em 3 passos: Hidrólise, Fermentação para a produção de ácidos orgânicos (inclui Acetogénese para a conversão de espécies reduzidas em acetato) e Metanogénesepara a produção de metano.

A degradação (digestão) anaeróbia é usada para tratar águas com elevada carga orgânica ou resíduos sólidos ou lamas


Degradação AnaeróbicaVantagens:

- Baixo gasto energético (balanço positivo com aproveitamento do metano)

- Produção de lamas baixa (< 0,1 kg por kg de BOD5 removido)

- Reactores relativamente pequenos

- Baixo custo de operação

Desvantagens:

- Eficiência de remoção de BOD5 baixa (requer tratamento aeróbio posterior)

- Tempos de arranque elevados

- Não remove nutrientes (N e P)

- Necessário aumentar alcalinidade (devido ao CO2)

- Sensível a variações de T e à presença de tóxicos

- Potencial produção de odores e gases corrosivos


Degradação AnaeróbicaBalanço energético



Para fazer a degradação anaeróbica completa dediferentes tipos de matéria orgânica degradável(carbohidratos complexos, gorduras, proteínas)é necessária uma comunidade com diferentestipos de espécies microbianas. Os passosnecessários são: hidrólise, fermentação,acetogénese e metanogénese, sendo cada umdeles feito por grupos específicos de m.o.´s quese encontram em simbiose (efeito sintrófico).



Microbiologia:

A hidrólise e fermentação é levada a cabo pormicrorganismos anaeróbios estritos ou facultativosdos géneros Clostridium, Peptococcus,Bifidobacterium, Desulphovibrio, Corynebacterium,Lactobacillus, Actinomycetes, Staphylococcus eEscherichia.

A metanogénese é realizada por microrganismosdos géneros Methanobacterium, Methanobacillus,Methanococcus, Methanothrix e Methanosarcina.



O calor libertado pelo metabolismo anaeróbionão é suficiente para manter a temperaturasuficientemente elevada para a operação (acimade 30oC).

Por outro lado o biogás formado é usado paracogeração (electricidade + calor): A electricidadeé usada na ETAR, e o calor usado para oaquecimento do digestor.



Há um balanço muito apertado no que respeitaà produção e consumo de H2 num digestoranaeróbio. Por um lado este gás inibe afermentação e a acetogénese (pois é produtodessas reacções), por outro é necessário comosubstrato na metanogénese. Este balançosignifica que a digestão anaeróbica só podefuncionar com 10-5 atm < pH2 < 10-4 atm.



A necessidade da presença simultânea de vários gruposde microrganismos torna o tempo de arranque dosdigestores anaeróbicos longo. Torna também ofuncionamento destes equipamentos muito sensível àscondições de T, pH e presença de compostos tóxicos. Deespecial relevância é o metabolismo de sulfato-redutoras,que produzem H2S em condições anaeróbicas napresença de sulfato. Isto é totalmente indesejado, poisesse metabolismo compete favoravelmente com asmetanogénicas pelo hidrogénio, impede o consumo deacetato, o que provoca abaixamento de pH, e esse gás étóxico para as fermentativas, precipita vestígios de metaisessenciais às bactérias, é corrosivo e tem um odorextremamente desagradável.15-04-2010 Biotecnologia Ambiental - Raúl J. Barros 41

Remoção de Azoto

• O azoto está presente em águas residuais sob duas formas: Orgânico (ácidos nucléicos e proteínas) e Amónio (resultante da hidrólise enzimática da ureia, que por ser muito rápida ocorre no sistema de recolha de esgotos antes ainda do efluente entrar na ETAR).

• Nos tratamentos destinados a remover matéria orgânica também há remoção de parte deste azoto, por incorporação na biomassa (lamas) formada (menos extensa nos tratamentos anaeróbicos). A biomassa seca tem como fórmula típica C5H7NO2, pelo que há 14 g de N por cada 113 g de biomassa (≃12,4%).


Remoção de Azoto

Nos tratamentos biológicos na ETAR as proteínassofrem proteólise, e os oligopéptidos,aminoácidos e nucleótidos sofrem diferentestipos de reacções de amonificação (mecanismoshidrolíticos, oxidativos, redutivos oudesaturativos) que libertam o azoto sob a formade ião amónio.


Remoção de Azoto


Caso seja necessário remover mais azoto que aquele que é assimilado pela biomassa, isso é conseguido por nitrificação e desnitrificação sequenciais:

Nitrificação: NH4+ + O2 → NO2

-

Nitração: NO2- + O2 → NO3

-

(processos aeróbios)

Desnitrificação: Mat. Org. + NO3- → N2 + H2O + CO2

(processo anóxico)

Remoção de Azoto


A nitrificação é efectuada por espécies autotróficas dosgéneros Nitrosomonas, Nitrosococcus, Nitrosolobus,Nitrosospira e Nitrosovibrio, ao passo que a nitração éefectuada por espécies dos géneros Nitrobacter,Nitrococcus e Nitrospira.

Algumas bactéria heterotróficas dos génerosArthrobacter, Flavobacterium e Thiosphaera sãocapazes de converter directamente azoto orgânico anitrato.

Remoção de Azoto


A desnitrificação é efectuada por uma larga gama de bactériasdos géneros Achromobacter, Acinetobacter, Agrobacterium,Alcaligenes, Arthrobacter, Bacillus, Chromobacterium,Corynebacterium, Flavobacterium, Hypomicrobium, Moraxella,Neisseria, Paracoccus, Propionibacterium, Pseudomonas,Rhizobium, Rhodopseudomonas, Spirillum e Vibrio.

