RESUMO

O tratamento anaeróbio de efluentes industriais ricos em sulfato e sódio pode ser limitado por vários fatores, dentre os quais a relação DQO/sulfato, a concentração de SO₄ ^2- e a concentração de sódio. Entre os fenômenos investigados estão a competição entre bactérias redutoras de sulfato e arquéias metanogênicas por substrato, a concentração de sulfeto gerado na sulfetogênese e a inibição por cátions. Este trabalho apresentou e discutiu os resultados da operação de um reator UASB, com volume útil de 10,5 L e vazão de 16,0 L.dia^-1. Utilizou-se glicose, acetato e metanol (DQO≈2.000 mg.L^-1), sob razão DQO/sulfato variando de 0,20 a 6,15, concentração de sulfato de 0,3 a 10,0 g.L^-1 e concentração do cátion Na⁺ de 0,70 g.L^-1 a 5,40 g.L^-1. A eficiência de remoção de DQO foi mantida acima de 80%, e a concentração de sulfato removida ficou limitada a cerca de 800 mg.L^-1 durante o período experimental. A atividade metanogênica específica do lodo (AME) foi de 0,630 gCH₄-DQO.gSSV^-1 até carga de sulfato de 0,300 gSO₄ ^2-.L^-1 e (razão DQO/sulfato de 6,15), declinando até atingir 0,168 gCH₄-DQO.gSSV^-1 (queda de 70%) na última fase com 10,000 gSO₄ ^2-.L^-1 (razão DQO/[SO₄ ^2-] de 0,24) e concentração de Na⁺ de 5,41±0,10 g.L^-1. O aumento crescente das concentrações de sódio e sulfato, mantendo-se a concentração de matéria orgânica constante, permitiu constatar a inibição da metanogênese por sódio e sulfeto, mesmo em concentrações abaixo das consideradas inibidoras individualmente. O efeito do sódio na estrutura do grânulo foi determinante na inibição da metanogênese observada.

Palavras-chave:
metanogênese; sulfetogênese; relação DQO/[SO₄ ^2-]; inibição por Na⁺

ABSTRACT

The anaerobic treatment of industrial wastewater presenting high concentrations of sulfate and sodium may be limited by several factors, including the ratio COD / [SO₄ ^2-], the concentration of SO₄ ^2- and the concentration of Na⁺. The competition between sulfate reducing bacteria and methanogenic archaea for substrate, the concentration of sulfide generated in sulfidogenesis, and the inhibition by cations are among the main phenomena that have been investigated. This paper presented and discussed the results of a UASB reactor with a volume of 10.5 L and flowrate of 16.0 L.day^-1, subjected to increasing COD/sulfate ratio whereas influent COD was kept constant. Glucose, acetate and methanol (≈2,000 COD mg.L^-1) were the carbon sources, and the COD/sulfate ratio ranged from 0.20 to 6.15 for sulfate concentrations of 0.3 to 10.0 g.L^-1, Na + concentrations of 0.70 g.L^-1 to 5.40 g.L^-1. The COD removal efficiency was maintained above 80%, and the sulfate removal was limited to 800 mg.L^-1 throughout the experimental period. The specific methanogenic activity (SMA) was 0.630 gCH₄-DQO.gSSV^-1 for 0.300 gSO₄ ^2-.L^-1 (COD/sulfate of 6.15), decreasing to 0.168 (70% decrease) in the last phase (COD /sulfate of 0.24) at concentrations of 10.000 gSO₄ ^2-.L^-1 and of Na⁺ 5.41±0.10 g.L^-1. The progressive increase of sulfate and sodium concentrations at constant influent COD resulted in methanogenesis inhibition by sodium and sulfide, even at concentrations bellow the inhibition limits, if individually considered. The effect of sodium in the granule structure was determinant for methanogenesis inhibition.

