Esta comunicação aborda os fundamentos bioquímicos e microbiológicos que condicionam a concepção de reactores anaeróbios para tratamento de efluentes líquidos industriais e, complementarmente, apresenta vários aspectos referentes ao projecto de sistemas anaeróbios indicando alguns factores da opção aerobiose/anaerobiose, principais tipos de reactores e uma menção a aplicações industriais conhecidas

Brito, A. G.

Melo, L. F.

Universidade do Minho: RepositoriUM

'· 217 TRATAMENTO ANAEROBIO DE EFLUENTES LiQUID OS INDUSTRIAlS -ALGUNS PONTOS FOCAIS Antonio Guerreiro de Brilo(*) Luis Ferreira de Melo(**) RESUMO Esla comunicar,;:ao aborda os fundamcnlos bioquimicos e microbiol6gicos que condicionam a concepr,;:ao de reactores anaer6bios para tratamento de el1uentes liquidos indvstriais e. complementan11ente, aprescnta vMios aspectos referentes ao projecto de sistemas anaer6bios indicando alguns factores da op<;ao aerobiose /anaerobiose, principals lipos de reactores e uma men<;ao a aplicar,;:oes industrials conhecidas. INTRODU<;AO 0 quadro legislalivo porlugues e o das comunidades europeias lende a regular ' e a disciplinar a rejeir,;:ao de el1uentes industrials, em sistemas de tratamento rnunicipais ou nos nH·ios l1idricos 1'111 I-(1T: d . :Jtr:Jvl· s d:1 ;l(l()pl; ;·)(l I'Clll_jlllll:l de p;l(lrrws d1· qualidade e medidas cocrcivas. Neste contexto. o bioproccssamcnlo cle ell11Cillcs conslilui uma lccnolo~ia em geral adequada a redu<;ao de carga polucnte a niveis consentancos com a resiliencia/ estabilidade do meio receptor. Os sistemas anaer6bios foram. nos ultimos anos. objecto de especial interesse. tendo-se oblido progresses assinal c.1veis no desenvolvimento dos respectivos reactores . (*) Assistente Eslagiario, Universidade do Minho. Braga (**) Professor Auxiliar, Universidade do Minho. Draga 218 Pretende-se, neste texto, focar, a titulo introclul6rio, clivcrsas questoes-bioquimicas. microbiol6gicas e tecnol6gicas-associadas <.i. uliliza~~ao dos rcactorcs anaer6bios, par fom1a a indiciar as potencialidades destcs sistemas no tratamcnto de eiluentes industrials. BIOQuiMICA E MICROBIOWGIA DOS SISTEMAS ANAEROBIOS Os prit;lcipais passos bioquimicos cnvolvidos na dcgrad<HJIU <lll;u:- n'Jbi;l de produtos organicos sao, sumariamente. os seguintes (1): 1. 2. 3. 4. 5. 6. Hidr6lise de proteinas, lipidos e carbohidratos; Fem1enta~ao de acu~ares e amino-acidos; Oxida~ao anaer6bia de Jci~os gordos volateis de cadeia longa e alco6is; Oxida~ao anaer6bia de produtos intermedios, como sejam aciclos gorclos volateis (propi:mato, butirato) com excep~ao clo acetato . Conversao de acetato em melano; Cortver_sao de hidrogenio em metana. As popula~oes microbiologicas que parlicipam nas reac~oes supra-indicadas tern sido convencionalmenle agrupadas segundo as suap necessiclades tr6ficas (Grupos I. II. Ill c IV da Fig11ra 1) . No CS<Jllt'llla st·g•liLllc (Fig11ra I) indi< 'dlll -st· os rl11:'\os. subslralos e produtos principals resullanlcs em processes anaer61Jios (2) . Constituindo a bioquimica e a microbiologia dos sistemas anaer6bios um suporte-base da concep~ao clas esla<;6cs de Ln1lnmcnlo de cl1••c •tlcs. intporl;l rekrir algumas das suas caracterislicas e mccanismos basicos que conclicionam o projccto c opera~ao dos bioreactores: -( \:) A ta.xa especifica maxima de crescimenlo (!J-maxl pocle scr u lilizada para distinguir