Universidade Federal de Alfenas – UNIFAL/MG

Campus Avançado de Poços de Caldas

ANGELICA MARCIA DOS SANTOS

CINÉTICA DA REMOÇÃO DE SULFATO DE DRENAGEM ÁCIDA DE MINAS EM

REATOR EM BATELADA

Poços de Caldas/MG

2015

ANGÉLICA MARCIA DOS SANTOS

CINÉTICA DA REMOÇÃO DE SULFATO DE DRENAGEM ÁCIDA DE MINAS EM

REATOR EM BATELADA

Trabalho de Conclusão de Curso (TCC) de

Engenharia Química da Universidade Federal

de Alfenas – campus Poços de Caldas, sob

orientação da professora Drª. Renata Piacentini

Rodriguez como parte dos requisitos para a

obtenção do título de Engenheira Química.

Poços de Caldas/MG

2015

S237c Santos , Angelica Marcia dos .

Cinética da remoção de sulfato de drenagem ácida de minas em Reator em batelada./

Angelica Marcia dos Santos ;

Orientação de Renata Piacentini Rodrigues. Poços de Caldas: 2015.

31 fls.: il.; 30 cm.

Inclui bibliografias: fs. 29-31

Trabalho de Conclusão de Curso (Graduação em Engenharia Química) –

Universidade Federal de Alfenas– Campus de Poços de Caldas, MG.

1. Drenagem ácida de minas. 2. Reator batelada, . 3. Biorremediação.

I . Rodrigues, Renata Piacentini (orient.). II. Universidade Federal de Alfenas –

Unifal. III. Título.

CDD 628

ANGÉLICA MARCIA DOS SANTOS

CINÉTICA DA REMOÇÃO DE SULFATO DE DRENAGEM ÁCIDA DE MINAS EM

REATOR EM BATELADA

A Banca examinadora abaixo-assinada, aprova

o Trabalho de Conclusão de Curso apresentado

com parte dos requisitos para obtenção do

Título de Engenharia Química pela

Universidade Federal de Alfenas, campus

Poços de Caldas.

RESUMO

Grandes impactos são causados pela atividade de mineração, entre estes, destaca-se a

drenagem ácida de minas (DAM). A DAM ocorre quando os minerais sulfetados presentes

nos resíduos são oxidados, resultando na liberação de prótons H+, íons sulfato e metais no

meio aquoso. A biorremediação vem sendo estudada para o tratamento deste efluente. Uma

alternativa são as bactérias redutoras de sulfato (BRS) que possibilitam simultaneamente

elevação de pH, remoção de sulfato e precipitação de metais. Assim, estudos com reatores

biológicos utilizando BRS têm sido uma boa alternativa. Portanto, o presente trabalho avaliou

a cinética de remoção de sulfato em águas de DAM sintética em reatores bateladas com

biomassa granular. A DAM foi utilizada sem a adição de nutrientes, com relação DQO/SO42-

igual a 2. O etanol foi utilizado como fonte de carbono e energia. Para quantificação das BRS,

utilizou-se a técnica de NMP (números mais provável), a fim de avaliar o crescimento

microbiano nos reatores. Dessa forma, foi possível relacionar a densidade microbiana com a

atividade de remoção de contaminantes no interior do reator. Os resultados em relação a

remoção de sulfato foram de (73±10)% para o reator 1, (72±9)% para o reator 2 e (70±11)%

para o reator 3. Esses valores indicaram que a ausência de nutrientes não representou uma

influência significativa para a remoção de sulfato. O valor de NMP do inóculo de referência,

analisado no tempo zero, ou seja, antes do uso do lodo para a operação do reator foi de 1,7 x 108

NMP/100 ml e, após 4 meses de operação do reator, obteve-se um valor de NMP igual a 4,3 x

1012 NMP/100 ml, ou seja, houve aumento da densidade microbiana após a operação. A

cinética de remoção de sulfato foi estabelecida após a estabilização do reator por meio de um

perfil temporal de 48h, cujo ajuste do parâmetro cinético (kap) foi de 0,079 h-1. Portanto o

trabalho pode estabelecer que o etanol tem a maior velocidade de reação para mesmas

concentrações iniciais de sulfato.

Palavras- chave: Parâmetro cinético, reator batelada, drenagem ácida de minas (DAM),

bactérias redutoras de sulfato (BRS), número mais provável (NMP).

ABSTRACT

Serious impacts have been caused by mining activity, especially water resources, due to the

high water consumption in the process. Acid mine drainage (AMD) occurs when sulfide

minerals present in the residues are oxidized, resulting in H+ protons, ions sulfate and metals

in the aqueous medium. Bioremediation is being studied for the treatment of this effluent. An

alternative are the sulfate reducing bacteria (SBR) which simultaneously allow pH increasing,

sulfate removal and metal. Thus, biological reactors using SBR has been a good alternative in

this process. The present study evaluated the kinetics of sulfate removal of synthetic AMD in

batch reactors with granular biomass. The AMD was used without nutrients addition and

COD / SO42- ratio equal to 2. Ethanol was used as a source of carbon and energy. For SRB

quantification, the MPN technique (most probable number) was used in order to evaluate the

microbial growth in the reactors. Thus, it was possible to relate the microbial density with

sulfate removal activity inside the reactor. The results showed a sulfate removal of (73 ±

10)% for reactor 1, (72 ± 9)% for the reactor 2 and (70 ± 11)% in reactor 3. These values

indicated that nutrients absent did not influence significantly the removal of sulfate. The

MPN value of the reference inoculum analyzed at time zero was equal to 1.7 x 108 MPN/100

ml and, after 4 months of reactor operation, the NMP was equal to 4.3 x 1012 MPN / 100 ml..

