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Universidade Federal de Alfenas – UNIFAL/MG
Campus Avançado de Poços de Caldas
Stella Letícia de Paula Borges
Tratamento anaeróbio de drenagem ácida de mina em reator
anaeróbio de leito fluidizado (RALF)
Poços de Caldas/MG
2014
Stella Letícia de Paula Borges
Tratamento anaeróbio de drenagem ácida de mina em reator
anaeróbio de leito fluidizado (RALF)
Trabalho de Conclusão de Curso II apresentado
como parte dos requisitos para a obtenção do título
de Bacharel em Engenharia Química da
Universidade Federal de Alfenas (UNIFAL).
Orientadora: Profª. Drª. Giselle Patrícia Sancinetti.
Poços de Caldas/MG
2014
Borges, Stella Letícia de Paula.
Tratamento anaeróbio de drenagem ácida de mina em reator
anaeróbio de leito fluidizado (RALF) / Stella Letícia de Paula Borges.
- Poços de Caldas, 2014.
31 f. –
Orientadora: Giselle Patrícia Sancinetti.
Trabalho de Conclusão de Curso (Graduação em Engenharia
Química) - Universidade Federal de Alfenas, Poços de Caldas, MG,
2014.
Bibliografia.
1. Drenagem ácida de mina. 2. Tratamento anaeróbio. 3. Reator de
leito fluidizado. I. Sancinetti, Giselle Patrícia. II. Título.
CDD: 628.16832
Agradecimentos
Por trás de um triunfo individual existe sempre uma grande equipe. Nessa etapa
vitoriosa de minha vida, em que as emoções dos momentos saudosos se confundem com a
grandeza de missão cumprida, contei com pessoas que acreditaram no meu potencial e me
fizeram acreditar que era possível.
A Deus, eterno protetor, dedico a minha vida e agradeço por mais esta conquista.
Mãe, a você a minha eterna e mais profunda gratidão, sei que sempre renunciou dos
seus sonhos para que os meus se tornassem realidade, é e sempre será o meu maior amor,
orgulho e alicerce.
Não posso esquecer jamais do meu pai, que esteve presente quando eu mais precisei, e
que se estivesse entre nós seria um dos mais vibrantes. Sempre te amarei, meu pai.
Ao meu irmão Stênio, que entre tantas dificuldades que juntos passamos, me concedeu
com o melhor presente, a nossa Isabelly.
Ao meu herói e bem maior, meu avô João, obrigada pela força e dedicação na minha
criação.
A minha eterna avó Maria, quantas saudades! Como a senhora faz falta em nossos dias
com suas palavras de conforto e de estímulo.
Aos meus avós paternos, Mozar e Lourdes, por acreditarem e confiarem em mim, o
meu muito obrigado!
Ao meu namorado, Roniere, obrigada pelo seu amor, compreensão e cumplicidade.
A todos os meus colegas de sala, amigos e companheiros por entre estes cinco anos, os
quais juntos superamos todos os obstáculos.
Aos mestres e membros da UNIFAL, por compartilharem seus conhecimentos, em
especial, às docentes Giselle Patrícia Sancinetti e Renata Piacentini Rodriguez, pela
oportunidade oferecida.
A todos os meus amigos de longas datas e aos demais familiares que me incentivaram
a trilhar este caminho lhes digo: O sonho de ser Engenheira Química está se concretizando.
Minha eterna gratidão.
Resumo
Muitos dos impactos ambientais são resultantes da atividade mineradora, os quais podem
comprometer, principalmente, a vida aquática. Quando nos resíduos minerais estão presentes
sulfetos, estes são fonte para a drenagem ácida de mina (DAM). A ocorrência da DAM se dá
pela solubilização dos metais pesados devido ao baixo pH do meio, ou pela oxidação da pirita
a ácido sulfúrico. Os tratamentos disponíveis para esta água residual incluem os processos
físico-químicos ou biológicos, sendo os físico-químicos um tratamento com alto valor
agregado. O processo de fluidização, utilizado nos reatores de leito fluidizados, tem uma fase
fluida que escoa através de uma fase sólida particulada e pode ser aplicado em reações
químicas (catalíticas ou não) ou em transferência de calor. Este trabalho teve por finalidade o
tratamento anaeróbio da DAM em reator anaeróbio de leito fluidizado. O material suporte
utilizado foi a partícula Liteball e utilizou-se etanol como fonte de carbono. A relação de
Demanda Química de Oxigênio (DQO) e sulfato (SO-2
4) empregada foi de 1,0 para ambos
com concentração igual a 500 mg/L. Foi possível verificar um crescente comportamento do
pH, atingindo média de 5,70 (± 0,72), além de significativa remoção da matéria orgânica,
obtendo eficiência média de 89,23% (± 4,07). A redução média de sulfato foi de 10,64%
(± 7,87) e a concentração média de geração de sulfeto foi igual a 0,40 mg/L (± 0,31).
Palavras-chave: Drenagem ácida de mina. Tratamento anaeróbio. Reator de leito fluidizado.