Keywords:
methanogenesis; sulfidogenesis; COD/sulfate; cation inhibition Na⁺

INTRODUÇÃO

A remoção simultânea de matéria orgânica e sulfato em reatores anaeróbios que tratam águas residuárias industriais tem sido objeto de estudo de vários pesquisadores ao longo do tempo (RINZEMA; LIER; LETTINGA, 1988RINZEMA, A.; LIER, J.V.; LETTINGA, G. (1988) Sodium inhibition of acetoclastic methanogens in granular sludge from a UASB reactor. Enzime and Microbial Technolog , v. 10, n. 1, p. 24-32.; LENS et al., 1998LENS, P.N.L.; VISSER, A.; JANSSEN, A.J.H.; HULSHOFF POL, L.W.; LETTINGA, G. (1998) Biotechnological treatment of sulfate-rich wastewaters. Critical Reviews in Environmental Science and Technology , v. 28, n. 1, p. 41-88.; GREBEN; MAREE; MNQANQENI, 2000GREBEN, H.A.; MAREE, J.P.; MNQANQENI, S. (2000) Comparison between sucrose, ethanol and methanol as carbon and energy sources for biological sulphate reduction. Water Science Technology , v. 41, n. 12, p. 247-253.; DAMIANOVIC & FORESTI, 2009DAMIANOVIC, M.H.R.Z. & FORESTI, E. (2009) Dynamics of sulfidogenesis associated to methanogenesis in horizontal-flow anaerobic immobilized biomass reactor. Process Biochemistry , v. 44, n. 9, p. 1050-1054.; COSTABILE et al., 2011COSTABILE, A.L.O.; CANTO, C.S.A.; RATUSZNEI, S.M.; RODRIGUES, J.A.D.; ZAIAT, M.; FORESTI, E. (2011) Temperature and feed strategy effects on sulfate and organic matter removal in an AnSBB. Journal of Environmental Management v. 92, n. 7, p. 1714-1723.), embora os resultados obtidos ainda sejam divergentes. Essa divergência pode ser resultado da influência que a metanogênese e a sulfetogênese sofrem com a variação da razão entre Demanda Química de Oxigênio (DQO)/sulfato. Outros fatores que interferem no processo são a fonte de carbono utilizada, as condições operacionais (concentração de sulfeto, pH, temperatura, potencial de oxirredução etc.), o inóculo, as características do lodo presente no reator, a cinética de crescimento dos organismos, a difusão do substrato, entre outros. (DAMIANOVIC & FORESTI, 2009DAMIANOVIC, M.H.R.Z. & FORESTI, E. (2009) Dynamics of sulfidogenesis associated to methanogenesis in horizontal-flow anaerobic immobilized biomass reactor. Process Biochemistry , v. 44, n. 9, p. 1050-1054.).

Adicionalmente, altas concentrações de sais podem causar efeitos sobre as células, como efeito osmótico inespecífico e toxicidade específica dos íons sobre determinados sistemas celulares (SLEATOR & HILL, 2002SLEATOR, R.D. & HILL, C. (2002) Bacterial osmoadaptation: the role of osmolytes in bacterial stress and virulence. FEMS Microbiology Reviews , v. 26, n. 1, p. 49-71.). Esses efeitos podem levar as células à morte, reduzindo a eficiência, ou até mesmo provocar o colapso do sistema.

A importância da compreensão do efeito conjunto da presença de sódio e sulfato no tratamento biológico se deve ao fato de que vários tipos de atividades industriais produzem efluentes com tais características, tais como curtumes, a indústria petroquímica, entre outros.

A presença de altas concentrações de sulfato em águas residuárias tratadas em reatores anaeróbios pode causar variação na rota metabólica do processo, levando as bactérias redutoras de sulfato (BRS) a competir com as acetogênicas produtoras de hidrogênio (APH) e as arquéias metanogênicas (AM) pelos mesmos substratos (H₂, acetato). A importância dessa competição aumenta quando a razão DQO/sulfato diminui e, nessa competição, as BRS são favorecidas por sua maior afinidade pelo substrato (menor constante de saturação do substrato, Ks). Além disso, a sulfetogênese é termodinamicamente mais favorável que a metanogênese (menor energia livre de Gibbs, ΔGo), como mostra a Tabela 1 (MUYZER & STAMS, 2008MUYZER, G. & STAMS, A.J. (2008) The ecology and biotechnology of sulphate-reducing bacteria. Nature Reviews. Microbiology , v. 6, n. 6, p. 441-454.).

O sulfato, nas concentrações normalmente observadas em águas residuárias, não é tóxico. Porém, sua redução a sulfeto pode inibir o processo anaeróbio, não só pela competição entre BRS e AM, como também pela toxicidade desse composto, importante inibidor da metanogênese (PAULA JR. & FORESTI, 2009PAULA JR., D.R. & FORESTI, E. (2009) Sulfide toxicity kinetics of a UASB reactor. Brazilian Journal of Chemical Engineering , v. 26, n. 4, p. 669-675.). No processo anaeróbio, o sulfeto é produzido nas formas de S^2-, HS^- e H₂S em solução, e H₂S no biogás. Em geral, em meio ácido, a toxicidade do sulfeto à metanogênese é maior que em meio neutro ou alcalino, pois o sulfeto não ionizado pode atravessar a membrana celular.

