APRES_A6_ tecnologias - Biorremediação
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TECNOLOGIAS DE BIORREMEDIAÇÃO Principais Tecnologias de Biorremediação • In Situ • • • • • Passiva ou Natural ( Atenuação Natural) Bioestimulação Bioventilação Bioaumento Barreiras Reativas Permeaveis (BRP) • Ex Situ • LandFarming • Biopilhas ou Compostagem com Solo • Fitorremediação Atenuação Natural Monitorada • Combinação de processos FBQ visando reduzir os impactos tóxicos, concentração ou fluxo de compostos poluentes no meio ambiente contaminado. • Exige Monitoramento detalhado • O desafio mais significativo na biorremediação in situ é a introdução de reagentes, no ambiente sub-­‐ superficial, necessários por microrganismos contaminantes a serem degradados. Assim esta técnica freuentemente confunde-­‐se com a Bioestimulação, pela simples adição de N + P ao meio. O desafio mais significativo na biorremediação in situ é a introdução no ambiente abaixo da superfície dos reagentes necessários por microorganismos e misturando-­‐os com os contaminantes a serem degradados. A maior parte da metodologia geralmente associada com a biorremediação in situ pode ser atribuído à investigação e desenvolvimento pioneiro realizado por Richard L. Raymond e dom tecnologia nos anos 1970. Em meados da década de 1980, o potencial de biorremediação em situ foi amplamente aceita na indústria de remediação. Nos últimos anos, tem havido uma explosão de actividade em biorremediação agora que incorpora uma ampla variedade de processos no in situ meio Ambiente. A fonte permanente de debate entre os praticantes de biorremediação são os conceitos de bioestimulação e bioaumentação. Bioestimulação consiste na adição de nutrientes, como azoto e fósforo, bem como aceitadores de oxigénio e outro de electrões, para o ambiente microbiano para estimular a actividade dos microrganismos. Bioaumento envolve a adição de micróbios exógenos para o subsolo, onde os organismos capazes de degradar um contaminante específico são deficientes. Micróbios podem ser "semeados" de populações já presentes em um local e cultivadas em um reator acima do solo, ou estirpes especialmente cultivadas tendo conhecido capacidades para degradar um contaminante específico. A maioria dos sistemas de biorremediação utilizam alguma forma de bioestimulação. No entanto, há uma resistência significativa na indústria de usar bioaumentação. Esta resistência resulta do princípio da ubiqüidade, que afirma que todos os microrganismos estão sempre presentes no ambiente de subsuperfície. Um outro argumento contra bioaumentação é que os organismos indígenas já presentes no local contaminado teria desenvolvido os sistemas de enzimas para degradar os contaminantes alvo. Além disso, a limitação de distribuir as culturas microbianas exógenos no subsolo e a questão de sobrevivência a longo prazo destas culturas cultivadas em laboratório em condições de campo também desencorajar bioaumentação. Bioaumentação pode desempenhar um papel proeminente na biorremediação, quando a liberação de organismos geneticamente modificados é permitido. 5.6.1 Critérios de Triagem para implementação In situ Antes de conceber um sistema em biorremediação in situ, a viabilidade de biodegradação deve ser cuidadosamente avaliada. Esta avaliação deve incluir a facilidade ou dificuldade de degradar os contaminantes-­‐alvo, a capacidade de atingir mineralização total, e as condições ambientais necessárias para implementar o processo. Existem vários fatores que devem ser incorporadas a este processo de avaliação. Fator de triagem: Biodegradabilidade ( T ½ ) Cadeia Hidrocarbonetos simples, C1–C15 Alcools, fenois, aminas Acidos, esteres, amidas Facil (F) Facil Facil Hidrocarbonetos, C12–C20 Eters, Hidrocarb monoclorinated Hidrocarbonetos, > C20 Hidrocarbonetos Multiclorados Mod fácil (MF) Mod Facil Mod Dificil ( MD) Mod Dificil PAHs, PCBs, pesticidas Muito Dificil (MMD Criterios de triagem para Biorem In situ • Potencial de mineralização dos compostos: Uma revisão das principais rotas de biodegradação pertinentes proporcionará uma visão clara para verificar se contaminante pode ser utilizado como um substrato primário ou se as reações metabólicas