Abstract
Many of the environmental impacts result from mining activity, which can compromise
mainly the aquatic life. When sulfides are present in mineral waste, they are a source for acid
mine drainage (AMD). The occurrence of AMD is either by solubilization of heavy metals
due to the low pH of the environment, or by the oxidation of pyrite to sulfuric acid metals.
The available treatments for this wastewater include physic-chemical and biological
processes, being the first one a treatment with a high value accreted. The fluidization process,
used in fluidized bed reactors, has a fluid phase that flows through a solid particulate phase
and can be applied in chemical reactions (catalytic or otherwise) or heat transfer. This work
had the anaerobic treatment of AMD in an anaerobic fluidized bed reactor as its main goal.
The Liteball particle was used a support material and ethanol was used as a carbon source.
The ratio of chemical oxygen demand (COD) and sulfate (SO-2
4) used was 1.0 for COD of
500 mg/ L. It was possible to verify the behavior of an increasing pH, with average of 5.70
(± 0.72) and significant removal of organic matter, reaching an average efficiency of 89.23%
(± 4.07). The average reduction of sulfate was 10.64% (± 7.87) and the average concentration
of generating sulfide was equal to 0.40 mg/L (± 0.31).
Keywords: Acid mine drainage. Anaerobic treatment. Fluidized bed reactor.
Sumário
1. Introdução .................................................................................................................... 7
2. Objetivo ....................................................................................................................... 8
3. Revisão Bibliográfica .................................................................................................. 9
3.1. Drenagem ácida de mina ...................................................................................... 9
3.2. Tratamento da drenagem ácida de mina ............................................................. 10
3.2.1. Tratamento físico-químico .............................................................................. 10
3.2.2. Tratamento biológico ...................................................................................... 11
3.3. Digestão anaeróbia ............................................................................................. 12
3.4. Processo de fluidização ...................................................................................... 14
4. Materiais e Métodos ................................................................................................... 18
4.1. Material suporte .................................................................................................. 18
4.2. Água residuária ................................................................................................... 19
4.3. Inóculo ................................................................................................................ 19
4.4. Análises físico-químicas ..................................................................................... 19
4.5. Reator de leito fluidizado ................................................................................... 20
4.6. Operação ............................................................................................................. 20
5. Resultados e Discussão .............................................................................................. 22
5.1. Ensaio de fluidização .......................................................................................... 22
5.2. Operação do reator anaeróbio de leito fluidizado (RALF) ................................. 24
6. Conclusão ................................................................................................................... 29
Referências Bibliográficas .................................................................................................. 30
7
1. Introdução
Um grande risco ambiental é a ocorrência da drenagem ácida de mina (DAM)
associada à mineração, uma vez que, os resíduos minerais que contêm sulfetos, são uma
significativa fonte da DAM. Originada, principalmente, das atividades de mineração, a DAM
é uma solução aquosa, de coloração vermelho-alaranjada, caracterizada por valores baixos de
pH e pela diversificação de metais sulfatados dissolvidos em solução (FUNGARO et al,
2006).
As principais fontes de drenagens ácidas são as minas a céu aberto ou subterrâneas,
bacia de rejeitos, pilhas de estéril e de estocagem do minério que contenham sulfetos
associados (ALMEIDA, 2005). A sua liberação representa riscos ambientais, principalmente,
aos recursos hídricos, além da contaminação do solo e a redução da biodiversidade dos
ecossistemas aquáticos e terrestres (AKCIL et al, 2006).
O tratamento da drenagem ácida de mina vem sendo intensificado por questões de
ordem econômica e ambiental. Para a minimização dos impactos, são necessárias ações
mitigatórias, como prevenção e remediação. Uma alternativa interessante é o uso do
tratamento anaeróbio para o tratamento das águas. Para estudar a redução anaeróbia do sulfato
e para o tratamento da drenagem ácida de mina, há diversas configurações de reatores, dentre
elas, está o reator anaeróbio de leito fluidizado (RALF), o qual foi utilizado, neste trabalho,
com o objetivo de avaliar a conversão biológica de sulfato oriundo de drenagem ácida
sintética e contribuir para obtenção de processos mais eficientes.
8
2. Objetivo
Este trabalho de conclusão de curso teve como objetivo estudar o reator anaeróbio de
leito fluidizado (RALF) para o tratamento de drenagem ácida de mina sintética. Deste modo,
foram estabelecidos os seguintes objetivos específicos:
a. Avaliar a hidrodinâmica do reator com a partícula de Liteball;
b. Estudar o comportamento do reator anaeróbio quando submetido a relação
DQO/SO4-2
igual a 1,0.
9
3. Revisão Bibliográfica
3.1. Drenagem ácida de mina
Os diversos ramos industriais, principalmente, a mineração, a engenharia civil e as
atividades extrativas, têm contribuído enormemente para o impacto ambiental mundial,
devido às suas formas de eliminação de resíduos sólidos e de efluentes. Dentre tantos, na
mineração destaca-se a drenagem ácida de mina (DAM), que é oriunda da oxidação natural de
minerais sulfetados, principalmente a pirita (FeS2), quando expostos à ação combinada da
água e oxigênio, na presença ou não de bactérias oxidantes. Desse processo resulta a produção
de ácido sulfúrico (H2SO4), que dissolve os metais presentes no solo e os hidróxidos
metálicos. (MENEZES et al., 2004; RODRIGUEZ, 2010).
