Tratamento Secundário de Águas Residuais (Com Diagrama)

Leia este artigo para aprender sobre o tratamento secundário de águas residuais.

O tratamento secundário também é conhecido como tratamento biológico. É capaz de diminuir as substâncias orgânicas biodegradáveis ​​dissolvidas e / ou suspensas. Por tratamento secundário é também possível remover compostos azotados e fosforados dissolvidos de um fluxo de águas residuais.

Substâncias orgânicas que sofrem degradação na presença de microrganismos (micróbios, que são onipresentes) são denominadas substâncias biodegradáveis. Microrganismos produzem enzimas (substâncias proteináceas complexas) que atuam como catalisadores de processos de biodegradação. Esses processos ocorrem por meio de uma série de reações, chamadas de vias bioquímicas.

As reações podem ocorrer na presença de oxigênio dissolvido. Estes são referidos como reações aeróbicas (processos). Algumas reações ocorrem na ausência total de oxigênio. Esses são denominados processos anaeróbicos / anaeróbios obrigatórios. As reações ocorridas sob condição aeróbica seriam diferentes daquelas sob condição anaeróbica.

Existem alguns micróbios que são capazes de realizar reações biológicas tanto em condições aeróbicas como anaeróbicas. Esses micróbios são referidos como micróbios facultativos e os processos são denominados como facultativos.

Para o tratamento biológico de águas residuais contendo substâncias orgânicas (dissolvidas e / ou suspensas) são utilizados vários micróbios e as condições mantidas podem ser aeróbicas ou anaeróbicas. Para melhor compreensão desses processos, é necessário se familiarizar com as características básicas dos diferentes tipos de micróbios, que são brevemente discutidos a seguir.

Fundamentos dos Micróbios:

Antes da invenção do microscópio, os seres vivos eram classificados em dois grupos: plantas e animais. As plantas são imóveis, enquanto os animais são móveis. Após a invenção do microscópio, micróbios / microrganismos tornaram-se visíveis. Eles têm as características básicas dos seres vivos, isto é, são capazes de se reproduzir, mas estruturalmente são diferentes das macro-plantas e animais. Os seres vivos microscópicos são denominados protistas.

Os protistas têm estrutura relativamente simples. Eles podem ser unicelulares ou multicelulares. Mesmo nas células multicelulares, as células não são internamente diferentes e não são organizadas como tecidos. Macro-plantas e animais possuem tecidos, que desempenham diferentes funções. As classificações de protistas são dadas na Tabela 9.3.

As Figuras 9.19A e 9.19B mostram estruturas típicas de células procarióticas e eucarióticas.

Além dos protistas, existem algumas partículas viáveis ​​sub-microscópicas conhecidas como vírus. Estes são visíveis apenas sob microscópio eletrônico. Seu tamanho varia entre 0, 02-0, 08 da tarde. Basicamente, eles são um DNA ou um RNA cercado por uma casca de proteína. Eles são incapazes de se reproduzir por conta própria. Eles infectam as células hospedeiras e as induzem a se replicar e, assim, produzir mais vírus.

Procariontes:

Os procariontes são unicelulares e geralmente são menores que 5 μm de diâmetro. Eles têm estrutura muito simples e são delimitados por uma membrana. A maioria deles tem paredes celulares rígidas. Dentro de uma jaula há um núcleo e cytoplasm. O núcleo não é separado do citoplasma por uma membrana. As enzimas que participam da respiração e das reações fotossintéticas localizam-se na membrana celular ou em sua dobra. Os procariontes não são fagotrópicos, isto é, não podem ingerir alimentos.

Eles secretam enzimas hidrolíticas extra-celulares, que hidrolisam partículas orgânicas suspensas e dissolvem grandes moléculas orgânicas em moléculas menores. Eles hidrolisam moléculas menores e entram nas células por vários mecanismos. Os procariontes normalmente se movem com a ajuda de flagelos, que são fibrilas helicoidais projetando-se através da membrana celular. Basicamente, existem dois grupos de procariontes, a saber, as algas bacteriana e azul-verde.

Bactérias:

As bactérias são unicelulares. Seu tamanho varia entre 0, 2 a 2 µm. Eles são classificados em três grupos: mixobactérias, espiroquetas e eubactérias. Dependendo da sua forma, são denominados cocos (esféricos), bacilos (semelhantes a bastonetes) e espirais (espirais).

