WO2017106941A1 - Método de tratamento de água residual através do cultivo de microalgas excretoras de polissacarídeos e uso de microalgas - Google Patents

Método de tratamento de água residual através do cultivo de microalgas excretoras de polissacarídeos e uso de microalgas Download PDF

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Seiiti SUZUKI
Letícia De Freitas ANDRADE
Mariana Figueira Lacerda De MENEZES
Taynara Ribas PEREIRA
Ligia Silvestre ZOTTIN
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    • C02—TREATMENT OF WATER, WASTE WATER, SEWAGE, OR SLUDGE
    • C02F—TREATMENT OF WATER, WASTE WATER, SEWAGE, OR SLUDGE
    • C02F1/00—Treatment of water, waste water, or sewage
    • C02F1/52—Treatment of water, waste water, or sewage by flocculation or precipitation of suspended impurities
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
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    • C02F—TREATMENT OF WATER, WASTE WATER, SEWAGE, OR SLUDGE
    • C02F3/00—Biological treatment of water, waste water, or sewage
    • C02F3/32—Biological treatment of water, waste water, or sewage characterised by the animals or plants used, e.g. algae

Definitions

  • the present invention relates to the wastewater treatment method comprising fine particles of suspended solid fuels by cultivating extracellular polysaccharide producing microalgae.
  • Petrocoque is a solid fuel widely used in the cement industry because it has a high fixed carbon content, low ash content, high calorific value and high chemical stability. It is neither reactive nor explosive (PETROBRAS, 2014). This product reaches the industries by road, in trailers, which will be reused for the transportation of other products, and therefore its interiors must be washed with water, which together with the rainwater forms the residue called black water, where the Petroleum coke remains insoluble in fine grains. Fine fractions of other solid fuels such as coal, charcoal and bituminous coal (anthracite) can also generate petrocoque-like wastewater.
  • Petroleum coke also called petrocoque
  • PTROENERGIA is a solid material resulting from the distillation of petroleum obtained from the cracking of heavy residual fractions (PETROENERGIA, 2014).
  • Literature data show that the presence of petroleum coke in the environment can lead to increased concentration of trace elements in soil and water.
  • the presence of higher concentrations of vanadium and nickel are indicators of the presence of petroleum coke in the medium (ZHAO et al., 2002);
  • These and other trace metals normally exist in aqueous media in the form of dissolved ions and have great potential to cause adverse effects on microorganisms if present in amounts above those usually found and in free form, not complex to organic materials (MORGAN, 1987; PEIJNENBURG et al., 1997; LOMBARDI et al., 2002; TONIETTO et al., 2014).
  • Bioremediation a technology used for the recovery of degraded environments, is based on the natural capacity of microorganisms to degrade waste (MILIC et al. 2009), and offers great potential for decontamination of natural environments and industrial effluents.
  • MILIC et al. 2009 the natural capacity of microorganisms to degrade waste
  • Several studies have confirmed the ability of microalgae to produce polysaccharide excretes capable of binding to metals by remediating effluent (TONIETTO et al., 2014; LOMBARDI and VIEIRA, 1999; LOMBARDI and VIEIRA, 2000).
  • bacteria and fungi acting as hydrocarbon degraders CHANDRA et al.
  • microalgae are co-cultivated with other microorganisms such as bacteria. These bacteria are mostly heterotrophic and aerobic, which generates a synergistic mechanism where algae produce 0 2 that is used by bacteria to mineralize organic matter (MO), which in turn release the end degradation product C0 2 , used by microalgae. This process releases the mineral nutrients associated with OM that will also be used by microalgae.
  • a microbial consortium is created that acts synergistically involving the algal and bacterial community. This strategy can reduce the high cost of mechanical aeration in algal crops.
  • microalgae have the power to mitigate the C0 2 reducing problems related to the Greenhouse Effect, which is responsible for the increase in the earth's temperature, with disastrous consequences for society. It is known that the greenhouse effect can lead to problems such as melting polar ice caps, rising ocean levels, and extreme climate change (ESSAM et al, 2006; ESSAM et al, 2013; MUNOZ & GUIEYSSE, 2006; SOON et al., 1999).
  • microalgae can generate value and save money based on this, as their cultivation results in biomass rich in biomolecules of interest, such as lipids, proteins and carbohydrates.
  • biomolecules of interest such as lipids, proteins and carbohydrates.
  • algal biomass its use is cited in the food, feed, dye, pharmaceutical and cosmetic industries, as well as in the biochemical industry, for the production of bioplastics and biofilms, as well as chemicals such as biofertilizers and antioxidants (SAFI et al, 2014).
  • microalgae like Chlorella sp. They are robust and capable of adapting to a variety of freshwater and saltwater environments, from frozen to desert, pristine or contaminated, such as municipal, industrial and agricultural sewage and industrial co-products such as vinasse and soybean whey. (MARCHELLO et al, 2015; MITRA et al, 2012). Algae cultivation in sewage treatment plants and industries can offer several benefits such as the removal of nutrients from the wastewater, the biomass energy production and generated fixing C0 2 (Akerstrom et al., 2014).
  • document CN 1031 12993 In addition to proposing the treatment of effluents containing petroleum residues, document CN 1031 12993 also mentions the fixation of CO 2 by microalgae, and the algae are later used as oil source in biodiesel production. This document also reports that microalgae has high stress resistance, high oil content and high degradation function of petroleum hydrocarbons.
  • US 3763039 and US 4966713 involve wastewater treatment employing microalgae that act as flocculating agents of waste present in water.
  • the document CN 103881923 refers to the cultivation of microalgae using the effluent generated in the coking of coal, together with seawater.
  • US 2013174734 has as its primary objective the reduction of particulate matter present in water or air or other means, such particulate material being obtained from mining activities.
  • An important feature in US 2013174734 is that the agglomeration of particulate material is due to negatively charged exopolysaccharides (EPS) which are obtained from isolated, purified and used bacterial or algal cultures.
  • EPS exopolysaccharides
  • US 2013174734 differs from the present invention in obtaining, origin and characteristics of the excreted polysaccharide.
  • obtaining it is proposed to cultivate microalgal directly in the wastewater (black water), which will be the receptor body of the polysaccharide excreted by the algae that grow there, and the suspended solid particles have very different characteristics of the particulate from the algae. mining activity.
  • the origin in this, it is proposed the use of polysaccharides excreted exclusively from microalgal origin, microalgae capable of performing oxygen photosynthesis.
  • exopolysaccharide In this, it is proposed the use of microalgal excreted polysaccharide whose composition is complex containing about 70% of neutral monosaccharides and only about 12 - 15% of acid monosaccharides, thus conferring neutrality in general.
  • the excreted polysaccharide acts as a binder of particles, which stick together and with the polysaccharide, settle to the bottom, being removed from the liquid phase, where the growing microalgae remain.
  • the present invention has the advantage of dispensing with any processing or purification step of the excreted polysaccharide as it is directly excreted by microalgae in the culture medium. eg wastewater, where it will exert its action.
  • wastewater treated by microalgae or used as a culture medium for its growth is domestic or industrial effluents or water from the petroleum or coke production process.
  • effluents contain residues of mineral elements and organic matter, the former being absorbed by cells, while the latter may (or may not) be degraded by microalgae, causing water treatment and algal biomass production.
  • effluents treated or used as a microalgae culture medium have dissolved material in water and no suspended solids as described in the present invention.
  • US 2013174734 deals with airborne or waterborne particles, these particles are derived from mining activity and do not consist of solid fuel residues such as petroleum coke, mineral and vegetable coal and anthracite.
  • None of the prior art documents describe the treatment of wastewater containing fine particulates of suspended solid fuels by cultivating microalgae responsible for the excretion of polysaccharide carbohydrates in the culture medium, which will agglutinate said particulates.
  • the agglutination of the particulate material allows its exclusion (sedimentation) from black water, resulting in clean water and algal biomass. Since the residues remain agglutinated by the excreted algal polysaccharides and are not absorbed by the microalgae, the obtained biomass can still be used in various applications, such as oven burning, biofuel, animal feed, among others already mentioned.
  • the present invention aims to:
  • the present invention is a method of treating wastewater by cultivating polysaccharide excretory microalgae comprising the following steps:
  • step (c) inclusion of the polysaccharide excretory microalgae inoculum in the wastewater obtained in step (b);
  • the invention further relates to the use of polysaccharide excretory microalgae in wastewater treatment comprising, in suspension, fine particulates of organic and inorganic material from solid fuels.