necessárias podem se processar. • Substrato especifico para atividade microbiana e outras condições: De primordial importância é a disponibilidade de carbono e de energia no ambiente contaminado. Analisar possíveis receptores de elétrons e da condição redox cuidadosamente. Além disto, investigar a presença de microrganismos capazes de degradar os contaminantes especificos, quantitativo/qualitativo. Contagem total em placa específicas em condições de laboratório e em ensaios in situ de respiração podem ser utilizados para realizar esta avaliação. • A disponibilidade de nutrientes: Em geral, os níveis de concentração de apenas N e P são determinado. • Características hidrogeológicas do sítio: condutividade hidráulica, espessura da saturado zona, homogeneidade e profundidade do lençol de água são parâmetros que devem ser tidos em conta na concepção do sistema. Distribuição e transporte de agregado nutrientes e receptores de elétrons será fortemente influenciada pela hidrogeologia site. • Extensão e distribuição de contaminantes: Essa avaliação hidrogeológica de parâmetros locais são os componentes-­‐chave para o desenvolvimento do projeto de engenharia de o "bio-­‐reactor subsuperficial.“ ou mais abrangente de biorremediação In situ. Bioventilação Injeção de Ar ou biosparging envolve a injeção de ar para azona saturada de solos contaminados, com vazões baixas (<5 m3 / h por ponto). Isto é usado para aumentar a atividade biológica no solo e para promover a biodegradação aeróbica pelo aumentando o fornecimento de O2 via injeção de ar ou de oxigénio no solo. Em alguns casos injeções de ar são substituídos por oxigénio puro para aumentar as taxas de degradação. No entanto, tendo em conta o elevado custo deste tratamento para além das limitações na quantidade de oxigénio dissolvido disponível para os microrganismos, o peróxido de hidrogénio (H2O2) pode ser introduzido como uma alternativa, e é usado num número de sítios de fornecer mais oxigénio[18]. Em biosparging volatilização é tipicamente menor do que a do padrão de aspersão de ar no sistema. Bioslurping é uma tecnologia in situ, que combina um produto livre de vácuo elevado na recuperação com bioventing dos solos de subsuperfície para remediar simultaneamente compostos derivados de petróleo. Avaliação das técnicas de Bioaumento O processo de bioaumento envolve a introdução de microorganismos que têm sido cultivados para degradar várias cadeias de hidrocarbonetos dentro de um sistema contaminado. As culturas podem ser derivadas de um solo contaminado ou obtidas de uma cultura estoque que tenha demonstrado, previamente, capacidade para degradar esses hidrocarbonetos (SARKAR et al., 2005). Para que a aplicação do bioaumento tenha sucesso, é necessário que os microorganismos selecionados apresentem algumas características, como: capacidade para degradar a maior parte dos contaminantes, estabilidade genética, alto nível de atividade enzimática, além da capacidade de competir com a população intrínseca do solo. Deve ser lembrado que os agentes microbianos não podem ser patogênicos e não devem produzir substâncias tóxicas durante o processo de biodegradação (LEAHY & COLWELL, 1990). Objetivos Amostras de Solos contaminados com petróleo, solo Rico em matéria orgânica, Assoalho marinho etc CRESCIMENTO EM CONDIÇÕES DE LABORATORIO Isolamento e Caracterização de Microrganismos em meios seletivos para a condição de biodegradação INOCULAÇÃO EM CONDIÇÕES DE TESTE ( FRAÇOES DE PETROLEO) COM RESPOSTA DE CO2 Barreiras Reativas Barreiras Reativas Barreira Reativa Permeavel Recuperação de áreas degradadas pela mineração de carvão Criciuma no Sul de Santa Catarina. PPGEA UFES 2009 AVALIAÇÃO DE TURFA EM UMA BARREIRA REATIVA PERMEÁVEL PARA A REMEDIAÇÃO DE MEIOS POROSOS CONTAMINADOS COM NAFTALENO E BTEX CATARINA LUÍZA MARIANI PEREIRA LandFarming • Landfarming é um método de biorremediação que consiste na degradação biológica de resíduos em uma camada superior de solo, que é periodicamente revolvida para promover a aeração e o aumento da atividade biológica com conseguqente remoção ou atenuação dos contaminantes do solo. O landfarming também deve ser considerado como um processo de disposição