21º Congresso Brasileiro de Engenharia Sanitária e Ambiental
II-022 - AVALIAÇÃO DO BIOFILME DESENVOLVIDO EM REATOR DE LEITO
FLUIDIZADO NO TRATAMENTO DE ESGOTO SANITÁRIO
Delmira Beatriz Wolff(1)
Engenheira Sanitarista pela UFSC, Especialista em Saúde Pública pela UNAERP, Mestre
em Engenharia Ambiental – UFSC, Pesquisadora DTI CNPq.
Rosane Hein de Campos
Engenheira civil pela UCPEL, especialista em segurança do trabalho pela UCPEL, mestre
em Engenharia Ambiental-UFSC
Heike Hoffmann
Bióloga, Doutora pela Universidade de Rostock, Alemanha, bolsista DAAD
Flávio Rubens Lapolli
Engenheiro Civil, Doutor pela Escola de Engenharia de São Carlos-USP, “sandwich” com Universidade de
Montpellier, França, Professor Adjunto da Universidade Federal de Santa Catarina
Paulo Belli Filho
Engenheiro Sanitarista, Doutor pela Universidade de Rennes – França, Professor Adjunto da Universidade
Federal de Santa Catarina
Rejane Helena Ribeiro da Costa
Engenheira Civil, Doutora pelo INSA – Toulouse, França. Professor Titular da Universidade Federal de Santa
Catarina. Consultora da FINEP, do FNMA, da CAPES e do CNPq
Endereço (1): Departamento de Engenharia Sanitária /UFSC – Campus Universitário – Trindade CEP 88040900. Florianópolis-SC. Telefone 48 331 9597. E-mail [email protected]
RESUMO
Este trabalho investiga o biofilme desenvolvido na superfície de uma partícula polimérica em um reator de
leito fluidizado trifásico aeróbio, ao tratar o efluente de um tanque séptico, utilizado para tratamento de esgoto
sanitário urbano e esgoto proveniente do restaurante universitário da Universidade Federal de Santa Catarina
(UFSC). A instalação piloto é formada por uma coluna em acrílico, com 2 metros de altura e diâmetro interno
de 20 cm. Na parte inferior, há um dispositivo tronco-cônico com aberturas para entrada de efluente e ar. O
material suporte testado foi o PVC com densidade de 1329 kg/m3 e diâmetro médio de 4,02 mm. Foram
realizados dois ensaios, e o acompanhamento do reator foi feito com medidas da fase líquida e do biofilme.
O processo de tratamento utilizando leito fluidizado trifásico aeróbio mostra-se eficiente na remoção da
poluição carbonácea (DQO filtrada) atingindo remoção média de 78%. As observações ao microscópio
eletrônico mostraram um biofilme fino aderido ao suporte, sob uma camada de exopolímeros que o protege
contra o atrito entre as partículas e o cisalhamento causado pela passagem do líquido no reator . Quanto ao
biofilme desprendido (fase líquida), as observações ao microscópio ótico mostraram a cohabitação de
diferentes espécies de microorganismos como pequenos flocos ricos em Zooglea, Zooflagelados, ciliados fixos
(como Epistylis, Vorticellas) e livres (Uronemas, Metopus e outros), que são indicadores de uma correta
eficiência depuradora de modo geral, e ainda, bactérias filamentosas e muitas bactérias livres em suspensão.
PALAVRAS-CHAVE: Biofilme, Leito Fluidizado, Tratamento de Águas Residuárias, Microorganismos
INTRODUÇÃO
Os sistemas de tratamento de águas residuárias, utilizando biomassa fixa, como “biofiltros submersos”,
“filtros biológicos aerados (BAF)”, “biodiscos”, reatores “air lift”, e “leito fluidizado”, vêm sendo
utilizados no mundo inteiro, em escala real e em pesquisas, e oferecem muitas vantagens se comparados aos
tratamentos biológicos convencionais (lodo ativado, filtros biológicos e lagoas de estabilização), tais como:
entrada rápida em regime, alta taxa de remoção volumétrica, aumento da estabilidade do processo,
compacidade dos reatores (Lazarova & Manem, 1995) e menor produção de lodo, em função da elevada
concentração da biomassa, que assegura uma maior idade do lodo (Wolff et al., 1998).
