Bioflocculant production from industry residues and its application in textile wastewater treatment

Abstract

A indústria têxtil é um setor que produz efluentes tóxicos e recalcitrantes cujo descarte inadequado acarreta em impacto ambiental e potencial efeito deletério à saúde humana. Nesse sentido, os sistemas de floculação caracterizam-se como uma opção econômica de tratamento e uma rota que tem atraído atenção para esta área é o efeito floculante de componentes biológicos. Conhecidos como biofloculantes, essas moléculas extracelulares são, principalmente, polissacarídeos e proteínas produzidas por microrganismos que apresentam eficiência na precipitação de partículas suspensas ou substâncias diluídas em soluções. Em contrapartida, alguns resíduos industriais, como o lêvedo de cerveja e o lodo ativado, apresentam concentração rica em componentes biológicos. Neste contexto, este trabalho visou a utilização destes resíduos na produção de biofloculantes assim como sua aplicação no tratamento de efluentes têxteis. Primeiramente, produziu-se um biofloculante a partir do lêvedo de cerveja, sendo este aplicado em um efluente têxtil real contendo o corante rodamina e em uma solução sintética contendo o corante flavina. Este biofloculante foi produzido via hidrólise alcalina, sendo os parâmetros de temperatura, concentração de NaOH e massa de levedura otimizados via planejamento fatorial completo 2³. A composição do agente floculante é de 46% de proteínas e 29% de carboidratos e a sua eficiência na precipitação dos corantes em solução foi avaliada em termos do pH, temperatura, agitação e dosagem de floculante. Remoções de cor acima de 80 e 90% foram obtidas para os sistemas com rodamina e flavina, respectivamente. Experimentos adicionais de demanda bioquímica de oxigênio, demanda química de oxigênio, carbono orgânico total, metais leves e biodegradabilidade foram realizados para caracterizar o efluente real tratado e não tratado. Na sequência, uma metodologia semelhante foi aplicada na produção de um biofloculante de lodo ativado, o qual foi empregado no tratamento de água contendo azo corantes reativos e dispersos. A hidrólise alcalina empregada resultou em um sobrenadante com composição química de 27% de proteínas, 12% de carboidratos e 12% de lipídeos. Os ensaios de floculação mostraram considerável influência do pH e, juntamente com as análises de potencial zeta, fez-se possível a inferência do mecanismo de floculação dominante. Resultados de remoção de cor acima de 90% foram obtidos para ambos os sistemas e um teste de biodegradabilidade evidenciou a baixa presença de material celular remanescente. Testes comparativos com o floculante comercial policloreto de alumínio evidenciam a eficiência do biofloculante. Por fim, foi possível verificar o potencial dos biofloculantes no tratamento de efluentes têxteis assim como a possibilidade de valorização de resíduos industriais como fonte de componentes biológicos.

Abstract: The textile industry is a segment that generates toxic and recalcitrant effluents, which inappropriate disposal implies an environmental impact and might affect human health. In this sense, flocculating systems are conventionally considered a cost-effective treatment of dye-containing wastewaters, and one methodology that has attracted attention to this research field is the flocculating effect of biological components. Known as bioflocculants, these extracellular molecules are, mainly, carbohydrates and proteins produced by microorganisms that present efficacy on precipitating suspended particles or diluted substances. On the other hand, some industry residues, such as spent brewer?s yeast and excess-activated sludge, present considerable biological content and require management. In this context, this work aims at the use of these residues in bioflocculants production as well as their application in dye-containing wastewaters. Firstly, it is presented a bioflocculant produced from spent brewer?s yeast and its application in real textile wastewater containing rhodamine dye and in a synthetic solution with flavine dye. The bioflocculant was produced by alkaline hydrolysis and the parameters of temperature, NaOH concentration, and yeast mass were optimized by a full 2³ factorial design. The flocculant agent composition consisted of 46% proteins and 29% carbohydrates and its performance on dye precipitation was evaluated in terms of flocculation system pH, temperature, agitation, and flocculant dosage. Color removal results near 80 and 90% were obtained for rhodamine and flavine systems, respectively. Further experiments considering biochemical oxygen demand, chemical oxygen demand, total organic carbon, light metals content, and biodegradability were performed to infer the characteristics of the real textile wastewater containing rhodamine before and after treatment. Additionally, a similar approach was applied to produce a bioflocculant from excess-activated sludge, which was employed on clarifying water containing reactive and disperse azo dyes. The alkaline hydrolysis employed on the substrate resulted in a supernatant with a chemical composition of 27% protein, 12% carbohydrate, and 12% lipid. During the flocculation assays, the pH presented relevant influence and associated with zeta potential analysis, it was possible to define the governing flocculation mechanism. Color removal outcomes above 90% were attained under slightly acidic pH for both dyes and a biodegradability test showed low cellular debris content after flocculation. Furthermore, a comparative study with the commercial flocculant poly aluminum chloride (PAC) points out the performance of the produced bioflocculant. Finally, we can verify the feasibility of bioflocculants in clarifying textile wastewaters and the potential of industrial residues as a source of valuable biological components.