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TRATAMENTO MICROBIOLÓGICO SEQUENCIAL DE SOLO …epqb.eq.ufrj.br/download/tratamento-microbiologico-sequencial-de... · suporte durante as visitas técnicas. ... 2 Capacidade de Retenção

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  • UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO DE JANEIRO

    DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA BIOQUMICA

    PROGRAMA DE PS-GRADUAO EM TECNOLOGIA DE

    PROCESSOS QUMICOS E BIOQUMICOS

    TRATAMENTO MICROBIOLGICO SEQUENCIAL DE

    SOLO PROVENIENTE DE UNIDADE DE DESSORO

    TRMICA

    ULRICH VASCONCELOS DA ROCHA GOMES

    Rio de Janeiro, 2011

  • UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO DE JANEIRO

    DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA BIOQUMICA

    PROGRAMA DE PS-GRADUAO EM TECNOLOGIA DE

    PROCESSOS QUMICOS E BIOQUMICOS

    TRATAMENTO MICROBIOLGICO SEQUENCIAL DE

    SOLO PROVENIENTE DE UNIDADE DE DESSORO

    TRMICA

    TESE APRESENTADA AO PROGRAMA DE PS-GRADUAO EM TECNOLOGIA DE PROCESSOS QUMICOS E BIOQUMICOS PARA OBTENO DO GRAU DE DOUTOR EM CINCIAS (DSc.)

    Orientadores: Francisca Pessa de Frana, D.Sc.

    Fernando Jorge Santos de Oliveira, D.Sc.

    Rio de Janeiro, 2011

  • G 633t Gomes, Ulrich Vasconcelos da Rocha.

    Tratamento microbiolgico sequencial de solo proveniente de unidade de dessoro trmica/ Ulrich Vasconcelos da Rocha Gomes. 2011.

    xvi, 180 f.: il.

    Tese (Doutorado em Tecnologia de Processos Qumicos e Bioqumicos) Universidade Federal do Rio de Janeiro, Escola de Qumica, Rio de Janeiro, 2011. Orientadores: Francisca Pessa de Frana e Fernando Jorge Santos de Oliveira

    1. Biorremediao. 2. Resduos da Indstria do Petrleo. 3. Hidrocarbonetos

    Policclicos Aromticos. 4. Bioestmulo Teses. I. Frana, Francisca Pessa de. (Orient.). II. Oliveira, Fernando Jorge Santos de (Orient.). III. Universidade Federal do Rio de Janeiro, Programa em Tecnologia de Processos Qumicos e Bioqumicos, Escola de Qumica. IV. Ttulo.

    CDD: 628.55

  • i

    Medicus curat, natura sarat

    Hipcrates (460 AC 377 AC)

  • ii

    Este trabalho dedicado memria de meu pai, Jos Rocha Gomes (1945-2008), que partiu to cedo para a espiritualidade e no assiste entre ns realizao desse momento. para voc com todo o meu amor, respeito e considerao.

  • iii

    AGRADECIMENTOS

    O final de uma etapa nos apresenta o incio de um novo ciclo de desafios, quando

    novas tramas so desenhadas, criando posteriormente vida, de acordo com as nossas aes e

    merecimentos. Nesta etapa finalizada, gostaria de expressar meus sinceros agradecimentos:

    Aos meus orientadores por acreditarem na minha capacidade, pelo apoio tcnico e

    pelo encorajamento, mesmo que em tantas vezes no o tenha percebido nitidamente.

    minha amada me, Dulce por toda a fora, apoio e estmulo que precisei durante

    todos estes anos. Obrigado por sempre ter estado por perto, protagonizando meu porto seguro

    nos momentos de aflio.

    Ao meu pai que partiu para a espiritualidade antes da finalizao deste projeto, por me

    cobrir de apoio e no deixar perder a garra de enfrentar meus desafios. Nosso ltimo

    momento nesta vida, em 21 de setembro de 2008 foi selado com um caloroso abrao.

    s minhas irms Uliana e Ulnary pelo apoio, amizade, crdito e por me fazerem

    enxergar o verdadeiro sentido de famlia.

    Aos meus avs maternos, tambm j na espiritualidade, Evalda e Gasto, pelas cartas

    de incentivo, enviadas nos meus tempos de criana, para que estudasse e amasse a arte de

    estudar.

    Professora Glcia Calazans, grande amiga, mentora e razo de ter vindo ao Rio de

    Janeiro. Sua contribuio minha formao acadmica e aos caminhos que desejo percorrer

    foi fundamental e sem ela, meu destino teria sido outro.

    Ao Professor Carlos Roberto Weber Sobrinho, testemunha de todas as tramas

    envolvidas nesta tese, iniciada na postagem dos meus documentos para o Rio. Agradeo por

    sua valiosa companhia, conhecimento, palavras de incentivo e participao ativa em

    momentos-chave deste trabalho.

    Professora Eliana Flvia, por praticar o significado da palavra educador. Obrigado

    pela sua pacincia, pela doura de seus gestos e voz, pela chave da porta do Laboratrio, pela

  • iv

    confiana depositada, pelo carinho de amiga, pela preocupao de me, pela orientao

    afetiva, por ser o meu porto seguro nos momentos difceis e por ter me ajudado a no desistir.

    Pragati Nigam, que sempre ser a referncia acadmica da minha gerao, por

    acompanhar esta caminhada h anos, sempre acreditando no meu potencial.

    Swati Nigam pela motivao e amizade.

    Aos meus grandes companheiros de amizade e trabalho no laboratrio E-109. Mesmo

    sob forte presso e dificlimos desafios dirios, entre risos e lgrimas, continuamos mantendo

    o humor, a criatividade, o companheirismo e a cumplicidade: Diogo Simas, Aike Costa,

    Flvia Padilha, Camila Gonzales, Rafael Bittencourt, Rafael Lima, Leonardo Jordo, Gustavo

    SantAnna, Renata Calixto, Carlos Eduardo Felippe, Milton Anterio, Adilza Evangelista e Eni

    Silva.

    amiga, confidente e cumadi Teresa Cristina do Nascimento pelos bons momentos

    juntos.

    Um agradecimento especial Jamille Lima, pela fiel amizade e reais palavras

    encorajadoras. Tenho voc como a minha terceira irm e o Thor como sobrinho.

    Aos meus vizinhos do estratgico laboratrio E-107, meus agradecimentos pelo apoio

    e amizade nas horas de trabalho e de lazer, particularmente Diego Cara, Juliana Davies e

    Mahdi Gobai.

    Kally Souza, pela amizade e companheirismo na repblica e no laboratrio, assim

    como pelo auxlio na parte estatstica desse trabalho.

    Ao Andr Tavares, pela amizade e diviso do apartamento na Ilha.

    Ao Paulo Santana, meu reconhecimento pela fora e dedicao ao trabalho.

    s professoras rika Chrisman, Maria Antonieta Couto e Magali Cammarota, cujo

    contato durante minha vida de doutorando representou pontos de luz, em momentos decisivos

    da tese.

  • v

    Ao Dr. Leon Rabinovich pelas valiosas sugestes e contribuies, principalmente com

    respeito aos ensaios microbiolgicos.

    Aos funcionrios da EQ, em especial s senhoras Marlene de Souza, Suely Rocha e

    Ctia de Assis.

    Aos amigos Douglas Guedes, Mariana Galvo do INT e Adriana Nunes da Micoteca

    URM/UFPE, pela gentileza na identificao das linhagens bacterianas e das linhagens

    fngicas.

    Doutora Ana Paula Ahualli e ao Mestre Klaus Reichel dos laboratrios Ipex, pela

    gentileza na anlise de dioxinas e furanos.

    Ao senhor Luiz Carlos de Oliveira pela realizao das anlises granulomtricas.

    Ao Prof. Luiz Guilherme Marques pela amostra de glicerol bruto.

    Ao amigo Kenneth R. Vanlerberghe do Kings Cross Doctors Office-Toronto, por

    toda reviso e correes gramaticais dos textos em lngua inglesa, relacionados esta tese.

    equipe instalada na Bahia, pela sempre amvel receptividade do povo baiano e pelo

    suporte durante as visitas tcnicas.

    Aos cariocas e fluminenses pelo convvio, ao som do mais musical sotaque do Brasil.

    Aos membros da banca por suas apreciaes e sugestes, em sua maioria, acatadas.

    Ao Petrleo Brasileiro S/A pelo incentivo financeiro e apoio tcnico.

    CAPES, CNPq e FAPERJ pelo financiamento dos projetos que so desenvolvidos

    no Laboratrio de Microbiologia do Petrleo (E-109).

    E finalmente espiritualidade, que me acompanha em todos os momentos. Agradeo

    pelo merecimento da conquista, pela inspirao em momentos-chave, pela proteo e por me

    fazerem perceber que crescimento tambm se faz com dor, sem que para isso, a f seja

    abalada.

    SJT

  • vi

    SUMRIO

    Lista de Figuras ix

    Lista de Tabelas xii

    Lista de abreviaturas xiv

    Resumo xv

    Abstract xvi

    1 Introduo 17

    2 Objetivos 23

    2.1 Objetivo geral 23

    2.2 Objetivos especficos 23

    3 Reviso da Literatura 24

    3. 1 Resduos da indstria do petrleo 24

    3. 2 Hidrocarbonetos Policclicos Aromticos (HPA) 29

    3. 3 Vias para tratamento de solos contaminados com leo 34

    3. 3. 1 Dessoro trmica 36

    3. 3. 2 Biorremediao 44

    3. 4 Degradao dos HPA por micro-organismos hidrocarbonoclsticos do solo 48

    3. 5 Glicerol: generalidades e uso como cossubstrato 56

    3. 6 Ensaios de fitotoxicidade 60

    4 Materiais e Mtodos 62

    4. 1 A Unidade de Dessoro Trmica (UDT) 62

    4. 2 Amostragens e coleta 65

    4. 3 Isolamento e identificao de micro-organismos presentes no solo 67

    4. 3. 1 Identificao das bactrias 68

    4. 3. 2 Identificao dos fungos filamentosos 69

    4. 4 Adaptao dos isolados em leo 71

  • vii

    4. 5 Experimentos de biodegradao 72

    4. 5. 1 Planejamento experimental 72

    4. 5. 2 Experimentos com aplicao dos dados obtidos no planejamento

    experimental

    76

    4. 5. 3 Experimentos utilizando glicerol bruto 76

    4. 6 Anlises quantitativas 78

    4. 6. 1 Umidade em base seca

    4. 6. 2 Capacidade de Reteno de gua (CRA)

    78

    78

    4. 6. 3 pH em gua 79

    4. 6. 4 Textura do solo 79

    4. 6. 5 Teores de Carbono Orgnico Total, Nitrognio Total e Fsforo Total 80

    4. 6. 6 Hidrocarbonetos Totais do Petrleo (TPH) 80

    4. 6. 7 Hidrocarbonetos Policclicos Aromticos (HPA) 81

    4. 6. 8 Dioxinas e Furanos 81

    4. 6. 9 Ensaios microbiolgicos das amostras 82

    4. 6. 10 Ensaios de fitotoxicidade 82

    5 Resultados e Discusso 86

    5. 1 Caractersticas do contaminante do solo 86

    5. 2 Caractersticas do solo antes do tratamento por dessoro trmica 88

    5. 3 Identificao dos contaminantes remanescentes e propriedades do solo tratado

    na UDT

    91

    5. 4 Microbiota do solo tratado na UDT 98

    5. 5 Ensaios de fitotoxicidade do solo contaminado e do solo tratado na UDT 99

    5. 6 Ensaios de biorremediao 105

    5. 6. 1 Micro-organismos utilizados no bioaumento 105

    5. 6. 2 Biorremediao com uso do planejamento experimental 107

  • viii

    5. 6. 3 Monitoramento da biorremediao 119

    5. 7 Aplicao dos resultados do planejamento experimental 124

    5. 7. 1 Testes de fitotoxicidade nos solos biorremediados 135

    5. 8 Biorremediao utilizando glicerol bruto 138

    6 Concluses 143

    Referncias Bibliogrficas 145

    ANEXO A1- Produo bibliogrfica 180

    Este documento foi elaborado em conformidade ao Decreto n 6583/08-MRE, que promulga o acordo ortogrfico da lngua portuguesa, assinado em Lisboa em 16 de dezembro de 1990. O estilo antigo foi mantido como originalmente impresso apenas nos ttulos publicados anteriormente publicao do Decreto no D.O.U., em 30/09/2008.

