X DESENVOLVIMENTO DE UM EQUIPAMENTO AUTOMATIZADO PARA REALIZAÇÃO DE ESTUDOS DE RESPIROMETRIA ANAERÓBIA

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VI Simpósio Ítalo Brasileiro de Engenharia Sanitária e Ambiental

X-001 - DESENVOLVIMENTO DE UM EQUIPAMENTO AUTOMATIZADO PARA

REALIZAÇÃO DE ESTUDOS DE RESPIROMETRIA ANAERÓBIA

Sérvio Túlio Alves Cassini (1)

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.

Rodrigo Ramos

Engenheiro Eletricista pela Universidade Federal do Espírito Santo (1998), Mestrando do Programa de Pós-Graduação em Engenharia Mecânica (UFES).

Leonardo Pereira Bastos

Engenheiro Eletricista pela Universidade Federal do Espírito Santo (1997), Mestrando do Programa de Pós-Graduação em Engenharia Elétrica (UFES).

Celso José Munaro

Engenheiro Eletricista pela Universidade Federal de Santa Maria (1987), Mestre (1990) e Doutor (1994) em Engenharia Elétrica pela Universidade Estadual de Campinas, Professor do DEL e PPGEE – UFES desde 1992.

Maria Carolina Franco Emerich Andrade

Bióloga pela Universidade Federal do Espírito Santo (2000), Pesquisadora do Programa PROSAB 3, Tema 4, bolsista de Apoio Técnico de Nível Superior – CNPq - UFES.

Ana Lycia Barreira da Silva

Engenheira Civil graduada pela Universidade Federal de Ouro Preto (UFOP)- 1999, Pós Graduada em Eng. Sanitária e Ambiental pela FEAMIG (2000), Mestranda do Programa de Pós Graduação em Engenharia Ambiental (UFES).

Maria Letícia de Abreu Faria Rocha

Engenheira Química pela Universidade Federal de Minas Gerais (1992), Mestre em Engenharia Ambiental pela Universidade Federal do Espírito Santo (1999), pesquisadora do Programa PROSAB 3, Tema 4, bolsista de Desenvolvimento Tecnológico Industrial – CNPq – UFES.

Ricardo Franci Gonçalves

Engenheiro Civil e Sanitarista pela Universidade Estadual do Rio de Janeiro (1984), Pós-Graduado em Enga

de Saúde Pública - ENSP/RJ (1985), DEA Ciências do Meio Ambiente - Universidade Paris XII, ENGREF, ENPC, Paris (1990), Doutor em Engenharia do Tratamento e Depuração de Águas - INSA de Toulouse, França (1993), Prof. Adjunto do DHS e do PMEA - UFES.

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(27) 3335-2165 - e-mail: scassini@npd.ufes.br RESUMO

O presente trabalho aborda os diversos aspectos do desenvolvimento de um respirômetro anaeróbio automatizado para a realização de ensaios de atividade metanogênica, biodegradabilidade e toxicidade de substratos passíveis de biodegradação em condições de estrita anaerobiose. O sistema proposto diferencia dos demais tipos propostos pela simplicidade operacional e baixo custo, por meio da utilização de válvulas simples de alívio de pressão e manômetros de mercúrio para a avaliação do volume de biogás produzido em frascos de reação. O sistema de controle e armazenamento de dados inclui uma interface com o sistema “Windows” com armazenamento de dados em placa com memória permitindo o monitoramento contínuo de digestão anaeróbia de lodo de esgoto

PALAVRAS-CHAVE: Digestão anaeróbia, atividade metanogênica específica, respirometria anaeróbia, respirômetro automatizado, automação.

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VI Simpósio Ítalo Brasileiro de Engenharia Sanitária e Ambiental INTRODUÇÃO

Dentre os processos biológicos utilizados para tratamento de águas residuárias, podemos destacar os processos de digestão anaeróbia que vem atraindo a atenção de pesquisadores, principalmente em países de clima tropical, onde a temperatura ambiente favorece a atividade das bactérias anaeróbias responsáveis pelo tratamento do efluente.O processo anaeróbio depende de parâmetros clássicos como pH, alcalinidade, DQO, DBO, SSV, ácidos graxos voláteis e composição do biogás. Entretanto, poucas são as informações que eles podem fornecer de relações mais intrínsecas do processo (Penna, 1994). Como vantagens desse sistema podemos citar a elevada conversão da matéria orgânica biodegradável em biogás (70 a 90%), gás de elevado poder calorífico que pode ser utilizado como fonte de energia, além da reduzida produção de biomassa (5 a 15%) traduzindo em menor custo operacional (Chernicharo, 2000).

