Dissertacao Carolina Lucena Rezende

UNIVERSIDADE DE CAXIAS DO SUL

PROGRAMA DE PS-GRADUAO EM ENGENHARIA DE PROCESSOS E

TECNOLOGIAS (PGPROTEC)

UTILIZAO DA TCNICA RESPIROMTRICA PARA A AVALIAO DO

DESEMPENHO DE SISTEMAS DE LODOS ATIVADOS APLICADOS AO

TRATAMENTO DE EFLUENTES

MESTRANDA: Carolina Lucena Rezende

ORIENTADOR: Prof. Dr. Lademir Luiz Beal

CO- ORIENTADOR: Prof. Dr. Mauricio Moura da Silveira

LOCAL DE EXECUO DO PROJETO:

Laboratrio de Tecnologias Ambientais (LATAM)

Caxias do Sul, maro, 2014.

Carolina Lucena Rezende

UTILIZAO DA TCNICA RESPIROMTRICA PARA A AVALIAO DO

DESEMPENHO DE SISTEMAS DE LODOS ATIVADOS APLICADOS AO

TRATAMENTO DE EFLUENTES

Dissertao apresentada no Programa de Ps Graduao em

Engenharia de Processos e Tecnologias da Universidade de

Caxias do Sul, como requisito parcial para obteno grau de

mestre em Engenharia de Processos e Tecnologias,

orientado pelo Prof. Dr. Lademir Luiz Beal e co-orientado

pelo Prof. Dr. Mauricio Moura da Silveira.

Caxias do Sul, 2014.

DEDICATRIA

Aos meus pais, aos meus colegas e amigos, pelo incentivo, compreenso e carinho, no somente na

realizao deste trabalho, mas por todo o tempo, at a concluso do curso.

AGRADECIMENTOS

Agradeo primeiramente minha me, Jacqueline, que sempre me apoiou, me motivou, me

aconselhou e me cobrou. Ela que sempre me motivou a estudar e sempre me proporcionou

condies para que isso ocorresse.

minha famlia, tia, avs, primos, pais, por sempre estarem do meu lado me apoiando,

independente do que acontea.

Agradeo a todos os professores que contriburam para o meu crescimento pessoal e intelectual

ao longo da minha graduao e mestrado.

Agradeo principalmente aos meus orientadores, Lademir Luiz Beal e Mauricio Moura da

Silveira, por todo tempo dedicado a mim, por todo conhecimento que me passaram.

PETROBRAS pela oportunidade de realizao da pesquisa e Universidade de Caxias do

Sul.

A todos os amigos que fiz neste caminho trilhado e a todos que passaram pelo LATAM e que

de alguma forma contriburam para o meu crescimento pessoal e profissional.

SUMRIO

1. INTRODUO 1

2. OBJETIVOS 3

2.1. OBJETIVO GERAL 3

2.2. OBJETIVOS ESPECFICOS 3

3. REVISO BIBLIOGRFICA 4

3.1. EFLUENTE PROVENIENTE DE REFINARIA DE PETRLEO 4

3.1.1. Correntes de efluentes 6

3.2. EFLUENTE PROVENIENTE DO SANITRIO E DO REFEITRIO DE UMA

INDSTRIA DE EMBALAGENS DE PAPELO ONDULADO 6

3.3. LODOS ATIVADOS 7

3.4. BIORREATORES ASSOCIADOS A MEMBRANAS 10

3.5. MICROBIOLOGIA DE LODOS ATIVADOS 13

3.6. RESPIRAO MICROBIANA 15

3.6.1. Efeito do oxignio dissolvido na respirao microbiana 19

3.6.2. Efeito do nitrognio amoniacal na respirao microbiana 20

3.6.3. Efeito do sulfeto na respirao microbiana 23

3.6.4. Efeito dos metais no lodo ativado 25

3.7. MECANISMOS DE DETERMINAO DE OUR 26

3.7.1. Respirometria aerbia 27

3.8. TIPOS DE RESPIRMETROS 30

3.8.1. Variaes no princpio de medio dos respirmetros 30

4. MATERIAIS E MTODOS 32

4.1. ESTAO DE TRATAMENTO DE GUAS RESIDURIAS EXPERIMENTAL 32

4.2. EFLUENTE PROVENIENTE DE UMA INDSTRIA DE EMBALAGENS DE

PAPELO ONDULADO 34

4.3. EFLUENTE E BIOMASSA 35

4.4. RESPIRMETRO 36

4.5. PREPARAO DO ENSAIO DE RESPIROMETRIA 37

4.5.1. Etapas do ensaio de respirometria 37

4.5.2. Ensaios realizados 40

4.6. METODOLOGIAS ANALTICAS 45

5. RESULTADOS E DISCUSSO 50

5.1. AVALIAO DO DESEMPENHO DO SISTEMA 50

5.1.1. Variao no tempo de deteno hidrulico da ETAR 50

5.1.2. Influncia do oxignio dissolvido 53

5.2. TESTES COM DIFERENTES COMPOSTOS POTENCIALMENTE INIBITRIOS

64

5.2.1. Testes com diferentes concentraes de nitrognio amoniacal 65

5.2.2. Teste com diferentes concentraes de sulfetos 68

5.2.3. Teste com diferentes concentraes de Fenol 79

6. CONCLUSES 84

REFERNCIAS 86

ANEXO I

I. INTRODUO I

II. METODOLOGIA III

II.1. Testes para a validao do mtodo respiromtrico III

III. RESULTADOS E DISCUSO IV

III.1. Avaliao da interferncia do headspace IV

III.1.1. Teste com headspace IV

III.1.2. Teste sem headspace VI

III.2. Teste para verificar a transferncia de oxignio para o meio lquido IX

IV. CONCLUSES X

REFERNCIAS X

LISTA DE TABELAS

Tabela 1: Parmetros caractersticos dos despejos de refinaria de petrleo 5

Tabela 2: Parmetros fsico e qumicos caractersticos dos efluentes sanitrios 7

Tabela 3: Valores tpicos de A/M, COV e TDH encontrados em sistemas MBR 13

Tabela 4: Metais e suas concentraes tipicamente encontradas no efluente de

refinaria de petrleo

25

Tabela 5: Tempo de deteno hidrulico para o estudo da variao do TDH na

ETAR

40

Tabela 6: Parmetros analisados durante o estudo da variao no tempo de deteno

hidrulico da ETAR

50

Tabela 7: Parmetros de projeto utilizados no estudo da variao do TDH e

resultados para os testes

51

Tabela 8: Parmetros analisados durante o primeiro estudo da influncia do oxignio

dissolvido

53

Tabela 9: Resultados de SOUR no primeiro estudo de OD 55

Tabela 10: Parmetros analisados durante o segundo estudo da influncia do

oxignio dissolvido

58

Tabela 11: Resultados de SOUR para o segundo estudo de OD 59

Tabela 12: Parmetros analisados durante o terceiro estudo da influncia do

oxignio dissolvido

61

Tabela 13: Resultados de SOUR para o terceiro estudo de OD 62

Tabela 14: Resultados de SOUR nos ensaios de toxicidade por nitrognio

amoniacal

65

Tabela 15: Resultados da anlise de metais no efluente 70

Tabela 16: Resultados de SOUR nos ensaios de toxicidade por fenol 80

Tabela I: Valores da SOUR para o teste respiromtrico com headspace IV

Tabela II: Valores da SOUR para o teste respiromtrico sem headspace VI

LISTA DE QUADROS

Quadro 1: Caractersticas gerais dos diferentes processos de separao por

membranas

12

Quadro 2: Comparao dos diferentes tipos de medio de OUR nos respirmetros 31

Quadro 3: Etapas de estudo de ausncia de oxignio dissolvido no reator aerbio 41

Quadro 4: Ensaios analticos relacionados aos estudos desenvolvidos 45

LISTA DE FIGURAS

Figura 1: Processo de tratamento por lodos ativados convencional 8

Figura 2: Representao de um biorreator com membrana de mdulo externo e de

um biorreator com membrana submersa

11

Figura 3: Ilustrao esquemtica de uma unidade de tratamento biolgico de

efluentes com MBR na configurao onde o tanque de membranas externo e

submerso

11

Figura 4: Relao entre a velocidade especfica de consumo de oxignio (SOUR)

e a velocidade especfica de crescimento (x)

16

Figura 5: Perfil de variao de OD em relao ao tempo no clculo da OUR 18

Figura 6: Representao do consumo energtico em um MBR 19

Figura 7: Variao da concentrao de NH3 e NH4+em funo do pH 21

Figura 8: Influncia do pH sobre o equilbrio do sulfeto na gua 23

Figura 9: Estao de tratamento de guas residurias experimental 32

Figura 10: Programa supervisrio (a) e mdulo de membrana (b) 33

Figura 11: Fluxograma da estao de tratamento de efluentes sanitrios da

indstria de fabricao de embalagens de papelo ondulado.

34

Figura 12: Reator de lodos ativados da indstria de fabricao de embalagens de

papelo ondulado

35

Figura 13: Respirmetro em garrafas de DBO, durante ensaio de OUR 36

Figura 14: Sensores de oxignio dissolvido 37

Figura 15: Tela inicial do software OD_logger 37

Figura 16: Fluxograma das etapas do ensaio de respirometria aerbia 38

Figura 17: Esquema de montagem do ensaio de respirometria 39

Figura 18: Curvas tpicas de resposta ao ensaio de respirometria aerbia 39

Figura 19: SOUR, A/M e COV em relao a cada TDH estudado durante a etapa

de variao no TDH na ETAR

52

Figura 20: Variao da concentrao de oxignio dissolvido em funo do tempo

(a) t=0 h sem OD; (b) t=24 h sem OD; (c) t=48 h sem OD; (d) t=72 h sem OD; (e)

t=96 h sem OD; (f) quando reestabelecida a aerao

54

Figura 21: Velocidade especfica de consumo de oxignio (SOUR) em funo do

tempo para o primeiro estudo de OD

55

Figura 22: Variao da DQO em funo do tempo durante o primeiro estudo de

OD

56


(a) t=0 h sem OD; (b) t=24 h sem OD; (c) quando reestabelecida a aerao

58


tempo para o segundo estudo OD

59

Figura 25: Variao da DQO em funo do tempo durante o segundo estudo de

OD

60


(a) t=0 h sem OD; (b) t=2 h sem OD; (c) quando reestabelecida a aerao

61


tempo para o terceiro estudo de OD

62

Figura 28: Variao da DQO em funo do tempo durante o terceiro estudo de

OD

63


(a) concentrao inicial; (b) concentrao 30 mg.L-1; (c) concentrao 40 mg.L-1; (d)

concentrao 100 mg.L-1; (e) concentrao 180 mg.L-1; (f) concentrao 240 mg.L-1

66

Figura 30: Velocidade especfica de consumo de oxignio (SOUR) em funo da

concentrao de nitrognio amoniacal

67

Figura 31: Relao da concentrao de sulfetos sobre a velocidade especfica de

consumo de oxignio (SOUR) em testes respiromtricos preliminares realizados

em sequncia

69

Figura 32: Variao do oxignio dissolvido em relao ao tempo no teste

respiromtrico realizado com gua e 50 mg.L-1 de sulfeto

70

Figura 33: Variao da concentrao de oxignio dissolvido em funo do tempo nos

testes respiromtricos do efluente com sulfeto

71


tempo para estudo de sulfeto

72

Figura 35: Percentual de reduo da atividade microbiana durante os testes em

relao a diferentes concentraes de sulfetos

73

Figura 36: Velocidade especfica de consumo de oxignio (SOUR) em relao a

variao da concentrao de mangans

74


variao da concentrao de nquel

75


variao da concentrao de zinco

76


variao da concentrao de cobre

77


tempo para estudo de feno

81

Figura 41: Percentual de inibio da atividade microbiana durante os testes em

relao a diferentes concentraes de fenol

82

Figura 42: Linearizao do percentual de inibio em relao a concentrao de

fenol

83

Figura I: Respirmetro Beluga I

Figura II: respirmetro aberto (a) e respirmetro aberto (b) II

Figura III: Respirmetro com headspace II

Figura IV: Respirmetro semi fechado com headspace III

Figura V: Teste de SOUR com headspace antes do incio do ensaio (a) e ao final

do ensaio (b)