The sulfate removal kinetics was obtained from a 48h time profileand the kinetic parameter

(k)was equal to 0.079 h-1.

Key words: kinetic parameter, batch reactor, acid mine drainage (AMD), sulfate reducing

bacteria (SBR), most probable number (MPN).

SUMÁRIO

1 - INTRODUÇÃO ................................................................................................................... 8

2 - OBJETIVO ......................................................................................................................... 9

3 - REVISÃO BIBLIOGRAFICA ......................................................................................... 10

3.1 Drenagem ácida de mina (DAM) ................................................................................... 10

3.2 Tratamento biológico ...................................................................................................... 11

3.3 Bactérias redutoras de sulfato (BRS).............................................................................. 12

3.4 Reator em batelada ......................................................................................................... 13

4 - MATERIAIS E MÉTODOS............................................................................................. 14

4.1 Materiais ......................................................................................................................... 14

4.1.1 Reator ...................................................................................................................... 14

4.1.2 Água residuária sintética ......................................................................................... 14

4.1.3 Inóculo ..................................................................................................................... 15

4.2 Métodos .......................................................................................................................... 15

4.2.1 Demanda Química de Oxigênio – Método Espectrofotométrico ............................ 15

4.2.2 Sulfato – Método Turbidimétrico ............................................................................ 16

4.2.3 Técnica de NMP para BRS ...................................................................................... 16

4.2.4 Parâmetro Cinético Aparente................................................................................... 18

5 - RESULTADOS .................................................................................................................. 20

5.1 Operação do reator.......................................................................................................... 20

5.2 Monitoramento do NMP ................................................................................................. 22

5.3 Determinação do parâmetro cinético .............................................................................. 24

6 - CONCLUSÃO ................................................................................................................... 28

REFERÊNCIAS ..................................................................................................................... 29

8

1 - INTRODUÇÃO

A poluição é caracterizada pela alteração do meio ambiente natural, resultante de

atividade que direta ou indiretamente prejudicam a saúde, a segurança e o bem- estar das

populações. A poluição ambiental é a degradação do ambiente que promove condições

adversas às atividades sociais e econômicas, afeta desfavoravelmente a biota e as condições

sanitárias do meio ambiente, além do lançamento de matéria ou energia em desacordo com os

padrões de qualidade ambiental estabelecidos.

A poluição industrial é uma das principais fontes de poluição dos recursos hídricos,

entre elas, a atividade de mineração, que apresenta elevado consumo de água nos seus

processos. Entre estes, destaca-se a drenagem ácida de minas (DAM). A DAM é gerada por

minerais sulfetados presentes nos resíduos de mineração que são oxidados em contato com a

água e oxigênio, originando sulfato dissolvido e íons H+ em solução. A oxidação dos sulfetos,

e consequente acidificação das águas faz com que ocorra a lixiviação de metais contidos no

solo e nas rochas circundantes a área da mineração (SHEORAN; CHOUDHAR, 2012).

Uma alternativa para o tratamento de efluentes ricos em sulfato, metais e com pH

ácido, estão as bactérias redutoras de sulfato (BRS). Esses microrganismos são dos Domínios

Bacteria e Archaea, que são benéficas em processos biotecnológicos de remoção de sulfato e

metais (HANSEN,1994), assim o sulfeto gerado pela redução biológica do sulfato precipita os

metais dissolvidos como sulfetos metálicos, permitindo a recuperação e reutilização desses

metais. Portanto, devido à grande eficiência desse microrganismo, o presente trabalho propõe

o estudo da cinética de remoção de sulfato no tratamento de drenagem ácida de minas.

9

2 - OBJETIVO

2.1 Objetivo geral

Estudar o tratamento biológico de DAM sintética em reator anaeróbio com biomassa

granular operado em bateladas utilizando etanol como fonte exclusiva de carbono.

2.2 Objetivo especifico

(a) Avaliar a remoção de sulfato e de matéria orgânica nos reatores em batelada quando

submetido a relação DQO/SO4-2 igual a 2,0;

(b) Estudar a cinética de remoção de sulfato dos reatores bateladas;

(c) Avaliar o crescimento microbiano após a operação dos reatores.

