Diapositivo 1

ESCOLA SUPERIOR AGRÁRIA DE
COIMBRA
Avaliação microbiológica de lamas
activadas por técnicas de análise e
processamento de imagem
Cristiano da Silva Leal
Coimbra 2010
INTRODUÇÃO
o A evolução demográfica e industrial trazem consigo um aumento
da produção de resíduos e águas residuais.
o É por isso necessária uma legislação e consciencialização
ambientais mais exigentes
o As águas residuais domésticas e de origem industrial podem
conter elevados teores de matéria orgânica
o A matéria orgânica é removida através do tratamento de águas
residuais
CARACTERIZAÇÃO DE ÁGUAS RESIDUAIS
o COT - Carbono Orgânico Total
Corresponde a todo o carbono, utilizado ou não pelos microrganismos
o CQO - Carência Química de Oxigénio
Corresponde à fracção orgânica da amostra susceptível de ser oxidada
por via química (um oxidante forte)
o CBO5 - Carência Bioquímica de Oxigénio após 5 dias
Quantidade de oxigénio dissolvido consumido durante 5 dias, (expresso
em mg/L)na oxidação biológica aeróbia da matéria orgânica e/ou
inorgânica da amostra sob condições standard.
Em águas residuais domésticas:
CBO5/CQO= 0,4 a 0,6
TIPOS DE TRATAMENTO
Tipos de tratamento
Preliminar ou pré-tratamento
Primário
Secundário
Terciário
Processos
Gradagem
Tamisação
Trituração
Desarenação
Desengorduramento
Remoção de óleos e de hidrocarbonetos
Medição de caudal
Remoção de partículas de matéria insolúvel através de
sedimentação, adição de agentes coagulantes e outros
processos físicos, é removida 20 a 30% da CBO na
forma particulada
Remoção biológica da matéria orgânica dissolvida, é
removida 90 a 95% da CBO e muitas bactérias
patogénicas
Lamas activadas
Lagunagem
Leitos percoladores
Discos biológicos
Digestores anaeróbios
Remoção de nutrientes
Remoção e inactivação de vírus
Remoção de químicos residuais
TRATAMENTO SECUNDÁRIO
Tratamento secundário
Aeróbio
Lamas activadas
(biomassa em suspensão)
Leitos percoladores
(biomassa fixa)
Anaeróbio
Discos biológicos
rotativos
(biomassa fixa)
TRATAMENTO APROPRIADO
o A escolha da tecnologia utilizada no tratamento biológico de águas
residuais depende sobretudo das características (físico-químicas) do
efluente a tratar e do meio receptor da descarga
o “Tratamento apropriado”
“O tratamento de águas residuais urbanas por qualquer processo e ou
por qualquer sistema de eliminação que, após a descarga, permita que
as águas receptoras satisfaçam os objectivos de qualidade que se lhes
aplicam.”(Decreto-lei nº152/97 de 19 de Junho)
ESQUEMA DE UMA ETAR
Esquema de uma ETAR
LAMAS ACTIVADAS
o Consiste numa cultura microbiana mantida em suspensão e arejada que
converte a carga poluente do efluente em biomassa e outros produtos
Mecanismo de decomposição aeróbia
Matéria orgânica
Produtos finais
CO2, H2O, N2, P
Biomassa
Resíduo não
biodegradável
CONSTITUIÇÃO DAS LAMAS
o Bactérias (dispersas, formadoras de flocos e filamentosas)
o Protozoários e Metazoários
o Células mortas
o Fragmentos orgânicos não digeridos
o Precipitados de compostos inorgânicos
o A biomassa microbiana tem a capacidade de flocular e deste modo
promover a separação sólido-líquido resultando o efluente final clarificado
o A biomassa pode ser recirculada para o reactor para induzir a pressão
selectiva de agregados com boas características de sedimentabilidade.
OBJECTIVOS DO TRABALHO
o Monitorização de protozoários, metazoários e bactérias filamentosas de
ETAR’s com sistemas de lamas activadas, valas de oxidação e sistemas do tipo
SBR.
o Estudo das características morfológicas da biomassa agregada e filamentosa
presente nos tanques de arejamento por técnicas de análise e processamento
de imagem.
o Estabelecimento de relações entre a microfauna presente e os parâmetros
físico-químicos e de operação das ETAR’s.