A redução de 1,5 g de sulfato requer a oxidação de 1,0 g de DQO, resultando em um decréscimo de 0,233 m³ na produção de metano para cada quilograma de sulfato reduzido durante o tratamento anaeróbio. Em águas residuárias com razão DQO/sulfato de 0,67 ou inferior, a matéria orgânica seria, teoricamente, direcionada para a redução de sulfato - remoção de DQO via sulfetogênese. Quando a razão DQO/sulfato é maior que 0,67, só é possível obter alta remoção de matéria orgânica se a sulfetogênese e a metanogênese ocorrerem simultaneamente. Abaixo desse valor, a sulfetogênese pode ser o processo dominante (HU et al., 2015HU, Y.; JING, Z.; SUDO, Y.; NIU, Q.; DU, J.; WU, J.; LI, Y.Y. (2015) Effect of influent COD/SO4 2- Ratios on UASB treatment of a synthetic sulfate-containing wastewater. Chemosphere , v. 130, p. 24-33.).

Lu et al. (2016LU, X., ZHEN, G.; NI, J.; HOJO, T.; KUBOTA, K.; LI, Y.Y. (2016) Effect of influent COD/SO4 2- ratios on biodegradation behaviors of starch wastewater in an upflow anaerobic sludge blanket (UASB) reactor. Bioresource Technology , v. 214, p. 175-183.) estudaram a influência da relação DQO/sulfato, entre 10,0 e 0,5, no tratamento anaeróbio de águas residuárias sintéticas em reator Upflow Anaerobic Sludge Blanket (UASB) e verificaram que razões DQO/sulfato maior que dez não interferiram na metanogênese, obtendo a remoção simultânea de DQO (73,5-80,3 %) e sulfato (82,6±6,4 %) para razão DQO acima de 2,0. Mas verificou-se instabilidade no sistema quando a razão DQO/sulfato foi reduzida para 2,0, e houve decréscimo na produção de biogás e acúmulo de ácidos graxos voláteis, especialmente acetato, quando a razão DQO/sulfato decresceu para 1,0 e 0,5. No entanto, vários trabalhos mostram remoções eficientes de DQO e sulfato em razões DQO/sulfato menores que 2,0 (SILVA et al., 2002SILVA, A.J.; VARESCHE, M.B.; FORESTI, E.; ZAIAT, M. (2002) Sulphate removal from industrial wastewater using a packed-bed anaerobic reactor. Process Biochemistry , v. 37, n. 9, p. 927-935.; DAMIANOVIC & FORESTI, 2007DAMIANOVIC, M.H.R.Z. & FORESTI, E. (2007) Anaerobic degradation of synthetic wastewaters at different levels of sulfate and COD/sulfate ratios in Horizontal-Flow Anaerobic Reactors (HAIB). Environmental Engineering Science , v. 24, n. 3, p. 383-393.; COSTABILE et al., 2011COSTABILE, A.L.O.; CANTO, C.S.A.; RATUSZNEI, S.M.; RODRIGUES, J.A.D.; ZAIAT, M.; FORESTI, E. (2011) Temperature and feed strategy effects on sulfate and organic matter removal in an AnSBB. Journal of Environmental Management v. 92, n. 7, p. 1714-1723.). A Tabela 2 apresenta dados de eficiência de remoção de DQO e sulfato em diferentes razões DQO/sulfato.

Os resultados apresentados na literatura são divergentes, como mostra a Tabela 2, o que indica que a ocorrência simultânea da metanogênese e sulfetogênese pode ser fortemente influenciada, entre outros fatores, pelas características do doador de elétrons, além da razão DQO/sulfato. Foi verificado, também, que a principal fonte de sulfato utilizada nas pesquisas é o Na₂SO₄. A concentração de sódio fica ainda maior quando adicionados NaHCO₃ ou NaOH para o controle do pH.

O efeito do sódio sobre a digestão anaeróbia tem sido extensivamente estudado (FEIJOO et al., 1995FEIJOO, G.; SOTO, M.; MÉNDEZ, R.; LEMA, J.M. (1995) Sodium inhibition in the anaerobic digestion process: antagonism and adaptation phenomena. Enzyme and Microbial Technology v. 17, n. 2, p. 180-188.; GUERRERO et al., 1997GUERRERO, L.; OMIL, F.; MÉNDEZ, R.; LEMA, J.M. (1997) Treatment of saline wastewaters from fish meal factories in an anaerobic filter under extreme ammonia concentrations. Bioresource Technology , v. 61, n. 1, p. 69-78.; VALLERO et al., 2003VALLERO, M.V.G.; HULSHOFF POL, L.W.; LETTINGA, G.; LENS, P.N.L. (2003) Effect of NaCl on thermophilic (55°C) methanol degradation in sulfate reducing granular sludge reactors.Water Research, v. 37, n. 10, p. 2269-2280.), no entanto os resultados disponíveis na literatura sobre as concentrações inibitórias do íon Na⁺ são escassos. Esses autores admitem que o limite máximo de sódio em reatores anaeróbios ainda não está bem definido e depende de fatores tais como: adaptação da biomassa e efeitos como antagonismo/sinergismo, causados pela presença de outros cátions. Existem relatos (CHERNICHARO, 1997CHERNICHARO, C.A.L. (1997) Reatores anaeróbios . 2ª ed. Belo Horizonte: Departamento de Engenharia Sanitária e Ambiental - Universidade Federal de Minas Gerais.) de que concentrações de Na⁺ de 3.500 a 5.500 mg.L^-1 são toleradas e requerem adaptação ao meio pelos micro-organismos, podendo retardar o processo. Concentrações acima de 8.000 mg.L^-1 são consideradas inibitórias e retardam o processo por longos períodos.