As reações que justificam a produção de ácidos a partir da pirita podem ser
representadas pelas equações a seguir:
FeS2(s) + 7/2O2(g) + H2O(l) Fe+2
(aq) + 2SO4-2
(aq) + 2H+(aq) (1)
Fe+2
(aq) + 1/4 O2 (g) + 2H+ (aq) Fe
+3(aq) + H2O(l) (2)
Fe+3
(aq) + 3H2O(l) Fe(OH)3(s) + 3H+(aq) (3)
4FeS2(s) + 15 O2 (g)+ 14 H2O(l) Fe(OH)3(s) + 8SO4-2
(aq) + 16H+(aq) (4)
A Equação 1 é a reação de oxidação da pirita em meio aquoso, na qual se forma o íon
ferroso (Fe+2
). Algumas bactérias que atuam no meio natural podem acelerar a quebra de
minerais de sulfeto e promover a catálise da oxidação de Fe+2
a Fe+3
(EQUAÇÃO 2). A reação
do íon férrico (Fe+3
) com água (EQUAÇÃO 3) forma mais ácidos. São os hidróxidos ferrosos,
Fe(OH)3, formados que dão a cor vermelho-alaranjada à drenagem ácida de minas. A DAM é
um resíduo líquido no qual o nível de acidez, a concentração e a composição dos metais,
dependem do tipo e da quantidade de sulfetos e da presença ou ausência de materiais alcalinos
(CASTRO et al., 2006; FUNGARO et al., 2006; RODRIGUEZ, 2010).
10
A exploração de certos minerais associada à DAM pode causar em longo prazo,
deficiência dos cursos de água e da biodiversidade, contaminando severamente as águas
superficiais e subterrâneas, bem como os solos. Além de impossibilitar o desenvolvimento e a
sobrevivência de espécies aquáticas, tais como os peixes (AKCIL et al., 2006).
Para a minimização e o controle do impacto ambiental gerado pelas drenagens ácidas
de mina alguns procedimentos mitigatórios são necessários. Primeiramente, deve-se fazer a
prevenção primária em prol da diminuição dos ácidos gerados. Posteriormente, com os
métodos de contenção, é possível evitar ou ao menos reduzir a emissão da DAM para o meio
ambiente, e por fim, realizar remediações, através da coleta e do tratamento dos efluentes
(AKCIL et al., 2006; NUNES, 2010).
3.2. Tratamento da drenagem ácida de mina
No Brasil, a legislação para o limite de emissão indireto de efluentes no corpo receptor
é feita através da Resolução do Conselho Nacional do Meio Ambiente (CONAMA) Nº430 de
13 de maio de 2011, que visa obter níveis de descarte de poluentes dentro do padrão aceitável.
3.2.1. Tratamento físico-químico
Para o tratamento da drenagem ácida de mina, normalmente, utilizam-se a
neutralização química e a precipitação dos hidróxidos metálicos, por meio de substâncias
alcalinas. Dessa forma, é possível aumentar o valor do pH utilizando hidróxido de cálcio,
Ca(OH)2, e óxido de cálcio, mais conhecido como cal, CaO, pois estes reagem com o sulfato
presente na água ácida formando sulfato de cálcio e água (CaSO4 2H2O), o qual precipita
(HAO, 2000; RODRIGUEZ, 2010; TANG et al., 2009).
Ao tentar recuperar áreas afetadas com a drenagem mineira por meio do tratamento
físico-químico, tem-se um processo caro, uma vez que os reagentes químicos possuem alto
custo e estas áreas possuem pH baixo, condutividade específica elevada e concentrações
elevadas de ferro, alumínio e manganês (AKCIL et al., 2006; RUBIO et al., 2012).
11
3.2.2. Tratamento biológico
No tratamento biológico utilizam-se processos microbiológicos com intuito de
diminuir a acidez e os metais dissolvidos, incluindo as lagoas e biorreatores aeróbios e
anaeróbios. O destaque dos biorreatores está na redução de sulfato a sulfeto por meio de
bactérias redutoras de sulfato (BRS). É importante ressaltar que além do sulfato, as BRS
necessitam de uma fonte de carbono para que o seu metabolismo ocorra. Este processo gera
alcalinidade e pode precipitar metais solúveis na forma de sólidos altamente insolúveis
(SHEORAN et al., 2010).
Há duas formas de se atingir a redução biológica do sulfato, por meio de células
suspensas ou imobilizadas. A utilização de reatores contínuos com células suspensas está
associada a baixas vazões de escoamento e altos tempos de residência para evitar o arraste das
células. Os reatores com células imobilizadas normalmente oferecem maior resistência a
condições extremas de pH e a altas concentrações de metais (TANG et al., 2009).
