UNIVERSIDADE FEDERAL DE ALFENAS

Amanda Carvalhaes Souto Valim

Ana Laura Frugoli

CINÉTICA DA DEGRADAÇÃO ANAERÓBIA DE

EFLUENTE DE LATICÍNIO EM REATOR BATELADA

Poços de Caldas/MG

2015

Amanda Carvalhaes Souto Valim

Ana Laura Frugoli

CINÉTICA DA DEGRADAÇÃO ANAERÓBIA DE

EFLUENTE DE LATICÍNIO EM REATOR BATELADA

Trabalho de Conclusão de Curso

apresentado ao Instituto de Ciência e

Tecnologia da Universidade Federal de

Alfenas, campus Poços de Caldas/MG,

como parte dos requisitos para obtenção

do título de bacharel em Engenharia

Química.

Orientador (a): Profª. Dra. Giselle Patrícia

Sancinetti

Poços de Caldas/MG

2015

V172c Valim, Amanda Carvalhaes Souto .

Cinética da degradação anaeróbia de efluente de laticínio em reator batelada. /Amanda Carvalhaes Souto Valim ; Ana Laura Frugoli ;

Orientação de Giselle Patrícia Sancinetti . Poços de Caldas: 2015. 35 fls.: il.; 30 cm.

Inclui bibliografias: fls. 34-35

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

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

1. Tratamento anaeróbio. 2. Tratamento de efluentes. 3. Reator batelada. I. Frugoli, Ana Laura . II. Sancinetti, Giselle Patrícia (orient.). III. Universidade Federal de

Alfenas – Unifal. IV. Título.

CDD 628.1

AGRADECIMENTOS

Primeiramente agradecemos a Deus, por iluminar e abençoar nossas

trajetórias.

Aos nossos pais e amigos, pelo apoio e incentivo nas horas difíceis, pela

alegria nas conquistas e por tudo que fizeram e fazem para que nossa trajetória

universitária seja realizada com sucesso.

À nossa orientadora, Profª. Giselle Patrícia Sancinetti, pela paciência na

orientação, pelos conhecimentos transmitidos, pela motivação e confiança

depositada na realização do presente trabalho.

À Gabriela Sampaio, pela dedicação ao nos ensinar os procedimentos

experimentais necessários para execução deste trabalho.

Ao Instituto de Ciência e Tecnologia, e demais professores envolvidos,

pela oportunidade oferecida e pelos equipamentos e reagentes necessários

para realização deste.

Enfim, agradecemos a todas as pessoas que contribuíram de alguma

maneira para realização deste trabalho e pelo incentivo.

RESUMO

A água, recurso natural renovável do qual todos os organismos necessitam

para sobreviver, é uma das substâncias mais comuns existentes na natureza.

Despejos industriais, também conhecidos como águas residuais, se lançados

nos recursos hídricos sem os devidos cuidados podem acarretar em diversos

efeitos tóxicos. Para minimizar estes impactos ambientais causados, sistemas

anaeróbios de tratamento de efluentes têm sido largamente aplicados por

apresentarem vantagens como baixa produção de sólidos, baixo consumo de

energia, baixos custos de implementação e operação, e etc. O conhecimento

da cinética da digestão anaeróbia é importante para o projeto de reatores

anaeróbios e também para a previsão da qualidade do efluente final. O

presente trabalho realizou um estudo sobre a cinética da digestão anaeróbia de

efluentes de laticínios em reator em batelada de escala laboratorial. Foram

realizados ensaios em triplicata durante 67 dias, para análise da remoção de

DQO (Demanda Química de Oxigênio) e obtenção da constante cinética de

primeira ordem,

, e da concentração do substrato residual, . Os

resultados obtidos foram satisfatórios, uma vez que a remoção de DQO

aumentou em função do tempo, apresentando valores de eficiência de remoção

de 97%, 91% e 93%,

de (0,121±0,025) dia-1, e de (47,531±4,176) mg/L,

se mostrando próximo ao resultado experimental obtido para o último ponto de

amostragem de 54,9 mg/L, indicando um bom ajuste para os dados.

Palavras-chave: Tratamento anaeróbio. Cinética da degradação anaeróbia.

Laticínio.

ABSTRACT

Water, a renewable resource which all organisms need to survive, it is one of

the most common substance in nature. Industrial waste, also known as

wastewater when thrown away on waterways without appropriate care can

cause several toxic effects. Aiming to minimize these environmental impacts,

anaerobic systems have been widely applied because of their advantages, such

as low solid production, low power consumption, low implementation and

operating costs, etc. Knowing the kinetics of anaerobic digestion is essential for

the design of anaerobic reactors and also to predict the quality of the final

effluent. This work reports a study about the kinetic of anaerobic digestion from

dairy effluent in batch reactor, conducted in laboratorial scale. Tests were

carried out in triplicate over 67 days in order to analyze the removal of COD

(Chemical Oxygen Demand) obtain the first-order kinetic parameter,

, as

well as the residual substrate concentration COD, . The results were

satisfactory since the COD removal increased as a function of time, presenting

removal efficiency values of 97%, 91% and 93%,

of (0.121±0,025) day-1

and equal to (47.531 ± 4.176) mg / L, which are close to the experimental

result of 54.9 mg / L obtained for the last sample collected indicating a good

adjust for the data.

