Todas as correções determinadas pelo júri, e só essas, foram efetuadas.
O Presidente do Júri,
Agradecimentos
No culminar deste longo percurso resta-me agradecer a todas as pessoas que partilharam comigo esta experiência.
Obviamente, não posso de deixa de referir os meus pais. Agradecer por todo o carinho e apoio demonstrado não só ao longo do meu percurso académico como em toda a minha vida. Obrigado pelo esforço que fizeram para me proporcionarem a oportunidade de ter uma educação de excelência e perseguir os meus sonhos.
À minha família, por todos os conselhos e incentivo demonstrados, que tanto me fizeram ultrapassar as fases menos positivas. Agradeço acima de tudo os carinhos que sempre fizeram questão de demonstrar.
Aos meus amigos, que levo para a vida. Nuno e David obrigado por todo o apoio, as risadas sem lógica, e os momentos fantásticos que passei convosco.
Ao meu orientador, Professor Doutor António Guerner Dias, o meu sincero agradecimento por me ter auxiliado no desenvolvimento deste projeto e a disponibilidade para a resolução de qualquer dúvida ou problema.
Ao Professor Doutor Nuno Formigo pela sua disponibilidade e amabilidade demonstrada em me ajudar no tratamento estatístico.
À LIPOR pela sugestão de uma problemática com a qual lidam diariamente, pela disponibilidade mostrada no esclarecimento de qualquer dúvida e incentivo.
Ao IJUP pelo apoio e incentivo demonstrado.
À Casa das Sandes dos SASUP e ao Restaurante da Multirest instalado na Faculdade pela gentiliza em participar neste projeto, fornecendo material.
Resumo
A poluição atmosférica não se limita à emissão de dióxido de carbono, por exemplo. Revela-se bem mais que isso. A emissão de odores por parte de certas instalações como estações de tratamento de águas residuais ou centrais de aproveitamento de resíduos são exemplos dessa realidade, onde o odor é considerado uma fonte de poluição. O carácter subjetivo da avaliação de um odor torna-o difícil de definir e avaliar. Dos tratamentos mundiais mais utilizados para minimizar este tipo de emissões encontra-se o tratamento biológico, constituído por um meio filtrante colonizado por microrganismos capazes de degradar os compostos odoríferos, sob determinadas condições.
Assim, esta dissertação avalia a eficiência dos meios filtrantes selecionados. Neste caso particular, para o meio ser selecionado tem de cumprir certos requisitos, como serem materiais naturais abundantes no país, com valor económico reduzido ou nulo, tempo de vida longo e proporcionar condições favoráveis ao suporte de vida microbiana. Desta forma, os materiais sujeitos a avaliação foram a casca de eucalipto, a giesta e o tojo. Para determinar qual dos meios filtrantes melhor se ajusta ao tratamento biológico, foi necessário desenvolver uma estrutura que suportasse o material e permitisse a fixação dos microrganismos. Esta unidade apresentava uma ligação a um compostor doméstico, onde existia a produção dos gases odoríferos que eram direcionados para a biodesodorização.
Os meios filtrantes que mais se mostraram eficientes foram a giesta e o tojo, através da avaliação olfatométrica, isto é, por comparação dos estímulos obtidos do odor antes e depois da passagem pelo biofiltro em causa. Concluindo, assim, que estes poderão ser materiais passíveis de introdução em centrais de desodorização.
Abstract
Air pollution is not limited to emissions of carbon dioxide, for example. It is much more than that. The odor emissions from certain facilities, such as treatment plants waste recovery or waste water stations are examples of this reality, where odor is considered a source of pollution. The subjective nature of the assessment of an odor makes it difficult to define and evaluate. Of the world’s most widely used treatments to minimize such emissions is biological treatment, comprising a filter medium colonized by microorganisms capable of degrading odoriferous compounds, under certain conditions. This work involves the evaluation of the effectiveness of selected filter media. In this particular case, to be the selected it has to fulfill certain requirements, such as being abundant natural material in the country, with low or zero economic value, long life and provide favorable conditions in supporting microbial life. The materials subjected to evaluation were eucalyptus bark, broom and gorse.
To determine which materials best fits the filter medium in the biological treatment was necessaried to develop a structure that supports the material and enable the fixing of the microorganisms. This unit had a connection to an home composter, where the production of odors gases were made and directed to biodeodorization.
The filter media that have proved effective were broom and gorse by olfactometry evaluation. That is, by comparing the odor stimulus obtained before and after passage through the biofilter concerned. Concluding that these materials may be insusceptible of release of central deodorization.
Índice
1 INTRODUÇÃO 1
1.1 Definição do problema e relevância do tema 1
1.2 Objetivos 3 1.3 Metodologia 3 1.4 Estrutura da tese 4 2 ESTADO DA ARTE 5 2.1 Odor 7 2.2 Unidade de odor 9
2.3 Métodos de determinação do odor 11
2.4 Fontes de odores numa CVO 12
2.5 Tratamento de odores – Desodorização 15
2.5.1 Tratamento Biológico 17
2.5.1.1 Biofiltro 20
2.5.1.2 Biopercolador 21
2.5.1.3 Bioscrubber 24
2.5.2 Fatores que influenciam o tratamento biológico 25
2.5.2.1 Meio Filtrante 26 2.5.2.2 Humidade 26 2.5.2.3 pH 27 2.5.2.4 Porosidade 27 2.5.2.5 Temperatura 27 2.5.2.6 Nutrientes 28
3 MATERIAIS E METODOLOGIA DE TRABALHO 29
3.1 Escolha dos meios filtrantes 30
3.1.1 Preparação dos materiais 34
3.2 Infraestrutura Laboratorial 35
3.3 Produção de odores e parâmetros influenciadores 41
3.4 Métodos de amostragem dos compostos odoríferos 43
3.4.1 Análise química 43
3.4.2 Análise olfatométrica 45
3.6 Análise e monitorização do processo de compostagem 47
3.7 Tratamento dos dados 47
4 RESULTADOS E DISCUSSÃO 49 4.1 Compostagem 49 4.1.1 Compostor 1 50 4.1.2 Compostor 2 56 4.2 Biofiltros 59 4.2.1 Biofiltro 1 59 4.2.2 Biofiltro 2 62 4.2.3 Biofiltro 3 65 4.2.4 Biofiltro 4 69 4.2.5 Biofiltro 5 72 4.3 Análise química 76 4.4 Análise olfatométrica 76 4.4.1 Compostor 81 4.4.2 Biofiltro A 87 4.4.3 Biofiltro B 93
4.5 Discussão comparativa dos resultados 100
5 CONCLUSÕES 105
6 REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS 109
Lista de Quadros
Quadro 1: Efeito da concentração de odor no efeito sensorial (Epstein, 2011). ... 9 Quadro 2: Intensidade de odor (Filho P. B., 1998). ... 10 Quadro 3: Propriedades dos compostos odoríferos associados a CVO [adaptado de (Antunes R. M., 2006) & (Gonçalves, 2005)]. ... 15 Quadro 4: Descrição das principais vantagens e desvantagens nos vários métodos de desodorização [ (Antunes R. M., 2006)& (Antunes & Mano, 2008) & (Rocha, 2007)& (Balbinot, 2010)]. ... 16 Quadro 5: Velocidade de biodegradabilidade de compostos voláteis (Cabral, 2003) & (Kumar, Rahul, Kumar, & Chandrajit, 2011). ... 19 Quadro 6: Vantagens e desvantagens dos Biofiltros convencionais [(Vedova, 2008) & (Kumar, Rahul, Kumar, & Chandrajit, 2011)]. ... 21 Quadro 7: Eficiência de remoção estimada para biofiltração de alguns dos compostos odoríferos removidos [ (Antunes R. M., 2006) citando (EPA, 2003) & (Easter, Quigley, Burrowes, & Witherspoon)]. ... 21 Quadro 8: Vantagens e desvantagens dos biopercoladores [(Vedova, 2008) & (Kumar, Rahul, Kumar, & Chandrajit, 2011)]. ... 23 Quadro 9: Taxa de eficiência de remoção para biopercoladores [ (Antunes R. M., 2006) & (Malhautier, Gracian, Roux, Fanlo, & Cloirec, 2003) & (Easter, Quigley, Burrowes, & Witherspoon)]. ... 23 Quadro 10: Vantagens e desvantagens do Bioscubber [(Vedova, 2008) & (Kumar, Rahul, Kumar, & Chandrajit, 2011)]. ... 25 Quadro 11: Eficiência de remoção para bioreatores com biomassa em suspensão (Antunes R. M., 2006) & (NGK Insulators, 2002) & (Easter, Quigley, Burrowes, & Witherspoon)]. ... 25 Quadro 12: Principais constituintes químicos de materiais naturais [adaptado de (Martins, 2008)]. ... 31 Quadro 13: Principais variáveis que promovem a emissão de odores [adaptado de (Silvério, 2011), (Cordeiro, 2010), (Fernandes, 2012); (Epstein, 2011)]... 43
