1. Artigo síntese de Trabalho de Conclusão de Curso da Engenharia Sanitária e Ambiental Julho de 2015
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Nitrificação e desnitrificação mediadas pela bactéria paracoccus denitrificans em maciço filtrante
componente de wetlands construídos verticais
RUBEN ROC – roc.pamies@gmail.com
PABLO HELENO SEZERINO – pablo.sezerino@ufsc.br
CATIANE PELISSARI – catianebti@gmail.com
UFSC – Universidade Federal de Santa Catarina
ENS – Departamento de Engenharia Sanitária e Ambiental
Campus Reitor João D. F. Lima, Trindade – CEP 88040-970, Florianópolis (SC) – Brasil
Abstract: Among the different components of vertical-flow constructed wetlands (VFCW), stands out the role of
the filter bed in the relations of effluent flow to be treated, as well as the formation responsible for the transformation
of organic matter and biofilm, in particular nutrients in the influent wastewater. Besides the classic routes for the
processing and disposal of nitrogen in these systems, other routes can be developed and maximized. Among them
emerge heterotrophic nitrification (NH) and aerobic denitrification (DA). This study evaluated the performance of
the bacterium Paracoccus denitrificans in the removal of ammonia nitrogen in sand columns simulating vertical
profiles of VFCW (column 30cm depth of filter bed) and partially saturated vertical-flow constructed wetland PS-
VFCW (column 60cm depth of filter bed, and these saturated 40cm). Three sand columns were operated in
laboratory scale by 115 days, with columns representing the VFWC and PS-VFCW inoculated with bacteria P.
denitrificans (with a concentration of 1,40x1010 CFU mL-1), and a third column serving as white and free of
microorganisms. All columns were fed with autoclaved synthetic wastewater intermittently under a C/N rate of 5,
with an organic loading of the influent of 41 g DQO m-2 d-1, 8 g NH4+ m-2 d-1, and ad hydraulic tax of mm d-1. Every
week, it was performed a physicochemical monitoring of the influent and the effluent of the treatment columns. A
higher COD removal performance was found in the column representing the PS-VFCW, with an average removal
of 70%. To the column representing the VFCW the average removal efficiency obtained was of 57%. It was noticed
a little difference between the two columns relative to the mean efficiency of NH4+ removal, obtaining 54% removal
to VFWC column and 51% for PS-VFWC column. It is noteworthy that was not observed in the column effluents
NOx formation, therefore follows that the removal of NH4+ from the affluent was due to simultaneous nitrification
and denitrification promoted by the bacterium P. denitrificans.
Keywords: sewage treatment, nitrogen, constructed wetland, heterotrophic nitrification, aerobic denitrification,
Paracoccus desnitrificans.
1. Introdução
Os Wetlands Construídos (WC) são sistemas
de tratamento de águas residuais que simulam o
tratamento que ocorrem nos wetlands naturais. Estes
sistemas podem ser considerados como uma
alternativa viável para pequenas comunidades (até
5000 habitantes), com custos energéticos e de
manutenção significativamente menores quando
comparado aos sistemas convencionais (Choubert et
al., 2014).
Dentre as classificações dos WC, a literatura
reporta-se aos Wetlands Construídos Verticais
Descendente (WCVD) como unidades ideais para
promover a remoção de matéria orgânica, retenção de
sólidos e, sobretudo, a conversão do nitrogênio
amoniacal a nitrato devido à alimentação
intermitente, a qual maximiza os processos de
transferência de oxigênio (Platzer, 1999; Kadleck e
Wallace, 2009).
Contudo, a remoção de nitrogênio nessa
tecnologia, ainda apresenta deficiências, devido ao
desconhecimento de estratégias operacionais, que
otimizem não apenas a transformação desse
nutriente, mas também, a remoção completa.
Nos sistemas clássicos de WCVD é necessário
condições anaeróbicas/anóxicas para a comunidade
bacteriana realizar a desnitrificação. De fato a
modalidade de WCVD não oferece estas condições, e
portanto estes sistemas de tratamento necessitam de
estratégias que ofereceram pontualmente estas
condições.