Os tipos de tratamento biológico podem ser divididos em passivo ou ativo. O
tratamento passivo para áreas contaminadas abaixo da superfície consiste no enriquecimento
da atividade microbiana, inserindo o substrato adequado ou barreiras permeáveis reativas
(BENNER et al., 1999). Dessa forma, tem sido comprovado que onde as águas ácidas
contaminaram os sistemas aquáticos, estes têm a capacidade de se recuperar naturalmente
com a aplicação de espécies que são capazes de regenerar o meio ao seu estado inicial. E já
nas áreas de superfície, há a proposta de áreas de infiltração, lagoas anóxicas e sistemas com
uso de áreas alagadas (“wetlands”) (HULSHOFF et al., 2001). Essas duas propostas são de
baixo custo e manutenção fácil. Porém, necessitam de grandes áreas, apresentando maior
dificuldade para recuperar metais e estão sujeitas às variações sazonais (GARCIA et al.,
2001; RODRIGUEZ, 2010).
Para o tratamento ativo têm-se os biorreatores que podem ser utilizados com biomassa
adequada para ter maior controle do processo. Dessa forma, há diferentes tipos de reatores
para reduzir o sulfato, e, de acordo com Tang et al., (2009) alguns pesquisadores
desenvolveram estudos sobre a redução anaeróbia de sulfato associado ao tratamento da
drenagem ácida de minas.
Uma proposta de tratamento da drenagem ácida de mina, utilizando reator de leito
fluidizado, foi estudada por Sahinkaya et al., (2010), a qual continha pH entre 2,7 e 4,3,
12
sulfato entre 1,5 e 4,4 g/L, além de metais. Este reator foi alimentado com etanol como
redutor de sulfato e carvão ativado como meio suporte. A maior taxa de redução de sulfato,
4,6 g/L dia, foi obtida com concentração de alimentação de sulfato de 2,5 g/L, relação DQO/
SO4-2
de 0,85 e tempo de retenção hidráulico de 12 h. A remoção de sulfato e DQO obtidas
foram cerca de 90% e 80%, respectivamente.
Rodriguez (2010) utilizou reator anaeróbio horizontal de leito fixo (RAHLF), para o
tratamento da drenagem ácida de mina, com espuma de poliuretano como suporte de
imobilização e etanol como fonte de carbono. Os resultados mostraram que a redução da
carga de sulfato aplicada foi o fator determinante para os bons resultados de remoção,
encontrados ao longo da operação do reator (70% de remoção de sulfato e 75% de remoção de
DQO). A relação DQO/SO42-
também foi importante e quando utilizada a relação
estequiométrica de 0,67, a eficiência de remoção de sulfato atingiu níveis superiores a 70%
com pequeno acúmulo de ácido acético no efluente.
Bekmezci et al. (2011) avaliaram o potencial do reator anaeróbio compartimentado
perplexo (ABR) no tratamento da drenagem ácida de mina sintética contendo sulfato (3,0–3,5
g/L) e vários metais (Co, Cu, Fe, Mn, Ni, and Zn). O reator foi operado por 160 dias a 32ºC,
alimentado com etanol como fonte de carbono, pH igual a 3,0 e tempo de retenção hidráulico
de 48 horas, sem aeração no 4º compartimento. A remoção de DQO foi de 92%, enquanto a
redução do sulfato foi de 88%, utilizando a relação de DQO/ SO42-
igual a 0,737.
3.3. Digestão anaeróbia
Nos dias atuais, a digestão anaeróbia está sendo utilizada como uma importante
alternativa para o tratamento de diferentes tipos de resíduos, devido aos baixos custos
operacionais e da capacidade de substituir os combustíveis fósseis, minimizando assim, a
emissão de gases responsáveis pelo efeito estufa (SILVA, 2009).
A digestão anaeróbia é a etapa em que ocorre a estabilização de substâncias instáveis e
da matéria orgânica no lodo, reduzindo ou até mesmo destruindo os microrganismos
patogênicos e o volume do lodo, e permitindo a sua utilização como fonte de húmus ou
condicionador de solo para fins agrícolas (MORAES, 2014).
13
Na digestão anaeróbia, a matéria orgânica em ausência de oxigênio, é convertida a
gases, em que contém a predominância de metano (CH4) e dióxido de carbono (CO2). Já no
processo de biodigestão, em que ocorre à conversão da matéria orgânica também em ausência
de oxigênio, são utilizados, por exemplo, aceptores finais de elétrons íons do tipo SO4-2
, para
reduzir o sulfato a gás sulfídrico (H2S) e CO2 (SILVA, 2009).
A digestão anaeróbia pode ser dividida em quatro fases, sendo elas:
Hidrólise: processo pelo qual o material orgânico é transformado em compostos
dissolvidos de menor peso molecular através da solubilização com água.
Acidogênese: os produtos gerados na hidrólise são absorvidos por bactérias
acidogênicas fermentativas e eliminados como substâncias orgânicas simples.
Acetogênese: os ácidos graxos e o etanol formados são transformados pelas bactérias
acetogênicas em acetato e hidrogênio. É nesta fase que ocorre a conversão dos
produtos gerados na acidogênese em compostos que formam os substratos para a
produção de metano.
