Emissão de óxido nitroso nos processos de remoção biológica de nitrogênio de efluentes

Nitrous oxide emission in the biological nitrogen removal process

NOTA TÉCNICA

Emissão de óxido nitroso nos processos de remoção biológica de nitrogênio de efluentes

Nitrous oxide emission in the biological nitrogen removal process

Marcelo Bortoli^I; Airton Kunz^II; Hugo Moreira Soares^III; Paulo Belli Filho^IV; Rejane Helena Ribeiro da Costa^V

^IEngenheiro Ambiental. Doutorando em Engenharia Química pela Universidade Federal de Santa Catarina (UFSC) - Florianópolis (SC), Brasil

^IIQuímico Industrial. Pesquisador A na Embrapa Suínos e Aves - Concórdia (SC), Brasil

^IIIEngenheiro Químico. Professor do Departamento de Engenharia Química e de Alimentos da UFSC - Florianópolis (SC), Brasil

^IVEngenheiro Sanitarista. Professor do Departamento de Engenharia Sanitária da UFSC - Florianópolis (SC), Brasil

^VEngenheira Civil. Professora do Departamento de Engenharia Sanitária da UFSC - Florianópolis (SC), Brasil

^{Endereço para correspondência}

RESUMO

O óxido nitroso (N₂O) é altamente impactante ao meio ambiente por ser um dos três gases mais importantes quando considerado o alto potencial de efeito estufa e a baixa quantidade emitida para a atmosfera. A preocupação com a geração de N₂O no tratamento de efluentes tem crescido nas duas últimas décadas. Muitos estudos vêm sendo realizados com o objetivo de avaliar as condições de geração e emissão de N₂O em etapas de remoção de nitrogênio no tratamento, tanto em escala laboratorial quanto em estações de tratamento de efluentes. Essas pesquisas demonstram que, sob certas condições, ambos os processos podem produzir e emitir grandes quantidades de N₂O para a atmosfera, o que remete à importância de mais investigações para determinar as condições específicas que minimizem a produção e a emissão de N₂O nesse caso.

Palavras-chave: óxido nitroso; nitrificação; desnitrificação; tratamento de efluentes.

ABSTRACT

The nitrous oxide (N₂O) has a high striking power in environmental. It's one of the three most important greenhouse gases, when considered the greenhouse potential and emissions to the atmosphere. The concern in the two last decades with the N₂O generation in wastewater treatment has grown. Many studies have been conducted with the objective of evaluate the conditions of N₂O generation and emission in the nitrification and denitrification process, in biological nitrogen removal of wastewater treatment, both lab scale and wastewater treatment plants (WWTP). These studies show that under certain conditions, both processes can generate and emit large amounts of N₂O to the atmosphere, what demonstrates the importance of conducting further investigations to determine specific conditions that minimize N₂O production and emission.

Keywords: nitrous oxide; nitrification; denitrification; wastewater treatment.

INTRODUÇÃO

A década de 1950 foi um marco para os estudos relacionados às mudanças climáticas, pois nesse período iniciaram-se efetivamente as medições, com alta confiabilidade, diretamente na atmosfera do dióxido de carbono (CO₂). Com isso, comprovaram-se as perspectivas da época, de que a ação antropogênica interferia efetivamente no aumento da concentração dos gases de efeito estufa na atmosfera. Contudo, somente na década de 1970 detectaram-se, com considerável abundância, outros dois importantes gases do tipo, presentes na atmosfera e emitidos com significativa relevância: o metano (CH₄) e o óxido nitroso (N₂O) (IPCC, 2006).

Sabe-se que a concentração de N₂O aumentou na atmosfera relativamente mais no período entre 1998 e 2005 que entre último ciclo glacial-interglacial (IPCC, 2006).

A emissão de N₂O tem contribuição significativa por possuir potencial de efeito estufa 300 vezes maior em comparação com o CO₂, sendo atualmente o terceiro mais importante gás de efeito estufa presente na atmosfera, atrás somente do CO₂ e do CH₄. Seu tempo de vida pode ser superior a 120 anos, além de que pode ser destruído na estratosfera, formando NO e contribuindo com a degradação da camada de ozônio (OLIVER et al., 1998; JOHNSTON, 1971).

