Para chegar a esses resultados, os cientistas desenvolveram um modelo matemático que permite entender e prever o mecanismo de disposição do nitrogênio em biofilmes formados por bactérias que convertem compostos de nitrogênio em nitrogênio gasoso inofensivo ao meio ambiente.
Sob orientação do professor Eugenio Foresti, da Escola de Engenharia da Universidade de São Carlos (EESC-USP), e com bolsa da Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo (FAPESP), o trabalho foi realizado por uma equipe liderada pelo engenheiro ambiental Bruno Garcia Silva pela sua tese de doutoramento em Engenharia Hidráulica e Drenagem Saudável.
“A remoção de nitrogênio ainda ocorre em algumas estações de tratamento de efluentes no Brasil, enquanto o nitrogênio é removido com mais facilidade na Europa e nos Estados Unidos. A ideia é trazer a infraestrutura necessária para a nossa realidade”, disse Garcia em nota divulgada pela Agência FAPESP . Geralmente é utilizado um reator anaeróbio, que gera um efluente com baixa carga orgânica, o que dificulta a remoção do nitrogênio.”
Segundo o pesquisador, a remoção de compostos nitrogenados (incluindo nitrato, nitrato e amônia) dos efluentes domésticos e industriais é essencial, pois podem contaminar a superfície (lagos, represas, córregos e córregos) e os esquemas de águas subterrâneas (como grandes lençóis freáticos). ), que promove o crescimento descontrolado de bactérias, algas e plantas, em um processo chamado de eutrofização.
Além disso, Garcia explica que beber água contaminada com nitratos pode levar ao desenvolvimento de condições como a metemoglobinemia, conhecida como síndrome do bebê azul. Mais comum em crianças, a condição pode causar dor de cabeça, tontura, fadiga, letargia e até choque, além de depressão respiratória grave e alterações neurológicas, como convulsões e coma, em casos mais graves.
Quando as algas se multiplicam, uma das consequências que vimos em barragens como a Billings, por exemplo, é que os peixes morrem por falta de oxigênio na água. Inspecione uma área que pode ser uma fonte ou um hobby ou ambos para o excesso de algas, que é muito difícil de remover do meio líquido”, aponta Foresty.
O destaque do novo projeto do reator é o biofilme, que consiste em um processo biológico no qual as bactérias criam uma espécie de filme sobre a espuma de poliuretano. A configuração do equipamento permite o que os pesquisadores chamam de “contradifusão”, ou seja, o oxigênio é introduzido do lado oposto ao poluente.
“O oxigênio será transferido para a espuma porque ela fica apenas onde a reação é necessária para ocorrer. Não queríamos que esse gás ficasse em contato constante com a matéria orgânica, porque as bactérias usariam todo o oxigênio para quebrá-lo baixo e não sobraria nada para consumir nitritos e nitratos”, diz Garcia. “Por isso colocamos oxigênio do outro lado do biofilme. A ideia é que a matéria orgânica que chega aos biofilmes do outro lado possa ser oxidada não só com oxigênio, mas também com nitritos e nitratos.”
Segundo o pesquisador, na ausência de oxigênio entrando no reator, a amônia permanece inalterada. No entanto, quando atinge a parte onde o oxigênio entra, começa a se transformar em nitritos e nitratos. “A única saída é através dos biofilmes, os compostos atravessam essa barreira por difusão na direção oposta da matéria orgânica. A confluência da matéria orgânica na corrente oposta cria as condições ideais para se livrar desses nitratos e nitratos, pois não há mais oxigênio e há a matéria orgânica necessária para a desnitrificação.”
O clima no Brasil favorece o uso de reatores anaeróbios
Foresty explica que os reatores anaeróbios (nos quais a matéria orgânica é decomposta por bactérias que não precisam de oxigênio para sobreviver) são cada vez mais utilizados pelos municípios brasileiros devido ao clima do país, que é muito mais quente que o do hemisfério norte.
Temperaturas mais altas permitem mais atividade das bactérias para quebrar a matéria orgânica. Na Europa e nos Estados Unidos ocorre o contrário, pois em temperaturas mais baixas o processo é diferente: a matéria orgânica na fase líquida, após a remoção do lodo, é oxidada por um processo aeróbico (envolvendo oxigênio).
Devido aos custos, segundo Foresti, os compostos nitrogenados não são totalmente eliminados aqui no Brasil e acabam sendo despejados diretamente na natureza. “Este novo modelo de reator visa desenvolver uma segunda etapa de tratamento de estações de tratamento de efluentes, mais simples e barata, visando tecnologias e parcerias futuras.”
Garcia colaborou com cientistas do laboratório do professor Robert Nirenberg na Universidade de Notre Dame, Indiana, onde foi pesquisador visitante entre 2019 e 2020.
“A diferença entre o meu projeto e o deles é que, em vez de usar espuma de poliuretano, eles usam uma membrana semipermeável – semelhante ao canudo cheio de ar dentro”, explica ele. “Em contato com a água, esse canudo permite que o oxigênio passe, mas não a água, e se desenvolve um biofilme que adere a essa superfície. Ou seja, as bactérias recebem oxigênio pelas paredes desses canudos. de dentro para fora e a água fornece amônia e matéria orgânica. É o mesmo sistema de Contrapropagação. A diferença é que aqui usamos um material mais simples e barato.”
Segundo ele, no biofilme, as bactérias crescem grudando na superfície. Mas não seria um filtro por si só, pois não oferece resistência mecânica à passagem da partícula. De fato, esse reator atua como um material de suporte para que as bactérias cresçam e consumam matéria orgânica solúvel e compostos de nitrogênio.
Em um programa colaborativo entre a Sabesp e a FAPESP, os pesquisadores planejam testar o novo modelo com esgoto real da cidade de São Carlos, que já passou por um reator anaeróbio de nível de tratamento. Unidade operada pelo Serviço Autônomo de Água e Esgoto de São Carlos (SAAE). Pesquisadores da Universidade Federal de São Carlos (UFSCar) e do Instituto Mawa também fazem parte desse programa de colaboração e desenvolverão outros sistemas a serem testados.
Segundo o diretor de pesquisa de Garcia, esse método é o primeiro a utilizar o processo de contradifusão dessa forma aqui no Brasil. “O conceito de efluente sintético foi comprovado, a eficiência encontrada na formação desse reator foi muito superior ao observado em pesquisas anteriores, mas vários fatores ainda precisavam ser avaliados.
No momento, a nova composição foi testada em laboratório. Novos projetos ainda precisam ser verificados quanto à eficiência, pois é imprevisível o desempenho dos equipamentos com grandes volumes de efluentes. Além disso, é necessário testar o sistema utilizando efluentes reais, domésticos e industriais, pois as amostras, até então, eram efluentes artificiais, preparados pela mesma equipe.
“Talvez precisemos melhorar o projeto e a engenharia. Como posso melhorar esse projeto para ter mais espaço por volume do reator para torná-lo mais barato? Esse trabalho fornece a base e os fundamentos para continuar pensando nesse processo e também na ferramenta, que é o modelo matemático”, conclui Garcia.