  • ix

    LISTA DE FIGURAS

    Figura 3.1 Percentual de resduos perigosos gerados em uma refinaria de

    grande porte, calculados a partir de dados de Mariano (2001)

    27

    Figura 3.2 Estruturas qumicas dos 16 HPA prioritrios da USEPA

    (fonte: RAVINDRA; SOKHI e VAN GRIEKEN, 2008)

    32

    Figura 3.3 Esquema simplificado de uma Unidade de Dessoro Trmica.

    1- armazenamento do resduo; 2 preparao e estoque; 3-

    admisso; 4 dispositivo transportador; 5 forno; 6- sistema

    de tratamento de gases; 7 sistema de tratamento e reciclo dos

    efluentes; 8 armazenagem dos slidos; inclinao do

    forno (adaptado de SECOND, 2000)

    39

    Figura 3.4 Corte longitudinal de um forno rotatrio (adaptao de

    HEYDENRYCH, GREEFF e HEESINK, 2002)

    41

    Figura 3.5 Mecanismos de transporte dos HPA por micro-organismos:

    difuso simples - HPA de baixa massa molecular (1) e

    transporte facilitado - HPA de alta massa molecular (2). O

    efluxo dos HPA ocorre com gasto de energia (3) (elaborao

    prpria)

    52

    Figura 3.6 Vias propostas para o metabolismo dos HPA de baixa massa

    molecular, naftaleno (A) e de alta massa molecular, pireno (B)

    por bactrias aerbias. Fontes: Mrozik, Piotrowska-Seget e

    Labuzec (2003); Kanaly e Harayama (2000)

    54

    Figura 3.7 Principais rotas do metabolismo microbiano do glicerol

    (RIVALDI et al. 2009)

    57

    Figura 4.1 Diagrama de operao da Unidade de Dessoro Trmica 62

  • x

    Figura 4.2 Unidade de Dessoro Trmica 64

    Figura 4.3 Aspecto do solo contaminado com resduo de vcuo (A) e

    tratado por dessoro trmica (B), retido na rea de quarentena

    66

    Figura 4.4 Mtodo de isolamento microbiano do solo (adaptado de

    BECKER, 1999)

    67

    Figura 4.5 Confeco do inculo 74

    Figura 5.1 Germinao Relativa das Sementes (GRS) 100

    Figura 5.2 Elongao Relativa da Raiz (ERR) 102

    Figura 5.3 Elongao das razes de Cucumis anguria (maxixe-do-norte)

    no extrato do solo contaminado com resduo oleoso de fundo

    da cmara de destilao a vcuo, apresentando

    desenvolvimento de razes secundrias (destaque, aumento:

    4X). Foto: Ulrich Vasconcelos

    103

    Figura 5.4 ndice de Germinao das sementes (IG) 104

    Figura 5.5 Diagrama de Pareto 111

    Figura 5.6 Curva de contorno demonstrando o efeito da utilizao do

    fertilizante comercial NPK e de glicerol sobre o percentual de

    biodegradao dos HPA no solo

    112

    Figura 5.7 Curva de contorno demonstrando o efeito da utilizao de

    fertilizante comercial NPK e da cultura mista sobre o

    percentual de biodegradao dos HPA no solo

    114

    Figura 5.8 Curva de contorno demonstrando o efeito da utilizao do

    glicerol e da cultura mista sobre o percentual de biodegradao

    dos HPA no solo

    118

    Figura 5.9 Quantificao das Bactrias Heterotrficas Aerbias do solo

    durante 60 dias nos diferentes tratamentos sequenciais:

    120

  • xi

    1- fertilizante + cossubstrato + bioaumento; 2- cossubstrato +

    bioaumento; 3- fertilizante + cossubstrato; 4- cossubstrato;

    5- fertilizante + bioaumento; 6- bioaumento; 7- fertilizante;

    8- sem tratamento

    Figura 5.10 Quantificao dos Fungos Filamentosos do solo durante 60

    dias nos diferentes tratamentos sequenciais: 1- fertilizante +

    cossubstrato + bioaumento; 2- cossubstrato + bioaumento; 3-

    fertilizante + cossubstrato; 4- cossubstrato; 5- fertilizante +

    bioaumento; 6- bioaumento; 7- fertilizante; 8- sem tratamento

    123

    Figura 5.11 Biodegradao dos HPA durante 60 dias de processo

    (concentrao inicial de HPA = 8,43 mg/kg)

    125

    Figura 5.12 Bactrias Heterotrficas Aerbias no solo 126

    Figura 5.13 Fungos Filamentosos no solo 127

    Figura 5.14 Variao da temperatura mdia do ambiente e do solo e da

    umidade relativa do ar durante o experimento

    134

    Figura 5.15 Biodegradao dos HPA em presena de glicerol de diferentes

    origens durante 60 dias de processo (concentrao inicial de

    HPA = 8,43 mg/kg)

    139

    Figura 5.16 Bactrias Heterotrficas Aerbios no solo 140

    Figura 5.17 Fungos Filamentosos no solo 140

  • xii

    LISTA DE TABELAS

    Tabela 3.1 Resduos gerados na indstria do petrleo listados por

    origem*

    25

    Tabela 3.2 Caractersticas fsico-qumicas e classificao da atividade

    genotxica dos 16 HPA prioritrios listados pela EPA*

    31

    Tabela 3.3 Exemplos de tratamentos de solos contaminados por leo e

    derivados*

    35

    Tabela 3.4 Principais fatores limitantes na remoo dos HPA no solo 45

    Tabela 4.1 Especificaes tcnicas do forno do sistema de dessoro 65

    Tabela 4.2 Caracterizao das amostras de glicerol bruto e glicerol PA 77

    Tabela 4.3 Caractersticas das sementes do teste de fitotoxicidade 83

    Tabela 5.1 Teores de HPA e TPH do resduo oleoso de fundo da coluna

    de destilao a vcuo

    86

    Tabela 5.2 Caractersticas fsico-qumicas e microbiolgicas do solo

    contaminado com resduo oleoso de fundo da cmara de

    vcuo

    89

    Tabela 5.3 Concentrao dos Hidrocarbonetos Policclicos Aromticos

    (HPA) no solo contaminado com resduo oleoso de fundo da

    cmara de destilao a vcuo (p

  • xiii

    destilao a vcuo e do solo tratado na UDT, armazenado na

    rea de quarentena

    Tabela 5.8 Matriz estendida do planejamento fatorial 23 108

    Tabela 5.9 Coeficientes de regresso 109

    Tabela 5.10 Tabela ANOVA e de parmetros estimados 110

    Tabela 5.11 Percentual de biodegradao dos 16 HPA prioritrios da

    USEPA (p

  • xiv

    LISTA DE ABREVIATURAS

    ABNT Associao Brasileira de Normas Tcnicas

    BHA Bactrias Heterotrficas Aerbias

    CONAMA Conselho Nacional do Meio Ambiente

    CPC Cmara de Ps-Combusto

    CRA Capacidade de Reteno de gua

    EMBRAPA Empresa Brasileira de Pesquisa Agropecuria

    ERR Elongao Relativa da Raiz

    FAO Food and Agriculture Organization

    FF Fungos Filamentosos

    FTB Fotoblastismo

    GLP Gs Liquefeito de Petrleo

    GRS Germinao Relativa das Sementes

    HPA Hidrocarbonetos Policclicos Aromticos

    HPA-AMM HPA de Alta Massa Molecular

    HPA-BMM HPA de Baixa Massa Molecular

    HPA-AMM:HPA-BMM Razo entre HPA de alta e de baixa massa molecular

    IG ndice de Germinao

    INMET Instituto Nacional de Meteorologia

    Kw/o Constante de partio em gua/octanol

    PCDD Dibenzo-p-dioxinas Tetra a Octacloradas

    PCDF Dibenzofuranos Tetra a Octaclorados

    OECD Organization for Economic Co-operation and Development

    OMS Organizao Mundial da Sade

    OTAN Organizao do Tratado do Atlntico Norte

    pb Pares de base

    TEF Fatores de Toxicidade Equivalente

    TPH Hidrocarbonetos Totais de Petrleo

    UDT Unidade de Dessoro Trmica

    UFC/g Unidades Formadoras de Colnias por grama de solo

    UFC/mL Unidades Formadoras de Colnias por mililitro

    USEPA United States Environmental Protection Agency

    HPA-AMM:BMM Variao da razo dos HPA de alta e baixa massa molecular

  • xv

    RESUMO

    GOMES, Ulrich Vasconcelos da Rocha. Tratamento Microbiolgico Sequencial de Solo

    Proveniente de Unidade de Dessoro Trmica. Rio de Janeiro, 2011. Tese (Doutorado em

    Tecnologia de Processos Qumicos e Bioqumicos) Escola de Qumica, Universidade

    Federal do Rio de Janeiro, 2011

    Os resduos oleosos gerados nas operaes industriais so perigosos e a gesto correta

    representa um desafio para o setor industrial. Tratamentos trmicos so amplamente

    utilizados na remediao de solos contaminados por petroderivados, porm as temperaturas

    empregadas podem permitir a presena de compostos remanescentes ao final do processo. O

    presente trabalho teve como objetivo avaliar estratgias de tratamento microbiolgico

    sequencial de um solo oriundo de uma Unidade de Dessoro Trmica. No extrato total do

    solo foram identificados os 16 HPA prioritrios da USEPA, no sendo detetadas dioxinas e

    furanos. Em seguida, foi empregado um planejamento experimental fatorial completo 23,

    utilizando como variveis de entrada: adio de fertilizante mineral NPK, adio de glicerol

    PA e presena ou ausncia do bioaumento. A biodegradao dos HPA foi escolhida como

    varivel de resposta. A anlise estatstica indicou que a adio de glicerol PA em uma

    concentrao menor que 0,63 mg/kg, em detrimento do bioaumento e da adio de

    fertilizante, foi o fator determinante na biorremediao. A partir desse resultado, foram

    testadas as concentraes de 0,32 e 0,16 mg/kg do cossubstrato. A primeira condio

    estudada obteve a melhor biodegradao dos HPA, em 60 dias de tratamento, 71,80,2%.

