No presente trabalho foi avaliado o potencial do reator anaeróbio de leito fixo-estruturado e fluxo descendente (down-flow fixed strucutured bed reactor – DFSBR) para o tratamento de drenagens ácidas de minas (DAM) com vistas à recuperação de metais. Vinhaça de cana-de-açúcar foi utilizada como doador de elétrons para bactérias redutoras de sulfato (BRS) e ferro (Fe2+) foi adicionado como metal de referência. Em associação com a sulfetogênese, produção de metano foi promovida pela relação DQO/SO42- de 2,0, maior que a relação estequiométrica de oxidação da matéria orgânica via redução de SO42- (0,67). Concentrações afluentes de DQO e SO42- da ordem de 4000 mg.L-1 e 2000 mg.L-1, respectivamente, foram mantidas durante todo o período experimental (547 dias), sendo o reator operado com TDH de 20 h. Durante a ETAPA 1 (277 dias) o DFSBR foi alimentado com substrato sintético simulando a fração solúvel da vinhaça e recebeu cargas crescentes de ferro (0,07 a 0,51 g Fe2+.L-1.d-1) para avaliação do potencial de remoção de metais. Foram obtidas eficiências de remoção de DQO e SO42- de 94±2% e 97±3%, respectivamente. Remoção de ferro de 95±5% foi alcançada, assim como proporções crescentes de ferro (de até 55%) nas cinzas do precipitado. Ao longo da ETAPA 2 (100 dias) vinhaça foi utilizada como único doador de elétrons e diferentes razões de recirculação foram estudadas (0, 50, 100 e 150 vezes), com velocidades superficiais do escoamento variando de 0,03 a 5,20 m.h-1. A eficiência de remoção de DQO de 82±6% foi atribuída à presença de compostos recalcitrantes na vinhaça, ao passo que a remoção de SO42- permaneceu próxima da alcançada na ETAPA 1 (95±5%). Uma produção volumétrica de metano da ordem de 390 mL CH4.L-1.d-1 foi obtida (CNTP). A despeito da variação nas taxas de reciclo, maior estabilidade e eficiência de remoção de ferro (96±3%) foram determinadas na ausência de recirculação, com ganhos econômicos para o processo. Durante a ETAPA 3 (170 dias) a diminuição gradativa do pH afluente de 6,30 para 3,50 foi realizada. Apesar da supressão de alcalinidade, o sistema atingiu eficiências de remoção de SO42- de 97±1% e remoção de ferro de 95±4%. Foram observados efeitos adversos sobre o metabolismo metanogênico, com queda na produção de metano de 380 para 230 mL CH4.L-1.d-1, acompanhada por aumento da DQO residual no efluente (1500 mg DQO.L-1). Ainda assim, o DSFBR foi capaz de elevar o pH da água residuária de 3,5 para 6,9, confirmando o potencial do sistema para a neutralização de DAM. A caracterização da comunidade microbiana por análise do sequenciamento do gene RNAr 16S indicou predominância dos gêneros Desulfovibrio e Methanosaeta, comprovando o estabelecimento simultâneo dos processos sulfetogênicos e metanogênicos. Por fim, os resultados apontaram perspectivas promissoras de aplicação do DFSBR ao tratamento de DAM via redução de SO42- favorecendo a precipitação e separação de metais em reator de único estágio. A vinhaça de cana-de-açúcar também se mostrou um adequado doador de elétrons para o processo. / This work evaluated the potential of the down-flow fixed-structured bed anaerobic reactor (DFSBR) for the treatment of acid mine drainage (AMD) aiming at metals recovery. Sugarcane vinasse was used as electron donor for sulfate-reducing bacteria (BRS) and iron (Fe2+) was added as reference metal. In association with sulfidogenesis, methane production was promoted by the applied COD/SO42- ratio of 2.0, which is higher than the stoichiometric ratio for organic matter oxidation solely by SO42- reduction (0.67). Affluent concentrations of COD and SO42- were kept close to 4000 mg.L-1 and 2000 mg.L-1, respectively, over the entire experimental time (547 days). The reactor was operated with HRT of 20 h. During STAGE 1 (277 days) the DFSBR was fed with synthetic substrate simulating the soluble fraction of vinasse and received increasing iron loads (0.07 to 0.51 g Fe2+.L-1.d-1) to verify the potential for metal removal. COD and SO42- removal efficiencies were 94±2% and 97±3%, respectively. Iron removal of 95±5% was achieved, as well as increasing proportions of iron (up to 55%) were observed in the ashes of precipitate. Throughout STAGE 2 (100 days) sugarcane vinasse was used as unique electron donor whereas different recirculation ratios were studied (0, 50, 100 and 150 times), with superficial flow velocities ranging from 0.03 to 5.20 m-1. COD removal efficiency of 82±6% was attributed to the presence of recalcitrant compounds in the vinasse, while the removal of SO42- remained close to that previously achieved during STAGE 1 (95±5%). Volumetric methane production near of 390 mL CH4.L-1.d-1 was obtained (STP). Although the variation in the recycle rates, greater stability and efficiency of iron removal (96±3%) were determined in the absence of recirculation, with economic gains for the process. During the STAGE 3 (170 days) gradual decrease of the pH affluent from 6.30 to 3.50 was performed. Despite the alkalinity suppression, the system achieved SO42- removal efficiencies of 97±1% and iron removal close to 95±4%. Adverse effects over methanogenic metabolism were observed once methane production decreased from 380 to 230 mL CH4.L-1.d-1, which was followed by a residual COD increase in the effluent (1500 mg COD.L-1). Nevertheless, the DSFBR was able to raise the pH of the wastewater from 3.5 to 6.9, indicating the potential of such system for AMD neutralization. 16S rRNA gene sequencing analysis for microbial community characterization showed predominance of the genera Desulfovibrio and Methanosaeta, confirming the simultaneous establishment of sulfidogenic and methanogenic processes. Finally, the results presented promising perspectives for the DFSBR application to the AMD treatment via SO42- reduction, also favoring metals precipitation and separation in a single-stage reactor. Sugarcane vinasse was also considered a suitable electron donor for the process.
| Identifer | oai:union.ndltd.org:usp.br/oai:teses.usp.br:tde-19032019-162327 |
| Date | 14 May 2018 |
| Creators | Godoi, Leandro Augusto Gouvêa de |
| Contributors | Damianovic, Márcia Helena Rissato Zamariolli |
| Publisher | Biblioteca Digitais de Teses e Dissertações da USP |
| Source Sets | Universidade de São Paulo |
| Language | Portuguese |
| Detected Language | Portuguese |
| Type | Tese de Doutorado |
| Format | application/pdf |
| Rights | Liberar o conteúdo para acesso público. |
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