Outro aspecto que precisa ser observado é que o N₂O pode ser produzido por atividades humanas, como o uso de fertilizantes no solo e a queima de combustíveis fósseis, além de nos sistemas de tratamento de efluentes (STEs). A agricultura global contribui com entre 65 e 80% de todo o N₂O emitido para atmosfera, principalmente proveniente do nitrogênio presente nos fertilizantes aplicados no cultivo do solo. Quase 90% do N₂O da atmosfera foram gerados durante a transformação microbiológica da NH₃ em NO₃^- (IPCC, 2001).

O N₂O é abundantemente produzido pela atividade microbiológica. Várias pesquisas citam que é na etapa de remoção de nitrogênio em STEs que acontecem as maiores emissões de N₂O (TALLEC et al., 2006).Porém, Czepiel et al. (1995), que realizaram diversas medidas da emissão de N₂O em STEs, observaram que 90% das emissões são provenientes de lodos ativados, 5% de caixas de separação de areia e 5% de tanques de estocagem de lodo. Outros autores afirmam que é na desnitrificação que o N₂O por ser um intermediário da cadeia respiratória dos microrganismos desnitrificantes (BRETTAR e HOFLE, 1993) e, com isso, a etapa em questão seria, sob certas condições, a de maior emissão de N₂O (TALLEC et al., 2008).

Contudo, pouco se sabe quanto às reais emissões de N₂O na remoção biológica de nitrogênio de efluentes, principalmente por ocorrer em condições específicas e muitas vezes em períodos curtos, além da difícil quantificação das emissões de reatores em escala real. Portanto, o assunto é bastante discutido e divergente na literatura.

A GERAÇÃO DE N₂O NOS PROCESSOS BIOLÓGICOS

O nitrogênio sofre diversas transformações durante vários processos biológicos. Em todos eles, os microrganismos retiram energia das reações de oxirredução das formas nitrogenadas. O ciclo biológico do nitrogênio é complexo e envolve diversas reações metabólicas de diferentes microrganismos.

Nitrificação

As bactérias oxidadoras de amônia (BOAs) oxidam amônia (NH₃) a nitrito (NO₂^-), enquanto as oxidadoras de nitrito (BONs) convertem o NO₂^- a nitrato (NO₃^-) em uma única etapa e ambas, BOAs e BONs, utilizam o CO₂ como fonte de carbono, ou seja, são microrganismos autotróficos (YE e THOMAS, 2001).

Nas diferentes etapas da oxidação da NH₃ a NO₃^-, as reações são catalisadas por enzimas específicas. As reações mais complexas ocorrem na primeira etapa, a de nitritação ou oxidação da NH₃ a NO₂^-, na qual aparecem intermediários como hidroxilamina (NH₂OH). Duas enzimas que participam dessas reações são as mais importantes: a amônia mono-oxigenase, que age na conversão de NH₃ para NH₂OH, e a hidroxilamina oxidoredutase, na conversão de NH₂OH em NO₂^-. Existem outras enzimas catalisando reações na região da parede celular das bactérias oxidadoras de amônia, como a nitrito redutase, que age na redução do NO₂^- a NO e a óxido nítrico redutase, catalisadora da redução do NO a N₂O (KLOTZ e STEIN 2007).

Há bactérias heterotróficas e arqueas metanogênicas também capazes de oxidarem a NH₃ a NH₂OH, porém essa rota é muito desfavorável energeticamente (ANDERSON e LEVINE, 1986), ocorre com taxas de 100 a 1.000 vezes mais lentas que a oxidação autotrófica, sob condições de relação DQO/N acima de 10 e baixo oxigênio dissolvido no meio (VAN NIEL et al., 1993).

Desnitrificação

A desnitrificação faz parte do ciclo do nitrogênio; é a transformação do NO₃ a N₂ na ausência de O₂ (YE e THOMAS, 2001). Cada etapa dessa reação é catabolizada por metaloenzimas específicas. Além disso, já se sabe que pode ser mais de um tipo de redutase por etapa. Em geral, as enzimas necessárias para a desnitrificação somente são produzidas sob, ou próximo a, condições anaeróbias, e se as células em crescimento anaeróbio forem expostas ao O₂ essas enzimas são prontamente inibidas. Ainda, as reações são catabólicas, ou seja, regidas por microrganismos heterótrofos, necessitando de matéria orgânica, como fonte de carbono, para a sua síntese celular (SPANNING et al., 2007).

