BIOVENTILAÇÃO E BIOESTIMULAÇÃO DE SOLO RESIDUAL DE BASALTO CONTAMINADO COM BIODIESEL

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1 BIOVENTILAÇÃO E BIOESTIMULAÇÃO DE SOLO RESIDUAL DE BASALTO CONTAMINADO COM BIODIESEL Gabriel Cavelhão Acadêmico do curso de Engenharia Ambiental. Universidade de Passo Fundo cavelhao@yahoo.com.br Liliane Rebechi Ribeiro Meneghetti Doutoranda do Programa de Pós Graduação em Engenharia Civil. Universidade Federal do Rio Grande do Sul lilianerebechi@yahoo.com.br Cleomar Reginatto Mestrando do Programa de Pós Graduação em Engenharia. Universidade de Passo Fundo cleomarreginatto@hotmail.com Antonio Thomé Professor/Pesquisador do Programa de Pós Graduação em Engenharia e dos Cursos de Engenharia Ambiental e Engenharia Civil. Universidade de Passo Fundo thome@upf.br Resumo. As preocupações com a escassez de combustíveis de origem fóssil torna o biodiesel uma fonte alternativa por ser um combustível renovável e menos poluente. A ocorrência de acidentes no transporte e nos sistemas de armazenamento pode causar contaminação do solo e das águas. Os processos de remediação de solo envolvem mecanismos físico-químicos e biológicos. Os processos microbiológicos tem grande importância devido a grande diversidade biológica do solo. O emprego de técnicas de biorremediação, como a bioventilação e a bioestimulação, contribuem para o aumento da eficiência do processo de atenuação do contaminante. O objetivo desse trabalho é avaliar o emprego dessas técnicas na remediação de solo contaminado com biodiesel. O solo residual de basalto foi contaminado com 4% de biodiesel, bioventilado e bioestimulado com NPK. A biodegradação foi avaliada pelos processos de Evolução de CO 2 e Cromatografia Gasosa. O experimento teve duração de 90 dias. Os resultados mostraram que o emprego das técnicas de biorremediação contribuiu significativamente no processo de degradação do contaminante. Palavras-chave: Biorremediação, Atenuação Natural, Contaminação. 1. INTRODUÇÃO O aumento do consumo de combustíveis e as preocupações devido à escassez do petróleo torna o biodiesel uma alternativa energética pra uso em motores a diesel, pelo fato de ser um combustível renovável. (DEMIRBAS, 2007). De acordo com a lei n , desde janeiro de 2005, o biodiesel está sendo incorporado à matriz energética brasileira juntamente com o óleo diesel como uma medida para diminuir a poluição atmosférica e suprir a demanda de combustível. O biodiesel, por ser composto basicamente por ácidos graxos, é considerado biodegradável, menos tóxico e de fácil assimilação pelos microrganismos do solo quando comparado a outros combustíveis (DEMELLO et al., 2007). Apesar de ser considerado um combustível de origem renovável e biodegradável, sabe-se que os sistemas de distribuição e armazenamento de combustíveis, geralmente estão localizados na subsuperfície e, desta forma, no caso de um vazamento, pouco se

