Estudo de viabilidade de produção de polihidroxialcanoatos (PHAs) por culturas microbianas mistas do tratamento do efluente urbano

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Dissertação de Mestrado

Mestrado Integrado em Engenharia Biológica

Ramo Tecnologia do Ambiente

Trabalho efetuado sob a orientação da

Doutora Daniela Patrícia Bernardino Mesquita

e do

Engenheiro Adriano José Pereira de Magalhães

Andreia Filipa Moreira Pereira Dinis Ribeiro

Outubro de 2015

Universidade do Minho

Escola de Engenharia

Estudo de viabilidade de produção

de polihidroxialcanoatos (PHAs)

por culturas microbianas mistas

do tratamento do efluente urbano

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DECLARAÇÃO

Nome: Andreia Filipa Moreira Pereira Dinis Ribeiro

Título da dissertação: Estudo de viabilidade de produção de polihidroxialcanoatos (PHAs) por culturas microbianas mistas do tratamento do efluente urbano

Orientadores: Dr.ª Daniela Patrícia Bernardino Mesquita e Eng.º Adriano José Pereira de Magalhães

Ano de conclusão: 2015

Designação do Mestrado: Dissertação de Mestrado em Engenharia Biológica

É AUTORIZADA A REPRODUÇÃO INTEGRAL DESTA TESE APENAS PARA EFEITOS DE INVESTIGAÇÃO, MEDIANTE DECLARAÇÃO ESCRITA DO INTERESSADO, QUE A TAL SE COMPROMETE.

Universidade do Minho, 24 de novembro de 2015

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AGRADECIMENTOS

iii

A

GRADECIMENTOS

O espaço limitado desta secção não me permite agradecer e abarcar todos aqueles que me acompanharam ao longo desta caminhada, no entanto, posso referir que a realização desta tese de mestrado contou com o apoio e colaboração de pessoas importantes, sem as quais não teria sido possível concretizar este sonho. Estou-lhes eternamente grata por todo o incentivo e apoio que me deram.

Deixo um agradecimento muito especial à minha orientadora, Dr.ª Daniela Mesquita, pela ajuda, transmissão do conhecimento, disponibilidade; pelo saber que me transmitiu, pela forma tão dedicada com que solucionou as minhas dúvidas e pela amizade com que me presenteou.

Na empresa onde trabalho, Águas do Norte, S.A., agradeço ao meu orientador Eng.ª Adriano Magalhães por toda a paciência, orientação, incentivo no rigor e clareza com que me auxiliou a solucionar as dúvidas que surgiam; À Eng.ª Cristiana Barbosa, à Eng.ª Inês Leer pelas palavras de incentivo que sempre me endereçaram, a todos os meus colegas de trabalho, em especial ao Ivo Marques e João Castro por toda a disponibilidade, nas trocas de horários e no apoio demonstrado. À Eng.ª Marília e Eng.ª Cláudia pela ajuda prestada no laboratório da ETAR do Ave.

No Departamento de Engenharia Biológica da Universidade do Minho, agradeço à Eng.ª Diana Vilas Boas pela ajuda na recolha de imagens de microscopia; à Dr.ª Ana Nicolau pela ajuda e disponibilidade na identificação dos protozoários; à Eng.ª Salomé, Eng.ª João e Dr.ª Andreia pela transmissão de conhecimentos e ajuda; ao Professor Doutor Eugénio Ferreira e a Professora Doutora Madalena Alves pela disponibilidade dos laboratórios e material. Ao Professor Doutor João Peixoto agradeço a disponibilidade na resposta às minhas dúvidas.

Às colegas Regina Malgueiro, Cátia Braga e Sara Pinela entre outros que não menciono o nome, mas que sabem quem são. Obrigada pelas palavras de incentivo e pelo companheirismo ao longo desta caminhada, que teve muitos altos e baixos.

A toda a minha família, pelo carinho e pelas palavras de incentivo, mas especialmente aos meus pais, António Dinis e Lurdes Silva, que sempre primaram pela minha educação.

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AGRADECIMENTOS

iv

Por último, mas sem eles não seria capaz de concretizar este ciclo marcante da minha vida, ao meu marido, Diamantino Ribeiro e à minha filha, Bruna Ribeiro, pelo amor incondicional e apoio que me demonstraram ao longo deste trajeto. Amo-vos muito!

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RESUMO

v

R

ESUMO

Estudo de viabilidade de produção de polihidroxialcanoatos (PHAs) por culturas microbianas mistas do tratamento do efluente urbano.

O plástico convencional produzido através de derivados do petróleo apresenta a incapacidade de degradar-se, constituindo uma forma de poluição. Por outro lado, é necessário procurar alternativas ao uso de fontes não-renováveis. Deste modo, a produção de polímeros biodegradáveis através de microrganismos surge como uma alternativa sustentável para a substituição dos plásticos convencionais. Dentro dos bioplásticos de base biológica, os PHAs são os polímeros que possuem propriedades físico-químicas mais semelhantes ao polipropileno (PP), constituindo assim um potencial candidato à sua substituição.

Globalmente, os objetivos do projeto foram os seguintes: estudo da produção e acumulação de PHAs a partir de culturas microbianas mistas (lamas ativadas) presentes nos efluentes urbanos tratados na ETAR de Penices; e comparação do método de cromatografia gasosa com o método de análise de imagem com coloração de Negro Sudão B (NSB) para análise quantitativa de PHAs. Neste projeto foram utilizadas culturas mistas para a obtenção de PHAs, tornando-se uma alternativa mais vantajosa, em relação à utilização de culturas puras a nível industrial, uma vez que permite o uso de culturas sem qualquer manipulação do meio em que se inserem. Traduz-se num processo economicamente mais atrativo tanto a nível de adição de substratos específicos como a nível de condições de esterilização.

Os resultados obtidos a partir da cromatografia gasosa revelaram que a acumulação de PHA nas lamas ativadas atingiu uma fração mássica máxima de PHA de 5.3 %, em relação ao teor em biomassa liofilizada, e uma concentração máxima igual a 127 mg L-1_{. Por outro lado, os resultados}

da técnica de coloração NSB demonstraram o mesmo, obtendo-se um coeficiente de correlação de 0.91 e um erro quadrático médio de previsão (RMSEP) de 5.65 mg L- 1_{. Assim, apesar do erro}

associado, esta última técnica sugere ser uma alternativa viável para a quantificação deste polímero, sendo mais fácil de operar e menos dispendiosa. Com recurso ao programa SuperPro Designer® concluiu-se que a produção de PHAs com culturas mistas à escala industrial não é

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RESUMO

vi

viável, dadas as baixas quantidades obtidas de polímero, tal como o elevado investimento na instalação para extração e purificação.

Palavras-chave: Lamas ativadas, polihidroxialcanoatos (PHA), PHV, PHB, análise de imagem, NSB, reator contínuo, águas residuais

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ABSTRACT

vii

A

BSTRACT

Polyhydroxyalkanoates production feasibility study (PHAs) mixed microbial cultures for treatment of urban wastewater.

The conventional plastic produced by petroleum presents the inability to degrade, constituting a form of pollution. On the other hand, it is necessary to seek alternatives to the use of non-renewable sources. Thus, the production of biodegradable polymers by microorganism arises as a sustainable alternative for the substitution of conventional plastics. Within the bio-based bioplastics, the PHAs are polymers that have physicochemical properties more similar to polypropylene (PP), thus constituting a potential candidate for replacement.

Overall, the project objectives were as follows: study of the production and accumulation of PHAs from mixed microbial cultures (activated sludge) present in urban wastewater treated in Penices; and comparing gas chromatographic method with the image analysis method with Sudan Black B (SSB) stain for quantitative analysis of PHAs.

In this design were used mixed cultures for obtaining PHAs, becoming a more advantageous alternative, in relation to the use of pure cultures on an industrial scale, since it allows the use of cultures without any manipulation of the environment in which they operate. Results in an economically more attractive process both the addition level of specific substrates such as the level of sterilization conditions.

The results from the gas chromatography revealed that the accumulation of PHA in activated sludge reached a maximum mass fraction of PHA equal to 5.3 % with respect to the content of lyophilized biomass, and a maximum concentration equal to 127 mg L-1_{. Moreover, the results of}

NSB staining technique demonstrated the same, obtaining a correlation coefficient of 0.91, and a root mean squared error of prediction (RMSEP) of 5.65 mg L-1_{. Thus, despite the associated error,}

this latter technique suggested to be a viable alternative for the quantification of polymer, easier to operate and less expensive. With use of SuperPro Designer® program we concluded that the production of PHAs with mixed cultures in industrial scale is not reliable, according the low quantities obtained polymer, such as high investment in the plant for extraction and purification.

(8)

ABSTRACT

viii

Keywords:Activated sludge, polyhydroxyalkanoates (PHA), PHV, PHB, image analysis, continuous reactor, wastewaters.

