Material e métodos

2.1. Processo de tratamento utilizado

A componente prática deste trabalho baseia-se no tratamento biológico aeróbio contínuo, vulgarmente designado por LA. Por este motivo justifica-se a caracterização mais detalhada deste processo biológico de tratamento, nomeadamente ao nível dos componentes estruturais do sistema e modo de funcionamento.

2.1.1. Componentes estruturais do sistema

O processo de LA corresponde a uma estação de depuração clássica, semelhante às utilizadas nas estações de tratamento de efluentes urbanos.

Este processo foi desenvolvido em Inglaterra em 1914 por Adern & Lockett. Assumiu esta designação por envolver a produção de uma massa ativa de microrganismos

com capacidade de estabilizar aerobicamente águas residuais. Atualmente são usados alguns sistemas com variações ao modelo inicial (Abreu, 2004 e Leme, 2010).

Os principais componentes físicos do sistema são o tanque de receção/homogeneização de efluentes, o tanque de arejamento (reator) onde ocorre a fase bioquímica, o decantador onde ocorre a fase física e o sistema de reciclagem dos flocos sedimentados no decantador, para o tanque de arejamento (Figura 10).

Numa primeira fase o efluente é introduzido no reator e contacta com um consórcio de microrganismos, maioritariamente composto por bactérias aeróbias, em remontagem contínua, que se apresentam em forma de flocos (lamas). O O2 é fornecido por um sistema de arejamento que, em simultâneo, promove a homogeneização dos microrganismos com o efluente, mantendo-os suspensos no mesmo e favorecendo o seu contacto com a matéria orgânica.

Reator

Depósito de retenção de efluentes Sedimentador Efluente E tratado Recirculação de lamas Homogeneização do efluente

(Eventuais correções ao pH, N e P) Oxigenação Evacuação de lamas em excesso

Figura 10 – Esquema de funcionamento do sistema de tratamento biológico aeróbio contínuo (lamas ativadas)

utilizado, e principais componentes

No reator, a matéria orgânica do efluente é utilizada pelos microrganismos para obter a energia e os nutrientes necessários à produção de novas células (lamas). Parte da matéria orgânica do efluente é oxidada em componentes de baixa energia como NO3, SO4, CO2 e H2O, sendo outra parte transformada em material celular e componentes intermediários, antes de se transformarem em produtos finais. O O2 funciona como recetor final de eletrões (Pinheiro e Lourenço, 2007).

Numa segunda fase, após um intervalo de tempo previamente calculado (TRH), variável de acordo com a natureza do efluente e carga poluente, entre outras caraterísticas, a mistura de células segue para um tanque de sedimentação/decantação para que ocorra, por gravidade, a separação entre massa celular e efluente tratado.

A eficácia deste processo depende do equilíbrio na comunidade de microrganismos responsáveis pela remoção da matéria orgânica, criação de flocos e sedimentação, de forma a produzir lamas concentradas. Eventuais dificuldades na separação de sólidos indiciam um desequilíbrio no ecossistema microbiano. Ou seja, este processo tem como ponto crítico a sedimentação das lamas. Se esta não for adequada não se atinge a melhor concentração de biomassa no reator e, se os sólidos não sedimentados saírem com o sobrenadante, reduz-se a qualidade do efluente tratado. Uma parte da massa celular é recirculada para o reator para que se mantenha a concentração de microrganismos no seu interior, sendo a outra parte retirada do sedimentador. Após esta fase de sedimentação, o sobrenadante obtido é considerado efluente tratado.

A estação de tratamento é ainda composta, a montante, por um sistema de pré- tratamento onde é feita uma crivagem/tamisagem e por um depósito de retenção onde os efluentes são homogeneizados e, caso necessário, corrigidos quanto ao pH, N e P.

A especificidade e/ou o volume do efluente pode justificar a existência de mais do que um reator ligados em série com by-pass.

Quer a estação de tratamento funcione em modo contínuo quer descontínuo, o processo de tratamento por LA dá geralmente excelentes resultados, com a eliminação da CBO5 inicial até 98% (Torrijos et al., 1998; Jourjon et al.,2001; Pirra, 2005).

2.1.2. Funcionamento do reator

Um reator é a unidade de processamento onde ocorrem reações biológicas em diversas escalas e com diversas aplicações, tais como a obtenção de fármacos ou o tratamento de efluentes. Pode apresentar diferentes geometrias, tamanhos e modos de operação.

É no reator que ocorre a metabolização dos compostos biodegradáveis presentes no efluente. Nele, é necessário uma boa mistura e arejamento. As espécies microbianas dominantes dependem sobretudo das condições ambientais e das caraterísticas do efluente (Amaral, 2011).

