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Como resultado do processo de digestão anaeróbia, o lodo oriundo de ETE adquire melhor estabilização, que é atingida principalmente pela redução de 50% a 60% do teor de sólidos orgânicos. Além disso, a composição do lodo pode ser muito alterada, como demonstra a Tabela 2.2. Em decorrência dessas alterações, o lodo digerido é menos susceptível a mudanças putrefativas em comparação com o lodo cru e apresenta melhor capacidade de desaguamento. Nessas condições e obedecidos os critérios de higienização, esse lodo pode ser utilizado como fertilizante ou com outras opções de disposição final.

Tabela 2.2Comparação das frações de lodo doméstico com e sem tratamento anaeróbio, expressa como % do total (valores médios).

Assim, segundo Moergenroth et al. (2002), o processo da digestão anaeróbia cumpre as seguintes funções:

Redução substancial nos sólidos voláteis Redução significativa do número de organismos patogênicos (com termofilia) Estabilização das substâncias orgânicas presentes no lodo

Redução do volume do lodo por meio de sua liquefação, gaseificação e adensamento.

Os lodos gerados em sistemas de tratamento de esgotos sanitários são constituídos, fundamentalmente, de 2 frações: água e sólidos totais (ST) em concentrações variando de 2% a 6%. A fração sólida do material orgânico resultante das ações de tratamento do esgoto doméstico é representado pelos sólidos voláteis (SV) ou biomassa microbiana e complexa gama de polímeros extracelulares (EPS) que se acumulam nesse meio.

Todas as ações de processamento visando à estabilização ou minimização de lodos de esgoto referem-se à possibilidade de mobilização dessa fração orgânica para ser degradada e assimilada por microrganismos diversificados presentes na massa de lodos. Além disso, completo entendimento da disponibilidade dessa matéria orgânica particulada é essencial para uma predição de desempenho da ETE, avaliação dos níveis de oxigenação (DBO) e até mesmo sua utilização para processos de remoção de N e P dos efluentes finais da ETE.

A hidrólise, em um contexto geral, refere-se ao processo de ruptura ou quebra de moléculas orgânicas complexas, caracterizadas pelos polímeros de carboidratos, proteínas, lipídeos e suas combinações, convertendo-os em moléculas menores passíveis de assimilação e utilização pelas células microbianas. Nos sistemas de tratamento de esgotos, o principal objetivo dos processos hidrolíticos é a conversão de substratos lentamente biodegradáveis em substratos disponíveis para o metabolismo celular, processo este denominado de biodisponibilização

Durante o processo de digestão anaeróbia de componentes complexos como água residuárias e lodos orgânicos, o processo hidrolítico é o primeiro passo, geralmente limitante, de todo o processo. Na prática, o termo hidrólise pode ter várias conotações físicas, químicas e biológicas. O aspecto químico envolve a quebra de ligações moleculares com adição ou consumo de água. Na biologia e engenharia sanitária, os processos hidrolíticos envolvem quase sempre o conceito de “quebra de substratos” ou “destruição de sólidos”, geralmente orgânicos, até cadeias de menor tamanho, mais solúveis, que podem ser subseqüentemente utilizados e degradados pelos microrganismos presentes no meio (Morgenroth et al., 2002).

Podemos, assim, reconhecer dois mecanismos de atuação dos agentes hidrolíticos:

a)Hidrólise primária correspondente à desintegração e hidrólise de substratos complexos, geralmente de natureza orgânica, como complexos fibrosos de lignina e celulose, ceras, óleos, gorduras e lipídios combinados.

b)Hidrólise secundária correspondente à morte ou decaimento da biomassa presente no lodo, liberando moléculas prontamente assimiláveis (SV) e frações de moléculas como produtos internos de estocagem.

Assim, geralmente, os produtos do processamento hidrolítico refere-se à soma dos produtos de a + b, que podem ser utilizados pela microbiota do lodo para construção de nova biomassa ou geração de energia metabólica, conforme ilustrado no diagrama da Figura 2.3.

