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Tratamento de efluente de reator UASB de uma indústria de etanol de milho: um estudo de caso no Mato Grosso, Brasil
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| Tese de doutoramento_37791 | 4.77 MB | Adobe PDF |
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A gestão dos efluentes provenientes do processo de produção de etanol, a partir da cana-de-açúcar ou de milho, representa um desafio para a indústria brasileira, uma vez que gera uma quantidade significativa de efluente (vinhaça) que, quando descartado de maneira inadequada, pode ocasionar impactos ambientais no solo e nos corpos d'água, devido a características, como elevada carga orgânica (DQO de 30.000 a 120.000 mg O2/L). O objetivo desta pesquisa foi avaliar, em ambiente laboratorial e à temperatura ambiente, a eficiência do tratamento da vinhaça num Reator Anaeróbio de Fluxo Ascendente e de Manta de Lodo (UASB), bem como de pós-tratamentos do efluente gerado nesse reator. A vinhaça foi proveniente de indústrias de produção de etanol a partir do milho, no estado de Mato Grosso, Brasil. Existia interesse em desenvolver métodos alternativos de lidar com este efluente gerado no seu processo produtivo. A metodologia adotada abrangeu as seguintes etapas: i) avaliação do desempenho do reator UASB, submetido ao aumento gradativo de carga orgânica (DBO5 e DQO); ii) avaliação da eficiência de remoção da carga poluente remanescente do efluente tratado no UASB através de processos físico-químicos (coagulação, floculação, sedimentação), através de ensaios de Jar test, usando sulfato de alumínio e um auxiliar de floculação desenvolvido, em laboratório, a partir de milho. Esse floculante gerado resultou num produto à base de amido de milho, de forma a substituir floculantes sintéticos. iii) avaliação da eficiência de remoção da carga poluente remanescente do efluente tratado em reator UASB por meio de diferentes materiais filtrantes, incluindo biochar produzido em laboratório a partir de eucalipto (como meio filtrante alternativo), carvão ativado e areia, bem como da combinação entre processos físico-químicos e filtração.
Em termos do reator UASB, com um tempo de detenção hidráulica de 8 horas, um caudal volumétrico de 1,25 L/h, e uma COV que variou de 7,5 até 180 kg O2/(m³.d), os resultados obtidos na primeira fase experimental, com uma duração de 250 dias, mostraram que a eficiência de remoção de DQO aumentou progressivamente ao longo dos diferentes períodos temporais: 35%, 49%, 62%, 74%, 81% e 91%, enquanto a remoção de DBO₅ evoluiu de 36%, 54%, 64%, 79%, 84% até 94%. Na segunda fase, com uma duração de 90 dias, e durante a qual se reproduziu o aumento gradativo de carga orgânica, com biomassa previamente aclimatada, os valores da eficiência de remoção mantiveram-se elevados e mais estáveis: DQO 84%, 87%, 88%, 90%, 91% e 92%; DBO₅ 87%, 88%, 90%, 92%, 93% e 94%. Esses resultados indicam que o aumento gradual da carga orgânica, durante a primeira fase experimental, foi permitindo a adaptação do consórcio microbiano às substâncias presente na água residual, melhorando a eficiência do reator UASB na degradação de matéria orgânica, mesmo com variações na concentração de entrada, tornando quase imediato, na segunda fase experimental, o funcionamento em pleno do reator quando do reinício do processo de tratamento, mostrando a resiliência do mesmo. A produção de biogás, em qualquer uma das fases, acompanhou a remoção de DBO₅, confirmando a conversão da matéria orgânica em energia, enquanto a biomassa se manteve estável e funcional, garantindo operação contínua e robusta. O efluente tratado no reator UASB apresentou valores elevados de cor (33.018 mg PtCo/L), turbidez (3.117 NTU), DQO (5.064 mg O₂/L) e DBO₅ (1.704 mg O₂/L), acima dos limites da Resolução CONAMA 430/2011, evidenciando a necessidade de pós-tratamentos. A temperatura do efluente situou-se entre 23 °C e 27 °C, com uma média de 25 °C, enquanto o valor do pH esteve compreendido entre 6,6 e 7,2.