As AM, em ambiente salino, podem ter sua fisiologia afetada pela constituição catiônica celular e pela concentração do cátion no meio, enquanto as BRS atuam em ambientes salinos (MUYZER & STAMS, 2008MUYZER, G. & STAMS, A.J. (2008) The ecology and biotechnology of sulphate-reducing bacteria. Nature Reviews. Microbiology , v. 6, n. 6, p. 441-454.).

Vallero, Lettinga e Lens (2005VALLERO, M.V.G.; LETTINGA, G.; LENS, P.N.L. (2005) High rate sulfate reduction in a submerged anaerobic membrane bioreactor (SAMBaR) at high salinity. Journal of Membrane Science , v. 253, n. 1-2, p. 217-232.) citam que o maior limite de salinidade em que foi observada a redução dissimilatória do sulfato foi de 240 g de NaCl.L^-1, para o lactato, etanol e piruvato pela oxidadora incompleta Desulfohalobium retbaense, e que a máxima salinidade para a oxidação completa do acetato por meio de redução de sulfato relatados é de cerca de 130 g de NaCl.L^-1 para a Desulfobacter halotolerans.

O fenômeno da toxicidade em reatores anaeróbios é complexo, e os relatos da literatura sobre os níveis de sulfato, sulfeto e cátions que causam a inibição da metanogênese são divergentes. A quase totalidade das pesquisas sobre o efeito da relação DQO/sulfato na metanogênese alteram as concentrações de matéria orgânica e de sulfato, não discutindo os possíveis efeitos de inibição por cátions. Torna-se difícil, portanto, chegar a uma conclusão quanto à prevalência do fenômeno inibitório: competição pelo substrato entre AM e BRS, toxicidade do sulfeto, ou salinidade, ou combinações entre esses fenômenos como responsáveis pela inibição do processo.

Pelo exposto, o objetivo deste trabalho foi avaliar a interferência da razão DQO/sulfato, a toxicidade do sulfeto e do Na⁺ no tratamento de água residuária sintética composta de glicose, acetato e metanol, submetido ao aumento gradativo de sulfato e de sódio, pela adição de Na₂SO₄, em reator UASB.

MATERIAL E MÉTODOS

Instalação experimental

Foi utilizado um reator UASB de forma prismática, construído com perfil de aço inoxidável, fechado com duas placas de acrílico, com volume útil de 10,5 L e altura de 70 cm. A câmara de digestão apresenta seção quadrada de 12 cm de lado, 45 cm de altura e 4 pontos de amostragem. Acima da câmara de digestão, situa-se o dispositivo de separação de gás/sólido/líquido, a câmara de sedimentação com mais um ponto de amostragem e o dispositivo de saída de efluente tratado. A saída de gás da câmara era conectada, através de mangueira de borracha, a um medidor de gás - Wet Gas Meter Alexander Wright - DM 39. A Figura 1 ilustra a instalação experimental.

Inóculo

O inóculo utilizado foi lodo granulado proveniente de reator UASB da estação de tratamento de esgotos de Vila Leopoldina (São Paulo), operada pela Companhia de Saneamento Básico do Estado de São Paulo (SABESP).

Água residuária

Foi utilizado substrato sintético (Tabela 3) com DQO média de 2,0 g.L^-1, tendo glicose como principal fonte de carbono. Metanol e acetato de amônio foram adicionados para favorecer a metanogênese. Além desses constituintes, o substrato foi preparado com soluções de minerais e de metais. NaHCO₃ foi adicionado para a manutenção do pH em valores próximos à neutralidade.

Procedimento experimental

O reator foi operado à temperatura ambiente (19 a 25°C), com vazão 16 L.dia^-1, sendo 8 L.dia^-1 de solução de sulfato de sódio e 8 L.dia^-1 de substrato sintético, em duas linhas de recalque que se juntavam antes da entrada do reator, resultando no tempo de detenção hidráulica médio de 15,6 h.