10

3 - REVISÃO BIBLIOGRAFICA

3.1 Drenagem ácida de mina (DAM)

A poluição dos recursos hídricos é um dos principais impactos causados pela indústria

mineira. O grande problema ambiental é o baixo pH, geralmente, entre 2 e 3 e as

concentrações de metais dissolvidos, que juntos causam grandes efeitos toxicológicos nos

ecossistemas aquáticos, como mortalidade, disfunções no crescimento e nas taxas de

reprodução, deformidade e lesões (SILVAS, 2010 ; LEWIS ; CLARK, 1996).

A DAM é o resultado da oxidação de minerais sulfetados pela água e o oxigênio e a

natural participação de bactérias do gênero Acidithiobacilus, que aceleraram o processo de

oxidação. Os sulfetos são substâncias cristalinas que contêm enxofre junto com um metal ou

semi-metal sem a presença de oxigênio. Historicamente, a DAM foi utilizada para descrever

os impactos causados pela oxidação da pirita (Fe2S) (FARFAN, BARBOSA; SOUZA, 2004).

As reações a seguir apresentam o mecanismo de oxidação da pirita:

2FeS2(S) + 7 O2(aq) + 2H2O 2 Fe+2 + 4H+ + 4SO42-

(1)

4 Fe+2 + O2(aq) + 4H+ 4 Fe+3 + 2H2O (2)

2FeS2(S) + 14 Fe+3 + 2H2O 15 Fe+2 + 16H+ + 2SO42-

(3)

A reação (1) representa a formação da DAM pela via direta. Essa reação libera íons

H+, responsáveis pela acidez. Se o potencial de oxidação é mantido, a oxidação do Fe+2 para

Fe+3 pelo oxigênio também vai ocorrer, consumindo parte da acidez produzida. O Fe+3 obtido

na reação (2) oxida a pirita pela via indireta. O Fe+2 resultante da reação (3) poderá ser

oxidado a Fe+3 pela reação (2) e estará novamente disponível para oxidar mais pirita

(SILVEIRA, 2009).

As fontes causadores de DAM mais comuns são minas subterrâneas ou a céu aberto,

bacias de decantação, pilhas de estéril e rejeitos de processamento mineral, os quais não

possuem valor comercial. Também após o fechamento das minas, as fontes podem resistir por

décadas ou séculos, tendo como consequência a contaminação dos solos e águas sejam elas

superficiais e subterrâneas (SILVEIRA, 2009).

11

3.2 Tratamento biológico

O tratamento que faz o uso de tecnologia com microrganismos para a remoção ou

remediação de poluentes em águas superficiais, subterrâneas ou solos é denominado como

biorremedição. Dentre a várias alternativas da biorremediação para a DAM está o tratamento

anaeróbio com redução de sulfato.

O tratamento biológico para a redução de sulfato se baseia no uso de Bactérias

Redutoras de Sulfato (BRS). Dentro da biodiversidade microbiana, as BRS tem uma enorme

importância econômica, ambiental e biotecnológica. Este é um grupo bastante diverso de

bactérias anaeróbias capazes de fazer a redução do sulfato mediante a oxidação de substratos

orgânicos ou H2 em ambiente anaeróbio para conservação de energia e/ou crescimento

microbiano (CASTILLO et al., 2012). A redução de sulfato por BRS tornou-se um grande

enfoque pelos pesquisadores, visto que, é uma alternativa que agrega grandes vantagens por

combinar a remoção de sulfato, acidez e metais contido na drenagem ácida.

Segundo Gaikward & Gupta (2008), os tipos de tratamento biológico dividem-se em

passivo e ativo, sendo duas classes de metodologias. O tratamento passivo corresponde à

adição mecânica de alcalinos para aumentar o pH e precipitar os metais, porém apresenta

dificuldade em recuperar metais e estão sujeitas às variações sazonais (RODRIGUEZ, 2012).

O tratamento ativo ocorre com reações naturais, químicas e biológicas, que ocorrem em

biorreatores controlados. Ao longo das últimas décadas, observou-se uma crescente

conscientização quanto à gravidade, aos riscos e à magnitude dos custos associados ao

passivo ambiental legado por gerações passadas (VALE, 2000). Contudo, o estudo para

tratamento ativo em biorreatores contendo biomassa específica ganha espaço por apresentar

grandes vantagens sobre o tratamento passivo.

Portanto, existem diferentes estudos de reatores para o tratamento ativo que visam a

redução de sulfato, onde são observados parâmetros específicos. Dentre eles os reatores em

batelada (NECULITA; ZAGURY, 2008), reator de leito fluidizado (SAHINKAYA et al.,

2010), reator horizontal de leito fixo (RODRIGUEZ, 2010), reatores de membrana (MACK et

al., 2004) e reator UASB (RODRIGUEZ et al., 2012).

12

3.3 Bactérias redutoras de sulfato (BRS)

As bactérias redutoras de sulfato são microrganismos anaeróbios, que utilizam sulfato

como aceptor final de elétrons no sistema de transporte de elétrons. Essas bactérias oxidam

compostos orgânicos de baixo peso molecular e simultaneamente reduzem sulfato a sulfeto.