Keywords: Anaerobic treatment. Kinetic of anaerobic digestion. Dairy.

LISTAS DE ILUSTRAÇÕES

Figura 1: Fluxograma da microbiologia da digestão anaeróbia. ....................... 16

Figura 2 - Remoção de DQO em função do tempo para o reator 1. ................. 24

Figura 3 - Remoção de DQO em função do tempo para o reator 2. ................. 24

Figura 4 - Remoção de DQO em função do tempo para o reator 3. ................. 25

Figura 5 - Eficiência de remoção de DQO em função do tempo para o reator 1.

......................................................................................................................... 26

Figura 6 - Eficiência de remoção de DQO em função do tempo para o reator 2.

......................................................................................................................... 27

Figura 7 - Eficiência de remoção de DQO em função do tempo para o reator 3.

......................................................................................................................... 27

Figura 8 - Remoção de DQO em função do tempo para o segundo ensaio. .... 28

Figura 9 - Ajuste do perfil cinético em função da remoção de DQO para o

ensaio de nove dias. ........................................................................................ 30

Figura 10 - Ajuste do perfil cinético em função da remoção de DQO para a

média dos reatores 1, 2 e 3. ............................................................................. 30

LISTA DE TABELAS

Tabela 1 - Composição nutricional da água residuária sintética de acordo com

Del Nery (1987). ............................................................................................... 21

Tabela 2 - Valores de DQO centrifugada para cada dia de análise dos reatores

branco,1, 2 e 3. ................................................................................................ 23

Tabela 3 - Eficiência de remoção para os reatores branco, 1, 2, e 3 no período

de 67 dias. ........................................................................................................ 26

Tabela 4 - Valores da DQO centrifugada em diferentes tempos para o ensaio

de nove dias. .................................................................................................... 28

Tabela 5 - Perfil experimental para a média dos reatores 1, 2 e 3. .................. 29

Tabela 6 - Parâmetros cinéticos obtidos através do modelo cinético de primeira

ordem modificado obtido para os dois ensaios. ............................................... 31

Tabela 7 - Eficiência de remoção corrigida através da autodegradação do soro

para os reatores 1, 2 e 3. ................................................................................. 32

SUMÁRIO

1. INTRODUÇÃO .......................................................................................... 12

2. OBJETIVOS .............................................................................................. 13

2.1. OBJETIVO GERAL ............................................................................. 13

2.2. OBJETIVOS ESPECÍFICOS ............................................................... 14

3. REVISÃO BIBLIOGRÁFICA ..................................................................... 14

3.1. PRODUÇÃO DE LEITE ....................................................................... 14

3.2. PROCESSO DE PRODUÇÃO NA USINA DE LATICÍNIO .................. 14

3.3. TRATAMENTO ANAERÓBIO ............................................................. 15

3.4. DIGESTÃO ANAERÓBIA .................................................................... 15

3.4.1. MICROBIOLOGIA DA DIGESTÃO ANERÓBIA ............................ 16

3.4.1.1. Hidrólise e acidogênese ............................................................ 17

3.4.1.2. Acetogênese ............................................................................. 17

3.4.1.3. Metanogênese ........................................................................... 17

3.4.2. FATORES QUE INFLUENCIAM NA DIGESTÃO ANAERÓBIA.... 18

3.4.2.1. pH .............................................................................................. 18

3.4.2.2. Alcalinidade ............................................................................... 18

3.4.2.3. Temperatura .............................................................................. 18

3.4.2.4. Agitação .................................................................................... 19

3.4.2.5. Nutrientes .................................................................................. 19

3.4.2.6. Inibidores ................................................................................... 19

3.5. CINÉTICA DA DIGESTÃO ANAERÓBIA ............................................ 20

4. MATERIAIS E MÉTODOS ......................................................................... 20

4.1. MATERIAIS ......................................................................................... 20

4.1.1. Reator batelada em escala laboratorial ........................................ 20

4.1.2. Inóculo .......................................................................................... 20

4.1.3. Meio nutricional ............................................................................. 21

4.2. MÉTODOS .......................................................................................... 21

4.2.1. Operação do reator ....................................................................... 21

4.2.2. Análises físico-químicas ............................................................... 22

4.2.3. Ajuste cinético............................................................................... 22

5. RESULTADOS E DISCUSSÕES .............................................................. 23

6. CONSIDERAÇÕES FINAIS ...................................................................... 32

7. SUGESTÕES PARA PROPOSTAS FUTURAS ........................................ 33

REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS ................................................................ 34

12

1. INTRODUÇÃO

A água é uma das substâncias mais comuns existentes na natureza,

estando presente em cerca de 70% da superfície do planeta. É encontrada sob

diversas formas, mas principalmente no estado líquido. Recurso natural

renovável, do qual todos os organismos necessitam para sua sobrevivência.

