A remoção biológica de nitrogênio no tratamento de efluentes ocorre por dois mecanismos principais: 1) síntese de biomassa e 2) nitrificação e desnitrificação biológica.
Assimilação pela biomassa
Considerando que o nitrogênio é um nutriente essencial ao crescimento dos microrganismos em sistemas de lodos ativados, é
Superfície externa seletiva
Material retido
Fluxo de retrolavagem Fibra oca
esperado que uma parte da matéria nitrogenada presente nos esgotos seja removida via síntese celular (METCALF e EDDY, 2003).
A remoção de nitrogênio via assimilação pela biomassa depende da produção diária de lodo, que, por sua vez é proporcional à carga orgânica aplicada ao reator e inversamente proporcional à idade de lodo utilizada (FATONE, 2008). Em reatores de alta carga, a assimilação do nitrogênio pode atingir valores elevados, especialmente quando o afluente apresenta altas concentrações de DBO e nitrogênio. No tratamento de esgoto doméstico, a porcentagem de remoção de nitrogênio via síntese da biomassa pode variar de 15 a 30% (EPA, 2010). O aumento da idade do lodo, por sua vez, intensifica o decaimento endógeno da biomassa, liberando N-NH4
+
intracelular, que leva a uma redução da remoção de nitrogênio presente no esgoto via síntese celular. No caso dos biorreatores à membrana, em que é usual a aplicação de elevadas idades de lodo, a produção de biomassa é bastante reduzida, fazendo com que a remoção de nitrogênio via síntese celular seja menos representativa frente aos processos de nitrificação- desnitrificação (STEPHENSON et al., 2000).
Nitrificação
A nitrificação é descrita como o processo de conversão da amônia a nitrato, que ocorre sob a presença de oxigênio dissolvido e que se desenvolve em duas etapas subsequentes: inicialmente tem-se a oxidação da amônia a nitrito, e em seguida a oxidação do nitrito a nitrato (JORDÃO & PESSÔA, 2005).
Conversão de amônia em nitrito: A conversão da amônia em nitrito é realizada pelas bactérias oxidadoras de amônia (BOA), das quais Bitton (2005) destaca as Nitrosomonas, Nitrosospira, Nitrosococcus e Nitrosolobus. A oxidação da amônia a nitrito é conduzida conforme as equações 3.1 e 3.2 NH3 + O2 + 2H + → NH2OH +H2O + energia Eq. 3.1 NH2OH + H2O→ NO2 - + 5H+ Eq. 3.2
A reação global da primeira etapa do processo é expressa conforme equação 3.3. NH4 + + 1,5 O2 → NO2 - + 2H+ +H2O + energia Eq. 3.3 Conversão do nitrito em nitrato. A conversão do nitrito em nitrato é realizada pelas bactérias oxidadoras de nitrito (BON), das quais as Nitrobacters, Nitrospina, Nitrospira, e Nitrococcus são as principais representantes (WOLFE e LIEU, 2002). A oxidação do nitrito se desenvolve conforme a equação abaixo:
NO2 - + 0,5 O2 → NO3 - + energia Eq. 3.4 Durante o processo de nitrificação, a energia gerada é utilizada pelos microrganismos para assimilar CO2 como fonte de carbono. Nesse processo, ocorre a liberação de íons hidrogênio no licor misto (Equação 3.2), e em decorrência uma diminuição do pH é verificado. Caso a alcalinidade do sistema não seja suficiente para tamponar o excesso de íons H+, pode então ocorrer uma redução na taxa de crescimento das bactérias nitrificantes, uma vez que o pH ótimo para estes microrganismos, segundo Metcalf & Eddy (2003), está situado entre 7,5 e 8,5.
Von Sperling (2005) reporta que a taxa de crescimento das bactérias nitrificantes é inferior à das bactérias heterotróficas, impondo a necessidade de se trabalhar com maior idade de lodo nos reatores biológicos para se ter uma nitrificação estável. No caso dos BRM, a presença das membranas impede a perda destes microrganismos, favorecendo a sua permanência no reator por mais tempo, e por consequência, uma idade de lodo mais elevada.
