BIOTECNOLOGIA AMBIENTAL Conceitos e Aplicações

BIOTECNOLOGIA AMBIENTAL
Conceitos e Aplicações
Raúl J. Barros 2010
Bibliografia
1. “Wastewater Engineering – Treatment and reuse”,
Metcalf & Eddy Inc., 4th ed. Rev. por Tchobanoglous,
G; Burton, F.L. e Stensel, H.D., McGraw-Hill, USA, 2003
2. “Environmental Biotechnology: Concepts and
Applications”, H.-J. Jördening e. J. Winter, Wiley-VCH,
Darmstadt, Germany, 2005
3. “Environmental Applications”, Vandevivere, P. e
Verstraete, W., cap. 24 in “Basic Biotechnology”,
Ratledge, C e Kristiansen, B. (Eds.) 2nd ed., Cambridge
University Press, Cambridge, UK, 2001
4. Material recolhido da internet
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Biotecnologia Ambiental - Raúl J. Barros
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Biotecnologia Ambiental?
• Definição da International Society for Environmental
Biotechnology (ISEB):
Desenvolvimento, uso e regulação de sistemas biológicos para
a remediação de ambientes contaminados (solo, ar, água) e
para processos amigos do ambiente (tecnologias de produção
“verdes” e desenvolvimento sustentável).
http://www.gate2biotech.com/international-society-forenvironmental/
A Definição pode ser alargada para incluir a aplicação da
biotecnologia ao estudo do ambiente natural
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Principais aplicações da biotecnologia ambiental
• Tratamento de águas:
- Residuais (efluentes):
•
•
•
•
- Domésticas
- Industriais
- Contaminadas:
- Subterrâneas
- Superficiais
Remediação de solos contaminados
Tratamento de lamas orgânicas e resíduos sólidos
Tratamento de emissões gasosas
Aplicação a processos sustentáveis
Exemplos: Uso de resíduos de uma actividade como matéria
prima de outra (biorefinarias, biocombustíveis de 2ª geração)
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Tratamento de águas
Objectivo:
• Remoção da carga poluente,
convertendo-a em gases não poluentes
ou em sólidos que podem ser separados
da água.
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Tratamento de águas
Principais tipos de poluentes e respectiva importância:
• Matéria orgânica degradável: Provoca abaixamento do teor de oxigénio
• Sólidos suspensos: Provocam acumulação de lamas e condições de
anaerobiose
• Organismos patogénicos: Transmitem doenças infecciosas
•Nutrientes (N, P): Provocam eutrofização (crescimento excessivo de
espécies aquáticas indesejadas)
• Metais pesados: Provocam toxicidade, acumulação na cadeia alimentar
• Matéria orgânica recalcitrante (tensioactivos, pesticidas, fenóis): Provoca
toxicidade, acumulação na cadeia alimentar
• Poluentes prioritários: Compostos com efeitos tóxicos agudos,
carcinogénicos ou mutagénicos
• Matéria inorgânica dissolvida: (Cálcio, sódio, sulfato, etc.) Se presente
em excesso impede a reutilização da água, por exemplo para rega.