Alguns autores (Chynoveth & Pullamman, 1996) preferem falar em “despolimerização” como a primeira etapa do processo digestão anaeróbia, reservando o termo “hidrólise” para as reações de ataque à fração orgânica envolvendo enzimas denominadas “hidrolases ou liases”. A fração extracelular, representada principalmente pelo polímeros extracelulares (EPS), tende a se acumular no meio e pode representar possível indicação de estabilização do lodo. Tanto a fração biomassa quanto a fração extracelular constituem parte integrante do lodo orgânico. Assim, no balanço de carbono do sistema, a remoção de carbono orgânico do lodo é representada pelos processos de respiração aeróbia e anaeróbia (metanogênese).

Lodoorgânico Produtos hidrólise

Biomassa Energia

Fração extracelular

Figura 2.3Resumo das principais rotas de bioprocessamento de lodos. I – processamento hidrolítico; I – utilização e destinação dos produtos de hidrólise; II – respiração aeróbia ou anaeróbia (metanogênese).

Os produtos da despolimerização ou hidrólise são, geralmente, moléculas menores e solúveis, de modo a permitir sua assimilação microbiana e diminuição da fração suspensa de sólidos voláteis, comumente referida como destruição de sólidos. Assim, todo processo hidrolítico deve imitar essa reação no sentido de fracionar macromoléculas em moléculas menores (oligômeros), aumentando seu grau de solubilização ou biodisponibilidade para o metabolismo microbiano. No processo de digestão anaeróbia, as etapas 1 e 2 do processo hidrolítico são as mais lentas e, assim, limitantes do processo de metanogênese. Em escala real, os digestores anaeróbios conseguem hidrolisar ou tornar assimilável apenas 50% da matéria orgânica na forma de sólidos voláteis (SV). O restante permanece na fase insolúvel, não degradada e inacessível ao ataque microbiano.

A hidrólise pode ser uma tecnologia promissora na minimização dos lodos descartados das estações de tratamento de esgoto, particularmente nos processos com altas taxas de produção de lodo. Segundo Müller (2001), as tecnologias hidrolíticas podem ser aplicadas com os seguintes objetivos: aumentar a solubilização dos sólidos presentes no lodo; melhorar a eficiência de um processo subseqüente de degradação biológica ou para a remoção/reciclagem de nutrientes como o fósforo e o nitrogênio; promover a desidratação do lodo; reduzir patógenos; ou suprimir a formação de escuma. A maior disponibilidade de produtos solubilizados pode ser, desta maneira, utilizada pelos microrganismos anaeróbios para a realização de processos diversos, inclusive com o aumento do potencial de geração de metano.

Nos físicos e químicos da hidrólise dos substratos complexos da matéria orgânica presente em lodos orgânicos podemos reconhecer, fundamentalmente, dois mecanismos dos agentes hidrolíticos atuando nos seguintes “compartimentos”:

b)Fracionamento dos compostos orgânicos macromoleculares (polímeros complexos).

O processamento de lodos por meio de agentes físicos ou químicos promove, em uma primeira fase, a morte e o rompimento celular da fração de biomassa por meio da destruição de paredes e membranas celulares. Após a morte ou lise (rompimento) celular, o conteúdo protoplasmático é liberado para o meio. Esse conteúdo celular é, geralmente, representado por moléculas menores e de maior degradabilidade, como proteínas, oligossacarídeos, ácidos graxos e ácidos nucléicos. Essas moléculas liberadas do conteúdo protoplasmático são muito suscetíveis ao ataque de agentes hidrolíticos, como ácidos, álcalis e óxidos. Desse modo, a principal diferença entre a hidrólise “natural” por enzimas microbianas e a hidrólise induzida por agentes hidrolíticos fortes é o ataque preferencial à biomassa (fração SV) de lodos que, em geral, ocorre de modo natural bem mais lentamente quando depende exclusivamente de ação enzimática.