(9)

ÍNDICE GERAL ix

Í

NDICE

G

ERAL

AGRADECIMENTOS ... iii RESUMO ... v ABSTRACT ...vii ÍNDICE GERAL ... ix

ÍNDICE DE FIGURAS ... xiii

ÍNDICE DE TABELAS ... xix

LISTA DE SÍMBOLOS E ABREVIATURAS ... xxi

1. INTRODUÇÃO ... 1

1.1. ENQUADRAMENTO E MOTIVAÇÃO ... 2

1.1.1. EMPRESA RESPONSÁVEL PELO PROJETO ... 2

1.1.2. AIMPORTÂNCIA DOS PLÁSTICOS /SUSTENTABILIDADE DA SOCIEDADE ... 3

1.2. OBJETIVOS DO PROJETO... 7

2. FUNDAMENTOS TEÓRICOS ... 9

2.1. CARACTERÍSTICAS DA ÁGUA RESIDUAL E VALORES LIMITES DE DESCARGA ... 10

2.2. FUNCIONAMENTO DA ETAR DE PENICES ... 12

2.3. SISTEMA DE TRATAMENTO DO EFLUENTE URBANO COM LAMAS ATIVADAS ... 19

2.4. MICROBIOLOGIA DO PROCESSO... 21

2.5. PRODUÇÃO DE POLIHIDROXIALCANOATOS (PHAS) POR CULTURAS MISTAS ... 23

2.5.1. PRODUÇÃO INDUSTRIAL DE PHAS ... 27

2.5.2. VANTAGENS DA PRODUÇÃO DE PHAS POR CULTURAS MISTAS ... 29

2.5.3. PRODUÇÃO DE PHA À ESCALA LABORATORIAL /PILOTO ... 29

3. PLANIFICAÇÃO,METODOLOGIAS E PROCEDIMENTOS EXPERIMENTAIS ... 35

(10)

DISSERTAÇÃO EM MESTRADO INTEGRADO DE ENGENHARIA BIOLÓGICA 2015

x

3.2. ESTUDO GERAL DO FUNCIONAMENTO DA ETAR ... 37

3.3. DETERMINAÇÃO DOS PARÂMETROS FÍSICO – QUÍMICOS DURANTE OS 30 DIAS DE MONITORIZAÇÃO... 38

3.3.1. PROCEDIMENTO DE DETERMINAÇÃO DOS SÓLIDOS TOTAIS (ST) E SÓLIDOS VOLÁTEIS TOTAIS (SVT) ... 38

3.3.2. PROCEDIMENTO DE DETERMINAÇÃO DO PH,TEMPERATURA (T),POTENCIAL REDOX (ORP), CONDUTIVIDADE (EC),OXIGÉNIO DISSOLVIDO (OD) ... 38

3.3.3. PROCEDIMENTO DE DETERMINAÇÃO DA PLUVIOSIDADE (P) ... 38

3.4. ÍNDICE BIÓTICO DE LAMAS (IBL) ... 40

3.4.1. METODOLOGIA DO MÉTODO IBL ... 40

3.4.1. PROCEDIMENTO, MATERIAL DE AMOSTRAGEM E TRANSPORTE ... 41

3.4.2. PROCEDIMENTO PARA OBSERVAÇÃO MICROSCÓPICA E MATERIAL ... 41

3.4.3. PROCEDIMENTO DE CONTAGEM MICROSCÓPICA ... 42

3.5. DETERMINAÇÃO QUANTITATIVA DE POLÍMEROS DE RESERVA PHB(POLI-3-HIDROXIBUTIRATO) E PHV(POLI-3-HIDROXIVALERATO) ATRAVÉS DO MÉTODO DE CROMATOGRAFIA GASOSA (CG) ... 44

3.5.1. METODOLOGIA CG ... 44

3.5.2. METODOLOGIA DO PROCESSO DE LIOFILIZAÇÃO ... 45

3.5.3. PROCEDIMENTO EXPERIMENTAL DE LIOFILIZAÇÃO... 45

3.5.4. PROCEDIMENTO DA PREPARAÇÃO DAS SOLUÇÕES PADRÃO PARA O TRAÇADO DA CURVA DE CALIBRAÇÃO DO MÉTODO DE DETERMINAÇÃO DA CONCENTRAÇÃO DE PHA ... 46

3.5.5. METODOLOGIA DA REAÇÃO DE ESTERIFICAÇÃO ... 46

3.5.6. PROCEDIMENTO PARA A REAÇÃO DE ESTERIFICAÇÃO ... 46

3.5.7. METODOLOGIA DA EXTRAÇÃO LÍQUIDO –LÍQUIDO ... 47

3.5.8. PROCEDIMENTO PARA A EXTRAÇÃO LÍQUIDO –LÍQUIDO ... 47

(11)

ÍNDICE GERAL

xi 3.6. DETERMINAÇÃO QUANTITATIVA DE PHAS PELO MÉTODO DE ANÁLISE DE IMAGEM ATRAVÉS DA

COLORAÇÃO NEGRO DE SUDÃO B(NSB) ... 49

3.6.1. METODOLOGIA DA COLORAÇÃO NSB E AQUISIÇÃO DE IMAGENS ... 49

3.6.2. PROCEDIMENTO E MATERIAL DE COLORAÇÃO NSB E AQUISIÇÃO DE IMAGENS ... 49

3.6.3. PROCEDIMENTO DE ANÁLISE DE IMAGEM ... 50

3.7. RESUMO DE AMOSTRAGEM DIÁRIA DO CANAL ANÓXICO ... 53

4. RESULTADOS E DISCUSSÃO ... 55

4.1. ANÁLISE DA MONITORIZAÇÃO ANUAL DA ÁGUA RESIDUAL BRUTA AFLUENTE À ETAR ... 57

4.1.1. ÁGUA RESIDUAL BRUTA (CAUDAL ETAR(Q ETAR), CAUDAL MATADOURO (Q MATADOURO) E CAUDAL TINTURARIA (QTINTURARIA)) ... 57

4.1.2. ÁGUA RESIDUAL BRUTA (BIODEGRADABILIDADE,CQO E CBO5) ... 58

4.1.3. ÁGUA RESIDUAL BRUTA (PH,SST,SSV) ... 59

4.1.4. ÁGUA RESIDUAL BRUTA (P,N,AZOTO AMONIACAL) ... 61

4.2. ANÁLISE DA MONITORIZAÇÃO ANUAL DA ÁGUA RESIDUAL TRATADA DA ETAR ... 62

4.2.1. ÁGUA RESIDUAL TRATADA (PH,CQO,CBO5) ... 62

4.2.2. ÁGUA RESIDUAL TRATADA (P,N,SST) ... 62

4.3. MONITORIZAÇÃO ANUAL CANAL ANÓXICO ... 64

4.3.1. ALIMENTO /MICRORGANISMOS (A/M) E SÓLIDOS (SSV) ... 64

4.4. MONITORIZAÇÃO DO CANAL ANÓXICO DURANTE 30 DIAS ... 66

4.4.1. TEMPERATURA (T) E PH ... 66

4.4.2. POTENCIAL REDOX (ORP) ... 67

4.4.3. PLUVIOSIDADE (P) ... 68

4.4.4. OXIGÉNIO DISSOLVIDO (OD) ... 69

4.4.5. CONDUTIVIDADE (EC) ... 70

4.4.6. SÓLIDOS TOTAIS (ST) E SÓLIDOS VOLÁTEIS TOTAIS (SVT) ... 71

(12)

xii

4.5.1. CANAL ANÓXICO ... 73

4.5.2. IBL DO CANAL AERÓBIO... 73

4.5.3. PRINCIPAIS PROTOZOÁRIOS /METAZOÁRIOS OBSERVADOS ... 73

4.6. ANÁLISE PRELIMINAR DA PRESENÇA DE PHAS NA ETAR ... 79

4.6.1. DETERMINAÇÃO QUANTITATIVA DOS LOCAIS PARA ACUMULAÇÃO DE PHA ... 79

4.6.2. DETERMINAÇÃO QUANTITATIVA DE PHAS EM PROFUNDIDADE DO CANAL ANÓXICO ... 81

4.7. MONITORIZAÇÃO DA CONCENTRAÇÃO DE PHA ... 82

4.7.1. PHADETERMINADO POR CROMATOGRAFIA GASOSA ... 82

4.7.2. PHA POR ANÁLISE DE IMAGEM DA COLORAÇÃO NSB ... 85

4.8. PARÂMETROS OPERATÓRIOS,TEMPO DE RETENÇÃO (TRH),CARGA ORGÂNICA APLICADA (OLR), PARA A ACUMULAÇÃO DE PHAS ... 90

4.9. VISÃO GERAL PARA O PROCESSO DE PRODUÇÃO DE PHAS ... 92

5. CONCLUSÕES E SUGESTÕES PARA TRABALHOS FUTUROS ... 97

BIBLIOGRAFIA ...101

ANEXOS ...111

ANEXO I–PROCEDIMENTO DE DETERMINAÇÃO DOS SÓLIDOS ...112

ANEXO II–TABELA RELATIVA AOS DIAS DE MONITORIZAÇÃO ...114

ANEXO III–CURVAS DE CALIBRAÇÃO PARA O MÉTODO DE CROMATOGRAFIA GASOSA ...115

ANEXO IV–EXEMPLO DE RELATÓRIO DA CROMATOGRAFIA GASOSA ...116

ANEXO V–EXEMPLOS DE CÁLCULO PARA PHA ...117

ANEXO VI–VALORES DAS ÁREAS OBTIDAS PELA LEITURA DOS CROMATOGRAMAS (MÉTODO CG) ...119

ANEXO VII–VALORES DAS ÁREAS OBTIDAS PELO MÉTODO ANÁLISE DE IMAGEM ...121

(13)