(HAO et al., 2014). No aspecto metabólico, as BRS utilizam os produtos finais de outras

fermentações podendo ser ácidos carboxílicos, álcoois, açúcares e aromáticos substituídos

como doadores de H+, esses compostos são oxidados a acetato e CO2, processo que pode

ocorrer de maneira completa ou incompleta. A energia gerada é utilizada na redução do

sulfato a sulfeto. O sulfeto obtido pode reagir com metais dissolvidos formando sulfetos

insolúveis (ALMEIDA, 2005). Porém, para serem eficazes, as BRS precisam de uma fonte de

carbono orgânico biodegradável e um ambiente bioquímico favorável (VIEIRA, 2014).

Os doadores de elétrons em diferentes processos de redução de sulfato biológicos têm

um grande impacto sobre a taxa de redução de sulfato. As vantagens e desvantagens destas

fontes de doadores de elétrons são variáveis, e a sua escolha depende do custo, da geração de

acetato, a existência de competição com as arqueias metanogênicas e geração de alcalinidade.

Dentre outros fatores que influenciam no processo são o tipo de reator, tipo de inóculo,

concentração de sulfato e metais, temperatura, pH e tempo de detenção hidráulica

(KAKSONEN; PUHAKKA, 2007).

A estequiometria da quantidade de Demanda Química de Oxigênio (DQO), utilizada

para a redução de sulfato na presença das BRS também é fator que afeta a competição entre

metanogênicas e as BRS. A estequiometria pode ser expressa pelas Equações (1) e (2):

𝑆2− + 2𝑂2 ↔ 𝑆𝑂42− (1)

32𝑔 + 64𝑔 → 96𝑔 (2)

Na estequiometria tem-se que 1 mol de SO4 -2 requer 2 mols de O2 para sua redução a

sulfeto. Portanto, cada 96 gramas de SO4 -2 presente na DAM consomem 64 gramas de DQO,

o que leva à relação DQO/SO4 -2 de 0,67. Para relações DQO/SO4

2- inferiores a 0,67, a

quantidade de doadores de elétrons é insuficiente para reduzir completamente o sulfato

presente. No entanto, para valores acima de 0,67, uma remoção completa da matéria orgânica

poderá ocorrer se juntamente a redução de sulfato outros processos de oxidação da DQO

estiverem presentes (RODRIGUEZ, 2010).

13

No estudo desse grupo microbiano (BRS) podem ser utilizadas técnicas para

identificação e quantificação desse microrganismo. Para quantificação, os métodos podem ser

classificados em duas categorias: 1- método de cultura e 2- método direto. O método de

cultura é uma das técnicas mais antigas, que subestima a densidade bacteriana, como

exemplo, a técnica de números mais provável (NMP). Já o método direto de detecção foi

recentemente desenvolvido com base na biologia molecular, sendo capaz de caracterizar a

diversidade microbiana presente no meio. A técnica de PCR-DGGE (reação em cadeia de

polimerase-eletroforese em gel gradiente desnaturante) de sequenciamento é uma das

alternativas para avaliar a diversidade microbiana. Estas técnicas independem do meio de

cultivo dos microrganismos (HAO et al.,2014).

3.4 Reator em batelada

No sistema em batelada, a oxidação biológica e a decantação são geralmente

realizadas em um único tanque. Diante disso, a massa biológica fica retida durante todos os

ciclos, assim eliminando a necessidade de decantadores, separadores e de elevatórias de

recirculação de lodos. As etapas de tratamento são constituídas por: 1) enchimento (entrada de

efluente bruto); 2) reação; 3) sedimentação; 4) retirada do efluente tratado do reator

(RUBINO et al., 2003).

Os reatores em batelada apresentam várias vantagens como a flexibilidade de ajuste no

tempo, se necessário para as reações ocorrerem e nas condições de operação; a reação ocorre

em um único tanque, reduzindo custos de capital e operação; descarta a necessidade de reciclo

de lodo, economizando bombas de reciclo; evita-se o “wash out” (arraste) dos

microrganismos do reator biológico, onde as bactérias autotróficas crescem mais lentamente

(RUBINO et al., 2003).

O estudo cinético para o projeto de reatores é grande importância para a previsão da

qualidade do efluente final. Segundo Chernicharo (2007), existe uma grande dificuldade em

se descrever matematicamente cinéticas de conversão, devido à complexidade dos substratos

e a diversidade das populações bacterianas, de outro modo, modelos matemáticos complexos

não são desejáveis, especialmente se eles não conseguem descrever com propriedade as

reações de processo envolvidas.

14

4 - MATERIAIS E MÉTODOS

Para a avaliação da remoção de sulfato em reator em batelada, foi utilizada DAM

sintética e etanol como fonte de carbono em frascos de 500 ml em triplicata. As análises

foram realizadas no laboratório de Biotecnologia Anaeróbia da Unifal-MG, campus Poços de

Caldas. A partir dos resultados de remoção de sulfato, produção de sulfeto e remoção de DQO

foi possível avaliar a cinética de remoção.

4.1 Materiais

4.1.1 Reator

Foram utilizados 3 frascos do tipo Duran para melhor representatividade, conforme

Figura 1, com volume útil de 300 mL. Os reatores foram colocados em mesa agitadora a 150

rpm e temperatura de 30°C.