V

Figura VI: Teste de SOUR sem headspace antes do incio do ensaio (a), aps o

primeiro consumo (b), aps o segundo consumo (c) e aps o terceiro consumo (d).

VII

Figura VII: Concentrao de oxignio dissolvido em funo do tempo durante o

teste de transferncia de oxignio do headspace para o meio lquido

IX

NOMENCLATURA

A/M Relao Alimento-Microrganismo

API American Petroleum Institute

ATP Adenosina Trifosfato

C Concentrao de oxignio dissolvido

Cent Concentrao de oxignio que entra

C/N Relao carbono-nitrognio

[] Concentrao do composto estudado

COV Carga orgnica volumtrica

C*O2 Concentrao de oxignio inicial

CO2 Concentrao de oxignio final

Cs Concentrao de saturao

Csai Concentrao de oxignio que sai

Cu Cobre

DBO Demanda Bioqumica de Oxignio

DEA Dietanolamina

DQO Demanda Qumica de Oxignio

DQOEB Concentrao de DQO no efluente bruto

E Eficincia de remoo do sistema

ETDI Estao de Tratamento de Despejos Industriais

ETAR Estao de Tratamento de guas Residurias Experimental

H2S Sulfeto de hidrognio

H2SO4 cido sulfrico

Kcomposto Concentrao do composto estudado que inibe a atividade das bactrias em

50%

kd Taxa de decaimento endgeno

Kla Taxa de transferncia de oxignio

Ko Constante de saturao

MBR Biorreator associado a membranas

MEA Monoetanolamina

Mn Mangans

MO Matria orgnica

mo Coeficiente de manuteno

NaOH Hidrxido de sdio

NH3 Amnia

NH3-N Nitrognio Amoniacal

NH4+ on amnio

Ni Nquel

OD Oxignio Dissolvido

OTR Taxa de transferncia de oxignio

OUR Velocidade de consumo de oxignio

Tempo de reteno celular

pH Potencial hidrogeninico

PVDF Fluoreto de Polivinilideno

Q Fluxo de oxignio

Qi Vazo afluente ao reator

Qs Vazo de sada do reator

S-2 Sulfeto

So Concentrao de DQO do acetato

SOUR Velocidade especfica de consumo de oxignio

SOURb SOUR no teste em branco

SOURmx Velocidade especfica mxima de consumo de oxignio

SOURt SOUR durante o teste

SST Slidos suspensos totais

[SSV] Concentrao de slidos suspensos volteis

TDH Tempo de deteno hidrulico

Vacetato Volume de acetato

Vglobal Somatrio dos volumes dos reatores

VL Volume da fase lquida

Vreator Volume do reator

X Concentrao celular

Y Rendimento da biomassa

Yo Fator de converso de oxignio para clulas

ZW ZeeWeed

Zn Zinco

Velocidade especfica de crescimento

%inibiomx Percentual de inibio mximo

RESUMO

O objetivo principal deste trabalho foi avaliar a utilizao da tcnica respiromtrica como

ferramenta para monitorar processos de lodos ativados, quando condies adversas ao processo

de tratamento so impostas ao sistema. Os efeitos estudados foram: alterao no tempo de

deteno hidrulico (TDH) da estao de tratamento de guas residurias experimental

(ETAR), ausncia de oxignio dissolvido no reator aerbio, impacto de elevadas concentraes

de nitrognio, sulfeto e fenol no lodo ativado. Valores decrescentes de TDH podem acarretar

em uma sobrecarga de alimento aplicada no sistema e promover uma reduo na eficincia do

mesmo. Tal efeito pde ser percebido nos testes de respirometria, tendo sido medidas redues

de at 51% na SOUR. Foi constatado que possvel realizar interrupes programadas ou no

no fornecimento de oxignio dissolvido para a ETAR. Quando o lodo ativado submetido a

concentraes superiores a 100 mg.L-1 de nitrognio amoniacal, observou-se a rpida adaptao

dos microrganismos, sem perda significativa de eficincia no processo de tratamento biolgico

de efluentes. Tambm foram avaliadas as influncias de metais que catalisam a reao de

oxidao do sulfeto em meios contendo este on. O metal que apresentou um maior efeito

cataltico, com consequente aumento na SOUR, foi o mangans, com 62%, e o que representou

a menor efeito cataltico foi o nquel, com apenas 9,5% de aumento no consumo de oxignio

dissolvido. Porm, foi o nquel tambm, que apresentou o maior percentual de inibio na

atividade das bactrias, cerca de 79%. Para um dos lodos ativados usados nos ensaios,

determinou-se a concentrao de fenol de 187 mg.L-1 como aquela que inibe 50% da atividade

metablica. Os resultados deste trabalho demonstraram claramente que a tcnica respiromtrica

eficaz para monitorar e detectar efeitos adversos em processos biolgicos de tratamento de

efluentes.

Palavras-chave: respirometria aerbia, lodos ativados, MBR, OUR, SOUR, inibio.

ABSTRACT

The main purpose of this work was to evaluate the use of the respirometric technique as a tool

to monitor the activated sludge processes when adverse conditions to the treatment process are

imposed to the system. The following effects were studied: change in hydraulic detention time

(HDT) of the experimental wastewater treatment process, absence of dissolved oxygen in

aerobic reactor, impact of high concentrations of nitrogen, sulfide and phenol in activated

sludge. When the HDT of the experimental wastewater treatment process decreases, it can result

in an overload of food applied on the system and promote a reduction in the efficiency. This

effect could be observed in the respirometry tests, which presented reductions of up to 51% in

the specific oxygen uptake rate (SOUR). It was noticed that it is possible to perform scheduled

or not interruptions in the supply of dissolved oxygen to the system. When the activated sludge

is subjected to concentrations higher than 100 mg L-1 of ammonia nitrogen, a rapid adaptation

of micro-organisms was observed, without significant loss of efficiency in the biological

wastewater treatment. The influence of metals that catalyze the reaction of oxidation of sulfide

in medium containing this ion was also evaluated. The metal which showed the higher catalytic

effect, with consequent increase in SOUR, was manganese, with 62%, and the one that

presented the lowest catalytic effect was nickel, with only 9.5% increase in the consumption of

dissolved oxygen. However, it was identified that nickel presented the highest percentage of

inhibition, around 79%. For one of the aerobic biomass used in the tests, it was determined the

concentration of phenol of 187 mg L-1 as the one which inhibits 50% of metabolic activity. The

results of this study clearly demonstrated that the respirometric technique is effective to monitor

and detect adverse effects on the biological wastewater treatment processes.

Keywords: aerobic respirometry, activated sludge, MBR, OUR, SOUR, inhibition.

1 INTRODUO

1. INTRODUO

Muitas pesquisas vm sendo desenvolvidas para estudar os processos de tratamento de

efluentes sanitrios e industriais, buscando a sua otimizao e, consequentemente, maior

eficincia. Neste trabalho foram avaliados dois diferentes efluentes, o primeiro foi o de refino

de petrleo e o segundo foi proveniente do sanitrio e refeitrio de uma indstria de papelo

ondulado.

O primeiro possui caractersticas particulares, apresentando elevadas concentraes de

leos e graxas de origem mineral, hidrocarbonetos e toxicidade. Compostos poluentes como

nitrognio amoniacal, cianetos, sulfetos e compostos aromticos como benzeno, tolueno,

xileno, nitrobenzeno, naftaleno esto presentes em grandes quantidades nas guas residurias

provenientes do refino de petrleo (BARROS, 2008). O efluente oriundo de refeitrios e

sanitrios apresentam concentraes de demanda qumica de oxignio (DQO), nitrognio,

slidos, turbidez e odor mais elevadas do que o efluente sanitrio normalmente possui.

Visto o potencial poluidor destes efluentes, cada vez mais, os corpos hdricos vm

sofrendo consequncias destas atividades industriais. O refino de petrleo um exemplo deste

tipo de atividade que acarreta consequncias aos corpos hdricos. Nas refinarias brasileiras, so

gerados entre 0,40e 1,6 m3 efluente por m3 de leo refinado, o que pode causar prejuzo na

qualidade do corpo hdrico receptor (VANELLI, 2004).

O refino de petrleo extremamente importante, pois a maioria dos meios de transporte

utiliza os derivados do petrleo, como gasolina, diesel e querosene, como combustvel para

locomoo. Devido ao potencial poluidor e os efeitos que estes efluentes causam na natureza e

atravs de uma mobilizao social a qual resultou em uma legislao mais restrita, a fiscalizao

ambiental est cada vez mais rigorosa, forando as refinarias e indstrias a buscarem

alternativas para que no ocorram impactos adversos ao meio ambiente como consequncia de

aes antrpicas. Atualmente o conceito de desenvolvimento sustentvel muito utilizado, pois

reflete a necessidade de conservao do meio ambiente onde os princpios cientficos e as leis

naturais e o desenvolvimento necessitam ser compatibilizados adotando medidas de preveno

de danos e de situaes de risco.