Tanto para processos de tratamento aeróbios quanto anaeróbios, é importante o conhecimento da biomassa presente no reator, pois a eficiência do processo de decomposição da matéria orgânica presente no efluente a ser tratado depende essencialmente da atividade microbiana. O conhecimento mais sistematizado da atividade desses microrganismos, principalmente no que concerne ao acompanhamento das taxas de respiração microbiana e as condições essenciais à sua sobrevivência e crescimento podem estabelecer novos paradigmas de avaliação da biodegradabilidade e bioestabilização de lodos de esgotos além de permitir a diminuição de custos e o bom funcionamento dos reatores anaeróbios.

Em sistemas de tratamento anaeróbio é fundamental a realização de ensaios que permitam avaliar a atividade metanogênica do lodo, o estabelecimento dos parâmetros da biodegradabilidade anaeróbia do efluente tratado e a toxicidade dos efluentes finais e seus componentes (Field et al., 1988). O grupo de bactérias metanogênicas, considerado o mais sensível e limitante do processo anaeróbio, tem despertado grande interesse por parte dos pesquisadores no sentido de padronizar os ensaios anaeróbios, bem como simplificar metodologias e aumentar a confiabilidade dos sistemas de monitoramento. Um grande salto neste sentido foi dado a partir da criação de respirômetros automatizados que minimizam a influência de fatores externos (temperatura, por exemplo) e permitem a medição mais precisa dos gases gerados durante o teste (Monteggia, 1991; Chernicharo, 2000).

O presente trabalho tem como objetivo abordar o desenvolvimento de um respirômetro automatizado para a realização de ensaios de atividade metanogênica, biodegradabilidade e toxicidade de substratos e apresentar um modelo simplificado com elevada precisão nas medidas, padronização das condições do ensaio, redução de custos em relação a equipamentos semelhantes e alto nível de automação.

METODOLOGIA

Descrição do Aparato Experimental

O respirômetro automatizado desenvolvido apresenta as seguintes características gerais: • monitoramento independente de cada um dos frascos;

• teste simultâneo em até 8 frascos de 1000ml; • baixo consumo de energia;

• controle de temperatura a seco; • agitador magnético inteligente;

• funcionamento independente da disponibilidade de um PC;

• registra problemas ocorridos com sensores e/ou válvulas e faltas de energia; • possui dispositivo que simplifica a injeção de Nitrogênio (não inclui o gás); • armazenamento de até 8.000 valores;

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VI Simpósio Ítalo Brasileiro de Engenharia Sanitária e Ambiental Estrutura

O respirômetro automatizado, mostrado na figura 1, tem sua estrutura em aço na base, garantindo resistência, e acrílico transparente na parte superior, o que permite um bom isolamento térmico e uma perfeita visualização do sistema. O acesso à parte interna se dá pela tampa, também em acrílico. Dentro da base estão localizados a fonte de alimentação, o sistema de controle e o sistema de agitação magnética.

Figura 1: Visão geral do respirômetro automatizado Figura 2: Identificação dos componentes da base do respirômetro 2 7 5 4 1 6 3 LEGENDA 1 – Controlador de temperatura

2 – Botão “abertura das válvulas” 3 – Injeção de nitrogênio

4 – Controle da velocidade de agitação

5 – Led vermelho – detecção de erro 6 – Cabo de comunicação serial 7 – Liga/desliga

A parte posterior do equipamento comporta o sistema de aquecimento e furos em pontos adequados permitem a circulação do ar soprado pelos ventiladores, resultando em uma máxima uniformidade da temperatura. O equipamento possui capacidade para teste de oito reatores de até 1000ml cada, em que cada reator é composto de um frasco de vidro com a tampa adaptada de modo a garantir total vedação e fácil conexão das mangueiras de injeção de nitrogênio e conexão com o conjunto válvula - manômetro de mercúrio.

Fonte de Alimentação

O funcionamento do equipamento está condicionado à sua ligação à rede de energia elétrica, com tensão de 127VAC. Nenhuma outra fonte de tensão é necessária. Uma fonte chaveada é responsável por fornecer os níveis de tensão adequados à cada parte dentro do equipamento.

Um No-break com baterias garante a manutenção do funcionamento do equipamento por cerca de seis horas em caso de falta de energia.