Nos ensaios Jar-test ao efluente tratado no reator UASB, o sulfato de alumínio, utilizado como coagulante, apresentou o melhor desempenho a pH de 6-7 e uma concentração de 110 mg/L, removendo 83,4% a 89,5% da cor e 95% a 98% da turbidez, este último, o único, deste dois parâmetros, que atendeu à legislação. Entretanto, as melhores concentrações de DQO e DBO₅ permaneceram elevadas, sendo de 2.279 mg O₂/L e 665 mg O₂/L, respetivamente. A utilização apenas do biopolímero de milho, nas concentrações estudadas, não produziu resultados satisfatórios. A associação do sulfato de alumínio (110 mg/L) com o biopolímero (0,25 mg/L), a pH 6,5 apresentou o melhor desempenho global. Nessa condição, e face às concentrações do efluente tratado no UASB, a eficiência da remoção de cor e de turbidez foi de 99%, sendo que o parâmetro da turbidez passou a atender aos limites legais, enquanto a concentração de DQO residual permaneceu elevada (569 mg O₂/L) e a de DBO₅ (146 mg O₂/L) aproximou-se do valor máximo permitido de 120 mg O₂/L. Esses resultados evidenciam que a combinação do coagulante inorgânico com o biopolímero contribuiu para o aumento da eficiência do processo, promovendo uma maior redução dos parâmetros físico-químicos do efluente.
O efluente tratado no reator UASB apresentou valores de pH entre 7 e 8 após filtração em três filtros com meios distintos: biochar, carvão ativado e areia, dentro dos limites da resolução CONAMA 430/2011.
A cor do efluente bruto (33.018mg PtCo/L) foi reduzida em 91% (carvão ativado), 89% (biochar) e 75% (areia); Se aplicado um pré-tratamento físico-químico e depois a operação de filtração, a eficiência de remoção da cor aumentou para 99,9%, 99,9% e 99,8%, respetivamente, atendendo ao limite legal.
A turbidez com efluente proveniente do reator UASB apresentou eficiências de remoção de 91% (biochar), 95% (carvão ativado) e 89% (areia), melhorando com o uso prévio do sulfato de alumínio e biopolímero, apresentando os valores de remoções de 99,91% (biochar), 99,96% (carvão ativado) e 99,89% (areia).
Para a concentração de DQO, os filtros alcançaram uma eficiência de remoção de 88% (biochar), 92% (carvão ativado) e 83% (areia), e após o pré-tratamento físico-químico, as eficiências de remoção passaram para 98,9%, 99,4% e 99,4%, respetivamente.
Para a concentração de DBO₅, o efluente (1.704 mg O₂/L) viu reduzida o seu valor para 119 mg O₂/L (biochar), 94 mg O₂/L (carvão ativado) e 239 mg O₂/L (areia); com pré-tratamento químico, os valores sofreram uma redução para 26, 15 e 49 mg O₂/L, respetivamente, estando todos dentro do limite legal.
Estes resultados indicam que a combinação de tratamento físico-químico e filtração, especialmente com meios filtrantes como o carvão ativado e o biochar, é eficaz para adequar o efluente do UASB aos padrões ambientais previstos na legislação.
A combinação de um processo biológico (reator anaeróbio UASB), de um processo físico-químico (coagulação/floculação/sedimentação) e de um processo de filtração permitiu obter um efluente tratado que, relativamente aos parâmetros monitorizados, cumpriu os limites legais.
The management of effluents generated during ethanol production from sugarcane or corn represents a major challenge for the Brazilian industry, since this process produces significant volumes of wastewater (vinasse) which, when improperly disposed of, may cause environmental impacts on soils and water bodies due to its characteristics, particularly its high organic load (COD ranging from 30,000 to 120,000 mg O₂/L). The objective of this study was to evaluate, under laboratory conditions and at room temperature, the efficiency of vinasse treatment using an Upflow Anaerobic Sludge Blanket (UASB) reactor, as well as post-treatment processes applied to the effluent generated by this reactor. The vinasse originated from corn ethanol production industries located in the state of Mato Grosso, Brazil, where there was interest in developing alternative methods for managing this effluent generated during the production process. The adopted methodology comprised the following stages: i) evaluation of the performance of the UASB reactor subjected to gradual increases in organic loading (BOD₅ and COD); ii) assessment of the efficiency of pollutant removal from the residual load remaining in the UASB-treated effluent through physicochemical processes (coagulation, flocculation, and sedimentation), using Jar Test assays with aluminum sulfate and a flocculation aid developed in the laboratory from corn. This flocculant resulted in a starch-based biopolymer intended to replace synthetic flocculants; and iii) evaluation of the efficiency of residual pollutant removal from the UASB-treated effluent using different filtration materials, including biochar produced in the laboratory from eucalyptus (as an alternative filter medium), activated carbon, and sand, as well as the combination of physicochemical processes and filtration. Regarding the UASB reactor, operated with a hydraulic retention time of 8 hours, a volumetric flow rate of 