    Posteriormente foi empregado glicerol bruto, proveniente da indstria do biodiesel, em

    condies similares, obtendo-se um percentual de biodegradao de 68,00,1%, confirmando

    que o composto pode ser empregado como cossubstrato, bem como agregando valor a este

    resduo. Os ensaios de ecotoxicidade no solo provaram que a biorremediao eliminou o

    efeito fitotxico ainda observado aps o tratamento trmico.

    Palavras-chaves: Biorremediao. Bioestmulo. Hidrocarbonetos Policclicos Aromticos. Glicerol. Dessoro

    trmica.

  • xvi

    ABSTRACT

    GOMES, Ulrich Vasconcelos da Rocha. Sequential Microbiological Treatment of Soil

    Obtained from a Thermal Desorption Unit. Rio de Janeiro, 2011. Thesis (Post-Graduation in

    Technology of Chemical and Biochemical Processes) Escola de Qumica, Universidade

    Federal do Rio de Janeiro, 2011

    Oily wastes generated in industrial operations are hazardous and proper management

    represents a challenge to the industrial sector. Thermal treatment is a widely used technique

    for oil-contaminated soil remediation however some temperatures may lead to the presence

    of residual compounds. The purpose of this investigation was to evaluate the efficacy of

    sequential microbiological treatment strategies in a soil obtained from a Thermal Desorption

    Unit. The USEPA 16 priority PAHs were found in the soil extracts, but neither dioxins nor

    furans were detected. Screening was then performed by using a complete 23 factorial

    experimental design with these input factors: addition of mineral NPK fertilizer, addition of

    pure glycerol and the presence or absence of bioaugmentation. PAH degradation was chosen

    as the response variable. Statistical analysis indicated that the addition of pure glycerol at a

    concentration lower than 0.63 mg/kg was the determinant factor in bioremediation. Based on

    this result, further experiments were carried out using pure glycerol at 0.32 and 0.16 mg/kg.

    The first condition resulted in the best PAH biodegradation at 60 days, 71.80.2%.

    Afterwards, raw glycerol obtained as a by-product from the biodiesel manufacturing industry

    was used in similar testing and achieved 68.00.1%, confirming that this compound may be

    used as a cosubstrate and adding value to this residue. Ecotoxicity assays on soil samples

    proved that bioremediation eliminated the phytotoxic effects still observed after the thermal

    treatment.

    Key words: Bioremediation. Biostimulation. Polycyclic Aromatic Hydrocarbons. Glycerol. Thermal

    Desorption.

  • Tratamento Microbiolgico Sequencial de solo... Vasconcelos, U. (nome para citao)

    17

    CAPTULO 1

    INTRODUO

    A matriz energtica atual depende de combustveis fsseis e petroderivados. Com a

    industrializao, o aumento dessa demanda gerou ao longo das dcadas, impactos positivos na

    qualidade de vida da populao mundial, bem como a perturbao ambiental, como um dos

    seus maiores efeitos adversos, seja resultado de acidentes e vazamentos de leo, sejam por

    atos de guerra (MOHAMED et al. 2006, LEMIEUX; LUTES e SANTOIANNI, 2004).

    Independentemente do grau de desenvolvimento tecnolgico e da gesto ambiental,

    toda atividade industrial de ampla escala gera grande quantidade de resduos, em

    determinados casos, como no setor qumico e petroqumico, o manejo de resduos demanda

    elevada ateno, assim como recursos financeiros e humanos especializados (OUYANG et al.

    2005).

    Por se tratarem de substncias perigosas, a destinao final dos resduos

    cuidadosamente planejada, seguindo normas e parmetros previstos por legislaes, manuais

    ou estudos tcnicos (RMBKE et al. 2005). Os resduos da indstria do petrleo e gs natural

    esto inseridos nesse contexto, por compreenderem uma mistura de hidrocarbonetos alifticos

    e aromticos, metais pesados e compostos sulfurados, nitrogenados e oxigenados, de

    toxicidade variada (MOHAMED et al. 2006, YUSTE et al. 2000).

    Estima-se que 90% da descarga de contaminantes na natureza sejam de origem

    antropognica e cerca de 70% de todos os contaminantes ambientais sejam hidrocarbonetos.

    Em termos de contaminao por leo, o solo considerado a poro mais afetada. Muitos

    poluentes esto no solo h anos, porm o pblico no tem a conscincia adequada da

    magnitude e da importncia desse fato (WILCKE, 2007, NIKOLOPOULOU et al. 2006,

    ALEXANDER, 2000).

  • Tratamento Microbiolgico Sequencial de solo... Vasconcelos, U. (nome para citao)

    18

    No caso de descarte de contaminantes em solos, todos os seus constituintes so

    impactados, incluindo a microbiota, considerada a chave central para a recuperao da rea.

    Tal recuperao caracterizada como um processo lento, quando comparado velocidade da

    contaminao, mesmo que ocorra de forma gradual ou por vezes, indireta como nos casos de

    microvazamentos e contaminao relacionada pluviosidade (WATANABE e

    HAMAMURA, 2003).

    A variedade e a concentrao dos contaminantes oriundos dos resduos oleosos podem

    influenciar negativamente a fertilidade do solo, principalmente pelas caractersticas de alguns

    compostos, que podem ocasionar mutaes e alteraes na composio da macro e da

    microbiota nativa. No obstante, o aporte de hidrocarbonetos no solo proporciona ao longo do

    tempo, a seleo de micro-organismos degradadores, fundamentais ao processo de

    recuperao do sistema impactado (CRAWFORD et al. 2005). importante enfatizar que a

    natureza persistente de alguns contaminantes, como os Hidrocarbonetos Policclicos

    Aromticos (HPA), pode interromper ou estender o tempo do bioprocesso (HERWIJNEN et

    al. 2003).

    Os HPA compreendem uma das classes de molculas mais ocorrentes no ambiente. De

    carter hidrofbico, estas molculas tendem a se ligar fortemente s partculas do solo,

    dificultando o bioacesso e consequentemente sua biodegradao. Alm disso, o potencial

    mutagnico e carcinognico dos HPA conhecido e amplamente divulgado na literatura

    (GONG et al. 2007, MATER et al. 2006, ENELL et al. 2005, WATANABE, 2001).

    Considerando a complexidade inerente aos solos, bem como a diversidade e natureza

    dos contaminantes, vrias tecnologias tm sido desenvolvidas e empregadas na remoo de

    compostos qumicos poluentes. Dentre esse grupo de processos, destacam-se as operaes

    trmicas, como por exemplo, a dessoro trmica, cuja maior vantagem diz respeito

    eficincia na remoo de grande quantidade de constituintes em um curto espao de tempo

  • Tratamento Microbiolgico Sequencial de solo... Vasconcelos, U. (nome para citao)

    19

    (WARD; SINGH e VAN HAMME, 2003, REMMLER e KOPINKE, 1995). A dessoro

    trmica uma tcnica baseada no aquecimento do solo, em uma faixa de temperatura

    variando de 100 a 350C, na qual promove a transferncia de massa dos contaminantes da

    matriz do solo para a fase gasosa, sem que haja destruio desses compostos (MERINO e

    BUCAL, 2007, LIGHTY; SILCOX e PERSHING, 1990).

    A dessoro trmica no foi uma tcnica desenvolvida para a destruio dos

    compostos orgnicos, entretanto, algumas dessas molculas podem ser parcialmente

    decompostas, gerando produtos indesejados, como HPA, dioxinas e furanos (KULKARNI;

    CRESPO e AFONSO, 2008). Recentemente, em uma extensa reviso sobre produtos

    formados a partir de mecanismos envolvendo pirlise e pirossntese, Ravindra, Sokhi e Van

    Grieken (2008) enfatizaram a formao de compostos carcinognicos e mutagnicos,

    sobretudo HPA. A faixa de temperatura, na qual a maioria destes compostos formada,

    atravs de reaes catalisadas pelos minerais presentes no solo, coincide com a faixa de

    temperatura empregada na dessoro trmica.

    Neste contexto, o grau de eficincia desse processo pode estar sujeito s oscilaes

    intrnsecas das condies, em escala industrial, reforma de molculas, ao tipo do solo e ao

    teor e natureza dos contaminantes. Tais fatores podem contribuir para a presena de HPA e

    outros compostos nos solos j tratados, justificando a necessidade de um tratamento

    sequencial, que tenha por objetivo, diminuir ou extinguir o risco que os HPA residuais podem

    representar.

    Geralmente, os tratamentos sequenciais para a remoo de compostos em solo

    envolvem combinaes de metodologias complementares a um tratamento fsico ou qumico

    prvio, cuja finalidade ser aumentar a disponibilidade das molculas para uma posterior

    remoo por via microbiolgica. A utilizao de micro-organismos na remoo de

    hidrocarbonetos de petrleo em solos naturais encontra-se amplamente documentada na

  • Tratamento Microbiolgico Sequencial de solo... Vasconcelos, U. (nome para citao)

    20

    literatura, sendo considerada ambientalmente correta e com boa aceitao pela opinio

    pblica (JACQUES et al. 2007, SUPAPHOL et al. 2006, BONTEN; GROTENHUIS e

    RULKENS, 1999).

    De uma forma geral, dois tipos de abordagens podem ser aplicados na biorremediao

    de solos: bioestmulo e bioaumento. Tais estratgias compreendem um conjunto de tcnicas

    consolidadas tanto pelo meio cientfico como pela indstria. As metodologias que empregam

    o bioestmulo ou o bioaumento esto atreladas s estratgias metablicas dos micro-

    organismos, por exemplo, a produo de biossurfatantes e o cometabolismo, as quais auxiliam

    a remoo dos contaminantes do solo por convert-los em biomassa e metablitos. Ressalta-se

    que as interaes ecolgicas positivas entre diferentes grupos microbianos potencializam o

    bioprocesso como um todo (SENEVIRATNE et al. 2008, CHANEAU et al. 2005,

    MULLIGAN, 2004).

    Em solos, a biodegradao dos HPA mais lenta quando comparada a outros

    hidrocarbonetos. Tais molculas no constituem fontes preferenciais de carbono, fazendo com

    que o processo de remoo microbiolgica ocorra por meio de vias cometablicas. Partindo

    deste princpio, a adio de cossubstratos, como o glicerol, ao solo contaminado, pode

    contribuir para o aumento da velocidade de biodegradao. O glicerol um dos adjuvantes

    mais empregados na funo de cossubstrato em diversos bioprocessos industriais e bons

    resultados foram reportados na literatura quando da utilizao do composto na biodegradao

    de leo cru (ZHANG et al. 2005) e no processo de desnitrificao de guas residurias

    (BODK et al. 2009).

