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http://repositorio.ufc.br/handle/riufc/79975
Type: | Tese |
Title: | Avaliação do potencial de descoloração de corantes azo por sistemas biológicos anaeróbios-aeróbios |
Title in English: | Evaluation of the decolorization potential of azo dyes by anaerobic-aerobic biological systems |
Authors: | Barbosa, Plínio Tavares |
Advisor: | Firmino, Paulo Igor Milen |
Co-advisor: | Silva, Marcos Erick Rodrigues da |
Keywords in Brazilian Portuguese : | Biorreatores;Corantes;Águas residuais - Purificação - Remoção de cor;Mediador Redox;Compostos Azo |
Keywords in English : | Bioreactors;Colorings matter;Sewage - Purification - Color removal;Redox mediator;Azo Compounds |
Knowledge Areas - CNPq: | CNPQ::ENGENHARIAS::ENGENHARIA SANITARIA::RECURSOS HIDRICOS |
Issue Date: | 2024 |
Citation: | BARBOSA, Plínio Tavares. Avaliação do potencial de descoloração de corantes azo por sistemas biológicos anaeróbios-aeróbios. 2024. 141 f. Tese (Doutorado em Engenharia Civil-Recursos Hídricos) - Centro de Tecnologia, Universidade Federal do Ceará, Fortaleza, Fortaleza, 2024. |
Abstract in Brazilian Portuguese: | A remoção de cor ainda é uma das maiores dificuldades enfrentadas pelas estações de tratamento de efluentes das indústrias têxteis, e o descarte de efluentes coloridos pode representar sérios problemas ambientais. Contudo, o tratamento biológico de efluentes têxteis tem se destacado por ser menos nocivo ao meio ambiente e apresentar boas eficiências de remoção de cor. Este estudo avaliou a capacidade de descoloração de corante azos empregando diferentes sistemas biológicos anaeróbios-aeróbios. Foram investigados no primeiro estudo os efeitos de diferentes condições, como variação da estrutura do corante, tipo de substrato (acetato, glicose, propionato e etanol), presença de mediador redox e presença de aceptores alternativos de elétrons. Já no segundo e terceiro estudos, foram investigados parâmetros operacionais, tais como tempo de detenção hidráulica (TDH) dos reatores, concentração de corantes e recirculação de efluente, influência do mediador redox assim com configurações de sistemas empregando reatores acidogênicos seguidos de reatores aeróbios de lodo granular aeróbio (LGA), moving bed biofilm reactors (MBBR) e filtros biológicos percoladores (FBP) como pós-tratamento para efluentes têxteis na presença de mediador redox. Com relação aos substratos, as eficiências de descoloração do Reactive Black 5 (RB5) variaram de 75% a 83%, e o propionato apresentou o melhor desempenho. A adição dos mediadores redox impactou principalmente na cinética da reação, e o AQS apresentou os melhores resultados de forma geral, especialmente a 50 μM, quando foi obtida uma constante cinética 30% superior à do controle e à do ensaio com AQDS a 50 μM. As diferentes estruturas dos corantes impactaram no processo de remoção, com o Reactive Red 120 apresentando o pior resultado, com 14,4% sem adição de AQS e 25% com 50 μM de AQS. Já o Reactive Orange 16 teve alta sensibilidade à presença do mediador, com remoção de 48% sem o AQS e de 97,1% com 50 μM do mediador. A presença de sulfato inibiu a redução do RB5, obtendo remoção de apenas 60%, porém, com a adição do AQS, a descoloração aumentou para 78,1%. Na presença de nitrato, a remoção caiu para 32,5%, mas o efeito foi minimizado com a suplementação de AQS, que melhorou para 47,6% a redução do corante. Também foi realizado um experimento contínuo em dois reatores de LGA (um controle e um suplementado com AQS) para avaliar o impacto da presença do corante e do mediador redox no seu desempenho e estabilidade. Os reatores apresentaram uma remoção de DQO elevada (>90%). A sedimentabilidade do reator com RB5 foi instável durante todo o experimento, sendo, no entanto, semelhante ao reator controle, indicando que a presença do RB5 e do AQS não foram responsáveis por isso. Quanto aos nutrientes, a remoção de amônia foi ~98%, a de nitrogênio total foi 80%, e a remoção de fósforo foi inferior a 30%. A eficiência média de remoção de cor, sem a AQS, foi próxima a 