Efeito da Concentrao do Meio Suporte e Relao entre reas no Desempenho de Reatores Aerbios de

Leito Fluidizado com Circulao Interna no Tratamento de Esgoto Domstico

GLEYCE TEIXEIRA CORREIA

Orientador: Prof. Dr. Milton DallAglio Sobrinho

Co-Orientador: Prof. Dr. Dib Gebara

Ilha Solteira SP Setembro/2010

Efeito da Concentrao do Meio Suporte e Relao entre reas no Desempenho de Reatores Aerbios de

Leito Fluidizado com Circulao Interna no Tratamento de Esgoto Domstico

GLEYCE TEIXEIRA CORREIA

Orientador: Prof. Dr. Milton DallAglio Sobrinho

Co-Orientador: Prof. Dr. Dib Gebara

Dissertao apresentada Faculdade de

Engenharia de Ilha Solteira - UNESP, para

obteno do ttulo de Mestre em Engenharia Civil.

rea de Conhecimento: Recursos Hdricos e

Tecnologias Ambientais.

Ilha Solteira SP Setembro/2010

Nunca tenha medo de tentar algo novo. Lembre-se de que um amador solitrio construiu a Arca. Um grande grupo de profissionais construiu o Titanic.

Lus Fernando Verssimo

Uma prola esquecida na praia, ainda que no seja notada, nem apanhada ou devidamente reconhecida, nunca perde o seu valor

Augusto Branco

Aos amores da minha vida: meus avs Neide e Sebastio; meus pais Tnia e Osmar; minha irm Joyce e meu namorado Victor

AGRADECIMENTOS

A Deus e a meus anjinhos por me protegerem hoje e sempre; Aos meus pais, Tnia e Osmar, minha irm Joyce e aos meus avs por todo incentivo, apoio, amor e carinho ao longo da vida; minha madrinha e guru Teresinha, sempre disposta a ouvir meus problemas; Ao Victor por ser, alm de namorado, amigo e conselheiro. Agradeo pela pacincia, amor e carinho;

Faculdade de Engenharia de Ilha Solteira, pela oportunidade de realizao do mestrado na rea de Recursos Hdricos e Tecnologias Ambientais; A Capes pela concesso da bolsa de mestrado, que possibilitou minha permanncia em Ilha Solteira, SP; Aos orientadores Milton DallAglio Sobrinho e Dib Gebara, que com suas particulariadades tiveram pacincia de me orientar. Obrigada por confiarem em meu trabalho e contriburem para o meu crescimento pessoal e profissional; Prefeitura de Ilha Solteira por permitir a instalao de meu experimento junto estao elevatria de esgoto da cidade; Aos professores do Programa de Ps-Graduao em Engenharia Civil - Tangerino, Luzenira, Maurcio, Srgio, Tsunao, entre outros - e funcionrios do Departamento de Engenharia Civil; Aos colegas de ps graduao e de laboratrio - Juliana, Gustavo, Glauber, Ana Gabriela, Thassya, Mnica, Paulo, Jesus, Edson, Thiago, entre outros - pela troca de conhecimentos, colaborao e risadas; Aos colegas Ivn e Rossi por sempre me auxiliarem nas dvidas laboratoriais, e ao aluno de graduao Matheus pela ajuda prestada na realizao das anlises nas etapas finais do experimento; Prof. Dr. Heloiza e ao Z Hernandes por disponibilizar tempo, laboratrio e conhecimento para me auxiliar nas anlises microbiolgicas; Ao Alessandro Minillo pela pacincia e idias sugeridas, e por ter me direcionado ao pessoal de Jaboticabal - Faculdade de Cincias Agrrias e Veterinrias UNESP;

Aos colegas do Laboratrio de Bioqumica de Microrganismos de Plantas (FCAV UNESP) - Ana Rita, Viviane, Joo Carlos e Michele - fundamentais para a realizao das anlises genmicas;

s amigas e companheiras de repblica Josy e Bia pela convivcia, companherismo, momentos de descontrao e desabafos. Vocs, juntamente com a Anglica, o Dil e as meninas do futebol tornaram a minha permanncia em Ilha Solteira mais agradvel e divertida; Enfim, a todos que direta ou indiretamente me ajudaram a vencer mais esta etapa.

RESUMO

O reator aerbio de leito fluidizado com circulao interna emprega microorganismos aderidos a um meio suporte uniforme (areia), removendo tanto matria orgnica quanto nitrogenada. Neste experimento foram estudados dois reatores com 2,6 m de altura cuja diferena era o dimetro do tubo interno (125 e 150 mm) e foram aplicadas diferentes concentraes de meio suporte ao longo do estudo (100, 125 e 150 g.L-1). Ensaios realizados com gua limpa utilizando traador (NaCl) e sondas de condutividade eltrica mostraram que, nas vazes de ar entre 1500 3000 L.h-1, ocorre circulao suficiente para a suspenso do meio suporte. O esgoto domstico passou por peneiramento esttico e foram realizadas anlises de DBO, DQO, NT, Namon, NO2, NO3, slidos, espessura do biofilme, turbidez, temperatura, pH, OD e testes microbiolgicos (Gram, esporos e catalase). Observou-se que a adio de meio suporte influencia positivamente na eficincia de remoo de matria nitrogenada, e que uma menor diferena entre as reas interna e externa facilitam o equilbrio do sistema, apresentando assim, eficincias melhores.

Palavras-chave: Biofilme. Leito fluidizado. Nitrificao. Reator aerbio. Matria orgnica

ABSTRACT

Aerobic fluidized bed reactor with internal-loop uses microorganisms attached to a uniform carrier (sand), removing carbonaceous and nitrogenous matter. In this experimental work two reactors with 2,6 m height were studied. The main difference between both reactors was the inner tube diameter (125 and 150mm). Different carrier concentrations were applied in that study (100, 125 and 150g.L-1). Experiments with clean water using a marker (NaCl) and electrical conductivity probes showed that with flow taxes between 1500 3000 L.h-1 occurs sufficient circulation to suspend the carrier. The sewage passed by static screening and analyses of BOD, COD, total nitrogen, Namon, NO2, NO3, suspend solids, biofilm thickness, turbidity, temperature, pH, dissolved oxygen and microbiological test (Gram, spores and catalysis) were realized. In that work, was observed that the addition of carrier has positive influences on nitrogenous matter removal efficiency, and lower differences between indoor/outdoor area facilitate system balance, showing better efficiencies.

Key-words: Aerobic reactor. Biofilm. Fluidized bed. Nitrification. Organic matter

LISTA DE FIGURAS

Figura 3.1. Tipos de fluxo observados em sistema bifsico (lquido-gs) ascendente no tubo de subida, segundo Oshinowo e Charles (1974). Sendo os fluxos (1) borbulhento, (2) embolsado com bolhas, (3) embolsado com espuma, (4) de espuma, e (5) anular. Adaptado de Martn (2002) ..........

24

Figura 3.2. Zonas observadas em tanques airlift. Adaptado de Martn (2004) .......... 25 Figura 3.3. Formas de fluidizao. Adaptado de Levenspiel e Kunni (1991) ............ 26 Figura 3.4. Fluxo em reatores de circulao (a) interna e (b) externa. Adaptado de

Martn (2004) ........................................................................................... 27 Figura 3.5. Regime de circulao de bolhas em funo da vazo de gs. Fonte:

Rufato (2005) ........................................................................................... 28 Figura 3.6. Representao esquemtica da expanso no tubo interno e externo em

funo da velocidade superficial do gs. Adaptado de Van Benthum et al. (1999) ..................................................................................................

29

Figura 3.7. Regimes de fluxo em airlift trifsico. (a) leito fixo, (b) leito fluidizado, (c) leito em circulao. Adaptado de Martn (2004) ................................ 30

Figura 3.8. Transferncia de massa em reatores trifsicos. Adaptado de Nicolella et al. (1999) .................................................................................................. 32

Figura 3.9. Biofilme (a) aderido a um suporte; (b) em grnulo. Fonte: Nicolella et al. (2000b) ................................................................................................ 33

Figura 3.10. Representao esquemtica das etapas de desenvolvimento de biofilme (modelo para Pseudomonas aeruginosa). Adaptado de Ghigo et al. (2003) por Grupo de Cincias Biolgicas (2005) .................................... 35

Figura 3.11. Desenvolvimento de biofilme. (a) Colonizao primria; (b) crescimento, e produo de EPS; (c) coadeso de clulas individuais, coagregadas e grupos de clulas, originando biofilme jovem, de mltiplas espcies; d) maturao e formao de mosaicos clonais no biofilme maduro. Adaptado de KYAW (2008) .......................................

35

Figura 3.12. Gradientes de concentrao de substrato (S) em biofilmes de diferentes espessuras. Adaptado de Von Sperling (1996) por Gebara (2006) .......... 36

Figura 3.13. Efeito do dimetro das partculas na concentrao de biomassa. Adaptado de Heijnen et al. (1991) por Gebara (2006) ............................. 37

Figura 3.14. Perfil de concentrao de oxignio, matria orgnica e nitrato no biofilme completamente penetrado pelo nitrato. Adaptado de Hagedorn-Olsen et al. (1994) por Gebara (2006) ..................................................... 38

Figura 3.15. Perfil de concentrao de oxignio, matria orgnica e nitrato no biofilme parcialmente penetrado pelo nitrato. Adaptado de Hagedorn-Olsen et al. (1994) por Gebara (2006) ..................................................... 39

Figura 3.16. Perfil de nitrognio no biofilme. Adaptado de Iwai e Kitao (1994) por Gebara (2006) ........................................................................................... 39

Figura 3.17. Estrutura do biofilme (a) representao esquemtica da influncia da concentrao do substrato (aumentado da esquerda para direita) e das foras de atrito (diminuindo da esquerda para direita), e (b) simulao do biofilme sob a ao do campo de velocidades. Adaptado de Nicolella et al. (2000b) ............................................................................................ 41

Figura 3.18. Relao entre a biomassa na partcula e a biomassa em suspenso, em funo do tempo de deteno hidrulica. Adaptado de Heijnen et al. ..... 42

Figura 3.19. Transformaes do nitrognio - tratamentos convencionais. Fonte: Arajo Junior. (2006) ............................................................................... 45

Figura 3.20. Estratificao das camadas do biofilme no processo SND. Fonte: Carvalho Junior. (2008) ............................................................................ 47

