II EXTRAÇÃO E SOLUBILIZAÇÃO DE POLÍMEROS EXTRACELULARES DE LODOS DE UMA ETE DO TIPO UASB + BFs ATRAVÉS DA HIDRÓLISE QUÍMICA

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23º Congresso Brasileiro de Engenharia Sanitária e Ambiental

II-237 - EXTRAÇÃO E SOLUBILIZAÇÃO DE POLÍMEROS

EXTRACELULARES DE LODOS DE UMA ETE DO TIPO UASB + BFs

ATRAVÉS DA HIDRÓLISE QUÍMICA

Maria Carolina Franco Emerich Andrade

Bióloga pela Universidade Federal do Espírito Santo (2000), Mestre em Engenharia Ambiental pela Universidade Federal do Espírito Santo – UFES (2004).

Leonardo Munaldi Lube

Graduado em Química pela Universidade Federal do Espírito Santo (2005). Eduardo Félix

Graduando em Engenharia Ambiental pela Universidade Federal do Espírito Santo. Ricardo Franci Gonçalves(1)

Engenheiro Civil e Sanitarista – UERJ (1984), Pós-graduado em Enga de Saúde Pública - ENSP/RJ (1985), DEA - Ciências do Meio Ambiente - Univ. Paris XII, ENGREF, ENPC, Paris (1990), Doutor em Engenharia do Tratamento e Depuração de Água – INSA de Toulouse, França (1993), Prof. Adjunto do DHS e do PMEA - UFES.

Sérvio Túlio Alves Cassini

Biólogo pela Universidade Federal de Minas Gerais (1975). PhD Microbiologia pela Universidade Estadual da Carolina do Norte (NCSU) – EUA – 1988. Pós-Doutorado em Microbiologia Ambiental na Universidade do Tennessee – EUA – 1997. Prof. Adjunto do DHS e do PMEA - UFES.

Endereço(1): Departamento de Engenharia Ambiental – Universidade Federal do Espírito Santo – Vitória, ES - Av. Fernando Ferrari, s/n, Goiabeiras – CEP.: 29060-970 – Brasil – Tel.: (27) 2857 Fax: (27) 3335-2165 e-mail:franci@npd.ufes.br

RESUMO

Dentre os compostos gerados nos processos biológicos de tratamento de esgotos, encontramos os polímeros extracelulares, chamados de “EPS”, sigla vinda do inglês “Extracellular Polymeric Substances”. Esses compostos possuem estrutura polimérica e estão localizados na região externa da membrana celular. Os EPS são constituídos de uma variedade de compostos orgânicos, principalmente carboidratos, proteínas, lipídios e ácidos nucléicos. Esses compostos exercem funções importantes para o funcionamento dos reatores biológicos de tratamento de esgotos e por isso foram investigados nesse trabalho. A hidrólise química (ácida e alcalina) do lodo anaeróbio recebendo lodo aeróbio de descarte vem sendo aplicada nos lodos da ETE – UFES, com o objetivo de promover uma diminuição na massa de lodo de retorno, aumento da matéria orgânica rapidamente biodegradável e incremento de energia na ETE. Sendo assim, o objetivo geral deste trabalho foi a avaliação de substâncias poliméricas extracelulares em lodos anaeróbios e aeróbios de uma estação de tratamento de esgoto do tipo UASB + BF submetidos ou não a tratamentos de hidrólise química. Foram avaliados os parâmetros ST, SV e SSV dos lodos anaeróbios coletados nas alturas 0,25m, 1,25m e 2,25m do reator UASB e lodos aeróbios coletados do biofiltro 1 (BF1). A hidrólise química foi aplicada aos lodos do reator anaeróbio (0,25m e 1,25m). A extração de EPS dos lodos foi feita utilizando-se NaOH como agente extratante. Os resultados obtidos permitem avaliar os lodos como sendo aptos à solubilização pela hidrólise química. A maior concentração de EPS (mg)/SSV(g) foi observada nos lodos aeróbios do BF1 (140,0 ± 62,2), seguido pelos valores obtidos para os lodos anaeróbios da altura 0,25m e 1,25m do reator UASB. A hidrólise alcalina se mostrou mais eficiente na redução dos polímeros extracelulares nos lodos anaeróbios e aeróbios estudados.

PALAVRAS-CHAVE: Polímeros extracelulares, Lodo, Esgotos, Hidrólise química.

INTRODUÇÃO

O lodo gerado em vários tipos de tratamentos biológicos de águas residuárias apresenta, em sua constituição, uma quantidade de matéria orgânica do metabolismo dos microrganismos participantes das diversas etapas do processo. Esses compostos oriundos da atividade microbiana possuem estrutura polimérica, e encontram-se acumulados na superfície externa da membrana celular, sendo constituídos de uma variedade de compostos orgânicos, principalmente carboidratos, proteínas, lipídios, substâncias húmicas e ácidos nucléicos, sendo

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descritos na literatura como: polímeros extracelulares, biopolímeros ou “extracellular polymeric substances” (EPS).

