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UNIVERSIDADE DE SÃO PAULO
ESCOLA DE ENGENHARIA DE SÃO CARLOS
DEPARTAMENTO DE HIDRÁULICA E SANEAMENTO
MARINA MAURO GOMES
DEGRADAÇÃO ANAERÓBIA DE PAPEL COM
RECUPERAÇÃO DE METANO UTILIZANDO-SE
CONSÓRCIO POTENCIALMENTE CELULOLÍTICO E
METANOGÊNICO
SÃO CARLOS
2015
MARINA MAURO GOMES
DEGRADAÇÃO ANAERÓBIA DE PAPEL COM
RECUPERAÇÃO DE METANO UTILIZANDO-SE
CONSÓRCIO POTENCIALMENTE CELULOLÍTICO E
METANOGÊNICO
Trabalho de Graduação apresentado à Escola
de Engenharia de São Carlos da Universidade
de São Paulo, para a obtenção do título de
Graduada em Engenharia Ambiental.
Orientadora: Profa. Dra. Maria Bernadete Amâncio Varesche.
Co-orientadora: Msc. Lívia Silva Botta.
SÃO CARLOS
2015
DEDICATÓRIA
Dedico à minha família, com carinho, pelo
incentivo e apoio para que eu atingisse meus
objetivos.
AGRADECIMENTOS
À Deus pela saúde, oportunidade e força para superar as dificuldades;
Aos meus pais e irmãos, pelo incentivo, amor e carinho;
À minha orientadora Profa. Dra. Maria Bernadete Amâncio Varesche por todo o aprendizado
proporcionado durante o período de trabalho, pela oportunidade, atenção e orientação;
À pesquisadora MSc. Lívia Silva Botta pela motivação, ensinamentos, amizade e pela
contribuição para o meu crescimento pessoal e profissional;
À especialista de laboratório Dra. Isabel Kimiko Sakamoto pelo auxílio na análise de Biologia
Molecular;
À especialista em laboratório Dra. Maria Angela Talarico Adorno pela ajuda nas análises de
cromatografia gasosa;
À pesquisadora Dra. Inês Tomita por estar sempre à disposição para me auxiliar;
Aos pesquisadores do Laboratório de Processos Biológicos, por compartilhar experiências e
pelas orientações que contribuíram para o meu desenvolvimento;
Ao Eder, pelo companheirismo, compreensão e apoio;
Às amigas, Cristiane e Luma, pelos conselhos e incentivo durante a graduação e ao longo da
realização deste estudo;
À esta universidade e seu corpo docente pelos valiosos fundamentos transmitidos;
Ao CNPq pelo apoio financeiro;
“Foi o tempo que dedicastes a tua rosa que a fez tão
importante” (Antoine de Saint-Exúpery)
RESUMO
GOMES, M.M. Degradação anaeróbia de papel com recuperação de metano utilizando-
se consórcio microbiano potencialmente celulolítico e metanogênico. 2015. 66 f. Trabalho
de Graduação – Escola de Engenharia de São Carlos, Universidade de São Paulo, São Carlos,
2015.
Neste estudo teve-se o intuito de obter um consórcio microbiano misto e aplicá-lo em reatores
em batelada, a fim de avaliar a degradação anaeróbia de papel sulfite sem uso e papel residual
de escritório, com recuperação de metano. O consórcio microbiano foi obtido a partir de
fluido de rúmen bovino e lodo de reator UASB. Os ensaios foram conduzidos em triplicata de
reatores, em meio reacional composto por meio mineral, biomassa microbiana e substrato.
Foram realizados ensaios com o substrato papel sulfite sem uso (papel limpo) nas
concentrações: (1) 2,5; (2) 5,0 e (3) 10,0 g/L e com o substrato papel de escritório usado
(papel residual) nas concentrações de (4) 5,0 e (5) 10,0 g/L. O pH inicial do meio foi mantido
em 6,8, o headspace foi preenchido com N2 (99,99%) e os reatores foram incubados a 37oC
por cerca de 30 dias. Durante este período a produção de metano, ácidos orgânicos voláteis e
álcoois, série de sólidos totais, pH, demanda química de oxigênio e carboidratos totais foram
monitorados. Os rendimentos de metano obtidos nos ensaios (1), (2) e (3) foram de 14; 10 e
9,6 mmol CH4/ g de papel sem uso, respectivamente. Para os ensaios (4) e (5) obteve-se
rendimentos de 11,3 e 14 mmol CH4/ g de papel residual, respectivamente. O consumo de
substrato durante o período de incubação foi de 66%; 56%; 78%; 63% e 83% para os ensaios
(1), (2), (3), (4) e (5), respectivamente. Foram detectados ácidos orgânicos em todos os
ensaios, sobretudo os ácidos acético, butírico e propiônico. O pH final dos ensaios (1), (2),
(3), (4) e (5) foi de, respectivamente, 7,9; 6,4; 6,5; 6,4 e 6,5. Por meio da análise de
PCR/DGGE observou-se redução da diversidade microbiana para os Domínios Bacteria e
Archaea à medida que ocorreu o acréscimo da concentração de substrato nos reatores com
papel limpo. Em relação ao substrato papel residual verificou-se aumento da diversidade
populacional dos Domínios Bacteria e Archaea conforme houve aumento da concentração de
substrato nos reatores em batelada, além do melhor rendimento metanogênico.
Palavras-chave: Fluido de rúmen. Lodo de reator UASB. Consórcio microbiano. Papel
limpo. Papel residual.
ABSTRACT
GOMES, M.M. Anaerobic digestion of paper with methane recovery using a potentially
cellulolytic and methanogenic consortium. 2015. 66 f. Trabalho de Graduação – Escola de
Engenharia de São Carlos, Universidade de São Paulo, São Carlos, 2015.
This study aimed to obtain a mixed microbial consortium to be applied as inoculum in
anaerobic batch reactors to evaluate anaerobic degradation of clean office paper and waste
office paper, with methane recovery. The microbial consortium was obtained from bovine
rumen fluid and granular slugde from UASB reactor. The tests were performed in batch
flasks, in triplicate, with reaction medium composed of mineral medium, microbial biomass
and substrate. Tests were performed using clean office paper in concentrations of (1) 2,5; (2)
5,0; (3) 10,0 g/L and waste office paper in concentrations of (4) 5,0 and (5) 10,0 g/L. The
initial pH was 6,8, headspace was filled with N2 (99,99%) and the reactors were incubated at a
temperature of 37oC for about 30 days. During this period, the following parameters were
monitored: methane generation, volatile organic acids and alcohols production, the series of
total solids, pH, chemical oxygen demand and total soluble carbohydrates. The methane
yields obtained for tests (1), (2) and (3) were 14, 10 and 9,6 mmol CH4/g substrate,
respectively. The tests (4) and (5) produced methane yields of 11,3 and 14 mmol CH4/g
substrate, respectively. Substrate consumption percentage was 66%, 56%, 78%, 63% and
83%, respectively for the tests (1), (2), (3), (4) and (5). The volatile organic acids were
detected in all reactors, mainly acetic acid, butyric acid and propionic acid. Final pH values
were 7,9; 6,4; 6,5; 6,4 and 6,5 for the tests (1), (2), (3), (4) and (5), respectively. From
PCR/DGGE analysis it was possible to observe a decrease in the microbial diversity of
Domains Bacteria and Archaea when substrate concentration was increased in reactors with
clean office paper. In the case of waste office paper was the substrate, the reactors showed an
increase of microbial diversity of Domains Bacteria and Archaea with the enhancement of
concentration, in addition to higher methane yields.
Key-words: Rumen fluid. UASB reactor sludge. Microbial consortium. Clean office paper.
Residual office paper.
LISTA DE FIGURAS
Figura 4.1 – Fluxograma das atividades realizadas. ................................................................. 27
Figura 4.2- Lisímetro de bancada em operação ........................................................................ 30
Figura 5.1– Variação temporal de metano nos reatores em batelada com papel limpo. ......... 36
Figura 5.2– Variação temporal de gás carbônico nos reatores em batelada com papel limpo. 36
Figura 5.3 – Variação temporal de produção dos ácidos propiônico, butírico e acético nos
reatores em batelada com 2,5 g/L de papel limpo. ................................................................... 39
Figura 5.4 – Variação temporal da produção dos ácidos capróico, valérico, isovalérico e
isobutírico nos reatores em batelada com 2,5 g/L de papel limpo. .......................................... 39
Figura 5.5 – Variação temporal da produção dos ácidos propiônico, butírico e acético nos
reatores com 5,0 g/L de papel limpo. ....................................................................................... 40
Figura 5.6 – Variação temporal da produção dos ácidos capróico, valérico,isovalérico e
isobutírico nos reatores com 5,0 g/L de papel limpo. ............................................................... 40
Figura 5.7 – Variação temporal da produção dos ácidos propiônico, butírico e acético nos
reatores com 10,0 g/L de papel limpo. ..................................................................................... 41
Figura 5.8 – Variação temporal dos ácidos capróico, valérico, isovalérico e isobutírico nos
reatores com 10,0 g/L de papel limpo. ..................................................................................... 42
Figura 5.9 – Variação temporal da DQO dos reatores em batelada com 2,5; 5,0 e 10,0g/L de
papel limpo. .............................................................................................................................. 43
Figura 5.10 – Variação temporal de carboidratos totais solúveis para os reatores em batelada
com 2,5; 5,0; 10,0 g/L de papel limpo. ..................................................................................... 44
Figura 5.11 – Reatores com 2,5 g/L de papel limpo................................................................ 46
Figura 5.12 – Reator com 5,0 g/L de papel limpo. .................................................................. 46
Figura 5.13 – Reator com 10,0 g/L de papel limpo. ................................................................ 47
Figura 5.14 – Variação temporal de metano nos reatores com 5,0 e 10,0 g/L de papel residual
.................................................................................................................................................. 48
Figura 5.15 – Variação temporal da produção de gás carbônico nos reatores com 5,0 e 10,0
g/L de papel residual................................................................................................................. 49
Figura 5.16 – Variação temporal da produção dos ácidos propiônico, butírico e acético nos
reatores com 5,0 g/L de papel residual. .................................................................................... 50
Figura 5.17 – Variação temporal da produção dos ácidos capróico, valérico, isovalérico e
isobutírico nos reatores com 5,0 g/L de papel residual. ........................................................... 50
Figura 5.18 – Variação temporal da produção dos ácidos propiônico, butírico e acético nos
reatores com 10,0 g/L de papel residual. .................................................................................. 51
Figura 5.19 – Variação temporal da produção dos ácidos propiônico, butírico e acético nos
reatores com 10,0 g/L de papel residual. .................................................................................. 51
Figura 5.20 – Variação temporal da Demanda Química de Oxigênio solúvel nos de reatores
com 5,0 e 10,0 g/L de papel residual. ....................................................................................... 52
Figura 5.21 – Variação temporal de carboidratos solúveis nos reatores com 5,0g/L de papel
residual. .................................................................................................................................... 53
Figura 5.22 – Reatores com 5,0 g/L de papel residual. ............................................................ 54
Figura 5.23 – Reatores com 10,0 g/L de papel residual em fase de encerramento. ................. 55
Figura 5.24 – Dendograma para Domínio Bacteria baseado no coeficiente de similaridade de
Pearson a partir do padrão de bandas do DGGE. In_Rumen: inóculo fluido de rúmen;
In_lodo: inóculo lodo; R2,5_Lim: ensaio 2,5 g/L de papel limpo; R5,0_Lim: ensaio 5,0 g/L de
papel limpo; R10,0_Lim: ensaio 10,0 g/L de papel limpo; R5,0_Res: ensaio 5,0 g/L de papel
residual; R10,0_Lim: ensaio 10,0 g/L de papel residual. ......................................................... 57
Figura 5.25 – Dendograma para Domínio Archea baseado no coeficiente de similaridade de
Pearson a partir do padrão de bandas do DGGE. In_Rumen: inóculo fluido de rúmen;
In_lodo: inóculo lodo; R2,5_Lim: ensaio 2,5 g/L de papel limpo; R5,0_Lim: ensaio 5,0 g/L de
papel limpo; R10,0_Lim: ensaio 10,0 g/L de papel limpo; R5,0_Res: ensaio 5,0 g/L de papel
residual; R10,0_Lim: ensaio 10,0 g/L de papel residual. ......................................................... 58
Figura 5.26 – Variação temporal de DQO solúvel em lisímetro de bancada. .......................... 60
Figura 5.27 – Variação temporal de carboidratos solúveis em lisímetro de bancada. ............. 60
Figura 5.28 – Ácidos propiônico, butírico e acético entre os 25o e 51
o dias de operação do
lisímetro com papel residual. .................................................................................................... 61
Figura 5.29 – Ácidos capróico, valérico, isovalérico e isobutírico entre os 25o e 51
o dias de
operação do lisímetro com papel residual. ............................................................................... 61
LISTA DE TABELAS
Tabela 4.1 – Condições utilizadas na PCR para o DGGE ........................................................ 34
Tabela 5.1 – Sólidos totais nos reatores com 2,5 g/L de papel limpo no início da incubação. 44
Tabela 5.2 – Sólidos totais nos reatores com 2,5 g/L de papel limpo no final da incubação. .. 45
Tabela 5.3 – Sólidos totais nos reatores com 5,0 g/L de papel limpo no início da operação. .. 45
Tabela 5.4 – Sólidos totais nos reatores com 5,0 g/L de papel limpo no final da operação. .... 45
Tabela 5.5 – Sólidos totais nos reatores com 10,0 g/L de papel limpo no início da operação. 45
Tabela 5.6 – Sólidos totais nos reatores com 10,0 g/L de papel limpo no final da operação. .. 46
Tabela 5.7– Sólidos totais nos reatores com 5,0 g/L de papel residual no início da operação. 53
Tabela 5.8 – Sólidos totais nos reatores com 5,0 g/L de papel residual no final da operação. 53
Tabela 5.9 –Sólidos totais nos reatores com 10,0 g/L de papel residual no início da operação.
