Sistemas Anaeróbios

Sistemas Anaeróbios

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PROFESSOR - Dr. ELSO VITORATTO

FACULDADE OSWALDO CRUZ PROF. DE ENGENHARIA AMBIENTAL VER - 2004

1.2 - PROCESSOS ANAERÓBIOS Estes processos são largamente empregados no tratamento de efluentes orgânicos sanitários e industriais, sendo que os principais sistemas utilizados são: biodigestores de lodo, lagoas anaeróbias, fossa séptica e reatores de alta carga orgânica como filtros anaeróbios, reatores de fluxo ascendente com leito lodo; etc.

1.2.1 - Microbiologia e bioquímica A digestão anaeróbia é vista como uma fermentação simples, que ocorre num único tanque, como numa fossa ou lagoa anaeróbia. Nas primeiras representações esquemáticas da digestão anaeróbia, ela era discutida como uma fermentação realizada por dois grupos de bactérias, onde o primeiro era caracterizado como o das bactérias acidogênicas, responsável pela transformação de lipídios, proteínas e carboidratos em ácidos graxos de cadeia curta, como acético, propiônico e outros, álcoois, H2 e CO2. O segundo grupo de bactérias, chamadas de metanogênicas, transforma estes produtos intermediários principalmente em gases CH4 e CO2

A evolução do conhecimento, no entanto, veio a demonstrar que as metanobactérias não são capazes de utilizar álcoois exceto o metanol e não podem catabolizar ácidos orgânicos exceto o acético e o fórmico.

Isso torna necessário representar o processo anaeróbio incluindo outras populações intermediárias.

A degradação anaeróbia é hoje representada como um processo que ocorre em uma série de etapas sucessivas, como pode ser visto na FIGURA 2.1 (McINERNEY e BRYANT, 1980), que apresenta um esquema simplificado do processo anaeróbio, mostrando os principais grupos de bactérias: as hidrolíticas fermentativas, as acetogênicas produtoras de hidrogênio, as homoacetogênicas e as metanogênicas.

1.2.1.1 - Bactérias hidrolíticas fermentativas Estas bactérias promovem a solubilização da matéria orgânica, ou seja, a quebra dos polímeros transformando-os em compostos menores. Das proteínas obtêm-se os aminoácidos, dos carboidratos complexos os monômeros de açúcar e a partir das gorduras os ácidos graxos de cadeia longa. Essas reações ocorrem em função da liberação, pelos microrganismos, de enzimas como amilase, celulase, protease e lipase e suas velocidades dependem da superfície específica de contato do substrato com as enzimas.

Em seqüência à fase de hidrólise, estas bactérias atuam na fermentação dos produtos obtidos, com a formação de compostos orgânicos de moléculas menores, tais como os ácidos fórmico, acético, propiônico, butírico, valérico, láctico, etanol, amônia e gases CO2 e H2.

A etapa de hidrólise e fermentação tem sido objeto de estudo por diversos pesquisadores, que estudaram por exemplo, a acidificação da glicose a vários ácidos, em diversos valores de pH (SEGERS, 1981; ZOETEMEYER et al, 1979; ZOETEMEYER et al, 1982), a acidificação de proteínas e aminoácidos pelos microrganismos do gênero Clostridium (BREURE, 1986), a acidificação de sacarose, lactose e proteínas em função da vazão específica (VITORATTO, et al, 1991).

FIGURA 1.1 - Representação esquemática do processo anaeróbio com os principais grupos de bactérias: (1) hidrolíticas fermentativas: (2) acetogênicas produtoras de hidrogênio; (3) homoacetogênicas; (4) metanogênicas

A fase hidrolítica é a fase limitante da velocidade do processo global quando o resíduo é constituído predominantemente de matéria orgânica não dissolvida, como celulose, proteínas e gorduras; daí o grande interesse do estudo desta etapa do processo e dos microrganismos responsáveis.

O grupo trófico responsável pela hidrólise e fermentação envolve um grande número de gêneros, entre os quais podem-se citar, como exemplos, os Peptostreptococcus, Peptococcus, Eubacterius, Lactobacillus, Bacteroides, Ruminococcus, Clostridium, Butyrivibrio, Succinimonas e Lachinospira, isolados de biodigestores de lodo de esgoto e de rúmem bovino.