Sistema de agitação

A constante agitação do lodo dos frascos é obtida por um sistema de agitação magnética inteligente desenvolvido especialmente para o respirômetro. Este agitador garante variações suaves na velocidade e executa periodicamente um procedimento de recuperação de bastões magnéticos eventualmente desorientados. Outras características são: baixo consumo de energia, ausência de ruído, controle único da velocidade de agitação para os oito frascos, e ausência de partes mecânicas móveis, o que reduz sua manutenção e aumenta sua confiabilidade.

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PT100 e, de acordo com a temperatura desejada ajustada pelo usuário (em geral, 30°C), energiza resistências elétricas e ventiladores para uniformização da temperatura interna. A temperatura de trabalho (set-point) pode ser ajustada com precisão de 0,1_{°C e variações internas de, no máximo, ± 0,5°C foram observadas.}

Medição de pressão

A medição da pressão é do tipo digital, ou seja, não há uma informação contínua e crescente da pressão nos frascos, e sim a detecção de quando a pressão chegou em um determinado valor. Em função de seu baixíssimo custo, implementou-se esta medição por meio de manômetros de mercúrio. A utilização destes implica em necessidade de constante calibração para cada um dos manômetros.

Sistema de controle

Todo o sistema de monitoramento e controle se encontra embutido no equipamento e necessita apenas ser alimentado por uma fonte de energia elétrica de 127VCA. O funcionamento do respirômetro não esta condicionado à disponibilidade de um computador pessoal ou notebook durante os testes, pois possui um sistema microprocessado que concentra todas as operações necessárias para seu funcionamento. O computador se faz necessário somente na preparação do teste e na aquisição e tratamento dos dados armazenados no sistema microprocessado.

O sistema de controle é responsável pelas ações de monitoramento dos sensores de pressão, controle de abertura e fechamento das válvulas, armazenamento dos tempos, em minutos, desde o início do teste, dos eventos de atuação dos sensores de pressão, e comunicação com o PC para transferência de dados armazenados e eventos detectados.

Válvula solenóides

A válvula responsável pela liberação do biogás produzido e pressurizado na mangueira e frasco é uma válvula de duas vias do tipo Totalmente Aberta/Totalmente Fechada. Esta, substitui a de três vias, comum em outros modelos de respirômetros automatizados, garantindo uma significativa redução de custo.

Comunicação do aparelho com o computador

A comunicação entre o respirômetro e o computador é implementada por meio da porta serial do computador, ou seja, não há a necessidade de nenhuma placa de aquisição de dados.

Programa

O programa que fica instalado no computador é o responsável pela comunicação com o sistema de controle localizado no respirômetro. Essa comunicação se faz necessária na preparação do sistema para o início do teste, acompanhamento do andamento do mesmo, e geração de relatórios com os dados finais. A tela principal do programa é mostrada na figura 3. Nesta pode-se escolher entre funções para antes, durante e depois do teste. A tela que contém as funções para antes do início do teste, mostrada na figura 4, possibilita a configuração da porta serial do computador para comunicação com o respirômetro, a injeção de nitrogênio, a atribuição de um diretório e um nome para o arquivo do teste e a limpeza (reset) da memória, indicando o início de um novo teste. A entrada dos parâmetros de cada frasco, apesar de estar contida neste grupo, pode se dar a qualquer instante.

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Figura 3. Tela principal do programa Figura 4. Funções para início de teste

A figura 5 mostra a tela de configuração de parâmetros por frasco. As funções para durante o teste permitem o acompanhamento do teste com base nos valores lidos do sistema de controle. Pode-se ter a leitura destes valores armazenados de acordo com a seleção do procedimento, que pode ser realizado manualmente ou automaticamente, com a escolha do intervalo de tempo adequado, que varia de um a dezenas de minutos. A visualização destes dados em arquivo ou na forma de um gráfico de linha. Sempre que uma leitura de dados é realizada, o sistema de controle informa o usuário de possíveis problemas em válvulas ou faltas de energia. A figura 6 mostra a tela que contém as funções para durante o teste.

