Tratamento de águas residuárias com alta concentração de lipídios em
sistema de reatores combinados enzimático/biológico
D.J.Silva, M.R. Modolo, M.B. Varesche, C.E.Blundi† and M.Zaiat
Universidade de São Paulo (USP) - Escola de Engenharia de São Carlos (EESC) – Departamento de
Hidráulica e Saneamento – Av. Trabalhador São-Carlense, 400, CEP: 13560-250, São Carlos, SP,
Brazil
Abstract This work presents the conception and discusses the results obtained from the operation
of an integrated system composed of an expanded inverted bed enzymatic reactor and a horizontalflow anaerobic immobilized (HAIB) biomass reactor for lipid-rich wastewater treatment, as well as
compare this system with a control HAIB operating under the same conditions. This system was
operated in a chamber under controlled temperature of 30 ± 1ºC, being applied a hydraulic
detention time of 30 minutes in the enzymatic reactor and 24 hours in the anaerobic reactors. The
enzymatic reactor was packed with Lipolase 100L and immobilized on low-density polyethylene
(LDPE) powder. The previous experiments of immobilization and enzymatic characterization
showed an immobilization efficiency of 95.9% on the LDPE, determined as protein recovery
percentage, and hydrolytic activity of 85.7%, determined as immobilization performance. The
integrated system presented average COD and oil and grease removal efficiencies of 99.0 ± 0.3%
and 94.9 ± 3.2%, respectively, whereas the anaerobic control reactor presented average efficiencies
of 98.9 ± 0.4% and 94.2 ± 2.8%. The integrated system reached good results for organic matter and
lipids removal, but the control anaerobic reactor presented similar performance throughout the
experiment, thus indicating that the enzymatic pretreatment can be dispensable in this system.
Palavras Chave Tratamento anaeróbio, RAHLF, lipídios, sistemas combinados, hidrólise, lipase
Introdução
O presente trabalho teve como principais objetivos o estudo de viabilidade e desempenho de
reatores enzimáticos como pré-tratamento, antecedendo reatores anaeróbios, tratando águas
residuárias contendo uma alta concentração de lipídios, e comparar este sistema com um reator
anaeróbio de controle, operado sob as mesmas condições. Foi priorizado o uso de enzimas
comercialmente disponíveis como as lipases, as quais são amplamente empregadas no segmento de
detergentes e sabões em pó.
Os lipídios (gorduras, óleos e graxas) são um dos maiores compostos orgânicos encontrados em
águas residuárias industriais e municipais (Raunkjaer et al., 1994). De acordo com Metcalf & Eddy
(1991), a quantidade limite de óleos e graxas em águas residuárias, lançadas em cursos d’água, deve
representar de 15 a 20 mg.l-1 no valor da demanda química de oxigênio (DQO). A aplicação de
reatores anaeróbios para tratamento de águas residuárias contendo grandes quantidades de sólidos
suspensos ou lipídios normalmente é limitada pelo acúmulo desses compostos no leito de lodo.
O número de pesquisas sobre digestão anaeróbia de lipídios semipurificados é muito pequeno, a
maioria dos resultados foram obtidos com substratos sintéticos ou águas residuárias reais contendo
outras substâncias além de lipídios, tais como carboidratos e proteínas (Petruy e Lettinga, 1997).
Alguns pesquisadores recomendam a aplicação de reatores de duas fases, em sistemas de tratamento
de águas residuárias ricas em lipídios para que parte desses compostos seja removida na primeira
etapa (Kaspagil et al., 1994; Perle et al., 1995). A utilização de um sistema de reatores combinados
(reator enzimático de leito expandido/reator anaeróbio horizontal de leito fixo), utilizando enzimas
comercialmente disponíveis como lipases, visa a diminuição do tempo de residência nestes reatores
com conseqüente redução do volume devido a uma pré-hidrólise de macromoléculas.
Material e Métodos
A Figura 1 mostra esquematicamente o fluxograma do sistema experimental utilizado neste
trabalho. Neste sistema, a água residuária era bombeada para o reator enzimático de leito expandido
invertido (RELI) e para um reator anaeróbio horizontal de leito fixo denominado de controle
RAHLF02. O reator anaeróbio horizontal de leito fixo RAHLF01 era alimentado com a água
residuária previamente tratada pelo reator enzimático.
