Artigo síntese de Trabalho de Conclusão de Curso da Engenharia Sanitária e Ambiental Julho de 2015
1
Nitrificação e desnit...
Artigo síntese de Trabalho de Conclusão de Curso da Engenharia Sanitária e Ambiental Julho de 2015
2
desnitrificação aerób...
Artigo síntese de Trabalho de Conclusão de Curso da Engenharia Sanitária e Ambiental Julho de 2015
3
3. Resultados e Discu...
Artigo síntese de Trabalho de Conclusão de Curso da Engenharia Sanitária e Ambiental Julho de 2015
4
Figura 3 – Evolução d...
Artigo síntese de Trabalho de Conclusão de Curso da Engenharia Sanitária e Ambiental Julho de 2015
5
desorção, lixiviação ...
Artigo síntese de Trabalho de Conclusão de Curso da Engenharia Sanitária e Ambiental Julho de 2015
6
5. Referencias
AMERIC...
Próximos SlideShares
Carregando em…5
×

Artigo Roc_EN

104 visualizações

Publicada em

0 comentários
0 gostaram
Estatísticas
Notas
  • Seja o primeiro a comentar

  • Seja a primeira pessoa a gostar disto

Sem downloads
Visualizações
Visualizações totais
104
No SlideShare
0
A partir de incorporações
0
Número de incorporações
9
Ações
Compartilhamentos
0
Downloads
1
Comentários
0
Gostaram
0
Incorporações 0
Nenhuma incorporação

Nenhuma nota no slide

Artigo Roc_EN

  1. 1. Artigo síntese de Trabalho de Conclusão de Curso da Engenharia Sanitária e Ambiental Julho de 2015 1 Nitrificação e desnitrificação mediadas pela bactéria paracoccus denitrificans em maciço filtrante componente de wetlands construídos verticais RUBEN ROC – roc.pamies@gmail.com PABLO HELENO SEZERINO – pablo.sezerino@ufsc.br CATIANE PELISSARI – catianebti@gmail.com UFSC – Universidade Federal de Santa Catarina ENS – Departamento de Engenharia Sanitária e Ambiental Campus Reitor João D. F. Lima, Trindade – CEP 88040-970, Florianópolis (SC) – Brasil Abstract: Among the different components of vertical-flow constructed wetlands (VFCW), stands out the role of the filter bed in the relations of effluent flow to be treated, as well as the formation responsible for the transformation of organic matter and biofilm, in particular nutrients in the influent wastewater. Besides the classic routes for the processing and disposal of nitrogen in these systems, other routes can be developed and maximized. Among them emerge heterotrophic nitrification (NH) and aerobic denitrification (DA). This study evaluated the performance of the bacterium Paracoccus denitrificans in the removal of ammonia nitrogen in sand columns simulating vertical profiles of VFCW (column 30cm depth of filter bed) and partially saturated vertical-flow constructed wetland PS- VFCW (column 60cm depth of filter bed, and these saturated 40cm). Three sand columns were operated in laboratory scale by 115 days, with columns representing the VFWC and PS-VFCW inoculated with bacteria P. denitrificans (with a concentration of 1,40x1010 CFU mL-1), and a third column serving as white and free of microorganisms. All columns were fed with autoclaved synthetic wastewater intermittently under a C/N rate of 5, with an organic loading of the influent of 41 g DQO m-2 d-1, 8 g NH4+ m-2 d-1, and ad hydraulic tax of mm d-1. Every week, it was performed a physicochemical monitoring of the influent and the effluent of the treatment columns. A higher COD removal performance was found in the column representing the PS-VFCW, with an average removal of 70%. To the column representing the VFCW the average removal efficiency obtained was of 57%. It was noticed a little difference between the two columns relative to the mean efficiency of NH4+ removal, obtaining 54% removal to VFWC column and 51% for PS-VFWC column. It is noteworthy that was not observed in the column effluents NOx formation, therefore follows that the removal of NH4+ from the affluent was due to simultaneous nitrification and denitrification promoted by the bacterium P. denitrificans. Keywords: sewage treatment, nitrogen, constructed wetland, heterotrophic nitrification, aerobic denitrification, Paracoccus desnitrificans. 