ÍNDICE DE FIGURAS

xiii

Í

NDICE DE

F

IGURAS

Figura 1.1 – Mapa dos concelhos abrangidos pelas Águas do Norte, como entidade gestora de água e saneamento. Pode-se observar que compreende grande parte do norte de Portugal, em

exceção a 5 concelhos que se encontram na imagem a branco. ... 2

Figura 1.2 – Classificação quanto à biodegradabilidade em sistema de coordenadas quanto à fonte e origem dos materiais, sendo apresentado alguns exemplos de plásticos de cada tipo (European Bioplastics, 2014). ... 6

Figura 2.1 – Esquema das várias etapas de tratamento existentes na ETAR de Penices. ... 12

Figura 2.2 – Esquema das etapas do tratamento de lamas instalado na ETAR de Penices. ... 12

Figura 2.3 – Estação elevatória da ETAR de Penices. ... 12

Figura 2.4 – Gradagem automática (tamisador) e manual da ETAR de Penices. ... 13

Figura 2.5 – Tanques do pré-tratamento, com os processos em simultâneo desengorduramento e desarenamento. ... 13

Figura 2.6 – Classificador de areias e o concentrador de gorduras da ETAR de Penices. ... 13

Figura 2.7 – Canais de arejamento (reator anóxico e aeróbio). ... 14

Figura 2.8 – Representação esquemática do reator típico de nitrificação/desnitrificação, com arejadores de eixo horizontal (rotores) (imagem retirada (Jördening et al., 2005). ... 14

Figura 2.9 – Decantadores secundários da ETAR. ... 14

Figura 2.10 – Fotografia relativa aos descarregadores onde o efluente tratado tem como destino final a descarga no meio hídrico, o Rio Este. ... 15

Figura 2.11 – Sistema de filtração e desinfeção da água residual através UV para reaproveitamento. ... 15

Figura 2.12 – Tambor rotativo de espessamento Andritz instalado na ETAR de Penices. ... 15

Figura 2.13 – Centrífuga Andritz instalada na ETAR de Penices. ... 16

(14)

xiv

Figura 2.15 – Fotografia aérea da ETAR de Penices ... 16 Figura 2.16 – Representação esquemática do funcionamento da ETAR de Penices, onde estão representadas as linhas principais de tratamento. As linhas a azul são referentes ao tratamento líquido e as linhas representadas a castanho correspondem ao tratamento sólido (lamas). ... 17 Figura 2.17 – Alguns ciliados comuns e amibas com teca de estações de tratamento de efluente e o seu hábito alimentar. Imagem retirada de (Mara et al., 2003). ... 22 Figura 2.18 – A classificação de polihidroxialcanoatos (Babel et al., 2001). ... 25 Figura 2.19 – Estruturas comuns do monómero de PHA. Os monómeros de cadeia curta: 3- hidroxibutirato (3HB), 3-hidroxivalerato (3HV), monómeros de cadeia média:

3- hidroxi- hexanoato (3HHx), 3-hidroxioctanoato (3HO), 3-hidroxidecanoato (3 HD),

3- hidroxidodecanoato (3HDD). ... 26 Figura 2.20 – Imagem de microscopia eletrónica de transmissão de uma secção celular da Azotobacter chroococcum, onde são visíveis os grânulos de PHA (Nuti et al., 1972) ... 27 Figura 2.21 – Esquema geral de produção e extração de PHA (exemplo adaptado de

(Chen, 2010)). ... 28 Figura 3.1 – Planificação do trabalho de estágio representada em 5 etapas. ... 36 Figura 3.2 – Esquema das várias etapas necessárias para o processo de determinação

quantitativa de PHAs por cromatografia gasosa. ... 45 Figura 3.3 – Esquema das várias etapas necessárias para o processo de determinação

quantitativa de PHAs por análise de imagem através da coloração NSB. ... 49 Figura 3.4 – Reatores biológicos da ETAR de Penices, como o local de recolha de amostras.... 50 Figura 3.5 – Representação esquemática do processo e análise de imagem para a coloração NSB (Mesquita et al., 2015). ... 52 Figura 3.6 – Imagens representativas das principais etapas do processamento de imagem, (a) Imagem original de NSB (b) imagem segmentada (c) identificação dos grânulos de PHA (d) imagem de reconhecimento, imagens retiradas (Mesquita et al., 2013a). ... 52

(15)

ÍNDICE DE FIGURAS

xv Figura 3.7 – Resumo do trabalho diário durante uma amostragem de 30 dias consecutivos para monitorização dos PHAs. ... 53 Figura 4.1 – Monitorização do caudal diário de entrada na ETAR (Q ETAR), o efluente de um

matadouro (Q Matadouro) e de uma tinturaria (Q Tinturaria), as unidades de medida são expressas

em m3_d-1_{. ... 58}

Figura 4.2 – Resultados de um ano de monitorização semanal da água residual bruta. Os dados incluem a concentração da carência biológica de oxigénio ao fim de 5 dias representado por CBO5 em mg L-1, a concentração da carência química de oxigénio representado por CQO em

mg L-1_{e o respetivo quociente (que traduz a biodegradabilidade). ... 59}

Figura 4.3 – Resultados relativos a um ano de monitorização semanal da água residual bruta, pH e a concentração de SST em mg L-1_{. ... 60}

Figura 4.4 – Resultados relativos a um ano de monitorização semanal da água residual bruta, relativamente à concentração dos nutrientes azoto total e fósforo total representados por (CN) e

(CP), respetivamente, e o azoto amoniacal (CN – NH4+) nas unidades mg L- 1. ... 61

Figura 4.5 – Resultados de um ano de monitorização semanal da água residual tratada, sendo apresentada a concentração da carência biológica de oxigénio, representado por CBO5 mg L- 1, a

concentração da carência química de oxigénio representado por CQO em mg L-1_{e pH. ... 62}

Figura 4.6 – Resultados de um ano de monitorização semanal da água residual tratada, relativamente aos nutrientes azoto total e fósforo total representado por (CN) e (CP)

respetivamente e os sólidos suspensos totais (SST) expressos em mg L-1_{. ... 63}

Figura 4.7 – Resultados de um ano de monitorização com amostragem semanal do canal anóxico. Representação gráfica da taxa (A/M), alimento para os microrganismos,

correspondendo os microrganismos aos sólidos suspensos voláteis (SSV). ... 64 Figura 4.8 – Resultados da monitorização do canal anóxico durante o tempo (t) de amostragem em dias (d), quanto ao pH (na Escala de Sörensen) e à temperatura (T) em °C. ... 66 Figura 4.9 – Resultados da monitorização da evolução do ORP no canal anóxico durante o período de amostragem, em unidades (mV). ... 67

(16)

xvi

Figura 4.10 – Gráfico retirado da fonte (Mara et al., 2003), onde são demostradas as variações do efluente em relação a concentração de oxigénio dissolvido e potencial redox. ... 68 Figura 4.11 – Resultados da pluviosidade relativa aos 30 dias de amostragem, a qual é mediada através de um pluviómetro. ... 69 Figura 4.12 – Resultados da concentração de oxigénio dissolvido (OD), em unidades (mg L-1₎

durante o período de tempo de amostragem (t) em dias (d). ... 69 Figura 4.13 – Resultados da condutividade (EC), em unidades (mS cm-1_{) durante o período de}

amostragem (t) em dias (d). ... 70 Figura 4.14 – Resultados da concentração de sólidos totais (ST) e sólidos voláteis totais (SVT) em unidades (g L-1_{) durante o período de tempo de amostragem (t) em dias (d). ... 71}

