O processo de lodo ativado é a tecnologia de tratamento biológico de águas residuais mais amplamente utilizada. Em um sistema de lodo ativado, os microrganismos que purificam as águas residuais estão em um estado de crescimento suspenso-eles se agrupam em pequenos grupos, formando flocos, e ficam suspensos no licor misto sob aeração, agitando-se com o fluxo de água. Os microrganismos e as águas residuais entram em contato total, eliminando os poluentes da água.
Este sistema funciona muito bem, mas tem uma desvantagem: é delicado. Se o volume de águas residuais afluentes aumentar repentinamente, sua concentração aumentar repentinamente, ou a temperatura da água cair repentinamente, ou o pH flutuar drasticamente, os microrganismos podem "atuar"-o efeito do tratamento diminuirá, ou até mesmo ocorrerá um acúmulo de lodo, afetando a operação normal do sistema.
Portanto, os engenheiros se perguntaram se poderiam mudar sua abordagem, permitindo que os microrganismos “se estabelecessem” em um local fixo, em vez de flutuarem constantemente na água.
Este é o processo do biofilme. Simplificando, o processo de biofilme utiliza microorganismos que crescem em meios filtrantes ou em um transportador para tratar águas residuais.
A ideia central da tecnologia de biofilme é simples: fornecer aos microrganismos “casas” fixas onde possam se estabelecer, reproduzir e formar uma “comunidade microbiana”. As águas residuais fluem através desta comunidade e os poluentes no seu interior são consumidos pelos “residentes”.
Essas “casas” são profissionalmente chamadas de materiais de embalagem ou transportadores. Diferentes processos de biofilme utilizam transportadores completamente diferentes. Os tipos mais comuns são:
O primeiro tipo: Material de embalagem em oxidação por contato biológico – “bolas de filamentos de plástico” penduradas no tanque
O tanque de oxidação de contato é preenchido com fios de materiais de embalagem, semelhantes a grandes escovas de plástico. As águas residuais são aeradas do fundo do tanque e descarregadas para cima, fazendo com que esses materiais de embalagem balancem suavemente na água, cobertos por um biofilme marrom-amarelado. Este tipo de material de embalagem possui uma grande área superficial específica; 1 metro cúbico pode fornecer de 800 a 900 metros quadrados de “espaço vital”.
O segundo tipo: Discos em discos rotativos biológicos – “discos rotativos”
Os discos rotativos biológicos não utilizam materiais de embalagem; suas “casas” são os próprios discos – dezenas de discos grandes, de 2 a 3 metros de diâmetro, amarrados em um eixo giratório e girados lentamente por um motor com redução de velocidade. O primeiro tipo envolve um disco de filtro biológico, metade submerso em águas residuais e metade exposto ao ar. Os microrganismos crescem em ambos os lados do disco, adsorvendo poluentes quando submersos e absorvendo oxigênio do ar quando expostos à superfície. Este projeto tem consumo de energia relativamente baixo, não requer aeração adicional e é econômico em operação.
O terceiro tipo: O material de embalagem para um filtro biologicamente aerado (BAF) – "um leito filtrante feito de pequenas pedras cerâmicas"
A BAF utiliza pequenos seixos cerâmicos com diâmetro de 3 a 6 milímetros, empilhados como pequenos seixos no tanque. As águas residuais fluem de baixo para cima, enquanto a aeração ocorre simultaneamente de baixo para cima. Este desenho de partículas pequenas tem duas vantagens: em primeiro lugar, uma grande área superficial específica, resultando em elevada biomassa por unidade de volume; em segundo lugar, as lacunas entre as partículas retêm os sólidos em suspensão, tornando o efluente do BAF excepcionalmente claro.
O quarto tipo: O material de embalagem para um biofiltro biológico (MBBR) – “pequenas folhas de plástico caindo na água”
O MBBR utiliza pequenas folhas plásticas suspensas, em formato de pequenas rodas ou cilindros, com densidade um pouco mais leve que a da água. Sob aeração, esses materiais de embalagem giram e fluem continuamente no tanque, permitindo que o biofilme entre em contato com as águas residuais à medida que elas se movem. O material de embalagem está em constante movimento; o biofilme envelhecido é removido e o novo biofilme cresce continuamente, eliminando a necessidade de retrolavagem manual. Possui fortes recursos de auto{3}limpeza e não obstrui o tanque.