Para que isso seja possvel, diversos tipos de tratamento esto sendo utilizados para a

remoo das cargas poluidoras presentes nesses efluentes. comum as refinarias possurem

tratamentos primrio e secundrio (processos biolgicos). No tratamento primrio, so

utilizados separadores gua-leo, sendo os mais utilizados os separadores APIs propostos pelo

American Petroleum Institute; e sedimentao ou flotao. Como tratamento secundrio,

2 INTRODUO

diversos processos biolgicos vm sendo utilizados, destacando-se lodos ativados e, mais

recentemente, lodos ativados e biorreatores associados a membranas (MBR- Membrane

Bioreactor). Algumas refinarias utilizam um estgio adicional de tratamento de efluentes,

visando atender aos parmetros de lanamento exigidos pelos rgos ambientais. Essa etapa

pode envolver o uso de filtros de carvo ativado, antracito, processos oxidativos avanados e

membranas (MARIANO, 2001). Processos biolgicos de tratamento so os mais comumente

utilizados no tratamento de efluentes sanitrios e de refeitrios.

Em um sistema de tratamento de efluentes, os impactos gerados por substncias txicas

na maioria das vezes ocorrem de forma no controlada e podem causar prejuzos eficincia

do processo. Assim, os compostos txicos acabam sendo detectados de forma tardia, quando j

causaram danos ao tratamento.

Em biorreatores aerbios (lodos ativados) associados a membranas, a respirometria

aerbia uma tcnica de monitoramento do efluente importante para avaliar a atividade da

biomassa do reator ao longo do tempo ou sob a influncia de compostos txicos. A

respirometria a medida e interpretao da velocidade de consumo de oxignio, OUR (Oxygen

Uptake Rate). Esta tcnica atualmente vem sendo utilizada com regularidade para o

monitoramento do processo de lodos ativados, deteco de efeitos de compostos inibitrios

sobre a atividade microbiana aerbia e para a avaliao da cintica do processo.

O uso da respirometria para avaliar tanto o desempenho do processo quanto os efeitos

txicos em um sistema de lodos ativados se mostra eficaz, pois possibilita detectar em curto

perodo de tempo as variaes do processo e pode auxiliar na tomada de decises para reduzir

o efeito txico sobre o processo. Esta tcnica torna-se mais relevante quando o efluente de

origem industrial e pode ser gerado em diversos pontos do processo, contendo assim compostos

que podem conferir inibio atividade da biomassa.

Copp e Spanjers (2004) afirmam que muitas vezes o efluente a ser tratado possui algum

grau de toxicidade e o processo de tratamento no possui um protocolo de deteco ou de

mitigao destes efeitos, o que torna as atividades de controle do sistema, como a respirometria

aerbia, importante no monitoramento e desempenho do mesmo.

Visando consolidar a tcnica respiromtrica como uma ferramenta de monitoramento

de processos de tratamento de efluentes, nesta pesquisa foram realizados testes buscando

identificar a influncia da variao do tempo de deteno hidrulico, ausncia de oxignio

dissolvido, impactos causados por elevadas concentraes de nitrognio amoniacal, sulfeto e

fenol e interferncia de ons metlicos catalizadores da reao de oxidao do sulfeto, no

comportamento do teste respiromtrico.

3 OBJETIVOS

2. OBJETIVOS

2.1. OBJETIVO GERAL

Avaliar a utilizao da tcnica respiromtrica como ferramenta para monitorar

processos de lodos ativados, quando condies adversas ao processo de tratamento so impostas

ao sistema.

2.2. OBJETIVOS ESPECFICOS

Os objetivos especficos para esta pesquisa foram os seguintes:

avaliar o comportamento respiromtrico da biomassa atravs do impacto da variao no

tempo de deteno hidrulico dos reatores presentes na ETAR, utilizando efluente do

refino de petrleo;

verificar a influncia da interrupo no fornecimento de oxignio dissolvido na

atividade respiromtrica, no tratamento de efluentes do refino de petrleo, em MBR;

avaliar, atravs dos testes respiromtricos, a toxicidade devido ao nitrognio amoniacal

no tratamento de efluente do refino de petrleo;

avaliar, atravs dos testes respiromtricos, a toxicidade do sulfeto, na presena ou no

de metais catalisadores, no sistema de tratamento de efluentes do refeitrio e sanitrio

de uma indstria de embalagens de papelo ondulado;

avaliar, atravs dos testes respiromtricos, a toxicidade de diferentes concentraes de

fenol no tratamento de efluentes do refeitrio e sanitrio de uma indstria de embalagens

de papelo ondulado;

4 REVISO BIBLIOGRFICA

3. REVISO BIBLIOGRFICA

Neste captulo, apresentada uma reviso bibliogrfica que abrange a caracterizao

dos efluentes utilizados para o desenvolvimento do trabalho, bem como sobre a tcnica

respiromtrica e os compostos potencialmente inibitrios avaliados neste trabalho.

3.1. EFLUENTE PROVENIENTE DE REFINARIA DE PETRLEO

O tratamento de efluentes por si s um desafio, pois necessrio entender os diferentes

fatores que afetam a eficincia de remoo de poluentes e atender a legislao, o que visa

garantir a integridade dos corpos receptores. Simular diferentes impactos que podem ocorrer no

tratamento de efluentes com caractersticas indstrias importante para reduzir tais impactos.

O refino de petrleo um processo que envolve diversas correntes de produo, onde

so gerados considerveis volumes de efluentes. Com o aumento da visibilidade ambiental,

atualmente, os rgos ambientais esto cada vez mais rgidos no controle da poluio ambiental,

fazendo com que as indstrias busquem alternativas e novas tecnologias para o tratamento do

efluente gerado (COELHO, 2002). Os poluentes provenientes do petrleo so gerados por

diversas fontes como leo cru, refinarias e na indstria petroqumica (WISZNIOWSKI et

al., 2011).

As refinarias de petrleo utilizam gua para lavar o leo bruto cru para remover sais

inorgnicos, contaminando essas guas com sulfetos, amnio, cidos orgnicos volteis,

hidrocarbonetos (BURKS, 1982).

Braile e Cavalcanti (1979) afirmam que os despejos das refinarias de petrleo tm

origem em vazamentos ou derrames de equipamentos de refrigerao, condensados de

operaes de retificao, guas de lavagem da dessalinizao do leo cru e tratamento de

subprodutos. Ainda, segundo os autores, podem ocorrer perdas durante a abertura e fechamento

de equipamentos, equipamentos para limpeza da gua, descarga da torre de resfriamento,

despejos dos condicionadores de gua, gua escoada das chuvas, entre outras fontes.

O efluente proveniente do processo de refino de petrleo possui caractersticas

particulares, apresentando elevadas concentraes de leos, hidrocarbonetos, fenol, sulfetos,

amnia e elevada toxicidade (WAKE, 2005). Este processo demanda um consumo de gua e

energia, gerando grandes volumes de efluentes lquidos e atmosfricos (COELHO, 2002).


Segundo Braile e Cavalcanti (1979) o efluente proveniente do refino de petrleo contm

leos que podem vir separados, emulsificados ou dissolvidos; produtos qumicos, inclusive

cidos, lcalis, sulfetos, mercaptanas, amnia e fenis.

Os poluentes presentes nesse tipo de efluente dependem, alm do tipo de leo que ser

processado, da configurao da planta de tratamento e a operao dos processos

(DIYAUDDEEN et al., 2011).

Braile e Cavalcanti (1979) afirmam que no possvel generalizar as caractersticas dos

efluentes de refino. Para estes autores no existem duas refinarias semelhantes em tamanho,

tipo de leo processado e grau de complexidade. A Tabela 1 apresenta as caractersticas mais

comuns encontradas nesses despejos.

Tabela 1: Parmetros caractersticos dos despejos de refinaria de petrleo

Parmetro Valores caractersticos

Temperatura (C)

pH

DBO (mg.L-1)

DQO (mg.L-1)

Sulfetos (mg.L-1)

Dureza (mgCaCO3.L-1)

Alcalinidade (mgCaCO3.L-1)

leo (mg.L-1)

Fsforo (mg.L-1)

NH3 (mg.L-1)

Cloretos (mg.L-1)

Sulfatos (mg.L-1)

Fenol (mg.L-1)

Mnimo1

22 6,2

17

140

0

139

77

23

0

0

19

0

Mximo1

41 10,6

280

3.340

38

510

356

200

97

120

1.080

18

-

Valores Mdios2

20 a 32 -

200

800


3.1.1. Correntes de efluentes

Os efluentes provenientes do refino de petrleo necessitam ser segregados, pois sua

mistura dificulta seu tratamento, dando origem a diferentes correntes de tratamento.

Normalmente, existem cinco sistemas de coleta, conforme descrito a seguir (COELHO, 2002):

sistema de efluentes de processo, recebe os efluentes hdricos que tiveram contato

com produtos (por exemplo: lavagem de trocadores de calor, drenagem de bombas,

drenos de torres);

sistema de efluentes contaminados, recebe efluentes hdricos que podem ou no

estar contaminados por produtos (por exemplo: gua de chuva nos parques de

armazenamento, tubovias, drenagem de tanques);

sistema de esgoto sanitrio, recebe guas de banheiro, cozinhas, etc.;

sistema de soda gasta, recebe efluentes hdricos oriundos do tratamento custico de

produtos, bem como guas de lavagem do mesmo processo;

sistema de guas cidas, coleta de condensados de topo de torres de fracionamento.

Todas as correntes aps coletadas e separadas so enviadas a ETDI (estao de

tratamento de despejos industriais) onde so submetidas ao tratamento final para enquadr-las

nos padres exigidos na legislao.

3.2. EFLUENTE PROVENIENTE DO SANITRIO E DO REFEITRIO DE UMA

INDSTRIA DE EMBALAGENS DE PAPELO ONDULADO

Segundo a NBR 9648 (ABNT, 1986) esgoto sanitrio o despejo lquido constitudo de

esgotos domstico e eventual contribuio industrial, gua de infiltrao e a contribuio

pluvial parasitria. Neste caso o esgoto sanitrio oriundo das seguintes atividades: refeitrio,

a partir de atividades de higienizao de alimentos e utenslios; banheiros; pias e bebedouros

existentes na fbrica; mquinas de caf.

Seguem as principais caractersticas fsicas dos efluentes sanitrios, conforme Von

Sperling (2002):

a temperatura ligeiramente superior da gua de abastecimento e varia de acordo

com as estaes do ano. A temperatura tem influncia na atividade microbiana, pois

a velocidade de decomposio do efluente sanitrio aumenta com a temperatura;


o efluente sanitrio tm odor ftido, odor de ovo podre, desagradvel, devido ao gs

sulfdrico e a outros produtos da decomposio;

a tonalidade acinzentada tpica do esgoto fresco, enquanto que a cor cinza escuro

ou preta tpica do esgoto sptico e de uma decomposio parcial;

a turbidez devido grande variedade de slidos em suspenso.

Metcalf e Eddy (2003), classificam os efluentes sanitrios em trs tipos: forte, mdio e

fraco. A Tabela 2 apresenta as principais caractersticas encontradas nos efluentes sanitrios.

