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Reatores biológicos de filme fixo são unidades que dispõem de meio suporte, constituído por materiais, peças ou acessórios, em cuja superfície ocorre a fixação e o desenvolvimento do biofilme (Campos,1989).

Esses reatores, em função da movimentação do leito, podem ser divididos em dois grupos principais: os de leito fixo, que não apresentam movimento do leito, e os de leito móvel, quando o material suporte movimenta-se. Nesse último, a movimentação do leito é geralmente garantida por meio do fluxo ascendente ou descendente da água residuária, por agitação mecânica ou pela injeção de gás (Lazarova e Manem,1994).

Devido ao fato de poderem ser operados sob elevada razão tempo de retenção celular/tempo de detenção hidráulica (θc/TDH), esses reatores vêm ganhando destaque no cenário biotecnológico, pois propiciam configurações de sistemas que requerem menor área para a estação de tratamento, envolvem processos menos dependentes da separação de biomassa e, sobretudo, retêm biomassa com concentração maior de organismos relevantes quando comparados ao sistema de lodos ativados (Speece, 1996; Ødegaard, 2000).

Entretanto, o sucesso desses reatores está diretamente ligado ao crescente avanço das técnicas de imobilização e retenção dos microrganismos. Estas têm permitido que esses reatores suportem bem as variações de cargas hidráulica e orgânica, bem como possibilitam o desenvolvimento dos processos aeróbio, anaeróbio e anóxico, dependentes apenas das condições de operação a que são submetidos (Droste, 1997; Cohen, 2001).

Hjortso e Roos (1995a, 1995b) e Wimpenney et al. (2000) citam que entre os exemplos de retenção microbiana empregada em reatores de filmes fixos, destacam-se os aglomerados de organismos na forma de flocos, grânulos e agregados de bactérias aderidas a suportes inertes, cujo grau e maneira com que as células agregam-se, são determinados por diversos fatores (físico-químicos, ambientais, nutricionais, fisiológicos, genéticos, etc.) dos organismos envolvidos na degradação dos compostos orgânicos e inorgânicos.

Tyagi e Vembu (1990) consideram que a retenção microbiana nesses reatores deve-se apenas a dois métodos de imobilização: aderência e encapsulamento. O primeiro abrange todos os fenômenos mediante os quais as células estão fixas à superfície do meio suporte, incluindo aqueles em que as células fixam-se ao meio suporte por adsorção não específica ou ligação covalente específica; e o segundo sendo decorrente do confinamento ou aprisionamento dos microrganismos nos poros de materiais fibrosos ou porosos.

Karel et al. (1985) mencionam ainda que as células retidas na forma de flocos ou grânulos definem o terceiro mecanismo de imobilização, conhecido como autoimobilização.

Cohen (2001) aponta para algumas diferenças adicionais entre a forma de imobilização por aderência e encapsulamento, as quais são mostradas na tabela 3.6.

Tabela 3.6: Principais aspectos da forma de imobilização de microrganismos para o tratamento de águas residuárias. Fonte: Cohen (2001)

Forma de Imobilização Principais Aspectos

Aderência Encapsulamento

Produção do recheio Simples e de baixo custo

Complexa, alto custo, alguns materiais de polímeros apresentam problemas de

toxicidade Adaptação a mudanças no fluido População microbiana pode adaptar-

se a mudanças

População microbiana não pode adaptar-se a mudanças Resistência a difusão Restrição à difusão são baixas Vários materiais poliméricos sofrem

restrições à difusão relativamente alta Eficiência do tratamento com diferentes

contaminantes

Alta diversidade microbiana pode efetivamente tratar fluido que contêm diferentes contaminantes

Número pequeno de espécies microbianas não pode tratar fluido com

diferentes contaminantes Controle dos microrganismos dominantes

no reator Controle limitado

Espécies microbianas desejadas podem ser controladas

Possibilidade de ocasionar um processo

de degradação seqüencial Não possível Possível Possibilidade de ocasionar um processo

de oxi-redução em ambiente aeróbio Não possível Possível Plasmido e estabilidade dos

microrganismos Baixo Alto

Produção de bio-aerossol Relativamente alta Baixa

Produção de lodo Maiores quantidades de lodo Menores quantidades de lodo Resistência a concentrações altas de

compostos tóxicos Baixa resistência Alta resistência Possibilidade de armazenar o recheio com

microrganismos Muito complexa Simples Possibilidade de mudar os

microrganismos no reator

Depende do projeto, geralmente

muito complexa Simples

Na Figura 3.10 são ilustradas esquematicamente as formas de imobilização, classificadas em termos do fenômeno físico.

Figura 3.10: Formas de imobilização e sua classificação em termos do fenômeno físico de localização. Adaptado de Karel et al. (1985)

Com relação aos reatores de filme fixo que fazem uso desses “mecanismos”, citam-se: filtros biológicos anaeróbio e aeróbio, reator anaeróbio horizontal de leito fixo, reator anaeróbio ou aeróbio de leito expandido/fluidifizado, reator anaeróbio de manta de lodo (UASB) e reator anaeróbio ou aeróbio de leito de lodo granular expandido (EGSB).

O desenvolvimento de reatores que utilizam o biofilme aderido data de meados da década de 1970. Nicolella et al.(2000a) apresentam revisão bibliográfica com uma série de reatores com aplicação em águas residuárias. Os principais tipos de reatores aplicados são os USB (Upflow Sludge Blanket), BFB (Fluidized Bed), EGSB (Expanded Granular Sludge Blanket), BAS (Biofilm Airlift Suspension ) e (IC) Internal Circulation.