Diversos fatores podem interferir no processo de nitrificação em estações de tratamento de esgoto. Metcalf e Eddy (2003) apontam a concentração de oxigênio, pH, temperatura, relações das concentrações de amônia/nitrito e DBO5/NTK e a presença de produtos químicos tóxicos como os principais interferentes no mecanismo de nitrificação.
A Tabela 2.1 apresenta algumas condições necessárias ao desenvolvimento do processo de nitrificação.
Tabela 2. 1 Tabela - Condições recomendadas ao processo de nitrificação (Adaptado de EPA, 2004)
Variável Faixa admissível
pH 7,2 – 8,4
Temperatura 15 - 35
Oxigênio dissolvido >1 mg.L-1
Metal pesado (Cu, Zn, Cd, Ni, Pb, Cr) < 5 mg.L-1
Compostos fenólicos ausência
Solventes halogenados ausência
Desnitrificação
A desnitrificação biológica refere-se ao processo de redução do nitrato, que pode ser de natureza assimilatória ou desassimilatória.
Redução assimilatória do nitrato: Neste mecanismo, o nitrato é absorvido e pela ação de enzimas especificas é convertido a NH4+ por determinados espécies de microorganismos. Posteriormente, o NH4
+ produzido é utilizado na síntese de proteínas e ácidos nucléicos pelo metabolismo bacteriano quando o NH4
+
não está disponível no meio (BITTON, 2005).
Redução desassimilatória do nitrato: Envolve a redução do nitrato, sob condições anóxicas, a nitrogênio gasoso (Equação 3.5). Este processo pode ser realizado por diversos gêneros de bactérias, em sua maioria heterotrófica, que na ausência de oxigênio utilizam no nitrato disponível no meio como aceptor de elétrons durante a respiração celular. Metcalf e Eddy (2003) citam como bactérias atuantes nesse processo as Achromobacter, Aerobacter, Alcaliegenes, Bacillus, Breviabaterium, Flavobacterium, Micrococcus, Proteus, Pseudomonas e Spirillum.
2NO3 -
+ 12H+ + 10e-→ N2 + 6H2O
Eq. 3.5 Durante a redução do nitrato, uma série de produtos intermediários são gerados, como o nitrito (NO2
-
), o óxido nítrico (NO) e o óxido nitroso (N2O), sendo utilizada em cada etapa uma enzima redutase específica para transportar elétrons na cadeia respiratória (EPA, 2004). A Equação 3.6 apresenta os intermediários gerados na reação de
desnitrificaçao e as respectivas enzimas atuantes em cada etapa do processo. NO3 - → → NO2 → → NO → → N2O →→ N2 Eq 3.6 O óxido nitroso pode, em certas circunstâncias (por exemplo, baixa relação DQO/NO3
-
, baixa idade de lodo e pH baixo), ser produzido durante a desnitrificação com até 8% do NO3
-
convertido em N2O (HANAKI, HONG e MATSUO, 1992). Como se sabe, o óxido nitroso é um poluente atmosférico e assim cuidados operacionais devem ser tomadas para evitar a sua formação.
Em sistemas de lodos ativados projetados para remover nitrato, a concentração de oxigênio é apontada como parâmetro crítico, uma vez que a sua presença inibe o sistema enzimático responsável pela desnitrificação (METCALF e EDDY, 2003). Dessa forma, a ausência de oxigênio é um pré-requisito fundamental para o sucesso da desnitrificação desassimilatória. Von Sperling (2005) relata que a temperatura e o pH também afetam diretamente as taxas de desnitrificação. Para a temperatura, é citada a faixa ótima de 35 ºC a 50 ºC, enquanto que para o pH, o autor comenta que existem muitas divergências e sugere valores próximos à neutralidade (entre 7 e 8).
Por serem de natureza heterotrófica, as bactérias responsáveis pela desnitrificação necessitam que uma fonte de carbono orgânico esteja disponível para que a redução do NO3
-
a N2 ocorra (JORDÃO & PESSOA, 2005). Carboidratos, álcoois, aminoácidos e ácidos graxos são os compostos de carbono normalmente utilizado pelas bactérias desnitrificantes.