Tabela 2: Parmetros fsicos e qumicos caractersticos dos efluentes sanitrios

Caracterstica Forte1 Mdio1 Fraco1 Indstria2

DQO (mg.L-1) 1.000 500 250 592,75

Nitrognio amoniacal (mg.L-1) 50 25 12 171,13

Sulfato (mg.L-1) 50 30 20 5

Fsforo (mg.L-1) 15 08 04 16,42

leos e Graxas (mg.L-1) 150 100 50 -

Slidos Totais (mg.L-1) 1.200 720 350 10.520

Slidos Suspensos Volteis (mg.L-1) 275 165 85 -

pH - - - 6.99

Fonte: Metcalf e Eddy1 (2003); Missiaggia2 (2013).

No efluente proveniente do refeitrio e sanitrio da indstria, aqui estudado, as

concentraes mdias encontradas de DQO, fsforo, nitrognio e o pH so respectivamente:

592,75 mg.L-1, 16,42 mg.L-1, 171,13 mg.L-1 e 7. Jordo e Pessoa (1997), afirmaram que 0,08%

do efluente sanitrio composto de matria slida e 99,92% por gua.

3.3. LODOS ATIVADOS

O sistema de lodos ativados vem sendo usado rotineiramente para tratar efluentes

municipais ou de origem industrial. Segundo Metcalf e Eddy (2003) os estudos voltados a esse

tratamento iniciaram-se no ano de 1880 com Angus Smith, que investigava a aerao dos

efluentes nos tanques e a oxidao da matria orgnica.

O tratamento por lodos ativados um processo aerbio, contnuo e com reciclo de

biomassa, obtendo assim um inculo aclimatado e que opera em reduzidos tempos de deteno

hidrulica (VON SPERLING, 1997).


Metcalf e Eddy (2003), definem lodos ativados como o processo de produo de uma

massa ativa de microrganismos capazes de estabilizar aerobiamente a matria orgnica do

efluente.

As seguintes unidades fazem parte da etapa biolgica do sistema de lodos ativados:

tanque de aerao, tanque de sedimentao e recirculao do lodo (VON SPERLING, 1997):

(Figura 1)

Figura 1: Processo de tratamento por lodos ativados convencional

Fonte: Adaptado de Von Sperling, 1997.

A seguir sero apresentados alguns parmetros fundamentais no projeto do sistema de

tratamento de lodos ativados.

Relao alimento/microrganismo (A/M)

A relao A/M amplamente utilizada em projetos e controle operacional do processo

de lodos ativados, tendo como base o fato de que a quantidade de alimento adicionado no reator

relacionada quantidade de microrganismos presentes no tanque de aerao. Este parmetro

utilizado tambm para determinar o volume de biomassa utilizado no ensaio de respirometria

e a quantidade de acetato de sdio que ser acrescentada (Equao 1) (VON SPERLING, 2002).

=

Equao 1

Onde:

A/M: relao alimento/micro-organismo;


Q: vazo

So: concentrao de DQO;

V: volume do reator;

X: concentrao de matria orgnica.

Tempo de reteno celular (c)

Um parmetro de projeto importante em um processo de lodos ativados o tempo de

reteno celular, tambm chamado de idade do lodo. (Equao 2) (VON SPERLING, 2002).

=

Equao 2

Onde:

: tempo de reteno celular; Xvr = concentrao de SSV no lodo de retorno;

Xva = concentrao de SSV no efluentes;

Q: vazo.

Carga orgnica volumtrica (COV)

Outra relao a ser considerada a carga orgnica volumtrica aplicada no sistema. Esta

definida como a massa de DQO aplicada em relao ao volume do reator biolgico, que pode

variar entre 0,3 e 3,0 kgDQO.m-3.d-1 (Equao 3) (METCALF e EDDY, 2003).

= 24

1000

Equao 3

Onde:

COV: carga orgnica volumtrica;

Q: vazo de efluente bruto; DQOEB: concentrao de DQO no efluente bruto;

Vglobal: somatrio dos volumes dos reatores.

O processo de tratamento por lodos ativados sofreu aperfeioamento ao longo dos anos,

com a possibilidade, nas configuraes mais recentes, de ser feita a remoo de nitrognio e de

fsforo. Para tanto, etapas anaerbias,

anxicas e aeradas so realizadas em reatores em srie para que ocorram esses processos

(METCALF E EDDY, 2003).

Embora o sistema de lodos ativados convencional seja uma tecnologia j consagrada

para o tratamento de efluentes, a eficincia deste processo depende do funcionamento do

sedimentador secundrio para o qual necessrio um alto volume para a obteno de um bom

desempenho. Acrescente-se que, para que o efluente tratado possa ser reutilizado, geralmente

h a necessidade de um tratamento tercirio. Por esta razo, foram desenvolvidos os

AdministradorRealce


biorreatores associados a membranas, que combinam as vantagens da degradao biolgica s

vantagens dos processos de separao por membranas.

3.4. BIORREATORES ASSOCIADOS A MEMBRANAS

Biorreatores associados a membranas so uma combinao do sistema de lodos ativados

com a separao por membranas de microfiltrao, de ultrafiltrao ou de nanofiltrao. Este

sistema tem como principais vantagens a possibilidade de utilizar reatores com menores tempos

de deteno hidrulico em relao ao processo de lodos ativados convencionais e a alta

qualidade do permeado. As membranas so as nicas responsveis pela manuteno de

biomassa no sistema e possuem a funo de polimento do efluente tratado, removendo slidos

das etapas anteriores de tratamento (QIN et al., 2007).

Apesar da grande quantidade de estudos relacionando o uso de MBR para o tratamento

de efluentes sanitrios, escassa a literatura referente ao tratamento de efluentes industriais por

sistemas MBR (VIEIRO et al. 2008; QIN et al., 2007).

Os MBRs so amplamente utilizados no tratamento de efluentes domsticos e

municipais devido as seguintes vantagens: operao com cargas orgnicas mais elevadas e, por

consequncia, aumento da relao entre a quantidade de efluente a ser tratado e o volume de

reator; tempos de deteno hidrulicos (TDH) reduzidos, resultando em menor produo de

lodo; possibilidade de operar com baixas concentraes de oxignio dissolvido (OD), havendo

potencial para a realizao simultnea das etapas de nitrificao e desnitrificao em projetos

que operem com elevado TDH; produo de efluente de alta qualidade em termos de turbidez,

bactrias, slidos suspensos totais (SST) e DBO; menor exigncia de espao para o tratamento,

devido ao fato de o sedimentador secundrio no ser necessrio (LAERA et al. 2005; VIEIRO

et al., 2008).

As configuraes de MBR mais comuns relatadas so: biorreator com membrana

submersa e biorreator com membrana em mdulo externo (NG e KIM, 2007; VIEIRO, 2006)

(Figura 2).


Figura 2: Representao de um biorreator com membrana de mdulo externo e de um biorreator com

membrana submersa

Fonte: Vieiro, 2006.

No biorreator com membranas internas, a membrana est submersa no reator de lodos

ativados e o filtrado succionado atravs das paredes da membrana. A aerao do sistema evita

que ocorra acmulo de partculas na superfcie da membrana (NG e KIM, 2007).

Segundo Viana (2004), nas configuraes com membranas externas, o mdulo externo

ao reator operado em fluxo cruzado, ou seja, a soluo ou suspenso escoa paralelamente

superfcie da membrana, enquanto o permeado transportado transversalmente. A velocidade

tangencial no mdulo promove a turbulncia prxima membrana, necessria para arrastar as

partculas slidas que tenderiam a se depositar sobre a superfcie da membrana.

Existe ainda um terceiro tipo de reator associado a membranas, onde o mdulo de

membrana se encontra submerso em um tanque prprio e externo ao de aerao. Esta

configurao representada na Figura 3 (LOVATEL, 2011; VERONESE, 2013; DI FABIO

et al., 2013).

Figura 3: Ilustrao esquemtica de uma unidade de tratamento biolgico de efluentes com MBR na

configurao onde o tanque de membranas externo e submerso

Fonte: Lovatel, 2011.

membranas

membranas


Existem diversas classificaes para o processo de separao por membranas, variando

em funo de seu material construtivo, da presso aplicada, do fluxo e tambm dos compostos

retidos (METCALF E EDDY, 2003). No Quadro 1 apresentado o resumo dos processos.

Quadro 1: Caractersticas gerais dos diferentes processos de separao por membranas

Processo de

separao

Fora

aplicada

Mecanismo

de

separao

tpico

Dimetro

dos poros

(nm)

Faixa de

operao

tpica

(m)

Descrio do

permeado

Compostos

removidos

Microfiltrao

Presso

hidrosttica

diferencial

ou vcuo

Peneira >50 0,08-2,0 gua +

solutos

SST, turbidez,

protozorios,

algumas

bactrias e vrus

Ultrafiltrao

Presso

hidrosttica

diferencial

Peneira 2-50 0,005-0,2

gua +

pequenas

molculas

Macromolculas,

colides, maioria

das bactrias,

alguns vrus e protenas

Nanofiltrao

Presso

hidrosttica

diferencial

Peneira +

soluo +

difuso


Tabela 3: Valores tpicos de A/M, COV e TDH encontrados em sistemas MBR

Parmetros Valores

A/M (kgDQO.KgSSV-1.d-1) 0,01 a 0,15

COV (kgDQO.m-3.d-1) 0,10 a 1,5

TDH (h) 2 a 12

Fonte: Jordo e Pessa, 1997; Von Sperling, 2002.

3.5. MICROBIOLOGIA DE LODOS ATIVADOS

A biodegradao da matria orgnica em processos aerbios realizada por

microrganismos heterotrficos decompositores que metabolizam gorduras, protenas,

carboidratos, cidos nucleicos e outros compostos orgnicos, transformando-os em gs

carbnico e gua (CAVALCANTI, 2012).

Um sistema de lodos ativados apresenta uma grande diversidade de microrganismos,

entre eles procariontes (bactrias), eucariontes (protozorios, nematoides, rotferos e fungos) e

vrus. Os microrganismos mais importantes e numerosos presentes em processos de lodos

ativados so as bactrias, as quais so as prinicipais responsveis pela degradao da matria

orgnica (JORDO et al., 1997; VUKOVIC et al., 2006).

No processo de lodos ativados, os microrganismos so suscetveis s variaes a que

este submetido. A biomassa ativa varia quando parmetros como OD e TDH so modificados.

Tanto o tamanho de flocos como o desenvolvimento das bactrias pode variar (AHMED et al.,

2007).

Esse tipo de modificao pode informar tambm a respeito da presena ou ausncia de

alguns microrganismos que so considerados indicadores de qualidade em um sistema de lodos

ativados (VAZOLLR, 1989).

A mudana na operao da estao de tratamento ou da composio do afluente do

reator pode alterar a comunidade de microrganismos presentes no lodo ativado, influenciando

diretamente o processo de biodegradao e, por consequncia, diminuindo a qualidade do

efluente tratado (MADONI et al., 1996).