final, já que os produtos da degradação se incorporam ao solo e à matéria vegetal presente no local. A diferença entre tratamento em solo e landfarming se baseia em que o último implica o desenvolvimento de técnicas de trabalho do solo, através das quais é incorporado oxigênio do ar, maximizando a remoção biológica. A superfície do landfarming permite a gestão de lotes exclusivos. Estes lotes estão identificados e é realizado um seguimento do processo mediante amostragens periódicas de controle da degradação. Uma vez degradado, solicita-­‐ se a liberação do lote à Secretaria de Política Ambiental. Assim, o gerador do resíduo pode realizar um seguimento do processo de tratamento exclusivo, já que não se misturam resíduos de diferentes fontes de geração. Os resíduos que podem ser tratados com este tipo de tecnologia são: •Resíduos provenientes de indústrias de alimentos em geral, da indústria de laticínios e de frigoríficos. •Resíduos da indústria do petróleo. •Resíduos da indústria química e farmacêutica. •Barros e fundos de tanques de combustíveis e hidrocarbonetos em geral. •Solos contaminados por vazamentos de hidrocarbonetos. Processo de implementação de um Landfarming: Borra Oleosa FITORREMEDIAÇÃO A FITORREMEDIAÇÃO A fitorremediação utiliza sistemas vegetais para recuperar águas e solos contaminados por poluentes orgânicos ou inorgânicos. Esta área de estudo, embora não seja nova, tomou impulso nos últimos dez anos, quando se verificou que a zona radicular das plantas apresenta a capacidade de biotransformar moléculas orgânicas exógenas (externas). A rizosfera, como é denominada esta zona, tem sido desde então estudada por sua importante função como fonte de nutrientes para os diversos microrganismos que co-­habitam nesta região, assim como a sua capacidade de estimular a degradação de pesticidas, hidrocarbonetos aromáticos polinucleares e outras substâncias químicas. Está comprovado que os processos degradativos são mais acentuados nos solos que apresentam cobertura vegetal do que aqueles caracterizados pela sua ausência. Vantagens e Desvantagens da Fitorremediação Vantagens: ØÉ uma tecnologia barata e por isso pode ser aplicada a grandes áreas ØÉ aplicável a um grande número despoluentes orgânicos e inorgânicos ØÉ ecologicamente e socialmente satisfatória ØOs procedimentos são realizados in situ ØPode ser usada em conjunto com tecnologias mais tradicionais Desvantagens: ØAs plantas são organismos vivos e suas raízes requerem oxigênio, água e nutrientes. ØA natureza do solo (pH, salinidade, textura) afeta o desenvolvimento das plantas. ØA concentração dos poluentes deve estar dentro do limite de tolerância das plantas. ØOs contaminantes hidrossolúveis podem se alastrar para longe da zona radicular. ØÉ um processo lento cujos efeitos são observados em longo prazo. ØExiste a possibilidade destas plantas entrarem na cadeia alimentar. MECANISMOS ENVOLVIDOS NO PROCESSO DE FITORREMEDIAÇÃO . Atmosfera Fitovolatilização Ø Ø Ø Ø Ø Ø Fitoextração Fitoestabilização Fitoestimulação Fitovolatilização Fitodegradação Rizofiltração Planta Fitoextração Fitodegradação Fitoacumulação Solo Area Contaminada Fitoestabilização Rizodegradação Rizofiltração Alguns exemplos de Aplicação da Fitorremediação s Fitoextração Fitodegradação Fitoestabilização Fitoextração Fitoextração Fitodegradação Fitodegradação Fitoestabilização Fitodegradação • Fitoextração: esse tipo, também chamado de fitoacumulação, consiste na absorção do metal contaminante pelas raízes das plantas para o tronco e as folhas. FITOEXTRAÇÃO Absorção e armazenamento dos contaminantes pelas raízes ou são transportados e acumulados nas partes aéreas. Esta técnica utiliza plantas chamadas hiperacumuladoreas capazes de armazenar altas concentrações de metais (0,1% a 1% do peso seco, dependendo do Metal). Plantas acumuladoras de Pb, Cu, Co, Ni e Zn: Brassica juncea;; Aeolanthus biformifolius;; Alyssum bertolonii e Thlasp caerulescens. • Fitoestabilização: usa plantas para limitar a mobilidade e biodisponibilidade de metais em solos. As plantas usadas devem ser capazes de tolerar altos níveis de metais e imobiliza-­‐los no solo por precipitação, complexação ou redução de valências do