2011/2012
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MICROBIOLOGIA AMBIENTAL Cristiano Silva Leal Tratamentos biológicos de águas residuais Introdução • A evolução demográfica e industrial trazem consigo um aumento da produção de resíduos e águas residuais. • É por isso necessária uma legislação e consciencialização ambientais mais exigentes • As águas residuais domésticas e de origem industrial podem conter elevados teores de matéria orgânica • A matéria orgânica é removida através do tratamento de águas residuais Ciclo urbano da água Ciclo urbano da água Caracterização de águas residuais • COT - Carbono Orgânico Total • Corresponde a todo o carbono, utilizado ou não pelos microrganismos • CQO - Carência Química de Oxigénio • Corresponde à fracção orgânica da amostra susceptível de ser oxidada por via química (um oxidante forte) • 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 • 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 • “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.”(Decretolei nº152/97 de 19 de Junho) Esquema de uma ETAR Esquema de uma ETAR Lamas activadas • 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 Constituição das lamas activadas • Bactérias (dispersas, formadoras de flocos e filamentosas) • Protozoários e Metazoários • Células mortas • Fragmentos orgânicos não digeridos • Precipitados de compostos inorgânicos • A biomassa microbiana tem a capacidade de flocular e deste modo promover a separação sólido-líquido resultando o efluente final clarificado • A biomassa pode ser recirculada para o reactor para induzir a pressão selectiva de agregados com boas características de sedimentabilidade. Caracterização do sistema de lamas activadas Sistema básico de lamas activadas Reactor de lamas activadas(arejamento prolongado) Sistema básico de vala de oxidação Reactor de lamas activadas(do tipo SBR) Ciclo de funcionamento de um SBR Dinâmica de colonização em lamas activadas Dinâmica de colonização da microfauna em sistemas de lamas activadas Principais protozoários e metazoários em lamas activadas • Flagelados •Pequenos flagelados •Grandes flagelados • Ciliados bacteriófagos •Nadadores •Sésseis •Móveis de fundo • Ciliados carnívoros • Amebas •Amebas nuas •Amebas com teca • Metazoários Principais protozoários e metazoários em lamas activadas Locais de alimentação dos diversos ciliados bacteriófagos em lamas activadas A - nadadores B - sésseis C - móveis de fundo (Madoni, 1994). Rede trófica em lamas activadas Rede trófica em lamas activadas 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 (<50 µm) medíocre Tempo de contacto muito baixo; lamas pouco oxigenadas Grandes ciliados nadadores (>50 µm) medíocre Carga muito forte Ciliados móveis de fundo boa Ciliados sésseis + móveis de fundo boa Ciliados sésseis baixa Fenómenos transitórios (carga descontínua; extracção recente de lamas) Pequenas amebas nuas má Amebas com teca boa Carga muito elevada não facilmente biodegradável Cristiano Silva Leal Carga baixa; licor diluído; boa nitrificação Índice biótico de lamas • O índice biótico de lamas proposto por Madoni em 1994 visa avaliar a qualidade biológica de lamas activadas • Este índice tem por base a sensibilidade dos vários grupos de protozoários ciliados alterações dos parâmetros físico-químicos e das variáveis operacionais do processo • Calcula-se avaliando o grupo de protozoários dominante a sua densidade e a variedade de espécies presentes • Avaliação com valores numéricos (de 0 a 10) • Valores de IBL correspondentes a uma de quatro classes 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 Protozoários em lamas activadas (flagelados) • • • • Fusiformes Um só tipo de núcleo Reprodução assexuada por fissão binária locomoção por flagelos Flagelado (Peranema) Protozoários em lamas activadas (ciliados bacteriófagos) • Constituem cerca de 70% da população de protozoários em lamas activadas e dividem-se quanto ao seu modo de nutrição e nicho ecológico que colonizam I. Nadadores II. Sésseis III. Móveis de fundo • Possuem dois tipos de núcleo • Cílios como apêndices de locomoção Móvel de fundo (Aspidisca) Séssil (Vorticella) Protozoários em lamas activadas (ciliados bacteriófagos) Séssil (Opercularia) Ciliado nadador(Paramecium) Protozoários em lamas activadas (ciliados carnívoros) • • Ciliatura apenas na fase embrionária Possuem