Desenvolvimento do biofilme em reatores anaeróbios de leito fluidizado inverso em regime não-estacionário - Tessele, Fabiana da Silva (2001)
A digestão anaeróbia tem se mostrado uma técnica apropriada para o tratamento de resíduos orgânicos, sólidos, líquidos ou suspensões. Diversos tipos de configurações de reatores têm sido empregados de forma a otimizar o processo. Exemplos significativos são os reatores com manto de lodo de fluxo ascendente (UASB), filtros de fluxo ascendente e descendente, tambores rotatórios, leitos fluidizados ou expandidos, ascendentes ou descendentes, entre outros. Os reatores de leito fluidizado com biofilme estão entre os tipos mais efetivos devido a vários fatores entre os quais destacam-se: alta área interfacial, elevada concentração de biomassa, coeficientes de transferência de massa aumentados (TDH reduzido), redução de problemas de entupimento, caminhos preferenciais ou aprisionamento do gás, controle da espessura do biofilme, e maior capacidade de absorver elevadas cargas orgânicas. As principais limitações destes reatores são a partida, em função da dificuldade de formação de um biofilme estável e o escalonamento para escala real. Os reatores de leito fluidizado inverso apresentam vantagens em relação ao leito fluidizado ascendente, tais como menor consumo de energia, menor probabilidade de arraste de material, facilidade de separação da biomassa e melhor controle da espessura do biofilme. O objetivo geral deste trabalho foi contribuir para o entendimento dos mecanismos de formação do biofilme e a sua relação com os modelos de adesão e com as dificuldades na partida (start-up) de um reator anaeróbio de leito fluidizado inverso. Para tanto foram realizadas as seguintes atividades: • Projeto e partida de um reator anaeróbio de leito fluidizado inverso expandido usando materiais suporte de baixo custo; • Remoção de matéria orgânica em efluente sintético; • Comparação do crescimento do biofilme em diferentes substratos. Foi avaliada a viabilidade de emprego de dois materiais suporte alternativos: polipropileno (PP, da OPP Petroquímica) e aparas desolados de sapatos (EVA expandido, Franca S.A.), nas suas granulometrias originais (<4 mm). Foram calculados parâmetros hidrodinâmicos do sistema e as características do EVA mostraram-se inadequadas para a operação dos reatores. Dois reatores anaeróbios de leito fluidizado inverso foram projetados e construídos em acrílico (D = O, 15 m L = 2,0 m) para o tratamento de um efluente sintético em escala de bancada. Os reatores foram inoculados periodicamente com lodo proveniente de um reator UASB em escala de bancada (1 O % v/v). Os reatores foram operados com PP a 35 ºC durante 125 dias, com uma taxa de expansão do leito de 1,5 %, TDH = 24 h e velocidade superficial de 24 m.h-1• A carga orgânica alcançada superou 5 kg DQO.m-3d-1., a remoção de matéria orgânica (DQO) ficou em tomo de 85 % após a estabilização do reator (65 dias), o pH convergiu para valores próximos da neutralidade e o potencial redox mantevese negativo, alcançando o valor de -300 mV. O reator alimentado com etanol apresentou maior estabilidade frente aos choques de carga do que o reator alimentado em sacarose. Esta diferença deve-se à maior produção de ácidos intermediários, consumindo alcalinidade, e à maior energia livre de Gibbs envolvida na degradação da sacarose. Os valores calculados foram 74 kcal.mor1 para sacarose e 11,8 kcal.mor1 para o etanol Foram monitorados parâmetros cinéticos envolvendo a formação e crescimento do biofilme por técnicas microscópicas. A análise de microfotografias em microscópio eletrônico de varredura (MEV) mostraram que a adesão de microorganismos teve início nas primeiras horas de operação do reator e a formação inicial de biofilme foi observada em uma semana, pela presença de bactérias imersas em biopolímeros. O crescimento do biofilme foi observado e as etapas de formação puderam ser identificadas e comparadas aos parâmetros convencionais. Adesão inicial ocorreu após 6 h de operação e o crescimento do biopolímero foi observado em 2 semanas. A reprodução de bactérias aderidas foi detectada no 24° dia. Observações no MEV sugerem que as cavidades na superfície do PP foram os locais (sítios) para a colonização inicial, provavelmente em função do reduzido cisalhamento nesta região. A colonização e a fonnação do biofilme ficaram defmidas após o 30° e 44° dias respectivamente e depois do 65° dia não foram observadas mudanças significativas na estrutura do biofilme e foram identificados microorganismos similares às bactérias metanogênicas. Foram identificadas bactérias morfologicamente similares à Methanosarcina sp. e à Methanotrix sp. em ambos os reatores, por MEV. A rugosidade do biofilme e da superficie recoberta foi medida por microscopia de força atômica (MFA), resultando em 75 nm e 561 nm, respectivamente. Estas técnicas microscópicas foram adequadas para a avaliação do crescimento do biofilme sobre o PP. Foi possível estabelecer uma correlação entre o desenvolvimento do biofilme e a evolução da partida do reator. Os resultados obtidos monitorado pelos parâmetros convencionais tais como produção de ácidos graxos voláteis, alcalinidade, remoção de DQO, potencial redox, pH e composição do biogás e por microscopia caracterizaram o período de partida em aproximadamente 65 dias. Adicionalmente, os resultados comprovam os modelos tradicionais propostos por diferentes autores para a adesão de microorganismos em reatores anaeróbios de biofilmes.