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EFEITO DE FONTES DE LODO NA DEGRADAÇÃO ANAERÓBIA DE PENTACLOROFENOL (PCP)

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EFEITO DE FONTES DE LODO NA DEGRADAÇÃO ANAERÓBIA DE

PENTACLOROFENOL (PCP)

María Lyda Bolaños Rojas**; Márcia Helena Damianovic; Eugenio Foresti*

Escola de Engenharia de São Carlos (EESC), Universidade de São Paulo (USP).

Av. Dr. Carlos Botelho, 1465 – CEP 13590 – 250 São Carlos, SP, Brasil

*

Eforesti@sc.usp.br

**

Bolanos@sc.usp.br

(2)

INTRODUÇÃO

Os Clorofenóis são geralmente muito tóxicos e devido a sua pobre degradação microbiana se acumulam em ambientes como águas residuárias, esgoto doméstico, águas subterrâneas, águas superficiais, sedimentos marinhos, e despejos líquidos provenientes da indústria de papel e celulose (LARSEN, et. al., 1991).

Os Clorofenóis são usados na indústria principalmente como inseticidas, herbicidas e fungicidas, também como preservativos da madeira, cola, tinta fibras, vegetais e couro. Estes compostos têm sido encontrados em solos próximos a indústrias que preservam madeira, em água subterrâneas devido à infiltração em solos contaminados, em águas superficiais devido à drenagem superficial ou diretamente pela disposição de resíduos líquidos industriais (FLORA et al, 1994).

O pentaclorofenol (PCP) é um dos compostos organoclorados mais intensamente estudado, por ser pouco solúvel em água, altamente tóxico e geralmente resistente ao ataque de microrganismos. Sua resistência relativa à degradação biológica, razão para seu uso como um preservativo, origina um problema de poluição quando este composto é lançado ao meio ambiente (GALIL & NOVAC, 1995).

A utilização de processos biológicos na degradação desses resíduos deve-se à possibilidade de converter esses compostos em produtos inofensivos completamente mineralizados (FIELD et al, 1995), ou a compostos menos recalcitrantes ou tóxicos.

Sob condições anaeróbias os átomos de cloro podem ser removidos do anel aromático por descloração redutiva, resultando em produtos parcial ou totalmente desalogenados e mais suceptíveis a degradação aeróbia ou anaeróbia (KRUMME & BOYD, 1992).

Várias pesquisas nos útilmos anos têm mostrado que fenóis halogenados são redutivamente desalogenados em lodos de esgoto doméstico, sedimentos aquáticos e solos. Alguns desses estudos indicaram que as reações de desalogenação redutiva podem ser favorecidas em ambientes metanogênicos (MADSEN & AAMAND, 1991).

OBJETIVO

O objetivo deste trabalho foi avaliar o desempenho e a capacidade de inóculos de diferentes procedências para degradar pentaclorofenol (PCP), sob condições anaeróbias.

MATERIAIS E MÉTODOS

O estudo foi realizado em reatores (R1 a R3 e Rcontrole) anaeróbios, com alimentação semi-contínua e

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Os reatores utilizados foram frascos de borosilicato, inoculados com lodos de diferentes fontes: (R1) inoculado com lodo aeróbio de estação de tratamento de indústria de papel e celulose e sedimento de rio,

coletado após da descarga do efluente desta indústria. (R2 ) com lodo proveniente de uma indústria de

reciclagem de papel. (R3 ) com lodo de um biodigestor que trata efluentes domésticos e industriais. Um

reator de controle (Rc), inoculado com a mistura dos lodos dos reatores R1 a R3, foi operado para que se

verificasse as alterações no desempenho frente ao PCP.

A massa de microrganismos, avaliada pela concentração de SSV, foi mantida constante numa faixa de 20 -25 g/L, num volume de 400 mL de lodo.

Semanalmente, eram drenados por sifonamento, 1200 mL de cada reator, mantendo-se o volume total, através da reposição do substrato.