o Diagnóstico de disfunções no tanque de arejamento e decantador
secundário tais como:
• Bulking Zoogleal e filamentoso
• Foaming filamentoso
• Flocos do tipo pin-point
• Crescimento disperso
CARACTERIZAÇÃO DOS SISTEMAS DE TRATAMENTO
DAS ETAR’S (LAMAS ACTIVADAS)
Sistema básico de lamas activadas
CARACTERIZAÇÃO DOS SISTEMAS DE TRATAMENTO
DAS ETAR’S (VALA DE OXIDAÇÃO)
Sistema básico de vala de oxidação
CARACTERIZAÇÃO DOS SISTEMAS DE
TRATAMENTO DAS ETAR’S (SBR)
Ciclo de funcionamento de um SBR
DINÂMICA DE COLONIZAÇÃO DE PROTOZOÁRIOS E
METAZOÁRIOS EM SISTEMAS DE LAMAS ACTIVADAS
Dinâmica de colonização da microfauna em sistemas de lamas activadas
PRINCIPAIS TIPOS DE PROTOZOÁRIOS E
METAZOÁRIOS EM LAMAS ACTIVADAS
o Flagelados
•Pequenos flagelados
•Grandes flagelados
o Ciliados bacteriófagos
•Nadadores
•Sésseis
•Móveis de fundo
o Ciliados carnívoros
o Amebas
•Amebas nuas
•Amebas com teca
o Metazoários
PRINCIPAIS TIPOS DE PROTOZOÁRIOS E
METAZOÁRIOS EM LAMAS ACTIVADAS(CONTINUAÇÃO)
Locais de alimentação dos diversos ciliados bacteriófagos em lamas activadas
A - nadadores B - sésseis C - móveis de fundo (Madoni, 1994).
PRINCIPAIS PROTOZOÁRIOS E METAZOÁRIOS
OBSERVADOS
Ameba com teca
(Euglypha)
Rotífero
(Monogononta)
Móvel de fundo
(Aspidisca)
Ameba com teca (Arcella)
Flagelado (Peranema)
Séssil (Vorticella)
VÍDEOS
VÍDEOS
VÍDEOS
CARACTERIZAÇÃO DAS PRINCIPAIS BACTÉRIAS
FILAMENTOSAS PRESENTES EM LAMAS ACTIVADAS
o Reacção à coloração de Gram;
o Reacção à coloração de Neisser;
o Forma e localização do filamento em relação ao floco;
o Mobilidade;
o Presença de septos;
o Presença de bainha;
o Presença de organismos aderidos ao filamento;
o Presença intracelular de grânulos de enxofre;
o Forma e tamanho das células individuais;
o Características-chave.
PRINCIPAIS BACTÉRIAS FILAMENTOSAS
INDICADORAS DE PROBLEMAS
Problema
Filamentosas indicativas
Baixo oxigénio dissolvido
Sphaerotilus natans, Haliscomenobacter hydrossis,
(para a carga aplicada)
Beggiatoa, Microthrix parvicella, Tipos 1701 e 1863
Baixa carga
Alta carga
Efluentes contendo águas
Microthrix parvicella, Nocardia sp., Nostocoida limicola I,
Tipos 0041/0675, 0581, 0092, 1851 e 0914/0803
Nostocoida limicola II/III, Thiothrix sp., Tipo 0211, 0961 e
1701
Thiothrix sp., Beggiotoa, Tipos 021N e 0411
sépticas (Sulfuretos)
Deficiência em nutrientes
específicos (N e/ou P)
Thiothrix sp., S. natans, H. hydrossis, Cyanophyceae,
Nostocoida limicola II/III e Tipo 021N
Alto teor de gorduras
Actinomicetos, Microthrix parvicella
pH baixo
Fungos
PRINCIPAIS BACTÉRIAS FILAMENTOSAS
CAUSADORAS DE PROBLEMAS
Principais bactérias filamentosas responsáveis por bulking:
o Bulking filamentoso acontece em condições de carência de nutrientes
específicos, como azoto ou fósforo, presença de substâncias tóxicas ou
carência de oxigénio.
o Principais bactérias responsáveis: Cyanophyceae, Leucothrix, Microthrix
parvicella, Sphaerotilus natans, Tipo 0914/0803, Tipo 1701 e Thiothrix.