Estima-se que a massa total de água no planeta seja de aproximadamente

265.400 trilhões de toneladas, sendo distribuídas em oceanos, águas

subterrâneas, calotas polares, lagos, rios, entre outras localidades. Todavia,

nem toda água é diretamente aproveitada pelo homem. Do total apresentado

apenas 0,5% representa água doce explorável sob o ponto de vista tecnológico

e econômico (BRAGA et al., 2005).

Além das variações naturais, características das fases do ciclo

hidrológico, alterações têm ocorrido neste ciclo devido às intervenções

humanas. É de fundamental importância que os recursos hídricos apresentem

condições físicas e químicas adequadas para sua utilização. Devem estar

isentos de substâncias que possam causar efeitos prejudiciais aos seres vivos.

Desta forma, disponibilidade de água significa não somente água em

quantidade adequada, mas também que sua qualidade seja satisfatória para

prover as necessidades de um determinado conjunto de seres vivos (BRAGA et

al., 2005).

Despejos industriais, também conhecidos como águas residuais ou

efluentes industriais, são correntes líquidas ou suspensões originadas de

processos, operações ou utilidades, que podem estar acompanhadas de águas

fluviais contaminadas e esgotos sanitários. São extremamente variáveis e

dependem da natureza e porte da indústria, dos produtos fabricados, do grau

de modernidade dos seus processos produtivos, bem como as práticas de

reciclagem e reuso de cada fonte geradora. Seus constituintes podem acarretar

efeitos tóxicos, se lançados nos recursos hídricos sem os devidos cuidados

estabelecidos por normas e legislações específicas (CAVALCANTI, 2009).

Os principais impactos ambientais das indústrias de laticínios estão

relacionados ao alto consumo de água, geração de efluentes com alta

concentração de orgânicos, alto consumo de energia, geração e gerenciamento

de resíduos, emissões atmosféricas, dentre outros. Os efluentes líquidos

13

destas indústrias normalmente são compostos de leite diluído, gorduras,

detergentes, desinfetantes e lubrificantes. Apresentam altos teores de óleos e

graxas, se caracterizam pela presença de sólidos suspensos, matéria orgânica

expressa como DBO (Demanda Bioquímica de Oxigênio), DQO (Demanda

Química de Oxigênio), e odor originado pela decomposição da caseína. A

descarga de efluentes industriais é o principal impacto ambiental do setor.

Independente do processo utilizado ou do produto produzido estima-se que

para cada litro de leite processado há uma geração de 1 a 6 litros de efluentes

(MAGANHA, 2006).

Para minimizar os impactos ambientais causados, várias técnicas de

tratamento de efluentes, processos físicos, químicos ou biológicos, bem como

suas combinações, são utilizadas (BRAGA et al., 2005). Os digestores

anaeróbios têm sido largamente aplicados para o tratamento de resíduos

sólidos, culturas agrícolas, indústrias alimentícias, de bebidas, lodos de

Estações de Tratamento de Esgoto, e etc. Sistemas anaeróbios apresentam

vantagens como baixa produção de sólidos, baixo consumo de energia, baixos

custos de implementação e operação, tolerância a elevadas cargas orgânicas,

possibilidade de operação com elevados tempos de retenção de sólidos e

baixos tempos de detenção hidráulica. As principais desvantagens são

relacionadas à remoção insatisfatória de nutrientes e patógenos, ao fato da

DQO residual ser, na maioria dos casos, elevada para atender os estritos

limites de lançamento estabelecidos na legislação ambiental; e a maior

instabilidade dos reatores anaeróbios, devidos aos choques de carga orgânica

e hidráulica, presença de compostos tóxicos ou ausência de nutrientes

(CHERNICARO, 2007).

2. OBJETIVOS

2.1. OBJETIVO GERAL

O objetivo geral deste trabalho de conclusão de curso (TCC) constituiu

em realizar um estudo sobre a cinética da digestão anaeróbia de efluentes de

laticínios.

14

2.2. OBJETIVOS ESPECÍFICOS

a) Avaliar a degradação anaeróbia do soro.

b) Determinar a constante cinética da degradação.

3. REVISÃO BIBLIOGRÁFICA

3.1. PRODUÇÃO DE LEITE

O Brasil é um grande exportador de commodities, e entre elas a

commodity láctea. No início de 2014 alcançou uma elevação de 70% nas

exportações comparado a dezembro de 2013, com 52,67 milhões de litros

equivalente em leite segundo a Secex (Secretaria de Comércio Externo) e

adquiriu 6,186 bilhões de litros de leite, pelas indústrias processadores do

produto no primeiro trimestre de acordo com o IBGE (CEPEA, 2014). Estes

dados representam a efetiva participação do mercado brasileiro na produção

de leite, logo a existência de um tratamento apropriado para os efluentes das

indústrias de laticínios é imprescindível, para que haja o atendimento dos

padrões de lançamento de efluentes e poluição diminuta dos corpos de água

(IBGE, 2014).

3.2. PROCESSO DE PRODUÇÃO NA USINA DE LATICÍNIO

O setor lácteo é definido pela diversidade de produtos e linhas de

produção, sendo necessário então, definir leite e produtos lácteos (MAGANHA,

2006).