Diante disso, estratégias operacionais a fim de
proporcionar as condições necessárias para
ocorrência da nitrificação e desnitrificação
simultâneas em um mesmo módulo, como é o caso
dos Wetlands Construídos Verticais Descendentes de
Fundo Saturado (WCVD-FS), vêm sendo estudadas
(Damaceno et al. 2015). Essas unidades consistem em
um módulo de WCVD com duas zonas distintas: uma
zona superior na qual o maciço filtrante não está
saturado, e uma zona inferior com maciço filtrante
saturado com efluente (Fonder et al., 2013).
Concomitantemente com as estratégias
operacionais junto aos wetlands, existem estudos que
citam comunidades bacterianas capazes de remover
completamente o nitrogênio por uma via distinta da
clássica, destacando-se a nitrificação heterotrófica e

2. Artigo síntese de Trabalho de Conclusão de Curso da Engenharia Sanitária e Ambiental Julho de 2015
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desnitrificação aeróbia, não requerendo, portanto, de
condições de anoxia, sendo o organismo modelo o
Paracoccus denitrificans (Beijerinck e Minkman,
1910).
Neste contexto, este artigo apresenta o estudo
em nível de escala laboratorial, a fim de simular os
processos bioquímicos de transformação da matéria
orgânica e de nitrogênio presentes em esgotos junto
ao maciço filtrante componentes de unidades de
tratamento tipo wetlands construídos (nas
modalidades WCVD e WCVD-FS). Destaca-se, que
o foco principal deu-se na avaliação do desempenho
de remoção e transformação do nitrogênio amoniacal
pela bactéria P. denitrificans, mediante o processo da
nitrificação heterotrófica (Robertson e Kuenen, 1990)
e a desnitrificação aeróbia. (Raghoebarsing et al.,
2006) (Wallace e Austin, 2008).
2. Metodologia
Esse procedimento iniciou em fevereiro de
2015 com término em junho (20/06/2015),
totalizando 105 dias de operação.
O experimento consta com 3 colunas de areia:
uma coluna operando como branco, com 0,30 m de
profundidade (coluna 1); uma coluna representando o
perfil vertical de WCVD com 0,30 m de profundidade
(coluna 2); uma coluna representando o perfil vertical
de WCVD-FS com 0,60 m de profundidade e com os
últimos 0,40 m saturados (coluna 3).
A coluna 1 que operava como branco não foi
realizada nenhuma inoculação. Nas colunas 2 e 3
foram inoculadas a bactérias Paracoccus
denitrificans (ATCC 17741). Todas as colunas foram
compostas com areia grossa (d10= 0,21 mm e U= 5,1)
como material filtrante, e no fundo de cada coluna foi
assentado brita até uma altura de 0,05 m. Sendo as
condições operacionais resumidas na Figura 1.
A areia e a brita, bem como o esgoto afluente
utilizados neste experimento foram autoclavados,
afim de evitar o desenvolvimento de micro-
organismos indesejados, e garantir a colonização
apenas das bactérias inoculadas.
As colunas foram alimentadas manualmente
com esgoto sintético, simulando as características
operacionais descritas anteriormente, três dias na
semana (terças, quartas e quintas-feiras), nestes dias
as mesmas foram alimentadas em três períodos
distintos (9:00, 13:00 e 17:00 horas).
A solução de esgoto sintético foi elaborada e
autoclavada semanalmente, contendo os seguintes
compostos: CH3COONa, NH4Cl, como fonte de
DQO e NH4
+
. A solução final de esgoto sintético
resulta em uma concentração de 365 mg L-1
de DQO,
70 mg L-1
de NH4
+
.
Figura 1 - Condições operacionais do procedimento
experimental - Sem escala
Fonte: Pelissari (2015)
O monitoramento físico-químico afluente e
efluente das colunas foi realizado por meio de
análises semanais (um por semana) de pH,
alcalinidade, DQO, N-NH4
+
, N-NO2
-
e N-NO3
-
,
seguindo as metodologias destacadas na Tabela 1.