ABES – Trabalhos Técnicos
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21º Congresso Brasileiro de Engenharia Sanitária e Ambiental
O reator biológico de leito fluidizado é uma inovação na tecnologia de tratamento de águas residuárias. A
imobilização dos microrganismos em pequenos suportes fluidizados, como biofilmes, possibilitam ao reator
biológico: reter uma grande concentração de biomassa no seu interior devido a maior área superficial;
melhorar o contato da biomassa com o substrato; operar em tempos de retenção hidráulica significativamente
reduzidos; melhorar a eficiência na remoção da DQO; diminuir a produção do lodo; e reduzir a área
necessária. A fluidização supera problemas de operação como colmatação do leito e queda de pressão, que
poderão ocorrer se o suporte muito pequeno for empregado em reatores de biofilme convencionais.
A formação do biofilme e seu crescimento é um aspecto complexo na operação de reatores de leito fluidizado.
O controle da espessura do biofilme é reconhecido como um dos mais importantes parâmetros influenciando a
eficiência e o desempenho do processo. A operação adequada de reator de leito fluidizado aeróbio é atingida
se a colonização do suporte em regime permanente é assegurada e se o biofilme é mantido fino. Para chegar a
estas condições, a escolha do material suporte é um aspecto essencial, bem como o controle de variáveis que
afetam a hidrodinâmica do reator. É indispensável o conhecimento e a determinação dos fatores que afetam a
concentração de polissacarídeos no biofilme, como uma medida da adesão bacteriana (Costa et al, 1991).
Este trabalho investiga o biofilme desenvolvido na superfície de uma partícula polimérica –PVC, em um reator
de leito fluidizado trifásico aeróbio, ao tratar o efluente de um tanque séptico, aplicado ao tratamento de
esgoto sanitário urbano e esgoto proveniente do restaurante universitário da Universidade Federal de Santa
Catarina (UFSC).
Esta pesquisa está inserida no PROSAB – Programa de Pesquisa em Saneamento Básico (Edital 2), financiado
pela FINEP, CNPq e CEF.
MATERIAIS E MÉTODOS
O reator de leito fluidizado trifásico aeróbio é formado por com coluna em acrílico, com 2 metros de altura e
diâmetro interno de 20 cm, com volume total de 0,63 m3 . Na parte posterior, situa-se uma câmara de
tranqüilização com altura de 1 metro e diâmetro interno de 30 cm. Na parte inferior, há um dispositivo troncocônico, com aberturas para entrada de efluente e ar. A altura total da unidade é 3 m. O efluente proveniente de
dois tanques sépticos em série (25 e 10 m3, respectivamente), fica estocado no tanque de equalização (4 m3),
de onde é bombeado para o reator. O efluente tratado no reator, após passar por um decantador com volume de
1 m3, é encaminhado para um tanque de recirculação (5 m3). A recirculação do efluente tem o objetivo de
manter o suporte em fluidização. O material suporte testado foi o PVC com densidade de 1329 kg/m3 e
diâmetro médio de 4,02 mm, tratado com solução ácida para melhor aderência do biofilme. O reator foi
preenchido com o material suporte até uma altura de 83,5 cm (ensaio I) e com 90 cm (ensaio II).
O esquema da instalação piloto é mostrado na Figura 1.
Figura 1. Esquema da instalação piloto
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Foram realizados dois ensaios (I e II), cujas características operacionais são mostradas na tabela 1. O reator foi
alimentado com esgoto sanitário urbano (ensaio I) e esgoto do restaurante universitário misturado com esgoto
sanitário (ensaio II), tratados anaerobicamente nos tanques sépticos 1 e 2, que integram o sistema de
tratamento.
Tabela 1 . Condições operacionais do reator
Ensaio
Expansão do Leito
(%)
I
80
II
100
TRH
(Min)
21
42
COVaplicada
(kgDQO/m3.d)
11,74
17,58
Duração do Ensaio
(Dias)
38
41
O acompanhamento do reator foi feito com medidas da fase líquida: sólidos totais suspensos
(SST),determinados através de filtração à vácuo em filtros de membrana de acetato de celulose, diâmetro
0,45µm; Oxigênio Dissolvido (OD), pH, e Temperatura, pelo medidor multiparâmetros marca ORION
modelo 1230; Demanda Química de Oxigênio (DQOfiltrada) filtrada em papel Wahtman 40, pelo micrométodo;
Carbono Orgânico Dissolvido (COD) filtrado em membrana de 0,45µm, pelo Analisador de COT
SHIMADZU - TOC-5000 A; do biofilme: proteínas (PN), pelo método de Lowry, modificado por Tavares
(1992), polissacarídeos (PS) aderidos e/ou suspensos, pelo método de Dubois (1956). Foram feitas
observações ao microscópio ótico (MO) – OLYMPUS BX40 do afluente e na corrente de saída do reator de
leito fluidizado (flocos em suspensão). O biofilme aderido foi observado ao microscópio eletrônico de
varredura. (MEV)- PHILIPS XL 30. Foi também efetuada a coloração gram com amostra seca, as quais foram
analisadas ao MO com aumento de 1000 vezes, sem fase de contraste.
