Tratamento de água residuária a base de xilose em reator descontínuo visando à produção de biometano – Artigo técnico

Química e Derivados, Tratamento de água residuária a base de xilose em reator descontínuo visando à produção de biometano - Artigo técnicoFigura 1. Esquema do reator operado em batelada e batelada alimentada sequenciais

Texto: Julia P. Vaz1, Lívia F. Zeferino1, Luana C. M. Cantagesso1, Roberta V. Figueiredo1, Suzana M. Ratusznei1 e José A. D. Rodrigues1

RESUMO: Neste trabalho foi estudada a aplicação do reator (5 L) anaeróbio com biomassa imobilizada e operado nos modos batelada e batelada alimentada sequenciais (AnSBBR) ao tratamento (30°C) de água residuária sintética a base de xilose (1000-5000 mgDQO/L e carga orgânica aplicada de 1-5 gDQO/L∙d), no intuito de estudar a obtenção de biometano. Os principais resultados obtidos mostram a estabilidade em termos de pH, alcalinidade à bicarbonato e ácidos voláteis totais, sendo que os indicadores de desempenho apresentaram melhores valores para a operação em batelada, cuja eficiência de remoção para a alimentação de 5000 mg-DQO/L foi de, aproximadamente, 50% para DQO e de 100% para carboidrato, sendo a produtividade molar volumétrica de 23,2 mmolCH4/L∙d, a produtividade específica de 0,92 mmolCH4/g-SVT∙d e os rendimentos entre metano produzido e matéria orgânica consumida, nas formas de DQO e de carboidrato, referentes às cargas orgânicas removidas, foram de 6,0 mmolCH4/g-DQO e 3,1 mmolCH4/g-carboidrato, respectivamente. O ajuste do modelo cinético permitiu a proposição de um mecanismo metabólito simplificado no qual os ácidos acético e propiônico são os principais compostos intermediários.

INTRODUÇÃO

Frente ao aumento das necessidades por energia obtida de maneira econômica e sustentável, os biocombustíveis têm apresentado importância. No Brasil, a produção de etanol de cana de açúcar possui destaque, havendo um crescente interesse na produção de etanol de segunda geração, que é o etanol produzido de bagaço, promovendo aumento de produtividade em relação à área plantada. Além disso, o aproveitamento da vinhaça para geração de biometano é outra importante opção para otimização do processo, sendo que sua composição na produção de etanol de segunda geração possui considerável quantidade de xilose, que é a pentose derivada da hidrólise da hemicelulose do bagaço, pois as leveduras não assimilam tal açúcar (Rabelo et al., 2011).
Tratamento de vinhaça em reator anaeróbio operado em batelada e batelada alimentada sequenciais com biomassa imobilizada em espuma de poliuretano (AnSBBR) é uma opção tecnológica de operação descontínua, havendo vários estudos sobre a influência das variáveis do processo na eficiência e estabilidade quando aplicado ao tratamento de diversos efluentes para produção de biometano (Bezerra et al., 2009; Lovato et al., 2012; Lullio et al., 2014).

Nesse contexto, esse trabalho teve como objetivo o estudo da aplicação do AnSBBR para obtenção de biometano a partir de água residuária sintética a base de xilose, avaliando-se a influência da estratégia de alimentação e da concentração do afluente sobre os indicadores de desempenho referentes à estabilidade do processo, consumo de matéria orgânica, produção/consumo de compostos intermediários, produtividade de biometano, e fator de rendimento entre metano produzido e matéria orgânica consumida, nas formas de DQO e de carboidrato, incluindo ainda o ajuste de modelo cinético para validar uma proposta de mecanismo metabólico.

MATERIAIS E MÉTODOS

Reator AnSBBR

O reator AnSBBR (Figura 1) foi operado a 30°C em batelada (ciclos de 8 h e tempos de carga e descarga de 10 min) e batelada alimentada (ciclos de 8 h, tempo de carga de 4 h e de descarga de 10 min) sequenciais, tratando 1 L de meio por ciclo, sendo o volume total de meio líquido no reator de 3 L, ou seja, a cada ciclo era alimentado/descarregado 1 L e mantido 2 L de meio líquido residual.