.................................................................................................................................................. 54
Tabela 5.10 – Sólidos totais nos reatores com 10,0 g/L de papel residual no início da
operação. ................................................................................................................................... 54
Tabela 5.11 – Parâmetros obtidos para os ensaios com substrato papel limpo: (1) 2,5 /L; (2)
5,0 g/L e (3) 10,0 g/L e substrato papel residual: (4) 5,0 g/L e (5) 10,0 g/L. ........................... 56
LISTA DE SIGLAS
CSTR- Continuous stirred-tank reactor
DGGE- Eletroforese em Gel de Gradiente Desnaturante
DNA- Deoxyribonucleic acid
DQO- Demanda Química de Oxigênio
Embrapa- Empresa Brasileira de Pesquisa Agropecuária
GC- Gas Chromatography
PBM-Potencial Bioquímico de Metano
PCR- Reação em Cadeia de Polimerase
pH- Potencial Hidrogeniônico
PNRS- Política Nacional de Resíduos Sólidos
ST-Sólidos Totais
STV- Sólidos Totais Voláteis
STF- Sólidos Totais Fixos
TAE- Tris-Acetate-EDTA
TDH- Tempo de Detenção Hidráulica
UASB- Reator Anaeróbio de Fluxo Ascendente em Manto de Lodo
UPGMA- Unweighted Pair Group Method with Arithmetic Mean
UV- Ultravioleta
SS-AD- Solid-state Anaerobic Digestion
SUMÁRIO
1 INTRODUÇÃO ................................................................................................................... 16
2 OBJETIVOS ........................................................................................................................ 18
2.1 Objetivo Geral ............................................................................................................... 18
2.2 Objetivos Específicos .................................................................................................... 18
3 REVISÃO BIBLIOGRÁFICA ....................................................................................... 19
3.1 Degradação anaeróbia e produção de metano ........................................................... 19
3.2 Resíduos Sólidos e Recuperação de Energia .............................................................. 21
3.3 Biorreatores para fermentação de resíduos sólidos celulósicos a biogás ................. 24
4 MATERIAL E MÉTODOS ................................................................................................ 27
4.1 Inóculo ............................................................................................................................ 27
4.2 Meio de Cultivo ............................................................................................................. 28
4.3 Ensaios em Reatores Anaeróbios em Batelada .......................................................... 28
4.4 Lisímetro ........................................................................................................................ 29
4.4.1 Unidade Experimental .............................................................................................. 29
4.4.2 Substrato orgânico .................................................................................................... 30
4.4.3 Umidade Papel ......................................................................................................... 31
4.4.4 Camada Filtrante–pedregulho .................................................................................. 31
4.4.5 Procedimentos para o preenchimento do lisímetro .................................................. 31
4.4.6 Amostragens ............................................................................................................. 32
4.4.7 Aspersão Meio Mineral ............................................................................................ 32
4.5 Análises Físico-químicas e Cromatográficas .............................................................. 32
4.6 Ajuste dos dados experimentais ................................................................................... 33
4.7 Biologia Molecular ........................................................................................................ 33
5 RESULTADOS E DISCUSSÕES ..................................................................................... 34
5.1 Papel ............................................................................................................................... 34
5.2 Ensaios com papel sem uso .......................................................................................... 35
5.3 Ensaios com papel residual .......................................................................................... 47
5.4 Análise Comparativa entre os Ensaios em Batelada ................................................. 55
5.5 Análise de Biologia Molecular ..................................................................................... 56
5.6 Lisímetro ........................................................................................................................ 59
5. CONCLUSÕES ............................................................................................................... 61
REFERÊNCIAS ..................................................................................................................... 64
16
1 INTRODUÇÃO
Os combustíveis fósseis compõem a maior parcela da matriz energética mundial,
apesar de se tratar de uma fonte energética não renovável e de serem os principais atores de
problemas ambientais, tais quais o aquecimento global e a emissão de poluentes atmosféricos.
O fornecimento do petróleo por países que concentram as grandes jazidas obedecem às leis de
mercado e está vulnerável às crises políticas e econômicas, haja vista a crise ocorrida na
década de 70.
Diante da crescente demanda energética decorrente do aumento populacional, há
necessidade de redução da dependência de combustíveis fósseis, o que motiva estudos acerca
de combustíveis de fontes renováveis cujo impacto ambiental seja reduzido.
O aproveitamento de resíduos municipais tem sido empregado em grande escala na
geração de biogás a fim de solucionar, tanto a questão da disposição final desses resíduos,
bem como a necessidade de se obter energia renovável e eficaz. O biogás é resultado da
digestão anaeróbia de matéria orgânica, seja de origem vegetal ou animal, e sua composição
varia de acordo com as características dos resíduos utilizados como substrato de fermentação
e com as condições de operação do biodigestor. No entanto, há predominância de metano e
gás carbônico.
Para a escolha do substrato deve-se considerar a disponibilidade, o teor de
carboidratos, o seu custo e a sua biodegradabilidade. Destaca-se que para as fontes puras de
carboidratos tem-se alto rendimento, todavia, seu custo de produção torna-se maior. Açúcares,
amido, lipídeos e proteínas são facilmente degradados por micro-organismos, enquanto
frações ligno-celulósicas são mais resistentes à degradação.
Resíduos sólidos celulósicos e ligno-celulósicos têm sido muito estudados como fontes
renováveis para a produção de hidrogênio, especialmente pela celulose ser a biomassa mais
abundante do planeta. Tais compostos compreendem os resíduos domésticos, resíduos
florestais e resíduos da agricultura (NTAIKOU et al., 2008).
O papel é um composto celulósico presente em altas porcentagens nos resíduos sólidos
municipais. O aumento da população mundial, com projeções próximas de 8,1 bilhões para
2025 (United Nations Environment Programme, 2013) e o elevado crescimento dos centros
urbanos dificulta o gerenciamento dos resíduos municipais devido ao aumento do volume
gerado.
17
Dentre os resíduos descartados, o papel e materiais feitos de papelão ainda são parcela
significativa, apesar do predomínio de meios digitais de comunicação e do avanço
tecnológico. Portanto, o uso de papel como recurso energético e seu gerenciamento adequado
implicaria redução do volume disposto em aterros sanitários de modo a aumentar sua vida
útil, bem como possibilitaria a geração de energia limpa e renovável.
Muitas pesquisas tem considerado o papel, sobretudo em sua forma hidrolisada, como
substrato para a geração de biogás. Dessa forma, por meio da aplicação de processo
biotecnológico, tem-se uma medida mitigadora para os modelos de disposição em aterros
sanitários em virtude do papel ser reutilizado visando à geração de energia.
Por meio de ensaio de Potencial Bioquímico de Metano (PBM), Valle (2010) analisou
a capacidade de vários materiais de produzir metano, tais quais resíduos sanitários, têxteis,
papel/papelão, plástico, borracha e couro. Os maiores potenciais de geração de biogás
determinados no ensaio foram obtidos para os seguintes substratos: resíduos sanitários,
materiais têxteis, papel e papelão.
Portanto, a utilização da microbiota fermentativa e metanogênica com o intuito de
gerar biogás a partir da degradação de resíduos sólidos celulósicos não apenas contribui com a
preservação ambiental devido ao reaproveitamento dos resíduos, mas também tem-se, por
meio da sua aplicação, simplicidade operacional, sendo economicamente viável.
Conforme descrito na literatura, há possibilidade de recuperação de energia na forma
de biogás por meio de biorreator para degradação anaeróbia de resíduos sólidos celulósicos.
Algumas pesquisas com biorreatores já foram realizadas com o objetivo de determinar os
melhores parâmetros operacionais para a obtenção dos máximos rendimentos de biogás. O
efeito da umidade do substrato, bem como a melhor proporção entre resíduo e inóculo
adicionado aos biorreatores foram analisados anteriormente. Contudo, há poucos relatos
acerca do potencial específico para a geração de biogás em biorreatores a partir de compostos
celulósicos não hidrolisados, com controle de umidade e utilizando um inóculo
essencialmente celulolítico.
Portanto, é necessário o estudo dos melhores parâmetros operacionais de biorreatores
para a produção de biogás utilizando resíduos celulósicos, de modo a impulsionar a geração
de energia a partir de fontes renováveis. Ao serem estabelecidas as condições operacionais
funcionais dos biorreatores para degradar papel de escritório, a aplicação do processo poderá
abranger vários tipos de papéis de despejo e resíduos da indústria de papel e celulose.
18
2 OBJETIVOS
2.1 Objetivo Geral
Obter consórcio microbiano misto a partir de fluido de rúmen bovino e lodo anaeróbio
de reator UASB aplicado em reatores anaeróbios em batelada para degradação de papel com
recuperação de energia na forma de metano.
2.2 Objetivos Específicos
Avaliar o potencial metanogênico do consórcio microbiano com papel limpo e papel
residual de escritório como substratos em reatores em batelada;
Avaliar a produção de biogás em lisímetro de bancada (20L) com papel residual de
escritório;
Avaliar a produção de compostos orgânicos em meio líquido;
Avaliar a diversidade dos Domínios Bacteria e Archaea.
19
3 REVISÃO BIBLIOGRÁFICA
3.1 Degradação anaeróbia e produção de metano
O desenvolvimento não baseado nos preceitos da sustentabilidade e a exploração
irracional dos combustíveis fósseis, bem como a perspectiva do aumento do preço do petróleo
vêm motivando esforços para desenvolver fontes alternativas de energia (COSTA et al.,
2014).
A indústria está buscando uma matéria-prima de baixo custo, renovável, abundante e
acessível para produzir biocombustível, seja entre resíduos agropecuários, seja entre os vários
tipos de biomassa. Enquanto isso, a crescente geração de material descartado relacionado ao
aumento da população e dos padrões de vida são um desafio no mundo inteiro para os
sistemas de gerenciamento de resíduos (WANG; TEMPLER; MURPHY, 2012).
Por meio da aplicação da digestão anaeróbia tem-se a recuperação de energia
associada ao processo, cujo impacto ambiental é limitado. Além disso, esta possibilidade de
degradação é a alternativa mais limpa para a decomposição de resíduos orgânicos
(ALVAREZ; MACÉ; LLABRÉS, 2000). Este processo ocorre por meio de um consórcio de
micro-organismos variados em diferentes ambientes, incluindo sedimentos, solos úmidos,
intestinos de animais e aterros sanitários (CHYNOWETH, 2001).
A fermentação de resíduos cuja composição contém celulose, aliada ao processo de
metanogênese, sustentam a promessa dupla de produção de metano e reaproveitamento de
resíduos. A formação de gases combustíveis por digestão anaeróbia de resíduos orgânicos é
bastante atrativa (TAHERZADEH; KARIMI, 2008).
A digestão anaeróbia é um complexo processo em que diversas populações de micro-
organismos participam da degradação da matéria orgânica. Esse processo depende, dentre
outros fatores, do pH, da temperatura, do conteúdo orgânico e dos componentes tóxicos
presentes (HERMANSSON, 2012). Não há disponibilidade de um modelo de digestão
anaeróbia que apresente os melhores parâmetros de operação para um controle ótimo, o que
motivou muitos estudos visando a esse objetivo. Entretanto, há muitas dificuldades em
modelar a fermentação e a metanogênese a partir de frações orgânicas de resíduos sólidos
municipais, uma vez que há várias etapas e micro-organismos envolvidos (ALVAREZ;
MACÉ; LLABRÉS, 2000).
20
A obtenção do metano da digestão anaeróbia é bastante atrativa em termos de
eficiência e custo diante de outras formas de energia de biomassa, inclusive no aquecimento,
na síntese de gases e até mesmo de etanol. Portanto, a tendência é o aumento do uso desse
combustível para eletrodomésticos, veículos e equipamentos industriais. Apesar de algumas
aplicações exigirem metano altamente purificado, esse gás pode ser utilizado em várias
porcentagens de purificação e eficiência, além da conversão energética ser boa quando
comparada a energia elétrica (CHYNOWETH, 2001).
A digestão anaeróbia é um processo que acontece em quatro etapas: hidrólise,
acidogênese, acetogênese e metanogênese. A primeira delas envolve a transformação, por
intermédio de enzimas, de moléculas insolúveis e de alta massa, como lipídios,
polissacarídeos, proteínas e ácidos nucléicos, a compostos orgânicos solúveis, isto é, passíveis
de serem usados como fonte de energia, tais quais monossacarídeos, aminoácidos e outras
moléculas orgânicas simples. Esta etapa é chamada de hidrólise, a qual é realizada por
bactérias anaeróbias, como Bacteroidese Clostridium, e por bactérias facultativas, como
Streptococus. Na segunda etapa, a acidogênese, outro grupo de micro-organismos
fermentativos sintetiza ácidos orgânicos, como os ácidos propiônico e butírico (YADVIKA et
al., 2004).
Na acetogênese ocorre a oxidação dos ácidos orgânicos resultantes da acidogênese e
geração de ácido acético, hidrogênio e dióxido de carbono (DRAPCHO; NHUAN;
WALKER, 2008).
Por meio da digestão anaeróbia, os micro-organismos oxidam parcialmente a matéria-
orgânica produzindo energia e biomassa, de modo a promover seu crescimento. Esta oxidação
libera elétrons, os quais são neutralizados por aceptores de elétrons e prótons do meio,
formando hidrogênio molecular por meio de enzimas hidrogenases. (NANDI; SENGUPTA,
1998).
