O excesso de poluentes de azoto e fósforo nas massas de água é a principal causa de problemas ambientais aquáticos, como a eutrofização, a proliferação de algas e as marés vermelhas, conduzindo a uma série de problemas, incluindo a deterioração da qualidade da água, o desequilíbrio do ecossistema aquático e as ameaças à segurança da água potável. Em comparação com os processos de tratamento químico e físico, a tecnologia biológica de remoção de nitrogênio e fósforo tornou-se o processo central para o tratamento avançado de águas residuais nas atuais estações de tratamento de águas residuais devido às suas vantagens, como efeitos de tratamento estáveis, baixos custos operacionais, ausência de poluição secundária e adaptabilidade a cenários de tratamento de águas residuais municipais e industriais. O princípio fundamental da remoção biológica de nitrogênio e fósforo em águas residuais é utilizar as atividades metabólicas de diferentes microrganismos funcionais em um ambiente alternado anaeróbico, anóxico e aeróbico controlado para converter gradualmente poluentes como nitrogênio orgânico, nitrogênio amoniacal e fósforo total em águas residuais em substâncias gasosas que escapam ou solidificam em lodo que é descarregado do corpo d'água, alcançando assim a purificação da água.
I. Princípios Fundamentais da Remoção Biológica de Nitrogênio de Águas Residuais
O nitrogênio nas águas residuais existe em formas complexas, incluindo principalmente nitrogênio orgânico, nitrogênio amoniacal, nitrogênio nitrito e nitrogênio nitrato. A remoção biológica de nitrogênio não é um processo de reação único, mas sim uma-reação bioquímica microbiana-amonização, nitrificação e desnitrificação-de três etapas que, em última análise, converte várias formas de nitrogênio em gás nitrogênio, removendo-o do corpo d'água e alcançando a remoção total de nitrogênio. Todo o processo depende das atividades metabólicas de diferentes comunidades bacterianas em seus ambientes específicos.
(I) Reação de Amonização (Conversão de Nitrogênio Orgânico)
Sob condições aeróbicas ou anaeróbicas, os poluentes orgânicos de nitrogênio nas águas residuais, como proteínas, uréia e aminoácidos, são hidrolisados e oxidados em nitrogênio amoniacal inorgânico (NH₃-N) por meio da decomposição e metabolismo de bactérias amonificantes. Esta reação é a pré-reação fundamental da remoção biológica de nitrogênio, altamente adaptável ao meio ambiente e não requer controle rigoroso de parâmetros como oxigênio dissolvido e temperatura, permitindo que ela prossiga sem problemas sob condições convencionais de tratamento de águas residuais. O processo de reação converte nitrogênio orgânico complexo em nitrogênio inorgânico simples, fornecendo substratos para reações subsequentes de nitrificação e desnitrificação, e é o primeiro passo na remoção de nitrogênio.
(II) Nitrificação (oxidação de nitrogênio amoniacal)
A nitrificação é uma reação de oxidação dominada por microrganismos autotróficos aeróbios, consistindo em duas etapas: nitrificação e nitrificação. É necessário oxigênio suficiente durante todo o processo, e os microrganismos exibem taxas de crescimento lentas, longos ciclos de geração e alta sensibilidade à temperatura ambiente, pH e oxigênio dissolvido. A primeira etapa é a nitrificação, onde as bactérias nitrificantes oxidam o nitrogênio amoniacal em nitrogênio nitrito; o segundo estágio é a nitrificação, onde as bactérias nitrificantes oxidam ainda mais o nitrogênio nitrito em nitrogênio nitrato estável.
As bactérias nitrificantes são autotróficas, o que significa que não consomem poluentes orgânicos nas águas residuais. Em vez disso, utilizam a energia química gerada a partir da oxidação do azoto amoniacal como fonte de energia para fixar o dióxido de carbono e sintetizar as suas próprias substâncias. Este processo é uma etapa chave de oxidação na remoção de nitrogênio, realizando a conversão do nitrogênio redutor em nitrogênio oxidante e fornecendo substratos de reação para subsequente desnitrificação.