O planejamento operacional do reator (Tabela 4) envolveu 14 fases decorrentes do incremento gradativo da concentração de sulfato (Na₂SO₄), que resultava no decréscimo da razão DQO/sulfato e no aumento da concentração do sódio, mantendo-se constantes os demais constituintes que compõem o substrato sintético.

Determinações analíticas

As análises de sulfato, pH, DQO, DQOc (efluente centrifugado), Sólidos Totais (ST), Sólidos Fixos (SF), Sólidos Voláteis (SV) foram determinadas de acordo com Standard Methods for the Examination of Water and Wastewater (APHA/AWWA/WEF, 2005APHA/AWWA/WEF - AMERICAN PUBLIC HEALTH ASSOCIATION/AMERICAN WATER WORKS ASSOCIATION/WATER ENVIRONMENT FEDERATION. (2005) Standard Methods the for Examination of Water and Wastewater . 14th ed. Washington (DC), APHA.). A metodologia adaptada por Ripley, Boyle e Converse (1986RIPLEY, L.E.; BOYLE, W.C.; CONVERSE, J.C. (1986) Improved alkalimetric monitoring for anaerobic digestion of high-strength wastes. Journal of Water Pollution Control Federation , v. 58, n. 5, p. 406-411.) foi utilizada para análise de alcalinidade como CaCO₃. A determinação da concentração de ácidos voláteis totais (AVT) como ácido acético (HAc) foi realizada de acordo com a metodologia descrita por Dilallo e Albertson (1961DILALLO, R. & ALBERTSON, O.E. (1961) Volatile acids by direct titration. Journal of the Water Pollution Control Federation , v. 33, n. 4, p. 356-365.). A especiação dos ácidos voláteis foi realizada por cromatografia segundo metodologia do padrão externo (MORAES et al., 2001MORAES, E.M.; FORESTI, E.; ZAIAT, M.; ADORNO, M.A.T. (2001) Determinação de ácidos voláteis por cromatografia gasosa em efluentes de reatores anaeróbios. Pós-tratamento de efluentes de reatores anaeróbios: aspectos metodológicos Belo Horizonte: PROSAB. p. 35-42.), utilizando cromatógrafo CG 3537, com detector de ionização de chama. A periodicidade de monitoramento do afluente, efluente e biogás foi de duas vezes por semana. Os ensaios de atividade metanogênica específica seguiram a metodologia proposta por Penna, Vazoller e Campos (1995PENNA, J.A.; VAZOLLER, R.; CAMPOS, J.R. (1995) Estudo da metodologia de atividade metanogênica específica. In: 18 o Congresso Brasileiro de Engenharia Sanitária e Ambiental , Anais. Salvador: ABES.) e foram realizados ao final de determinadas fases operacionais.

A composição gasosa foi determinada por cromatografia utilizando equipamento da Gow-Mac, modelo 69-152, e aferida pelo equilíbrio do H₂S entre a fase líquida e gasosa de acordo com a constante de Henry (Equação 1 - SPEECE, 1996SPEECE, R.E. (1996) Anaerobic biotechnology for industrial wastewaters . Nashville (TN): Archae Press. 393 p.).

Onde:

• [H₂S_(l)]  concentração de H₂S na fase líquida (mg.L^-1)
• P  percentual de H₂S no gás (%)
• S_[H2S]  solubilidade do H₂S (Equação 2 -SPEECE, 1996SPEECE, R.E. (1996) Anaerobic biotechnology for industrial wastewaters . Nashville (TN): Archae Press. 393 p.) (mg.L^-1)

Onde:

T: temperatura (°C)

As concentrações de sulfato (APHA/AWWA/WEF, 2005APHA/AWWA/WEF - AMERICAN PUBLIC HEALTH ASSOCIATION/AMERICAN WATER WORKS ASSOCIATION/WATER ENVIRONMENT FEDERATION. (2005) Standard Methods the for Examination of Water and Wastewater . 14th ed. Washington (DC), APHA.) foram medidas somente a partir da fase quatro, e as concentrações de sulfeto total dissolvido (STD) foram calculadas considerando as relações estequiométricas entre sulfato reduzido e sulfeto gerado e aplicando a Equação 3. A especiação do sulfeto foi feita pelo equilíbrio iônico do mesmo na fase líquida (Equações 4 e 5).