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Inóculo e imobilização da biomassa em suporte inerte

O inóculo (biomassa) era proveniente de reator UASB, tratando água residuária de abatedouro de aves. Esse inóculo na forma granulada apresentou concentração de sólidos totais (ST) e de sólidos voláteis totais (SVT) de 36,4 e 31,7 g/L, respectivamente. A biomassa foi imobilizada em espuma de poliuretano (cubos de 1 cm e densidade aparente de 23 kg/m³).

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Água residuária sintética a base de xilose

A água residuária sintética a base de xilose utilizada no experimento foi preparada de acordo com a composição apresentada na Tabela 1. A concentração foi variada de 1000 a 5000 mg-DQO/L.

Química e Derivados, Tratamento de água residuária a base de xilose em reator descontínuo visando à produção de biometano - Artigo técnicoTabela 1. Composição da água residuária sintética (base de cálculo para 1000mg-DQO/L)

Modelo cinético da rota metabólica anaeróbia da xilose

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Procedimentos analíticos

Os procedimentos analíticos foram realizados conforme Standard Methods for the Examination of Water and Wastewater (1995). Os compostos intermediários e o metano foram analisados por cromatografia (CG Agilent Technologies 7890). A produção de biogás foi medida por medidor Ritter.

Procedimento experimental

Os ensaios foram realizados (ciclos de 8h a 30°C) em diferentes condições de concentração afluente: 1000-B/2000-B/3000-B/4000-B/5000-B/5000-BA mgDQO/L (B – batelada e BA – batelada alimentada) com duração de 20 dias em cada condição. Nas condições 5000-B/5000-BA mgDQO/L foram realizados perfis das variáveis monitoradas ao longo do ciclo.

RESULTADOS E DISCUSSÃO

Monitoramento da estabilidade e desempenho

O monitoramento permitiu observar a estabilidade do reator com o aumento da concentração afluente de 1000-B/2000-B/3000-B/4000-B/5000-B/5000-BA mgDQO/L, obtendo-se os valores para afluente e efluente, respectivamente (10 pontos em cada condição e desvio menor que 8%): pH – 8,27 e 7,14 ; AB – 1905/2088/3053/4285/5701/5665 e 1220/1372/2048/2615/3724/4040 mgCaCO3/L; AVT – 15/35/55/34/28/29 e 102/398/769/763/1286/1205 mgHAc/L. A concentração de biomassa no reator foi de 36,4 g-ST/L e 31,7 g-SVT/L, sendo o volume tratado por ciclo de 1520 ± 28 mL e o volume total de meio líquido no reator de 3052 ± 83 mL. Em relação ao suporte, a concentração foi de 1,65 g-ST/g-suporte e 1,42 g-SVT/g-suporte.
As cargas orgânicas volumétricas (Figura 2) para carboidratos (aplicada COVAc e removida para amostra não filtrada COVRct e filtrada COVcft) e para DQO (aplicada COVAs e removida para amostra não filtrada COVRst e filtrada COVsft) mostram a eficiência de remoção de carboidratos de 100%, indicando também a adequada retenção da biomassa no reator. Por outro lado, em termos de DQO a eficiência foi de 49-50%, indicando um acúmulo de compostos intermediários.

A produtividade molar volumétrica foi 4,8/7,1/12,2/17,4/23,2/20,1 mmolCH4/L∙d e os rendimentos foram 4,2/4,0/5,5/5,5/6,0/5,1 mmolCH4/g-DQO e 3,0/2,5/2,8/3,0/3,1/2,6 mmolCH4/g-carboidrato, respectivamente às condições de alimentação. O rendimento em batelada é 21% do teórico (14,6 mmolCH4/g-carboidrato), indicando que o carboidrato (xilose) consumido foi responsável pela produção de compostos intermediários (ácidos acético e propiônico), além da produção de metano.