Figura 4.1. (a) Esquema geral e (b) Viso superior do reator .................................... 49 Figura 4.2. Detalhe (a) do fundo do reator e (b) do injetor de ar ............................... 49 Figura 4.3. Esquema geral da bancada experimental .................................................. 50

Figura 4.4 Exemplo de grfico de tenso em funo do tempo durante ensaio com traador (NaCl), utilizando vazo de 1600 L/h ........................................ 51

Figura 5.1. Curva granulomtrica da areia utilizada ................................................... 57

Figura 5.2. Curva de calibrao da areia utilizada no experimento ............................ 58

Figura 5.3. Velocidade de circulao nas vazes de ar aplicadas nos dois reatores ... 59

Figura 5.4. Concentraes de DQO obtidas na fase 1 de operao do (a) R1 e (b) R2 ............................................................................................................. 63

Figura 5.5. Concentraes de DBO obtidas na fase 1 de operao do (a) R1 e (b) R2 64 Figura 5.6. Concentraes de nitrognio total obtidas na fase 1 de operao do (a)

R1 e (b) R2 ............................................................................................... 66 Figura 5.7. Concentraes de nitrognio amoniacal obtidas na fase 1 de operao do

(a) R1 e (b) R2 ......................................................................................... 67 Figura 5.8. Concentraes de nitrito obtidas na fase 1 de operao do (a) R1 e (b)

R2 ............................................................................................................. 68

Figura 5.9. Concentraes de nitrato obtidas na fase 1 de operao do (a) R1 e (b) R2 ............................................................................................................. 69

Figuras 5.10. Concentraes de slidos totais no (a) R1 e (b) R2 durante a fase 1 ....... 70 Figuras 5.11. Concentraes de slidos totais fixos no (a) R1 e (b) R2 durante a fase 1 71 Figuras 5.12. Concentraes de slidos totais volteis no (a) R1 e (b) R2 durante a

fase 1 ......................................................................................................... 72

Figuras 5.13. Concentraes de slidos suspensos totais no (a) R1 e (b) R2 durante a fase 1 ......................................................................................................... 73

Figuras 5.14. Concentraes de slidos suspensos fixos no (a) R1 e (b) R2 durante a fase 1 ......................................................................................................... 74

Figuras 5.15. Concentraes de slidos suspensos volteis no (a) R1 e (b) R2 durante a fase 1 ...................................................................................................... 75

Figura 5.16. Espessura do biofilme no (a) R1 e (b) R2 durante a fase 1 ...................... 77 Figura 5.17. Massa especfica da biopartcula no (a) R1 e (b) R2 durante a fase 1 ..... 78 Figura 5.18. Concentraes de DQO obtidas na fase 2 de operao do (a) R1 e (b) R2 81 Figura 5.19. Concentraes de DBO obtidas na fase 2 de operao do (a) R1 e (b) R2 82 Figura 5.20. Concentraes de nitrognio total obtidas na fase 2 de operao do (a)

R1 e (b) R2 ............................................................................................... 83 Figura 5.21. Concentraes de nitrognio amoniacal obtidas na fase 2 de operao do

(a) R1 e (b) R2 ......................................................................................... 84 Figura 5.22. Concentraes de nitrito obtidas na fase 2 de operao do (a) R1 e (b)

R2 ............................................................................................................. 85

Figura 5.23. Concentraes de nitrato obtidas na fase 2 de operao do (a) R1 e (b) R2 ............................................................................................................. 86

Figuras 5.24. Concentraes de slidos totais no (a) R1 e (b) R2 durante a fase 2 ....... 87 Figuras 5.25. Concentraes de slidos totais fixos no (a) R1 e (b) R2 durante a fase 2 88 Figuras 5.26. Concentraes de slidos totais volteis no (a) R1 e (b) R2 durante a

fase 2 ......................................................................................................... 89

Figuras 5.27. Concentraes de slidos suspensos totais no (a) R1 e (b) R2 durante a fase 2 ......................................................................................................... 90

Figuras 5.28 Concentraes de slidos suspensos fixos no (a) R1 e (b) R2 durante a fase 2 ......................................................................................................... 91

Figuras 5.29. Concentraes de slidos suspensos volteis no (a) R1 e (b) R2 durante a fase 2 ...................................................................................................... 92

Figura 5.30. Espessura do biofilme no (a) R1 e (b) R2 durante a fase 2 ...................... 93 Figura 5.31. Massa especfica da biopartcula no (a) R1 e (b) R2 durante a fase 2 ..... 94 Figura 5.32. Visualizao em microscpio tico (objetiva PL 4-0,1 mm) (a) areia

sem biofilme e (b) biopartcula aps uma semana de operao do reator 98 Figura 5.33. Exemplo de uma (a) placa de petri colonizada por uma das amostras

retiradas e (b) bactria isolada em tubo inclinado .................................... 98 Figura 5.34. Exemplo de bactria (a) Gram +, (b) Gram e, (c) esporulada ...............

99 Figura 5.35. DNA observado em cmara de UV aps extrao e eletroforese ............ 99

LISTA DE TABELAS

Tabela 4.1. Mtodos utilizados para as anlises que sero realizadas ............................. 52

Tabela 5.1. Resumo dos dados obtidos durante a fase 1 ................................................. 78

Tabela 5.2. Resumo dos dados obtidos durante a fase 2 ................................................. 94

Tabela 5.3. Resumo dos dados obtidos no reator 1 durante a fase 3 ............................... 96

LISTA DE ABREVIATURAS E SMBOLOS

AE amostrador externo

AII amostrador interno inferior

AIS amostrador interno superior

D10 dimetro efetivo dos gros

dp dimetro mdio das partculas

DBO demanda bioqumica de oxignio

DQO demanda qumica de oxignio KLa coeficiente global de transferncia de oxignio

m1 massa inicial seco (aps estufa) m2 massa seca

n nmero de partculas

NAmon nitrognio amoniacal

NO2 Nitrito

NO3 Nitrato

NT nitrognio total

OD oxignio dissolvido

PCR polimerase chain reaction

pH potencial hidrogeninico

R1 reator 1 configurao 250-125 mm

R2 reator 2 configurao 250-150 mm

SS slidos suspensos totais

SSF slidos suspensos fixos

SSV slidos suspensos volteis

ST slidos totais

STF slidos totais fixos

STV slidos totais volteis

TDH tempo de deteno hidrulica

U coeficiente de desuniformidade

uT unidade de turbidez

Va volume de areia seca (aps mufla) Va+b volume de areia inicialmente decantada

Vbf volume aproximado do biofilme

Vtotal volume total de amostra (areia + lquido) W umidade

espessura do biofilme

massa especfica

SUMRIO

1 INTRODUO ........................................................................................................... 18 2 OBJETIVOS ................................................................................................................ 19

2.1 Objetivo Geral .......................................................................................................... 19 2.2 Objetivos Especficos ................................................................................................ 19 3 REVISO BIBLIOGRFICA ................................................................................... 20 3.1 Tratamento de Esgoto Domstico ........................................................................... 20

3.2 Tratamento Biolgico ............................................................................................... 20

3.3 Reatores Biolgicos ................................................................................................... 21

3.4 Reator Aerbio de Leito Fluidizado com Circulao ............................................ 23

3.4.1 Fluidizao do Leito .............................................................................................. 24

3.4.2 Recirculao do Sistema ....................................................................................... 27

3.4.3 Transferncia de Oxignio .................................................................................... 31

3.5 Biofilme ...................................................................................................................... 33

3.5.1 Composio e Formao ....................................................................................... 34

3.5.2 Influncia do meio suporte ................................................................................... 36

3.5.3 Influncia do Oxignio .......................................................................................... 38

3.5.4 Influncia Hidrodinmica ..................................................................................... 40

3.5.5 Caracterizao da comunidade microbiana ........................................................ 43

3.6 Remoo de Nitrognio ............................................................................................ 44

3.6.1 Nitrificao ............................................................................................................. 45

3.6.2 Desnitrificao ....................................................................................................... 46

4 MATERIAL E MTODOS ........................................................................................ 48 4.1 Esgoto domstico utilizado no experimento ........................................................... 48

4.2 Reator ........................................................................................................................ 48

4.3 Meio suporte .............................................................................................................. 50

4.3.1 Caracterizao ....................................................................................................... 50

4.3.2 Curva de calibrao da proveta para determinao do volume de areia ........ 51

4.4 Ensaios hidrodinmicos ........................................................................................... 51

4.4.1 Velocidade de circulao do fluido ...................................................................... 51

4.5 Ensaios Fsico-Qumicos ........................................................................................... 52

4.5.1 Espessura do Biofilme ........................................................................................... 53

4.6 Ensaios Microbiolgicos ........................................................................................... 54

4.6.1 Isolamento dos microrganismos ........................................................................... 54

4.6.2 Teste da Catalase ................................................................................................... 54

4.6.3 Colorao diferencial de Gram ............................................................................ 55

4.6.4 Colorao de esporo .............................................................................................. 55

4.6.5 Caracterizao Genmica ..................................................................................... 55

5 RESULTADOS E DISCUSSES .............................................................................. 57 5.1 Caracterizao do meio suporte .............................................................................. 57

5.2 Curva de volume de areia sedimentada .................................................................. 58

5.3 Velocidade de circulao do fluido ......................................................................... 59

5.4 Fases de operao dos reatores ............................................................................... 60

5.4.1 Fase 1 ...................................................................................................................... 60

5.4.1.1 DQO ..................................................................................................................... 62

5.4.1.2 DBO ..................................................................................................................... 64

5.4.1.3 Nitrognio ............................................................................................................ 65

5.4.1.4 Slidos .................................................................................................................. 70

5.4.1.5 Biofilme ................................................................................................................ 76

5.4.1.6 Resumo comparativo entre R1 e R2 durante a operao da fase 1 ............... 78

5.4.2 Fase 2 ...................................................................................................................... 79

5.4.2.1 DQO ..................................................................................................................... 80

5.4.2.2 DBO ..................................................................................................................... 82

5.4.2.3 Nitrognio ............................................................................................................ 83

5.4.2.4 Slidos .................................................................................................................. 87

5.4.2.5 Biofilme ................................................................................................................ 92

5.4.2.6 Resumo comparativo entre R1 e R2 durante a operao da fase 2 ............... 94

5.4.3 Fase 3 ...................................................................................................................... 95

5.5 Ensaios Microbiolgicos ........................................................................................... 98

5.5.1 Caracterizao Genmica ..................................................................................... 100

6 CONCLUSES ............................................................................................................ 102 7 RECOMENDAES .................................................................................................. 103 8 Referncias ................................................................................................................... 104

18

1 INTRODUO

A preocupao com o despejo inadequado de esgoto domstico vem sendo um problema crescente, visto que, alm de srios problemas ambientais, causam tambm inmeros danos sade humana, sendo, portanto, de extrema importncia que todos os municpios busquem formas viveis e adequadas de tratamento antes de sua destinao final.