Metanogênese: o metano é produzido pelas metanobactérias, convertendo o acetato,
hidrogênio e dióxido de carbono em metano e dióxido de carbono.
As bactérias metanogênicas dependem do substrato fornecido pelas acetogênicas, que
são dependentes das acidogênicas e estas das hidrolíticas, em que se estabelece um
mecanismo de interações entre os grupos de bactérias (SILVA, 2009).
A Figura 1 representa as sequencias metabólicas envolvidas no processo da digestão
anaeróbia.
14
Figura 1: Sequencias metabólicas na digestão anaeróbia.
Fonte: Adaptado de SILVA, 2009.
3.4. Processo de fluidização
Geralmente, em muitas operações unitárias, como na fluidização, uma fase fluida
escoa através de uma fase sólida particulada. Assim, a taxa de transferência do fluido para as
partículas sólidas, e, portanto, a perda de pressão do escoamento através do leito, está
relacionada aos mecanismos físicos que ocorrem o escoamento.
Orgânicos Complexos
Proteínas/Carboidratos/Lipídeos
Orgânicos Simples
Aminoácidos/Açúcares/Ácidos graxos
Ácidos orgânicos
H2
+ CO2 Acetato
CH4 + CO
2
H2S + CO
2
Hidrólise
Acidogênese
Acetogênese
Metanogênese
Redução do Sulfato
(Sulfetogênese)
15
A fluidização pode ser aplicada em reações químicas (catalíticas ou não), na
transferência de calor, como por exemplo, na secagem, em mistura de sólidos e na adsorção.
Suas características gerais estão relacionadas com a velocidade de escoamento do fluido. Se a
velocidade é baixa, o fluido percorre pequenos e tortuosos canais, perdendo energia e pressão,
sendo que a perda de carga ( ) é função da permeabilidade, rugosidade, densidade,
viscosidade e velocidade superficial. Aumentando-se a velocidade, a fluidização atinge um
valor em que a ação dinâmica do fluido permite reordenação das partículas, de modo a
oferecer menor resistência à passagem do mesmo. Já em velocidades altas, as partículas
deixam de estar em contato entre si, se movem sob a influência do fluido escoante e se
parecem com um líquido em ebulição, em que se diz que elas estão fluidizadas (FOUST et al.,
2011).
Quando um fluido está passando por um leito de partículas a uma determinada
velocidade, a queda de pressão (perda de carga) do fluido através do leito é descrita pela
Equação de Ergun (EQUAÇÃO 5).
( )
( )
( )
Em que:
= Queda de pressão do fluido através do leito [N/m²];
= Altura do leito [m];
= Esfericidade da partícula;
= Diâmetro da partícula [m];
= Massa específica do fluido [kg/m³];
= Velocidade superficial média entre a massa específica de entrada e de saída [m/s];
= Porosidade do leito [adimensional];
= Viscosidade do fluido [kg/m s].
Utiliza-se a velocidade superficial média, uma vez que, seria muito difícil encontrar a
real velocidade do fluido, a velocidade intersticial, que escoa por entre os poros.
Considerando que a partícula é esférica ( = 1) e sabendo-se que o Número de
Reynolds é dado pela Equação 6, a Equação de Ergun (EQUAÇÃO 5) pode ser alterada para a
Equação 7.
(5)
16
( ) ( )
A relação entre a perda de pressão e o Número de Reynolds pode ser visualizada
através da Figura 2.
Figura 2: Fluidização de leito de sólidos particulados.
Fonte: FOUST et al., 2011.
No intervalo entre A e B: o leito é fixo ou estático; o regime é quase sempre
laminar; a Equação de Ergun pode ser aplicada.
No Ponto B: A perda de carga iguala-se ao peso dos sólidos; o leito é calmo ou
tranquilo; observa-se fluidez no leito. Este ponto se caracteriza pelo rearranjo
das partículas, as quais mudam de posição.
No Ponto C: é o ponto de mínima fluidização, em que há pouco contato entre
as partículas e ocorre o equilíbrio entre a perda de carga e o empuxo com o
peso aparente.
No intervalo C e D: o movimento das partículas é desordenado, com choques
frequentes devido ao aumento da porosidade e a diminuição da perda de carga.
(6)
(7)
17
No ponto D: a perda de carga começa a ficar constante e não há contato entre
as partículas.
Intervalo entre D e E: há o aumento da agitação das partículas à constante
perda de carga. Assim, o leito está em ebulição ou fluidizado.
No ponto E em diante: há o arraste das partículas do leito pelo fluido; a
fluidização é contínua ou em fase diluída; e quando o fluido é o ar, ocorre o
transporte pneumático, e quando é água, o transporte é hidráulico.
No ponto C, de mínima fluidização, tem-se a equação clássica da fluidização, descrita
pela Equação 8.
(
) ( )
Em que:
= Massa específica do sólido [kg/m³];
= Aceleração da gravidade [m/s²].
