Novo sistema de tratamento de esgoto remove até 70% do nitrogênio que seria lançado na natureza

Um novo modelo de reator anaeróbico de baixo custo, que funciona com um biofilme bacteriano aderido a uma espuma de poliuretano, pode reduzir em até 70% a concentração de compostos nitrogenados do esgoto sanitário, aponta estudo divulgado na revista Environmental Technology. Os pesquisadores aperfeiçoaram um modelo matemático que permite entender e prever o mecanismo de remoção do nitrogênio no biofilme formado por bactérias que transformam os compostos nitrogenados em gás nitrogênio, que é inofensivo para o meio ambiente, colaborando para pesquisas futuras.

O trabalho foi realizado por Bruno Garcia Silva durante seu doutorado em engenharia hidráulica e saneamento pela Universidade de São Paulo (USP), sob a orientação do professor Eugenio Foresti, da Escola de Engenharia de São Carlos (EESC-USP), e com apoio de bolsa da FAPESP.

O artigo é um dos resultados do Projeto Temático "Aplicação do conceito de biorrefinaria a estações de tratamento biológico de águas residuárias: o controle da poluição ambiental aliado à recuperação de matéria e energia", coordenado pelo professor Marcelo Zaiat. Envolve ainda equipes da Universidade Federal de São Carlos (UFSCar) e do Instituto Mauá de Tecnologia.

“A remoção do nitrogênio é alcançada ainda em poucas estações de tratamento de esgoto no Brasil, enquanto na Europa e nos Estados Unidos já acontece com maior facilidade. A ideia é trazer [a infraestrutura necessária] para a nossa realidade. Aqui geralmente se usa o reator anaeróbio, que gera um efluente com baixa carga orgânica, e isso dificulta o processo de remoção do nitrogênio”, explica Garcia à Agência FAPESP.

A retirada dos chamados compostos nitrogenados (entre eles nitrito, nitrato e amônia) tanto do esgoto doméstico quanto do industrial é essencial, pois eles podem contaminar corpos d’água superficiais (lagos, represas, córregos e igarapés) e subterrâneos (como grandes aquíferos), favorecendo o crescimento descontrolado de bactérias, algas e plantas – processo conhecido como eutrofização.

Além disso, o consumo de água contaminada por nitratos pode levar ao desenvolvimento de doenças como a metahemoglobinemia, conhecida como síndrome do bebê azul. Mais comum em crianças, pode causar dor de cabeça, tontura, fadiga, letargia ou até mesmo choque, depressão respiratória grave e alterações neurológicas, como convulsões e coma, nos casos graves.

“Quando acontece a proliferação de algas, uma das consequências que temos visto em represas como a Billings, por exemplo, é a morte de peixes por falta de oxigenação da água. Você perde uma área que poderia ser de abastecimento, de lazer ou ambos pelo excesso de algas, que são muito difíceis de serem removidas do meio líquido”, destaca Foresti, coordenador do grupo.

Diferenciais

Como explicam os pesquisadores, o principal diferencial do novo modelo de reator é o biofilme, que se forma após um processo biológico em que bactérias criam uma espécie de película sobre uma espuma, no caso, de poliuretano. Além disso, a configuração do equipamento possibilita o que os pesquisadores chamam de “contradifusão”, ou seja, o oxigênio é inserido no lado oposto ao dos contaminantes.

“O oxigênio será transportado para dentro da espuma porque, assim, permanece apenas onde é necessário para que a reação ocorra. Não queríamos esse gás em contato com a matéria orgânica o tempo todo, pois as bactérias consumiriam todo o oxigênio para degradá-la e não sobraria nada para consumir o nitrito e o nitrato. Por isso inserimos o oxigênio do outro lado do biofilme. A ideia é que a matéria orgânica que chega ao biofilme pelo lado oposto possa ser oxidada não apenas pelo oxigênio, mas também por nitrito e nitrato”, conta Garcia.

Quando não tem oxigênio entrando no reator, a amônia permanece inalterada. Mas quando chega à parte em que há entrada de oxigênio, começa a se transformar em nitrito e nitrato. “Como a única saída é pelo biofilme, os compostos atravessam essa barreira por difusão em direção contrária à da matéria orgânica. O encontro da matéria orgânica no contrafluxo cria condições ótimas para a remoção desse nitrito e desse nitrato, porque já não há oxigênio e há a matéria orgânica necessária para a desnitrificação”, acrescenta o pesquisador.

Foresti explica que, no Brasil, os reatores anaeróbios (no qual a matéria orgânica é degradada por bactérias que não precisam de oxigênio para viver) estão sendo cada vez mais utilizados pelos municípios por causa do nosso clima, mais quente que o do hemisfério Norte. As altas temperaturas permitem uma atividade maior das bactérias para decompor a matéria orgânica. Na Europa e nos Estados Unidos é o contrário, pois com temperaturas baixas o processo é diferente. A matéria orgânica presente na fase líquida, depois da remoção do lodo, é oxidada por processo aeróbio (que envolve o oxigênio).

