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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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