  • Figure 1 Samples of black water with nutrient addition and inoculated with Chlorella vulgaris. A: without particulates of agglutinated solid fuels; B: with particulates of agglutinated solid fuels.
  • Figure 2 Black water viewed under an optical microscope. Different species of microalgae present in BG-1 nutrient-enriched black water 1.
  • A circular green algae in diameter about 2,5 ⁇ ;
  • B cluster of green algae and
  • C shows a species of microalgae of larger diameter, approximately 20 ⁇ .
  • Figure 3 Black water viewed under an optical microscope. Note the presence of
  • FIG. 6 Growth rates obtained for all treatments performed. Light: A, B, C, D; Dark: E, F, G, H. With nutrients (CN): A, D, F, H; Nutrient-Free (SN): B, C, E, G. Inoculated Chlorella vulgaris: C, D, G, H.
  • Figure 7 Concentration of intracellular carbohydrates in exponential growth phase and at the end of the experiment in inoculated cultures.
  • A Light SN exponential phase;
  • B SN light final phase;
  • C Light CN exponential phase;
  • D Light CN final phase. Inoculated experiments.
  • Figure 8 Protein concentration at exponential growth phase and at the end of the experiment in inoculated cultures.
  • A Light SN exponential phase
  • B SN light final phase
  • C Light CN exponential phase
  • D Light CN final phase.
  • the present invention is a method of treating wastewater by cultivating polysaccharide excretory microalgae comprising the following steps:
  • step (c) inclusion of the polysaccharide excretory microalgae inoculum in the wastewater obtained in step (b);
  • Waste water of the present invention refers to water with the presence, in suspension, of fine particulates of organic and inorganic material from solid fuels that will be burned in industrial kilns, especially those used in the cement, thermoelectric, steel, etc.
  • suspended materials include petroleum coke, charcoal and charcoal. mineral, coal or coke grade steel, anthracite and / or mixtures thereof in any proportion.
  • This water may originate from rainwater, which sweeps away deposits of material and / or flush water from places that served as deposits for such fuels. It is called black water because of its dark color due to the fine particles of fuels mentioned above.
  • Such fine particles of solid suspended fuels are those particles that remain suspended in water even though it has gone through the settling process, which separates the larger particles from solid fuels. In this way, smaller and lighter particles that do not go to the bottom of the settling tank remain and are removed according to the method described herein by agglutination with algal polysaccharides and settling at the bottom of the tank.
  • the fine particulates of organic and inorganic material originating from solid fuels suspended in wastewater according to this invention may be coal, charcoal, petroleum coke, coal or steel grade coke, anthracite or mixtures thereof.
  • Other rain-borne materials such as grains of clay and / or sand may be present in the wastewater to be treated.
  • Chlorophyta division includes robust microalgae for a wide range of environmental conditions and chemical agents such as the genera Chlorella, Scenedesmus, Desmodesmus, Monoraphidium (VIEIRA et al, 2008).
  • polysaccharide excreta microalgae are chosen from the groups of Bacillariophyta, Chlorophyta and Cyanophyta or any other polysaccharide excretory microalgae, depending on the purpose of the biomass.
  • microalgae are chosen from those of the genera Chlorella, Scenedesmus, Desmodesmus and Monoraphidium; preferably Chlorella vulgaris.
  • the microalgae Chlorella vulgaris is used because it is robust and withstands variations of environmental conditions, which allowed its growth in wastewater. Its later use as animal feed is possible as the microalgae will be separated from the fine particulate material.
  • wastewater used as culture medium is enriched with major and minority inorganic nutrients necessary for the development of polysaccharide excretory microalgae.
  • Major compounds which may be used in accordance with the present invention are: nitrates, phosphates, magnesium, calcium.
  • Minority nutrients can be chosen from iron, manganese, copper, molybdenum, cobalt and zinc.
  • step (b) and (c) of the process described herein respectively algal culture and growth are initiated, resulting in excretion.
  • polysaccharides responsible for the agglutination of the fine particles and consequent decantation of such agglutinated particles which may or may not be adhered to the bottom of the treatment tank.
  • steps (c) and (d) occur under light intensity ranging from 100 to 300 ⁇ m "2 s “1 ; preferably 150 ⁇ m “2 s “ 1 .
  • the light intensity varies according to local climatic conditions, and may reach up to 1,500 ⁇ m "2 s " 1 of incident sunlight, without affecting algal growth.
  • steps (c) and (d) occur in a photoperiod similar to the natural one, 12 hours light and 12 hours dark.
  • the wastewater treatment method according to the invention comprises agglutination of the fine particulate of organic and inorganic material from solid fuels that are suspended in the wastewater and their decantation at the bottom of the treatment tank.
  • the fine particulate agglutination of organic and inorganic material from solid fuels suspended in wastewater is due to the excretion of polysaccharides by microalgae, which act as cementing material. These fine particulate agglutinates, together with the material excreted by the microalgae, naturally decant at the bottom of the treatment tank, leaving above the water treated with the microalgae.
  • Polysaccharide excretion is a normal process during algal growth, but may be increased or decreased depending on the nutritional status of the microalgae (VIEIRA et al, 2008).
  • the materials excreted by microalgae may vary in composition and, for them, have several functions. According to the literature, excreted polysaccharides may be involved in cell mobility, stabilization, formation of cell clusters and adhesion of cells to surfaces, depending on the algal species. Overall, the investment by microalgae in the excretion of polymeric substances is justified by the protection that these substances offer to cells (MYKLESTAD, 1995; LOMBARDI et al, 2005). For example, they protect the cell against desiccation, attraction of nutrients close to the cell surface, against excess solar radiation, among other functions.
  • composition of microalgae excreted polysaccharides may vary among the algal groups, however their carbohydrate base is common to all. Chlorophyta algae are less protein and more polysaccharide compared to cyanobacteria (TONIETTO et al., 2014; LOMBARDI and VIEIRA, 1999). On the other hand, the Bacillariophyceae group may have a certain hydrophobic character (VIEIRA et al., 2008).
  • Microalgal polysaccharide is usually made up of neutral carbohydrate monomers such as fucose, arabinose, galactose, glucose, mannose, rhamnose and xylose and / or acids such as galacturonic and glucuronic acids (LOMBARDI and VIEIRA, 1999).
  • Carbohydrates make up about 70 - 80% of the excreted polysaccharide (LOMBARDI and VIEIRA, 1999; VIEIRA et al, 2008); proteins can reach 15-20% (LOMBARDI and VIEIRA, 1999), while lipids can reach 1 - 2% (PARRISH and WANGERSKY, 1987; LOMBARDI and WANGERSKY, 1991).
  • Treated water free of fine particulate solid fuels and microalgae can be used in a variety of applications, such as reusing it to wash solid waste haulers, cleaning the surrounding area, washing the solid waste stock yard, irrigation gardens, feeding photobioreactors, among others.
  • the present invention also enables the use of cultivated and collected microalgae according to the method of the invention.
  • This algal biomass can be used in various applications, such as biofuel production, burning in factory furnaces, use as animal feed, among others.
  • Chlorella vulgaris has high protein content (CHIA et al., 2013a; 2013b; 2015) and is therefore indicated for such application.
  • Scenedesmus sp produces aliphatic hydrocarbons (ROCHA et al., 2014) and may be an interesting species for biofuel production.
  • the microalgae collection step (e) may comprise a prior flocculation step followed by the microalgae decantation.
  • the fine particulate agglutinated with the polysaccharides excreted by microalgae together with the algal biomass thus obtaining the treated water in the supernatant.
  • Microalgae flocculation can be achieved by adjusting the residual water pH to an ideal algal flocculation pH; or by the use of flocculating agents such as aluminum sulfate and aluminum chlorohydroxide; or by any other known method of the art for microalgae flocculation.
  • the pH adjustment of the wastewater to the range between pH 10 and pH 11 is used, and after flocculation and decantation of the microalgae, the treated wastewater is adjusted to its pH again according to the standards established by the control bodies. control and supervision of the emission of liquid effluents into the environment.
  • the treated water obtained from the method comprising the prior stage of microalgae flocculation can also be used in various applications, such as those previously reported. Decanted material, including fine agglutinated particulate matter and microalgae, can be reused as fuel.