2 tem conhecimento sobre os reais impactos da interação do biodiesel e da mistura diesel/biodiesel com o solo e dos riscos toxicológicos associados à exposição destes no meio ambiente (CHIARANDA et al., 2009). Quando ocorre um vazamento vários métodos podem ser empregados para a remoção destes contaminantes no solo e águas subterrâneas, entre eles podemos destacar os processos físico-químicos e microbiológicos. Não há uma regra geral que determine o melhor tratamento de uma área contaminada específica. Cada caso deve ser analisado individualmente, avaliando suas particularidades (MARIANO, 2008). Os processos fisico-químicos como injeção de ar, extração multifásica, captação de vapores, tratamentos em biofiltros são alguns dos processos de remediação mais empregados atualmente (SHARMA & REDDY, 2004). Embora esses processos sejam efetivos requerem altos custos e inúmeras limitações quando comparados aos processos biológicos. Os processos biológicos, conhecidos por biorremediação, são uma tecnologia promissora na remoção de contaminantes orgânicos principalmente devido à simplicidade, eficiência e baixo custo quando comparados a outras alternativas de remediação (ALEXANDER, 1994). Atualmente, a biorremediação é um dos processos microbiológicos mais estudados nos últimos anos, podem ser realizadas in situ, sem a remoção do solo ou ex situ, pela remoção do material contaminado (NANO et al., 2003). Diversos trabalhos sobre a biorremediação de combustíveis como a gasolina, tem sido conduzidos (Solano-Serena et al. 1999; Cunha e Leite 2000; Passman et al e Spinelli et al. 2002), de óleo diesel (Richard e Vogel 1999, Olson et al. 1999, Capelli et al. 2001, Spinelli et al. 2002, Bento et al. 2005, e Meneghetti, 2007) e de biodiesel (Candeia et al. 2006, e Meneghetti 2007, Thome et al. 2010). Pelo processo de biorremediação, a biodegradação do poluente se dá pela ação dos microrganismos presentes (atenuação natural) ou inoculados no solo contaminado (bioaumentação), podendo ocorrer naturalmente ou ser estimulada por nutrientes como matéria orgânica, oxigênio, nitrogênio, fósforo, potássio, entre outros. (MENEGHETTI, 2007). O processo de biodegradação é baseado na capacidade de populações microbianas de modificar ou decompor determinados poluentes (Troquet et al 2003), utilizando o biodiesel como fonte de carbono e energia ao seu crescimento nos solos. A degradação completa dos compostos orgânicos resulta em produtos finais atóxicos como dióxido de carbono (CO 2 ), água (H 2 O) e biomassa celular (FRANKENBERGER Jr. (1992); OLLIVER & MAGOT, (2005). O objetivo dessa pesquisa é avaliar a eficiência da bioventilação e bioestimulação com NPK na biodegradação de um solo argiloso contaminado com biodiesel. 2. MATERIAIS E MÉTODOS 2.1 Caracterização do solo As amostras de solo foram coletadas no campo experimental de geotecnia da Universidade de Passo Fundo a uma profundidade de 1,2 m no Horizonte B. A caracterização consistiu em análises físicas, químicas e microbiológicas. O solo é classificado pedologicamente de acordo com a EMBAPA, (1999) como Latossolo Vermelho Distrófico Típico. As análises físicas foram realizadas no Laboratório de Geotecnia da Faculdade de Engenharia e Arquitetura da UPF. Os parâmetros físicos analisados foram obtidos a partir de um ensaio de granulometria, realizado segundo método da NBR 7181/84; determinação da massa específica, seguindo NBR 6508/84; limites de consistência (LL, LP e IP), seguindo NBR 6459/84 e NBR 7180/84; umidade e índices físicos (porosidade, índice de vazios e grau de

3 saturação). As análises químicas foram determinadas de acordo com o método de Tedesco et al. (1995). Os parâmetros analisados foram obtidos a partir de uma análise básica de solo, contendo ph, Fósforo (P), Potássio (K), Alumínio (Al), Cálcio (Ca), Magnésio (Mg), CTC (Capacidade de Troca de Cátions), Matéria Orgânica (MO) e, Saturação de Bases, Al e K. As análises microbiológicas foram avaliadas qualitativamente e quantitativamente no ínicio e ao final do experimento, pelos seguintes métodos: isolamento e identificação conforme MacFaddin, J. F. (2000) e, contagem de aeróbios mesófilos viáveis e bolores e leveduras seguindo o método MAPA (2003). 2.2 Delineamento Experimental O experimento foi divido em 5 tratamentos, em triplicata, num total de 15 biorreatores. Os tratamentos utilizados na pesquisa estão apresentados na Tabela 1. Tabela 1. Tratamentos utilizados na pesquisa Técnica de Tratamento Contaminante tratamento T 1 Controle Nenhum T 2 Controle + Biov. Nenhum T 3 AN* Biodiesel T 4 AN + Biovent. Biodiesel T 5 AN + Biovent. + NPK *AN=Atenuação Natural Biodiesel 2.3 Moldagem dos Corpos de Prova (CPs) O solo foi peneirado com peneira ASTM nº10 e ajustado a umidade para 34%. Posteriormente, as amostras foram contaminadas, bioestimuladas e homogeneizadas em recipientes previamente esterilizados. O solo foi contaminado com 4,0% de biodiesel sobre o peso seco de solo (m/m), o equivalente a uma contaminação de 40 ml/kg de solo. Os CPs foram moldados em uma prensa CBR, na densidade natural (1,6 g/cm³), sendo que a massa de cada CP foi de 0,5 kg e volume de 300 cm³. 2.4 Bioestimulação O solo foi bioestimulado através da utilização de ar comprimido (bioventilação) e NPK. A bioventilação foi realizada com o auxílio de um compressor, através de um fluxo ascendente de ar com pressão de 103,42 kpa e vazão de 731,3 cm³/s. A bioventilação foi realizada duas vezes por semana, com passagem do ar por um período de duas horas por dia, logo após os biorreatores foram fechados para monitoramento da degradação. A bioestimulação com NPK foi realizada através da utilização de fertilizantes agrícolas como fonte de nutrientes. O Nitrogênio (N) foi proveniente da uréia que contém 45% de N. O Fósforo (P) foi proveniente do super fosfato simples que contém 18% de P. O Potássio (K) foi proveniente do cloreto de potássio que contém 60% de K. A determinação da quantidade de N:P:K a ser utilizada foi determinada em função dos teores de Carbono orgânico total (COT) do solo, sendo que foi realizado o ajuste da relação C:N:P:K para 100:10:1:1, conforme descrito por Cheng; Mulla (apud JACQUES et al., 2007) como sendo a relação ideal para a maioria dos microrganismos. 2.5 Biorreatores Os biorreatores foram construídos com tubos de PVC com 100 mm de diâmetro e 200 mm de comprimento, com tampa rosqueável nas extremidades superior e inferior. Na extremidade inferior uma abertura com válvula permitiu a entrada do ar comprimido para bioventilação. Os CPs foram fixados no interior dos tubos de PVC

