Introdução: Hoje vamos conhecer o protagonista do tratamento biológico – o lodo ativado (transportador de diversos microrganismos). Desempenha um papel crucial nos processos de tratamento biológico, removendo poluentes como DQO, nitrogênio amoniacal, nitrogênio total e fósforo total das águas residuais através dos vários microrganismos presentes no lodo. Aqueles que visitaram estações de tratamento de águas residuais podem sentir um leve odor de lama; esse é o cheiro de lodo ativado!
01 A Origem do Lodo Ativado
O lodo ativado foi descoberto pela primeira vez em 1912 por Clark e Gage no Reino Unido, resultante de um pequeno experimento. No experimento, a aeração prolongada das águas residuais produziu lodo e a qualidade da água melhorou significativamente. Arden e Lockgtt estudaram posteriormente este fenômeno.
Os experimentos de aeração foram realizados em garrafas. Ao final de cada dia de experimento, as garrafas eram esvaziadas e o processo recomeçava no dia seguinte. Eles descobriram acidentalmente que, como as garrafas não eram completamente limpas, o efeito do tratamento era realmente melhor quando o lodo aderia às paredes das garrafas. Reconhecendo a importância do lodo deixado nas paredes da garrafa, deram-lhe o nome de lodo ativado.
Posteriormente, antes do final de cada dia de experimento, eles permitiram que as águas residuais aeradas assentassem, descartando apenas a camada superior de água purificada e deixando o lodo no fundo para uso no dia seguinte. Isso reduziu significativamente o tempo de tratamento de águas residuais.
Em 1916, foi construída a primeira estação de tratamento de águas residuais com lodo ativado utilizando este processo experimental.
02 Composição Estrutural e Propriedades Físicas do Lodo Ativado
O lodo ativado é uma substância floculenta formada por uma mistura de comunidades microbianas como bactérias, fungos, protozoários e metazoários com substâncias suspensas e coloidais em águas residuais. Possui forte capacidade de adsorver e decompor matéria orgânica e boas propriedades de sedimentação, além de possuir atividade bioquímica.
Flocos e bactérias filamentosas são componentes importantes do lodo ativado.
Os flocos são formados pela agregação de bactérias com muco ou cápsulas. Eles adsorvem impurezas e liberam microorganismos nas águas residuais, conferindo ao lodo ativado excelentes propriedades de sedimentação e protegendo os microorganismos nas águas residuais de serem ingeridos ou envenenados.
As bactérias filamentosas formam o esqueleto do lodo ativado. Eles crescem e se alongam sob a fixação de flocos, fazendo com que os flocos formem partículas maiores enquanto mantêm a frouxidão do lodo ativado.
Na aparência, o lodo ativado é geralmente amarelo ou amarelo{0}}acastanhado. Ele fica preto quando o suprimento de oxigênio é insuficiente ou anaeróbico, e branco-acinzentado quando o suprimento de oxigênio é excessivo e os nutrientes são insuficientes. O lodo ativado tem um alto teor de água, geralmente acima de 99%, e sua densidade é semelhante à da água, normalmente 1,002–1,003 kg/L.
03 Composição Microbiana do Lodo Ativado
Nos microrganismos de lodo ativado, os protozoários se alimentam de bactérias, enquanto os metazoários se alimentam de protozoários e bactérias, formando uma cadeia alimentar e uma comunidade biológica equilibrada. As bactérias do lodo ativado geralmente existem na forma de flocos, existindo menos em estado livre. Isso dá às bactérias a capacidade de resistir a fatores externos adversos. As bactérias livres não se fixam facilmente, mas podem ser atacadas por protozoários, tornando o efluente do tanque de sedimentação mais claro.
1. Bactérias
As bactérias são organismos-unicelulares. Eles são diversos, numerosos e de tamanho minúsculo dentro do lodo ativado, possuindo uma forte capacidade de adsorver e decompor matéria orgânica, desempenhando um papel crucial no tratamento de águas residuais.
Nas fases iniciais do cultivo com lodo ativado, as bactérias estão em grande parte livres nas águas residuais. À medida que o lodo se forma gradualmente, ele gradualmente se agrega em grupos maiores.