Na quarta etapa, ácido acético, ácido fórmico, hidrogênio e dióxido de carbono são
convertidos em uma mistura de metano e dióxido de carbono por meio das arqueias
metanogênicas (consumidoras de acetato, como Methanosarcina spp. e Methanosaeta spp.,
além de populações consumidoras de hidrogênio, como Methanobacterium e Methanococcus)
(YADVIKA et al., 2004).
Na metanogênese, o metano pode ser produzido por duas vias por meio de dois grupos
distintos de micro-organismos. Em umas das vias, o H2 é doador de elétrons e o CO2 é
oxidado para liberação de CH4 (Eq. 1). Pela segunda via, acontece a conversão de ácido
acético a metano e dióxido de carbono. Aproximadamente 2/3 do volume de metano
21
produzido é derivado da metanogênese acetoclástica (Eq. 2). A completa conversão de
carboidratos a metano na digestão anaeróbia resulta em 85 a 90 % de recuperação de energia
(DRAPCHO; NHUAN; WALKER, 2008). A pressão do hidrogênio gasoso necessita estar
baixa para a acetogênese ser termodinamicamente favorável. Na metanogênese, os micro-
organismos consomem o hidrogênio e mantém a pressão do gás reduzida. O biogás resultante
é composto, geralmente, por 50-70% de metano e 30-50% de dióxido de carbono
(SCHNURER; JARVIS, 2009).
(Eq. 1)
(Eq. 2)
Há três diferentes intervalos de temperatura em que os micro-organismos
metanogênicos são ativos: psicrofílica (0-20oC), mesofílica (25-40
oC) e termofílica (50-60
oC)
(SEADI, 2008). Condições mesofílicas são amplamente utilizadas para a digestão anaeróbia
em virtude do processo, nessa faixa de temperatura, ser mais eficiente e exigir menos energia
quando comparado com as condições termofílicas (SCHNURER; JARVIS, 2009). Para a
digestão anaeróbia, geralmente a temperatura ideal está em torno de 35o± 1
oC, considerada a
faixa mesofílica ótima (BENBELKACEM et al., 2010).
O biogás pode ser produzido em faixa de pH de 5,5 – 8,5. O metano é produzido em
pH 7-8 e a sua produção decresce consideravelmente em pH inferior a esse intervalo. Micro-
organismos fermentativos e hidrolíticos, geralmente, se desenvolvem em pH abaixo de 7 ( até
mesmo abaixo de 5) (SCHNURER; JARVIS, 2009). A digestão de substratos complexos
resulta na produção de ácidos orgânicos intermediários, desse modo é importante que a
alcalinidade no sistema seja suficiente para manter o pH em faixa ótima, considerada pela
maioria dos autores, como situada entre 6,6 e 7,4 (SPEECE, 1996).
3.2 Resíduos Sólidos e Recuperação de Energia
Por meio da Política Nacional de Resíduos Sólidos (PNRS), instituída pela Lei n.º
12.305/2010, determinou-se que os municípios brasileiros elaborassem e entregassem seus
respectivos Planos de Gerenciamento de Resíduos Sólidos até 2012, impondo a erradicação
dos chamados lixões até o ano de 2014. Contudo, há certo atraso por parte dos municípios
22
brasileiros quanto ao acatamento dessa lei, quer por falta de recursos financeiros, quer por
desconhecimento dos seus benefícios. Para o ano de 2013, os estados e municípios deveriam
apresentar os projetos integrados determinados pela PNRS e, para 2014, estava prevista a
conclusão total desses planos, o que não ocorreu (GOMES et al., 2014).
De acordo com a Associação Brasileira de Limpeza Pública e Resíduos Especiais
(ABRELPE, 2013), entre 2010 e 2011 a geração de resíduos sólidos aumentou 1,8% no
Brasil, o que representou mais de um milhão de toneladas, número significativo, considerando
o prazo de um ano.
A coleta seletiva e a reciclagem são elementos básicos e indispensáveis de todo
sistema de gerenciamento de resíduos sólidos: a coleta é considerada pela PNRS um dos
instrumentos (artigo 8º, inciso III), ao passo que a reciclagem constitui-se em um dos
objetivos da referida lei (artigo 7º, inciso II). De acordo com dados do IBGE, em 2011, dos
5.565 municípios brasileiros, somente 854 informaram a existência de iniciativas de coleta
seletiva (INSTITUTO BRASILEIRO DE GEOGRAFIA E ESTATÍSTICA, 2011).
A geração de resíduos sólidos é o indicador mais importante para dimensionar a escala
que terão os diferentes serviços do município, além de prever as dificuldades a serem
encontradas nos processos. Portanto, a geração de resíduos é um parâmetro para a tomada de
decisões no que se refere ao planejamento dos sistemas de coleta e disposição final
(ESPINOZA et al., 2011). Verifica-se que existe a necessidade de uma evolução dos
municípios brasileiros no que se refere ao gerenciamento dos resíduos municipais e à
implantação da PNRS, além de estudos sobre novas formas de manejo.
No município de São Carlos, a massa total estimada disposta no aterro sanitário no ano
de 2005 foi de 49.280,12 toneladas, desta quantia, 3.170 toneladas correspondem a papel e
papelão (6,44%) (FRÉSCA, 2007). Quanto à coleta seletiva, Frésca (2007) relatou que a
massa total estimada foi de 748,23 toneladas no mesmo ano, sendo que 376 toneladas eram de
papel e papelão. Segundo o autor, esses são os principais materiais recicláveis
comercializados, contudo seu valor de comercialização é muito baixo. Além disso, a venda
não é contínua em virtude das cooperativas armazenarem material para posterior
comercialização, seja com o intuito de acumular volume maior de material ou de aguardar
melhora do valor no mercado. Por meio da coleta seletiva tem-se a redução da quantidade de
papel e papelão entre os resíduos sólidos de São Carlos, todavia, há papéis cujo processo de
reciclagem é inviabilizado, tais quais papel higiênico, papéis engordurados ou sujos e papel
toalha.
23
Resíduos lignocelulósicos, como livros, revistas e jornais, são amplamente disponíveis
já que estão presentes em grandes quantidades em aterros municipais. Uma vez que possuem
altos níveis de carboidratos, os mesmos podem ser facilmente convertidos em energia (WU,
2014).
Os resíduos celulósicos são parte de uma fração biodegradável dos resíduos sólidos
municipais com matéria-prima para a produção de biocombustível. As razões pelas quais essa
afirmação se justifica são as seguintes: (1) resíduos de papel são relativamente abundantes (2)
tais resíduos são relativamente de baixo custo (3) contém alto nível de carboidratos, que são
potencialmente convertidos em biocombustível (4) esses resíduos são facilmente digeridos
sem métodos físicos agressivos ou pré-tratamento químico (5) a utilização de resíduos de
papel para a produção de biocombustível pode oferecer uma alternativa útil e valiosa para o
gerenciamento desses papéis, complementando a reciclagem (6) para aplicação de algumas
tecnologias de reciclagem de papel tem-se algumas limitações, como por exemplo, efetivo
processo de remoção de tintas é necessário para gerar produtos com papel de alta qualidade,
as fibras do papel só podem ser recicladas por apenas alguns ciclos e a reciclagem do papel é
difícil para aqueles que estão misturados com resíduos orgânicos (WANG; TEMPLER;
MURPHY, 2012).
Wayman, Chen e Doak (1992) verificaram que o açúcar produzido a partir da hidrólise
enzimática de papel de escritório foi de 65-80% da carga adicionada (5 e 10%m/m). Kádar,
Szengyel e Réczey (2004) obtiveram 56% e 59% de glicose a partir de papelão e papel de
despejo, respectivamente, com massa inicial de 6% (m/m) em sacarificação e fermentação
simultâneas, com hidrólise enzimática e fermentação de açúcar favorecidas em único reator
em batelada.
Há grande interesse em se obter bons resultados para a produção de biogás utilizando-
se resíduos celulósicos em virtude da grande diversidade de substratos potenciais de baixo
custo, tais como resíduos da agricultura, madeira e resíduos de municípios. Dessa forma, a
produção de energia renovável a partir de resíduos e biomassa desponta entre as principais
estratégias para a geração de energia sustentável, se opondo ao aumento de refugos gerados
pela sociedade. Além disso, a recuperação de energia gerada da fração residual proporciona
subprodutos com valor agregado, como energia e combustíveis (ARANDA et al., 2012).
O papel já foi analisado como substrato em vários estudos, entre eles com a finalidade
de produção de etanol (SAXENA; GARG; VERMA, 1992; LARK et al., 2007) e ácido lático
( SHIMIDT et al., 1997). A possibilidade de se utilizar o lodo de papel e mesmo o papel em si
foram estudadas obtendo-se resultados satisfatórios, com auxílio de cultura pura (NTAIKOU;
24
KOUTROS; KORNAROS, 2009), bem como utilizando culturas mistas (BOTTA, 2012;
CHAIRATTANAMANOKORN et al., 2012; WU; ZHOU, 2012).
O uso de lodo de papel ou papel com a finalidade de geração de biogás foi analisado
por diversos estudos bem-sucedidos, nos quais foram utilizados operações em batelada,
culturas puras e até mesmo pré-tratamento dos substratos. Entretanto, o uso de culturas mistas
poderá proporcionar a redução do custo de operação, uma vez que a utilização de culturas
puras em biorreatores de grande escala não é viável devido ao alto custo de manutenção de
condições assépticas e ao risco de contaminação (NTAIKOU; LYBERATOS, 2010).
Portanto, visando à escala real de produção de biogás a partir de resíduos celulósicos, faz-se
necessário novos estudos em que sejam utilizadas culturas mistas de bactérias celulolíticas,
produtoras de hidrogênio e metanogênicas com o intuito de tornar mais interessante a geração
de energia renovável a partir da biomassa celulósica.
3.3 Biorreatores para fermentação de resíduos sólidos celulósicos a biogás
A análise do potencial fermentativo-metanogênico para a digestão anaeróbia de
biomassa visa à possibilidade de recuperação de energia por meio do metano via digestão
anaeróbia de resíduos celulósicos, haja vista que ensaios deste tipo são pouco descritos na
literatura.
O desempenho da geração de biogás depende de estudos e monitoramento da variação
de parâmetros, como temperatura, pH, carga de alimentação do reator, agitação, entre outros.
Qualquer mudança drástica nestas condições poderá afetar a produção de biogás (YADVIKA
et al., 2004).
Baldochi (1990) estudou a decomposição anaeróbia de resíduos municipais por meio
de dois aterros sanitários experimentais cuja forma era de tronco de pirâmide
impermeabilizada e provida de sistemas de drenagem para percolado, gases e águas pluviais,
além de cobertura com manta plástica, solo compactado e grama. As unidades experimentais
foram preenchidas com resíduos unicamente de origem urbana, havendo predominância de
matéria orgânica, papel e plástico, respectivamente. Ao final dos ensaios, foi constatada
atmosfera composta por 59% e 41% (aterro sanitário 1) e 57% e 43% (aterro sanitário 2) para
metano e gás carbônico, respectivamente, quando o acúmulo de ácidos voláteis e DQO
decresceram a níveis mínimos.
25
A digestão anaeróbia pode ser realizada seja em sistemas em batelada, seja em reatores
de fluxo contínuo. No entanto, os sistemas em batelada são de operação mais simples se
comparados aos últimos, o que os torna mais atrativos, exigindo menos tecnologias
(DRAPCHO; NHUAN; WALKER, 2008).
Lissens et al. (2004) avaliaram a produção de metano utilizando como substrato
resíduos orgânicos, sendo 70% de resíduos de colheita (1/3 de resíduos de soja, 1/3 de repolho
e 1/3 de trigo), 10% de algas verdes (Spirulina platensis) e 10 % de esterco. Cada componente
do substrato passou por secagem e manutenção a 4oC até que atingisse massa seca de
concentração 2-3%. Foi utilizado reator CSTR, reator de fluxo contínuo perfeitamente agitado
(70 rpm), metanogênico, mantido a 34oC e com pH do meio entre 7,3-7,4. O reator foi
inoculado com lodo granular de reator anaeróbio de indústria de processamento de batatas e
com bactéria isolada de fluido de rúmen bovino, Fibrobacter succinogenes. O reator foi
alimentado diariamente com 1,5-2,5g DQO/L e o tempo de detenção hidráulica (TDH) foi de
20 dias. Após esse período, foi detectada remoção de 78% dos sólidos suspensos voláteis,
72% de celulose, 80% de DQO e atmosfera composta por 65% de metano.
Yen et al. (2006) utilizaram papel impresso fragmentado e lodo de algas como
substrato para produção de metano. Os reatores foram mantidos a temperatura de 35o
C e pH
de 6,5, com operação em fluxo semi-contínuo, alimentação e coleta de amostras líquidas e
gasosas diárias. Foram testados reatores com 4g de sólidos voláteis /L dos substratos: (1)
apenas lodo de algas; (2) 25% de papel + lodo de alga, (3) 50% de papel + lodo de alga e (4)
75% de papel + lodo de alga, com relação C/N de, respectivamente 6,7; 11,8; 18,0 e 36,4. Os
rendimentos de metano resultantes foram de 573, 968, 1.170 e 317 mg/L.dia, respectivamente.
Portanto, reatores com maiores porcentagens de papel como substrato obtiveram aumento do
rendimento metanogênico, contudo pode haver influência da relação C/N presente no
substrato.