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Caracterização de água - Definições
• A água é caracterizada segundo uma
série de parâmetros:
– Físicos
– Químicos (orgânicos e inorgânicos)
– Biológicos
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Parâmetros Físicos
•
•
•
•
•
•
Teores e tipo de sólidos
Turbidez, Cor, Transmitância
Odor
Temperatura
Massa específica
Condutividade eléctrica
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Parâmetros Físicos - Sólidos
• Os sólidos na água são classificados de acordo com o seguinte
esquema:
Suspensos
(VSS)
Voláteis
(TVS)
Sólidos Totais
(TS)
Fixos
(TFS)
Dissolvidos
(VDS)
Suspensos
(FSS)
Sólidos Suspensos Totais
(TSS)
Sólidos Dissolvidos Totais
(TDS)
Dissolvidos
(FDS)
Para além disso existe ainda o conceito de sólidos sedimentáveis,
que são os que podem ser separados por gravidade
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Parâmetros Químicos Inorgânicos
•
•
•
•
•
•
•
•
Teores de azoto
Teores de Fósforo
pH
Alcalinidade
Cloreto
Sulfato
Metais (As, Cd, Ca, Cr, Co, Cu, Pb, Mg, Hg, Mo, Ni, Se, Na, Zn)
Gases (O2, CO2, NH3, H2S, CH4)
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Teores de Azoto e Fósforo
• Os azoto e o fósforo pode na água são classificados de acordo
com a natureza dos compostos presentes:
Amónio
(NH4+)
Azoto Kjeldahl
(TKN)
Azoto Total
(TN)
Nitrato
(NO3-)
Nitrito
(NO2-)
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Azoto orgânico
(Org N)
Inorgânico
(Inorg P)
Fósforo total
(TP)
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Orgânico
(Org P)
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Parâmetros Químicos Orgânicos
• Carência Bioquímica de Oxigénio (CBO, BOD)
– 5 dias (BOD5) ou derradeira (BODu)
• Carência Química de Oxigénio (CQO, COD)
• Carência de Bioquímica de Oxigénio devida ao azoto
(NBOD)
• Carbono orgânico Total (TOC)
• Classes específicas de compostos orgânicos (exemplos:
para diferentes tipos de tensioactivos MBAS – reactivos ao azul de
metileno; CTAS – reactivos ao tiocianato de cobalto; voláteis, emergentes,
pesticidas, etc.)
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BOD e NBOD
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Parâmetros Biológicos
• Coliformes (indicadores de contaminação
potencialmente patogénica)
• Microrganismos específicos (bactérias,
protozoários, vírus)
• Toxicidade (aguda, crónica)
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O que contém a água a tratar?
Composição típica de águas
residuais domésticas:
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Tratamento de águas residuais
• Grande parte do tratamento baseia-se em
actividade biológica.
• São os agentes biológicos usados nas estações
de tratamento de águas residuais (ETAR) que
removem através do seu metabolismo grande
parte da matéria orgânica e dos nutrientes das
águas contaminadas
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Sequência típica de tratamento
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Classificação de sistemas
• Os sistemas biológicos podem ser classificados
de acordo com o tipo de metabolismo
prevalente em:
– Aeróbicos (oxigénio como aceitador de electrões)
– Anóxicos (nitrato ou outras espécies como aceitador de electrões,
potencial redox positivo)
– Anaeróbicos (potencial redox negativo, forma-se metano e
dióxido de carbono, se presente, o sulfato actua como aceitador de
electrões, reduzindo-se a sulfureto)
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Degradação Aeróbica
Na presença de oxigénio a matéria orgânica é convertida em
dióxido de carbono, água e biomassa:
Mat. Org + O2 → CO2 + H2O + Biomassa (+ NH4+ + PO43-)
O amónio é oxidado a nitrito e depois a nitrato:
NH4+ → NO2- → NO3Nas ETAR esta degradação é feita em filtros percoladores, discos
biológicos ou sistemas de lamas activadas
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Degradação aeróbica
Lamas activadas:
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Degradação aeróbica
Filtros percoladores:
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Degradação aeróbica
Filtros percoladores: Diferentes enchimentos
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Degradação aeróbica
Discos biológicos:
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Degradação Aeróbica
Vantagens:
- Boa eficiência de remoção de BOD5 (mesmo para teores iniciais baixos)
- Boa remoção de nutrientes (N e P)
- Velocidades de degradação elevadas
- Baixo custo de construção
Desvantagens:
- Gasto de energia elevado (arejamento)
- Produção de lamas elevada (até 0,5 kg por kg de BOD5 removido)
- Área ocupada pelos equipamentos grande
- Biomassa filamentosa diminui a fiabilidade da sedimentação
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Degradação Aeróbica
Flocos de Biomassa:
(sludge bulking)
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Degradação Aeróbica
Balanço energético
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Degradação Aeróbica
Existem diferentes espécies microbianas capazes de
fazer a degradação aeróbica completa de diferentes
tipos
de
matéria
orgânica
degradável
(carbohidratos complexos, gorduras, proteínas).
Normalmente a hidrólise de moléculas complexas é
o passo limitante, sendo os produtos deste
processo prontamente metabolizados.