1.2.1.2 - Bactérias acetogênicas produtoras de hidrogênio O nome do grupo se deve aos principais produtos formados, o acetato e o hidrogênio, através do metabolismo das substâncias geradas pelo grupo anterior. Na etapa de acetogênese alguns produtos da fase anterior, como o etanol, propionato, butirato, valerato, e lactato, em baixa pressão parcial do gás hidrogênio, são oxidados a acetato, com a formação de CO2 e H2 .

1.2.1.3 - Bactérias homoacetogênicas Contrariamente das acetogênicas produtoras de hidrogênio, as bactérias deste grupo são consumidoras de hidrogênio e produzem acetato a partir de dióxido de carbono como fonte de carbono.

Teoricamente, 67 a 69% do CH4 formado provêm do acetato, mas alguns estudos mostram que esta porcentagem pode chegar até 73%, graças à atividade das bactérias homoacetogênicas.

1.2.1.4 - Bactérias metanogênicas São as que apresentam a maior diversidade morfológica entre todos os grupos responsáveis pelo processo anaeróbio. São organismos anaeróbios obrigatórios e necessitam de um ambiente redutor com potencial redox menor que -300 mV para o seu crescimento, razão pela qual o seu isolamento não foi possível até o desenvolvimento de técnicas de cultivo em anaerobiose eficazes, o que ocorreu somente em 1969. Todas as bactérias metanogênicas têm uma característica em comum: utilizam um grupo metil como receptor final de elétrons, formando o metano. Esta é uma reação termodinamicamente favorável e serve como um reservatório de elétrons para as reações de oxidação em meio estritamente anaeróbio. As metanobactérias são divididas em dois grandes subgrupos, de acordo com o substrato utilizado como fonte de energia. As que utilizam hidrogênio são chamadas de hidrogenotróficas. A fonte de carbono para elas é principalmente o dióxido de carbono. Algumas são capazes de crescer também em formiato, metanol, monóxido de carbono e metilamina, que são intermediários menos importantes dentro de um biodigestor. As hidrogenotróficas são representadas por uma imensa diversidade de gêneros e espécies, como Methanospirilum, Methanobacterium, Methanobrevibacter, etc.

1.2.2 - Influência de fatores na digestão anaeróbia O processo de digestão anaeróbia pode ser seriamente afetado por diversos fatores que estão relacionados com o substrato, com as características do digestor ou com as condições de operação. Assim, se um determinado fator provoca um desequilíbrio no processo, este se deve principalmente a uma maior sensibilidade das bactérias metanogênicas, que deixam de produzir metano, ocasionando o aumento na concentração dos ácidos orgânicos voláteis, que continuam sendo produzidos, causando a queda do pH do meio, além da redução da produção de biogás. A redução da atividade das metanobactérias provoca também o acúmulo de hidrogênio (H2) no meio, o que faz a rota metabólica desviar do caminho da acetogênese para a formação de compostos mais reduzidos do que o acetato, como os ácidos propiônico, butírico e outros, que funcionam como reservatório de elétrons. A formação de ácido propiônico é particularmente problemática para o processo anaeróbio global, pois sua conversão a ácido acético, etapa obrigatória para a sua metanização, é uma reação termodinamicamente difícil, de modo que acaba se acumulando no meio .

1.2.2.1 - Efeito do pH A formação de metano pode ocorrer na faixa de pH de 6 a 8, sendo a faixa ótima entre 6,7 a 7,4. O efeito do pH em diversas concentrações de ácidos orgânicos voláteis também foi estudado, havendo a recomendação de manter o pH do processo entre 6,8 a 7,2. A faixa de pH ótima é diferente para as diversas populações que participam do processo anaeróbio. Para a conversão de proteínas a aminoácidos, a faixa ótima é entre 7,0 e 7,5, ao passo que para a conversão de aminoácidos a ácidos o valor ótimo é em torno de 6,3.

1.2.2.2 - Importância da alcalinidade A alcalinidade do sistema sendo suficientemente elevada, ocorre o tamponamento do pH no reator, evitando assim que o acúmulo dos ácidos orgânicos voláteis resulte na queda de pH. Uma faixa de alcalinidade entre 2500 a 5000 mg CaCO3/L é considerada desejável, no entanto se o processo for operado sem acúmulo de ácidos orgânicos, é possível trabalhar bem com valores da ordem de 500 a 1000mg

CaCO3/L, mesmo para efluentes industriais (SOUZA, 1984).