O quinto tipo: O transportador de um leito fluidizado biológico – “pequenas partículas caindo como mingau”
Leitos fluidizados biológicos usam transportadores ainda menores, normalmente areia de 0,3 a 1 mm, carvão ativado ou partículas de coque. Impulsionadas por água ou fluxo de ar em alta-velocidade, essas minúsculas partículas caem continuamente e fluidizam como mingau. Como o transportador é extremamente pequeno, cada metro cúbico de transportador pode fornecer de 2.000 a 3.000 metros quadrados de espaço vital, resultando na maior concentração microbiana e taxa de carga volumétrica entre todos os processos de biofilme. Possui eficiência de tratamento extremamente alta e ocupa um espaço muito pequeno, mas seu design e operação também são relativamente complexos.
Cada um desses diferentes tipos de "casas" tem seus próprios cenários aplicáveis. A oxidação de contato é adequada para tratamento de águas residuais de pequeno a médio-tamanho, o MBBR é adequado para modernização e expansão, o BAF é adequado para tratamento avançado, os discos rotativos biológicos são adequados para cenários de pequeno-volume e economia de energia-e os leitos fluidizados biológicos são adequados para águas residuais industriais de alta-concentração ou cenários com espaço limitado.
1. Como um biofilme “cresce”?
Quando o material de embalagem é colocado nas águas residuais e as águas residuais continuam a fluir através dele, esse processo começa.
Etapa 1: os microrganismos passam e se instalam
As águas residuais contêm um grande número de microrganismos. À medida que fluem pela superfície do material de embalagem, alguns ficam presos. Esta ligação inicial depende de interações eletrostáticas e forças de van der Waals.
Etapa 2: Da liquidação temporária à liquidação-de longo prazo
Os microrganismos presos começam a secretar uma substância pegajosa chamada substâncias poliméricas extracelulares (APIs). Essa substância atua como uma cola, fixando firmemente os microrganismos à superfície do material de embalagem, formando a “estrutura arquitetônica” do biofilme.
Etapa 3: Estabelecer-se e espalhar-se Proliferar
Depois de se instalarem, os microrganismos começam a crescer e a se reproduzir. Um vira dois, dois vira quatro… Logo, uma fina camada de filme microbiano cobre a superfície do material de embalagem. Este é o biofilme.
Etapa 4: Formação de uma comunidade madura
Com o tempo, o biofilme torna-se mais espesso e os “residentes” dentro dele tornam-se mais diversificados. Não apenas bactérias, mas também fungos, protozoários e metazoários aparecerão. Uma cadeia alimentar se forma entre eles: as bactérias comem poluentes, os protozoários comem bactérias e os metazoários comem protozoários. Um pequeno ecossistema completo é assim estabelecido.
Este processo é profissionalmente chamado de formação de biofilme. Para águas residuais urbanas típicas, sob temperaturas adequadas, a formação de biofilme pode ser concluída em aproximadamente 7 a 20 dias.
2. Estrutura do Biofilme
Embora um biofilme seja apenas uma membrana fina, sua estrutura interna é bastante estratificada. Dependendo da qualidade das águas residuais e das condições de fornecimento de oxigénio, nem sempre podem formar três camadas completas; em alguns cenários, apenas uma camada aeróbica e uma anaeróbica podem ser formadas.
A camada mais próxima do material de embalagem é a camada anaeróbica. Esta camada está mais distante das águas residuais, dificultando a difusão do oxigênio. É habitado principalmente por bactérias anaeróbias. Eles não necessitam de oxigênio, obtendo energia pela decomposição de matéria orgânica complexa, mas sua eficiência de decomposição é relativamente baixa.
A camada mais próxima das águas residuais é a camada aeróbia. Essa camada possui oxigênio relativamente abundante e é habitada por bactérias aeróbias, que são a “força principal” do processo; a degradação da matéria orgânica ocorre principalmente aqui.
Se as águas residuais necessitarem de desnitrificação, uma camada anóxica se formará no meio, onde bactérias facultativas podem realizar a desnitrificação, convertendo nitratos em gás nitrogênio. É precisamente por causa dessa estrutura em camadas que o biofilme pode completar simultaneamente reações aeróbicas e anaeróbicas dentro da mesma camada,-algo difícil de conseguir em processos de lodo ativado por crescimento suspenso.