Por definição do Ministério da Agricultura Pecuária e Abastecimento

(MAPA), e de acordo com a Normativa Mercosul do Setor Lácteo, define-se

como leite o produto originado da ordenha completa e ininterrupta de vacas

leiteiras sadias, em condições de higiene. Leites de outras espécies de animais

devem compreender o nome da espécie de que se origina. Na composição do

leite integra-se uma parte úmida, representada pela água, e uma parte sólida,

representada pelo extrato seco total, composta de gordura, açúcar (lactose),

15

proteínas e sais minerais. Quanto maior essa fração no leite, maior será o

rendimento dos produtos (MAGANHA, 2006).

Já produto lácteo é produto obtido mediante qualquer elaboração do

leite, que pode conter aditivos alimentícios e ingredientes funcionalmente

necessários para sua fabricação (MAGANHA, 2006).

As indústrias de laticínios compreendem várias atividades e operações

em função dos produtos a serem obtidos, contudo as operações fundamentais

e comuns a todos os processos produtivos envolvem as seguintes etapas:

recepção do leite e ingredientes; processamento; tratamento térmico;

elaboração de produtos; envase e embalagem; armazenamento e expedição

(MAGANHA, 2006).

3.3. TRATAMENTO ANAERÓBIO

O tratamento anaeróbio tem grande emprego para tratamento de

efluentes industriais compostos por alta carga orgânica.

A aplicação de processos anaeróbios para o tratamento de efluentes de

indústria apresenta fatores positivos em relação uso moderado de energia

elétrica, diminuição da produção de lodo biológico excedente, além da

formação de biogás energético (CAVALCANTI, 2009). Como exemplos de

sistemas de tratamento anaeróbio tem-se as lagoas de estabilização, reatores,

tanques sépticos, entre outros. Porém, atualmente as tecnologias em destaque

são: o reator de manta de lodo ou UASB (Upflow Anaerobic Sludge Blanket),

com a operação de fluxo contínuo ascendente e o reator ESBG (Expanded

Granular SludgeBed), uma forma avançada dos reatores UASB, em que o uso

de leito expandido possibilita elevadas velocidades ascensionais do liquido e

do gás (CAVALCANTI, 2009). Estudos sobre reatores em batelada também

existem e um sistema pode ser composto por reatores sequenciais.

3.4. DIGESTÃO ANAERÓBIA

De toda matéria orgânica disposta na terra, de 5 a 10% é mineralizada

por digestão anaeróbia, formando metano. O processo ocorre em etapas

sequenciais com a participação de no mínimo três grupos fisiológicos de

16

microrganismos com funções específicas: a) Bactérias fermentativas (ou

acidogênicas); b) Bactérias sintróficas (ou acetogênicas); e c) Microrganismos

metanogênicos. As bactérias fermentativas convertem, por hidrólise e

fermentação, os compostos orgânicos complexos (carboidratos, proteínas e

lipídeos) em outros compostos mais simples, principalmente ácidos orgânicos,

além de hidrogênio e dióxido de carbono. As bactérias sintróficas convertem

compostos orgânicos intermediários em acetato, hidrogênio e dióxido de

carbono. E os microrganismos metanogênicos convertem o acetato e o

hidrogênio produzidos nas etapas anteriores em metano e dióxido de carbono.

Eles dependem do substrato fornecido pelas bactérias formadoras de ácidos

(CHERNICHARO, 2007).

3.4.1. MICROBIOLOGIA DA DIGESTÃO ANERÓBIA

O fluxograma abaixo ilustra as fases sequenciais da digestão anaeróbia.

Figura 1: Fluxograma da microbiologia da digestão anaeróbia.

Fonte: Adaptado de CHERNICHARO, 2007.

17

3.4.1.1. Hidrólise e acidogênese

A hidrólise advém da ação de bactérias fermentativas hidrolíticas, que

degradam os materiais particulados complexos em moléculas menores, deste

modo, os materiais dissolvidos são capazes de adentrar pelas paredes

celulares das bactérias fermentativas acidogênicas. No interior das células são

fermentados produzindo ácidos orgânicos, álcoois, cetonas, dióxido de carbono

e hidrogênio, assim como novas bactérias. A etapa de acidogênese não será

limitante para o processo, a menos que o material apresente dificuldade para

hidrolisar (CHERNICHARO, 2007).

3.4.1.2. Acetogênese

Nesta etapa as bactérias sintróficas acetogênicas convertem os

compostos orgânicos intermediários como propionato e butirato em acetato,

hidrogênio e dióxido de carbono. As concentrações de acetato e hidrogênio

devem ser baixas para que as reações acetogênicas não sejam inibidas, por

conseguinte, microrganismos consumidores destes produtos garantem esta

condição (CHERNICHARO, 2007).

3.4.1.3. Metanogênese

Fase final representante de uma forma de respiração anaeróbia,

composta por microrganismos metagênicos, pertencentes ao grupo

“Arqueobactéria”. Podem ocasionar limitações ao processo, uma vez que

exercem duas funções essenciais nos ecossistemas anaeróbicos: produção de

um gás insolúvel (metano), permitindo a retirada do carbono orgânico presente

na fase líquida, e manutenção da pressão parcial de hidrogênio a níveis baixos

o bastante para que as bactérias fermentativas e formadoras de ácidos tenham

capacidade de produzir produtos solúveis mais oxidados (CHERNICHARO,

2007).