1.2.2.3 - Efeito da temperatura Apesar da formação de metano poder ocorrer em condições extremas, como 0 a 97oC (ZEHNDER et al, 1981), a temperatura é um fator importante para se ter o processo viável tecnologicamente, principalmente para o uso de reatores de alta taxa, uma vez que as bactérias metanogênicas são bastantes sensíveis. Pode-se enquadrar a maioria das espécies de bactérias metanogênicas na faixa mesofílica, entre 20 a 40oC, e na termofílica, entre 50 a 60oC (PERES, 1982). Existe uma correlação entre a temperatura, a máxima produção de biogás obtida a partir de lodo de esgoto fresco, e o tempo de retenção hidráulica (TRH) usual: a digestão anaeróbia é mais rápida em temperaturas mais elevadas e consequentemente obtém-se maior produção de gás, podendo assim reduzir o tempo de retenção hidráulica do processo (IMHOFF, 1966). A TABELA 1 mostra a produção de biogás em função da temperatura, a partir de lodo de esgoto fresco.

TABELA 1 – Produção de biogás a partir de 1 kg de sólidos voláteis de lodo de esgoto fresco (base seca) e TRH habitual obtidos em função de diversas temperaturas (IMHOFF, 1966)

Temperatura Produção de biogás TRH

°°°°C L / kg de SV dias

Em trabalhos realizados em reator com lodo de esgoto operado a 35oC, este se mostrou ser mais eficiente e mais resistente a choques de compostos tóxicos, comparando-se com o mesmo sistema operado a 29oC.

1.2.2.4 - Influência da agitação A agitação traz os seguintes benefícios: melhor contato entre a biomassa ativa e a alimentação, uniformidade física, química e biológica em todo o reator, dispersão rápida dos produtos metabólicos finais produzidos durante a digestão e de qualquer substância tóxica que entre no sistema, minimizando os efeitos inibidores da atividade microbiana (POHLAND, 1982).

1.2.2.5 - Efeito de nutrientes Para que a fermentação e o crescimento microbiano ocorram em condições ótimas, é necessário que haja macro e micronutrientes em concentrações adequadas. Usualmente recomenda-se algo como uma relação carbono: nitrogênio de 20:1 a 30:1 em massa, e uma relação carbono fósforo de l00:1 a l50:1. Esta relação pode ser expressa também em DQO: nitrogênio (menor que 100) e DQO: fósforo (menor que 500).

1.2.2.6 - Efeito de inibidores Alguns compostos químicos são biologicamente tóxicos quando se encontram em solução e excedem uma dada concentração crítica, para a qual as bactérias ainda são capazes de se aclimatar. Metais pesados: vários metais pesados podem aparecer em efluentes industriais e mesmo em esgotos municipais, podendo vir a exercer um efeito tóxico a concentrações relativamente baixas como Zn (l63 mg/L); Cd (l80 mg/L); Cu (l70 mg/L) e Fe (2600 mg/L) (Souza, 1984; Anderson, 1982). Um agente eficiente para a remoção de metais pesados da solução, por precipitação, é o íon sulfeto. Isso ocorre naturalmente no caso dos efluentes que contêm fontes de enxofre, que é transformado em sulfeto por ação das bactérias redutoras de enxofre. A adição de sulfato ferroso para essa finalidade tem sido indicada, quando a água residuária contém metais pesados e é carente de enxofre. Ácidos orgânicos voláteis (AOV): os ácidos acético, propiônico e butírico são os mais comuns num reator anaeróbio. Em situações de baixos valores de pH, parte destes ácidos ficam na forma molecular. Nessa forma, podem passar pela membrana celular, ao contrário de seus sais, e causar efeito tóxico. No entanto, concentrações tão elevadas quanto 6 a 8 g/L não exercem ação tóxica desde que o pH do sistema seja mantido entre 7.0 a 7,5. Sulfeto: em baixas concentrações é um nutriente fundamental para a atividade metanogênica, por participar de um grande número de enzimas vitais. No entanto, a partir de concentrações em torno de 150 - 200 mg/L passa a exercer efeito tóxico. A adição de íons de ferro pode ser eficiente para contornar o problema (SOUZA, 1984) Oxigênio: em cultura pura de anaeróbios, o oxigênio deve ser completamente excluído. No entanto, em reatores operando com cultura mista, como é o caso de biodigestores, a remoção de oxigênio não é necessária nem recomendada, pois é prontamente utilizado pelos microrganismos facultativos, sempre presentes num meio complexo . Até mesmo já se observou, em ecossistema complexo de lodos granulados, a formação de metano em meios onde se manteve uma aeração, de modo a ter concentrações de oxigênio dissolvido de 2 mg/L ou mais, fato explicado como decorrente da existência, dentro dos grânulos, de micronichos anaeróbios protegidos por bactérias facultativas. Amônia: a toxicidade da amônia é dependente da concentração do nitrogênio amoniacal e do pH, uma vez que o agente tóxico é mais o NH3 e não tanto o NH4+ .