O aumento da biodegradabilidade pode ser atingido por meio de mecanismos físicos, químicos ou combinados, conforme a relação a seguir:

Mecanismos físicos:

•Tratamento térmico (Karlsson et al., 1992) •Ultra-som (Tiehm et al., 1997)

•Desintegração mecânica (Kopp et al., 1997)

Processos químicos:

•Hidrólise ácida (Karlsson et al., 1989), •Hidrólise alcalina (Mukherjee & Levine, 1992),

Processos biológicos:

•A combinação de processos também oferece possibilidades interessantes de incremento da biodegradabilidade de lodos, notadamente a hidrólise ácida sob temperaturas superiores a 50oC.

Tratamento térmico: O tratamento térmico de lodos, geralmente efetuado na faixa de 60 a 180oC, promove redução da fase líquida pela retirada de água, concentração e desnaturação de polímeros e rompimento celular. Os carboidratos, lipídios e proteínas são as moléculas mais afetadas pelo calor, que pode promover sua desnaturação ou rompimento de cadeias em moléculas menores, sendo, portanto, mais facilmente assimiláveis. Temperaturas mais elevadas também destroem paredes e membranas celulares, promovendo a liberação do conteúdo celular e facilitando, assim, sua subseqüente assimilação e oxidação biológica.

Além de promover esse aumento na biodisponibilidade dos componentes do lodo, o tratamento térmico pela efetiva desintegração celular ou desnaturação de proteínas pode promover efetiva redução de patógenos, além de supressão na formação de escuma no processamento de lodos. Em todos esses casos, os tratamentos térmicos alteram sensivelmente as propriedades físico-químicas dos lodos, incluindo a aptidão ao desaguamento e à secagem (Neyens & Baeyens, 2003).

Ultra-som: A utilização do ultrassom entre freqüências variando de 20 kHz a 40 kHz produz cavitação, quando a pressão local na fase líquida cai abaixo do valor da pressão de evaporação. O resultado é a formação explosiva de microbolhas, que aumentam de tamanho e entram em colapso de forma não linear, produzindo elevadíssimas temperaturas dentro e nas imediações das bolhas. Dessa forma, a cavitação produz forças mecânicas consideráveis que resultam na desintegração do lodo. Em testes realizados com digestores semicontínuos de lodo, a redução dos teores de sólidos voláteis variaram de 45,8% para lodos não tratados até 50,3% para lodos tratados previamente com ultra-som (Tiehn et al., 1997).

Desintegração mecânica: O objetivo da desintegração mecânica é a ruptura das células da biomassa para aumentar os compostos solúveis disponíveis para biodegradação. Essa carga orgânica adicional no tanque de aeração resulta no aumento da demanda de oxigênio, bem como da quantidade de biomassa necessária para oxidação do substrato adicional. Um exemplo de fluxograma de uma ETE convencional, com desintegração mecânica de lodo, é apresentado por Kopp et al. (1997) (Figura 2.4).

A desintegração é realizada, no exemplo em questão, por um moinho de bolas associado a um homogeneizador de alta pressão. Taxas de desintegração do lodo superiores a 60% podem ser atingidas, para um teor de ST inicial de 5% e um aporte específico de energia de 2000 kJ/kg ST. A digestão anaeróbia pode ser realizada em digestores com tempo de detenção hidráulica bastante curtos (< 4 dias), por meio de dispositivos que impeçam a lavagem dos microrganismos anaeróbios com baixa taxa de crescimento. Segundo os autores, a demanda de energia na etapa de desintegração mecânica corresponde à produção adicional resultante da ruptura das células no lodo. A demanda energética da desintegração mecânica pode ser estimada em 1,0 a 1,25 kW/m3 de lodo por dia.

Disposição

Desidratação Digestão

Biogás Adensamento

Retorno de lodo

Desintegração mecânica

Líquido de retorno

Tanque de aeração Clarificador

Figura 2.4Esquema de uma ETE com sistema de desintegração mecânica do lodo.