Algumas condições de fluidização para a Equação 8 devem ser consideradas. Para
, há a formação de micro bolhas, pois a fase densa apresenta características de um
fluido. Este caso é chamado de fluidização particulada ou homogênea. Já para , a
fluidização é irregular devido à coalescência das bolhas. Isso acontece quando se tem
partículas grandes e alta velocidade ou partículas muito pequenas no leito, sendo chamada de
fluidização agregativa ou heterogênea (FOUST et al., 2011).
(8)
18
4. Materiais e Métodos
O presente trabalho foi desenvolvido no Laboratório das Engenharias e de
Biotecnologia Anaeróbia do Instituto de Ciência e Tecnologia – Campus Poços de Caldas da
Universidade Federal de Alfenas (Unifal-MG).
4.1. Material suporte
As partículas usadas como meio suporte para a imobilização da biomassa foram o
Liteball fornecido pela empresa Mineração Curimbaba, sediada em Poços de Caldas – MG
(FIGURA 3). Este material possui características atrativas para ser utilizado como meio
suporte, tais como: densidade aparente de 2,56 g/mL, diâmetro médio de 0,897 mm, área
superficial igual a 31,84 m²/g e alta porosidade.
Figura 3: Liteball utilizado como meio suporte para a imobilização da biomassa.
A opção de se utilizar o Liteball foi devido à possibilidade de reaproveitar resíduos
industriais da empresa supracitada. Além disso, existe interesse da empresa nesta
possibilidade de aplicação do material, que pode acarretar desenvolvimento de novos
produtos pela mesma.
19
As partículas de Liteball foram peneiradas, utilizando malha de 28 mesh que continha
abertura de 600 µm, com o objetivo de retirar os finos.
4.2. Água residuária
Para alimentação dos reatores foi utilizada DAM sintética com pH de
aproximadamente 4,0, o qual era corrigido, se necessário, com ácido clorídrico (HCl) 2 M,
concentração de sulfato e DQO igual a 500 mg/L e etanol como fonte de carbono. A
composição da DAM em mg/L era formada por: MgSO4 (110), FeSO4.7H2O (49), ZnCl2 (15),
NH4Cl (115,4), NaH2PO4 (68,2) e Na2SO4 (600).
4.3. Inóculo
Como inóculo, foi utilizado o lodo proveniente de reator anaeróbio de manta de lodo
aplicado para tratamento de água residuária do abatedouro de aves da empresa Avícola Dacar,
sediada em Tietê - SP.
4.4. Análises físico-químicas
O sistema foi avaliado através da realização de análises físico-químicas, tais como
DQO, pH, sulfato, das amostras de afluente e efluente dos reatores três vezes por semana,
sendo que a análise de sulfeto foi feita apenas para o efluente. As análises de DQO, pH,
sulfato e sulfeto seguiram os métodos descritos pelo APHA (2012).
20
4.5. Reator de leito fluidizado
Para a realização de testes preliminares de fluidização, tais como, a velocidade de
fluidização e a perda de carga, utilizou-se o kit didático do reator de leito fluidizado das
Engenharias. Este reator possuía altura de 0,80 m e diâmetro de 0,08 m.
Posteriormente, para o tratamento anaeróbio da drenagem ácida de mina sintética,
montou-se o sistema operacional do reator de leito fluidizado no Laboratório de
Biotecnologia. Este reator, em escala de bancada, foi confeccionado em acrílico com altura
igual a 1,08 m, diâmetro de 0,17 m e com volume útil de 1,5 L. Sua montagem pode ser
visualizada na Figura 4.
Figura 4: Sistema operacional do Reator de Leito Fluidizado.
4.6. Operação
O processo de fluidização iniciou-se, inserindo aproximadamente 250 g de Liteball no
interior do reator. Em seguida, ligou-se a bomba, alternando a vazão, para que pudesse
realizar as medidas de perda de carga.
21
Para tratamento anaeróbio da DAM com o reator de leito fluidizado, primeiramente, o
inóculo, a princípio na forma de grânulos, foi previamente triturado em liquidificador. Em
seguida, inseriu-se 250 mL de inóculo juntamente com 300 g de Liteball e a DAM, atingindo
o volume útil do reator de leito fluidizado. Este foi colocado em câmara termostática com
temperatura controlada de 30ºC e o sistema foi mantido em repouso por 24 horas.
Ao final das 24 horas, o reator foi mantido sob recirculação por 48 horas, antes de ser
operado continuamente como sistema aberto, apenas para a recirculação para permitir a
adesão da biomassa no Liteball.
A alimentação foi feita por bomba peristáltica Gilson®,
em rotação de 6 rpm, e a
recirculação por bomba dosadora Ecosan®, com vazão de 20 L/h, atingindo uma altura de
fluidização igual a 29 cm, e pressão de 6 kg/cm², de modo a manter o tempo de retenção
hidráulica (TDH) de 24 horas. O leito apresentou altura igual a 27,5 cm com a mínima
fluidização e 26 cm sem fluidização, ou seja, com leito totalmente parado. A solução de
alimentação foi mantida em geladeira sob temperatura de 15ºC.