1.25 L/h, and an organic loading rate ranging from 7.5 to 180 kg O₂/(m³•d), the results obtained during the first experimental phase, which lasted 250 days, showed that COD removal efficiency progressively increased over the different operational periods: 35%, 49%, 62%, 74%, 81%, and 91%, while BOD₅ removal evolved from 36%, 54%, 64%, 79%, and 84% to 94%. In the second phase, lasting 90 days and during which the gradual increase in organic loading was reproduced using previously acclimated biomass, removal efficiencies remained high and more stable: COD removal efficiencies were 84%, 87%, 88%, 90%, 91%, and 92%, while BOD₅ removal efficiencies were 87%, 88%, 90%, 92%, 93%, and 94%. These results indicate that the gradual increase in organic loading during the first experimental phase enabled the microbial consortium to adapt to the substances present in the wastewater, improving the efficiency of the UASB reactor in degrading organic matter, even under variations in influent concentration. Furthermore, in the second experimental phase, the reactor resumed full operation almost immediately after restarting the treatment process, demonstrating its resilience. Biogas production in both phases followed the pattern of BOD₅ removal, confirming the conversion of organic matter into energy, while the biomass remained stable and functional, ensuring continuous and robust reactor operation. Nevertheless, the effluent treated in the UASB reactor still presented high values of color (33,018 mg PtCo/L), turbidity (3,117 NTU), COD (5,064 mg O₂/L), and BOD₅ (1,704 mg O₂/L), exceeding the limits established by CONAMA Resolution 430/2011, thus demonstrating the need for post-treatment processes. Effluent temperature ranged between 23 °C and 27 °C, with an average of 25 °C, while pH values ranged from 6.6 to 7.2. In the Jar Test assays applied to the UASB-treated effluent, aluminum sulfate used as a coagulant showed the best performance at pH 6–7 and a concentration of 110 mg/L, removing between 83.4% and 89.5% of color and between 95% and 98% of turbidity, the latter being the only parameter among these two to comply with legal standards. However, the lowest COD and BOD₅ concentrations remained high, reaching 2,279 mg O₂/L and 665 mg O₂/L, respectively. The isolated use of the corn-based biopolymer at the studied concentrations did not produce satisfactory results. In contrast, the combination of aluminum sulfate (110 mg/L) and biopolymer (0.25 mg/L) at pH 6.5 achieved the best overall performance. Under these conditions, and considering the characteristics of the UASB-treated effluent, color and turbidity removal efficiencies reached 99%, with turbidity complying with legal limits, while residual COD concentration remained high (569 mg O₂/L) and BOD₅ concentration (146 mg O₂/L) approached the maximum permitted value of 120 mg O₂/L. These results demonstrate that the combination of inorganic coagulant and biopolymer contributed to increasing process efficiency by promoting greater reductions in the physicochemical parameters of the effluent. The UASB-treated effluent presented pH values between 7 and 8 after filtration through three filters with distinct media: biochar, activated carbon, and sand, remaining within the limits established by CONAMA Resolution 430/2011. The color of the raw effluent (33,018 mg PtCo/L) was reduced by 91% using activated carbon, 89% using biochar, and 75% using sand. When physicochemical pre-treatment was applied prior to filtration process, color removal efficiency increased to 99.9%, 99.9%, and 99.8%, respectively, meeting legal requirements. For turbidity, the effluent from the UASB reactor showed removal efficiencies of 91% with biochar, 95% with activated carbon, and 89% with sand. These results improved with the prior application of aluminum sulfate and biopolymer, reaching removal efficiencies of 99.91% (biochar), 99.96% (activated carbon), and 99.89% (sand). Regarding COD concentration, the filters achieved removal efficiencies of 88% with biochar, 92% with activated carbon, and 83% with sand. After physicochemical pre-treatment, these efficiencies increased to 98.9%, 99.4%, and 99.4%, respectively. For BOD₅ concentration, the effluent initially containing 1,704 mg O₂/L was reduced to 119 mg O₂/L using biochar, 94 mg O₂/L using activated carbon, and 239 mg O₂/L using sand. With chemical pre-treatment, these values were further reduced to 26, 15, and 49 mg O₂/L, respectively, all complying with legal standards. These results indicate that the combination of physicochemical treatment and filtration, especially using activated carbon and biochar as filter media, is effective in adapting UASB effluent to environmental standards established by legislation. In conclusion, the integration of biological treatment (UASB anaerobic reactor), physicochemical treatment (coagulation/flocculation/sedimentation), and filtration processes enabled the production of a treated effluent that complied with the legal limits established for the monitored parameters.