Figura 4.15 – Aspidisca cicada imagens obtidas durante este trabalho, com ampliação 100× na imagem (a) e 400× na imagem (b). ... 75 Figura 4.16 – Aspidisca lynceus imagens obtidas durante este trabalho, com ampliação a 400× na imagem (a) e (b). ... 75 Figura 4.17 – Epistylis sp imagens obtidas durante este trabalho, com ampliação 100× na imagem (a) e 400× na imagem (b). ... 75 Figura 4.18 – Na imagem (a) encontra-se uma amiba nua, e na imagem (b) visualiza-se um flagelado com a ampliação 200×. ... 76 Figura 4.19 – Na imagem (a) encontra-se flocos regulares, e na imagem (b) visualiza-os flocos com excesso de bactérias filamentosas com a ampliação 100×. ... 76 Figura 4.20 – Nas imagens (a, b) é visível um rotífero digononta, Habrotrocha sp imagens obtidas durante este trabalho, com ampliação 100× na imagem (a) e 400× na imagem (b). ... 77 Figura 4.21 – Na imagem (a) identifica-se um rotífero digononta, Philodina sp e na imagem (b) está representado um nematodo imagens obtidas durante este trabalho, com ampliação a 100× na imagem (a) e (b). ... 77 Figura 4.22 – Concentração de PHA l nos vários locais de recolha na ETAR. . ... 79

(17)

ÍNDICE DE FIGURAS

xvii Figura 4.23 – Gráfico relativo à fração mássica de PHA l e de SVT das amostras coletadas no

canal anóxico em várias profundidades (h), expressas em metros (m). ... 81 Figura 4.24 – Concentração de PHA l relativa ao canal anóxico nos 30 dias consecutivos de

amostragem em mg mg-1_{correspondente à fração mássica de PHA por cada mg de biomassa}

liofilizada. ... 82 Figura 4.25 – Cromatograma do CG obtido durante o trabalho relativo ao dia 13 de amostragem, dos derivados de ésteres que se extraíram a partir de uma amostra de lamas ativadas do canal anóxico. Os componentes identificados foram PHB (pico aos 9.547 min), PHV (pico aos 10.119 min) e o ácido benzoico (pico aos 10.798 min) como padrão interno. Os outros picos não foram identificados. ... 83 Figura 4.26 – Gráfico relativo à concentração de PHA na biomassa em (mg L-1_{) relativa ao canal}

anóxico nos 30 dias consecutivos de amostragem. ... 84 Figura 4.27 – Imagens de grânulos de PHA (a, b, c, d), após coloração NSB e visualização microscópica em imersão de óleo com ampliação 1 000×; estas imagens foram obtidas durante o trabalho realizado. ... 86 Figura 4.28 – Área Total de grânulos de PHA obtidos durante a monitorização da concentração de PHA por análise de imagem. ... 87 Figura 4.29 – Gráfico relativo à monitorização de 30 dias consecutivos das inclusões de PHA através da análise quantitativa de imagem pela coloração NSB. Relação entre o PHA previsto (concentração de PHA prevista pela análise de imagens quantitativa) e PHA observado (concentração

obtida através da CG). ... 89 Figura 4.30 – Visão geral do processo de produção de PHA, consistindo na fermentação, na recuperação e no processamento mediante a aplicação do polímero (Babel et al., 2001). ... 92 Figura 4.31 – Esquema geral do mecanismo da extração da biomassa, já existente na ETAR de Penices. ... 93 Figura 4.32 – Esquema geral do mecanismo da extração e purificação de PHAs, para a ETAR de Penices, esboço realizado através do SuperPro Designer®. ... 96

(18)

xviii

Figura A.1 – Curva de calibração para a concentração de PHV. A ordenada representa a razão entre as áreas do PHB (APHB) e a área do padrão interno (API) e a abcissa representa a razão

entre a massa de PHB (mPHB) presente na amostra e a concentração padrão interno (CPI)... 115

Figura A.2 – Curva de calibração para a concentração de PHV. A ordenada representa a razão entre as áreas do PHV (APHV) e a área do padrão interno (API) e a abcissa representa a razão

entre a massa de PHV (mPHV) presente na amostra e a concentração do padrão interno (CPI) . 115

(19)

ÍNDICE DE TABELAS

xix

Í

NDICE DE

T

ABELAS

Tabela 2.1 – Valores das características do afluente bruto da ETAR de Penices e os valores

limites de emissão (VLE) definidos na licença de descarga emitida pela APA ... 11

Tabela 2.2 – Compostos limitantes que conduzem à formação de PHAs (Babel et al., 2001) ... 24

Tabela 2.3 – Empresas que investigam e produzem PHAs (Chen, 2009; Jacquel et al., 2008; Avérous et al., 2012) ... 28

Tabela 2.4 – Alguns estudos realizados sobre a acumulação de PHA em culturas mistas e o conteúdo máximo obtido, em fração mássica, de PHA por biomassa em relação ao tipo de cultura, qual o substrato como fonte de carbono e o tipo de processo ... 31

Tabela 3.1 – Tabela de duas entradas para o cálculo do IBL (na qual: S – nº de espécies da microfauna, excluindo os flagelados e F – nº pequenos flagelados na diagonal da Câmara de Fuchs-Rosenthal), (Nicolau et al., 2002; Madoni, 1994) ... 40

Tabela 3.2 – Conversão do valor do IBL em classes de qualidade biológica das lamas ativadas e avaliação da eficiência depuradora do tratamento (Madoni, 1994; Nicolau et al., 2002) ... 41

Tabela 4.1 – Relatório da observação da microfauna do canal aeróbio determinação do IBL .... 74

Tabela 4.2 – Dados de caudal (Q) e carência química de oxigénio (CQO) resultante da monitorização da água residual de entrada, carga orgânica aplicada (OLR) e acumulação de PHA relativamente à monitorização do 1º canal de arejamento (reator anóxico) ... 90

Tabela A.1 – Dia de operação da monitorização correspondente à data de operação ... 114

Tabela A.2 – Valor das áreas obtidas pelo GC, na monitorização de PHA preliminar ... 119

Tabela A.3 – Valor das áreas obtidas pelo GC, na monitorização do PHA diário ... 120

Tabela A.4 – Valores obtidos da caracterização dos grânulos de PHA de tamanho pequeno (menos de 100 pixéis) ... 121

Tabela A.5 – Valores obtidos da caracterização dos grânulos de PHA de tamanho intermédio (entre 100 e 400 pixéis) ... 122

(20)

xx

Tabela A.6 – Valores obtidos da caracterização dos grânulos de PHA de tamanho grande (mais

de 400 pixéis) ... 123

Tabela A.7 – Dados Termofísicos para os componentes subjacentes ao processo de extração e purificação de PHA ... 124

Tabela A.8 – Preço dos componentes químicos do processo de extração e purificação de PHA ... 124

Tabela A.9 – Balanços mássicos aos processos de extração e purificação de PHA ... 125

Tabela A.10 – Balanços térmicos do processo de extração e purificação de PHA ... 125

Tabela A.11 – Custos anuais associados às utilidades do processo de extração e purificação de PHA ... 125

Tabela A.12 – Tipo de resíduo e quantidade gerada anualmente durante a extração e purificação de PHA ... 126

Tabela A.13 – Custos associados ao consumível do processo de extração de PHA... 126

Tabela A.14 – Número e respetivo nome dos equipamentos associados ao processo de extração e purificação de PHA ... 126

Tabela A.15 – Registo do número de unidades de equipamento necessárias aos processos e respetivos custos ... 127

Tabela A.16 – Folha de especificação do extrator sólido – líquido ... 128

Tabela A.17 – Folha de especificação da ultrafiltração ... 129

Tabela A.18 – Folha de especificação do cristalizador ... 130

Tabela A.19 – Folha de especificação do secador ... 131

Tabela A.20 – Folha de especificação do silo de armazenamento ... 131

Tabela A.21 – Custos diretos e indiretos do processo de extração de purificação de PHA ... 132

(21)

LISTA DE SÍMBOLOS E ABREVIATURAS

xxi

L

ISTA DE

S

ÍMBOLOS E

A

BREVIATURAS

VARIÁVEIS E CONSTANTES

A/M – Taxa de alimentação pelos microrganismos sendo que A é igual ao produto do caudal de alimentação pela CBO5 e os microrganismos são os SSV, nas seguintes unidades g g-1d-1

APHB – Área obtida no cromatograma da cromatografia gasosa de PHB

API – Área obtida no cromatograma da cromatografia gasosa do padrão interno

– Biodegradabilidade

CBO5 – Carência Bioquímica de Oxigénio ao fim de 5 dias em mg L-1

CN – Azoto Total em mg L-1

CP – Fósforo Total em mg L-1

CPI – Concentração do padrão interno em g L-1

CN-NH4+ - Azoto amoniacal mg L-1

CQO – Carência Química de Oxigénio (CQO) em mg L-1

EC – Condutividade em mS cm-1 h – Profundidade em m L – Comprimento em pixéis W – Largura em pixéis mPHB – Massa de PHB em mg mPHV – Massa de PHV em mg OD – Oxigénio Dissolvido em mg L-1

OLR – Organic Loading Rate, Carga orgânica aplicada emmg L-1

ORP – Oxidation Reduction Potencial, Potencial Redox em mV P – Pluviosidade em mm