Tabela 1 - Parâmetros avaliados e metodologia
Parâmetros Metodologia empregada
pH
Potenciométrico, pHmetro Tekna
T-1000, Standard Methods 4500-
H+, (APHA, 2005)
DQO (mg L-
1
)
Digestão em refluxo fechado –
método colorimétrico, Leitura em
espectrofotômetro HACH®
–
Standard Methods 5220D,
(APHA, 2005).
Alcalinidade
(mg L-1
)
Titulação potenciométrica com
solução de H2SO4 0,05N –
Standard Methods 2320B, (APHA,
2005)
SS (mg L-1
)
Método gravimétrico - filtragem
em membrana de fibra de vidro e
secagem a 105ºC – Standard
Methods 2130B, (APHA, 2005)
N-NH4
+
(mg
L-1
)
Método colorimétrico de Nessler,
leitura em espectrofotômetro
HACH®
, (VOGEL, 1981)
N-NO2
-
(mg
L-1
)
Método colorimétrico
Alfanaftilamina, (APHA,1998)
N-NO3
-
(mg
L-1
)
Método colorimétrico- KIT
HACH®
, Redução de Cadmo,
Standard Methods 4500 E,
(APHA, 2005)

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3. Resultados e Discussão
Os resultados a seguir, referem-se ao 105 dias
de operação das colunas de areia, simulando o perfil
vertical do maciço filtrante de wetland construído
vertical descendente (WCVD) e wetland construído
vertical descendente de fundo saturado (WCVD-FS).
Na tabela 2, apresenta-se os resultados das
concentrações médias e eficiências de remoção,
obtidas referentes ao monitoramento físico-químico
afluente e efluente das colunas WCVD, WCVD-FS e
Branco, operadas durante o período de 23/02/2015 a
01/06/2015, totalizando 15 semanas de operação.
Conforme observado na Tabela 2, o esgoto
sintético apresentou baixas variações, atingindo as
condições operacionais propostas para o estudo
durante o período avaliado, tendo concentrações
médias de DQO 367 mg L-1
e 69,99 mg L-1
de NH4
+
,
com um baixo desvio padrão 4,71 e 0,18 mg L-1
,
respectivamente, o que resultou em uma carga de
DQO de 41 g DQO m-2
d-1
e 8 g N-NH4
+
m-2
d-1
.
Foi evidente o desempenho da bactéria P.
desnitrificans nas transformações do nitrogênio, tanto
na coluna que representa o maciço filtrante de
WCVD, quanto na coluna que representa o maciço
filtrante de WCVD-FS. Dessa forma, visto que a
bactéria P. desnitrificans operou em condições com
altas concentrações de carbono, bem como, em um
ambiente principalmente aeróbio, a via bioquímica de
transformação e remoção de nitrogênio foi a
nitrificação heterotrófica e desnitrificação aeróbia.
Sendo a produção de energia procedente da mesma
desnitrificação aeróbica que usa ambos, oxigênio e
nitrato, simultaneamente como aceptor terminal de
eléctrones (Wallace e Austin, 2008).
Segundo Wen e Wei (2011) o pH ideal para
a remoção de nitrogênio pela NH e DA é entre 6 e 8,
o que ocorreu no presente estudo com valores médios
de 7,53 ± 0,37 para a coluna WCVD e 7,13 ± 0,30
para a coluna WCVD-FS (Figura 2).
Figura 2 – Evolução do pH, efluente e efluente das
colunas de areia.
A remoção de alcalinidade atingida foi de 31%
na coluna de WCVD e 37% na coluna de WCVD-FS.
Observando os valores de alcalinidade e pH do meio,
dado que o pH não caiu até valores inferiores a 6, e a
remoção de alcalinidade não foi completa, constata-
se que o desempenho bacteriano nas colunas WCVD
e WCVD-FS não foi afetado pela indisponibilidade
de alcalinidade no meio e, portanto, a nitrificação foi
completa.