Usualmente, os efeitos de ácidos e bases combinados com calor podem promover a liberação de produtos de separação molecular e aumentar o grau de matéria orgânica solúvel, que pode ser avaliada em termos de DQO solúvel ou filtrada em relação à DQO total. Assim, se for observado um aumento nessa relação, após tratamento com determinado agente hidrolisante, pode-se inferir que há, possivelmente, aumento na disponibilidade de assimilação molecular e, conseqüentemente, maior atividade metabólica.

A hidrólise química de lodos orgânicos inclui principalmente os tratamentos ácido e alcalino. Esse tipo de tratamento age primariamente sobre a biomassa (SV/ST), promovendo a desintegração de partículas e complexos e atacando principalmente as proteínas, enquanto carboidratos e lipídeos são pouco afetados (Mõnnich, 1988). Alguns estudos mostram que os tratamentos ácido e alcalino promovem a solubilização da matéria orgânica (DQO), acelerando, conseqüentemente, o processo de estabilização e aumentando a biodisponibilização de substratos assimiláveis no meio.

A Tabela 2.3 resume os resultados de solubilização da DQO de vários estudos de tratamento alcalino de lodos, todos com 1% ST. Pode-se notar que a hidrólise alcalina dos lodos tem o potencial de solubilizar a fração DQO, evidenciado pelo incremento da relação DQOfilt/DQO total variando de 25 a 89%. As melhores relações de incremento da relação DQOfilt/DQO total foram obtidas por Abreu et al. (2003) utilizando lodo anaeróbio com 1% de ST e 20 a 60 meq/L de NaOH por 8 horas. Estes vaores foram equivalentes aos processos hidrolíticos utilizando desintegração mecânica com ultra-som além da hidrólise alcalina. Apesar de grande parte desses estudos de hidrólise ser realizado com lodos ativados o que dificulta as comparações entre processos, fica evidente o elevado potencial de solubiização de matéria orgânica por meio do processamento alcalino de lodo anaeróbio.

Tabela 2.3Resultados de solubilização da DQO em vários estudos de hidrólise alcalina de lodo.

%      7**8

US = ultra-som.

A degradação da fração orgânica de lodos gerada em conseqüência de tratamentos biológicos é realizada naturalmente e principalmente pela via enzimática, por meio de enzimas extracelulares da própria biomassa microbiana presente no lodo. Essa fração orgânica de esgotos, representada pelos sólidos suspensos, tem distribuição física e composição química variada. Partículas variam de 0,01 a 100 µm, sendo formadas principalmente por proteínas, lipídios, carboidratos e outros complexos moleculares em suspensão não identificáveis. As enzimas extracelulares com atividade de quebra de cadeias orgânicas são genericamente denominadas de hidrolases e liases. As hidrolases promovem quebras de ligações diversas e geralmente tem seu nome ligado ao substrato ou processo de quebra.

A atividade enzimática pode ser largamente influenciada pela temperatura e pelo pH do meio. Geralmente, a temperatura ótima de atividade situa-se em torno de 25 a 30oC, com efeitos negativos sobre a atividade de enzimas hidrolíticas em temperaturas abaixo de 15ºC. O efeito do pH é mais complexo, tendo em vista que a atividade é o somatório de várias enzimas com diferentes particularidades quanto aos valores de pH, carga e solubilidade do substrato hidrolisado, especialmente no caso de digestão de substratos protéicos. Outro fato que merece avaliação é a possibilidade da atividade enzimática ser auto-regulada pelos produtos gerados no processo de hidrólise. A produção de proteinases bacterianas pode ser inibida pela maior disponibilidade de aminoácidos e pelas altas concentrações de fosfato e glicose no meio e, assim, regular a atividade de degradação protéica. Resultados similares foram encontrados para a atividade celulolítica, com a produção de celulases

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