II AVALIAÇÃO DO BIOFILME DESENVOLVIDO EM REATOR DE LEITO FLUIDIZADO NO TRATAMENTO DE ESGOTO SANITÁRIO

II-022 - AVALIAÇÃO DO BIOFILME DESENVOLVIDO EM REATOR DE LEITO

FLUIDIZADO NO TRATAMENTO DE ESGOTO SANITÁRIO

Delmira Beatriz Wolff(1)

Engenheira Sanitarista pela UFSC, Especialista em Saúde Pública pela UNAERP, Mestre em Engenharia Ambiental – UFSC, Pesquisadora DTI CNPq.

Rosane Hein de Campos

Engenheira civil pela UCPEL, especialista em segurança do trabalho pela UCPEL, mestre em Engenharia Ambiental-UFSC

Heike Hoffmann

Bióloga, Doutora pela Universidade de Rostock, Alemanha, bolsista DAAD

Flávio Rubens Lapolli

Engenheiro Civil, Doutor pela Escola de Engenharia de São Carlos-USP, “sandwich” com Universidade de Montpellier, França, Professor Adjunto da Universidade Federal de Santa Catarina

Paulo Belli Filho

Engenheiro Sanitarista, Doutor pela Universidade de Rennes – França, Professor Adjunto da Universidade Federal de Santa Catarina

Rejane Helena Ribeiro da Costa

Engenheira Civil, Doutora pelo INSA – Toulouse, França. Professor Titular da Universidade Federal de Santa Catarina. Consultora da FINEP, do FNMA, da CAPES e do CNPq

Endereço(1)_{: Departamento de Engenharia Sanitária /UFSC – Campus Universitário – Trindade CEP}

88040-900. Florianópolis-SC. Telefone 48 331 9597. E-mail delmira@ens.ufsc.br

RESUMO

Este trabalho investiga o biofilme desenvolvido na superfície de uma partícula polimérica em um reator de leito fluidizado trifásico aeróbio, ao tratar o efluente de um tanque séptico, utilizado para tratamento de esgoto sanitário urbano e esgoto proveniente do restaurante universitário da Universidade Federal de Santa Catarina (UFSC). A instalação piloto é formada por uma coluna em acrílico, com 2 metros de altura e diâmetro interno de 20 cm. Na parte inferior, há um dispositivo tronco-cônico com aberturas para entrada de efluente e ar. O material suporte testado foi o PVC com densidade de 1329 kg/m3 e diâmetro médio de 4,02 mm. Foram realizados dois ensaios, e o acompanhamento do reator foi feito com medidas da fase líquida e do biofilme. O processo de tratamento utilizando leito fluidizado trifásico aeróbio mostra-se eficiente na remoção da poluição carbonácea (DQO filtrada) atingindo remoção média de 78%. As observações ao microscópio eletrônico mostraram um biofilme fino aderido ao suporte, sob uma camada de exopolímeros que o protege contra o atrito entre as partículas e o cisalhamento causado pela passagem do líquido no reator . Quanto ao biofilme desprendido (fase líquida), as observações ao microscópio ótico mostraram a cohabitação de diferentes espécies de microorganismos como pequenos flocos ricos em Zooglea, Zooflagelados, ciliados fixos (como Epistylis, Vorticellas) e livres (Uronemas, Metopus e outros), que são indicadores de uma correta eficiência depuradora de modo geral, e ainda, bactérias filamentosas e muitas bactérias livres em suspensão.

PALAVRAS-CHAVE: Biofilme, Leito Fluidizado, Tratamento de Águas Residuárias, Microorganismos INTRODUÇÃO

Os sistemas de tratamento de águas residuárias, utilizando biomassa fixa, como “biofiltros submersos”, “filtros biológicos aerados (BAF)”, “biodiscos”, reatores “air lift”, e “leito fluidizado”, vêm sendo utilizados no mundo inteiro, em escala real e em pesquisas, e oferecem muitas vantagens se comparados aos tratamentos biológicos convencionais (lodo ativado, filtros biológicos e lagoas de estabilização), tais como: entrada rápida em regime, alta taxa de remoção volumétrica, aumento da estabilidade do processo, compacidade dos reatores (Lazarova & Manem, 1995) e menor produção de lodo, em função da elevada concentração da biomassa, que assegura uma maior idade do lodo (Wolff et al., 1998).

