COMPORTAMENTO DE SISTEMAS DE LODOS ATIVADOS EM
BATELADA (LAB) NO TRATAMENTO DE ÁGUAS
CONTAMINADAS COM HIDROCARBONETOS DO PETRÓLEO
Fábio Francisco Mazzocca Dourado(1)
Engenheiro Químico pela Escola Politécnica da Universidade de São Paulo (EPUSP). Mestre em Engenharia Hidráulica e Sanitária pela EPUSP. Doutorando em Engenharia Hidráulica e Sanitária pela EPUSP.
Pedro Além Sobrinho
Engenheiro Civil pela Escola de Engenharia de São Carlos da Universidade de São Paulo, Engenheiro Sanitarista e Mestre em Saúde Pública pela Faculdade de Higiene e Saúde Pública da USP. Master of Science pela New Upon Castle Tyne (Inglaterra). Doutor e
Livre-Docente em Engenharia Hidráulica e Sanitária pela EPUSP. Professor Titular do Departamento de Engenharia Hidráulica e Sanitária da EPUSP.
Dione Mari Morita
Engenheira Civil pela Escola de Engenharia da Universidade Mackenzie. Doutora em Engenharia Hidráulica e Sanitária pela EPUSP. Docente do Departamento de Engenharia Hidráulica e Sanitária da EPUSP. Responsável pelo Laboratório de Saneamento “Prof. Lucas Nogueira Garcez” da EPUSP.
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RESUMO
Os vazamentos que ocorrem em tanques de armazenamento de combustíveis podem causar, além da poluição ambiental, graves problemas de saúde e de segurança pública, visto que podem criar riscos de explosão em áreas urbanizadas. No presente trabalho, pretendeu-se estudar o comportamento do sistema de lodos ativados por batelada (LAB) no tratamento de águas contaminadas com alta concentração de gasolina e obter informações para o projeto e a operação deste processo de tratamento. No início da operação do sistema, verificou-se que a estabilização e a operação da instalação piloto, só foram possíveis com a adição de polieletrólito catiônico. Nas três fases de operação estudadas, o LAB mostrou-se eficiente na remoção de matéria orgânica, alcançando eficiências de remoção de DBO e de DQO superiores a 99 e 95 %, respectivamente. A produção específica líquida de SSV variou com a taxa e a forma de aplicação da água contaminada com gasolina no sistema LAB.
PALAVRAS-CHAVE: Lodos Ativados por Batelada, Biorremediação, Gasolina,
Petróleo, Biodegradabilidade.
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INTRODUÇÃO
Atualmente, no Brasil, tem-se verificado que em muitos postos de distribuição de combustível, ocorrem vazamentos em tanques de armazenamento, devido principalmente ao rompimento da tubulação de bombeamento e à corrosão destes tanques. Estes vazamentos podem causar, além da contaminação de aqüíferos, graves problemas de saúde e de segurança pública, visto que a maioria destes postos localiza-se em áreas urbanas e que no caso de um vazamento de combustível, este pode se encaminhar às galerias de águas pluviais, rede de esgotos e garagens de prédios, criando riscos de explosão.
O tratamento dessas contaminações, basicamente, consiste, em uma primeira etapa, na retirada da fase livre que se forma acima do lençol freático, com alta concentração de combustível. Esta retirada se faz pelo bombeamento, em poços, da parte superior do lençol, de forma a trazer consigo a lâmina de combustível. Deste bombeamento, surge um sistema de duas fases, sendo que uma delas é composta de combustível e a outra, de água altamente contaminada com hidrocarbonetos. O combustível retirado é enviado para as estações de tratamento de efluentes das refinarias e a água contaminada deve ser tratada para remoção dos hidrocarbonetos antes de ser descartada.
Entre os sistemas de tratamento da água contaminada com hidrocarbonetos, o de Lodos Ativados por Batelada (LAB) é o mais adequado para zonas urbanas com limitação de área (instalações pequenas), o que normalmente ocorre em postos de serviços. Possui versatilidade de operação, permitindo variações nas taxas de aplicação de carga orgânica e de aeração, pela simples mudança na duração dos períodos do ciclo, sem necessidade de instalação de mais equipamentos ou de execução de obras civis.
A presente pesquisa foi desenvolvida com o objetivo de estudar o comportamento do sistema LAB no tratamento de águas contaminadas com altas concentrações de hidrocarbonetos de petróleo (gasolina) e obter parâmetros de projeto e de operação deste sistema de tratamento.