    O glicerol possui diversas vantagens em relao a outros cossubstratos, tais como, a

    propriedade osmorreguladora (NEVOIGT e STAHL, 1997), o fato de poder atuar como fonte

    preferencial de carbono na sntese de biossurfatantes (BATISTA et al. 2006) e a grande

    disponibilidade no mercado. Neste contexto, o glicerol bruto, um coproduto da indstria do

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    21

    biodiesel, passa a ter valor agregado, pelo seu reuso dentro do setor de petrleo e gs, uma

    vez que sua produo e oferta vm sendo crescentes ao longo dos ltimos anos, por

    conseguinte estimulam pesquisas visando o desenvolvimento de aplicaes funcionais para o

    produto (OOI et al. 2004).

    O glicerol bruto considerado um resduo industrial em funo da concentrao de

    metais alcalinos, sabes e outras impurezas, oriundas do processo de produo de biodiesel e

    mesmo na forma bruta, o composto pode ser assimilado como fonte de carbono para obteno

    de energia e produo de biomassa, apresentando resultados similares aos obtidos quando

    empregado o glicerol PA (LIU et al. 2009).

    Por tratar-se como uma matria recente, na literatura pesquisada no foram

    encontrados estudos que investigaram a aplicao do composto como cossubstrato durante a

    biorremediao de solos contaminados com HPA. Outro ponto importante refere-se

    ausncia de investigaes sobre as estratgias de tratamento sequencial, microbiolgicos ou

    de outra natureza, na remoo dos HPA residuais em solos tratados por dessoro trmica.

    A nica explicao para a deficincia deste tipo de abordagem pode estar na prpria

    bibliografia relacionada ao tema dessoro trmica como um mtodo propriamente dito.

    At hoje, a literatura especializada se preocupou apenas em esclarecer as dvidas relacionadas

    aos possveis pontos crticos do processo, bem como demonstrar e discutir a sua eficcia, sob

    o ponto de vista das anlises fsico-qumicas, negligenciando o grau de risco que uma possvel

    presena de compostos residuais, pode representar, como nos casos da fitotoxicidade, do

    bioacmulo e da biomagnificao, mesmo quando as concentraes de compostos

    remanescentes so baixas. Neste cenrio, torna-se clara a necessidade de estudos que visam

    investigar como a integrao de metodologias pode garantir a real eficcia da interveno.

    Por razes j mencionadas, um questionamento sobre a presena dos HPA residuais no

    solo pode vir luz, tornando possvel a percepo da existncia de lacunas no que diz respeito

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    22

    ao risco sade humana e ambiental, representado por tais compostos. Estas lacunas podem

    tambm se estender aos eventos que se seguem ao tratamento de solos por dessoro trmica,

    diretamente relacionados microbiota, dinmica dos nutrientes no solo e recuperao do

    equilbrio do ecossistema (DAZY; FRARD e MASFARAUD, 2009).

    As informaes presentes neste documento dissertam sobre o ineditismo do tema e

    descrevem estratgias de tratamento microbiolgico sequencial, em escala de laboratrio, de

    um solo previamente tratado em uma Unidade de Dessoro Trmica, em escala industrial,

    contendo ao final deste processo, baixos teores de HPA residuais, implicados na toxicidade de

    grau moderado alto, nos vegetais testados.

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    23

    CAPTULO 2

    OBJETIVOS

    2. 1 Objetivo geral

    Avaliar o tratamento microbiolgico sequencial de um solo tratado por dessoro

    trmica, utilizando a degradao dos 16 Hidrocarbonetos Policclicos Aromticos

    listados pela United States Environmental Protection Agency, como varivel de

    resposta.

    2. 2 Objetivos especficos

    Caracterizar o resduo oleoso de fundo de coluna da cmara de destilao a vcuo,

    contaminante do solo.

    Avaliar a eficincia do tratamento trmico atravs da caracterizao das amostras de

    solo antes e depois do processo.

    Identificar os contaminantes residuais no solo aps tratamento trmico.

    Investigar a biodegradao dos hidrocarbonetos residuais identificados, empregando

    tcnicas de bioestmulo e bioaumento, com uso de ferramentas estatsticas e de

    planejamento experimental.

    Utilizar o glicerol bruto, resduo da fabricao do biodiesel, como cossubstrato do

    processo de biodegradao dos hidrocarbonetos policclicos aromticos residuais.

    Avaliar a fitotoxicidade dos solos pr e ps-dessoro trmica, bem como aps a

    biorremediao.

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    CAPTULO 3

    REVISO DA LITERATURA

    3. 1 Resduos da indstria do petrleo

    H pouco mais de 150 anos, desde a primeira explorao comercial do petrleo nos

    Estados Unidos, o ouro negro, como ficou conhecido, firmou-se como um dos mais

    importantes pilares da atividade humana em toda a histria, assumindo uma posio

    privilegiada em nossa sociedade e decidindo os progressos, comodidades, benefcios

    oferecidos e a organizao de como a conhecemos (CHEREMISINOFF e ROSENFELD,

    2009).

    O leo cru necessita de vrios tratamentos, sendo o refino, a operao, pela qual so

    obtidos os derivados, com maior valor comercial, ao menor custo operacional. O processo do

    refino do petrleo consiste em etapas de separao, converso, tratamento de derivados e

    formulao. Na etapa de separao ocorre o desmembramento das fraes bsicas do leo

    empregando operaes primrias, como a destilao atmosfrica e operaes secundrias, por

    exemplo, a destilao a vcuo (CUNHA, 2009, SZKLO, 2005).

    Aps a separao das fraes, os resduos depositados no fundo das cmaras de

    destilao a vcuo so principalmente constitudos por resinas e asfaltenos. Nas operaes de

    converso, ocorre a transformao das fraes separadas e tambm do resduo de fundo das

    cmaras de separao, atravs de reaes de quebra, de reagrupamento ou de reestruturao

    molecular, tais como, tcnicas de craqueamento, alquilao e condensao de anis,

    respectivamente. Na fase de tratamento de derivados so eliminadas ou modificadas algumas

    propriedades indesejadas, associadas presena de diversos contaminantes do leo, como o

    enxofre, por exemplo. Na etapa de formulao, os derivados do petrleo sofrem um

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    25

    polimento, alcanando diferentes especificaes de presso de vapor, peso especfico,

    contedo de enxofre, viscosidade, entre outras (CUNHA, 2009, SZKLO, 2005).

    Apesar do planejamento e gerenciamento adequados nas refinarias, visando minimizar

    possveis perturbaes ambientais, importantes impactos ainda podem ocorrer. Alguns

    exemplos desses impactos so o consumo excessivo de gua e energia, a produo de grandes

    quantidades de efluentes lquidos, a emisso de gases txicos e o efeito estufa, bem como a

    gerao de resduos slidos, de difcil tratamento e disposio (BAIRD, 2008).

    De acordo com a Associao Brasileira de Normas Tcnicas, ABNT (2004), os

    resduos so definidos como um material resultante da atividade humana de origem industrial,

    domstica, hospitalar, agrcola, de servios e de varrio. Em funo de suas caractersticas

    fsico-qumicas, podem representar risco para a sade pblica e ambiental, dado os diferentes

    graus de toxicidade, podendo ser teratognicos, quando afetam a vida embrionria;

    mutagnicos, quando aumentam as taxas de alteraes genticas espontneas e

    carcinognicos, quando aumentam a probabilidade do desenvolvimento de cncer.

    Os resduos oleosos da indstria do petrleo compreendem uma mistura de substncias

    hidrofbicas, de graus de recalcitrncia distintos e por vezes, carcinognicas, podendo ser de

    natureza orgnica e inorgnica. Os resduos slidos, semisslidos e lquidos so formados em

    muitas etapas do processo do refino e tratamento de efluentes, bem como durante o transporte

    e estocagem da matria-prima ou do produto pronto (DEUEL Jr. e HOLLIDAY, 1997). A

    Tabela 3.1 apresenta alguns dos principais resduos gerados na indstria do petrleo.

    Tabela 3.1 Resduos gerados na indstria do petrleo listados por origem*

    Tipo de operao Exemplos

    Refino

    lama do dessalinizador; resduo de fundo de tanque de

    refino; resduo de coque; borras oleosas; catalisadores

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    26

    Refino (continuao) exauridos; finos do catalisador exaurido; finos depositados

    nos tratamentos trmicos; lamas dos processos de

    converso de produtos de fundo de cmaras de destilao a

    vcuo; guas cidas; argilas de converso; argilas de

    filtrao de leo lubrificante; slidos emulsionados em

    leos; sedimento de filtrao; lamas cidas; lamas de

    enxofre; produtos fora da especificao.

    Tratamento lamas do tratamento de efluentes; lodo de separao leo-

    gua; sobrenadante de separadores; lodo biolgico; lama

    de limpeza dos trocadores de calor e torres de refrigerao;

    argilas de absoro.

    Limpeza lodo de limpeza de tubos; lodo de limpeza de separadores;

    lodo de poeiras do sistema de emisso de gases; efluentes

    oleosos em condensadores.

    Transporte e estocagem sedimento de fundo do tanque de armazenamento; borras

    oleosas; slidos emulsionados no leo; ferrugem; crostas;

    solo contaminado por derramamentos.

    * dados reunidos a partir de diversas fontes

    Os resduos gerados na indstria do petrleo e gs natural podem ser classificados

    como resduos perigosos e no perigosos. Os resduos perigosos ou classe I apresentam

    propriedades que lhes conferem graus de periculosidade, ou seja, inflamabilidade,

    corrosividade, reatividade, toxicidade e patogenicidade. Ressalta-se que um resduo classe I

    no necessariamente tem que apresentar todas essas propriedades (ABNT, 2004). As borras

    oleosas, resduos de fundo de tanques e das cmaras de destilao, lodos de tratamento de

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    27

    Slidos emulsionados no leo (67,2%) Catalisadores exauridos (25,0%)Borra oleosa (4,5%) Sedimentos depositados (2,4%)Lodo biolgico (0,6%) Lamas (0,4%)Argilas de absoro (0,2%) Resduo de fundo de cmara de destilao (0,1%)

    efluentes e de limpeza, amnia e catalisadores exauridos, isto , saturados por metais pesados

    e hidrocarbonetos, so exemplos de resduos gerados na indstria do petrleo, pertencentes

    esta classe.

    Os resduos no perigosos ou classe II compreendem os compostos que no se

    enquadram na definio para os resduos perigosos. Os resduos classe II se subdividem em

    dois grupos: classe IIA ou no inertes, os quais podem apresentar caractersticas como

    biodegradabilidade, combustibilidade e solubilidade em gua; e classe IIB ou inertes,

    caracterizados desta forma quando todos os seus constituintes solubilizados apresentam

    valores inferiores aos padres de potabilidade da gua, excetuando aspecto, cor, turbidez,

    dureza e sabor (ABNT, 2004).

    A Figura 3.1 apresenta o percentual de resduos perigosos gerados em uma refinaria de

    grande porte.