As arqueas metanogênicas condicionam a diminuição de pressão parcial

do hidrogênio por intermédio da remoção do excesso deste e dos produtos da

fermentação produzidos anteriormente, garantindo as reações realizadas pelas

18

bactérias acetogênicas. São divididas em dois grupos principais, as arqueas

metanogênicas acetoclásticas, produtoras de gás carbônico e metano a partir

do acetato. E as arqueas metanogênicas hidrogenotróficas, com capacidade de

produzir metano através do hidrogênio e gás carbônico, com maior liberação de

energia (CHERNICHARO, 2007).

3.4.2. FATORES QUE INFLUENCIAM NA DIGESTÃO ANAERÓBIA

3.4.2.1. pH

O pH ótimo variará de acordo com as populações do processos e suas

funções. Para conversões de proteínas a aminoácidos, o pH ótimo está entre

7,0 e 7,5, para aminoácidos convertidos a ácidos o valor é cerca de 6,3, para

carboidratos, 4,0 e 7,0, porém para o último caso, devem ser evitadas

operações abaixo de 6,5 para evitar acidificação. Para formação de metano a

faixa de pH ótimo é 6,7 e 7,4 (CAVALCANTI, 2009).

3.4.2.2. Alcalinidade

A alcalinidade deve estar entre 1500 e 2500mg CaCO3/L, para que não

haja acúmulo de ácidos orgânicos voláteis, provocando a redução do pH.

Porém, caso a operação seja efetuada sem este tipo de acúmulo, valores entre

500 a 1000mg CaCO3/L são aceitáveis (CAVALCANTI, 2009).

3.4.2.3. Temperatura

A temperatura é um dos fatores físicos que mais afeta o crescimento

microbiano, sendo então muito importante na seleção das espécies. Os

microrganismos não possuem mecanismos para o controle de sua temperatura

interna, desta forma a temperatura no interior da célula é determinada pela

temperatura ambiente externa. Três faixas de temperatura podem ser

associadas ao crescimento microbiano:

Faixa psicrófila: entre 4 e aproximadamente 15°C;

Faixa mesófila: entre 20 e aproximadamente 40°C;

19

Faixa termófila: entre 45 e 75°C, e acima (CHERNICHARO,

2007).

Em cada uma dessas três faixas é possível o crescimento microbiano.

Na faixa mesófila, a temperatura ótima encontra-se entre 35 e 37°C, já na faixa

termófila, encontra-se entre 57 e 62°C. Muito mais importante do que operar na

temperatura ótima, é atuar sem variações significativas na temperatura

(SOUZA, 1984).

3.4.2.4. Agitação

A agitação favorece o contato entre a biomassa ativa e o substrato,

proporcionando maior uniformidade na formação de produtos intermediários e

finais. É necessária uma boa condição de distribuição da alimentação no reator

para manter uma taxa de aplicação hidráulica adequada, evitando as zonas

mortas e a diminuição do desempenho no digestor (CAVALCANTI, 2009).

3.4.2.5. Nutrientes

Para que os processos biológicos de tratamento sejam operados com a

maior eficiência, é necessário que haja o fornecimento de macro e

micronutrientes em concentrações adequadas (CAVALCANTI, 2009). Os

nutrientes necessários para a estimulação nutricional de microrganismos

metanogênicos são: nitrogênio, enxofre, fósforo, ferro, cobalto, níquel,

molibdênio, selênio, riboflavina e vitamina (CHERNICHARO, 2007).

3.4.2.6. Inibidores

Alguns compostos químicos são biologicamente tóxicos quando entram

em contato com soluções e excedem uma determinada concentração crítica.

Exemplos de substâncias que apresentam efeito inibitório, quando apresentam

concentrações em excesso, em sistemas anaeróbios: sódio, potássio, cálcio,

magnésio, amoníaco, cromo, níquel, entre outras (CAVALCANTI, 2009).

20

3.5. CINÉTICA DA DIGESTÃO ANAERÓBIA

O conhecimento da cinética é importante para o projeto de reatores

anaeróbios e também para a previsão da qualidade do efluente final. Encontra-

se uma grande dificuldade para descrever matematicamente essas cinéticas de

conversão, uma vez que os substratos e populações bacterianas envolvidas

são muito complexos. O tratamento anaeróbio pode ser descrito como um

processo de três estágios: hidrólise de orgânicos complexos; produção de

ácidos e produção de metano. Em um processo de múltiplos estágios, a

cinética do estágio mais lento governará a cinética geral de conversão

(CHERNICHARO, 2007).

4. MATERIAIS E MÉTODOS

O experimento foi baseado na operação de um reator batelada em

escala laboratorial, para tratamento do soro da produção de ricota fornecido

pelo Laticínio Imperial.

4.1. MATERIAIS

4.1.1. Reator batelada em escala laboratorial

Os reatores batelada foram frascos Duran de 500 mL, com volume útil

de 300 mL.