As principais caractersticas poluentes dos esgotos domsticos so a presena de matria orgnica e nutrientes, alm de microorganismos patognicos e substncias txicas. O mtodo mais utilizado para a degradao deste tipo de gua residuria o biolgico, que pode ser aerbio, anaerbio, ou ambos.

Reatores como o de leito fluidizado, que utilizam biofilme aderido a suportes ou de forma dispersa no meio, surgem da busca por melhoramentos nas estaes de tratamento de esgotos. Estes reatores tm como vantagens a possibilidade de reter maior concentrao de biomassa ativa, serem compactos, realizarem remoo eficiente de matria carboncea, alm da remoo de nutrientes, em um mesmo reator.

Os biofilmes so ecossistemas microbianos complexos formados principalmente por clulas e produtos extracelulares, cuja espessura e estrutura dependem do material suporte, das condies fsico-qumicas, e do regime hidrulico empregados.

Neste trabalho, foi utilizado o reator aerbio de leito fluidizado com circulao interna, onde o tratamento do esgoto domstico ocorre devido ao de microorganismos presentes em biofilme aderido em material suporte (areia) e a circulao do meio ocorre por diferena nas presses hidrostticas dos tubos.

O intuito do trabalho foi avaliar a remoo de matria carboncea e nitrogenada em dois reatores apresentando relaes de rea interna/externa diferentes, variando o dimetro do tubo interno, bem como as concentraes de meio suporte.

A importncia do estudo deste reator a busca por alternativa de tratamento de esgoto domstico que seja rpida (baixos tempos de deteno hidrulica), no exale odores desagradveis, dispense ps-tratamento, utilize espao reduzido, e tenha boa eficincia tanto na remoo de matria carboncea quanto nitrogenada, ocorrendo simultaneamente devido ao dos diferentes microorganismos presentes no biofilme.

19

2 OBJETIVOS

2.1 Objetivo Geral

O principal objetivo deste trabalho foi verificar a influncia da concentrao de meio suporte e da relao entre reas (interna/externa) sobre a eficincia de remoo de matria carboncea e nitrogenada no tratamento de esgoto domstico utilizando reator aerbio de leito fluidizado com circulao interna, submetido previamente apenas a peneiramento esttico.

2.2 Objetivos Especficos

- Correlacionar a eficincia de remoo de matria carboncea e nitrogenada com a espessura do biofilme formado;

- Verificar as caractersticas do biofilme formado neste tipo de reator (leito fluidizado com circulao interna).

20

3 REVISO BIBLIOGRFICA

3.1 Tratamento de Esgoto Domstico

De acordo com Instituto Brasileiro de Geografia e Estatstica - IBGE (2002), no Brasil

aproximadamente 70,9 milhes de brasileiros produzem cerca de 14,6 milhes de metros

cbicos de esgoto domstico, e destes somente 35% so tratados, ou seja, mais de 9,5 milhes

de metros cbicos de esgoto so despejados, diariamente, de maneira inadequada em corpos

hdricos.

O esgoto domstico composto mais de 98% por gua contendo contaminantes como

slidos suspensos, compostos orgnicos (40-60% protenas, 25-50% carboidratos, 10% leos

e graxas), nutrientes (nitrognio e fsforo), metais, slidos dissolvidos inorgnicos, slidos

inertes, slidos grosseiros, compostos no biodegradveis, organismos patognicos e, algumas

vezes, apresenta tambm contaminantes txicos provindos de atividades industriais ou

acidentes (NETO; CAMPOS, 1999).

De acordo com Von Sperling (1996), os aspectos importantes na seleo de sistemas de

tratamento de esgotos domsticos, para que seja utilizada a melhor alternativa tcnica e

econmica so: eficincia, confiabilidade, disposio do lodo, requisitos e disponibilidade de

rea, impactos ambientais, custos de operao e implantao, sustentabilidade e simplicidade

do sistema.

3.2 Tratamento Biolgico

Para o tratamento de guas residurias, industriais ou domsticas, so utilizados trs

mtodos principais: fsicos (gradeamento, mistura, sedimentao, etc), qumicos (adio de

produtos qumicos ou devido a reaes qumicas) e biolgicos (por meio de atividade

biolgica, com a remoo da matria orgnica) (FEIDEN, 2001). Para esgoto domstico, o

mais utilizado o biolgico, tanto anaerbio quanto aerbio.

Nos processos anaerbios ocorre a ao de diversos microorganismos atuando

interativamente na converso de matria orgnica complexa (carboidratos, protenas, lipdios)

em substncias mais simples (metano, gs carbnico, gua) e novas clulas bacterianas. As

principais vantagens deste processo so: a baixa produo de lodo (de 5 a 10 vezes menor que

21

em processos aerbios), a produo de metano, e a alta eficincia na remoo da matria

orgnica, mesmo com altas cargas e baixas temperaturas. No entanto, as bactrias anaerbias

podem ser inibidas por diversos compostos, a partida do processo pode ser bastante lenta,

geralmente requer ps-tratamento, e h possibilidade de gerao de maus odores (FABIANO,

2005).

No mtodo biolgico aerbio tambm ocorre ao de comunidades microbianas

heterogneas interagindo, sendo a biomassa constituda de diversas espcies microbianas,

incluindo predominantemente bactrias, fungos e protozorios (MELLO, 2007).

De acordo com Pedrozo et al. (2002) apud Mello (2007), a respirao aerbia baseada

na presena de um doador de eltrons (matria orgnica) e de um receptor final de eltrons

(oxignio), assim, a diferena de potencial de oxireduo entre o receptor e o doador de

eltrons permite que as molculas orgnicas sejam oxidadas a CO2 com grande produo de

ATP (Adenosina trifosfato) e devido a essa disponibilidade energtica ocorre o crescimento

microbiano no processo aerbio. Resumidamente, no tratamento aerbio uma microflora

heterognea (biomassa) metaboliza as substncias orgnicas gerando produtos do seu

metabolismo.

Os processos biolgicos de tratamento (aerbio e anaerbio) podem ser empregados no

tratamento de diferentes tipos de guas residurias, desde que estas ofeream as condies

necessrias para a degradao biolgica.

3.3 Reatores Biolgicos

Diversas tcnicas para o tratamento de esgoto domstico foram e vm sendo

desenvolvidas, com intuito principal de atender s normas ambientais vigentes, removendo

principalmente matria orgnica e nitrogenada.

Dentre os processos anaerbios utilizados nas estaes de tratamento, atualmente, esto

os reatores UASB (Upflow Anaerobic Sludge Blanket), EGSB (Expanded Granular Sludge

Bed), RALF (Reator Anaerbio de Leito Fixo) e as lagoas anaerbias.

E quanto aos processos baseados no tratamento aerbio, tm-se as lagoas, os lodos

ativados, os reatores de leito fluidizado, entre outros.

As lagoas de estabilizao, facultativas e aeradas, removem satisfatoriamente a DBO e

patognicos alm de ter construo, operao e manuteno simples, no entanto, requerem

grandes reas e seu desempenho varia bastante de acordo com as condies climticas (VON

SPERLING, 1996).

22

Os sistemas de lodos ativados, apesar da alta eficincia na remoo de DBO,

apresentam elevados custos de implantao, de operao e de consumo de energia, alm de

ser um sistema bastante mecanizado e que requer tratamento completo e disposio final do

lodo gerado (VON SPERLING, 1996).

Estes e outros sistemas de tratamento vm sendo estudados e aprimorados com o intuito

de encontrar a forma mais vivel de tratamento, em termos de eficincia e custo. Devido a

esta busca por melhoramentos nas estaes de tratamento tm-se os reatores de biomassa fixa,

onde a imobilizao de microrganismos possibilita operaes com maiores concentraes

bacterianas eliminando a necessidade de recirculao de lodo concentrado e atingindo melhor

estabilidade a picos de carga (RYHINER et al., 1992). Os reatores com biofilme aderido tm

vantagens como a possibilidade de reter maior concentrao de biomassa com atividade

metablica mais elevada, maior eficincia na remoo de DBO, capacidade de suportar

maiores cargas orgnicas, apresentam grande rea de transferncia de massa entre as fases,

alm de serem instalaes mais compactas (MELLO, 2007).

Os principais tipos de reatores que utilizam biofilmes aderidos so os que utilizam

suporte fixo (filtros biolgicos de percolao (trickling filters), filtros submersos), e os que

utilizam suporte mvel (discos biolgicos, reatores de leito expandido, e de leito fluidizado).

De acordo com Nardi et al. (2005) os biorreatores de leito fixo apresentam grande

potencial para a aplicao em grande escala, pois so reatores que permitem a formao de

grande massa de microrganismos aderidos com contato biomassa-efluente adequado,

reduzindo assim o tempo de deteno hidrulica para cargas orgnicas relativamente elevadas.

Com o intuito de aliar os baixos custos de implantao e operao aos benefcios

qualitativos e quantitativos, os reatores aerbios de leito fluidizado surgem como alternativa

interessante, pois podem possibilitar que em uma nica etapa ocorra o tratamento secundrio

e tercirio dos esgotos domsticos.

Nestes reatores ocorre a imobilizao dos microrganismos em biofilmes aderidos a um

meio suporte fluidizado, que possibilitam ao reator reteno de grande concentrao de

biomassa no seu interior o que melhora o contato biomassa-substrato, permite a operao em

tempos de deteno hidrulica reduzidos, melhora a eficincia na remoo da DQO, baixa

produo do lodo e uso de rea reduzida (COSTA et al., 2001).

23

3.4 Reator Aerbio de Leito Fluidizado com Circulao

Dentre as principais caractersticas dos reatores aerbios de leito fluidizado est a

rapidez e eficincia com que tratam guas residurias e utilizam pequenas reas se comparado

com os tratamentos convencionais. Alm disso, h minimizao de odores e geralmente

dispensa o uso de ps-tratamentos para atender a padres de lanamento. Tais caractersticas

ocorrem, pelo fato destes reatores apresentarem boa mistura e contato mais efetivo entre suas

trs fases (slida, liquida e gasosa) (HEIJNEN et al., 1992).