A biomassa (lamas) é composta por bactérias, fungos, protozoários, rotíferos e metazoários, bem como partículas orgânicas e inorgânicas e polímeros microbianos extracelulares (polissacarídeos e proteínas) (Petruccioli et al., 2002 e Cammarota, 2011).

O uso de sistemas de arejamento tem-se revelado como um meio de combinar uma eficiente transferência de O2 com uma elevada turbulência de mistura. Para que um reator com tanques de sedimentação convencionais possa funcionar com uma carga orgânica elevada, o sistema deve ser capaz de proporcionar uma elevada taxa de transferência de O2 e uma mistura eficaz. Devido ao facto de operar com elevadas concentrações microbianas é necessário um tanque de sedimentação de grandes proporções.

Os consórcios bacterianos devem possuir elevadas taxas de remoção do material orgânico e capacidade para suportarem elevadas razões F/M, sendo que as bactérias devem ser capazes de flocular e sedimentar rapidamente no tanque de sedimentação (Rosário, 2009).

No interior do reator a biomassa encontra-se em suspensão no líquido sob a forma de células isoladas, pequenos agregados simples ou agregados complexos (flocos e grânulos), sendo que a sua função é, principalmente, converter matéria orgânica dissolvida e/ou coloidal em compostos inorgânicos (incluindo gases inertes como CO2) e tecido celular. Considerando que este tecido contribui para o aumento da carga orgânica do efluente tratado, o tratamento estaria incompleto se a biomassa não fosse removida do mesmo.

A concentração do efluente e o TRH são controlados através da retenção no sedimentador. O arejamento é feito durante 18 a 24h/dia.

A temperatura, o pH, o O2 dissolvido, a agitação e a pressão osmótica são condições ambientais que influenciam as velocidades das reações microbianas. Sistemas de aquecimento/arrefecimento e soluções alcalinas/ácidas, respetivamente, permitem-nos manter os 2 primeiros dentro de limites considerados adequados para os microrganismos. Pode ser necessário aumentar a temperatura do efluente de forma a diminuir o tempo de digestão. A 30 °C a degradação é 12 vezes mais rápida que a 20 ºC, para o mesmo volume (ITV, 2006).

Os difusores transferem o O2 para a fase líquida através da geração de uma grande quantidade de bolhas de ar, cuja deslocação ascendente no seio da mistura efluente- biomassa origina a sua agitação. A sua posição deverá ser muito próxima do fundo do reator. Deve ser garantido um fornecimento mínimo de 1 mg L-1 de O2 por ser o valor considerado crítico para a maioria dos microrganismos aeróbios (Teixeira et al., 2007). No

entanto, valores mais elevados (entre 2 a 4 mg L-1) devem ser mantidos, para assegurar que em pontos de acesso mais difícil do O2, como no interior dos flocos formados durante o processo, seja mantida uma concentração superior à crítica (Mesquita, 2006).

2.2. Amostra utilizada

O efluente bruto utilizado nos ensaios teve origem na Adega Cooperativa de Amarante, empresa com capacidade instalada para vinificar cerca de 1,5 milhões L ano-1. Foi recolhido ao longo de 3 meses (abril a junho de 2011) e conservado de imediato em câmara de frio a cerca de 2º C, em 7 bidões de 25 L. Era constituído por águas de lavagem de cubas de vinificação e armazenamento de vinhos tinto, branco e rosé da região, todos da colheita de 2010. No início de julho o efluente foi lotado, crivado em malha inferior a 1 mm, removendo-se assim os sólidos grosseiros tais como películas e grainhas, e de novo conservado nas mesmas condições, até ao momento da sua utilização (finais de julho).

Este efluente concentrado foi a base para a obtenção dos EVs utilizados nos ensaios no reator-piloto, após ter sido utilizado o método de diluição com água até ao valor desejado.

As lamas que serviram de inóculo para o reator foram colhidas na ETAR da mesma adega na véspera do início dos trabalhos. A estação utiliza um sistema de tratamento de efluentes por métodos biológicos sequenciais (leito percolador, decantação e LA, respetivamente) e encontra-se em normal funcionamento.

2.3. Tratabilidade do efluente

Os dados experimentais foram obtidos durante o acompanhamento do funcionamento de uma estação de tratamento por LA à escala piloto, instalada no laboratório de efluentes do Edifício de Engenharia Rural da UTAD.