La gestion des effluents issus du processus de production d’éthanol à partir de la canne à sucre ou du maïs représente un défi majeur pour l’industrie brésilienne, étant donné qu’elle génère une quantité significative d’effluent (vinasse) qui, lorsqu’il est rejeté de manière inadéquate, peut provoquer des impacts environnementaux sur les sols et les ressources hydriques en raison de ses caractéristiques, notamment sa forte charge organique (DCO de 30 000 à 120 000 mg O₂/L). L’objectif de cette recherche a été d’évaluer, en conditions de laboratoire et à température ambiante, l’efficacité du traitement de la vinasse dans un réacteur anaérobie à flux ascendant et à lit de boues (UASB), ainsi que des post-traitements appliqués à l’effluent généré par ce réacteur. La vinasse provenait d’industries de production d’éthanol à partir du maïs situées dans l’État du Mato Grosso, au Brésil. Ces industries manifestaient un intérêt pour le développement de méthodes alternatives de gestion de cet effluent issu de leur processus de production. La méthodologie adoptée a comporté les étapes suivantes : i) évaluation des performances du réacteur UASB soumis à une augmentation progressive de la charge organique (DBO₅ et DCO) ; ii) évaluation de l’efficacité de l’élimination de la charge polluante résiduelle de l’effluent traité dans le réacteur UASB au moyen de procédés physico-chimiques (coagulation, floculation et sédimentation), à travers des essais de Jar Test utilisant du sulfate d’aluminium et un auxiliaire de floculation développé en laboratoire à partir du maïs. Ce floculant a conduit à l’obtention d’un biopolymère à base d’amidon de maïs destiné à remplacer les floculants synthétiques ; iii) évaluation de l’efficacité de l’élimination de la charge polluante résiduelle de l’effluent traité dans le réacteur UASB au moyen de différents matériaux filtrants, notamment du biochar produit en laboratoire à partir d’eucalyptus (comme matériau filtrant alternatif), du charbon actif et du sable, ainsi que de la combinaison des procédés physico-chimiques et de la filtration. Concernant le réacteur UASB, fonctionnant avec un temps de rétention hydraulique de 8 heures, un débit volumique de 1,25 L/h et une charge organique volumique variant de 7,5 à 180 kg O₂/(m³•j), les résultats obtenus lors de la première phase expérimentale, d’une durée de 250 jours, ont montré une augmentation progressive de l’efficacité d’élimination de la DCO au cours des différentes périodes temporelles : 35 %, 49 %, 62 %, 74 %, 81 % et 91 %, tandis que l’élimination de la DBO₅ a évolué de 36 %, 54 %, 64 %, 79 %, 84 % jusqu’à 94 %. Lors de la seconde phase, d’une durée de 90 jours, au cours de laquelle l’augmentation progressive de la charge organique a été reproduite avec une biomasse préalablement acclimatée, les valeurs d’efficacité d’élimination sont demeurées élevées et plus stables : DCO 84 %, 87 %, 88 %, 90 %, 91 % et 92 % ; DBO₅ 87 %, 88 %, 90 %, 92 %, 93 % et 94 %. Ces résultats indiquent que l’augmentation graduelle de la charge organique durant la première phase expérimentale a permis l’adaptation du consortium microbien aux substances présentes dans les eaux usées, améliorant ainsi l’efficacité du réacteur UASB dans la dégradation de la matière organique, même en présence de variations de la concentration d’entrée. Lors de la seconde phase expérimentale, le fonctionnement optimal du réacteur a été rétabli presque immédiatement après la reprise du traitement, démontrant ainsi sa résilience. La production de biogaz, dans les deux phases, a accompagné l’élimination de la DBO₅, confirmant la conversion de la matière organique en énergie, tandis que la biomasse est demeurée stable et fonctionnelle, garantissant un fonctionnement continu et robuste. Toutefois, l’effluent traité dans le réacteur UASB présentait encore des valeurs élevées de couleur (33 018 mg PtCo/L), de turbidité (3 117 NTU), de DCO (5 064 mg