AVALIAÇÃO DO PROCESSO DE REMOÇÃO DE DOLICHOSPERMUM FLOS- AQUAE UTILIZANDO COMO COAGULANTE NATURAL PÓ INTEGRAL DA SEMENTE DE MORINGA OLEIFERA LAM

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1 AVALIAÇÃO DO PROCESSO DE REMOÇÃO DE DOLICHOSPERMUM FLOS- AQUAE UTILIZANDO COMO COAGULANTE NATURAL PÓ INTEGRAL DA SEMENTE DE MORINGA OLEIFERA LAM EVALUATION OF DOLICHOSPERMUM FLOS-AQUAE REMOVAL PROCESS USING MORINGA OLEIFERA LAM POWDER SEED AS NATURAL COAGULANT Lívia de Oliveira Ruiz Moreti 1 Franciele Pereira Camacho 1 Priscila Ferri Coldebella 2 Karina Cardos Valverde 3 Marcela Fernandes Silva 4 Flavia Sayuri Arakawa 5 Tassia Runa Tonial dos Santos 1 Quelen Letícia Shimabuku 1 Letícia Nishi 6 Rosangela Bergamasco 7 Resumo: Os processos de coagulação/floculação/flotação por ar dissolvido (C/F/FAD), utilizando como coagulante natural Moringa oleifera, apresentam-se como uma alternativa viável para a remoção de Cianobactérias. Desta forma, este trabalho teve por objetivo avaliar os processos de C/F/FAD, mediada por Moringa oleifera, para a remoção de células de Dolichospermum flos-aquae, cianobactéria dulcícola, e encontrar as condições ótimas de operação, assim como, a dosagem ótima do coagulante testado, através dos parâmetros clorofila-a, cor, turbidez e compostos com absorção em UV 254nm. Verificou-se que os parâmetros de mistura e flotação afetaram a eficiência de remoção e as condições de operação ótimas foram de: gradiente de mistura rápida (G MR ) de 315 s -1, tempo de mistura rápida (T MR ) de 20 s, gradiente de floculação (G F ) de 15 s -1 e tempo de floculação (T F ) de 20 min para C/F e pressão de 6 bar, tempo de saturação de 4 minutos, taxa de recirculação de 30% e velocidade de flotação de 20 cm min -1 para FAD. A dosagem ótima do coagulante testado foi de 100 mg L -1, atingindo porcentagens de remoção de cor, turbidez, clorofila-a e compostos com absorção em UV 254nm na ordem de 80,5, 78,1, 96,4 e 39,1%, respectivamente. Palavras-chave: Cianobacteria. Flotação por ar dissolvido. Coagulação/floculação. Moringa oleifera. Abstract: Coagulation/flocculation/dissolved air flotation (C/F/DAF), using as natural coagulant Moringa oleifera, appear as a viable alternative for the Cyanobacteria removal. Thus, this study aimed to evaluate the processes of C/F/DAF for Dolichospermum flos-aquae (freswater cyanobacteria) removal, using Moringa oleifera, and find the operations conditions, as well as, the optimal dosage of the coagulant tested using the parameters chlorophyll-a, color, turbidity and compounds with absortion in UV 254nm. It was found that the parameters mixing and flotation affect the removal efficiency and optimal operation conditions were: coagulation at a velocity gradient (GC) of 315 s 1 for 20 s and a flocculation gradient (GF) of 15 s 1 for 20 min; and flotation with 6 bar of relative pressure for 4 minutes, 30% of recycle ratio and flotation velocity of 20 cm min -1.The optimal dosage of coagulant tested was 100 mg L -1, reaching percentages of removal of color, turbidity, chlorophyll compounds and the absorption at UV 254 nm on the order of 80.5, 78.1, 96.4 and 39.1%, respectively. Keywords: Cyanobacteria. Dissolved air flotation. Coagulation/flocculation. Moringa oleifera. 1 Mestre e doutoranda em Engenharia Química na Universidade Estadual de Maringá, Maringá-PR, Brasil. 2 Mestre em Engenharia Agrícola e doutoranda em Engenharia Química na Universidade Estadual de Maringá, Maringá-PR, Brasil. 3 Doutora em Engenharia Química pela Universidade Estadual de Maringá, Maringá-PR, Brasil 4 Mestre e doutora em Química e pós-doutoranda em Engenharia Química na Universidade Estadual de Maringá, Maringá-PR, Brasil. 5 Doutora em Química e pós-doutoranda em Engenharia Química na Universidade Estadual de Maringá, Maringá-PR, Brasil. 6 Doutora e pós-doutoranda em Engenharia Química na Universidade Estadual de Maringá, Maringá-PR, Brasil 7 Mestre em Ciência de Alimentos, doutora em Engenharia Química e docente do Departamento de Engenharia Química da Universidade Estadual de Maringá, Maringá-PR, Brasil.