Lista de Figuras
Figura 1: Destino dos RU produzidos em Portugal continental, em 2012 (REA, 2013). ... 6
Figura 2: Contribuição em emissões de odor por fonte (BioCycle: composting, renewable energy, sustainability , 2012). ... 6
Figura 3: Cavidade nasal e, em pormenor, as fibras nervosas do sistema olfativo (Epstein, 2011). ... 7
Figura 4: Sistema olfativo humano (Epstein, 2011). ... 8
Figura 5: Roda do odor (Epstein, 2011)... 10
Figura 6: Avaliação do tom hedónico do odor (Filho P. B., 1998). ... 11
Figura 7: Esquema de medição por olfatometria dinâmica (Balbinot, 2010). ... 12
Figura 8: Toxicidade do Sulfureto de hidrogénio (Silva M. B., 2008). ... 14
Figura 9: Faixa de aplicação das diferentes técnicas para o controlo de emissões odoríferas (Vedova, 2008). ... 16
Figura 10: Contribuição de cada método para o tratamento de odores, em Portugal e na Holanda (Saraiva, 2011). ... 18
Figura 11: Modelo do mecanismo de degradação dos compostos odoríferos pelos microrganismos (Vedova, 2008). ... 19
Figura 12: Esquema de uma configuração de um biofiltro (Balbinot, 2010). ... 20
Figura 13: Configuração típica de um biopercolador (Balbinot, 2010). ... 22
Figura 14: Configuração típica de Bioscrubber (Vedova, 2008). ... 24
Figura 15: Distribuição em Portugal do Eucalyptus globulus (Plantas Invasoras em Portugal) ... 32
Figura 16: Casca de eucalipto utilizada como meio de enchimento para biofiltro. ... 32
Figura 18: Mapa de distribuição da giesta, em Portugal (UTAD, 2014). ... 33
Figura 17: Giesta na floresta (Pereira)... 33
Figura 20: Distribuição do Tojo, em Portugal (UTAD, 2014). ... 34
Figura 19: Representação do Tojo, Ulex europaeus (Floresamatxo, 2011). ... 34
Figura 22: Compostor utilizado para o trabalho laboratorial e respetiva montagem e
enchimento. ... 36
Figura 23: Sequência de montagem da rede de suporte do meio filtrante. ... 37
Figura 24: Montagem da rede de suporte mais fina... 37
Figura 25: Ligação dos biofiltros em paralelo. ... 38
Figura 26: Montagem do sistema de humidificação gota-a-gota. ... 38
Figura 27: Montagem do sistema de ventilação. ... 38
Figura 28: Abertura de ligação entre o compostor e o biofiltro. ... 39
Figura 29: Instalação laboratorial - resultado final. ... 39
Figura 30: Segunda fase do processo de compostagem, ao ar livre. ... 40
Figura 31: Termo higrómetro utilizado na experiência. ... 41
Figura 32: Diagrama dos fatores condicionantes ao processo de compostagem [ (Cordeiro, 2010) citando (Cunha Queda, 1999)]. ... 42
Figura 33: Tubo Drager utilizado no ensaio experimental. ... 44
Figura 34: Sistema de amostragem química. ... 44
Figura 35: Resíduos biodegradáveis introduzidos nos compostores. ... 50
Figura 36: Condensação da humidade no interior do compostor 1. ... 51
Figura 37: Evolução da temperatura no compostor 1. ... 51
Figura 38: Lixiviado do compostor 1. ... 52
Figura 39: Evolução do pH do lixiviado, correspondente ao compostor 1. ... 53
Figura 40: Curva típica da variação do pH ao longo do processo de compostagem (Cordeiro, 2010). ... 53
Figura 41: Humidade relativa do Composto 1. ... 54
Figura 42: Relação entre as dimensões das partículas e o tempo de compostagem (Cordeiro, 2010). ... 55
Figura 43: Compostor no exterior. ... 55
Figura 44: Fase final do compostor 1 visivelmente com material em condições diferentes das desejadas. ... 56
Figura 45: Modificação do solo após a colocação do compostor, devido ao pH ácido do
lixiviado. ... 57
Figura 46: Evolução da temperatura no compostor 2. ... 58
Figura 47: Composto com visível degradação da matéria orgânica, do compostor 2. ... 58
Figura 48: Material de enchimento do biofiltro 1. A) Casca de eucalipto cortada. B) Material condicionado no interior do biofiltro. ... 60
Figura 49: Evolução da temperatura do Biofiltro 1. ... 61
Figura 50: Perfil da evolução da humidade do Biofiltro1. ... 62
Figura 51: Casca de eucalipto mergulhada em água. ... 63
Figura 52:Perfil de temperatura do Biofiltro 2. ... 63
Figura 53: Perfil da humidade relativa do biofiltro 2. ... 64
Figura 54: Casca de eucalipto no final do ensaio, com aspeto fibroso. ... 65
Figura 55: Quantidade de finos restantes no final do ensaio com a casca de eucalipto. 65 Figura 56: Giesta utilizada no Biofiltro 3. A) em bruto. B) giesta condicionada no biofiltro. ... 66
Figura 57: Perfil de variação da temperatura no Biofiltro 3. ... 66
Figura 58: Perfil de variação da humidade relativa no Biofiltro 3. ... 67
Figura 59: Aspeto final do meio filtrante do Biofiltro 3. ... 68
Figura 60: Detalhe de material particulado, de cor rosada, da camada mais interna do biofiltro 3. ... 68
Figura 61: Interior do tubo de suporte do biofiltro 3, no final do ensaio. ... 68
Figura 62: Quantidade de finos existente na desativação do Biofiltro 3. ... 69
Figura 63: Giesta utilizada no Biofiltro 4. ... 70
Figura 64: Perfil da temperatura do Biofiltro 4. ... 70
Figura 65: Perfil da humidade relativa do Biofiltro 4... 71
Figura 66: Giesta no final da experiência, do biofiltro 4. ... 72
Figura 67: Biofiltro 4 com bolor. ... 72
Figura 69: Perfil de variação da temperatura no Biofiltro 5. ... 74
Figura 70: Perfil de variação da humidade relativa, do biofiltro 5. ... 74
Figura 71: Aspeto final do biofiltro 5. ... 75
Figura 72: Finos registados no final do ensaio, para o Biofiltro 5. ... 75
Figura 73: Tojo com bolor... 75
Figura 74: Composição do painel. ... 77
Figura 75: Hábitos pessoais do painel. ... 78
Figura 76: Análise ACP dos dados pessoais. ... 78
Figura 77: Análise ACP, grupos de indivíduos agregados. ... 79
Figura 78: Análise ACP – caracterização das respondentes. ... 80
Figura 79: Dendrograma correspondente aos dados pessoais. ... 80
Figura 80: Deteção do odor. ... 81
Figura 81: Classificação da intensidade do odor. ... 81
Figura 82: Avaliação do odor. ... 82
Figura 83: Associação do odor para o compostor. ... 82
Figura 84: Associação do odor na classe Agressivo. ... 83
Figura 85: Análise ACP – compostor. ... 84
Figura 86: Análise ACP – caracterização das respondentes, do compostor. ... 85
Figura 87: Dendrograma, do compostor. ... 85
Figura 88: Análise 2 ACP – compostor. ... 86
Figura 89: Dendrograma análise 2, do compostor. ... 86
Figura 90: Deteção do odor para o Biofiltro A. ... 87
Figura 91: Intensidade do odor para o Biofiltro A. ... 87
Figura 92: Avaliação do odor para o Biofiltro A. ... 88
Figura 93: Associação do odor para o Biofiltro A. ... 88
Figura 95: Análise ACP – Biofiltro A. ... 90
Figura 96: Análise ACP – caracterização das respondentes , do Biofiltro A. ... 90
Figura 97: Dendrograma, do Biofiltro A. ... 91
Figura 98: Análise 2 ACP, do biofiltro A. ... 92
Figura 99: Caracterização das respondentes 2, do biofiltro A. ... 92
Figura 100: Dendrograma 2, do Biofiltro A. ... 93
Figura 101: Deteção do odor para o Biofiltro B. ... 94
Figura 102: Intensidade do odor para o Biofiltro B. ... 94
Figura 103: Avaliação do odor para o Biofiltro B. ... 95
Figura 104: Associação do odor para o Biofiltro B. ... 95
Figura 105: Distribuição das respostas na classe Terra. ... 96
Figura 106: Análise ACP, do Biofiltro B. ... 96
Figura 107: Caracterização das respondentes, do Biofiltro B. ... 97
Figura 108: Dendrograma, do Biofiltro B. ... 97
Figura 109: Análise 2 ACP, do Biofiltro B. ... 98
Figura 110: Caracterização das respondentes 2, do Biofiltro B. ... 99
Lista de Abreviaturas
µg Micrograma
ACP Análise às componentes principais AGV Ácidos gordos voláteis
cm Centímetro
COV Compostos orgânicos voláteis CVO Central de Valorização Orgânica
DL Decreto-Lei EN European Standard g Grama kg Quilograma m3 Metro cúbico ºC Grau Celsius ppm Partes por milhão
RU Resíduos urbanos
RUB Resíduos Urbanos Biodegradáveis U.O. Unidades de odor
1 Introdução
1.1 Definição do problema e relevância do tema
A relutância das populações na construção de certas infraestruturas industriais, perto das suas habitações, está relacionada com as emissões de odores. Estações de tratamento de resíduos (líquidos e sólidos), indústrias alimentares, petroquímicas, indústrias de papel e celulose e as agroindústrias, são bons exemplos de fontes de emissão de odores.