O meio de cultura foi composto de acordo com ANGELIDAK, et. al., (1990), com modificações. Utilizou-se

solução de vitaminas descrita por MADSEN & AAMAND, (1991) e adicionou-se Na2S . 9H2O (292 mg / L)

como solução redutora . Como fonte de carbono e doadores de elétrons adicionaram-se glicose (331 mg / L), acetato de sódio (419 mg / L) e formiato de sódio (1650 mg / L), com DQO total, ordem de 1000 mg/L. O PCP foi adicionado a partir de solução estoque em hidróxido de sódio.

O experimento foi dividido em três fases, a primeira correspondeu à partida dos reatores, a segunda à comparação do comportamento dos reatores durante a fase de estabilidade e a última correspondeu ao período de adição de PCP.

Os reatores estiveram em operação durante 308 dias e o experimento foi monitorado através dos seguintes parâmetros: pH, temperatura, demanda química de oxigênio, ácidos voláteis, alcalinidade, sólidos suspensos, composição do biogás, presença de PCP e metabólitos e exames microscópicos do lodo.

As determinações de ácidos voláteis por titulação direta foram realizadas de acordo com a metodologia proposta por DILLALO & ALBERTSON (1961). As demais análises seguiram os procedimentos descritos no

THE STANDARDS METHODS FOR EXAMINATION OF WATER, edição 18th, (1992 ).

A análise da composição do biogás (ar, dióxido de carbono, CO2 , metano, CH4 e outros) foi feita por

cromatografia gasosa, em cromatógrafo a gás, marca Gow - Mac, com detector de condutividade térmica (série 150). A coluna utilizada foi Porapack - T (comprimento de 2 metros e diâmetro interno de 1/4”).

Determinações analíticas foram realizadas para verificar a degradação de PCP através da transformação do composto original (PCP) em metabólitos Tetraclorofenol (TeCP); Triclorofenol (TCP); Diclorofenol (DCP); Clorofenol (CP).

Utilizou-se cromatógrafo a gás HP 5890 série II, equipado com detector de captura de elétrons e sistema de injeção “split/splitless” acoplado a uma estação de trabalho HP chemy station. A coluna utilizada foi DB-5 capilar, com um comprimento de 30 m e um diâmetro de 0,25 mm. O gás de arraste foi hidrogênio com uma vazão de 1 mL/min.

Para determinação dos tempos de retenção de cada composto foram utilizados padrões “ultrapuros” -Supelco.

Na Tabela 1 estão apresentadas as faixas dos tempos de retenção obtidos para os padrões puros de PCP e metabólitos.

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Tabela 1 - Tempos de retenção obtidos para padrões puros.

Composto PCP TCP DCP CP

Tempo de retenção (min) 26,946 – 29,626 14,450 - 17,488 5,719 - 6,447 4,390 - 4,990

As amostras foram extraídas em hexano grau HPLC, de acordo com a seguinte metodologia:

Foram utilizados 5,0 mL de amostra, acidificada a pH < 2,0 com H2SO4 , 3N. A extração foi feita em 10,0 mL

de hexano em funil de separação, após agitação vigorosa por 1,0 minuto. A fase orgânica foi evaporada à

temperatura ambiente até um volume de 2,0 mL, derivatizado em 2,0 mL de diazometano; 1,0 µL de cada

amostra foi injetada no cromatógrafo.

Para acompanhar o desempenho dos reatores, com respeito à adaptação do inóculo ao meio de cultura utilizado e a adição do Pentaclorofenol (PCP), foi monitorada a população microbiana, nas seguintes épocas: um mês depois de terem sido inoculados os reatores teste, dois meses depois de ter sido iniciada a adição de PCP e ao final do experimento. Exames microscópicos, para monitoramento da população microbiana, foram feitos utilizando microscopia de contraste de fase e fluorescência, com aumento de 1000 vezes. Foi utilizado microscópio binocular, marca Olympus, modelo BH 2. As amostras foram fixadas em lâmina e fixando-a com agar 2% para posterior observação microscópica, segundo metodologia utilizada no Laboratório de Anaeróbios da EESC - USP.