2 1 INTRODUÇÃO As atividades antrópicas tem contribuído para o aumento da concentração de nutrientes na água, onde se observa o crescimento desordenado da comunidade fitoplanctônica nos mananciais de abastecimento, em especial de cianobactérias, resultando na deterioração da qualidade da água. Desta forma, ocorrem maiores dificuldades em várias etapas do tratamento, como por exemplo, queda de eficiência da operação de decantação, redução na duração das carreiras de filtração e consequente aumento no consumo da água de lavagem dos filtros, diminuindo a produção efetiva da estação de tratamento de água (ETA). Todos esses problemas elevam o custo de produção da água e aumentam a necessidade de monitoramento da qualidade da água com maior frequência e em um maior números de pontos do sistema (Di Bernardo, 1995). Além disso, alguns gêneros de cianobactérias possuem espécies ou cepas potencialmente produtoras de toxinas, tal como Dolichospermum, que possui potencial para produção de neurotoxinas (anatoxina-a, anatoxina-a(s) e saxitoxina), que atuam no sistema nervoso central, funcionando como bloqueadores musculares, provocando dessa forma, a morte por parada respiratória (Carmichael, 1994); (Watanabe, 1996); (Toporowska e Pawlik- Skowrónska, 2014). Por isso, é evidente a necessidade de processos adequados que permitam a remoção dos referidos organismos, já que os processos convencionais de tratamento de águas, envolvendo normalmente as etapas de coagulação, floculação (C/F), sedimentação, filtração e desinfecção, podem apresentar problemas de ordem operacional quando cianobactérias estão presentes. O processo de flotação por ar dissolvido (FAD), pode ser considerado uma alternativa viável, pois quando comparada ao processo de sedimentação, se apresenta eficiente com relação a remoção de células intactas de cianobactérias, além de diminuir o tempo de contato do coagulante com a parede celular, evitando assim o seu rompimento e consequentemente maior liberação de toxinas intracelulares para o meio (Aparecida Pera do Amaral, Coral et al., 2013). Como coagulante natural utilizado no processo de C/F, a Moringa oleifera aparece como uma possibilidade interessante para a floculação de microalgas e cianobactérias, visto que já demonstrou o seu poder floculante até com microorganismos, é um material barato e apresenta baixa toxicidade (Ferreira, Carvalho et al., 2009). Em comparação com os coagulantes sintéticos, a Moringa oleifera tem um número de vantagens que incluem: (1) Baixo custo de produção e a (2) obtenção de um lodo biodegradável e em menor volume. Estas qualidades fazem da Moringa oleifera uma alternativa viável ambientalmente e economicamente, com potencial de aplicação tanto em países em desenvolvimento como em países desenvolvidos (Ghebremichael, Gunaratna et al., 2005); (Nwaiwu e Bello, 2011). Entretanto, é evidente que a melhoria das condições de coagulação/floculação e flotação potencializa a eficiência do processo (Centurione Filho e Di Bernardo, 2003). Alguns estudo como o de (Zabel, 1985) e (Vlaški, Van Breemen et al., 1997) têm reportado sobre a boa performance de sistemas de FAD na remoção de partículas produzindo água consistentemente de boa qualidade. Nesse sentido, esse estudo propõe avaliar o processo de coagulação/floculação e flotação por ar dissolvido utilizando como coagulante natural semente triturada de Moringa oleifera, em relação aos parâmetros de mistura e de flotação no processo no tratamento de água eutrofizada. 