MATERIAIS E MÉTODOS
Operação e descrição da instalação piloto de tratamento de água contaminada com gasolina.
Uma representação esquemática da instalação piloto de tratamento utilizada é apresentada na.
Tanque de D espejo para A limentação Bom ba de A limentção Reator Biológico Com pressor O rifício para m edição de vazão de ar (rem ovível) Tubo em U para medição de Pressão Saida dos G ases
Figura. Representação esquemática da Instalação Piloto de Tratamento de Água Contaminada com Gasolina.
As principais características operacionais e dimensionais das unidades componentes da instalação piloto são descritas a seguir:
• Tanque de alimentação: para a preparação da água contaminada com gasolina, foi utilizado um recipiente de polietileno com capacidade para 50 litros. Nesta unidade, eram adicionados, diariamente:
◊ 23 litros de água de torneira;
◊ 20 mL na 1ª e 3ª fases e 10 mL na 2ª fase de operação, de uma solução contendo 22,5 g/L de fosfato de potássio e 56,25 g/L de uréia, preparada para manter uma relação DBO:N:P de 100:5:1 e
◊ 40 mL de gasolina na 1ª e 3ª fases de operação e 20 mL na 2ª fase.
A seguir, o recipiente era agitado vigorosamente e deixado em repouso por uma hora para separação da gasolina em excesso.
• Bomba para alimentação do Reator Biológico: A água contaminada com gasolina era bombeada para o reator biológico através de uma bomba peristáltica, calibrada para fornecer uma vazão de 55 mL/min.
• Reator Biológico: Como reator biológico foi utilizada uma caixa d’água de fibrocimento com capacidade nominal de 50 litros, cujas dimensões eram: comprimento de 48,2 cm, largura de 29,5 cm e altura total de 33,0 cm.
Esta caixa era hermeticamente fechada com uma tampa de aço inoxidável, com vedação em borracha. Na tampa, foi instalado um tubo de PVC, com 20 mm de diâmetro para a saída e coleta de amostras de gases.
O ar era fornecido por um compressor e introduzido no reator através de difusores porosos. Para o controle da vazão de ar, foi instalado no tubo de PVC, um tubo em U, transparente, com água em seu interior e aberto para a atmosfera, para a medição da pressão interna e um orifício na saída do mesmo. A vazão de ar foi mantida em cerca de 7 L/min, em todas as fases de operação, e foi escolhida por ser a mínima vazão necessária para manter uma boa mistura no reator.
O controle de volume de água contaminada com gasolina alimentada no reator era feito pela medição diária da altura de líquido no final (± 25,5 cm ou 36 litros) do período de reação, e o descarte era feito até se atingir uma altura de líquido de 11cm ( ± 16 litros).
Para a sedimentação do lodo, foi adicionado 10 mL de solução a 0,1% de polieletrólito catiônico (Optimer 7128 da Nalco Produtos Químicos Ltda.), resultando numa dosagem de aproximadamente 0,3 mg/L.
Partida do sistema
Para a partida do sistema, foi utilizado lodo proveniente da estação de tratamento de águas residuárias de uma indústria petroquímica, localizada na cidade de Mauá - SP, que já era adaptado para a remoção de hidrocarbonetos do petróleo.
Fases de operação do sistema
A seguir, são apresentadas descrições das três fases operacionais a que foi submetida a instalação piloto.
• 1ª fase: concentração de DQO média de 900 mg O2/L, com alimentação por um
período de 6 horas, aeração por um período de 16 horas, decantação de 1 hora e descarte/preparação de 1 hora.
• 2ª fase: concentração de DQO média de 450 mg O2/L, com alimentação por um
período de 6 horas, aeração por um período de 16 horas, decantação de 1 hora e descarte/preparação de 1 hora.
• 3ª fase: concentração de DQO média de 750 mg O2/L, com dois períodos de
alimentação e aeração de 3 e de 8 horas, respectivamente, decantação de 1 hora e descarte/preparação de 1 hora. Em cada período de alimentação e aeração, era introduzido metade do volume de alimentação.
Monitoramento do sistema
A fim de se avaliar o desempenho da instalação piloto, foram realizadas medições e análises para a determinação dos parâmetros apresentados na Tabela 1.
Tabela - Parâmetros e Freqüência de análises monitoradas durante o período de estudos.