Principais bactérias filamentosas formadoras de espumas (foaming):
o Foaming filamentoso encontra-se, muitas vezes, acoplado à presença de
grande variedade de hidratos de carbono, incluindo alguns de elevado
peso molecular, e também de gorduras e óleos nos efluentes de entrada.
o Principais bactérias responsáveis: Actinomicetos, Nostocoida limicola,
Tipo 1863, Nocardia sp., Nocardia amarae e Microthrix parvicella
SOLUÇÕES PARA O BULKING FILAMENTOSO
Principais metodologias para eliminação de bactérias filamentosas causadoras
de bulking:
o Alteração das variáveis de operação para favorecer bactérias formadoras de
flocos: alteração da razão F:M, aumento da taxa de arejamento e
concentrações de substratos específicos ou redução da idade das lamas ;
o Possível criação de zona dentro do reactor com funções de selector;
o Adição de substâncias oxidantes (microbiocidas ou microbiostáticas):
compostos clorados (hipocloritos), peróxido de hidrogénio ou ozonização;
o Adição de iões férricos (cloreto de ferro, etc.), carbonato de cálcio ou
polímeros orgânicos sintéticos e/ou catiónicos, de acção coagulante e
floculante.
SOLUÇÕES PARA O FOAMING FILAMENTOSO
Principais metodologias para eliminação
causadoras de foaming:
de bactérias
filamentosas
o Alteração das variáveis de operação: aumento da taxa de recirculação das
lamas, e/ou redução do caudal de arejamento, pH e níveis de óleos e
gorduras no efluente;
o Adição de cloro, sais de ferro ou agentes anti-espumantes;
o Concentração e eliminação da espuma no sistema (de modo a impedir a
recirculação da mesma e consequente recontaminação do tanque de
arejamento);
o Metodologia de tratamento depende do microrganismo causador do
problema: arejamento completo para eliminar Microthrix parvicella, ou
condições anaeróbias ou anóxicas para eliminar Nocardia.
PRINCIPAIS BACTÉRIAS FILAMENTOSAS
CAUSADORAS DE PROBLEMAS OBSERVADAS
Thiothrix
Nocardioformes
Microthrix parvicella
Haliscomenobacter hydrossis
PRINCIPAIS PARÂMETROS MORFOLÓGICOS
DETERMINADOS
o Área total de flocos por unidade de volume;
o Comprimento total de filamentos por unidade de volume;
o Relação comprimento de filamentos por área de flocos;
o Percentagem em área de micro, meso e macroflocos.
RESULTADOS DA MONITORIZAÇÃO DE
PROTOZOÁRIOS, METAZOÁRIOS E BACTÉRIAS
FILAMENTOSAS (VALA DE OXIDAÇÃO)
Número médio por 25µL
40
35
30
25
20
Euglypha
15
Chilodonela
Monogononta
10
Vaginicola
5
Pequenos Flagelados
0
Aelossoma
Coleps Hirtus
Dias
6
Conteúdo em escala
5
4
Haliscomenobacter hydrossis
Thiothrix
Tipo 021N
Nocardioformes
Microthrix Parvicella
3
2
1
0
Dias
Númeromédio por 25 µL
RESULTADOS DA MONITORIZAÇÃO DE
PROTOZOÁRIOS, METAZOÁRIOS E BACTÉRIAS
FILAMENTOSAS (LAMAS ACTIVADAS)
50
45
40
35
30
25
20
15
10
5
0
Euglypha
Aspidiscas
Monogononta
Vorticellas
Paramecium
Dias
7
Conteúdo em escala
6
5
4
Haliscomenobacter hydrossis
Thiothrix
Microthrix parvicella
Nocardioformes
3
2
1
0
Dias
RESULTADOS DA MONITORIZAÇÃO DE
PROTOZOÁRIOS, METAZOÁRIOS E BACTÉRIAS
FILAMENTOSAS (SBR)
Número médio por 25µL
9
8
7
6
5
4
3
2
1
0
Euglypha
Arcella
Dias
7
Conteúdo em escala
6
5
4
Haliscomenobacter hydrossis
Thiothrix
3
2
1
0
Dias
RESULTADOS DE PARÂMETROS MORFOLÓGICOS
(VALA DE OXIDAÇÃO)
Comprimento total de filamentos por unidade de volume
Relação comprimento de filamentos/ área de flocos
Relação comprimento total de
filamentos/área de flocos (mm/mm2)
Comprimento total de filamentos por
unidade de volume (mm/µL)
40
35
30
25
20
15
10
5
0
40
30
20
10
0
Percentagem em área
Dias
Dias
100
90
80
70
60
50
40
30
20
10
0
Microflocos
Mesoflocos
Macroflocos
Dias
Percentagem em área de micro, meso e
macroflocos
RESULTADOS DE PARÂMETROS MORFOLÓGICOS
(LAMAS ACTIVADAS)
Comprimento total de filamentos por unidade de volume
20
Relacão comprimento de
filamentos/ área de flocos
(mm/mm2)
35
Comprimento total de filamentos
por unidade de volume (mm/µL)