Este sistema foi operado em uma câmara com temperatura controlada a 30±1ºC, sendo aplicado
um tempo de detenção hidráulica de 30 minutos no reator enzimático e 24 horas nos reatores
anaeróbios.
O reator enzimático de leito expandido invertido, era constituído de uma coluna de acrílico
equipada com distribuidores de fluxo nas extremidades, com 60cm de altura e 2 cm de diâmetro
interno, relação L/D de 30 e volume útil de 135 ml, sendo preenchido com 25 g de enzima
imobilizada. Os reatores RAHLF01 e RAHLF02 foram construídos em acrílico com comprimento de
100 cm e diâmetro interno de 5 cm, perfazendo uma relação L/D igual a 20 e volume total de 2
litros. Os reatores anaeróbios eram equipados com coletores de gás ao longo do comprimento e,
coletores de amostra alocados nas posições L/D igual a 4, 8, 12 e 16, sendo preenchidos com lodo
anaeróbio imobilizado em espuma de poliuretano na forma de partículas cúbicas de 3mm de lado.
1 – Reservatório de água residuária
2 – Bomba peristáltica
3 – RELI
4 – RAHLF 01
5 – RAHLF 02
6 – Saída de gases
A1, A2, A3, A4 – Pontos de amostragem
Figura 1 Esquema dos reatores enzimático e biológicos
A água residuária sintética era constituída por lipídios (azeite de oliva) e solução de nutrientes,
emulsionados com goma arábica por meio de liquefação, apresentando DQO de 8748 ± 711 mg.l-1 e
concentração de óleos e graxas de 1821 ± 512 mg.l-1.
A enzima Lipolase 100L da Novo Nordisk foi imobilizada em polietileno de baixa densidade
micronizado usando a técnica de imobilização por adsorção, seguindo metodologia descrita por
Murray et al. (1997) e Al-Duri e Yong (2000).
Antes da operação do sistema, foram realizados ensaios de imobilização e caracterização
enzimática utilizando a água residuária sintética com alta concentração de lipídios como substrato
para as enzimas nas formas livre e imobilizada, segundo metodologia proposta por Murray et al.
(1997) e Al-Duri e Yong (2000).
O sistema foi operado durante 100 dias e o desempenho foi avaliado através de análises de
demanda química de oxigênio (DQO), óleos e graxas, concentração de ácidos voláteis totais (AVT)
e alcalinidade à bicarbonato, de acordo com o Standard Methods for Examination of Water and
Wastewater (1995).
A caracterização da biomassa imobilizada em espuma de poliuretano para os dois reatores
anaeróbios foi realizada utilizando microscópio Olympus BX60-FLA
Resultados e discussão
Nos ensaios prévios de imobilização e caracterização enzimática, obteve-se uma eficiência de
95,9% de imobilização da enzima no polietileno de baixa densidade micronizado, determinada
como porcentagem de recuperação de proteínas e atividade hidrolítica de 85,7%, determinada como
rendimento de imobilização.
O sistema combinado (enzimático/anaeróbio) apresentou eficiências médias de remoção de DQO
e de óleos e graxas de 99,0 ± 0,3% e 94,9 ± 3,2%, respectivamente, enquanto que o reator anaeróbio
controle apresentou eficiências médias de 98,9 ± 0,4% e 94,2 ± 2,8%. As Figuras 2 e 3 apresentam
as variações da DQO e da concentração de óleos e graxas, respectivamente, no sistema combinado e
no reator controle.
11000
9000
(a)
(b)
(c)
(d)
2500
2000
8000
-1
Óleos e graxas (mg. l )
-1
DQO (mg. l )
3000
(a)
(b)
(c)
10000
7000
6000
250
200
150
100
50
0
0
20
40
60
80
100
Tempo (dias)
Figura 02 Remoção de DQO bruta em função
do tempo: a) DQO afluente; b) DQO efluente do
sistema combinado; c) DQO efluente do sistema
de controle.
