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