O reator biológico de leito fluidizado é uma inovação na tecnologia de tratamento de águas residuárias. A imobilização dos microrganismos em pequenos suportes fluidizados, como biofilmes, possibilitam ao reator biológico: reter uma grande concentração de biomassa no seu interior devido a maior área superficial; melhorar o contato da biomassa com o substrato; operar em tempos de retenção hidráulica significativamente reduzidos; melhorar a eficiência na remoção da DQO; diminuir a produção do lodo; e reduzir a área necessária. A fluidização supera problemas de operação como colmatação do leito e queda de pressão, que poderão ocorrer se o suporte muito pequeno for empregado em reatores de biofilme convencionais.

A formação do biofilme e seu crescimento é um aspecto complexo na operação de reatores de leito fluidizado. O controle da espessura do biofilme é reconhecido como um dos mais importantes parâmetros influenciando a eficiência e o desempenho do processo. A operação adequada de reator de leito fluidizado aeróbio é atingida se a colonização do suporte em regime permanente é assegurada e se o biofilme é mantido fino. Para chegar a estas condições, a escolha do material suporte é um aspecto essencial, bem como o controle de variáveis que afetam a hidrodinâmica do reator. É indispensável o conhecimento e a determinação dos fatores que afetam a concentração de polissacarídeos no biofilme, como uma medida da adesão bacteriana (Costa et al, 1991). Este trabalho investiga o biofilme desenvolvido na superfície de uma partícula polimérica –PVC, em um reator de leito fluidizado trifásico aeróbio, ao tratar o efluente de um tanque séptico, aplicado ao tratamento de esgoto sanitário urbano e esgoto proveniente do restaurante universitário da Universidade Federal de Santa Catarina (UFSC).

Esta pesquisa está inserida no PROSAB – Programa de Pesquisa em Saneamento Básico (Edital 2), financiado pela FINEP, CNPq e CEF.

MATERIAIS E MÉTODOS

O reator de leito fluidizado trifásico aeróbio é formado por com coluna em acrílico, com 2 metros de altura e diâmetro interno de 20 cm, com volume total de 0,63 m3 . Na parte posterior, situa-se uma câmara de tranqüilização com altura de 1 metro e diâmetro interno de 30 cm. Na parte inferior, há um dispositivo tronco-cônico, com aberturas para entrada de efluente e ar. A altura total da unidade é 3 m. O efluente proveniente de dois tanques sépticos em série (25 e 10 m3, respectivamente), fica estocado no tanque de equalização (4 m3), de onde é bombeado para o reator. O efluente tratado no reator, após passar por um decantador com volume de 1 m3, é encaminhado para um tanque de recirculação (5 m3). A recirculação do efluente tem o objetivo de manter o suporte em fluidização. O material suporte testado foi o PVC com densidade de 1329 kg/m3 e diâmetro médio de 4,02 mm, tratado com solução ácida para melhor aderência do biofilme. O reator foi preenchido com o material suporte até uma altura de 83,5 cm (ensaio I) e com 90 cm (ensaio II).

O esquema da instalação piloto é mostrado na Figura 1.

Foram realizados dois ensaios (I e II), cujas características operacionais são mostradas na tabela 1. O reator foi alimentado com esgoto sanitário urbano (ensaio I) e esgoto do restaurante universitário misturado com esgoto sanitário (ensaio II), tratados anaerobicamente nos tanques sépticos 1 e 2, que integram o sistema de tratamento.