(22)

xxii

P1 – Peso do cadinho em g

P2 – Peso do cadinho com resíduo seco da amostra após secagem na estufa em g

P3 – Peso do cadinho com cinza após calcinação em g

P4 – Peso do conjunto (cadinho + filtro) em g

P5 – Peso do conjunto (cadinho + filtro) com resíduo seco da amostra após secagem na estufa em g

P6 – Peso do conjunto (cadinho + filtro) peso do cadinho com cinza após calcinação em g

CP – Fósforo Total em mg L-1

PHA l – Fração da concentração de PHA na biomassa liofilizada mg mg-1

PHA S – Produto da concentração de PHA l pela concentração de biomassa (SVT) mg L-1

PHA Observado – Concentração de PHA l em mg L-1 obtida pelo método cromatográfico

PHA Previsto – Concentração de PHA em mg L-1 obtida pelo método de análise de imagem

QETAR – Caudal da ETAR em m3d-1

Q Matadouro – Caudal da ETAR em m3d-1

Q Tinturaria – Caudal da ETAR em m3d-1

ST – Concentração de sólidos totais em g L-1

SST – Concentração de sólidos suspensos totais em g L-1

SSV – Concentração de sólidos suspensos voláteis em mg L-1

SVT – Concentração de sólidos voláteis totais em g L-1

T – Temperatura em °C t – Tempo

TDS – Concentração total de sólidos dissolvidos TRH – Tempo de retenção hidráulica

V – Volume de amostra em mL

(23)

xxiii SIGLAS

AdP – Águas de Portugal

AFR – Anaerobic fermentation reactor, reator com fermentação anaeróbica APA – Agência Portuguesa do Ambiente

AGV – Ácidos gordos voláteis

CSTR – Continuous stirred-tank reactor model, reator tanque agitado contínuo d – dia

DCM – Diclorometano

EBPR – Enhanced biological phosphorus removal (system), sistema biológico de remoção de fósforo

E.E – Estação elevatória

ETAR – Estação de Tratamento de Águas Residuais CG – Cromatografia gasosa

FID – Flame Ionization Detector, detetor de ionização de chama h – hora

HCl – Ácido Clorídrico IBL – Índice biótico de lamas Ind. – Indivíduos jun – junho jul – julho O2 – Oxigénio N2 – Azoto Gasoso NH3 – Amoníaco NO2- – Nitrito NO3- – Nitrato

(24)

DISSERTAÇÃO EM MESTRADO INTEGRADO DE ENGENHARIA BIOLÓGICA 2015 xxiv N-NH4+ – Azoto amoniacal NSB – Negro de Sudão B m – metros min – minutos mm – milímetros

MMQP – Método dos mínimos quadrados parciais P – Fósforo

PA – Poliamida

PBAT – Adipato – tereftalato de polibutileno PBS – Polibutileno succinato

PCL – Policaprolactona PE – Polietileno Peq. – Pequenos

PET – Politereftalato de etileno

PFR – Plug flow reactor, reator de fluxo pistão PGA – Poliglicolatos PHAs – Polihidroxialcanoatos PHB – Poli-β-hidroxibutirato PHV – Poli-β-hidroxivalerato PI – Padrão Interno PLA – Polilactato

PLS – Partial least squares, método dos mínimos quadrados parciais Poli (HASCL) – PHAs de cadeia curta

(25)

xxv Poli (3HB) – Poli (3 – hidroxibutirato)

Poli (3HV) – Poli (3 – hidroxivalerato)

Poli (3HB-co-3HV) – Poli ( 3 – hidroxibutirato – co – 3 – hidroxivalerato) PP – Polipropileno

PTT – Politrimetileno tereftalato PVA – álcool polivinílico

R2_{– Coeficiente de determinação}

RGB – Red, green and blue, modelo de cores composto por canais vermelho, verde e azul RMSEP –Root Mean Square Error of Prediction, erro quadrático médio de previsão s - segundo

SBR – Sequencing batch reactor, reator descontínuo sequencial SRT – Solids retention time, tempo de retenção de sólidos t – tonelada

UE – União Europeia UV – Ultra Violeta

VLE – Valor Limite de Emissão µL – microlitros

EXPRESSÕES DO LATIM

e.g. – exempli gratia (por exemplo) et al – et alii (e outros)

(26)

(27)

(28)

2

1.1. _E

NQUADRAMENTO E

M

OTIVAÇÃO

O estudo da viabilidade de produção de polihidroxialcanoatos (PHAs) por culturas microbianas mistas, as quais atuam no tratamento de efluentes urbanos, surge no enquadramento da política das Águas do Norte, S.A. do grupo AdP – Águas de Portugal. Esta nova perspetiva de produção de PHAs tem o intuito de promover o desenvolvimento de soluções tecnológicas que contribuam para a otimização e melhoria contínua dos processos operacionais e de gestão ambiental, já que este tema tem um carácter inovador e sustentável.

1.1.1. _E

MPRESA

R

ESPONSÁVEL PELO

P

ROJETO

As Águas do Norte do grupo Águas de Portugal é a entidade gestora do sistema multimunicipal que compreende 80 Municípios, Figura 1.1, correspondendo, aproximadamente, a 22 % do território nacional. Abrange uma área de 19 687 km2_{, servindo 3.7 milhões de}

habitantes. O sistema está dimensionado para fornecer mais de 170 × 106_m3_ano-1_{de água}

potável a uma população coberta de 2.9 × 106_{habitantes. Por outro lado, encontra-se}

dimensionado para recolher e tratar mais de 110 × 106_m3_ano-1_{de água residual a uma população}

coberta de 2.5 × 106_{habitantes-equivalentes (Águas do Norte, 2015).}

Figura 1.1 – Mapa dos concelhos abrangidos pelas Águas do Norte, como entidade gestora de água e saneamento. Pode-se observar que compreende grande parte do norte de Portugal, em exceção a 5 concelhos que se encontram na imagem a branco.

As Águas do Norte, S.A., têm como missão a conceção, construção e exploração das

(29)

1.INTRODUÇÃO

3 infraestruturas de abastecimento de água e de saneamento do sistema multimunicipal do sistema de águas da região do norte. A sua missão assenta num quadro de sustentabilidade económica, social e ambiental, contribuindo para a melhoria da qualidade de vida dos cidadãos e para o desenvolvimento socioeconómico da região (Águas do Noroeste, S.A; Águas do Norte, 2015).

O conceito de desenvolvimento sustentável baseia-se na observação conjunta da economia, ambiente e bem-estar: "o desenvolvimento que satisfaz as necessidades da geração presente sem comprometer a capacidade das gerações futuras de satisfazerem as suas próprias necessidades". Um aspeto importante do desenvolvimento sustentável é, portanto, a equidade na distribuição de oportunidades de desenvolvimento nas gerações presentes e nas gerações futuras (Vander, 2003).

1.1.2. _A

I

MPORTÂNCIA DOS

P

LÁSTICOS

/

S

USTENTABILIDADE DA

S

OCIEDADE

O plástico convencional produzido a partir dos derivados do petróleo (fonte não-renovável), tem a incapacidade de desaparecer rapidamente da terra levantando algumas questões ambientais de sustentabilidade. Estima-se que são necessários cerca de 450 anos para ocorrer a sua degradação, originando grandes problemas de contaminação ambiental com carácter persistente. O plástico representa entre 14 % e 22 % no volume de resíduos sólidos.

No entanto, a reciclagem do plástico pode degradar algumas propriedades, além de serem difíceis de separar dos outros materiais (Lenntech Water- & Air treatment Holding B.V.). O aumento da sensibilidade da população relativamente à sustentabilidade ambiental e à proteção da vida selvagem tem estimulado a pesquisa de estratégias e práticas alternativas com vista a redução da produção de plásticos convencionais.

Deste modo, surgem diferentes soluções, tais como a redução, a reutilização ou a reciclagem do plástico, ou a substituição dos plásticos baseados no petróleo por plásticos produzidos através de recursos renováveis (Accinelli et al., 2012).

Assim, de modo a promover a sustentabilidade da sociedade, é necessário desenvolver novos métodos de produção de polímeros biodegradáveis, para que os plásticos com origem em recursos não renováveis possam ser substituídos por plásticos provenientes de recursos renováveis. Isto torna-se vantajoso visto que ambos apresentam propriedades idênticas, com o benefício adicional da redução de consumo de recursos fósseis.

(30)

4

Os sacos plásticos, por exemplo, desde a sua introdução no final de 1970, tornaram-se um elemento comum na sociedade. Estima-se que a média de consumo anual de sacos de plástico na UE seja de 100 × 1012_{unidades. As medidas para reduzir o seu uso têm sido consideradas}

por um número crescente de governos (Accinelli et al., 2012).