metal. FITOESTABILIZAÇÃO Os contaminantes orgânicos ou inorgânicos são incorporados à lignina da parede vegetal ou ao húmus do solo e os metais são precipitados sob formas insolúveis, sendo posteriormente aprisionados na matriz do solo. Objetiva evitar a mobilização do contaminante e limitar sua difusão no solo, através de uma cobertura vegetal (CUNNINGHAM et al., 1996). Exemplos de plantas cultivadas com este fim são as espécies de Haumaniastrum, Eragrostis, Ascolepis, Gladiolus e Alyssum. FITOESTIMULAÇÃO As raízes em crescimento (extremidades e ramificações laterais) promovem a proliferação de microrganismos degradativos na rizosfera, que usam os metabólitos exudados da planta como fonte de carbono e energia. Além disso, as plantas podem secretar elas próprias enzimas biodegradativas. A aplicação da fitoestimulação limita-se aos contaminantes orgânicos. A comunidade microbiana na rizosfera é heterogênea devido à distribuição espacial variável dos nutrientes nesta zona, porém os Pseudomonas são os organismos predominantes associados as raizes. (Crowley et al., 1997). FITOVOLATILIZAÇÃO Alguns íons de elementos dos subgrupos II, V e VI da Tabela periódica, mais especificamente, mercúrio, selênio e arsênio, são absorvidos pelas raízes, convertidos em formas não tóxicas e depois liberados na atmosfera. (BROOKS, 1998) Esta técnica pode ser empregada para compostos orgânicos também. • Fitodegradação: é o processo cujas plantas são capazes de degradar poluentes orgânicos. Em alguns casos, os poluentes degradam em simples moléculas que são usadas para o crescimento da planta. FITODEGRADAÇÃO contaminante fragmentos enzimas novas fibras contaminante Os contaminantes orgânicos são degradados ou mineralizados dentro das células vegetais por enzimas específicas. Entre essas enzimas destacam-­se as nitroredutases (degradação de nitroaromáticos), desalogenases (degradação de solventes clorados e pesticidas) e lacases (degradação de anilinas). Populus sp. e Myriophyllium spicatum são exemplos de plantas que possuem tais sistemas enzimáticos. • Rizofiltração: é principalmente utilizada com água contaminada. Similar a fitoextração, porém as plantas utilizadas apresentam raízes que desenvolvem um sistema radicular com grande área de contato. Quando as raízes tornam-­‐se saturadas com os contaminantes, as plantas são coletadas e trocadas para a continuação da remediação. RIZOFILTRAÇÃO É a técnica que emprega plantas terrestres para absorver, concentrar e/ou precipitar os contaminantes de um meio aquoso, particularmente metais pesados ou elementos radiativos, através do seu sistema radicular. As plantas são mantidas num reator sistema hidropônico, através do qual os efluentes passam e são absorvidos pelas raizes, que concentram os contaminantes. Plantas com grande biomassa radicular (hiperacumuladores aquáticos) são as mais satisfatórias, como Helianthus annus e Brassica juncea, as quais provaram ter potencial para esta tecnologia (GALSS, 1998). plantas aquáticas empregadas em tratamento de água: Typha angustifolia Taboa Juncus acutus junco agudo Scirpus holoschoenus Iris pseudacorus lírio amarelo Cyperus longus junça-­longa Phragmites australis caniço FITORREMEDIAÇÃO -­ TRATAMENTO DE ÁGUAS RESIDUÁRIAS E.T.A.R. de Bodiosa – Viseu – Portugal (lagoa de macrófitas emergentes com plantas previamente enraizadas em viveiro) Sistemas de lagoas de macrófitas: ØSistemas baseados em macrófitas aquáticas flutuantes (enraizadas ou livres);; ØSistemas baseados em macrófitas submersas;; ØSistemas baseados em macrófitas aquáticas emergentes Wetlands Construidos: Tratamento de esgotos domésticos e/ou industriais Representação esquemática de um sistema de tratamento de águas residuais baseado em macrófitas aquáticas livremente flutuantes. Ilustra-­se a espécie Eichhornia crassipes (jacinto de água). Representação esquemática de um sistema de tratamento de águas residuais baseado em macrófitas aquáticas submersas. Ilustra-­se a espécie Elodea canadensis. Representação esquemática de um sistema de tratamento de águas residuais baseado em macrófitas aquáticas emergentes: a) fluxo superficial, ilustra-­se a espécie Scirpus lacustris;; b) fluxo sub-­superficial