Associado a este fenómeno surgiu a expressão “Not in my back yard – Não no meu quintal”, adotada por urbanistas norte-americanos, que demonstra a resistência das populações à construção de projetos, na área envolvente às suas habitações. Devido ao encurtamento das distâncias entre as áreas residenciais e industriais, bem como entre áreas agrícolas e residenciais, as reclamações, preocupações com a saúde e litígios com base em odores, são cada vez maiores (Cabral, 2003).
O comportamento incomodativo, na emissão de odores, não é só avaliado pela inalação desagradável, como está também comprovado que afeta diretamente a saúde pública. Foram registados casos de stress psicológico associado a insónias, perda de apetite e mudanças de comportamento (Giuliano & Giuliano, 2002).
Pequenas concentrações de substâncias odoríferas têm elevada probabilidade de serem emitidas, nas mais variadas atividades industriais. Apesar de diminutas, estas concentrações são muitas vezes suficientes para afetar o sistema olfativo humano, altamente sensível. É notório que a abrangência destes problemas é geralmente limitada quanto ao espaço físico atingido e só persiste enquanto dura a produção de emissões (Schwab, 2003 ).
O problema dos odores é bastante complexo pois os fatores influenciadores da geração e proliferação dos mesmos são vários. Desta forma, a questão refugia-se no campo da subjetividade e só é limitada segundo o Decreto-Lei nº 242/2001 e o Decreto-Lei
nº181/2006, que vigoram em Portugal e impõe restriçoes à libertação de compostos orgânicos voláteis. A nível europeu vigora a norma EN 13725 (Air quality – determination of odour concentration by dynamic olfactometry) para determinar a concentração de odores e avaliar o seu grau de incómodo.
Nesta linha de racicíonio, de consciência ambiental e saúde pública, surgem as tecnologias de desodorização que têm por finalidade eliminar os compostos odoríferos antes que estes sejam dispersos na atmosfera.
Existem vários métodos a fim de eliminar, ou reduzir de forma significativa, as emissões odoríferas. Os processos físicos baseiam-se na transferência do poluente de uma fase para outra, enquanto os processos químicos têm por base a oxidação ou formação de precipitados. Já os processos biológicos consistem na transferência dos compostos voláteis para uma fase líquida, seguida de uma degradação por microrganismos (Silva M. B., 2008).
O tratamento biológico tem vindo a ser amplamente implementado devido aos seus reduzidos custos quando comparados com as técnicas convencionais. Os processos biológicos mais utilizados nesta área englobam os biofiltros, biofiltros humidificados (biotrickling filter ou biopercoladores) e biofiltros com biomassa suspensa (bioscrubber). Cada bioreator apresenta diferentes configurações que permite adaptar-se à realidade pretendida (Vedova, 2008).
O funcionamento do biofiltro é simples e descrito como a passagem de afluente gasoso, contendo compostos odoríferos que, devido à presença de uma comunidade microbiana fixa no meio de enchimento do biofiltro, são absorvidos/adsorvidos pelos microrganismos para os biodegradar (Kumar, Rahul, Kumar, & Chandrajit, 2011). Os meios de enchimento atualmente aplicados resultam da combinação entre materiais inertes como lascas de madeira, turfa ou plástico com materiais orgânicos.
A eficiência global do processo é influenciada por vários parâmetros, nomeadamente a escolha adequada do meio de suporte (Saravanan, Rajasimman, & Rajamohan, 2013). As propriedades intrínsecas dos materiais, como a porosidade, capacidade de retenção de água e microrganismos, grau de colmatação e biodegradabilidade, são a base para o sucesso do processo biológico. A indústria em Portugal que lida com a depuração de odores vê-se, frequentemente, obrigada a importar o meio de enchimento para os seus biofiltros. Esta problemática traduz-se num acréscimo de custos para as empresas.
Neste âmbito, ao longo desta dissertação será feita referência aos processos biológicos na depuração de odores, mais concretamente um estudo de materiais naturais, amplamente distribuídos e que sejam capazes de purificar o ar proveniente de meios de compostagem. Os materiais testados podem ser resíduos de outras indústrias, com baixo valor de mercado e de fácil obtenção. Desta forma, pretende-se investigar meios mais competitivos, que acarretem menos custos de manutenção e que promovam a sustentabilidade.
1.2 Objetivos
O principal objetivo desta dissertação é encontrar materiais relativamente abundantes em Portugal, de custo reduzido e que ofereçam boas condições de estabilidade de suporte aos microrganismos, nos biofiltros. A partir desta pesquisa é possível evitar ou minimizar a importação de material sintético e reduzir significativamente os custos associados à importação traduzindo-se, assim, num impacte ambiental positivo devido à reutilização de materiais sem grande valor económico. Após a seleção de materiais o segundo objetivo consiste em ensaiá-los e perceber o seu comportamento depurador em meios de compostagem. Por fim, outro objetivo é perceber qual ou quais os parâmetros mais influenciadores no processo de biofiltração.
Para determinar a viabilidade de implementação a grande escala, dos materiais selecionados para estudo, é necessário conhecer a eficiência de remoção de poluentes para cada meio filtrante. Assim, neste trabalho foram ensaiados três poluentes e avaliado o desempenho de cada material, ao longo do contato com os mesmos.
1.3 Metodologia
Tendo em vista os objetivos enunciados, foi efetuada uma pesquisa bibliográfica e selecionado um conjunto de materiais com possível interesse para meio de suporte do biofiltro, não descurando o conhecimento da realidade nacional e as exigências operacionais a considerar.
Desta forma, foi desenvolvida uma infraestrutura laboratorial, para ensaio dos referidos meios de suporte, através da implementação de uma unidade de compostagem doméstica para produção de gases odoríferos. Esta infraestrutura engloba, ainda, um sistema de monitorização e aquisição de dados.
A avaliação do desempenho dos biofiltros foi conseguida a partir da avaliação do seu grau de saturação e quantificação química, quando em contato com os vários poluentes provenientes da compostagem.