Em fevereiro de 2014, o Estado Português apresentou a proposta do Compromisso para o “Crescimento Verde” que congrega os esforços de quase uma centena de associações e representantes da área empresarial, científica, financeira, assim como dos organismos públicos, fundações e ONG. Os objetivos do crescimento verde são totalmente consistentes com os grandes desafios colocados à sociedade portuguesa e podem contribuir decisivamente para a obtenção do crescimento, de emprego, de redução da dependência do exterior, de fiscalidade mais inteligente (tributando mais o que se degrada e polui, e menos o que se produz e aufere) e de qualidade de vida. Neste momento, a economia verde representa, globalmente, 4 × 1012_{€, crescendo 4 % ano}- 1_.

Na UE, os sectores verdes já representavam, em 2010, 2.5 % do Produto Interno Bruto (PIB) global da UE e estima-se um crescimento anual de cerca de 30 % até 2025, constituindo desta forma os sectores mais dinâmicos da região (Governo de Portugal, 2014). Em Portugal, a importância económica dos plásticos é muito relevante, visto que as exportações de mercadorias portuguesas de produtos químicos no primeiro semestre de 2014 atingiram o valor de 3 139 × 106 _{€, dos}

quais 1 238 × 106 _{€ são relativos ao plástico e a produtos à base do plástico (Ministério da}

Economia, 2014).

Na Figura 1.2 encontra-se representada a divisão dos diferentes tipos de plásticos, de acordo com o seu carácter biodegradável (European Bioplastics, 2014). A biodegradação ocorre quando um produto é convertido em água, dióxido de carbono e biomassa com auxílio de microrganismos.

Os produtos de base biológica resultam da biomassa ou de monómeros da biomassa, ou seja, a base biológica refere-se ao teor de carbono de base biológica ou ao teor em massa de base biológica, apresentado em unidades percentuais. Plásticos biodegradáveis de base biológica são habitualmente produzidos através de plantas. No entanto, o bioplástico proveniente das plantas tem a desvantagem da utilização de recursos de produção alimentar, diminuindo as áreas de cultivo para este fim.

(31)

1.INTRODUÇÃO

5 O bioplástico é considerado como a melhor solução para o ambiente em relação ao plástico à base de petróleo. Atualmente estima-se que a produção de bioplásticos seja cerca de 1 % da produção de plástico (Johnston, 2014). Inicialmente, os bioplásticos eram vistos com alguma apreensão, devido a incertezas quanto à sua produção a partir de milho transgénico, e por causa da suspeita da presença de produtos químicos, tais como herbicidas. Recentemente, existe uma maior aceitação da produção destes bioprodutos (Johnston, 2014).

Os plásticos de base biológica incluem plásticos à base de amido, proteínas com base plástica, plásticos e mistura de celulose. Podem também ser misturados com plásticos convencionais, tais como o polietileno (PE), o polipropileno (PP), e o álcool polivinílico (PVA). No entanto, esses plásticos de base biológica são apenas parcialmente biodegradáveis. Para produzir plásticos somente de base biológica que se assemelhem aos plásticos convencionais, são “empregadas” bactérias.

Os polímeros plásticos de fontes renováveis, são os plásticos que incluem amido, celulose, ácidos gordos, ou qualquer substrato que as bactérias utilizem para seu crescimento (Chen, 2010). Pela Figura 1.2 verifica-se que os polihidroxialcanoatos (PHAs) são produzidos a partir de uma fonte biológica e são biodegradáveis, ao contrário do plástico convencional, como polipropileno (PP), proveniente de fonte fóssil, que é não biodegradável (European Bioplastics, 2014).

No mercado, existem diversos plásticos biodegradáveis, tais como: PHAs, polilactato (PLA), polibutileno succinato (PBS) e os poliglicolatos (PGA). O presente trabalho centrar-se-á apenas nos PHAs. Os PHAs são termoplásticos que podem ser moldados a temperaturas elevadas, com propriedades físico-químicas idênticas ao PP, o que os torna possíveis candidatos para a sua substituição (European Bioplastics, 2014).

O PP é uma estrutura linear com base no monómero CnH2n, fabricado a partir de propileno

gasoso, na presença de cloreto de titânio como catalisador. É um produto termoplástico semi-cristalino, de baixo custo, fácil de processar (é um subproduto proveniente do processo de refinação de petróleo) e de elevada versatilidade. Este polímero apresenta propriedades variadas, como o toque suave ou a elevada rigidez. A polimerização é alcançada a uma temperatura e a uma pressão relativamente baixas, sendo o produto produzido translúcido, mas que pode ser

(32)

6

facilmente colorido (Poliversal, 2014). As propriedades dos plásticos podem ser alteradas por diferenças nas condições de produção, como o tipo de catalisador utilizado.

Figura 1.2 – Classificação quanto à biodegradabilidade em sistema de coordenadas quanto à fonte e origem dos materiais, sendo apresentado alguns exemplos de plásticos de cada tipo (European Bioplastics, 2014).

O PP é utilizado em diversas aplicações, como mobiliário de jardim, peças para a indústria automóvel, filme com transparência, cápsulas, entre outros (Hingle, 2014). Existem três tipos de PP, em que cada um combina determinadas especificações e custos. Entre eles, encontram-se os homopolímeros (que pode ser usado em diferentes aplicações), os copolímeros em bloco (incorporam (5-15) % de etileno) têm muito melhor resistência ao impacto que se estende a temperaturas inferiores a -20 °C e os copolímeros aleatórios (contém (1-7) % de etileno) têm ponto de fusão mais baixo, maior flexibilidade e clareza (Hingle, 2014).

Atualmente, as estratégias de produção dos PHAs englobam processos de fermentação, em culturas puras de Ralstonia eutropha ou de Escherichia coli recombinante que utilizam a glucose e o ácido propiónico como substrato, o que aumenta os custos de produção, diminuindo assim a competitividade destes biopolímeros (Marang et al., 2014). Deste modo, o maior obstáculo à substituição do PP por PHAs é principalmente de natureza económica. O preço dos PHAs é cerca de nove vezes, superior ao do polipropileno (9 _{€ kg}-1_{para o}_{PHB face a 1 € kg}-1_{para o polipropileno)}

(33)

1.INTRODUÇÃO

7

1.2. _O

BJETIVOS DO

P

ROJETO

O presente trabalho tem como objetivo o estudo da produção e acumulação de PHAs, em culturas microbianas mistas utilizadas no tratamento de efluentes urbanos.

O trabalho desenvolveu-se na Estação de Tratamento de Águas Residuais (ETAR) de Penices. Pretende-se com este estudo contribuir para uma mudança de paradigma no tratamento biológico de águas residuais urbanas. Deste modo, o efluente deixa de ser um resíduo e passa, parcialmente, a ser matéria-prima a custo zero, para a produção de materiais de valor acrescentado, como os bioplásticos do tipo PHAs. A ETAR de Penices pode reunir as condições adequadas para a acumulação de PHA, pois receciona efluente de um matadouro rico em nutrientes juntamente com o efluente doméstico, bem como de outras indústrias como, e.g. a têxtil.

Assim, o carbono será incluído nos bioplásticos, ao invés de ser libertado para a atmosfera ou descartado juntamente com as lamas desidratadas que, por sua vez, constituem um custo elevado para a empresa devido ao encaminhamento para o fim adequado. Desta forma, esta medida visa proporcionar uma nova abordagem relativa ao conceito de gestão de resíduos, sendo capaz de converter o desperdício num subproduto, ao mesmo tempo mais atrativo tanto a nível ambiental, como a nível económico.

Além do objetivo já identificado, pretendeu-se também comparar dois métodos de análise quantitativa de PHAs: o método por cromatografia gasosa e o método de análise de imagem com coloração de Negro Sudão B.

(34)

(35)

(36)

10

2.1. _C

ARACTERÍSTICAS DA

Á

GUA

R

ESIDUAL E

V

ALORES

L

IMITES DE

D

ESCARGA

A água é a base da vida, sendo imprescindível na atividade diária do Homem, não apenas em ambiente doméstico, mas também no domínio industrial, onde, por vezes, constitui a substância mais importante dos processos. Contudo, a água poluída que deixa as habitações ou as instalações industriais, torna-se um agente potencial de degradação dos cursos de água, de aquíferos e de comunidades aquáticas. A incapacidade dos ecossistemas de repor a situação existente antes da ação do Homem, com consequente acumulação de poluentes, obrigou ao desenvolvimento de processos que, por vezes, correspondem a uma imitação “intensificada” do que faz a Natureza (Cavaleiro et al., 2009).

No âmbito do tratamento das águas residuais, a abordagem de uma gestão integrada com vista à sua valorização deve ser tida como prioritária. Pretende-se que os sistemas de tratamento de água residual cumpram inteiramente a sua função removendo diversos poluentes, dos quais se destacam a, matéria orgânica e outros compostos potencialmente tóxicos (Calheiros et al., 2014; Wagner et al., 2002). Em muitos países a legislação ambiental tem adotado limites rigorosos nas concentrações de azoto (N) e de fósforo (P) na água residual tratada, de modo a evitar a eutrofização dos meios hídricos (Jördening et al., 2005).