Parâmetros Freqüência Amostra
pH Diária RB
Temperatura Diária RB
Sólidos em suspensão totais 2 vezes/semana RB,EF Sólidos em suspensão voláteis. 2 vezes/semana RB,EF
DQO 2 vezes/ semana TA,EF
DBO 1 vez/semana TA,EF
BTX 1 vez/ mês TA,RB, L, CA
Legenda TA= Tanque de Alimentação ( água contaminada com gasolina) L - lodo RB= Reator Biológico EF= Efluente Final (tratado) CA= Carvão Ativado
A coleta e a preservação das amostras, bem como todas as análises foram realizadas segundo os procedimentos padrões do APHA; AWWA; WEF (1995).
APRESENTAÇÃO E DISCUSSÃO DOS RESULTADOS
Comportamento do sistema sem a adição de polieletrólito no final do período de aeração
A Tabela 2 apresenta o comportamento do LAB, em relação às concentrações de sólidos em suspensão totais (SS) e sólidos em suspensão voláteis (SSV), sem a adição de polieletrólito no final do período de aeração.
Tabela - Concentrações de Sólidos em Suspensão Totais e Voláteis no Reator Biológico e no Efluente Final, sem adição de polieletrólito no final do período de aeração.
Concentração de Sólidos em Suspensão (mg/L)
Totais Voláteis Numero Da batelada RB EF RB EF 1 2.468 220 2.208 206 2 2.140 86 2.000 86 8 2.384 92 2.232 50 11 2.276 116 2.120 116 17 2.084 128 1.800 90 18 2.080 112 1.812 76 Média 126 104
RB = Reator Biológico EF= Efluente Final
Da, observa-se que na fase inicial (sem a adição de polieletrólito e com ciclo de operação igual ao da 1ª fase), no final do período de aeração, ocorreu uma perda elevada de sólidos em suspensão no descarte do efluente final. A concentração média de SS e de SSV no efluente foi de 126 e de 104 mg/L, respectivamente, o que acarretou uma redução significativa na concentração de sólidos em suspensão no reator biológico, diminuindo de 2.468 para 2.080 mg/L de SS e de 2.208 para 1.812 mg/L de SSV no período de 18 ciclos (bateladas) estudado. Com a adição de 0,3 mg/L de polieletrólito catiônico, houve uma redução substancial na perda de SS e de SSV pelo descarte do efluente final, chegando a 17 mg/l de SS e de SSV no final da 1ª fase. Assim sendo, a estabilização e a operação da instalação piloto, só foi possível com a adição de polieletrólito, para evitar a perda excessiva de sólidos em suspensão com o efluente final.
Comportamento dos sólidos em suspensão totais e voláteis no Reator Biológico e no Efluente Final.
As Figuras 2 a 4 apresentam o comportamento dos sólidos em suspensão totais e voláteis no Reator Biológico e no Efluente Final, nas 3 fases de operação.
0,00 200,00 400,00 600,00 800,00 1.000,00 1.200,00 1.400,00 1.600,00 1.800,00 2.000,00 0,00 2,00 4,00 6,00 8,00 10,00 12,00 14,00 16,00 18,00 20,00 Num ero da bate lada
Concentração (mg/l)
SS no Reator Biológico SS no Efluente Final SSV no Reator Biológico SSV no Efluente Final
Figura . Concentrações de sólidos em suspensão totais e voláteis no Reator Biológico e no Efluente Final na 1ª fase.
0,00 500,00 1.000,00 1.500,00 2.000,00 2.500,00 0,00 5,00 10,00 15,00 20,00 25,00 30,00
Num ero da batelada
Concentração (mg/l)
SS no Reator Biológico SST no Efluente Final SSV no Reator Biológico SSV no Efluente Final
Figura. Concentrações de sólidos em suspensão totais e voláteis no Reator Biológico e no Efluente Final na 2ª fase.
0,00 500,00 1.000,00 1.500,00 2.000,00 2.500,00 3.000,00 3.500,00 0,00 5,00 10,00 15,00 20,00 25,00 Numero da batelada Concentração (mg/)
SST no Reator Biológico SST no Efluente Final SSV no Reator Biológico SSV no Efluente Final
Analisando-se o comportamento das concentrações de SS e de SSV nas 3 fases de operação, verifica-se que na primeira, houve uma tendência à estabilização (Figura 2), principalmente após a batelada nº 5, ficando a concentração de SS estável em aproximadamente 1.850 mg/L e a de SSV em torno de 1.700 mg/L.
Na segunda fase, que operou com tempos iguais ao da 1ª fase, observa-se (Figura 3) que da batelada nº 1 até a nº 5, houve uma redução na concentração de SS e de SSV, atingindo um mínimo de 1.600 mg/L de SS e de 1.500 mg/L de SSV. A causa desta redução foi a mudança na operação do sistema, que na 1ª fase recebia um afluente com DQO média de 900 mgO2/L e na 2ª fase passou a receber um afluente com DQO média de 450 mgO2/L.