Figura 1- Reatores Fonte: Arquivo pessoal.

4.1.2 Água residuária sintética

A DAM sintética sem nutrientes foi composta de (mg l-1): MgSO4 (463), FeSO4.7H2O

(49), Na2SO4 (988), ZnCl2 (15). O pH da DAM foi ajustado a 4,0 com ácido clorídrico (HCl)

1M. O etanol foi utilizado como fonte de carbono, na relação DQO/SO42- de 2. A

concentração final de sulfato no início de cada ciclo foi de 1000 mg l-1 e de DQO de 2000 mg

l-1.

15

4.1.3 Inóculo

O lodo granular utilizado foi proveniente do tratamento de água residuária do

abatedouro de aves da empresa Avícola Dacar localizada em Tietê, SP. Foi adicionado 50 mL

de lodo em cada reator em batelada.

4.2 Métodos

Para a obtenção de dados foram realizadas análises três vezes por semana, de sulfato,

sulfeto e DQO com tempo de ciclo de 48h. Os procedimentos das análises físico- químicas

foram realizadas de acordo com Standard Methods for the Examination of Water and

Wastewater (APHA, 2012).

A drenagem ácida de minas sintética (DAM) foi trocada três vezes por semana, sendo

os reatores operados por 4 meses. Em cada troca de meio, todos os reatores eram submetidos

ao fluxo de nitrogênio por aproximadamente 20 minutos, assim tornando o meio anaeróbio.

4.2.1 Demanda Química de Oxigênio – Método Espectrofotométrico

A Demanda Química de Oxigênio (DQO), representa a quantidade de oxigênio

necessário para degradar a matéria orgânica, como nas equações abaixo:

CH3CH2OH + 3 O2 2 CO2 + 3H2O (3)

Na equação 3, pode-se verificar que a queima de 46 g de etanol consome 96 g de O2.

A maioria das substâncias oxidáveis, orgânicas e inorgânicas, pode ser quantificada

rapidamente pela reação com dicromato, em meio ácido, a quente, como mostrado pelas

equações a seguir:

CH3CH2OH + 2 K2Cr2O7 + 8 H2SO4 2 CO2 + 11H2O + 2 Cr2 (SO4)3 + 2 K2SO4 (4)

16

Através da reação de oxidação do ácido ftálico, pelo íon dicromato, em meio com

excesso de ácido sulfúrico, que ocorre durante o processo de digestão da substância usada

como padrão primário para a quantificação da DQO, ftalato ácido de potássio. Assim, a partir

da equação da reta de calibração com diferentes concentrações de ftalato ácido de potássio, a

DQO é quantificada através da quantidade produzida de íons Cr+3 de coloração verde, que é

absorvida pelo feixe de luz do espectrofotômetro com 620 nm.

4.2.2 Sulfato – Método Turbidimétrico

O íon sulfato, em meio contendo ácido acético, se precipita ao adicionar cloreto de

bário, formando microcristais uniformes de sulfato de bário, conforme equação (5). Para a

determinação da concentração de sulfato, faz-se através da determinação da absorção de luz a

420 nm através do espectrofotômetro, pela suspensão de sulfato de bário em comparação com

a curva de calibração.

SO4-2 + Ba+2 BaSO4 (5)

4.2.3 Técnica de NMP para BRS

A análise de NMP é baseada na quantificação de bactérias redutoras de sulfato pela

técnica dos tubos múltiplos, que permite avaliar a densidade de microrganismo, sem a

contagem direta, assim para a estimativa do crescimento é aplicado a teoria da probabilidade.

Consiste em quatro etapas: preparo da amostra, diluição seriada da água de diluição, diluição

seriada do meio de cultura e incubação (COCHRAN,1950). A Figura 2 demostra a diluição

seriada.

17

Figura 2- Esquema da diluição seriada utilizando água de diluição e inoculação em meio de cultura

(DELFORNO,2011).

As amostras avaliadas foram o inóculo granular previamente à operação dos reatores e

uma amostra retirada da mistura da biomassa dos 3 reatores do tipo frasco ao final da

operação. O meio de cultura utilizado foi proposto por Postgate C (POSTGATE, 1984) sendo

meio rico em sulfato para promover o crescimento desses microrganismos.

Para análise, utilizaram-se vidros de antibiótico para cada diluição e realizado em

quintuplicatas, contendo 8,8 ml do meio de cultura Postgate C, 0,1 ml de solução redutora e

0,1 ml de solução de sulfato ferroso. A solução de sulfato ferroso (1,0 % m/v) foi utilizada

com a finalidade a precipitação do sulfeto reduzido pelas BRS e o sulfeto de sódio (0,4 %

m/v) que auxilia no processo de redução do meio. Para possível contagem, os frascos foram

incubados por 30 dias. Após 30 dias foi possível a obtenção dos resultados utilizando a

equação 6.