dais grupos microbio16gicos: o grupo acidogenico-desla forma designado por scr responsavel pela hiclr6lise c fcrmcnta~ao da materia organcia, com produ~ao de acidos volateis e H2-caraclcrizaclo por laxas da ordem dos 0,3-0,5 h-1. e o grupo constiluido por baclerias acelogenicas , .... fon nalo, o6is, ale acelalo Celuloses, amidos pmteinns. ridos. de bacterias hidrolilicas e fermenlalivas Grupo I r produtos inlem1ediarios. (propionato. butirato. elc) 219 lr baclerias homoacelogenicas Grupo IV T ~--... -----------+------------'---- acelalo I/ acetato ..... •. : baclerias acelogenicas produlores obrigal6rios de hidrogenio (OHPA) Grupo II baclerias melanogenicas ..,. . .. _ ______________________ , Grupo III I\ . ' Figura 1. plop~la~oes microbianas em cligeslores anaerclbios (baseaclo em (2)) 220 produloras obrigal6ria~ de hidrogenio (OHPA - "Obligate hydrogen producing acelogenic") e par haclerias melanogenicas. com valores de 1-lmax muilo inferiores, 0,05-0,01 h-10 As necessidades nulricionais e ambicnlais deslcs grupos lambem nao sao analogaso Com base neslas caraclerislicas. Lem sido projeclados sistemas bifasicos em que dois reactores acoplados efectuam sequencialmenle a acid6genese e a melan6genese e aplicados. por exemplo, ao tratamenlo de eiluentes com marcadas ilutuac;6es nas cargas c na composi<;<i.o {3)0 0 As transferencias de hidrogenio inler-espccies e a prcsenc;a de associa<;:6cs sintr6ficas e especialmente imporlanle.o Rcfira-se. designaclamenle, a associac;:ao en tre as b<1cteri<1s OIIP/\., gt' ncrn sinlrnplw tttnn :lso com :1s melanogenicas hidrogenofilicas, genera mclhanosarcina, c as lJactcrias sulfato e nilralro-reduloras: a conversao de acidos gordos vol<i.teis a acelalo, efectuada pelas OHPA, requer, por motivos tem1odinamicos. baL'<as .12.~~s.~e_? de hidrogenio, o que e sobreluclo assegu!:ado pelas baclerias_melanogenicas __ _. --- -~ - --- ----··--· --· .. - .... (4)0 A remoc;ao de hidrogenio lem tambem implicac;6es no desenvolvlmenlo de varias reac;oes do grupo acidogenico-tal facto e. alias, um dos argumentos a favor da concepc;ao monofasica de reactores (5)0 Configurac;6es que favorec;am a libertac;ao de hidrogenlo poderao, evenlualmente. revelar-se vanlajosas (4), conquanlo a difusao no biofilme possa ser. em qualquer caso. suficienlemente lenta que evile evenluais efeitos negalivos (5). 3. Os generos de bacterias melanogenicas que calabolizam o acetalo sao methanolhrix e methanosarcinao Este ullimo degrada, igualmenle, oulros subslrCJ.lOs-H2/C02, melanol, melilaminas-sendo a prefercncia par um dado nutriente dilada pela concenlrac;ao relaliva clos mesmos no n1eio, de acordo com a energia livre associada as reae<;:6es (7]0 A Melhanosarcina apresenla ~Lmax e I<5-constante cinetica de rneia sa lttrac,:<~tu (cudiciclllc (jltc rcprcscnta a concentrac;ao de subslralo que suporla a oblenc;;:ao de 1-lm[tx/2)-superiores a melhanothrL'<; em consequencia, a maior afinidacle clesla (mcnor I\s) para o substrata pode conduzir a que, caso sejam baL'<as as conccnlrac,;6cs de acclalo. a melhanosarcina seja eliminada do reactor. Para alcm de uma adequada concentrac;:ao de acetalo , um suprimcnlo cle micronutrlentes [niqucl, ferro. caballo, trac;os de vi lamina B 12) e lamb em considerado como extremamcnte favoravel ao desenvolvimenlo de melhanosarcina e. consequcntemcnte. a oplimizac;ao clo biosislema (8) 0 1· . 