1. Introdução Os Wetlands Construídos (WC) são sistemas de tratamento de águas residuais que simulam o tratamento que ocorrem nos wetlands naturais. Estes sistemas podem ser considerados como uma alternativa viável para pequenas comunidades (até 5000 habitantes), com custos energéticos e de manutenção significativamente menores quando comparado aos sistemas convencionais (Choubert et al., 2014). Dentre as classificações dos WC, a literatura reporta-se aos Wetlands Construídos Verticais Descendente (WCVD) como unidades ideais para promover a remoção de matéria orgânica, retenção de sólidos e, sobretudo, a conversão do nitrogênio amoniacal a nitrato devido à alimentação intermitente, a qual maximiza os processos de transferência de oxigênio (Platzer, 1999; Kadleck e Wallace, 2009). Contudo, a remoção de nitrogênio nessa tecnologia, ainda apresenta deficiências, devido ao desconhecimento de estratégias operacionais, que otimizem não apenas a transformação desse nutriente, mas também, a remoção completa. Nos sistemas clássicos de WCVD é necessário condições anaeróbicas/anóxicas para a comunidade bacteriana realizar a desnitrificação. De fato a modalidade de WCVD não oferece estas condições, e portanto estes sistemas de tratamento necessitam de estratégias que ofereceram pontualmente estas condições. Diante disso, estratégias operacionais a fim de proporcionar as condições necessárias para ocorrência da nitrificação e desnitrificação simultâneas em um mesmo módulo, como é o caso dos Wetlands Construídos Verticais Descendentes de Fundo Saturado (WCVD-FS), vêm sendo estudadas (Damaceno et al. 2015). Essas unidades consistem em um módulo de WCVD com duas zonas distintas: uma zona superior na qual o maciço filtrante não está saturado, e uma zona inferior com maciço filtrante saturado com efluente (Fonder et al., 2013). Concomitantemente com as estratégias operacionais junto aos wetlands, existem estudos que citam comunidades bacterianas capazes de remover completamente o nitrogênio por uma via distinta da clássica, destacando-se a nitrificação heterotrófica e
  2. 2. Artigo síntese de Trabalho de Conclusão de Curso da Engenharia Sanitária e Ambiental Julho de 2015 2 desnitrificação aeróbia, não requerendo, portanto, de condições de anoxia, sendo o organismo modelo o Paracoccus denitrificans (Beijerinck e Minkman, 1910). Neste contexto, este artigo apresenta o estudo em nível de escala laboratorial, a fim de simular os processos bioquímicos de transformação da matéria orgânica e de nitrogênio presentes em esgotos junto ao maciço filtrante componentes de unidades de tratamento tipo wetlands construídos (nas modalidades WCVD e WCVD-FS). Destaca-se, que o foco principal deu-se na avaliação do desempenho de remoção e transformação do nitrogênio amoniacal pela bactéria P. denitrificans, mediante o processo da nitrificação heterotrófica (Robertson e Kuenen, 1990) e a desnitrificação aeróbia. (Raghoebarsing et al., 2006) (Wallace e Austin, 2008). 2. Metodologia Esse procedimento iniciou em fevereiro de 2015 com término em junho (20/06/2015), totalizando 105 dias de operação. O experimento consta com 3 colunas de areia: uma coluna operando como branco, com 0,30 m de profundidade (coluna 1); uma coluna representando o perfil vertical de WCVD com 0,30 m de profundidade (coluna 2); uma coluna representando o perfil vertical de WCVD-FS com 0,60 m de profundidade e com os últimos 0,40 m saturados (coluna 3). A coluna 1 que operava como branco não foi realizada nenhuma inoculação. Nas colunas 2 e 3 foram inoculadas a bactérias Paracoccus denitrificans (ATCC 17741). Todas as colunas foram compostas com areia grossa (d10= 0,21 mm e U= 5,1) como material filtrante, e no fundo de cada coluna foi assentado brita até uma altura de 0,05 m. Sendo as condições operacionais resumidas na Figura 1. A areia e a brita, bem como o esgoto afluente utilizados neste experimento foram autoclavados, afim de evitar o desenvolvimento de micro- organismos indesejados, e garantir a colonização apenas das bactérias inoculadas. As colunas foram alimentadas manualmente com esgoto sintético, simulando as características operacionais descritas anteriormente, três dias na semana (terças, quartas e quintas-feiras), nestes dias as mesmas foram alimentadas em três períodos distintos (9:00, 13:00 e 17:00 horas). A solução de esgoto sintético foi elaborada e autoclavada semanalmente, contendo os seguintes compostos: CH3COONa, NH4Cl, como fonte de DQO e NH4 + . A solução final de esgoto sintético resulta em uma concentração de 365 mg L-1 de DQO, 70 mg L-1 de NH4 + . Figura 1 - Condições operacionais do procedimento experimental - Sem escala Fonte: Pelissari (2015) O monitoramento físico-químico afluente e efluente das colunas foi realizado por meio de análises semanais (um por semana) de pH, alcalinidade, DQO, N-NH4 + , N-NO2 - e N-NO3 - , seguindo as metodologias destacadas na Tabela 1. Tabela 1 - Parâmetros avaliados e metodologia Parâmetros Metodologia empregada pH Potenciométrico, pHmetro Tekna T-1000, Standard Methods 4500- H+, (APHA, 2005) DQO (mg L- 1 ) Digestão em refluxo fechado – método colorimétrico, Leitura em espectrofotômetro HACH® – Standard Methods 5220D, (APHA, 2005). Alcalinidade (mg L-1 ) Titulação potenciométrica com solução de H2SO4 0,05N – Standard Methods 2320B, (APHA, 2005) SS (mg L-1 ) Método gravimétrico - filtragem em membrana de fibra de vidro e secagem a 105ºC – Standard Methods 2130B, (APHA, 2005) N-NH4 + (mg L-1 ) Método colorimétrico de Nessler, leitura em espectrofotômetro HACH® , (VOGEL, 1981) N-NO2 - (mg L-1 ) Método colorimétrico Alfanaftilamina, (APHA,1998) N-NO3 - (mg L-1 ) Método colorimétrico- KIT HACH® , Redução de Cadmo, Standard Methods 4500 E, (APHA, 2005)
  3. 3. Artigo síntese de Trabalho de Conclusão de Curso da Engenharia Sanitária e Ambiental Julho de 2015 3 3. Resultados e Discussão Os resultados a seguir, referem-se ao 105 dias de operação das colunas de areia, simulando o perfil vertical do maciço filtrante de wetland construído vertical descendente (WCVD) e wetland construído vertical descendente de fundo saturado (WCVD-FS). Na tabela 2, apresenta-se os resultados das concentrações médias e eficiências de remoção, obtidas referentes ao monitoramento físico-químico afluente e efluente das colunas WCVD, WCVD-FS e Branco, operadas durante o período de 23/02/2015 a 01/06/2015, totalizando 15 semanas de operação. Conforme observado na Tabela 2, o esgoto sintético apresentou baixas variações, atingindo as condições operacionais propostas para o estudo durante o período avaliado, tendo concentrações médias de DQO 367 mg L-1 e 69,99 mg L-1 de NH4 + , com um baixo desvio padrão 4,71 e 0,18 mg L-1 , respectivamente, o que resultou em uma carga de DQO de 41 g DQO m-2 d-1 e 8 g N-NH4 + m-2 d-1 . Foi evidente o desempenho da bactéria P. desnitrificans nas transformações do nitrogênio, tanto na coluna que representa o maciço filtrante de WCVD, quanto na coluna que representa o maciço filtrante de WCVD-FS. Dessa forma, visto que a bactéria P. desnitrificans operou em condições com altas concentrações de carbono, bem como, em um ambiente principalmente aeróbio, a via bioquímica de transformação e remoção de nitrogênio foi a nitrificação heterotrófica e desnitrificação aeróbia. Sendo a produção de energia procedente da mesma desnitrificação aeróbica que usa ambos, oxigênio