    Figura 3.1 Percentual de resduos perigosos gerados em uma refinaria de grande porte,

    calculados a partir de dados de Mariano (2001)

    Os resduos perigosos da indstria de petroderivados so constitudos principalmente

    por hidrocarbonetos aromticos monocclicos, policclicos e heterocclicos, de alta e baixa

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    28

    massa molecular, alm de gua e partculas minerais, incluindo metais pesados. No ponto de

    sua gerao, podem conter, em mdia, os seguintes teores: 40-60% de leo, 30-90% de gua e

    5-40% de slidos totais. Desta forma, qualquer resduo gerado em operaes industriais

    representa risco para o ambiente e um problema para o setor, determinando que o correto

    gerenciamento dos resduos seja empregado, prtica existente mesmo antes do atual

    movimento ecolgico (DAS e MUKHERJEE, 2007, LAZAR et al. 1999, DEAN, 2005). A

    literatura sugere que antes da destinao de tais resduos, se faz necessrio o emprego de

    operaes de manejo e de tratamento, como por exemplo, o acondicionamento seguro, a

    estabilizao e a disposio em aterros (MACHN-RAMIREZ et al. 2008, MARIANO, 2001).

    Quando se dispem borras oleosas ou qualquer outro tipo de resduos em aterros, esse

    processo deve ser conduzido de forma a garantir a estabilidade hidrolgica e mecnica, no

    intuito de evitar lixiviao e contaminao por infiltraes. Do contrrio, o tratamento e a

    disposio final imprprios desses materiais podem causar impactos relevantes e adversos,

    principalmente ao solo e aos corpos hdricos subterrneos (RITTER et al. 2006, MISHRA et

    al. 2001, VASUDEVAN e RAJARAM, 2001).

    Ao se optar em dispor resduos oleosos diretamente no solo, a execuo equivocada ou

    insegura dessa operao pode causar graves danos ao ambiente. No entanto,

    independentemente do cuidado e da tecnologia empregada na disposio de resduos

    diretamente no solo, a transferncia de massa dos contaminantes atravs de suas camadas

    pode ocorrer e dessa forma, o transporte da matria orgnica pode seguir trs vias: parte se

    dissolve na fase lquida do solo, outra fica retida nos poros e uma terceira, compe a fase

    gasosa. Alm disso, observa-se que a rea onde ocorre a adsoro dos contaminantes nos

    agregados maior do que toda a rea encontrada na superfcie do solo (NADIM et al. 2000).

    Uma vez em contato, os resduos do petrleo podem afetar propriedades importantes

    do solo, tais como, permeabilidade, porosidade, densidade, resistncia, estabilidade, umidade,

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    29

    entre outras. Em alguns casos, a ao do tempo pode potencializar o impacto negativo no

    bioacesso e na biodisponibilidade de certas molculas, tornando os Hidrocarbonetos

    Policclicos Aromticos uma das principais classes de compostos reconhecidamente

    persistentes (SEMPLE et al. 2007, DUA et al. 2002, VISVANATHAN, 1996).

    3. 2 Hidrocarbonetos Policclicos Aromticos (HPA)

    Os Hidrocarbonetos Policclicos Aromticos (HPA) compem uma importante e

    complexa classe de compostos ubquos, dotados de dois ou mais anis aromticos e

    ciclopentanos, condensados e arranjados na forma linear, angular ou em grupos. Os HPA so

    geralmente formados a partir de hidrocarbonetos saturados, sob condies deficientes de

    oxignio, utilizando vias de pirossntese ou de pirlise, catalisadas por certos constituintes

    presentes no meio (MUCKIAN et al. 2007, VO-DINH; FETZER e CAMPIGLIA, 1998).

    Os HPA se originam a partir de trs fontes: 1 vegetal, pela razo de muitos dos

    constituintes das plantas serem formados por molculas aromticas, tais como, carotenoides,

    lignina, alcaloides e terpenoides; 2- geoqumica, quando a matria orgnica exposta altas

    temperaturas, permitindo a formao desses compostos; 3- antropognica, mais comum e

    muito acima do padro natural de formao (MUELLER; CERNIGLIA e PRITCHARD,

    2005).

    A maior preocupao com relao aos HPA diz respeito ao seu elevado potencial

    mutagnico e carcinognico, amplamente divulgados na literatura (MATER et al. 2006,

    ENELL et al. 2005, WATANABE, 2001, entre outros). Dada a natureza hidrofbica, os HPA

    so bem absorvidos pelos mamferos, atravs de trs rotas de exposio: ingesto, inalao e

    drmica, resultando em mutaes e perturbao nos gametas, alm do acmulo na cadeia

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    30

    trfica (FARHADIAN et al. 2011, CEBULSKA-WASILEWSKA et al. 2007, CHEN e LIAO,

    2006).

    Como xenobiticos, os HPA so considerados os principais contaminantes orgnicos

    na natureza, tendo o solo como principal receptor. Essas molculas podem sofrer

    transformaes por de diversas vias: oxidao, fotlise, volatilizao e biodegradao. Os

    principais fatores determinantes da rota de remoo dos HPA esto principalmente

    relacionados ao ambiente e s propriedades qumicas dessas molculas, por exemplo, tamanho

    e o nmero e a configurao dos anis (HAMDI et al. 2007, ZHANG et al. 2006, GONG et al.

    2005, KANALY e HARAYAMA, 2000).

    Os HPA so classificados em dois grupos de acordo com o nmero de anis em HPA

    de baixa massa molecular, com dois ou trs e HPA de alta massa molecular, com quatro ou

    mais anis (DAUGULIS e McCRACKEN, 2003). A Tabela 3.2 apresenta as principais

    caractersticas dos dezesseis HPA prioritrios listados pelo rgo americano de proteo

    ambiental, USEPA (United States Environmental Protection Agency).

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    31

    Tabela 3.2 Caractersticas fsico-qumicas e classificao da atividade genotxica dos 16 HPA prioritrios listados pela USEPA*

    HPA

    n de anis

    Massa

    molecular (g)

    Genotoxicidade

    (classes)

    Frmula

    Solubilidade

    (mg/L)

    Presso de vapor (mmHg)

    logKw/o

    Ponto de fuso

    (C)

    Ponto de

    ebulio (C)

    d (g/L)

    Naftaleno 2 128,17 2B C10H8 31,0 8,89x10-2 3,4 80 218 1,14 Acenafteno 3 154,21 3 C12H10 3,8 3,75x10-3 3,9 94 280 1,02 Acenaftileno 3 152,20 -- C12H8 16,1 2,90x10-2 4,1 91 280 1,01 Fluoreno 3 166,22 3 C13H10 1,9 3,24x10-3 4,2 116 295 1,20 Fenantreno 3 178,23 3 C14H10 1,1 6,80x10-4 4,6 101 339 1,25 Antraceno 3 178,23 3 C14H10 0,045 2,55x10-5 4,5 218 340 1,25 Fluoranteno 4 202,26 3 C16H10 0,26 8,13x10-6 5,2 111 375 1,25 Pireno 4 202,26 3 C16H10 0,132 4,25x10-6 5,2 146 404 1,27 Benzo[a]antraceno 4 228,29 2B C18H12 0,011 1,54x10-7 5,6 162 435 1,27 Criseno 4 228,29 2B C18H12 0,0015 7,80x10-9 5,9 254 448 1,27 Benzo[b]fluoranteno 5 252,32 2B C20H12 0,0015 8,06x10-8 6,1 168 481 1,24 Benzo[k]fluoranteno 5 252,32 2B C20H12 0,0008 9,59x10-11 6,8 217 480 1,24 Benzo[a]pireno 5 252,32 1 C20H12 0,0038 4,89x10-9 6,5 179 495 1,24 Dibenzo[a,h]antraceno 5 276,34 3 C22H12 0,005 2,10x10-11 6,5 267 324 1,28 Benzo[g,h,i]perileno 6 278,35 3 C22H14 0,00026 1,00x10-10 6,6 278 550 1,30 Indeno[1,2,3-c,d]pireno 6 278,35 2B C22H14 0,062 1,40x10-10 7,1 164 536 1,30

    fontes: IARC (2010); Bojes e Pope (2007), Cai et al. (2007), Eom et al. (2007), Zhang et al. (2006), Daugulis e McCracken (2003) e Pope, Peters e Howard (2000) * United States Environmental Protection Agency classes: 1- carcinognico para humanos; 2B- possivelmente carcinognico para humanos; 3 no classificado como carcinognico para humanos constante de partio gua/octanol densidade (g/L)

  • Tratamento Microbiolgico Sequencial de solo... Vasconcelos, U. (nome para citao)

    32

    Os dezesseis HPA prioritrios listados pela USEPA representam um modelo de

    unidade geral para um grande grupo de molculas e foram escolhidos utilizando critrios

    baseados nos seguintes fatos: 1- h bastante informao disponvel; 2- so compostos

    representativos da classe, em termos de toxicidade e 3- se encontram em concentraes

    superiores aos demais HPA, consequentemente, aumentando o risco, pela maior exposio

    (RAVINDRA; SOKHI e VAN GRIEKEN, 2008, THOMAS e WORNAT, 2008)

    A Figura 3.2 apresenta as estruturas qumicas dos 16 HPA prioritrios da USEPA.

    Figura 3.2 Estruturas qumicas dos 16 HPA prioritrios da USEPA (fonte:

    RAVINDRA; SOKHI e VAN GRIEKEN, 2008)

    As molculas dos HPA so bastante hidrofbicas, em razo de fenmenos de

    ressonncia eletrnica e outras propriedades qumicas, ligando-se fortemente s partculas do

    solo, dificultando o bioacesso e aumentando a resistncia biodegradao (GONG et al.

    2007, ENELL et al. 2005). Diversas razes podem ser identificadas para explicar o carter

  • Tratamento Microbiolgico Sequencial de solo... Vasconcelos, U. (nome para citao)

    33

    persistente desses compostos: baixa solubilidade em gua (JACQUES et al. 2008,

    HARAYAMA, 1997), baixa biodisponibilidade (SAMANTA; SINGH e JAIN, 2002),

    estabilidade molecular (KANALY e HARAYAMA, 2000, YUSTE et al. 2000), alto

    coeficiente de adsoro no solo (MOHAMED et al. 2006, VAN HAMME; SINGH e WARD,

    2003), altos pontos de fuso e ebulio (GONG et al. 2007), atividade inibitria da microbiota

    (TOLEDO et al. 2006) e participao de reaes de condensao de anis e de formao de

    radicais livres, catalisadas por metais do solo (RISOUL et al. 2005, LEDESMA et al. 2000,

    KARIMI-LOFTABAD; PICKARD e GRAY, 1996).

    O Ministrio da Habitao, Planejamento e Meio Ambiente da Holanda considera a

    soma da concentrao de 10 HPA padres (naftaleno, antraceno, fenantreno, fluoranteno,

    benzo[a]antraceno, criseno, benzo[a]pireno, benzo[g,h,i]perileno, benzo[k]fluoranteno e

    indeno[1,2,3-c,d]pireno), cujos valores so distintos para duas categorias denominadas valor

    de referncia, 1 mg/kg e valor de interveno, 40 mg/kg. O valor de referncia indica o padro

    natural desses HPA no solo, no representando risco para a sade do ambiente e do homem.

    Por outro lado, o valor de interveno refere-se ao caso de contaminao do solo, cuja

    implantao imediata de estratgias de remediao da rea necessria (NEDERLAND,

    2006).