Os resultados obtidos foram sujeito a uma cuidada análise de modo a concluir o resultado da investigação.
1.4 Estrutura da tese
A dissertação está dividida em cinco capítulos. Neste primeiro capítulo é feita alusão à problemática debatida, os objetivos, a metodologia e ainda a respetiva organização do trabalho.
O capítulo 2 descreve o estado da arte em relação ao odor e às tecnologias de desodorização existentes, com particular realce para a biodesodorização, área onde se insere a temática da biofiltração.
O capítulo 3 descreve a metodologia adotada durante a execução do trabalho experimental, bem como o design e preparação dos meios de suporte dos biofiltros, os procedimentos de operação, os equipamentos de ensaio e os parâmetros analisados. No capítulo 4 são apresentados os resultados obtidos nos ensaios com os compostos odoríferos, e a sua respetiva discussão.
No capítulo 5 são feitas as considerações finais obtidas pela análise e discussão dos resultados experimentais.
2 Estado da arte
Várias consequências advieram da revolução industrial e do crescimento exponencial da população mundial, sendo um deles o aumento na produção de resíduos. Indiretamente esta realidade traduz-se numa degradação geral da qualidade do ar, uma vez que as estações de tratamento de resíduos e de águas residuais são infraestruturas recentes. As operações relacionadas com a gestão de resíduos são potenciadoras de emissões de odores, afetando a saúde das populações e o ambiente envolvente à infraestrutura (Antunes & Mano, 2008). São frequentes as reclamações e associação de certas indústrias a emissões de odores. Desta forma, a poluição do ar assumiu um papel relevante no quotidiano das populações e muitas técnicas têm sido desenvolvidas no sentido de reduzir as emissões gasosas. Das técnicas investigadas, a biofiltração tem demonstrado ser uma tecnologia eficaz e economicamente viável (Baquerizo, et al., 2005).
Atualmente, os RU recolhidos possuem um teor em matéria orgânica considerável. São designados como Resíduos Urbanos Biodegradáveis e são definidos no DL nº152/2002, de 23 de maio, como resíduos que podem ser sujeitos a decomposição anaeróbia ou aeróbia, como, são exemplo, os resíduos alimentares, de jardim, papel e cartão. O destino final deste tipo de resíduos é essencialmente a incineração ou a deposição em aterro, pois as taxas da recolha seletiva (14,1% do total de resíduos produzidos em 2012, em Portugal continental) por habitante, quando comparada com as taxas da recolha indiferenciada (85,9% do total de resíduos produzidos em 2012, em Portugal continental), ainda são diminutas (REA, 2013).
No ano de 2012, do total de 4,528 milhões de toneladas de resíduos urbanos produzidos, um pouco mais de metade dessa quantidade (54,5%) corresponde a resíduos urbanos biodegradáveis. O aproveitamento dos RUB é inegável, com grandes vantagens em termos de diminuição do volume a depositar em aterro, reaproveitamento energético e valorização orgânica, por exemplo. Os resíduos biodegradáveis são os
selecionados para processos de compostagem, que corresponderam a 15,7% (Figura 1) dos resíduos urbanos produzidos em 2012 em Portugal (REA, 2013).
Figura 1: Destino dos RU produzidos em Portugal continental, em 2012 (REA, 2013).
Devido à natureza dos produtos tratados, uma Central de Valorização Orgânica também é uma fonte de odores. Aqui, os odores têm origem nos gases ou vapores emitidos pelos materiais durante o processo de compostagem e resultam, essencialmente, da decomposição anaeróbia dos resíduos orgânicos (Silvério, 2011). Tendo em conta a fonte de emissão de odores, a compostagem contribui com cerca de 27,1% do total de emissões de odores ao longo do processo de tratamento de resíduos (Figura 2).
Figura 2: Contribuição em emissões de odor por fonte (BioCycle: composting, renewable energy, sustainability , 2012).
A resolução da problemática da emissão de odores envolve o conhecimento de certos parâmetros, na fase de projeção das infraestruturas exemplos (Antunes & Mano, 2008). Para uma essencial gestão do odor é indispensável, ao tratamento e controlo, a
identificação e caracterização dos odores e uma previsão do seu transporte e distribuição.
A principal subjetividade dos odores e a poluição do ar resume-se ao facto de este não ser considerado uma substância poluente, mas ser uma propriedade do poluente.
2.1 Odor
O odor resulta do estímulo do sistema olfativo, sendo a substância que provoca o estímulo designada de odorante. Embora as concentrações das substâncias que provocam o estímulo olfativo sejam baixas, só uma concentração de 10 a 50 vezes maior do que o valor limite de deteção permite a identificação da mesma pelos seres humanos. Daí, frequentemente, o olfato apenas identifica a presença ou ausência de odor, em vez de quantificar a concentração ou intensidade (Iowa State University, 2004). A capacidade de detetar um odor é muito subjetiva, pois varia muito entre indivíduos e as suas rotinas pessoais. As diferenças entre os indivíduos são, em parte, atribuídas à idade, hábitos tabágicos, sexo e alergias. Em geral, o sexo feminino tende a apresentar uma maior predisposição para deteção de odores, quer sejam eles agradáveis ou não. Fisiologicamente, o olfato depende da interação entre o estímulo produzido pelo odor e o epitélio olfativo. A membrana olfativa é uma área sensível, com cerca de 4 a 6 cm2 em cada narina (Figura 3).
Figura 3: Cavidade nasal e, em pormenor, as fibras nervosas do sistema olfativo (Epstein, 2011).
As células nervosas, ou recetoras, são as primeiras a detetar o odor, e localizam-se no epitélio. A área dos cílios estende-se ao longo da camada mucosa, aumentando o potencial de receção da área. Por fim, as células recetoras transmitem impulsos para o bolbo olfativo localizado na base frontal do cérebro. No bolbo, as fibras do nariz
percorrem vários outros nervos em outras regiões do cérebro (Figura 4) (Iowa State University, 2004).
Figura 4: Sistema olfativo humano (Epstein, 2011).
O processo de adaptação ao odor consiste na capacidade de tolerância ao mesmo. Em geral, o tempo de adaptação é maior quando existe uma mistura de odores. A amónia e o sulfureto de hidrogénio são odorantes e são produzidos através de processos geradores de odores, em sistemas de tratamento de águas residuais, compostagem, queima de carvão e operações de silvicultura (Shahmansouri, Taghipour, Bina, & Movahedian, 2005). Ambos os compostos podem causar perdas olfativas, como resultado da exposição prolongada. A amónia pode ainda afetar o sistema nervoso central (Iowa State University, 2004). Desta forma, assume-se expressamente necessário a depuração do ar em meios de compostagem de forma a não sujeitar as populações e os trabalhadores da estação a níveis limites superiores ao recomendável. A diferença entre os odores reside na mistura complexa de moléculas orgânicas ou minerais voláteis com propriedades físico-químicas diferentes (Filho, Wolff, Carvalho, Costa, & Ribeiro, 2000). Em regra, os problemas de odor mais comuns são causados por misturas de compostos altamente voláteis, com limites de deteção muito baixos e em concentrações no ar igualmente baixas (Zarook Shareefdeen, 2005).
A grande maioria das substâncias que produzem odor encontram-se no estado gasoso, em condições de pressão e temperatura normais ou apresentam uma volatilidade significativa. Os pesos moleculares destas substâncias situam-se, geralmente, entre 30 a 150 g/mol. Em regra, quanto mais baixo for o peso molecular de um composto maior é a sua pressão de vapor, resultando numa maior probabilidade de emissão para a atmosfera. As substâncias de maior peso molecular são normalmente menos voláteis, daí apresentarem menos impacto na produção de odor (Silva, 2008).
2.2 Unidade de odor
A sequência dos efeitos sensoriais devido a um aumento na concentração de um odorante é descrita consoante a sua concentração, o seu nível e o seu efeito (Quadro 2).
Quadro 1: Efeito da concentração de odor no efeito sensorial (Epstein, 2011).
Concentração Nível Efeito
1 Deteção do odor 2 Reconhecimento do odor 3 Incomodo com o odor 4 Intolerância ao odor 5 Intolerância severa ao odor
6 Irritação
7 Tóxico
A quantidade de odor é expressa numa razão de diluição (D/T – dilution to threshold) e não em concentração. A determinação da razão é realizada por um painel de oito a dez indivíduos que expressam o número de diluições necessárias para que 50% do painel ainda detete o odor. O motivo pelo qual não é feita uma caracterização pela concentração, deve-se ao facto de este poder estar presente numa grande concentração mas o seu efeito ser pouco percetível, sendo o contrário também válido. A descrição da qualidade dos odores é demonstrada na Figura 5, onde são utilizados oito descritores de odor para comparação (Epstein, 2011).
Os membros do painel cheiram a amostra e atribuem-lhe uma medida nominal (Filho P. B., 1998).
Figura 5: Roda do odor (Epstein, 2011).
A intensidade de odor é definida como a força relativa do odor em comparação com as concentrações padrão, geralmente do n-butanol, diluído em diferentes concentrações de água. A intensidade é expressa em ppm onde um valor elevado de butanol corresponde a um odor forte e uma concentração mais baixa indica um odor mais fraco (Epstein, 2011). O painel de júri atribui para cada concentração encontrada uma intensidade de odor que é apresentado no Quadro 2.
Quadro 2: Intensidade de odor (Filho P. B., 1998).
Concentração (g/L) Nível Intensidade do odor
0,001 1 Muito Fraco
0,01 2 Fraco
0,1 3 Médio
1 4 Forte
10 5 Muito Forte
Matematicamente, a relação entre a intensidade e a concentração é descrita pela seguinte equação:
(Equação 1) onde,
I é a intensidade; C corresponde à concentração em massa do odorante (mg/m3); k e n são constantes, diferentes para cada odor ou mistura especifica de odores.
A persistência do odor é um indicador da duração de permanência do odor e uma indicação da taxa de diluição no meio envolvente. Pode ser quantificada e representada como uma função de resposta do odor (Epstein, 2011).
A hedonicidade do odor consiste na agradabilidade do odor. Existem várias escalas para avaliação deste parâmetro, como exemplo, a Figura 6, que representa o modelo de McgGinley.
Figura 6: Avaliação do tom hedónico do odor (Filho P. B., 1998).
2.3 Métodos de determinação de odor
A determinação do odor, pelo sistema olfativo humano, é muito limitativa uma vez que, para além de só reconhecer compostos numa gama restrita, o carácter de agradabilidade é muito subjetivo. Desta forma, a determinação e consequente quantificação do(s) composto(s) presentes necessitam de análises mais cuidadas e que possam concluir valores confiáveis e padronizados. Outra propriedade que torna difícil a quantificação dos odores surge pelo facto dos odores emitidos serem misturas de vários compostos odorantes, constituindo uma mistura complexa, nem sempre fácil de decifrar (Silva, 2008).
Os métodos quantitativos para a medição de odores baseiam-se na avaliação sensorial olfativa, avaliações químicas ou através de sensores eletrónicos. Cada método é selecionado consoante o objetivo a atingir (Silva J. C., 2011). Através do método de avaliação sensorial olfatométrica pretende-se determinar a concentração do odor (Figura 7). As unidades de medição do odor através da olfatometria dinâmica são as unidades de odor por metro cúbico [U.O./m3] que numericamente se traduzem na razão necessária para atingir o limiar de diluição do odor, ou seja, a concentração mínima detetada por 50% do painel (Brattoli, Gennaro, Pinto, Loiotile, Lovascio, & Penza, 2011). De forma análoga, a norma europeia EN 1375/2003 Air Quality – determination of odour concentration by dinamic olfactometry sistematiza de forma uniforme, para toda a comunidade europeia, a determinação da concentração de odores por olfatometria dinâmica. Neste caso particular, é exigido ao painel uma sensibilidade treinada para a unidade de odor que equivale a 123 µg/m3 de n-butanol.
Figura 7: Esquema de medição por olfatometria dinâmica (Balbinot, 2010).
A grande vantagem da utilização deste método é a correlação direta entre a concentração do odor e o estímulo do sistema olfativo humano decorrente do contato, o que se mostra útil para avaliação do incómodo das populações.
Os métodos químicos têm por base a utilização de técnicas convencionais para a identificação e quantificação das moléculas presentes numa amostra de gás odorífero. Tem como grande vantagem a objetividade, repetibilidade e precisão (Cabral, 2003). Uma técnica amplamente implementada, neste tipo de métodos, é a cromatografia gasosa, onde também se pode acoplar o espectrómetro de massa, que determina as substâncias presentes bem como a sua concentração. Contudo, uma das grandes limitações da técnica é a gama de concentrações em que os compostos existem ultrapassam o limite de deteção do equipamento. São, também, técnicas bastante dispendiosas (Brattoli, Gennaro, Pinto, Loiotile, Lovascio, & Penza, 2011).
Muitas vezes utilizam-se ambos os métodos (quer a olfatometria dinâmica quer a cromatografia gasoso/espectrómetro de massa) para um resultado mais consistente (Cabral, 2003).
Outro equipamento referenciado na literatura é o nariz eletrónico. É um equipamento eletrónico que permite a deteção automática e classificação de odores, onde o software interpreta o sinal dos sensores, de recolha dos dados, pelo espetro medido comparando-o com a sua base de dados (Balbinot, 2010).
2.4 Fontes de odores numa CVO
Numa Central de Valorização Orgânica, por lidar com resíduos biodegradáveis em decomposição, ocorrem diariamente emissões de odores provenientes da degradação
da matéria orgânica. Por outro lado, a libertação excessiva de odores pode indicar um defeito no processo, daí ser tão importante a monitorização.
Uma vez que, durante este trabalho, a produção de odores se realizou com recurso à compostagem doméstica é fundamental conhecer quais os fenómenos decorrentes numa CVO e quais os compostos libertados. Assim, os principais compostos emitidos por uma CVO, resultando em odores incomodativos de natureza mineral e orgânica, são essencialmente compostos azotados e sulfurados como são o caso da amónia, sulfureto de hidrogénio, mercaptanas e ácidos gordos voláteis (Gonçalves, 2005).
Anteriormente estes compostos já foram referenciados que existindo em concentrações elevadas e uma exposição prolongada podem causar problemas de saúde, sendo portanto essencial o seu tratamento.
O amoníaco é um gás incolor, resultado da decomposição de compostos azotados como são exemplo a ureia e as proteínas. O seu odor característico é descrito como pungente. O seu limite de deteção encontra-se entre 25 a 50 ppm [(Antunes R. M., 2006) & (Gonçalves, 2005)].
O sulfureto de hidrogénio caracteriza-se pelo seu cheiro a ovos podres, forma-se em condições de défices de oxigénio, presença de matéria orgânica e sulfato (Silva M. B., 2008). Em condições anaeróbias, o sulfato é reduzido a sulfureto (S2-), seguido da combinação com o hidrogénio formando o H2S. As equações seguintes demonstram quimicamente o processo (Silvério, 2011).
2CH3CHOHCOOH + SO42- → 2CH3COOH + S2- + 2 H2O + 2 CO2 (Equação 2)
4H2 + SO42- → S2- + 4H2O (Equação 3) S2- + 2H+ → H2S (Equação 4)
Uma das grandes particularidades do sulfureto de hidrogénio é ser detetável em concentrações muito baixas (0,1 ppm), podendo mesmo assim causar problemas de saúde (Figura 8).
Lactato
Figura 8: Toxicidade do Sulfureto de hidrogénio (Silva M. B., 2008).
Os compostos orgânicos sulfurados, das quais as metil-mercaptanas fazem parte, resultam da decomposição em meios aeróbios ou anaeróbios que contêm enxofre. O seu odor característico é a couves em decomposição. É um gás incolor e inflamável, sendo um constituinte da degradação dos alimentos no corpo humano. A sua ocorrência no ar resulta da sua emissão durante a degradação da matéria orgânica (Antunes R. M., 2006). Por oxidação, as metil-mercaptanas originam o dissulfureto de metilo e o sulfureto de dimetilo, igualmente de odor fétido e a couves podres, respetivamente (Gonçalves, 2005). Bioquimicamente o metil-mercaptano pode ser hidrolisado em álcool metílico e sulfureto de hidrogénio (Silvério, 2011).