(1) Flocos: São partículas minúsculas e visíveis compostas por bactérias e suas substâncias gelatinosas secretadas. A maioria das bactérias presentes no lodo ativado está envolta em substâncias gelatinosas, existentes na forma de flocos. Os flocos são o centro estrutural e funcional do lodo ativado, possuindo propriedades como adsorção, decomposição oxidativa e sedimentação por coagulação.
(2) Bactérias Filamentosas: São um tipo de bactéria cujas células, com ou sem capsídeos, estão ligadas entre si para formar filamentos. As bactérias filamentosas frequentemente se ligam e se entrelaçam com os flocos bacterianos, formando o esqueleto da lama incrustante. No entanto, quando proliferam em grande número, podem piorar as propriedades de floculação e sedimentação do lodo ativado e, em casos graves, causar volume do lodo.
(3) Bactérias Nitrificantes As bactérias nitrificantes são um tipo de bactéria autotrófica que pode degradar amônia e nitrito. Elas incluem dois subgrupos fisiológicos: *Bactérias Nitrificantes* e *Bactérias Nitrificantes*, que pertencem a uma família independente-Família de Bactérias Nitrificantes. As bactérias nitrificantes obtêm energia para satisfazer as suas necessidades metabólicas, oxidando compostos inorgânicos através da nitrificação, utilizando CO2 como única fonte de carbono. São bactérias quimioautotróficas típicas. As bactérias nitrificantes possuem nitrificação, que se refere ao processo pelo qual as bactérias nitrificantes oxidam NH3 em NO2- sob condições aeróbicas, e posteriormente oxidam-no em NO3-, obtendo assim a energia necessária para o crescimento. A primeira etapa, a oxidação do NH3 em NO2-, é chamada de nitrificação ou oxidação da amônia, e é completada pelas bactérias nitrificantes; o segundo estágio, a oxidação de NO2- em NO3-, é chamado de nitrificação e é completado por bactérias nitrificantes. Portanto, a nitrificação comumente discutida inclui, na verdade, dois estágios: nitrificação por bactérias oxidantes de nitrito e nitrificação por bactérias nitrificantes.
(4) Bactérias Desnitrificantes: Bactérias desnitrificantes são bactérias quimioheterotróficas. Sob condições de deficiência-de oxigênio, eles reduzem nitratos a nitritos e reduzem ainda mais nitritos a gás nitrogênio, obtendo assim energia. Isto é essencialmente o oposto da função das bactérias nitrificantes (a natureza é interessante desta forma; dois tipos diferentes de bactérias realizam o ciclo do nitrogênio). As bactérias desnitrificantes estão amplamente distribuídas no solo e nas águas residuais, desempenhando um papel importante no tratamento de águas paisagísticas, na gestão de rios urbanos e no tratamento da aquicultura.
(5) Bactérias Acidificantes Hidrolíticas: São bactérias que podem utilizar moléculas orgânicas grandes e complexas para atividades vitais em ambientes anaeróbicos. A hidrólise é o processo pelo qual polímeros complexos e insolúveis são convertidos em monômeros ou dímeros solúveis simples. Devido ao seu grande peso molecular relativo, a matéria orgânica de alto peso-molecular-não consegue passar através das membranas celulares e, portanto, não pode ser utilizada diretamente pelas bactérias. Eles são primeiro convertidos em moléculas menores pela ação hidrolítica de enzimas extracelulares bacterianas. A característica mais típica desta fase é que a reação biológica ocorre extracelularmente. As bactérias completam as reações de oxidação biocatalítica liberando enzimas extracelulares livres ou enzimas imobilizadas ligadas à parede celular.
E assim por diante... existem muitos tipos de bactérias, então vou parar por aqui por enquanto. Introduções detalhadas de espécies bacterianas únicas podem ser fornecidas posteriormente.
