II AVALIAÇÃO DA ATIVIDADE BIOLÓGICA DO BIOFILME FORMADO EM MATERIAIS SUPORTES DE FILTROS ANAERÓBIOS DE FLUXO ASCENDENTE.

II-084 - AVALIAÇÃO DA ATIVIDADE BIOLÓGICA DO BIOFILME FORMADO

EM MATERIAIS SUPORTES DE FILTROS ANAERÓBIOS DE FLUXO

ASCENDENTE.

Aurélio Pessôa Picanço(1)

Engenheiro Sanitarista formado pela Universidade Federal do Pará (UFPA). Mestre em Hidráulica e Saneamento pela Escola de Engenharia de São Carlos da Universidade de São Paulo (EESC/USP). Doutorando em Hidráulica e Saneamento na EESC/USP.

Márcio Nemer Machado Sassim

Engenheiro Sanitarista formado pela Universidade Federal do Pará (UFPA). Mestre em Hidráulica e Saneamento pela Escola de Engenharia de São Carlos da Universidade de São Paulo (EESC/USP).

Marcelo Zaiat

Engenheiro Químico formado pela Universidade Federal de São Carlos (UFSCar), Mestre em Engenharia Química pela UFSCar, Doutor em Hidráulica e Saneamento pela Escola de Engenharia de São Carlos (EESC) / Universidade de São Paulo (USP) Prof. Doutor do Departamento de Hidráulica e Saneamento da EESC/USP -São Carlos, SP.

Carlos Eduardo Blundi

Químico Licenciado e Bacharel pelo Instituto de Química da UNESP - Araraquara - SP. Engenheiro Civil pela Faculdade de Engenharia Civil de Araraquara - SP. Mestre em Hidráulica e Saneamento pela Escola de Engenharia de São Carlos - Universidade de São Paulo -EESC/USP. Doutor em Hidráulica e Saneamento pela EESC/USP, SP. Prof. Doutor do Departamento de Hidráulica e Saneamento da EESC/USP - São Carlos, SP.

Endereço(1)_{: Universidade de São Paulo, Escola de Engenharia de São Carlos, Departamento de Hidráulica e}

Saneamento, Av. Trabalhador São-carlense, 400 – Centro, 13566-590 – São Carlos - SP, Brasil. - Brasil - Tel: (16) 271-5181 - e-mail: picanco@sc.usp.br

RESUMO

Este trabalho apresenta uma análise comparativa da atividade biológica das células imobilizadas formadas em um reator anaeróbio. Para tal, foi desenvolvido um sistema cuja concepção permitia a retirada dos biofilmes íntegros formados em quatro suportes inertes diferentes: espuma de poliuretano, PVC, tijolo refratário e uma cerâmica porosa. A atividade biológica foi analisada através de determinação da constante específica aparente de reação (Kapp). A determinação deste parâmetro cinético foi realizada através da transferência dos suportes colonizados do reator de fluxo ascendente para reatores diferenciais. Concluiu-se que tanto a porosidade (e a maior capacidade de retenção de biomassa) quanto a espessura do biofilme (e as limitações de difusão correspondentes) influenciaram na constante global de consumo de substrato. Os suportes que apresentaram menor quantidade de biomassa aderida (PVC e o tijolo refratário), obtiveram melhores valores de velocidade específica, contudo as suas velocidades globais foram menores que os dos suportes com maior retenção de biomassa (espuma de poliuretano e a cerâmica porosa). O reator para a formação do biofilme foi operado durante 149 dias, com remoção média de DQO de 68,3%, correspondendo a uma taxa de carregamento orgânico volumétrico média de 1,06 Kg DQO.m3.dia-1.

PALAVRAS-CHAVE: Biofilme, Atividade Biológica, Filtros Anaeróbios, Cinética Microbiana. INTRODUÇÃO

Novas tecnologias buscam soluções eficientes e de custo compatível para minimizar o grande problema gerado pelo lançamento de despejos domésticos e industriais em corpos de água receptores, visto que a legislação torna-se cada vez mais exigente devido à escassez crescente desses recursos e a busca do desenvolvimento sustentado.

no reator. O filtro anaeróbio é um sistema de tratamento desenvolvido para favorecer a imobilização e aderência de biomassa, alcançando bons resultados na remoção de matéria orgânica. Contudo, vários fatores interferem na aderência de biomassa no suporte em reatores de leito fixo, sendo alguns deles: forma, tamanho, porosidade, superfície específica, natureza do sólido suporte e suas cargas eletrostáticas. (CHARACKLIS & TRULEAR, 1982; VIJAYALAKSHIMI et al., 1990).