A presença de protozoários no sistema pode ser
vantajosa, pois ao consumirem bactérias
minimizam a produção de lamas.
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Degradação Anaeróbica
Em condições anaeróbicas a matéria orgânica é convertida em
dióxido de carbono e metano, formando-se pouca biomassa:
Mat. Org → CH4 + CO2 + H2O (+ Biomassa + NH4+ + PO43-)
O processo ocorre em 3 passos: Hidrólise, Fermentação para a
produção de ácidos orgânicos (inclui Acetogénese para a
conversão de espécies reduzidas em acetato) e Metanogénese
para a produção de metano.
A degradação (digestão) anaeróbia é usada para tratar águas
com elevada carga orgânica ou resíduos sólidos ou lamas
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Degradação Anaeróbica
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Degradação Anaeróbica
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Degradação Anaeróbica
Vantagens:
- Baixo gasto energético (balanço positivo com aproveitamento do metano)
- Produção de lamas baixa (< 0,1 kg por kg de BOD5 removido)
- Reactores relativamente pequenos
- Baixo custo de operação
Desvantagens:
- Eficiência de remoção de BOD5 baixa (requer tratamento aeróbio posterior)
- Tempos de arranque elevados
- Não remove nutrientes (N e P)
- Necessário aumentar alcalinidade (devido ao CO2)
- Sensível a variações de T e à presença de tóxicos
- Potencial produção de odores e gases corrosivos
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Degradação Anaeróbica
Balanço energético
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Degradação Anaeróbica
Para fazer a degradação anaeróbica completa de
diferentes tipos de matéria orgânica degradável
(carbohidratos complexos, gorduras, proteínas)
é necessária uma comunidade com diferentes
tipos de espécies microbianas. Os passos
necessários são: hidrólise, fermentação,
acetogénese e metanogénese, sendo cada um
deles feito por grupos específicos de m.o.´s que
se encontram em simbiose (efeito sintrófico).
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Degradação Anaeróbica
Microbiologia:
A hidrólise e fermentação é levada a cabo por
microrganismos anaeróbios estritos ou facultativos
dos
géneros
Clostridium,
Peptococcus,
Bifidobacterium, Desulphovibrio, Corynebacterium,
Lactobacillus, Actinomycetes, Staphylococcus e
Escherichia.
A metanogénese é realizada por microrganismos
dos géneros Methanobacterium, Methanobacillus,
Methanococcus, Methanothrix e Methanosarcina.
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Degradação Anaeróbica
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Degradação Anaeróbica
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Degradação Anaeróbica
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Degradação Anaeróbica
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Degradação Anaeróbica
O calor libertado pelo metabolismo anaeróbio
não é suficiente para manter a temperatura
suficientemente elevada para a operação (acima
de 30oC).
Por outro lado o biogás formado é usado para
cogeração (electricidade + calor): A electricidade
é usada na ETAR, e o calor usado para o
aquecimento do digestor.
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Degradação Anaeróbica
Há um balanço muito apertado no que respeita
à produção e consumo de H2 num digestor
anaeróbio. Por um lado este gás inibe a
fermentação e a acetogénese (pois é produto
dessas reacções), por outro é necessário como
substrato na metanogénese. Este balanço
significa que a digestão anaeróbica só pode
funcionar com 10-5 atm < pH2 < 10-4 atm.
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Degradação Anaeróbica
A necessidade da presença simultânea de vários grupos
de microrganismos torna o tempo de arranque dos
digestores anaeróbicos longo. Torna também o
funcionamento destes equipamentos muito sensível às
condições de T, pH e presença de compostos tóxicos. De
especial relevância é o metabolismo de sulfato-redutoras,
que produzem H2S em condições anaeróbicas na
presença de sulfato. Isto é totalmente indesejado, pois
esse metabolismo compete favoravelmente com as
metanogénicas pelo hidrogénio, impede o consumo de
acetato, o que provoca abaixamento de pH, e esse gás é
tóxico para as fermentativas, precipita vestígios de metais
essenciais às bactérias, é corrosivo e tem um odor
extremamente desagradável.
