Recuperação de polímeros semelhantes ao alginato a partir de lodo biológico de esgoto: quantificação, caracterização e aplicação

Abstract

Dado o alto custo e o passivo ambiental do gerenciamento do lodo biológico excedente produzido em estações de tratamento de esgoto, a valorização desse resíduo deve ser priorizada. Dentro do contexto de economia circular, a extração de substâncias poliméricas extracelulares (EPS) a partir do lodo exibe um grande potencial de biorrefinaria uma vez que a presença de polímeros semelhantes a alginato (alginate-like exopolymers - ALE) formadores de hidrogéis possuem usos industriais promissores. Diante desse cenário, esse trabalho teve três objetivos que visam aprofundar conhecimentos em aspectos relacionados ao ALE: (1) avaliar a dinâmica da quantidade, fatores influenciadores e características químicas do ALE ao longo do tratamento de esgoto doméstico com grânulos aeróbios; (2) avaliar como a composição e propriedade de hidrogel do ALE são influenciadas pelo tipo de esgoto (sintético e real) e bioagregado (flocos e grânulos); e (3) testar o uso de hidrogéis de ALE como adsorventes de alguns ânions e cátions presentes em esgoto doméstico. Quanto ao objetivo (1), os resultados mostraram que a quantidade de ALE foi maior, mais estável e constantemente aumentou depois que a granulação foi obtida. Cerca de 236 ± 27 mg SVALE/g SVlodo foram recuperados de grânulos e 187 ± 94 mg SVALE/g SVlodo de flocos. A quantidade de ALE recuperada foi relacionada com a maior fração de grânulos, com a conversão da matéria orgânica e nutrientes, assim como com a estabilidade da comunidade microbiológica. O ALE recuperado tanto de flocos como de grânulos apresentou propriedades de hidrogel sem diferenças na composição elementar e grupos funcionais. Quanto ao objetivo (2), os resultados de análises colorimétricas, FTIR e Raman mostraram que ALE é uma complexa mistura de proteínas, polissacarídeos e ácidos húmicos. De modo geral, o ALE recuperado de diferentes tipos de lodo teve uma quantidade e composição um tanto similar. Somente os grânulos aeróbios alimentados com esgoto sintético composto de acetato e propionato produziram de modo significativo mais ALE (261 ± 33 mg SVALE/g SVlodo, +49%) e contiveram mais açúcares urônicos (254 ± 32 mgácido glucurônico/g SVALE, +62%). Ensaios reológicos mostraram que a elasticidade do ALE recuperado de grânulos foi maior do que a de flocos quando o efluente era esgoto real. Testes enzimáticos indicaram que os ácidos manurônicos estão envolvidos na manutenção da estrutura de hidrogel do ALE. Quanto ao objetivo (3), os resultados mostraram que os hidrogéis de ALE removeram eficazmente somente fosfato do esgoto doméstico com remoções de até 90,8%. Contudo, os hidrogéis de ALE contribuíram para o aumento da concentração de DQO, nitrogênio e fósforo total no meio em até 117,6%, 118% e 42,5% respectivamente. Assim, modificações químicas na composição do ALE devem ser feitas a fim de aumentar sua estabilidade mecânica e evitar a liberação de outros compostos. O pH=6 prejudicou fortemente a eficiência de remoção de fosfato (diminuição para 28,9 ± 0,8%), enquanto pH mais básicos na faixa de 8,5 foram os mais favoráveis. Portanto, os resultados obtidos nessa tese trazem novidades sobre aspectos quantitativos e qualitativos do ALE. Esses avanços podem ajudar na implementação de biorrefinarias para recuperação de recursos a partir de lodo biológico de esgoto contribuindo para uma economia circular.

Abstract: Due to the high cost and environmental liability of the management of waste biological sludge produced in wastewater treatment plants, the valorization of this waste must be prioritized. Within the context of circular economy, the extraction of extracellular polymeric substances (EPS) from the sludge exhibits a great potential for biorefinery since the presence of alginate-like polymers (ALE) which form hydrogels have promising industrial applications. Given this scenario, this work has three aims to deepen knowledge in aspects related to ALE: (1) to assess the dynamics of the quantity, environmental/operational influencing factors and chemical characteristics of ALE during the treatment of municipal wastewater by aerobic granular sludge; (2) to evaluate how the composition and the hydrogel property of ALE are influenced by the type of sludge (synthetic vs. real) and bioaggregate (flocs vs. granules); and (3) to test the use of ALE hydrogels as adsorbents for anionic and cationic compounds present in municipal wastewater. As for objective (1), the results showed that the content of ALE was higher, more stable and steadily increased after granulation was achieved. Approximately 236 ± 27 mg VSALE/g VSsludge were recovered from granules and 187 ± 94 mg VSALE/g VSsludge from flocs. The ALE content recovered was related to the large fraction of granules, with the conversion of organic matter and nutrients, as well as with the stability of the microbial community. ALE recovered from both flocs and granules were endowed with hydrogel properties, presenting no differences in elemental composition and functional groups. As for objective (2), the results of colorimetric assays, FTIR and Raman showed that ALE are a complex mixture of proteins, polysaccharides and humic acids. In general, ALE recovered from different types of sludge had a similar content and composition. Only aerobic granular sludge fed with synthetic wastewater composed of acetate and propionate produced significantly more ALE (261 ± 33 mg VSALE/g VSsludge, + 49%) and contained more uronic sugars (254 ± 32 mgglucuronic acid/g VSALE, +62%). Rheological tests showed that the elasticity of ALE recovered from granules was greater than the elasticity from flocs when the effluent was municipal wastewater. Enzymatic tests indicated that mannuronic acids are involved in the maintenance of the structure of ALE hydrogels. As for objective (3), the results showed that ALE hydrogels were able to effectively remove only phosphate from municipal wastewater with removals of up to 90.8%. However, ALE hydrogels contributed to the increase in the concentration of COD, nitrogen and total phosphorus in the medium up to 117.6%, 118% and 42.5%, respectively. Thus, chemical changes in the composition of the ALE must be made to tailor its mechanical stability and avoid the release of other compounds. pH=6 strongly impaired the phosphate removal efficiency (decrease to 28.9 ± 0.8%), while the basic pH in the 8.5 range was the most favorable. Therefore, the results obtained in this thesis provide advances on quantitative and qualitative aspects of ALE, which help consolidating the implementation of technologies for resource recovery from waste biological sludge.