    No Brasil, o Conselho Nacional do Meio ambiente, CONAMA, determina valores

    orientadores dos HPA para solo, distribudos em trs classes denominadas: referncia,

    preveno e interveno. Os valores de interveno ainda esto subdivididos em outras trs

    categorias: para reas agrcolas, para reas residenciais e para reas industriais. Diferente na

    lista holandesa, os valores orientadores de interveno em reas industriais no correspondem

    uma soma de 10 HPA padres e sim, a valores individuais, em mg/kg de solo seco, de 10

    HPA, cujas concentraes no podero estar acima dos seguintes valores: antraceno (0,0),

    benzo[a]antraceno (65,0), benzo[k]fluoranteno (0,0), benzo[g,h,i]perileno (0,0),

  • Tratamento Microbiolgico Sequencial de solo... Vasconcelos, U. (nome para citao)

    34

    benzo[a]pireno (3,5), criseno (0,0), dibenzo[a,h]antraceno (1,3), fenantreno (95,0),

    indeno[1,2,3-c,d]pireno (130,0) e naftaleno (90,0) (BRASIL, 2009).

    3. 3 Vias para tratamento de solos contaminados com leo

    Ao longo das ltimas dcadas, o aumento da necessidade da proteo ambiental

    proporcionou uma intensa cobrana por parte da opinio pblica, motivada principalmente

    por eventos de grande apelo visual e impacto na mdia, tais como, os derramamentos de leo,

    a poluio de corpos hdricos, as grandes chamins de fbricas e o desmatamento de florestas.

    O momento histrico que deu incio ao que chamamos de conscincia ambiental ocorreu a

    partir do impacto causado pelas fotos do planeta Terra, vista no espao, tiradas por

    astronautas, entre os anos de 1968-1970. Pela primeira vez na histria, o planeta foi visto por

    inteiro e pde-se perceber o quo solitrio e frgil est no espao. Nas dcadas seguintes,

    registrou-se o crescimento da preocupao com relao poluio ambiental, proteo de

    reas naturais e crescimento populacional, entre outros. Por vezes, assuntos como a guerra fria

    e a recesso puseram a necessidade de proteo ambiental em segundo plano, somente

    tornando-se prioritrio com a proximidade do incio do sculo XXI (ODUM e BARRETT,

    2008, LESCHINE, 2002).

    O tratamento do solo contaminado por leo tem como objetivo a reduo do volume

    do contaminante e a desintoxicao da rea impactada. Os mtodos e tecnologias aplicados

    so limitados pelas condies ambientais e requerem deciso baseada em estudos de caso

    (ANDERSON, 2002, NORDVIK, 1999, SAXENA e JOTSHI, 1996). A Tabela 3.3 apresenta

    as principais estratgias aplicadas no tratamento de solos impactados com leo e derivados.

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    35

    Tabela 3.3 Exemplos de tratamentos de solos contaminados por leo e derivados*

    Tratamentos fsicos Tratamentos qumicos Tratamentos biolgicos

    Dessoro trmica

    Escavao e Aterro

    Extrao do vapor do solo

    Remoo mecnica

    Lavagem

    Imobilizao

    Queima in situ e ex situ

    Injeo de oxidantes

    Injeo de emulsificantes

    Aplicao de dispersantes

    Extrao por solvente

    In situ flushing

    Estratgias de Bioestmulo

    Bioaumento

    Biopilha

    Fitorremediao

    Compostagem

    Biorreatores

    Biofiltros

    Landfarming * dados reunidos a partir de diversas fontes

    Dentre as tcnicas mais empregadas e comercialmente disponveis para a remoo de

    contaminantes em solos impactados por leo destacam-se os tratamentos trmicos,

    reconhecidos por alguns autores, como os mais eficientes. No entanto, as alternativas

    biolgicas so consideradas menos invasivas e ambientalmente corretas. De acordo com a

    temperatura empregada, os tratamentos trmicos so classificados em dois tipos: 1- tcnicas

    de dessoro, operando na faixa de temperatura entre 100 e 350C, as quais promovem o

    aquecimento do solo e a separao fsica atravs da transferncia de massa para a fase gasosa

    e 2- tcnicas de destruio, operando na faixa de temperatura acima de 350C, promovendo a

    modificao qumica dos contaminantes (MERINO e BUCAL, 2007, SAXENA e JOTSHI,

    1996).

    A complexidade e a concentrao dos poluentes, as propriedades dos solos e a

    contaminao residual aps algumas alternativas de tratamento trmico, com nfase nos

    compostos menos volteis, sugerem a necessidade de alternativas sequenciais, menos

    agressivas e economicamente atrativas. Nesses casos, os tratamentos biolgicos seriam

    indicados como uma complementao. Outro fator importante na determinao da estratgia

    de tratamento de solos impactados com leo o tempo necessrio para a remediao. Esse

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    36

    perodo pode variar de poucos meses a muitos anos e a escolha do processo depende de

    alguns fatores, tais como, qualidade e quantidade dos contaminantes presentes, tamanho e

    profundidade da rea contaminada, tipo de solo e condies ambientais. Entre esses fatores, o

    tipo do contaminante considerado o parmetro determinante (FRIIS et al. 2006, ENELL et

    al. 2005, ARARUNA Jr. et al. 2004).

    Geralmente, a interao entre os tratamentos fsico-qumicos com os tratamentos

    biolgicos ocorre de forma sequencial ou secundria, sendo empregados antes ou depois da

    biorremediao. Tais abordagens podem ser exemplificadas pela adio de solventes ao solo

    ou pelo emprego do reagente de Fenton ou oznio aps o biotratamento, respectivamente. No

    primeiro exemplo, os compostos hidrofbicos so dissolvidos, favorecendo a assimilao

    desses compostos pelos micro-organismos, isto , aumentando sua biodisponibilidade. No

    segundo exemplo, as estratgias empregadas participam de reaes de oxidao dos

    contaminantes residuais e seus metablitos (GAN; LAU e NG, 2009).

    Na extensa literatura consultada, a aplicao de qualquer tratamento biolgico

    sequencial para a remoo de compostos residuais, em solos tratados por dessoro trmica,

    ainda no foi executada, uma vez que os autores enfatizam a eficincia da operao baseados

    nas caractersticas fsico-qumicas do solo aps a passagem pelo forno. Contudo, ressalta-se

    que as altas temperaturas e certas oscilaes intrnsecas do processo podem promover

    determinadas condies, nas quais, um tratamento secundrio se faa necessrio.

    3. 3. 1 Dessoro trmica

    A dessoro trmica um processo de remoo de molculas no estado lquido ou

    gasoso, aderidas superfcie, contidas nos micro e nos mesoporos dos slidos, atravs da

    aplicao de energia trmica. O tratamento de solos contaminados utilizando o processo de

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    37

    dessoro trmica considerado uma das tcnicas de remediao mais adequadas e versteis,

    dentre as existentes na atualidade. Isto se deve ao amplo espectro de contaminantes orgnicos

    e de alguns metais que podem ser convertidos s suas formas volteis. Em solos

    contaminados com leos, o mtodo est fundamentado no fenmeno de volatilizao dos

    constituintes do contaminante, envolvendo equilbrio de fases e transferncia de massa, sendo

    a temperatura, um dos principais fatores do processo. Os tipos dos contaminantes, as

    caractersticas do solo, incluindo a textura e o tempo de residncia do material nos

    equipamentos, tambm so fatores importantes ao sucesso da dessoro trmica

    (FALCIGLIA; GIUSTRA e VAGLIASINDI, 2011, DAZY; FRARD e MASFARAUD,

    2009, GEORGE et al. 1995, BUCAL et al. 1994).

    Vrias tecnologias podem ser empregadas na extrao ou na recuperao de

    compostos orgnicos, bem como no tratamento de solos contaminados por leo. No entanto, a

    partir da dcada de 1990, a dessoro trmica, apesar de envolver grande investimento,

    recebeu destaque pela eficcia, ganho em tempo e menor investimento por tonelada de solo,

    correspondendo aproximadamente 50% dos gastos quando comparada biorremediao.

    Outras importantes vantagens apresentadas pela tcnica so a possibilidade de remediar

    grandes quantidades de solo em menor tempo, a no produo de metablitos por no

    envolver atividade biolgica, o potencial de aplicao na recuperao do leo e a

    possibilidade de aumentar a biodisponibilidade do contaminante atravs de sua redistribuio

    no solo (ROBINSON et al. 2008, WORLD OIL, 2001, BROTEN; GROTENHUIS e

    RULKENS, 1999).

    Deve-se tambm ressaltar que embora o processo de dessoro trmica no tenha sido

    desenvolvido para decompor molculas orgnicas, alguns deles podem o ser, de forma parcial.

    As temperaturas empregadas podem promover reaes de isomerizao e ou alongamento de

    cadeia, gerando a presena de compostos residuais aps a passagem pelo forno. Em relao a

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    38

    este processo, a no destruio total dos constituintes txicos pode se tornar um problema,

    caso no haja um planejamento eficaz para descarte de resduos remanescentes. Outros pontos

    crticos importantes da operao so a gerao de emisses de gases de efeito estufa e a

    formao de produtos e subprodutos da combusto incompleta, tais como, dioxinas, furanos,

    xidos de enxofre e nitrognio e os vapores de metais. Para contornar tais inconvenientes, a

    Unidade de Dessoro Trmica possui um sistema de controle de poluio de gases, que ser

    discutido mais adiante (POPE; PETERS e HOWARD, 2000, McGOWAN; GREER e

    LAWLESS, 1996).

    Os fenmenos envolvidos na dessoro trmica so divididos em duas etapas:

    liberao de compostos orgnicos volteis e gua, seguida pela liberao lenta de leo com o

    aumento gradual da temperatura, tendo como consequncia a perda de massa representada

    pelas perdas de gua, hidrocarbonetos, material hmico, metais e alguns minerais como

    carbonatos. A dessoro trmica pode ser aplicada nos casos de solos contaminados com

    misturas de hidrocarbonetos, no entanto, um elevado grau de ateno deve ser tomado quando

    o tratamento envolve solos contaminados com leos ou resduos oleosos contendo elementos

    metlicos em elevadas concentraes, em especial, arsnio e mercrio, bastante comuns em

    alguns leos crus (WORLD OIL, 2001).

    A natureza do leo e do solo pode requerer ainda, um elevado gradiente de

    temperatura, associado a um aumento do tempo de residncia no equipamento trmico para a

    remoo satisfatria dos contaminantes, conferindo o aumento significativo do custo, um dos

    limitantes do processo (LEE et al. 1998).

    Geralmente, as Unidades de Dessoro Trmica em escala industrial utilizam o

    esquema simplificado apresentado na Figura 3.3.