Segundo Alberte et al. (2005), o estudo da aplicao deste tipo de reatores para o

tratamento de guas residurias justificvel por tratar-se de um sistema que dispensa

agitadores mecnicos, terem construo e operao fceis, menores tempos de tratamento, e

consequentemente volume de reator reduzido, tornando o processo mais eficiente e com

menor custo.

Na maioria das vezes este tipo de reator constitudo por duas sees conectadas, de

tubos concntricos com recirculao interna ou de tubos paralelos com recirculao externa

(MARTINS JUNIOR, 2005).

A circulao do liquido gerada aps injeo de ar, pela diferena na presso

hidrosttica entre as duas sees (subida e descida) (MERCHUK, 1990). Sendo a velocidade

do lquido maior que a velocidade de sedimentao das partculas, estas permanecem em

suspenso, o que caracteriza o meio fluidizado, a vazo de ar injetada deve ser suficiente para

manter as biopartculas em suspenso e promover boa mistura das fases.

Os reatores de leito fluidizado trifsicos aerbios tm grande potencial para o

tratamento de esgotos domsticos, como foi observado no trabalho de Costa et al. (2001) que

observaram boa eficincia na remoo de matria carboncea tratando alta carga orgnica (de

12 a 50 kgDQO.m-3.d-1) e baixo TDH (mximo de 42 minutos).

Costa et al. (2001) tambm observaram que o biofilme formado foi capaz de suportar

mudanas bruscas nas cargas aplicadas, mantendo o tratamento estvel, alm de verificar que

ocorre renovao constante da biomassa aderida e elevada produo de polissacardeos,

mantendo o biofilme fino e coeso.

24

3.4.1 Fluidizao do Leito

Quando um gs disperso em um meio mais denso (lquido), devido sua tenso

superficial, se agrupa em zonas discretas adotando a forma de bolhas, e estas, ascendem ao

longo do lquido at a superfcie livre do tanque (MARTN, 2002). Nos tubos de subida so

estabelecidos diferentes fluxos em funo do gs, como mostrado na figura 3.1.

Figura 3.1. Tipos de fluxo observados em sistema bifsico (lquido-gs) ascendente no tubo de subida, segundo Oshinowo e Charles (1974). Sendo os fluxos (1) borbulhento, (2)embolsado com bolhas, (3) embolsado com espuma, (4) de espuma, e (5) anular. Adaptado de Martn (2002)

Para cada fluxo ascendente tem-se, em primeiro lugar, o fluxo borbulhento, onde o

lquido atua como fase continua com o gs em bolhas individuais. Com o aumento a vazo do

gs, ocorre a formao do fluxo embolsado com bolhas, caracterizado pela existncia de

bolhas acompanhada da formao de bolsas de gs com diferentes superfcies de contorno.

Aumentando mais a vazo do gs, tem-se o fluxo embolsado com espuma, com bolsas de gs

maiores e, alm disso, as bolhas ao redor do liquido prximo s bolsas esto em forma de

espuma, e aumentando a vazo do gs ainda mais, tem-se o fluxo de espuma, onde as bolhas

decrescem de tamanho e observada grande turbulncia na mistura lquido-gs. No limite

superior encontrado o fluxo anular, onde o gs ascende por uma coluna central e o liquido se

move, mais lentamente, ascendendo anularmente prximo s paredes do tubo.

A diferena entre reator de leito fluidizado e coluna simples de bolhas que possuem

quatro zonas bem diferenciadas (superior, inferior, de subida e de descida (figura 3.2)), alm

de observar-se circulao bem ordenada das fases densas, que dependem e so induzidas pela

vazo de gs injetado (MARTN, 2004).

25

Figura 3.2. Zonas observadas em tanques airlift. Adaptado de Martn (2004)

Ainda de acordo com Martn (2004), as caractersticas do modo de mistura produzida e

os fenmenos de transporte que ocorrem nos tanques dependem em grande parte do tipo de

fluxo predominante, e estes por sua vez, das porcentagens de fases contribuintes, das

propriedades dos fluidos, do desenho geomtrico do tanque, do tipo de distribuio do gs,

das dimenses do tubo interno e, se o sistema for trifsico, tambm da natureza do sistema,

sua composio e concentrao dos slidos em suspenso.

Em relao fluidizao dos slidos, de acordo com Arajo (2008), ocorre quando um

leito fixo de partculas slidas suspenso por uma corrente, ascendente, de gs ou lquido.

medida que a taxa de escoamento de fluido que passa pelo leito fixo aumentada, o arraste

das partculas aumenta at que em determinado ponto ocorre equilbrio. Aumentando

subsequentemente a taxa de escoamento, ocorrer a expanso do leito, gerando uma

configurao de partculas livres com alta mobilidade, chamada leito fluidizado.

Antes do arraste igualar ou ultrapassar o valor do peso das partculas, o meio passa

pelos estgios de leito fixo, leito expandido e de fluidizao incipiente, como pode ser

observado na figura 3.3.

Na fluidizao mnima (figura 3.3a), a queda de presso entre duas sees do leito

provoca uma fora ascendente que igual ao peso do volume do fluido e das partculas

contidas entre as duas sees, a partir do estgio de fluidizao incipiente (figura 3.3b). Com

o aumento da velocidade do fluxo, o leito pode passa por diferentes estgios de fluidizao,

que pode ser homogeneamente fluidizado (figura 3.3c), ou com heterogeneidades. Estas

26

heterogeneidades podem ocorrer na forma de bolhas (figura 3.3d), escoamento axialmente

pistonado (figura 3.3e), pistonado em toda a seo transversal (figura 3.3f) e fluidizao

turbulenta (figura 3.3g). E aumentando ainda mais a velocidade de fluxo, as partculas

comeam a ser arrastadas em grande quantidade atingindo-se a fase de leito fluidizado pobre

(figura 3.3h).

O tamanho e a distribuio de tamanhos dos slidos, bem como a relao entre as

densidades do fludo e do slido, so os principais fatores que influenciam a forma de

ocorrncia da fluidizao. Geralmente, sistemas slido-lquidos fluidizam mais

homogeneamente, enquanto sistemas slidos-gases apresentam maior grau de

heterogeneidade. Modelos convencionais de contato buscam condies de escoamento

pistonado ideal para permitir melhor controle e uniformidade do processo. No entanto, no

caso dos leitos fluidizados isto no ocorre, pois os slidos podem ser melhor representados

por um escoamento de mistura completa, enquanto que o fluido segue padro de fluxo

intermedirio, de difcil descrio (ARAJO, 2008).

Figura 3.3. Formas de fluidizao. Adaptado de Levenspiel e Kunni (1991)

27

3.4.2 Recirculao do Sistema

Em relao circulao do sistema, h basicamente duas configuraes de reatores de

leito fluidizado com circulao, podendo ser interna ou externa. O tanque de circulao interna

(figura 3.4a), que foi a configurao utilizada no presente trabalho, trata-se de uma coluna de

bolhas simples transformada em um sistema com duas zonas diferenciadas de fluxo (ascendente

e descendente), e isto ocorre devido insero de um tubo interno por onde as bolhas so

injetadas. No tanque com circulao externa (figura 3.4b), os tubos ascendente e descendente

so separados e conectados pela zona superior e inferior.

Figura 3.4. Fluxo em reatores de circulao (a) interna e (b) externa. Adaptado de Martn (2004)

O gs injetado na base do reator, possui fluxo ascendente no tubo de subida e

dependendo do regime de circulao das bolhas, o tubo de descida pode estar sem a presena

de bolhas, parcialmente ou completamente preenchido, podendo ainda ocorrer recirculao

das bolhas do tubo de descida para o de subida (MARTINS JUNIOR, 2005).

Van Benthum et al. (1999) descreveram a existncia de trs regimes e sua dependncia

sobre a zona de separao gs-lquido e a velocidade do lquido no tubo de descida, como

pode ser observado na figura 3.5.

28

Figura 3.5. Regime de circulao de bolhas em funo da vazo de gs. Fonte: Rufato (2005)

No regime I no h presena de gs no tubo externo e isto ocorre em baixas vazes de

gs, onde a velocidade da fase lquida insuficiente para carregar as bolhas para o tubo externo,

ou seja, a velocidade do meio lquido menor que a velocidade relativa das bolhas (Vle < Vsg).

No regime II, ocorre a presena de bolhas de gs no tubo externo, que poder estar parcialmente

ou completamente preenchido pelas bolhas, as quais no apresentam grandes deslocamentos na

coluna externa, sendo a velocidade de circulao da fase lquida praticamente igual a velocidade

relativa da bolha (Vle = Vsg). J no regime III, ocorre a completa circulao do gs, onde grande

quantidade de bolhas levada para todo o tubo externo e retornam novamente ao tubo interno,

pois a velocidade do lquido maior que a velocidade relativa das bolhas (Vle > Vsg). Neste

regime, devido recirculao das bolhas para o tubo interno, a quantidade de gs no tubo

interno maior que a injetada pelos borbulhadores (VAN BENTHUM et al., 1999)

A velocidade de recirculao do lquido um parmetro importante na configurao dos

reatores, pois determina os processos de mistura lquida, recirculao de bolhas e suspenso de

slidos.

Segundo Martins Junior (2005), em reatores que operam com baixa velocidade as

partculas slidas em suspenso no leito sedimentaro na base. J em velocidades suficiente,

podem ocorrer baixas tenses de cisalhamento, aumentando a espessura do biofilme e

provocando condies anaerbias, levando ao desprendimento dos microrganismos e

formao de biomassa suspensa em excesso. Se operados com alta velocidade, pode ocorrer

reduo da espessura, prejudicando o processo de remoo da matria orgnica.

29

O comportamento da velocidade do liquido altera-se em cada regime de circulao de

bolhas. A figura 3.6 mostra uma representao esquemtica do comportamento da expanso no

tubo externo e interno em funo da vazo de gs.