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Remoção de Azoto
• O azoto está presente em águas residuais sob duas
formas: Orgânico (ácidos nucléicos e proteínas) e
Amónio (resultante da hidrólise enzimática da ureia,
que por ser muito rápida ocorre no sistema de recolha
de esgotos antes ainda do efluente entrar na ETAR).
• Nos tratamentos destinados a remover matéria
orgânica também há remoção de parte deste azoto,
por incorporação na biomassa (lamas) formada (menos
extensa nos tratamentos anaeróbicos). A biomassa
seca tem como fórmula típica C5H7NO2, pelo que há 14
g de N por cada 113 g de biomassa (≃12,4%).
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Remoção de Azoto
Nos tratamentos biológicos na ETAR as proteínas
sofrem proteólise, e os oligopéptidos,
aminoácidos e nucleótidos sofrem diferentes
tipos de reacções de amonificação (mecanismos
hidrolíticos,
oxidativos,
redutivos
ou
desaturativos) que libertam o azoto sob a forma
de ião amónio.
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Remoção de Azoto
Caso seja necessário remover mais azoto que aquele
que é assimilado pela biomassa, isso é conseguido por
nitrificação e desnitrificação sequenciais:
Nitrificação:
Nitração:
NH4+ + O2 → NO2NO2- + O2 → NO3-
(processos aeróbios)
Desnitrificação:
Mat. Org. + NO3- → N2 + H2O + CO2
(processo anóxico)
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Remoção de Azoto
A nitrificação é efectuada por espécies autotróficas dos
géneros Nitrosomonas, Nitrosococcus, Nitrosolobus,
Nitrosospira e Nitrosovibrio, ao passo que a nitração é
efectuada por espécies dos géneros Nitrobacter,
Nitrococcus e Nitrospira.
Algumas bactéria heterotróficas dos géneros
Arthrobacter, Flavobacterium e Thiosphaera são
capazes de converter directamente azoto orgânico a
nitrato.
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Remoção de Azoto
A desnitrificação é efectuada por uma larga gama de bactérias
dos géneros Achromobacter, Acinetobacter, Agrobacterium,
Alcaligenes,
Arthrobacter,
Bacillus,
Chromobacterium,
Corynebacterium, Flavobacterium, Hypomicrobium, Moraxella,
Neisseria, Paracoccus, Propionibacterium, Pseudomonas,
Rhizobium, Rhodopseudomonas, Spirillum e Vibrio.
A nitrificação (incluindo a nitração) ocorre favoravelmente por
exemplo nos sistemas de lamas activadas. No entanto o efluente
desse passo não contém substrato orgânico suficiente para
suportar a desnitrificação. Para isso há que adicionar uma fonte
de carbono externa, o que é contrário aos objectivos do
tratamento de água.
Assim há muito interesse em desenvolver processos com
configurações alternativas, onde os dois passo possam ocorrer
no mesmo equipamento, ou com reacções bioquímicas
alternativas, tal como o processo Annamox.
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Remoção de Azoto
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Remoção de Azoto
Nitrificação e desnitrificação
no mesmo floco de biomassa
Processo Annamox:
Parte do amónio parcialmente oxidado a nitrito:
NH4+ + O2 → NO2- (processo aeróbico)
Amónio restante reage com nitrito
NH4+ + NO2- → N2
Minimiza necessidade de oxidação do amónio e evita
consumo de substrato orgânico na desnitrificação.
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Remoção de Fósforo
• O fósforo está presente sob duas formas:
Orgânico e fosfato inorgânico. Nos
tratamentos destinados a remover matéria
orgânica também há remoção de parte deste
fósforo, por incorporação na biomassa (lamas)
formada (menos extensa nos tratamentos
anaeróbicos). O teor de fósforo na biomassa
seca é cerca de um quinto do teor de azoto, e
portanto representará sensivelmente 2,5% do
peso seco da biomassa.
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Remoção de Fósforo
• Remoção adicional de fósforo pode ser conseguida
por precipitação química (com cal, ferro ou alumínio)
ou usando organismos acumuladores de polifosfatos:
EBPR (enhanced biological phosphate removal).