Diversos microrganismos so encontrados em processos de lodos ativados. Os

principais so listados a seguir.

Bactrias

So organismos procariticos unicelulares encontrados em processos de lodos ativados

em suspenso, podendo ser bactrias formadoras de flocos ou bactrias filamentosas. As


bactrias so os principais agentes de remoo de matria orgnica (VAZOLLR, 1989),

(CAVALCANTI, 2012).

So encontradas principalmente Pseudomonas, Achromobacter, Flavobacterium,

Citromonas, Zooglea, alm de bactrias filamentosas, tais como: Nocardia sp,

Sphaerotilusnatans, Microthrixparvicella, Thiothrix, etc. (VAZOLLR, 1989 e PESTANA,

2013).

Em um processo de tratamento de efluentes de refino de petrleo comum encontrar as

seguintes bactrias: Pseudomonas sp., Acinetobacter sp., Alcaligenes sp., Flavobacterium/

Cytophaga group, Xanthomonas sp., Nocardia sp., Mycobacterium sp., Corynebacterium sp.,

Arthrobacter sp., Comamonas sp., e Bacillus sp. (SHOKROLLAHZADEH et al., 2008).

As bactrias responsveis pelo processo biolgico e presentes no floco geralmente so

heterotrficas e pertencem a diferentes gneros. Quando ocorre a falta de oxignio em um

sistema biolgico gerido por processo aerbio rapidamente leva ao desenvolvimento de

bactrias facultativas ou bactrias anaerbias (VAZOLLR, 1989).

Fungos

Os fungos so microrganismos heterotrficos multicelulares no fotossintticos muito

comuns em um sistema lodos ativados, geralmente aerbios, sendo que os mais comuns so os

Deuteromicetos (fungos imperfeitos). Com maior frequncia so encontrados fungos do gnero

Geotrichum. Os fungos so to eficazes quanto as bactrias na estabilizao da matria orgnica

(VAZOLLR, 1989; CAVALCANTI, 2012).

Protozorios

So unicelulares e macroscpicos e so muito encontrados em processos de lodos

ativados. Alimentam-se de bactrias e de matria orgnica dissolvida e particulada. Podem ser

divididos em ciliados fixos, ciliados livres, predadores de flocos e pedunculados (VAZOLLR,

1989; PESTANA, 2013).

Vukovic et al. (2006) afirmam que um evento de falta de oxignio ou alimento no

processo de lodos ativados pode causar a perda de biomassa ativa no sistema. Em termos

microbiolgicos vrios mecanismos contribuem para a diminuio de biomassa ativa: predao,

respirao endgena, etc.

Porm vale ressaltar que em um processo de MBR as espcies microbianas encontradas

no lodo ativo so bastante similares aos processos de lodos ativados convencionais, mas


apresentam algumas particularidades devido a baixa relao A/M e alto TDH. Dessa forma as

bactrias facultativas so majoritrias, visto que apresentam rpida adaptao a condies

adversas ao processo.

3.6. RESPIRAO MICROBIANA

Geralmente o principal objetivo do processo de tratamento de efluentes a remoo da

matria carboncea atravs das bactrias heterotrficas. Estas bactrias convertem a energia das

ligaes intramoleculares do substrato em adenosina trifosfato (ATP). A converso de energia

a partir do substrato para ATP ocorre atravs de uma srie de reaes de oxidao e reduo

(SPANJERS et al., 1996). ATP transferido ao longo da cadeia de transporte de eltrons por

uma srie de reaes metablicas. Se o oxignio o aceptor final de eltrons, o processo

chamado respirao aerbia (VANROLLEGHEM, 2002).

A reao estequiomtrica da oxidao da glicose representa o consumo de oxignio para

que ocorra a oxidao da glicose, onde so necessrios 6 mols de O2 para que ocorra a oxidao

de 1 mol de glicose (SCHMIDELL et al., 2001).

6126 + 62 62 + 62

Com isso, pode-se afirmar a necessidade da constante agitao e aerao de um processo

aerbio (SCHMIDELL et al., 2001).

Porm a remoo de material carbonceo no necessariamente a nica utilizao do

oxignio nos processos. As bactrias autotrficas nitrificantes oxidam o nitrognio amoniacal

a nitrato, utilizando o oxignio como aceptor de eltrons (SPANJERS et al., 1996).

No processo aerbio de tratamento de efluentes, o oxignio dissolvido consumido

pelos microrganismos.

A Equao 4, apresenta a relao entre a velocidade especfica de consumo de oxignio

(SOUR), sigla proveniente do ingls Specific Oxygen Uptake Rate, com a velocidade especfica

de crescimento (). Esta relao estabelece a velocidade especfica de consumo de oxignio

para manter a cultura vivel (SCHMIDELL et al., 2007).

= +1

Equao 4


Onde:

mo: coeficiente de manuteno para o O2;

Yo: fator real de converso de O2 para clulas; : velocidade especfica de crescimento.

A velocidade especfica de consumo de oxignio (SOUR) funo da velocidade

especfica de crescimento (). Em funo disso a respirao microbiana afetada pelos mesmos

fatores que afetam o crescimento celular, como a concentrao de substrato e produto, a

concentrao de oxignio dissolvido, o pH e a temperatura (SCHMIDELL et al., 2001).

A Equao 4 pode ser representada pela reta apresentada na Figura 4. A Figura 4

representa que, para uma cultura microbiana se tornar vivel e ocorrer crescimento celular,

necessrio suprir determinada quantidade de oxignio dissolvido, representado pelo coeficiente

de manuteno (mo) (SCHMIDELL et al., 2001).

Figura 4: Relao entre a velocidade especfica de consumo de oxignio (SOUR) e a velocidade especfica de

crescimento (x)

Fonte: adaptado de Schmidell et al., 2001.

De acordo com Van Haandel e Marais (1999), a velocidade de crescimento de

microrganismos proporcional taxa de metabolismo ou utilizao do substrato pelos

microrganismos. Na Equao 4, pode-se considerar a velocidade especfica de consumo de

oxignio como proporcional a velocidade de crescimento dos microrganismos. Isso se deve ao

fato que nos ensaios de respirometria aerbia, determinado o consumo mximo de oxignio,

e no somente o consumo devido a respirao endgena. Desta forma o coeficiente de

manuteno desconsiderado, por ser um valor muito reduzido se comparado a SOUR.


Quando isto considerado pode-se afirmar que gerado um consumo de oxignio pelos

microrganismos, o qual pode ser descrito em funo da SOUR, descrita pela Equao 5

(SCHMIDELL et al., 2007).

=1

2

Equao 5

Onde: SOUR: velocidade especfica de consumo de oxignio;

X: concentrao celular;

dO2/dt: velocidade de consumo de O2.

Outro mtodo de interpretar os dados dos ensaios de respirometria apresentado por

Spanjers et al. (1996), onde feito o balano de massa do reator onde o ensaio conduzido.

Considera-se um sistema com uma fase lquida e uma fase gasosa, homogeneamente

misturadas, onde a concentrao de OD na fase lquida pode ser medida. O balano de massa

encontra-se na Equao 6 (SPANJERS et al., 1996).

(. ) = . . + . . ( ) .

Equao 6

Onde:

VL: volume da fase lquida;

C: concentrao de OD na fase lquida;

Qi: vazo afluente ao reator;

Ci: concentrao de OD no afluente;

QS: vazo de sada do reator;

Kla: coeficiente de transferncia de oxignio;

CS: concentrao de saturao de OD;

OUR: velocidade de consumo de oxignio.

Foi considerado que o volume de lquido no possua fluxo de gases, podendo assim,

simplificar os trs primeiros termos da equao. Considerando que ao ser interrompida a

aerao, a transferncia de oxignio para o lquido foi nula (Kla = 0), o valor da OUR foi obtido

atravs da inclinao da reta OD em funo do tempo (Equao 7) (SPANJERS et al., 1996).

=

Equao 7

A Figura 5 representa como foi calculada a taxa de respirao, destacando que a

inclinao da reta OD versus tempo o valor da OUR.


Figura 5: Perfil de variao de OD em relao ao tempo no clculo da OUR

OD

(mg/L)

Tempo

(s)

=

OUR

Aerao

interrompida

Fonte: o autor, 2012.

A SOUR foi calculada pela Equao 8.

=

[]

Equao 8

Onde:

SOUR: velocidade de consumo especfico de oxignio;

SSV: concentrao de slidos suspensos volteis.

Assim, o comportamento do sistema pode ser observado atravs do teste de

respirometria aerbia, onde a velocidade especfica de consumo de oxignio (SOUR) o

principal parmetro de monitoramento. A resposta na queda de SOUR, com diferentes

parmetros de projeto, como a COV, TDH e A/M vem a ser importante para que se obtenha um

projeto de um sistema de tratamento com elevadas eficincias de remoo de matria orgnica.

Strotmann et al. (1998) testaram, em um processo de tratamento por lodos ativados

utilizando efluente sanitrio, a variao da OUR com adio de acetato como substrato para os

testes respiromtricos. Foi verificado que em valores muito baixos de A/M, na faixa de 0,01 a

0,07 kgDQO.KgSSV-1.d-1, foram encontrados valores muito abaixo da normalidade para a

OUR. J quando estes valores se aproximaram de 0,1 kgDQO.KgSSV-1.d-1, um acrscimo

considervel na OUR foi percebido. (43 mg.L-1.h-1, 42 mg.L-1.h-1 e 58 mg.L-1.h-1

respectivamente).

Tempo (s)

OD (mg.L-1)


3.6.1. Efeito do oxignio dissolvido na respirao microbiana

No processo aerbio, o oxignio o substrato chave utilizado para o crescimento,

manuteno e sntese de produtos. Devido reduzida solubilidade, o oxignio deve ser

continuamente provido ao sistema (GARCIA-OCHOA et al., 2010).

Para a realizao do tratamento biolgico aerbio de efluentes, onde h presena de

clulas aerbias e anaerbias facultativas, sendo estas ltimas as que prevalecem em um

processo gerido por MBR, necessrio um adequado dimensionamento do sistema de

transferncia de oxignio para o meio lquido, onde o microrganismo consumir o oxignio

dissolvido para a sua respirao (SCHMIDELL et al., 2001).

O oxignio consumido geralmente depende dos seguintes fatores: respirao celular e

nitrificao. Para a realizao da aerao do processo, so geralmente utilizados aeradores

mecnicos que demandam energia para o seu funcionamento. E quando considerada a

remoo de nitrognio no processo, ocorre uma demanda de oxignio para que ocorra a

nitrificao. Isto torna o consumo de energia eltrica um dos principais fatores que acarretam

custos ao processo (COSTA et al., 2001).

Biorreatores associados a membranas ainda so vistos como opes de alto custo, tanto

pelas despesas de funcionamento e instalao quanto a demanda de oxignio dissolvido para o

tanque de membranas, o que torna a demanda energtica superior ao processo de lodos ativados

convencional (VERRECHT et al., 2010).