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Figura 2. Cargas orgânicas volumétricas (carboidrato e DQO) aplicadas (COVA) e removidas (COVR) em amostras não filtrada (t) e filtrada (ft) nas condições em batelada (B) e batelada alimentada (BA)

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Ajuste do modelo cinético da rota metabólica anaeróbia da xilose

O ajuste cinético permitiu analisar o consumo de xilose, a formação de ácidos acético e propiônico, e a formação de metano (Figura 3), sendo o acúmulo desses ácidos relacionado com a eficiência de remoção em DQO, ou seja, a biomassa anaeróbia conseguiu assimilar praticamente toda a xilose disponibilizada (etapa de hidrólise e acidogênese), mas não consegue converter os ácidos formados em metano (etapas acetogênica e metanogênica). A Tabela 3 contém os parâmetros cinéticos, mostrando as velocidades específicas de consumo de xilose e de formação de metano maiores para o modo batelada, justificando o melhor desempenho.

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Tabela 3. Parâmetros cinéticos referentes ao ajuste do modelo cinético na operação em batelada (B) e batelada alimentada (BA) na condição de alimentação de 5000 mg-DQO/L

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Figura 3. Perfis de consumo de xilose, formação de ácidos acético e propiônico, e formação de metano na operação em batelada (B) e batelada alimentada (BA) na condição de alimentação de 5000 mg-DQO/L (pontos – experimental; linha – modelo)

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CONCLUSÕES

O reator AnSBBR operado em batelada e batelada alimentada sequenciais aplicado na obtenção de metano pelo tratamento de água residuária a base de xilose, atingiu eficiência de remoção de 50% para DQO e de 100% para carboidrato. Na condição de alimentação de 5000 mg-DQO/L em batelada a produtividade volumétrica foi 23,2 mmolCH4/L∙d, a produtividade específica foi 0,92 mmolCH4/g-SVT∙d, e os rendimentos entre metano produzido e matéria orgânica consumida foram 6,0 mmolCH4/g-DQO e 3,1 mmolCH4/g-carboidrato. O ajuste cinético validou a rota metabólica anaeróbia proposta, havendo acúmulo dos ácidos acético e propiônico, responsável pela baixa eficiência de remoção em DQO.

REFERÊNCIAS

Bezerra, R.A.; Rodrigues, J.A.D.; Ratusznei, S.M.; Zaiat, M.; Foresti, E. (2009) Effects of Feed Time, Organic Loading and Shock Loads in the Anaerobic Whey Treatment by an AnSBBR with Circulation. Applied Biochemistry and Biotechnology, 157, 140-158.
Lovato, G.; Bezerra, R.A.; Rodrigues, J.A.D.; Ratusznei, S.M.; Zaiat, M. (2012) Effect of Feed Strategy on Methane Production and Performance of an AnSBBR Treating Effluent from Biodiesel Production. Applied Biochemistry and Biotechnology, 166, 2007-2029.
Lullio, T.G.; Souza, L.P.; Ratusznei, S.M.; Rodrigues, J.A.D.; Zaiat, M. (2014) Biomethane Production in an AnSBBR Treating Wastewater from Biohydrogen Process. Applied Biochemistry and Biotechnology, 174, 1873–1896.
Rabelo, S.C.; Carrere, H.; Maciel Filho, R.; Costa, A.C. (2011) Production of Bioethanol, Methane and Heat From Sugarcane Bagasse in a Biorefinery Concept. Bioresource Technology, 102, 7887-7895.
Standard Methods for the Examination of Water and Wastewater. (1995) APHA, AWWA, WPCF. 19th edition.

Os autores são ligados ao Departamento de Engenharia Química e de Alimentos, Escola de Engenharia Mauá, Instituto Mauá de Tecnologia, Praça Mauá 1, CEP 09580-900, São Caetano do Sul, SP. ([email protected])

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