Com base nas concentrações de alcalinidade e
nitrogênio amoniacal afluente e efluente das colunas,
calculou-se a relação estequiométrica no desempenho
da P. desnitrificans mediante a NH e DA, e o
resultado foi de 1,26 mg de alcalinidade consumidas
para cada mg de NH4
+
oxidada pela coluna WCVD e
de 1,64 mg alcalinidade mg-1
NH4
+
na coluna
WCVD-FS.
As colunas apresentaram uma eficiência média
de remoção de DQO de 57% para a coluna WCVD e
de 70% na coluna WCVD-FS. Infere-se que a
diferença de remoção de DQO entras as colunas está
vinculado com o maior altura de maciço filtrante da
coluna de WCVD-FS quando comparada a coluna
WCVD.
Nas Figuras 3 e 4 apresenta-se a evolução do
parâmetro DQO das 15 semanas de operação das duas
colunas (WCVD e WCVD-FS). O máximo de
eficiência atingida pela coluna WCVD foi de 73% na
15º semana, e de 82% na coluna WCVD-FS a 13º
semana. A mínima remoção foi na 4º semana pra a
coluna WCVD com um 45% e WCVD-FS de 38% na
2º semana.

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Figura 3 – Evolução do parâmetro DQO na coluna
WCVD
Figura 4 - Evolução do parâmetro DQO na coluna
WCVD-FS
Apresenta-se na Figura 5 baixa capacidade do
material filtrante de remover DQO com o
desempenho da coluna Branco, atingindo remoções
máximas de 3% e mínimo de 0,56%.
Figura 5 - Evolução do parâmetro DQO na coluna
Branco
A remoção de nitrogênio amoniacal pelas
colunas foi satisfatória, a coluna WCVD apresentou
remoção média de 54%, enquanto a coluna WCVD-
FS apresentou remoção na ordem de 51%. Sendo,
portanto, bastante superiores às esperadas para
remoção de nutrientes em tratamento secundário que
varia entre 10% e 50% (von Sperling, 1996).
Segundo Metcalf e Eddy (1991), a eficiência de
remoção N total em tratamento convencional é menor
do que 30%. Segundo Metcalf e Eddy (1991), a
eficiência de remoção N total em tratamento
convencional é menor do que 30%.
Nas Figuras 6 e 7 mostra-se a evolução do
parâmetro N-NH4 nas 15 semanas de operação das
duas colunas. O máximo de eficiência na coluna
WCVD foi de 66% na 4º semana e de 54% na coluna
WCVD-FS. As duas colunas apresentaram remoção
mínima de nitrogênio amoniacal na 3º semana com
uma remoção do 40% e 38% respectivamente.
Constata-se que a nitrificação foi completa sendo a
produção de NOx quase nula. A média de
concentração obtida no efluente, foi para ambas as
colunas foram baixas; pontualmente, na coluna
WCVD a concentração foi de 0,62 mg L-1
e para a
coluna WCVD-FS foi de 0,62 mg L-1
.
Figura 6 – Evolução do parâmetro N-NH4 na coluna
WCVD
Figura 7 - Evolução do parâmetro N-NH4 na coluna
WCVD-FS
Observa-se na Figura 8, a evolução das
concentrações de nitrogênio amoniacal afluente e
efluente da coluna que operou como Branco, ou seja,
sem inoculação da bactéria P. denitrificans. Nessa
coluna ocorreu a remoção de nitrogênio amoniacal
durante as primeiras semanas. Esse fato atribui-se ao
processo já descrito na literatura (Kadlec e Wallace,
2009) de adsorção do íon amônia no material filtrante.
Até a 6º semana de operação o material filtrante
apresentou potencial de adsorção médio de 13%. A
partir da 6º semana de operação a concentração do
afluente foi a mesma que a efluente (70 mg L-1
).
Depois desse período iniciou-se um período de

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desorção, lixiviação e re-adsorção liberando
concentrações de nitrogênio amoniacal cada vez mais
alta no efluente final.