e nitrato, simultaneamente como aceptor terminal de eléctrones (Wallace e Austin, 2008). Segundo Wen e Wei (2011) o pH ideal para a remoção de nitrogênio pela NH e DA é entre 6 e 8, o que ocorreu no presente estudo com valores médios de 7,53 ± 0,37 para a coluna WCVD e 7,13 ± 0,30 para a coluna WCVD-FS (Figura 2). Figura 2 – Evolução do pH, efluente e efluente das colunas de areia. A remoção de alcalinidade atingida foi de 31% na coluna de WCVD e 37% na coluna de WCVD-FS. Observando os valores de alcalinidade e pH do meio, dado que o pH não caiu até valores inferiores a 6, e a remoção de alcalinidade não foi completa, constata- se que o desempenho bacteriano nas colunas WCVD e WCVD-FS não foi afetado pela indisponibilidade de alcalinidade no meio e, portanto, a nitrificação foi completa. Com base nas concentrações de alcalinidade e nitrogênio amoniacal afluente e efluente das colunas, calculou-se a relação estequiométrica no desempenho da P. desnitrificans mediante a NH e DA, e o resultado foi de 1,26 mg de alcalinidade consumidas para cada mg de NH4 + oxidada pela coluna WCVD e de 1,64 mg alcalinidade mg-1 NH4 + na coluna WCVD-FS. As colunas apresentaram uma eficiência média de remoção de DQO de 57% para a coluna WCVD e de 70% na coluna WCVD-FS. Infere-se que a diferença de remoção de DQO entras as colunas está vinculado com o maior altura de maciço filtrante da coluna de WCVD-FS quando comparada a coluna WCVD. Nas Figuras 3 e 4 apresenta-se a evolução do parâmetro DQO das 15 semanas de operação das duas colunas (WCVD e WCVD-FS). O máximo de eficiência atingida pela coluna WCVD foi de 73% na 15º semana, e de 82% na coluna WCVD-FS a 13º semana. A mínima remoção foi na 4º semana pra a coluna WCVD com um 45% e WCVD-FS de 38% na 2º semana.
  4. 4. Artigo síntese de Trabalho de Conclusão de Curso da Engenharia Sanitária e Ambiental Julho de 2015 4 Figura 3 – Evolução do parâmetro DQO na coluna WCVD Figura 4 - Evolução do parâmetro DQO na coluna WCVD-FS Apresenta-se na Figura 5 baixa capacidade do material filtrante de remover DQO com o desempenho da coluna Branco, atingindo remoções máximas de 3% e mínimo de 0,56%. Figura 5 - Evolução do parâmetro DQO na coluna Branco A remoção de nitrogênio amoniacal pelas colunas foi satisfatória, a coluna WCVD apresentou remoção média de 54%, enquanto a coluna WCVD- FS apresentou remoção na ordem de 51%. Sendo, portanto, bastante superiores às esperadas para remoção de nutrientes em tratamento secundário que varia entre 10% e 50% (von Sperling, 1996). Segundo Metcalf e Eddy (1991), a eficiência de remoção N total em tratamento convencional é menor do que 30%. Segundo Metcalf e Eddy (1991), a eficiência de remoção N total em tratamento convencional é menor do que 30%. Nas Figuras 6 e 7 mostra-se a evolução do parâmetro N-NH4 nas 15 semanas de operação das duas colunas. O máximo de eficiência na coluna WCVD foi de 66% na 4º semana e de 54% na coluna WCVD-FS. As duas colunas apresentaram remoção mínima de nitrogênio amoniacal na 3º semana com uma remoção do 40% e 38% respectivamente. Constata-se que a nitrificação foi completa sendo a produção de NOx quase nula. A média de concentração obtida no efluente, foi para ambas as colunas foram baixas; pontualmente, na coluna WCVD a concentração foi de 0,62 mg L-1 e para a coluna WCVD-FS foi de 0,62 mg L-1 . Figura 6 – Evolução do parâmetro N-NH4 na coluna WCVD Figura 7 - Evolução do parâmetro N-NH4 na coluna WCVD-FS Observa-se na Figura 8, a evolução das concentrações de nitrogênio amoniacal afluente e efluente da coluna que operou como Branco, ou seja, sem inoculação da bactéria P. denitrificans. Nessa coluna ocorreu a remoção de nitrogênio amoniacal durante as primeiras semanas. Esse fato atribui-se ao processo já descrito na literatura (Kadlec e Wallace, 2009) de adsorção do íon amônia no material filtrante. Até a 6º semana de operação o material filtrante apresentou potencial de adsorção médio de 13%. A partir da 6º semana de operação a concentração do afluente foi a mesma que a efluente (70 mg L-1 ). Depois desse período iniciou-se um período de