A Figura 6 mostra a distribuio do consumo energtico em um MBR operando em

condies normais.

Figura 6: Representao do consumo energtico em um MBR

Fonte: Verrecht et al., 2010.

Aerao das membranas Aerao para remoo biolgica Bombas de recirculao Mistura Bombas de permeao


Conforme Germain e Stephenson (2005), a tecnologia MBR uma alternativa ao

tratamento convencional de efluentes, entretanto, esse processo apresenta elevados custos,

principalmente com a aerao do sistema, usada para suprir a necessidade de oxignio

dissolvido para os microrganismos e para manter os slidos em suspenso. Para tanto

necessrio estudar a influncia do oxignio dissolvido no processo de tratamento, visando

minimizaes de custos e aumento da eficincia do processo e tambm para que possam ser

entendidas as correlaes entre os microrganismos e a falta de oxignio dissolvido no processo

de tratamento.

Pode ser observado na Figura 6 que o consumo de 11% de energia destinada aerao

para remoo biolgica o mesmo para o processo de lodos ativados convencional; j no MBR

o consumo energtico 74% superior devido aerao das membranas.

Apesar das afirmaes apresentadas, deve-se considerar que o gasto com a aerao do

sistema MBR para garantir as reaes aerbias (oxidao da matria orgnica e nitrificao)

bastante similar ao processo convencional de lodos ativados. O que diferencia os custos entre

o processo convencional e o MBR a aerao do tanque de membranas, usada para evitar a

deposio de slidos no mesmo e a incrustao de slidos nas membranas filtrantes.

3.6.2. Efeito do nitrognio amoniacal na respirao microbiana

O nitrognio representa 78% em volume na atmosfera e est presente em protenas de

essencialmente os organismos vivos e como nitratos em depsitos minerais. Na matria

orgnica, ele sofre decomposio desde protenas complexas a aminocidos, amnia, nitritos e

nitratos (CAVALCANTI, 2012).

Segundo Zarooni e Elshorbagy (2006), o nitrognio amoniacal a forma mais comum

de nitrognio presente no efluente proveniente do refino de petrleo. Este proveniente da

injeo de amnia (NH3) no topo da coluna de fracionamento para neutralizar o cido sulfdrico

(H2S) e na hidrogenao do nitrognio orgnico quando o petrleo refinado.

Grandes quantidades de amnia podem ser lanadas nos corpos receptores e influenciar

de forma direta a dinmica do oxignio dissolvido no meio aqutico, podendo causar a

eutrofizao do meio (WANG et al., 2010).

Por outro lado, em um sistema de tratamento de efluentes, o nitrognio deve ser

fornecido de forma a suprir a relao C/N para que ocorra a nitrificao e desnitrificao.

Faz- se necessrio ento, conhecer de forma detalhada, as demandas do processo biolgico de

tratamento (FANG et al., 1993).


Conforme Serra et al. (2003), necessrio, em um tratamento biolgico de efluentes

industriais, a adaptao da populao microbiana a compostos txicos, para que ela seja eficaz no

momento que necessrio degrad-los, garantindo assim um bom desempenho no processo. Na

presena de substncias orgnicas txicas, a adaptao dos microrganismos poderia levar um

perodo relativamente longo. Porm, este tempo necessrio para a recuperao da atividade

bacteriana.

Muitos estudos so relatados quanto ao impacto de altas concentraes de nitrognio

amoniacal na nitrificao. Entretanto, pouco ainda conhecido sobre a inibio e resistncia de

lodos ativados na presena de altas concentraes deste composto. (CAMPOS et al., 2002;

SPAGNI e MARSILI-LIBELLI, 2009; WANG et al., 2007).

A amnia pode existir tanto na forma livre (NH3) como na forma ionizada (NH4+)

(CAVALCANTI, 2012). Uma considerao importante a se fazer quando considerado o efeito

inibidor da amnia, o pH do meio estudado. Quanto maior for o pH maior a concentrao da

forma no ionizada da amnia (NH3) e, quanto menor o pH, maior a concentrao de on amnio

(NH4+) (TISDALE et al.,1985), conforme apresentado na Figura 7.

Figura 7: Variao da concentrao de NH3 e NH4+em funo do pH

Fonte: Cavalcanti, 2012.

Elevaes do pH deslocam o equilbrio qumico no sentido da amnia no ionizada, a

poro mais txica do composto.

Fra

o m

ola

r

pH


3 +2

+

4+ +

O on amnio no txico e no causa problemas para os organismos, enquanto que a

forma no ionizada tem efeito txico (REIS E MENDONA, 2009). Erickson (1985) afirma

que uma pequena poro da toxicidade pode ser atribuda a forma ionizada da amnia, porm,

a forma no ionizada a mais txica.

Wang et al. (2010), afirmam que a microfauna do lodo ativado capaz de resistir s

elevadas concentraes de nitrognio amoniacal (cerca de trs vezes superior do que as

bactrias so aclimatadas), tornando evidente que elevadas concentraes de nitrognio, em pH

neutro, no causa o efeito txico esperado, podendo ento uma planta de tratamento receber

essas substncias sem que ocorram prejuzos significativos na eficincia do tratamento.

A remoo de nitrognio em sistemas MBR ocorre com a nitrificao da amnia e

posterior desnitrificao. Os processos, basicamente, podem contemplar duas configuraes:

uma onde o reator anxico precede o reator aerbio e outra onde o reator aerbio precede o

reator anxico.

A nitrificao da amnia ocorre em duas etapas distintas, primeiro h a oxidao da

amnia para nitrito atravs da atividade da bactria Nitrosomonas e segundo o nitrito oxidado

a nitrato atravs da atividade da bactria Nitrobacter (FANG et al., 1993).

24+ + 32

22

+ 4+ + 22

22 + 2

23

H uma competio entre as bactrias heterotrficas e nitrificantes por oxignio e espao.

Esta competio pode resultar na resistncia ao consumo e a transferncia de massa, afetando

negativamente a nitrificao e a remoo de matria orgnica (NOGUEIRA et al., 2002).

Hee-Jun et al. (2003), tambm afirmam que as substncias orgnicas so preferencialmente

utilizadas pelas bactrias heterotrficas como uma fonte de carbono, ocorrendo assim uma

competio entre as bactrias nitrificantes e heterotrficas pelo oxignio dissolvido disponvel no

reator.


3.6.3. Efeito do sulfeto na respirao microbiana

Compostos de enxofre so provenientes de despejos de inmeras atividades industriais,

tais como: curtumes, fbricas de celulose, indstrias txteis, etc. (CAVALCANTI, 2012).

Segundo Altas e Buyukgungor (2007) os efluentes provenientes do refino de petrleo

apresentam grandes fraes de hidrocarbonetos, nitrognio e enxofre, na forma de nitrognio

amoniacal e sulfeto de hidrognio (H2S), respectivamente. A concentrao de sulfeto neste

efluente pode variar de 1 a 150mg.L-1.

O H2S um composto altamente txico que pode ser formado no processo de tratamento

biolgico, prejudicial ao meio aqutico em concentraes muito baixas e tem causado a

mortalidade em massa de peixes. O limite tolerado pelos microrganismos de no mximo

0,5 ppm (ALTAS e BUYUKGUNGOR, 2007).

Considerado um gs txico e altamente corrosivo, o H2S, pode causar problemas

ambientais e econmicos como, por exemplo, na rede de esgotos, campos de petrleo e em

petroqumicas (VAIOPOULOU et al., 2005).

Os ons de sulfeto em fase lquida podem causar diversos problemas no processo de

tratamento biolgico. Tais como inibio da nitrificao, crescimento de bactrias filamentosas,

destruio dos flocos e diminuio da eficincia (VANNINI et al., 2008).

Quando busca-se estudar toxicidade do sulfeto em um processo de tratamento contendo

microrganismos deve-se levar em considerao o pH do meio. Conforme apresentado na Figura

8, no valor de pH 7,5, comumente utilizado em processos de lodos ativados, pode-se constatar

que 25% do enxofre est na forma do gs sulfdrico (H2S) e 75% est na forma ionizada HS-.

Figura 8: Influncia do pH sobre o equilbrio do sulfeto na gua

Fonte: Beal 2004, apud Aloy et al. 1976.

AdministradorRealce


O pH um fator fundamental na formao do gs sulfdrico, sendo este altamente txico

aos seres vivos. Em pH superior a 9 predominam as espcies em equilbrio S2-e HS- sendo a

frao de H2S muito baixa. Ao contrrio, em pH cido, predomina o H2S voltil e txico

(CAVALCANTI, 2012). Atravs das reaes de dissociao do sulfeto, pode-se perceber a

dependncia do composto em relao ao pH.

2

1 + +

1 =[][+]

[ 2 ]

2 2 + +

1 =[2][+]

[]

O processo de remoo biolgica de sulfato composto pelos seguintes processos:

reduo de sulfato a sulfeto de hidrognio (fase anaerbia), oxidao do sulfeto de hidrognio

para enxofre elementar (fase aerbia). Este processo deve ocorrer a fim de remover o excesso

deste composto antes que ocorra o lanamento do efluente no meio ambiente. As reaes a

seguir representam o processo.

2 + 2 20 + 2

2 + 42 242 + 2+

A oxidao do sulfeto em ambientes aerbios favorecida pela presena de metais que

catalisam esta reao. Alguns destes metais esto presentes no efluente de refinaria de petrleo.

A presena desses catalisadores faz com que a oxidao do sulfeto ocorra de forma mais rpida,

podendo influenciar na velocidade de consumo de oxignio pelas bactrias. A Tabela 4

apresenta alguns dos metais tipicamente encontrados neste efluente.


Tabela 4: Metais e suas concentraes tipicamente encontradas no efluente de refinaria de petrleo

Metal Concentrao mdia (mg.L-1)

Cdmio 0,04

Cromo 0,28

Cobre 0,07

Chumbo 0,23

Nquel 0,11

Zinco 0,17

Fonte: Adaptado de Braile e Cavalcanti, 1979.

Na bibliografia encontram-se estudos relatando mtodos de oxidao de sulfetos atravs

de oxidao utilizando compostos metlicos como ferro, clcio, cromo, nquel, mangans e

zinco (SILVA, 2005; GUIMARES, 2010).

3.6.4. Efeito dos metais no lodo ativado

Alm do efeito catalisador, os metais pesados como chumbo, ferro, cdmio e cobre, so

encontrados no efluente do refino de petrleo e geralmente liberados no meio ambiente,

podendo acarretar em consequncias gravssimas como: intoxicao dos microrganismos

aquticos; modificaes na fauna e flora e reduo da populao presente no meio aqutico

(MARIANO, 2001).