Nos diferentes estágios da colonização do biofilme nos suportes é importante a presença e o tamanho médio de seus micros e macros poros, onde a biomassa adere. A presença de poros e reentrâncias na superfície do material suporte proporcionam um ambiente menos turbulento para os microrganismos, favorecendo assim a formação inicial do biofilme (VERRIER et al., 1988). Segundo INCE (1999), filtros anaeróbios com suportes de alta porosidade e superfície específica, apresentam melhores rendimentos do que os reatores com suporte convencional, tanto na partida quanto no equilíbrio do sistema. Segundo MUNÕZ et al. (1994), o tipo de material suporte usado pode influenciar na atividade metanogênica devido a possíveis interações químicas entre o material, o volume líquido e as bactérias. De acordo com a natureza do material suporte, quanto maior a porosidade ou rugosidade de sua superfície, melhor se desenvolverá o biofilme, influenciando diretamente na retenção celular na superfície (ALVES et al. 1999).

Estudos comparativos da biomassa ativa entre vários materiais utilizados como suportes em reatores anaeróbio de leito fixo têm sido realizados, a maioria deles operando reatores individualizados para cada suporte ou através de ensaios em batelada (FOX et al., 1990; YEE et al., 1992). Contudo, em estudos mais recentes, diferentes suportes estão sendo colonizados por microrganismos simultaneamente no interior de um mesmo reator e sob as mesmas condições operacionais (temperatura, composição de substrato e regime operacional), favorecendo assim a comparação entre os materiais suportes (PICANÇO, 2000; VALLERO, 1999; ALVES et al., 1999).

Este estudo fundamentou-se basicamente na estimativa de parâmetros cinéticos dos diferentes agrupamentos microbianos formados em reator anaeróbio de fluxo ascendente. O objetivo principal do trabalho foi a avaliação da influência do material suporte sobre os parâmetros obtidos.

A cinética do consumo de um substrato fornece a base racional para a análise, controle e projeto das unidades de tratamento, bem como a descrição quantitativa das velocidades do processo (GÓMEZ, 1998). As velocidades podem ser expressas em termos matemáticos, por modelos que representam convenientemente a dinâmica do processo.

MATERIAIS E MÉTODOS INSTALAÇÃO EXPERIMENTAL

Para a realização de tal estudo foi utilizado um reator anaeróbio com volume total de 34,5 L e construído em PVC, com diâmetro de 200 mm e 1,20 m de altura, operado com um TDH de 24 h (Figura 1). O reator foi inoculado com 6 litros de lodo retirado de um UASB tratando águas residuárias de uma indústria de papel. No seu interior foram fixadas 16 hastes metálicas. Em cada haste foram presos quatro suportes distintos: cloreto de polivinila (PVC), espuma de poliuretano, tijolo refratário e a cerâmica porosa; distantes entre si em 3,5 cm. Os suportes possuíam as mesmas dimensões: forma cilíndrica com altura de 3 cm, diâmetro interno de 0,8 cm e diâmetro externo de 2,1 cm. Foi feita uma distribuição do conjunto haste/suporte de forma eqüitativa no interior do reator, para a formação simultânea dos biofilmes nos materiais suportes, de maneira a se obter resultados comparativo mais representativos.

O reator foi operado por 149 dias, com temperatura controlada de 30oC ± 1oC e tempo de detenção hidráulico (TDH) de 24 horas, alimentado com esgoto sintético simulando esgoto sanitário (DQO média de 1267 mg/L ± 400 mg/L; concentração média de ácidos voláteis no efluente de 80 mg/L como ácido acético (HAc) e pH efluente na faixa e 6,3 a 7,3). Sua constituição básica foi: extrato de carne (360 mg/L), sacarose (60,3 mg/L), amido comercial (186,4 mg/L), celulose (59,7 mg/L), óleo vegetal (0,11 mL/L), detergente (0,35 mL/L), bicarbonato de sódio (164,5 mg/L) e solução de sais minerais (5,18 mL/L), composta por: NaCl (50 g/L), Cl2.6H2O (1.4 g/L), e CaCl2 . 2 H2O (0.9 g/L).