  5. 5. Artigo síntese de Trabalho de Conclusão de Curso da Engenharia Sanitária e Ambiental Julho de 2015 5 desorção, lixiviação e re-adsorção liberando concentrações de nitrogênio amoniacal cada vez mais alta no efluente final. Figura 8 - Evolução do parâmetro N-NH4 na coluna Branco Com base nas concentrações de DQO e nitrogênio amoniacal afluente e efluente das colunas e a relação C/N 5 operadas nas mesmas, calculou-se a relação estequiométrica no desempenho da P. desnitrificans mediante a NH e DA, e o resultado foi de 5,5 mg de DQO consumidas para cada mg de NH4 + oxidada pela coluna WCVD e de 7,2 mg DQO mg-1 NH4 + na coluna WCVD-FS. Obtém-se estes resultados com os consumos médios por coluna afluente/efluente e por cada parâmetro relacionados entre si (Tabela 3). Tabela 3 – Relação estequiométrica por parâmetro e por coluna WCVD WCVD-FS Consumo DQO (mg L-1 ) 210,78 Consumo DQO (mg L-1 ) 255,35 Consumo NH4 (mg L-1 ) 37,91 Consumo NH4 (mg L-1 ) 35,36 Relação 5,56 Relação 7,22 Os resultados mostram que o desempenho da P. denitrificans no processo de nitrificação heterotrófica e desnitrificação aeróbia não mostraram variações em relação a remoção de nitrogênio amoniacal, mesmo as colunas operando sob diferentes condições redutoras e oxidativas como o caso da coluna WCVD-FS e WCVD. Ocorreu uma diferença de 3% entre as mesmas. Esse fato pode estar relacionado com a colonização da P. desnitrificans. Nokhal e Schelegel (1983) caracterizam esta bactéria com preferência de crescimento em ambientes aeróbios além de ser versátil no crescimento em condições aeróbias e anaeróbias, dessa forma a remoção do nitrogênio amoniacal pode ter ocorrido apenas nas regiões aeróbias das colunas. Infere-se que esse fato pode estar associado a colonização da P. denitrificans, sendo que a mesma pode estar realizando o processo de nitrificação e desnitrificação apenas na região aeróbia da coluna. 4. Conclusões Considerando 105 dias de ensaios em escala laboratorial com colunas de areia simulando o perfil vertical do maciço filtrante componente de WCVD e WCVD-FS, inoculadas com 1,40x1010 UFC mL-1 de P. denitrificans e operando com uma relação C/N de 5, um carregamento orgânico de 41 g DQO m-2 d-1 , um carregamento de nitrogênio de 8 g NH4 + m-2 d-1 e uma taxa hidráulica de 113 mm d-1 infere-se que:  A remoção de nitrogênio amoniacal e carbono orgânico pela via de NH e DA foi satisfatória nas duas colunas;  A remoção média de NH4 + da coluna de areia que operou simulando o perfil vertical de um WCVD foi de 54%;  A remoção média de NH4 + da coluna de areia que operou simulando o perfil vertical de um WCVD-FS foi de 51%;  A remoção média de DQO da coluna de areia que operou simulando um perfil vertical de WCVD foi de 57%;  A remoção média de DQO da coluna de areia que operou simulando um perfil vertical de um WCVD-FS foi de 70%;  Até a 6º semana de operação o material filtrante apresentou potencial de adsorção médio de NH4 + de 13%;  A relação estequiométrica do consumo de DQO foi de 5,5 mg DQO por cada mg de NH4 + na coluna WCVD e;  7,2 mg DQO por cada mg de NH4 + na coluna WCVD-FS;  A relação estequiométrica do consumo de alcalinidade foi de 1,26 mg alcalinidade por cada mg de NH4 + na coluna WCVD e;  1,64 mg alcalinidade por cada mg de NH4 + na coluna WCVD-FS; Por fim, este estudo indica a viabilidade de ocorrência de nitrificação heterotrófica e desnitrificação aeróbia em wetlands construídos verticais, quando da presença da bactéria P. denitrificans.