O₂/L) et de DBO₅ (1 704 mg O₂/L), supérieures aux limites fixées par la Résolution CONAMA 430/2011, ce qui a mis en évidence la nécessité de traitements complémentaires. La température de l’effluent variait entre 23 °C et 27 °C, avec une moyenne de 25 °C, tandis que le pH se situait entre 6,6 et 7,2. Lors des essais de Jar Test appliqués à l’effluent traité dans le réacteur UASB, le sulfate d’aluminium utilisé comme coagulant a présenté les meilleures performances à un pH compris entre 6 et 7 et à une concentration de 110 mg/L, permettant l’élimination de 83,4 % à 89,5 % de la couleur et de 95 % à 98 % de la turbidité, ce dernier paramètre étant le seul, parmi les deux, à satisfaire aux exigences légales. Toutefois, les meilleures concentrations de DCO et de DBO₅ sont demeurées élevées, atteignant respectivement 2 279 mg O₂/L et 665 mg O₂/L. L’utilisation isolée du biopolymère de maïs, aux concentrations étudiées, n’a pas produit de résultats satisfaisants. En revanche, l’association du sulfate d’aluminium (110 mg/L) et du biopolymère (0,25 mg/L), à un pH de 6,5, a présenté les meilleures performances globales. Dans ces conditions, et compte tenu des concentrations de l’effluent traité dans le réacteur UASB, l’efficacité d’élimination de la couleur et de la turbidité a atteint 99 %, la turbidité respectant alors les limites légales, tandis que la concentration résiduelle de DCO demeurait élevée (569 mg O₂/L) et que celle de la DBO₅ (146 mg O₂/L) se rapprochait de la valeur maximale autorisée de 120 mg O₂/L. Ces résultats démontrent que la combinaison du coagulant inorganique et du biopolymère a contribué à accroître l’efficacité du procédé en favorisant une réduction plus importante des paramètres physico-chimiques de l’effluent. L’effluent traité dans le réacteur UASB a présenté des valeurs de pH comprises entre 7 et 8 après filtration à travers trois filtres composés de différents matériaux : biochar, charbon actif et sable, restant dans les limites établies par la Résolution CONAMA 430/2011. La couleur de l’effluent brut (33 018 mg PtCo/L) a été réduite de 91 % avec le charbon actif, de 89 % avec le biochar et de 75 % avec le sable. Lorsqu’un prétraitement physico-chimique était appliqué avant la filtration, l’efficacité d’élimination de la couleur augmentait respectivement à 99,9 %, 99,9 % et 99,8 %, satisfaisant ainsi aux exigences légales. La turbidité de l’effluent provenant du réacteur UASB a présenté des efficacités d’élimination de 91 % avec le biochar, 95 % avec le charbon actif et 89 % avec le sable. Ces résultats se sont améliorés grâce à l’utilisation préalable du sulfate d’aluminium et du biopolymère, atteignant des taux d’élimination de 99,91 % (biochar), 99,96 % (charbon actif) et 99,89 % (sable). Concernant la concentration de DCO, les filtres ont atteint des efficacités d’élimination de 88 % avec le biochar, 92 % avec le charbon actif et 83 % avec le sable. Après le prétraitement physico-chimique, ces efficacités sont passées respectivement à 98,9 %, 99,4 % et 99,4 %. Pour la concentration de DBO₅, l’effluent (1 704 mg O₂/L) a vu sa concentration réduite à 119 mg O₂/L avec le biochar, 94 mg O₂/L avec le charbon actif et 239 mg O₂/L avec le sable ; avec le prétraitement chimique, ces valeurs ont été réduites respectivement à 26, 15 et 49 mg O₂/L, toutes conformes aux limites légales. Ces résultats indiquent que la combinaison du traitement physico-chimique et de la filtration, en particulier avec des matériaux filtrants tels que le charbon actif et le biochar, est efficace pour adapter l’effluent du réacteur UASB aux normes environnementales prévues par la législation. En conclusion, la combinaison d’un procédé biologique (réacteur anaérobie UASB), d’un procédé physico-chimique (coagulation/floculation/sédimentation) et d’un procédé de filtration a permis d’obtenir un effluent traité conforme aux limites légales relatives aux paramètres surveillés.