1- Reator anaeróbio de fluxo ascendente e leito fixo;

2- Bomba dosadora;

3- Válvula de controle de entrada; 4- Descarga de fundo;

5- Zona de lodo suspenso; 6- Suportes inertes; 7- Amostradores laterais; 8- Placas perfuradas;

9- Tubo perfurado para coleta do efluente; 10- Sifão;

11- Mangueira condutora de gás; 12- Frasco tipo “Mariotte”; 13- Proveta Graduada.

Figura 1: Esquema do reator anaeróbio de leito fixo. (Vallero, 1999)

Para a realização dos estudos comparativos entre os suportes utilizados através da avaliação da atividade biológica da biomassa aderida, os suportes foram retirados do interior do reator e transferidos para reatores diferenciais de 40 ml de volume e 5 cm de altura (Figura 2). Foi utilizado substrato sintético com composição idêntica à utilizada na alimentação do reator anaeróbio de leito fixo, com três concentrações diferentes de substrato: 1200, 2500 e 5000 mg DQO/L. O substrato nesse sistema foi recirculado em circuito fechado (ensaio em batelada). Em cada experimento, bombeava-se 500 ml de substrato de um frasco com agitação que era mantido dentro de um banho de gelo, com a finalidade de se manter o substrato a uma temperatura por volta de 4oC, para evitar que ocorressem reações bioquímicas de degradação do substrato no interior do frasco. Antes de entrar no reator diferencial, o substrato passava por um trocador de calor (banho-maria) e era aquecido a 30oC; a mesma temperatura de operação do filtro anaeróbio. O emprego de reatores diferenciais foi adaptado de metodologia proposta por ZAIAT et al. (1996).

A vazão imposta ao sistema foi de aproximadamente 0,05 ml/s, resultando em velocidade do líquido de 0,009cm/s. Os ensaios duravam 10 horas e a cada 2 horas era coletada uma alíquota de 6 ml do substrato para a análise da DQO filtrada para evitar as interferências dos sólidos nos resultados. Ao final da cada experimento era feita a medida de sólidos voláteis (X) de cada suporte. Com os perfis temporais da concentração de substrato na fase líquida, expressa como DQO (Sb), realizou-se a regressão dos dados experimentais para se analisar a que modelo os dados se ajustariam, determinando assim a constante específica aparente de velocidade de reação (kapp).

1- Reator diferencial; 2- Frasco com agitação; 3- Banho de gelo; 4- Agitador magnético; 5- Amostrador; 6- Trocador de calor; 7- Bomba peristáltica; 8- Mangueira de látex

Figura 2: Instalação experimental montada para a realização dos ensaios cinéticos. (Zaiat, 1996) ESTIMATIVA DOS PARÂMETROS CINÉTICOS APARENTES

Para a estimativa dos parâmetros cinéticos aparentes se fez necessário conhecer a massa total dos sólidos voláteis presentes em cada suporte. Após a fase de operação do reator biológico de leito fixo, os materiais suportes foram transportados para os reatores diferenciais. Esse procedimento requisitou extremo cuidado, pois o biofilme deveria permanecer intacto.

Foram realizados 36 ensaios no total para as três concentrações utilizadas, sendo 6 ensaios com os reatores elemento de volume vazios (sem a presença de qualquer suporte) como controle. Para cada tipo de suporte foram feitos ensaios com as concentrações de 1200 mg/l, 2500 mg/l e 5000 mg/l como DQO (todos com duplicata no dia posterior). Eram feitos simultaneamente três ensaios com o mesmo tipo de suporte, variando as concentrações. Foi verificada, através desse estudo a influência dos suportes colonizados em alturas diferentes ao longo do reator (suportes retirados do ponto 1, a 30 cm do fundo do reator e ponto 2, a 36,5 cm do fundo do reator), assim, pôde-se discutir mais detalhadamente esse fator do ponto de vista da atividade biológica do biofilme.

Foram testadas três expressões de velocidade de reação, sendo elas: reações de ordem zero, reações de primeira ordem, reações de segunda ordem utilizando um método de regressão não linear. E ainda modelo cinético de Monod utilizando três linearizações clássicas: a de Lineweaver-burk, Eadie-hofstee e a de Hanes-Woolf. Precedida a avaliação do ajuste dos dados a essas equações, escolheu-se aquela que representava melhor o consumo de substrato pela biomassa em estudo.