Os polímeros extracelulares formam uma camada protetora para as células, protegendo-as da desidratação e de substâncias tóxicas e servindo como fonte de carbono e energia. O estudo destas substâncias é de grande importância para a compreensão dos fenômenos relacionados aos lodos, pois elas interferem na formação e estrutura dos grânulos; na atividade metabólica microbiana, e estão relacionadas com as propriedades de sedimentação e desaguamento.

O gerenciamento do lodo produzido nos processos de tratamento de esgotos atualmente tem sido um dos maiores desafios para o sucesso técnico e operacional dos sistemas. A necessidade de implementação de etapas no tratamento que promovam um incremento na biodegradabilidade dos compostos, acelerando dessa forma o processo de digestão dentro do reator se faz cada vez mais importante.

O sistema adotado na ETE – UFES consiste de um tratamento anaeróbio (reator UASB), seguido de tratamento aeróbio (biofiltros aerados submersos), e o lodo gerado no tratamento aeróbio é recirculado para o reator anaeróbio para digestão. O lodo anaeróbio recebendo lodo aeróbio de descarte é então submetido à hidrólise química (ácida ou básica), com o objetivo de promover uma diminuição na massa de lodo de retorno, aumento da matéria orgânica rapidamente biodegradável e incremento de energia na ETE pelo aumento da produção de metano. Essa alternativa se apresenta viável, pois muitos substratos orgânicos coloidais e particulados, de alto peso molecular, não podem ser utilizados diretamente pelos microrganismos, sendo então disponibilizados através de reações enzimáticas extracelulares, denominadas hidrólise.

Este trabalho tem como objetivo geral a avaliação de substâncias poliméricas extracelulares em lodos anaeróbios e aeróbios de uma estação de tratamento de esgoto do tipo UASB + BF submetidos ou não a tratamentos de hidrólise química.

MATERIAIS E MÉTODOS * Fonte de lodo

Os lodos utilizados neste trabalho são oriundos de uma Estação de Tratamento de Esgoto (ETE) experimental localizada no Campus da Universidade Federal do Espírito Santo.

A ETE-UFES opera com uma vazão média de 1,0 l/s e é composta por uma elevatória e por reatores do tipo UASB + BF, uma associação de um reator anaeróbio de fluxo ascendente com biofiltros aerados submersos, cujo lodo de descarte é recirculado para o reator UASB para posterior digestão. A ETE trata esgoto sanitário de origem doméstica de características médias, proveniente do bairro de Jardim da Penha, no município de Vitória/ES. Os lodos anaeróbios estudados os lodos foram coletados em diferentes alturas do reator UASB (0,25m – T1; 1,25m – T3 e 2,25m – T5), além do lodo aeróbio de descarte coletado no Biofiltro 1 (BF1). Os lodos submetidos à hidrólise química (ácida ou alcalina), foram coletados das torneiras 0,25m e 1,25m.

* Avaliação das características do lodo

- Parâmetros analisados na amostra bruta: ST, SV, SSV.

- Metodologias empregadas: As análises de ST, SV e SSV foram feitas segundo “Standard Methods for the Examination of Water and Wastewater (APHA, 1995)”.

* Metodologia de extração de EPS

O método de extração foi o de TEZUKA (1973), modificado por JUDICE (1991), utilizando-se NaOH como agente extratante. Esta metodologia consiste de quatro etapas:

1ª etapa: Pré-tratamento ou etapa de remoção do gel. 2ª etapa: Extração do EPS.

3ª etapa: Etapa de precipitação do material extraído.

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* Metodologias dos ensaios de hidrólise

Os lodos anaeróbios coletados (alturas 0,25m e 1,25m) foram distribuídos em beckers de 2000 mL e mantidos sob agitação (150 rpm) durante o todo o teste (6 horas), em um aparelho de Jar-test (PHIPPS & BIRD PB-700 JARTESTER). Aos lodos submetidos à hidrólise, adicionou-se o agente químico (NaOH ou H2SO4), na

dosagem de 20 meq/L. Esta dosagem foi escolhida, levando-se em consideração os valores testados em trabalhos anteriores desenvolvidos no Núcleo Água-UFES.