22 1 4. As baclerias sulfalo-redutoras e as melanogcnicas, na presenc;a de uma elevada concentrac;ao de sulfatos como a rcgislada em clelcmiinaclos cl1ucnle? industrials (industrias do papel. farmaceuticas,elc) compe~~I~1- por fonles de eleclroes, acetato ou hidrogenio. As sulfalo-reduloras presenles nos biofilmes dos reaclores apresenlam Ks inferior as melanogenicas. enquanlo o inverso se verifica para o valor de llmax: a concenlrac;ao de acelalo no el1ucnle a tratar pode assim condicionar a predomim'i.ncia de uma das especies (9); se, por exemplo, a concentrac;ao de acetalo for baLxa. a sua utiliz:ac;ao pelos sulfalo-rcdulores pode afeclar a populac;ao mclanogenica. Paralelamenle. lem sido referido que a redu<;.:-10 <.los sulfalos ocorrc primariamenlc com recurso ao hidrogenio, o que pen11ile o tralamenlo de el1uenles com elcvadas concentrac;oes de sulfalos (10), como eo caso. designadamenle. na industria do papel (11). 5. A degradac;ao de materiais celul6sicos e condicionada pela cinetica enzimatica e nao pelo llmax das baclcrias hidrolilicas. No caso de el1uentes ricos nestes compostos, podeni ser vantajoso evitar que esta reacc;ao se ton1e o ~as·so limitante da anaerobiose, atraves da adopc;ao de processos especificos, tais como a aplicac;ao. na fase acidogcnica. de microrganismos do rumen de bovinos ( 1 2). 6. As interacc;oes dos factores bioquimicos e. microbiol6gicos com os parametros fisicos e quimicos nos reactores anaer6bios constiluem um dominio que tern sido estudado como objeclivo de melhorar o seu rendimcnto e estabilidade, designadamente no caso de enuentes industrials cuja composic;ao e. frequenlemente. alipica. Os efeitos da temperatura.~do pH. da carga orgc_i.ncia anuenle. dos nutrientes e de outros parametros fisicos tem sido analisaclos. incluinclo as consequencias de vari<;ucs st:dJilas uos scus valurcs, tcudu sidu akrid;1s <IS galllds de hlllciull<lllll'lllu 6plimo( 13). Contudo, a capacidade de adaptac;ao clos microrganismos a condic;:oes nao favoraveis pode ser igualmente explorada; no caso de tratamento de e11uenles industrials, pode ser economicamenle mais vanlajoso operar com rcnclimenlos inferiores mas nao recorrer a operac;oes de coiTecc;ao do a11uente ao reactor ( 14). No que concerne aos problemas de Loxicidade. a moderac;ao do comportamenlo dos sistemas na presenc;a de t6xicos no e11uente permiliu concluir que. em geral. o padrao de resposta e semelhante para a maioria clos inibidores (10) . -• " 222 Neste ambito, tem sido estudada a acumula~ao de ~-~£~@r.sl<?§ voJ{J.teis (um indicador clara de desestabiliza~a6 do sistema). am6nia, sulfilos e metais, em particular os metais pesados. A conclusao geral e que, basicamente, a inibi~ao varia com a concentra~ao do t6x.ico e o tempo de exposi~ao, pelo que reactores cuja concep~ao p~~l~~a elevados tempo de reten~ao de s6lidos e baL'<os tempos de reten~ao ·-hidniulicos, sao os que apresentam melhor tolerancia (15). 