Estudos de biodegradação de COV's e aplicação na torre biológica de pratos

Abstract

O impacto ambiental dos componentes orgânicos voláteis tem sido objecto de preocupação crescente e a sua minimização alvo de diversos estudos científicos, bem como objectivo na aplicação de várias tecnologias de tratamento. Neste âmbito, e dada a perspectiva de incumprimento nacional das directivas europeias para emissões de gases poluentes, pretende-se contribuir para o estudo da aplicabilidade do tratamento biológico de compostos orgânicos voláteis (COV’s). O objectivo principal deste trabalho consiste na avaliação e comparação do desempenho de diferentes biofilmes na remoção COV’s, tomando como indicadores a percentagem de remoção de COV’s e as características morfológicas, químicas e biológicas dos biofilmes. O trabalho envolveu, além da componente experimental e de análise de resultados, a identificação das tecnologias de tratamento biológico de correntes gasosas e a gestão de uma unidade de tratamento biológico em escala piloto. Com este propósito foram desenvolvidas duas linhas de trabalho: (i) o estudo da degradação biológica em batch de fenol, aplicando diferentes concentrações do poluente, e (ii) o estudo degradação biológica de tolueno num reactor recentemente desenvolvido denominado Torre Biológica de Pratos (TBP). Este reactor modular engloba diferentes fenómenos físicos, químicos e biológicos. Cada módulo do reactor é composto por um conjunto de pratos onde se fixa a comunidade microbiana, obtendo água e meio mineral a partir de uma corrente líquida descendente e tolueno a partir de uma corrente gasosa ascendente. O trabalho envolveu o estudo de desempenho de biofilmes bacterianos provenientes de três inóculos distintos: (i) Pseudomonas putida pura, (ii) lamas activadas da ETAR da cidade de Braga (ETAR Frossos) e (iii) lamas activadas de uma ETAR da indústria petroquímica (ETAR Petrogal, Matosinhos). Os ensaios realizados englobaram diversas técnicas de análise, nomeadamente: (i) espectrometria de massa, para determinação de tolueno na TBP; (ii) espectofotometria molecular, para quantificação de biomassa e fenol; (iii) determinação das características físicas do biofilme, nomeadamente espessura, massa volúmica, peso seco, sólidos totais voláteis, sólidos suspensos totais e voláteis; (iv) determinação de aspectos químicos do biofilme, como a quantificação de polissacarídeos, proteínas e actividade do biofilme e (v) registo das características morfológicas do biofilme, utilizando microscopia óptica, técnicas clássicas de coloração e microscopia electrónica de varrimento. Os estudos de degradação de fenol em batch com o inóculo das lamas activadas provenientes da ETAR da Petrogal apresentaram os melhores resultados: maior tolerância à concentração de fenol (400 mg/L) e maior percentagem de remoção de fenol do meio (cerca de 90%, a uma taxa de consumo de 0.23 h-¹). A taxa específica de crescimento da comunidade microbiana foi de 0.14 h-¹ num tempo de aclimatação de 5 h. O rendimento global foi de 0.6 (mg biomassa)/(mg fenol). Quanto ao reactor biológico em estudo, os valores obtidos para percentagem de remoção de tolueno, resultantes de amostras pontuais, não permitem concluir relativamente à adequabilidade das condições de operação para a biodegradação de tolueno. Neste reactor as lamas activadas da ETAR da Petrogal apresentaram também melhores resultados relativamente à actividade do biofilme, quantidade de proteína e polissacarídeos.

There is growing concern regarding the environmental impact of volatile organic compounds and its minimization has been the target of several scientific studies as well as the aim of application of diverse treatment technologies. In this scope, given the expected national non-compliance with european directives for emissions of waste gases, a contribution to the study of the applicability of biological treatment for volatile organic compounds (VOC) is presented. The main objective of this work is the performance evaluation and comparison of different biofilms in VOC removal. The ratio of VOC removal and the biofilm morphological, chemical and biological characteristics were used as parameters. The work involved the acquisition of experimental data and its analysis, as well as the identification of waste gas biological treatment technologies and the management of a pilot scale treatment unit. Two lines of work were developed: (i) study of batch biological degradation of different concentrations of phenol and (ii) study of biological toluene degradation in a recently developed reactor, named Biological Plate Tower (BPT). This modular reactor encompasses different physical, chemical and biological processes. Each module is composed of a set of cascaded plates on to which bacteria attach, with water and mineral medium supply flowing downwards and toluene supply from an upwards air stream. Three bacterial biofilm sources were studied in both lines of work, namely: (i) pure Pseudomonas putida, (ii) activated sludge from a domestic wastewater treatment plant (Frossos, Braga) and (iii) activated sludge from a petrochemical wastewater treatment plant (Petrogal, Matosinhos). Several analysis techniques were employed, namely: (1) mass spectrometry, for toluene concentration analysis in BPT; (ii) molecular spectrophotometry, for biomass and phenol quantification; (iii) biofilm physical properties assessment, namely thickness, mass volume, dry weight, total volatile solids, total suspended and volatile solids; (iv) chemical biofilm analysis such as polysaccharides, protein and biofilm activity quantification and (v) biofilm morphological properties assessment, using optic microscopy, classic colouring techniques and sweep electronic microscopy. The batch phenol degradation studies showed best results for the petrochemical wastewater treatment plant sludge inoculum: greater phenol concentration tolerance (400 ml/L) and greater phenol removal rate (about 90% with a consumption rate of O.23h-¹). The specific growth rate of the microbial community was 0.14 h-¹ with aclimatation time of 5 h. The global yield was 0.6 (mg biomass)/(mg phenol). Regarding the biological reactor under study, the toluene removal ratios, obtained from point samples, do not allow to assess the applicability of the toluene biodegradation operating conditions. In this bioreactor the biofilm from the petrochemical wastewater treatment plant sludge also presented the best results in biofilm activity, protein quantity and polysaccharide quantity.