Cyanide Removal Present in Cassava Wastewater (CWW): effects on the first stage of anaerobic digestion and complete anaerobic digestion

Abstract

A mandioca é conhecida mundialmente como fonte de alimento em mais de 190 países. A indústria de mandioca gera quantidades significativas de resíduos líquidos e sólidos com elevada carga orgânica, amido e compostos tóxicos, como o cianeto (CN). Estima-se que para cada tonelada de mandioca processada, gera-se de 300 a 600 litros de efluente. Os glicosídeos cianogênicos (linamarina e lotaustralin) presentes na mandioca, sofrem hidrólise enzimática em contato com a linamarase, liberando HCN como produto final. Com isso, os resíduos gerados no processamento do tubérculo liberam para o meio ambiente compostos como CN livre (CN-) e ácido cianídrico (HCN) em alta concentração, além de glicosídeos, causando severo impacto ambiental, principalmente quando esses compostos se associam à elementos metálicos. Devido a ineficiência de remoção dos métodos físico-químicos quando há alta concentração de CN e complexos metálicos, os modelos biológicos são alternativa viável, além de outras vantagens, como geração de produtos de valor agregado. Na literatura vários microrganismos são descritos devido capacidade de tolerar e degradar CN utilizando-o como fonte de carbono e nitrogênio. Neste contexto, o presente estudo teve como objetivo a remoção do CN do efluente oriundo da indústria de farinha de mandioca, via processo biológico anaeróbio utilizando uma cultura mista proveniente de reator anaeróbio de fluxo ascendente (RAFA). Além disso, analisou o efeito do CN no reator acidogênico (RA), ou seja, com a inibição das metanogênicas por meio do BES, e na digestão anaeróbia completa (DAC) durante 13 dias. A eficiência de remoção de CN no primeiro dia foi >83% e >86% para RA e DAC, respectivamente. Entre o 2° e 6° dia, DAC obteve remoção ligeiramente superior ao RA, porém no 7° dia a eficiente de ambos fora acima de 99%. A produção de biogás na DAC foi afetada pelo pH e CN até o 5° dia. A partir do 2° dia, a produção acumulativa de biogás no RA foi constante, provavelmente devido a conversão da matéria orgânica complexa em biogás. A composição do biogás no RA (44% de H2; 4% de CO2; e 1% de CH4) mostra que a maioria das metanogênicas foram inibidas; enquanto na DAC 71% da composição do biogás era metano. Pseudomonas stutzeri, conhecida como degradadora de CN, foi identificada no tempo inicial, diferentemente do tempo final em RA e DAC. No entanto, os gêneros Clostridium e Pseudomonas foram identificados no tempo final e inicial, catalogados como grupos tolerantes ao CN. Com isso, pode-se inferir que o RA e DAC removem CN concomitante a produção de produtos de valor agregado (biogás e AGVs), com período de aclimatação.

Abstract: Cassava is known worldwide as a food source, covering more than 190 countries. The cassava industry generates large amount of liquid and solid waste with a high organic load, starch, and toxic compounds such as cyanide (CN). It is estimated that for each ton of cassava processed, 300 to 600 L of effluent are generated. The cyanogenic glycosides (linamarin and lotaustralin) present in cassava undergo enzymatic hydrolysis in contact with linamarase, releasing HCN as a final product. As a result, the waste generated in tuber processing releases compounds such as free CN (CN-) and hydrocyanic acid (HCN) in high concentrations into the environment, in addition to glycosides, causing severe environmental impact, especially when these compounds are associated with elements metallic. Due to the inefficiency of removal of physical-chemical methods when there is a high CN concentration and metal complexes, biological models are a viable alternative, in addition to other advantages, such as the value-added products generation. In the literature several microorganisms are described due to their ability to tolerate and degrade CN using it as a carbon and nitrogen source. In this context, the present study aimed to remove CN from the effluent from the cassava flour industry, via an anaerobic biological process using a mixed culture from an Upflow Anaerobic Sludge Blanke (UASB). Furthermore, it analyzed the CN effect on the acidogenic reactor (AR) and on the complete anaerobic digestion (CAD) during 13 days. Day one CN removal efficiency was >83% and >86% for AR and CAD, respectively. Between the 2nd and 6th day, CAD achieved removal slightly higher than AR, but on the 7th day the efficiency of both was above 99 %. The biogas production in CAD was affected by pH and CN until the 5th day. From the 2nd day, the cumulative biogas production in the AR was constant, probably due to the conversion of complex organic matter into biogas. The biogas composition in AR (44% for H2; 4% CO2; and 1% CH4) shows that most methanogens were inhibited; while in the CAD 71 % of the biogas composition was methane. Pseudomonas stutzeri, known as a CN degrader, was identified at the initial time, differently from the final time in AR and CAD. However, the genera Clostridium and Pseudomonas were identified at the final and initial times, cataloged as CN-tolerant groups. With this, it can be inferred that AR and CAD remove CN concomitantly with the production of value-added products, with an acclimatization period.