Nos reatores USB as condições hidrodinâmicas são mais tranqüilas devido à baixa velocidade superficial do líquido. O esgoto afluente entra na base destes reatores em movimento ascendente passando por uma manta de lodo onde a matéria orgânica é rapidamente convertida. Na fase de conversão da matéria, forma-se gás e este causa a circulação da fase líquida e do lodo. Seções de sedimentação promovem uma separação efetiva das fases e o lodo destituído do gás submerge novamente para a base do reator. A movimentação ocorrida neste processo garante uma mistura efetiva entre a manta de lodo e o esgoto afluente.

Os reatores USB operam com tempos de detenção hidráulica menores que 48 horas. O acúmulo de sólidos suspensos é apontado como um grande problema operacional nestes reatores.

A figura 3.11 mostra um esquema dos reatores USB.

Gás Efluente Afluente Manta de lodo Domo de coleta de gás

Figura 3.11: Esquema de um reator USB (Upflow Sludge Blanket). Adaptado de Nicolella et al. (2000a)

Os reatores BFB são apropriados para tratar contaminantes orgânicos e inorgânicos que requerem uma alta idade da biomassa e baixa concentração de sólidos suspensos (Nicolella et al.,2000a). Nestes reatores o afluente é bombeado através do leito de pequenas partículas com biofilme com uma velocidade suficiente para causar a fluidização. O leito fluidizado oferece uma grande área superficial para o crescimento biológico. O esquema de um reator BFB é apresentado na figura 312.

Gás

Efluente

Afluente Leito

fluidizado

Figura 3.12: Esquema de um reator BFB (Biofilm Fluidized Bed). Adaptado de Nicolella et al. (2000a)

Os reatores EGSB combinam as características de um reator USB e BFB. A biomassa se desenvolve na forma granular e a velocidade superficial do líquido aproxima-se dos BFB. A figura 3.13 mostra um esquema de um reator ESGB.

Gás Efluente Zona de separação (gás-líquido-sólidos) Manta de lodo granular expandida Afluente

Figura 3.13: Esquema de um reator ESGB (Expanded Granular Sludge Blanket). Adaptado de Nicolella et al. (2000a)

Os reatores ESGB e IC são uma evolução do conceito dos reatores USB e operaram com uma velocidade superficial do líquido alta, minimizando o efeito do acúmulo de sólidos suspensos no seu interior, como observado no USB (Nicolella et al.,2000b). Os reatores IC operam como dois USB conectados um sobre o outro. No compartimento inferior existe uma manta granular expandida onde a maior parte da matéria orgânica é convertida. Nesta etapa forma-se gás devido à conversão da matéria orgânica, sendo ele portanto responsável pela circulação do lodo através de um tubo de subida (riser). Parte desse lodo, ao atingir a zona de sedimentação, retorna à base do reator e o restante da matéria é convertida no segundo compartimento funcionando como um pós tratamento. Pode-se observar um esquema de um reator IC na figura 3.14. Efluente Segundo separador Leito Expandido Afluente Tubo de descida Primeiro tubo de subida Separador Gás -Líquido Primeiro tubo de subida Primeiro separador Sistema de distribuição Gás

Figura 3.14: Esquema de um reator IC (Internal circulation). Adaptado de Nicolella et al. (2000a)

A tabela 3.7 mostra as vantagens e desvantagens do uso de reatores que utilizam biofilme aderido.

Tabela 3.7: Vantagens e desvantagens em reatores que utilizam biofilme aderido. Fonte Mendonça (2004)

Vantagens Desvantagens

- Alta velocidade de sedimentação, possibilitando a redução de sistemas para clarificação externa; - Alta concentração de biomassa;

- Oferece grande área superficial para o crescimento dos microrganismos;

- Grande transferência de massa resulta em elevada conversão da matéria orgânica;

- Reatores compactos;

- Alta idade do lodo e baixa formação de lodo excedente.

- A formação do biofilme sobre o meio suporte requer um tempo inicial longo;

- Controle da espessura do biofilme é difícil; - O crescimento excessivo do biofilme causa o

carregamento do meio suporte para fora do reator; - Os distribuidores para fluidizar o sistema podem

apresentar um custo elevado e problemas de entupimento e de manutenção da fluidização uniforme.

A tabela 3.8 apresenta algumas características de projeto de reatores de leito móvel e fixo de escala plena, que são empregadas no tratamento de águas residuárias domésticas e industriais por processos anaeróbio e aeróbio.

Tabela 3.8: Características de projeto e operação de reatores de filme fixo. Fonte Metcalf e Eddy (1991); Bordacs e Young (1997); Droste (1997); Henze et al. (1997); Rocha et al. (2000); Nicolella et al. (2000a);

Bosander e Westlund (2000)

Características Filtro Biológico Bio-disco UASB Leito Fluidificado anaeróbio (1) COV (kgDQO.m3.d-1) 0,4 a 10 4 a 5 (3) 2 a 12 1 a 30 (2) Relação A/M 0,5 a 1 - 0,5 a 1 0,5 a 1 TDH (h) 20 a 96 0,7 a 2,9 3,5 a 15 2 a 24 θC (dia) 30 a 100 3 a 30 30 a 50 5 a 30 SSV (g/L) 10 a 30 5 a 15 20 a 70 10 a 90 Velocidade (m/h) - - 0,5 a 2 4 a 39 EficiênciaDQO(%) 40 a 90 60 a 95 70 a 95

(1) COV=Carga orgânica volumétrica; (2) A/M=relação alimento/microrganismo; (3) COS=carga orgânica superficial (gDBO/m2_.d)