As mixobactérias são em forma de bastonete, possuindo paredes finas e delicadas. Eles se movem deslizando ação. Eles obtêm seus alimentos dividindo (lisando) outros organismos, tais como bactérias, fungos, algas, etc. Os espiroquetas são de forma helicoidal, possuindo paredes flexíveis delicadas. Existem relativamente longos em comparação com a largura deles. Eles vivem na lama e na água e são anaeróbicos. Alguns são parasitas.

Eubactérias:

Bactérias, além das mixobactérias e espiroquetas, são agrupadas como eubactérias. Suas formas podem ser em forma de haste esférica ou espiral. Alguns deles têm flagelos e são móveis, enquanto os outros são imóveis. Eles foram subclassificados de acordo com suas características metabólicas e energéticas. Em geral, eles são unicelulares, mas alguns formam agregados, enquanto outros são filamentosos.

Algas Azul-Verde:

Podem ser unicelulares ou multicelulares. Eles se multiplicam por fissão binária. Os multicelulares são filamentos de células idênticas, unidos por uma parede externa comum. Uma pequena porção de um filamento contendo algumas células é liberada e o filamento liberado cresce por divisão binária das células em um plano.

Os filamentos unicelulares são imóveis, enquanto os filamentos multicelulares podem deslizar. As algas verde-azuladas são fotossintéticas. Sua cor é geralmente azul-esverdeada. Algumas espécies têm cor vermelha, roxa, marrom e preta. Algumas espécies podem fixar nitrogênio atmosférico.

Eukaryotes:

Os eucariotos têm estrutura mais complexa que os procariontes. Seu diâmetro é mais de 20 horas. Cada célula possui várias organelas, como núcleo, mitocôndria, retículo endoplasmático, aparelho de Golgi, vacúolo, lisossomas, ribossomos, cloroplastos, etc. Cada um deles tem uma função específica. Cada célula tem uma membrana celular externa. Alguns têm paredes celulares. As organelas internas são delimitadas por membranas.

As células eucarióticas sem parede celular exibem movimento amebóide devido ao movimento citoplasmático, chamado de fluxo citoplasmático. Aqueles com paredes celulares se movem com a ajuda de flagelos. Os eucariotos foram classificados em três grupos: algas, protozoários e fungos.

Algas Eucarióticas :

Estes podem ser unicelulares ou multicelulares. No multicelular, as células não são diferentes umas das outras. Eles são fotossintéticos, alguns têm paredes celulares e, portanto, são osmotróficos. Aqueles sem paredes celulares ingerem organismos menores fagotroficamente. Eles podem crescer em mídia inorgânica. Estes não são importantes no tratamento de águas residuais.

No entanto, eles ajudam as bactérias de forma simbiótica à medida que produzem oxigênio durante a fotossíntese. A proliferação de algas na presença de nutrientes inorgânicos causa problemas durante a filtração à medida que o período de execução diminui. Existem seis grupos principais de algas eucarióticas, a maioria deles possui flagelos, com exceção das algas vermelhas. Eles diferem dos demais na coloração do pigmento de cloroplasto, composição da parede celular e composição do alimento de reserva.

Protozoários:

Estes são unicelulares, não fotossintéticos e móveis. Alguns são parasitas e o outro é fagotrófico. As maiorias são aeróbicas e algumas são anaeróbicas. Os fagotróficos ingerem organismos menores e matéria orgânica. O grupo suctoria ataca os protozoários. Eles ajudam na bio-floculação.

Os protozoários foram agrupados em cinco grupos principais: Mastigófora, Sarcodina, Esporozoa, Ciliado e Suctoria. Mastigóforos têm flagelos. Geralmente eles são parasitas. Alguns são patogênicos, outros não.

Sarcodina:

O principal modo de movimento deste grupo é o movimento tipo amebóide com a ajuda de pseudópodes. Alguns têm flagelos. Alguns são fagocíticos, enquanto alguns são parasitas. Amebas que causam disenteria amebiana em humanos pertencem a este grupo. Os esporozoários são parasitas osmotrópicos. Alguns são imóveis, enquanto os outros se movem deslizando. Eles não têm nenhum papel no tratamento de águas residuais. Eles são patogênicos.