1500
900
800
700
600
500
400
300
200
100
0
0
20
40
60
80
100
Tempo (dias)
Figura 03 Remoção de óleos e graxas em
função do tempo: a)Afluente; b)Efluente préhidrolisado;c) Efluente do sistema controle; d)
Efluente do sistema combinado
Não houve variações significativas de pH, mantendo-se durante os 100 dias de operação, nas faixas
de 7,7 a 8,3 (afluente); 7,7 a 8,3 (efluente do reator enzimático); 7,0 a 8,3 (efluente do sistema
combinado); e 7,0 a 8,0 (efluente do reator controle). O que demonstrou uma boa estabilidade em
ambos os sistemas monitorados.
Houve geração de alcalinidade a bicarbonato em ambos os sistemas, indicando boa estabilidade
operacional durante todo o período estudado. Valores de 556 ± 30 mg CaCO3.l-1 foram observados
no afluente, enquanto valores médios de 605 ± 61 mg CaCO3.l-1 e 612 ± 56 mg CaCO3.l-1 foram
observados no efluente do sistema combinado e do sistema controle, respectivamente.
Os valores dos ácidos voláteis totais (AVT) para o afluente variaram entre 28 e 83 mg.l-1,
apresentando valor médio 52 ± 15 mg.l-1. No efluente hidrolisado os valores ficaram entre 29 e 97
mg.l-1, apresentando valor médio 50 ± 15 mg.l-1. No efluente do sistema combinado os AVT
variaram de 25 a 110 mg.l-1, com valor médio 49 ± 20 mg.l-1. Para o efluente do reator controle os
ácidos voláteis tiveram uma variação de 25 a 102 mg.l-1, com um valor médio de 48 ± 17 mg.l-1.
Observou-se que não houve alteração significativa na concentração de AVT, o que demonstra uma
estabilidade operacional tanto no sistema combinado como no sistema de controle.
As biopartículas de espuma de poliuretano foram observadas em microscópio óptico após 30 dias
de operação e ao final do experimento (100 dias de operação). Nas duas condições avaliadas, foi
observado predomínio de bacilos irregulares, víbrios, bacilos retos, bacilos com as extremidades
arredondadas e bacilos com grânulos intracelulares. Além disso, arqueas metanogênicas como
Methanosaeta e bacilos fluorescentes foram observados nas duas amostragens.De acordo com
Boone e Mah (1989), esses gêneros são estritamente anaeróbios e utilizam acetato e hidrogênio,
respectivamente, como principais doadores de elétrons para a metanogênese. Dessa forma, as
condições operacionais e ambientais favoreceram o crescimento das arqueas acetoclásticas
(Methanosaeta) e hidrogenotróficas, provavelmente pertencente a família Methanobacteriaceae e
correspondendo aos gêneros Methanobacterium e Methanobrevibacter. Víbrios semelhantes a
Desulfovibrio sp também foram observados nas amostras de espuma de poliuretano.
Especificamente neste trabalho, esses microrganismos realizaram o metabolismo fermentativo. Ou
seja, devido a baixas concentrações de sulfato, a respiração anaeróbia não foi favorecida.
Conclusões
O sistema de reatores combinados apresentou um bom resultado tanto na remoção de matéria
orgânica como na remoção de lipídios na forma de óleos e graxas, cumprindo com o objetivo
proposto para o sistema. O reator anaeróbio horizontal de leito fixo operado como controle
apresentou resultados com ordem de grandeza bem próxima aos obtidos em sistema combinado.
Esses resultados redirecionam a linha de pesquisa, visto que a hipótese levantada como objetivo
(pré-tratamento enzimático) apenas apresentou resultados melhores com relação à estabilidade do
sistema. Desperta-se então, a necessidade de realização de experimentos em RAHLFs em maiores
períodos de operação e menores tempos de detenção hidráulica, possibilitando assim, uma melhor
exploração do potencial deste reator no tratamento de águas residuárias com alta concentração de
lipídios.
Referências bibliográficas
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Standard Methods for the Examination of Water and Wastewater (1995). 19th edn. American Public
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