Tabela 1 . Condições operacionais do reator Ensaio Expansão do Leito

(%) (Min)TRH (kgDQO/mCOVaplicada3_.d) Duração do Ensaio_(Dias)

I 80 21 11,74 38

II 100 42 17,58 41

O acompanhamento do reator foi feito com medidas da fase líquida: sólidos totais suspensos (SST),determinados através de filtração à vácuo em filtros de membrana de acetato de celulose, diâmetro 0,45µm; Oxigênio Dissolvido (OD), pH, e Temperatura, pelo medidor multiparâmetros marca ORION modelo 1230; Demanda Química de Oxigênio (DQOfiltrada) filtrada em papel Wahtman 40, pelo micrométodo;

Carbono Orgânico Dissolvido (COD) filtrado em membrana de 0,45µm, pelo Analisador de COT SHIMADZU - TOC-5000 A; do biofilme: proteínas (PN), pelo método de Lowry, modificado por Tavares (1992), polissacarídeos (PS) aderidos e/ou suspensos, pelo método de Dubois (1956). Foram feitas observações ao microscópio ótico (MO) – OLYMPUS BX40 do afluente e na corrente de saída do reator de leito fluidizado (flocos em suspensão). O biofilme aderido foi observado ao microscópio eletrônico de varredura. (MEV)- PHILIPS XL 30. Foi também efetuada a coloração gram com amostra seca, as quais foram analisadas ao MO com aumento de 1000 vezes, sem fase de contraste.

Foram efetuados cálculos diários do coeficiente específico de desprendimento (bs) e da produção específica de lodo ou taxa de conversão (Y), que é definida como a quantidade de biomassa produzida, expressa em proteínas do materiais em suspensão, por unidade de massa de substrato consumido em DQO, determinados pelas equações 1 e 2:

Em que: bs = coeficiente específico de desprendimento; Q = vazão de alimentação (L/dia); Ms = massa total

do suporte (g); Xe = concentração de biomassa no efluente (gPN/L) e Xpt = biomassa aderida ao suporte

(gPN/g de suporte).

Em que: Y = gPN/gDQO removida; Xe = concentração de biomassa no efluente (gPN/L) e Scons =

concentração de substrato consumido (gDQO/L).

RESULTADOS

A tabela 2 apresenta os resultados obtidos nos ensaios I e II quanto ao desempenho do tratamento biológico em termos de DQO filtrada e COD.

Tabela 2 – Eficiência média de remoção.

Ensaio DQO Filtrada (%) COD (%)

I 36 42 II 78 78,5

)

1

(

.

X

M

X

Q

bs

=

)

2

(

S

X

Y

=

No ensaio I, o bioreator estava em ajuste de suas condições operacionais. Apresentou uma baixa eficiência (36%) de remoção de DQOfiltrada para um tempo de retenção hidráulica de 21 minutos e COVaplicada de 11,74

KgDQO/m3.d.

No ensaio II, o bioreator operando em condições adequadas, apresentou uma eficiência média de 78% na remoção de DQOfiltrada para um tempo de retenção hidráulica de 42 minutos sendo operado com uma forte

COV aplicada (17,58 KgDQO/m3.d)

A Figura 2 apresenta a evolução da matéria orgânica em termos de DQOFILTRADA de entrada e saída do reator,

obtida durante o ensaio II.

Figura 2- Evolução DQO afluente e efluente (mg/L)

Observa-se na figura 2 quanto à DQOFILTRADA de saída, ao longo do ensaio 2, que a partir do 1o dia, há uma

tendência do reator de entrar em regime permanente. Em alguns dias obteve-se eficiência máxima acima de 90%, confirmando uma das vantagens deste tipo de reator, ou seja, apresenta alta taxa de remoção volumétrica. Estes resultados assemelham-se aos obtidos por outros pesquisadores, como por exemplo: DISTLER et. al. (1995), trabalharam com esgoto doméstico e obtiveram eficiência de remoção de DQO solúvel de 55% a 76% (com COVaplicada. variando de 2,8 a 5,4 kgDQO/m3.d), com tempos de retenção hidráulica variando de 1 a 2 h.

TAVARES (1992), trabalhando com efluente sintético de fácil degradabilidade, obteve eficiência de remoção de DQO solúvel de 55% (COVaplicada. 24,5kgDQO/m3.d) a 76% (COVaplicada. 6,8 e 7,6kgDQO/m3.d), com tempos de retenção hidráulica de 10 a 30 min.

GRANDO-ALVES et al. (1999), trabalhando com efluente sintético de indústrias têxteis, obtiveram eficiência de remoção de DQO solúvel de 77% (COVaplicada. 28 kgDQO/m3.d), com tempo de retenção hidráulica de 23 min.

