Desenvolvimento do biofilme em reatores anaeróbios de leito fluidizado inverso em regime não-estacionário

Abstract

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.

Anaerobic digestion has shown to be a suitable technique for the treatment of diverse organic bearing residues, solids, liquids or suspensions. Many different reactor configurations have been proposed to optimize the overall process. Examples are, among others, UASB reactors, trickling :filters, rotating drums, up flow and inverse (down flow) fluidized reactors. Bio:film fluidized bed reactors are usually e:ffective due to factors such as high interfacial area, high biomass hold up and mass transfer coefficient, nor plugging or preferential channels, neither gas trapping, easy (self) control of the bio:film thickness and a high capacity to absorb heavy organic loads. Main limitations are encountered in the start-up because of difficulties in the biofilm formation and stability and scale up problems. The inverse anaerobic fluidized bed reactor presents some advantages over the conventional (up flow) namely, lower energy consumption, less material entrainment (loss) anda better control ofthe bio:film thickness. Toe main aim of this study was to contribute to the understanding of biofilm formation mechanisms and its relationship with the start up difficulties based on wellestablished models of adhesion. Accordingly, this work comprises the following: Design and start-up of an inverse anaerobic fluidized bed reactor using an alternative, low cost, support material; Removal of organic matter from a synthetic wastewater as model; Comparison of biofilm growth in different substrates. The use of two alternative biofilm carrier (< 4 mm original size) was evaluated; polypropylene, PP from OPP, a Petrochemical industry and expanded EVA (ethylene vinyl acetate) shieves obtained from Franca SA. Hydrodynamic parameters were calculated for both carrier and EVA was found to be inadequate for the conditions pre-established in the reactor. Two 35 L down flow anaerobic fluidized bed acrylic reactors (D = 0.15 m H = 2.0m) were designed and constructed to treat a synthetic effluent at bench scale. Inoculation with 10% v/v of sludge from a bench scale UASB reactor was repeated periodically to ensure the presence of methanogenic bacteria. Then, reactors were operated with PP carrier at 35 ºC during 125 days at 1.5 % bed expansion rate, HR.T = 24 h and 24 surface rate. The organic loading rate was greater than 5 kg COD.m3d-1, yielding 85 % COD removal after reaching the steady state (around 65 days). Medium pH stabilized at about neutral values and the redox potential was kept negative, reaching -300 m V. The reactor that was fed with ethanol was more stable to organic loading shocks than the one fed with sucrose. This difference is due to the higher intermediate organic acid production, decreasing the alkalinity, and to the greater Gibbs free energy of involved in sucrose degradation. Calculated values were 74 kcal.mor1 for sucrose and 11.8 kcal.mor1 for ethanol. Scanning electron microscopy (SEM) monitored the biofilm development and the micrographs con:firmed the adhesion mechanism model. Initial adhesion occurred within the first 6 hours of operation and biopolymer growth was clearly observed after two weeks. Attached bacteria reproduction was detected after day 24. SEM observations suggest that cavities in the surface are sites for initial colonisation, probably dueto the reduced shear stress therein. Finally, colonisation and biofilm formation were well defined after 30 and 44 days respectively. After day 65 no significant changes were observed in biofilm structure and microorganisms similar to methanogenic bacteria were clearly observed. The presence of cells morphologically similar to Methanotrix bacilli and Methanosarcina sp. was observed in both reactors, with a predominance of Methanosarcina sp. in the reactor fed with sucrose. More, the biofilm and the carrier surface roughness were measured by atomic force microscopy (AFM) and yielded 75 and 561 nm respectively. These techniques were suitable for monitoring the biofilm growing at the PP carrier surface. More, a good correlation was found between the development of the biofilm and the reactor start-up. Results also showed a concordance SEM monitored parameters and the conventional anaerobic reactors parameters such as volatile organic acids production, alkalinity, COD removal, redox potential, pH and gas composition, configuring a start-up period of 65 days, approximately. These results ratify traditional proposed adhesion models in anaerobic biofilm reactors.