Ciliado:

Este grupo é importante no tratamento de águas residuais. Eles são fagotrópicos. Eles têm cabelos curtos como projeções (cílios). Com a ajuda de Cilia eles se movem e capturam comida. Existem dois subgrupos, um tipo de natação livre e outro tipo de perseguição.

Suctoria:

Eles possuem cílios no estágio inicial de seu ciclo de vida. Mais tarde, eles desenvolvem tentáculos. Com a ajuda dos tentáculos, eles atacam outros protozoários.

Fungos:

Os fungos são na sua maioria multinucleados e têm uma estrutura conhecida como micélio. A maioria deles é aeróbica, enquanto alguns são anaeróbicos. Eles vivem em todos os tipos de matéria orgânica, mesmo em resíduos orgânicos degradados por bactérias. Os principais grupos são: Ficomicetos, Ascomycota, Basidioniycetes e Fungi - Imperfeitos. Leveduras são fungos unicelulares. Os fungos se reproduzem por brotamento ou por fissão binária. Eles têm algumas aplicações industriais.

Em geral, os fungos são inúteis no tratamento de águas residuais. Além dos protistas, alguns pequenos animais aeróbios multicelulares heterotróficos, conhecidos como rotadores, podem estar presentes em unidades aeróbias de tratamento de águas residuais. Eles têm dois conjuntos de Cílios rotativos em suas cabeças. Esses são usados ​​para motilidade, bem como para capturar comida.

Interação Microbiana no Tratamento de Águas Residuais:

Para o tratamento de águas residuais, quase sempre uma comunidade microbiana com várias espécies de organismos encontra seu caminho em uma unidade de tratamento. Estes organismos podem entrar numa unidade de tratamento a partir do ambiente circundante, bem como junto com a própria água residual. Muitas vezes, uma parte da biomassa (micróbios) produzida durante o tratamento de águas residuais é reciclada para a unidade de tratamento. Para redução de um determinado poluente, por vezes, alguns organismos específicos são adicionados.

A água residual invariavelmente conterá vários produtos químicos (poluentes) e, para sua redução, a presença de diversos tipos de micróbios é útil e às vezes essencial. Esses organismos interagem uns com os outros durante o processo.

A população de espécies individuais de micróbios pode sofrer alterações com a variação qualitativa e quantitativa das características de um fluxo de águas residuais que entram em uma unidade de tratamento, mas o sistema pode ter uma estabilidade geral se um amplo espectro de micróbios estivesse presente no sistema.

No entanto, se a comunidade restrita, isto é, algumas espécies selecionadas forem usadas em uma situação de particulado, o sistema pode ficar chateado facilmente devido a mudanças de choque no fluxo / características da corrente de águas residuais sendo tratada. As interações entre as várias espécies de micróbios presentes em um sistema de tratamento de esgoto podem ser dos seguintes tipos: neutro, benevolente e antagônico.

Interação Neutra:

Quando as espécies presentes em um ecossistema não usam o mesmo substrato (alimento), sua exigência ambiental é diferente e não utilizam produtos metabólicos e subprodutos um do outro, então a interação é dita neutra. Em uma comunidade de microrganismos em qualquer ecossistema, essa interação é muito rara.

Interação Benevolente:

Em um ecossistema, às vezes, um organismo ajuda outro organismo em sua atividade metabólica ou em manter as exigências ambientais e não se prejudicam mutuamente. Tal interação entre os organismos é referida como interação benevolente.

Existem dois tipos de interações benevolentes, a saber, o comensalismo e o mutualismo. Às vezes os produtos metabólicos ou subprodutos de um organismo são usados ​​por outro organismo. Essa interação entre duas espécies é denominada interação comensalismo.

Exemplos de tais interações são:

(1) Glicose ou um fator de crescimento produzido por um organismo sendo utilizado por outros organismos

(2) Fenol (tóxico para alguns organismos) consumido por um organismo em um ecossistema para que os outros organismos presentes no sistema não sejam prejudicados.

Quando os organismos presentes em um ecossistema ajudam uns aos outros, a interação é denominada de mutualismo. Um exemplo é a interação entre algas e bactérias em uma unidade de tratamento aeróbico. Algas durante a fotossíntese produzem O2, o que ajuda as bactérias aeróbias em sua atividade metabólica. Bactérias produtoras de CO ₂ durante a respiração ajudam as algas na fotossíntese.