  • the present invention deals with the use of polysaccharide microalgae excreta as effective agents in wastewater treatment comprising, in suspension, fine particulates of organic and inorganic material from solid fuels, which treatment is achieved, since wastewater is used as culture medium for polysaccharide producing microalgae.
  • This polymer acts as a fine particle binder that, with larger size, decant at the bottom of the treatment tank. Due to the type of polysaccharide excreted, such fine agglutinated and decanted particles may or may not remain adhered to the bottom of the treatment tank.
  • microalgae community including inoculated Chlorella vulgaris, under various experimental conditions, all in black water; - Quantification of algal growth in black water plus nutrients;
  • the black water used was analyzed for the determination of organic compounds (benzene, toluene, ethylbenzene and xylene), commonly known as BTEX.
  • the determinations were performed by the company Global Análises e Consultoria, located in S ⁇ o Carlos (SP, Brazil) shortly after the wastewater arrived at the laboratory.
  • BTEX analyzes were performed by solid phase microextraction followed by gas chromatography coupled to mass spectrometry (SPME-GC / MS).
  • SPME-GC / MS gas chromatography coupled to mass spectrometry
  • the wastewater (black water) was transported from the cement industry to the laboratory in polypropylene gallons. In the laboratory, black water was packed in smaller bottles, some of these bottles were frozen, others were refrigerated for immediate use, ensuring the maintenance of the microorganisms present.
  • the experimental replicates were kept under light intensity of 130 ⁇ ⁇ 1 , with natural photoperiod (approximately 12: 12h light: dark) at 23 and C, and the temperature may vary between 23 - 29 and C.
  • In vivo fluorescence (Turner - Trilogy, USA Model 7200-043 Fluorimeter) was used as a measure of chlorophyll a concentration, a parameter that relates to photosynthetic microalgae biomass. This methodology was used to verify the population density of the samples, because in the case of black water as a culture medium, it was not possible to count cells under an optical microscope to quantify living biomass, due to the intense presence of sediment in the medium.
  • the pH is an important parameter because the cultivation of microalgae modifies the pH of the medium. Normally by cultivating photosynthetic microalgae the pH of the medium increases and may reach pH 11 if the medium is not buffered.
  • Total carbohydrate quantification was performed based on the technique described by ALBALASMEH et al. (2013) through spectrophotometry. This technique is based on the reaction of sulfuric acid with algal biomass. For calibration curves glucose was used as standard and intracellular carbohydrates were quantified as glucose equivalent ⁇ g mL "1 ). Details of the method can be found in CHIA (2012).
  • Algal growth rates were obtained from population density values through graphical analysis by plotting the natural logarithm of fluorescence values as a function of experimental time in days. During growth Exponentially, this graph results in a line that can be adjusted by linear regression. The angular coefficient of the adjustment represents the specific growth rate, whose unit is day "1 .
  • Table 1 shows the results obtained from the BTEX analysis at the concentrations present in the black water used as the basis for the microalgae culture medium.
  • nitrobenzene was toxic at concentrations of 28 mg L “1 and 2-nitrotoluene at 22 mg L “ 1 (RAMOS et al., 1999). In the results of this study, the compounds showed no toxicity to the inoculated microalgae Chlorella vulgaris.
  • Black water assays confirmed the viability of photosynthetic microalgae growth in this residue by increasing chlorophyll a fluorescence and observations under a microscope. It is concluded that the increase of nutrients is essential to ensure higher biomass and higher population growth compared to non-nutrient black water.
  • Figure 4 shows the highest growth for the nutrient black water test inoculated with C. vulgaris and kept in the light.
  • FIG. 5 shows the pH variation according to the experimental time. Algal growth was marked by pH 9-10 of the cultures kept under light.
  • Black water when kept in light, allowed the growth of native or inoculated microalgae, in the case of Chlorella vulgaris. Growth was higher when black water was enriched with nutrients from culture medium BG-1 1 compared to non nutrient enriched black water.
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Abstract

A presente invenção refere-se ao método de tratamento de água residual compreendendo partículas finas de combustíveis sólidos em suspensão através do cultivo de microalgas produtoras de polissacarídeos extracelulares. A invenção trata ainda do uso de microalgas excretoras de polissacarídeos no tratamento de água residual compreendendo, em suspensão, particulados finos de material orgânico e inorgânico com origem em combustíveis sólidos.

Description

MÉTODO DE TRATAMENTO DE ÁGUA RESIDUAL ATRAVÉS DO CULTIVO DE MICROALGAS EXCRETORAS DE POLISSACARÍDEOS E USO DE MICROALGAS
CAMPO DA INVENÇÃO
A presente invenção refere-se ao método de tratamento de água residual compreendendo partículas finas de combustíveis sólidos em suspensão através do cultivo de microalgas produtoras de polissacarídeos extracelulares.
ESTADO DA TÉCNICA
A necessidade de cimento pela sociedade atual é elevada devido ao aumento de áreas urbanas, infraestruturas e consequente crescimento da construção civil. Infelizmente, sua produção ocasiona risco de contaminação ambiental. Isso se deve à elevada quantidade de gases como o C02 e N02 que a indústria de cimento libera no ambiente. Esses gases são oriundos da queima de constituintes de combustíveis sólidos, líquidos ou gasosos nos fornos para a produção do cimento. Assim, a indústria de cimento demanda por grandes quantidades de combustível, dentre os quais destaca-se o coque de petróleo por seu baixo custo.
O petrocoque é um combustível sólido muito utilizado nas indústrias de cimento por possuir elevado teor de carbono fixo, baixo teor de cinzas, elevado poder calorífico e alta estabilidade química. Não é reativo e nem explosivo (PETROBRAS, 2014). Esse produto chega às indústrias por meios rodoviários, em carretas, que serão reutilizadas para o transporte de outros produtos, e por isso seus interiores devem ser lavados com água, que juntamente com a água da chuva forma o resíduo chamado de água preta, onde o coque de petróleo permanece insolúvel em grãos finos. Frações finas de outros combustíveis sólidos, tais como carvão mineral, carvão vegetal e carvão betuminoso (antracito) também podem gerar águas residuais similares aos do petrocoque.
Esse resíduo não pode ser descartado em corpo receptor pelas indústrias, devido ao fato de conter traços de petróleo e outros contaminantes, podendo ser nocivo ao meio ambiente. O coque de petróleo, também chamado de petrocoque é um material sólido, resultante da destilação do petróleo, obtido a partir do craqueamento das frações residuais pesadas do mesmo (PETROENERGIA, 2014).
Em relação à toxicidade do petrocoque para o ambiente, pensava-se que este fosse inerte, e achava-se até que poderia ser considerado como agente de remediação de solos contaminados com petróleo (FEDORAK et al; 2006; NARAYANAN et al; 1997). Entretanto, estudos recentes mostraram que o petrocoque não é inerte e provoca efeitos em plantas terrestres, animais aquáticos e micro-organismos (MCKEE et al., 2014).
Dados da literatura mostram que a presença do coque de petróleo no ambiente pode levar ao aumento da concentração de elementos traço no solo e na água (CHEN et al., 2010). A presença de concentrações mais altas de vanádio e níquel são indicadores da presença de coque de petróleo no meio (ZHAO et al., 2002); estes e outros metais traço existem normalmente em meios aquosos, na forma de íons dissolvidos e possuem grande potencial de causar efeitos adversos em micro-organismos se estiverem presentes em quantidades acima das usualmente encontradas e na forma livre, não complexada aos materiais orgânicos (MORGAN, 1987; PEIJNENBURG et al., 1997; LOMBARDI et al., 2002; TONIETTO et al., 2014).
A literatura mostra diversas metodologias para o tratamento de resíduos industriais e efluentes. LOPES et al, (2014) utilizaram análogos sintéticos de minerais para a remoção de metais, compostos orgânicos e resíduos de petróleo de solos e meios aquáticos. Porém, esta e outras tecnologias convencionais, com tratamentos físico- químicos, possuem alto custo e podem gerar resíduos tóxicos ao meio ambiente (CHANDRA et al, 2013).