O NO é gerado pela nitrito redutase, mas em baixas concentrações por causa da sua toxicidade. Todavia, este não deixa de ser um intermediário livre da desnitrificação. A óxido nítrico redutase é uma enzima presente na membrana celular que participa da redução do NO a N₂O. A etapa final da desnitrificação é catalisada pela óxido nitroso redutase, outra enzima periplasmática, agindo na redução do óxido nitroso a nitrogênio gasoso (SPANNING et al., 2007).

Sabe-se ainda que existem BOAs capazes de desnitrificar a partir do NO₂^- e levando à formação de N₂O, com a NH₃ ou hidrogênio como doadores de elétrons. Esse processo também é conhecido como nitrificador desnitrificante (BOCK et al., 1995).

Tanto a desnitrificação aeróbia quanto o nitrificador desnitrificante produzem mais N₂O relativo ao nitrogênio removido quando comparados à desnitrificação heterotrófica (COLLIVER e STEPHENSON, 2000).

FATORES POTENCIALIZADORES DA EMISSÃO DE N₂O

Alguns fatores operacionais interferem diretamente na maximização da produção e geração de N₂O tanto no processo de nitrificação quanto no de desnitrificação (Figura 1), como a relação entre o carbono disponível e o nitrogênio encontrada nos esgotos, que acaba por interferir no processo de desnitrificação (BERNET et al., 1996) ou a concentração de oxigênio dissolvido tanto no processo nitrificante quanto no desnitrificante (TSUNEDA et al., 2005).

Relação entre disponibilidade de carbono e nitrogênio

A relação entre carbono (C) ou demanda química de oxigênio (DQO) /nitrogênio (C ou DQO/N) é um importante parâmetro de controle de produção de N₂O. Quando a relação DQO/N é menor que 3,5 são observadas mais emissões de N₂O do que quando a mesma é maior que 3,5. Itokawa et al. (2001) realizaram experimentos com relações DQO/N de 2,4, 3,5 e 5,0 e observaram emissões de 24,4, 59,2 e 0%, respectivamente, de N₂O relativo ao nitrogênio removido.

Em outro estudo observou-se que em relações C/N entre 1,56 e 2,38 ocorreu redução de todo o NO₃^-, porém com significativa quantidade de N₂O presente na fração gasosa. Já com relação C/N acima de 18,04, como facilmente encontrada em dejetos animais, observou-se completa desnitrificação, ou seja, sem presença de N₂O (BERNET et al., 1996).

Contudo, elevadas relações C/N, acima de dez, em reatores sequenciais ou pré-desnitrificantes, o excesso de carbono pode aumentar a desnitrificação aeróbia e, consequentemente, os níveis de emissão de N₂O (VAN NIEL et al., 1993).

Em culturas puras, pode-se citar o experimento de Schalk-Otte et al. (2000), que estudaram culturas puras de A. faecalis e observaram que de 32 a 64% do nitrogênio removido foram emitidos na forma de N₂O quando submetidas à falta de carbono biodisponível.

Diferentes fontes de carbono

A natureza da fonte do carbono normalmente especifica sua biodisponibilidade e interfere diretamente na quantidade de N₂O emitida na desnitrificação (KARGI e PAMUKOGLU, 2003). Outro fator de importância com relação ao carbono biodisponível é que as culturas de microrganismos em reatores utilizados no tratamento de efluentes são de impressionante variabilidade de espécies e gêneros, ocorrendo grande competição pela utilização do carbono biodisponível (RIVETT et al., 2008).

Na desnitrificação de efluentes, observa-se que os microrganismos têm preferência, com relação à fonte de carbono, pelos ácidos orgânicos voláteis (AOV), que são ácidos de cadeia curta. Dentre eles, três são os principais: ácido acético, propiônico e butírico (ELEFSINIOTIS e WAREHAM, 2007).