Depois de seis meses de iniciado o experimento, os reatores apresentaram estabilidade e homogeneidade

quanto aos parâmetros físico-químicos estudados, iniciando-se a adição de PCP no dia 182o, em

concentração que variou na faixa de 0,05 a 10,0 mg/L. A adição de PCP foi feita semanalmente, juntamente com a troca do substrato, conforme discutido anteriormente.

RESULTADOS E DISCUSSÃO

Os valores médio, máximos e mínimos de cada parâmetro bem como seus desvios padrão e coeficiente de variação foram utilizados para avaliação dos resultados. O experimento foi dividido em três etapas: a

primeira representa o período de partida dos reatores (dia 0 a 120o); a segunda etapa estabeleceu-se entre

os dias que os reatores apresentaram estabilidade (dia 120 a 182o); a última etapa foi o período no qual

adicionou-se PCP (dia 182 a 308o).

De acordo com os resultados obtidos, observou-se que o pH dos reatores apresentou variações semelhantes, não tendo sido possível associar essas variações à presença de PCP (Figura 1).

A alcalinidade total do substrato foi de 1.389 g/L de bicarbonato. No entanto, os efluentes dos reatores apresentaram valores maiores de alcalinidade a bicarbonato, constatando-se geração de alcalinidade no sistema.

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A alcalinidade total presente nos efluentes dos reatores foi composta basicamente pela alcalinidade a bicarbonato presente no meio (Figura 2).

Para verificar a estabilidade do processo, foi calculada a relação entre alcalinidade a ácidos voláteis e alcalinidade a bicarbonato segundo RIPLEY, et. al., (1986). Em termos gerais, esta foi mantida entre 0,20 e 0,50, durante todo o experimento, demostrando estabilidade para as condições de cada período. No terceiro período (durante a adição de PCP), quando a variação foi menor, esta relação esteve em faixa mais estreita, (0,20 a 0,40) . Os resultados apresentados indicaram estabilidade do sistema, em todos os reatores não tendo sido possível relacionar a adição de PCP com a variação do parâmetro alcalinidade (Figura 3). Com respeito ao parâmetro ácidos voláteis, comparando-se os resultados obtidos para os reatores que receberam PCP e o controle, não se pode atribuir quaisquer influência do PCP na concentração de ácidos voláteis dos reatores (Figura 4).

Figura 1- Comportamento do pH 0 50 100 150 200 250 300 350 7,6 7,8 8,0 8,2 8,4 8,6 Adição de PCP

R3 : Lodo de ETE de Barueri

pH (un) Tempo (dias) 0 50 100 150 200 250 300 350 7,8 8,0 8,2 8,4 8,6 Adição de PCP

R2 : Lodo de indústria de reciclagem de papel

0 50 100 150 200 250 300 350 7,6 7,8 8,0 8,2 8,4 8,6 Adição de PCP

R1 : Lodo de indústria de papel e celulose

0 50 100 150 200 250 300 350

7,8 8,0 8,2 8,4

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Figura 2 - Resultados de alcalinidade a bicarbonato

Figura 3 - Relação da alcalinidade a ácidos voláteis e alcalinidade a bicarbonato

0 50 100 150 200 250 300 350 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000

Adição de PCPR3 : Lodo de ETE de Barueri

Alcalinidade a bicarbonato ( mg CaCO

3 /L) Tempo (dias) 0 50 100 150 200 250 300 350 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 Adição de PCP

R2 : Lodo de indústria de reciclagem de papel

0 50 100 150 200 250 300 350 1000 1500 2000 2500 3000 3500 Adição de PCP

R1 : Lodo de indústria de papel e celulose

0 50 100 150 200 250 300 350 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 Reator controle R

c : Mistura de todos os lodos

0 50 100 150 200 250 300 350 0,0 0,2 0,4 0,6 0,8

1,0 Adição de PCPR3 : Lodo de ETE de Barueri

Relação da alcalinidade a ácidos voláteis

e alcalinidade a bicarbonato Tempo (dias) 0 50 100 150 200 250 300 350 0,0 0,2 0,4 0,6

0,8 RAdição de PCP2 :Lodo de indústria de reciclagem de papel

0 50 100 150 200 250 300 350 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7

0,8 R1Adição de PCP : Lodo de indústria de papel e celulose 0 50 100 150 200 250 300 350 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7

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Figura 4 - Resultados de ácidos voláteis

Dos 3 reatores estudados observou-se que os maiores desvios padrão e coeficientes de variação de todos

os parâmetros estudados no 3o período ocorreram para o reator R3, sem ser, contudo, significativamente

maior que os demais.

