2. REVISÃO BIBLIOGRÁFICA
2.2 TRATAMENTO ANAERÓBIO: A FASE ACIDOGÉNICA
2.2.3 Factores que influenciam a fermentação acidogénica
2.2.3.9 Configurações operacionais
Para a obtenção de rendimentos elevados de AOV, é fundamental assegurar uma correcta configuração de reactores acidogénicos que minimize eventuais inibições sobre os microrganismos acidogénicos associadas às altas concentrações de acidez volátil. A operação de um reactor acidogénico, independentemente da sua geometria, requer que a sua inoculação seja feita com uma cultura microbiana adequada ao desempenho das reacções de produção de AOV ou que seja considerado um período operacional de aclimatação (Argelier et al., 1998).
O tipo de reactor utilizado na fermentação acidogénica de diferentes substratos afecta indirectamente o espectro e a concentração dos produtos fermentados. Por exemplo, Wang et al. (2013) e Beccari et al. (2009) sugerem que, devido à sedimentabilidade relativamente mais baixa apresentada pela biomassa acidogénica, os reactores de filme fixo são preferíveis aos reactores de crescimento suspenso para realizar processos acidogénicos, o que permite assim evitar o wash-out. Alguns tipos de reactor são presumivelmente mais vulneráveis às condições operacionais do que outros, como é o caso dos reactores tubulares que são mais sensíveis a choques de carga do que os reactores continuamente agitados, devido ao efeito de diluição e às condições de mistura (Grobicki, 1997). Estudando a fracção orgânica de resíduos sólidos urbanos (FORSU), Sans et al. (1995) observaram que o TRH e a temperatura foram os parâmetros que afectaram directamente a fermentação acidogénica num reactor do tipo plug-flow (PFR). Estes autores sugeriram que a operação deste reactor em condições mesofílicas a baixos tempos de retenção e recirculação parcial das lamas é particularmente indicada para a produção de ácido acético e ácido butírico.
A fermentação acidogénica da FORSU foi também estudada por Daddario et al. (1993) comparando diferentes tipos de reactor e modos de operação: descontínuo, CSTR semi-contínuo, e multistage-counter flow reactor (MCFR). Após 12 dias de operação descontínua, com controlo de pH a 6,5, foram obtidas as maiores produções de AOV (23 – 24 g L-1). No entanto, estas condições causaram liquefacção do substrato,
os autores apontaram a digestão acidogénica no reactor MCFR como sendo a mais fiável, apesar de um desempenho inferior na produção de AOV (até 13 g L-1).
Relativamente à fermentação acidogénica de soro de queijo, diferentes tipos de reactores têm sido estudados, com uma grande incidência nos sistemas de crescimento suspenso (CSTR). A este respeito, a Tabela 2-6 resume alguns processos que se encontram reportados na literatura. A compilação bibliográfica de condições operacionais reporta gamas bastante alargadas quer da carga orgânica quer do TRH, o que naturalmente resulta em diferentes desempenhos. Considerações adicionais sobre as condições testadas em cada sistema de fermentação acidogénica de soro de queijo encontram-se referidas na Secção 2.1.3.
Tabela 2-6: Diferentes tipos de reactores utilizados em estudos envolvendo fermentação acidogénica de soro de queijo Reactor Lv (gCQO L-1d-1) TRH (h) Grau de acidificação máximo (%) Referência
ASBBR 12 8 13 Damasceno et al. (2007)
CSTR 206 6 49 Davila-Vazquez et al. (2009) CSTR 30 24 52 Saddoud et al. (2007) CSTR 25 10 16 Yang et al. (2003) CSTR 30 24 60 Venetsaneas et al. (2009) CSTR 47 24 19 Azbar et al. (2009) Filtro 10,5 96 5 Handajani (2004) Reactor híbrido de
fluxo descendente 10 168 9 Malaspina et al. (1996)
UASB 30 10 70 Garcia et al. (1991)
UASB 20 12 47 Castelló et al. (2009)
2.2.3.9.1 Reactor de leito móvel com biofilme (MBBR)
Como foi referido, nos processos acidogénicos, os reactores de filme fixo apresentam vantagens adicionais sobre os reactores de crescimento suspenso. Neste trabalho, para a fermentação acidogénica de soro de queijo a longo prazo (Capítulo 6) foi adoptado um reactor de leito móvel com biofilme (Moving Bed Biofilm Reactor, MBBR). Este tipo de reactores é baseado no princípio do crescimento microbiano em biofilme, combinando as suas vantagens com as do sistema de lamas activadas. Os sistemas MBBR foram inicialmente desenvolvidos e patenteados na Noruega no início
dos anos 90 (Odegaard et al., 1994), tendo precisamente por base a combinação dos processos de tratamento por lamas activadas e por leito fluidizado, procurando potenciar as melhores características de ambos e simultaneamente evitar as piores.
Originalmente dimensionados para uma operação em modo contínuo, os reactores MBBR suportam concentrações elevadas de biomassa e toleram relativamente bem cargas orgânicas elevadas e choques de carga sem originar situações de produção excessiva de lamas (Chen et al., 2008a). Uma das principais vantagens destes sistemas é a eliminação de recirculação de lamas biológicas, uma vez que a grande maioria da biomassa desenvolve-se sobre carriers em suspensão no meio. Quando comparados com outros reactores de filme fixo (como os biofiltros ou os leitos percoladores), os reactores MBBR apresentam perdas de carga muito reduzidas, e permitem a utilização total do seu volume útil, dispensando operações periódicas de lavagem (Pastorelli et al., 1997). Desta forma, o reactor MBBR proporciona a permanência de uma maior quantidade de biomassa activa, o que permite operações a razões F/M muito superiores àquelas que são habitualmente utilizadas nos sistemas convencionais (Broch-Due et al., 1997). No entanto, Lazarova e Manem (1994) referiram algumas desvantagens destes sistemas, e que foram fundamentalmente relacionadas com a necessidade de uma construção sofisticada à escala real e com o facto de as propriedades físicas do substrato afectarem significativamente o desempenho hidrodinâmico do processo.
Encontram-se referidas algumas recomendações para os carriers a utilizar em reactores MBBR, nomeadamente para que sejam constituídos em material resistente ao stress mecânico provocado por turbulência, para que sejam caracterizados por área superficial adequada ao desenvolvimento da biomassa, e para que a sua configuração geométrica seja adequada à mistura no interior do volume reaccional (Odegaard et al., 2000; Orantes e Gonzalez-Martinez, 2003). O desenvolvimento do biofilme sobre o meio de enchimento tem sido apontado como um factor preponderante no desempenho do MBBR, uma vez que é ideal que se forme uma camada fina e uniformemente distribuída ao longo da superfície. Rusten et al. (2006) apontaram uma espessura de biofilme inferior a 100 µm como sendo ideal à operação em MBBR, pelo que é importante aplicar uma turbulência adequada para retirar o excesso de biomassa desenvolvida no carrier.
A quantidade de enchimento dentro de reactores MBBR deve ainda ser tida em conta. Uma regra empírica que tem sido largamente aplicada ao dimensionamento é que a razão entre o volume ocupado pelo enchimento e volume global de reacção não deve exceder 2/3, para que desta forma os carriers se encontrem efectivamente suspensos no volume de mistura e se movam livremente (Rusten et al., 2006). Por outro lado a escolha do enchimento deve ser sempre ponderada de acordo com as especificidades do efluente a tratar. Neste sentido, Odegaard et al. (2000) concluíram ainda que a escolha deve ser tomada considerando um valor majorante de carga orgânica superficial igual a 30 mgCQO m-2d-1.