Acetato e etanol são comumente utilizados como fonte de carbono em etapas desnitrificantes de tratamento de efluentes a fim de suplementar o carbono insuficiente presente no efluente, são substratos facilmente utilizados pelos microrganismos desnitrificantes, até mesmo sob condições desfavoráveis com temperaturas abaixo de 10ºC (MARTIN et al., 2009). No entanto, em se tratando da emissão de N₂O na etapa desnitrificante, o acetato tem potencial de emissão superior ao metanol em mais de 70 vezes, sob as mesmas condições de operação (ADOUANI et al., 2010).

Concentração de oxigênio dissolvido

A concentração de oxigênio dissolvido é considerada um parâmetro importante com relação à emissão de N₂O nos processos nitrificantes, isso porque baixas concentrações de oxigênio dissolvido na etapa nitrificante ocasionam elevadas taxas de produção de N₂O (KAMPSCHREUR et al., 2008). Sob condições de aeração completa, sem falta de oxigênio, a produção de N₂O na nitrificação é muito pequena (TALLEC et al., 2006).

Concentrações de oxigênio dissolvido em culturas puras de Nitrossomonas sp. abaixo de 0,5 mg.L^-1 apresentaram produção de N₂O elevadas, entre 3,1 e 9,9% do nitrogênio removido, enquanto concentrações de oxigênio dissolvido acima de 3,5 mg.L^-1 apresentaram produção de 0,26% de N₂O (GOREAU et al., 1980).

Em medidas de diversos STEs em escala real, foi observado que com a queda do oxigênio dissolvido ocorreu considerável incremento na emissão de N₂O. Contudo, o aumento súbito da concentração de oxigênio dissolvido também ocasiona aumento na emissão de N₂O em função das BOAs terem taxa de crescimento maior que as BONs. Com isso ocorre o acúmulo de NO₂^- e, consequentemente, o aumento da produção de N₂O (AHN et al., 2010).

O N₂O produzido em reatores aeróbios pode ser atribuído basicamente à desnitrificação incompleta realizada pelas BOAs. Na falta de oxigênio, as BOAs utilizam o NO₂^- como aceptor final de elétrons na tentativa de manter o oxigênio mínimo necessário para a oxidação da amônia à hidroxilamina (YU et al., 2010).

A vazão de ar nos tanques de nitrificação interfere diretamente na quantidade de N₂O que acaba por ser emitido para a atmosfera, isso porque com vazões baixas não se mantêm concentrações mínimas necessárias para nitrificação, e com vazões elevadas ocorre o stripping do N₂O (KAMPSCHREUR et al., 2009).

Quanto à presença de oxigênio dissolvido na etapa desnitrificante, é um importante fator de controle da emissão de N₂O. Efluentes com baixa concentração inicial de oxigênio dissolvido apresentaram total redução do NO₃^- fornecido à N₂. Com concentração próxima a 0,9 mg.L^-1 de oxigênio dissolvido, fornecendo como fonte de carbono ácido butírico e ácido glutâmico, observou-se considerável aumento na emissão de N₂O (MORLEY e BAGGS, 2010).

Já é de notável conhecimento que o oxigênio interfere diretamente na eficiência de desnitrificação, agindo principalmente na enzima óxido nitroso redutase que, por ter maior inibição pelo oxigênio que as demais enzimas envolvidas, faz com que o N₂O acumule no meio (TSUNEDA et al., 2005).

Concentração de nitrito

Concentrações elevadas de NO₂^- também interferem positivamente na emissão de N₂O, tornando o NO₂^- um dos parâmetros importantes na emissão de N₂O na nitrificação em lodos ativados. Esse fato é observado em reatores com predominância de ambos os microrganismos Nitrossomonas europaea (BEAUMONT et al., 2004) e Nitrospira spp. (SHAW et al., 2006).

Elevadas concentrações de NO₂^- na etapa de nitrificação acima de 300 mg.L^-1 acabam por favorecer a desnitrificação pelas BOAs, com redução do NO₂^- até N₂O. A desnitrificação autotrófica realizada pelas BOAs emite elevadas quantidades de N₂O principalmente em função das BOAs não terem a capacidade de produzir a enzima óxido nitroso redutase (YU et al., 2010).

Inicialmente, estudos propunham que a produção de N₂O pelas BOAs, em condições de elevada concentração de NO₂^-, estaria associada à imposição de baixas concentrações de oxigênio dissolvido (GRAFF et al., 2010). Porém, recentemente, pesquisas atribuíram tal acontecimento não à falta de oxigênio disponível para as BOAs e sim a uma fase de recuperação das BOAs a concentrações baixas de oxigênio dissolvido (YU et al., 2010).