A partir do segundo período de operação, os reatores apresentaram desempenho semelhante, com

eficiência de remoção média de DQO variando de 79 a 83% e coeficiente de variação desprezível (∼5%),

estando no erro analítico. O reator 1 apresentou no início, baixa eficiência de remoção de DQO, quando comparada com os outros reatores, devido à mistura de lodo aeróbio e anaeróbio contida neste reator. Contudo, apesar da demora para se estabilizar, alcançou remoções semelhantes aos demais nas etapas finais do experimento (Figura 5).

0 50 100 150 200 250 300 350 0 100 200 300 400 500 600 Adição de PCP

R3 : Lodo de ETE de Barueri

Ácidos voláteis (mg acido acético/L)

Tempo (dias) 0 50 100 150 200 250 300 350 0 100 200 300 400 500 600 Adição de PCP

R2 : Lodo de indústria de reciclagem de papel

0 50 100 150 200 250 300 350 0 100 200 300 400 500 600 Adição de PCP

R1 : Lodo de indústria de papel e celulose

0 50 100 150 200 250 300 350 0 100 200 300 400 500 600

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Figura 5 - Resultados de remoção de DQO

As taxas de conversão do substrato a metano (gCH4-DQO/gSSV.dia) foram determinadas para os reatores

nos intervalos de adição de 2,0 a 10,0 mg/L (Tabelas 2 e 3) e Figura 6.

A concentração inicial de 10,0 g de biomassa por reator foi utilizada para cálculo da taxa de consumo, tendo em vista que os valores se mantiveram praticamente constantes no final do experimento (dados não apresentados). Possivelmente a síntese equiparou-se às perdas durante drenagem dos reatores para realimentação.

No período de adição de 2,0 mg/L de PCP as taxas de consumo do substrato nos reatores R1 e R3 foram

32% inferiores à do controle e de R2, 20% inferior.

A taxa de conversão no reator R1 manteve-se superior (10 – 68%) ao controle no período de adição de 3,0 a

8,0 mg/L de PCP, sugerindo que o PCP estimulou a metanogênese . O valor caiu para 40% do controle quando adicionou-se 10,0 mg/L. Possivelmente,, a concentração foi tóxica aos microrganismos presentes no sistema . 0 50 100 150 200 250 300 350 40 50 60 70 80 90

R3 : Lodo de ETE de Barueri

Tempo (dias) 0 50 100 150 200 250 300 350 50 60 70 80 90 100 Adição de PCP Adição de PCP Remoção de DQO (%)

R2 : Lodo de indústria de reciclagem de papel

0 50 100 150 200 250 300 350 30 40 50 60 70 80 90 100 Adição de PCP

R1 : Lodo de indústria de papel e celulose

0 50 100 150 200 250 300 350 50 60 70 80 90

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Tabela 2 – Taxa de conversão do substrato em metano (gCH4-DQO/gSSV.dia). PCP (mg/L) R1 R2 R3 Rc 2,0 0,017 0,020 0,017 0,025 3,0 0,060 0,054 0,023 0,043 4,0 0,025 0,019 0,018 0,023 6,0 0,045 0,030 0,025 0,031 8,0 0,057 0,055 0,024 0,034 10,0 0,017 0,062 0,023 0,042

Tabela 3 - Relação da taxa específica de conversão de substrato em metano do s reatores com PCP com respeito ao reator controle

PCP R1 / Rc R2 / Rc R3 / Rc 2,0 0,68 0,80 0,68 3,0 1,40 1,25 0,53 4,0 1,09 0,82 0,78 6,0 1,45 0,97 0,81 8,0 1,68 1,62 0,71 10,0 1,40 1,42 0,55

Figura 6 - Comportamento da taxa específica de conversão do substrato em metano (gCH4-DQO/gSSV-dia)