A remoção de matéria orgânica via metanogênese e sulfetogênese foi estimada pela relação estequiométrica da redução de sulfato, como ilustrado mas Equações 6 e 7:

Biomassa

Foi feita avaliação da biomassa em três amostras de lodo, nas fases 10 (3,0 gSO₄ ^2-.L^-1), 13 (7,5 gSO₄ ^2-.L^-1) e 14 (10,0 gSO₄ ^2-.L^-1). Para a análise granulométrica, o lodo era lavado três vezes com água e colocado em placa de Petri com papel milimetrado, embaixo da placa, para ser observado. Para a identificação das morfologias, o cultivo foi feito utilizando o meio basal-carbonato extrato de levedura-triptona (BCTY) e foram adicionadas, individualmente, as fontes de carbono (28 mM de lactato de sódio, 30 mM de acetato de sódio, 30 mM de metanol, H₂+CO₂ - gás 80:20). O crescimento das culturas foi feito sob incubação a 35±1°C, por 30 e 60 dias para BRS e 120 dias para AM. Após o crescimento - aumento visual de turbidez -, as amostras foram subcultivadas. As amostras foram observadas por microscopia de luz e fluorescência e microscopia óptica - microscópio Olympus-BHT.

RESULTADOS E DISCUSSÃO

O desempenho do reator em relação à eficiência de remoção de DQO foi avaliado considerando a relação DQO/[SO₄ ^2-] e a concentração de Na⁺, em três faixas de valores: relação DQO/[SO₄ ^2-] acima de 2,00 e concentração de Na⁺ menor que 1.000 mg.L^-1; relação DQO/[SO₄ ^2-] menor que 2,00 e maior que 0,67 com concentração de Na⁺ entre 1.000 mg.L^-1 e 2.000 mg.L^-1; e relação DQO/[SO₄ ^2-] abaixo de 0,67 com concentração de Na⁺ acima de 2.000 mg/L^-1, como ilustrado na Figura 2.

Na primeira faixa (fase um a quatro), a eficiência de remoção de DQO foi de 94,9%±0,7% até a razão DQO/sulfato de 2,49 (0,80 gSO₄ ^2-.L^-1) e 0,92±0,02 gNa⁺.L^-1. Na segunda (fase cinco a nove), a eficiência média foi de 92,1%±1,1% para a razão DQO/sulfato entre 1,91 e 0,85, e concentração de Na⁺ entre 1,00 g.L^-1 e 2,00 g.L^-1. Na terceira faixa, com razão DQO/sulfato inferior a 0,67, concentração de sulfato de 3,0 - 10,0gL^-1 e concentração de sódio de 2,00-5,40 gL^-1, a eficiência decresceu mais acentuadamente, com valor médio de 86,0±3,5%, atingindo 80% na última fase com concentração de 10,0 gSO₄ ^2-.L^-1 (razão DQO/sulfato de 0,24) e concentração do cátion Na⁺ de 5,41±0,20 g.L^-1.

Atenção especial deve ser dada à quantidade de sulfato reduzido no reator (Figura 2). Apesar do aumento da concentração de sulfato, apenas uma fração, praticamente constante em torno de 0,80±0,16 g.L^-1, foi metabolizada durante as fases experimentais.

A via metanogênica de remoção de matéria orgânica foi predominante durante todo o período experimental, embora tenha declinado concomitantemente ao aumento da remoção pela via sulfetogênica (Tabela 5).

A razão entre a DQO removida e o sulfato removido (DQO_r/[SO₄ ^2-]_r) pode fornecer um indicativo de como o reator utilizou a matéria orgânica. A Figura 3 mostra que os valores obtidos variaram de 2,05 a 3,83, muito superiores à razão de 0,67 requerida pela sulfetogênese, corroborando que a maior fração da DQO foi removida via metanogênese. Conclui-se, portanto, que a redução da contribuição da metanogênese na remoção de matéria orgânica não foi consequência da competição entre AM e BRS, sendo que a razão DQO/sulfato não foi determinante para a inibição da metanogênese.

Na Figura 3, observam-se dois patamares: um para a razão e um para o sulfato removido. O primeiro, da fase 4 a 11, com valores médios da razão DQO_r/sulfato_r de 3,17 e sulfato removido de 0,6 g.L^-1, e o segundo, nas 3 últimas fases, com valores médios de 2,1 e 0,9 g.L^-1 respectivamente, quando a concentração de sódio ultrapassou 3 g.L^-1 e a de sulfeto, 150 mg.L^-1. McCartney e Oleszkiewicz (1993McCARTNEY, D.M. & OLESZKIEWICZ, J.A. (1993) Competition between methanogens and sulfate reducers: effect of COD:sulfate ratio and acclimation. Water Environment Research , v. 65, n. 5, p. 655-664.) citam que, em reatores com lodo em suspensão, a inibição por sulfeto pode ocorrer em valores de pH baixos e elevados, tendo sido constatada inibição de 50% na metanogênese em concentrações de H₂S na faixa de 50 a 130 mg.L^-1. Visser, Hulshoff Pol e Lettinga (1996VISSER, A.; HULSHOFF POL, L.W.; LETTINGA, G. (1996) Competition of methanogenic and sulfidogenic bacteria. Water Science and Technology , v. 33, n. 3, p. 99-110.) citam que, para lodo granular, a inibição é causada pela concentração de sulfeto total (TS = H₂S + HS^- + S₂ ^-), tendo sido observado 50% de inibição em concentrações de H₂S não ionizado de 250 mg.L^-1 - em pH de 6,4 a 7,2.