Na etapa desnitrificante, vários estudos apontam a interferência positiva na emissão de N₂O na presença de elevadas concentrações de NO₂^-. Contraditoriamente, estudos citam que a inibição da redução do N₂O na desnitrificação acontece também com baixas concentrações de NO₂^-, próximas a 1 mg N-NO₂^-.L^-1 (ZHENG et al., 1994). Outros autores citam que a inibição pode acontecer a 5 mg N-NO₂^-.L^-1 (LEMAIRE et al., 2006) e a 10 mg N-NO₂^-.L^-1 (HANAKI et al., 1992).

Alterações bruscas no processo

Alguns autores citam como um dos fatores que maximizam a emissão de N₂O na remoção biológica de nitrogênio em STEs as mudanças repentinas nas condições ambientais e de operação dos reatores. Basicamente, os microrganismos necessitam de um tempo para se adaptarem às novas condições, e as mudanças afetam as reações do metabolismo, tornando-as incompletas (KAMPSCHREUR et al., 2009).

Alterações de carga de alimentação de amônia afetam diretamente os processos de nitrificação e desnitrificação, maximizando a emissão de N₂O (BURGESS et al., 2002). Outros autores citam mudanças nas concentrações de NO₂^- como outra fonte de interferência positiva na emissão de N₂O, além de mudanças nas concentrações de oxigênio dissolvido (KAMPSCHREUR et al., 2008).

pH

Quanto à influência do pH, Wicht et al. (1996) afirmaram que a inibição da desnitrificação pelo pH está diretamente vinculada à concentração de NO₂^- e HNO₂. Os autores observam elevada emissão de N₂O na desnitrificação causada pela inibição da enzima óxido nitroso redutase por HNO₂ em pH abaixo de 7. Thoern e Soerensson (1996) obtiveram resultado semelhante quando observaram a formação de N₂O na desnitrificação em pH abaixo de 6,8. Hanaki et al. (1992) impuseram queda do pH de 8,5 para 6,5 e observaram aumento na emissão de N₂O.

Já na nitrificação, Hynes and Knowles (1984) observaram elevada emissão de N₂O em pH, acima de 8,5, em cultura puras de Nitrossomonas Europae. Segundo Graff et al. (2010), os níveis de produção de N₂O pelas BOAs em índices de pH entre 6,3 e 7,7 foram baixos, entre 1 e 2% do nitrogênio removido.

CONCLUSÕES

O N₂O tem grande destaque no ambiente por ser considerado o terceiro mais importante gás de efeito estufa. É gerado em grandes quantidades nas etapas de remoção de nitrogênio em STEs, sob determinadas condições.

A concentração de oxigênio dissolvido é o parâmetro mais importante na emissão de N₂O, tanto na nitrificação quanto na desnitrificação. Na nitrificação, maximiza a produção de N₂O em baixas concentrações, e na desnitrificação inibe a expressão da óxido nitroso redutase por parte das bactérias desnitrificantes.

Outro parâmetro importante é a presença de nitrito, que em altas concentrações, tanto na nitrificação quanto na desnitrificação, aumenta a emissão de N₂O. Porém, na nitrificação tal fato está diretamente ligado à concentração de oxigênio dissolvido no meio.

A relação C/N (ou DQO/N) nos processos desnitrificantes tem grande participação na formação de N₂O, principalmente quando essa relação (C/N) é menor que dois. Porém autores citam que a relação C/N acima de dez pode favorecer a desnitrificação aeróbia, fator que contribui para o aumento na emissão de N₂O.

Contudo, os estudos apresentam grande variação nas medições de produção e emissão de N₂O em diferentes condições e processos, demonstrando a necessidade de mais estudos das condições específicas que as favorecem.

Recebido: 06/09/11

Aceito: 26/04/12

Reg. ABES: 686 90

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Datas de Publicação

• Publicação nesta coleção
  23 Ago 2012
• Data do Fascículo
  Mar 2012

Histórico

• Recebido
  06 Set 2011
• Aceito
  26 Abr 2012