Estudo fluidodinâmico da biodegradação de formaldeído em reator de leito fixo com biomassa imobilizada

Abstract

Compostos orgânicos xenobióticos perigosos são lançados no meio ambiente junto a efluentes gerados por atividades humanas, em especial as atividades industriais, oferecendo diversos riscos para o meio ambiente e para os próprios seres humanos. Entre estes compostos, o formaldeído é um dos mais problemáticos, devido aos seus efeitos tóxicos e carcinogênicos para os organismos vivos. Os tratamentos biológicos surgem como uma alternativa muito promissora para a degradação do formaldeído de efluentes industriais por causar baixo impacto ambiental. Devido à complexidade dos processos biológicos a modelagem matemática e a simulação são ferramentas para o aprimoramento e ampliação de escala destes processos. A evolução dos estudos sobre este tema exige a combinação de conhecimentos já existentes em outras áreas da ciência, como a fluidodinâmica e os fenômenos de transferência de massa. O presente trabalho tem como objetivo investigar o processo de biodegradação de formaldeído em reator de leito fixo com a bactéria Ralstonia eutropha, imobilizada em suporte mineral poroso. O estudo do desempenho deste processo foi realizado através da análise dos perfis de velocidade e de concentração das espécies químicas sob diferentes condições de operação e de configuração do leito do biorreator. Os resultados obtidos estão em concordância com dados experimentais da literatura para este processo. Com o objetivo de determinar a condição que maximize a eficiência do biorreator para a biodegradação do formaldeído, o comportamento deste processo frente a alterações na geometria do sistema também foi investigado. Os resultados mostraram que a fluidodinâmica do processo tem influência direta sobre a eficiência do tratamento, sendo possível o seu aumento a partir de alterações na geometria do reator sem a necessidade do aumento de material utilizado como suporte para o microrganismo. Como o modelo da cinética de biodegradação considera efeitos inibitórios pelo formaldeído, propôs-se quantificar a biomassa aderida ao suporte como uma função da concentração média de formaldeído ao longo do biorreator. Os resultados obtidos demonstraram que este procedimento para quantificar a biomassa aderida em cada suporte poroso e consequente determinação da taxa de biodegradação resultou em uma melhora na capacidade de previsão do processo de biodegradação do formaldeído pela bactéria Ralstonia eutropha imobilizada em suporte mineral kissiris. Logo, a capacidade de previsão desse comportamento, pode gerar melhorias significativas no projeto de reatores biológicos.

Abstract : Hazardous xenobiotic organic compounds are released into the environment from wastewater generated by human activities, especially industrial activities, offering a variety of risks to the environment and to humans themselves. Among these compounds, formaldehyde is one of the most problematic due to its toxic and carcinogenic effects on living organisms. Biological treatments appear as a very promising alternative for formaldehyde degradation from industrial effluents because it is low environmental impact. Due to the complexity of biological processes, mathematical modeling and simulation are necessary tools for the improvement and scaling of these processes. The evolution of studies on this subject requires their combination with existing knowledge in other areas of science, such as fluid dynamics and mass transfer phenomena. The present work aims to investigate the process of formaldehyde biodegradation in a fixed bed reactor with the bacterium Ralstonia eutropha immobilized in porous mineral support. The performance study of the process was carried out by analyzing the velocity and concentration profiles of the chemical species under different operation conditions and configurations of the bioreactor. The results obtained are in agreement with experimental data from the literature for this process. In order to determine the condition that maximizes the efficiency of the bioreactor for the formaldehyde biodegradation, the behavior of this process against changes in the system geometry was also investigated. The results showed that the fluid dynamics of the process has a direct influence on the treatment efficiency, being possible to increase it from changes in the reactor geometry, without increasing the material used as support for the microorganism. As the model of biodegradation kinetics considers inhibitory effects by formaldehyde, it was possible to verify that when considering a quantity of biomass adhered to the supports as a function of the formaldehyde concentration in the reactor, the capacity of the model in the prediction and description of the process is improved to the formaldehyde biodegradation by the bacterium Ralstonia eutropha immobilized on porous mineral support. Therefore, the predictive capacity of this behavior can generate significant improvements in the design of biological reactors.