Foram efetuados cálculos diários do coeficiente específico de desprendimento (bs) e da produção específica de
lodo ou taxa de conversão (Y), que é definida como a quantidade de biomassa produzida, expressa em
proteínas do materiais em suspensão, por unidade de massa de substrato consumido em DQO, determinados
pelas equações 1 e 2:
bs =
Q. X e
Κ (1)
M s X pt
Em que: bs = coeficiente específico de desprendimento; Q = vazão de alimentação (L/dia); Ms = massa total
do suporte (g); Xe = concentração de biomassa no efluente (gPN/L) e Xpt = biomassa aderida ao suporte
(gPN/g de suporte).
Y =
Xe
Κ ( 2)
S cons
Em que: Y = gPN/gDQO removida; Xe = concentração de biomassa no efluente (gPN/L)
concentração de substrato consumido (gDQO/L).
e Scons =
RESULTADOS
A tabela 2 apresenta os resultados obtidos nos ensaios I e II quanto ao desempenho do tratamento biológico
em termos de DQO filtrada e COD.
Tabela 2 – Eficiência média de remoção.
Ensaio
DQO Filtrada (%)
I
36
II
78
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COD (%)
42
78,5
3
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No ensaio I, o bioreator estava em ajuste de suas condições operacionais. Apresentou uma baixa eficiência
(36%) de remoção de DQOfiltrada para um tempo de retenção hidráulica de 21 minutos e COVaplicada de 11,74
KgDQO/m3.d.
No ensaio II, o bioreator operando em condições adequadas, apresentou uma eficiência média de 78% na
remoção de DQOfiltrada para um tempo de retenção hidráulica de 42 minutos sendo operado com uma forte
COV aplicada (17,58 KgDQO/m3.d)
A Figura 2 apresenta a evolução da matéria orgânica em termos de DQOFILTRADA de entrada e saída do reator,
obtida durante o ensaio II.
1600
1400
1200
1000
800
600
400
200
0
1
4
7
10
13
16
19
22
25
28
31
34
37
40
Tempo (dias)
DQOent.
DQOsaída
Figura 2- Evolução DQO afluente e efluente (mg/L)
Observa-se na figura 2 quanto à DQOFILTRADA de saída, ao longo do ensaio 2, que a partir do 1o dia, há uma
tendência do reator de entrar em regime permanente. Em alguns dias obteve-se eficiência máxima acima de
90%, confirmando uma das vantagens deste tipo de reator, ou seja, apresenta alta taxa de remoção
volumétrica. Estes resultados assemelham-se aos obtidos por outros pesquisadores, como por exemplo:
DISTLER et. al. (1995), trabalharam com esgoto doméstico e obtiveram eficiência de remoção de DQO
solúvel de 55% a 76% (com COVaplicada. variando de 2,8 a 5,4 kgDQO/m3.d), com tempos de retenção
hidráulica variando de 1 a 2 h.
TAVARES (1992), trabalhando com efluente sintético de fácil degradabilidade, obteve eficiência de remoção
de DQO solúvel de 55% (COVaplicada. 24,5kgDQO/m3.d) a 76% (COVaplicada. 6,8 e 7,6kgDQO/m3.d), com
tempos de retenção hidráulica de 10 a 30 min.
GRANDO-ALVES et al. (1999), trabalhando com efluente sintético de indústrias têxteis, obtiveram eficiência
de remoção de DQO solúvel de 77% (COVaplicada. 28 kgDQO/m3.d), com tempo de retenção hidráulica de
23 min.
ESTUDO DO BIOFILME:
A importância do teor de polissacarídeos no processo de adesão do biofilme, pode ser avaliada através da
comparação da relação Polissacarideo/Proteína - (PS/PN) do biofilme e da biomassa em suspensão.
A Figura 2 apresenta a evolução da relação PS/PPN aderidos ao suporte e em suspensão para os ensaios I e II.
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ENSAIO I
ENSAIO II
6
12
5
10
4
8
3
6
2
4
1
0
2
1
4
7
10
13
16
19
22
25
28
31
34
37
0
Tempo (dias)
PS/PN aderidas
1
4
PS/PN suspensas
7
10
13
16
19
22
25
28
31
34
37
40
Tempo (dias)
PS/PN aderidas
PS/PN suspensas
Figura 2 – Evolução da relação PS/PN aderidos e suspensos
0s valores da relação PS/PN aderida mostraram-se, em média, 4 vezes maiores (ensaio I) e 4 a 10 vezes
maiores (ensaio II) do que a relação PS/PN em suspensão, indicando a existência de uma biofilme coeso ao
suporte, e consequentemente, uma melhor retenção da biomassa aderida.