Ordem zero:

r

=

k

r

=

k

C

Segunda ordem: 2 S 2C k r= (3) Modelo de Modod: S S S max

C

K

C

.

r

r

+

=

As equações das linearizações do modelo de Monod são apresentadas a seguir:

Eadie-Hofstee: S S max C r . K r r= − (5) Hanes-Woolf: S max max S S C . r 1 r K r C + = (6) Lineweaver-Burk: S max S max C 1 r K r 1 r 1 + = (7) Onde:

k = Constante de velocidade de reação de ordem zero(o), primeira ordem (1) ou segunda ordem (2); r = velocidade específica de consumo de substrato;

µmax= velocidade máxima de consumo de substrato;

KS = constante de saturação do substrato;

RESULTADOS E DISCUSSÃO

Através da realização dos ensaios com os reatores diferenciais, foram obtidos os valores dos perfis do decaimento temporal da concentração de substrato medida pela concentração de DQO (mg/L). Aos perfis temporais de DQO (Sb), foram feitos os tratamentos dos dados, permitindo assim a obtenção das velocidades

globais de utilização do substrato (k1app) em função de Sb. As técnicas testadas foram os métodos integral e

diferencial (Levenspiel, 1999). O modelo cinético de primeira ordem foi o que representou melhor o comportamento das velocidades de conversão em função da concentração de substrato. Na Tabela 1 são apresentados os valores da constante cinética aparente de primeira ordem (k1app) e a constante específica

(k1 app

/SVT). A constante é considerada, neste caso, aparente, pois além dos fenômenos de conversão bioquímica, estão envolvidos os fenômenos de transferência de massa nas fases líquida e sólida (interior do biofilme).

Tabela 1: Valores das constantes cinéticas e específicas de primeira ordem (k1app e k1app/SVT), equação

cinética de primeira ordem e o coeficiente de correlação (R2).

Concentração Suporte -_Altura Equação R

2 K1 app (h-1) SVT (mg/suporte) K1 app /SVT mgDQO/mg SVT.suporte.h Espuma-1 C = 1458,9e-0,0727t 0,9724 0,0727 125 2,908E-04 Espuma–2 C = 1303,8e-0,0525t 0,9516 0,0525 84 3,125E-04 PVC–1 C = 1484,1e-0,033t 0,9888 0,033 20 8,250E-04 PVC–2 C = 1607e-0,0305t 0,9849 0,0305 18 8,472E-04 CP*–1 C = 1458,9e-0,0727t 0,9724 0,0727 62 5,863E-04 CP–2 C = 1454,1e-0,0132t 0,9483 0,0132 66 1,000E-04 TR**–1 C = 1499,7e-0,0297t 0,9185 0,0297 46 3,228E-04 1200 (mg/L) TR–2 C = 1314,1e-0,0102t 0,9692 0,0102 44 1,159E-04 Espuma-1 C = 2113,9e-0,0246t 0,9379 0,0246 92 1,337E-04 Espuma–2 C = 1863,9e-0,035t 0,9447 0,035 89 1,966E-04 PVC–1 C = 2084,4e-0,0223t 0,9889 0,0223 28 3,982E-04 PVC–2 C = 2062,8e-0,0203t 0,9562 0,0203 21 4,833E-04 CP*–1 C = 2201,7e-0,0392t 0,9815 0,0392 64 3,063E-04 CP–2 C = 2584,5e-0,0377t 0,9794 0,0377 54 3,491E-04 TR**–1 C = 2439,5e-0,0254t 0,9824 0,0254 59 2,153E-04 2500 (mg/L) TR–2 C = 2083,4e-0,0184t 0,9138 0,0184 47 1,957E-04 Espuma-1 C = 4545,4e-0,0541t 0,9323 0,0541 158 1,712E-04 Espuma–2 C = 3983,1e-0,0419t 0,9256 0,0419 78 2,686E-04 PVC–1 C = 4121,1e-0,0319t 0,9533 0,0319 23 6,935E-04 PVC–2 C = 3998,6e-0,0272t 0,963 0,0272 19 7,158E-04 CP*–1 C = 3984,6e-0,0285t 0,9573 0,0285 84 1,696E-04 CP–2 C = 4364,8e-0,0227t 0,9928 0,0227 51 2,225E-04 TR**–1 C = 4414,7e-0,0086t 0,8945 0,0086 69 6,232E-05 5000 (mg/L) TR–2 C = 3868,7e-0,0194t 0,907 0,0194 53 1,830E-04

*CP = Cerâmica porosa **TR = Tijolo refratário

1 – Retirado a 30,0 cm do fundo do reator 2 - Retirado a 36,5 cm do fundo do reator.