  6. 6. Artigo síntese de Trabalho de Conclusão de Curso da Engenharia Sanitária e Ambiental Julho de 2015 6 5. Referencias AMERICAN PUBLIC HEALTH ASSOCIATION – APHA. EATON, A. D.; CLESCERI, L. S.; GREENBERG, A. E. Standard methods for the examination of water and wastewater. 21 ed. American Water Works Association; Water Pollution Control Federation, Washington: APHA. D. C. 1368p, 2005. BEIJERINCK, M.W.; MINKMAN, D.C.J. Bildung und Verbrauch von Stikoxydul durch Bakterien. Zentralbl. Bakteriol. Parasitenk. Abt. II. v.25, p.30–63, 1910. CHOUBERT, J.M.; MORVANNOU, A.; VANCLOOSTER, M. Modeling nitrogen removal in a vertical flow constructed wetland treating directly domestic wastewater. Ecological Engineering, v.70, p. 379-387, 2014. DAMACENO, D. Influence of partial saturation on total nitrogen removal in a single-stage French constructed wetland treating raw domestic wastewater. Ecological Engineering, v. 77, p. 257- 264, 2015. FONDER, N.; HEADLEY, T. The taxonomy of treatment wetlands: A proposed classification and nomenclature system. Ecological Engineering, v.51, p. 203-211, 2013. KADLEC, R.H.; WALLACE, S.D. Treatment Wetlands, 2nd ed. CRC Press, Boca Raton, FL. 2009. 1016p. METCALF e EDDY. Wastewater engineering: treatment and reuse. 4.ed. New York: McGraw- Hill, 2003. 1819p. NOKHAL, T.H.; SCHLEGEL, H. G. Taxonomic study of Paracoccus denitrificans. International journal of systematic bacteriology, v. 33, p. 26–37, 1983. PELISSARI, C. Nitrificação heterotrófica e desnitrificação aérobia em wetland construído vertical. Qualificação de doutorado apresentada ao Programa de Pós-Graduação em Engenharia Ambiental da Universidade Federal de Santa Catarina (UFSC, SC), como parte dos requisitos para obtenção do grau de Doutor em Engenharia Ambiental, p. 108, 2015 PLATZER, C. Design recommendation for subsurface flow constructed wetlands for nitrification and denitrification. Water Science and Technology, v.40, n.3, p. 257-263, 1999. RAGHOEBARSING, A. P., A., VAN DE PAS- SCHOONEN, K., , A., ETTWIG, K., RIJPSTRA, W., SCHOUTEN, S., DAMSTE, J., OP DEN CAMP, H., JETTEN, M., & STROUS, M. A microbial consortium couples anaerobic methane oxidation to denitrification. Nature, v. 440, 918−921, 2006. ROBERTSON, L.A.; VAN NIEL, E.W.J.; TORREMANS, R.A.M.; KUENEN, J.G. Simultaneous nitrification and denitrification in aerobic chemostat cultures of Thiosphaera pantotropha. Applied and Environmental Microbiology, v.54, p.2812-2818, 1988. VOGEL, A. L. Análise Inorgânica Qualitativa. 4ed. Editora Guanabara. Rio de Janeiro – RJ, 1981, 665p. VON SPERLING, M. Princípios do tratamento biológico de águas residuárias. In: Introdução à qualidade das águas e ao tratamento de esgoto. 3a ed. Minas Gerais: Departamento de Engenharia Sanitária e Ambiental – UFMG, v.1, p. 452, 2005. WALLACE, S.; AUSTIN, D. Emerging models for nitrogen removal in treatment wetlands. Journal Environmental Health, v.71, p.10-17, 2008. Water Research, v.38, p. 2241-2248, 2004. WEN, Y.; WEI, C. Heterotrophic nitrification and aerobic denitrification bacterium isolated from anaerobic/anoxic/oxic treatment system. African Journal of Biotechnology, v.10, n.36, p.6985-6990, 2011.

×