O oxigênio dissolvido (OD) é um parâmetro muito importante para remoção biológica de nutrientes em processos de tratamento de efluentes. Em processos convencionais de tratamento biológico, utiliza-se, em geral, uma concentração de OD superior a 2 mg/L no reator aeróbio (DONG, et al., 2009). Normalmente, em função da elevada concentração de biomassa em MBRs, a demanda por aeração destes sistemas é superior a de sistemas convencionais. Ainda, deve considerar que em MBRs há a demanda de aeração no tanque de membranas para diminuir a deposição de sólidos e compostos na superfície das membranas, o que pode encarecer consideravelmente o processo. Por esta razão, a principal fonte de consumo de energia elétrica em MBRs é o sistema de aeração, que é utilizado para suprir a demanda da biomassa por OD, para manter a suspensão dos sólidos e para atenuar os efeitos do fouling nas membranas de forma direta e indireta (GERMAIN et al., 2007).
Para viabilizar economicamente a utilização de MBRs com remoção biológica de nitrogênio (anóxico/aeróbio) para um determinado tipo de efluente deve-se estudar também o efeito da diminuição da concentração de OD neste sistema. Desta forma, é possível determinar uma concentração ótima de OD que possibilite a nitrificação e desnitrificação com redução dos custos operacionais do processo, e que não provoque o aumento indireto do fouling através da alteração na concentração de EPS.
Assim como em todos os sistemas de tratamento biológico de efluentes por via aeróbia, a biomassa contida em sistemas de MBRs requer oxigênio para a realização de diferentes reações químicas. A quantidade ideal de oxigênio dissolvido para a biomassa deve suprir três demandas específicas: a demanda para a conversão de compostos orgânicos biodegradáveis em tecido celular e compostos químicos produzidos pelo metabolismo; a demanda para a ocorrência de nitrificação e a demanda para a oxidação dos compostos inorgânicos reduzidos presentes (GERMAIN; STEPHENSON, 2005).
A concentração e consumo de OD, juntamente com as limitações de transferência de massa do sistema biológico induzidas pela elevada concentração de biomassa dos MBRs, parecem ser o principal fator para a compreensão do mecanismo de remoção de nitrogênio (SARIOGLU et al., 2009).
Em geral, o incremento na concentração de OD pode aumentar as taxas de nitrificação, porém este aumento pode também ocasionar a inibição do processo de desnitrificação, causando um acúmulo de nitrito e nitrato no reator. Em contra partida, a diminuição da concentração de OD pode causar a inibição do processo de nitrificação e aumentar as taxas de desnitrificação (POCHANA; KELLER, 1999), (MENG et al., 2008). Além disso, em condições de limitação de oxigênio, a amônia pode ser utilizada como doadora de elétrons para a desnitrificação (PHILIPS et al., 2002).
A concentração de oxigênio dissolvido é extremamente importante para as bactérias oxidantes de amônia e de nitrito. As bactérias oxidantes de amônia são mais robustas em relação à concentração de oxigênio dissolvido do que as bactérias oxidantes de nitrito. Ou seja, a falta de oxigênio dissolvido influencia a atividade das bactérias oxidantes de nitrito de forma mais significativa. Esta diferença pode ser explicada pela energia superior liberada por quantidade de oxigênio consumido pelas oxidantes de amônia em comparação com as oxidantes de nitrito (VAN HULLE et al., 2010).
De acordo com Diab et al. (1992), a exposição de bactérias nitrificantes a limitações de OD provocam uma modificação fisiológica na biomassa. Os autores sugerem que estes microrganismos podem sobreviver em condições anaeróbias alterando seu metabolismo para o estado de repouso das células.
De todos os fatores que notoriamente afetam as bactérias nitrificantes, a concentração de OD é o mais significativo. Na literatura, vários relatos sugerem os efeitos da variação da concentração de OD em sistemas de tratamento biológico para diferentes tipos de efluentes.
Hanaki et al. (1990b) verificaram uma forte redução da oxidação de nitrito em baixas concentrações de OD. Park e Noguera (2004) também obtiveram resultados de redução de nitrificação, em baixas concentrações de OD a nitrificação completa não foi inicialmente atingida, demonstrando que até o momento não haviam bactérias oxidantes de amônia (AOB) em quantidade suficiente para nitrificar nas condições impostas. Knudson et al. (1982) e Wilén e Balmér (1999) verificaram pouca sedimentação do lodo ativado em baixas concentrações de OD devido ao crescimento excessivo de bactérias filamentosas e a formação de flocos porosos. Estes autores também observaram uma tendência de aumento do tamanho dos flocos com o aumento da concentração de oxigênio no meio.
Também foram observados efeitos positivos da diminuição da concentração de OD. Hanaki et al. (1990b) observaram uma relação inversamente proporcional entre o crescimento das bactérias oxidantes e a concentração de OD. Neste estudo, os autores concluíram que a elevada concentração de AOB no reator compensou a redução da taxa de oxidação de amônia por unidade de biomassa. Park e Noguera (2004), apesar de resultados iniciais inibitórios, obtiveram resultados finais de nitrificação completa em baixas concentrações de OD.
Sponza (2002) verificou, em geral, o aumento na concentração de proteínas e carboidratos em concentrações de OD de 0,5 a 2 mg/L em lodos ativados tratando efluentes industriais e municipais. Porém, também foi observada a diminuição na concentração das proteínas com o OD inferior a 0,1 mg/L. Resultados similares foram obtidos por Gao et al. (2011), que verificaram o aumento na concentração de EPS com a diminuição da concentração de OD de 4,0 para 0,5 mg/L.
Martins et al. (2003) relataram a forte influência da concentração de oxigênio dissolvido sobre a sedimentabilidade do lodo. Neste estudo foi demonstrado que a limitação de oxigênio dissolvido induz a seleção de bactérias filamentosas, e que este efeito pode ainda ser potencializado em condições de carga orgânica elevada. Ainda, verificou-se que o aumento na concentração de OD para 2,5 mg/L no sistema com excesso de filamentosas provocou uma rápida melhora na sedimentabilidade da biomassa. Em contrapartida, Guo et al. (2009) não verificaram diminuição significativa na sedimentabilidade do lodo em baixas concentrações de OD.
Também é sabido que elevadas concentrações de OD obtidas através do fluxo de ar comprimido provocam o aumento da intensidade de mistura do meio, aumentando, desta forma, o rompimento dos flocos e, portanto, causando efeito no seu tamanho (GERMAIN;
STEPHENSON, 2005). Entretanto, Wilén e Balmér (1999) não encontraram uma correlação clara entre a concentração de OD no meio e o efeito sobre o tamanho de floco em lodos ativados, embora tenham observado a presença de flocos maiores em concentração de OD mais elevada
3 MATERIAIS E MÉTODOS
Este capítulo apresenta a descrição da unidade experimental, do efluente e biomassa, da metodologia analítica e dos estudos realizados.