4.1.2. Inóculo

Como inóculo foi utilizado o lodo proveniente de reator anaeróbio de

manta de lodo (UASB), aplicado ao tratamento de águas residuárias de

abatedouro de aves Avícola Dacar, localizado em Tiête – SP.

21

4.1.3. Meio nutricional

O meio nutricional foi elaborado segundo Del Nery (1987), e sua

composição está exemplificada na Tabela 1.

Tabela 1 - Composição nutricional da água residuária sintética de acordo com Del Nery (1987).

Composto Concentração (mg/L)

NH2CON2 62,5

NiSO4.7H2O 0,5

FeSO4.7H2O 2,5

FeCl.6H2O 0,25

CaCl2.2H2O 23,5

CoCl2.6H2O 0,04

SeO2 0,035

KH2PO4 42,5

K2HPO4 10,85

Na2HPO4.7H2O 16,7

NaHCO3 1000,0

Fonte: Del Nery, 1987.

4.2. MÉTODOS

4.2.1. Operação do reator

A composição dos ensaios consistiu em 3 mL de soro, 30 mL de lodo e

267 mL de meio nutricional. Os ensaios foram feitos em triplicata,

adicionalmente houve um reator que não recebeu o inóculo, nem solução

nutriente, sendo denominado de branco. Após serem preparados,

permaneceram durante 60 segundos sob atmosfera de N2 (100%),

posteriormente foram lacrados com tampa de butil e rosca plástica. Foram

mantidos em Incubadora Refrigerada (shaker), com agitação de 150 rpm a

30°C.

22

4.2.2. Análises físico-químicas

As amostras foram retiradas com o auxílio de seringas, onde foi feita a

análise centrifugada para cada reator. Deste modo, foram coletadas 2,5 mL

para cada análise e foram centrifugadas por dez minutos a uma velocidade de

80 rotações por minuto. Então, as amostras foram adicionadas a tubos de

ensaios em vidro, e em seguida, foram acrescentados 1,5 mL de uma solução

de dicromato de potássio e 3,5 mL de uma solução de ácido sulfúrico com

sulfato de prata. Os tubos de ensaio foram fechados e colocados no digestor, a

150°C por um período de 2 horas. Finalmente, após resfriados, suas

absorbâncias foram medidas em um espectrofotômetro UV-VIS e obtidas às

concentrações de DQO com comprimento de onda de 620 nm.

Foram realizados dois ensaios, onde o primeiro foi feito durante 67 dias,

com períodos variáveis de amostragem, e o segundo durante 9 dias.

As análises foram feitas segundo APHA (2012).

4.2.3. Ajuste cinético

Para o ajuste cinético foi utilizado um modelo cinético de primeira ordem

modificado. Segundo (CUBAS et al., 2007), o balanço de massa para o

substrato, expresso em DQO, em reator batelada, considerando uma cinética

aparente de primeira ordem, é:

( )

( ) (1)

onde é a velocidade global de reação em (mg.L-1.dia-1), é a concentração

de substrato em qualquer tempo em (mg.L-1), é a concentração de substrato

residual em (mg.L-1) em que a taxa de reação é zero, é o tempo em dias e

é a constante cinética de primeira ordem aparente em (dia-1).

A integração da equação (1) de (concentração inicial de substrato no

interior do reator no instante ) até , resulta em:

23

( )

(2)

5. RESULTADOS E DISCUSSÕES

As análises de DQO do reator branco, 1, 2 e 3 foram realizadas a partir

do 1° dia do experimento (tempo zero) e nos intervalos de 7, 32, 35, 39, 41, 50,

54, 61 e 67 dias. Logo, os dados de DQO centrifugada estão expressos na

Tabela 2 e nos gráficos das Figura 2, Figura 3 e Figura 4. O reator branco foi

utilizado como controle para acompanhar a autodegradação da matéria

orgânica, proporcionando a comparação com os reatores 1, 2 e 3 que

receberam o inóculo.

Tabela 2 - Valores de DQO centrifugada para cada dia de análise dos reatores branco,1, 2 e 3.

Tempo (dias)

DQO (mg/L)

Branco Reator 1 Reator 2 Reator 3

0 375 498 452 465

7 326 50 25 50

32 329 50 43 68

35 324 43 32 104

39 317 152 32 88

41 281 50 38 60

50 313 119 38 53

54 280 36 43 46

61 242 51 89 61

67 235 109 13 43

Fonte: Das autoras.

24

Figura 2 - Remoção de DQO em função do tempo para o reator 1. Fonte: Das autoras.

Figura 3 - Remoção de DQO em função do tempo para o reator 2. Fonte: Das autoras.

0

100

200

300

400

500

600

0 10 20 30 40 50 60 70

mg

DQ

O/L

Tempo (dias)

0

50

100

150

200

250

300

350

400

450

500

0 10 20 30 40 50 60 70

mg

DQ

O/L

Tempo (dias)

25

Figura 4 - Remoção de DQO em função do tempo para o reator 3. Fonte: Das autoras.

A concentração de DQO do reator branco possui um perfil de queda

lento, visto que seus valores variaram de 375 a 235 mg DQO/L, para um ciclo

de 67 dias, ocorrendo então, queda de DQO devido autodegradação de 37%.