  • Tratamento Microbiolgico Sequencial de solo... Vasconcelos, U. (nome para citao)

    39

    1 2 3

    8

    4

    5

    6 7

    Resduo

    Efluente GasosoTratado

    SlidosTratados

    Efluente LquidoTratado

    Figura 3.3 - Esquema simplificado de uma Unidade de Dessoro Trmica. 1-

    armazenamento do resduo; 2 preparao e estoque; 3- admisso; 4 dispositivo

    transportador; 5 forno; 6- sistema de tratamento de gases; 7 sistema de tratamento e

    reciclo dos efluentes; 8 armazenagem dos slidos; inclinao do forno (adaptado de

    SECOND, 2000)

    Segundo De Percin (1995), independentemente do tipo do resduo, esse material

    necessita passar por unidades de operaes de recepo e armazenamento temporrio visando

    dar condies para as anlises no material recebido e o correto acondicionamento, respeitando

    a compatibilidade qumica entre os vrios materiais. Nessa etapa, pode ser verificado se os

    materiais possuem propriedades radioativas, oxidantes, explosivas, entre outras, e por isso

    de fundamental importncia para a segurana do processo e dos trabalhadores, bem como para

    o desempenho do processo. Os dados obtidos na recepo e armazenagem dos resduos

    permitem escolher as operaes unitrias a serem empregadas na preparao do material que

    seguir para o equipamento trmico. Dentre essas operaes, destacam-se a mistura dos

    slidos e dos lquidos, moagem e a separao granulomtrica. Assim, pode-se obter uma

    mistura de resduos, com poder calorfico adequado, evitando exploses dentro do forno e

    reduzindo custos com energia.

    Aps a etapa de preparao, tambm conhecida como blendagem, segue a operao de

    admisso. Nessa etapa, a massa a ser admitida no equipamento trmico dosada, em geral,

    com um equipamento denominado moega. A quantidade de material que sai da moega

  • Tratamento Microbiolgico Sequencial de solo... Vasconcelos, U. (nome para citao)

    40

    depende das caractersticas da mistura preparada na etapa de blendagem, da temperatura do

    forno, das dimenses do equipamento e dos sistemas de controle de emisses acoplados.

    Aps a moega, encontra-se a operao de transporte dos resduos para o forno. Esta

    etapa determina o fluxo de massa na entrada, de forma a garantir uma homogeneidade do

    material, incrementando a eficincia do processo. O transporte de material para o forno pode

    ser feito por meio de equipamentos mecnicos, como as correias transportadoras e os

    parafusos-sem-fim. As operaes manuais de transporte podem ser realizadas, no entanto, so

    menos eficientes, pois apresentam dificuldades para manuteno de velocidade constante e

    esto relacionadas aos problemas de sade ocupacional.

    Ao serem admitidos no forno, os resduos entram em contato com a energia trmica

    presente no equipamento. Esse contato pode ser feito de forma direta ou indireta. Os

    equipamentos que possibilitam o contato direto dos resduos com a chama no forno so

    denominados Unidades de Dessoro Trmica com chama direta, j os equipamentos que no

    possibilitam o contato dos resduos com a chama so denominados de Unidades de Dessoro

    Trmica com chama indireta. Nesse caso, o calor transferido uma superfcie que conduz

    calor aos materiais nela dispostos. A temperatura de operao dos fornos varia, conforme o

    ponto de ebulio dos compostos que se deseja remover dos resduos (DE PERCIN, 1995).

    O tempo de residncia dos resduos no forno controlado por duas variveis: a

    inclinao e a rotao do forno. Os sistemas rotatrios para dessoro trmica so os mais

    comuns e tais sistemas, quando aplicados em chama direta contracorrente, so considerados

    mais eficientes para o processo (McGOWAN; GREER e LAWLESS, 1996). A Figura 3.4

    apresenta o esquema de um forno rotatrio usado no tratamento de solos contaminados por

    leo.

  • Tratamento Microbiolgico Sequencial de solo... Vasconcelos, U. (nome para citao)

    41

    Figura 3.4 Corte longitudinal de um forno rotatrio (adaptado de HEYDENRYCH;

    GREEF e HEESINK, 2002)

    medida que ocorre o movimento giratrio, o solo dentro do tambor rotatrio se

    distribui em duas regies com caractersticas distintas. Prximo base, forma-se a camada

    passiva, que compreende a maior poro, enquanto que na parte superior, forma-se a camada

    ativa. A camada ativa possui uma profundidade varivel em funo da velocidade empregada

    e das partculas que se movem da superfcie para a parte inferior da face do rotor, ocorrendo

    nesta regio a transferncia de massa (HEYDENRYCH; GREEF e HEESINK, 2002).

    O tempo de residncia e a velocidade de rotao tambm promovem modificaes da

    matriz slida. Essas modificaes so causadas pela quebra das partculas em funo do atrito,

    gerando partculas com dimetros menores, principalmente na camada passiva. Alm da

    temperatura, a matriz do solo outro fator importante e geralmente areia e cascalho produzem

    resultados melhores que solos argilosos (ARARUNA Jr. et al. 2004, McGOWAN; GREER e

    LAWLESS, 1996, RINK et al. 1993).

    Os vapores e gases emanados no forno so direcionados para o sistema de tratamento

    de gases. Esse sistema pode possibilitar a condensao do efluente gasoso atravs da reduo

    da temperatura, permitindo, assim, a recuperao de contaminantes de interesse, como por

    exemplo, hidrocarbonetos. Em outros casos, o sistema equipado com uma cmara de ps-

    Luz do forno

    camada ativa

    camada passiva

    sentido da rotao

  • Tratamento Microbiolgico Sequencial de solo... Vasconcelos, U. (nome para citao)

    42

    combusto, CPC, na qual ocorre nova adio de calor no sistema, promovendo a oxidao da

    fase gasosa. Para esse caso, a temperatura deve estar entre 800 e 1200C (BRASIL, 2002).

    Independentemente da presena da CPC ou de sistema de condensao, os efluentes

    gasosos emanados desses dispositivos so encaminhados para sistemas de resfriamento,

    visando reduzir a formao de outras molculas, destacam-se as dioxinas e os furanos,

    compostos altamente carcinognicos. Os efluentes gasosos, em seguida, so encaminhados

    para lavadores de gases e para ciclones e/ou filtros visando remoo de gases cidos, xidos

    de nitrognio e de enxofre, bem como remoo de material particulado (KULKARNI;

    CRESPO e AFONSO, 2008).

    A legislao brasileira preconiza que esses sistemas de tratamento de gases devem ser

    equipados com sistemas automticos para monitoramento das emisses, possibilitando o

    fechamento da entrada do forno para casos de emisses fora dos padres estabelecidos,

    ausncia de chama, baixo teor de oxignio, alto teor de monxido de carbono, entre outros

    parmetros que possam indicar queima inadequada (BRASIL, 2002). Esse processo de

    monitoramento contnuo das emisses, com interligao da resposta analtica automatizada

    porta do forno denominado de intertravamento.

    Para resfriamento e tratamento dos gases usam-se lquidos e equipamentos diversos.

    Os lquidos gerados na unidade so em geral, recirculados no processo com vista reduo

    dos custos do processo e os slidos tratados so encaminhados para um local de

    armazenamento para anlises. Caso seja considerado adequado, o resduo tratado

    encaminhado para destino selecionado, caso seja considerado inadequado, retorna etapa de

    preparao, reingressando ao processo.

    O tratamento trmico promove modificaes no solo, alterando suas caractersticas

    micro e macroscpicas, bem como muitas de suas propriedades fsicas, por exemplo,

    resistncia, plasticidade, densidade e capacidade de reteno de gua. A temperatura

  • Tratamento Microbiolgico Sequencial de solo... Vasconcelos, U. (nome para citao)

    43

    apresenta efeitos significativos principalmente na faixa acima de 100C (ABU-ZREIG; AL-

    AKHAS e ATTOM, 2001).

    De acordo com McGrath, Sharma e Hajaligol (2001), dentro do forno ocorrem

    concomitantemente, vrias reaes mediadas pela temperatura e pelo tempo de residncia, de

    modo que HPA podem ser eliminados e outras substncias podem ser transformadas em HPA,

    atravs do processo denominado por reforma ou sntese de novo1, isto , quando sob altas

    temperaturas, molculas complexas so formadas a partir de precursores simples. Em recente

    estudo, o catecol, molcula composta por apenas um anel aromtico, foi utilizado como

    modelo para a investigao da formao de produtos de combusto incompleta, sendo

    observada a formao de 43 diferentes tipos de HPA, desde naftaleno (C10) ao coroneno (C24)

    (THOMAS e WORNAT, 2008).

    Os compostos de C1 a C5 constituem as maiores fontes para formao dos HPA. Tais

    molculas submetidas temperaturas acima de 300C perdem radicais alquila, gerando a

    liberao de hidrognio e de hidrocarbonetos leves, destacando-se o acetileno e o metano.

    Neste cenrio tambm possvel a formao de radicais livres, que ao se combinarem com os

    hidrocarbonetos leves, promovem reaes de condensao de anis aromticos, bem como

    interaes com HPA de baixa massa molecular, produzindo ismeros ou aumentando a massa

    molecular por conta do alongamento da cadeia (RAVINDRA; SOKHI e VAN GRIEKEN,

    2008, POPE; PETERS e HOWARD, 2000, BUCAL et al. 1996).

    Neste contexto, pode existir tambm a converso de HPA no mutagnicos em HPA

    mutagnicos como, por exemplo, pireno em benzo[a]pireno. Os HPA mais reativos so o

    acenafteno, fluoreno, antraceno, e as formas metiladas de naftaleno, fenantreno e antraceno.

    As reaes de isomerizao e aromatizao tambm podem ocorrer e serem catalisadas por

    1 Do latim de novo que vem do novo, do incio ou do zero

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    44

    minerais e metais presentes no solo (POPE; PETERS e HOWARD, 2000, REMMLER e

    KOPINKE, 1995).

    3. 3. 2 Biorremediao

    A biorremediao um processo que visa a recuperao de solos contaminados por

    substncias txicas pela ao de micro-organismos. A biorremediao de solos pode ser

    classificada em dois grupos: in situ, isto , na prpria rea contaminada, ou ex situ, quando se

    faz necessria remoo fsica (MARGESIN et al. 2007, PALA et al. 2006, POPP;

    SCHLMANN e MAU, 2006).

    Do ponto de vista do seu planejamento, a biorremediao de solo contaminado por

    hidrocarbonetos um processo transdisciplinar, envolvendo interaes entre engenharia,

    microbiologia, ecologia, geologia e a qumica (SAMANTA; SINGH e JAIN, 2002). A

    biorremediao uma alternativa atraente e de baixo custo, baseada no estmulo da atividade

    metablica dos micro-organismos para a converso dos contaminantes em substncias

    atxicas e biomassa (CHANEAU et al. 2005, PAZA et al. 2005, RAHMAN et al. 2002,

    WATANABE, 2001). Entre as vantagens consideradas mais importantes da biorremediao

    de solos contaminados por leo destacam-se: o custo, a possibilidade de aplicao em

    conjunto a outros mtodos de remoo e a aceitao pblica. Por outro lado, o acmulo de

    metablitos txicos se caracteriza como a principal desvantagem do processo (CHAILLAN et

    al. 2004, BOOPATHY, 2000).