65%, aumentando para 80% com a adição do AQS. No segundo estudo, foram empregados dois sistemas acidogênicos conectados em série com reatores de LGA (um controle e um suplementado com AQS) para a remoção da cor do corante azo RB5 (50 mg·L-1). As maiores médias de remoção do corante foram obtidas com TDH de 3 h, com aproximadamente 68% e 45% nos reatores acidogênico com e sem AQS respectivamente. Durante a etapa IV, com TDH de 2 h nos reatores acidogênicos, as eficiências totais foram de aproximadamente 72% no sistema com o AQS e de 68% para o controle. A relação do IVL30/IVL5 nos reatores LGA foram superiores a 80% até a etapa III. As remoções de DQO e amônia não sofreram impactos negativos, apresentando remoções superiores a 90% em todas as etapas. Os reatores apresentaram um baixo desempenho na remoção de fósforo, com valores em torno de 21% nos dois sistemas. No terceiro estudo, foram utilizando reatores acidogênicos seguidos de reatores aeróbios do tipo MBBR e filtro biológico percolador (FBP) para avaliar a remoção de cor do corante azo RB5 também com 50 mg·L-1. Foram avaliados os efeitos do tempo de detenção hidráulica TDH (6 e 4 h) nos MBBR, o tipo de meio de suporte para preenchimento dos FBP (espuma de poliuretano e biomídia K1), bem como, o efeito do mediador redox antraquinona-2-dissulfonato de sódio (AQS) (50 μM) na remoção de cor. A adição de AQS melhorou significativamente a eficiência de descoloração, sendo os reatores acidogênicos responsável por 96% da descoloração dos sistemas, já no reator acidogênico sem mediador, essa eficiência foi de 84%. O emprego do TDH menor (4 h) no MBBR influenciou negativamente o desempenho da remoção de cor e DQO nos reatores. A espuma de poliuretano se mostrou mais viável para aplicação como meio de suporte por se tratar de um material mais acessível e de baixo custo. Finalmente, o uso do reator acidogênico seguido de filtro biológico percolador preenchido com espuma de poliuretano mostrou-se a concepção mais promissora tanto na remoção de cor, DQO e amônia quanto em relação à demanda de energia para a aeração do sistema. |
Abstract: | Color removal remains one of the greatest challenges faced by wastewater treatment plants in the textile industry, and the discharge of colored effluents can cause serious environmental problems. However, the biological treatment of textile effluents has stood out for being less harmful to the environment and achieving good color removal efficiencies. This study evaluated the decolorization capacity of azo dyes using different anaerobic-aerobic biological systems. In the first study, the effects of different conditions were investigated, such as variation of the dye structure, type of substrate (acetate, glucose, propionate, and ethanol), presence of redox mediator, and presence of alternative electron acceptors. In the second and third studies, operational parameters were investigated, such as hydraulic detention time (HRT) of the reactors, dye concentration, and effluent recirculation, influence of the redox mediator as well as system configurations employing acidogenic reactors and aerobic granular sludge (AGS) reactors, moving bed biofilm reactors (MBBRs), and trickling filters (TFs) as post-treatment for textile effluents in the presence of redox mediator. Regarding substrates, the decolorization efficiencies of Reactive Black 5 (RB5) ranged from 75% to 83%, with propionate showing better performance. The addition of redox mediators mainly impacted the kinetics of the reaction, AQS showed better results in general, especially at 50 μM, when a kinetic constant was obtained 30% higher than that of the control and the assay with AQDS at 50 μM. The different structures of the dyes impacted the removal process, with Reative Red 120 presenting the worst result, with 14.4% without the addition of AQS and 25% with 50 μM of AQS. Reactive Orange 16 had high sensitivity to the presence of the mediator, with removal of 48% without AQS and 97.1% with 50 μM of the mediator. The presence of sulfate inhibited the reduction of RB5, obtaining removal of only 