Interação Antagonista:

Às vezes, um tipo de organismo compete com outro do mesmo recurso ou um tipo impede o crescimento de outro ou há uma relação predador-presa entre dois tipos de organismos. Em tais situações, a interação entre as espécies é antagônica.

Alguns exemplos de tipos de interações antagônicas são:

(1) bactérias aeróbicas facultativas e obrigatórias que competem por oxigênio dissolvido;

(2) Algas produtoras de O ₂ durante a fotossíntese e, assim, impedindo o crescimento de anaeróbios obrigatórios, e

(3) Protozoários atacando as bactérias.

Fisiologia do Micróbio:

As células microbianas contêm cerca de 80% de água. A porção restante é composta de C, O ₂, H ₂, N ₂, P e S. Metais como Na, K, Ca, Mg, Fe também estão presentes nas células microbianas. Os constituintes C, O ₂, H ₂ e N ₂ de uma célula são frequentemente aproximados (em base isenta de cinzas) pela fórmula C ₅ H ₇ O ₂ N. Para síntese (reprodução) de novos micróbios que não H ₂ e O ₂ (que pode ser obtido a partir de água) os principais elementos requeridos são C e N2.

São necessárias quantidades relativamente pequenas de P e S e são também necessárias quantidades muito pequenas dos metais listados acima. Os micróbios obtêm os vários constituintes para sua reprodução a partir de seu ambiente (ecossistema). Os micróbios também precisam de energia para o seu movimento, bem como para realizar suas atividades metabólicas (catabólicas e anabólicas).

As fontes dos constituintes acima mencionados necessárias para a reprodução de micróbios num sistema de tratamento de águas residuais são:

N ₂ Fonte:

Para a síntese de proteínas e ácidos nucléicos, compostos contendo nitrogênio devem ser adicionados a uma unidade de tratamento de águas residuais, se estes não estiverem presentes como um constituinte dos poluentes presentes.

O ₂ Fontes:

Os autótrofos usam CO ₂ e H ₂ O como fontes de O ₂ . Os heterotróficos usam compostos orgânicos contendo oxigênio e H ₂ O.

Fonte C:

Os autótrofos usam o CO ₂ como fonte de carbono enquanto os heterótrofos usam compostos orgânicos como fonte de carbono.

Fonte S:

O enxofre necessário para a síntese de proteínas é obtido a partir de compostos contendo enxofre normalmente presentes em águas residuais.

Fonte P:

O fósforo necessário para a síntese de ácidos nucleicos e fosfolipídios é obtido a partir de fosfatos inorgânicos e compostos organofosforados normalmente presentes em águas residuais. Para a transferência de energia para o movimento, bem como para a atividade metabólica, são necessários compostos organofosforados ATP (adenosina trifosfato), ADP (adenosina di-fosfato) e AMP (adenosina monofosfato). Estes são sintetizados pelos micróbios utilizando fósforo (inorgânico / orgânico) presente nas águas residuais.

A classificação de micróbios com base em suas características metabólicas e energéticas é apresentada na Tabela 9.4.

Na Tabela 9.4, é evidente que os quimioheterotróficos são mais úteis para o tratamento de águas residuais contendo substâncias orgânicas. Os fotoautotróficos são de alguma utilidade, pois enriquecem a água residual com oxigênio dissolvido, que é produzido durante a fotossíntese.

Os seguintes critérios são usados ​​para classificação de quimioheterotróficos:

1. O processo pelo qual eles atendem a sua necessidade de energia,

2. O intervalo de temperatura em que eles são mais ativos.

Os quimioheterotróficos que usam O ₂ dissolvido para oxidar compostos orgânicos para produzir energia são chamados de aeróbios. Aqueles que produzem energia decompondo compostos orgânicos (processos de fermentação) na ausência de O ₂ dissolvido são chamados anaeróbios. Há um terceiro grupo, que se comporta aerobicamente na presença de oxigênio dissolvido e anaerobicamente na ausência de oxigênio dissolvido. Este grupo é chamado de micróbios facultativos. A classificação de quimioheterotróficos de acordo com a faixa de temperatura em que são mais ativos é dada na Tabela 9.5.