A inibição acentuada das AM nas últimas três fases resultou em maior disponibilidade de matéria orgânica para sulfetogênese. Os dados apresentados conduzem à suposição de que a inibição da metanogênese pode ter sido causada pela presença de cátions de sódio e pela ação inibitória do sulfeto. Vallero et al. (2003VALLERO, M.V.G.; HULSHOFF POL, L.W.; LETTINGA, G.; LENS, P.N.L. (2003) Effect of NaCl on thermophilic (55°C) methanol degradation in sulfate reducing granular sludge reactors.Water Research, v. 37, n. 10, p. 2269-2280.) operaram um reator UASB que degradava metanol em condições termofílicas (55°C) na presença de excesso de sulfato (DQO/sulfato=0,5) e elevada salinidade. Os autores verificaram que a adição de 25 gNaCl.L^-1 (10 gNa⁺.L^-1) inibiu a degradação do metanol e que, mesmo em baixas concentrações de sódio (3,0 gNa⁺.L^-1), houve alterações consideráveis na rota metabólica do metanol.

O início da inibição da metanogênese pela adição crescente de sódio e sulfato na forma de Na₂SO₄ ficou evidenciado nos valores da atividade metanogênica específica (AME). A AME, na Fase 1, foi de 0,630 gCH₄-DQO.gSSV^-1, declinando até atingir 0,168 gCH₄-DQO.gSSV^-1 (queda de 70%) na última fase com 10 gSO₄ ^2-.L^-1 (razão DQO/sulfato de 0,24) e concentração de Na⁺ de 5,41±0,10 g.L^-1.

Paralelamente, tanto a vazão do biogás quanto o percentual de metano diminuíram. Os dados da Tabela 6 mostram que o percentual de metano caiu de 70,50±1,77 para 60,00±2,18%, com diminuição de 40% na vazão de metano, enquanto o percentual de sulfeto de hidrogênio no gás atingiu 4,00±0,21%, mesmo em pH acima de 7.

Verificou-se que o HS^- predominou e que a concentração de sulfeto não ionizado (H₂S), calculada até a 11ª fase, manteve-se abaixo de 100,0 mg.L^-1 (59,0 ± 29,0 mg.L^-1), aumentando para um valor médio de 150,0±11,2 mg.L^-1 nas 3 últimas fases, valores abaixo do considerado tóxico para lodo granular (250 mg.L^-1 em pH de 6,4 a 7,2 (VISSER; HULSHOFF POL; LETTINGA, 1996VISSER, A.; HULSHOFF POL, L.W.; LETTINGA, G. (1996) Competition of methanogenic and sulfidogenic bacteria. Water Science and Technology , v. 33, n. 3, p. 99-110.). Até a 6ª fase, o lodo era constituído por grânulos arredondados e de coloração escura, com 3,0 a 3,5 mm de diâmetro, bem formados e resistentes. Após essa fase, os grânulos passaram a apresentar coloração cinza-escura, diâmetro de 3,5 a 4,0 mm, e alguns pareciam envoltos por uma película branca, que desaparecia quando eram lavados com água. A partir da 11ª fase, predominavam grânulos maiores de 4,0 a 4,5 mm, parcialmente desagregados, que flotavam com mais facilidade, causando decréscimo da manta de lodo.

Em revisão sobre o tema com biomassa em suspensão, Speece (1996SPEECE, R.E. (1996) Anaerobic biotechnology for industrial wastewaters . Nashville (TN): Archae Press. 393 p.) citou trabalhos em que a concentração de sulfeto molecular para 50% de inibição da metanogênese variou de 20 a 300 mg.L.

As três faixas de remoção de DQO observadas têm correspondência com as faixas de concentração de Na⁺. Em presença de sódio inferior a 1,0 g.Na⁺.L^-1, a eficiência de média de remoção de DQO esteve no patamar de 95% e a sulfetogênese foi estimulada, saindo de 6,7±1,6% na fase 1 para 24,3±7,7% na fase 5. Para concentrações maiores que 1,0 g.Na⁺.L^-1 e menores que 2,0 g.Na⁺.L^-1, a eficiência caiu para 92%. Para valores a partir de 2,0 g.Na⁺.L^-1, a eficiência de remoção de DQO decresceu progressivamente com o aumento da concentração de sódio no reator, atingindo 80,1±7,4%, na presença de 5,41±0,20 g.Na⁺.L^-1. Ocorreu o declínio da via metanogênica de 69,9±5,4% para 54,9±4,8%, enquanto a contribuição na remoção de DQO pela via sulfetogênica passou de 19,6±5,4% para 25,3±4,8% (Tabela 5), com o acúmulo de acetato no efluente.