A biorremediação, tecnologia usada para a recuperação de ambientes degradados possui como fundamento a capacidade natural dos micro-organismos para degradar resíduos (MILIC et al. 2009), e oferece grande potencial para descontaminações de ambientes naturais e efluentes industriais. Vários estudos comprovam a capacidade de microalgas em produzir excretados de natureza polissacarídica capazes de ligarem-se a metais, remediando o efluente (TONIETTO et al., 2014; LOMBARDI e VIEIRA, 1999; LOMBARDI e VIEIRA, 2000). Há ainda a possibilidade de bactérias e fungos atuarem como degradadores de hidrocarbonetos (CHANDRA et al.,
2013) .
Estudos na área de biotecnologia de microalgas já provaram a capacidade destes micro-organismos fotossintetizantes em remediar águas contaminadas por arsénico, chumbo, cromo, cádmio, urânio e corantes (KHANI et al, 2008; JASROTIA et al, 2014; PARAMESWARI et al, 2010), tratar outros resíduos industriais (HENDE et al,
2014) , além de sua atuação na remediação de efluentes de estações de tratamento de esgoto (MARCHELLO et al., 2015). Na recuperação de efluentes, as microalgas estão em co-cultivo com outros micro-organismos tais como as bactérias. Essas bactérias são heterotróficas e aeróbias em sua maioria, o que gera um mecanismo sinérgico onde as algas produzem 02 que é utilizado pelas bactérias para mineralizar a matéria orgânica (MO), que por sua vez liberam o C02, produto final da degradação, usado pelas microalgas. Esse processo libera os nutrientes minerais associados à MO que serão também usados pelas microalgas. Assim, é criado um consórcio microbiano que atua sinergicamente envolvendo a comunidade algal e bacteriana. Essa estratégia pode reduzir o alto custo da aeração mecânica em cultivos algais. Como seres tipicamente fotossintetizantes (fotossíntese oxigênica), as microalgas têm o poder de mitigar o C02 atmosférico reduzindo problemas relacionados ao Efeito Estufa, que é responsável pelo aumento da temperatura terrestre, com consequências desastrosas para a sociedade. Sabe-se que o efeito estufa pode levar a problemas como o derretimento das calotas polares, aumento dos níveis dos oceanos, além de alterações climáticas extremas (ESSAM et al, 2006; ESSAM et al, 2013; MUNOZ & GUIEYSSE, 2006; SOON et al., 1999).
As maiores emissões de C02 antropogênicas resultam da queima de combustíveis fósseis e produção de cimento (EPA, 2010). A produção de cimento é responsável por 5% das emissões não-naturais mundiais de C02 (BORKENSTEIN et al., 201 1 ; HASANBEIGI et al., 2012; WBCSD 2009). A Agência Internacional de Energia prevê que as emissões de C02, derivadas da produção de energia, atingirão 38 bilhões de toneladas por ano em 2030, um índice 70% maior que os níveis de 2002 (IEA, 2002). Devido a esse índice alarmante, em 1997, mais de 170 países assinaram o Protocolo de Kyoto, que obrigava os países signatários a diminuírem as emissões de gases nocivos à atmosfera, conhecidos como os gases do efeito estufa (GEEs) (UNFCC, 2012).
Além da capacidade de biorremediação, microalgas podem gerar valor e uma economia com base nesta, pois seu cultivo resulta em biomassa rica em biomoléculas de interesse, tais como os lipídios, proteínas e carboidratos. Dentre as diversas aplicações da biomassa algal, cita-se seu uso na indústria alimentícia, de ração, nas indústrias de corantes, farmacêutica e de cosméticos, e ainda na indústria bioquímica, para a produção de bioplásticos e biofilmes, além de produtos químicos como os biofertilizantes e antioxidantes (SAFI et al, 2014).
Devido ao esgotamento das reservas de combustíveis fósseis, o aumento do preço de seus derivados e a preocupação com o aquecimento global, têm-se dado atenção à capacidade bioenergética das microalgas. A produção de biocombustíveis através dos lipídeos acumulados pelas algas na forma de triglicerídeos (CHISTI, 2007) e de hidrocarbonetos alifáticos (ROCHA et al, 2014). De acordo com CLARENS et al. (2010) a energia produzida a partir de microalgas tem o potencial de gerar menor impacto para o meio ambiente em comparação com a produção de energia provinda de plantas (CLARENS et al, 2010).
Algumas microalgas como a Chlorella sp. são robustas e possuem grande capacidade de adequarem-se a diversos ambientes, de água doce ou salgada, desde congelados a desérticos, pristinos ou contaminados, tais como esgotos municipais, industriais e agrícolas e co-produtos industriais como vinhaça e soro de leite de soja (MARCHELLO et al, 2015; MITRA et al, 2012). O cultivo de algas em indústrias e estações de tratamento de esgoto pode oferecer diversos benefícios como a remoção de nutrientes dos efluentes, produção de energia pela biomassa gerada e fixação de C02 (AKERSTROM et al., 2014).
Algumas formas de tratamento de águas residuais utilizando microalgas são descritas em documentos de patentes, tais como US 2015175457, US 2009294354, US 2003213745, US 5476787, EP 2093197 e US 2013061517. Adicionalmente, os documentos US 2009294354, US 2003213745, US 5476787, EP 2093197 e US 2013061517 tratam da utilização da água residual para produção de biomassa.
Além de propor o tratamento de efluentes contendo resíduos de petróleo, o documento CN 1031 12993 também menciona a fixação de C02 pelas microalgas, sendo que as algas são posteriormente usadas como fonte de óleo na produção de biodiesel. Esse documento informa ainda que a microalga apresenta elevada resistência ao estresse, alto conteúdo de óleo e alta função degradadora de hidrocarbonetos de petróleo.
Os documentos US 3763039 e US 4966713 envolvem o tratamento de águas residuais empregando microalgas que agem como agentes floculantes dos resíduos presentes na água.
Já o documento CN 103881923 refere-se ao cultivo de microalgas utilizando o efluente gerado na coqueificação do carvão mineral, juntamente com a água do mar.
A invenção descrita no documento US 2013174734 tem como objetivo principal a redução de material particulado presente na água ou no ar, ou outro meio, sendo que tal material particulado foi obtido a partir das atividades de mineração. Uma característica importante no documento US 2013174734 é que a aglomeração do material particulado dá-se graças aos exopolissacarídeos (EPS) carregados negativamente que são obtidos de culturas bacterianas ou algais, isolados, purificados e usados. É ainda especificado que, se o material particulado estiver presente no ar, o EPS em solução será pulverizado, ou alternativamente, o EPS poderá ser imobilizado em filtro e o ar forçado a passar através do filtro. Nessa situação o material particulado sofrerá agregação. Se o material particulado estiver presente na água, esta será misturada a uma outra solução contendo EPS carregado negativamente e o material particulado sofrerá aglomeração. O documento US 2013174734 difere da presente invenção quanto à obtenção, origem e características do polissacarídeo excretado. Quanto à obtenção: nesta, propõe-se o cultivo microalgal diretamente na água residual (água preta), que será o corpo receptor do polissacarídeo excretado pelas algas que ali crescem, sendo que as partículas sólidas em suspensão apresentam características bem diferentes do particulado proveniente da atividade de mineração. Quanto à origem: nesta, propõe-se o uso de polissacarídeos excretados exclusivamente de origem microalgal, de microalga capaz de realizar fotossíntese oxigênica. Quanto às características do exopolissacarídeo: nesta, propõe-se o uso de polissacarídeo microalgal excretado cuja composição é complexa contendo cerca de 70% de monossacarídeos neutros e apenas cerca de 12 - 15% de monossacarídeos ácidos, conferindo assim caráter neutro no geral. Na presente invenção, o polissacarídeo excretado atua como um aglutinador de partículas, que grudadas entre si e com o polissacarídeo, sedimentam no fundo, sendo removidas da fase líquida, onde permanecem as microalgas em crescimento.
Em comparação com a invenção US 2013174734, cujo EPS é usado em concentração de 1 %, a presente invenção tem a vantagem de dispensar qualquer etapa de processamento ou purificação do polissacarídeo excretado, uma vez que o mesmo é excretado diretamente pelas microalgas no meio de cultivo, e.g., água residual, onde exercerá sua ação.