The management of effluents generated during ethanol production from sugarcane or corn represents a major challenge for the Brazilian industry, since this process produces significant volumes of wastewater (vinasse) which, when improperly disposed of, may cause environmental impacts on soils and water bodies due to its characteristics, particularly its high organic load (COD ranging from 30,000 to 120,000 mg O₂/L). The objective of this study was to evaluate, under laboratory conditions and at room temperature, the efficiency of vinasse treatment using an Upflow Anaerobic Sludge Blanket (UASB) reactor, as well as post-treatment processes applied to the effluent generated by this reactor. The vinasse originated from corn ethanol production industries located in the state of Mato Grosso, Brazil, where there was interest in developing alternative methods for managing this effluent generated during the production process. The adopted methodology comprised the following stages: i) evaluation of the performance of the UASB reactor subjected to gradual increases in organic loading (BOD₅ and COD); ii) assessment of the efficiency of pollutant removal from the residual load remaining in the UASB-treated effluent through physicochemical processes (coagulation, flocculation, and sedimentation), using Jar Test assays with aluminum sulfate and a flocculation aid developed in the laboratory from corn. This flocculant resulted in a starch-based biopolymer intended to replace synthetic flocculants; and iii) evaluation of the efficiency of residual pollutant removal from the UASB-treated effluent using different filtration materials, including biochar produced in the laboratory from eucalyptus (as an alternative filter medium), activated carbon, and sand, as well as the combination of physicochemical processes and filtration. Regarding the UASB reactor, operated with a hydraulic retention time of 8 hours, a volumetric flow rate of 1.25 L/h, and an organic loading rate ranging from 7.5 to 180 kg O₂/(m³•d), the results obtained during the first experimental phase, which lasted 250 days, showed that COD removal efficiency progressively increased over the different operational periods: 35%, 49%, 62%, 74%, 81%, and 91%, while BOD₅ removal evolved from 36%, 54%, 64%, 79%, and 84% to 94%. In the second phase, lasting 90 days and during which the gradual increase in organic loading was reproduced using previously acclimated biomass, removal efficiencies remained high and more stable: COD removal efficiencies were 84%, 87%, 88%, 90%, 91%, and 92%, while BOD₅ removal efficiencies were 87%, 88%, 90%, 92%, 93%, and 94%. These results indicate that the gradual increase in organic loading during the first experimental phase enabled the microbial consortium to adapt to the substances present in the wastewater, improving the efficiency of the UASB reactor in degrading organic matter, even under variations in influent concentration. Furthermore, in the second experimental phase, the reactor resumed full operation almost immediately after restarting the treatment process, demonstrating its resilience. Biogas production in both phases followed the pattern of BOD₅ removal, confirming the conversion of organic matter into energy, while the biomass remained stable and functional, ensuring continuous and robust reactor operation. Nevertheless, the effluent treated in the UASB reactor still presented high values of color (33,018 mg PtCo/L), turbidity (3,117 NTU), COD (5,064 mg O₂/L), and BOD₅ (1,704 mg O₂/L), exceeding the limits established by CONAMA Resolution 430/2011, thus demonstrating the need for post-treatment processes. Effluent temperature ranged between 23 °C and 27 °C, with an average of 25 °C, while pH values ranged from 6.6 to 7.2. In the Jar Test assays applied to the UASB-treated effluent, aluminum sulfate used as a coagulant showed the best performance at pH 6–7 and a concentration of 110 mg/L, removing between 83.4% and 89.5% of color and between 95% and 98% of turbidity, the latter being the only parameter among these two to comply with legal standards. However, the lowest COD and BOD₅ concentrations remained high, reaching 2,279 mg O₂/L and 665 mg O₂/L, respectively. The isolated use of the corn-based biopolymer at the studied concentrations did not produce satisfactory results. In contrast, the combination of aluminum sulfate (110 mg/L) and biopolymer (0.25 mg/L) at pH 6.5 achieved the best overall performance. Under these conditions, and considering the characteristics of the UASB-treated effluent, color and turbidity removal efficiencies reached 99%, with turbidity complying with legal limits, while residual COD concentration remained high (569 mg O₂/L) and BOD₅ concentration (146 mg O₂/L) approached the maximum permitted value of 120 mg O₂/L. These results demonstrate that the combination of inorganic coagulant and biopolymer contributed to increasing process efficiency by promoting greater reductions in the physicochemical parameters of the effluent. The UASB-treated effluent presented pH values between 7 and 8 after filtration through three filters with distinct media: biochar, activated carbon, and sand, remaining within the limits established by CONAMA Resolution 430/2011. The color of the raw effluent (33,018 mg PtCo/L) was reduced by 91% using activated carbon, 89% using biochar, and 75% using sand. When physicochemical pre-treatment was applied prior to filtration process, color removal efficiency increased to 99.9%, 99.9%, and 99.8%, respectively, meeting legal requirements. For turbidity, the effluent from the UASB reactor showed removal efficiencies of 91% with biochar, 95% with activated carbon, and 89% with sand. These results improved with the prior application of aluminum sulfate and biopolymer, reaching removal efficiencies of 99.91% (biochar), 99.96% (activated carbon), and 99.89% (sand). Regarding COD concentration, the filters achieved removal efficiencies of 88% with biochar, 92% with activated carbon, and 83% with sand. After physicochemical pre-treatment, these efficiencies increased to 98.9%, 99.4%, and 99.4%, respectively. For BOD₅ concentration, the effluent initially containing 1,704 mg O₂/L was reduced to 119 mg O₂/L using biochar, 94 mg O₂/L using activated carbon, and 239 mg O₂/L using sand. With chemical pre-treatment, these values were further reduced to 26, 15, and 49 mg O₂/L, respectively, all complying with legal standards. These results indicate that the combination of physicochemical treatment and filtration, especially using activated carbon and biochar as filter media, is effective in adapting UASB effluent to environmental standards established by legislation. In conclusion, the integration of biological treatment (UASB anaerobic reactor), physicochemical treatment (coagulation/flocculation/sedimentation), and filtration processes enabled the production of a treated effluent that complied with the legal limits established for the monitored parameters.
