No campo do tratamento de águas residuais, a transformação biológica do nitrogênio é o processo central para alcançar a remoção de nitrogênio e fósforo e atender aos padrões de emissão. Este processo não envolve uma única reação, mas sim uma conclusão coordenada de três etapas principais: amonificação, nitrificação e desnitrificação. Em conjunto, estes passos convertem gradualmente o azoto orgânico complexo e o azoto inorgânico presentes nas águas residuais em gás azoto inofensivo, reduzindo fundamentalmente a carga de azoto nas massas de água.
Introdução
O nitrogênio no esgoto existe principalmente nas formas de nitrogênio orgânico (como proteínas e uréia) e nitrogênio amoniacal. A descarga direta pode levar a problemas ambientais, como a eutrofização de corpos d'água. Os métodos de tratamento biológico, com as suas vantagens de elevada eficiência e economia, tornaram-se a principal tecnologia para a remoção de azoto dos esgotos. O princípio fundamental é utilizar as atividades metabólicas de diferentes microrganismos sob condições ambientais específicas para transformar gradualmente os elementos de nitrogênio, conseguindo, em última análise, a remoção gasosa dos corpos d'água para a atmosfera. A seguir, dissecaremos sistematicamente o mecanismo central deste processo.
I. Amonificação: conversão de nitrogênio orgânico em nitrogênio amoniacal
A amonificação é o primeiro passo na remoção de nitrogênio das águas residuais, referindo-se à conversão de compostos orgânicos de nitrogênio em
O processo é facilitado principalmente pela amonificação de bactérias. Dependendo do teor de oxigênio do ambiente, pode ser categorizado em duas vias: transformação aeróbica e transformação anaeróbica
1. Transformação aeróbica
Sob condições aeróbicas, microrganismos como Aeromonas hydrophila, Bacillus cereus e Proteus vulgaris facultativo participam da reação, degradando principalmente o nitrogênio orgânico através de dois mecanismos principais:
• Desaminação oxidativa: Sob a catálise das oxidases, os aminoácidos perdem gradualmente seus grupos amino para gerar cetoácidos e amônia.
Tomando alanina como exemplo:
CH3CH(NH2)COOH→ CH3C(NH2)COOH → CH3COCOOH + NH3
(Alanina → Ácido iminopropiônico → Ácido pirúvico + Amônia)
• Hidrólise de amônia: sob a ação de enzimas hidrolíticas, compostos orgânicos-contendo nitrogênio, como a uréia, são hidrolisados para produzir amônia.
Reação de hidrólise da uréia:
(NH2)2CO + 2H2O → 2NH3 + CO2 + H2O
As bactérias envolvidas neste processo incluem bactérias aeróbicas, como Enterococcus faecalis e Bacillus urea.
2. Conversão anaeróbica
Em ambientes anaeróbicos ou com-deficiência de oxigênio, microrganismos anaeróbios e anaeróbios facultativos completam a amonização por meio de três caminhos:
• Redução e desaminação:
RCH(NH2)COOH + 2H → RCH2COOH + NH3
• Remoção-de amônia à base de água:
RCH(NH2)COOH + 2H2O → RCH(OH)COOH + NH3
• Desidratação e desaminação:
CH2(OH)CH(NH2) → CH3COCOOH + NH3+H2O
II. Nitrificação: Oxidação de nitrogênio amoniacal em nitrogênio nitrato
A nitrificação é a segunda reação central que oxida NH3-N em NOx-N, que é sinergicamente completada por bactérias nitrito e bactérias nitrato, e é dividida em dois estágios: nitritação e nitrificação
1. Mecanismo de reação
• Reação de nitrição (dominada por bactérias nitríticas):
NH3 + 1.5O2 → NO2− + H+ + H2O + 273.5kJ
• Reação de nitrificação (dominada por nitrobactérias):
NO2− + 0.5O2 → NO3− + 73.19kJ
• Fórmula de reação geral:
NH3 + 2O2 → NO3− + H+ + H2O + 346.69kJ
2. Principais características do processo
• Alta demanda de oxigênio: Consumo teórico de 4,2g por remoção de 1g, portanto a reação de nitrificação precisa ser realizada em condições de aeração suficientes.
• Baixa taxa de crescimento: As bactérias nitrificantes têm um rendimento celular extremamente baixo e são mais propensas à atividade insuficiente durante os meses frios do inverno. Portanto, é necessário manter uma concentração elevada de lodo para garantir a eficiência do tratamento.
• Consumo de alcalinidade: A reação gera grande quantidade de H+. Teoricamente, 7,54g de alcalinidade (calculada como CaCO3) são consumidos para cada 1g de oxidação. É necessário manter a estabilidade do pH do sistema adicionando agentes alcalinos.
III. Desnitrificação: Redução de nitrogênio nitrato em gás nitrogênio
A desnitrificação é a etapa final na remoção de nitrogênio das águas residuais. Refere-se ao processo em que bactérias desnitrificantes reduzem NOx-N e outros óxidos de nitrogênio a gás nitrogênio ou óxidos de nitrogênio gasosos como aceitadores de elétrons sob condições anaeróbicas ou deficientes em oxigênio (DO < 0,3~0,5mg/L).
1. Mecanismo de reação
𝑁𝑂3−→𝑁𝑂2−→>𝑁𝑂→𝑁2𝑂→𝑁2
Reação de redução completa (tomando como exemplo compostos orgânicos como doadores de elétrons):
NO3−+5[H] (doador de elétrons) → 0,5N2 + 2H2O + OH−
NO2− + 3[H] (doador de elétrons) → 0,5N2 + H2O + OH−
2. Requisitos de fonte de carbono e características microbianas
• Consumo de fonte de carbono: Teoricamente, são necessários 2,86g de fonte de carbono para converter 1g de nitrogênio nitrato em N2, e 1,71g de matéria orgânica são necessários para converter 1g de nitrogênio nitrito.
• Diversidade de doadores de elétrons: [H] pode ser fornecido por compostos orgânicos, sulfetos, etc., oferecendo múltiplas opções de fontes de carbono para otimização de processos.
• Características microbianas: As bactérias desnitrificantes são principalmente bactérias facultativas, que respiram usando O2 como aceptor terminal de elétrons na presença de oxigênio e usam NOx-N para respirar na ausência de oxigênio. Esta característica é a base central do processo de desnitrificação anóxica.
Resumo
A transformação biológica do nitrogênio no esgoto é um processo em cadeia que está interligado:
A amonificação decompõe as moléculas de nitrogênio orgânico, liberando nitrogênio amoniacal;
A nitrificação envolve a oxidação gradual do nitrogênio amoniacal em nitrogênio nitrato em um ambiente aeróbio;
A desnitrificação reduz o nitrogênio nitrato a gás nitrogênio em ambientes anóxicos, conseguindo, em última análise, a remoção do nitrogênio dos corpos d'água para a atmosfera.
A operação eficiente deste processo depende do controle preciso sobre parâmetros-chave, como teor de oxigênio, alcalinidade, fonte de carbono e temperatura, e serve como suporte técnico central para alcançar a remoção estável de nitrogênio em estações modernas de águas residuais urbanas e tratamento de águas residuais industriais.