Figura 8 - Evolução do parâmetro N-NH4 na coluna
Branco
Com base nas concentrações de DQO e
nitrogênio amoniacal afluente e efluente das colunas
e a relação C/N 5 operadas nas mesmas, calculou-se
a relação estequiométrica no desempenho da P.
desnitrificans mediante a NH e DA, e o resultado foi
de 5,5 mg de DQO consumidas para cada mg de NH4
+
oxidada pela coluna WCVD e de 7,2 mg DQO mg-1
NH4
+
na coluna WCVD-FS. Obtém-se estes
resultados com os consumos médios por coluna
afluente/efluente e por cada parâmetro relacionados
entre si (Tabela 3).
Tabela 3 – Relação estequiométrica por parâmetro e
por coluna
WCVD WCVD-FS
Consumo DQO (mg L-1
) 210,78 Consumo DQO (mg L-1
) 255,35
Consumo NH4 (mg L-1
) 37,91 Consumo NH4 (mg L-1
) 35,36
Relação 5,56 Relação 7,22
Os resultados mostram que o desempenho da
P. denitrificans no processo de nitrificação
heterotrófica e desnitrificação aeróbia não mostraram
variações em relação a remoção de nitrogênio
amoniacal, mesmo as colunas operando sob
diferentes condições redutoras e oxidativas como o
caso da coluna WCVD-FS e WCVD. Ocorreu uma
diferença de 3% entre as mesmas. Esse fato pode estar
relacionado com a colonização da P. desnitrificans.
Nokhal e Schelegel (1983) caracterizam esta
bactéria com preferência de crescimento em
ambientes aeróbios além de ser versátil no
crescimento em condições aeróbias e anaeróbias,
dessa forma a remoção do nitrogênio amoniacal pode
ter ocorrido apenas nas regiões aeróbias das colunas.
Infere-se que esse fato pode estar associado a
colonização da P. denitrificans, sendo que a mesma
pode estar realizando o processo de nitrificação e
desnitrificação apenas na região aeróbia da coluna.
4. Conclusões
Considerando 105 dias de ensaios em escala
laboratorial com colunas de areia simulando o perfil
vertical do maciço filtrante componente de WCVD e
WCVD-FS, inoculadas com 1,40x1010
UFC mL-1
de
P. denitrificans e operando com uma relação C/N de
5, um carregamento orgânico de 41 g DQO m-2
d-1
,
um carregamento de nitrogênio de 8 g NH4
+
m-2
d-1
e
uma taxa hidráulica de 113 mm d-1
infere-se que:
 A remoção de nitrogênio amoniacal e
carbono orgânico pela via de NH e DA foi
satisfatória nas duas colunas;
 A remoção média de NH4
+
da coluna de areia
que operou simulando o perfil vertical de um
WCVD foi de 54%;
 A remoção média de NH4
+
da coluna de areia
que operou simulando o perfil vertical de um
WCVD-FS foi de 51%;
 A remoção média de DQO da coluna de areia
que operou simulando um perfil vertical de WCVD
foi de 57%;
 A remoção média de DQO da coluna de areia
que operou simulando um perfil vertical de um
WCVD-FS foi de 70%;
 Até a 6º semana de operação o material
filtrante apresentou potencial de adsorção médio de
NH4
+
de 13%;
 A relação estequiométrica do consumo de
DQO foi de 5,5 mg DQO por cada mg de NH4
+
na
coluna WCVD e;
 7,2 mg DQO por cada mg de NH4
+
na coluna
WCVD-FS;
 A relação estequiométrica do consumo de
alcalinidade foi de 1,26 mg alcalinidade por cada
mg de NH4
+
na coluna WCVD e;
 1,64 mg alcalinidade por cada mg de NH4
+
na coluna WCVD-FS;
Por fim, este estudo indica a viabilidade de
ocorrência de nitrificação heterotrófica e
desnitrificação aeróbia em wetlands construídos
verticais, quando da presença da bactéria P.
denitrificans.

6. Artigo síntese de Trabalho de Conclusão de Curso da Engenharia Sanitária e Ambiental Julho de 2015
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