Cinética da biodegradação dos compostos benzeno, tolueno e xileno em lodo aeróbico utilizando biofilme

Abstract

Os hidrocarbonetos monoaromáticos benzeno, tolueno, etilbenzeno e xilenos, coletivamente conhecidos como BTEX são compostos tóxicos presentes em derivados de petróleo, como a gasolina, e utilizados em larga escala nas indústrias químicas e petroquímicas. Estes compostos quando liberados no meio ambiente contaminam o solo e as águas subterrâneas, podendo inviabilizar a exploração de aquíferos, que atualmente representam uma fonte alternativa de água potável. Dessa forma, é fundamental a pesquisa de processos de biodegradação, particularmente quando múltiplos substratos estão presentes no sistema. Neste trabalho investigou-se a cinética de biodegradação dos compostos BTX, individualmente e em mistura. Para tanto, foi avaliado o desempenho de diversos modelos não-estruturados de crescimento microbiano, utizando dados experimentais. As equações do balanço material em operação batelada foram numericamente resolvidas aplicando os modelos de Monod e Andrews à cinética de biodegradação individual dos substratos. Igualmente, as equações aplicadas à cinética de biodegradação da mistura BTX foram resolvidas considerando os modelos de inibição competitiva, acompetitiva e não-competitiva, bem como o modelo soma cinética dos parâmetros de interação (sum kinetic interactions parameters - SKIP). Os parâmetros cinéticos foram estimados por meio de um método de otimização global conhecido como Enxame de Partículas (Particle Swarm Optimization - PSO), implementado no software Maple® 14. Além disso, também foi realizada a identificação das bactérias presentes no lodo in natura, lodos adaptados (batelada e fluxo contínuo), o teste de toxicidade e analisada a influência dos parâmetros diâmetro de partícula, concentração de glicose e substrato (BTX) na biodegradação dos BTX. Foi utilizado lodo aeróbio de estação de tratamento sanitário como fonte de micro-organismos. As leituras de concentração de BTX foram realizadas em HPLC. Através das análises de microscopia eletrônica de varredura e microscopia ótica de contrastes de fundo escuro observou-se uma abundância em micro-organismos presentes e uma adequada formação de biofilme. Observou-se que o gênero Pseudomonas foi encontrado no lodo adaptado, o que indica que este gênero possui afinidade aos substratos BTX. A biodegradação individual dos substratos tolueno e o-xileno foram adequadamente representados pelos modelos de Monod e Andrews, onde foi observado que o tolueno apresentou maior facilidade de degradação quando comparado ao xileno. Com respeito aos modelos de degradação multicomponente, para a associação tolueno-xileno, o modelo SKIP proporcionou a melhor representação da cinética para a associação bicomponente TX, pois além de apresentar um ótimo ajuste aos dados experimentais também mostrou o menor valor de função objetivo, quando comparado aos modelos de inibição. Na avaliação das variáveis na biodegradação monocomponente e bicomponente, o diâmetro de partícula apresentou diferença significativa ao nível de 95% de confiança, seguido pelo substrato utilizado, sendo que pela avaliação a concentração de glicose não apresentou diferença significativa. Quando se avaliou a associação tricomponente, o modelo de inibição acompetitiva apresentou o menor valor de função objetivo, no entanto, nenhum dos modelos pode ser descartado para as interações multicomponentes, visto a pequena diferença dos valores de função objetivo. Os parâmetros cinéticos encontrados para as associações multicomponentes coincidem com valores encontrados na literatura. Dessa forma, os resultados alcançados neste trabalho mostram que todos os modelos avaliados podem ser aplicados com sucesso na avaliação e otimização de processos biodegradativos de compostos tóxicos.<br>

Abstract : The monoaromatic hydrocarbons benzene, toluene, ethilbenzene and xylenes, collectively known as BTEX are toxic compounds present in petroleum products such as gasoline, and used extensively in chemical and petrochemical industries. These compounds when released into the environment contaminate soil and groundwater and may derail the exploitation of aquifers, which currently represent an alternative source of drinking water. Thus, it is essential to search for biodegradation processes, particularly when multiple substrates are present in the system. In this study we investigated the kinetics of biodegradation of BTX, individually and in combination. Therefore, we evaluated the performance of several models unstructured microbial growth, using experimental data. The material balance equations for batch operation were numerically solved by applying the biodegradation kinetics models of Andrews and Monod for individual substrates. Likewise, the equations applied to the biodegradation kinetics of the BTX mixture were resolved considering models for competitive, non-competitive and acompetitive inhibition and the model of sum interactions kinetic parameters - SKIP. The kinetic parameters were estimated using a global optimization method known as Particle Swarm (Particle Swarm Optimization - PSO), implemented in Maple® 14 software. Furthermore, analysis were also conducted to identify the bacteria present in the in natura sludge, sludge adapted (batch and continuous flow), and the toxicity test. It was also investigated the influence of the particle diameter, concentrations of glucose and substrate (BTX) in the biodegradation of BTX. It was used aerobic sludge from treatment plant as source of microrganisms. The concentration values were performed in HPLC. Through the analysis of scanning electron microscopy and optical microscopy contrast of dark background there was an abundance of microrganisms present and adequate biofilm formation. It was investigated that the Pseudomonas was found in sludge adapted, which indicates that this microrganism has affinity to substrates BTX. The biodegradation of individual substrates, toluene and o-xylene, was adequately represented by Andrews and Monod models, which revealed that toluene was easier to degradation when compared to o-xylene. With respect to multicomponent degradation models for the association toluene-o-xylene, the SKIP model provided the best representation of the kinetics for the TX bicomponent association, as well as presenting a good fit to experimental data. It also showed the lowest value of the objective function compared to models of inhibition. In the evaluation of the variables in monocomponent and bicomponent biodegradation, the particle diameter presented significant difference at 95%, followed by substrate. The glucose concentration was not significantly different. When we assessed the tricomponent association, the inhibition model uncompetitive showed the lowest value of the objective function, however, none of the models can be discarded for multicomponent interactions, due to the small difference in the values of objective function. The kinetic parameters found for multicomponent associations coincide with values reported in the literature. Thus, the results obtained in this work showed that the models can be successfully applied in the evaluation and optimization of biodegradation processes of toxic compounds.