Figura 5. Configuração dos dados por frasco Figura 6. Funções para durante o teste

Princípio de Funcionamento do Aparelho

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microprocessado informando-o de que a purga será realizada. Um aparato especificamente construído para este procedimento permite que o nitrogênio seja injetado em uma mangueira sendo distribuído para todos os frascos. Depois de encerrada a purga, as conexões dos frascos com o aparato são desfeitas e o próximo passo é o envio do comando de Iniciar Teste, que irá zerar o contador de minutos e apagar todos os dados da memória. A partir deste instante o teste está iniciado. A temperatura do teste e a velocidade de agitação das barras magnéticas podem ser estabelecidas por seletores localizados na parte frontal do equipamento. Ainda na tela de início do teste, todos os dados relativos a cada um dos frascos podem ser preenchidos e salvos em um arquivo armazenado no disco rígido do computador junto com outros dados do teste. Isto permite que possa se sair do programa e acessar novamente o mesmo teste.

Após o início do teste, o uso do computador se fará necessário somente quando se quiser realizar a aquisição dos dados, que incluem o número do frasco e o tempo em minutos desde o início do teste, para cada detecção do sensor. Esta detecção ocorre quando a quantidade de biogás produzida no frasco for suficiente para pressurizar toda a área livre das mangueiras e do frasco, deslocando o mercúrio de um determinado nível. O sistema de controle detecta a chegada do mercúrio neste nível, registra os dados necessários (número do frasco e tempo) em uma memória, e envia um comando de abertura para a válvula. A válvula permanece aberta por 2 segundos, tempo suficiente para que as pressões se igualem, mas insuficiente para que o interior do frasco seja contaminado com oxigênio, o que seria prejudicial aos testes. Após os testes, com o computador conectado ao respirômetro e o programa sendo executado, faz-se a aquisição dos dados, que são salvos em arquivo no disco rígido do computador. Além disso, os dados podem ser mostrados em um gráfico. O fim do teste será determinado pelo usuário, com base na análise dos dados gerados pelo teste. O sistema não apresenta limite de dias de teste e possui uma capacidade de armazenamento de cerca de 8.000 valores (armazenamento do número do frasco e tempo em minutos).

Teste de Atividade Metanogênica Específica (AME)

O Teste de Atividade Metanogênica Específica pode ser utilizado como uma análise de rotina para avaliar a atividade microbiana através da taxa de produção de gás metano frente aos substratos destas bactérias. Nos frascos de reação coloca-se uma quantidade definida do lodo, solução de diluição (micronutrientes + macronutrientes + tampão) e substrato específico, mantendo um espaço vazio de 10% do volume do frasco de reação. A purga do oxigênio presente nos frascos de reação é feita através da passagem de um fluxo de N2

durante 5 min a uma pressão tal que não provoque o deslocamento da coluna de mercúrio e um possível extravasamento do mesmo. O volume de biogás liberado é registrado a cada abertura de válvula. Esse biogás produzido é armazenado nos sacos de coleta de gás, e posteriormente analisado para determinar o teor de metano, a partir do qual calcula-se a taxa de produção de metano. Conhecendo-se a biomassa presente nos frascos de reação e a taxa de produção de metano, calcula-se a Atividade Metanogênica Específica.

CALIBRAÇÃO DO RESPIRÔMETRO

Para verificar se as válvulas do respirômetro liberavam volumes iguais de biogás foram realizados teste de calibração que seguiram os seguintes passos: a) troca do mercúrio dos manômetros; b) injeção de biogás nos frascos de reação simulando-se a abertura das válvulas. c) realização de 15 repetições para cada válvula d) temperatura de realização dos testes- 30 ºC e) testes realizados durante 5 dias.

A análise estatística dos dados de calibração foi realizado através do teste de hipótese ANOVA (Análise de Variância), indicando que não há evidências para considerar que as válvulas liberam volumes diferentes entre si. (Tabela 1).

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VI Simpósio Ítalo Brasileiro de Engenharia Sanitária e Ambiental Válvula Número de Amostras Médias Volume (ml) Desvio Padrão Coeficiente de Variação 1 51 2,36 0,05 2,26 2 51 2,37 0,04 1,65 3 51 2,37 0,04 1,70 4 51 2,38 0,04 1,48 5 51 2,36 0,04 1,86 6 51 2,37 0,07 2,84 7 51 2,36 0,05 2,03 8 51 2,38 0,03 1,28

Tabela 1: Estatística relativa ao volume versus válvula

Para confirmação dos testes de calibração, dois testes AME foram desenvolvidos sob as mesmas condições. Todos os oito reatores foram montados nas mesmas condições experimentais. Como os testes foram montados apenas com o objetivo de testar a calibração, estes foram desmontados antes de exaurir totalmente a DQO. Como podemos observar na Figura 2 e na Tabela 2, a reprodutibilidade das válvulas em relação a produção de metano e valores de AME foi considerável, confirmando assim os dados de calibração.