No entanto, quando a concentração de nitrogênio amoniacal excede cerca de 2,4 g/L, expresso em NH4+ , já começa a exercer efeito tóxico sobre lodos não aclimatados, independentemente do pH. Metais leves: alguns metais leves (alcalinos, alcalinos terrosos), como o sódio, potássio, cálcio, etc podem aparecer em altas concentrações em certos despejos industriais. Estes íons não só podem ser estimulantes ou tóxicos, conforme a concentração, como também seus efeitos podem ser aumentados ou diminuídos pelos efeitos de sinergismo ou antagonismo por outros íons (HIRATA, 1991). O sódio entre 0,l a 0,2 g/L é estimulante ao processo, na faixa de 3,5 a 5,5 g/L‚ é moderadamente inibidor, e em concentrações superiores torna-se fortemente inibidor (SOUZA, 1984; ANDERSON, 1982).

1.2.3.1 - Reatores de fluxo ascendente com leito de lodo LETTINGA desenvolveu um reator com retenção interna de lodo, com a incorporação de um separador diferente, para os sólidos suspensos e para o gás (LETTINGA et al, 1980). Esse reator, denominado Reator Anaeróbio de Fluxo Ascendente com Leito de Lodo (RAFA), cuja sigla original é UASB (Upflow Anaerobic Sludge Bed reactor), de certa forma revolucionou a área de tratamento de efluentes, pois passou a oferecer muitas vantagens que até então não se tinha, como baixo custo operacional, baixo consumo de energia, maior estabilidade do processo, entre outras. No entanto, alguns problemas podem surgir, como a dificuldade de retenção de lodo em seu interior quando há problemas na formação de lodo granular, dependendo da composição do efluente a ser tratado e das condições de operação. Este tipo de reator vem sendo empregado para o tratamento de esgoto doméstico, sua eficiência tendo sido demonstrada para esgoto bruto, tanto a temperatura controlada quanto sem controle de temperatura. Com o desenvolvimento do reator de alta taxa, a digestão anaeróbia se apresenta como forma de pré-tratamento dos efluentes contendo matéria orgânica em altas concentrações, como no caso da vinhaça, chorume, efluentes de indústrias de queijo, etc., que podem chegar até a concentrações da ordem de 100.0 mg

DBO5/L, com a redução da maior parte da matéria orgânica, como uma etapa prévia ao processo de polimento final, que pode incluir tanques aerados. Além disso, o desenvolvimento do RAFA, que permite a redução drástica dos tempos de retenção hidráulica, permitiu a ampliação das fronteiras do tratamento anaeróbio para concentrações mais baixas, o que anteriormente era do domínio exclusivo dos processos aeróbios. O princípio do reator RAFA baseia-se no fluxo ascendente do efluente a ser tratado, o qual é alimentado pelo fundo do reator e atravessa um leito de biomassa ativa, sendo descartado após passar através de um sistema de placas defletoras colocadas no topo do reator, separando as fases líquida, sólida e gasosa. O decantador interno permite que as partículas de lodo retornem à zona de digestão, assegurando o tempo de retenção adequado de sólidos e a obtenção de altas concentrações de lodo anaeróbio no reator. O reator RAFA, dotado de um sistema apropriado de distribuição da vazão de alimentação, dispensa a recirculação do efluente para fins de fluidificação, pois o contato necessário entre a água residuária e o lodo é eficiente, uma vez que próprio gás gerado no seio da manta de lodo é suficiente para manter o lodo fluidificado e garantir um bom nível de mistura. O volume do reator RAFA, em relação a outros, é sensivelmente menor, o que o torna extremamente eficiente, em virtude da retenção do lodo por períodos longos (semanas, meses ou até mesmo anos), enquanto que o tempo de retenção hidráulica pode ser bastante baixo (horas). Para o dimensionamento deste reator, RAFA, emprega-se os seguintes parâmetros: - Carga orgânica aplicada:

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