Com o desenvolvimento das indstrias modernas, tais como petroqumicas, produtos

qumicos e processamento mineral, grande quantidade de efluentes com altas concentraes de

metais so gerados (HAN et al., 2013). Metais como, nquel, zinco, cobre e mangans, so

frequentemente encontrados em efluentes industriais (ARICAN et al., 2002; GIKAS, 2007).

Metais pesados so txicos quase todos os microrganismos, em concentraes

especficas, e podem causar uma srie de problemas ao processo biolgico de lodos ativados.

A toxicidade depende de dois fatores primordiais, a espcie e a concentrao deste metal

(ARAGN et al., 2010).

Madoni et al. (1998), afirmam que existem muitos estudos em que relatada a

toxicidade de metais pesados no tratamento biolgico de efluentes. Brown e Lester (1982)

recomendam a remoo dos metais antes do processo de tratamento por lodos ativados, visto

que este pode prejudicar a eficincia do mesmo e tambm importante para manter a qualidade

dos corpos receptores.

Metais pesados em sistema de tratamento biolgico podem causar o decaimento da

atividade biolgica e, consequentemente, diminuir a eficincia do processo (GIKAS, 2007;

CAVALCANTI, 2012).


3.6.5. Efeito do fenol na respirao microbiana

Fenis so compostos que apresentam o grupo hidroxila (OH-) ligados ao tomo de

carbono em um anel aromtico. So altamente solveis em gua, lcool, benzeno e outros

solventes orgnicos (CAVALCANTI, 2012).

Pode ser proveniente da destilao da madeira, refinarias de petrleo, siderrgicas,

plantas qumicas ou de esgotos sanitrios (CAVALCANTI, 2012).

O fenol um composto orgnico aromtico de mdio carter txico presente em

efluentes de diferentes indstrias. Quando existe a presena de nitrognio e fenol, deve-se

prever no tratamento a remoo simultnea dos dois compostos. Na presena de fenol, mesmo

em baixas concentraes, o processo de nitrificao pode ser inibido (AMOR et al., 2005).

Devido sua toxicidade, o fenol deve ser removido dos efluentes durante o processo de

tratamento. A exposio pode se dar atravs de inalao, causando dificuldades de respirao,

paralisia, irritao de mucosas; ingesto, queimaduras na boca e garganta, tremores e

convulses; contato pela pele, queimaduras e absoro, dermatites e erupes (TAKESHITA,

2003).

Fenis so geralmente considerados os poluentes orgnicos mais perigosos encontrados

no efluente de refinaria de petrleo e podem causar eventos de alta toxidez mesmo em baixas

concentraes (EL-NAAS, 2010).

Cavalcanti (2012), afirma que altas concentraes de fenis (a partir 200 mg.L-1) podem

prejudicar o processo de tratamento biolgico de efluentes, exigindo uma maior atividade das

bactrias no aclimatadas ou diminuindo a eficincia do processo. Em processos biolgicos de

tratamento de efluentes por lodos ativados, concentraes de fenis na faixa de 50 a 200 mg.L-

1trazem inibio da atividade microbiana, sendo que 40 mg.L-1 so suficientes para a inibio

da nitrificao.

3.7. MECANISMOS DE DETERMINAO DE OUR

Em processos aerbios, o oxignio fundamental na manuteno do crescimento e

sntese do produto. Devido a sua baixa solubilidade, o oxignio deve ser continuamente

fornecido, tornando assim o conhecimento da taxa de transferncia de oxignio (ORT), sigla

proveniente do ingls Oxygen Transfer Rate, necessria para o projeto de biorreatores e o scale-

up do mesmo. A concentrao de oxignio dissolvido no meio depende diretamente do OTR e

da OUR (GARCIA-OCHOA et al., 2010).


Diversos mtodos so encontrados na bibliografia referente ao clculo da OUR, com

destaque para (REN, 2004; GARCIA-OCHOA et al., 2010):

balano gasoso

determinao atravs do coeficiente de rendimento

determinao atravs da velocidade de transferncia de oxignio

respirometria aerbia.

Entre estes, ser abordado de forma mais aprofundada o ensaio de respirometria aerbia.

3.7.1. Respirometria aerbia

A respirometria aerbia comumente utilizada para medir a respirao de

microrganismos em sistemas de tratamento de efluentes. De acordo com o princpio da

respirometria aerbia, a velocidade de consumo de oxignio est associada velocidade de

consumo de substrato. Este ensaio consiste na medio e na interpretao da velocidade de

consumo de oxignio, OUR, pelos microrganismos presentes na biomassa. Quando a

velocidade representada por unidade mssica de biomassa, avalia-se ento a velocidade de

consumo especfico de oxignio, SOUR, a qual mais consistente, pois independe da

concentrao de biomassa utilizada nos testes (SPANJERS et al., 1996; VANROLLEGHEM,

2002).

Na bibliografia encontra-se relatado os primeiros estudos de respirometria aerbia por

Jenkis (1960) e Montgomery (1967). Esse mtodo, no qual utilizada uma sonda para a

determinao da concentrao de oxignio dissolvido, denominado mtodo dinmico

(SCHMIDELL et al., 2001). Em um determinado instante, a aerao do sistema interrompida

de forma a anular a transferncia de oxignio, verificando-se, assim, o consumo de oxignio

pelas bactrias heterotrficas.

Este mtodo relatado na bibliografia difere da respirometria aerbia apenas pelo fato de

as medies de oxignio dissolvido serem realizadas diretamente no reator, enquanto na

respirometria aerbia as medies so realizadas, em batelada, com amostras retiradas do

processo de tratamento. O procedimento deve levar um tempo relativamente curto, dependendo

da concentrao celular existente, podendo assim supor que no ocorre alterao na

concentrao celular no interior do reator.

Nos processos de tratamento de efluentes, a remoo de matria orgnica pode ocorrer

por processos aerbios ou processos anaerbios, a partir da converso da matria orgnica em


compostos mais simples. Um processo de tratamento com lodos ativados depende das reaes

microbiolgicas aerbias para a remoo do material orgnico. A taxa com que esse material

removido est ligada diretamente velocidade de consumo de oxignio, tornando o oxignio

uma varivel crtica para a operao de tal sistema (CHIESA et al., 2007).

A respirometria aerbia uma tcnica que permite medir a intensidade da respirao

dos microrganismos aerbios, indicando alteraes metablicas mediante o contato com

diversos poluentes. Segundo Vanrolleghem (2002), a respirao celular est ligada converso

do substrato e ao crescimento celular; porm, como no possvel medir a velocidade de

respirao no interior da clula, necessrio recorrer-se medio da OUR.

3.7.1.1. Ensaios de respirometria aerbia

Para a determinao da SOUR atravs dos ensaios de respirometria aerbia dois fatores

devem ser considerados:

a fonte de carbono utilizada no ensaio deve ser sempre a mesma, assim como as

concentraes de DQO para que possa ser realizada uma comparao entre

diferentes ensaios realizados em diferentes perodos de operao do processo de

tratamento. O acetato de sdio comumente utilizado neste tipo de ensaio, devido a

sua fcil biodegradabilidade pelas bactrias heterotrficas (HAGMAN E JANSEN,

2007).

pH deve ser mantido na faixa utilizada no processo de tratamento de onde a biomassa

retirada para a realizao dos ensaios (HAGMAN E JANSEN, 2007).

3.7.1.2. Fatores que devem ser considerados durante o ensaio de respirometria aerbia

Alguns cuidados devem ser tomados durante os ensaios destinados obteno dos dados

de velocidade de consumo de oxignio para o meio lquido:

o meio lquido deve ser mantido sob agitao constante para que a difuso seja o

mais homognea possvel, a fim de que no ocorra sedimentao do lodo no decorrer

do teste;

o sensor de oxignio dissolvido deve ser posicionado em local onde o difusor de ar

no crie acmulo de bolhas sobre a membrana do sensor, esse acmulo resultaria

em uma leitura que no representaria as condies do meio;


deve-se evitar o derramamento do contedo dos reatores utilizados no ensaio para

que o volume de controle no seja alterado;

o reator tem que possuir a menor rea possvel de interface lquido-atmosfera, a fim

de evitar a difuso dos gases para o meio lquido.

3.7.1.3. Respirometria aerbia como ferramenta para detectar toxicidade

Pode-se utilizar o teste de respirometria aerbia como uma ferramenta para monitorar o

processo de tratamento de efluentes, detectando-se, atravs dela efeitos adversos e inibitrios

causados por compostos txicos biomassa do sistema. Desde 1960 esta tcnica vem gerando

muito interesse para o monitoramento do processo de tratamento de efluentes (COPP E

SPANJERS, 2002). A respirometria aerbia uma ferramenta til para avaliao do

desempenho do processo de tratamento, fornecendo informaes sobre as caractersticas e

degradabilidade (HAGMAN E JANSEN, 2007).

Segundo Santos (2007), a SOUR serve como parmetro fundamental para a avaliao

de efeitos txicos de determinados compostos sobre a atividade microbiana. Assim, estes efeitos

podem ser detectados atravs da alterao no valor da SOUR.

Conforme Copp e Spanjers (2004), os componentes txicos em uma planta de

tratamento, acabam sendo detectados dias depois quando outros ensaios podem ser realizados,

o que torna assim, a respirometria uma ferramenta til que fornece dados sobre toxicidade de

forma mais rpida. Deste modo, testes regulares de respirometria so necessrios para a

deteco da possvel presena destes compostos no processo de tratamento.

Algumas substncias podem se tornar txicas para os microrganismos heterotrficos

causando inibio no processo de lodos ativados. Esta diminuio pode ocorrer pela diminuio

da atividade enzimtica, o que pode acarretar em uma reduo na velocidade de consumo de

oxignio e no crescimento celular (PICKBRENNER, 2002). Fernandes et al. (2001) e Ricco

et al. (2004), afirmam que a respirometria aerbia um teste confivel para a deteco rpida

de possveis efeitos inibitrios no processo de tratamento.

A inibio ocorre em decorrncia de um impacto adverso sobre a biomassa no sistema

de tratamento biolgico, como, por exemplo, a presena de elevadas concentraes de

nitrognio amoniacal ou at de elevadas concentraes de sulfetos. Podem, assim, ocorrer

perdas da biomassa, influenciando diretamente na eficincia do processo de lodos ativados.


Muitas vezes, conhecendo-se o efeito inibidor, podem-se reduzir significativamente os

problemas encontrados nas estaes de tratamento de efluentes.

Segundo Spanjers et al.(1996), desde o descobrimento do sistema de lodos ativados no

incio do Sculo XX, a velocidade de consumo de oxignio tem sido usada como um importante

indicador das condies do processo de tratamento.

Existem muitos relatos na literatura sobre a mitigao dos efeitos inibitrios em um

processo de tratamento de efluentes; porm, quando se trata do uso da tcnica respiromtrica o

volume de trabalhos publicados diminui substancialmente (COPP E SPANJERS, 2004).