As reações metabólicas e energéticas, que são realizadas pelos quimioheterotróficos, são agrupadas em via catabólica, via anfibólica, via anaplerótica e via anabólica. Através destes passos, os organismos obtêm sua energia e sintetizam compostos como ácidos nucléicos, proteínas, polissacarídeos, lipídios, etc. e finalmente produzem novas células microbianas. As atividades específicas realizadas ao longo das rotas acima mencionadas estão resumidas abaixo.

Rota Catabólica:

Geralmente as atividades catabólicas são realizadas em duas etapas. No primeiro estágio, a matéria orgânica suspensa presente nas águas residuais é solubilizada e as moléculas orgânicas dissolvidas maiores são hidrolisadas (salpicadas) em moléculas menores. Enzimas extra-celulares participam dessas reações. A quantidade relativamente pequena de energia liberada durante esta etapa não está disponível para as células (micróbios), pois as reações ocorrem fora das células. .

Durante o segundo estágio dos processos catabólicos, as moléculas orgânicas menores já produziam difusões dentro das células. Há divisão adicional das moléculas difusas, assim como algumas reações de oxidação. A energia liberada durante esta etapa está disponível para as células.

Rota anfibólica:

Os materiais de partida para estas reações são os materiais (moléculas) produzidos durante o segundo estágio do processo catabólico. Como resultado das reações anfibólicas, alguns compostos intermediários são produzidos para a biossíntese e algumas reações de oxidação também ocorrem.

Durante um processo aeróbico, os produtos finais da reação de oxidação são CO ₂ e H ₂ O. Os produtos da oxidação durante um processo anaeróbico são CO ₂ e algumas outras moléculas orgânicas (não componentes para a biossíntese). Estes são referidos como produtos de fermentação.

Rota Anaplerótica:

Os intermediários produzidos durante o processo anfibólico não são suficientes para atender a demanda total dos processos de biossíntese. Por isso, mais alguns intermediários são produzidos por essa rota.

Rota anabólica:

Durante este processo, os intermediários produzidos pela via anfibólica e pela via anaplerótica são subsequentemente polimerizados e finalmente os diferentes componentes das células são produzidos. Em última análise, leva à produção de novas células. Deve ser mencionado aqui que todas as atividades (reações químicas) que ocorrem dentro de uma célula são enzimas (compostos proteicos complexos) catalisadas.

Cinética Enzimática:

Todas as reações químicas que ocorrem dentro das células de microrganismos (intracelulares) ou imediatamente fora das células (extracelulares) são catalisadas por enzimas. As enzimas são específicas da reação, isto é, cada enzima é capaz de realizar uma reação específica utilizando um substrato específico (reagente).

Como os catalisadores inorgânicos, as enzimas podem ser envenenadas (inibidas) por alguns produtos químicos. As enzimas também são afetadas em condições de temperatura e pH adversas mais altas, o que pode ser devido a algumas mudanças estruturais que ocorrem nelas.

A cinética das reações enzimáticas foi estudada por vários cientistas. Eles desenvolveram equações de taxa com base em seus modelos propostos. Alguns destes são discutidos abaixo. A equação básica é referida como a equação de Michaelis-Menten.

Reações enzimáticas na ausência de qualquer inibidor são assumidas através de duas etapas. No primeiro passo, uma molécula de substrato (reagente) (S) combina-se com uma molécula de enzima (E) para formar um complexo enzima-substrato (ES). Esta reação é considerada reversível. No segundo passo, o complexo (ES) sofre uma reação irreversível, em que a molécula de enzima é liberada e um ou mais produtos são formados. O processo global pode ser representado como

Para modelar a reação de formação do complexo enzima-substrato, duas hipóteses foram propostas. De acordo com uma hipótese, esta reação atinge o equilíbrio instantaneamente. De acordo com o outro, esta reação atinge instantaneamente uma condição "pseudo-estado estacionário", isto é, a taxa de formação do complexo ES torna-se a mesma que a taxa de desaparecimento do complexo pela reação inversa. A equação final desenvolvida para a taxa de desaparecimento do substrato / a taxa de formação do produto é idêntica independentemente de quais as hipóteses acima mencionadas são aceitas.