Os ácidos gordos voláteis (AGV) caracterizam-se pelo seu odor pungente e a vinagre, resultando de produtos em condições de falta de arejamento da massa de resíduos orgânicos, em decomposição aeróbia. Este grupo é o principal causador de maus odores em compostagem (Gonçalves, 2005).
O Quadro 3 resume as principais propriedades dos compostos odoríferos acima enunciados.
Quadro 3: Propriedades dos compostos odoríferos associados a CVO [adaptado de (Antunes R. M., 2006) & (Gonçalves, 2005)].
Composto odorífero
Fórmula
química
Peso
molecular
[g/mol]
Limite
de
deteção
[ppm]
Limite
de
deteção
[µg/m
3]
Descrição
do odor
Compostos azotados Amónia NH3 17,04 0,037 100-11600 Picante Compostos Sulfurados Sulfureto deHidrogénio H2S 34,08 0,00047 0,76 Ovos podres Metil-Mercaptanas CH3SH 48,01 0,0011 0,003 – 38 Couve ou alho em decomposição Sulfureto de dimetilo (CH3)2S 62,14 0,001 0,34 – 1,1 Vegetais em decomposição Dissulfureto de dimetilo (CH3)2S2 94,20 1,1 46 Putrefação AGV Acético CH3COOH 60,05 0,025 – 6,5 43 Vinagre Butírico C3H7COOH 88,11 0,0004 - 3 0,35 – 86 Ranço
2.5 Tratamento de odores – Desodorização
Existem várias medidas que podem ser tomadas na depuração do ar, entre elas é possível escolher entre os métodos químicos, físicos e biológicos. A aplicação destes métodos destina-se à remoção de compostos odoríferos presentes no ar em atmosferas ocupacionais, interiores ou abertas. Cada método apresenta vantagens e desvantagens, sendo que o método ótimo adapta-se melhor à desodorização e às condições de equipamento, em causa (Takagi, Tanaka, Kamori, & Aritome, 1996).
O presente trabalho incide concretamente sobre os métodos biológicos sendo que será dado especial ênfase a este tipo de tratamento.
A maioria dos métodos físicos e químicos foram desenvolvidos durantes as últimas décadas, culminando no seu profundo conhecimento e ampla aplicação, enquanto os métodos biológicos têm vindo a ser alvo de aprimoramento do processo. No Quadro 4 são demonstradas as principais tecnologias de controlo de emissões odoríferas, assim
como as suas principais características, vantagens e desvantagens (Chernicharo, Stuetz, Souza, & Melo, 2010).
Muito embora existam várias técnicas para o controlo de emissões odoríferas, a seleção em particular, ou a combinação entre várias técnicas, depende do caudal do gás e da concentração do gás odorífero afluente (Chernicharo, Stuetz, Souza, & Melo, 2010). A Figura 9 demonstra a gama típica de aplicação das várias tecnologias consoante a concentração do gás.
Figura 9: Faixa de aplicação das diferentes técnicas para o controlo de emissões odoríferas (Vedova, 2008).
Segundo (Antunes & Mano, 2008) e (Rocha, 2007) os métodos, atualmente, mais utilizados na desodorização de afluentes odoríferos são a adsorção gás-líquido, adsorção gás-sólido e o tratamento biológico (Quando 4).
Quadro 4: Descrição das principais vantagens e desvantagens nos vários métodos de desodorização [ (Antunes R. M., 2006)& (Antunes & Mano, 2008) & (Rocha, 2007)& (Balbinot, 2010)].
Tecnologia Descrição do processo Vantagens Desvantagens
Adsorção gás-líquido
Também designada de
lavagem química
promove o contacto entre as duas fases de estado para que os compostos odoríferos sejam adsorvidos pelo líquido.
Apto a variações de concentração do afluente; Comprovada eficiência de adsorção de alguns compostos; Capaz de operar com grandes volumes de ar eficazmente. Os gases adsorvidos devem ser sujeitos a tratamento caso não haja recirculação; Possível ocorrência de volatilização dos compostos químicos do líquido de lavagem e consequente saída com o ar tratado; Custos de manutenção relativamente altos;
Necessita de pré-filtro;
Não é bem adaptado à remoção de COV, especialmente de compostos com baixa solubilidade; Adsorção gás-sólido O gás odorífero é forçado a atravessar um meio filtrante constituído por um material sólido adsorvente capaz de reter e fixar na sua superfície os compostos odoríferos. Eficácia comprovada e consistente para vários compostos odoríferos; Possibilidade de aumento da adsorção por adição de aditivos químicos; Baixo investimento. O adsorvente satura facilmente pelo que é mais vantajoso na aplicação de ar odorífero mais diluído; A regeneração pode ser dispendiosa, difícil e morosa; As poeiras e humidade no ar podem colmatar o material adsorvente; O destino final dos
adsorventes e subprodutos podem ser um problema. Tratamento Biológico Baseiam-se na decomposição de compostos odoríferos presentes num fluxo de ar poluído realizada através de microrganismos em meio aquoso.
Apto a tratar uma vasta gama de compostos odoríferos; Não necessita de agentes químicos; Comprovada eficácia para tratamento de COV’s; Baixo investimento e manutenção. Necessita de grandes áreas de implementação; Pouco apto a alterações no processo; Necessidade de controlo permanente de vários parâmetros.
2.5.1 Tratamento Biológico
Ao longo das últimas décadas, grandes quantidades de poluentes industriais foram emitidos para o ambiente causando problemas de poluição do ar. Devido ao enorme grau de toxicidade e capacidade de acumulação desses poluentes, a deterioração ambiental e qualidade do ar tornaram-se assuntos suscitáveis de regulamentação legislativa e de investigação de metodologias, menos impactantes e economicamente tão viáveis como as tradicionais. Neste campo surge a biofiltração que têm demonstrado
ser economicamente viável, consistente e eficaz no tratamento e controlo de emissões gasosas [ (Kumar, Rahul, Kumar, & Chandrajit, 2011) & (Vedova, 2008)].
Inicialmente, os biofiltros foram projetados para o tratamento de águas residuais. Como é possível aferir na Figura 10 a Holanda, muito antes de Portugal, recorria maioritariamente aos processos biológicos para o tratamento de odores com 78% do total dos processos utilizados, enquanto Portugal, anos mais tarde, ficava ainda aquém, na aplicação deste método.
Figura 10: Contribuição de cada método para o tratamento de odores, em Portugal e na Holanda (Saraiva, 2011).
O sistema de controlo de odores de uma instalação de compostagem é, predominantemente, a biofiltração. Este sistema é aplicado em áreas ou em condições em que o ar pode ser confinado e tratado. Raramente se recorre a processos químicos (Epstein, 2011).
O princípio básico da biofiltração consiste na passagem dos compostos químicos odoríferos, presentes no fluxo de gás, através de um meio filtrante colonizado com microrganismos aeróbios ativos. Apesar de ser uma tecnologia relativamente simples, a sua otimização depende diretamente de vários parâmetros operacionais e da seleção mais apropriada do material de suporte, da comunidade microbiana (A. Barona, 2004). O mecanismo de degradação dos compostos odoríferos, ilustrado na Figura 11, compreende inicialmente a dissolução dos gases em água, onde as substâncias odoríferas serão adsorvidas e absorvidas, pelos microrganismos. Seguidamente, os compostos odoríferos absorvidos são oxidados e decompostos pelas microbiologia existente, e onde as bactérias adquirem energia pela oxidação dos compostos odoríferos (Takagi, Tanaka, Kamori, & Aritome, 1996).
O processo de biodegradação pode ser descrito, em termos de reação química, como (Selvi B. Anit):
Figura 11: Modelo do mecanismo de degradação dos compostos odoríferos pelos microrganismos (Vedova, 2008).
O papel da água é fundamental para o desenvolvimento do processo, facto que fundamenta a razão pela qual a humidade é considerada um parâmetro tão importante na regulação dos sistemas de biofiltração. Além disso explica, também, a variação da eficiência do processo que diminui à medida que a humidade também diminui.