O declínio na eficiência de remoção de DQO também foi verificado por Vallero et al. (2003VALLERO, M.V.G.; HULSHOFF POL, L.W.; LETTINGA, G.; LENS, P.N.L. (2003) Effect of NaCl on thermophilic (55°C) methanol degradation in sulfate reducing granular sludge reactors.Water Research, v. 37, n. 10, p. 2269-2280.) na degradação anaeróbia termofílica de metanol em ambiente salino. Esses autores citam que o aumento da concentração de NaCl provocou uma diminuição constante na produção de sulfeto, acompanhada por uma queda na eficiência de remoção de metanol de 80 para cerca de 65% para 7,5 g.NaCl.L^-1, atingindo apenas 14% para adição de 12,5 g.NaCl.L^-1. Como apresentado anteriormente, apenas a metanogênese foi afetada no presente trabalho.

De acordo com a literatura, a presença desses compostos, individualmente (sódio e sulfeto), não causaria severa inibição da metanogênese, mas a desagregação do lodo pela elevada concentração do cátion Na⁺ pode ter contribuído para o aumento da sensibilidade das AM ao sulfeto total gerado pela redução do sulfato.

Conforme pode ser observado (Tabela 7), os ácidos voláteis eram prontamente consumidos até a 8ª fase. A partir da 9ª fase (2,5 gSO₄ ^2-.L^-1 e razão DQO/[SO₄ ^2-] de 0,85), houve acúmulo desses ácidos, com predomínio dos ácidos acético, propiônico e butírico, sugerindo que não houve competição entre as BRS e as AM pelo acetato, corroborando a hipótese de inibição de arquéias metanogênicas acetoclásticas, devido à presença do cátion Na⁺. Foram observados resultados similares de acúmulo de acetato tanto em estudo sobre a influência da salinidade (VALLERO et al., 2003VALLERO, M.V.G.; HULSHOFF POL, L.W.; LETTINGA, G.; LENS, P.N.L. (2003) Effect of NaCl on thermophilic (55°C) methanol degradation in sulfate reducing granular sludge reactors.Water Research, v. 37, n. 10, p. 2269-2280.) quanto em estudo sobre a razão DQO/SO₄ ^2- (LU et al., 2016LU, X., ZHEN, G.; NI, J.; HOJO, T.; KUBOTA, K.; LI, Y.Y. (2016) Effect of influent COD/SO4 2- ratios on biodegradation behaviors of starch wastewater in an upflow anaerobic sludge blanket (UASB) reactor. Bioresource Technology , v. 214, p. 175-183.) na digestão anaeróbia.

A principal fonte de carbono do substrato sintético foi a glicose. A fermentação da glicose pode gerar lactato, que pode ser usado pelas BRS incompletas, gerando acetato, que é o substrato preferencial das AM. Observações ao microscópio permitiram identificar que as morfologias de AM (Figura 4) e BRS predominantes eram semelhantes à Methanosaeta sp e Mathanosarcina sp - que utilizam preferencialmente acetato e metanol - e Desulfotomaculum sp, Desulfovibrio sp e Desulfococcus sp - utilizadoras de lactato e sulfato.

CONCLUSÕES

A inibição da metanogênese observada não foi consequência da presença de elevadas concentrações de sulfato e dos baixos valores da relação DQO/sulfato.

A utilização de substratos específicos (acetato e metanol) como doadores de elétrons disponíveis para a metanogênese e a sulfetogênese não promoveu a competição entre AM e BRS. Não houve predominância das BRS sobre a AM, mesmo para as baixas relações DQO/sulfato.

O declínio da AME não foi associado à competição por acetato, que esteve presente no efluente.

A alta eficiência do reator na remoção de DQO (maior que 80%) pode ser associada à participação crescente da via sulfetogênica na remoção de matéria orgânica, compensando parcialmente a diminuição da conversão de matéria orgânica pela via metanogênica.

O efeito sinergístico entre o sulfeto biogenicamente produzido e o cátion sódio pode ser apontado como o principal inibidor da rota metanogênica. O aumento crescente das concentrações de sódio e sulfato, mantendo-se a concentração de matéria orgânica constante, permitiu constatar a inibição da metanogênese por sódio e sulfeto, mesmo em concentrações abaixo das consideradas inibidoras individualmente.

REFERÊNCIAS

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