Nos últimos anos, vários novos processos de desnitrogenação surgiram tanto a nível nacional como internacional, proporcionando novos caminhos para o tratamento de águas residuais de azoto amoniacal com elevada concentração. Estes incluem principalmente nitrificação e desnitrificação de atalho, desnitrificação aeróbica e oxidação anaeróbica de amônia (ANAMMOX).

1. Nitrificação e desnitrificação de atalho

Em 1975, Voets e outros descobriram o fenômeno do acúmulo de NO2-N durante o processo de nitrificação enquanto estudavam o tratamento de águas residuais de nitrogênio amoniacal de alta concentração, propondo primeiro o conceito de nitrificação e desnitrificação de atalho.

Como a oxidação do nitrogênio amoniacal requer uma grande quantidade de oxigênio, os custos de aeração tornam-se o principal gasto para este método de desnitrogenação. A nitrificação e a desnitrificação de atalho (oxidação do nitrogênio amoniacal apenas em nitrogênio nitrito antes da desnitrificação) podem economizar não apenas o oxigênio necessário para a oxidação da amônia, mas também a fonte de carbono necessária para a desnitrificação. Ruiza e outros usaram águas residuais sintéticas (simulando águas residuais industriais contendo altas concentrações de nitrogênio amoniacal) para determinar as condições para alcançar o acúmulo de nitrito. Para conseguir o acúmulo de nitrito, o pH não é um parâmetro de controle crítico, pois quando o pH está entre 6,45 e 8,95, ocorre a nitrificação total para formar nitrato; quando pH < 6,45 ou pH > 8,95, a nitrificação é inibida e o nitrogênio amoniacal se acumula. Quando OD = 0,7 mg/L, 65% do nitrogênio amoniacal pode ser acumulado na forma de nitrito, com uma taxa de conversão de nitrogênio amoniacal superior a 98%. Quando OD < 0,5 mg/L ocorre acúmulo de nitrogênio amoniacal; quando DO > 1,7 mg/L, ocorre nitrificação total para formar nitrato. Liu Junxin e outros conduziram uma análise comparativa dos efeitos da desnitrogenação do tipo nitrito e do tipo nitrato para águas residuais de nitrogênio amoniacal de alta concentração com baixa proporção de carbono para nitrogênio. Resultados experimentais mostram que a desnitrogenação do tipo nitrito pode melhorar significativamente a eficiência total da remoção de nitrogênio, e as cargas de nitrogênio amoniacal e nitrato podem ser quase duplicadas. Além disso, fatores como pH e concentração de nitrogênio amoniacal têm importante influência no tipo de desnitrogenação.

Os resultados em escala piloto para o tratamento de águas residuais de coque através de nitrificação e desnitrificação de atalho mostram que quando as concentrações influentes de DQO, nitrogênio amoniacal, TN e fenol são 1201,6, 510,4, 540,1 e 110,4 mg/L respectivamente, as concentrações médias de efluentes são 197,1, 14,2, 181,5 e 0,4 mg/L. As taxas de remoção correspondentes são 83,6%, 97,2%, 66,4% e 99,6%, respectivamente. Comparado com processos convencionais de desnitrogenação biológica, este processo tem uma maior carga de nitrogênio amoniacal e pode aumentar a taxa de remoção de TN sob condições de valores C/N mais baixos.

2. Oxidação Anaeróbica de Amônia (ANAMMOX)

A oxidação anaeróbica de amônia (ANAMMOX) refere-se ao processo em que o nitrogênio amoniacal é oxidado diretamente em nitrogênio gasoso usando nitrito como um aceptor de elétrons sob condições anaeróbicas.

A equação da reação bioquímica para ANAMMOX é:
NH₄⁺ + NO₂⁻ → N₂↑ + 2H₂O

As bactérias ANAMMOX são autotróficas anaeróbias obrigatórias, tornando-as altamente adequadas para o tratamento de águas residuais com nitrogênio amoniacal contendo NO₂⁻ e baixas relações C/N. Em comparação com os processos tradicionais, a desnitrogenação baseada na oxidação anaeróbica da amônia tem um fluxo de processo simples, não requer fonte externa de carbono orgânico, evita a poluição secundária e tem grandes perspectivas de aplicação. Existem duas aplicações principais de oxidação anaeróbica de amônia: o processo CANON e integração com reator único de remoção de amônia de alta atividade sobre nitrito (SHARON) para formar o processo combinado SHARON-ANAMMOX.

