Nitrificação.

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