horizontal, ilustra-­se a espécie Phragmites australis;; c) fluxo sub-­superficial vertical (percolação), ilustra-­se a espécie Phragmites australis. Fitorremediação — Aplicação ØTratamento de água com aguapé ØTratamento de chorume por Fitorremediação ØControle de erosão e disseminação de Metais Pesados no solo Tratamento de água com aguapé: Eichhornia crassipes Todas as macrófitas exercem importante papel na remoção de substâncias dissolvidas, assimilando-­as e incorporando-­as à sua biomassa, porém a espécie Eichhornia crassipes, o aguapé, tem sido a hidrófita mais estudada para o tratamento de água com plantas. Lagoa de Aguapé LINS Tratamento de Chorume por Fitorremediação: “O chorume é o nome dado ao líquido escuro e turvo proveniente do armazenamento e repouso do lixo”. O chorume pode conter altas concentrações de sólidos suspensos (1000 a 2500 mg L-­1), metais pesados, compostos orgânicos originados da degradação de substâncias que facilmente são metabolizadas como carboidratos, proteínas e gorduras. Através dos métodos convencionais de tratamento, o chorume tem sido descartado apresentando ainda forte coloração, constituindo graves problemas para os receptores aquáticos. Para solucionar este problema vem sendo estudada uma forma de tecnologia alternativa para o tratamento de chorume, a biofiltração. Biofiltração: Combina o processo físico de filtração, o qual é realizado através de filtro de areia. Seguido de analises físico-­ químicos do aterro. Com o tratamento biológico, que consiste na biodegradação da matéria orgânica contida na água filtrada com a utilização do aguapé, seguida de análises químicas e biológicas para classificação da água visando sua reutilização, diversos estudos têm comprovado sua eficiência. Pode–se, também utilizar o processo de fitorremediação no tratamento de chorume da seguinte forma: realizando a filtração do chorume em areia visando a separação da água sem coloração e utilizar o material retido no filtro como nutrientes para plantio de tubérculos (beterraba, cenoura e rabanete) e espécies folhosas (alface). Beterraba (Beta Vulgaris L.) A beterraba é uma hortaliça que requer alta concentração de macronutrientes (especialmente P, K e Mg), principalmente em sua parte aérea;; sua concentração de micronutrientes é ainda maior em sua parte aérea e raiz. Estes dados indicam que devido a necessidade de nutrientes, a absorção de chorume será grande. As espécies olerícolas possuem grande capacidade de extração do solo e, dentre elas, a alface é considerada a principal acumuladora de metais pesados (principalmente Zn, Cu, e Pb). Este acúmulo ocorre basicamente na parte aérea da planta. Cenoura (Dacus Carota L) A cenoura exige solos férteis e bem estruturados para sua produção, fazendo da matéria orgânica um fator importante em sua cultura. Estudos constataram maior presença de β caroteno em cenouras cultivadas organicamente. Rabanete (Raphanus sativus L.) As concentrações em macro e micronutrientes no rabanete são elevadas, tanto na raiz como na parte aérea, sendo considerada uma planta exigente em nutrientes. Sua extração é alta principalmente em Fe, Mg, Zn e Cu. Alface (Lactuca sativa) Plantio de leguminosas para tratamento de chorume Controle de erosão e disseminação de Metais Pesados no solo: O processo consiste basicamente em retirar a terra contaminada de valas paralelas e de uma camada superficial de toda a área e substituí-­la por solo não-­contaminado para implantar dois tipos de vegetação: arbórea sobre as valas e herbácea (gramíneas) nos três metros que separam uma da outra. Na superfície do solo contaminado entre as valas, é utilizado um "filtro químico" – uma camada de calcário de aproximadamente 2 cm de espessura, que evita que o metal passe para o solo sem contaminação, preservando, assim, a vegetação implantada. Eucalipto em solo contaminado sem filtro de calcário (esquerda) e com o filtro (direita). Solo contaminado com metais pesados Abertura das valas e substituição da camada superficial por solo não contaminado Implantação de vegetação nas valas e entre seus intervalos Primeiros resultados. Serrapilheira sobre o solo recuperado. Começa a se formar uma camada de matéria orgânica.