tentáculos que sugam outros protozoários Ciliado carnívoro (Tokophorya) Protozoários em lamas activadas (amebas) • São protozoários sem parede celular, elevada flexibilidade corporal e móveis por pseudópodes • Algumas amebas possuem teca Ameba com teca (Euglypha) Ameba sem teca Metazoários em lamas activadas • Os metazoários podem ser considerados como tratando-se de animais multicelulares que se alimentam essencialmente de bactérias • Os metazoários mais comuns são os rotíferos, os anelídeos e os nemátodos Rotífero(Monogononta) Rotífero(Digononta) Metazoários em lamas activadas(continuação) Nematoda Anelídeo(Aelossoma ) Bactérias filamentosas As bactérias filamentosas são organismos unicelulares que se multiplicam por cissiparidade, ou fragmentação, permanecendo na vizinhança umas das outras Bactérias filamentosas Thiothrix Microthrix parvicella Nocardioformes Haliscomenobacter hydrossis Caracterização das principais filamentosas em lamas activadas • Reacção à coloração de Gram; • Reacção à coloração de Neisser; • Forma e localização do filamento em relação ao floco; • Mobilidade; • Presença de septos; • Presença de bainha; • Presença de organismos aderidos ao filamento; • Presença intracelular de grânulos de enxofre; • Forma e tamanho das células individuais; • Características-chave; • Associações especiais formando gonídias ou rosetas. Identificação de bactérias filamentosas por técnicas FISH A aplicação de técnicas FISH (do inglês “fluorescent in situ hybridization”) aplicada à identificação de bactérias filamentosas de lamas activadas consiste na: •Aplicação de sondas de oligonucleótidos; •Sondas capazes de entrar em células bacterianas fixadas; •Formação de ligações estáveis(híbridos via pontes de hidrogénio entre nucleótidos complementares) com a região 16S rRNA nos ribossomas. Hibridização in situ com sondas de oligonucleótidos (Abreu,2004) Sondas para identificação de bactérias filamentosas de lamas activadas Sondas para identificação de bactérias filamentosas Sondas Alvo Referência HHY Haliscomenobacter hyrossis Wagner et al, 1994 TNI Thiothrix nivea Wagner et al, 1994 SNA Sphaerotilus natans Wagner et al, 1994 21N Eikelboom Tipo 021N Wagner et al, 1994 MNP1 Nocardioformes actinomicetes Schuppler et al, 1995 Bactérias filamentosas Bactérias filamentosas em efluentes domésticos e industriais (adaptado de Spignoni 2001) Espécie Comum em instalações de tratamento de efluentes domésticos Sphaerotillus natans x Haliscomenobacter hydrossis x Tipo 1701 x Tipo 0041/0675 Tipo 021N Comum em instalações de tratamento de efluentes Industriais x x x x Microthrix parvicella x Tipo 0092 x Nocardia x x Tipo 1851 x Tipo 0914/0803 x Tipo 0961 x Tipo 8581 x Tipo 1863 x Nostocoida limicola x x Thiothrix x x Beggiatoa x x Thiothrix • Morfologicamente caracterizam-se por serem células quadradas a rectangulares, • crescimento estendendo-se a partir da superfície do floco, com inclusões de enxofre e altamente refractivos. • Geralmente Neisser negativo e Gram negativo, pode ser Gram positivo na presença de substâncias sulfidicas • Pode indicar fenómenos de bulking. Nocardioformes • Estrutura irregular • Septação presente • Os filamentos podem partir da superfície dos flocos ou estar dispersos no líquido e com distinção de células individualizadas. • Carácter Gram positivo • Neisser negativo, contudo, são comummente observados grânulos Neisser positivos na zona intracelular • Comuns em fenómenos de formação de espumas (foaming). Haliscomenobacter hydrossis • Morfologicamente caracterizam-se por serem filamentos muito finos, direitos ou inclinados que se estendem da superfície do floco ou se encontram livres na solução • Com bainha, pode ainda ser observado crescimento de bactérias aderidas. • Apresenta carácter Neisser negativo e Gram negativo. Microthrix parvicella • Morfologicamente caracterizam-se por serem filamentos irregulares • Sem ramificações, e apresentando grandes massas de tricomas, sem ramificação e com distinção de células individualizadas • Os filamentos podem ter origem no interior do floco, rodear o floco ou encontrarem-se livres no líquido • Carácter Gram positivo e Neisser negativo, contudo, são comummente observados grânulos Neisser positivos na zona intracelular • Comuns em fenómenos de bulking e foaming, Factores de crescimento de bactérias filamentosas Resumo de