TAVARES (1992) mostrou uma relação PS/PN do biofilme cerca de duas vezes maior que a biomassa em
suspensão, destacando a importância dos polissacarídeos no fenômeno de adesão célula-suporte. DORAN e
BAYLEY (1986) citados por TAVARES (1992), mostraram que a relação PS/PN do biofilme é de 2 a 4 vezes
maior do que a biomassa em suspensão.
A figura 3 apresenta foto efetuada no microscópio eletrônico de varredura do biofilme aderido à partícula de
PVC, no 17o dia do ensaio I.
Fig.3. Fotos ao MEV do PVC colonizado – aumento 2000 vezes
A foto ao microscópio eletrônico de varredura mostrou um biofilme com colonização no interior da matriz
polissacarídica. Isto ocorreu devido ao fato dos microorganismos estarem submetidos à condições
hidrodinâmicas do reator, como elevado cisalhamento pela passagem de altas velocidades superficiais
necessárias para manter o suporte em fluidização. Esta condição induz uma maior produção de
polissacarídeos.
As observações ao microscópio ótico, efetuadas durante o ensaio I, mostraram que o esgoto no interior do
reator contém flocos pequenos, ricos em Zooglea, Zooflagelados e ciliados livres (Uronema, Metopus) e
ciliados fixos (Vorticella).Estes microorganismos presentes no meio líquido e nos flocos apresentam-se em
efluentes com boas condições de aeração. Os ciliados livres (Vorticella) são espécies relativamente frágeis à
introdução de compostos tóxicos e à falta de oxigênio. É um indicador de uma correta eficiência depuradora e
de modo geral, o comprimento do pendúculo está relacionado ao grau de tratamento, ou seja, quanto mais ele é
longo, melhor é o tratamento (CANLER et. al., 1999). Já os ciliados livres como as Uronemas, são
encontradas em instalações cuja qualidade do tratamento é moderado-fraco.
As observações ao microscópio ótico mostraram que o esgoto que alimentou o reator no ensaio I contém
alguns filiformes, muitas bactérias livres em suspensão e também microflocos de Spirillum e Spirochaeta.
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Quanto coloração gram, observou-se que é constituído em maior quantidade por bactérias gram negativas.
Igualmente para o biofilme observou-se que este é constituído em quase toda a sua totalidade por bactérias
gram negativas, resultado esperado, pois o material suporte foi carregado positivamente.
A Figuras 4 apresenta a evolução da população microbiana em suspensão, durante o ensaio II, feitas através do
microscópio ótico.
4a) bactérias filamentosas
4b)presença de Epystilis
Fig.4- População Microbiana presente no interior do reator, durante o ensaio 2 (t = 40 dias)
Durante o ensaio II, observou-se a presença de flocos com zoogleas em sua superfície, organismos
unicelulares e multicelulares e bactérias filamentosas. Durante este ensaio ocorreu o aumento do tamanho dos
flocos e o desenvolvimento excessivo das bactérias filamentosas. Isto pode ter sido originado pelos seguintes
fatores:
• sempre que o meio líquido apresentou boa oxigenação (OD> 2mg/L), verificaram-se condições propícias
ao crescimento de microorganismos unicelulares e aumento dos flocos;
• a falta de oxigênio no meio líquido, propiciou o crescimento de organismos multicelulares e de bactérias
filamentosas, nos dias em que as concentrações de OD atingiram valores próximos a zero mg/L;
• a concentração afluente de DQO (figura 2) passou de 600 mg/L para 1400 mg/L no tempo de 37 dias de
ensaio, ficando entre 1000 e 1200 mg/L nos últimos dias de ensaio (39 a 41 dias). O aumento da
concentração de DQOafluente pode propiciar uma diminuição na concentração de nutrientes (fósforo e
nitrogênio) favorecendo um aumento excessivo das bactérias filamentosas, conforme observadas na figura
4a. As bactérias filamentosas, presentes tanto em forma de flocos como livres, igualmente degradam a
matéria orgânica, mas seu crescimento deve ser controlado, pois podem causar problemas na decantação
do lodo (PIPES,1967 citado por BERGAMASCO, 1996).
Observou-se ainda, a presença de Epystilis, (figura 4.b), que é um indicador de efluente tratado de boa a muito
boa qualidade, o qual ocorre em instalações sob condições estáveis, com aeração permanente e possuem boa
capacidade depuradora de poluição carbonácea (CANLER et. al., 1999). Em alguns dias, observou-se também,
a existência de bactérias quimiotróficas sulfato-redutoras, que provavelmente desenvolveram-se no tanque
séptico.
