Remoção Bioeletroquimica de Nitrogênio de efluentes - Uma introdução

NITROGÊNIO EM EFLUENTES

Atualmente há uma grande preocupação com a preservação ambiental, principalmente em relação ao destino de efluentes aquosos industriais contendo compostos orgânicos, como por exemplo, os compostos de nitrogênio.

O nitrogênio está presente em águas residuárias sob quatro formas, que são o nitrogênio amoniacal, nitrogênio orgânico, nitrito e nitrato. Em águas residuárias domésticas, o nitrogênio está presente principalmente como nitrogênio amoniacal (em torno de 60%) e nitrogênio orgânico (em torno de 40%). Nitrito e nitrato ocorrem em pequenas quantidades, que representam menos de 1% do nitrogênio total, uma vez o esgoto doméstico não apresenta quantidade de oxigênio dissolvido suficiente à ação das bactérias nitrificantes.

Amônia e nitrato são os mais problemáticos compostos nitrogenados nas águas residuárias industriais. Amônia em efluente industrial é normalmente eliminada por nitrificação, que é realizada pela completa oxidação da amônia em nitrato. Assim, a remoção de nitrato destes tipos de produtos industriais águas residuais é um passo inevitável no tratamento.

Para se atingir os limites de emissão de nitrogênio estabelecidos na legislação, evitando assim os riscos de contaminação que estes compostos representam, o tratamento de efluentes contendo elevadas concentrações de nitrogênio, conforme os exemplos acima mencionados, ainda é um desafio tecnológico.

PROCESSOS ELETROQUÍMICOS

A eletroquímica refere-se a fenômenos químicos associados à transferência de elétrons, que podem ocorrer homogeneamente em solução, ou heterogeneamente na superfície do eletrodo. Processos eletródicos envolvem reações químicas com transferência de cargas (elétrons), através da interface de uma fase condutora (eletrodo), uma fase contígua (dupla camada elétrica) e uma fase adjacente (geralmente, solução). Na região de interface, a distribuição de carga difere daquela no interior da solução. Esse sistema eletroquímico é basicamente formado por solvente, eletrólito de suporte, substância eletroativa e eletrodos. A combinação dos vários componentes influi decisivamente no desenvolvimento da reação eletroquímica, principalmente no tocante à dupla camada elétrica (camada de pequena espessura, poucos Angstroms, na proximidade dos eletrodos.

O eletrodo pode atuar como doador (para a redução) ou receptor (para a oxidação) de elétrons transferidos para ou de espécies em solução1. Para uma redução, há um conteúdo energético mínimo de que devem dispor os elétrons a serem transferidos, antes que a transferência ocorra. Há necessidade de similaridade energética e simetria favorável dos orbitais envolvidos na transferência eletrônica. O comportamento dos elétrons em eletrodos metálicos pode ser compreendido, em parte, pela análise do nível energético de Fermi (EF). Os elétrons atingem a sua máxima deslocalização possível em metais; muitas vezes, eles são exemplificados como elétrons que praticamente flutuam em um mar sobre cargas positivas. Nos metais toda a condução eletrônica é essencialmente equivalente, pois os elétrons podem trocar de lugar um com o outro. No entanto, eles não têm a mesma energia, devido à limitação da mecânica quântica que diz que dois elétrons de um mesmo sistema (nesse caso o metal) não podem ter o mesmo conjunto de números quânticos.

 Processos eletroquímicos vêm sido estudados cada vez mais para o tratamento de efluentes aquosos. Algumas das vantagens do tratamento eletroquímico são: sua facilidade de operação e automação, utilização do elétron como reagente, uso do catalisador na forma de revestimento de eletrodos metálicos e formação de espécies reativas na superfície do eletrodo, fornecendo uma alternativa promissora aos métodos tradicionais.

ELETROQUÍMICA APLICADA A EFLUENTES

A engenharia eletroquímica oferece uma alternativa para o tratamento de efluentes contendo compostos orgânicos através de reações redox, sem geração de lodo.

A oxidação eletroquímica de compostos poluentes consiste na eletrólise do efluente. Durante a eletrólise ocorre a transferência de elétrons entre o composto poluente e o eletrodo e através desta transferência ocorrem reações do tipo redox que transformam o composto poluente em produtos menos letais à saúde e poucos agressivos ao meio ambiente.

TRATAMENTOS BIOLÓGICOS DE EFLUENTES

O tratamento convencional para remoção de compostos nitrogenados em efluentes industriais é o tratamento biológico. Para se atingir os limites de emissão de nitrogênio estabelecidos na legislação, evitando assim os riscos de contaminação que estes compostos representam, o tratamento de efluentes contendo elevadas concentrações de nitrogênio, conforme os exemplos acima mencionados, ainda é um desafio tecnológico. As alternativas tecnológicas mais usuais para o tratamento biológico do nitrogênio lançam mão dos processos de nitrificação e desnitrificação.

O processo de lodos ativados pode ser concebido para remover nitrogênio através do desenvolvimento de duas etapas biológicas sucessivas: nitrificação e desnitrificação, sendo que a tradicional remoção de nitrogênio por via microbiana está baseada em nitrificação autotrófica e desnitrificação heterotrófica.