Em todos os documentos aqui apresentados a água residual tratada pelas microalgas ou utilizada como meio de cultura para seu crescimento são efluentes domésticos ou industriais ou ainda água proveniente do processo de produção de petróleo ou coque. Tais efluentes possuem resíduos de elementos minerais e matéria orgânica, sendo os primeiros absorvidos pelas células, enquanto o segundo pode (ou não) ser degradado pelas microalgas, ocasionando o tratamento da água e a produção de biomassa algal. Com exceção do documento US 2013174734, os efluentes tratados ou utilizados como meio de cultura para microalgas apresentam material dissolvido na água e não sólidos em suspensão tal como descrito na presente invenção. Por outro lado, embora o documento US 2013174734 trate de partículas em suspensão no ar ou na água, tais partículas são provenientes da atividade de mineração e não são constituídas de resíduos de combustíveis sólidos, como coque de petróleo, carvão mineral e vegetal e antracito.
Nenhum dos documentos do estado da técnica descreve o tratamento da água residual contendo particulados finos de combustíveis sólidos em suspensão, através do cultivo de microalgas responsáveis pela excreção de carboidratos de natureza polissacarídica no meio de cultivo, que irão aglutinar ditos particulados. A aglutinação do material particulado permite sua exclusão (sedimentação) da água preta, resultando na obtenção de água limpa e biomassa algal. Uma vez que os resíduos permanecem aglutinados pelos polissacarídeos algais excretados e não são absorvidos pelas microalgas, a biomassa obtida pode ainda ser utilizada em diversas aplicações, tais como queima em forno, biocombustível, ração animal, dentre outros já mencionados.
Deste modo, a presente invenção tem como objetivo:
- o tratamento de água residual com presença de material orgânico e inorgânico particulado fino em suspensão com origem em combustíveis sólidos, conhecida por água preta; - o reaproveitamento da água preta tratada após o cultivo microalgal;
- o reaproveitamento da agua preta como meio de cultivo microalgal
- reaproveitamento da biomassa algal e resíduos de combustíveis sólidos que, coletados, podem ser reaproveitados em forno da indústria;
- reaproveitamento da biomassa algal para aplicações diversas, pois será coletada separadamente às partículas aglutinadas e sedimentadas;
- fixação do C02 pelas microalgas usadas para tratamento da água preta; resultando na recuperação e valoração da água residual (água preta) proveniente de indústrias que utilizam combustíveis sólidos, especialmente aquela gerada na indústria de cimento, termoelétricas, siderúrgicas, etc.
DESCRIÇÃO RESUMIDA DA INVENÇÃO
A presente invenção trata de um método de tratamento de água residual através do cultivo de microalgas excretoras de polissacarídeos que compreende as seguintes etapas:
(a) coleta em um tanque de tratamento de uma água residual compreendendo, em suspensão, particulados finos de material orgânico e inorgânico com origem em combustíveis sólidos;
(b) inclusão de nutrientes na água residual;
(c) inclusão do inoculo de microalgas excretoras de polissacarídeos na água residual obtida na etapa (b);
(d) separação dos particulados finos por aglutinação com os polissacarídeos excretados e posterior decantação dos particulados aglutinados no fundo do tanque;
(e) coleta das microalgas; e
(f) coleta da água tratada.
A invenção trata ainda do uso de microalgas excretoras de polissacarídeos no tratamento de água residual compreendendo, em suspensão, particulados finos de material orgânico e inorgânico com origem em combustíveis sólidos.
BREVE DESCRIÇÃO DAS FIGURAS
Figura 1 : Amostras de água preta com acréscimo de nutrientes e inoculadas com Chlorella vulgaris. A: sem particulados de combustíveis sólidos aglutinados; B: com particulados de combustíveis sólidos aglutinados.
Figura 2: Água preta visualizadas em microscópio óptico. Diferentes espécies de microalgas presentes na água preta enriquecida com nutrientes do meio BG-1 1 . A: algas verdes circulares de diâmetro cerca de 2,5 μηι; B: aglomerado de algas verdes e C: mostra uma espécie de microalga de maior de diâmetro, com aproximadamente 20 μηι. Figura 3: Agua preta visualizada em microscópio óptico. Notar a presença de
Bacillariophyceae em ambas as amostras, além de C. vulgaris inoculada.
Figura 4: Crescimento da comunidade microalgal quantificado através da variação da fluorescência em função do tempo de cultivo nos tratamentos inoculados com Chlorella vulgaris (SN = sem acréscimo de nutrientes; CN = com acréscimo de nutrientes).
Figura 5: Variação do pH em função do tempo de cultivo (SN = sem acréscimo de nutrientes; CN = com acréscimo de nutrientes).
Figura 6: Taxas de crescimento obtidas para todos os tratamentos realizados. Luz: A, B, C, D; Escuro: E, F, G, H. Com nutrientes (CN): A, D, F, H; Sem nutrientes (SN): B, C, E, G. Inoculados Chlorella vulgaris: C, D, G, H.
Figura 7: Concentração de carboidratos intracelulares em fase exponencial de crescimento e no final do experimento em culturas inoculadas. A = Luz SN fase exponencial; B = Luz SN fase final; C = Luz CN fase exponencial; D = Luz CN fase final. Experimentos inoculados.
Figura 8: Concentração de proteínas na fase exponencial de crescimento e no final do experimento em culturas inoculadas. A = Luz SN fase exponencial; B = Luz SN fase final; C = Luz CN fase exponencial; D = Luz CN fase final.
DESCRIÇÃO DETALHADA DA INVENÇÃO
A presente invenção trata de um método de tratamento de água residual através do cultivo de microalgas excretoras de polissacarídeos que compreende as seguintes etapas:
(a) coleta em um tanque de tratamento de uma água residual compreendendo, em suspensão, particulados finos de material orgânico e inorgânico com origem em combustíveis sólidos;
(b) inclusão de nutrientes na água residual;
(c) inclusão do inoculo de microalgas excretoras de polissacarídeos na água residual obtida na etapa (b);
(d) separação dos particulados finos por aglutinação com os polissacarídeos excretados e posterior decantação dos particulados aglutinados no fundo do tanque;
(e) coleta das microalgas; e
(f) coleta da água tratada.
A água residual da presente invenção refere-se à água com a presença, em suspensão, de particulados finos de material orgânico e inorgânico, originados de combustíveis sólidos que serão queimados em fornos industriais, especialmente aqueles utilizados na indústria de cimento, termoelétricas, siderúrgicas, etc. Dentre esses materiais em suspensão, destacam-se o coque de petróleo, carvão vegetal e carvão mineral, carvão ou coque grau siderúrgico, antracito e/ou suas misturas em qualquer proporção. Essa água pode ser originada de água pluvial, que varre depósitos dos materiais e/ou água de lavagem de locais que serviram de depósitos para tais combustíveis. Recebe o nome de água preta dada à sua coloração escura que se deve às partículas finas dos combustíveis citados acima.
Tais partículas finas de combustíveis sólidos em suspensão são aquelas partículas que permanecem suspensas na água ainda que esta tenha passado pelo processo de decantação, que separa as partículas maiores de combustíveis sólidos. Deste modo, permanecem na água as partículas menores e mais leves que não vão para o fundo do tanque de decantação e que são removidas de acordo com o método aqui descrito, através de aglutinação com polissacarídeos algais e decantação no fundo do tanque.
Desta forma, os particulados finos de material orgânico e inorgânico com origem em combustíveis sólidos suspensos na água residual, segundo esta invenção, podem ser carvão mineral, carvão vegetal, coque de petróleo, carvão ou coque grau siderúrgico, antracito ou suas misturas. Outros materiais carreados pela chuva, como por exemplo grãos de argila e/ou areia, podem estar presentes na água residual a ser tratada.
Alguns grupos algais são importantes excretores de polissacarídeos, tais como o grupo das Cyanophyta (algas azuis), Heterokontophyta (Bacillariophyceae, diatomáceas) e Chlorophyta (algas verdes). Na divisão Chlorophyta, dentre outras, incluem-se microalgas robustas para grande diversidade de condições ambientais e agentes químicos, tais como os géneros Chlorella, Scenedesmus, Desmodesmus, Monoraphidium (VIEIRA et ai, 2008).
De acordo com a presente invenção, as microalgas excretaras de polissacarídeos são escolhidas entre os grupos de Bacillariophyta, Chlorophyta e Cyanophyta ou qualquer outra microalga excretora de polissacarídeos, dependendo da finalidade que se dará à biomassa. Particularmente, as microalgas são escolhidas entre aquelas dos géneros Chlorella, Scenedesmus, Desmodesmus e Monoraphidium; preferencialmente, Chlorella vulgaris. Na presente invenção utiliza-se a microalga Chlorella vulgaris, por ser robusta e suportar variações das condições ambientais, o que possibilitou seu crescimento na água residual. Seu posterior uso como ração animal é possível, uma vez que a microalga será separada do material particulado fino.
