Determinação de parâmetros cinéticos do processo de tratamento aeróbio termofílico de efluente de celulose branqueada Kraft

ISBN 978-85-85905-21-7

Área

Ambiental

Autores

Cabrera-padilla, R.Y. (UNIVERSIDADE TIRADENTES)

Resumo

O presente trabalho teve como objetivo a determinação dos parâmetros cinéticos do processo de tratamento de efluente de celulose branqueada Kraft, com previa adaptação de lodo aeróbio mesofílico para termofílico. Para tal propósito foram utilizadas duas estratégias de alimentação. Enquanto o reator R1 foi alimentado com efluente de branqueamento de polpa Kraft, o reator R2 foi alimentado com efluente sintético facilmente biodegradável e posteriormente foi feita a troca gradual por efluente de branqueamento após adaptação do lodo. Ambos os reatores foram operados em batelada a 55ºC de temperatura. Assim, foram determinados os parâmetros cinéticos utilizando o modelo de Monod para ambas as estratégias de adaptação de lodo ao processo termofílico.

Palavras chaves

Parâmetros cinéticos; Aeróbio termofílico; efluente de branqueamento

Introdução

No tratamento de efluentes industriais, especialmente aqueles com processo de tratamento de águas residuais biológicas aeróbicas termofílicas de alta temperatura, tem potenciais benefícios, como biodegradação acelerada, baixa produção líquida de biomassa, eliminação de requisitos de resfriamento para resíduos de alta temperatura (Tripathi e Allen, 1999), maior solubilidade de substratos pouco solúveis e inativação rápida de agentes patogênicos (Abeynayaka e Visvanathan, 2011). No entanto, para obter as vantagens do processo aeróbico termófilo no tratamento de águas residuais, é importante entender o design relevante e os parâmetros operacionais. As características físicas, químicas e biológicas do processo aeróbico termófilo são tão diferentes do processo convencional que a base de conhecimento das operações convencionais é inutilizável (LaPara e Alleman, 1999). A aplicabilidade do processo aeróbio termófilo descrita na literatura indica que a possibilidade de tratar eficientemente vários tipos de águas residuais em altas temperaturas. Nas indústrias de papel e celulose, o aumento de águas residuárias do processo, a disponibilidade limitada e/ou os altos custos de manutenção de equipamentos de resfriamento, os abastecimentos limitados de água doce e a redução da acessibilidade de resfriamento através do efluente têm despertado o interesse na operação dos reatores de lodos ativados em faixa de temperatura termofilica (Barr et al., 1996). Baseado em resultados de vários estudos, as elevadas necessidades energéticas para manutenção celular e os altos coeficientes de decaimento microbiano para termófilos, indicam que a quantidade de lodo excedente, pode ser bem menor para processo de tratamento termofílico do que mesofílico (Jahren et al., 2002). Atualmente, estão sendo implantados, em muitas indústrias, sistemas de aproveitamento da energia térmica do efluente final no próprio processo de produção (Vaccari, et al., 2003). Portanto, com a tendência mundial crescente de implantação deste sistema, o uso de processos termofílicos passa ser interessante no tratamento de efluentes de indústria de papel e celulose. Diante disto, se vem desenvolvendo várias pesquisas com objetivo de se estudar a viabilidade técnica do tratamento biológico termofílico. Neste contexto o presente trabalho teve como objetivo a determinação dos parâmetros cinéticos do processo de tratamento aeróbio termofílico de água resíduária do branqueamento de celulose Kraft.