No regime I h gs apenas no tubo interno e o aumento da velocidade explicado pelo

aumento da diferena da frao volumtrica de gs entre os tubos. Quando o regime II

atingido, a diferena permanece constante, existindo a tendncia de a velocidade permanecer

constante. A mudana na declividade da reta corresponde ao regime III, heterogneo, onde

esto presentes bolhas de diversos tamanhos. As bolhas maiores tendem a apresentar velocidade

de ascenso maior, diminuindo a frao de gs no tubo interno e dificultando sua entrada para o

tubo externo.

Figura 3.6. Representao esquemtica da expanso no tubo interno e externo em funo da velocidade superficial do gs. Adaptado de Van Benthum et al. (1999)

Heijnen et al. (1997) relatam que na partida dos reatores necessria uma vazo de gs

maior que a mnima para fluidizar o leito devido resistncia oferecida pelas partculas em

funo do arranjo entre elas. Ao decrescer a vazo do gs, de altos valores a valor prximo da

vazo mnima necessria para a fluidizao, a expanso no tubo interno dever contrabalancear

a diferena de slidos no tubo externo e interno, garantindo que a massa especfica no tubo

interno seja menor ou igual do tubo externo.

Em relao recirculao de slidos, segundo Martn (2004), so identificados trs

regimes bsicos de fluxo que em ordem crescente da velocidade do gs injetado podem ser

classificados como de leito fixo, fluidizado e em circulao (figura 3.7).

30

Figura 3.7. Regimes de fluxo em airlift trifsico. (a) leito fixo, (b) leito fluidizado, (c) leito em circulao. Adaptado de Martn (2004)

No regime de leito fixo (figura 3.7a) a velocidade do gs baixa e os slidos esto

sedimentados atuando como resistncia adicional circulao do liquido e do gs, provocando,

em muitas ocasies, a diviso do fluxo da fase gasosa em duas correntes paralelas que

ascendem pelos tubos interno e externo, comportando-se como duas colunas de bolhas em

paralelo (MARTN, 2004). Para que o reator opere no regime de fluidizao a densidade

aparente no tubo de subida deve ser menor ou igual de descida (GARCIA-CALVO et al,

1999)

Ao atingir o estado de fluidizao (figura 3.7b) a distribuio de slidos muda com o

aumento da vazo de gs e os reatores comeam a se comportar como sistema trifsico. No

regime de leito fluidizado todo o gs passa pelo tubo interno e a circulao do liquido

induzida como em reatores bifsicos de circulao interna, as partculas slidas so fluidizadas a

diferentes alturas do tubo interno dependendo da quantidade de gs insuflado, mas em nenhum

caso so arrastadas at a parte superior do tubo (MARTN, 2004).

A diferena entre os regimes de leito fluidizado de circulao completa estabelecida

pelo valor da velocidade do lquido, pois quando a velocidade do lquido maior ou igual

velocidade de sedimentao do slido, as partculas comearo a circular pelo tubo externo e

interno. O regime de circulao completa (figura 3.7c) definido basicamente como modelo em

que no existem slidos sedimentados no fundo do tanque, sendo que todas as partculas

encontram-se circulando ao longo dos tubos interno e externo (MARTN, 2004).

31

3.4.3 Transferncia de Oxignio

Nos processos industriais que empregam etapas de transferncia com ou sem reao

qumica, necessrio que as fases presentes estejam em contato, para que transcorra o processo

de transferncia. Para conseguir a homogeneizao do lquido nos tanques vm sendo

utilizados, normalmente, agitadores mecnicos, bocais de disperso de liquido e os diferentes

dispositivos de disperso de gases, que podem ou no fazer parte dos processos de transferncia

(MARTN, 2002).

Nos reatores de leito fluidizado, grande parte do ar injetado requerida para manter o

meio suporte em suspenso. Entretanto, ao definir a quantidade de ar que ser injetada, deve ser

considerado o oxignio necessrio para a oxidao da matria carboncea e nitrogenada,

tornando, assim, a quantidade de oxignio transferido durante a injeo de ar um parmetro de

controle.

Nos reatores que utilizam ao de biofilmes, a transferncia de massa est relacionada

com a quantidade de oxignio dissolvido na camada externa do biofilme. Zhang e Bishop

(1994) relatam que o acrscimo da matria orgnica, da velocidade do fluido e da rugosidade da

superfcie do biofilme resulta na diminuio da resistncia externa de transferncia de massa.

O oxignio transferido das bolhas de gs para o biofilme, onde ocorrem as reaes

bioqumicas. Geralmente o caminho da transferncia de oxignio nestes reatores inclui oito

resistncias, porm, nem todas so significantes no caso de reatores trifsicos. Os processos

considerados por Nicolella et al. (1999) para caracterizar o consumo de oxignio nestes

sistemas so: fluxo de gs convectivo no reator; transferncia da fase de gasosa fase lquida

pela interface de lquido-gs, no assumindo nenhuma resistncia de transferncia de massa no

interior da fase gasosa; transferncia da fase lquida fase slida pela interface de lquido-slido

com resistncia de transferncia de massa no lado lquido; e reao e difuso na fase de

biofilme. Estes processos podem ser observados na figura 3.8.

32

Figura 3.8. Transferncia de massa em reatores trifsicos. Adaptado de Nicolella et al. (1999)

A capacidade de um sistema em transferir oxignio para o meio avaliada por ndices que

so calculados a partir da determinao do coeficiente global de transferncia de oxignio

(KLa), cuja determinao baseada na determinao de oxignio dissolvido.

Simes (1994) trabalhando com reator trifsico de leito expandido observou a influncia

da porcentagem de meio suporte no KLa. O autor verificou que com o aumento da quantidade

de suporte dentro do reator ocorreu a intensificao do fenmeno de coalescncia de bolhas,

diminuindo assim, o valor do KLa.

Hernandes (2002) observou em seu trabalho tendncia de diminuio do KLa com o

aumento da vazo para valores acima de 1500 L.h-1, acarretando na diminuio da eficincia do

processo de transferncia de oxignio em relao a vazo. E segundo o autor, isso deve-se

mudana do regime de funcionamento do leito fluidizado (de homogneo para heterogneo ou

de heterogneo para leito com pistonamento).

Para Codas et al. (2002), a adio de enchimento aos reatores melhora,

significativamente, a transferncia de oxignio, pois interfere no caminho das bolhas pela

introduo de obstculos causando maior agitao do sistema e rompimento das bolhas,

resultando em maior rea superficial por unidade de volume e aumento do tempo de deteno

destas dentro do reator.

Em geral, nos processos aerbios a velocidade de transferncia de oxignio para as

clulas microbianas um fator limitante, que pode determinar a velocidade de converso

biolgica, por isso, a disponibilidade de oxignio para os microrganismos depende da sua

solubilidade no meio, da transferncia de massa, bem como da velocidade de consumo do

oxignio dissolvido (REIS, 2007).

33

Por estes motivos, a quantificao das limitaes transferncia de massa tem

importncia significativa nos projetos de reatores, para que estes apresentem melhor

desempenho, pois a velocidade global de reao em sistemas heterogneos pode ser reduzida

pelas dificuldades de transferncia de massa entre as fases (ZAIAT, 2003).

3.5 Biofilme

Biofilme o nome dado camada biolgica presente em inmeras reas, e do ponto de

vista de interesse humano, pode ser benfico ou no. Os biofilmes so prejudiciais quando

causam deteriorao de superfcies e problemas de sade (infeces em tecidos e do trato

urinrio, entre outras).

Na indstria podem provocar perdas de eficincia em trocadores de calor e perda de

carga em tubulaes (BRANDO, 2002).

Por outro lado, podem ser utilizados em biotecnologia ambiental com grande sucesso no

tratamento de guas residurias, atuando na remoo de compostos orgnicos e inorgnicos de

guas contaminadas, na tecnologia de enzimas, fermentaes e produo de antibiticos.

So estruturas complexas de clulas e produtos extracelulares, que se formam aderidas a

um suporte (natural ou artificial) (figura 3.9a), como ocorre em reatores aerbios de leito

fluidizado e filtros percoladores, ou em forma de flocos (grnulos) (figura 3.9b), como em

sistemas de lodos ativados e reatores de manta de lodo (UASB), onde a biomassa cresce

dispersa no meio lquido (NICOLELLA et al., 2000a; MELO; VIEIRA, 1999).

(a) (b) Figura 3.9. Biofilme (a) aderido a um suporte; (b) em grnulo. Fonte: Nicolella et al. (2000b)

Os biofilmes so ambientes ideais para o desenvolvimento de relaes sintrficas, um

tipo de simbiose onde diferentes tipos de organismos metabolicamente distintos dependem

uns dos outros para utilizarem certos substratos para produo de energia (KYAW, 2008).

34

3.5.1 Composio e Formao

Os biofilmes, normalmente, so constitudos por gua, microrganismos e substncias

polimricas extracelulares (EPS) (XAVIER et al., 2003). O biofilme possui estrutura

heterognea formada por diversas espcies de microrganismos, o que possibilita a remoo de

matria carboncea e nitrogenada em um mesmo sistema. Gieseke et al. (2002) mostram em

seu trabalho o potencial de reatores com biofilmes em remover simultaneamente matria

orgnica e nutrientes (N e P) e que isto ocorre devido heterogeneidade e coexistncia de

comunidades microbiolgicas em um nico sistema.

Segundo Melo e Vieira (1999), alm das espcies envolvidas e da composio qumica

do fluido, as caractersticas de cada estrutura tambm dependem das condies

hidrodinmicas sob as quais a camada biolgica formada.

De acordo com Mittelman (1998), o modo de desenvolvimento de um biofilme

proporciona, aos microrganismos constituintes, benefcios como o aumento da concentrao

de nutrientes nas interfaces lquido-biofilme, pois a matriz polimrica favorece a adsoro de

nutrientes, proteo contra fatores ambientais agressivos (variaes de pH, concentraes de

sais e metais pesados, desidratao, foras de cisalhamento, substncias qumicas agressivas,

bactericidas, antibiticos e predadores), facilidade de desenvolvimento de micro-consrcios

que permitem o estabelecimento de relaes de simbiose, bem como a utilizao de substratos

de difcil degradao.

Na formao do biofilme, os principais processos envolvidos so: transporte e fixao

de clulas livres do meio lquido para superfcie slida; crescimento e diviso das clulas

fixas devido ao consumo dos nutrientes do lquido circundante, alm da produo e excreo

dos polmeros extracelulares e, por fim, a libertao de material celular por perda de clulas

individuais (eroso) ou perda de agregados maiores (XAVIER et al., 2003).

