Uma das características mais importantes dos reatores do tipo RAC e UASB é que os micro-organismos podem se agregar e formar grânulos. Esta característica permite o tratamento de efluentes com alta carga orgânica em um tempo de detenção hidráulica (TDH) curto, mantendo um tempo de detenção celular prolongado, sem que haja a necessidade de acrescentar material suporte para o empacotamento do reator (Peláez, 2007).
A granulação evidencia uma boa sedimentação da biomassa, além de permitir a efetiva retenção celular dentro do reator, criando condições físico- químicas e fisiológicas favoráveis às bactérias e as suas interações sintróficas, no ambiente anaeróbio (Show et al., 2004). Cada grânulo é uma unidade funcional que contém os micro-organismos necessários para a degradação anaeróbica da matéria orgânica. Um grânulo típico inclui milhões de células por grama de biomassa, formando um ecossistema microbiano único de alguns milímetros de tamanho dentro de um agregado (McHugh et al., 2003).
O fenômeno da granulação tem sido relacionado com o cultivo do lodo em função de cargas aplicadas ao reator (Lettinga, 1995). Tanto a velocidade ascensional quanto a taxa de produção de biogás por área de reator contribuem com o descarte seletivo da biomassa mais leve, não granular ou floculenta, retendo, assim, os agregados mais pesados e com melhores características de sedimentação dentro do reator. Além da formação de agregados, a estabilidade dos grânulos também determina a confiabilidade do tratamento. As características dos afluentes, bem como as cargas orgânicas aplicadas e o projeto dos reatores, podem influir diretamente na formação do lodo ou, até mesmo, provocar desintegração dos grânulos, devido a condições inadequadas na unidade de tratamento, fazendo com que o lodo do grânulo seja carreado para fora do reator (Peláez, 2007).
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Com base nestes estudos pode-se dizer que as características do lodo dentro do reator dependem das características operacionais durante a partida e das características do efluente a ser tratado (composição e concentração). Para um mesmo tipo de efluente, as características do lodo podem ser diferentes, uma vez que dependem das cargas hidráulicas e orgânicas aplicadas. A carga orgânica, expressa em kgDQO.m3.d-1 e a carga biológica, expressa em kgDQO.kgSSV.d-1, aplicadas na partida dos reatores e o período de formação dos grânulos, são os parâmetros que influenciarão as características do lodo. Estes dois parâmetros definem, respectivamente, a capacidade do reator por unidade de volume e a capacidade de micro-organismos por unidade de massa capaz de converter o substrato orgânico (Ghangrekar et al., 2005; Chernicharo, 2007).
Há vários estudos que procuram esclarecer os mecanismos do processo de granulação e podem ser classificados em três grupos, com base nos aspectos físicos, microbiológicos e termodinâmicos (Hulshoff Pol et al., 2004). Alguns destes modelos são: o modelo do núcleo inerte, o modelo da ponte de cátions divalentes, o modelo de translocação-desidratação de prótons, o modelo do polímero extracelular, o modelo spaghetti, o modelo da colônia microssintrófica e modelos termodinâmicos (Liu & Tay, 2004; Liu et al., 2003; Peláez, 2007).
A microestrutura do grânulo depende da cinética de degradação do substrato. Segundo Schmidt & Ahring (1996), as diferentes vias metabólicas podem conduzir a diferentes tipos de grânulos. A presença de uma microestrutura em camadas está relacionada com o substrato e com a base de carboidratos, enquanto uma microestrutura disposta de outra forma está relacionada com um substrato com base de proteínas (Fang et al., 1995).
No modelo de camadas proposto por MacLeod et al. (1990) e Guiot et al. (1992), a composição microbiana de cada camada é diferente. Nas camadas
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do centro estão presentes organismos metanogênicos, que podem agir como centros de formação do núcleo. Nas camadas intermediárias, as espécies dominantes são aquelas que produzem e consomem H2 e, na camada externa, existe uma mistura de espécies, que inclui bactérias filamentosas, cocos e bacilos (Peláez, 2007). Segundo Fang et al. (1995), nos grânulos que têm uma estrutura homogênea não arranjada em camadas, os organismos predominantes são as bactérias filamentosas (Figura 2).