A estabilização do sistema ocorreu a partir da batelada nº 5, onde se observa um aumento nas concentrações de SS e de SSV no reator biológico, que alcançam valores máximos de 2.500 mg/L de SS na batelada nº 26 e de 2.250 mg/L de SSV na batelada nº 25. Estas concentrações foram maiores que as da 1ª fase, embora a DQO da alimentação e a taxa de aplicação de substrato tenham sido cerca de metade em relação àquelas da 1ª fase.
Na 3ª fase, em que a DQO da água contaminada com gasolina foi mais próxima àquela da 1ª fase, porém com os períodos de alimentação e reação intercalados, e a taxa de aplicação de substrato próxima à da 2ª fase, pode-se verificar da Figura 4 que, para esta condição de operação, houve um aumento praticamente constante nas concentrações de SS e de SSV no reator biológico. Tais concentrações variaram de 2.000 mg/L de SS e de 1.850 mg/L de SSV no início da operação a 3.200 mg/L de SS e 3.000 mg/L de SSV na batelada nº 21. Na batelada nº 9, ocorreu uma queda brusca nas concentrações de SS e de SSV, pois nesta batelada não se alimentou o sistema, devido à falta de energia elétrica, o que impossibilitou o funcionamento da bomba dosadora e consequentemente a adição de substrato para os microrganismos.
Estas considerações mostram que na 1ª fase pode ter havido alteração do metabolismo dos microrganismos, com menor produção lodo, devido à maior taxa de aplicação de substrato e ao aumento da concentração de hidrocarbonetos dissolvido no líquido ou sorvido no lodo, pelo menos na fase inicial do ciclo. Esta possível influência no fator de produção de SSV foi contornada na segunda e terceira fases, quando se reduziu a taxa de aplicação de substrato e não se permitiu, na 3ª fase, que a concentração de hidrocarbonetos no líquido e no lodo atingissem níveis elevados durante a alimentação, pois logo após a alimentação de metade do total de água contaminada a ser tratada por dia, seguia-se uma fase de reação que reduzia a quantidade de hidrocarbonetos no interior do reator.
Observou-se, também, a necessidade de se tomar cuidados especiais na forma como é feita a alimentação do reator biológico, pois, além do possível problema de inibição causado pelos hidrocarbonetos, verificou-se que a produção líquida de lodo da 3ª fase de operação foi maior que o da 2ª fase, mesmo operando com relações alimento/microrganismos praticamente iguais.
Comportamento da DQO e DBO
As Figuras 5 a 7 apresentam os valores de DQO da alimentação e do efluente final, bem como as eficiências de remoção de DQO, nas 3 fases de operação.
0 200 400 600 800 1.000 1.200 1.400 0,00 5,00 10,00 15,00 20,00
Num ero da batelada
Concentração (mg/l) 0,00 10,00 20,00 30,00 40,00 50,00 60,00 70,00 80,00 90,00 100,00 Eficiência de Remoção (%)
Efluente Bruto Efluente Tratado Eficiência de Remoção
Fig.. Valores de DQO da alimentação e do efluente final e eficiência de remoção na 1ª fase.
0 100 200 300 400 500 600 0,00 5,00 10,00 15,00 20,00 25,00 30,00 Numero da batelada Concentração (mg/) 0,00 10,00 20,00 30,00 40,00 50,00 60,00 70,00 80,00 90,00 100,00 Eficiência de remoção (%)
Efluente Bruto Efluente Tratado Eficiência de Remoção
Fig.. Valores de DQO na alimentação e no efluente final e eficiência de remoção na 2ª fase.
0 200 400 600 800 1.000 1.200 0,00 5,00 10,00 15,00 20,00 25,00
Num ero da batelada
Concentração (mg/l) 0,00 10,00 20,00 30,00 40,00 50,00 60,00 70,00 80,00 90,00 100,00 Eficiência de Remoção (%)
Efluente Bruto Efluente Tratado Eficiência de Remoção
As Tabelas 3 e 4 indicam as concentrações de DBO da alimentação e no efluente final, assim como, as eficiências de remoção de DBO obtidas na 2ª e 3ª fases, respectivamente.
Tabela - Concentrações de DBO na alimentação, no efluente final e eficiência de remoção na 2ª fase de operação.