Contudo, por causa dos custos, os compostos nitrogenados acabam não sendo totalmente retirados aqui no Brasil e acabam sendo liberados diretamente na natureza. Este novo modelo de reator é destinado a desenvolver uma segunda etapa para o tratamento das estações de esgoto, mais fácil e barata, visando tecnologias e parcerias futuras.

Parcerias

Garcia teve a colaboração de colegas do laboratório do professor Robert Nerenberg, da Universidade de Notre Dame, nos Estados Unidos, onde atuou como pesquisador visitante entre 2019 e 2020.

“A diferença do meu projeto para o deles é que, em vez de usar a espuma de poliuretano, por lá eles usam uma membrana semipermeável – semelhante a um canudinho cheio de ar dentro. Em contato com a água, esse canudinho permite a passagem do oxigênio, mas não da água, e o biofilme cresce aderido à essa superfície. Ou seja, através das paredes desse canudo é que se fornece oxigênio para as bactérias. Então, o oxigênio vem de dentro para fora e a água está fornecendo a amônia e a matéria orgânica. É o mesmo sistema de contradifusão. A diferença é que aqui nós utilizamos um material mais simples e barato”, pondera Garcia.

“No biofilme, a bactéria cresce aderida à superfície. Mas não seria um filtro propriamente dito, porque não oferece uma resistência mecânica à passagem de uma partícula. O que esse reator faz, na verdade, é servir de material de suporte para que a bactéria cresça e consuma a matéria orgânica solúvel e os compostos nitrogenados”, explica o cientista.

Próximos passos

Foresti adianta que a nova configuração do reator já está inspirando estudos mais recentes do grupo. Em um programa de cooperação entre a Companhia de Saneamento Básico do Estado de São Paulo (Sabesp) e a FAPESP, os pesquisadores pretendem testar o novo modelo com o esgoto real da cidade de São Carlos, que já passou por um reator anaeróbio na estação de tratamento operada pelo Serviço Autônomo de Água e Esgoto São Carlos (SAAE). Pesquisadores da UFSCar e do Instituto Mauá também fazem parte desse programa de cooperação e desenvolverão outros sistemas a serem testados.

“A pesquisa do Bruno é a primeira que utiliza o processo de contradifusão dessa forma aqui no Brasil. Ele comprovou o conceito para uma água residuária sintética. A eficiência encontrada com essa configuração de reator foi bem maior do que a observada em pesquisas anteriores, mas ainda precisamos avaliar vários fatores”, destaca Foresti.

A nova configuração foi testada por enquanto em laboratório. Novos projetos ainda precisam validar a eficiência, pois não é possível prever como o equipamento vai se comportar com grandes quantidades de efluentes. Além disso, é necessário testar o sistema usando esgoto real, doméstico e industrial, já que, até então, as amostras foram de esgoto sintético, preparado pela própria equipe.

“Talvez seja preciso melhorar o desenho e a geometria. Como eu consigo otimizar esse desenho para ter maior área superficial por volume de reator para baratear? Esse trabalho dá as bases, os fundamentos para que se continue pensando nesse processo e, também, a ferramenta, que é o modelo matemático”, finaliza Garcia.

O artigo Unique biofilm structure and mass transfer mechanisms in the foam aerated biofilm reactor (FABR) pode ser lido em: www.tandfonline.com/doi/full/10.1080/09593330.2022.2058422.






Autor: Cristiane Paião
Fonte: Agência FAPESP
Sítio Online da Publicação: FAPESP
Data: 28/06/2022
Publicação Original: https://agencia.fapesp.br/novo-sistema-de-tratamento-de-esgoto-remove-ate-70-do-nitrogenio-que-seria-lancado-na-natureza/38978/

Neutrinos sugerem que o sol tem mais carbono e nitrogênio do que se pensava

Após duas décadas de debate, os cientistas estão cada vez mais perto de descobrir exatamente do que o sol – e, portanto, todo o universo – é feito.

O sol é composto principalmente de hidrogênio e hélio. Existem também elementos mais pesados, como oxigênio e carbono, mas o quanto é controverso. Novas observações de partículas subatômicas fantasmagóricas conhecidas como neutrinos sugerem que o sol tem um amplo suprimento de “metais”, o termo que os astrônomos usam para todos os elementos mais pesados ​​que hidrogênio e hélio, relatam pesquisadores em 31 de maio no arXiv.org.

Os resultados “são totalmente compatíveis com [uma] alta metalicidade” para o sol, diz Livia Ludhova, física do Centro de Pesquisa Jülich, na Alemanha.