Em relação aos reatores 1, 2 e 3, os gráficos apresentam o

comportamento de concentração de DQO, com queda acentuada do dia 0 até o

dia 7. No decorrer do período de análise houve uma estabilização de seus

valores

Para uma melhor análise foi calculada a eficiência de remoção de cada

um dos reatores para os diferentes tempos, através da seguinte equação:

(4)

em que a é o valor da DQO no tempo zero, e a é o valor

da DQO no tempo em questão. A Tabela 3 apresenta as porcentagens de

remoção para os reatores branco, 1, 2 e 3 em cada dia de análise realizada.

0

50

100

150

200

250

300

350

400

450

500

0 10 20 30 40 50 60 70

mg

DQ

O/L

Tempo (dias)

26

Tabela 3 - Eficiência de remoção para os reatores branco, 1, 2, e 3 no período de 67 dias.

Tempo (dias) Branco (%) Reator 1(%) Reator 2(%) Reator 3(%)

0 0% 0% 0% 0%

7 13% 90% 94% 89%

32 12% 90% 91% 85%

35 14% 91% 93% 78%

39 16% 70% 93% 81%

41 25% 90% 92% 87%

50 17% 76% 92% 89%

54 25% 93% 90% 90%

61 35% 90% 80% 87%

67 37% 78% 97% 91%

Fonte: Das autoras.

As Figuras 5, 6 e 7 ilustram os dados citados anteriormente na Tabela 3.

Figura 5 - Eficiência de remoção de DQO em função do tempo para o reator 1. Fonte: Das autoras.

0%

10%

20%

30%

40%

50%

60%

70%

80%

90%

100%

0 10 20 30 40 50 60 70

Efic

iên

cia

de

Re

mo

ção

Tempo (dias)

27

Figura 6 - Eficiência de remoção de DQO em função do tempo para o reator 2. Fonte: Das autoras.

Figura 7 - Eficiência de remoção de DQO em função do tempo para o reator 3. Fonte: Das autoras.

Analisando os resultados nota-se que para os reatores 2 e 3, após 67

dias, observou-se a maior remoção de DQO, 97% e 91% respectivamente. Já

para o reator 1, a maior remoção foi 93%, ocorrida após 54 dias do início das

análises. O valor de 73% de remoção obtido após 67 dias pode ter sido

consequência de algum erro experimental ou mesmo de amostragem do reator,

visto que, teoricamente, esta diminuição de porcentagem não deveria ocorrer.

0%

10%

20%

30%

40%

50%

60%

70%

80%

90%

100%

0 10 20 30 40 50 60 70

Efic

iên

cia

de

Re

mo

ção

Tempo (dias)

0%

10%

20%

30%

40%

50%

60%

70%

80%

90%

100%

0 10 20 30 40 50 60 70

Efic

iên

cia

de

Re

mo

ção

Tempo (dias)

Reator 3

28

Foi necessário um segundo ensaio para melhor avaliação do perfil para

os sete primeiros dias. Os dados experimentais obtidos para o segundo ensaio

estão expressos na Tabela 4 e na Figura 8.

Tabela 4 - Valores da DQO centrifugada em diferentes tempos para o ensaio de nove dias.

Tempo (dias) DQO (mg DQO/L)

Branco’ Reator 1’

0 989 1030

1

1096 1055

2

1172 1002

3 936 93

4 1002 126

7 1022 57

8 963 84

Fonte: Das autoras.

Figura 8 - Remoção de DQO em função do tempo para o segundo ensaio. Fonte: Das autoras.

O reator branco’ não apresentou autodegradação em 7 dias, em

contrapartida no reator 1’, a concentração reduziu de 1030 para 57 mg DQO/L.

Nota-se que a maior remoção de DQO ocorreu no sétimo dia, com uma

eficiência de 94%. Só houve remoção de DQO significativa a partir do terceiro

dia, obtendo após este dia valores próximos e estabilizados.

0

200

400

600

800

1000

1200

0 2 4 6 8

mg

DQ

O/L

Tempo (dias)

Branco'

Reator 1'

29

Para obtenção da constante cinética da degradação anaeróbia do

efluente de laticínio foi utilizado o ajuste cinético explicado na seção 4.2.3, para

o perfil experimental de 67 dias obtido pela média dos reatores 1, 2 e 3, e outro

para o perfil experimental dos nove primeiros dias. Os valores utilizados estão

apresentados nas Tabela 4 e Tabela 5 e os resultados obtidos nas Figuras 9 e

10.

Tabela 5 - Perfil experimental para a média dos reatores 1, 2 e 3.

Tempo (dias)

Média (mg DQO/L)

0 472

7 42

32 54

35 59

39 91

41 49

50 70

54 42

61 67

67 55

Fonte: Das autoras.

30

Figura 9 - Ajuste do perfil cinético em função da remoção de DQO para o ensaio de nove dias. Fonte: Das autoras.

Figura 10 - Ajuste do perfil cinético em função da remoção de DQO para a média dos reatores 1, 2 e 3. Fonte: Das autoras.