DBO Numero da Batelada Alimentação(mg O 2/L) Efluente Tratado (mg O2/L) Remoção (%) 8 272 5 98,2 12 270 3 98,9 19 257 1 99,6 20 264 1 99,6 22 241 1 99,6 Média 261 ± 13 2 99,2
Tabela - Concentrações de DBO na alimentação, no efluente final e eficiência de remoção na 3ª fase de operação.
DBO Efluente Tratado Numero da Batelada Alimentação(mg O 2/L) (mg O 2/L) Remoção (%) 2 347 1 99,7 4 451 1 99,8 8 398 1 99,8 15 390 2 99,5 18 360 2 99,4 Média 389 ± 40 1 99,7
A DQO filtrada do efluente na 1ª fase de operação variou, na maioria das bateladas, entre 20 e 26 mgO2/L.
Na 2ª fase de operação, a DQO filtrada foi elevada no início do período de testes (78 mgO2/L na batelada nº 1) e foi diminuindo até se estabilizar em 8 mgO2/L no final do
período de estudo. Este comportamento, também, foi apresentado pela DBO filtrada, que na batelada nº 8 foi de 5 mgO2/L e no final dos testes estabilizou em 1 mgO2/L.
Na 3ª fase de operação, a DQO filtrada no efluente variou, na maioria das bateladas, entre 12 e 24 mgO2/L. Quanto à DBO filtrada, esta manteve-se praticamente constante em todas
as análises realizadas, variando entre 1 e 2 mgO2/L.
Eficiências de remoção de DQO e DBO
O sistema mostrou-se bastante eficiente na remoção de DBO e DQO nas três fases de operação do sistema piloto. Na 1ª fase, a eficiência de remoção de DQO foi de 98,8% na batelada nº 1 e no decorrer dos ensaios foi reduzindo até atingir 94,3 % na última batelada (nº 20). Esta redução deve-se ao aumento da concentração de DQO da alimentação, que no final do período de ensaio, para esta condição, aumentou significativamente.
Na 2ª fase de operação, pode-se observar na Figura 6, que no início houve um aumento da eficiência de remoção de DQO e que após a batelada nº 12 ocorreu uma estabilização nesta eficiência por volta de 98%. A eficiência de remoção de DBO (Tabela 3) apresentou um comportamento semelhante, estabilizando em aproximadamente 99,6%.
Na 3ª fase de operação, a eficiência de remoção de DQO manteve-se praticamente constante (Figura 7), variando entre 97,6 % e 99,6 %. Quanto à remoção de DBO (Tabela 4), nesta fase, a eficiência manteve-se constante, ficando na média em 99,7 %.
Com os dados obtidos, foi possível determinar os parâmetros de operação apresentados na.
Tabela. Parâmetros de operação obtidos.
Fase de operação
Parâmetro obtido Unidade
1ª 2ª 3ª g de DQO/g de SST. dia 0,25±±±±0,06 0,14±±±±0,03 0,15±±±±0,04 Fator de Carga g de DBO/g de SST. dia - 0,08±±±±0,01 0,07±±±±0,02 g de SSV/g de DQO rem.dia 0,06±±±± 0,02 0,12±±±± 0,03 0,15±±±± 0,05 Crescimento celular g de SSV/g de DBO rem.dia - 0,19±±±±0,02 0,29±±±±0,06 CONCLUSÕES
No início do operação do sistema verificou-se que a estabilização e operação da instalação piloto, só foi possível com a adição de polieletrólito catiônico.
Nas três fases de operação da instalação piloto, o sistema de lodos ativados por batelada mostrou-se bastante eficiente na remoção de matéria orgânica, atingindo uma eficiência de remoção de DBO acima de 99 % (DBO da alimentação de 389 mgO2/L e DBO filtrada
do efluente tratado de 1 mgO2/L, na terceira fase de operação), e de remoção de DQO,
superior a 95 % (DQO da alimentação de 758 mgO2/L e DQO filtrada do efluente tratado
de 18 mgO2/L na terceira fase de operação).
Observou-se que a produção específica líquida de SSV foi menor na 1ª fase (0,06 kg de SSV/kg de DQO removida.dia), que operou com fator de carga de 0,25 kg DQO/kg SSTA.dia do que na 2ª e 3ª fases de operação (0,12 e 0,15 kg de SSV/kg de DQO removida.dia, respectivamente), que operaram com fator de carga de 0,15 kg DQO/kg SSTA.dia, o que pode indicar que uma maior taxa de aplicação de despejo e a forma de aplicação podem influir no metabolismo dos microrganismos.
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