crescimento de organismos filamentosos em lamas activadas, e o factor de crescimento associado. Factor de crescimento Organismos filamentosos associados Baixo oxigénio dissolvido (para a carga Tipo 1701, S. natans, H. hydrossis, M.parvicella aplicada) Baixa F/M Tipo 0041; Tipo 0675; Tipo 1851; Tipo 0803; Tipo 0092; M. parvicella Elevada concentração de ácidos orgânicos de baixo peso molecular Tipo 021N; Thiothrix I e II; N. limicola I, II e III; Tipo 0914; Tipo 0411; Tipo 0961; Tipo 0581; Tipo 0092 Efluentes contendo águas sépticas (Sulfuretos) Thiothrix spp, Beggiatoa sp., Tipo 021N,Tipo 0914 Deficiência em nutrientes (N e/ou P) Thiothrix spp, Tipos 021N, 0041,0675; N. limicola III; H. hydrossis; S. natans; pH baixo(<6.0) M. parvicella, Nocardia ssp., H. hydrossis, Tipos 0041, 0675, 0092, 0581, 0961 e 0803, fungos Bulking filamentoso • Redução da velocidade de sedimentação, e da compactação das lamas, no decantador secundário, devido à proliferação de determinados organismos filamentosos • Carência de nutrientes específicos (azoto e fósforo) • Carência de oxigénio • Substâncias tóxicas no licor misto Flocos normais Bulking filamentoso Foaming filamentoso • O fenómeno de foaming é caracterizado pela produção de espumas no reactor /decantador secundário • O foaming é causado pelo crescimento excessivo de bactérias filamentosas hidrofóbicas • As espumas são acastanhadas persistentes e viscosas • Concentração elevada de organismos filamentosos na espuma face ao licor misto • As espumas constituem uma barreira à transferência de oxigénio • Dificuldades de manutenção no sistema de lamas activadas • Degradação da qualidade do efluente tratado Espuma no sistema de lamas activadas (ASIS,2009) Soluções para o bulking filamentoso • Principais metodologias para eliminação de bactérias filamentosas causadoras de bulking: • 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 ; • Possível criação de zona dentro do reactor com funções de selector; • Adição de substâncias oxidantes (microbiocidas ou microbiostáticas): compostos clorados (hipocloritos), peróxido de hidrogénio ou ozonização; • 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 foaming filamentoso • Principais metodologias causadoras de foaming: para eliminação de bactérias filamentosas • 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; • Adição de cloro, sais de ferro ou agentes anti-espumantes; • Concentração e eliminação da espuma no sistema (de modo a impedir a recirculação da mesma e consequente recontaminação do tanque de arejamento); • Metodologia de tratamento depende do microrganismo causador do problema: arejamento completo para eliminar Microthrix parvicella, ou condições anaeróbias ou anóxicas para eliminar Nocardia. Remoção biológica de nutrientes Importância ambiental da remoção biológica de nutrientes de águas residuais : • Elevados teores de nutrientes (N e P) potenciam fenómenos de eutrofização • Toxicidade • Consumo de oxigénio dissolvido Remoção biológica de azoto Nitrificação •Os géneros do tipo Nitrosomonas convertem NH4+a NO2NH4+ +1.5 O2 -> NO2- + 2H+ + H2O •Os géneros do tipo Nitrobacter convertem NO2- a NO3NO2- +0.5 O2 -> NO3- Desnitrificação •Inclui géneros como por exemplo Pseudomonas e Thiobacillus 10(H+ + e-)+ 2NO3-+2H+ -> N2+6H2O Remoção biológica de fósforo •A remoção de fósforo por via biológica baseia-se no favorecimento de desenvolvimento de organismos acumuladores de fósforo(PAO’s) • Operação sequencial (fase anaeróbia/aeróbia) • Acumulação de polihidroxialcanoatos (PHAs) com valor comercial e ambiental acrescentados. Remoção biológica de fósforo(Mesquita,2006) Estudo da remoção biológica de fósforo por análise de imagem •Aplicação de técnicas de análise de imagem a processos biológicos particularmente à remoção biológica de fósforo em reactores do tipo SBR; • Colorações em fluorescência para identificação de polímeros de reserva em lamas activadas. (PHAs e polifosfatos); oColoração com DAPI(do inglês 4’-6-Diamidino-2-phenylindole) para identificação de grânulos de polifosfatos na zona intracelular; oColoração com azul do Nilo para detecção de grânulos de PHAs. Estudo da remoção biológica de fósforo por análise de imagem Coloração com DAPI para detecção de grânulos de polifosfatos Coloração com azul do Nilo para detecção de grânulos de Poli-β-hidroxibutirato Obrigado pela atenção!