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Remediação de solos e águas subterrâneas
A descontaminação de solos, sedimentos e águas
subterrâneas por métodos biológicos é chamada
biorremediação.
Os contaminantes mais comuns destes sistemas são
solventes clorados, hidrocarbonetos, policlorobifenilos e
metais pesados – muitos destes compostos que podem
ser biodegradados ou bioacumulados, mas em escalas
temporais relativamente longas.
De entre centenas de milhar de locais contaminados só
na Europa estima-se que o custo para a limpeza dos mais
perigosos será da ordem de centenas de MM€ nos
próximos 20 anos.
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Remediação de solos e águas subterrâneas
Possíveis estratégias para biorremediação:
Ácido benzóico/PCB´s
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Remediação de solos
Técnicas de biorremediação mais comuns:
• Bioremediação in situ
– Sem escavar o solo;
•
•
“bioventing”, circulação forçada de ar
Fitoremediação
• Landfarming
– Solo removido e tratado num reactor em
fase sólida
• Bioreactores em fase de “lama”
– Solo removido e tratado num reactor em
fase líquida, por mistura com água
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Tratamento de água subterrânea
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Tratamento de lamas orgânicas
O excesso de lamas orgânicas tais como estrume ou lamas de ETAR é
um problema grave em muitos países desenvolvidos, onde o
tradicional uso na agricultura começa a ser limitado por falta de
capacidade desta actividade para absorver tanto material. A digestão
anaeróbica em reactores de mistura completa é um processo de
estabilização e valorização adequado. Os resíduos sólidos orgânicos
são tratados em reactores em fase sólida (compostagem anaeróbica).
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Tratamento de Resíduos Sólidos
Os resíduos sólidos orgânicos biodegradáveis
representam cerca de 60% dos resíduos sólidos urbanos.
Para minimizar a deposição em aterros e a incineração,
estão em operação em vários países europeus
instalações de separação e compostagem, que
recuperam materiais valiosos (areia, brita, ferro, metais
não ferrosos, cartão e papel, plásticos), e transformam a
fracção orgânica em composto e biogás.
A compostagem aeróbica é um processo bem
conhecido, mas a compostagem anaeróbica levada a
cabo em reactores em fase sólida tem vindo a ganhar
terreno.
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Tratamento de Resíduos Sólidos
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Tratamento de Emissões gasosas
A remoção de poluentes orgânicos presentes em
emissões gasosas, com particular ênfase no
controlo de odores é uma área de interesse
crescente
– Esses poluentes estão presentes em teores da ordem
de mg/m3
– Estão em desenvolvimento técnicas biotecnológicas
de limpeza de emissões gasosas, controlo de odores e
purificação do ar em edifícios, que se baseiam no
cultivo e manutenção de organismos capazes de
remover uma gama alargada de poluentes a muito
baixas concentrações
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Tratamento de Emissões gasosas
A remoção de compostos orgânicos voláteis (VOC)
pode ser feita por métodos biológicos com evidente
vantagem do ponto de vista energético quando
comparada com a incineração.
Álcoóis, cetonas, aldeídos, ácidos orgânicos ou
compostos orgânicos azotados são normalmente
removidos de forma rápida, ao passo que a
remoção de fenóis, hidrocarbonetos ou solventes
clorados é mais lenta, e a de hidrocarbonetos
polihalogenados ou poliaromáticos é mesmo muito
lenta.
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Tratamento de Emissões gasosas
Designs de sistemas de tratamento:
Os biofiltros são os sistemas mais
simples e baratos, mas ocupam
muita área, não permitem um
eficiente controlo de parâmetros
como o pH, e podem eles próprios
gerar odores desagradáveis.
Os outros designs eliminam estes
problemas.
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Remoção biológica de óxidos de azoto e dióxido
de enxofre de gases de combustão
1. Solubilização num pulverizador de
lavagem
de
gases
(“scrubber”)
contendo um quelante para solubilizar
os óxidos de azoto.
2. Desnitrificação anóxica
3. Sulfato-redutoras
num
UASB
SO32- → H2S
4. Oxidação de sulfureto a enxofre (sólido)
H2S → S0
5. Separação de sólidos e recirculação da
fase líquida ao “scrubber”
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