Logo, foram encontrados os valores dos parâmetros da equação após o

ajuste, onde é a concentração do substrato residual, é a constante

31

cinética de primeira ordem modificada e R2 é o coeficiente de determinação,

como demonstrado na Tabela 6.

Tabela 6 - Parâmetros cinéticos obtidos através do modelo cinético de primeira ordem modificado obtido para os dois ensaios.

Perfil Experimental

( ) ( )

9 dias 74,525±15,435 1,14±0,33 0,967

67 dias 47,531±4,176 0,121±0,025 0,991

Fonte: Das autoras.

Observa-se que o valor da constante cinética

para 9 dias de ensaio

foi superior a de 67 dias, o que mostra possivelmente a maior velocidade de

consumo/degradação observada no início do processo, uma vez que conforme

o tempo passa, o substrato torna-se limitante e a reação se torna mais lenta.

Nota-se ainda que o último ponto de amostragem do ensaio de 9 dias foi 84,01

mg/L, e para o ensaio de 67 dias foi 54,9 mg/L, sendo próximo ao valor residual

encontrado pelo ajuste cinético, indicando um bom ajuste para os dados.

Caso a degradação anaeróbia fosse corrigida através da

autodegradação do soro, ou seja, se o valor encontrado, através do ajuste

cinético para a concentração de substrato residual, fosse descontado, novos

valores de eficiência de remoção seriam encontrados.

Como a concentração de substrato residual encontrada foi de 47,531

mg/L, subtraindo este valor do inicial, foram obtidos os seguintes valores de

remoção de DQO, conforme demonstrado na Tabela 7.

32

Tabela 7 - Eficiência de remoção corrigida através da autodegradação do soro para os reatores 1, 2 e 3.

Tempo (dias) Reator 1(%) Reator 2(%) Reator 3(%)

0 0% 0% 0%

7 88,9% 93,7% 88,0%

32 88,8% 89,4% 83,7%

35 90,5% 91,9% 75,2%

39 66,3% 91,9% 78,8%

41 88,8% 90,7% 85,5%

50 73,6% 90,5% 87,2%

54 92,1% 89,3% 89,0%

61 88,7% 78,1% 85,4%

67 75,8% 96,8% 89,6%

Fonte: Das autoras.

Observa-se que, para o reator 1, a diferença entre as porcentagens de

remoção corrigidas com as primeiramente calculadas, Tabela 3, varia entre

0,7% e 3,2%, para o reator 2, entre 0,8% e 2,3%, e para o reator 3 entre 1,0%

e 2,6%, demonstrando que não ocorreu diminuição significativa.

Devido à dificuldade para encontrar trabalhos semelhantes ao realizado

nesse projeto, não foi possível fazer comparação da constante cinética obtida,

uma vez que a determinação foi específica para a água residuária proposta

neste trabalho, com condições específicas de operação, nutrientes e inóculo

empregado.

6. CONSIDERAÇÕES FINAIS

A realização deste trabalho possibilitou um maior entendimento do

processo de digestão anaeróbia no tratamento de efluente de laticínio em

reator batelada de escala laboratorial.

Os resultados obtidos foram satisfatórios, uma vez que houve uma

diminuição da concentração de DQO com o decorrer do tempo. A maior

33

remoção de DQO ocorreu entre o primeiro e o sétimo dia, e no decorrer do

período de análise houve uma estabilização de seus valores.

A maior porcentagem de remoção de DQO encontrada para os reatores

2 e 3, foi de 97% e 91% respectivamente, após 67 dias. Já para o reator 1, a

maior remoção foi 93%, ocorrida após 54 dias do início das análises.

Com relação ao perfil cinético do reator, a constante cinética de primeira

ordem modificada obtida foi de (0,121±0,025) dia-1, e a concentração do

substrato residual foi de (47,531±4,176) mg/L, para o ensaio de 67 dias, já para

o ensaio de 9 dias foi encontrada uma constante cinética de (1,14±0,33) dia-1, e

uma concentração de substrato residual de (74,525±15,435) mg/L, o que se

mostra próximo ao resultado experimental obtido para o último ponto de

amostragem de 54,9 mg/L e 84,01 mg/L, respectivamente. Percebe-se também

que o valor da constante cinética de primeira ordem, para os nove primeiros

dias, foi maior que o do outro ensaio, demostrando possivelmente como o

substrato torna-se limitante e a reação se torna mais lenta conforme o tempo

passa.

7. SUGESTÕES PARA PROPOSTAS FUTURAS

Sugere-se, como forma de estímulo para trabalhos futuros, trabalhar

com maiores concentrações de soro e outros tipos de reatores.

34

REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS

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examination for water and wastewater. 17th Ed. New York. 2012.

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leite, Piracicaba, n. 226, p. 1-8, fev. 2014.

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Reatores anaeróbios. 2. ed. Belo Horizonte: Departamento de Engenharia Sanitária e

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stirred anaerobic sequencing batch reactor containing immobilized biomass.

Bioresource Technology, p. 1411-1417, 2007.

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FANG, H. H. P.; CHUI, H.K.; LI, Y.Y.Microbial structure and activity of UASB granules

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estatística da produção pecuária. Jun. 2014.

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35

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