No primeiro estágio, o da nitrificação, o nitrogênio orgânico e o amoniacal (NH⁴⁺) são oxidados a nitrito (NO^2–) e nitrato (NO^3–) através das bactérias nitrificantes, na presença de oxigênio. Num segundo estágio, a desnitrificação, o nitrato é reduzido a N₂ através das bactérias heterotróficas desnitrificantes, na ausência de oxigênio livre (condições anóxicas) e na presença de uma fonte de carbono.

Novos processos de remoção de nitrogênio têm sido desenvolvidos nos últimos anos, para possibilitar a remoção de elevadas concentrações de nitrogênio por via biológica.

REMOÇÃO BIOELETROQUÍMICA DE COMPOSTOS NITROGENADOS

Baseando-se em estudos anteriores sobre métodos eletroquímicos aplicados em tratamento de efluentes e conhecendo como o nitrogênio está presente em diversas formas nesses poluentes, novas técnicas vem surgindo como um aperfeiçoamento dos métodos existentes. Alguns trabalhos recentes utilizam-se dos processos eletroquímicos, associados aos tratamentos biológicos de efluentes, de forma a verificar a possibilidade de melhora na qualidade do efluente, denominados então de tratamentos bioeletroquímicos.

Alguns estudos investigaram a viabilidade de um processo bioeletroquímico para a nitrificação e desnitrificação simultânea em um único reator. O reator constou de eletrodos anódico e catódico, na qual os biofilmes nitrificantes e desnitrificantes, respectivamente, foram ajustados. Foram examinados efeitos da aplicação de corrente elétrica e concentração de oxigênio dissolvido (OD) na solução do solo. A remoção nitrogênio total (NT) pode ser alcançada através da ocorrência de nitrificação e desnitrificação anódica e catódica no biofilme, respectivamente. Ambas as taxas de nitrificação e desnitrificação aumentaram com o aumento da corrente elétrica aplicada. Mesmo em baixa concentração de OD na solução do solo, a nitrificação procedeu a uma alta taxa de utilização de oxigênio gerado no ânodo. A taxa de desnitrificação manteve-se relativamente elevada em alta concentração de OD devido ao fornecimento de gás hidrogênio para o interior do biofilme catódico. A maior taxa de remoção NT tendeu a ser obtida com a menor concentração de OD e maior densidade de corrente. A partir desses resultados, concluiu-se que o processo bioeletroquímico é aplicável à nitrificação e desnitrificação simultânea, devido à formação estável de regiões aeróbias e anóxicas no reator.

Diversos são os métodos relatados para remover o nitrato da água de corpos d’água, que quase não se trata exclusivamente de nitrato, exceto a desnitrificação biológica que é capaz de reduzir compostos de nitrato inorgânico para gás nitrogênio. Uma revisão dos diversos estudos de desnitrificação biológica em águas contendo nitrato, águas residuárias e efluentes da aquicultura confirmaram o potencial deste método e sua flexibilidade em relação à recuperação de diferentes concentrações de nitrato. O desnitrificantes podem ser alimentados com substratos orgânicos e inorgânicos, que têm desempenhos diferentes e vantagens ou desvantagens subseqüentes. Comparando desnitrificações autotróficas e heterotrófcas com diferentes fontes de energia e de carbono, concluiu-se que os desnitrificantes autotróficos são mais eficazes na desnitrificação. Os organismos autotróficos utilizam o dióxido de carbono e hidrogênio como fonte de carbono e doadores de elétrons, respectivamente. A aplicação deste método em bioeletrorreatores (BER) tem muitas vantagens e é promissor. No entanto, este método não é tão bem estabelecido e documentado. BER oferecem ambiente adequado para produção de hidrogênio simultânea nos cátodos e consumo adequado pelos autotróficos imobilizados sobre estes cátodos. Esse levantamento abrange vários projetos e aspectos de BER e os seus desempenhos.

Outro parâmetro em estudo é a produção de hidrogênio durante o processo bioeletroquímico para auxiliar na redução do nitrogênio nitrato em gás hidrogênio. Segundo Zhang et al., (2005) a desnitrificação biológica efetuada por meio da por energia elétrica teria que ser realizada, teoricamente, através da produção de hidrogênio in situ sobre a superfície do cátodo (não sobre a superfície do ânodo). Hidrogênio e um baixo potencial de oxi-redução (ORP) ambiente produzido através da reação catódica seria utilizado por hidrogenotróficos para reduzir nitrogênio nitrato em gás nitrogênio.

CONSIDERAÇÕES FINAIS

Os estudos das aplicações de técnicas bioeletroquímicas para o tratamento de efluentes são recentes e existem poucos trabalhos publicados nesta área do conhecimento. No entanto, segundo os autores citados, esta técnica é promissora para remoção do nitrogênio de águas residuárias, melhorando a qualidade do efluente final. Observa-se a necessidade de continuar os estudos nesta área, a fim de determinar e otimizar os parâmetros para aumentar a eficiência deste processo.

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