A) Teste 1 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 0 10 20 30 40 50 60 70 Tempo (horas) Pr oduç ão de CH4 ( m l) R1 R2 R3 R4 R5 R6 R7 R8 B) Teste 2 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 0 10 20 30 40 50 60 70 Tempo (horas) Pr odução de CH4 ( m l) R1 R2 R3 R4 R5 R6 R7 R8

Figura 7: Produção cumulativa de metano

AME (gDQO/gSVT.d) PRODUÇÃO CH4 (ml) AME (gDQO/gSVT.d) PRODUÇÃO CH4 (ml) R1 0,0268 68,019 0,0276 119,45 R2 0,0215 61,383 0,0215 77,97 R3 0,0241 76,314 0,0242 63,04 R4 0,0252 76,314 0,0309 92,90 R5 0,0236 72,996 0,0238 101,20 R6 0,0185 56,406 0,0188 97,88 R7 0,0286 86,268 0,0292 89,59 R8 0,0237 53,088 0,0243 82,95 Média 0,0240 68,8485 0,0250 90,6229 Desvio padrão 0,0031 11,2868 0,0040 16,8239 Coeficiente de Variação 12,91 16,39 16,01 18,56 TESTE 1 TESTE 2 REATORES

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CONCLUSÕES

Os testes de Atividade Metanogênica Específica (AME) que vêm sendo realizados após a construção do respirômetro indicam que o funcionamento do equipamento e desenvolvimento do programa de monitoramento dos ensaios foi realizado com sucesso. Um maior controle nas condições do ensaio, facilidade no monitoramento e simplicidade operacional são alcançados em relação aos métodos tradicionais. Após quase um ano de testes, o equipamento tem funcionado bem, excetuando-se dois pontos, que devem ser corrigidos em breve: a medição de pressão e algumas conexões de mangueiras.

O atual sistema de medição de pressão, utilizando manômetros de mercúrio, apesar de extremamente barato, possui alguns grandes inconvenientes. O mercúrio, com o tempo, tem apresentado oxidação, o que, possivelmente, provoca uma variação em sua densidade, alterando a relação deslocamento X pressão. A solução para este problema seria a troca do mercúrio de cada um dos manômetros periodicamente. Entretanto, esta tarefa é um tanto complicada, pois a troca do mercúrio além de ser trabalhosa, exige uma nova calibração do aparelho. Em função disso, a continuação do desenvolvimento do respirômetro conduz para uma mudança no sistema de medição de pressão. Sensores de pressão comerciais, para pressões de até 1 psi, serão instalados. O custo do equipamento aumentará, porém, as vantagens são várias:

• possibilidade de leitura em tempo real da pressão em cada um dos frascos a qualquer instante; • redução do número de calibrações;

• facilidade de calibração; • confiabilidade das medições.

Com relação às conexões de mangueiras, em alguns pontos tem-se utilizado engates rápidos, que mostraram ser muito eficientes. Em outros pontos utilizou-se um encaixe por rosca, onde tem surgido muitos problemas de vazamento. A substituição de todos os encaixes deste tipo por engates rápidos deve solucionar esse problema.

REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS

1. CHERNICHARO,C. A L. Reatores Anaeróbios - Princípio do Tratamento Biológico de Águas Residuárias - vol 5. 2a_{ed. Belo Horizonte: Departamento de Engenharia Sanitária e Ambiental – UFMG,}

2000. 246p.

2. CHERNICHARO, C.A.L.; BORGES, A.M.; MESQUITA, L.C.P.; DIAS, A.M.A. Desenvolvimento de um Respirômetro Automatizado para Avaliação da Atividade Microbiana Anaeróbia.

3. FIELD, J.; ALVAREZ, R. S.; LETTINGA, G. (1988). Ensayos anaeróbios. In: Depuracion anaerobia de aguas residuales. Actas del 4o_{seminario D.A.A.R. Valladolid, Espanã, 23-25 noviembro.}

4. MONTEGGIA, L.O. The use of specific methanogenic activity for controlling anaerobic reactors, Ph.D. Thesis, University of Newcastle upon Tyne, UK, 1991.

5. PENNA, J.A. - Estudo da metodologia do teste de atividade metanogênica específica. Tese de doutorado. Escola de Engenharia de São Carlos – USP, 1994.