𝑁𝑀𝑃

100 𝑚𝑙 = 𝑛º 𝑁𝑀𝑃 ∗ 10

𝑉 (6)

Sendo V a menor diluição da série de combinações selecionadas, ou seja, a faixa

intermediária entre valores positivos e negativos do crescimento de microrganismos. O índice

NMP, é obtido através de tabela que relaciona os resultados positivos nas diversas diluições

realizadas (APHA, 2012).

18

4.2.4 Parâmetro Cinético Aparente

Os perfis temporais de concentração de sulfato permitiram a obtenção dos parâmetros

cinéticos aparentes. O modelo de cinética de primeira ordem foi escolhido, por representar

uma simplificação do modelo cinético de Monod (EQUAÇÃO 7) para baixas concentrações

de substrato. O crescimento microbiano nesse caso é considerado constante devido ao lento

crescimento da biomassa e o curto tempo de realização do perfil temporal.

Contudo, para melhor descrever a formação do residual, foi utilizado o método da

integral e modelo cinético modificado de primeira ordem, com concentração residual,

ajustado por regressão não linear (método de Levenberg-Marquardt do software OriginPro

9.0), também apresentado por Vieira (2014) para sulfato, e por Cubas et al (2001) e Pinho et

al (2002) para parâmetros cinéticos de DQO, cuja a expressão é apresentado pela Equação 16.

−𝑑𝑆

𝑑𝑡= µ𝑚á𝑥.

𝑆

𝐾𝑀+𝑆.

𝐶𝑋

𝑌𝑋/𝑆 (7)

𝑑𝑆

𝑑𝑡= − (

µ𝑚á𝑥.𝐶𝑋

𝐾𝑀.𝑌𝑋/𝑆 ) . 𝑆 = −𝑘. 𝑆 (8)

Sendo:

𝑑𝑆

𝑑𝑡 : velocidade de consumo de sulfato (mg l-1 h-1);

µ𝑚á𝑥: velocidade máxima de crescimento específico (h-1);

𝑆 : concentração d-e substrato (mg l-1);

𝐶𝑋 : concentração de biomassa (mg SVT l-1);

𝐾𝑀 : constante de Monod (mg l-1).

A partir da Equação 8 de projeto do reator batelada, foi adicionado o parâmetro

residual, conforme expresso pela Equação 9.

𝑑𝑆

𝑑𝑡= −𝑘. (𝑆 − 𝑆𝑆𝑅) (9)

19

O método integral foi aplicado a fim de obter o modelo cinético com parâmetro

residual. As equações 10 a 16, demostra o desenvolvimento das equações, para resolver a

integral utilizou-se o método de substituição, onde as considerações estão expressas na

Equação 11.

∫𝑑𝑆

(𝑆−𝑆𝑆𝑅)

𝑆

𝑆0= ∫ −𝑘. 𝑑𝑡

𝑡

𝑡0 (10)

{ 𝑠∗ = 𝑆 − 𝑆𝑆𝑅

𝑑𝑆∗ = 𝑑𝑆 } (11)

∫𝑑𝑆

𝑆∗

𝑆∗

𝑆0∗ = −𝑘 (𝑡 − 𝑡0) (12)

𝑙𝑛𝑆∗

𝑆0∗ = −𝑘 (𝑡 − 𝑡0) (13)

𝑆∗ = 𝑆0∗. 𝑒𝑥𝑝[−𝑘 (𝑡 − 𝑡0)] (14)

𝑆 = 𝑆𝑆𝑅 + ( 𝑆 − 𝑆𝑆𝑅). 𝑒𝑥𝑝[−𝑘 (𝑡 − 𝑡0)] (15)

𝑆(𝑡) = 𝑆𝑆𝑅 + (𝑆𝑆0− 𝑆𝑆𝑅). 𝑒−𝑘𝑎𝑝.𝑡 (16)

Sendo:

𝑡 : tempo;

𝑆𝑆𝑅 : concentração residual de sulfato (mg l-1);

𝑆0 : concentração inicial de sulfato (mg l-1);

𝑘𝑎𝑝 : constante cinética aparente.

20

5 - RESULTADOS

5.1 Operação do reator

As Figuras de 3 a 5 apresentam os resultados obtidos quanto a produção de sulfeto e

remoções de sulfato e DQO, respectivamente, em um perfil temporal de 48 h de ciclo para os

três reatores avaliados.

Figura 3- Perfil temporal de produção de sulfeto.

Figura 4- Perfil temporal de redução de sulfato.

21

Figura 5- Perfil temporal de redução de DQO.

Os resultados observados no perfil temporal dos três reatores apontaram grande

concordância entre as triplicatas. A remoção de sulfato acompanhou a produção de sulfeto e

adicionalmente, a remoção de DQO.