2 MATERIAIS E MÉTODOS A parte experimental foi realizada no Laboratório de Gestão, Controle e Preservação Ambiental, do Departamento de Engenharia Química DEQ, da Universidade Estadual de

3 Maringá UEM. 2.2 CULTIVO LABORATORIAL DE DOLICHOSPERMUM FLOS-AQUAE As culturas foram realizadas a partir de inóculo precursor de uma cultura pura de Dolichospermum flos-aquae fornecida gentilmente pela Drª Maria do Carmo Bittencourt- Oliveira do laboratório de Cianobactérias, Departamento de Ciências Biológicas, USP Piracicaba/SP. A inoculação das culturas de D. flos-aquae foram realizadas quinzenalmente, seguindo a proporção de inóculo : meio (1:9), sendo mantidas em microcosmos (erlenmeyers de 2 L), até atingir uma concentração da ordem de 10 6 células.ml -1, que é representativa de uma floração. Essa concentração foi escolhida também com base no fato desse valor ser empregado comumente em trabalhos que visam avaliar a sua remoção de cianobactérias. O cultivo da espécie de cianobactéria foi mantido no meio ASM-1 autoclavado, preparado com água deionizada, sob condições de máxima assepsia, temperatura controlada em torno de 25ºC, sob lâmpadas fluorescentes (Philips TLT 20 W/75 S cool) com foto-período de 12 horas (claro/escuro) (Figura 1). Figura 1. Visão geral da cultura de D. flos-aquae em cepa com inóculo (a), erlermayers (2L) (b) e tanques (200L) (c), após inoculação em meio ASM PREPARO DO COAGULANTE MORINGA OLEIFERA As sementes de Moringa oleifera foram coletadas de àrvores do Estado de Sergipe e foram fornecidas pelo Dr. Gabriel Francisco da Silva da Universidade Federal de Sergipe. Para a obtenção do coagulante em pó de Moringa, 5g de sementes foram descascadas, trituradas em liquidificador (NL-41 Mondial) e secas em estufa com circulação e renovação de ar (Digital Timer SX CR/42) a 40 C até peso constante. As dosagens do coagulante natural Moringa oleifera utilizadas nos ensaios foram adaptadas segundo dados citados na literatura, sendo de 50; 100; 200; 400; 500; 600; 800 e 1000 mg L -1 (Teixeira, Kirsten et al., 2012), a fim de avaliar a concentração ótima do coagulante, após o estabelecimento da condição ótima de operação dos processos de coagulação/floculação/fad. 2.4 PROCESSO DE COAGULAÇÃO/FLOCULAÇÃO/FLOTAÇÃO POR AR DISSOLVIDO Os ensaios de coagulação/floculação foram conduzidos no equipamento jartest Nova Ética (218/LBD 06), este possui regulador de rotação das hastes misturadoras. As condições experimentais testadas foram: gradiente de mistura rapida (G MR ), tempo de mistura rápida (T MR ), gradiente de floculação (G F ), tempo de floculação (T F ), conforme a Tabela 1.