Para ocorrer o rápido crescimento da microalga, antes da etapa (c) de inclusão do inoculo de microalgas, a água residual usada como meio de cultura é enriquecida com nutrientes inorgânicos majoritários e minoritários necessários ao desenvolvimento das microalgas excretoras de polissacarídeo. Exemplos de nutrientes majoritários que podem ser utilizados de acordo com a presente invenção são: nitratos, fosfatos, magnésio, cálcio. Os nutrientes minoritários podem ser escolhidos entre ferro, manganês, cobre, molibdênio, cobalto e zinco.
Deste modo, após a adição de nutrientes e inoculação das microalgas excretoras de polissacarídeos na água residual a ser tratada (respectivamente, etapas (b) e (c) do processo aqui descrito), inicia-se a cultura e crescimento algal, resultando na excreção dos polissacarídeos responsáveis pela aglutinação dos particulados finos e consequente decantação de tais particulados aglutinados, que podem ou não estar aderidos no fundo do tanque de tratamento.
De acordo com o método aqui descrito e de maneira a possibilitar o crescimento das microalgas, as etapas (c) e (d) ocorrem sob intensidade luminosa variando entre 100 e 300 μηιοΙ m"2s"1 ; preferencialmente, 150 μηιοΙ m"2s"1. No entanto, em ambiente natural, a intensidade luminosa varia de acordo condições climáticas locais, podendo chegar a até cerca de 1 .500 μηιοΙ m"2s"1 de luz solar incidente, sem prejuízo ao crescimento algal. Tais etapas (c) e (d) ocorrem em fotoperíodo similar ao natural, com 12 horas claro e 12 horas escuro.
O método de tratamento da água residual, segundo a invenção, compreende a aglutinação do particulado fino de material orgânico e inorgânico com origem em combustíveis sólidos que estão em suspensão na água residual e sua decantação no fundo do tanque de tratamento.
A aglutinação do particulado fino de material orgânico e inorgânico de combustíveis sólidos suspensos na água residual dá-se graças à excreção dos polissacarídeos pelas microalgas, que atuam como material cimentante. Estes aglutinados de particulados finos, juntamente com o material excretado pelas microalgas, decantam naturalmente no fundo do tanque de tratamento, deixando acima deste, a água tratada com as microalgas.
A excreção dos polissacarídeos decorre de processo normal durante o crescimento algal, mas pode ser aumentada ou reduzida conforme o estado nutricional da microalga (VIEIRA et ai, 2008).
Os materiais excretados pelas microalgas podem variar em composição e, para elas, apresentam diversas funções. De acordo com a literatura os polissacarídeos excretados podem estar envolvidos na mobilidade celular, estabilização, formação de agrupamentos celulares e ainda adesão das células em superfícies, dependendo da espécie algal. No geral, o investimento pela microalga na excreção de substâncias poliméricas justifica-se pela proteção que tais substâncias oferecem às células (MYKLESTAD, 1995; LOMBARDI et ai, 2005). Por exemplo, protegem a célula contra a dessecação, atração de nutrientes para perto da superfície celular, contra o excesso de radiação solar, dentre outras funções.
Sabe-se que a composição dos polissacarídeos excretados de microalgas pode sofrer variações entre os grupos algais, entretanto sua base de carboidratos é comum a todos. Os de origem de algas Chlorophyta são menos proteicos e mais polissacarídicos em comparação com os de cianobactérias (TONIETTO et al., 2014; LOMBARDI e VIEIRA, 1999). Por outro lado, o grupo das Bacillariophyceae pode apresentar certo caráter hidrofóbico (VIEIRA et al., 2008). Polissacarídeo microalgal é usualmente constituído de monômeros de carboidratos neutros, tais como fucose, arabinose, galactose, glucose, manose, ramnose e xilose e/ou ácidos, tais como os ácidos galacturônicos e glucurônicos (LOMBARDI e VIEIRA, 1999). Os carboidratos constituem cerca de 70 - 80% do polissacarídeo excretado (LOMBARDI e VIEIRA, 1999; VIEIRA et ai, 2008); proteínas podem chegar a 15 - 20% (LOMBARDI e VIEIRA, 1999), enquanto que os lipídios podem chegar a 1 - 2% (PARRISH e WANGERSKY, 1987; LOMBARDI e WANGERSKY, 1991 ).
Uma vez que o particulado fino é aglutinado com os polissacarídeos excretados pelas microalgas, tem-se a água tratada com as microalgas.
Na sequência tem-se a separação e coleta das microalgas, obtendo-se de um lado, a água tratada e livre do particulado fino de material orgânico e inorgânico com origem em combustíveis sólidos, e de outro, a biomassa algal.
A água tratada e livre do particulado fino de combustíveis sólidos e das microalgas pode ser utilizada em diversas aplicações, tais como seu reuso na lavagem de caminhões transportadores dos resíduos sólidos, higienização do entorno da fábrica, lavagem do pátio de estocagem dos resíduos sólidos, rega de jardins, alimentação de fotobiorreatores, dentre outras.
Por outro lado, a presente invenção também possibilita a utilização das microalgas cultivadas e coletadas, de acordo com o método da invenção. Esta biomassa algal pode ser empregada em diversas aplicações, tais como produção de biocombustíveis, queima nos fornos da fábrica, uso como ração animal, dentre outros. Entretanto, para a definição do uso da biomassa algal, deve-se escolher a espécies mais adequada para a finalidade. Por exemplo, Chlorella vulgarís apresenta elevado conteúdo de proteínas (CHIA et al., 2013a; 2013b; 2015) e por isso é indicada para tal aplicação. Já Scenedesmus sp produz hidrocarbonetos alifáticos (ROCHA et al., 2014) e pode ser uma espécie interessante para a produção de biocombustíveis.
Opcionalmente, a etapa (e) de coleta das microalgas pode compreender uma etapa prévia de floculação seguida da decantação das microalgas. Deste modo, tem-se a decantação do particulado fino aglutinado com os polissacarídeos excretados pelas microalgas juntamente com a biomassa algal, obtendo-se então, a água tratada no sobrenadante.
A floculação das microalgas poder ser obtida através do ajuste do pH da água residual para um pH ideal de floculação algal; ou através do uso de agentes floculantes, tais como o sulfato de alumínio e o clorohidróxido de alumínio; ou ainda pelo uso de qualquer outro método conhecido do estado da técnica para floculação das microalgas. Preferencialmente, utiliza-se o ajuste de pH da água residual para a faixa entre pH 10 e pH 1 1 , sendo que após a floculação e decantação das microalgas, a água residual tratada tem o seu pH novamente ajustado conforme as normas estabelecidas pelos órgãos de controle e fiscalização da emissão de efluentes líquidos no ambiente.
A água tratada obtida do método que compreende a etapa prévia de floculação das microalgas também pode ser utilizada em diversas aplicações, tais como aquelas anteriormente informadas. Já o material decantado, compreendendo o particulado fino aglutinado e as microalgas, pode ser reutilizado como combustível.
A presente invenção trata do uso de microalgas excretaras de polissacarídeos como agentes efetivos no tratamento de água residual compreendendo, em suspensão, particulados finos de material orgânico e inorgânico com origem em combustíveis sólidos, tratamento este que é conseguido, pois a água residual é usada como meio de cultura para microalgas produtoras de polissacarídeo. Este polímero exerce função de aglutinador do particulado fino que, com tamanho aumentado, decantam no fundo do tanque de tratamento. Em decorrência do tipo de polissacarídeo excretado, tais particulados finos aglutinados e decantados podem ou não permanecer aderidos no fundo do tanque de tratamento.
EXEMPLOS
As análises apresentadas a seguir mostram a utilização de água preta residual da indústria de cimento para o cultivo de microalgas. Para tanto, prosseguiu-se com as seguintes análises:
- cultivo de comunidade de microalgas, incluindo Chlorella vulgaris inoculada, em diversas condições experimentais, todas em água preta; - quantificação do crescimento algal na água preta acrescida de nutrientes;
- quantificação do crescimento algal na água preta sem o acréscimo de nutrientes;
- observação da aglutinação do material particulado.