RESULTADOS

* Características dos lodos do reator UASB (0,25m; 1,25m e 2,25m) e lodos do BF1 da ETE UFES Tabela 1: Características dos lodos anaeróbios (0,25m, 1,25m e 2,25m) e lodos aeróbios adensados

Parâmetro _{Média Desvio n} _{Média Desvio n} _Média _{Desvio n} _Média _{Desvio n}

ST (mg/L) 47860,8 6745,4 15 12252,8 6339,2 15 7114,4 4002,7 8 22617,4 14677,5 8 ST(%) 4,8 0,7 15 1,2 0,6 15 0,7 0,4 8 2,3 1,5 8 SV (mg/L) 36949,9 5020,9 15 9399,9 4905,7 15 5408,3 3395,5 7 17306,4 11034,3 8 SSV (mg/L) 36075 5589,1 14 9424,6 4367,5 15 5907,6 3848,8 7 14679,4 11449,1 8 SV/ST (%) 77,3 0,8 15 77,3 5,2 15 96,4 66,0 7 77,6 2,5 8 Lodo Anaeróbio (UASB) (2,25m) Lodo Aeróbio de Descarte (BF1) Lodo Anaeróbio (UASB) (0,25m) Lodo Anaeróbio (UASB) (1,25m)

Os resultados da tabela 1 que são compatíveis com os de VERONEZ (2001) e ABREU (2003), demonstram que o lodo do fundo do reator UASB (0,25m) é mais concentrado (4,8 ± 0,7% ST) em relação aos lodos coletados nas alturas 1,25m (1,2 ± 0,6% ST) e 2,25m (0,7 ± 0,4% ST) do reator UASB e em relação ao lodo aeróbio adensado coletado do biofiltro 1 (2,3±1,5% ST).

* Extração de EPS dos lodos anaeróbios e aeróbios

Os testes realizados estão sendo apresentados abaixo e nos permitem avaliar alguns aspectos sobre a produção de EPS nos lodos estudados.

Lodo UASB+BF 0 50 100 150 200 0,25m 1,25m 2,25m BF1 n= 14 n= 14 n= 6 n= 7 EPS (m g )/SSV (g ) EPS(mg)/SSV(g)

Figura 1: Variação da concentração de EPS(mg) em relação à concentração de SSV(g) de lodos de diferentes alturas do reator UASB (0,25, 1,25 e 2,25m) e no Biofiltro 1.

As concentrações de polímeros extracelulares extraídos dos lodos anaeróbios em diferentes alturas do reator UASB (0,25, 1,25 e 2,25m) foram comparadas entre si e destacou-se um maior teor de EPS (mg/gSSV) nas alturas de 0,25m (125,5) e 1,25m (124,0). Porém, quando comparados os teores de EPS (mg/gSSV) dos lodos anaeróbios do reator UASB com o lodo aeróbio do BF1, foi observada uma maior produção no lodo aeróbio (140,0).

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Os resultados variaram com as diferentes alturas do reator, com maior produção de EPS no leito e manta do reator UASB (incluindo as alturas 0,25m e 1,25m respectivamente). Esses resultados devem-se às maiores disponibilidades de fontes nutricionais bacterianas encontradas nessas alturas.

O EPS produzido pelas células bacterianas fica acumulado na região externa da membrana celular, formando um emaranhado de polímeros – um gel com propriedades adesivas – no qual bactérias e outros compostos (partículas húmicas, argila, areia e sulfato de cálcio) podem ficar presos, influenciando o microambiente formado e possivelmente fornecendo nutrientes para as bactérias. A produção expressiva de EPS nas camadas inferiores do reator anaeróbio também pode ser justificada pela presença de flocos bacterianos mais antigos, onde as células se apresentam na fase endógena do crescimento bacteriano (quando começam a tornar-se inativas e sofrer lise).

Os teores de EPS extraídos dos lodos dependem fortemente do processo de extração, do tipo de lodo estudado, e das condições operacionais do processo de tratamento adotado, variando com o tipo de espécie microbiana e com as condições ambientais. Em uma população heterogênea, interações entre espécies adicionam outros níveis de complexidade.

* Resultados dos teores de EPS dos lodos anaeróbios submetidos à hidrólise alcalina e ácida

0 50 100 150 200 250 0,25m 1,25m n= 7 n= 7 EPS ( m g )/ S SV( g ) T=0 T=6 0 50 100 150 0,25m 1,25m n= 7 n= 7 EPS ( m g )/SSV( g ) T=0 T=6

Figura 2: Concentração de EPS total (mg) em relação à concentração de SSV(g) em lodos anaeróbios altura 0,25m (T1) e 1,25m (T3), submetidos à hidrólise alcalina, antes (T=0) e depois (T=6h) da adição do álcali.

Figura 3: Concentração de EPS total (mg) em relação à concentração de SSV(g) em lodos anaeróbios altura 0,25m (T1) e 1,25m (T3), submetidos à hidrólise ácida, antes(T=0) e depois(T=6h) da adição do ácido.