Elementos mais pesados ​​que o hidrogênio e o hélio são cruciais para criar planetas de ferro-rocha como a Terra e sustentar formas de vida como os humanos. De longe, o mais abundante desses elementos no universo é o oxigênio, seguido pelo carbono, neônio e nitrogênio.

Mas os astrônomos não sabem exatamente quantos desses elementos existem em relação ao hidrogênio, o elemento mais comum no cosmos. Isso ocorre porque os astrônomos normalmente usam o sol como ponto de referência para medir a abundância elementar em outras estrelas e galáxias, e duas técnicas implicam composições químicas muito diferentes para nossa estrela.

Uma técnica explora as vibrações no interior do sol para deduzir sua estrutura interna e favorece um alto teor de metal. A segunda técnica determina a composição do sol de como os átomos em sua superfície absorvem certos comprimentos de onda de luz. Duas décadas atrás, o uso desta segunda técnica sugeriu que os níveis de oxigênio, carbono, neon e nitrogênio no sol eram 26 a 42 por cento mais baixos do que uma determinação anterior encontrada, criando o conflito atual.

Outra técnica surgiu agora que poderia decidir o debate de longa data: usar neutrinos solares.

Essas partículas surgem de reações nucleares no núcleo do sol que transformam hidrogênio em hélio. Cerca de 1% da energia do sol vem de reações envolvendo carbono, nitrogênio e oxigênio, que convertem hidrogênio em hélio, mas não são consumidos no processo. Portanto, quanto mais carbono, nitrogênio e oxigênio o sol realmente tiver, mais neutrinos esse ciclo CNO deve emitir.

Em 2020, os cientistas anunciaram que o Borexino, um detector subterrâneo na Itália, havia detectado esses neutrinos CNO (SN: 24/6/20). Agora Ludhova e seus colegas registraram neutrinos suficientes para calcular que os átomos de carbono e nitrogênio juntos são cerca de 0,06% tão abundantes quanto os átomos de hidrogênio no sol – o primeiro uso de neutrinos para determinar a composição do sol.

E embora esse número pareça pequeno, é ainda maior do que o preferido pelos astrônomos que defendem um sol com alto teor de metal. E é 70% maior do que o número que um sol com baixo teor de metal deveria ter.

“Este é um ótimo resultado”, diz Marc Pinsonneault, astrônomo da Ohio State University, em Columbus, que há muito defende um sol com alto teor de metais. “Eles conseguiram demonstrar de forma robusta que a atual solução de baixa metalicidade é inconsistente com os dados”.

Ainda assim, devido às incertezas nos números de neutrinos observados e previstos, Borexino não pode descartar totalmente um sol de baixo metal, diz Ludhova.

O novo trabalho é “uma melhoria significativa”, diz Gaël Buldgen, astrofísico da Universidade de Genebra, na Suíça, que defende um sol com baixo teor de metal. Mas os números previstos de neutrinos CNO vêm de modelos do sol que ele critica como muito simplificados. Esses modelos negligenciam a rotação do sol, que poderia induzir a mistura de elementos químicos ao longo de sua vida e alterar a quantidade de carbono, nitrogênio e oxigênio perto do centro do sol, alterando assim o número previsto de neutrinos CNO, diz Buldgen.

Observações adicionais de neutrinos são necessárias para um veredicto final, diz Ludhova. O Borexino fechou em 2021, mas experimentos futuros podem preencher o vazio.

As apostas são altas. “Estamos discutindo sobre do que o universo é feito”, diz Pinsonneault, porque “o sol é a referência para todos os nossos estudos”.

Então, se o sol tem muito mais carbono, nitrogênio e oxigênio do que se pensava atualmente, todo o universo também tem. “Isso muda nossa compreensão sobre como os elementos químicos são feitos. Isso muda nossa compreensão de como as estrelas evoluem e como vivem e morrem”, diz Pinsonneault. E, acrescenta, é um lembrete de que mesmo a estrela mais bem estudada – nosso sol – ainda tem segredos.

Autor: Ken Croswell

Fonte: sciencenews
Sítio Online da Publicação: sciencenews
Data: 16/06/2022
Publicação Original: https://www.sciencenews.org/article/neutrino-sun-carbon-nitrogen-metals-elements

Estudo revela que a disponibilidade de nitrogênio para as plantas está diminuindo com o aquecimento do clima

Disponibilidade de nitrogênio – A maioria dos ecossistemas terrestres, como florestas e terras que não foram tratadas com fertilizantes, estão se tornando mais oligotróficos

University of Maryland Center for Environmental Science*

Foto: EBC


Pesquisadores descobriram que as mudanças globais, incluindo o aquecimento das temperaturas e aumento dos níveis de dióxido de carbono na atmosfera, estão causando uma diminuição na disponibilidade de um nutriente fundamental para as plantas terrestres. Isso pode afetar a capacidade das florestas de absorver dióxido de carbono da atmosfera e reduzir a quantidade de nutrientes disponíveis para as criaturas que as comem.