Lopes, Leite e Prasad (2004) estudaram a eficiência do inóculo fluido de rúmen
bovino no tratamento anaeróbio de frações orgânicas de resíduos municipais. O trabalho foi
realizado utilizando-se quatro reatores de 20 litros em batelada durante o período de 365 dias,
mantidos a temperatura de 30 oC. As proporções entre resíduos municipais/ inóculo aplicadas
aos reatores foram Reator A (100%/0%), Reator B (95%/5%), Reator C (90%/10%) e Reator
D (85%/15%), de modo que foi introduzido massa total de 10 kg de resíduo municipal e
fluido de rúmen bovino em cada reator. O tempo necessário para a bioestabilização da DQO
nos Reatores A, B, C e D foram de 459, 347, 302 e 234 dias, respectivamente. A produção de
metano produzida durante o período de operação dos Reatores A, B, C e D foram,
26
respectivamente, de 3,6%, 13%, 25% e 42,6 %. Segundo os autores, o uso do fluido de rúmen
como inóculo influenciou positivamente o processo de digestão anaeróbia destes resíduos.
Gadow, Li e Liu (2012) compararam a eficiência de produção de hidrogênio e metano,
utilizando celulose como substrato (5g/L), em três temperaturas (37o, 55
o e 80
oC), na presença
de cultura mista sem pré-tratamento. O consórcio microbiano foi obtido a partir de lodo da
estação de tratamento municipal e três reatores CSTR foram operados, cada um deles mantido
em uma das temperaturas mencionadas, com Tempo de Detenção Hidráulica (TDH) de 10
dias. Segundo os resultados obtidos após a estabilização dos ensaios, na condição mesofílica a
composição do biogás foi de 2% de H2 e 26% de CH4, na condição termofílica foi de 51% de
H2 e nenhum volume de CH4 detectado e para a condição hipertermofílica foi de 55% de H2
sem volume de CH4 detectado. Desse modo, os autores verificaram que a maior eficiência de
degradação da celulose para geração de metano ocorreu em temperatura mesofílica, enquanto
para produção de hidrogênio, obtiveram melhores resultados sob condições termofílica e
hipertermofílica.
A quantidade de água presente no meio é um parâmetro de grande relevância, uma vez
que esta condiciona reações enzimáticas e contribui com o metabolismo dos micro-
organismos. Dessa forma, a disponibilidade hídrica ideal é capaz de maximizar o tratamento
de resíduos por digestão anaeróbia (TCHOBANOGLOUS; THEISEN; VIGIL, 1993).
A importância do teor de umidade para digestão anaeróbia de biomassa e recuperação
de energia foi evidenciada por Leite et al. (2009). No estudo sobre tratamento anaeróbio de
resíduos orgânicos vegetais, comparou-se a alta concentração de sólidos totais (20%) e 80%
de umidade e baixa concentração de sólidos totais (5 %) e 95 % de umidade. Os autores
verificaram que a taxa de produção de metano foi maior para a condição com maior
concentração de sólidos por massa de DQO aplicada (0,25 Nm3CH4/ Kg DQO aplicada)
diante daquela com baixa concentração (0,10 Nm3 CH4/ Kg DQO aplicada). Contudo, para a
condição com maior concentração de sólidos, o tempo de retenção para redução de DQO em
80% foi três vezes maior do que para a outra condição.
Diante disso, a determinação de condições de umidade para a se obter os melhores
rendimentos de metano a partir de resíduos sólidos celulósicos é de grande interesse.
Por meio deste estudo buscou-se avaliar o potencial de papel sulfite sem uso (papel
limpo) e papel de escritório (papel residual) como substrato para produção de
biocombustíveis renováveis, em especial o metano. Diferentes concentrações de papel foram
estudadas e comparou-se a eficiência de obtenção de metano a partir de papel residual à
eficiência obtida com papel limpo, em reatores anaeróbios em batelada. Além disso, foi
27
realizada operação de lisímetro de bancada para fermentação de substrato semi-sólido (papel
com teor de umidade 80%), a fim de verificar a possibilidade de recuperar metano, nessa
configuração de reator, usando consórcio microbiano misto advindo do fluido de rúmen e
lodo granular de reator UASB.
4 MATERIAL E MÉTODOS
Este estudo consistiu na obtenção de um inóculo celulolítico metanogênico a partir de
fluido de rúmen bovino e lodo de reator UASB, empregado no tratamento de água residuária
de abatedouro de aves, de forma a promover a degradação eficiente de matéria orgânica
celulósica e produção de metano. Posteriormente, o inóculo foi aplicado em biorreatores para
fermentação e metanogênese a partir de resíduos sólidos (papel limpo e papel residual) com
recuperação de energia na forma de metano. O substrato papel limpo consistiu em papel
sulfite não utilizado fragmentado e o substrato papel residual apresentava em sua composição
mistura de papel pardo, cartolina, havendo predominância de papel sulfite com tinta e papel
de revista. A seguir, a Figura 4.1 representa o fluxograma das atividades realizadas.
4.1 Inóculo
in cu o foi o tido do fluido de rúmen bovino, cedido pela Embrapa Pecuária
Sudeste (Fazenda Canchin, São Carlos, SP), e do odo anaer io de reator usado no
Lodo do reator
UASB e fluido
de rúmen bovino
Adição do meio de
cultivo;
Adição do substrato
fragmentado;
Aplicação de consórcio
microbiano celulolítico
metanogênico;
N2 gasoso.
ANÁLISES:
CH4
Ácidos orgânicos e
álcoois
pH
Sólidos Totais
Voláteis (STV)
DQO
Carboidratos Totais
Solúveis
Figura 4.1 – Fluxograma das atividades realizadas.
28
tratamento de gua residu ria de a atedouro de aves v co a a ar iet ara a
inocu a ão o f uido de r men foi utilizado in natura e o lodo granulado foi avado com gua
destilada para a retirada de impurezas advindas do sistema de tratamento de abatedouro de
aves, o qual foi desestruturado em liquidificador.
4.2 Meio de Cultivo
A composição do meio de cultivo utilizado consistiu em micronutrientes (10 mL.L-1
),
água ultrapurificada, soluções-estoque de macronutrientes (10 mL.L-1
) e de vitaminas (10
mL.L-1
), segundo meio LMG 94 modificado (ATLAS, 2005). As soluções-estoque foram
esterilizadas previamente por meio de filtração em membrana (0,22 μm), utilizando-se
sistema de filtração previamente esterilizado em autoclave a 121oC e 1 atm, durante 20
minutos. A solução de vitaminas continha (mg.L-1
): ácido lipóico, 5; Piridoxina-HCl, 10;
ácido fólico; DL - pantotenato de cálcio, 5; riboflavina; ácido nicotínico, 5; tiamina – HCl, 5;
biotina, 2; vitamina B12, 2. A solução de macronutrientes consistiu em (g.L-1
): NH(4)2SO4,
0,15; NH4Cl, 0,68;MgSO4.7H2O, 0,12; KH2PO4, 0,18; K2HPO4, 0,296. A composição da
solução de micronutrientes foi de (mg.L-1
): ácido nitriloacético,15; CaCl2.6H2O,
61;Na2MoO4.2 H2O, 0,1;KAl(SO4)2.12H2O, 0,1; FeSO4.7 H2O, 21; NaCl, 10; MnSO4.H2O, 5;
CoCl2.6 H2O, 1; CuSO4.5 H2O, 0,1; H3BO3, 0,1;ZnSO4.7 H2O, 1.O pH do meio de cultura foi
mantido em 6,8.
4.3 Ensaios em Reatores Anaeróbios em Batelada
Foram montados reatores anaeróbios em triplicata para incubação em temperatura
mesofílica (37 oC) para três concentrações do substrato papel limpo: (1) 2,5 g/L de papel (2)
5,0 g/L de papel e (3) 10,0 g/L de papel. Além disso, foram montados reatores em triplicata,
nas mesmas condições, para o substrato papel residual em duas concentrações: (4) 5,0 g/L de
papel e (5) 10,0 g/L de papel.
O meio reacional foi preparado, conforme o descrito, e inserido nos reatores junto com
o substrato. O papel residual de escritório foi coletado no Departamento de Hidráulica e
Saneamento e, tanto o substrato papel residual como o papel sulfite sem uso foram
fragmentados em máquina fragmentadora de papel PROCALC ES9520.
29
Para inoculação dos reatores, foram adicionados 20% v/v de inóculo, correspondendo a
70% de fluido de rúmen e 30% de lodo de reator UASB. Em seguida, os biorreatores foram
fluxionados com N2 (99,99%), por 15 minutos, visando à troca de atmosfera do headspace e
remoção de oxigênio, mantendo-se o sistema em anaerobiose. Os biorreatores foram fechados
com tampa de butila e rosca plástica e foram incubados em estufa.
Os ensaios (1), (2) e (4) foram montados em frascos Duran com volume total de 2 L,
dos quais 1 L era composto de meio reacional (meio de cultivo, biomassa microbiana e
substrato) e 1 L de headspace preenchido com gás nitrogênio. Já o ensaio (3) e (5) foi
montado em frascos Duran com volume de 5 L, sendo 1 L o volume do meio reacional e 4 L o
de headspace contendo gás nitrogênio.
Os reatores em batelada dos ensaios (3) e (5) cujas concentrações de substrato eram,
respectivamente, de 10 g/L de papel limpo e 10 g/L de papel residual foram despressurizados
até 1 atm, após as coletas de amostras gasosas por questões de segurança ao longo do
monitoramento.
Durante o período de operação dos reatores foram realizadas as seguintes análises:
determinação de gás metano por cromatografia gasosa; geração de ácidos voláteis, álcoois e
acetona; sólidos totais voláteis (STV); demanda química de oxigênio (DQO), carboidratos
totais solúveis e pH.
4.4 Lisímetro
4.4.1 Unidade Experimental
As dimensões da unidade experimental foram 60 cm de altura por 20 cm de diâmetro,
cujo material de confecção foi o acrílico. Os seguintes dispositivos foram parte da unidade
(Figura 4.2):
Entrada de líquidos composta por tubo de aço inoxidável (10 cm de comprimento e
diâmetro de 0,5 cm). A bomba de alimentação foi ligada por uma mangueira à parte
superior do biorreator, do lado externo. No lado interno, na parte superior do reator,
foi posicionado um bico aspersor para atuar como um spray durante a alimentação.
Saída de líquidos formada por tubo PVC (comprimento de 10 cm e diâmetro de 1,9
cm) vinculado a mangueira de silicone no formato de sifão.
30
Amostrador de gases, na extremidade superior do biorreator, formado por registro (2,5
cm) e mangueira de silicone para coleta de amostra de biogás por meio de seringa
gastight.
Amostrador de sólidos composto por orifício com tampa de rosca com a finalidade de
facilitar a coleta de substrato para análises.
Câmara para controle térmico (1,80 x 1,96 x 1,0 cm) do lisímetro para manutenção da
temperatura em 37o C.
Figura 4.2- Lisímetro de bancada em operação
4.4.2 Substrato orgânico
O substrato utilizado foi papel residual de escritório (do Departamento de Hidráulica e
Saneamento, USP, São Carlos) após fragmentação em máquina fragmentadora de papel
PROCALC ES9520. Foram realizadas no início do experimento, com alíquotas do substrato,
determinações de sólidos totais, sólidos totais voláteis, e umidade de acordo com o Standard
Methods for the Examination of Waterand Wastewater (AMERICAN PUBLIC HEALTH
ASSOCIATION, 2005). As cápsulas, em duplicata com 5 g de papel, foram colocadas na
31
estufa a 100oC por 24 horas para o cálculo do teor da umidade do papel. Posteriormente, as
cápsulas foram colocadas em mufla a 700 0C por 30 minutos para volatilização da matéria
orgânica.
4.4.3 Umidade do Papel
Foi acrescentada água em excesso a uma amostra de papel com peso previamente
determinado com o intuito de estimar o grau de absorção de líquidos. Desse modo, a amostra
foi mantida em repouso por 24 horas. Em seguida, a água foi escoada, este volume foi
mensurado, sendo possível o cálculo do volume de água absorvido. Um volume adicional de
água foi inserido na amostra a fim de comprovar que ocorreu máxima absorção de água pelo
papel, obtendo-se volume de saída igual ao volume de entrada. Então, massa de água
necessária para uma determinada massa de papel atingir a saturação foi calculada.
Realizou-se análise de Sólidos Totais para obtenção da porcentagem de massa
condizente ao teor de umidade de 100% da amostra (AMERICAN PUBLIC HEALTH
ASSOCIATION, 2005). A partir de então, calculou-se a porcentagem em massa de água
necessária para que o papel fosse umidificado a 80%, teor de umidade do substrato utilizado
no lisímetro.
4.4.4 Camada Filtrante–pedregulho
A camada filtrante teve como objetivo a retenção de percolado durante a operação do
lisímetro para que fosse liberado um efluente com menor concentração de substrato e de
biomassa microbiana. Uma camada filtrante composta por pedregulhos de rio, com cerca de
10 cm, foi posicionada ao fundo do lisímetro. Para tanto, foram selecionados pedregulhos
com diâmetro de 10 a 20 mm por granulometria. Então, os mesmos foram lavados em água
corrente e imersos em solução de HCl 15% por 1 hora para remoção de impurezas. Antes da
inserção dos pedregulhos no lisímetro, estes ainda foram lavados com água destilada e secos
em estuda de 100o C.
4.4.5 Procedimentos para o preenchimento do lisímetro
A umidificação e inoculação do papel foram realizadas após a massa total de papel,
correspondente a 500 gramas, ser dividida em duas bandejas tabuleiro de aço inox. Utilizou-
se, para a umidificação e inoculação dessa massa de substrato, um volume de 570 mL, sendo
32
que 50% eram constituídos de meio de cultivo e 50% de inóculo (70 % de fluido de rúmen
bovino e 30% de lodo de reator UASB). Desse modo, os volumes de inóculo (lodo de reator
UASB e fluido de rúmen bovino) e de meio mineral modificado de Atlas, (2005) foram
divididos igualmente entre as duas bandejas contendo papel. Um spray foi acionado com a
mesma frequência para cada quadrante das bandejas, visando umidificar e inocular a massa de
papel de forma homogênea. Após este processo, as massas de papel provenientes das duas
bandejas foram misturadas em um recipiente único. Em seguida, o papel foi acrescentado ao
lisímetro e compactado manualmente. Com o intuito de proporcionar um ambiente anaeróbio,
houve fluxionamento com N2 (99,99%) promovendo a troca de atmosfera do headspace.
Então, o lisímetro foi fechado assumindo-se o instante inicial da operação.
4.4.6 Amostragens
As coletas de amostras de biogás foram realizadas diariamente no período inicial da
operação do lisímetro. As coletas das alíquotas para amostragem do percolado ocorreram
diariamente a partir do início de sua liberação pelo biorreator, com 12 dias de operação.
A partir do percolado gerado durante o período de operação do lisímetro, foram
executadas três vezes por semana análises de pH, série de sólidos, demanda química de
oxigênio (DQO), carboidratos totais solúveis de acordo com o método colorimétrico fenol-
ácido sulfúrico, conforme descrição a seguir.
4.4.7 Aspersão Meio Mineral
Procedeu-se a aspersão do meio três vezes por semana a fim de prover ao sistema sais
minerais utilizados na síntese de enzimas hidrolíticas e de manter o teor de umidade do
substrato próximo a 80%, condição inicial. Para tanto, o volume de meio utilizado a cada
aspersão foi de 10% do volume total usado na umidificação da massa de papel no início do
ensaio (570 mL).
4.5 Análises Físico-químicas e Cromatográficas
O biogás produzido teve sua composição determinada por cromatografia gasosa (GC
2010 Shimadzu) com gás argônio como carreador e detector de condutividade térmica (TCD).
33
As temperaturas de operação da coluna, detector e injetor foram, respectivamente, 230oC,
200oC e 30
oC. Foram coletadas amostras de 0,5 mL de biogás com a finalidade de determinar
a composição do gás do headspace dos biorreatores, utilizando seringa gastight com trava.
A determinação de ácidos orgânicos voláteis e alcoóis foi realizada por cromatografia
gasosa (Shimadzu GC-2010) de acordo com Adorno et al. (2014). O preparo da amostra
consistiu em utilizar 2,0 mL de amostra a ser analisada, além da adição de 1,0 g de NaCl, 100
L de solução de ácido crotônico, 70 L de solução de isobutanol e 200 L de solução de
ácido sulfúrico 2M.
As análises físico-químicas foram DQO, pH, série de sólidos totais de acordo com o
Standard Methods for the Examination of Waterand Wastewater (AMERICAN PUBLIC
HEALTH ASSOCIATION, 2005). Para análise de carboidratos totais solúveis utilizou-se o
método colorimétrico fenol-ácido sulfúrico (DUBOIS et al., 1956, modificado por
HERBERT; PHILIPPS; STRANG, 1971), utilizando glicose como padrão.
4.6 Ajuste dos dados experimentais
Os dados experimentais foram ajustados para valores médios obtidos de triplicatas de
reatores, usando-se o software Statística® 9.0. As atividades máximas de produção de metano
foram obtidas a partir do ajuste não linear sigmoidal da função de Gompertz, obtendo-se os
seguintes parâmetros: potencial máximo e velocidade máxima de produção de metano, e
período de fase-lag. A velocidade máxima de consumo de papel foi obtida por meio do maior
coeficiente angular gerado das retas traçadas entre os pontos experimentais da concentração
de celulose em função do tempo. H representa a produção acumulada e t, o tempo (Eq.4.1.):
4.7 Biologia Molecular
As populações microbianas do Domínio Bacteria e Archaea foram analisadas
utilizando-se amostras do inóculo (fluido de rúmen bovino e lodo de reator UASB) e da
34
biomassa microbiana do final dos ensaios de produção de metano com papel limpo e papel
residual, testando as diferentes condições estudadas, pela técnica do PCR/DGGE, que
consistiu em: a) extração do DNA de acordo com Griffiths et al. (2000) modificado; b)
amplificação do DNA por reação em cadeia de polimerase e condições descritas na Tabela
4.1; c) separação do fragmento alvo por meio da desnaturação parcial da dupla hélice, por
meio da técnica de DGGE.
Tabela 4.1 – Condições utilizadas na PCR para o DGGE
Domínio Pré- Desnaturação Nº. de Ciclos Desnaturação Anelamento Extensão Final de
Extensão Resfriamento
Bacteria
(NUBEL et
al., 1996)
95ºC 35 94ºC 63ºC 72ºC 72ºC 4ºC
5 min
1min 1min 1 min 5 min -
Archaea
(KUDO et
al., 1997)
94ºC 35 94ºC 55 ºC 72ºC 72ºC 4ºC
5 min
1min 1min 7 min 5 min -
Para o DGGE do Domínio Bacteria foi utilizado os iniciadores 968FGC–1401R
(NUBEL et al., 1996). No DGGE do Domínio Archaea foi utilizado iniciadores 1100FGC –
1400R (KUDO et al., 1997).
Os produtos da PCR foram aplicados em gel de poliacrilamida 8% (massa/volume),
em TAE 1X, com gradiente linear desnaturante (uréia e formamida) variando de 45 a 65%. A
eletroforese foi realizada em voltagem constante de 75 V e temperatura de 60 °C, durante 16
h. A imagem do gel foi capturada em equipamento Eagle Eye II (Stratagene, La Jolla, CA,
USA) com iluminação UV. O perfil de DGGE foi analisado no software Bionumerics® 2.5.
5 RESULTADOS E DISCUSSÕES
5.1 Papel
Verificou-se, por análises de Sólidos Totais e Sólidos Totais Voláteis, que a
composição do papel sulfite sem uso aplicado aos reatores era de 2,8% de umidade, 87,2% de
matéria orgânica (celulose) e 10 % de matéria inorgânica (CaCO3). O papel de escritório
residual utilizado nos ensaios era constituído por 6,5% de umidade, 79,3% de matéria
orgânica e 14,2% de matéria inorgânica.
35
5.2 Ensaios com papel sem uso
Os biorreatores anaeróbios alimentados com 2,5; 5,0 e 10 g/L de papel limpo foram
incubados a 37oC e monitorados por 31, 36 e 42 dias, respectivamente. Ao longo do período
de incubação foi observada hidrólise dos fragmentos de papel a carboidratos fermentáveis,
com desaparecimento total dos fragmentos inicialmente suspensos no meio líquido. A
degradação do papel se iniciou logo nas primeiras horas de incubação para todos os ensaios.
Para o ensaio (1), verificou-se produção de hidrogênio, metano e gás carbônico abaixo do
limite de detecção do método nos três primeiros dias. A produção detectável de metano se
iniciou no quarto dia de incubação, cujo volume máximo de metano (35 mmol) foi obtido
entre 21o e 25
o dias de operação mantendo-se estável até o 31
o dia de operação (Figura 5.1). A
produção máxima de gás carbônico, 23 mmol, foi registrada no 19odia de operação (Figura
5.2).
No ensaio (2) foi verificada a produção de metano, gás carbônico e hidrogênio abaixo
do limite detectável pelo método cromatográfico, no primeiro dia de incubação. A partir do
segundo dia verificou-se produção detectável tanto de metano, quanto de gás carbônico, cujo
volume máximo foi de aproximadamente 50 mmol e 35,5 mmol, respectivamente, no 34o
dia
de operação.
Já no ensaio (3), foi verificado produção de metano, hidrogênio e gás carbônico em
nove horas de operação. Obteve-se produção de metano de 42,5 mmol no 4o dia de incubação
e 68,1 mmol no 5o
dia, e máxima (96,5 mmol) no 33o dia de operação. Em relação ao gás
carbônico obteve-se máximo volume (97 mmol) no 16o dia de operação, com estabilidade de
produção até o término do período de operação.
36
Figura 5.1 – Variação temporal de metano nos reatores em batelada com papel limpo.
Figura 5.2 – Variação temporal de gás carbônico nos reatores em batelada com papel limpo.
0
20
40
60
80
100
120
0 5 10 15 20 25 30 35 40 45
Gá
s ca
rbô
nic
o (
mm
ol)
Tempo (dias)
2,5 g/L papel
limpo
5,0 g/L papel
limpo
10,0 g/L papel
limpo
37
A adição de duas fontes distintas de inóculo, das quais o fluido de rúmen continha
principalmente populações de bactérias celulolíticas e arqueias metanogênicas (Flint et al.,
2008) e o lodo de reator UASB, com populações fermentativas e metanogênica,
aparentemente foi promissora para um sistema gerador de energia a partir de resíduos
celulósicos. As populações de ambas as fontes de inóculo se adaptaram às condições
operacionais impostas e agiram em sintrofia para promover a hidrólise de papel, fermentação
acidogênica e produção de metano nos reatores em batelada.
Analisando-se os parâmetros obtidos pelo ajuste dos dados de evolução de produção
de metano no modelo modificado de Gompertz, verificou-se que o mesmo foi adequado para
ajustar a evolução de produção de metano nos reatores anaeróbios do ensaio (1), com R2 =
0,98. A produção máxima de metano obtida foi de 33,65 mmol e a velocidade máxima de
produção de metano de 2,3 mmol/dia. O período da fase-lag nos reatores foi de
aproximadamente 1,6 dias.
O modelo modificado Gompertz também foi adequado para o ajuste de dados da
evolução de produção de metano do ensaio (3), com obtenção de R2= 0,99, potencial máximo
de produção de metano de 23,05 mmol e velocidade máxima de produção de metano de 1,22
mmol/dia. A duração da fase-lag foi estimada em 0,8 dias. O período de adaptação dos micro-
organismos e início da atividade hidrolítica foi consideravelmente menor se comparado aos
ensaios com 2,5 g/L e 5,0 g/L de papel limpo.
A curva do ensaio (2) não foi ajustada pelo modelo modificado de Gompertz, contudo
foi possível verificar maior período da fase-lag, de aproximadamente 2 dias, e dois períodos
de crescimento exponencial da produção de metano. Um deles do 2o ao 4
o dia, seguido de um
período de estabilização do volume de metano no headspace de 20 dias, e o segundo do 24o
ao 33o dia, quando o volume de metano triplicou (de 20 mmol a 60 mmol, aproximadamente).
A geração de metano no processo de digestão anaeróbia é proporcional à redução de DQO de
águas resíduárias (DRAPCHO; NHUAN; WALKER, 2008). Portanto, o aumento da carga
orgânica pode ter influenciado as atividades fermentativa e metanogênica, haja vista que a
fase estável da produção metanogênica se estendeu durante o período em que a concentração
de DQO solúvel se manteve em torno de 3000 mg/L.
Analisando a curva de evolução da produção de gás carbônico para o ensaio (2),
verifica-se que não há dupla sigmoide, ao contrário do ocorrido com a curva de produção de
metano. Portanto, há a possibilidade da primeira sigmoide ter ocorrido em decorrência da
metanogênese hidrogenotrófica, ao passo que a segunda sigmoide provavelmente foi formada
38
pela metanogênese acetoclástica, já que no 23° dia do ensaio houve aumento da concentração
deste ácido no meio.
Verificou-se para todos os ensaios período de adaptação microbiana relativamente
curto e favorecimento da produção de metano para as duas fontes de inóculo.
O rendimento da produção de metano foi determinado dividindo-se a produção
máxima pela quantidade de papel acrescentada aos biorreatores. Dessa forma, para os ensaios
(1), (2) e (3) obteve-se rendimentos de 14; 10 e 9,6 mmol CH4/g de papel adicionado,
respectivamente.
Por meio das análises da composição dos ácidos orgânicos ao longo do período de
incubação dos ensaios pôde-se também acompanhar a produção concomitante de biogás.
No ensaio (1) foi observada crescente produção de ácidos orgânicos ao longo da
operação, principalmente de ácido acético, cujo valor observado foi de 579,9 mg/L no 8o dia
de operação (Figura 5.3). Posteriormente, verificou-se diminuição gradual da concentração
de ácidos orgânicos no meio líquido, provavelmente, relacionado à acetogênese e
metanogênese. No último dia de operação já não foi detectado ácido acético, provavelmente,
usado pelas arqueias metanogênicas acetoclásticas.
Além do ácido acético verificou-se também ácido butírico e ácido propiônico,
respectivamente de 74,17 e 119,42 mg/L, no 8 o e no 4
o dia de operação (Figura 5.3). Os
ácidos isobutírico, isovalérico, valérico e capróico também foram detectados, porém em
baixas concentrações (Figura 5.4). Ácido fórmico e solventes como etanol e metanol não
foram detectados nos reatores em batelada.
De acordo com McInerney e Bryant (1981), carboidratos podem ser degradados a
ácido acético, propiônico ou butírico em função da pressão parcial de hidrogênio no meio. Já
as proteínas e lipídeos são degradados a ácidos de cadeias mais longa como o ácido valérico,
isobutírico e isovalérico (BALDOCHI,1990). Dessa forma, a composição química do papel,
com composição predominante de carboidratos, pode ser responsável pelas concentrações
menores dos ácidos valérico, isobutírico e isovalérico.
39
Figura 5.3 – Variação temporal de produção dos ácidos propiônico, butírico e acético nos reatores em batelada
com 2,5 g/L de papel limpo.
Figura 5.4 – Variação temporal da produção dos ácidos capróico, valérico, isovalérico e isobutírico nos
reatores em batelada com 2,5 g/L de papel limpo.
Durante o período de operação do ensaio (2), verificou-se principalmente ácido acético
cuja concentração máxima foi de 1145 mg/L em 23 dias de operação (Figura 5.5). A partir de
então, observou-se diminuição gradual da concentração do ácido acético no meio detectada
até o 36o dia de operação.
0
50
100
150
200
250
300
350
400
450
500
550
600
0 2 4 8 10 14 20 24 30
Áci
do
s o
rgân
ico
s (m
g/L)
Tempo (dias)
Ác. Acético
Ác. Butírico
Ác. Propiônico
0
5
10
15
20
25
30
35
40
45
50
0 2 4 8 10 14 20 24 30
Áci
do
s o
org
ân
ico
s (m
g/L
)
Tempo (dias)
Ác. Isobutírico
Ác. Isovalérico
Ác. Valérico
Ác. Capróico
40
Figura 5.5 – Variação temporal da produção dos ácidos propiônico, butírico e acético nos reatores com 5,0 g/L
de papel limpo.
Além do ácido acético verificou-se também os ácidos butírico e propiônico, em
concentrações máximas de 259,83 e 276,63 mg/L, respectivamente, ambos no 33o dia de
operação. Os ácidos isobutírico, isovalérico, valérico e capróico também foram detectados em
baixas concentrações no efluente (Figura 5.6), não havendo detecção de metanol e butanol.
Figura 5.6 – Variação temporal da produção dos ácidos capróico, valérico,isovalérico e isobutírico nos
reatores com 5,0 g/L de papel limpo.
Por meio das análises da composição dos ácidos orgânicos realizadas no decorrer do
monitoramento do ensaio (3) verificou-se concentrações reduzidas destes compostos, cujos
valores máximos foram de 236,72 mg/L e 72,70 mg/L para os ácidos propiônico e acético,
0
200
400
600
800
1000
1200
1 8 16 23 27 30 33 36
Áci
do
s o
rgâ
nic
os
(mg
/L)
Tempo (dias)
Ác. Acético
Ác. Butírico
Ác. Propiônico
0
20
40
60
80
100
120
1 8 16 23 27 30 33 36
Áci
do
s o
rgâ
nic
os
(mg
/L)
Tempo (dias)
Ác. Isobutírico
Ác. Isovalérico
Ác. Valérico
Ác. Capróico
41
respectivamente (Figura 5.7 e 5.8). Na digestão anaeróbia, micro-organismos metanogênicos
e acidogênicos diferem consideravelmente em termos de fisiologia, necessidades nutricionais,
crescimento cinético e sensibilidade às condições do ambiente (POHLAND; GHOSH, 1971).
O desequilíbrio entre esses dois grupos de micro-organismos é o motivo principal da
instabilidade do reator (DEMIREL; YENIGÜN, 2002). Portanto, esse resultado deve estar
relacionado com a estabilidade do processo de digestão anaeróbia nas condições estudadas e
com o favorecimento das populações metanogênicas que rapidamente converteram estes
ácidos orgânicos em metano.
Figura 5.7 – Variação temporal da produção dos ácidos propiônico, butírico e acético nos reatores com 10,0 g/L
de papel limpo.
0
50
100
150
200
250
0 1 3 7 13 14 18 30 34
Áci
do
s o
rgâ
nic
os
(mg
/L)
Tempo (dias)
Ác. Acético
Ác. Butírico
Ác. Propiônico
0
5
10
15
20
25
30
35
40
45
0 1 3 7 13 14 18 34
Áci
do
s o
rgân
ico
s (m
g/L)
Tempo (dias)
Ác. Isobutírico
Ác. Isovalérico
Ác. Valérico
Ác. Capróico
42
Figura 5.8 – Variação temporal dos ácidos capróico, valérico, isovalérico e isobutírico nos reatores com 10,0
g/L de papel limpo.
O pH final médio dos três biorreatores dos ensaios (1), (2) e (3) foram de 7,9±0,1 ;
6,4±0,04 e 6,5±0,05, ou seja, houve pouca variação em relação ao pH inicial (6,8),
evidenciando-se boa capacidade tamponante do meio de cultura. A metanogênese é a etapa
única no processo geral de produção de metano por meio do consumo de ácido acético, de
modo a remover uma fonte importante de acidez. O consumo de H2 permite o contínuo de
sintrofismo entre bactérias que convertem ácido propiônico e ácido butírico a ácido acético.
Se a atividade de sintropia das bactérias é inibida, ácidos orgânicos serão acumulados,
resultando em decréscimo do pH, criando um ambiente desfavorável para o desenvolvimento
das arqueias metanogênicas. Neste ponto, a fermentação cessa (DRAPCHO; NHUAN;
WALKER, 2008). A reduzida variação de pH pode ter sido adequada para o crescimento das
populações metanogênicas e para o estabelecimento do metabolismo metanogênico, que pode
ser atenuado em baixos valores de pH.
Ao longo do período de operação de todos os ensaios foi observado aumento gradual
de DQO solúvel afluente até a concentração máxima, seguido de diminuição gradual até o
final da operação (Figura 5.9). No momento da incubação, a DQO dos ensaios (1), (2) e (3)
era de 182±31,5; 625±70,9, 161±21,2 mg/L, respectivamente. As máximas concentrações de
DQO solúvel detectadas para os ensaios (1), (2) e (3) foram de, respectivamente, 4.332±70,0;
3.444,2±65,0 e 1.895,3±8,44 mg/L, e valores finais de 246,4±4,0; 527,7±32,0 e 110±12,81
mg/L, após 30, 36 e 42 dias de operação. Os picos de DQO máximos ocorreram no 11o, 16
o e
3o dias de operação, respectivamente para os ensaios (1), (2) e (3).
Uma vez que o meio de cultivo utilizado era composto apenas de sais minerais e
vitaminas e a única fonte orgânica de substrato foram os fragmentos de papel, provavelmente,
o aumento da concentração de DQO solúvel ao longo dos ensaios foi decorrente dos
carboidratos solúveis liberados na hidrólise microbiana do papel e do acúmulo de compostos
orgânicos solúveis, resultantes da atividade fermentativa acidogênica. Entretanto, devido às
atividades acetogênica e metanogênica, provavelmente houve conversão dos ácidos orgânicos
a ácido acético e metano, resultando em diminuição da DQO solúvel até o final do período de
operação.
A detecção de concentração reduzida de DQO solúvel no final da operação pode ser
um indicativo de que o sistema foi adequado para hidrólise e fermentação de papel, bem como
para consumo de matéria orgânica solúvel, ou seja, obteve-se sistema adequado, tanto para
geração de metano, quanto na estabilização total de resíduos orgânicos. A introdução de dois
43
inóculos mistos nos reatores, levando a maior diversidade microbiana, provavelmente
acentuada, pode ter potencializado a digestão anaeróbia completa dos resíduos de papel com
recuperação de energia na forma de metano em um sistema simples e de baixo custo de
manutenção.
Figura 5.9 – Variação temporal da DQO dos reatores em batelada com 2,5; 5,0 e 10,0g/L de papel limpo.
Verificou-se pico de DQO máximo ao longo do período de operação do ensaio (1),
bastante superior aos demais ensaios, além de sua possível relação com a conversão do papel
em açúcares solúveis, ácidos orgânicos voláteis e álcoois. Provavelmente, pode ter ocorrido a
auto-degradação da biomassa do inóculo. Ou seja, após a hidrólise e digestão do papel
disponível como substrato orgânico, o lodo granular também pode ter sido utilizado como
substrato.
Nos ensaios (1), (2) e (3) foram verificadas concentrações iniciais de carboidratos
totais solúveis, das amostras coletadas antes da incubação, de 18,3±6,4; 30,5±3,0 e 21,5±0,33
mg/L, respectivamente. Verificou-se gradual aumento de carboidratos ao longo do período de
operação, até atingirem seus valores máximos e, então, declínio e estabilização até a
finalização dos ensaios (Figura 5.10). Este perfil temporal foi semelhante ao perfil de DQO,
em virtude da hidrólise microbiana do papel que promoveu acréscimo da concentração de
carboidratos no meio, havendo posterior redução da sua concentração.
0
500
1000
1500
2000
2500
3000
3500
4000
4500
5000
0 10 20 30 40
DQ
O (
mg
/L)
Tempo (dias)
2,5 g/L papel limpo
5,0 g/L papel limpo
10,0 g/L papel limpo
44
Figura 5.10 – Variação temporal de carboidratos totais solúveis para os reatores em batelada com 2,5; 5,0; 10,0
g/L de papel limpo.
Para o ensaio (1), a concentração máxima de carboidratos solúveis detectada foi de
29,4±4,4 mg/L, no 9o
dia de operação. Após 21 dias, o ensaio foi encerrado sendo verificado
10±3,5 mg/L de carboidratos e consumo de 66% de carboidratos.
No ensaio (2), foi verificada concentração máxima de carboidratos solúveis de
62,2±1,3 mg/L no 8o dia de operação. Ao longo dos 28 dias posteriores, a concentração foi
reduzida para 28,2±0,6 mg/L, resultando em consumo de carboidratos de 54,7%.
Verificou-se evolução de carboidratos solúveis durante a operação dos reatores do
ensaio (3) com concentração máxima no 7o dia (64,5±8,0 mg/L) e posterior declínio e
comportamento estável a partir do 18o dia até o final do experimento. O ensaio foi finalizado
com 14±1,88 mg/L de carboidratos totais solúveis. Portanto, o consumo de açúcares
dissolvidos, após 35 dias de operação foi de 78%.
Foi observado aumento da concentração de ST e STV ao longo do período de
operação dos reatores pertencentes aos três ensaios, o que reitera a adaptação da biomassa
microbiana às condições operacionais impostas. O aumento na concentração de STF,
verificado em todos os ensaios, provavelmente foi relacionado à liberação durante a hidrólise
de carbonato de cálcio do papel (Tabela 5.1; 5.2 e 5.3).
Tabela 5.1 – Sólidos totais nos reatores com 2,5 g/L de papel limpo no início da incubação.
Concentração Inicial ST
(mg/L)
STV
(mg/L)
STF
(mg/L)
Fluido de rúmen 3,01 1,7 1,31
0
10
20
30
40
50
60
70
80
0 5 10 15 20 25 30 35 40 45
Car
bo
idra
tos
Tota
is S
olú
veis
(m
g/L)
Tempo (dias)
2,5 g/L papel limpo
5,0 g/L papel limpo
10,0 g/L papel limpo
45
Lodo de reator UASB 2,82 2,15 0,67
Total 5,83 3,85 1,98
Tabela 5.2 – Sólidos totais nos reatores com 2,5 g/L de papel limpo no final da incubação.
Concentração Final ST
(mg/L)
STV
(mg/L)
STF
(mg/L)
Total 7,0 4,6 2,4
No início da operação dos reatores do ensaio (2) foram adicionados 4,07 mg/L de
sólidos voláteis, 1,92 e 2,82 mg/L advindos de fluido de rúmen e de lodo de reator UASB,
respectivamente (Tabela 5.3). Ao final da operação, a concentração de STV foi de 5,2 mg/L
(Tabela 5.4).
Tabela 5.3 – Sólidos totais nos reatores com 5,0 g/L de papel limpo no início da operação.
Concentração Inicial ST
(mg/L)
STV
(mg/L)
STF
(mg/L)
Fluido de rúmen 3,22 1,92 1,31
Lodo de reator UASB 2,82 2,15 0,67
Total 6,04 4,07 1,97
Tabela 5.4 – Sólidos totais nos reatores com 5,0 g/L de papel limpo no final da operação.
Concentração Final ST
(mg/L)
STV
(mg/L)
STF
(mg/L)
Total 7,8 5,2 2,6
No ensaio (3), o inóculo adicionado continha 4,37 mg/L de sólidos totais voláteis (1,87
mg/L provenientes do fluido de rúmen e 2,5 mg/L do lodo de reator UASB) (Tabela 5.5). Por
meio da análise final dos reatores verificou-se 4,47 mg/L de STV e 3,33 mg/L de SF. Assim
como nos ensaios anteriores, verificou-se aumento das concentrações de matéria orgânica e
inorgânica (Tabela 5.6).
Tabela 5.5 – Sólidos totais nos reatores com 10,0 g/L de papel limpo no início da operação.
Concentração Inicial
ST
(mg/L)
STV
(mg/L)
STF
(mg/L)
Fluido de rúmen 3,10 1,87 1,23
Lodo de reator UASB 2,98 2,5 0,48
Total 6,01 4,37 1,71
46
Tabela 5.6 – Sólidos totais nos reatores com 10,0 g/L de papel limpo no final da operação.
Concentração Final
ST
(mg/L)
STV
(mg/L)
STF
(mg/L)
Total 6,43 4,47 3,33
Durante o período de incubação dos reatores, foi possível observar suspensão dos
fragmentos de papéis no meio reacional (Figura 5.12), aderência da biomassa microbiana a
este substrato, liberação de gases caracterizada pela formação de espuma (Figura 5.11 e 5.13),
redução e desaparecimento do substrato. Aparentemente, o papel subiu para a superfície
durante a atividade hidrolítica microbiana nos reatores.
Figura 5.11 – Reatores com 2,5 g/L de papel limpo.
Figura 5.12 – Reator com 5,0 g/L de papel limpo.
47
Figura 5.13 – Reator com 10,0 g/L de papel limpo.
5.3 Ensaios com papel residual
Os ensaios em batelada (4) e (5) (com 5,0 e 10,0 g/L de papel residual,
respectivamente), incubados a temperatura de 37oC, foram operados e monitorados por 29 e
30 dias, respectivamente, sendo observado hidrólise da maior quantidade de papel e
desaparecimento da maioria do substrato suspenso, restando apenas alguns papéis do tipo
pardo. No ensaio (4), houve produção de metano, hidrogênio e gás carbônico abaixo do limite
de detecção no primeiro dia de incubação. Foi detectada produção de metano no 2o
dia de
operação, cujo valor máximo (56,3 mmol) foi observado entre 6o e 8
o dias.
Verificou-se estabilidade de produção metanogênica até o 15o dia de operação e, a
partir do 19odia, verificou-se gradual declínio (Figura 5.14). Os pontos máximos de produção
de gás carbônico ocorreram entre os 6o e 8
o dias, seguindo comportamento de gradual
decréscimo nos dias posteriores (Figura 5.15).
48
Figura 5.14 – Variação temporal de metano nos reatores com 5,0 e 10,0 g/L de papel residual
Para o ensaio (5), no primeiro dia de incubação obteve-se produção de metano,
hidrogênio e carbônico abaixo do limite de detecção do equipamento cromatográfico. A partir
do segundo dia verificou-se produção de metano, a qual seguiu de forma crescente até o 4o dia
de incubação. Os maiores volumes produzidos foram constatados entre os 3o e 5
o dias de
operação, com respectivamente, 140 e 134,7 mmol de metano. Houve posterior declínio da
produção de metano até o 11o
dia de operação (47,9 mmol) e estabilização da produção até o
encerramento do ensaio. Verificou-se para o gás carbônico máxima produção (103,4 mmol)
entre os 3o e 5
o dias de operação (Figura 5.15).
49
Figura 5.15 – Variação temporal da produção de gás carbônico nos reatores com 5,0 e 10,0 g/L de papel residual
Por meio da aplicação do modelo modificado de Gompertz para os resultados obtidos
no ensaio (4) verificou-se R2= 0,81, potencial máximo de produção de metano de 20,66
mmol, velocidade máxima de produção de 2,5 mmol/dia e fase-lag de aproximadamente 1,7
dias.
Os resultados obtidos para o ensaio (5) não foram ajustado ao modelo Gompertz
modificado. Os rendimentos calculados para os ensaios (4) e (5) foram de, respectivamente,
11,26 e 14,0 mmol CH4/g de papel adicionado.
Assim como no ensaio (3), baixas concentrações de ácidos orgânicos foram
constatadas durante o período de incubação dos ensaios (4) e (5). Para o ensaio (4), foram
detectadas máximas de 37,7 mg/L de ácido acético, 18,35 mg/L de ácido butírico (Figura
5.16) e 23,1 mg/L de ácido valérico (Figura 5.17). No ensaio (5) verificou-se para o ácido
acético e ácido propiônico concentrações máximas de 50 mg/L e 37,2 mg/L, respectivamente
(Figura 5.18) e de 42 mg/L para o ácido valérico (Figura 5.19). Para todos os ácidos orgânicos
foram verificadas menores concentrações no último dia do experimento, reiterando que
provavelmente houve conversão dos mesmos por meio da acetogênese e metanogênese.
Como já mencionado, verificou-se condições favoráveis para a metanogênese em
virtude de não ocorrer acúmulo de ácidos orgânicos resultantes da fermentação do substrato,
ocorrendo rápida conversão dos mesmos. A inibição ou instabilidade do processo de digestão
anaeróbia estão relacionadas com o acúmulo de ácidos orgânicos no meio líquido e
consequente redução do pH. As baixas concentrações observadas nas condições estudadas
0
20
40
60
80
100
120
0 5 10 15 20 25 30 35
Gá
s ca
rbô
nic
o (
mm
ol)
Tempo (dias)
5,0 g/L papel residual
10,0 g/L papel
resídual
50
podem significar que os processos foram estáveis e que não houve prevalência da comunidade
fermentativa em relação à comunidade metanogênica.
Figura 5.16 – Variação temporal da produção dos ácidos propiônico, butírico e acético nos reatores com 5,0 g/L
de papel residual.
Figura 5.17 – Variação temporal da produção dos ácidos capróico, valérico, isovalérico e isobutírico nos
reatores com 5,0 g/L de papel residual.
0
5
10
15
20
25
30
35
40
1 3 6 8 11 14 21 29
Áci
do
s o
rgâ
nic
os
(mg
/L)
Tempo (dias)
Ác. Acético
Ác. Butírico
Ác. Propiônico
0
5
10
15
20
25
30
1 3 6 8 11 14 21 29
Áci
do
s o
rgâ
nic
os
(mg
/L)
Tempo (dias)
Ác. Isobutírico
Ác. Isovalérico
Ác. Valérico
Ác. Capróico
51
Figura 5.18 – Variação temporal da produção dos ácidos propiônico, butírico e acético nos reatores com 10,0 g/L
de papel residual.
Figura 5.19 – Variação temporal da produção dos ácidos propiônico, butírico e acético nos reatores com 10,0 g/L
de papel residual.
Nos ensaios (4) e (5), o pH médio do efluente dos reatores ao término da operação foi
de 6,4±0,05 para o ensaio (4) e 6,5±0,02 para o ensaio (5). Portanto, não houve considerável
oscilação do pH durante a incubação dos ensaios, reiterando que não houve acúmulo de
ácidos orgânicos intermediários de modo que a metanogênese procedeu-se de forma eficiente.
0
10
20
30
40
50
60
70
80
1 2 6 11 15 23 27 30
Áci
do
s o
rgâ
no
ico
s (m
g/L
)
Tempo (dias)
Ác. Acético
Ác. Butírico
Ác. Propiônico
0
5
10
15
20
25
30
35
40
45
1 2 6 11 15 23 27 30
Áci
do
s o
rgâ
nic
os
(mg
/L)
Tempo (dias)
Ác. Isobutírico
Ác. Isovalérico
Ác. Valérico
Ác. Capróico
52
A DQO solúvel no início dos ensaios era de 193,5±45,7 e 231,9±30,0 mg/L,
respectivamente, para os ensaios (4) e (5). Ao longo do período de incubação dos reatores do
ensaio (4) verificou-se aumento da DQO solúvel (380±48,3 mg/L) até o 3o dia de operação
seguido por declínio gradual até 142±32,4 mg/L ao término da operação. Em relação ao
ensaio (5) verificou-se DQO solúvel de 546,7±45,0 mg/L; ou seja, concentração máxima
detectada. Posteriormente, verificou-se decréscimo e, no encerramento do ensaio, constatou-
se 189±18,0 mg/L de DQO (Figura 5.20).
Por meio da evolução dos valores de DQO evidenciou-se a ocorrência de atividade
hidrolítica e fermentação de açúcares solúveis, com produção de compostos intermediários da
digestão anaeróbia com posterior consumo dos mesmos.
Figura 5.20 – Variação temporal da Demanda Química de Oxigênio solúvel nos de reatores com 5,0 e 10,0 g/L
de papel residual.
As concentrações de carboidratos totais solúveis no início da operação dos ensaios (4)
e (5) eram de 23,3±7,2 e 29,7±4,2 mg/L, respectivamente (Figura 5.21).As maiores
concentrações de carboidratos solúveis verificadas no ensaio (4), ocorreram entre o 6º dia
(50,9±6,5 mg/L) e 14o
dia (50,6±13,1 mg/L) de operação, com declínio até o 29o (18,9±2,0
mg/L). Desse modo, o consumo de carboidratos totais solúveis foi de 63% em 23 dias de
operação, considerando-se o dia de máxima concentração detectada e o último dia de
operação.
Para o ensaio (5), entre os 6o e 11
o dias foram detectadas as concentrações máximas
(98,8±12,0 mg/L) e (97,9±15,0 mg/L) de carboidratos totais solúveis, respectivamente. Em
0
100
200
300
400
500
600
0 5 10 15 20 25 30
DQ
O (
mg
/L)
Tempo (dias)
5,0 g/L de papel
residual
10,0 g/L de papel
residual
53
seguida, verificou-se gradual declínio até que fossem atingidos 16,6±3,6 mg/L no 30o dia de
operação (Figura 5.21). Logo, estimou-se que o consumo de açúcares foi de 83% no período
de 24 dias de operação.
Figura 5.21 – Variação temporal de carboidratos solúveis nos reatores com 5,0g/L de papel residual.
Segundo as análises de STV, verificou-se manutenção das concentrações de STF e de
STV no ensaio (4) (Tabela 5.7 e 5.8), indício da adaptação da população microbiana às
condições dos reatores.
Tabela 5.7 – Sólidos totais nos reatores com 5,0 g/L de papel residual no início da operação.
Concentração Inicial ST
(mg/L)
STV
(mg/L)
STF
(mg/L)
Fluido de rúmen 3,28 1,9 1,38
Lodo de reator UASB 3 2,5 0,5
Total 6,28 4,40 1,88
Tabela 5.8 – Sólidos totais nos reatores com 5,0 g/L de papel residual no final da operação.
Concentração Final ST
(mg/L)
STV
(mg/L)
STF
(mg/L)
Total 6,45 4,45 2,0
0
20
40
60
80
100
120
0 5 10 15 20 25 30 35
Ca
rbo
idra
tos
To
tais
So
lúv
eis
(mg
/L)
Tempo (dias)
5,0 g/L de papel residual
10,0 g/L de papel residual
54
No ensaio (5), constatou-se que houve acréscimo das concentrações de STF e
manutenção da concentração de STV (Tabela 5.9 e 5.10). Portanto, pode-se inferir que a
biomassa microbiana adaptou-se ao ambiente imposto.
Tabela 5.9 – Sólidos totais nos reatores com 10,0 g/L de papel residual no início da operação.
Concentração Inicial ST
(mg/L)
STV
(mg/L)
STF
(mg/L)
Fluido de rúmen 3,2 2,08 1,12
Lodo de reator UASB 2,9 2,3 0,6
Total 6,1 4,38 1,72
Tabela 5.10 – Sólidos totais nos reatores com 10,0 g/L de papel residual no início da operação.
Concentração Final ST
(mg/L)
STV
(mg/L)
STF
(mg/L)
Total 7,62 4,50 3,17
Nestes ensaios também foi possível observar a suspensão dos fragmentos de papel no
meio, aderência da biomassa microbiana ao substrato, liberação de gases caracterizada por
formação de espuma (Figura 5.22), redução e desaparecimento da maior parte do substrato
(Figura 5.23).
Figura 5.22 – Reatores com 5,0 g/L de papel residual.
55
Figura 5.23 – Reatores com 10,0 g/L de papel residual em fase de encerramento.
5.4 Análise Comparativa entre os Ensaios em Batelada
Diante dos resultados obtidos a partir da execução dos ensaios com biorreatores em
batelada cujo substrato consistiu em papel limpo, verificou-se que o maior rendimento foi
associado àquele com 2,5 g/L de papel limpo (14 mmol CH4/ g de papel). Verificou-se para os
biorreatores com 5,0 g/L e 10,0 g/L de substrato rendimentos bastante próximos; ou seja, de
10 e 9,6 mmol CH4/ g de papel, respectivamente (Tabela 5.11).
Botta (2012) observou redução do rendimento de H2 com o aumento da concentração de
substrato para ensaios em batelada com 0,5 g/L de papel sulfite e 4 mL/L de celulase, 2 g/L de
papel sulfite e 15 ml/L de celulase e 4,0 g/L de papel sulfite e 30 ml/L de celulase, incubados
a 37oC e com pH inicial igual a 7,0. Para os ensaios com menor rendimento, sobretudo para o
ensaio com maior concentração de substrato, cujo rendimento foi menor, a quantidade de
papel e celulase pode ter sido inibitória. Segunda a autora, além do aumento da concentração
de papel sulfite para os dois últimos ensaios, também houve maior quantidade de celulase
adicionada, o que representou acréscimo na carga orgânica (BOTTA, 2012).
O primeiro ensaio foi favorável não apenas para a produção de CH4, mas também para
o crescimento da biomassa, enquanto o acréscimo de substrato pode ter agido de forma
inibitória para a biomassa, por conseguinte, com menor produção de metano.
Por outro lado, para os biorreatores cujos substratos eram de 5,0 e 10,0 g/L de papel
residual verificou-se rendimentos de, respectivamente, 11,26 e 14 mmol CH4 /g de papel.
Neste caso, o acréscimo da concentração de substrato proporcionou elevação do rendimento
de CH4. Comparando-se estes ensaios com aqueles cujos substratos foram o papel limpo,
56
notou-se que, para a mesma concentração, os primeiros ofereceram melhores desempenhos
quanto ao rendimento. Verificou-se para 5,0 g/L, que os rendimentos obtidos pouco diferiram
(10 mmolCH4/ g de papel limpo e 11,26 mmolCH4/ g de papel residual). No entanto, para
10,0 g/L verificou-se distinção entre os rendimentos foi mais significativa; ou seja, de 9,6
mmolCH4/ g de papel limpo e 14 mmolCH4/ g de papel residual.
Tabela 5.11 – Parâmetros obtidos para os ensaios com substrato papel limpo: (1) 2,5 /L; (2) 5,0 g/L e (3) 10,0
g/L e substrato papel residual: (4) 5,0 g/L e (5) 10,0 g/L.
Parâmetro
Ensaio
1
Ensaio
2
Ensaio
3
Ensaio
4
Ensaio
5
Tempo de incubação (dias) 31 36 42 29 30
Máximo volume de metano (mmol) 35 50 96,5 56,3 140
Ocorrência (dia) 21 34 33 6 3
Redimento (mmol CH₄/g de substrato) 14 10 9,6 11,26 14
DQO máxima (mg/L) 5000 3444,23 318 380 546,7
Consumo de Carboidratos Solúveis
(mg/L) 66% 56% 78% 63% 83%
pH final 7,9 6,45 6,5 6,45 6,5
STV Final (mg/L) 7 7,8 6,43 6,45 7,62
Além disso, pode-se destacar que os intervalos de tempo em que foram observadas as
máximas concentrações de DQO solúvel não eram concomitantes àqueles com máxima
produção de metano. A quantidade de carga orgânica aplicada pode ter influenciado a
produção de metano.
Baldochi (1990), em estudo sobre degradação anaeróbia de resíduos municipais,
observou que durante o período em que a DQO do percolado manteve-se alta, para duas
unidades experimentais de aterros sanitários, havia também acúmulo de ácidos voláteis e
provavelmente não existiam condições favoráveis à metanogênese. Quando o processo
anaeróbio atingiu o equilíbrio, ou seja, quando houve redução do acúmulo de ácidos voláteis,
a DQO presente no percolado reduziu.
5.5 Análise de Biologia Molecular
Por meio da análise de PCR/DGGE buscou-se verificar a alteração da estrutura da
comunidade microbiana entre os inóculos originais (fluido de rúmen e lodo de reator UASB)
e as biomassas obtidas no final dos ensaios em batelada, tanto com papel sem uso, quanto
57
para aqueles com papel residual. Os dendrogramas foram elaborados com auxílio do método
de agrupamento UPGMA, considerando-se o coeficiente de similaridade Pearson e os padrões
de bandas do DGGE com iniciadores para os Domínios Bacteria (Figura 5.24) e Archaea
(Figura 5.25).
Figura 5.24 – Dendograma para Domínio Bacteria baseado no coeficiente de similaridade de Pearson a partir do
padrão de bandas do DGGE. In_Rumen: inóculo fluido de rúmen; In_lodo: inóculo lodo; R2,5_Lim: ensaio 2,5
g/L de papel limpo; R5,0_Lim: ensaio 5,0 g/L de papel limpo; R10,0_Lim: ensaio 10,0 g/L de papel limpo;
R5,0_Res: ensaio 5,0 g/L de papel residual; R10,0_Lim: ensaio 10,0 g/L de papel residual.
Tendo em vista o Domínio Bacteria, observou-se dissimilaridade de 67% entre as
populações dos inóculos (fluido de rúmen e lodo), reiterando a presença de consórcio
microbiano diversificado. Considerando os ensaios cujo substrato foi o papel limpo, para
aqueles com (1) 2,5 e (2) 5,0 g/L observou-se coeficiente de similaridade de 42% , ao passo
que o coeficiente de similaridade entre este último e o ensaio com (3) 10,0 g/L de papel sem
uso foram de apenas 15%. Os índices de diversidade populacional para os ensaios (1), (2) e
(3) foram de, respectivamente, 3,31±0,01; 3,28±0,02 e 3,26±0,01. Para os ensaios com papel
residual, verificou-se coeficiente de similaridade de 64% entre aqueles com (4) 5,0 e (5) 10,0
g/L, com índices de diversidade populacional de 3,32±0,01 e 3,44±0,01, respectivamente.
Tendo em vista o aumento do número de bandas com o aumento da carga orgânica para este
substrato, possivelmente esta alteração foi favorável para o desenvolvimento de maior número
de populações bacterianas.
58
Figura 5.25 – Dendograma para Domínio Archea baseado no coeficiente de similaridade de Pearson a partir do
padrão de bandas do DGGE. In_Rumen: inóculo fluido de rúmen; In_lodo: inóculo lodo; R2,5_Lim: ensaio 2,5
g/L de papel limpo; R5,0_Lim: ensaio 5,0 g/L de papel limpo; R10,0_Lim: ensaio 10,0 g/L de papel limpo;
R5,0_Res: ensaio 5,0 g/L de papel residual; R10,0_Lim: ensaio 10,0 g/L de papel residual.
Quanto ao Domínio Archaea, verificou-se que as populações dos inóculos fluido de
rúmen e lodo foram similares em apenas 32%, coeficiente próximo ao obtido para o Domínio
Bacteria (33%).
Nos ensaios (1) e (2), com o substrato papel limpo, verificou-se coeficiente de
similaridade de 54% e índice de diversidade populacional de 3,17±0,008 e 3,15±0,01,
respectivamente. A similaridade observada entre o ensaio (2) e (3) foi de 61%, sendo o índice
de diversidade do último de 2,9±0,01. Ao analisar os padrões de bandas e considerando o
índice de diversidade populacional, conclui-se que houve pequena redução da diversidade de
populações de arqueias à medida que ocorreu o acréscimo de carga orgânica no sistema,
sobretudo entre os ensaios (2) e (3).
Em relação aos ensaios com substrato papel residual, observou-se coeficiente de
similaridade de 66% entre os ensaios com (4) e (5) e índices de diversidade populacional de
2,88±0,02 e 3,10±0,01, respectivamente. Observando-se bandas pertencentes aos dois ensaios
e considerando-se o índice de diversidade, pode-se inferir que no ensaio com 10,0 g/L havia
maior quantidade de populações se comparado àquele com 5,0 g/L de papel residual. Além
disso, notou-se maior similaridade entre as populações do inóculo do lodo e ensaio com 10,0
g/L de papel residual (87%). Diante do melhor rendimento metanogênico obtido nesta
condição, pode-se destacar que este ensaio foi favorável ao desenvolvimento das populações
de arqueias, ao passo que concentração mais reduzida de carga orgânica implicou inibição de
algumas delas.
Devido à maior produção de metano e consequente consumo de acido acético nos
ensaios (3) e (5), estes podem ter proporcionado melhores condições para arqueias
acetoclásticas, diferente do que ocorreu nos ensaios anteriores. É provável que, no inóculo
59
lodo de reator UASB havia maior concentração de populações de arqueias, por isso o
coeficiente de similaridade entre o lodo e o ensaio (5) foi de 87% e a similaridade entre este
inóculo e o ensaio (3) foi de 66%.
Portanto, por meio da análise de PCR/DGGE observou-se que para o substrato papel
limpo, o acréscimo da concentração não foi favorável para o aumento da diversidade de
populações de bactérias fermentativas e arqueias. Por outro lado, os ensaios com papel
residual obtiveram um pequeno aumento da diversidade populacional de ambos Domínios.
5.6 Lisímetro
A operação do lisímetro de bancada foi motivada pelas condições estudadas em
batelada, sobretudo, por aqueles ensaios cujo substrato utilizado foi o papel residual, nos
quais foi constatada a conversão satisfatória do papel a metano.
Visando ao aumento da escala de produção metanogênica, foi utilizado para o
lisímetro papel residual com teor de umidade 80%, bem como o mesmo inóculo advindo do
lodo de reator UASB e do fluido de rúmen usados nos biorreatores em batelada, além da
manutenção da anaerobiose com fluxo de nitrogênio no início da operação, temperatura de
37o C e alimentação com meio de cultivo em pH igual 6,8. Embora todas as condições
impostas tenham sido iguais àquelas proporcionadas para os ensaios em batelada, foi
observada atividade metanogênica reduzida ao longo da operação.
Durante o período de 58 dias, o volume de metano produzido foi abaixo do limite de
detecção do método utilizado, com volume apenas de gás carbônico detectado. Além disso,
concentrações reduzidas de DQO e carboidratos foram detectadas no efluente, ou seja,
provavelmente a hidrólise do papel foi minimizada nessas condições (Figura 5.26 e 5.27).
Devido a pouca quantidade de água, a digestão em Solid-state Anaerobic Digestion
(SS-AD) possui algumas desvantagens, tais como a necessidade de maior quantidade de
inóculo e maior tempo de retenção (LI; PARK; ZU,2011). É possível que estas condições
operacionais junto ao reduzido teor de umidade, se comparado aos ensaios em batelada, foram
desfavoráveis a metanogênese neste reator. Para produção de metano, o controle dos
parâmetros operacionais (pH, temperatura de incubação e manutenção da anaerobiose) deve
ser mais estrito, uma vez que as arqueias metanogênicas são mais susceptíveis à inibição se
comparadas às bactérias fermentativas, por exemplo. Logo, provavelmente a presença de
oxigênio inibiu o estabelecimento da microbiota anaeróbia estrita.
60
A concentração máxima de DQO foi obtida no 34o dia de operação para amostra bruta
(773,59 mg/L) e filtrada (683,99 mg/L). Já em relação a carboidratos totais solúveis obteve-se
concentrações máximas entre os 34o e 41
o dias de operação, com 207,2 mg/L para DQO
filtrada e 224 mg/L de DQO bruta.
Figura 5.26 – Variação temporal de DQO solúvel em lisímetro de bancada.
Figura 5.27 – Variação temporal de carboidratos solúveis em lisímetro de bancada.
A composição de ácidos foi analisada entre o 25o e 51
o dias de operação do lisímetro
com papel residual, obtendo-se detecção de ácido valérico (10,67 mg/L) e acético (35,36
mg/L) no 32o dia de operação (Figuras 5.28 e 5.29).
0
100
200
300
400
500
600
700
800
900
0 10 20 30 40 50 60
DQ
O (
mg
/L)
Tempo (dias)
Amostra filtrada
Amostra bruta
0
50
100
150
200
250
10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60
Co
nce
ntr
açã
o d
e ca
rbo
idra
tos
solú
vei
s (m
g/L
)
Tempo (dias)
Amostra filtrada
Amostra bruta
61
Figura 5.28 – Ácidos propiônico, butírico e acético entre os 25o e 51
o dias de operação do lisímetro com papel
residual.
Figura 5.29 – Ácidos capróico, valérico, isovalérico e isobutírico entre os 25o e 51
o dias de operação do lisímetro
com papel residual.
O pH do meio de cultivo usado para alimentação do lisímetro era de 6,8. Durante os
dias de monitoramento verificou-se que o pH das amostras de efluente variou entre 8,3 e 5,7.
5. CONCLUSÕES
Os inóculos fluido de rúmen bovino e lodo anaeróbio de reator UASB (usado para
tratamento de águas residuárias de abatedouro de aves) adicionados aos reatores anaeróbios
0
5
10
15
20
25
30
35
40
45
25 27 28 32 37 48 51
Áci
do
s o
rgâ
nic
os
(mg
/L)
Tempo (dias)
Ác. Acético
Ác. Butírico
Ác. Propiônico
0
10
20
30
40
50
60
25 27 28 32 37 48 51
Áci
do
s o
rgâ
nic
os
(mg
/l)
Tempo (dias)
Ác. Capróico
Ác. Valérico
Ác. Isovalérico
Ác. Isobutírico
62
continham diversidade de populações microbianas para a degradação de papel e produção de
metano.
As condições operacionais impostas que compreendiam incubação em temperatura
mesofílica (37oC), pH inicial de 6,8 e papel como única fonte orgânica de substrato foram
adequadas para adaptação da biomassa microbiana, já que houve hidrólise e fermentação de
papel com geração de DQO, seguido de elevada remoção das concentrações de carboidratos e
DQO até o final da operação.
Em todos os ensaios em batelada foi observada visualmente redução dos fragmentos
de papel, no caso dos ensaios com papel residual, ou desaparecimento total dos fragmentos de
papel no meio liquido, no caso dos ensaios com papel limpo, bem como a produção de
metano por análise cromatográfica. Aparentemente, os papéis do tipo pardo são mais
resistentes à digestão anaeróbia, uma vez que foram detectados visualmente no encerramento
dos ensaios com papel residual.
O aumento da concentração de papel limpo acarretou redução no rendimento da
produção metanogênica, com rendimentos de 14 mmol CH4/ g de papel adicionado, 10,0 CH4/
g de papel adicionado e 9,6 mmol CH4/ g de papel, para 2,5 g/L, 5,0 g/L e 10,0 g/L,
respectivamente. A elevação da carga orgânica nos biorreatores em batelada, para os quais foi
utilizado papel limpo, agiu de modo inibitório.
Para os biorreatores alimentados com papel residual de escritório verificou-se
desempenho favorável a metanogênese. Além disso, o acréscimo de 5,0 g/L de papel residual
para 10,0 g/L não provocou redução do rendimento metanogênico, pelo contrário, houve
elevação desse parâmetro. Portanto, pode-se concluir que alguns tipos de papel residual são
mais susceptíveis à degradação anaeróbia do que papéis sulfite sem uso.
O aumento gradual da concentração de ácido acético seguido da sua diminuição ao
longo do período de incubação nos ensaios (1) e (2), provavelmente, ocorreu em virtude da
atividade acetogênica e metanogênica, o que indicou equilíbrio entre as populações
hidrolíticas, acidogênicas, acetogênicas e metanogênicas.
As reduzidas concentrações de ácidos orgânicos constatadas durante o monitoramento
dos ensaios (3), (4) e (5), enquanto houve produção de metano é um indício de que as
atividades fermentativa e metanogênica mantiveram-se em equilíbrio nos períodos estudados;
sem o acúmulo de ácidos intermediários a esses processos.
O acréscimo da concentração de ambos os substratos nos ensaios promoveu o aumento
da diversidade populacional para indivíduos do Domínio Bacteria. Contudo, considerando o
Domínio Archaea, verificou-se que o aumento da concentração do substrato papel limpo nos
63
ensaios (1), (2) e (3) pode ter inibido a presença de algumas populações. O contrário ocorreu
com os ensaios (4) e (5) cujo substrato era papel residual, uma vez que foi detectado
incremento da diversidade populacional entre o ensaio com 5,0 g/L e 10,0 g/L.
Em relação ao lisímetro de bancada, apesar de submetido às mesmas condições de
operação dos ensaios em batelada no que se refere ao pH do meio de cultivo, temperatura,
anaerobiose e fonte de inóculo, verificou-se atividade metanogênica reduzida com detecção
considerável apenas de gás carbônico. É provável que o teor de umidade aliado a tais
condições operacionais, principalmente, em relação à manutenção da anaerobiose estrita, não
favoreceram a manutenção das arqueias metanogênicas.
64
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