3. Renovação do Biofilme
Os biofilmes não crescem indefinidamente. Quando atingirem uma certa espessura, irão se desprender e se renovar. A principal razão é que a camada anaeróbica interna torna-se cada vez mais espessa. Quando a camada anaeróbica atinge uma certa espessura, os microrganismos próximos à superfície do transportador, sem matéria orgânica para nutrição, entram em uma fase de respiração endógena, enfraquecendo sua capacidade de fixação ao transportador. Sob a força de cisalhamento do fluxo de água externo, o biofilme envelhecido irá se separar em manchas. O biofilme destacado flui com o fluxo de água e novos microrganismos aderem imediatamente aos locais destacados. Desta forma, o biofilme antigo se desprende e o novo biofilme cresce, mantendo um alto nível de atividade do biofilme.
Este mecanismo resulta numa taxa de produção de lodo significativamente menor em comparação com o processo de lodo ativado. Embora a remoção periódica do lodo ainda seja necessária, ela elimina a necessidade do controle frequente e preciso exigido pelo processo de lodo ativado, simplificando consideravelmente a operação e o gerenciamento.
4. Comparação de processos de lodo ativado e biofilme
No lodo ativado, os microrganismos ficam suspensos no licor misturado, enquanto no biofilme, os microrganismos ficam imobilizados no material de embalagem. No que diz respeito à resistência às cargas de choque, os processos de lamas ativadas são geralmente menos eficazes, com flutuações na qualidade e quantidade da água levando facilmente a um declínio na eficiência do tratamento; os processos de biofilme são muito mais fortes e robustos.
Em termos de adaptabilidade a águas residuais de baixa{0}concentração, os microrganismos de lodo ativado são propensos à subalimentação, resultando em diminuição da atividade; os processos de biofilme mantêm alta atividade mesmo com concentrações afluentes muito baixas.
Em relação ao volume de lodo, os processos de lodo ativado são propensos ao volume de lodo; os processos de biofilme não, pois os microrganismos são imobilizados.
Em termos de biomassa por unidade de volume, os processos de lodo ativado normalmente produzem 2 a 4 gramas por litro, enquanto os processos de biofilme podem atingir 10 a 20 gramas por litro, 3 a 5 vezes mais.
Na nitrificação e desnitrificação simultâneas, o processo de lodo ativado requer recirculação entre diferentes tanques; o processo de biofilme, devido à sua estrutura estratificada, pode conseguir isso dentro do mesmo tanque.
Como escolher? Simplificando: para grandes volumes de águas residuais municipais estáveis, o processo de lamas ativadas é uma tecnologia madura; para águas residuais com grandes oscilações de volume e qualidade, baixa concentração ou que requerem desnitrificação simultânea, o processo de biofilme é mais vantajoso.
5. Principais Processos de Biofilme
Os principais processos incluem: oxidação de contato biológico, MBBR, filtro biológico aerado (BAF), disco rotativo biológico, leito fluidizado biológico e filtros biológicos tradicionais (comuns, de alta{0}}carga, tipo torre). Embora esses processos sejam diferentes na forma, seu princípio fundamental é o mesmo-permitindo que microrganismos se liguem a um transportador para formar um biofilme, usando essa membrana para purificar águas residuais.
As principais diferenças são duas: primeiro, o tipo de discos fixos "domésticos"-, material de embalagem que enche o tanque, pequenas partículas cerâmicas empilhadas em uma camada de filtro, pequenas folhas de plástico caindo ou micropartículas fluidizadas; segundo, como o oxigênio é fornecido-ventilação natural, rotação de disco ou aeração artificial.
O processo de biofilme envolve a construção de habitats para microrganismos, permitindo-lhes assentar e ajudar a tratar águas residuais.
Depois que os microrganismos se mudam para suas "casas", eles secretam uma substância pegajosa para se ancorarem, crescerem e se reproduzirem, formando um biofilme estruturado -uma camada aeróbica externa responsável pela degradação da matéria orgânica e uma camada anaeróbica interna responsável pela decomposição adicional (uma camada anóxica pode se formar no meio, dependendo da qualidade da água). As águas residuais fluem e os poluentes são gradualmente absorvidos por cada camada. À medida que o biofilme atinge uma certa espessura, as camadas antigas se desprendem e as novas continuam a crescer. Não há necessidade de se preocupar com o volume de lodo ou com ajustes frequentes de descarga de lodo, tornando a operação e o gerenciamento muito mais fáceis!