Material e métodos

Adaptação de lodo aeróbio O lodo aeróbio mesofílico foi adaptado para termofilico, utilizando efluente de uma fabrica de papel e celulose mediante duas estratégias. Para a estrategia I foi utilizado um reator (R1) alimentado com efluente constituído pela mistura de 60% de extração ácida e 40 % de extração básica do efluente de branqueamento, foi adicionado nitrogênio e fósforo, em quantidade suficiente para manter a relação DQO:N:P em 300:5:1. Para a estrategia II foi utilizado um reator (R2) alimentado com substrato sintético. Posteriormente à adaptação de lodo foi realizada a troca gradual pelo efluente de branqueamento. Ambos os reatores com capacidade de 1L foram operados em batelada a 55ºC, preenchidos com 0,4L de lodo aeróbio e 0,6L de substrato, com um tempo de detenção hidráulica (TDH) de 5 dias. A cada 24 horas era trocado 0,2L de licor misto por novo substrato, e o pH ajustado a 7,0. Foi alimentado oxigênio a uma vazão média de 1,4L/min. A análise de DQO e SSV foram realizadas de acordo com APHA (1998). Ensaios para a determinação das constantes cinéticos Foram realizados ensaios para os reatores adaptados (R1 e R2). Para estes ensaios foi retirado todo o licor misto dos reatores após previa sedimentação, somente deixando o lodo aeróbio termófilo e, logo foram preenchidos com novo substrato de branqueamento até completar o volume de 1 L, sendo o ponto de partida dos ensaios (t=0). Durante o ensaio foram tomadas amostras a diferentes intervalos de tempos por 96h para a determinação de DQO e SSV obtendo-se os pontos experimentais que foram alisadas utilizando uma regressão não linear. Tendo essa curva alisada como entrada, o algoritmo estimava os parâmetros cinéticos utilizando um modelo matemático. Esse modelo onsiderava um reator em batelada, no qual foi feito um balanço de massa tanto para crescimento da biomassa como para o consumo de substrato, utilizando o modelo de Monod para a taxa de rescimento especifica (μ), equações (1) e (2): dX/dt=µmax(S/(Ks +S))X-Kd.X (1) dS/dt= µmax/Y(S/( Ks +S))X (2) X=concentração de biomassa, µmáx=taxa de crescimento específico máximo, t=tempo, Kd= coeficiente de respiração endógena, S=concentração de substrato limitante, KS=concentração de saturação, Y=coeficiente do rendimento celular O modelo desenvolvido foi ajustado aos dados experimentais alisados obtidos para (R1 e R2) e o algoritmo estimador utilizou o método dos mínimos quadrados para encontrar os parâmetros cinéticos. Para a avaliação de µmáx, KS e Y, foi utilizada a fase de crescimento, empregando-se para a modelagem a eq(1) sem o termo correspondente ao decaimento da biomassa, que foi integrada simultaneamente com a eq(2) para a determinação desses parâmetros. Utilizando a fase de decaimento foi estimado Kd integrando simultaneamente as eq(1) e (2), empregando os valores dos parâmetros determinados anteriormente. Os programas computacionais foram escritos em Matlab® 7.

Resultado e discussão

Determinação das constantes cinéticas Os valores dos parâmetros cinéticos foram determinados para ambos os reatores (R1 e R2), conforme o procedimento descrito anteriormente. Os valores dos parâmetros cinéticos determinados para ambos os reatores R1(µmáx = 0,5 1/d e Y=0,1 mg SSV/mgDQO) e R2(µmáx = 0,4 1/d e Y=0,2 mg SSV/mgDQO), são próximos somente diferindo a constante de saturação (KS = 22,1 mg DQO/L ) para R1, reator cujo lodo foi adaptado com substrato de branqueamento, apresenta um valor oito vezes maior do que para o R2(KS = 2,7 mg DQO/L ), reator cujo lodo foi adaptado com substrato sintético. Para ambos os reatores foram determinados valores baixos da taxa de crescimento específica provocado provavelmente pela formação da pequena fração da biomassa ativa, devido à temperatura elevada de operação que ocasiona maiores necessidades para sua manutenção e como conseqüência a redução do crescimento bacteriano, como mencionado por (Jenkins et al., 1993). Os valores do coeficiente do rendimento celular determinados apresentam-se inferiores a Y=0,6 mgSSV/mgDQO determinados por (Jackson, 1993) para efluente de fábrica de papelão operando a 53ºC. Provavelmente seja devido ao efluente empregado neste trabalho que apresentou uma menor biodegradabilidade em comparação ao outro efluente. Os valores estimados para o coeficiente de respiração endógena para ambos os reatores R1e R2 foram iguais (Kd = 0,1 1/d), sendo também estes valores inferiores ao reportado por Jackson., 1993 (Kd = 0,5 1/d). Na Figura 1 são mostrados os gráficos da concentração da DQO e SSV em função do tempo para os reatores R1 e R2 com os dados experimentais alisados e o modelo matemático ajustado utilizado para a estimativa de µmáx, KS e Y. Para os dois reatores podem ser observados em ambos os casos um bom ajuste dos dados experimentais alisados ao modelo, principalmente para a concentração da biomassa (VSS), verificado pelos pequenos erro2 apresentado por ambos os reatores (0,43 e 0,63) respectivamente. Na Figuras 2 apresentam-se os gráficos da concentração da DQO e SSV em função do tempo para os reatores R1 e R2 com os dados experimentais alisados e o modelo matemático ajustado, utilizado para estimativa de Kd. Para ambos os reatores se observa um razoável ajuste dos dados experimentais alisados ao modelo desenvolvido para ambas as concentrações, como pode ser verificado pelos erro2 (2,21 e 3,35) de ambos reatores.

Ajuste de dados experimentais ao modelo para a determinação dos parâmetros cinéticos (µmax, KS and Y) para R1 a) e R2 b)


Ajuste de dados experimentais ao modelo para determinar o coeficiente de respiração endógena (Kd) para R1 a) e R2 b)

Conclusões

Os valores cinéticos determinados para o processo de tratamento do efluente de indústria de celulose branqueada kraft para as duas estratégias de adaptação de lodo aeróbio inferidos pelo algoritmo reforçam a diferença de como foi realizada a adaptação da biomassa no processo termofílico. Obtendo-se o dobro do valor do coeficiente de rendimento celular (Y) para o reator R2, comparado com o reator R1, que é explicado pela maior quantidade de biomassa presente no reator R2, bem como por sua melhor adaptação.

Agradecimentos

O autor agradece ao CNPq – Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico.

Referências

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