La gestion des effluents issus du processus de production d’éthanol à partir de la canne à sucre ou du maïs représente un défi majeur pour l’industrie brésilienne, étant donné qu’elle génère une quantité significative d’effluent (vinasse) qui, lorsqu’il est rejeté de manière inadéquate, peut provoquer des impacts environnementaux sur les sols et les ressources hydriques en raison de ses caractéristiques, notamment sa forte charge organique (DCO de 30 000 à 120 000 mg O₂/L). L’objectif de cette recherche a été d’évaluer, en conditions de laboratoire et à température ambiante, l’efficacité du traitement de la vinasse dans un réacteur anaérobie à flux ascendant et à lit de boues (UASB), ainsi que des post-traitements appliqués à l’effluent généré par ce réacteur. La vinasse provenait d’industries de production d’éthanol à partir du maïs situées dans l’État du Mato Grosso, au Brésil. Ces industries manifestaient un intérêt pour le développement de méthodes alternatives de gestion de cet effluent issu de leur processus de production. La méthodologie adoptée a comporté les étapes suivantes : i) évaluation des performances du réacteur UASB soumis à une augmentation progressive de la charge organique (DBO₅ et DCO) ; ii) évaluation de l’efficacité de l’élimination de la charge polluante résiduelle de l’effluent traité dans le réacteur UASB au moyen de procédés physico-chimiques (coagulation, floculation et sédimentation), à travers des essais de Jar Test utilisant du sulfate d’aluminium et un auxiliaire de floculation développé en laboratoire à partir du maïs. Ce floculant a conduit à l’obtention d’un biopolymère à base d’amidon de maïs destiné à remplacer les floculants synthétiques ; iii) évaluation de l’efficacité de l’élimination de la charge polluante résiduelle de l’effluent traité dans le réacteur UASB au moyen de différents matériaux filtrants, notamment du biochar produit en laboratoire à partir d’eucalyptus (comme matériau filtrant alternatif), du charbon actif et du sable, ainsi que de la combinaison des procédés physico-chimiques et de la filtration. Concernant le réacteur UASB, fonctionnant avec un temps de rétention hydraulique de 8 heures, un débit volumique de 1,25 L/h et une charge organique volumique variant de 7,5 à 180 kg O₂/(m³•j), les résultats obtenus lors de la première phase expérimentale, d’une durée de 250 jours, ont montré une augmentation progressive de l’efficacité d’élimination de la DCO au cours des différentes périodes temporelles : 35 %, 49 %, 62 %, 74 %, 81 % et 91 %, tandis que l’élimination de la DBO₅ a évolué de 36 %, 54 %, 64 %, 79 %, 84 % jusqu’à 94 %. Lors de la seconde phase, d’une durée de 90 jours, au cours de laquelle l’augmentation progressive de la charge organique a été reproduite avec une biomasse préalablement acclimatée, les valeurs d’efficacité d’élimination sont demeurées élevées et plus stables : DCO 84 %, 87 %, 88 %, 90 %, 91 % et 92 % ; DBO₅ 87 %, 88 %, 90 %, 92 %, 93 % et 94 %. Ces résultats indiquent que l’augmentation graduelle de la charge organique durant la première phase expérimentale a permis l’adaptation du consortium microbien aux substances présentes dans les eaux usées, améliorant ainsi l’efficacité du réacteur UASB dans la dégradation de la matière organique, même en présence de variations de la concentration d’entrée. Lors de la seconde phase expérimentale, le fonctionnement optimal du réacteur a été rétabli presque immédiatement après la reprise du traitement, démontrant ainsi sa résilience. La production de biogaz, dans les deux phases, a accompagné l’élimination de la DBO₅, confirmant la conversion de la matière organique en énergie, tandis que la biomasse est demeurée stable et fonctionnelle, garantissant un fonctionnement continu et robuste. Toutefois, l’effluent traité dans le réacteur UASB présentait encore des valeurs élevées de couleur (33 018 mg PtCo/L), de turbidité (3 117 NTU), de DCO (5 064 mg O₂/L) et de DBO₅ (1 704 mg O₂/L), supérieures aux limites fixées par la Résolution CONAMA 430/2011, ce qui a mis en évidence la nécessité de traitements