(III) Desnitrificação (Remoção de Nitrato e Nitrogênio)
A desnitrificação é uma reação de redução dominada por microrganismos heterotróficos anaeróbicos e é a etapa central final na remoção biológica de nitrogênio. Em um ambiente anaeróbico sem oxigênio molecular, mas contendo nitrogênio nitrato, as bactérias desnitrificantes utilizam fontes de carbono orgânico em águas residuais como doadores de elétrons para reduzir gradualmente o nitrogênio nitrato e o nitrogênio nitrito produzidos na reação de nitrificação, gerando, em última análise, gás nitrogênio (N₂) que escapa para a superfície da água, removendo completamente o nitrogênio das águas residuais.
O processo de desnitrificação deve distinguir estritamente entre ambientes anaeróbicos e anóxicos: um ambiente anaeróbico carece de oxigênio molecular, mas contém oxigênio combinado (nitrogênio nitrato), permitindo que a reação de desnitrificação ocorra normalmente; enquanto um ambiente anaeróbico carece de oxigênio combinado, evitando a reação de desnitrificação. Simultaneamente, uma fonte de carbono orgânico é uma condição essencial para a desnitrificação; fontes insuficientes de carbono levam diretamente a uma diminuição significativa na eficiência de remoção de nitrogênio. Na engenharia prática, a suplementação com fontes de carbono exógenas é frequentemente usada para garantir a eficácia da remoção de nitrogênio.
II. Princípios Básicos de Remoção Biológica de Fósforo de Águas Residuais
O principal grupo bacteriano funcional para a remoção biológica de fósforo são as bactérias-acumuladoras de polifosfato (PAOs). Esses microrganismos possuem características metabólicas únicas, permitindo-lhes completar um ciclo de "liberação de fósforo-absorção de fósforo" sob alternância de ambientes anaeróbicos e aeróbicos, conseguindo, em última instância, a remoção total de fósforo do corpo d'água por meio da descarga do excesso de lodo. Ao contrário da desnitrificação, a remoção biológica do fósforo não produz subprodutos gasosos. Em vez disso, solidifica os fosfatos na água dentro dos microrganismos, liberando-os como lodo.
(I) Estágio de liberação anaeróbica de fósforo
Em um ambiente estritamente anaeróbico, livre de oxigênio molecular e nitrogênio nitrato, as bactérias-acumuladoras de polifosfato (PABs) não podem utilizar oxigênio externo para a respiração aeróbica, limitando suas fontes de energia metabólica. Nesse estado, os PPAs decompõem os polifosfatos armazenados em suas células, liberando energia para absorver fontes de carbono orgânico de baixo peso-molecular-, como ácidos graxos voláteis (AGVs) de águas residuais, convertendo-os em polihidroxialcanoatos (PHAs) para armazenamento dentro das células. Durante esse processo, os fosfatos intracelulares são liberados nas águas residuais, causando um aumento momentâneo no teor de fósforo da água-este é o processo de liberação anaeróbica de fósforo.
(II) Estágio Aeróbico de Absorção de Excesso de Fósforo
Quando o ambiente muda para um estado aeróbio, os PPAs já não absorvem fontes de carbono orgânico, mas decompõem os PHAs armazenados na fase anaeróbica, obtendo uma grande quantidade de energia através da oxidação e decomposição da matéria orgânica. Utilizando essa energia, as bactérias{1}acumuladoras de polifosfato (PACs) absorvem excessivamente o fosfato das águas residuais, excedendo em muito a quantidade liberada durante o estágio anaeróbico. O excesso de fosfato é então armazenado dentro das células como polifosfato, conseguindo o enriquecimento e remoção de fósforo da água.
Em última análise, os PACs-ricos em fósforo assentam com o lodo e são completamente removidos do sistema de águas residuais por meio da descarga de lodo residual do sistema, completando assim todo o processo biológico de remoção de fósforo. As características metabólicas alternadas dos PACs são o núcleo da remoção biológica de fósforo, e uma mudança estável de ambiente anaeróbico-aeróbico é crucial para garantir a eficiência da remoção de fósforo.