De acordo com o GCB (2008) e Kyaw (2008), basicamente podem ser observadas trs

etapas: adeso, maturao e ruptura (figuras 3.10 e 3.11).

Inicialmente, ocorre a adeso superfcie, um processo reversvel (figura 3.10-I) que

envolve a aproximao do organismo superfcie, aleatoriamente ou por mecanismos de

quimiotaxia e de mobilidade; aps a adeso primria, as clulas fracamente ligadas

consolidam o processo de adeso produzindo exopolissacridos que complexam os materiais

da superfcie e os receptores especficos localizados nos flagelos, pili ou fmbrias, e na

ausncia de interferncia mecnica ou qumica, a adeso torna-se irreversvel (figura 3.10-II),

iniciando ento o processo de maturao do biofilme (figura 3.10-III e IV). Quando este est

FlavioRealce

35

completamente maduro, ou seja, atinge massa crtica e o equilbrio dinmico alcanado, as

camadas mais externas do biofilme comeam a libertar clulas que podem dispersar e

multiplicar, colonizando novas superfcies e organizando novos biofilmes em novos locais

(figura 3.11-V) (GRUPO DE CINCIAS BIOLGICAS - GCB, 2008; KYAW, 2008).

Figura 3.10. Representao esquemtica das etapas de desenvolvimento de biofilme (modelo para Pseudomonas aeruginosa). Adaptado de Ghigo et al. (2003) por Grupo de Cincias Biolgicas GCB (2008)

Figura 3.11. Desenvolvimento de biofilme. (a) Colonizao primria; (b) crescimento, e produo de

EPS; (c) coadeso de clulas individuais, coagregadas e grupos de clulas, originando biofilme jovem, de mltiplas espcies; d) maturao e formao de mosaicos clonais no biofilme maduro. Adaptado de Kyaw (2008)

36

Em reatores aerbios o oxignio consumido medida que penetra no biofilme, at

atingir valores que determinam condies anxicas ou anaerbias, podendo assim, ocorrer o

desenvolvimento de duas camadas no biofilme, dependendo da sua espessura e da quantidade

de oxignio dissolvido (OD) no efluente.

A formao do biofilme, em relao espessura, ocorre em trs estgios: fina,

intermediria e elevada (IWAI; KITAO, 1994), como pode ser observado na figura 3.12, que

mostra os gradientes de concentrao resultantes do processo e o estabelecimento destas

camadas.

Figura 3.12. Gradientes de concentrao de substrato (S) em biofilmes de diferentes espessuras. Adaptado de Von Sperling (1996) por Gebara (2006)

Baseados nesta distribuio de espessura no biofilme, Hangedorn-Olsen et al. (1994)

propuseram que h uma regio aerbia localizada na camada mais externa do biofilme e uma

anaerbia na camada mais interna, prxima ao meio suporte.

Gebara (2006) observa que aumento excessivo na espessura do biofilme pode diminuir

a massa especfica da biopartcula (biofilme + suporte), o que pode aumentar o risco

carreamento das partculas do biofilme para fora do sistema, o que prejudica a manuteno da

biomassa e a eficincia do reator.

3.5.2 Influncia do meio suporte

Em reatores com biofilme aderido em suporte, o material usado como suporte pode ser

natural (pedra, areia, solo) ou artificial (plsticos).

Segundo Mello (2007), a adeso de microrganismos ao meio suporte, a estrutura do

biofilme e a velocidade de colonizao microbiana dependem das propriedades superficiais do

37

material escolhido (massa especfica, rugosidade, porosidade, tamanho dos poros e forma da

superfcie), dos microrganismos envolvidos na adeso, das propriedades microbiolgicas dos

microrganismos (exopolmeros ou estruturas extracelulares) e das propriedades do meio aquoso

(presena de substncias que podem condicionar as superfcies, pH, temperatura, velocidade de

escoamento, tempo de exposio, concentrao de microrganismos, tenso superficial e fora

inica do meio).

De acordo com Nicolella et al. (2000a), a profundidade da penetrao do substrato no

biofilme depende da porosidade, concentrao do substrato e da taxa de transferncia de massa

na interface biofilme-lquido.

Van Loodrecht et al. (1995) consideram a rugosidade o parmetro mais importante, pois

aumenta a superfcie de contato e protege do desprendimento provocado pelo cisalhamento,

mantendo os microrganismos na superfcie o tempo necessrio para ocorrer a adeso

irreversvel, e a formao do biofilme.

Segundo Heijnen et al. (1991), h um dimetro ideal da partcula (aproximadamente 0,2

mm), quando considerados materiais suporte como a areia ou de massa especfica aproximada,

pois dimetro menor geraria baixa velocidade de sedimentao e dimetro maior teria menor

rea superficial e logo menos biomassa. A figura 3.13 mostra o efeito do dimetro das partculas

na concentrao de biomassa.

Figura 3.13. Efeito do dimetro das partculas na concentrao de biomassa. Adaptado de Heijnen et al.(1991) por Gebara (2006)

Ortega et al. (2001) avaliaram diversos suportes (argila expandida, borracha de etileno e

borracha de propileno, espuma de poliuretano, e espumas cermicas de alumina e de caulinita)

para verificar a potencialidade destes em imobilizar biomassa anaerbia para o tratamento de

38

guas residurias e verificaram que a porosidade e o tipo de poro afetam sensivelmente a

colonizao dos microorganismos. Os autores verificaram que materiais com poros fechados

foram colonizados apenas na superfcie, e os com poros abertos e interconectados foram

colonizados na superfcie e em seu interior.

3.5.3 Influncia do Oxignio

Segundo Heijnen et al. (1991) a penetrao de oxignio num biofilme dificilmente excede

0,1 mm de sua camada, ou seja, biofilmes mais espessos no contribuem para a converso

aerbia da matria orgnica.

As figuras 3.14 e 3.15 apresentam o perfil de biofilme aderido em partcula slida,

idealizado por Hagedorn-Olsen et al. (1994), onde, de acordo com os autores, possvel

observar como se comporta o perfil da concentrao de oxignio no interior do biofilme.

Figura 3.14. Perfil de concentrao de oxignio, matria orgnica e nitrato no biofilme completamente penetrado pelo nitrato. Adaptado de Hagedorn-Olsen et al. (1994) por Gebara (2006)

39

Figura 3.15. Perfil de concentrao de oxignio, matria orgnica e nitrato no biofilme parcialmente penetrado pelo nitrato. Adaptado de Hagedorn-Olsen et al. (1994) por Gebara (2006)

A primeira (figura 3.14) prope a existncia de uma regio aerbia na camada mais

externa do biofilme e uma anaerbia na camada mais interna do filme, e a segunda (figura

3.15) uma configurao dependendo da espessura do biofilme, tendo uma regio aerbia na

camada mais externa do biofilme, uma anaerbia na camada mais interna e entre elas uma

camada anxica. Segundo os autores, ambas as condies podem ocorrer, dependendo da

espessura do biofilme, e esta, por sua vez, fortemente influenciada pelas condies de fluxo

do reator.

A figura 3.16 mostra o perfil da concentrao de nitrognio no biofilme, segundo Iwai e

Kitao (1994), que mostram que a coexistncia de duas regies (anaerbia e aerbia)

conveniente para a remoo biolgica de nitrognio.

Figura 3.16. Perfil de nitrognio no biofilme. Adaptado de Iwai e Kitao (1994) por Gebara (2006)

40

Iwai e Kitao (1994) dizem que deve existir uma concentrao tima de oxignio no

meio lquido para promover a mxima remoo de nitrognio, pois a eficincia no processo de

nitrificao e desnitrificao depende da concentrao de oxignio no meio lquido e da

espessura do biofilme.

3.5.4 Influncia Hidrodinmica

Segundo Arajo (2008), a formao de biofilme sofre influncias das condies

hidrodinmicas dos reatores onde o efluente tratado, modificando a espessura e a massa

especfica do mesmo. Gjaltema et al. (1994) mostraram que at mesmo em reator de biofilme

com mistura completa so encontrados diferentes tipos de biofilme.

A aplicao de fluxo turbulento garante maior interao entre as partculas, e devido ao

atrito e s tenses de cisalhamento lquido-superfcie tm-se controle da espessura e melhora

nas condies de transporte de nutrientes s regies mais profundas por processos difusivos

(ARAJO, 2008).

A influncia negativa da hidrodinmica a possibilidade de desprendimento de grandes

quantidades de biomassa ativa, dependendo das condies de fluxo, implicando no seu

carreamento para fora do reator devido alta velocidade de circulao (ARAJO, 2008).

O efeito do meio lquido nas biopartculas (biofilme + suporte) apresentado na figura

3.17, mostrando o efeito das tenses entre o meio lquido e o biofilme, onde devido ao

aumento da tenso ocorrem mudanas na superfcie do biofilme, at que este se desprenda

(figura 3.17a) e uma simulao numrica do escoamento prximo superfcie do biofilme

(figura 3.17b), onde podem ser observados altos gradientes de velocidade, sugerindo a

existncia de tenses de cisalhamento na regio.

41

Figura 3.17. Estrutura do biofilme (a) representao esquemtica da influncia da concentrao do substrato (aumentado da esquerda para direita) e das foras de atrito (diminuindo da esquerda para direita), e (b) simulao do biofilme sob a ao do campo de velocidades. Adaptado de Nicolella et al. (2000b)

De acordo com Heijnen et al. (1992) no reator haver sempre competio entre o

crescimento de microrganismos suspensos e no biofilme, que somente se formar se os

microrganismos em suspenso forem retirados. Assim, o efeito do tempo de deteno

hidrulica, aplicando carga orgnica constante, significativo, sendo que quanto menor o tempo

de deteno hidrulica, maior a espessura do biofilme, o que pode ser observado na figura 3.18.

Em trabalho realizado por Nogueira et al. (2002), quando se operou dois reatores a

biofilme com tempos de deteno hidrulica (TDH) diferentes, de 0,8 e 5,0 h, observaram que

os processos de nitrificao e remoo de matria orgnica, puderam ser efetuados com o TDH

menor. Porm com TDH maior ocorreu formao de camada heterotrfica espessa sobre o

biofilme, o que limitou o fornecimento de oxignio, ou seja, TDH muito altos no garantem

aumento na nitrificao e consequentemente na remoo de nitrognio neste tipo de reatores.