3.8. TIPOS DE RESPIRMETROS

O equipamento utilizado para medir a taxa de respirao denominado respirmetro,

consistindo em uma cmara de respirao e um equipamento para avaliar a variao do oxignio

dissolvido.

Os respirmetros podem variar desde equipamentos de fcil operao, como garrafas de

DBO, at equipamentos totalmente automatizados, que realizam amostragens, calibraes e

clculos, porm todos so compostos por um reator, separados ou no do processo de tratamento

de efluentes, onde diferentes compostos (biomassa, substrato, etc.) so colocados juntos

(SPANJERS et al., 1996).

Todos os respirmetros so baseados em uma tcnica de medio do oxignio, sendo na

fase gasosa ou dissolvido na fase lquida, possuindo fluxo de lquido ou de gs, ou esttico

(VANROLLEGHEM, 2002).

Ros (1993) divide os respirmetros em dois tipos:

fechados, que no permitem a troca de material com o meio externo, podendo ser

manomtricos, volumtricos ou combinados. Como exemplo tem-se o frasco de

DBO;

abertos, que permitem trocas de material com o meio, podendo ser contnuo ou

semicontnuo.

3.8.1. Variaes no princpio de medio dos respirmetros

Alm das caractersticas dos tipos de respirmetros, pode ser variado o gs e o lquido

a ser introduzido no meio. Assim, a OUR pode ser medida de quatro maneiras diferentes

(GERNAEY et al., 2001):


gs esttico e lquido esttico, que, neste caso, no possui fluxo de ar e nem de

lquido no interior dos reatores utilizados para o teste de respirometria;

gs varivel e lquido esttico, que, neste caso, possui fluxo de gs e no possui

fluxo de lquido no interior dos reatores utilizados para o teste de respirometria;

gs esttico e lquido varivel, onde no h fluxo de gs e possui fluxo de lquido

no interior dos reatores utilizados para o teste de respirometria;

respirmetro hbrido que neste caso possui fluxo de gs e fluxo de lquido no

interior dos reatores utilizados para o teste de respirometria. Estes respirmetros

so equipados com duas sondas de OD.

As vantagens e desvantagens de cada mtodo de medio esto apresentadas no Quadro

2.

Quadro 2: Comparao dos diferentes tipos de medio de OUR nos respirmetros

Tipo de medio Vantagens Desvantagens

Gs esttico e lquido esttico Facilidade de operao Pode ocorrer supersaturao do meio

Baixa frequncia de medio da OUR

pois apenas um valor obtido por

aerao

Gs varivel e lquido esttico Alta frequncia de medio da OUR necessrio estimar KLa

Gs esttico e lquido varivel No necessrio estimar KLa Baixa frequncia de medio da OUR

Respirmetro hbrido No necessrio estimar KLa

Alta frequncia de medio da OUR

pois devido as duas sondas de OD,

mais de uma OUR obtida por ensaio

necessria mais de uma sonda de

oxignio dissolvido para a medio

Fonte: adaptado de GERNAEY et al., 2001.

32 MATERIAIS E MTODOS

4. MATERIAIS E MTODOS

As atividades relacionadas execuo dos ensaios de respirometria aerbia foram

desenvolvidas no Laboratrio de Tecnologias Ambientais, localizado na Universidade de

Caxias do Sul.

Para a realizao dos experimentos planejados nesta pesquisa foram utilizados dois tipos

de efluentes. O primeiro um efluente de refino de petrleo e o segundo um efluente

proveniente de sanitrios e refeitrio de uma indstria de embalagens de papelo ondulado.

4.1. ESTAO DE TRATAMENTO DE GUAS RESIDURIAS EXPERIMENTAL

Uma estao de tratamento de guas residurias experimental (ETAR) foi instalada no

laboratrio para a realizao dos testes, a qual consiste em um modelo fsico reduzido da nova

estao de tratamento de despejos industriais (ETDI) da REVAP (Figura 9).

Esta ETDI utiliza biorreatores associados a membranas, sob condies de contribuies

de correntes tpicas de salmoura do tanque dreneiro, guas fenlicas, guas cidas retificadas,

soda gasta (sulfdrica e fenlica) e drenagens amnicas (monoetanolamina MEA e

dietanolamina - DEA).

Figura 9: Estao de tratamento de guas residurias experimental

Fonte: Veronese, 2013.

Reator Aerbio Reator Anxico

Tanque de

membranas

gua para

retrolavagem NaOH 0,15N

H2SO4 0,15N


A ETAR experimental deste trabalho (Figura 9) composta de um reator anxico, com

volume til de 1,6 litros, um reator aerbio com volume til de 3,2 litros e um tanque de

membranas com volume til 3 litros, onde esto instalados em paralelo dois mdulos de

membranas de ultrafiltrao, produzidos pela General Eletric (GE), modelo Zee Weed ZW 1-3

em PVDF (Fluoreto de Polivinilideno) (Figura 10b) com o dimetro mdio dos poros de

0,04 m (Figura 10b).

A operao da ETAR ocorre de forma automtica, conduzida por um programa

supervisrio (Figura 10a) onde este faz o controle das bombas de alimentao, agitao, aerao

e a dosagem de cido sulfrico (H2SO4) 0,15 N e hidrxido de sdio (NaOH) 0,15N para manter

o pH prximo a 7,5.

Existe um reciclo do reator aerbio para o reator anxico, um reciclo do tanque de

membranas para o reator aerbio, a suco de permeado nos mdulos de membranas e a

retrolavagem das membranas foi realizada atravs da utilizao de bombas dosadoras

peristlticas.

Foram utilizados dois agitadores do tipo ps planas com motores eltricos para a

promoo de mistura completa no interior dos reatores anxico e aerbio. No tanque de

membranas, a mistura era realizada atravs do fluxo de ar comprimido em uma pedra porosa.

Figura 10: Programa supervisrio (a) e mdulo de membrana (b)

Fonte: Veronese, 2013.

a b


4.2. EFLUENTE PROVENIENTE DE UMA INDSTRIA DE EMBALAGENS DE

PAPELO ONDULADO

O efluente sanitrio gerado no refeitrio, banheiros, pias, bebedouros e mquinas de caf.

A Figura 11 representa o layout do processo de tratamento.

Figura 11: Fluxograma da estao de tratamento de efluentes sanitrios da indstria de fabricao de

embalagens de papelo ondulado.

Fonte: Missiagia, 2013.

A biomassa foi coletada diretamente do reator aerbio do processo de lodos ativados.

Refeitrio

Caixa de gordura

Banheiros, pias, bebedouros e

mquinas de caf

Tanque sptico

Tanque de

equalizao

Seletor anxico

Lodos ativados com

aerao intermitente

Sedimentador

secundrio

Filtros de areia

Filtros de carvo

Filtros de carvo

Lanamento em

guas superficiais

Reuso na

elaborao de cola

Tanque de lodo

Filtro- prensa

Beneficiamento

Coleta do

efluente

para os

testes

Coleta de biomassa

para os testes


Na Figura 12 pode-se verificar uma imagem superior do processo de lodos ativados da

indstria.

Figura 12: Reator de lodos ativados da indstria de fabricao de embalagens de papelo ondulado

Fonte: Missiagia, 2013.

4.3. EFLUENTE E BIOMASSA

O efluente industrial foi coletado aps o separador API da ETDI da REVAP e

associado ao efluente domstico. Este efluente era armazenado em tanques com volume de 1 m3

cada.

Ao longo dos estudos foram utilizadas diferentes remessas de efluente e biomassa, visto

que, devido ao espao disponvel no laboratrio, o efluente s poderia ser armazenado por

alguns meses e a biomassa era reposta ao sistema sempre que ocorriam problemas operacionais

da ETAR. Foram realizadas caracterizaes peridicas do efluente, uma vez que seu

armazenamento causava diminuio das cargas orgnicas e nitrogenadas.


A biomassa utilizada nos ensaios respiromtricos de avaliao dos efeitos da variao

no tempo de deteno hidrulico na ETAR e da influncia do oxignio dissolvido, foi retirada

do reator aerbio da ETAR. Para os testes que avaliaram os compostos potencialmente

inibitrios, a biomassa foi retirada da mesma ETDI e acondicionada em um tambor com aerao

contnua e alimentao diria.

Devido s dificuldades de se obter uma nova remessa de efluente e biomassa

proveniente do refino de petrleo e visando consolidar a metodologia para os testes

respiromtricos, nova biomassa e novo efluente foram utilizados para a realizao dos testes de

metais e fenol.

Esta nova biomassa foi proveniente do reator aerbio da estao de tratamento de

efluentes sanitrios e do refeitrio de uma indstria de embalagens de papelo ondulado.

4.4. RESPIRMETRO

O respirmetro utilizado nos ensaios do tipo fechado composto por garrafas de DBO5

(Figura 13) e a leitura da concentrao de oxignio dissolvido foi efetuada atravs de sondas de

oxignio dissolvido (Figura 14) da marca Mettler Toledo (InPro 6050/120) e os dados foram

obtidos atravs um equipamento denominado OD_Logger (Figura 15) desenvolvido pela

empresa TrendTech de Caxias do Sul/RS. Este equipamento foi desenvolvido para ler e registrar

automaticamente a concentrao de oxignio dissolvido de at cinco reatores, simultaneamente.

Figura 13: Respirmetro em garrafas de DBO, durante ensaio de OUR

Fonte: o autor, 2012.


Figura 14: Sensores de oxignio dissolvido Figura 15: Tela inicial do software OD_logger

Fonte: o autor, 2012. Fonte: o autor, 2012.

4.5. PREPARAO DO ENSAIO DE RESPIROMETRIA

Previamente realizao do teste, foi necessrio um perodo de ambientao da

biomassa. Esta etapa serve para que ocorra qualquer degradao orgnica que venha a interferir

no resultado do teste e tambm para que a biomassa se adapte nova fonte de carbono que

utilizada nos ensaios (MALAMIS et al., 2011). Para tanto, uma parcela do contedo do reator

aerbio com concentrao conhecida de biomassa foi coletada e transferida para um bquer e

mantida sob aerao por um perodo de aproximadamente 12 horas, na presena de uma

quantidade de acetato de sdio determinada atravs da relao A/M de 0,1 kgDBO.kgSSV-1.d-

1. Aps, realizou-se a transferncia para uma garrafa de DBO5, juntamente com um agitador

magntico e um aerador.

4.5.1. Etapas do ensaio de respirometria

Primeiramente, foi feita a aerao da mistura biomassa/efluente at a saturao de

oxignio dissolvido e, em seguida, foi interrompida a aerao. Aps esta etapa, foi monitorado

o consumo de oxignio dissolvido o qual tende a diminuir devido atividade metablica

realizada pelas bactrias heterotrficas e autotrficas nitrificantes, caso essas no sejam

inibidas. Ao fina

Dissertacao Carolina Lucena Rezende

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