Eq. (9, 29) é conhecida como a equação de Michaelis-Menen. Para avaliar as constantes cinéticas (K _m e para uma reação específica, a concentração do substrato, [5] vs. tempo, os dados t são obtidos experimentalmente. Os dados assim obtidos podem ser plotados de várias maneiras (como mostrado nas Figuras 9.20A, B, C & D) para estimação de _Km e Vm. As Figuras 9.20A, B, C e D são baseadas nas formas modificadas da equação de Michaelis-Menten.

Reações de Inibição:

As reações enzimáticas podem ser inibidas (retardadas) de várias maneiras. Os inibidores podem ser alguns produtos químicos (I) que não o substrato, o próprio substrato (em alta concentração) e o produto (em alta concentração). As reacções de inibição foram denominadas de forma variada como "Inibição competitiva", "Inibição não competitiva", "Inibição não competitiva", "Inibição do estado secundário" e "Inibição do produto".

A representação simbólica dos diferentes tipos de reações de inibição e suas respectivas expressões de taxa são as seguintes:

Inibição competitiva:

onde [I] = concentração do inibidor,

K ₁ = constante de equilíbrio para a reação de dissociação EI.

Inibição Não Competitiva:

Inibição Não Competitiva:

Inibição do Substrato:

Inibição do Produto:

onde K _p = constante de equilíbrio para a reação de dissociação de PES. Deve-se salientar aqui que os modelos e equações de taxa acima mencionados são baseados na premissa de que a inibição ocorre devido à indisponibilidade de algumas moléculas de enzima para a reação de formação do complexo enzima-substrato devido a algumas reações secundárias.

Processo de Crescimento Microbiano:

Os micróbios precisam de carbono, oxigênio, hidrogênio, nitrogênio e alguns outros elementos para a síntese de componentes celulares, o que finalmente leva à reprodução de novas células. Os organismos precisam de energia para realizar as reações de síntese e para a manutenção de atividades que não sejam para reprodução.

Necessidade de energia de manutenção significa energia necessária para realizar funções celulares, tais como motilidade, osmorregulação, fagocitose, fluxo citoplasmático, etc. A energia de manutenção também inclui a energia necessária para sintetizar alguns componentes celulares, que são necessários para a substituição dos componentes degradados. Alguns componentes das células decompõem-se à medida que as suas energias livres são mais altas em comparação com as dos blocos de construção originais a partir dos quais são sintetizadas.

Quando uma mistura especialmente preparada de substâncias orgânicas (referida como meio) é inoculada (como acontece em uma operação em lotes) com algumas espécies de organismos, então a população de micróbios nessa mistura passa por um processo típico de crescimento, como mostrado na Fig. 9.21. . A substância orgânica presente em um meio, que age como a fonte de carbono para os micróbios, é denominada substrato.

Deve-se salientar aqui que a população total de micróbios presentes em um ecossistema em qualquer instante de tempo é composta de dois grupos, a saber, 'organismos viáveis' e 'organismos mortos'. Organismos viáveis ​​são aqueles que são capazes de se reproduzir, enquanto os "mortos" estão vivos, mas são incapazes de reprodução. Eles utilizam energia para realizar todos os tipos de atividades, exceto reprodução.

A Figura 9.21 mostra que a taxa de crescimento da população microbiana durante uma operação em lote passa por diferentes fases. Estes são normalmente referidos como Fases I, II, III e IV.

A fase I é denominada "fase de atraso". Durante essa fase, a população (de células viáveis) aumenta lentamente à medida que os organismos demoram a se aclimatar com o ambiente.

A fase II é conhecida como a 'fase log', pois durante este período a população aumenta exponencialmente utilizando o substrato disponível no meio.

A fase III é conhecida como a "fase estacionária". Durante este período, a população das células viáveis ​​permanece quase estática devido à indisponibilidade de substrato suficiente. A taxa de produção de novas células durante este período é praticamente a mesma que a taxa de conversão de células viáveis ​​em células mortas. Durante esta fase, o substrato disponível é utilizado principalmente para atender a demanda de energia de manutenção das células.

A fase IV é denominada como a 'fase de decaimento'. Nenhum substrato está disponível durante este período. As células metabolizam seus alimentos armazenados para atender a necessidade de energia de manutenção. Progressivamente, algumas das células sofrem lise, isto é, desintegram-se e, desse modo, fornecem substâncias orgânicas à célula remanescente para satisfazer sua necessidade de energia de manutenção. A lise resulta em diminuição da população de células, o que é referido como 'decaimento' celular

Durante as Fases I a III, o substrato disponível em um meio atende às necessidades de crescimento e / ou manutenção dos organismos. Este período é denominado como período exógeno. Durante a fase IV, na ausência de qualquer substrato, as células metabolizam seus alimentos armazenados, bem como as substâncias liberadas como resultado da lise de algumas células. Este período é referido como o período endógeno.