Como as emissões odoríferas resultam de matéria orgânica em decomposição, ou seja, geradas através de processos biológicos, estas são consideradas também biodegradáveis. A biodegradabilidade equivale à degradação dos processos biológicos naturais de um composto e depende da estrutura química que o constitui. As taxas de remoção e oxidação são função da biodegradabilidade e reatividade das emissões gasosas (Silvério, 2011).
Segundo (Kumar, Rahul, Kumar, & Chandrajit, 2011) a biodegradabilidade do composto pode ser lenta ou rápida dependendo da química que o constitui. O Quadro 5 faz a distinção entre a velocidade de biodegradação para vários compostos (Cabral, 2003).
Quadro 5: Velocidade de biodegradabilidade de compostos voláteis (Cabral, 2003) & (Kumar, Rahul, Kumar, & Chandrajit, 2011).
Velocidade de
biodegradabilidade Compostos
Alta Álcoois, aldeídos, cetonas, ácidos orgânicos, aminas, mercaptanas, H2S, NOx, SO2, HCl, NH3, PH3, SiH4, HF
Baixa Hidrocarbonetos, fenóis
Muito baixa Hidrocarbonetos halogenados, hidrocarbonetos poliaromáticos, CS2
Apesar dos processos biológicos terem todos por base a degradação dos poluentes por uma comunidade microbiana, o equipamento necessário ao processo pode adquirir diferentes configurações, que diferem pela alimentação da humidificação do sistema (Vedova, 2008), complexidade, parâmetros de controlo e volume ocupado (Kumar, Rahul, Kumar, & Chandrajit, 2011). Assim, existem três configurações possíveis: os biofiltros convencionais, os biopercoladores e os bioscrubbers.
2.5.1.1 Biofiltro
O biofiltro consiste num reator habitado por microrganismos, através do qual o ar odorífero atravessa, geralmente em sentido ascendente (McNevin & Barford, 2000). A biomassa está fixa, ao longo de todo o processo, ao meio de enchimento, formando um biofilme, em fase aquosa (Balbinot, 2010). Como a alimentação de água não é contínua, isto implica uma escolha seletiva no material de enchimento para o biofiltro. Motivo pelo qual serem muitas vezes escolhidos suportes orgânicos que retêm os nutrientes e a humidade (Vedova, 2008). Este tipo de configuração é a mais simples e foi a primeira a ser projetada para a remoção de odores (Vedova, 2008) (Figura 12).
Figura 12: Esquema de uma configuração de um biofiltro (Balbinot, 2010).
Os parâmetros operacionais mais importantes de monitorização, nesta configuração de reator, são a composição e concentração do ar odorífero, a temperatura, a humidade, o pH, a disponibilidade em oxigénio e nutrientes, tempo de retenção, a compactação do meio filtrante e a distribuição do ar odorífero [(Antunes R. M., 2006) citando (USEPA,2003)].
Quadro 6: Vantagens e desvantagens dos Biofiltros convencionais [(Vedova, 2008) & (Kumar, Rahul, Kumar, & Chandrajit, 2011)].
Reator Vantagens Desvantagens
Biofiltro Convencional Operação simples; Baixos custos de investimento e manutenção; Eficaz no tratamento de odores; Boa eficiência na remoção de compostos com baixa solubilidade.
Rápida degradação do meio filtrante; Sensível a variações climáticas; Impossibilidade de controlo do pH e nutrientes; Excesso de biomassa como subproduto.
O objetivo da aplicação deste tratamento de odores é a remoção dos compostos odoríferos em que, tal como apresentado no Quadro 7, as taxas de eficiência de remoção estimadas são superiores a 80% no caso do amoníaco e superior a 95% para o sulfureto de hidrogénio. De ressalvar que a remoção de odores, através deste processo, é superior a 80% o que constitui uma grande vantagem.
Quadro 7: Eficiência de remoção estimada para biofiltração de alguns dos compostos odoríferos removidos [ (Antunes R. M., 2006) citando (EPA, 2003) & (Easter, Quigley, Burrowes, & Witherspoon)].
Parâmetro Eficiência de remoção (%)
Amoníaco (NH3) ˃ 80
Aminas ˃ 60
Sulfureto de hidrogénio (H2S) ˃ 95 Mercaptanas e compostos sulfurados reduzidos ˃ 90
Compostos orgânicos voláteis ˂ 90
Odor ˃ 80
2.5.1.2 Biopercolador
Também referidos por lavadores biológicos, os biopercoladores têm como principal característica a circulação contínua da fase líquida. Os mesmos princípios dos biofiltros convencionais são também corretos para este tipo de reator, contudo a contínua alimentação de humidade implica condições de configuração diferentes.
Comparativamente aos biofiltros convencionais apresentam maior rendimento no tratamento de compostos que originam ácidos como subprodutos, como é o caso do H2S. Isto justifica a sua grande aplicabilidade em processos que originam grandes concentrações de sulfureto de hidrogénio. E muito embora os custos de investimento sejam maiores a longo prazo são preferíveis.
Como a humidade é sempre garantida, os materiais filtrantes usados neste tipo de reator são de origem sintética e inertes como são exemplos cerâmicos, plásticos, rochas, cascalho e vidro [(Vedova, 2008) & (EPA, 2003)]. A recirculação da água promove o desenvolvimento e o crescimento microbiano (Silva M. B., 2008).
A Figura 13 ilustra esquematicamente um biopercolador e os seus componentes.
Figura 13: Configuração típica de um biopercolador (Balbinot, 2010).
A grande desvantagem deste tipo de bioreator é a necessidade de fornecimento de nutrientes à biomassa, uma vez que o meio filtrante não consegue colmatar essa necessidade.
Comparativamente aos biofiltros convencionais os lavadores biológicos permitem o controlo de parâmetros essenciais à operação, tais como o pH, a temperatura e a composição mineral da biomassa. Os grandes problemas destes reatores envolvem a degradação do meio filtrante, pois a biomassa pode crescer rapidamente comprometendo a eficiência de todo o processo. O Quadro 8 faz uma síntese entre as principais vantagens e desvantagens dos biopercoladores.
Quadro 8: Vantagens e desvantagens dos biopercoladores [(Vedova, 2008) & (Kumar, Rahul, Kumar, & Chandrajit, 2011)].
Reator Vantagens Desvantagens
Biopercolador Configuração simples e flexível; Possibilidade de controlo de parâmetros de operação (pH, temperatura, etc.); Elevada capacidade de remoção de H2S; Melhor capacidade de adaptação dos microrganismos; Capacidade de tratamento de produtos ácidos gerados pelos COV;
Rejeição de sub-produtos e substâncias tóxicas.
Adsorção pode ser um passo determinante na evolução do processo;
Colmatação do meio filtrante devido ao crescimento excessivo da biomassa;
Material filtrante necessita de substituição;
Configuração mais complexa e com maiores custos de investimento e manutenção em comparação com os biofiltros convencionais.
As taxas de eficiência de remoção são apresentadas no Quadro 9 para este tipo de bioreator, mostrando-se mais eficiente na remoção de amoníaco e de odores, em comparação com os biofiltros convencionais.
Quadro 9: Taxa de eficiência de remoção para biopercoladores [ (Antunes R. M., 2006) & (Malhautier, Gracian, Roux, Fanlo, & Cloirec, 2003) & (Easter, Quigley, Burrowes, & Witherspoon)].
Parâmetro Eficiência de remoção (%)
Amoníaco (NH3) ˃ 95
Aminas -
Sulfureto de hidrogénio (H2S) ˃ 95 Mercaptanas e compostos sulfurados reduzidos 80 - 90
Compostos orgânicos voláteis -
2.5.1.3 Bioscrubber
Os bioscrubbers (Figura 14) são reatores caracterizados pelo processo se desenrolar em duas instalações diferentes. Além disso, diferenciam-se das restantes configurações porque os microrganismos encontram-se livremente suspensos, na fase líquida.
Este bioreator surge como um aprimoramento dos biopercoladores, para aumentar a capacidade de absorção de poluentes no interior do líquido e prolongar o tempo de contato, entre os microrganismos e os poluentes (EPA, 2003). A sua grande aplicação existe para poluentes muito solúveis, com baixa volatilidade e biodegradabilidade lenta (Silva M. B., 2008) citando (Belli et al, 2001).