4 Tabela 1. Condições de operação testadas para C/F Os ensaios de FAD foram realizados no equipamento flotest Nova Ética (218 FLOW) e as condições experimentais fixadas foram: pressão de saturação (P sat ), tempo de saturação (T sat ), velocidade de flotação (V flot ) e taxa de recirculação (R), conforme a Tabela 2. Essas condições foram baseadas em estudos de otimização realizados previamente. Análises de cor, turbidez, clorofila-a e compostos com absorção em UV 254nm foram realizados antes e depois dos ensaios para avaliar a eficiência do processo através das porcentagens de remoção. Tabela 2. Condições operacionais usadas no processo de FAD 2.5 ANÁLISE ESTATÍSTICA Os ensaios foram realizados em duplicata e os resultados obtidos foram avaliados pela análise de variância (ANOVA) e teste Tukey, com 95% de confiança, através do Statsoft STATISTICA versão 8.0. Dessa forma, pode ser observado as diferenças das eficiências de remoção dos parâmetros (turbidez, cor, clorofila e UV 254nm ) com relação as condições de operação e avaliar a concentração ótima de Moringa oleifera utilizada nos processos de C/F/FAD. 3 RESULTADOS E DISCUSSÕES A Tabela 3 apresenta a caracterização da água sintética. Tabela 3. Caracterização da água sintética 3.1 OTIMIZAÇÃO DA COAGULAÇÃO/FLOCULAÇÃO Avaliando-se os resultados obtidos (Tabela 4) em destaque, pode-se observar que não houve diferença estatisticamente significativa para as condições de operação. Desta forma os resultados apontam que o pó integral da semente da Moringa oleifera adicionado diretamente às suspensões celulares apresentaram-se eficiente na remoção de clorofila, cor e turbidez, chegando atingir remoções de até 93,37, 62,38 e 71,7%, respectivamente. Sendo assim, as condições ótimas do processo foram de G MR de 315 s -1, T MR

5 de 20 s, G F de 15 s -1 e T F de 20 min. Conforme destacado por Centurione Filho e Di Bernardo (2003), o gradiente de velocidade de mistura rápida (G MR ) e o tempo de mistura rápida (T MR ) relativos à etapa de coagulação dependem significativamente de fatores como o mecanismo de coagulação dominante, o tipo de coagulante utilizado e a qualidade da água bruta, entre outros. Em unidades de tratamento de água, o valor de G MR, que otimiza o processo, pode variar de 200 a s -1, enquanto T MR pode apresentar valores inferiores a 1 segundo para unidades hidráulicas e até 30 segundos para unidades mecanizadas. Da mesma forma, o gradiente de velocidade de floculação (G F ) e o tempo de floculação (T F ) são dependentes de diversos fatores, destacando-se o mecanismo de coagulação, o tipo de coagulante, a qualidade da água bruta e o uso de auxiliares. Em geral, o valor de G f varia entre 10 e 60 s -1 e o de T f, entre 10 e 40 minutos. Assim, pode-se dizer que as velocidades de mistura, 315 s -1 (G MR ) e de 15 s -1 (G F ), obtidas no presente estudo foram mais vantajosas, pois se obteve remoções satisfatórias de turbidez, cor e clorofila-a e com valores que resultaram em menores custos do processo. Sementes de Moringa oleifera têm demonstrado ser um agente floculante adequado para biomassa de microalgas, atingindo uma atividade floculante comparável ao sulfato de alumínio, já que experimentos com sulfato de alumínio tiveram uma eficiência de 72% para a floculação de Chlorella vulgaris em 2 mg L -1, com um tempo de repouso de 10 min (Oh, Lee et al., 2001), e com Chlorella sp., foi de 80% numa concentração de 8 mg L -1 em um tempo de repouso de 30 min (Liu, Chen et al., 1999). Além da boa eficiência as sementes de Moringa oleifera, em comparação com o sulfato de alumínio, apresentam baixa toxicidade, não apresentam problemas de corrosão, produzem menor volume de lodo (Ndabigengesere e Subba Narasiah, 1998) e associado à FAD resultam em um menor tempo gasto durante o processo. Tabela 4. Eficiência de remoção dos parâmetros avaliados na concentração de 500 mg L -1 de coagulante natural. (1) Resultados expressos em valores médios. Dentro de uma mesma coluna as médias seguidas por * não diferem estatisticamente entre si, pelo teste de Tukey à 5% de nível de significância.

