Respirometria - A educação ambiental

1 INTRODUÇÃO

A educação ambiental, ligada à sustentabilidade, tornou-se um tema de grande importância nos dias atuais. Esta educação é influenciada por questões biológicas, econômicas, políticas e culturais.

O tratamento de efluentes, principalmente industriais e domésticos está ligado à definição de sustentabilidade. A disposição de efluentes de forma inadequada no ambiente pode favorecer a contaminação do sólido e da água, que por sua vez causa efeitos na área agrícola, animais e na biota em geral, o que justifica a necessidade de tratamento.

Nas estações de tratamento de esgoto faz-se cada vez mais uso de métodos respirométricos para a determinação das características de biodegradabilidade dos afluentes e da atividade biológica do sistema. A respirometria é a medida e interpretação da taxa de consumo de oxigênio biológico sob condições experimentais bem definidas. Como o consumo de oxigênio está diretamente associado ao crescimento da biomassa e à remoção do substrato, a respirometria é uma técnica útil para monitoramento, modelagem e controle do processo de lodo ativado.

Esta prática tem como intuito determinar a atividade específica de bactérias nitrificantes presentes em lodo proveniente do LTBR (Laboratório de Tratamento Biológico de Resíduos) por respirometria a fim de determinar as velocidades de consumo de oxigênio dissolvido e específica de consumo de oxigênio e a partir disso e da concentração de N- e NH4+   determinam-se os parâmetros QO2máx, Ks  mais adequados para a definição do modelo de Monod. Além disso pode-se calcular ainda a velocidade específica de consumo de substrato.

2 REVISÃO BIBLIOGRÁFICA

Os componentes nos processos de tratamento de águas residuais podem ser convenientemente categorizados como físicos, químicos e bioquímicos. Uma compreensão completa dos princípios que governam seus comportamentos é um pré-requisito para o desenho de processos bem-sucedidos.

O processo biológico é utilizado quando existe carga orgânica impossível de ser removida por processo físico-químico. Em geral podemos classificar os processos como aeróbicos, anaeróbicos e mistos. Como as concentrações de biomassa ou substrato são difíceis de medir, as reações biológicas aeróbias podem ser estudadas através de métodos respirométricos, monitorando a taxa de consumo de oxigênio instantâneo e conhecendo o rendimento do crescimento da biomassa. De fato, a respirometria é a medida e interpretação do consumo biológico de oxigênio sob condições experimentais bem definidas [1].

Na respiração aeróbia, a absorção do oxigênio atmosférico se dá em duas fases: na degradação do substrato e na respiração endógena. A velocidade de respiração ou consumo de oxigênio pela degradação do substrato pode ser expressa pela Equação:

                                                                                                            (1)[pic 1]

Onde  é a velocidade de respiração, é a velocidade específica de respiração em mgO2/gcel.h e  é a concentração de células em g.cel/L [pic 2][pic 3][pic 4]

Em um sistema em batelada tem-se o seguinte balanço de oxigênio:

                                                                                 (2)             [pic 5]

Onde dC/dt é a variação da concentração de oxigênio dissolvido no líquido, K𝑙𝑎 é o coeficiente volumétrico de transferência de oxigênio, Cs é a concentração de oxigênio dissolvido no meio em equilíbrio e C é a concentração de oxigênio dissolvido no meio. O termo é referente à transferência de oxigênio, ou seja, quando elimina-se a aeração a equação 2 fica:[pic 6]

                                                                                                        (3)                  [pic 7]

Integrando a equação 3 temos:

                                                                                                        (4)[pic 8]

A partir desta relação linear é possível plotar um gráfico de C em função de t, como mostra a figura 1.

Figura 1: Relação entre o oxigênio dissolvido (OD) e o tempo(t).

[pic 9]

Como o consumo de oxigênio ocorre em duas partes (endógena e degradação), é necessário fazer uma distinção entre as duas quedas:

Figura 2: Efeito sobre a concentração de oxigênio dissolvido, após adição ao lodo ativado de uma limitada quantidade de substrato [2][pic 10]

Em condições endógenas a respiração do lodo comporta uma contínua utilização do oxigênio a uma velocidade aproximadamente constante e de modesta relevância: isto é demonstrado pela inclinação uniforme da reta a-b-c, vista na Figura 2. Acrescentando-se no instante b uma pequena quantidade de substrato provoca-se um momentâneo incremento na velocidade de absorção do oxigênio, representado pela distância b-d. Somente quando o substrato foi totalmente degradado, a situação no interior do sistema retorna às condições endógenas iniciais, assumindo após o ponto d, uma inclinação similar àquela original (distância d-e). No instante d, o valor da concentração de oxigênio presente é inferior àquela que seria encontrada sem o acréscimo do substrato. A diferença, isto é, a distância d-f, representa a demanda de oxigênio em um breve tempo devido à utilização do substrato pelos microorganismos. Assim QO2X encontrado deve ter que ser reduzido do valor encontrado para a queda da endógena [3].

Bactérias nitrificantes incluem apenas uma pequena parte do substrato amônia na nova biomassa, enquanto a maior parte do substrato é oxidada para produção de energia. Essas bactérias autotróficas usam dióxido de carbono dissolvido como fonte de carbono para nova biomassa. Em comparação com a biomassa heterotrófica, os nitrificadores precisam de mais oxigênio para seu crescimento. A nitrificação ocorre em duas etapas: a oxidação da amônia em nitrito e a oxidação do nitrito em nitrato [4].

• NH4 + → NO2 - → NO3 – 
• Oxidação do íon amônio: NH4 + + (3/2)O2 →NO2 - + H2O + 2H+ 
• Oxidação do nitrito: NO2 - + (1/2)O2 → NO3 – 
• Reação global: NH4 + + 2O2 → NO3 - + 2H+ + H2O

A Equação estequiométrica final em termos de de crescimento celular para o processo de nitrificação [5]: