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UNIVERSIDADE FEDERAL DE ALFENAS
Amanda Carvalhaes Souto Valim
Ana Laura Frugoli
CINÉTICA DA DEGRADAÇÃO ANAERÓBIA DE
EFLUENTE DE LATICÍNIO EM REATOR BATELADA
Poços de Caldas/MG
2015
Amanda Carvalhaes Souto Valim
Ana Laura Frugoli
CINÉTICA DA DEGRADAÇÃO ANAERÓBIA DE
EFLUENTE DE LATICÍNIO EM REATOR BATELADA
Trabalho de Conclusão de Curso
apresentado ao Instituto de Ciência e
Tecnologia da Universidade Federal de
Alfenas, campus Poços de Caldas/MG,
como parte dos requisitos para obtenção
do título de bacharel em Engenharia
Química.
Orientador (a): Profª. Dra. Giselle Patrícia
Sancinetti
Poços de Caldas/MG
2015
V172c Valim, Amanda Carvalhaes Souto .
Cinética da degradação anaeróbia de efluente de laticínio em reator batelada. /Amanda Carvalhaes Souto Valim ; Ana Laura Frugoli ;
Orientação de Giselle Patrícia Sancinetti . Poços de Caldas: 2015.
35 fls.: il.; 30 cm.
Inclui bibliografias: fls. 34-35
Trabalho de Conclusão de Curso (Graduação em Engenharia Química) –
Universidade Federal de Alfenas– Campus de Poços de Caldas, MG.
1. Tratamento anaeróbio. 2. Tratamento de efluentes. 3. Reator batelada. I. Frugoli,
Ana Laura . II. Sancinetti, Giselle Patrícia (orient.). III. Universidade Federal de
Alfenas – Unifal. IV. Título.
CDD 628.1
AGRADECIMENTOS
Primeiramente agradecemos a Deus, por iluminar e abençoar nossas
trajetórias.
Aos nossos pais e amigos, pelo apoio e incentivo nas horas difíceis, pela
alegria nas conquistas e por tudo que fizeram e fazem para que nossa trajetória
universitária seja realizada com sucesso.
À nossa orientadora, Profª. Giselle Patrícia Sancinetti, pela paciência na
orientação, pelos conhecimentos transmitidos, pela motivação e confiança
depositada na realização do presente trabalho.
À Gabriela Sampaio, pela dedicação ao nos ensinar os procedimentos
experimentais necessários para execução deste trabalho.
Ao Instituto de Ciência e Tecnologia, e demais professores envolvidos,
pela oportunidade oferecida e pelos equipamentos e reagentes necessários
para realização deste.
Enfim, agradecemos a todas as pessoas que contribuíram de alguma
maneira para realização deste trabalho e pelo incentivo.
RESUMO
A água, recurso natural renovável do qual todos os organismos necessitam
para sobreviver, é uma das substâncias mais comuns existentes na natureza.
Despejos industriais, também conhecidos como águas residuais, se lançados
nos recursos hídricos sem os devidos cuidados podem acarretar em diversos
efeitos tóxicos. Para minimizar estes impactos ambientais causados, sistemas
anaeróbios de tratamento de efluentes têm sido largamente aplicados por
apresentarem vantagens como baixa produção de sólidos, baixo consumo de
energia, baixos custos de implementação e operação, e etc. O conhecimento
da cinética da digestão anaeróbia é importante para o projeto de reatores
anaeróbios e também para a previsão da qualidade do efluente final. O
presente trabalho realizou um estudo sobre a cinética da digestão anaeróbia de
efluentes de laticínios em reator em batelada de escala laboratorial. Foram
realizados ensaios em triplicata durante 67 dias, para análise da remoção de
DQO (Demanda Química de Oxigênio) e obtenção da constante cinética de
primeira ordem,
, e da concentração do substrato residual, . Os
resultados obtidos foram satisfatórios, uma vez que a remoção de DQO
aumentou em função do tempo, apresentando valores de eficiência de remoção
de 97%, 91% e 93%,
de (0,121±0,025) dia-1, e de (47,531±4,176) mg/L,
se mostrando próximo ao resultado experimental obtido para o último ponto de
amostragem de 54,9 mg/L, indicando um bom ajuste para os dados.
Palavras-chave: Tratamento anaeróbio. Cinética da degradação anaeróbia.
Laticínio.
ABSTRACT
Water, a renewable resource which all organisms need to survive, it is one of
the most common substance in nature. Industrial waste, also known as
wastewater when thrown away on waterways without appropriate care can
cause several toxic effects. Aiming to minimize these environmental impacts,
anaerobic systems have been widely applied because of their advantages, such
as low solid production, low power consumption, low implementation and
operating costs, etc. Knowing the kinetics of anaerobic digestion is essential for
the design of anaerobic reactors and also to predict the quality of the final
effluent. This work reports a study about the kinetic of anaerobic digestion from
dairy effluent in batch reactor, conducted in laboratorial scale. Tests were
carried out in triplicate over 67 days in order to analyze the removal of COD
(Chemical Oxygen Demand) obtain the first-order kinetic parameter,
, as
well as the residual substrate concentration COD, . The results were
satisfactory since the COD removal increased as a function of time, presenting
removal efficiency values of 97%, 91% and 93%,
of (0.121±0,025) day-1
and equal to (47.531 ± 4.176) mg / L, which are close to the experimental
result of 54.9 mg / L obtained for the last sample collected indicating a good
adjust for the data.
Keywords: Anaerobic treatment. Kinetic of anaerobic digestion. Dairy.
LISTAS DE ILUSTRAÇÕES
Figura 1: Fluxograma da microbiologia da digestão anaeróbia. ....................... 16
Figura 2 - Remoção de DQO em função do tempo para o reator 1. ................. 24
Figura 3 - Remoção de DQO em função do tempo para o reator 2. ................. 24
Figura 4 - Remoção de DQO em função do tempo para o reator 3. ................. 25
Figura 5 - Eficiência de remoção de DQO em função do tempo para o reator 1.
......................................................................................................................... 26
Figura 6 - Eficiência de remoção de DQO em função do tempo para o reator 2.
......................................................................................................................... 27
Figura 7 - Eficiência de remoção de DQO em função do tempo para o reator 3.
......................................................................................................................... 27
Figura 8 - Remoção de DQO em função do tempo para o segundo ensaio. .... 28
Figura 9 - Ajuste do perfil cinético em função da remoção de DQO para o
ensaio de nove dias. ........................................................................................ 30
Figura 10 - Ajuste do perfil cinético em função da remoção de DQO para a
média dos reatores 1, 2 e 3. ............................................................................. 30
LISTA DE TABELAS
Tabela 1 - Composição nutricional da água residuária sintética de acordo com
Del Nery (1987). ............................................................................................... 21
Tabela 2 - Valores de DQO centrifugada para cada dia de análise dos reatores
branco,1, 2 e 3. ................................................................................................ 23
Tabela 3 - Eficiência de remoção para os reatores branco, 1, 2, e 3 no período
de 67 dias. ........................................................................................................ 26
Tabela 4 - Valores da DQO centrifugada em diferentes tempos para o ensaio
de nove dias. .................................................................................................... 28
Tabela 5 - Perfil experimental para a média dos reatores 1, 2 e 3. .................. 29
Tabela 6 - Parâmetros cinéticos obtidos através do modelo cinético de primeira
ordem modificado obtido para os dois ensaios. ............................................... 31
Tabela 7 - Eficiência de remoção corrigida através da autodegradação do soro
para os reatores 1, 2 e 3. ................................................................................. 32
SUMÁRIO
1. INTRODUÇÃO .......................................................................................... 12
2. OBJETIVOS .............................................................................................. 13
2.1. OBJETIVO GERAL ............................................................................. 13
2.2. OBJETIVOS ESPECÍFICOS ............................................................... 14
3. REVISÃO BIBLIOGRÁFICA ..................................................................... 14
3.1. PRODUÇÃO DE LEITE ....................................................................... 14
3.2. PROCESSO DE PRODUÇÃO NA USINA DE LATICÍNIO .................. 14
3.3. TRATAMENTO ANAERÓBIO ............................................................. 15
3.4. DIGESTÃO ANAERÓBIA .................................................................... 15
3.4.1. MICROBIOLOGIA DA DIGESTÃO ANERÓBIA ............................ 16
3.4.1.1. Hidrólise e acidogênese ............................................................ 17
3.4.1.2. Acetogênese ............................................................................. 17
3.4.1.3. Metanogênese ........................................................................... 17
3.4.2. FATORES QUE INFLUENCIAM NA DIGESTÃO ANAERÓBIA.... 18
3.4.2.1. pH .............................................................................................. 18
3.4.2.2. Alcalinidade ............................................................................... 18
3.4.2.3. Temperatura .............................................................................. 18
3.4.2.4. Agitação .................................................................................... 19
3.4.2.5. Nutrientes .................................................................................. 19
3.4.2.6. Inibidores ................................................................................... 19
3.5. CINÉTICA DA DIGESTÃO ANAERÓBIA ............................................ 20
4. MATERIAIS E MÉTODOS ......................................................................... 20
4.1. MATERIAIS ......................................................................................... 20
4.1.1. Reator batelada em escala laboratorial ........................................ 20
4.1.2. Inóculo .......................................................................................... 20
4.1.3. Meio nutricional ............................................................................. 21
4.2. MÉTODOS .......................................................................................... 21
4.2.1. Operação do reator ....................................................................... 21
4.2.2. Análises físico-químicas ............................................................... 22
4.2.3. Ajuste cinético............................................................................... 22
5. RESULTADOS E DISCUSSÕES .............................................................. 23
6. CONSIDERAÇÕES FINAIS ...................................................................... 32
7. SUGESTÕES PARA PROPOSTAS FUTURAS ........................................ 33
REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS ................................................................ 34
12
1. INTRODUÇÃO
A água é uma das substâncias mais comuns existentes na natureza,
estando presente em cerca de 70% da superfície do planeta. É encontrada sob
diversas formas, mas principalmente no estado líquido. Recurso natural
renovável, do qual todos os organismos necessitam para sua sobrevivência.
Estima-se que a massa total de água no planeta seja de aproximadamente
265.400 trilhões de toneladas, sendo distribuídas em oceanos, águas
subterrâneas, calotas polares, lagos, rios, entre outras localidades. Todavia,
nem toda água é diretamente aproveitada pelo homem. Do total apresentado
apenas 0,5% representa água doce explorável sob o ponto de vista tecnológico
e econômico (BRAGA et al., 2005).
Além das variações naturais, características das fases do ciclo
hidrológico, alterações têm ocorrido neste ciclo devido às intervenções
humanas. É de fundamental importância que os recursos hídricos apresentem
condições físicas e químicas adequadas para sua utilização. Devem estar
isentos de substâncias que possam causar efeitos prejudiciais aos seres vivos.
Desta forma, disponibilidade de água significa não somente água em
quantidade adequada, mas também que sua qualidade seja satisfatória para
prover as necessidades de um determinado conjunto de seres vivos (BRAGA et
al., 2005).
Despejos industriais, também conhecidos como águas residuais ou
efluentes industriais, são correntes líquidas ou suspensões originadas de
processos, operações ou utilidades, que podem estar acompanhadas de águas
fluviais contaminadas e esgotos sanitários. São extremamente variáveis e
dependem da natureza e porte da indústria, dos produtos fabricados, do grau
de modernidade dos seus processos produtivos, bem como as práticas de
reciclagem e reuso de cada fonte geradora. Seus constituintes podem acarretar
efeitos tóxicos, se lançados nos recursos hídricos sem os devidos cuidados
estabelecidos por normas e legislações específicas (CAVALCANTI, 2009).
Os principais impactos ambientais das indústrias de laticínios estão
relacionados ao alto consumo de água, geração de efluentes com alta
concentração de orgânicos, alto consumo de energia, geração e gerenciamento
de resíduos, emissões atmosféricas, dentre outros. Os efluentes líquidos
13
destas indústrias normalmente são compostos de leite diluído, gorduras,
detergentes, desinfetantes e lubrificantes. Apresentam altos teores de óleos e
graxas, se caracterizam pela presença de sólidos suspensos, matéria orgânica
expressa como DBO (Demanda Bioquímica de Oxigênio), DQO (Demanda
Química de Oxigênio), e odor originado pela decomposição da caseína. A
descarga de efluentes industriais é o principal impacto ambiental do setor.
Independente do processo utilizado ou do produto produzido estima-se que
para cada litro de leite processado há uma geração de 1 a 6 litros de efluentes
(MAGANHA, 2006).
Para minimizar os impactos ambientais causados, várias técnicas de
tratamento de efluentes, processos físicos, químicos ou biológicos, bem como
suas combinações, são utilizadas (BRAGA et al., 2005). Os digestores
anaeróbios têm sido largamente aplicados para o tratamento de resíduos
sólidos, culturas agrícolas, indústrias alimentícias, de bebidas, lodos de
Estações de Tratamento de Esgoto, e etc. Sistemas anaeróbios apresentam
vantagens como baixa produção de sólidos, baixo consumo de energia, baixos
custos de implementação e operação, tolerância a elevadas cargas orgânicas,
possibilidade de operação com elevados tempos de retenção de sólidos e
baixos tempos de detenção hidráulica. As principais desvantagens são
relacionadas à remoção insatisfatória de nutrientes e patógenos, ao fato da
DQO residual ser, na maioria dos casos, elevada para atender os estritos
limites de lançamento estabelecidos na legislação ambiental; e a maior
instabilidade dos reatores anaeróbios, devidos aos choques de carga orgânica
e hidráulica, presença de compostos tóxicos ou ausência de nutrientes
(CHERNICARO, 2007).
2. OBJETIVOS
2.1. OBJETIVO GERAL
O objetivo geral deste trabalho de conclusão de curso (TCC) constituiu
em realizar um estudo sobre a cinética da digestão anaeróbia de efluentes de
laticínios.
14
2.2. OBJETIVOS ESPECÍFICOS
a) Avaliar a degradação anaeróbia do soro.
b) Determinar a constante cinética da degradação.
3. REVISÃO BIBLIOGRÁFICA
3.1. PRODUÇÃO DE LEITE
O Brasil é um grande exportador de commodities, e entre elas a
commodity láctea. No início de 2014 alcançou uma elevação de 70% nas
exportações comparado a dezembro de 2013, com 52,67 milhões de litros
equivalente em leite segundo a Secex (Secretaria de Comércio Externo) e
adquiriu 6,186 bilhões de litros de leite, pelas indústrias processadores do
produto no primeiro trimestre de acordo com o IBGE (CEPEA, 2014). Estes
dados representam a efetiva participação do mercado brasileiro na produção
de leite, logo a existência de um tratamento apropriado para os efluentes das
indústrias de laticínios é imprescindível, para que haja o atendimento dos
padrões de lançamento de efluentes e poluição diminuta dos corpos de água
(IBGE, 2014).
3.2. PROCESSO DE PRODUÇÃO NA USINA DE LATICÍNIO
O setor lácteo é definido pela diversidade de produtos e linhas de
produção, sendo necessário então, definir leite e produtos lácteos (MAGANHA,
2006).
Por definição do Ministério da Agricultura Pecuária e Abastecimento
(MAPA), e de acordo com a Normativa Mercosul do Setor Lácteo, define-se
como leite o produto originado da ordenha completa e ininterrupta de vacas
leiteiras sadias, em condições de higiene. Leites de outras espécies de animais
devem compreender o nome da espécie de que se origina. Na composição do
leite integra-se uma parte úmida, representada pela água, e uma parte sólida,
representada pelo extrato seco total, composta de gordura, açúcar (lactose),
15
proteínas e sais minerais. Quanto maior essa fração no leite, maior será o
rendimento dos produtos (MAGANHA, 2006).
Já produto lácteo é produto obtido mediante qualquer elaboração do
leite, que pode conter aditivos alimentícios e ingredientes funcionalmente
necessários para sua fabricação (MAGANHA, 2006).
As indústrias de laticínios compreendem várias atividades e operações
em função dos produtos a serem obtidos, contudo as operações fundamentais
e comuns a todos os processos produtivos envolvem as seguintes etapas:
recepção do leite e ingredientes; processamento; tratamento térmico;
elaboração de produtos; envase e embalagem; armazenamento e expedição
(MAGANHA, 2006).
3.3. TRATAMENTO ANAERÓBIO
O tratamento anaeróbio tem grande emprego para tratamento de
efluentes industriais compostos por alta carga orgânica.
A aplicação de processos anaeróbios para o tratamento de efluentes de
indústria apresenta fatores positivos em relação uso moderado de energia
elétrica, diminuição da produção de lodo biológico excedente, além da
formação de biogás energético (CAVALCANTI, 2009). Como exemplos de
sistemas de tratamento anaeróbio tem-se as lagoas de estabilização, reatores,
tanques sépticos, entre outros. Porém, atualmente as tecnologias em destaque
são: o reator de manta de lodo ou UASB (Upflow Anaerobic Sludge Blanket),
com a operação de fluxo contínuo ascendente e o reator ESBG (Expanded
Granular SludgeBed), uma forma avançada dos reatores UASB, em que o uso
de leito expandido possibilita elevadas velocidades ascensionais do liquido e
do gás (CAVALCANTI, 2009). Estudos sobre reatores em batelada também
existem e um sistema pode ser composto por reatores sequenciais.
3.4. DIGESTÃO ANAERÓBIA
De toda matéria orgânica disposta na terra, de 5 a 10% é mineralizada
por digestão anaeróbia, formando metano. O processo ocorre em etapas
sequenciais com a participação de no mínimo três grupos fisiológicos de
16
microrganismos com funções específicas: a) Bactérias fermentativas (ou
acidogênicas); b) Bactérias sintróficas (ou acetogênicas); e c) Microrganismos
metanogênicos. As bactérias fermentativas convertem, por hidrólise e
fermentação, os compostos orgânicos complexos (carboidratos, proteínas e
lipídeos) em outros compostos mais simples, principalmente ácidos orgânicos,
além de hidrogênio e dióxido de carbono. As bactérias sintróficas convertem
compostos orgânicos intermediários em acetato, hidrogênio e dióxido de
carbono. E os microrganismos metanogênicos convertem o acetato e o
hidrogênio produzidos nas etapas anteriores em metano e dióxido de carbono.
Eles dependem do substrato fornecido pelas bactérias formadoras de ácidos
(CHERNICHARO, 2007).
3.4.1. MICROBIOLOGIA DA DIGESTÃO ANERÓBIA
O fluxograma abaixo ilustra as fases sequenciais da digestão anaeróbia.
Figura 1: Fluxograma da microbiologia da digestão anaeróbia.
Fonte: Adaptado de CHERNICHARO, 2007.
17
3.4.1.1. Hidrólise e acidogênese
A hidrólise advém da ação de bactérias fermentativas hidrolíticas, que
degradam os materiais particulados complexos em moléculas menores, deste
modo, os materiais dissolvidos são capazes de adentrar pelas paredes
celulares das bactérias fermentativas acidogênicas. No interior das células são
fermentados produzindo ácidos orgânicos, álcoois, cetonas, dióxido de carbono
e hidrogênio, assim como novas bactérias. A etapa de acidogênese não será
limitante para o processo, a menos que o material apresente dificuldade para
hidrolisar (CHERNICHARO, 2007).
3.4.1.2. Acetogênese
Nesta etapa as bactérias sintróficas acetogênicas convertem os
compostos orgânicos intermediários como propionato e butirato em acetato,
hidrogênio e dióxido de carbono. As concentrações de acetato e hidrogênio
devem ser baixas para que as reações acetogênicas não sejam inibidas, por
conseguinte, microrganismos consumidores destes produtos garantem esta
condição (CHERNICHARO, 2007).
3.4.1.3. Metanogênese
Fase final representante de uma forma de respiração anaeróbia,
composta por microrganismos metagênicos, pertencentes ao grupo
“Arqueobactéria”. Podem ocasionar limitações ao processo, uma vez que
exercem duas funções essenciais nos ecossistemas anaeróbicos: produção de
um gás insolúvel (metano), permitindo a retirada do carbono orgânico presente
na fase líquida, e manutenção da pressão parcial de hidrogênio a níveis baixos
o bastante para que as bactérias fermentativas e formadoras de ácidos tenham
capacidade de produzir produtos solúveis mais oxidados (CHERNICHARO,
2007).
As arqueas metanogênicas condicionam a diminuição de pressão parcial
do hidrogênio por intermédio da remoção do excesso deste e dos produtos da
fermentação produzidos anteriormente, garantindo as reações realizadas pelas
18
bactérias acetogênicas. São divididas em dois grupos principais, as arqueas
metanogênicas acetoclásticas, produtoras de gás carbônico e metano a partir
do acetato. E as arqueas metanogênicas hidrogenotróficas, com capacidade de
produzir metano através do hidrogênio e gás carbônico, com maior liberação de
energia (CHERNICHARO, 2007).
3.4.2. FATORES QUE INFLUENCIAM NA DIGESTÃO ANAERÓBIA
3.4.2.1. pH
O pH ótimo variará de acordo com as populações do processos e suas
funções. Para conversões de proteínas a aminoácidos, o pH ótimo está entre
7,0 e 7,5, para aminoácidos convertidos a ácidos o valor é cerca de 6,3, para
carboidratos, 4,0 e 7,0, porém para o último caso, devem ser evitadas
operações abaixo de 6,5 para evitar acidificação. Para formação de metano a
faixa de pH ótimo é 6,7 e 7,4 (CAVALCANTI, 2009).
3.4.2.2. Alcalinidade
A alcalinidade deve estar entre 1500 e 2500mg CaCO3/L, para que não
haja acúmulo de ácidos orgânicos voláteis, provocando a redução do pH.
Porém, caso a operação seja efetuada sem este tipo de acúmulo, valores entre
500 a 1000mg CaCO3/L são aceitáveis (CAVALCANTI, 2009).
3.4.2.3. Temperatura
A temperatura é um dos fatores físicos que mais afeta o crescimento
microbiano, sendo então muito importante na seleção das espécies. Os
microrganismos não possuem mecanismos para o controle de sua temperatura
interna, desta forma a temperatura no interior da célula é determinada pela
temperatura ambiente externa. Três faixas de temperatura podem ser
associadas ao crescimento microbiano:
Faixa psicrófila: entre 4 e aproximadamente 15°C;
Faixa mesófila: entre 20 e aproximadamente 40°C;
19
Faixa termófila: entre 45 e 75°C, e acima (CHERNICHARO,
2007).
Em cada uma dessas três faixas é possível o crescimento microbiano.
Na faixa mesófila, a temperatura ótima encontra-se entre 35 e 37°C, já na faixa
termófila, encontra-se entre 57 e 62°C. Muito mais importante do que operar na
temperatura ótima, é atuar sem variações significativas na temperatura
(SOUZA, 1984).
3.4.2.4. Agitação
A agitação favorece o contato entre a biomassa ativa e o substrato,
proporcionando maior uniformidade na formação de produtos intermediários e
finais. É necessária uma boa condição de distribuição da alimentação no reator
para manter uma taxa de aplicação hidráulica adequada, evitando as zonas
mortas e a diminuição do desempenho no digestor (CAVALCANTI, 2009).
3.4.2.5. Nutrientes
Para que os processos biológicos de tratamento sejam operados com a
maior eficiência, é necessário que haja o fornecimento de macro e
micronutrientes em concentrações adequadas (CAVALCANTI, 2009). Os
nutrientes necessários para a estimulação nutricional de microrganismos
metanogênicos são: nitrogênio, enxofre, fósforo, ferro, cobalto, níquel,
molibdênio, selênio, riboflavina e vitamina (CHERNICHARO, 2007).
3.4.2.6. Inibidores
Alguns compostos químicos são biologicamente tóxicos quando entram
em contato com soluções e excedem uma determinada concentração crítica.
Exemplos de substâncias que apresentam efeito inibitório, quando apresentam
concentrações em excesso, em sistemas anaeróbios: sódio, potássio, cálcio,
magnésio, amoníaco, cromo, níquel, entre outras (CAVALCANTI, 2009).
20
3.5. CINÉTICA DA DIGESTÃO ANAERÓBIA
O conhecimento da cinética é importante para o projeto de reatores
anaeróbios e também para a previsão da qualidade do efluente final. Encontra-
se uma grande dificuldade para descrever matematicamente essas cinéticas de
conversão, uma vez que os substratos e populações bacterianas envolvidas
são muito complexos. O tratamento anaeróbio pode ser descrito como um
processo de três estágios: hidrólise de orgânicos complexos; produção de
ácidos e produção de metano. Em um processo de múltiplos estágios, a
cinética do estágio mais lento governará a cinética geral de conversão
(CHERNICHARO, 2007).
4. MATERIAIS E MÉTODOS
O experimento foi baseado na operação de um reator batelada em
escala laboratorial, para tratamento do soro da produção de ricota fornecido
pelo Laticínio Imperial.
4.1. MATERIAIS
4.1.1. Reator batelada em escala laboratorial
Os reatores batelada foram frascos Duran de 500 mL, com volume útil
de 300 mL.
4.1.2. Inóculo
Como inóculo foi utilizado o lodo proveniente de reator anaeróbio de
manta de lodo (UASB), aplicado ao tratamento de águas residuárias de
abatedouro de aves Avícola Dacar, localizado em Tiête – SP.
21
4.1.3. Meio nutricional
O meio nutricional foi elaborado segundo Del Nery (1987), e sua
composição está exemplificada na Tabela 1.
Tabela 1 - Composição nutricional da água residuária sintética de acordo com Del Nery (1987).
Composto Concentração (mg/L)
NH2CON2 62,5
NiSO4.7H2O 0,5
FeSO4.7H2O 2,5
FeCl.6H2O 0,25
CaCl2.2H2O 23,5
CoCl2.6H2O 0,04
SeO2 0,035
KH2PO4 42,5
K2HPO4 10,85
Na2HPO4.7H2O 16,7
NaHCO3 1000,0
Fonte: Del Nery, 1987.
4.2. MÉTODOS
4.2.1. Operação do reator
A composição dos ensaios consistiu em 3 mL de soro, 30 mL de lodo e
267 mL de meio nutricional. Os ensaios foram feitos em triplicata,
adicionalmente houve um reator que não recebeu o inóculo, nem solução
nutriente, sendo denominado de branco. Após serem preparados,
permaneceram durante 60 segundos sob atmosfera de N2 (100%),
posteriormente foram lacrados com tampa de butil e rosca plástica. Foram
mantidos em Incubadora Refrigerada (shaker), com agitação de 150 rpm a
30°C.
22
4.2.2. Análises físico-químicas
As amostras foram retiradas com o auxílio de seringas, onde foi feita a
análise centrifugada para cada reator. Deste modo, foram coletadas 2,5 mL
para cada análise e foram centrifugadas por dez minutos a uma velocidade de
80 rotações por minuto. Então, as amostras foram adicionadas a tubos de
ensaios em vidro, e em seguida, foram acrescentados 1,5 mL de uma solução
de dicromato de potássio e 3,5 mL de uma solução de ácido sulfúrico com
sulfato de prata. Os tubos de ensaio foram fechados e colocados no digestor, a
150°C por um período de 2 horas. Finalmente, após resfriados, suas
absorbâncias foram medidas em um espectrofotômetro UV-VIS e obtidas às
concentrações de DQO com comprimento de onda de 620 nm.
Foram realizados dois ensaios, onde o primeiro foi feito durante 67 dias,
com períodos variáveis de amostragem, e o segundo durante 9 dias.
As análises foram feitas segundo APHA (2012).
4.2.3. Ajuste cinético
Para o ajuste cinético foi utilizado um modelo cinético de primeira ordem
modificado. Segundo (CUBAS et al., 2007), o balanço de massa para o
substrato, expresso em DQO, em reator batelada, considerando uma cinética
aparente de primeira ordem, é:
( )
( ) (1)
onde é a velocidade global de reação em (mg.L-1.dia-1), é a concentração
de substrato em qualquer tempo em (mg.L-1), é a concentração de substrato
residual em (mg.L-1) em que a taxa de reação é zero, é o tempo em dias e
é a constante cinética de primeira ordem aparente em (dia-1).
A integração da equação (1) de (concentração inicial de substrato no
interior do reator no instante ) até , resulta em:
23
( )
(2)
5. RESULTADOS E DISCUSSÕES
As análises de DQO do reator branco, 1, 2 e 3 foram realizadas a partir
do 1° dia do experimento (tempo zero) e nos intervalos de 7, 32, 35, 39, 41, 50,
54, 61 e 67 dias. Logo, os dados de DQO centrifugada estão expressos na
Tabela 2 e nos gráficos das Figura 2, Figura 3 e Figura 4. O reator branco foi
utilizado como controle para acompanhar a autodegradação da matéria
orgânica, proporcionando a comparação com os reatores 1, 2 e 3 que
receberam o inóculo.
Tabela 2 - Valores de DQO centrifugada para cada dia de análise dos reatores branco,1, 2 e 3.
Tempo (dias)
DQO (mg/L)
Branco Reator 1 Reator 2 Reator 3
0 375 498 452 465
7 326 50 25 50
32 329 50 43 68
35 324 43 32 104
39 317 152 32 88
41 281 50 38 60
50 313 119 38 53
54 280 36 43 46
61 242 51 89 61
67 235 109 13 43
Fonte: Das autoras.
24
Figura 2 - Remoção de DQO em função do tempo para o reator 1. Fonte: Das autoras.
Figura 3 - Remoção de DQO em função do tempo para o reator 2. Fonte: Das autoras.
0
100
200
300
400
500
600
0 10 20 30 40 50 60 70
mg
DQ
O/L
Tempo (dias)
0
50
100
150
200
250
300
350
400
450
500
0 10 20 30 40 50 60 70
mg
DQ
O/L
Tempo (dias)
25
Figura 4 - Remoção de DQO em função do tempo para o reator 3. Fonte: Das autoras.
A concentração de DQO do reator branco possui um perfil de queda
lento, visto que seus valores variaram de 375 a 235 mg DQO/L, para um ciclo
de 67 dias, ocorrendo então, queda de DQO devido autodegradação de 37%.
Em relação aos reatores 1, 2 e 3, os gráficos apresentam o
comportamento de concentração de DQO, com queda acentuada do dia 0 até o
dia 7. No decorrer do período de análise houve uma estabilização de seus
valores
Para uma melhor análise foi calculada a eficiência de remoção de cada
um dos reatores para os diferentes tempos, através da seguinte equação:
(4)
em que a é o valor da DQO no tempo zero, e a é o valor
da DQO no tempo em questão. A Tabela 3 apresenta as porcentagens de
remoção para os reatores branco, 1, 2 e 3 em cada dia de análise realizada.
0
50
100
150
200
250
300
350
400
450
500
0 10 20 30 40 50 60 70
mg
DQ
O/L
Tempo (dias)
26
Tabela 3 - Eficiência de remoção para os reatores branco, 1, 2, e 3 no período de 67 dias.
Tempo (dias) Branco (%) Reator 1(%) Reator 2(%) Reator 3(%)
0 0% 0% 0% 0%
7 13% 90% 94% 89%
32 12% 90% 91% 85%
35 14% 91% 93% 78%
39 16% 70% 93% 81%
41 25% 90% 92% 87%
50 17% 76% 92% 89%
54 25% 93% 90% 90%
61 35% 90% 80% 87%
67 37% 78% 97% 91%
Fonte: Das autoras.
As Figuras 5, 6 e 7 ilustram os dados citados anteriormente na Tabela 3.
Figura 5 - Eficiência de remoção de DQO em função do tempo para o reator 1. Fonte: Das autoras.
0%
10%
20%
30%
40%
50%
60%
70%
80%
90%
100%
0 10 20 30 40 50 60 70
Efic
iên
cia
de
Re
mo
ção
Tempo (dias)
27
Figura 6 - Eficiência de remoção de DQO em função do tempo para o reator 2. Fonte: Das autoras.
Figura 7 - Eficiência de remoção de DQO em função do tempo para o reator 3. Fonte: Das autoras.
Analisando os resultados nota-se que para os reatores 2 e 3, após 67
dias, observou-se a maior remoção de DQO, 97% e 91% respectivamente. Já
para o reator 1, a maior remoção foi 93%, ocorrida após 54 dias do início das
análises. O valor de 73% de remoção obtido após 67 dias pode ter sido
consequência de algum erro experimental ou mesmo de amostragem do reator,
visto que, teoricamente, esta diminuição de porcentagem não deveria ocorrer.
0%
10%
20%
30%
40%
50%
60%
70%
80%
90%
100%
0 10 20 30 40 50 60 70
Efic
iên
cia
de
Re
mo
ção
Tempo (dias)
0%
10%
20%
30%
40%
50%
60%
70%
80%
90%
100%
0 10 20 30 40 50 60 70
Efic
iên
cia
de
Re
mo
ção
Tempo (dias)
Reator 3
28
Foi necessário um segundo ensaio para melhor avaliação do perfil para
os sete primeiros dias. Os dados experimentais obtidos para o segundo ensaio
estão expressos na Tabela 4 e na Figura 8.
Tabela 4 - Valores da DQO centrifugada em diferentes tempos para o ensaio de nove dias.
Tempo (dias) DQO (mg DQO/L)
Branco’ Reator 1’
0 989 1030
1
1096 1055
2
1172 1002
3 936 93
4 1002 126
7 1022 57
8 963 84
Fonte: Das autoras.
Figura 8 - Remoção de DQO em função do tempo para o segundo ensaio. Fonte: Das autoras.
O reator branco’ não apresentou autodegradação em 7 dias, em
contrapartida no reator 1’, a concentração reduziu de 1030 para 57 mg DQO/L.
Nota-se que a maior remoção de DQO ocorreu no sétimo dia, com uma
eficiência de 94%. Só houve remoção de DQO significativa a partir do terceiro
dia, obtendo após este dia valores próximos e estabilizados.
0
200
400
600
800
1000
1200
0 2 4 6 8
mg
DQ
O/L
Tempo (dias)
Branco'
Reator 1'
29
Para obtenção da constante cinética da degradação anaeróbia do
efluente de laticínio foi utilizado o ajuste cinético explicado na seção 4.2.3, para
o perfil experimental de 67 dias obtido pela média dos reatores 1, 2 e 3, e outro
para o perfil experimental dos nove primeiros dias. Os valores utilizados estão
apresentados nas Tabela 4 e Tabela 5 e os resultados obtidos nas Figuras 9 e
10.
Tabela 5 - Perfil experimental para a média dos reatores 1, 2 e 3.
Tempo (dias)
Média (mg DQO/L)
0 472
7 42
32 54
35 59
39 91
41 49
50 70
54 42
61 67
67 55
Fonte: Das autoras.
30
Figura 9 - Ajuste do perfil cinético em função da remoção de DQO para o ensaio de nove dias. Fonte: Das autoras.
Figura 10 - Ajuste do perfil cinético em função da remoção de DQO para a média dos reatores 1, 2 e 3. Fonte: Das autoras.
Logo, foram encontrados os valores dos parâmetros da equação após o
ajuste, onde é a concentração do substrato residual, é a constante
31
cinética de primeira ordem modificada e R2 é o coeficiente de determinação,
como demonstrado na Tabela 6.
Tabela 6 - Parâmetros cinéticos obtidos através do modelo cinético de primeira ordem modificado obtido para os dois ensaios.
Perfil Experimental
( ) ( )
9 dias 74,525±15,435 1,14±0,33 0,967
67 dias 47,531±4,176 0,121±0,025 0,991
Fonte: Das autoras.
Observa-se que o valor da constante cinética
para 9 dias de ensaio
foi superior a de 67 dias, o que mostra possivelmente a maior velocidade de
consumo/degradação observada no início do processo, uma vez que conforme
o tempo passa, o substrato torna-se limitante e a reação se torna mais lenta.
Nota-se ainda que o último ponto de amostragem do ensaio de 9 dias foi 84,01
mg/L, e para o ensaio de 67 dias foi 54,9 mg/L, sendo próximo ao valor residual
encontrado pelo ajuste cinético, indicando um bom ajuste para os dados.
Caso a degradação anaeróbia fosse corrigida através da
autodegradação do soro, ou seja, se o valor encontrado, através do ajuste
cinético para a concentração de substrato residual, fosse descontado, novos
valores de eficiência de remoção seriam encontrados.
Como a concentração de substrato residual encontrada foi de 47,531
mg/L, subtraindo este valor do inicial, foram obtidos os seguintes valores de
remoção de DQO, conforme demonstrado na Tabela 7.
32
Tabela 7 - Eficiência de remoção corrigida através da autodegradação do soro para os reatores 1, 2 e 3.
Tempo (dias) Reator 1(%) Reator 2(%) Reator 3(%)
0 0% 0% 0%
7 88,9% 93,7% 88,0%
32 88,8% 89,4% 83,7%
35 90,5% 91,9% 75,2%
39 66,3% 91,9% 78,8%
41 88,8% 90,7% 85,5%
50 73,6% 90,5% 87,2%
54 92,1% 89,3% 89,0%
61 88,7% 78,1% 85,4%
67 75,8% 96,8% 89,6%
Fonte: Das autoras.
Observa-se que, para o reator 1, a diferença entre as porcentagens de
remoção corrigidas com as primeiramente calculadas, Tabela 3, varia entre
0,7% e 3,2%, para o reator 2, entre 0,8% e 2,3%, e para o reator 3 entre 1,0%
e 2,6%, demonstrando que não ocorreu diminuição significativa.
Devido à dificuldade para encontrar trabalhos semelhantes ao realizado
nesse projeto, não foi possível fazer comparação da constante cinética obtida,
uma vez que a determinação foi específica para a água residuária proposta
neste trabalho, com condições específicas de operação, nutrientes e inóculo
empregado.
6. CONSIDERAÇÕES FINAIS
A realização deste trabalho possibilitou um maior entendimento do
processo de digestão anaeróbia no tratamento de efluente de laticínio em
reator batelada de escala laboratorial.
Os resultados obtidos foram satisfatórios, uma vez que houve uma
diminuição da concentração de DQO com o decorrer do tempo. A maior
33
remoção de DQO ocorreu entre o primeiro e o sétimo dia, e no decorrer do
período de análise houve uma estabilização de seus valores.
A maior porcentagem de remoção de DQO encontrada para os reatores
2 e 3, foi de 97% e 91% respectivamente, após 67 dias. Já para o reator 1, a
maior remoção foi 93%, ocorrida após 54 dias do início das análises.
Com relação ao perfil cinético do reator, a constante cinética de primeira
ordem modificada obtida foi de (0,121±0,025) dia-1, e a concentração do
substrato residual foi de (47,531±4,176) mg/L, para o ensaio de 67 dias, já para
o ensaio de 9 dias foi encontrada uma constante cinética de (1,14±0,33) dia-1, e
uma concentração de substrato residual de (74,525±15,435) mg/L, o que se
mostra próximo ao resultado experimental obtido para o último ponto de
amostragem de 54,9 mg/L e 84,01 mg/L, respectivamente. Percebe-se também
que o valor da constante cinética de primeira ordem, para os nove primeiros
dias, foi maior que o do outro ensaio, demostrando possivelmente como o
substrato torna-se limitante e a reação se torna mais lenta conforme o tempo
passa.
7. SUGESTÕES PARA PROPOSTAS FUTURAS
Sugere-se, como forma de estímulo para trabalhos futuros, trabalhar
com maiores concentrações de soro e outros tipos de reatores.
34
REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS
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examination for water and wastewater. 17th Ed. New York. 2012.
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sustentável. 2. ed. São Paulo: Pearson Prentice Hall, 2005.
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Paulo: ABES, 2009.
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leite, Piracicaba, n. 226, p. 1-8, fev. 2014.
CHERNICHARO, C. A. L. Princípios do tratamento biológico de águas residuárias:
Reatores anaeróbios. 2. ed. Belo Horizonte: Departamento de Engenharia Sanitária e
Ambiental. UFMG, v.5, 2007.
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stirred anaerobic sequencing batch reactor containing immobilized biomass.
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partida de reatores de fluxo ascendente com manta de lodo. 1987, Dissertação
(Mestrado em Hidráulica e Saneamento) – Escola de Engenharia de São Carlos,
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FANG, H. H. P.; CHUI, H.K.; LI, Y.Y.Microbial structure and activity of UASB granules
treating different wastewaters. Rev. Water Science and Technology, GrãBretanha,
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estatística da produção pecuária. Jun. 2014.
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35
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44, n. 137, p.88-94, 1984.