2 4 6 8 10 0,016 0,018 0,020 0,022 0,024

0,026 R de Barueri3 : Lodo de ETE

Taxa específica de conversão do substrato em

metano (gCH 4 - DQO / gSSV - dia) Concentração de PCP (mg/L) 2 4 6 8 10 0,02 0,03 0,04 0,05 0,06 0,07 R2 : Lodo de indústria de reciclagem de pael 2 4 6 8 10 0,01 0,02 0,03 0,04 0,05 0,06 R1 : Lodo de indústria de papel e celulose 2 4 6 8 10 0,020 0,025 0,030 0,035 0,040 0,045

Reator controle Rc : Mistura de

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No reator R2, a taxa de consumo manteve-se próxima aos valores determinados para o controle até concentração de 6,0 mg/L. A partir desse momento, a taxa foi superior ao controle em 62 e 48%, respectivamente para 8 e 10,0 mg/L. Os resultados sugerem que houve estímulo nas concentrações superiores, sendo que com o aumento para 10,0 mg/L. o estímulo foi inferior a 8,0 mg/L.

A taxa de consumo de substrato no reator R3 manteve-se entre 53 e 81% à do controle durante todo período

de adição do PCP, indicando que o PCP influenciou negativamente a taxa de consumo .

Contudo, não houve influência na eficiência de remoção de DQO, uma vez que o período entre alimentações permitia que a matéria orgânica fosse consumida com redução em média de 79% a 83%. As baixas taxas de consumo de substrato (reator teste e controle) provavelmente tenha sido resultado do tipo de reator utilizado e da baixa taxa de carregamento orgânico aplicada aos reatores.

SHELDON, et. al. (1995) observaram inibição da metanogênese em ensaios em batelada, para concentrações de PCP entre 2,0 e 3,0 mg/L.

Nas análises cromatográficas feitas para as primeiras amostras contendo baixas concentrações de PCP (0,05 e 0,1 mg/L), não foram detectados compostos nos tempos de retenção de PCP, TCP, DCP e CP. Na Tabela 4 são apresentados os metabólitos determinados analiticamente, para cada faixa de PCP adicionado.

Após período de sete dias foram determinados clorofenóis no sobrenadante dos reatores.

R1 : Na concentração de 0,2 mg / L de PCP foram detectados PCP, TeCP, TCP e DCP. Até a concentração

de 6,0 mg / L de PCP foram detectados os metabólitos TeCP e TCP, além do composto original. À concentração de 10,0 mg / L, houve aumento da concentração de PCP no sobrenadante do reator e apenas TeCP foi determinado como metabólito.

R2 : Após a adição de 0,2 mg / L de PCP, detectaram-se no sobrenadante TeCP, TCP e DCP, além do

composto original. À concentração de 0,5 mg / L foram detectados TeCP e TCP, além de PCP. A partir de 1,5 mg/L de PCP no substrato foram detectados metabólitos no sobrenadante do reator tendo sido observado acúmulo do composto original (PCP).

R3 : À concentração de 0,2 mg / L de PCP detectaram-se no sobrenadante TeCP, TCP e DCP, além do

PCP, até a concentração de 1,5 mg / L, foram detectados os metabólitos TeCP e DCP, além de PCP. Até concentração de 6,0 mg/L detectou-se apenas TeCP como metabólito. À concentração de 10,0 mg / L apenas PCP foi detectado no efluente. A partir de 3,0 mg / L observou-se acúmulo de PCP no reator.

O empobrecimento dos lodos dos reatores teste e controle (dados não apresentados), demonstrado nos exames microbiológicos, concomitantemente ao aumento da concentração de PCP, elevou a relação PCP/SSV, causando inibição na capacidade de degradação da substância. Inicialmente, deixou-se de detectar metabólitos menos clorados, passando a verificar-se o acúmulo de PCP.

Os resultados indicaram que em concentração da ordem de 0,2 mg/L de PCP os lodos estudados apresentaram melhor capacidade para degradar PCP, uma vez que detectou-se a formação de metabólitos menos clorados, apesar de serem detectados percentagens significativas da substância original, indicando limitada capacidade de transformação pelos microrganismos.