42

Figura 3.18. Relao entre a biomassa na partcula e a biomassa em suspenso, em funo do tempo de deteno hidrulica. Adaptado de Heijnen et al. (1992)

A formao do biofilme tambm est ligada velocidade de fluxo, velocidades altas

aumentam a ocorrncia de choque entre as partculas, provocando desprendimento das camadas

externas do biofilme, alterando suas caractersticas; alm disso, as transferncias de massa

interna e externa outro importante parmetro no estudo da formao do biofilme. atravs

deste estudo que se pode quantificar a concentrao de oxignio nas diversas camadas do

biofilme e, conseqentemente, definir zonas aerbias, anxicas e anaerbias em sua estrutura

(ARAJO, 2008).

Segundo Melo e Vieira (1999), alguns autores defendem o uso de velocidades do lquido

altas em reatores de biofilme, tornando-os assim, normalmente mais finos, o que favorece a

penetrao completa do substrato, reduzindo a biomassa liberada para o meio.

O crescimento mais rpido das bactrias, taxas de cisalhamento baixas e altas cargas

conduzem a estruturas de biofilme mais porosas e, geralmente, biofilmes nitrificantes e

metanognicos so mais densos que os heterotrficos ou acidificantes (VAN LOODSDRECHT

et al., 2002).

Tavares et al. (1995) estudaram o efeito de velocidade de gs no crescimento de biofilme

heterotrfico em reator trifsico de leito fluidizado e concluram que em velocidades mais altas

os biofilmes formados so mais finos, o que, aparentemente no afeta a remoo de matria

orgnica.

43

3.5.5 Caracterizao da comunidade microbiana

O conhecimento da diversidade microbiolgica presente em um biofilme, por exemplo,

importante para se entender a relao entre os parmetros ambientais e o funcionamento dos

ecossistemas, e com isto estudar, cada vez mais profunda e especificamente, os mtodos

biolgicos de tratamento de gua e guas residurias.

Tradicionalmente, em anlises ambientais, as tcnicas convencionais de cultivo e

isolamento de microrganismos so a investigao e enumerao de bactrias patognicas,

como as tcnicas NMP (Nmero Mais Provvel) e UFC (Unidade Formadora de Colnia),

utilizada para contagem de colnias em placas (NASCIMENTO, 2008). Estas, basicamente,

so tcnicas utilizadas para a estimativa da densidade da populao microbiana, e so

dependentes de cultivo (PHILIPS, 2008).

O avano na rea de identificao microbiolgica tem ateno voltada, principalmente,

s tcnicas moleculares. Seu principal objetivo a anlise estrutural da comunidade

microbiana e/ou a deteco de organismos especficos em amostras mais complexas

(AMANN et al., 2001).

Os mtodos moleculares baseiam-se na aplicao de biomarcadores. O mais utilizado

para inferir a identidade dos organismos a molcula de RNA ribossomal (RNAr), que

parte integrante do ribossomo e responsvel pela sntese de protenas que est presente em

todas as clulas e, por isso, considerado um biomarcador ideal (NASCIMENTO, 2008). A

regio 16S compe a subunidade menor dos ribossomos presentes em organismos

procariontes (bactrias e arquias).

Dentre as tcnicas moleculares disponveis (RFLP - restriction fragment length

polymorphism, DGGE - denaturing gradient gel electrophoresis, FISH - fluorescent in situ

hybridization), a PCR (polimerase chain reaction) a mais utilizada.

A PCR consiste na amplificao in vitro do DNA e pode ser usada para identificar

microrganismos em diferentes tipos de amostras sem a necessidade de cultiv-los. Trata-se de

uma tcnica rpida e de baixo custo utilizada para amplificar ou copiar pequenos segmentos

de DNA. Para amplificar um segmento de DNA usando-se PCR, a amostra inicialmente

aquecida, causando desnaturao do DNA, ou separando-se em duas fitas. (PHILIPS, 2008).

Na PCR a reao em cadeia da polimerase promove o aumento do nmero de cpias de

um determinado fragmento de DNA. A regio do DNA a ser amplificada determinada pelo

par de primers, segmentos de DNA que pareiam suas bases com a fita molde funcionando

como iniciador para as cpias de DNA a serem formadas. Cada ciclo de replicao envolve

44

trs etapas bsicas: desnaturao, anelamento e extenso. Na desnaturao (94C) ocorre a

separao da fita dupla de DNA para exposio dos stios-alvo; Em seguida, com a

diminuio da temperatura (55C), ocorre o anelamento dos primers em regies especficas de

cada fita de DNA separada, que serve como molde, delimitando a regio inicial e a final da

seqncia gentica a ser amplificada; na etapa de extenso, ocorre a sntese de DNA

complementar fita-molde (72C). Aps cerca de 30 ciclos, possvel produzir em poucas

horas milhes de cpias especficas de DNA (NASCIMENTO, 2008).

Existe, no entanto, um limite de deteco do mtodo da PCR. Assim, um

microrganismo, s vezes, pode no estar ausente na amostra analisada e, sim, abaixo do limite

de deteco do mtodo. E existem, tambm, fatores que afetam o limite de deteco da PCR e

a interpretao de resultados, como, por exemplo, temperatura de anelamento dos primers,

variao no lote de iniciadores, mtodos de extrao de DNA, modelo do termociclador, tipo

de amostra, entre outros (TYLER et al., 1997).

3.6 Remoo de Nitrognio

O nutriente nitrognio, em suas diversas formas, est relacionado com problemas

ambientais em corpos hdricos como, por exemplo, a eutrofizao, que alm de prejudicar o

meio ambiente pode causar riscos sade humana. Por este e outros motivos, a remoo de

compostos nitrogenados vem ganhando cada vez mais espao.

O processo biolgico convencional utilizado para remoo de nitrognio em guas

residurias ocorre pelas etapas de amonificao, assimilao, nitrificao e desnitrificao,

como mostrado na figura 3.19.

45

Figura 3.19. Transformaes do nitrognio - tratamentos convencionais. Fonte: Arajo Junior (2006)

O processo de amonificao a converso biolgica de materiais orgnicos em

nitrognio amoniacal (N-NH3 ou N-NH4+), sendo que em reatores biolgicos com pH em

torno de 7,0 e a temperatura do meio lquido de 20C a 35C, praticamente todo nitrognio

amoniacal (99%) est na forma de on (N-NH4+) (ARAJO JUNIOR, 2006)

A importncia da assimilao na remoo de nitrognio de guas residurias pequena,

sendo que os fenmenos mais considerados em processos biolgicos so a nitrificao e

desnitrificao. A nitrificao ocorre em condies aerbias, enquanto que a desnitrificao

em condies anxicas, por isso, projetos que visam a remoo completa de compostos

nitrogenados devem prever condies suficientes para que esses processos ocorram

seqencial ou simultneamente (CARVALHO JUNIOR, 2008).

Em reatores com biofilme, na regio aerbia o nitrognio amoniacal (N-NH3) pode ser

convertido a nitrito (N-NO2-) e, posteriormente, a nitrato (N-NO3-), que poder ser reduzido

na camada anxica (CARVALHO JUNIOR, 2008).

3.6.1 Nitrificao

O processo de nitrificao ocorre basicamente em duas etapas, nitritao e nitratao,

onde na primeira o nitrognio amoniacal oxidado a nitrito (N-NO2) e em seguida, este pode

ser oxidado a nitrato (N-NO3). A nitrificao um processo que ocorre devido ao consumo da

alcalinidade e do oxignio dissolvido presente no sistema (HENZE et al. 1997).

46

As bactrias responsveis pela nitrificao so auttrofas e restritas a um pequeno

nmero de gneros (Nitrossomonas e Nitrobacter), o que, aliado baixa velocidade de

crescimento destas bactrias, torna o processo de nitrificao susceptvel a fatores inibidores,

podendo estas serem desfavorecidas na competio com as bactrias heterotrficas por espao

no biofilme, o que compromete a eficincia global do sistema na oxidao do N-NH3(CARVALHO JUNIOR, 2008).

Polanco et al. (2000) investigaram a influncia da relao DQO/N na competio entre

bactrias auttrofas e hetertrofas em biofiltro aerado submerso utilizado no tratamento de

efluente industrial e mostraram que para relao DQO/N superior a 4 a nitrificao foi inibida

pela competio entre elas. Parmetros como pH, temperatura, alcalinidade, carga de

nitrognio afluente e oxignio dissolvido (OD) tambm podem ser limitantes nitrificao.

3.6.2 Denitrificao

importante que biotecnologias desenvolvidas para remoo de nitrognio amoniacal

prevejam sua completa oxidao at a forma de nitrognio gasoso (N2). De acordo com

Carvalho Junior (2008), atualmente h propostas visando somente a reduo do nitrognio

amoniacal a nitrato. No entanto, a presena destes em corpos receptores associa-se a doenas,

tornando a remoo de nitratos de efluente uma necessidade imperativa.

Segundo Barber e Stuckey (2000), existem trs tipos de reduo biolgica do nitrato, a

denitrificao (que pode ser heterotrfica e/ou autotrfica), a assimilao biolgica do nitrato

e a reduo dissimilativa do nitrato para on amnio. De acordo com Aun (2007) a reduo

biolgica do nitrato ocorre basicamente em quatro etapas como apresentado nas equaes de 1

a 4, sendo o eltron fornecido pela matria orgnica presente no efluente.

4 e- + 2 NO3- + 4 H+ 2 NO2- + 2 H2O (1)

2 e- + 2 NO2- + 4 H+ 2 NO + 2 H2O (2)

2 e- + 2 NO+ 2 H+ N2O + H2O (3)

2 e- + N2O + 2 H+ N2 + H2O (4)

Pode ocorrer tambm a desnitrificao via curta, atravs de uma via metablica onde o

nitrito reduzido diretamente a N2 em condies anxicas, que ocorre quando h acmulo de

nitrito no sistema. Este tipo de denitrificao tem como vantagens a reduo de 25% da

quantidade de oxignio necessria para nitrificao, 40% de reduo de fonte de carbono para

47

desnitrificao, 30 a 40% de reduo no volume dos reatores utilizados, alta taxa de

desnitrificao e menor produo de lodo (CARVALHO JUNIOR, 2008).