Relação comprimento de filamentos por área de flocos
30
25
20
15
10
5
0
15
10
5
0
Dias
Dias
100
90
Percentagem em área
80
70
60
50
Microflocos
Mesoflocos
Macroflocos
40
30
20
10
0
Dias
Percentagem em área de micro, meso e
macroflocos
RESULTADOS DE PARÂMETROS MORFOLÓGICOS
(SBR)
4.00E+02
3.50E+02
3.00E+02
2.50E+02
2.00E+02
1.50E+02
1.00E+02
5.00E+01
0.00E+00
Relação comprimento de filamentos por área de flocos
Relacão comprimento de
filamentos/área de
flocos(mm/mm2)
Comprimento total de
filamentos por unidade de
volume (mm/µL)
Comprimento total de filamentos por unidade de volume
450
400
350
300
250
200
150
100
50
0
Dias
Dias
100
Percentagem em área
90
80
70
60
50
Microflocos
40
Mesoflocos
30
Macroflocos
20
10
0
Dias
Percentagem em área de micro, meso e
macroflocos
CONCLUSÕES
Relativamente à ETAR com vala de oxidação pode concluir-se:
o Predomínio de amebas com teca (Euglypha) e de rotíferos indicadores de
elevada qualidade de tratamento e do efluente final, regime de baixa carga,
idade de lamas elevada e possíveis fenómenos de nitrificação;
o Maior presença de ciliados carnívoros e flagelados nos períodos inicial e final
de monitorização, indiciam diminuição da concentração de oxigénio dissolvido, e
da qualidade do efluente final, nestes períodos;
o Predomínio de Thiothrix, possíveis indicadores da presença de compostos de
enxofre reduzidos no licor misto;
o Conteúdo total em bactérias filamentosas e presença de Thiothrix, H.
hydrossis e M. parvicella indiciam fenómenos moderados de bulking
(concordante com valor elevado do IVL médio (350mL/g)).
CONCLUSÕES
o Aumento considerável de nocardioformes e M. parvicella no período final
causando espumas (foaming) no tanque de arejamento (em linha com relato
dos operadores).
o Biomassa agregada muito constante, com predominância de mesoflocos e
sem evidência de bulking zoogleal, crescimento disperso ou flocos do tipo
pin-point
CONCLUSÕES
Relativamente à ETAR com lamas activadas pode concluir-se:
o Predomínio de amebas com teca (Euglypha), rotíferos e ciliados móveis de
fundo indicadores de elevada qualidade de tratamento e do efluente final,
estabilização do reactor em estado pseudoestacionário, idade de lamas
relativamente elevada e possíveis fenómenos de nitrificação.
o Diminuição do número de protozoários e metazoários e aumento do número de
sésseis e flagelados, no último período de monitorização, indicia degradação das
condições existentes, com possíveis consequências ao nível da qualidade do
efluente final.
o Predomínio de nocardioformes e presença de H. hydrossis e Thiothrix (I e II)
indiciando fenómenos de bulking e possível deficiência ao nível de nutrientes (N
e/ou P).
o Aumento considerável de M. parvicella no período final causando espumas
(foaming) no tanque de arejamento (em linha com relato dos operadores).
CONCLUSÕES
o Conteúdo total em bactérias filamentosas e presença de H. hydrossis,
Thiothrix e M. parvicella indiciam fenómenos de bulking (concordante com
valor elevado do IVL médio (850mL/g)).
o Biomassa agregada muito constante, com predominância de mesoflocos e
sem evidência de bulking zoogleal, crescimento disperso ou flocos do tipo
pin-point
o Valores reportados de SST bastante altos (média de 7134 mg/L) podendo
ser co-responsáveis pelo fenómeno de bulking indiciado pelo IVL
CONCLUSÕES
Relativamente à ETAR com o sistema SBR pode concluir-se:
o Baixo conteúdo em protozoários e metazoários com predomínio de amebas
com teca (Arcella) indicador de boa qualidade de tratamento e possíveis
fenómenos de nitrificação consonante com alternância entre ciclos aeróbios e
anaeróbios.
o Baixo conteúdo (número e espécies) de bactérias filamentosas.
o Predomínio de Thiothrix, Tipo 0914, e de H. hydrossis indicadores da presença
de compostos reduzidos de enxofre e de baixo peso molecular no licor misto, e
possíveis efluentes agro-industriais.