4 com gesso, permanecendo assim em estado confinado. Na Figura 1 são mostrados os biorreatores utilizados. O perfil cromatográfico foi obtido utilizando um cromatógrafo a gás equipado com detector de ionização de chama modelo STAR 3400 CX da fabricante VARIAN. 2.8 Análise dos resultados Os resultados da análise respirométrica foram submetidos a análise de variância e comparação de médias pelo Teste de Tukey a 5% 3. RESULTADOS E DISCUSSÃO Figura 1: Biorreatores utilizados no experimento. O experimento será mantido em ambiente com temperatura controlada na faixa de C, por um equipamento de Ar Condicionado. 2.6 Método de Respirometria O método de Respirometria ou Evolução de CO 2 baseia-se na captação de CO 2 liberado pela respiração dos microrganismos. O método foi realizado conforme descrito por Öhlinger et al. (1996). Para captar o CO 2 evoluído os biorreatores serão fechados hermeticamente. As análises de respirometria foram realizadas num período pré-determinado de quatro em quatro dias durante 90 dias. 2.7 Cromatografia Gasosa (CG) O biodiesel residual foi extraído do solo com um equipamento de Soxhlet, utilizando o hexano como solvente. As análises de CG foram realizadas no tempo inicial e aos 90 dias do experimento. A porcentagem de degradação foi determinada em função da porcentagem inicial dos ésteres de ácidos graxos do biodiesel subtraindo a porcentagem final do biodiesel residual. O solo de acordo com a distribuição granulométrica apresenta 68% de argila, 5% de silte e 27% de areia. Na Tabela 1 apresenta-se a caracterização físico-química do solo natural. Tabela 1. Caracterização do solo. Parâmetro do Solo Valor Umidade natural (%) 34 Peso Específico Real (kn/m 3 ) 26,7 Limite de Liquidez (%) 53 Limite de Plasticidade (%) 42 Grau de Saturação (%) 75,7 Porosidade (%) 54 Índice de vazios (e) 1,23 ph H 2 O 5,4 P (mg/dm³) 4 K (mg/dm³) 28 MO (%) <0,8 Al (cmol c /dm³) 2,4 Ca (cmol c /dm³) 1,5 Mg (cmol c /dm³) 0,8 Saturação Bases (%) 28 Saturação Al (%) 50 Saturação K (%) 0,8 O solo natural apresentou os microrganismos do gênero Bacillus sp. e Peniciliun sp. na concentração inicial de 11,1x10 4 UFC/g de solo. Esses microrganismos são referenciados na literatura como degradadores de poluentes orgânicos conforme descrito por Balba et al. (1998), Moreira e Siqueira (2002), Bento et al. (2003) e Alvarez e Illman (2006).