A remoção de sulfato observada no reator 1 foi de (73±10) %, (72±9) % para o reator

2 e (70±11) % para o reator 3. Os valores de remoção de DQO, por sua vez, foram (66±20) %

para o reator 1, (77±17) % para o reator 2 e (76±20) % para o reator 3. A DQO adicionada na

forma de etanol nos reatores estudados esteve acima da relação estequiométrica ideal para

remoção de sulfato, considerando-se oxidação completa da matéria orgânica (DQO/SO42-:

0,67). Dessa forma, para a remoção de sulfato encontrada nos reatores, seriam necessários

somente 0,49 g DQO/L para o reator 1, 0,48 g DQO/L para o reator 2 e 0,47 g DQO/L para o

reator 3. A remoção adicional observada deve-se, provavelmente, a rotas metabólicas

fermentativas, que podem ter competido pela utilização da matéria orgânica. O inóculo

utilizado nos reatores é bastante diverso e complexo em termos microbianos, o que pode

explicar a presença de diferentes espécies de organismos heterotróficos (Hirasawa et al.,

2008).

Na literatura podem ser encontrados trabalhos com mesmo sistema, mas com adição

de nutrientes. Vieira (2014) monitorou a remoção de sulfato e DQO com concentrações

iniciais de 500 mg.l-1, sendo que os resultados deste estudo foram remoção de sulfato de 52%

e 100% de remoção de DQO. No presente trabalho constatou-se que sem a adição de

nutrientes as remoções alcançadas foram 76% para sulfato e 79% para DQO, para o perfil

temporal de 48 h. Nota-se que a adição de nutrientes pode não ser essencial para a remoção de

sulfato, mas é necessárias para a atividade metabólica dos microrganismos, portanto, é

22

possível que outras culturas de bactérias presente no inóculo, que não sobreviveram ao meio

especifico, tenham atuado como fonte endógena de nutrientes.

5.2 Monitoramento do NMP

Para análise de NMP utilizou inóculo antes e após a operação dos reatores, estes

inóculos foram submetidos por 30 dias ao meio Postgate C. Foram realizadas 10 diluições

para o inóculo antes da operação e 12 diluições para o inóculo após a operação, e cada uma

das diluições foram subdivididas em quintuplicatas. Os resultados obtidos estão apresentados

pela Figura 6 e 7.

Figura 6- Resultados de NMP obtidos para o inóculo de referência.

Figura 7- Resultados de NMP obtidos para o inóculo após a operação no reator.

Através da Figura 6 verificou-se resultados positivo e negativos, já a Figura 7

apresentou a predominância de resultados positivos, sendo os frascos de antibiótico negros

resultados positivos e frascos transparentes e rosa negativos. Isso deve-se ao meio de cultura

que foi suficiente redutor para o crescimento das bactérias redutoras de sulfato (BRS). Os

fracos negros considerados positivos devem-se a precipitação do ácido sulfídrico (H2S),

produzindo pela BRS, com sulfato ferroso (FeSO4) presente no frasco de antibiótico. Já os

23

frascos transparentes e rosa são considerados negativos visto que não houve crescimento

microbiano.

Foram expressos nas Tabelas 2 e 3, os resultados positivos e negativos de acordo com

a diluição e suas réplicas.

Tabela 2- Resultados da análise de NMP do inóculo antes da operação dos reatores.

Frascos Diluições

10-2 10-3 10-4 10-5 10-6 10-7 10-8 10-9 10-10 10-11

Primeiro + + + - - - - - - -

Segundo + + + + - - - - - -

Terceiro + + + + - - - - - -

Quarto + + + + - - - - - -

Quinto + + + + + - - - - - Fonte: Do autor

Tabela 3- Resultados da análise de NMP do inóculo após a operação dos reatores.

Frascos Diluições

10-2 10-3 10-4 10-5 10-6 10-7 10-8 10-9 10-10 10-11 10-12 10-13

Primeiro + + + + + + + + - + + +

Segundo + + + + + + + + + + + +

Terceiro + + + + + + + + + + + +

Quarto + + + + + + + + + + + +

Quinto + + + + + + + + + + + + Fonte: Do autor

Através da equação 6, foi possível obter o valor de número de microrganismos mais

provável na amostra dos inóculos. Para isso, utilizou as faixas intermediárias entre valores

positivos e negativos, no caso do inóculo de referência a faixa de diluição utilizadas foi 10-4,

10-5 e 10-6, obtendo um valor de combinações de 5-4-1, que, de acordo com a tabela de NMP,

é dado como valor 170. Obteve-se para o inóculo de referência, um valor de NMP igual a 1,7

x 108 NMP/100 ml. Para o índice de NMP do inóculo após a operação utilizou-se as faixas

intermediárias, na combinação de 10-9, 10-10 e 10-11, obtendo um valor de combinações de 5-4-

5, que, de acordo com a tabela de NMP, é dado como valor 430. O valor de NMP obtido ao

final da operação foi de a 4,3 x 1012 NMP/100 ml, sendo os limites de confiança para esse

valor 95% (SAKAMOTO, 2009).

Comparando-se com o valor de NMP obtido no inóculo sem operação, observou-se

um grande aumento da densidade de bactérias redutoras de sulfato (BRS), da ordem de 104.