A ETAR era composta por 1 tanque de alimentação de 60 L com sistema de homogeneização; 1 reator cilíndrico de 16 L de capacidade máxima, com 10 L de biomassa em suspensão, através do fornecimento de ar atmosférico por borbulhamento sob a forma de microbolha em coluna, durante 45 min/hora, o que proporciona um elevado contacto entre as fases líquida e gasosa; 1 sedimentador cilíndrico de fundo cónico com 10 L de capacidade máxima. Deste sedimentador as lamas eram recirculadas para o reator ou parcialmente eliminadas, de forma a manter-se um teor de SSV de cerca de 2 g L-1. Uma bomba peristáltica fazia circular quer as lamas quer o efluente para o reator, a um caudal médio de 0,25 L h-1 (Fig. 10, pg.74).

A temperatura média do reator foi mantida entre os 18 e os 22º C, por aquecimento do ambiente local, sempre que tal se justificava.

Foi também monitorizado o teor em O2 dissolvido ao longo dos ensaios, para garantir que este parâmetro se mantivesse sempre superior a 1,5 mg L-1 por ser este o valor que, de um modo geral, satisfaz as necessidades dos microrganismos (Andreottola et al., 2004 e Teixeira et al., 2007). O teor de O2 registado semanalmente foi da ordem dos 5 mg L-1, através de uma sonda de O2 TriOmatic 690 WTW.

O efluente em análise apresentava para a razão CQO/N/P os valores 100/4/0, sendo que a recomendada na bibliografia é 100/5/1. Este desequilíbrio nutricional foi corrigido utilizando o adubo ternário 10:10:10. O pH foi corrigido para valores próximos de 7, com NaOH a 98 %.

As análises físico-químicas foram efetuadas com base em metodologias descritas no Standard Methods for the Examination of Water and Wastewater, 1995: os parâmetros SST e SSV foram determinados utilizando os métodos 2540 D e 2540 E, respetivamente; a CQO determinou-se através do método 5220 D, habitualmente designado por método colorimétrico.

O N e P do efluente foram determinados no laboratório de solos da UTAD, por espetrofotometria de absorção molecular em analisador de fluxo segmentado após digestão sulfúrica, através do método de Mills e Jones (1996). O K foi também determinado no laboratório de solos da UTAD, por espetrofotometria de emissão de chama, após digestão nítrico-perclórica, pelo método de Mills e Jones (1996). O pH foi lido semanalmente no local, através de um medidor portátil modelo WTW pH 330i (ver Anexos I, II e VI)

2.4. Composição fenólica do efluente

Para a determinação dos CF totais foi utilizado o método modificado de Folin &

Ciocalteau, sendo os resultados expressos em mg ácido gálico L-1 (Curvelo-Garcia, 1988). As antocianinas totais foram determinadas utilizando o método de Ribéreau-Gayon e Stonestreet (1965). Para a determinação dos taninos totais foi utilizado o método Riberéau-Gayon e Stonestreet (1966).

2.5. População microbiana do reator

A quantificação das populações microbianas foi feita com plaqueamento de diluições decimais de amostras de biomassa do reator. Os plaqueamentos foram efetuados em 3 meios de cultura diferentes. O Plate Count Agar (PCA) é um meio rico genérico que

permite quantificar o número de microrganismos heterotróficos presentes na biomassa, sendo os resultados expressos na forma de Heterotróficos Totais. O meio Potato Dextrose Agar (PDA) dado o seu pH final, é um meio que favorece o crescimento de fungos filamentosos e foi por isso usado para avaliar a abundância das populações fúngicas do reator. Utilizou-se ainda o Yeast Malt agar (YM), para avaliar as populações de leveduras no mesmo reator.

Começou-se por preparar as diluições decimais em água peptonada a 0,1% (p/v). Após a diluição de 1 mL de cada amostra em 9 mL de água peptonada estéril prepararam- se as diluições decimais seriadas, de forma a obter contagens de Unidades Formadoras de Colónias (UFC) entre 30 e 300 placa-1, sendo que em média, fizeram-se diluições até 10-5, repetindo sempre o procedimento anterior. Isto é, a partir da 1ª diluição indicada (10-1) (9 mL de água e 1 mL de amostra bruta), foi retirado 1 mL, que foi diluído em 9 mL de água destilada estéril, criando a 2ª diluição (10-2) e assim sucessivamente até à diluição 10-5 ou 10-6. A partir de cada diluição foram retirados 100 µ L que serviram para inocular em triplicado os 3 meios de cultura referidos.

A preparação dos meios de cultura foi feita diluindo em 1 L de água destilada os meios de cultura desidratados, com as quantidades especificadas pelo fabricante. Após a diluição, os meios eram autoclavados a 121ºC durante 15 min. Depois de arrefecidos, eram vertidos em placas de Petri.

Após inoculação as placas foram incubadas a 26ºC durante 8 dias, no final dos quais se efetuou a contagem das UFC mL-1 (Anexo XIII).

A análise dos resultados obtidos para as contagens microbiológicas foi efetuada utilizando o software STATISTICA 7 para Windows.