5 3.1 Método de Respirometria A liberação de CO 2 é um dos fatores determinantes para a eficiência dos processos de biorremediação. Estudos de mineralização envolvendo avaliações do total de CO 2 produzido geram excelentes informações no potencial de biodegradabilidade de hidrocarbonetos em solos contaminados (BALBA et al., 1998). A atividade microbiológica dos tratamentos obtidos pela liberação de CO 2 acumulado durante o período de 90 dias apresenta-se na Figura 2. Figura 2. Concentração de CO 2 acumulado aos 90 dias. Observa-se na Figura 2 que a maior atividade microbiana ocorreu no T5 (com 3000 mg/kg), devido a adição de ar e NPK ao processo de atenuação natural. A bioventilação adicionada no solo contaminado (T4) teve atividade microbiana superior a bioventilação adicionado ao solo natural (T3), indicando a biodegradação do biodiesel pelos microrganismos aeróbios presentes no solo. Neste caso, os microrganismos estimulados pela aeração utilizaram o biodiesel como fonte de carbono, aumentando população microbiana e conseqüentemente liberando mais CO 2. Ao avaliar a adição da bioventilação ao solo natural (T2) com o tratamento controle (T1), observa-se que o T2 teve atividade microbiana superior ao controle, indicando a presença de bactérias aeróbias/aeróbias facultativas para a profundidade em estudo. Estudos de avaliação da técnica de bioventilação realizados por Österreicher- Cunha et al. (2004) demonstram que o solo natural quando bioestimulado com ar (controle + bioventing) apresentou maior densidade populacional que o solo natural (controle), indicando a presença de microrganismos aeróbios. Estatisticamente, a média dos valores de atividade microbiana dos tratamentos T3, T4 e T5, apresentaram diferenças significativas entre si e em relação aos demais tratamentos (p<0,05), mostrando que os empregos das técnicas de biorremediação se mostraram eficientes no processo de atenuação do contaminante. O percentual de degradação do biodiesel ao final do experimento apresenta-se na Figura 3.

6 4. CONSIDERAÇÕES FINAIS A utilização da técnica de bioventilação apresentou diferenças significativas em relação a atenuação natural do contaminante. Os melhores resultados foram obtidos quando associou-se a bioventilação com a bioestimulação com NPK, evidenciando a utilização dessas técnicas no processo de remediação do solo contaminado com biodiesel. Figura 3. Percentagem de degradação do biodiesel aos 90 dias. T3-Atenuação Natural; T4-Atenuação Natural + Bioventilação; T5- Atenuação Natural + Bioventilação + NPK.). Na Figura 3, observa-se que a maior degradação ocorreu no tratamento de atenuação natural bioestimulados com ar e NPK. Aos 90 dias o T5 apresentou 92% de degradação, seguido pelos tratamentos T4 com 77% e T3 com 70% de degradação. Estes resultados de degradação corroboram com os dados obtidos pelo método de respirometria. De uma maneira geral, uma maior observação de microrganismos corresponde a uma maior evolução de CO 2 (Spinelli et al. 2005) e a maior degradação dos compostos orgânicos. Segundo Alexander (1994), os microrganismos dos solos possuem amplas atividades catabólicas e uma simples maneira de eliminar poluentes orgânicos, consiste na adição dos compostos ou nutrientes no solo para ação da microflora indígena. Neste estudo, o processo de atenuação natural (T3) apresentou o valor mais baixo de degradação em relação aos outros processos de atenuação natural. De acordo com Baptista e Rizzo (2004), o processo natural de um poluente orgânico no solo, sem a adição de nutrientes ou qualquer adequação das condições ambientais, pode ocorrer lentamente devido a adaptação dos microrganismos do solo natural. Agradecimentos Os autores agradecem a UPF pela disponibilização dos laboratórios e equipamentos, a FAPERGS pela bolsa concedida ao primeiro autor, ao CAPES pela bolsa de doutorado concedida ao segundo autor e ao CNPq pela bolsa de pesquisador concedida ao quarto autor. 5. REFERÊNCIAS ABNT, ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DE NORMAS TÉCNICAS. NBR 7181: Solo Análise Granulometrica. Rio de Janeiro p. NBR Determinação do limite de liquidez. Rio de Janeiro NBR 6508: Grãos de solo que passam na peneira 4,8 mm Determinação da massa específica. Rio de Janeiro NBR 7180: Solo Determinação do limite de plasticidade. Rio de Janeiro ALEXANDER, M. Biodegradation and Bioremediation. Academic Press: San Diego, mar p. ALVAREZ, P. J. J.; ILLMAN, W.A. Bioremediation and Natural Attenuation:

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