De maneira geral, as constantes cinéticas aparentes de primeira ordem (k1app) foram ligeiramente superiores, em

todas as concentrações de substrato, para os sistemas com materiais porosos (espuma e cerâmica porosa), possivelmente devido ao maior acúmulo de biomassa que ocorreu em ambos. Contudo, verificando os valores das constantes cinéticas específicas aparentes de primeira ordem (k1app/SVT), nota-se que nas concentrações a

comparado com os outros materiais suportes, provavelmente devido à menor quantidade de biomassa aderida no PVC e à menor espessura do bifilme. Quanto menor a espessura do biofilme, menor o fenômeno de limitação por difusão (BAILEY & OLLIS, 1986).

Relacionando os valores das constantes cinéticas específicas aparentes de primeira ordem, nota-se que nas concentrações a que foram expostos os materiais suportes, o PVC foi o que apresentou os maiores valores. Este fato foi influenciado provavelmente pelas menores resistências à difusão, comparado com os outros materiais. Outra explicação para esse resultado se deve a influência dos poros no consumo do substrato. O substrato pode ter tido maior dificuldade de penetrar nos interstícios dos materiais, onde a biomassa estava aderida. Se essa afirmativa for verdadeira explica-se os melhores valores para o PVC, uma vez que é um material com baixa porosidade.

As Tabelas 2 e 3 apresentam as contantes cinéticas obtidas em experimentos com suportes localizados em diferentes posições longitudinais no reator anaeróbio de leito fixo, a 30,0 cm do fundo do reator (altura 1) e a a 36,5 cm do fundo do reator (altura 2).

Tabela 2: Constantes cinéticas de primeira ordem “k1app/SVT” (mgDQO/mg SVT) para os suportes

retirados da altura 1.

ALTURA “1”

Espuma PVC Cerâmica porosa Tijolo Refratário

1200 (mg/L) 2,908E-04 8,250E-04 5,863E-04 3,228E-04

2500 (mg/L) 1,337E-04 3,982E-04 3,063E-04 2,153E-04

5000 (mg/L) 1,712E-04 6,935E-04 1,696E-04 6,232E-05

Tabela 3: Constantes cinéticas de primeira ordem “k1app/SVT”(mgDQO/mg SVT) para os suportes

retirados da altura 2.

ALTURA “1”

Espuma PVC Cerâmica porosa Tijolo Refratário

1200 (mg/L) 3,125E-04 8,472E-04 1,000E-04 1,159E-04

2500 (mg/L) 1,966E-04 4,833E-04 3,491E-04 1,957E-04

5000 (mg/L) 2,686E-04 7,158E-04 2,225E-04 1,830E-04

Verificou-se uma menor quantidade de biomassa nos suportes retirados da altura 2 (a 36,5 cm do fundo do reator) comparando com os suportes retirados mais ao fundo reator (altura 1, a 30 cm do fundo do reator). Essa menor quantidade de biomassa originou um menor bloqueio difusional, ocasionando na maioria dos casos uma constante específica maior nos suportes que estavam na posição 2. Isso somente não ocorreu com o tijolo refratário, que apresentou valores da constante cinética aparente de primeira ordem (k1app) maior na altura 1 que

na altura 2, uma vez que os suportes retirados da altura 1 apresentaram maior biomassa aderida que os da altura 2.

CONCLUSÕES

Foi verificada uma sensível diferença na quantidade de biomassa que se aderiu nos diferentes suportes, devido possivelmente às diferentes capacidades de retenção e à porosidade. Os suportes porosos (espuma e cerâmica porosa) retiveram maior quantidade de biomassa que os não porosos (PVC e tijolo refratário). Foi verificada uma menor quantidade de biomassa nos suportes retirados da altura 2 (a 36,5 cm do fundo do reator) comparando com os suportes retirados da altura 1 (a 30,0 cm do fundo). Essa menor quantidade de biomassa possivelmente provocou um menor bloqueio difusional, o que ocasionou na maioria dos casos uma constante específica maior nos suportes que estavam na posição 2.

Nas concentrações a que foram expostos os materiais suportes, o suporte que apresentou maior valor da constante cinética específica de primeira ordem foi o PVC, tanto na altura 1 quanto na altura 2. Assim sendo,

de consumir o substrato, uma vez que possui as maiores constantes específicas. Porém, os suportes porosos, nos quais a aderência da biomassa foi maior, certamente possuem maior capacidade de absorver possíveis cargas pontuais de choque, pois a biomassa aderida ainda não está trabalhando no seu limite.

REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS

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