A função do tratamento de águas residuais através de processos físico-químicos e/ou biológicos é proteger o meio recetor da degradação ambiental, garantindo que o impacto do efluente seja minimizado.

A proteção do meio recetor é alcançada através de normas, sendo estas definidas pela autoridade reguladora competente, Agência Portuguesa do Ambiente (APA), a qual define a qualidade mínima que o efluente deve atingir (Mara et al., 2003). O tratamento das águas residuais representa uma mais-valia na qualidade de vida das populações, permitindo a diminuição no impacte da descarga do efluente tratado no meio recetor.

Na Tabela 2.1, estão indicadas as características das águas residuais urbanas afluentes à ETAR de Penices e os valores de emissão aquando da descarga no meio hídrico.

(37)

2.FUNDAMENTOS TEÓRICOS

11

Tabela 2.1 – Valores das características do afluente bruto da ETAR de Penices e os valores limites de emissão (VLE) definidos na licença de descarga emitida pela APA

Parâmetro Características do Afluente Bruto da ETAR (A. R.H. Norte, 2014)

VLE no meio hídrico (A. R.H. Norte, 2014) CBO5 / (mg L-1) 350 25 CBO5 (estiagem) / (mg L-1) _ 15 CQO / (mg L-1₎ ₈₀₀ ₁₂₅ CQO (estiagem) / (mg L-1₎ _{_} ₁₀₀ N / (mg L-1₎ ₇₀ _{_} P / (mg L-1₎ ₁₂ _{_} SST / (mg L-1₎ _{_} ₃₅ SST (estiagem) / (mg L-1₎ _{_} ₃₀

A ETAR faz a monitorização dos seguintes parâmetros: Carência Bioquímica de Oxigénio ao fim de 5 dias (CBO5); Carência Química de Oxigénio (CQO); Azoto total (N); Fósforo total (P); e

Sólidos Suspensos Totais (SST). O Decreto-Lei nº 152/97, de 19 de junho, define a época de estiagem de 1 de junho a 30 de setembro. No entanto, sempre que as condições meteorológicas o exigirem, poderá a mesma ser alterada após a comunicação à entidade licenciadora.

Nos últimos dois anos, as características do afluente bruto à ETAR foram muito alteradas devido à entrada de efluente proveniente de um matadouro, o qual se caracteriza por possuir carga orgânica elevada e ser rico em nutrientes. A ligação do efluente desta empresa, elevou a carga orgânica da água residual afluente à ETAR, afetando, assim, os custos associados ao tratamento, nomeadamente o consumo de energia requerida no processo de arejamento e desidratação de lamas.

(38)

12

2.2. _F

UNCIONAMENTO DA

ETAR

DE

P

ENICES

A ETAR de Penices situa-se na margem esquerda do rio Este, na freguesia de Gondifelos, pertencente ao concelho de Vila Nova de Famalicão. A ETAR foi projetada para tratar 6 214 m3_d-1

de águas residuais atendendo uma população equivalente a 32 400 habitantes. A água residual chega à ETAR de Penices por uma rede de intercetores gravíticos, com uma extensão de 26.7 km e diâmetros entre os (200 – 500) mm, servindo 10 freguesias de Vila Nova de Famalicão e 2 freguesias da Póvoa de Varzim. Na ETAR, a água residual é submetida a um conjunto de processos físico-químicos e biológicos. De seguida, serão descritos cada uma das etapas associadas ao seu tratamento Figura 2.1, e o tratamento de lamas associado, Figura 2.2.

Figura 2.1 –Esquema das várias etapas de tratamento existentes na ETAR de Penices.

Figura 2.2 –Esquema das várias etapas do tratamento de lamas instalado na ETAR de Penices.

I Etapa: Tratamento Preliminar

A primeira etapa consiste no tratamento preliminar, onde é rececionado o caudal afluente pela estação elevatória.

Neste órgão, os sólidos são triturados e retidos por uma gradagem. De seguida passam para um tanque de bombagem, o qual tem ainda como função a equalização da água residual. Após a elevação do caudal do tanque de bombagem, Figura 2.3, ocorre a segunda etapa de tratamento, ou seja, o

(39)

2. FUNDAMENTOS TEÓRICOS

13

II Etapa: Pré-tratamento

Na fase do pré-tratamento, a água residual é tamisada, promovendo a remoção de sólidos de menor dimensão, Figura 2.4, e distribuída para dois órgãos retangulares em paralelo, Figura 2.5. Nestes órgãos, ocorre simultaneamente o desengorduramento, por flutuação com a insuflação de ar, e o desarenamento, por decantação das areias.

As gorduras são removidas para um concentrador de gorduras, Figura 2.6 (b), e as areias, por sua vez, são extraídas para um classificador de areias Figura 2.6 (a). As escorrências referentes à extração de areias e gorduras voltam a montante da linha aquosa.

Por outro lado, os resíduos sólidos provenientes da primeira e segunda etapa são encaminhados para aterro sanitário. Decorrido o pré-tratamento da água residual onde foram removidos os sólidos, areias e

gorduras, esta é encaminhada

gravidicamente para o tratamento secundário (biológico).

Figura 2.4 – Gradagem automática (tamisador) e manual da ETAR de Penices.

Figura 2.5 –Tanques do pré-tratamento, com os processos em simultâneo desengorduramento e desarenamento.

(40)

14

III Etapa: Tratamento Biológico

O tratamento biológico inicia-se com a entrada da água residual, por ação gravítica num canal anóxico perfeitamente agitado, ocorrendo, assim, a desnitrificação Figura 2.7.

De seguida a água residual flui para o canal de arejamento, com o qual possui ligação hidráulica. Neste canal aeróbio, o tratamento biológico consiste num sistema de lamas ativadas em arejamento prolongado, em canal de oxidação, procedendo à nitrificação/desnitrificação. Na Figura 2.8 está representado um reator típico presente na ETAR com o perfil de canal de arejamento.

Figura 2.7 – Canais de arejamento (reator anóxico e aeróbio).

Figura 2.8 – Representação esquemática do reator típico de nitrificação/desnitrificação, com arejadores de eixo horizontal (rotores) (imagem retirada (Jördening et al., 2005).

A presença de microrganismos nestes órgãos permite a degradação da matéria orgânica presente na água residual, resultando na formação de produtos oxidados, tais como o dióxido de carbono, os nitratos, os sulfatos e os fosfatos, bem como na biossíntese de nova biomassa microbiana (Mara et al., 2003).

Após a passagem pelos dois canais de arejamento, a água residual aflui, por ação gravítica para dois decantadores secundários circulares mecanizados, Figura 2.9. Nestes órgãos dá- se a separação da biomassa da fase líquida. O sobrenadante é encaminhado para o meio recetor, o rio Este, como se pode

(41)

15 Uma parte da água residual tratada é

posteriormente armazenada e submetida a um tratamento terciário (filtração através de filtro pressurizados autolimpantes e uma desinfeção por UV) para permitir a sua utilização como águas de serviço, Figura 2.11.

A biomassa removida através da decantação é reciclada para o reator biológico, reduzindo a carga de sólidos à saída. O desempenho do tratamento biológico depende do tempo médio de permanência nas células (Idade das lamas) do sistema. As lamas excedentes são encaminhadas para um processo de desidratação, dando lugar à quarta etapa de tratamento, a qual é relativa ao tratamento da linha sólida.

Figura 2.10 – Fotografia relativa aos descarregadores onde o efluente tratado tem como destino final a descarga no meio hídrico, o Rio Este.

Figura 2.11 – Sistema de filtração e desinfeção da água residual através UV para reaproveitamento.

IV Etapa: Tratamento da Fase Sólida

O tratamento da fase sólida é constituído por espessamento e desidratação mecânica. O espessamento de lamas é efetuado por um

espessador de tambor rotativo, Figura 2.12, o qual tem como função o espessamento das lamas, com auxílio de um polielectrólito para obter uma concentração de 3 % a 5 % de matéria seca. As lamas espessadas são bombeadas para o sistema de desidratação, enquanto o sobrenadante é enviado para a linha das escorrências.

Figura 2.12 – Tambor rotativo de espessamento Andritz

(42)

16

A desidratação é efetuada através de uma centrífuga, Figura 2.13, com a adição de polielectrólito para melhorar a eficiência do processo.

Após a desidratação, as lamas são

encaminhadas para o silo de

armazenamento, Figura 2.14, até serem transportadas para o destino final, e.g. compostagem.

O filtrado é encaminhado para as escorrências, que entram no pré-tratamento (Águas do Ave, 2006). Na Figura 2.15, encontra-se uma vista aérea da instalação, e na Figura 2.16, apresenta-se o esquema representativo da ETAR de Penices.

Figura 2.13 – Centrífuga Andritz instalada na ETAR de Penices.

Figura 2.14 –Silo de armazenagem de lamas.