A nitrificação (incluindo a nitração) ocorre favoravelmente porexemplo nos sistemas de lamas activadas. No entanto o efluentedesse passo não contém substrato orgânico suficiente parasuportar a desnitrificação. Para isso há que adicionar uma fontede carbono externa, o que é contrário aos objectivos dotratamento de água.Assim há muito interesse em desenvolver processos comconfigurações alternativas, onde os dois passo possam ocorrerno mesmo equipamento, ou com reacções bioquímicasalternativas, tal como o processo Annamox.

Remoção de Azoto


Remoção de Azoto


Processo Annamox:

Parte do amónio parcialmente oxidado a nitrito:

NH4+ + O2 → NO2

- (processo aeróbico)

Amónio restante reage com nitrito

NH4+ + NO2

- → N2

Minimiza necessidade de oxidação do amónio e evitaconsumo de substrato orgânico na desnitrificação.

Nitrificação e desnitrificaçãono mesmo floco de biomassa

Remoção de Fósforo

• O fósforo está presente sob duas formas: Orgânico e fosfato inorgânico. Nos tratamentos destinados a remover matéria orgânica também há remoção de parte deste fósforo, por incorporação na biomassa (lamas) formada (menos extensa nos tratamentos anaeróbicos). O teor de fósforo na biomassa seca é cerca de um quinto do teor de azoto, e portanto representará sensivelmente 2,5% do peso seco da biomassa.


Remoção de Fósforo• Remoção adicional de fósforo pode ser conseguida

por precipitação química (com cal, ferro ou alumínio) ou usando organismos acumuladores de polifosfatos: EBPR (enhanced biological phosphate removal).


Remediação de solos e águas subterrâneas

A descontaminação de solos, sedimentos e águas subterrâneas por métodos biológicos é chamada biorremediação.Os contaminantes mais comuns destes sistemas são solventes clorados, hidrocarbonetos, policlorobifenilos e metais pesados – muitos destes compostos que podem ser biodegradados ou bioacumulados, mas em escalas temporais relativamente longas.De entre centenas de milhar de locais contaminados só na Europa estima-se que o custo para a limpeza dos mais perigosos será da ordem de centenas de MM€ nos próximos 20 anos.


Remediação de solos e águas subterrâneas

Possíveis estratégias para biorremediação:


Ácido benzóico/PCB´s

Remediação de solos

Técnicas de biorremediação mais comuns:

• Bioremediação in situ

– Sem escavar o solo;• “bioventing”, circulação forçada de ar

• Fitoremediação

• Landfarming

– Solo removido e tratado num reactor em fase sólida

• Bioreactores em fase de “lama”

– Solo removido e tratado num reactor em fase líquida, por mistura com água


Tratamento de água subterrânea


Tratamento de lamas orgânicas


O excesso de lamas orgânicas tais como estrume ou lamas de ETAR éum problema grave em muitos países desenvolvidos, onde otradicional uso na agricultura começa a ser limitado por falta decapacidade desta actividade para absorver tanto material. A digestãoanaeróbica em reactores de mistura completa é um processo deestabilização e valorização adequado. Os resíduos sólidos orgânicossão tratados em reactores em fase sólida (compostagem anaeróbica).

Tratamento de Resíduos Sólidos


Os resíduos sólidos orgânicos biodegradáveisrepresentam cerca de 60% dos resíduos sólidos urbanos.

Para minimizar a deposição em aterros e a incineração,estão em operação em vários países europeusinstalações de separação e compostagem, querecuperam materiais valiosos (areia, brita, ferro, metaisnão ferrosos, cartão e papel, plásticos), e transformam afracção orgânica em composto e biogás.

A compostagem aeróbica é um processo bemconhecido, mas a compostagem anaeróbica levada acabo em reactores em fase sólida tem vindo a ganharterreno.

Tratamento de Resíduos Sólidos


Tratamento de Emissões gasosas


A remoção de poluentes orgânicos presentes ememissões gasosas, com particular ênfase nocontrolo de odores é uma área de interessecrescente

– Esses poluentes estão presentes em teores da ordemde mg/m3

– Estão em desenvolvimento técnicas biotecnológicasde limpeza de emissões gasosas, controlo de odores epurificação do ar em edifícios, que se baseiam nocultivo e manutenção de organismos capazes deremover uma gama alargada de poluentes a muitobaixas concentrações



A remoção de compostos orgânicos voláteis (VOC)pode ser feita por métodos biológicos com evidentevantagem do ponto de vista energético quandocomparada com a incineração.

Álcoóis, cetonas, aldeídos, ácidos orgânicos oucompostos orgânicos azotados são normalmenteremovidos de forma rápida, ao passo que aremoção de fenóis, hidrocarbonetos ou solventesclorados é mais lenta, e a de hidrocarbonetospolihalogenados ou poliaromáticos é mesmo muitolenta.


Designs de sistemas de tratamento:

Os biofiltros são os sistemas maissimples e baratos, mas ocupammuita área, não permitem umeficiente controlo de parâmetroscomo o pH, e podem eles própriosgerar odores desagradáveis.

Os outros designs eliminam estesproblemas.


Remoção biológica de óxidos de azoto e dióxido de enxofre de gases de combustão


1. Solubilização num pulverizador delavagem de gases (“scrubber”)contendo um quelante para solubilizaros óxidos de azoto.

2. Desnitrificação anóxica

3. Sulfato-redutoras num UASBSO3

2- → H2S

4. Oxidação de sulfureto a enxofre (sólido)H2S → S0

5. Separação de sólidos e recirculação dafase líquida ao “scrubber”

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