Foi mencionado anteriormente que os quimioheterotróficos desempenham o papel principal no tratamento biológico de águas residuais. Eles utilizam o substrato (poluentes) presente nas águas residuais para atender seu material (para a biossíntese) e a necessidade de energia. Duas hipóteses alternativas foram postuladas para explicar como os micróbios conseguem isso.

De acordo com uma hipótese, as células sintetizam suas organelas e reservas endógenas (alimentares) utilizando o substrato. Seqüencialmente, uma parte da reserva endógena é degradada para atender à necessidade de energia de manutenção das células.

De acordo com a outra hipótese, o substrato é utilizado para atender ao requisito de síntese, bem como para atender a necessidade de energia de manutenção simultaneamente. Conceitualmente e logicamente, essa hipótese é mais realista. Deve-se salientar aqui que, de acordo com essa hipótese, no final do período exógeno, as células atenderiam à necessidade de energia de manutenção às custas da reserva endógena.

É mais fácil formular um modelo matemático baseado na primeira hipótese, embora essa hipótese não seja lógica. Um modelo matemático baseado na segunda hipótese seria complicado, uma vez que deve conter termos para representar tanto os processos exógenos quanto endógenos e os critérios de quando o termo endógeno do processo ganharia importância.

Em um processo contínuo de tratamento de águas residuais, um influente contendo poluentes (com uma população de micróbios baixa ou quase nula) entra em um equipamento de processo (um biorreator) que já contém uma grande população de micróbios de diferentes espécies. Um efluente deixa o biorreator quase esgotado dos poluentes biodegradáveis. O efluente conteria um número maior de micróbios do que o do influente.

Este aumento na contagem de células resulta da biodegradação da massa poluente presente no afluente. Uma parte da massa poluente degradada é utilizada para reproduzir novas células enquanto a outra parte atende a necessidade de energia das células. É muito difícil, se não impossível, quantificar quanto da massa poluente degradada é utilizada para satisfazer a necessidade de energia das células. Mas o desenvolvimento de uma correlação quantitativa da taxa de crescimento de massa celular a taxa de depleção de massa poluente é muito possível.

Do ponto de vista do tratamento de águas residuais, estaria interessado em desenvolver uma expressão para a taxa global de esgotamento da massa poluente num fluxo afluente, de modo que o mesmo possa ser utilizado para conceber um equipamento de processo adequado.

Cinética do Crescimento Celular:

As células se multiplicam por fissão binária de células viáveis. Portanto, a taxa de crescimento celular (massa) (na ausência de predadores, morte celular e decaimento celular) durante uma operação em lote dependeria da concentração das células viáveis ​​em um biorreator em qualquer instante de tempo. Pode ser expresso como—

onde, r _G, X _v = taxa de produção de células viáveis ​​(massa) por unidade de volume de um biorreator,

[X _V ] = concentração de células viáveis ​​(massa) em qualquer instante e

µ = constante da taxa de crescimento específica.

O valor numérico de | i para uma combinação específica de micróbio-substrato depende da concentração de substrato, concentração de micronutrientes, pH, temperatura, etc., em um biorreator.

Investigadores, com base em seus ensaios experimentais em pH, temperatura e concentração de micronutrientes controlados, obtiveram uma correlação geral para µ em função da concentração de substrato [S] como mostrado na Eq. (9, 36)

Verificou-se que os valores numéricos de µm e K _s dependem do pH, temperatura e concentração de micronutrientes para qualquer sistema específico de micróbio-substrato.

A equação (9.36) é conhecida como equação de Monod. É semelhante em forma ao da equação de Michaelis-Menten para reação enzimática [Eq. (9, 29)].

Combinação de Eqs. (9.35) e (9.36), resulta na Eq. (9, 37)

Deve-se salientar aqui que, em uma unidade de tratamento de águas residuais, uma população mista de micróbios e uma variedade de poluentes (produtos químicos) estaria presente. Para tal unidade µm e K _s não podem ser compilados pela combinação de dados da literatura para sistemas específicos de micróbio-substrato. Para cada situação individual, H _m e K _s devem ser avaliados experimentalmente.