Tabela 2: Comparação entre a porcentagem de redução de polímeros extracelulares em relação aos sólidos suspensos voláteis para lodos anaeróbios do reator UASB (alturas 0,25m e 1,25m), submetidos a processos hidrolíticos alcalinos e ácidos.

0,25m 1,25m 0,25m 1,25m

25 40 0,46 10

Hidrólise Ácida Hidrólise Alcalina

EPS/SSV(% redução)

Nesse estudo, a extração dos polímeros extracelulares nos lodos situados nas alturas 0,25m e 1,25m do reator UASB foi semelhante. Esses resultados podem indicar que ambos os lodos submetidos a processos hidrolíticos possuem sua fração EPS acessível à ação dos compostos químicos hidrolisantes, sendo então mais facilmente atacados.

O processo alcalino foi mais eficiente na redução de polímeros extracelulares dos lodos anaeróbios situados nas alturas 0,25m e 1,25m do reator UASB, como evidencia a tabela 2.

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Segundo ABREU (2003), a hidrólise alcalina, em lodos anaeróbios e aeróbios, destruiu praticamente o dobro de SSV em comparação com a hidrólise ácida. Essa tendência foi observada igualmente neste trabalho.

Essa maior redução do teor de EPS pode ser explicada pela maior quebra das paredes celulares de microrganismos presentes em lodos que sofreram hidrólise alcalina por ser essa hidrólise mais eficiente na redução da DQO solúvel.

Embora os resultados comprovem que a hidrólise alcalina foi mais eficiente na redução dos teores de EPS em comparação com a hidrólise ácida, o processo ácido também é considerado importante para a diminuição de EPS. Resultados obtidos por CHEN, et al (2001), expressam o efeito da diminuição do pH no aumento das quantidades de EPS liberados dos biofilmes de lodos ativados, resultando em um lodo mais compacto e no aumento da eficiência do desaguamento mecânico.

ABREU (2003) evidenciou que a hidrólise alcalina aplicada em lodos anaeróbios da ETE – UFES provocou um incremento maior no teor de DQO solúvel quando comparada com a hidrólise ácida. Devido à baixa eficiência do tratamento ácido, a maioria dos pesquisadores utiliza a hidrólise ácida em associação com um outro tratamento ou preferem a utilização da hidrólise alcalina, principalmente com hidróxido de sódio, como um mecanismo mais eficiente de solubilização da matéria orgânica.

CONCLUSÕES

- O lodo do fundo do reator UASB (0,25m) tem maior concentração de ST em relação aos lodos coletados nas alturas 1,25m e 2,25m do reator UASB e em relação ao lodo aeróbio adensado coletado do biofiltro 1;

- As maiores concentrações de EPS (mg/gSSV) observadas nos lodos anaeróbios das alturas 0,25m e 1,25m do reator UASB sugerem uma maior concentração de microrganismos nessas camadas, além de uma contribuição do material que chega juntamente com o esgoto bruto;

- O teor de EPS/SSV(mg/g) foi maior no lodo aeróbio do BF1 (140,0 ± 62,2) quando comparado com as concentrações de EPS dos lodos anaeróbios, devido aos maiores níveis de oxigênio disponibilizados nesse reator, viabilizando a produção de EPS;

- Tanto a hidrólise ácida e a alcalina foram eficientes na remoção de EPS do lodo, entretanto o método alcalino se mostrou mais eficiente na redução dos polímeros extracelulares nos lodos anaeróbios e aeróbios estudados.

REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS

1. ABREU, T.A. Hidrólise Química Visando a Solubilização da Matéria Orgânica e a Higienização de Lodos Aeróbio e Anaeróbio de Estações de Tratamento de Esgotos Sanitários. Dissertação (Mestrado). Programa de Pós-Graduação em Engenharia Ambiental, Universidade Federal do Espírito Santo, Vitória, 2003.

2. APHA, (1995). Standard methods for the examination of water and wastewater, 19t edition. American Public Health Association, Washington, D.C.

3. JUDICE, M.A.M. Determinação de componentes extracelulares de lodos ativados. 146 p. Dissertação (Mestrado). Escola de Engenharia de São Carlos. USP, São Carlos, 1991.

4. CHEN, Y., YANG, H. e GU, G. (2001). Effect of acid and surfactant treatment on activated sludge dewatering and settling. Wat. Res., Vol. 35, No 11, pp. 2615-2620.

5. VERONEZ, F. A. Desempenho de um Reator UASB tratando esgoto sanitário e realizando concomitantemente o adensamento e a digestão do lodo de descarte de biofiltros aerados submersos. Dissertação de Mestrado - Programa de Pós-Graduação em Engenharia Ambiental, Universidade Federal do Espírito Santo, Vitória, 2001.