ESTUDO DO BIOFILME:

A importância do teor de polissacarídeos no processo de adesão do biofilme, pode ser avaliada através da comparação da relação Polissacarideo/Proteína - (PS/PN) do biofilme e da biomassa em suspensão.

A Figura 2 apresenta a evolução da relação PS/PPN aderidos ao suporte e em suspensão para os ensaios I e II.

0 2 0 0 4 0 0 6 0 0 8 0 0 1 0 0 0 1 2 0 0 1 4 0 0 1 6 0 0 1 4 7 1 0 1 3 1 6 1 9 2 2 2 5 2 8 3 1 3 4 3 7 4 0 T e m p o ( d i a s ) D Q O e n t . D Q O s a í d a

E N S A I O I I 0 2 4 6 8 1 0 1 2 1 4 7 1 0 1 3 1 6 1 9 2 2 2 5 2 8 3 1 3 4 3 7 4 0 T e m p o ( d i a s ) P S / P N a d e r i d a s P S / P N s u s p e n s a s

Figura 2 – Evolução da relação PS/PN aderidos e suspensos

0s valores da relação PS/PN aderida mostraram-se, em média, 4 vezes maiores (ensaio I) e 4 a 10 vezes maiores (ensaio II) do que a relação PS/PN em suspensão, indicando a existência de uma biofilme coeso ao suporte, e consequentemente, uma melhor retenção da biomassa aderida.

TAVARES (1992) mostrou uma relação PS/PN do biofilme cerca de duas vezes maior que a biomassa em suspensão, destacando a importância dos polissacarídeos no fenômeno de adesão célula-suporte. DORAN e BAYLEY (1986) citados por TAVARES (1992), mostraram que a relação PS/PN do biofilme é de 2 a 4 vezes maior do que a biomassa em suspensão.

A figura 3 apresenta foto efetuada no microscópio eletrônico de varredura do biofilme aderido à partícula de PVC, no 17o dia do ensaio I.

Fig.3. Fotos ao MEV do PVC colonizado – aumento 2000 vezes

A foto ao microscópio eletrônico de varredura mostrou um biofilme com colonização no interior da matriz polissacarídica. Isto ocorreu devido ao fato dos microorganismos estarem submetidos à condições hidrodinâmicas do reator, como elevado cisalhamento pela passagem de altas velocidades superficiais necessárias para manter o suporte em fluidização. Esta condição induz uma maior produção de polissacarídeos.

As observações ao microscópio ótico, efetuadas durante o ensaio I, mostraram que o esgoto no interior do reator contém flocos pequenos, ricos em Zooglea, Zooflagelados e ciliados livres (Uronema, Metopus) e ciliados fixos (Vorticella).Estes microorganismos presentes no meio líquido e nos flocos apresentam-se em efluentes com boas condições de aeração. Os ciliados livres (Vorticella) são espécies relativamente frágeis à introdução de compostos tóxicos e à falta de oxigênio. É um indicador de uma correta eficiência depuradora e de modo geral, o comprimento do pendúculo está relacionado ao grau de tratamento, ou seja, quanto mais ele é longo, melhor é o tratamento (CANLER et. al., 1999). Já os ciliados livres como as Uronemas, são encontradas em instalações cuja qualidade do tratamento é moderado-fraco.

As observações ao microscópio ótico mostraram que o esgoto que alimentou o reator no ensaio I contém E N S A I O I 0 1 2 3 4 5 6 1 4 7 10 13 16 19 22 25 28 31 34 37 T e m p o ( d i a s ) P S / P N a d e r i d a s P S / P N s u s p e n s a s

Quanto coloração gram, observou-se que é constituído em maior quantidade por bactérias gram negativas. Igualmente para o biofilme observou-se que este é constituído em quase toda a sua totalidade por bactérias gram negativas, resultado esperado, pois o material suporte foi carregado positivamente.

A Figuras 4 apresenta a evolução da população microbiana em suspensão, durante o ensaio II, feitas através do microscópio ótico.