3. Remoção de nitrogênio completamente autotrófica sobre nitrito (CANON)

O processo CANON é um método que utiliza microrganismos completamente autotróficos para remover simultaneamente nitrogênio amoniacal e nitrito sob condições de oxigênio limitado. Em termos de forma de reação, é uma combinação dos processos SHARON e ANAMMOX realizados no mesmo reator. Meng Liao e outros descobriram na Estação de Tratamento de Lixiviados do Aterro Sanitário de Shenzhen Xiaping que quando o oxigênio dissolvido é controlado em cerca de 1 mg/L, nitrogênio amoniacal influente < 800 mg/L e carga de nitrogênio amoniacal < 0,46 kg NH₄⁺/(m³•d), o processo CANON pode ser alcançado usando um reator SBR, com uma taxa de remoção de nitrogênio amoniacal > 95% e uma taxa de remoção total de nitrogênio > 90%.

Pesquisas realizadas por Sliekers e outros mostram que os processos ANAMMOX e CANON podem operar bem em reatores gas-lift e atingir taxas de conversão de nitrogênio muito altas. Controlando o oxigênio dissolvido em torno de 0,5 mg/L em um reator gas-lift, a taxa de desnitrogenação do processo ANAMMOX atingiu 8,9 kg N/(m³•d), enquanto o processo CANON atingiu 1,5 kg N/(m³•d).

4. Nitrificação e Desnitrificação Simultâneas (SND)

De acordo com a teoria tradicional da desnitrogenação biológica, a via de desnitrogenação geralmente inclui dois estágios: nitrificação e desnitrificação. Esses dois processos precisam ser realizados em dois reatores isolados, ou no mesmo reator com alternância de ambientes anóxicos e aeróbicos criados no tempo ou no espaço. De facto, já há alguns anos, em alguns processos de lamas activadas sem fases anóxicas e anaeróbicas óbvias, o fenómeno de perda não assimilativa de azoto foi observado múltiplas vezes, e o desaparecimento de azoto também foi frequentemente observado em sistemas de arejamento.

Nestes sistemas de tratamento, as reações de nitrificação e desnitrificação ocorrem frequentemente sob as mesmas condições de tratamento e no mesmo espaço de tratamento; portanto, esses fenômenos são chamados de Nitrificação/Desnitrificação Simultânea (SND). Atualmente, o processo representativo para nitrificação e desnitrificação simultâneas é o MBBR.

5. Desnitrificação Aeróbica

A teoria tradicional da desnitrogenação sustenta que as bactérias desnitrificantes são facultativas e sua cadeia respiratória usa oxigênio como aceptor de elétrons terminal em condições aeróbicas e nitrato como aceptor de elétrons terminal em condições anóxicas. Portanto, para que ocorra uma reação de desnitrificação, ela deve ocorrer em um ambiente anóxico. Nos últimos anos, o fenômeno da desnitrificação aeróbica tem sido continuamente descoberto e relatado, ganhando gradualmente atenção. Algumas bactérias desnitrificantes aeróbicas foram isoladas, algumas das quais podem realizar simultaneamente desnitrificação aeróbica e nitrificação heterotrófica (como T. pantotropha LMD82.5 isolado e triado por Robertson e outros). Isto permite a nitrificação e desnitrificação simultâneas no verdadeiro sentido dentro do mesmo reator, simplificando o fluxo do processo e economizando energia.

Resultados experimentais de um reator SBR tratando águas residuais com nitrogênio amoniacal verificaram a existência de desnitrificação aeróbica. A capacidade de desnitrificação aeróbica diminui à medida que a concentração de oxigênio dissolvido do licor misto aumenta. Quando a concentração de oxigênio dissolvido é de 0,5 mg/L, a taxa total de remoção de nitrogênio pode chegar a 66,0%.

Pesquisa experimental dinâmica contínua mostra que, para lixiviado de nitrogênio amoniacal de alta concentração, a taxa total de remoção de nitrogênio do processo de desnitrificação aeróbica com lodo ativado comum pode atingir mais de 10%. A taxa de reação de nitrificação diminui à medida que a concentração de oxigênio dissolvido diminui, enquanto a taxa de reação de desnitrificação aumenta à medida que a concentração de oxigênio dissolvido diminui. A análise cinética da nitrificação e desnitrificação mostra que quando o oxigênio dissolvido está em torno de 0,14 mg/L, a nitrificação e a desnitrificação simultâneas ocorrerão onde a taxa de nitrificação e a taxa de desnitrificação forem iguais. A taxa é de 4,7 mg/(L•h), com constante de reação de nitrificação KN = 0,37 mg/L e constante de reação de desnitrificação KD = 0,48 mg/L.

