Nitrificação.
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UPF FEAR CEA CEA Remoção de Nitrogênio Nitrificação Desnitrificação Prof. Paulo Roberto Koetz Passo Fundo 2010 Historia • Winogradsky discovered in 1890 that nitrification, the process of oxidizing ammonia to nitrate, is carried out in two consecutive steps by two physiologically and phylogenetically distinct groups of bacteria • ammonia oxidizing bacteria • nitrite oxidising bacteria. Fontes de nitrogênio amoniacal NH2 O=C + H2O 2 NH3 + CO2 NH2 – Proteína – Uréia • • • • São provenientes do esgoto doméstico (uréia) Dejetos animais Efluentes industriais protéicos Outros efluentes (insumos contendo amônio) Impacto do nitrogênio • Nutriente essencial –Crescimento animal e vegetal. • Eutrofização • Metahemoglobinemia em bebês Impacto do nitrogênio • Intoxicação da fauna aquática • Redução da eficiência de cloração • Saúde e bem-estar do homem Conseqüências da emissão de nitrogênio amoniacal – Pode comprometer o equilíbrio ambiental • Amônia livre (pH > 7,0) é tóxico • Morte de organismos aquáticos • Em combinação com P causa a eutrofização • Legislação ambiental rígida – emissão máxima permitida – N amoniacal total:10 mg/L Efeito dos nutrientes Nitrogênio DBO Fósforo EUTROFIZAÇÃO Toxidez Algas e plantas aquáticas Demanda de cloro Tratamento de água potável Criação de peixes e recreação Transformações do N em TTBE Nitrogênio Orgânico (proteínas, uréia) Decomposição bacteriana e hidrólise Nitrogênio Amoniacal O Assimilação Nitrogênio orgânico Lise e autooxidação 2 Nitrito (NO2-) O 2 Desnitrificação Nitrato (NO3-) Nitrogênio gás (N2) Carbono Orgânico Nitrogênio orgânico crescimento líquido) Nitrificação R - NH3 Quimioautotróficos CO 2 O2 NOx Nitratação • Nitrosobactérias – Nitrosomonas – Nitrosospira – Nitrosococcus – Nitrosogloea – Nitrosovibrio – Nitrosolobus • Produção de hidroxilamina como composto intermediário NH-14 3/2 O2 NO-12 H2O 2H E 275,4 kJ mol-1 NH41 Nitratação • Nitrobactérias Nitrobacter – Nitrocysis – Nitrospina Nitrococcus – Bactoderma – Microderma • Utilizam o nitrito como fonte de energia • Algumas espécies de Nitrobacter utilizam composto orgânicos simples como acetato, piruvato ou glicerol • A reação é catalizada pela enzima nitrito oxiredutase sendo o oxigênio proveniente da água. NO 2 1/2 O 2 NO 3 E 74,0 kJ.mol-1 NO 2- Crescimento autotrófico • Redução do CO2 ao estado de oxidação da matéria orgânica celular. • O poder redutor (NADH) é gerado por transporte de elétrons em sentido inverso na cadeia respiratória, com consumo de ATP • As bactérias nitrificantes autotróficas apresentam uma baixa velocidade de crescimento e um baixo rendimento celular 0,15 kg.kg-1 biomassa/N-NH4+ oxidado (nitritação) 0,02 kg.kg-1 biomassa/N-NO2- oxidado (nitratação) Heterotróficas x autotróficas C/N Nitrificação • A nitrificação é inibida pela assimilação do amônio pelas bactérias heterótrofas pH na nitrificação • Intervalo ótimo entre 7,5 e 8,6 • A amônia (NH3) e o HNO2 são tóxicos para as bactérias nitrificantes a partir de determinadas concentrações. 10 mg.L-1 a 150 mg.L-1 inibe Nitrosomonas 0,1 mg.L-1 a 1 mg.L-1 inibe Nitrobacter. Temperatura e O.D. na nitrificação • 28ºC a 36º C • > 1,0 -1 mg.L Nitrificação – Processo tecnológico • No mesmo reator de oxidação do carbono Aeração prolongada • Em reator separado • Biomassa em suspensão • Biomassa fixa Remoção biológica de nitrogênio. Convencional • Rendimento energético destas reações de oxidação é baixo – Os organismos nitrificantes crescem lentamente • com baixo rendimento celular – O tempo de retenção celular é longo • Para o crescimento • Para a manutenção da biomassa no reator Remoção biológica de nitrogênio. Convencional • Processos autotróficos – A velocidade de crescimento das bactérias nitrificantes autótrofas é mais baixa do que a das heterótrofas – Sensíveis a baixas concentrações de oxigênio dissolvido • Processos heterotróficos – Vantagem ecológica – Taxa de crescimento mais elevada • causada pela utilização simultânea do oxigênio e nitrato como aceptores de elétrons Nitrificação. Microrganismos • Autótrofos quimiossintetizantes – ou quimioautótrofos • O gás carbônico é a principal fonte de carbono • A energia é obtida através da oxidação de um substrato inorgânico – Amônia – formas mineralizadas • Equação global Nitrificação. Crescimento NH4 1,83O2 1,98HCO3 0,98CO3 1,04H2O 0,021C5H7NO 2 1,88H2CO3 Reações de nitrificação 2NH 4 3O2 Nitrosomon as 2NO E 275,4 kJ/mol NH 2NO 2 O2 E Nitrobacte r 2NO3 74,0 kJ/mol NO 2 4H 2H2O células 4 células 2 Reação Global NH 4 2O2 NO 3 2H 2H2O células Remoção biológica de nitrogênio. Convencional • Fatores do processo • Consumo de alcalinidade – 100 g/14 g (CaCo3/N) – Queda do pH • pode causar inibição dos microrganismos • Inibidores – – – – – – Altas concentrações de amônia e ácido nitroso pH Temperatura Concentração de oxigênio dissolvido (OD) Relação C/N (Carbono/Nitrogênio) Compostos inibidores como sulfeto Nitrificação • Consumo de oxigênio livre –Demanda nitrogenada • Liberação de hidrogênio –Consome alcalinidade –Reduz pH Nitritação •Nitrosobactérias •Nitrosomonas – Nitrosospira – Nitrosococcus •Nitrosogloea – Nitrosovibrio Nitrosolobus •A nitritação ocorre com produção de hidroxilamina como composto intermediário Nitratação • Nitrobactérias Nitrobacter – Nitrocysis – Nitrospina Nitrococcus – Bactoderma – Microderma • Utilizam o nitrito como fonte de energia • Algumas espécies de Nitrobacter utilizam composto orgânicos simples como acetato, piruvato ou glicerol • Catalizada pela enzima nitrito oxiredutase – O oxigênio proveniente da água Crescimento autotrófico • Redução do CO2 ao estado de oxidação da matéria orgânica celular. • O poder redutor (NADH) é gerado por transporte de elétrons em sentido inverso na cadeia respiratória, com consumo de ATP • As bactérias nitrificantes autotróficas apresentam uma baixa velocidade de crescimento e um baixo rendimento celular 0,15 kg.kg-1 (biomassa/N-NH4+) (nitritação) 0,02 kg.kg-1 (biomassa/N-NO2) (nitratação) Heterotróficas x autotróficas Nitrificação C/N Inibição Da Nitrificação • A nitrificação é inibida pela assimilação do carbono pelas bactérias heterótrofas Nitrificação. Inibição • Intervalo ótimo entre 7,5 e 8,6 • A amônia (NH3) e o HNO2 são tóxicos para as bactérias nitrificantes a partir de determinadas concentrações. 10 mg.L-1 a 150 mg.L-1 inibe Nitrosomonas 0,1 mg.L-1 a 1 mg.L-1 inibe Nitrobacter. Nitrificação. Temperatura • T = 28 ºC a 36 ºC • Tót. = 30 ºC a 35 ºC • Tmín. = 4,0 ºC Nitrificação. Temperatura • As bactérias nitrificantes são extremamente sensíveis à reduções bruscas na temperatura • Boa capacidade de recuperação – podendo voltar a atingir velocidades de nitrificação iguais às obtidas em temperaturas mais elevadas – Microrganismos imobilizados em filme fixo são mais resistentes à mudanças de temperatura Nitrificação O.D. • Concentração crítica de OD – Concentração mínima no líquido para que não ocorra formação de ambiente anaeróbio ou anóxico no interior do reator • Depende da velocidade de consumo de oxigênio • Da quantidade de biomassa no interior do reator • Em lodos ativados – O consumo de oxigênio ocorre dentro do floco – A concentração de O.D. diminui do exterior para o centro do floco Nitrificação O.D. • O.D. > 1,0 1,5 -1 mg.L -1 • COD.máx. < 2,0 mg.L -1 • COD.min. < 0,5 mg.L -1 mg.L a Nitrificação. Substrato • De acordo com a lei de Monod – A velocidade de reação aumenta com a concentração do substrato – A velocidade de reação depende da concentração do substrato Nitrificação. Substrato • Meio em que elas se encontram • Nitrosomonas sp. são mais sensíveis que Nitrobacter sp. – Compostos de enxofre – Fenóis – Cianetos Nitrificação. Substrato • Baixa relação C/N – As bactérias heterotróficas, limitadas pelo carbono, disponibilizam amônia em excesso para nitrificação • Altas relações C/N – Inibição pelo excesso de carbono orgânico • concentração de nitrato diminui, chegando a zero – Vantagem aparente em separar-se a nitrificação da remoção de matéria carbonácea Nitrificação – Processo tecnológico • No mesmo reator de oxidação do carbono Aeração prolongada • Em reator separado –Biomassa em suspensão –Biomassa fixa Nitrificação. Microbiologia • A nitrificação ocorre nos reatores de lodo ativado – Condições • oxigênio dissolvido • pH neutro • Presença de biomassa • ausência de substâncias tóxicas ou inibidoras. Nitrificação. Microbiologia • Os microrganismos autótrofos – quimiossintetizantes ou quimioautótrofos – O gás carbônico é a principal fonte de carbono – A energia é obtida através da oxidação de um substrato inorgânico • Amônia • Compostos amoniacais inorgânicos Nitrificação. Efeitos químicos • Consumo de oxigênio livre –Demanda nitrogenada • Liberação de H+ –Consumo da alcalinidade do meio •reduzindo o pH Nitrificação • Da apresentação Referências • http://www.cori.unicamp.br/jornadas/compl etos/UFSC/CA4006%20%20Artigo_campinas.doc Referências Nitrificação. Microbiologia • TRATAMENTO DE EFLUENTES POR PROCESSO DE LODOS ATIVADOS • Samuel Chaves Melchior; Marcelo de Lima Camargo; Cassiana M. R. Coneglian; Núbia • Natália de Brito; Thiago Araújo Lopes, Rodrigo de Moraes Barros; Geraldo Dragoni • Sobrinho; Sandro Tonso e Ronaldo Pelegrini. • Centro Superior de Educação Tecnológica (CESET) – UNICAMP • Rua Paschoal Marmo, 1888 - CEP:13484-370 - Limeira SP • Curso de Tecnologia em Saneamento Ambiental • Laboratório de Pesquisas Ambientais – LAPA • [email protected] Referências FIXED-FILM RADIAL REACTOR FOR NITROGEN REMOVAL FROM MUNICIPAL WASTEWATER UTILIZING BIOGAS AS ELECTRON DONOR Referências Remoção de nitrogênio de águas residuárias com elevada concentração de nitrogênio amoniacal em reator contendo biomassa em suspensão operado em bateladas seqüenciais e sob aeração intermitente http://www.teses.usp.br/teses/disponiveis/18/ 18138/tde-16102006-072507/ Referências • Remoção de nitrogênio amoniacal de efluente de reator hidrolítico de lodo primário de estação de tratamento de esgotos utilizando adsorção em zeólita visando à produção de fonte de carbono para desnitrificação – http://www.teses.usp.br/teses/disponiveis/18/1 8138/tde-25032007-165847/ Desnitrificação dessassimilativa • A desnitrificação respiratória • Os microrganismos oxidam um substrato orgânico • Os equivalentes da redução são transferidos ao nitrato, que atua como recebedor final de elétrons na cadeia respiratória. • É necessário um substrato oxidável e uma concentração adequada de nitrato NO 3 NO 2- N2 O N2 Desnitrificação respiratória • As bactérias são aeróbias –Capacidade alternativa de reduzir óxidos de nitrogênio • A capacidade de realizar desnitrificação respiratória –Variedade de grupos fisiológicos de microrganismos Desnitrificação respiratória • As fontes de energia, utilizadas pelas bactérias desnitrificantes –compostos orgânicos • Os mais comuns. –Compostos inorgânicos –Energia solar Remoção biológica de nitrogênio. Convencional • Duas etapas –aerobica autotrofica • Oxidação do nitrogênio amoniacal a nitrato –Redução anóxica heterotrófica • Nitrato a nitrogênio elementar • Remoção simultânea de carbono Desnitrificação Respiratória Desassimilativa Nitrato DQO O2 Nitrito Dessassimilação N2O O2 N2 • A desnitrificação reduz a demanda química de oxigênio (DQO) Redução assimilativa de nitrato Nitrato Nitrito O2 O2 Nitrogênio amoniacal Assimilação Síntese celular • Esta redução é controlada pela quantidade de nitrogênio amoniacal no meio – comum em casos em que o nitrato é a única fonte de nitrogênio disponível Bactérias da desnitrificação • • • • Heterotróficas Pseudomonas Alcaligenes Flavobacterium • Autotrófica • 22/6/2010Thiobacillus denitrificans Sistema nitrificação/desnitrificação Remoção de carbono Nitrificação Desnitrificação Efluente Final