0 grupo de bacterias OHPA -·-e o que apresenta maior susceptibilidade aos t6x.icos, conquanto o grupo metanogenico tambem seja afectado (16). A remo~ao de compostos t6x.icos e perigosos de enuentes liquidos lem igualmenle sido ensaiada ulilizando rcactores anacr6bios com carvao aclivado, na forma granular ou em p6 (17). A degrada~ao dos compostos organicos recalcilrantes presentes em diversos enuentes lndustriais pode set ~fectuada anaeroblcamente, confonne o atcstam diversos trabalhos publicados sobre compostos aromalicos halogenados e azotados, entre outros (18, 19, 20). Sucede, mesmo, que detcnninados compostos que nao sao degradados aerobicamente sao-no anaerobicamente (21). SISTE.MAS ANAER6BIOS E SUA COMPARA<;AO COM 0 TRATAMENTO AER6BIO. A cscolha de un1 dado proccssu de lr<ti<IIIIClllu de crlttcllll:s t·· fttiH,'<IO d ; Js IIH'! ; Js de projecto que, usualmente, consistem numa sumula interdcpendente de varios objectivos com compromissos a diferentes niveis. Como e sabido, as principals quest6es neste ambito sao as referentes as caracterislicas do enucnte e ao grau de depura~ao a alingir, aos custos da execu<;ao, opera<;ao e manutcn<;ao-incluindo a disponibilidade e valor dos terrenos, e os custos do tratamento e disposi<;ao final das lamas residuais-a disponibilidade de recursos humanos e ao interesse no aproveitamento de subprodutos, metana em particular. 0 objeclivo ultimo do projeclista e. par conseguinte. conceber o Upo especifico de reactor que melhor preencha os quesitos estabelccidos. Neste conlexlo, varios trabalhos tem, recentemente, procurado demonstrar as vantagens lecnico-econ6micas dos sistemas anaer6bios sobre os aer6bios (22. 23). Os faclores que tem sido aponlados como mais relevantes no confronto aerobiose/anacrobiose sao os seguintes: J·. 223 1. 0 pre~o dos terrenos eo facto de, eventualmente, o espac;:o disponiveljuntO'a unidade fabril para instala~ao da esta~ao ct'c tratamcnto ser exiguo podcm favorecer sistemas que ocupem uma superficie reduzida. Novos sistemas anaer6bios-leito fluidizado, designadamente-requerem uma area minima (24). Adicionalmente, os sistemas anaer6bios dispensam, em geral, o decantador primario. 2 Os sistemas aer6bios sao deficilarios em energia, nomeadamente devido a utilizac;:ao de arejadores. Os sistemas anaer6bios nao o sao eo metana podera ser consumiclo no pi-6prio complcxo fabril (2'1) . 0 volume de metana oblido por tonelada de COD degradado ronda os 330-350 m3 (7). 3. Os organismos anaer6bios, dadas as caracterislicas do seu metabolismo, apresentam coeficientes de produ~ao de biomassa muito inferiores aos dos aer6bios, pelo que a produc;:ao de lamas e muito menor. 0 problema das lamas e relevante, porquanto a sua elimina~ao representa geralmente um 6nus supstancial, sobreludo quando existe legisla~ao que estabelece padroes de qualidade para a sua rejei~ao final. Acresce que, caso o processamento das lamas nao se efectue proximo da unidade de tratamento dos efluentes Hquidos, o seu transporle implica um encargo proporcional ao volume. 4. Os reactores anaer6bios tern a capacidade de responder favoravelmente a periodos de dormencia, como os exigidos por industrias de funcionamento sazonal. 0 facto de serem selados conslilui um aspecto com interesse porque, caso eslejam localizados junto a zonas residenciais, evitam problemas com adores e com a liberla~ao de aeross6is. 5. Uma vantagem efecliva clos sistemas acr6bios e que. polencialmcnle. aprcscntam lllclhorcs clkicllcias de dcpur;H,· ;-,o du qttc os ;u1;1cnil>ius. t·:111 consequencia. os sistemas anacr6bios poderao nao salisfazer alguns padroes de qualidade, necessitando de uma unidade aer6bia para tralamenlo terciario. Esta associac;:ao podera, contudo, ser economicamente cornpensadora. Os processes tecnol6gicos no dominic da anaerobiose podem ser diferenciados de diversas fon11as. 0 meio de suporte da biomassa. ou a sua ausencia, e. para este efeito, uma caracterislica base fundamental. Os principais alributos destes lipos de :mctores encontram-se apresentados em diversos textos (16. 