Durante o tratamento biológico de águas residuais, os micróbios presentes utilizam as fontes de carbono (substrato, isto é, compostos orgânicos biodegradáveis) para a reprodução, bem como para atender às necessidades de energia de manutenção. Sob condições aeróbicas, as etapas de geração de energia produziriam CO ₂ e H ₂ O como produtos finais, enquanto que, sob condições anaeróbicas, os produtos da reação seriam principalmente CO ₂ e CH ₄ .

Uma vez que os substratos são utilizados para o crescimento da massa celular, bem como para produzir energia, a taxa de massa do crescimento celular seria inferior à da utilização do substrato. A relação entre os dois é normalmente expressa como

onde y é denominado como o rendimento, isto é, a massa de células viáveis ​​produzidas por unidade de massa de substrato utilizada. Uma vez que um fluxo de águas residuais contém invariavelmente vários compostos orgânicos (poluentes), costuma-se expressar a concentração de substrato, [S], em termos de DBO ou DQO em mg O ₂ / L e não em termos de concentrações de os poluentes individuais presentes.

O rendimento, y, teria um valor máximo se a energia de manutenção fosse nula. Sob tal situação y é representado pelo símbolo y _g . Mesmo se a energia de manutenção fosse nula, teria um valor menor que um, pois o processo de biossíntese (crescimento) precisa de energia. Descobriu-se que o valor numérico de y depende do substrato usado, sua concentração, as espécies de organismos utilizados e os fatores ambientais, como temperatura, pH, etc.

Estudos experimentais revelaram que o valor numérico de y é de cerca de 0, 5 quando a água residual é tratada aerobicamente. Mas sob condições de tratamento anaeróbico, o valor de y foi encontrado em torno de 0, 1

Combinando Eqs. (9.35) e (9.38) obtém-se a Eq. (9, 39)

É de notar que durante um processo biológico várias células viáveis ​​se tornam "mortas" e algumas sofrem lise (decaimento). Portanto, a taxa líquida de crescimento de células viáveis ​​pode ser expressa como—

Foi mencionado anteriormente que os micróbios presentes em qualquer sistema são de dois tipos, ou seja, "viáveis" e "mortos". A concentração da população total de células (massa) em qualquer instante dado seria a soma da concentração de cada tipo naquele instante,

onde, [X] = concentração da massa celular total.

Uma expressão para a taxa de mudança da massa total de células durante um processo exógeno pode ser obtida combinando Eqs. (9.40), (9.41) e (9.42)

Reações bioquímicas são basicamente reações químicas catalisadas por enzimas (extra / intracelulares). Portanto, as constantes de taxa específicas, por exemplo, p, b e y são dependentes da temperatura. Seus valores numéricos aumentam com o aumento da temperatura. Sua dependência de temperatura pode ser representada pela relação do tipo Arrhenius,

No entanto, muitas vezes a relação é expressa empiricamente como

onde k ₀ corresponde a alguma temperatura base f ₀ expressa em ° C e k corresponde a temperatura de operação t ° C. O valor numérico de O foi encontrado entre 1, 03 e 1, 1. Geralmente é tomado como 1.08.

Os valores numéricos dos parâmetros cinéticos avaliados experimentalmente, µm, K _s, ϒ e b dependem da combinação substrato-organismo, assim como da concentração de nutrientes, pH e temperatura mantidos durante uma determinada investigação.

Foi observado que, para um substrato facilmente degradável, o valor numérico de µm é alto, enquanto que, para um substrato que é difícil de degradar, o valor de µm é baixo. O valor numérico de Ks é baixo no caso de um substrato facilmente degradável e alto para um substrato que é difícil de degradar. Alguns valores típicos dos parâmetros cinéticos para processos de tratamento de águas residuais aeróbicas de culturas mistas estão listados na Tabela 9.6.

Geralmente, assume-se que b _v = b _d .

Verificou-se que a taxa de crescimento de massa celular viável para processos aeróbicos e processos anaeróbicos segue a Eq. (9, 37). Dados experimentais mostram que para processos anaeróbicos µm é menor e K _s é maior comparado àqueles listados para processos aeróbicos na Tabela 9.6.