2. Protozoários
Os protozoários são animais unicelulares pequenos, simples e de baixo-nível-. Existe um grande número de protozoários no lodo ativado do tratamento de águas residuais. Eles participam da purificação de águas residuais através da ingestão de partículas orgânicas. Além disso, como os protozoários são sensíveis às condições ambientais, a sua composição e quantidade mudam com as variações ambientais; portanto, são frequentemente usados como organismos indicadores. Exemplos comuns incluem vorticelas, amebas, flagelados e ciliados nadadores. Esses microrganismos representam mais de 80% do total. Caso o número de indivíduos ultrapasse 1000/mL, deve-se considerar lodo ativado com alta eficiência de purificação.
3. Micrometazoários
Os principais micrometazoários do lodo ativado são rotíferos e nematóides. Geralmente, o número de metazoários microscópicos no lodo ativado é relativamente pequeno. No entanto, em lodos ativados de baixa carga, especialmente em lodos ativados com aeração prolongada, rotíferos e oligoquetas podem às vezes se tornar as espécies dominantes.
04 Indicadores de Desempenho de Lodo Ativado A comunidade microbiana inclui principalmente bactérias, protozoários e metazoários, sendo bactérias e protozoários as duas categorias principais. Os indicadores de desempenho do lodo ativado incluem: sólidos suspensos em licor misto (MLSS), taxa de sedimentação de lodo (SV), índice de volume de lodo (SVI) e índice de densidade de lodo (SDI).
Os sólidos suspensos de licor misto (MLSS) representam o peso total de sólidos de lodo ativado contidos em uma unidade de volume de licor misto em um tanque de aeração, ou seja:
MLSS=Ma + Eu + Mi + Mii
Ma – A comunidade microbiana metabolicamente ativa;
Eu – Resíduos do metabolismo endógeno e auto{0}}oxidação de microrganismos (principalmente bactérias);
Mi – Matéria orgânica inerte de difícil degradação pelas bactérias, transportada pelas águas residuais brutas;
Mii – Matéria inorgânica transportada pelas águas residuais.
A unidade é mg/L ou kg/m³.
Os sólidos suspensos voláteis do licor misto (MLVSS) representam a concentração de sólidos orgânicos na lama ativada do licor misto, ou seja:
MLVSS=Ma + Eu + Mi
A proporção de MLVSS para MLSS é expressa como f. Em circunstâncias normais, o valor f é relativamente fixo, cerca de 0,75 para águas residuais domésticas.
Tanto o MLVSS quanto o MLSS podem ser usados para refletir a concentração de lodo em tanques de tratamento biológico. Comparações diárias de dados podem revelar o crescimento do lodo ativado. Porém, o MLVSS exclui matéria inorgânica, aproximando seu valor do número real de microrganismos.
A velocidade de sedimentação do lodo (SV), também conhecida como taxa de sedimentação de 30 minutos, é a porcentagem do volume de lodo precipitado formado após o licor misturado ter assentado em um cilindro graduado por 30 minutos, expresso como uma porcentagem (%).
Nos estágios iniciais do cultivo de lodo ativado, a velocidade de sedimentação pode ser usada para observar inicialmente o crescimento do lodo. Geralmente, o SV normal e estável do lodo ativado está entre 20-35%. Um SV mais baixo indica concentração insuficiente de lamas, enquanto um SV mais elevado indica um crescimento excessivamente rápido de lamas (nutrientes excessivos, possivelmente devido a uma fonte excessiva de carbono).
O índice de volume de lodo (SVI), também conhecido como índice de lodo, é o volume de lodo sedimentado (em mL) por grama de lodo seco após 30 minutos de sedimentação no licor misturado na saída do tanque de aeração. A fórmula para calcular o índice de volume de lodo é:
SVI=SV/MLSS
O SVI é usado para avaliar o desempenho de sedimentação do lodo, e sua faixa normal é normalmente entre 70 e 150 mL/g. Um valor baixo de SVI indica baixa atividade de lodo e alto teor de matéria inorgânica; um valor alto de SVI indica potencial acúmulo de lodo e baixo desempenho de sedimentação.
O índice de densidade de lodo (SDI), comumente referido como densidade, é o inverso do SVI.