25). 224 A. Reactores de filme fixo: Al Fillro anaer6bio de nuxo ascendente; A2 Filtro anaer6bio de fluxo descendente; A3 Discos biol6gicos rotaUvos. B. Reactores de leito expandiclo. C. Reactores de feito fluidizado. •·· D. Reactores sem meio de suporte interior: D.l Manto de lamas de fluxo ascendente, (UASB); D.2 Digestor de contacto; D.3 Digestor convencional. Atente-se que sistemas hibridos tambem tem sido desenvolviclos (26). Em alguns Upos de reactores sao aplicados sistemas bi-e monofasicos, ou seja. com ou sem separa<;ao da acidogcnese e da melenogenese (24). Diversas industrias possuem, em opera<;:ao rcaclores anacr6bios a equipar as suas esta<;:oes de tratamento. ~a CEE ex.istirao cerca de 100 uniclades. A divcrsidade de concep<;:oes aplicadas. confirmando a evolu<;ao que esta tecnologia estci verificanclo, tambem alerla para o facto de nao exislirem projeclos-tipo ncslc dominio; cada caso exige, com efeilo. um esludo especifico cuidado, pols as caracleristicas das aguas residuals podem variar mesmo denlro de cada industria. Como cxemplos de aplica<;:oes induslriais. referem-se as seguinles: maladouros. laclicinios. levcduras. cleslilarkls . texleis. quimicas. pelroquimicas. fam1aceuUcas. gaseifica<;:ao do carvao. induslrias do papel (10. 16). 225 1..----G ~~-.,--_.;...--p :.·.·::-·::·:·: F -...-<f-.-------l- "Over flow '' _, 4 ,. 'llf ... A ~ . .. . . .... .. . . . . .. ·.: .. · .... . ····.·.: .. ;:: "'~"'"' ..... "' "'"' ...... ~ ... ~ . . · ..... ' ... F ---<.·.=.:-=·~·:...::·:...:·=-· ·=-·.=1 -· "".,. ... "' ........ .. r-------'------P (a) (b) F (c) (d) F (e) F p (f) F (g) I 1 Figura 2 - Reactores anaer6bios: (a) Filtro anaerobic - fluxo ascendente, (b) Filtro nnaer6bio - fluxo descendente; (c) Rea:tor de leito_fluidi ado/expandido; (d) Discos rotativos; (e) U .A.S.B.; (f) Digestor de contacto; (g) Digester convencional. F - Efluente a tratar; P f EflYente tratado; G - Gas / f .' J._, ,_, I ' t . , • ~ .• , .. -;:..j CONCLUSOES Os reactores anaer6bios consutuem, presentemente, uma tecnologia que se afigura apta a efectuar o tratamento dos eiluentes liquidos de numerosas industrias . As questoes focadas nesta comunica<;ao permitem prever a existencia de varios dominios onde estudos ~p_poderao contribuir para sensiveis avan<;os na -- . eficiencia e estabilidade dos reactores o que, em ultima analise, se r eilectira positivamente na gestao das unidades industriais. REFERENCIAS 1. Gujer, W., Zehnder, A.B., Water Science Tecnology, 15:127, 1983. 2. Bu'Lock J., Kristiansen. B., Basic Biotechnology, Academic Press. London, 1987. 3. Heijnen, J., Ph. D. Thesis .. Delft University ofTechonology, 1984. 4. Harper, S.R. Pohland, F.G., Journal WPCF, 59.3, 1987. 5 Heuvel H., Ph. D. Thesis, University of Amsterdam. 1985. 6. Denac M., Mignel A., Dunn I.J., and Biotech, and Bioeng., 31:1. 1988. 7. Lescure J.P .. Bourlet P .. Verrier D. , Albagnac G. Sugar Tech. 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Tratamento anaeróbio de efluentes líquidos industriais: alguns pontos focais

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