22
5. Resultados e Discussão
5.1. Ensaio de fluidização
Os dados obtidos experimentalmente da vazão volumétrica, da altura do leito e da
perda de carga estão expressos na Tabela 1.
Tabela 1: Dados experimentais da vazão volumétrica (Q), da altura do leito (h) e da perda de
carga (∆P/L).
Vazão
Volumétrica Q
[10-5
] (m³/s)
Altura do leito - h
(m)
Perda de carga - ∆P/L
(Pa/m)
0 0,09 607,83
2,92 0,13 715,88
3,06 0,13 764,92
3,33 0,13 774,72
3,61 0,14 745,30
3,89 0,15 764,92
4,17 0,15 745,30
4,44 0,15 745,30
4,72 0,16 745,30
5,00 0,16 745,30
5,28 0,17 745,30
5,55 0,18 941,43
6,11 0,19 941,43
6,66 0,23 951,24
7,22 0,28 951,24
8,33 0,21 961,05
Utilizando a Equação 9, e os dados da Tabela 1 foi possível calcular a velocidade
superficial, , os quais seus valores estão apresentados na Tabela 2.
Em que:
= Vazão volumétrica [m3/s];
A = Área superficial [m2].
(9)
23
Sabendo-se que o raio superficial era igual a 0,04 m, a área superficial, portanto, foi de
5,03 10-3
m2.
Tabela 2: Valores da velocidade superficial, .
Velocidade superficial -
[10-3
] (m/s)
1 0
2 5,80
3 6,07
4 6,63
5 7,18
6 7,73
7 8,28
8 8,84
9 9,39
10 9,94
11 10,49
12 11,05
13 12,15
14 13,26
15 14,36
16 16,57
Com os valores da velocidade superficial () e da perda de carga (∆P/L) foi possível
traçar um gráfico de ∆P versus , expresso na Figura 5.
Figura 5: Perda de carga versus velocidade superficial.
0
200
400
600
800
1000
1200
0 0,005 0,01 0,015 0,02
Pe
rda
de
car
ga -
∆P
/L (
Pa/
m)
Velocidade superficial - v (m/s)
24
Como dito anteriormente, utilizou-se o kit didático das Engenharias para a realização
experimental do ensaio de fluidização, a fim de se obter a máxima e a mínima fluidização, e a
perda de carga. Porém, este kit experimental possuía uma bomba com alta vazão, de no
mínimo 300 L/h, assim, de acordo com a Figura 5, não foi possível verificar com o Liteball, a
mínima fluidização e nem a diferença de carga. Uma alternativa para a efetivação do ensaio
de fluidização, utilizando o Liteball, seria uma bomba com uma menor vazão.
Entretanto, a partir destes resultados, foi possível especificar melhor a bomba de
recirculação que foi comprada e utilizada para o desenvolvimento do trabalho com o reator de
leito fluidizado para o tratamento da DAM no Laboratório de Biotecnologia.
5.2. Operação do reator anaeróbio de leito fluidizado (RALF)
A Figura 6 apresenta os valores do pH afluente e efluente em relação ao tempo de
operação do reator de leito fluidizado.
Nota-se uma estabilidade na manutenção dos valores de pH efluente até o período de
53 dias. Após este dia, verifica-se o crescente aumento do pH efluente, atingindo valor médio
de 7,02 (± 0,42), indicando a geração de alcalinidade no meio resultante do tratamento
biológico da DAM. O valor médio de pH efluente para o período total de operação foi de 5,70
(± 0,72).
De acordo Rodriguez (2010), este aumento observado no pH efluente resulta do
consumo de sulfato e, consequentemente de íons H+, contribuindo com a geração de certa
alcalinidade no efluente.
25
Figura 6: Valores experimentais do pH em relação ao período de operação.
A Figura 7 mostra o comportamento da DQO na corrente afluente e efluente. A
remoção da matéria orgânica apresentou uma variação significativa durante todo o período de
operação, atingindo uma eficiência média de 89,23% (± 4,07) e concentração média do
efluente igual a 72,64 mg/L (± 33,51).
Figura 7: Valores de remoção da DQO em relação ao período de operação.
A remoção de sulfato pode ser acompanhada pela Figura 8 e, consequentemente, o
percentual de remoção de sulfato pode ser visto na Figura 9.
0,00
1,00
2,00
3,00
4,00
5,00
6,00
7,00
8,00
9,00
0 15 30 45 60 75
pH
Périodo de Operação (dias)
Afluente
Efluente
0,00
100,00
200,00
300,00
400,00
500,00
600,00
700,00
800,00
0 15 30 45 60 75
DQ
O (
mg
/L)
Tempo de Operação (dias)
Afluente
Efluente
26
Figura 8: Valores de redução de sulfato de afluente e efluente em relação ao tempo de operação.
Figura 9: Percentual de remoção de sulfato em relação ao período de operação.
Observa-se que, a partir das Figuras 8 e 9, a concentração de sulfato mediano efluente
foi de 452,75 mg/L (± 78,22) e a média da remoção de sulfato foi de 10,64% (± 7,87). Em
relação à concentração de sulfato e remoção de sulfato, nota-se que nos dias finais de
operação há uma tendência de maior remoção.