III. Fatores-chave que afetam a remoção biológica de nitrogênio e fósforo
A eficácia da remoção biológica de nitrogênio e fósforo depende inteiramente da atividade microbiana. As características metabólicas dos microrganismos determinam os principais parâmetros de controle da operação do processo. Os principais fatores de influência incluem duas categorias: parâmetros ambientais e parâmetros de qualidade da água.
1. Oxigênio dissolvido: A nitrificação e a absorção aeróbica de fósforo requerem oxigênio dissolvido suficiente; a desnitrificação anóxica requer um ambiente com-oxigênio estritamente baixo; e a liberação anaeróbica de fósforo requer um ambiente absolutamente anaeróbico. As interrupções no ambiente de oxigênio levarão diretamente à falha na remoção de nitrogênio e fósforo.
2. Conteúdo da fonte de carbono: Tanto as bactérias desnitrificantes quanto as bactérias acumuladoras de polifosfato dependem de fontes orgânicas de carbono para o metabolismo. Quando a proporção de carbono-para-nitrogênio e a proporção de carbono-para-fósforo das águas residuais são muito baixas, fontes exógenas de carbono, como acetato de sódio e glicose, precisam ser adicionadas; caso contrário, ocorrerá remoção incompleta de nitrogênio e baixa eficiência de remoção de fósforo.
3. pH e temperatura: O pH ideal para bactérias nitrificantes é 7,5-8,5, enquanto o pH ideal para bactérias acumuladoras de polifosfato é 6,5-8,0. A temperatura ideal para microorganismos é de 20 a 30 graus. As baixas temperaturas reduzirão significativamente a atividade bacteriana e a eficiência do tratamento.
4. Idade do lodo: As bactérias nitrificantes têm um longo ciclo de geração, exigindo uma idade mais longa do lodo para garantir a sobrevivência bacteriana. As bactérias-acumuladoras de polifosfato, por outro lado, têm uma idade de lodo mais curta; idades excessivamente longas do lodo podem levar à liberação de fósforo do lodo. Portanto, o processo real precisa equilibrar a idade do lodo para garantir a eficiência da remoção de nitrogênio e fósforo.
4. Princípios convencionais de aplicação de processos
Com base nos princípios básicos de remoção de nitrogênio e fósforo acima, a indústria desenvolveu vários processos maduros, todos com o objetivo de criar ambientes alternados de reações anaeróbicas, anóxicas e aeróbicas. O processo A²/O é o processo mais clássico de remoção simultânea de nitrogênio e fósforo. Ele completa sequencialmente a liberação de fósforo e o armazenamento de carbono por bactérias acumuladoras de polifosfato-na zona anaeróbica, a desnitrificação na zona anóxica e a nitrificação e absorção excessiva de fósforo por bactérias acumuladoras de polifosfato-na zona aeróbia. Finalmente, a remoção simultânea de nitrogênio e fósforo é obtida através da sedimentação e descarga do lodo. Além disso, os processos modificados de A²/O, SBR e valas de oxidação são todos baseados em princípios bioquímicos fundamentais, otimizando a estrutura do tanque e a sequência operacional para se adaptar às diferentes necessidades de tratamento de qualidade da água.
V. Conclusão
A essência da remoção biológica de nitrogênio e fósforo de águas residuais é utilizar as características metabólicas diferenciadas de microrganismos funcionais e regular artificialmente o ambiente aquático para conseguir a transformação de poluentes de nitrogênio e fósforo e sua remoção do corpo d'água. A remoção de nitrogênio depende das reações graduais de amonificação, nitrificação e desnitrificação para obter a remoção gasosa, enquanto a remoção de fósforo depende do metabolismo cíclico de-bactérias acumuladoras de polifosfato-liberação de fósforo anaeróbico e absorção aeróbica de fósforo-para alcançar a solidificação e remoção do lodo. Uma compreensão profunda dos seus princípios bioquímicos é a base fundamental para otimizar os processos de tratamento de águas residuais, melhorar a eficiência da remoção de nitrogênio e fósforo e resolver o problema da eutrofização em corpos d'água. Também fornece importante suporte teórico para conservação de energia, redução de emissões e melhoria do tratamento de águas residuais.