O nitrognio amoniacal na forma inica (NH4+) tambm pode ser convertido a

nitrognio gasoso (N2), em meio anxico, por processo denominado ANAMMOX (Anaerobic

ammonium oxidation), como mostrado na equao 5 (MULDER et al, 1995). Esse processo

ocorre em nvel de biofilme atravs de um mecanismo ainda no muito bem conhecido, onde

o on amnio utilizado como doador de eltrons ao aceptor final de eltrons na cadeia

respiratria, que pode ser nitrito e/ou nitrato. Dentre as principais vantagens deste processo

esto: o alto potencial para tratamento de guas residurias com altas concentraes de

nitrognio amoniacal, reduo do consumo de oxignio dissolvido e ausncia da necessidade

de adio externa de fontes de carbono (CARVALHO JUNIOR, 2008).

5 NH4+ + 3 NO3- 4 N2 + 9H2O + H+ (5)

A denitrificao tambm pode ocorrer simultaneamente ao processo de nitrificao, por

meio de processo denominado SND (simultaneous nitrification/denitrification), e ocorre

devido estratificao das camadas de um biofilme, como pode ser observado na figura 3.20

Figura 3.20. Estratificao das camadas do biofilme no processo SND. Fonte: Carvalho Junior (2008)

A eficincia deste processo depende, principalmente, de trs fatores: fonte de carbono

suficiente, concentrao de oxignio dissolvido no substrato (menor que 2,0 mg/L) e

espessura das camadas, sendo que as mais espessas favorecem o processo (CARVALHO

JUNIOR, 2008).

De acordo com Third et al. (2005) para o processo SND ser completo necessrio que

a taxa de oxidao do nitrognio amoniacal seja aproximadamente igual taxa de

desnitrificao, pois isso pode promover crescimento equilibrado entre as bactrias auttrofas

e hetertrofas sem problemas de competio entre elas.

48

4 MATERIAL E MTODOS

4.1 Esgoto domstico utilizado no experimento

O substrato utilizado neste trabalho foi o esgoto domstico captado do poo de suco

da estao elevatria da cidade de Ilha Solteira, SP, submetido a peneira esttica com abertura

de 0,5 mm.

4.2 Reator

Foram utilizados dois reatores de leito fluidizado com circulao (R1 e R2), ambos

construdos de PVC e com altura nominal de 2,6 m e dimetro interno de 250 mm. A

diferena construtiva entre os reatores o dimetro do tubo interno, sendo 125 mm (R1) e 150

mm (R2). Um esquema geral dos reatores pode ser observado na Figura 4.1.

Por meio de um tubo de PVC () fixado na parede interna do tubo externo do reator, o

afluente inserido no fundo do mesmo, cujo formato arredondado, para facilitar a suspenso

das partculas de areia. O efluente sai pela parte superior, a aproximadamente 2,6 m da base

do reator. O reator conta com trs amostradores sendo que dois coletam amostra do tubo

interno (superior e inferior) e um do externo. Por estes foram retiradas as amostras para as

anlises do biofilme.

49

Figura 4.1. (a) Esquema geral e (b) viso superior do reator

O meio foi fluidizado por ar comprimido, utilizando injetor de PVC com 15 cm de

altura e 40 mm de dimetro. O controle da vazo de ar injetado era feito por rotmetro

instalado aps vlvula reguladora de presso. A Figura 4.2 mostra detalhes do fundo do reator

(dreno e injetor).

Figura 4.2. Detalhe (a) do fundo do reator e (b) do injetor de ar

50

Aps ser retirado do poo de suco da estao elevatria, o afluente submetia-se a

peneiramento esttico, onde ocorria a remoo dos slidos grosseiros que seriam indesejveis

no interior do reator. Em seguida, o afluente encaminhava-se para a caixa de nvel constante, e

desta, por meio de bomba peristltica, conduzido ao fundo do reator. O esquema descrito pode

ser observado na Figura 4.3.

Figura 4.3 Esquema geral da bancada experimental

4.3 Meio suporte

4.3.1 Caracterizao

A caracterizao da areia utilizada foi feita por ensaio de granulometria conjunta como

descrita na NBR 7181 recomendada pela Associao Brasileira de Normas Tcnicas - ABNT

(1984). Com este ensaio foi possvel determinar a massa especfica e a curva granulomtrica

da areia utilizada.

51

4.3.2 Curva de calibrao da proveta para determinao do volume de areia

Uma curva de volume de areia foi feita para ser utilizada como curva de calibrao nas

anlises de biofilme. Para a construo da curva foram pesadas diferentes massas de areia (de

10 a 200 g) e medido o volume que cada massa ocupava em 500 mL de gua.

4.4 Ensaios hidrodinmicos

Os ensaios hidrodinmicos foram feitos com gua limpa no Laboratrio de Hidrologia e

Hidrometria da Faculdade de Engenharia de Ilha Solteira (FEIS) UNESP.

4.4.1 Velocidade de circulao do fluido

O ensaio de velocidade de circulao do meio foi feito com o auxilio de um sistema de

sondas medidoras de condutividade eltrica. Foi utilizado um sistema de quatro sondas, duas

no tubo interno e duas no tubo externo. As sondas detectavam a presena de traador (NaCl) e

emitiam sinais eltricos a um condicionador de sinais. Um programa de aquisio de dados,

baseado no programa desenvolvido por Guardia Filho (2001), gera uma curva.

A curva, exemplificada na figura 4.4, obtida para cada sonda apresenta picos, que

representam o instante em que a maior concentrao de traador passou pela sonda,

diminuindo a tenso.

Figura 4.4. Exemplo de grfico de tenso em funo do tempo durante ensaio com traador, utilizando vazo de 1600 L/h

52

A linha azul escura e a rosa representam as sondas do tubo interno, inferior e superior,

respectivamente e a linha amarela e a azul clara representam as sondas do tubo externo,

superior e inferior, respectivamente.

Tendo, pelo grfico, os tempos de pico em cada sonda e sabendo que a distncia entre as

sondas de 150 cm, o R1 tem dimetro interno de 125 mm e o R2 de 150 mm, tem-se a

velocidade de circulao do lquido nas diferentes vazes de ar aplicadas.

Em presso constante de 25kgf.cm-2 foram aplicadas vazes crescentes de ar (800, 1200,

1600, 2000, 3000, 4000, 5000, 6000 L.h-1) e adicionada, gua limpa, uma quantidade fixa de

traador (NaCl) (150 g.L-1) em cada anlise. Foram feitos, no mnimo, trs ensaios para cada

vazo utilizada.

4.5 Ensaios Fsico-Qumicos

Durante o perodo de operao do reator foram feitas anlises de DBO, DQO, NTotal,

Nam, NO2, NO3, slidos totais e suspensos, espessura do biofilme, temperatura, pH, OD e

ensaios microbiolgicos no biofilme (colorao Gram e de esporos, teste da catalase e

caracterizao genmica). Os mtodos utilizados para as anlises esto apresentados na

Tabela 4.1.

Tabela 4.1. Mtodos utilizados para as anlises que sero realizadas Determinao Analtica Mtodo Utilizado

Demanda Bioqumica de Oxignio (DBO) Mtodo Wynkler 1

Demanda Qumica de Oxignio (DQO) Mtodo colorimtrico, utilizando espectrofotmetro 1

Nitrognio Total (NTotal) Mtodo da digesto do persulfato, utilizando espectrofotmetro 1

Nitrognio Amoniacal Mtodo do salicilato, utilizando espectrofotmetro 1

Nitrito Mtodo da diazotizao, utilizando espectrofotmetro 1

Nitrato Mtodo da reduo de cdmio, utilizando espectrofotmetro 1

Slidos Totais e Suspensos Mtodo gravimtrico 1

Espessura do Biofilme Mtodo proposto por Gebara (2006) 1 APHA, AWWA e WPCF (1998). O espectrofotmetro utilizado nas anlises foi o Hach DR/2500

53

4.5.1 Espessura do Biofilme

A espessura do biofilme foi avaliada por um mtodo proposto por Gebara (2006). De cada

um dos trs amostradores do reator foi coletado 500 mL de amostra em proveta graduada (VT),

e determinado o volume de biopartcula (areia + biofilme) decantada (Va+b).

As amostras de biopartcula eram levadas ao banho-maria para secar, e em seguida

estufa e pesagem (m1). Aps este procedimento, as amostras eram levadas mufla e pesadas

novamente (m2). A areia seca era, ento, transferida para proveta graduada e completada para

500 mL com gua. Aps agitao e decantao, tinha-se o volume de areia seca (Va)

Com estes dados aplicados na Equao 4.1, tem-se o volume estimado do biofilme.

Supondo espessura uniforme do biofilme sobre toda a rea superficial, e que esta seja esfrica,

tem-se a espessura do biofilme ( ) (Equao 4.2).

A massa especfica seca do biofilme pode ser determinada pela Equao 4.4 e a massa

especifica da biopartcula pela Equao 4.5.

aba 1000 VV

V=V

Totalbf

+ (4.1)

2.. pbf

dnV

=

(4.2)

( )2/)(31

/3

2

p

s

d

mn

= (4.3)

bfb V

mm= 21 (4.4)

Lbfs

bfLbp Vm

Vmm

//2

21

+

+= (4.5)

Onde

dp = dimetro mdio das partculas

m1 = massa inicial seco (aps estufa)

m2 = massa seca

n = nmero de partculas

Va = volume de areia seca (aps mufla)

54

Va+b = volume de areia inicialmente decantada

Vbf = volume aproximado do biofilme

Vtotal = volume total de amostra (areia + lquido)

= espessura do biofilme

b = massa especfica seca do biofilme

bp = massa especfica da biopartcula

L = massa especfica do leito

s = massa especfica do meio suporte

4.6 Ensaios Microbiolgicos

4.6.1 Isolamento dos microrganismos

Antes do testes microbiolgicos, era necessrio que os microorganismos presentes no

biofilme fossem isolados. Para isto, foi utilizado meio PCA composto por 5,0 g.L-1 de

peptona, 2,5 g.L-1 de extrato de levedura, 1,0 g.L-1 de glicose e 20 g.L-1 de agar.

As amostras retiradas dos reatores eram homogeneizadas e diludas em meio peptonado

(103). Ento, 100 L eram transferidos para placas de petri contendo PCA, distribudos com

ala de Drigalski. Estas eram incubadas a uma temperatura prxima mdia observada no

reator e, aps o crescimento das colnias (aproximadamente 48 hs), as diferenciadas eram

isoladas em tubos contendo PCA inclinado.

Nestas colnias isoladas foram realizados os procedimentos de colorao diferencial de

Gram, col