4a) bactérias filamentosas 4b)presença de Epystilis

Fig.4- População Microbiana presente no interior do reator, durante o ensaio 2 (t = 40 dias)

Durante o ensaio II, observou-se a presença de flocos com zoogleas em sua superfície, organismos unicelulares e multicelulares e bactérias filamentosas. Durante este ensaio ocorreu o aumento do tamanho dos flocos e o desenvolvimento excessivo das bactérias filamentosas. Isto pode ter sido originado pelos seguintes fatores:

• sempre que o meio líquido apresentou boa oxigenação (OD> 2mg/L), verificaram-se condições propícias ao crescimento de microorganismos unicelulares e aumento dos flocos;

• a falta de oxigênio no meio líquido, propiciou o crescimento de organismos multicelulares e de bactérias filamentosas, nos dias em que as concentrações de OD atingiram valores próximos a zero mg/L;

• a concentração afluente de DQO (figura 2) passou de 600 mg/L para 1400 mg/L no tempo de 37 dias de ensaio, ficando entre 1000 e 1200 mg/L nos últimos dias de ensaio (39 a 41 dias). O aumento da concentração de DQOafluente pode propiciar uma diminuição na concentração de nutrientes (fósforo e nitrogênio) favorecendo um aumento excessivo das bactérias filamentosas, conforme observadas na figura 4a. As bactérias filamentosas, presentes tanto em forma de flocos como livres, igualmente degradam a matéria orgânica, mas seu crescimento deve ser controlado, pois podem causar problemas na decantação do lodo (PIPES,1967 citado por BERGAMASCO, 1996).

Observou-se ainda, a presença de Epystilis, (figura 4.b), que é um indicador de efluente tratado de boa a muito boa qualidade, o qual ocorre em instalações sob condições estáveis, com aeração permanente e possuem boa capacidade depuradora de poluição carbonácea (CANLER et. al., 1999). Em alguns dias, observou-se também, a existência de bactérias quimiotróficas sulfato-redutoras, que provavelmente desenvolveram-se no tanque séptico.

Embora tenham ocorridos diversos fatores que propiciaram o desenvolvimento de vários tipos de microorganismos no interior do reator, não foi observada a influência destes no processo de tratamento biológico com reator de leito fluidizado trifásico aeróbio, em relação a eficiência de remoção carbonácea. A figura 5 mostra a evolução da produção específica de lodo ao longo dos ensaios I e II.

Figura 5. Evolução da taxa de produção de lodo (Y)- ensaios 1 e 2

E N S A I O I 2 3 4 5 6 7 8 9 E N S A I O I I 0,1 0 , 1 5 0,2 0 , 2 5 0,3 0 , 3 5 0,4 0 , 4 5 0,5

Os valores médios obtidos no decorrer dos ensaios foram de 1,45 mgPN suspensa/mg de DQO removida para o ensaio I e 0,19 mgPN suspensa/mg de DQO removida para o ensaio II. Observa-se oscilações em ambos os ensaios, entretanto, no ensaio I a produção de lodo biológico foi mais elevada, indicando um maior desprendimento de biofilme, e consequentemente, menor eficiência em termos de remoção de DQO. Este resultado está em conformidade com a relação PS/PN aderido, a qual foi maior no ensaio II.

O desprendimento do biofilme, determinado pelo coeficiente específico de desprendimento (bs), é apresentado na Figura 6.

Figura 6 – Coeficiente específico de desprendimento

O coeficiente médio específico de desprendimento (bs), obtido no ensaio I foi de 42 d-1 e no ensaio II foi de 26 d-1 . No ensaio I, o maior desprendimento do biofilme ocorreu no início de experimento (60 a 95 d-1), quando as proteínas em suspensão apresentavam-se em concentrações elevadas ( maiores que 60 mg/L). A partir do 11o dia do ensaio, os valores de bs variaram entre 10 e 50 d-1, sendo que neste período a concentração dos polissacarídeos aderidos cresceram no decorrer do tempo e as proteínas em suspensão decresceram, mostrando, então, a tendência à maior coesão do biofilme com o tempo do ensaio, e consequentemente, menor desprendimento. No ensaio II, observa-se a evolução do coeficiente específico de desprendimento, variando entre 20 e 55 d-1. Estes comportamentos podem ser atribuídos as condições de grande cisalhamento causado pela passagem do líquido.