O N2O, um gás de efeito estufa, é produzido durante o processo de desnitrificação, causando nova poluição. A pesquisa sobre os mecanismos relacionados ainda não é suficientemente profunda e muitos processos ainda estão em fase de laboratório, exigindo mais estudos antes que possam ser efetivamente aplicados na engenharia prática. Além disso, processos como o processo de desnitrogenação completamente autotrófica e a nitrificação e desnitrificação simultâneas ainda estão em fase de pesquisa experimental, todos com grandes perspectivas de aplicação.

Matriz de monitoramento central YexSensor para integração de sistema

Perguntas frequentes (FAQ)

Q1: Por que o controle do oxigênio dissolvido (OD) é tão crítico na nitrificação de atalho?
   R: O controle preciso de OD permite a sobrevivência de bactérias oxidantes de amônia (AOB) enquanto inibe bactérias oxidantes de nitrito (NOB). Manter o OD em aproximadamente 0,7 mg/L garante que a amônia seja apenas oxidada em nitrito, que é a pedra angular do processo de atalho.

P2: Quais são as principais vantagens do processo ANAMMOX para integradores de sistemas?
   R: Para projetos de grande escala, a ANAMMOX elimina a necessidade de fontes externas de carbono e reduz as necessidades de oxigênio em 60%, reduzindo significativamente as despesas operacionais (OPEX) e a pegada da planta.

P3: Como o YexSensor garante a estabilidade dos dados em ambientes de alta concentração de amônia?
   R: Nosso YEX-NHN-206 usa um eletrodo seletivo de íons avançado com algoritmos de compensação de interferência integrados, projetados especificamente para resistir aos efeitos de "envenenamento" comumente encontrados em águas residuais industriais.

Q4: O processo CANON pode ser implementado em um único reator?
   R: Sim. CANON combina nitração parcial e ANAMMOX em um único reator, controlando os níveis de oxigênio para permitir que bactérias aeróbicas e anaeróbicas autotróficas coexistam em diferentes camadas do biofilme ou floco.

P5: Qual é o benefício da comunicação RS485 Modbus RTU para projetos de águas residuais?
   R: Facilita a integração perfeita em sistemas PLC e SCADA, permitindo a transmissão de dados de longa distância (até 1200 m) e o encadeamento de vários sensores em um único cabo, reduzindo a complexidade da instalação.

Q6: A temperatura afeta a precisão do monitoramento do nitrogênio amoniacal?
   R: Sim, a temperatura afeta significativamente a atividade iônica. Portanto, o YEX-NHN-206 inclui um sensor de temperatura interna de alta precisão para compensação automática em tempo real para garantir a integridade dos dados em diversas temperaturas sazonais.

Q7: Porque é que a monitorização do pH é essencial para conseguir a acumulação de nitritos?
   R: Embora o OD seja o principal fator, o pH fora da faixa de 6,45–8,95 pode inibir completamente a nitrificação. Para processos curtos, a manutenção de um pH ideal garante que o AOB permaneça ativo, ao mesmo tempo que ajuda a suprimir o crescimento do NOB.

Q8: A Nitrificação e Desnitrificação Simultâneas (SND) são adequadas para águas residuais industriais de alta carga?
   R: SND é altamente eficaz quando usado com transportadores de biofilme como MBBR, que criam as microzonas aeróbicas/anóxicas necessárias. É particularmente útil para projetos com espaço limitado e requer controle preciso de OD em torno de 0,1-0,5 mg/L.

Resumo: Impulsionando o Futuro da Remoção de Nitrogênio

A transição da remoção tradicional de nitrogênio para processos autotróficos e de atalho avançados representa um salto significativo na eficiência da engenharia ambiental. Ao integrar tecnologia de detecção de alto desempenho como o Série YexSensor YEX-206 com processos inovadores como ANAMMOX e CANON, os integradores de sistemas podem fornecer soluções que não são apenas compatíveis, mas também altamente sustentáveis.

À medida que os padrões globais para o Nitrogênio Total (TN) continuam a ficar mais rígidos, a capacidade de monitorar e controlar esses processos biológicos sensíveis em tempo real será o fator determinante no sucesso dos projetos modernos de tratamento de águas residuais industriais.

Suporte e integração de projetos:
       Para mapas detalhados de registro Modbus, projetos de células de fluxo personalizados ou suporte de integração para projetos de remoção de nitrogênio em grande escala, entre em contato com a equipe de engenharia técnica do YexSensor.