60%, but the addition of AQS increased the decolorization to 78.1%. In the presence of nitrate, removal decreased to 32.5%, an effect minimized with AQS supplementation, which improved the dye reduction to 47.6%. A continuous experiment was also carried out in two AGS reactors (one control and another supplemented with AQS) to evaluate the impact of the presence of the dye and the redox mediator on their performance and stability. The reactors showed high COD removal (> 90%). The settleability of the reactor with RB5 was unstable throughout the experiment, being, however, similar to the control reactor, indicating that the presence of RB5 and AQS were not responsible for this. As for nutrients, the removal of ammonia was ~98%, that of total nitrogen was 80%, while the removal of phosphorus was less than 30%. The average color removal efficiency, without AQS, was close to 65%, increasing to 80% with the addition of AQS. In the second study, two acidogenic systems connected in series with AGS reactors (one control and another supplemented with AQS) were used to remove the color of the azo dye RB5 (50 mg·L- 1 ). The highest dye removal averages were obtained with the HRT of 3 h, with approximately 68% and 45% in acidogenic reactors with and without AQS, respectively. During stage IV, with an HRT of 2 h in the acidogenic reactors, the total efficiencies were approximately 72% in the system with AQS and 68% for the control. The ratio of SVI30/SVI5 in AGS reactors was greater than 80% until stage III. COD and ammonia removals were not negatively impacted, with removals exceeding 90% in all stages. The reactors showed low performance in phosphorus removal, with values around 21% in both systems. In the third study, acidogenic reactors were used followed by aerobic reactors, namely MBBRs and TFs, to evaluate the color removal of the azo dye RB5 also at 50 mg·L-1. The effects of the HRT (6 and 4 h) in the MBBR, the type of support medium in the TFs (polyurethane foam cubes and K1 biomedia), as well as the effect of the redox mediator anthraquinone-2-sodium disulfonate (AQS) (50 μM) were evaluated for color removal. The addition of AQS significantly improved the decolorization efficiency, with the acidogenic reactors being responsible for 96% of the discoloration of the systems, whereas, in the acidogenic reactor without mediator, this efficiency was 84%. The use of a lower HRT (4 h) in the MBBR negatively influenced the color and COD removal performance in the reactors. Polyurethane foam proved to be more viable for use as a support medium, as it is a more accessible and low-cost material. Finally, the use of an acidogenic reactor followed by a TF filled with polyurethane foam proved to be the most promising design, both in terms of removing color, COD, and ammonia, and in relation to the energy demand for system aeration. |
Description in Brazilian Portuguese: | Este documento está disponível online com base na Portaria nº 348, de 08 de dezembro de 2022, disponível em: https://biblioteca.ufc.br/wp-content/uploads/2022/12/portaria348-2022.pdf, que autoriza a digitalização e a disponibilização no Repositório Institucional (RI) da coleção retrospectiva de TCC, dissertações e teses da UFC, sem o termo de anuência prévia dos autores. Em caso de trabalhos com pedidos de patente e/ou de embargo, cabe, exclusivamente, ao autor(a) solicitar a restrição de acesso ou retirada de seu trabalho do RI, mediante apresentação de documento comprobatório à Direção do Sistema de Bibliotecas. |
URI: | http://repositorio.ufc.br/handle/riufc/79975 |
Author's ORCID: | https://orcid.org/0000-0003-2612-7803 |
Author's Lattes: | http://lattes.cnpq.br/7202905578064100 |
Advisor's ORCID: | https://orcid.org/0000-0002-3938-1264 |
Advisor's Lattes: | http://lattes.cnpq.br/3555756278619302 |
Co-advisor's ORCID: | https://orcid.org/0000-0002-6044-3159 |
Co-advisor's Lattes: | http://lattes.cnpq.br/7579764751648280 |
Access Rights: | Acesso Aberto |
Appears in Collections: | DEHA - Dissertações defendidas na UFC |
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