“Mesmo que o dióxido de carbono atmosférico seja estabilizado em níveis baixos o suficiente para mitigar os impactos mais sérios da mudança climática, muitos ecossistemas terrestres exibirão cada vez mais sinais de redução de nitrogênio”, disse Andrew Elmore, co-autor do estudo. do Centro de Maryland para a ciência ambiental. “Evitar estes declínios na disponibilidade de nitrogênio enfatiza ainda mais a necessidade de reduzir as emissões de dióxido de carbono causadas pelo homem.”

Embora o foco na disponibilidade de nitrogênio seja frequentemente desenvolvido em regiões costeiras, como a Baía de Chesapeake, que luta contra a eutrofização – escoamento da poluição por nitrogênio de fazendas fechadas e gramados que alimentam as algas e leva à redução do oxigênio nas águas – A história é muito diferente em terras menos desenvolvidas, como as montanhas do oeste de Maryland.

“Essa ideia de que o mundo está inundado de nitrogênio e que a poluição por nitrogênio está causando todos esses efeitos ambientais tem sido o foco de conversas na literatura científica e na imprensa popular há décadas”, disse Elmore. “O que estamos descobrindo é que ele escondeu essa tendência de longo prazo em sistemas sem mudanças causadas pelo aumento do dióxido de carbono e por períodos de crescimento mais longos”.

Pesquisadores estudaram um banco de dados de química de folhas de centenas de espécies que foram coletadas em todo o mundo entre 1980-2017 e descobriram uma tendência global na diminuição da disponibilidade de nitrogênio. Eles descobriram que a maioria dos ecossistemas terrestres, como florestas e terras que não foram tratadas com fertilizantes, estão se tornando mais oligotróficos, o que significa que há poucos nutrientes disponíveis.

“Se o nitrogênio está menos disponível, tem o potencial de diminuir a produtividade da floresta. Chamamos isso de oligotrofização”, disse Elmore. “Na bacia florestal, não é uma palavra muito usada para sistemas terrestres, mas indica a direção em que as coisas estão indo.”

O nitrogênio é essencial para o crescimento e desenvolvimento das plantas. No chão da floresta, os micróbios quebram matéria orgânica, como folhas caídas e liberam nitrogênio no solo. A árvore recupera esse nitrogênio para construir proteínas e crescer. No entanto, como as árvores têm acesso a mais carbono, mais e mais micróbios estão se tornando nitrogênio e liberando menos nutrientes para as árvores.

“Este novo estudo acrescenta a um crescente conhecimento que as florestas não conseguirão sequestrar tanto carbono da atmosfera, como muitos modelos preveem, porque o crescimento da floresta é limitado pelo nitrogênio”, disse Eric Davidson, diretor da Universidade de Maryland. Laboratório Appalachian da Environmental Science. “Esses novos insights usando novas análises isotópicas fornecem uma nova linha de evidências de que diminuições nas emissões de carbono são urgentemente necessárias”.

Nos EUA e na Europa, as regulamentações sobre usinas termoelétricas a carvão reduziram a quantidade de deposição de nitrogênio como consequência das regulamentações do ar limpo que tentam combater a chuva ácida. Ao mesmo tempo, o aumento dos níveis de dióxido de carbono na atmosfera e as estações de crescimento mais longas estão aumentando a demanda de nitrogênio para o crescimento das plantas.

“Há agora várias linhas de evidência que apoiam a hipótese da oligotrofização”, disse o co-autor do estudo, Joseph Craine, um ecologista da Jonah Ventures. “Além do declínio na química das folhas, estamos vendo o gado pastando se tornando mais limitado pelas proteínas, as concentrações de proteína do pólen diminuindo e as reduções de nitrogênio em muitos riachos. Esses pontos estão começando a se conectar a um quadro abrangente de carbono circulando pelos ecossistemas.”


O artigo, “Isotopic evidence for oligotrophication of terrestrial ecosystems“, foi publicado na revista Nature Ecology & Evolution por Andrew Elmore e David Nelson, do Centro de Ciências Ambientais da Universidade de Maryland, e Joseph Craine, da Jonah Ventures.
https://doi.org/10.1038/s41559-018-0694-0



Tradução e edição de Henrique Cortez, EcoDebate.

in EcoDebate, ISSN 2446-9394, 24/10/2018




Autor: EcoDebate
Fonte: EcoDebate
Sítio Online da Publicação: EcoDebate
Data: 24/10/2018
Publicação Original: https://www.ecodebate.com.br/2018/10/24/estudo-revela-que-a-disponibilidade-de-nitrogenio-para-as-plantas-esta-diminuindo-com-o-aquecimento-do-clima/