    A biorremediao de solos contendo HPA requer tempo e apresenta maior

    complexidade quando comparada aos processos desenvolvidos para tratamento de ambientes

    contaminados com alguns hidrocarbonetos alifticos. A maior dificuldade vem do fato de que

    parte significativa dos HPA e de metablitos pode estar incorporado matria hmica,

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    45

    tornando a razo soro/dessoro dos HPA, o principal fator governante de sua remoo

    (BARRIOS, 2007, WATANABE, 2001, YUSTE et al. 2000).

    importante salientar que fatores intrnsecos e extrnsecos incrementam a dificuldade

    de biorremediar solos contaminados com HPA e alguns deles esto listados na Tabela 3.4.

    Tabela 3.4 Principais fatores limitantes na remoo dos HPA no solo

    Fatores Exemplos Referncias

    Intrnsecos da Microbiota

    composio

    tamanho e diversidade

    versatilidade metablica

    aumento da atividade enzimtica

    produo de biossurfatantes

    viabilidade de aceptores de eltrons

    interaes ecolgicas

    do Contaminante

    natureza

    tamanho e estrutura da molcula

    biodisponibilidade

    toxicidade de metablitos

    histrico da contaminao

    vres (2000)

    Liu et al. (2006)

    Marin, Hernandez e Garcia (2005)

    Lser et al. (1998)

    Singh, Van Hamme e Ward (2007)

    Mulligan e Yong (2004)

    Tilman (2000)

    Atlas (1981)

    Bossert, Kachel e Bartha (1984)

    Semple et al. (2007)

    Boopathy (2000)

    Paza et al. (2006)

    Extrnsecos

    do Ambiente

    temperatura

    tempo

    mudanas sazonais

    umidade

    matria orgnica

    nutrientes essenciais

    pH

    propriedades do solo

    profundidade

    Dibble e Bartha (1979)

    Rivas (2006)

    Marschner e Kalbitz (2003)

    Ettema e Wardle (2002)

    Amellal, Portal e Berthelin (2001)

    ejkov, Mask e Jirk (1997)

    Rahman et al. (2002)

    Margesin et al. (2007)

    Vasudevan e Rajaram (2001)

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    46

    Extrnsecos

    (continuao)

    presena de cossubstrato Romantschuk et al. (2000)

    A biorremediao de solos contaminados com HPA um processo controlado que

    necessita aplicao de condies muitas vezes no encontradas naturalmente. O revolvimento

    do solo uma das condies primordiais, permitindo a homogeneizao, ao mesmo tempo em

    que promove aerao, quebra de agregados, eliminao de compostos volteis e o aumento do

    contato de micro-organismos com nutrientes e substratos (JONER et al. 2004). O tipo e a

    estrutura do solo afetam diretamente a biodisponibilidade do contaminante, bem como a

    organizao e a densidade das comunidades degradadoras, consideradas os pontos centrais da

    biorremediao (SCHERR et al. 2007).

    Os micro-organismos dominam e possuem um papel fundamental na natureza, por

    conta da sua biomassa e da atividade metablica, envolvendo na maioria das vezes a atuao

    de enzimas indutivas e constitutivas. Geralmente, os consrcios microbianos so o foco dos

    processos de biorremediao, sendo a sua importncia atribuda cooperao metablica e ao

    cometabolismo (ALDN; DEMOLING e BTH, 2001, JOHNSEN; WICK e HARMS,

    2005, SPAIN e VAN VELD, 1983).

    A temperatura considerada o principal fator na biodegradao dos HPA quando

    presentes no solo. A faixa tima est estabelecida entre 30 e 40C, facilitando a mobilizao

    dos HPA e aumentando a solubilidade (PERFUMO et al. 2007, LEAHY e COLWELL, 1990),

    como tambm refletindo diretamente na atividade microbiana, promovendo o aumento da

    atividade enzimtica (POPP; SCHLMANN e MAU, 2006).

    A faixa de pH considerada ideal da biodegradao de hidrocarbonetos do petrleo,

    incluindo HPA, se encontra entre 7,4 e 7,8, sendo considerada tima em 7,8 e valores de 8,5

    ou superior, no indicados (FRANCO et al. 2004, RAHMAN et al. 2002, ROWLAND et al.

    2000).

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    47

    O teor de umidade entre 15 e 20% considerado ideal da biodegradao dos HPA.

    Nesta faixa, pode ser estabelecido um cenrio propcio competio entre as molculas de

    gua pelos mesmos stios minerais de soro dos HPA nos agregados do solo. Dessa forma,

    maior quantidade de HPA pode ser encontrada no sorvida matriz e como consequncia, o

    bioacesso pode sofrer um aumento (KOTTLER; WHITE e KELSEY, 2001).

    A presena de oxignio fundamental para o incio do processo degradativo porque

    diversas enzimas envolvidas na quebra das molculas so oxigenases. A aerao artificial

    acelera o processo e se caracteriza como fator determinante na velocidade da biorremediao

    (LEAHY e COLWELL, 1990).

    A concentrao de nutrientes, representados principalmente por nitrognio e fsforo

    o fator limitante mais comum da biorremediao de solos. As fontes de nitrognio e fsforo

    so essenciais para aumento da biomassa, refletindo diretamente na eficincia da

    biodegradao (KIM et al. 2005, SARKAR et al. 2005, VAN HAMME; SINGH e WARD,

    2003, ODONNELL et al. 2001).

    A melhoria da aerao, a correo do pH e a umidade do ambiente, bem como a

    adio de nutrientes compem etapas da tcnica de bioestmulo e visam adequar o ambiente

    s melhores condies para a biodegradao (MARGESIN; HMMERLE e TSCHERKO,

    2007, BENTO et al. 2005, SARKAR et al. 2005).

    Por outro lado, o bioaumento baseia-se na introduo de micro-organismos originados,

    na sua grande maioria, do prprio solo a ser tratado (DEJONGHE et al. 2001). A forma usual

    da aplicao do bioaumento realizada utilizando consrcios microbianos. Preferidos no

    lugar de culturas axnicas, os consrcios microbianos so extremamente prticos, podendo ser

    exclusivamente bacterianos (JACQUES et al. 2008, AYOTAMUNO et al. 2007),

    exclusivamente fngicos (MEYSAMI e BAHERI, 2003) ou mistos, isto , compostos por

    bactrias e fungos (BOONCHAN et al. 2000).

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    48

    estabelecido na literatura que a concentrao do inculo esteja entre 107 e 1012

    UFC/g para os solos onde a biodisponibilidade um fator limitante, como no caso dos solos

    contaminados por HPA. No caso do bioaumento, acredita-se que o inculo deve ser maior ou

    igual populao microbiana encontrada no solo a ser tratado. Isto pode promover garantias

    contra obstculos importantes a partir da inoculao, tais como, adaptao, predao,

    competio, imobilidade e substncias inibidoras como metablitos ou altas concentraes de

    cossubstratos e fertilizantes (MACNAUGHTON et al. 1999, VOGEL, 1996, LEAHY e

    COLWELL, 1990).

    Alguns autores sugerem, no entanto, que a interao das tcnicas de bioaumento e

    bioestmulo seria uma alternativa muito interessante, dada as vantagens que este tipo de

    associao pode trazer para a biorremediao de solos contaminados por petroderivados

    (HAMDI et al. 2007, NIKOLOPOULOU; PASADAKIS e KALOGERAKIS, 2007,

    MRQUES-ROCHA et al. 2005). Outros autores comparam as duas tcnicas na tentativa de

    eleger qual o tipo ideal de tratamento, isto , se o aumento da populao por injeo de micro-

    organismos ou por estratgias de bioestmulo. No entanto, cada histrico de contaminao

    nico, no podendo assim ser apontado qual o melhor tratamento antes de uma investigao

    prvia. Em algumas situaes o bioaumento foi melhor que o bioestmulo (MANCERA-

    LPEZ et al. 2008) e em outras, foi observado o contrrio (BENTO et al. 2005).

    3. 4 Degradao dos HPA por micro-organismos hidrocarbonoclsticos do solo

    O solo caracteriza-se como um ambiente de alta complexidade biolgica, contendo a

    maior poro de biodiversidade, contribuindo dessa forma, para a sustentabilidade de diversos

    ecossistemas. Grande parte da atividade humana ocorre em terra, razo pela qual conferida

    ao solo, a maior suscetibilidade a possveis impactos, resultados da contaminao por diversas

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    49

    fontes, tais como pesticidas, resduos slidos urbanos e hidrocarbonetos do petrleo.

    Particularmente o petrleo, produto explorado comercialmente desde 1859, apresenta um

    significativo potencial de risco ao ambiente durante qualquer etapa de sua produo,

    distribuio e consumo (BARRIOS, 2007, PAUL, 2007, LILLEY et al. 2006, THOMAS,

    2001).

    A introduo de hidrocarbonetos do petrleo no solo tem origem antropognica em

    mais de 90% dos casos. A presena dos hidrocarbonetos no solo responsvel pelo aumento

    da razo C:N:P, tornando-a muito mais alta do que em ecossistemas livres desses compostos.

    Em muitos casos, ao ser identificada a contaminao, encontra-se no solo uma mistura de

    metablitos com leos no biodegradados (NIKOLOPOULOU; PARADAKIS e

    KALOGERAKIS, 2006, OLLIVIER e MAGOT, 2005).

    As reaes microbianas so a chave para a recuperao de solos contaminados por

    leo e o processo de adaptao dos micro-organismos na presena do contaminante, bem

    como o estresse causado ao ecossistema promovem uma presso seletiva permitindo que

    geraes de indivduos hidrocarbonoclsticos se estabeleam (LEE; OH e KIM, 2008,

    HAMAMURA et al. 2006). Ao longo do tempo, tais micro-organismos reduzem o avano da

    contaminao atravs da formao de produtos menos txicos ou da sua total mineralizao

    (MULLIGAN e YONG, 2004, SMETS e PRITCHARD, 2003). A biodegradao de

    hidrocarbonetos do petrleo em solo dividida em duas fases distintas: a primeira, mais

    rpida e mediada pela biodisponibilidade do poluente e a segunda fase, mais lenta, controlada

    pela relao soro/dessoro dos hidrocarbonetos nos agregados do solo (KAPLAN e

    KITTS, 2004, CORNELISSEN et al. 1998).

    Em solos no contaminados por leo, estima-se que apenas 0,1% dos organismos

    sejam hidrocarbonoclsticos, no entanto, nos casos de solos contaminados por longos

    perodos, podem representar 100% dos indivduos. A presena de hidrocarbonetos do petrleo

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    50

    muda a composio da microbiota endgena do solo e esta mudana proporcional

    concentrao das substncias xenobiticas (MOON et al. 2006, ATLAS, 1981).

    Cada classe de hidrocarbonetos degradada por diferentes maneiras pelos micro-

    organismos, utilizando enzimas indutivas e constitutivas. Ao longo do tempo, o fenmeno de

    tolerncia ao contaminante estabelecido, tornando o sistema mais resistente a estresses

    adicionais, at que os hidrocarbonetos e os metablitos resultantes da biodegradao sejam

    totalmente degradados (HAMAMURA et al. 2006, ZOCCA et al. 2004).

    Os micro-organismos e as plantas so os maiores agentes de remoo dos HPA do

    solo. Dada a sua estrutura qumica