Embora tenham ocorridos diversos fatores que propiciaram o desenvolvimento de vários tipos de
microorganismos no interior do reator, não foi observada a influência destes no processo de tratamento
biológico com reator de leito fluidizado trifásico aeróbio, em relação a eficiência de remoção carbonácea.
A figura 5 mostra a evolução da produção específica de lodo ao longo dos ensaios I e II.
Figura 5. Evolução da taxa de produção de lodo (Y)- ensaios 1 e 2
ENSAIO II
ENSAIO I
0,5
9
0,45
8
0,4
7
0,35
6
0,3
5
0,25
4
0,2
3
0,15
2
0,1
1
0,05
0
0
1
4
7
10
13
16
19
22
Tempo (dias)
6
25
28
31
34
37
1
3
5
7
9
11
13 15 17 19
21
23 25 27 29 31 33 35 37 39
41
Tempo (dias)
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Os valores médios obtidos no decorrer dos ensaios foram de 1,45 mgPN suspensa/mg de DQO removida para
o ensaio I e 0,19 mgPN suspensa/mg de DQO removida para o ensaio II. Observa-se oscilações em ambos os
ensaios, entretanto, no ensaio I a produção de lodo biológico foi mais elevada, indicando um maior
desprendimento de biofilme, e consequentemente, menor eficiência em termos de remoção de DQO. Este
resultado está em conformidade com a relação PS/PN aderido, a qual foi maior no ensaio II.
O desprendimento do biofilme, determinado pelo coeficiente específico de desprendimento (bs), é apresentado
na Figura 6.
100
90
80
70
60
50
40
30
20
10
0
1
3
5
7
9
11 13 15 17 19
21 23 25 27 29 31
33 35 37 39 41
Tempo (dias)
ENSAIO I
ENSAIO II
Figura 6 – Coeficiente específico de desprendimento
O coeficiente médio específico de desprendimento (bs), obtido no ensaio I foi de 42 d-1 e no ensaio II foi de 26
d-1 . No ensaio I, o maior desprendimento do biofilme ocorreu no início de experimento (60 a 95 d-1), quando
as proteínas em suspensão apresentavam-se em concentrações elevadas ( maiores que 60 mg/L). A partir do
11o dia do ensaio, os valores de bs variaram entre 10 e 50 d-1, sendo que neste período a concentração dos
polissacarídeos aderidos cresceram no decorrer do tempo e as proteínas em suspensão decresceram,
mostrando, então, a tendência à maior coesão do biofilme com o tempo do ensaio, e consequentemente, menor
desprendimento. No ensaio II, observa-se a evolução do coeficiente específico de desprendimento, variando
entre 20 e 55 d-1. Estes comportamentos podem ser atribuídos as condições de grande cisalhamento causado
pela passagem do líquido.
Estes valores de bs apresentam-se elevados, quando comparados aos resultados obtidos por outros
pesquisadores (Wolff et al., 1998, Tavares 1992, Trinet et al. 1991), porém aproxima-se daqueles obtidos por
Bergamasco (1996) utilizando o material suporte “poliestireno+ácido”.
CONCLUSÕES
Com base no trabalho realizado, concluiu-se que:
O reator de leito fluidizado trifãsico aeróbio mostrou um grande potencial para o tratamento de efluentes
sanitários, uma vez que apresentou boa eficiência em termos de remoção carbonácea, com uma elevada carga
orgânica aplicada (na ordem de 17,6 kgDQO/m3.dia), com baixo tempo de retenção hidráulica (42 minutos), e
baixa produção de lodo, quando operado em condições adequadas.
Foi observada a cohabitação de diferentes espécies de microrganismos na fase líquida do reator de leito
fluidizado, como pequenos flocos ricos em Zooglea, Zooflagelados, ciliados fixos (como Epistylis,
Vorticellas) e livres (Uronemas, Metopus e outros), e ainda, bactérias filamentosas e muitas bactérias livres em
suspensão. Não foi observada a influência destes diferentes tipos de organismos em relação à eficiência de
remoção carbonácea.
A utilização da microscopia ótica apresentou-se como um bom instrumento de avaliação, fornecendo uma
resposta rápida sobre a adequabilidade das condições operacionais do reator, possibilitando o conhecimento de
alterações não previstas nas condições operacionais, como por exemplo brusca variação de carga orgânica,
presença de substâncias tóxicas ou baixa transferência de oxigênio ao meio líquido.
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REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS
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