- quantificação da composição bioquímica da biomassa gerada na água preta através da determinação da concentração de carboidratos e de proteínas nas células. MATERIAL E MÉTODOS
Origem da água preta
Os combustíveis coque de petróleo, carvão vegetal, antracito e carvão mineral usados na combustão em indústrias de cimento no Brasil, chegam às indústrias através de meios rodoviários e, para que as carretas que os transportaram sejam reutilizadas, devem ser lavadas. Tal lavagem resulta em um resíduo aquoso que é denominado água preta. Esse resíduo líquido contendo partículas dos combustíveis é armazenado em tanques de decantação, uma vez que não pode ser descartado. As amostras de água preta utilizadas no presente estudo foram coletadas do primeiro nível do tanque de decantação, onde havia maior quantidade de material particulado suspenso.
Análise da água preta - BTEX
A água preta usada foi analisada quanto à determinação de compostos orgânicos (benzeno, tolueno, etilbenzeno e xileno), comumente conhecidos como BTEX. As determinações foram realizadas pela empresa Global Análises e Consultoria, localizada em São Carlos (SP, Brasil) logo após a chegada da água residual ao laboratório. As análises de BTEX foram feitas por microextração em fase sólida seguida pela cromatografia gasosa acoplada a espectrometria de massas (SPME-GC/MS). Na fase de preparo da amostra (SPME) seguiu-se metodologia descrita em VALENTE e AUGUSTO (2000) com modificações de QUEIROZ (201 1 ).
Ensaios com água preta como meio de cultura para microalqas
Planejamento experimental
A água residual (água preta) foi transportada da indústria de cimento ao laboratório em galões de polipropileno. No laboratório, a água preta foi acondicionada em frascos menores, alguns destes frascos foram congelados, outros foram colocados em geladeira para uso imediato, garantindo a manutenção dos micro-organismos presentes.
Objetivando o tratamento da água preta através do cultivo microalgal, foram realizados diversos ensaios:
- água preta enriquecida com nutrientes do meio BG-1 1 (ANDERSEN, 2005) inoculada com a microalga Chlorella vulgaris e mantida sob luz (Luz - CN) e no escuro (Escuro - CN);
- água preta pura, sem acréscimo de nutrientes, inoculada com microalga Chlorella vulgaris e mantida na luz (Luz - SN) e no escuro (Escuro - CN);
- água preta pura, sem acréscimo de nutrientes mantida na luz (Luz - SN) e no escuro (Escuro - SN);
Os ensaios foram realizados em frascos de cultura de células de 690 mL, contendo 250 mL de água preta, em triplicatas experimentais. Nos ensaios em que a água preta foi enriquecida com nutrientes do meio de cultura BG-1 1 , foram adicionados, as seguintes quantidades: NaN03 (1 ,5 g L"1); K2HPCy3H20 (40 mg L"1); MgSCy7H20
(75 mg L"1); CaCI2-2H20 (36 mg L"1); NaC03 (20 mg L"1) FeCI3-6H20 (3,15 mg L"1); ácido cítrico (6 mg L"1) e 1 mL de solução de micronutrientes composta de H3B03 (2,86 mg L"1), MnCI2-4H20 (1 ,81 mg L_1), ZnS04-7H20 (0,22 mg L"1), Na2Mo04-2H20 (0,39 mg L"1),
CuSCy5H20 (0,08 mg L"1), Co(N03)2-6H20 (0,05 mg L~1).
As tréplicas experimentais foram mantidas sob intensidade luminosa de 130 μηιοΐ ητν1, com fotoperíodo natural (aproximadamente 12:12h claro:escuro) em temperatura de 23eC, sendo que a temperatura pode variar entre 23 - 29eC.
Fluorescência da clorofila a
A fluorescência in vivo (Fluorímetro Turner - Trilogy, USA, modelo 7200-043) foi usada como medida da concentração de clorofila a, um parâmetro que se relaciona com a biomassa de microalgas fotossintéticas. Esta metodologia foi utilizada para verificar a densidade populacional das amostras, pois no caso da água preta como meio de cultura, não foi possível a contagem de células em microscópio óptico para a quantificação da biomassa viva, devido à intensa presença de sedimentos no meio.
Potencial Hidroqeniônico - pH
Para medir o pH das amostras foi utilizado um pHmetro Logen® Scientific. O pH é um parâmetro importante, pois o cultivo de microalgas modifica o pH do meio. Normalmente cultivando-se microalgas fotossintéticas o pH do meio aumenta, podendo chegar a pH 1 1 , se o meio não for tamponado.
Quantificação de proteínas totais
A extração e quantificação das proteínas totais foi feita utilizando-se o protocolo descrito por BRADFORD (1976) e RAUSCH (1981 ). A quantificação é feita em espectrofotômetro e as curvas de calibração foram obtidas em comprimento de onda de
595 nm. Detalhes do procedimento podem ser encontrados em CHIA et al. (2015).
Quantificação de carboidratos totais
A quantificação de carboidratos totais foi realizada baseando-se na técnica descrita por ALBALASMEH et al. (2013) através de espectrofotometria. Esta técnica tem como fundamento a reação do ácido sulfúrico com a biomassa algal. Para as curvas de calibração utilizou-se glicose como padrão e os carboidratos intracelulares foram quantificados como equivalente de glicose ^g mL"1). Detalhes do método podem ser encontrados em CHIA (2012).
Taxa de crescimento
As taxas de crescimento algal foram obtidas a partir dos valores de densidade populacional através de análise gráfica plotando-se o logaritmo natural dos valores de fluorescência em função do tempo experimental em dias. Durante o crescimento exponencial, esse gráfico resulta em uma reta que pode ser ajustada através de regressão linear. O coeficiente angular do ajuste representa a taxa de crescimento específica, cuja unidade é dia"1.
Preparo e visualização das amostras
Amostras de água preta foram preparadas em lâminas para observação ao microscópio óptico (Nikon Digital Sight DS-U3) de modo que se tornasse possível sua visualização e fotografia para verificação do material particulado.
RESULTADOS E DISCUSSÃO
Compostos orgânicos (BTEX)
A Tabela 1 mostra os resultados obtidos da análise BTEX nas concentrações presentes na água preta usada como base para o meio de cultura das microalgas.
Tabela 1 . Concentração de hidrocarbonetos presentes na água preta usada como meio de cultura para microalgas.
Hidrocarbonetos Concentração ^g L 1)
Benzeno ND
Tolueno ND
m-Xileno 0,49
p-Xileno 0,55
o-Xileno 0,39
Etilbenzeno 3,77
ND = Não detectado.
De acordo com PENG et al. (2014), a toxicidade de BTEX para células de microalgas e inibição da síntese de clorofila a segue a ordem xilenos > etilbenzeno > tolueno > benzeno. Na presente análise, os hidrocarbonetos considerados mais tóxicos para as algas foram os detectados em na água preta. Entretanto, um estudo com a microalga de água doce Selenastrum capricornutum mostrou que os xilenos foram tóxicos para esta alga em concentração igual ou superior a 3,9 mg L"1 e para etilbenzeno, 4,7 mg L"1 (HERMAN et al., 1990). Para a alga Chlorella pyrenoidosa, o nitrobenzeno foi tóxico em concentrações de 28 mg L"1 e 2-nitrotolueno em 22 mg L"1 (RAMOS et al., 1999). Nos resultados deste estudo, os compostos não apresentaram toxicidade para a microalga inoculada Chlorella vulgaris.
Bioensaios
A água preta, ao ser visualizada no microscópio, possuía apenas sedimentos escuros (Figura 1 A e 1 B), alguns protozoários, rotíferos e microalgas, muitas das quais filamentosas. Nos ensaios mantidos no escuro, a água preta, enriquecida ou não com nutrientes manteve-se sem alterações e os sedimentos continuaram do mesmo tamanho e aspecto (arenoso) após 1 mês de incubação. Entretanto, na água preta acrescida ou não de nutrientes, mas mantida na luz foram observadas alterações nos sedimentos. Os sedimentos aglutinaram-se e, com aspecto viscoso depositaram-se e aderiram no fundo do frasco (Figuras 2A, 2B e 2C). Sabe-se que os polissacarídeos excretados por microalgas têm essa propriedade, de colar ou aglutinar particulados (VIEIRA et al., 2008). Ao microscópio, observou-se que não somente a microalga inoculada cresceu nos cultivos, mas também outras que já estavam na água preta. Microalgas filamentosas e cocóides, além de Chlorella vulgaris foram observadas na água preta.