Esse incremento na população de bactérias redutoras de sulfato representa um importante

indicativo do estabelecimento de condições sulfetogênicas nos reatores em estudo. Mesmo

24

partindo-se de um inóculo essencialmente metanogênico, as condições operacionais impostas

foram suficientes para a seleção da microbiota sulfetogênica no período de operação. Esses

resultados são economicamente interessantes, pois demonstram que a suplementação

nutricional em processo de biorremediação de drenagem ácida de minas não necessariamente

deve ser realizada e, portanto, não impõe um custo adicional ao processo.

5.3 Determinação do parâmetro cinético

Após a estabilização dos reatores foram realizados perfis temporais para a obtenção

dos parâmetros cinéticos. Visto que o reator batelada tem sua variação de concentração ao

longo do tempo, assim facilitando a obtenção dos parâmetros. Estão apresentados na Figura 8,

o perfil temporal de remoção de sulfato com o ajuste cinético.

25

Figura 8- Perfil temporal da remoção de sulfato. Fonte: Do autor.

26

Através dos gráficos, observou-se pouca variação do perfil temporal apresentado pelos

reatores, assim houve uma boa representação dos dados para o estudo de remoção de sulfato.

Os parâmetros calculados pela Equação 16, estão expressas na Tabela 4.

Tabela 4- Resultados dos parâmetros cinéticos obtidos.

Reator S0 (mg l-1) 𝑺𝑺𝑹 ±σ (mg l-1) Kap ±σ (h-1)

I 878 195,9 ± 11,8 0,076 ± 0,005

II 904 204,4± 11,3 0,084 ± 0,006

III 887 187,6± 6,6 0,078 ± 0,003

Fonte: Do autor.

Os valores de sulfato residual (patamar), estiveram em média em 196 mg l-1, e

concordam com a hipótese de que no sistema proposto, a concentração de sulfato não tende a

zero. Este fato pode resultar de aspectos energéticos (termodinamicamente desfavoráveis ao

final do ciclo), acúmulo de sulfeto que pode atuar como inibidor microbiano e a relação

DQO/sulfato, que acima de 0,67 favorece outras comunidades microbianas além das bactérias

redutoras de sulfato. No caso da constante cinética aparente representada pela letra k, o valor

médio obtido experimentalmente foi de 0,079 h-1.

Ghigliazza et al. (2000) avaliaram a cinética de remoção de sulfato utilizando

propionato como doador de elétrons em condições sulfetogênicas e obtiveram um k de 0,026

h-1 para um sistema alimentado com 1100 mg l-1 de sulfato. Moosa et al. (2005) também

realizaram um estudo cinético da remoção de sulfato em diferentes temperaturas e diferentes

concentrações iniciais de sulfato em sistemas em batelada alimentados com acetato como

doador de elétrons. Na concentração de 1000 mg SO4-2 l-1 e 20° C, obtiveram um valor de k

de 0,007 h-1. Oyekola et al. (2010) avaliou a influência da concentração inicial de sulfato

sobre a constante cinética em sistemas em batelada alimentados com lactato. Os autores

determinaram valores de 0,041 h-1 a 0,06 h-1 quando se aumentou a concentração de sulfato de

1 g l-1 para 2,5 ou 5,0 g l-1. Vieira (2014) avaliou a cinética de remoção de sulfato com etanol

como doador de elétron com uma concentração de sulfato de 500 mg l-1 e parâmetro cinético

k de 0,44 h-1. A Tabela 5 representa os dados encontrados na literatura para melhor

visualização e comparação.

27

Tabela 5- Parâmetros cinéticos comparados aos reatores na literatura.

Publicação Sulfato (g l-1) Doador de elétron Kap (h-1)

Ghigliazza et al. (2000) 1,1 Propionato 0,026

Moosa et al. (2005) 1 Acetato 0,007

Oyekola et al. (2010) 1 Lactato 0,041

Presente trabalho 1 Etanol 0,079*

Vieira (2014) 0,5 Etanol 0,44

*Média dos parâmetros dos três reatores

Fonte: Adaptado de Vieira (2014).

A constante cinética encontrada no trabalho foi maior do que as constantes relatadas

na literatura para a mesma concentração de sulfato, porém para essas constantes os doadores

de elétron são diferentes, sendo acetato e lactato. Vieira (2014) também trabalhou com etanol

como doador de elétron e apresentou uma alta constante cinética em comparação aos outros

trabalhos encontrados na literatura. A autora relata que esse resultado, no caso, deve-se a

adição de metais que favoreceu a velocidade de reação de consumo de sulfato.

28

6 - CONCLUSÃO

As principais conclusões deste trabalho foram:

a) A ausência de nutrientes não apresentou uma influência significativa para a

remoção de sulfato, com valores de remoção de sulfato superiores a 70% nos três reatores

avaliados;

b) O acompanhamento da densidade microbiana por NMP revelou intenso aumento na

população de BRS ao longo da operação dos reatores, com incremento de 104 vezes no

número de indivíduos;

c) O ajuste cinético de ordem 1 com residual mostrou-se representativo, com

parâmetros cinéticos aparentes da ordem de 0,076 a 0,084 h-1 e concentração residual de

sulfato entre 187,6 a 204,4 mg l-1. Visto que ajustou-se bem aos dados.

29

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