Aparentemente, o lodo do reator R1, apresentou melhor capacidade para degradar PCP em metabólitos

menos clorados, mesmo em concentrações mais elevadas, reforçando a tese que exposições anteriores ao composto podem melhorar a capacidade de biodegradação.

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Nos exames microscópicos dos lodos em estudo, foram observadas de forma pontual, estruturas semelhantes a Actinomicetos. Esta observação é importante e deve ser pesquisada, uma vez que estudos têm demonstrado que este grupo de bactérias gram-positivas pode transformar e degradar compostos xenobióticos. HAGGLBLOM et al. (1994), encontraram uma espécie de actinomiceto que mineraliza PCP, descrito como Rhodococus chlorophenolicus .

Consórcios metanogênicos (Methanothrix sp - (Methanosaeta sp), Methanosacina sp e Methanobacterium sp) estiveram presentes nos lodos estudados, indicando a importância das bactérias anaeróbias para degradar compostos altamente clorados, conforme obtido por MOHN & TIEDJE (1992); por WU et.al. (1993) e por KRUMME & BOYD (1988) em reatores UASB.

Tabela 4 - PCP e seus metabólitos no efluente

PCP Dosado

PCP e seus metbólitos gerados

(mg/L) PCP TeCP TCP DCP CP R1 R2 R3 R1 R2 R3 R1 R2 R3 R1 R2 R3 R1 R2 R3 0,20 * * # # # # * # * * * * * * * 0,20 # # # # # # # # # * # # * * * 0,20 # # # # # # # * * # # * * * * 0,50 # # # # # # * # # * * * * * * 1,50 # # # # * # # * # * * * * * * 3,00 # # # * * # * * * * * * # * * 6,00 # # # # * # # * * * * * * * * 10,00 # # # # * * * * * * * * * * *

# - Detectado ; * - Não detectado

HALE, et. al. (1990), observaram a desalogenação de 2,3 ; 2,4 e 2,6 - DCP com sedimentos adaptados mais rapidamente que com sedimentos não adaptados. Em experimento com reatores de bancada do tipo

batelada, inoculados com água e sedimento de várias lagoas e incubados numa temperatura de 25 oC .

MIKESELL & BOYD (1986) observaram que lodos provenientes de um biodigestor anaeróbio, adaptados para degradar 2, 3, 4 - CP e usados em conjunto, degradaram PCP completamente. Nos resultados apresentados neste trabalho, observou-se tendência semelhante aos autores citados.

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CONCLUSÕES

Os resultados das determinações físico-químicas obtidos neste experimento mostraram que a adição de PCP não interferiu significativamente nos parâmetros de desempenho dos reatores estudados, sendo que a eficiência de remoção média de DQO variou de 79 a 83% para os reatores que receberam PCP e 79% para o reator controle.

O reator R1 , inoculado com lodo aeróbio e sedimento de rio próximo ao lançamento de indústria de papel e

celulose, apresentou melhor capacidade de degradação de PCP, indicada pelo aparecimento de metabólitos menos clorados, mesmo em altas concentrações (10,0 mg / L). Este desempenho pode ser associado ao fato deste lodo ter sido coletado em ambiente exposto a presença de organoclorados.

Os resultados mostraram que em concentrações de 0,2 mg/L de PCP, os lodos apresentararam melhor capacidade de degradar este composto, pela transformação em metabólitos menos clorados e pelo consumo do composto original.

Exames microscópicos do lodo, revelaram a presença de bactérias metanogênicas, indicando que o PCP afetou, mas não foi tóxico a essa classe de microrganismos e que este pode ser degradado em condições altamente reduzidas, como são as condições dos ambientes anaeróbios metanogênicos.

Apesar deste estudo ter sido feito a nível qualitativo com respeito à degradação do composto PCP, esclareceu a importância da procedência dos inóculos nos estudos de degradação de organoclorados. A presença de Methanospirillum sp e Actinomicetos nos lodos estudados, deve ser pesquisada com maior profundidade, para verificar sua participação nos processos de biodegradação de compostos organoclorados.

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Referências

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