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A hidrofobicidade dos grânulos cumpre um papel importante na formação e na estabilidade dessas estruturas, facilitando a interação entre células. Alguns fatores ambientais, como a pressão de seleção ou o cultivo do grânulo, por meio de cargas hidráulicas e orgânicas e as condições de falta de substrato, influenciam a hidrofobicidade da superfície celular (Liu & Tay, 2004). Na presença de alguma pressão de seleção, os micro-organismos apresentam maior hidrofobicidade nas suas superfícies, tornando-as autoimobilizadas para formar grânulos mais densos, capazes de permanecer, a despeito das cargas, no reator. Segundo Liu & Tay (2004), os grânulos tendem a ser mais frágeis com o incremento da carga negativa em sua superfície. Os grânulos pequenos tendem a ser lavados facilmente do reator (varredura), causando instabilidade operacional. Por outro lado, os grânulos maiores estão associados com bactérias “leves”, sendo facilmente liberados no efluente devido à sua pouca densidade (Liu & Tay, 2004).
O tamanho médio dos grânulos depende de vários fatores, tais como as condições hidrodinâmicas da unidade de tratamento, as cargas orgânicas aplicadas, as espécies microbianas envolvidas, o fornecimento e o tipo de nutrientes, a taxa de crescimento dos micro-organismos dos grânulos, a limitação de substrato dentro dos grânulos e as forças cortantes ou de cisalhamento. De acordo Grotenhuis et al. (1991), os grânulos preferidos são aqueles com tamanho médio e diâmetro entre 1 a 2 mm.
A densidade dos grânulos indica o seu grau de compactação e está fortemente relacionada à presença de precipitados inorgânicos e à inclusão de gás. Em reatores UASB, os grânulos podem crescer de 2 a 5 mm e o peso específico pode variar de 1.033 a 1.065 kg.m-3,como citado por Peláez (2007). Um peso específico relativamente alto permite que os grânulos sedimentem mais
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rapidamente, o que leva a uma boa separação entre os sólidos e o efluente líquido.
A força, ou a resistência dos grânulos, influencia fortemente sua estabilidade. Os grânulos podem apresentar alta resistência, o que significa uma estrutura mais compacta e estável, a qual depende de muitos fatores, incluindo a diversidade microbiana, as cargas orgânicas aplicadas, o tipo de substrato, a produção de exopolissacarídeos e as forças hidrodinâmicas (Quarmby & Forster, 1995).
Para um desempenho satisfatório do UASB, o grânulo deve possuir boa sedimentabilidade e, para isso, ele precisa ter uma formação estável. As condições operacionais dentro do reator, tais como velocidade ascensional, tempo de detenção hidráulica, carga orgânica volumétrica, temperatura e pH, durante as etapas iniciais e o monitoramento operacional dos reatores, aliadas às características e à concentração do substrato e às características do inóculo, ecologia microbiana e produção de polímeros extracelulares, controlam as características do lodo desenvolvido, bem como são responsáveis pela resistência dos grânulos à velocidade de sedimentação, a relação entre SSV/SS e o índice volumétrico do lodo influenciam as características do lodo cultivado (Ghangrekar et al., 2005; Liu et al., 2003).
Velocidades ascensionais relativamente altas, combinadas com TDH curtos, parecem ser favoráveis à rápida formação e produção do lodo anaeróbico granular. De acordo com Leitão et al. (2005), o tempo de detenção hidráulico curto e elevadas concentrações de DQO afluente favorecem a formação de um lodo com alta sedimentabilidade e baixa expansão. No caso dos reatores UASB, a sedimentabilidade e o tamanho dos grânulos estão relacionados com a capacidade da unidade em reter o lodo, seja em condições de operação normal ou de sobrecarga orgânica e/ou hidráulica (Peláez, 2007).
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Segundo Alves et al. (2000), a organização do consórcio microbiológico em agregados com uma estrutura interna bem definida confere potencialidades à biomassa anaeróbia, o que não é tão evidenciado em biomassa dispersa. O estudo da comunidade microbiana em consórcios anaeróbios desenvolvidos em reatores de tratamento de efluentes deve ser feito sob condições ambientalmente relevantes, ou seja, sem destruir a organização ou a estruturação do consórcio bacteriano.