o Biomassa agregada muito constante, com predominância de mesoflocos e
sem evidência de bulking zoogleal, crescimento disperso ou flocos do tipo pinpoint
PRINCIPAIS BACTÉRIAS FILAMENTOSAS
ENCONTRADAS CAUSADORAS DE PROBLEMAS
Bactérias
filamentosas
Causa provável
Thiothrix
Cargas superiores a 0.1 Kg CBO / Kg SS.dia, efluentes industriais, presença de
(bulking)
compostos reduzidos de enxofre (águas sépticas) e de compostos de baixo
peso molecular, baixo oxigénio dissolvido (para a carga aplicada), escassez
de azoto ou fósforo
H. hydrossis
Cargas superiores a 0.2 Kg CBO / Kg SS.dia, efluentes industriais, baixo
(bulking)
oxigénio dissolvido (para a carga aplicada), presença de compostos azotados,
deficiência de compostos fosfatados, presença de compostos de baixo peso
molecular (agro-industriais)
PRINCIPAIS BACTÉRIAS FILAMENTOSAS
ENCONTRADAS CAUSADORAS DE PROBLEMAS
Bactérias
filamentosas
Causa provável
Cargas inferiores a 0.2 Kg CBO / Kg SS.dia, concentração elevada de ácidos
M. parvicella
(bulking e foaming)
gordos ou óleos, elevado tempo de retenção,
concentrações baixas de oxigénio e/ou existência de extensas zonas anóxicas,
temperaturas inferiores a 15 ºC e presença de compostos de enxofre reduzidos
ou de azoto
Nocardioformes
(foaming)
Ocorre em boas condições de arejamento
Tipo 0914
Cargas orgânicas inferiores a 0.2 Kg CBO / (Kg SS . dia), efluentes industriais e
(bulking)
presença de compostos de enxofre reduzidos
ESTUDOS ANTERIORES( RELAÇÃO ENTRE
PROTOZOÁRIOS E EFICIÊNCIA DE TRATAMENTO)
Grupo dominante
Eficiência
Causa possível
Pequenos flagelados
má
Lamas pouco oxigenadas; carga muito forte;
entrada de substâncias fermentescíveis
Pequenos ciliados nadadores
medíocre
(<50 µm)
Grandes ciliados nadadores
Tempo de contacto muito baixo; lamas pouco
oxigenadas
medíocre
Carga muito forte
(<50 µm)
Ciliados móveis de fundo
boa
Ciliados sésseis + móveis de
boa
fundo
Ciliados sésseis
baixa
Fenómenos transitórios (carga descontínua;
extracção recente de lamas)
Pequenas amebas nuas
má
Carga muito elevada não facilmente
biodegradável
Amebas com teca
boa
Carga baixa; licor diluído; boa nitrificação
ESTUDOS ANTERIORES (ÍNDICE BIÓTICO DE
LAMAS)
o O índice biótico de lamas proposto por Madoni em 1994 visa avaliar a
qualidade biológica de lamas activadas
o Este índice tem por base a sensibilidade dos vários grupos de protozoários
ciliados alterações dos parâmetros físico-químicos e das variáveis
operacionais do processo
o Calcula-se avaliando o grupo de protozoários dominante a sua densidade e
a variedade de espécies presentes
ESTUDOS ANTERIORES (ÍNDICE BIÓTICO DE
LAMAS CONTINUAÇÃO)
Valor de IBL
Classe
Apreciação
8 a 10
I
lama estável e muito bem colonizada; excelente actividade biológica;
performance muito boa
6a7
II
lama estável e bem colonizada; actividade biológica em decadência;
boa performance
4a5
III
depuração biológica insuficiente no tanque de arejamento;
performance medíocre
0a3
IV
deficiente depuração biológica no tanque de arejamento,
baixa performance
ESTUDOS ANTERIORES (ESTATÍSTICA
MULTIVARIÁVEL)
o Estudos anteriores (Amaral et al) de análise de regressão dos mínimos quadrados
parciais multivariável (PLS) verificaram:
o Uma boa correlação (R2 = 0.8628) entre o índice volumétrico de lamas (IVL) e a
razão de bactérias filamentosas dispersas e sólidos em suspensão totais
ESTUDOS ANTERIORES (ESTATÍSTICA
MULTIVARIÁVEL)
o Boa correspondência entre IVL predicto e real, em diversas ETAR’s
ESTUDOS ANTERIORES (ESTATÍSTICA
MULTIVARIÁVEL)
ESTUDOS ANTERIORES (ESTATÍSTICA
MULTIVARIÁVEL)
o Limite de bulking filamentoso de 10 000 mm/mg para TL/TSS:
ESTUDOS ANTERIORES (ESTATÍSTICA
MULTIVARIÁVEL)
o Limite de bulking filamentoso de 15 mm/mm2 para TL/TA:
Obrigado pela atenção!