complémentaires. La température de l’effluent variait entre 23 °C et 27 °C, avec une moyenne de 25 °C, tandis que le pH se situait entre 6,6 et 7,2. Lors des essais de Jar Test appliqués à l’effluent traité dans le réacteur UASB, le sulfate d’aluminium utilisé comme coagulant a présenté les meilleures performances à un pH compris entre 6 et 7 et à une concentration de 110 mg/L, permettant l’élimination de 83,4 % à 89,5 % de la couleur et de 95 % à 98 % de la turbidité, ce dernier paramètre étant le seul, parmi les deux, à satisfaire aux exigences légales. Toutefois, les meilleures concentrations de DCO et de DBO₅ sont demeurées élevées, atteignant respectivement 2 279 mg O₂/L et 665 mg O₂/L. L’utilisation isolée du biopolymère de maïs, aux concentrations étudiées, n’a pas produit de résultats satisfaisants. En revanche, l’association du sulfate d’aluminium (110 mg/L) et du biopolymère (0,25 mg/L), à un pH de 6,5, a présenté les meilleures performances globales. Dans ces conditions, et compte tenu des concentrations de l’effluent traité dans le réacteur UASB, l’efficacité d’élimination de la couleur et de la turbidité a atteint 99 %, la turbidité respectant alors les limites légales, tandis que la concentration résiduelle de DCO demeurait élevée (569 mg O₂/L) et que celle de la DBO₅ (146 mg O₂/L) se rapprochait de la valeur maximale autorisée de 120 mg O₂/L. Ces résultats démontrent que la combinaison du coagulant inorganique et du biopolymère a contribué à accroître l’efficacité du procédé en favorisant une réduction plus importante des paramètres physico-chimiques de l’effluent. L’effluent traité dans le réacteur UASB a présenté des valeurs de pH comprises entre 7 et 8 après filtration à travers trois filtres composés de différents matériaux : biochar, charbon actif et sable, restant dans les limites établies par la Résolution CONAMA 430/2011. La couleur de l’effluent brut (33 018 mg PtCo/L) a été réduite de 91 % avec le charbon actif, de 89 % avec le biochar et de 75 % avec le sable. Lorsqu’un prétraitement physico-chimique était appliqué avant la filtration, l’efficacité d’élimination de la couleur augmentait respectivement à 99,9 %, 99,9 % et 99,8 %, satisfaisant ainsi aux exigences légales. La turbidité de l’effluent provenant du réacteur UASB a présenté des efficacités d’élimination de 91 % avec le biochar, 95 % avec le charbon actif et 89 % avec le sable. Ces résultats se sont améliorés grâce à l’utilisation préalable du sulfate d’aluminium et du biopolymère, atteignant des taux d’élimination de 99,91 % (biochar), 99,96 % (charbon actif) et 99,89 % (sable). Concernant la concentration de DCO, les filtres ont atteint des efficacités d’élimination de 88 % avec le biochar, 92 % avec le charbon actif et 83 % avec le sable. Après le prétraitement physico-chimique, ces efficacités sont passées respectivement à 98,9 %, 99,4 % et 99,4 %. Pour la concentration de DBO₅, l’effluent (1 704 mg O₂/L) a vu sa concentration réduite à 119 mg O₂/L avec le biochar, 94 mg O₂/L avec le charbon actif et 239 mg O₂/L avec le sable ; avec le prétraitement chimique, ces valeurs ont été réduites respectivement à 26, 15 et 49 mg O₂/L, toutes conformes aux limites légales. Ces résultats indiquent que la combinaison du traitement physico-chimique et de la filtration, en particulier avec des matériaux filtrants tels que le charbon actif et le biochar, est efficace pour adapter l’effluent du réacteur UASB aux normes environnementales prévues par la législation. En conclusion, la combinaison d’un procédé biologique (réacteur anaérobie UASB), d’un procédé physico-chimique (coagulation/floculation/sédimentation) et d’un procédé de filtration a permis d’obtenir un effluent traité conforme aux limites légales relatives aux paramètres surveillés.
Descrição
Palavras-chave
Indústria de etanol Vinhaça milho Carga orgânica Tratamento de efluente Impacto ambiental Ethanol industry Corn vinasse Organic load Effluent treatment Environmental impact Industrie de l’éthanol Vinasse de maïs Charge organique Traitement des effluents Impact environnemental