A técnica de biolavagem realiza-se, primeiramente, na unidade de absorção onde as substâncias orgânicas presentes no ar são absorvidas e transferidas para a fase aquosa. Posteriormente, a fase líquida arrasta os poluentes transferindo-os para o bioreator onde, por ação dos microrganismos, os compostos são oxidados [ (Vedova, 2008) & (Silva M. B., 2008)].
Figura 14: Configuração típica de Bioscrubber (Vedova, 2008).
O Quadro 10 sintetiza as principais vantagens e restrições da aplicação dos bioscrubbers.
Quadro 10: Vantagens e desvantagens do Bioscubber [(Vedova, 2008) & (Kumar, Rahul, Kumar, & Chandrajit, 2011)].
Reator Vantagens Desvantagens
Bioscrubber
Requer volumes pequenos; Bom controlo do processo; Adaptado para grandes
concentrações de poluentes; Boa estabilidade;
Configuração bem conhecida.
Envolve elevados custos de investimento e manutenção; Grande produção de biomassa; Trata apenas compostos solúveis; Difícil de operar e monitorizar; Possível saída dos
microrganismos do reator.
A eficiência de remoção para este tipo de bioreator é apresentado no Quadro 11, onde é, ainda, feita uma distinção consoante o tipo de bolha de transporte dos compostos odoríferos.
Quadro 11: Eficiência de remoção para bioreatores com biomassa em suspensão (Antunes R. M., 2006) & (NGK Insulators, 2002) & (Easter, Quigley, Burrowes, & Witherspoon)].
Parâmetro
Eficiência de remoção (%) Bolha fina Bolha média
Amoníaco (NH3) - ˃ 90
Aminas - -
Sulfureto de hidrogénio (H2S) ˃ 99,5 85 – 92 Mercaptanas e compostos sulfurados reduzidos - -
Compostos orgânicos voláteis - -
Odor ˃ 99,5 90 – 95
2.5.2 Fatores que influenciam o tratamento biológico
Algumas variáveis como temperatura, pH, disponibilidade em oxigénio, nutrientes e teor em humidade, por exemplo, limitam o desenvolvimento da atividade microbiana. Desta forma, os bioreatores destinados ao tratamento de compostos odoríferos deverão fornecer condições favoráveis para um crescimento adequado da biomassa. Isto implica
uma seleção minuciosa dos materiais que irão interferir na reação de absorção e a monitorização de certos fatores, de modo a garantir as condições ideias. Muitos destes parâmetros estão diretamente relacionados com as propriedades do meio filtrante (kumar, V.Sridevi, N.Harsha, lakshmi, & K.Rani, 2013). O não ajustamento dos parâmetros implica um decréscimo na eficiência de remoção dos compostos pretendidos (Silvério, 2011).
O método biológico consiste, essencialmente, em duas etapas: a primeira a adsorção dos contaminantes ao ar e, posteriormente, a sua biodegradação devido à atividade microbiana que se desenvolve no meio filtrante, numa película designada por biofilme (Tymczyna, Chmielowiec-Korzeniowska, & Saba, 2004). Isto significa que o material de enchimento funcionará como “a casa” da biomassa, envolvendo todos os outros parâmetros da biofiltração, pois é lá que se irá desenrolar a bio-oxidação.
2.5.2.1 Meio filtrante
O material filtrante deve ter capacidade de fornecer e armazenar nutrientes, humidade, pH com capacidade tampão, temperatura estável, grande área superficial para maximizar a capacidade de adsorção e elevada percentagem de poros para maximizar o tempo de contato (Akdeniz, Janni, & Salnikov, 2011).
Os materiais de origem orgânica são historicamente utilizados como meio filtrante, embora nos últimos anos os materiais sintéticos tenham demonstrado eficácia na depuração de gases (Hudock, 2007).
Sendo o objetivo desta dissertação a pesquisa de novos materiais filtrantes, estas propriedades foram tidas em consideração aquando da escolha dos materiais alvo de teste, assim como a sua disponibilidade e baixo custo.
Foi ainda tido em consideração o tempo de vida útil do meio, que depende das características do próprio meio filtrante e das condições operacionais. Também a troca do leito pode ser uma tarefa complicada e morosa que implique a paragem do processo durante vários dias, pelo que este aspeto deve ser alvo de atenção.
2.5.2.2 Humidade
A humidade é considerada, por vários autores, o parâmetro fundamental do processo de biofiltração. A humidade é responsável pela circulação de oxigénio e nutrientes até aos microrganismos assim como é essencial para a sua sobrevivência. É ainda necessária à ocorrência da adsorção e oxidação. O seu controlo assume assim um grande destaque
no que toca à eficiência do processo. É difícil de regular mas, o seu valor ótimo situa-se entre os 40 – 65% consoante o tipo de material de enchimento (Converti & Zilli, 1999). Se a humidade estiver em valores mais baixos do que os indicados poderá ocorrer colmatação do meio, diminuição da atividade microbiana, formação de canais preferenciais que reduzem o tempo de residência dos poluentes e aumento dos gastos energéticos (Converti & Zilli, 1999). Por outro lado, o excesso em água promove a oclusão dos poros do material filtrante, reduzindo o tempo de residência e afetando diretamente a eficiência do processo que, por sua vez, afeta a distribuição de oxigénio e favorece a criação de zonas anaeróbias causadoras de maus odores.
2.5.2.3 pH
O estudo do valor de pH faz uma estimativa às condições de arejamento que existem no biofiltro, porque o efeito do pH nos processos biológicos resulta, de forma indireta, da sua atividade e da velocidade das reações enzimáticas (Converti & Zilli, 1999). O valor de pH pode variar entre 5 e 9 mas, os valores ótimos do processo, estão entre 6 e 8. Os problemas advindos do abaixamento do pH podem ser corrigidos com adição de cal ou derivados.
2.5.2.4 Porosidade
A porosidade resulta do processo de degradação da matéria orgânica, que ocorre naturalmente, ao longo do tempo. Durante a degradação da matéria orgânica são libertadas partículas mais finas que podem entupir os canais de ventilação e, assim, limitar o fluxo de ar. O meio de enchimento deve ter uma porosidade elevada e ser constituído por partículas de dimensões uniformes, igualmente com uma elevada superfície especifica. O valor ótimo para a porosidade encontra-se entre 35 e 50% (Silva J. C., 2011).
2.5.2.5 Temperatura
A temperatura influencia o crescimento microbiano através dos seus efeitos sobre a atividade enzimática e vários processos metabólicos. Desta forma, é recomendável que a gama de temperatura no biofiltro seja inferior a 40ºC, para um valor ótimo de 35ºC. As temperaturas elevadas destroem a biomassa, reduzindo a eficiência da absorção e adsorção e aumentam a volatilidade dos compostos odoríferos. No outro extremo, as temperaturas mais baixas, inibem a atividade microbiana e a consequente biodegradação dos compostos (Silvério, 2011).
A manutenção da temperatura deverá considerar, também, a contribuição do calor produzido pela atividade biológica, sendo que a monitorização deste parâmetro é vital para o bom desempenho do biofiltro (Liao, Tian, Zhu, Chen, & Wang, 2008).
2.5.2.6 Nutrientes
A água é o vetor responsável por fazer chegar os nutrientes a toda a área do biofiltro. No entanto, por vezes existe a necessidade de fornecer, de forma espaçada no tempo, nutrientes para colmatar défices de substâncias essenciais à microbiologia. A adição contínua de nutrientes não é recomendável porque promove o crescimento exponencial da biomassa que pode colmatar o leito.
A monitorização dos vários parâmetros, em gamas de valores ótimos ou recomendáveis, viabiliza o melhor desempenho da comunidade microbiana. O controlo do pH, humidade, temperatura, ausência de compostos tóxicos e nutrientes, permite o desenvolvimento de condições favoráveis às atividades metabólicas, garantindo a eficiência na remoção. No Quadro I, no anexo I, são resumidos os parâmetros necessários ao dimensionamento e operação para cada tipo de bioreator de forma a conseguir-se maior rentabilidade dos processos biológicos.