(43)

2. FUNDAMENTOS TEÓRICOS

17

(44)

(45)

19

2.3. _S

ISTEMA DE TRATAMENTO DO EFLUENTE URBANO COM LAMAS ATIVADAS

Os sistemas de lamas ativadas tornaram-se parte integrante no tratamento de vários tipos de efluentes. Este tipo de tratamento baseia-se no crescimento suspenso de microrganismos, num reator, onde o oxigénio é continuamente fornecido para permitir a oxidação carbonácea. A comunidade microbiana de lamas ativadas inclui bactérias, protozoários, fungos, algas e organismos filamentosos. O processo de lamas ativadas opera com uma lama floculada de microrganismos para remover matéria orgânica da água residual e reduzir o conteúdo de nutrientes (N e P), antes da descarga do efluente da estação de tratamento no meio hídrico (Mara et al., 2003). A principal origem de fósforo em águas residuais domésticas são os excrementos humanos (50 – 65) % e detergentes sintéticos (30 – 50) %. As concentrações típicas de P encontram-se na gama de (10 – 30) mg L-1_{(Mara et al., 2003). Segundo Bitton, (1999) e}

Metcalf et al., (2003), a quantidade típica de azoto no esgoto doméstico é de (20 – 85) mg L-1_e

pode ser encontrado especialmente nas formas de NH4+ e de NH3.

É de notar que em sistemas contínuos, como é o caso de uma ETAR, o processo é mais eficiente do que quando operado em estado estacionário, sendo importante compreender as variações do processo que afetam o desempenho do sistema. Os fatores responsáveis pelas variações na comunidade biológica podem ser: (1) ambientais, causando variações nas características e no caudal do afluente, (2) parâmetros operacionais, tal como o tempo de residência das lamas, (3) taxa de fornecimento de nutrientes aos microrganismos, entre outros (Metcalf et al., 2003).

A matéria orgânica solúvel presente na água residual pode dividir-se em hidratos de carbono, gorduras e proteínas. A maioria dos microrganismos consegue oxidar diretamente o carbono orgânico a dióxido de carbono, utilizando o oxigénio, nitritos ou nitratos. Parte do carbono orgânico, é assimilado pela biomassa, que se multiplica no reator. Enquanto o carbono orgânico particulado e coloidal, é hidrolisado pelos microrganismos e usado no próprio metabolismo, o carbono biologicamente não-degradável é incorporado nos flocos de lamas ativadas (Cavaleiro et al., 2009).

A remoção do azoto é realizada através dos processos de assimilação, nitrificação e desnitrificação. Os microrganismos presentes no sistema de tratamento necessitam de azoto para

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a síntese celular, pelo que esta assimilação resulta em remoção de azoto do meio. A nitrificação biológica baseia-se na transformação do azoto amoniacal (orgânico) em nitrito e consequentemente em nitrato, processo através do qual os compostos azotados (orgânicos e inorgânicos) reduzidos são convertidos em formas mais oxidadas. Este processo requer oxigénio que atua como aceitador de eletrões (Mara et al., 2003).

O processo de nitrificação ocorre em duas etapas: na primeira etapa, as bactérias do género Nitrosomonas convertem a azoto amoniacal (NH4+) em nitrito (NO2-), e na segunda etapa, as

bactérias do género Nitrobacter, convertem o NO2- em nitrato (NO3-). A desnitrificação baseia-se na

utilização do nitrito ou nitrato como recetores finais de eletrões, em condições anóxicas, para oxidação do carbono orgânico e para a conversão do nitrato em azoto gasoso (N2)

(Cavaleiro et al., 2009). Algumas bactérias, como a Pseudomonas e a Clostridium utilizam compostos como o nitrito e o nitrato em alternativa ao oxigénio. Estas bactérias consomem compostos de carbono e quebram as ligações N-O para usarem o oxigénio (na ausência do O2)

(Mara et al., 2003; Cavaleiro et al., 2009). Para efluentes com excesso de material orgânico e azoto, um dos requisitos para a desnitrificação é a utilização de um sistema aeróbio-anóxico. A concentração de oxigénio dissolvido no reator é controlada para valores baixos tipicamente (0.5 – 2.0) mg L-1_{, para permitir a nitrificação, desnitrificação e degradação orgânica aeróbia}

(Mara et al., 2003).

A remoção do fósforo através de um sistema de lamas ativadas consiste na sua captação e remoção. As lamas passam por uma fase anaeróbia, onde a quantidade de fósforo aumenta no meio líquido, e por uma fase aeróbia, onde ocorre absorção de fosfato da fase líquida para o interior das células. A capacidade de libertar ou de alojar o fósforo na biomassa é realizada através da manipulação da concentração de oxigénio. Em condições anaeróbias, os microrganismos armazenam ácidos gordos voláteis, sintetizando compostos como por exemplo o poli- β- hidroxibutirato (PHB). Em condições aeróbias, o PHB é metabolizado pelos microrganismos para finalidades catabólicas e anabólicas, usando nitrato e oxigénio como oxidantes. Nesse processo, ocorre absorção de fosfato da fase líquida para o interior dos microrganismos (Bitton, 1999).

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2.4. _M

ICROBIOLOGIA DO

P

ROCESSO

O consórcio microbiano instala-se, espontaneamente, no reator de tratamento de águas residuais e adapta-se em resposta às condições operacionais impostas, bem como em função das características do efluente. Neste tipo de reatores, não é feita a esterilização do meio, nem do ar utilizado no arejamento. A biomassa encontra-se em suspensão no líquido, sob a forma de células isoladas, e pequenos agregados aglomerados mais complexos, como os flocos e os grânulos. Este consórcio bacteriano tem como função a conversão da matéria orgânica dissolvida e coloidal em vários gases, compostos inorgânicos e tecido celular (Fonseca et al., 2007).

As culturas mistas instaladas em ETAR que utilizam as lamas ativadas incluem bactérias (geralmente Gram-_{), leveduras, fungos, microalgas, protistas celulares e organismos}

multicelulares. Apesar dos microrganismos responsáveis pela degradação da contaminação orgânica de uma água residual serem essencialmente as bactérias, como e.g., os géneros Zoogloea, Pseudomonas, Acinetobacter e os Alcaligenes, as atividades metabólicas de outros microrganismos como os protozoários também são relevantes.

Os protozoários são predadores de bactérias, encontrando-se presentes sob forma dispersa, e os rotíferos consomem pequenos flocos de fraca sedimentabilidade, pelo que estes têm um papel ativo na afinação do efluente tratado. Assim, a quantificação da concentração de diferentes espécies de protozoários pode ser empregue como indicador de qualidade da cultura instalada no reator. A biodiversidade do consórcio microbiano é um fator importante na resposta adaptativa, quer por competição, quer devido a variações que possam ocorrer no reator, como a composição dos substratos de alimentação, ou pelos parâmetros operatórios, como a taxa de diluição e a temperatura (Fonseca et al., 2007).

A maior parte dos ciliados presentes nas lamas ativadas alimentam-se de bactérias dispersas (bacterívoros), embora haja outros que se alimentam de ciliados e flagelados. Os ciliados podem ser subdivididos em três grupos funcionais com base no comportamento:

 Nadadores (free – swimin), os quais nadam na fração líquida e permanecem uniformemente dispersos em suspensão no tanque de sedimentação;

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 Sésseis (attached), encontram-se fixos ao substrato por meio de uma haste. Estes são estritamente associados aos flocos, e precipitam durante a sedimentação.

Na Figura 2.17 apresentam-se exemplos mais comuns de protozoários em lamas ativadas: nadadores, móveis de fundo e sésseis (Nicolau et al., 2002; Mara et al., 2003).

Figura 2.17 –Alguns ciliados comuns e amibas com teca de estações de tratamento de efluente e o seu hábito alimentar. Imagem retirada de (Mara et al., 2003) em que 1–8 Ciliados carnívoros ou onívoros: (1) Acineta spp.; (2) Podophrya spp.; (3) Tokophrya

spp.; (4) Plagiocampa rouxi; (5) Coleps hirtus; (6) Spathidium spp.; (7) Litonotus spp.; (8) Amphileptus spp. 9–18 Nadadores bacterívoros (9) Glaucoma spp.; (10) Tetrahymena spp.; (11) Colpidum spp.; (12) Paramecium spp.; (13) Cinetochilum margaritaceum; (14) Dexiotricha spp.; (15) Uronema spp.; (16) Cyclidium spp.; (17) Pseudocohnilembus pusillum; (18)

Spirostomum teres. 19–26 Móveis de fundo bacterívoros: (19) Chilodonella spp.; (20) Trithigmostoma spp.; (21) Acineria uncinata; (22) Trochilia minuta; (23) Drepanomonas revolute; (24) Aspidisca spp.; (25) Euplotes spp.; (26) Stylonychia spp. 27–34 Sésseis bacterivoros: (27) Stentor spp.; (28) Vorticella convallaria; (29) V. microstoma; (30) Carchesium spp.; (31) Zoothamnium spp.; (32)