O baixo valor de remoção de sulfato pode ser justificado pela operação do reator para
o tratamento da DAM ainda estar em fase inicial de adaptação. Lembrando que, geralmente,
para o tratamento de águas residuárias que utilizam reatores com microrganismos, a fase
adaptação é de, no mínimo, três meses.
0,00
200,00
400,00
600,00
800,00
0 15 30 45 60 75
Su
lfa
to (
mg
/L)
Tempo de Operação (dias)
Afluente
Efluente
0,00
20,00
40,00
60,00
80,00
100,00
0 15 30 45 60 75
Red
uçã
o d
e S
ulf
ato
(%
)
Tempo de Operação (dias)
27
O acetato e o hidrogênio podem ser utilizados pelas bactérias redutoras de sulfato
(BRS) e pelas arqueas metanogênicas, causando uma competição entre elas. Como o inóculo
era metanogênico, inicialmente, a metanogênese é favorecida, observado pela redução da
DQO. Com maior tempo de operação do reator, espera-se que as BRSs predominem em
relação às metanogências, havendo maior redução de sulfato.
Os resultados das análises de sulfeto para o efluente podem ser visualizados na Figura
10.
Figura 10: Variação da concentração do sulfeto no efluente em relação ao período de operação.
Em geral, notou-se uma constante variação da concentração de sulfeto, com valor
médio de concentração igual a 0,40 mg/L (± 0,31). Os resultados da presença de sulfeto no
efluente indicam que houve sulfetogênese no interior do reator.
Ao realizar uma comparação geral dos resultados do presente trabalho com os estudos
realizados de Sahinkaya et al (2010), Rodriguez (2010) e Bekmezci et al. (2011) (TABELA
3), que utilizaram, respectivamente, o reator anaeróbio de leito fluidizado, o reator anaeróbio
horizontal de leito fluidizado e o reator anaeróbio compartimentado perplexo, pode-se dizer
que, em relação à remoção de DQO o presente trabalho apresentou o segundo melhor
resultado, ficando atrás apenas de Bekmezci et al. (2011). Um fator em comum entre ambos
foi a utilização da DAM sintética, enquanto os outros dois, Sahinkaya et al (2010), Rodriguez
(2010), usaram DAM real.
0,00
0,50
1,00
1,50
2,00
2,50
3,00
0 15 30 45 60 75
Su
lfet
o (
mg
/L)
Tempo de Operação (dias)
28
Tabela 3: Comparação do presente trabalho com os demais estudos realizados.
Presente
trabalho
Sahinkaya et al.
(2010)
Rodriguez
(2010)
Bekmezci et al.
(2011)
Tipo de reator RALF RALF RAHLF ABR
Tipo de água
residuária
DAM sintética DAM real DAM real DAM sintética
Material
suporte
Liteball Carvão ativado Espuma de
poliuretano
_
Fonte de
carbono
Etanol Etanol Etanol Etanol
Relação
DQO/ SO42-
1,0 0,85 0,67 0,737
Remoção de
DQO (%) 89,23% 80% 75% 92%
Remoção de
sulfato (%) 10,64% 70% 88% 90%
Os resultados de redução de SO42-
obtidos por este trabalho ainda estão abaixo dos
valores determinados por outros pesquisadores, tais como, Sahinkaya et al (2010), Rodriguez
(2010) e Bekmezci et al (2011), principalmente pelo fato da utilização de diferentes relações
de DQO/SO42
e do meio suporte. Entretanto, acredita-se que com maior tempo de operação do
reator e realizando novos testes com diferentes relações de DQO/SO42, valores próximos
possam ser atingidos.
29
6. Conclusão
Durante o ensaio de fluidização teve-se dificuldade na determinação da máxima e
mínima velocidade de fluidização, como também, na perda de carga. Isso ocorreu pela alta
vazão da bomba utilizada e, por não possuir outra bomba para substituí-la e realizar
novamente o ensaio de fluidização. Entretanto, este ensaio permitiu especificar a bomba de
recirculação que foi adquirida para a operação do RALF para o tratamento da DAM.
De acordo com os resultados obtidos através da operação do reator anaeróbio de leito
fluidizado, o pH efluente apresentou resultados satisfatórios atingindo-se a faixa neutra, igual
a 7,02 (± 0,42). Em relação à eficiência de remoção da DQO, têm-se ótimos resultados,
atingindo média igual a 89,23% (± 4,07). E por fim, a concentração média de sulfato e sulfeto
do efluente foram de 452,75 mg/L (± 78,22) e de 0,40 mg/L (± 0,31), respectivamente.
Portanto, pode-se concluir que, o tratamento anaeróbio da drenagem ácida de mina
sintética, utilizando como material suporte o Liteball e uma relação DQO/ SO-2
4 de 1,0,
apresenta potencial efetivo. Torna-se necessário a operação por um período maior de tempo,
como também, a realização de novas relações de DQO/ SO-2
4, a fim de ter um aumento na
remoção de sulfato e, consequentemente, gerar mais sulfeto.
30
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