Devido à versatilidade e robustez da microalga Chlorella vulgaris, ela foi escolhida para inoculação na água preta. Ao ser visualizada sob microscópio óptico (Figura 1 ), verificou-se a presença de C. vulgaris livres no meio e também nos particulados após 15 dias de cultivo. Os sedimentos presentes na água preta sofreram processo de aglutinação e aumentaram de tamanho, passando de aspecto arenoso para grânulos viscosos. Também foram visualizadas microalgas diatomáceas (Figura 3), sugerindo a presença de sílica na água preta, já que essas algas necessitam desse composto para seu desenvolvimento.
Os ensaios com água preta confirmaram a viabilidade do crescimento de microalgas fotossintéticas neste resíduo, através do aumento da fluorescência da clorofila a e observações sob microscópio. Conclui-se que o acréscimo de nutrientes é essencial para garantir maior biomassa e maior crescimento populacional em comparação com água preta não acrescida de nutrientes. Na Figura 4, destaca-se o maior crescimento para o ensaio em água preta com nutrientes, inoculado com C. vulgaris e mantido na luz.
Na Figura 5 mostra-se a variação do pH conforme o tempo experimental. O crescimento algal foi marcado por pH 9 - 10 das culturas mantidas sob luz.
Na presença de luz, mas sem nutrientes, a água preta suportou crescimento limitado de microalgas, fato confirmado pelos valores de fluorescência da clorofila a (menores do que na presença de nutrientes) e pelos valores de pH, que diminuíram com o tempo. Na ausência de luz, não houve o crescimento de microalgas e o pH foi reduzido para 7,5. Sem inoculo de C. vulgaris, mas acrescida de nutrientes e incubada na luz, o crescimento de microalgas na água preta foi lento, sendo necessário 80 dias para aumento da fluorescência, o que confirma a importância da inoculação de C. vulgaris.
Observa-se a grande diferença dos tratamentos na luz e no escuro. Enquanto na luz foram obtidos valores crescentes de fluorescência desde o início do cultivo, como observado na Figura 4, no escuro, valores menores de fluorescência da clorofila a foram obtidos. Os valores de pH das amostras na luz foram maiores que o pH das amostras no escuro durante todo o experimento (Figura 5).
A água preta mantida no escuro, enriquecida ou não com nutrientes, obteve valores baixos de fluorescência, enquanto os tratamentos na luz apresentaram valores de fluorescência característicos do crescimento de micro-organismos fotossintéticos. Analisando-se os valores de pH dos tratamentos observa-se que nos ensaios com água preta enriquecida com nutrientes e mantida na luz o pH manteve-se mais alcalino que os ensaios com água preta não enriquecida, sendo destaque os tratamentos mantidos na luz. Isso demonstra um maior crescimento algal na água preta acrescida de nutrientes e mantida na luz. O pH é um dos fatores de grande importância em cultivos de algas, pois determina a solubilidade do C02 e nutrientes minerais no meio, influenciando o metabolismo das algas (BECKER, 1995). ZANG et al. (201 1 ) mostraram que em uma cultura de microalgas, o pH pode variar significantemente ao longo de um dia; WANG et al. (2012) mostraram que pHs elevados, aproximadamente iguais a 1 1 , são atingidos em cultivos de microalgas sem agente tamponante no meio, sendo que os maiores valores ocorrem na fase exponencial de crescimento.
A respeito de todos os tratamentos da água preta, inoculados e não inoculados com Chlorella vulgaris, observou-se que o crescimento das algas foi melhor nos ensaios em que houve a adição de sais nutritivos do meio BG-1 1 . Isso mostra que a água preta por si só não suporta uma produção algal, sendo necessária a adição de nutrientes para a otimização do crescimento e produção de biomassa.
Os resultados mostraram que as maiores taxas de crescimento foram obtidas nos ensaios de água preta com nutrientes na luz, sendo estes, valores semelhantes aos de cultivo de microalgas em meios de cultura convencionais. Com nutrientes, a taxa de crescimento da microalga Chlorophyta inoculada foi de 0,97 dia"1 , enquanto que sem nutrientes foi de 0,84 dia"1. Isso é equivalente dizer que a população inoculada efetuou 1 ,4 divisões por dia na presença de nutrientes, enquanto que sem nutrientes, foram necessários 2 dias para a duplicação da população (0,57 divisões por dia). Esses resultados são mostrados na Figura 6.
Chlorella vulgaris mantida na água preta sem adição de nutrientes apresentou
6,23 μg ml_"1 de carboidratos na fase exponencial, mas diminuiu para 4,34 μg ml_"1 ao final dos ensaios. Como esperado, a água preta inoculada com Chlorella vulgaris enriquecida com nutrientes obteve um valor de 9,03 μg ml_"1 na fase exponencial e 8,18 μg ml_"1 no final dos experimentos, portanto maiores do que sem o acréscimo de nutrientes. Esses resultados são mostrados na Figura 7. Os resultados de concentração de proteínas são mostrados na Figura 8.
A água preta, quando mantida na luz, possibilitou o crescimento de microalgas nativas ou inoculadas, no caso Chlorella vulgaris. O crescimento foi maior quando a água preta foi enriquecida com nutrientes do meio de cultura BG-1 1 em comparação com água preta não enriquecida de nutrientes.
A descrição que se fez até aqui do método de tratamento de água residual e uso das microalgas excretoras de polissacarídeos, objeto da presente invenção, deve ser considerada apenas como uma possível concretização, e quaisquer características particulares nela introduzida devem ser entendidas apenas como algo que foi descrito para facilitar sua compreensão. Desta forma, não podem de forma alguma ser consideradas como limitantes da invenção, a qual está limitada ao escopo das reivindicações que seguem.
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Claims

REIVINDICAÇÕES
1 . MÉTODO DE TRATAMENTO DE ÁGUA RESIDUAL ATRAVÉS DO CULTIVO DE MICROALGAS EXCRETORAS DE POLISSACARIDEOS, caracterizado por compreender as seguintes etapas:
(a) coleta em um tanque de tratamento de uma água residual compreendendo, em suspensão, particulados finos de material orgânico e inorgânico com origem em combustíveis sólidos;
(b) inclusão de nutrientes na água residual;
(c) inclusão do inoculo de microalgas excretoras de polissacarídeos na água residual obtida na etapa (b);
(d) separação dos particulados finos por aglutinação com os polissacarídeos excretados e posterior decantação dos particulados aglutinados no fundo do tanque;
(e) coleta das microalgas; e
(f) coleta da água tratada.
2. MÉTODO de acordo com a reivindicação 1 , caracterizado pelo fato de os particulados finos de material orgânico e inorgânico com origem em combustíveis sólidos suspensos na água residual serem escolhidos entre carvão mineral, carvão vegetal, carvão ou coque grau siderúrgico, antracito, coque de petróleo ou suas misturas.
3. MÉTODO de acordo com a reivindicação 1 , caracterizado pelo fato das microalgas excretoras de polissacarídeos serem escolhidas do grupo das Bacillariophyta, Chlorophyta e Cyanophyta.
4. MÉTODO de acordo com a reivindicação 3, caracterizado pelo fato das microalgas excretoras de polissacarídeso serem escolhidas entre as microalgas dos géneros Chlorella, Scenedesmus, Desmodesmus e Monoraphidium; preferencialmente, Chlorella vulgarís.
5. MÉTODO de acordo com a reinvindicação 1 , caracterizado pelo fato de os nutrientes adicionados na água residual serem escolhidos entre nitratos, fosfatos, magnésio, cálcio, ferro, manganês, cobre, molibdênio, cobalto e zinco.
6. MÉTODO de acordo com a reivindicação 1 , caracterizado pelo fato da etapa (e) de coleta das microalgas compreender, opcionalmente, uma etapa prévia de floculação seguida da decantação das microalgas.
7. USO DE MICROALGAS EXCRETORAS DE POLISSACARÍDEOS caracterizado por ser para tratar água residual compreendendo, em suspensão, particulados finos de material orgânico e inorgânico com origem em combustíveis sólidos.
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