Estes valores de bs apresentam-se elevados, quando comparados aos resultados obtidos por outros pesquisadores (Wolff et al., 1998, Tavares 1992, Trinet et al. 1991), porém aproxima-se daqueles obtidos por Bergamasco (1996) utilizando o material suporte “poliestireno+ácido”.

CONCLUSÕES

Com base no trabalho realizado, concluiu-se que:

O reator de leito fluidizado trifãsico aeróbio mostrou um grande potencial para o tratamento de efluentes sanitários, uma vez que apresentou boa eficiência em termos de remoção carbonácea, com uma elevada carga orgânica aplicada (na ordem de 17,6 kgDQO/m3.dia), com baixo tempo de retenção hidráulica (42 minutos), e baixa produção de lodo, quando operado em condições adequadas.

Foi observada a cohabitação de diferentes espécies de microrganismos na fase líquida do reator de leito fluidizado, como pequenos flocos ricos em Zooglea, Zooflagelados, ciliados fixos (como Epistylis, Vorticellas) e livres (Uronemas, Metopus e outros), e ainda, bactérias filamentosas e muitas bactérias livres em suspensão. Não foi observada a influência destes diferentes tipos de organismos em relação à eficiência de remoção carbonácea.

A utilização da microscopia ótica apresentou-se como um bom instrumento de avaliação, fornecendo uma resposta rápida sobre a adequabilidade das condições operacionais do reator, possibilitando o conhecimento de alterações não previstas nas condições operacionais, como por exemplo brusca variação de carga orgânica,

0 1 0 2 0 3 0 4 0 5 0 6 0 7 0 8 0 9 0 1 0 0 1 3 5 7 9 1 1 1 3 1 5 1 7 1 9 2 1 2 3 2 5 2 7 2 9 3 1 3 3 3 5 3 7 3 9 4 1 T e m p o ( d i a s ) E N S A I O I E N S A I O I I

REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS

1. COSTA, R.H.R. Estudo do controle do biofilme desenvolvido em um leito fluidizado trifásico em fase carbonácea aeróbia - I. Análise do efeito de parâmetros operacionais sobre as características físicas do biofilme. Anais do 16º Congresso Brasileiro de Engenharia Sanitária e Ambiental. Goiânia, Go., ABES, Tomo I, 2(1-4):51-69, 1991.

2. BERGAMASCO, R. O uso de partículas poliméricas para adesão microbiana em tratamento biológico de resíduos. Tese de doutorado – UNICAMP. Campinas. 1996

3. CANLER, J.P., PERRET, J.M., DUCHERE, P., COTTEUX,E. Aide ou diàgnostic des stations d’epuration par l’observation microscopique des boues activées. Edition CEMAGREF, 155p. 1999. 4. DISTLER, G. A., RUSSO, C. e SANT’ANNA Jr., G.L. Tratamento de esgoto em reator aeróbio de leito

fluidizado trifásico. Anais do 18º Congresso Brasileiro de Engenharia Sanitária e Ambiental, Salvador, Ba, ABES, editoração eletrônica, 1995.

5. GRANDO ALVES, K.C., BORTOLOTTO, A.F., SOUZA,D.P., COSTA,R.H.R. Textile effluent through na aerobic fluidized-bed reactor followed by ozonization.in IAWQ Conference on Biofilm Systems.New York, october, 1999

6. LAZAROVA, V. & MANEM, J. Biofilm characterization and activity analysis in water and wastewater treatment. Water Research., 29(10):2227-45, 1995.

7. TAVARES, C. R. G. Tratamento Aeróbio de Efluentes em Bio-reatores de Leito Fluidizado Trifásico. Tese de Doutorado, UFRJ, Rio de Janeiro, RJ, 1992. 203 p.

8. WOLFF, D.W.; COSTA, R.H.R., BASSANI,L. Textille Effluent Treatability in na Aerobic Three Phase Fluidized Bed Reactor in IAWQ SPECIALITY CONFERENCE ON MICROBIAL ECOLOGY OF BIOFILM, Lake Bluff, USA.1998.

9. TRINET, F., HEIM, R., AMAR, D., CHANG, H.T. RITTMANN, B.E. Study of biofilm and fluidization of bioparticles in a three-phase liquid-fluidized-bed reactor. Water Science and Technology, v.23, p.1347-1354, 1991.