6 3.2 OTIMIZAÇÃO DA FLOTAÇÃO POR AR DISSOLVIDO A injeção de ar no sistema de FAD tem como objetivo, promover a formação de uma espécie de rede que permite a ascensão dos flocos para a superfície. Durante a realização dos ensaios experimentais, verificou-se uma estabilidade neste suporte, tendo-se, a presença de bolhas visíveis na manta de material flotado. Na Erro! Fonte de referência não encontrada.2, pode ser visualizada a manta do material flotado formado após o processo de C/F/FAD. Figura 2. Aspecto geral da formação de flocos após a adição de Moringa oleifera e processo de flotação até a formação da manta do material flotado Avaliando os ensaios de FAD realizados na etapa de otimização das condições de operação dos parâmetros de pressão e tempo de saturação, taxa de recirculação e velocidade de flotação, pode-se observar resultados satisfatórios na remoção dos parâmetros cor, turbidez e clorofila-a. Considerando-se a turbidez inicial da água como parâmetro importante no desempenho do coagulante Moringa oleifera, verificou-se, na Figura 3, que os valores médios da remoção de turbidez mostraram-se bastante variáveis. Os melhores resultados encontrados para turbidez foram no ensaio 24, com remoção de 68% com tempo de mistura rápida de 20 segundos à 315 s -1, e floculação de 20 minutos à 15 s -1, pressão de saturação de 6 bar, tempo de saturação de 4 minutos, taxa de recirculação de 30% e velocidade de flotação de 20 cm min -1. Figura 3. Eficiências de remoção de turbidez (%) sob as condições de operação ótimas de C/F, utilizando 500 mg L -1 de Moringa oleífera, variando as condições de FAD

7 Como esperado, a remoção da cor aparente foi fortemente influenciada pela remoção das partículas em suspensão na água, caracterizada pela turbidez, já que o parâmetro cor aparente inclui a cor causada por pigmentos dissolvidos e por partículas em suspensão. Assim como para a remoção da turbidez, verifica-se que houve um aumento na eficiência de remoção da cor aparente em relação às velocidades e tempos de misturas, 315 s -1 e de 15 s -1, tempo de mistura rápida de 20 segundos e tempo de floculação de 20 minutos, pressão de saturação de 6 bar, tempo de saturação de 4 minutos, taxa de recirculação de 30% e velocidade de flotação de 20 cm min -1, referentes ao ensaio 24, o qual apresentou uma eficiência de remoção de 70% (Figura 4). Figura 4. Eficiências de remoção de cor (%) sob as condições de operação ótimas de C/F, utilizando 500 mg L -1 de Moringa oleífera, variando as condições de FAD Os resultados obtidos para parâmetro clorofila-a (Figura 5) também seguiu as mesmas tendências da remoção de turbidez e cor, com remoções elevadas no ensaio 24 (87,5%), Resultados semelhantes foram obtidos para os ensaios 22 e 23, com remoções de 84,5%, 86,1% respectivamente. Porém o ensaio 21 apresentou um pico referente à uma remoção de clorofila-a de 98%, nas mesmas condições de operação referentes coagulação/floculação do ensaio 24, mas diferindo apenas no tempo de saturação que neste foi de 8 minutos, com relação as condições de operação da flotação por ar dissolvido. Já a pressão de saturação de 6 bar, taxa de recirculação de 30% e velocidade de flotação de 20 cm min -1 foram as mesmas assim como obtidas no ensaio 24. Dessa forma, as melhores eficiências de remoção obtidas neste estudo, podem ser atribuídos à taxa de recirculação elevada (30%) utilizada no processo de FAD, pois, um maior volume de água saturada foi introduzido no sistema, diluindo ainda mais a água em tratamento. Contudo, devido aos parâmetro turbidez e cor, além da clorofila-a, terem alcançados melhores resultados nas condições de operação obtidas no ensaio 24, estas foram ditas como ótimas para os ensaios de C/F/FAD. Amaral et al. (2013), utilizando uma cianobactéria filamentosa com a FAD nas condições adotadas de pressão de saturação de 4 bar, tempo de saturação de 8 minutos, taxa de recirculação igual a 10% e velocidade de flotação de 5 cm min -1, obteve resultados satisfatório com o coagulante sulfato de alumínio para a remoção de células da espécie Cylindrospermopsis raciborskii, com uma remoção de 97,5% das células e uma redução da turbidez de 74%. Dessa forma pode-se verificar que embora os autores terem utilizados condições de operação da FAD diferentes das estabelecidas como ótimas neste presente

8 estudo, foram alcançadas excelentes eficiências de remoção para os parâmetros de turbidez e células de cianobactéria. Estes resultados provavelmente estão relacionadas ao coagulante químico e as características da água de estudo utilizada, contaminada com uma espécie de cianobactéria diferente da que foi utilizada neste estudo. Figura 5. Eficiências de remoção de clorofila-a (%) sob as condições de operação ótimas de C/F, utilizando 500 mg L -1 de Moringa oleífera, variando as condições de FAD 3.3 AVALIAÇÃO DA DOSAGEM ÓTIMA DO COAGULANTE Avaliando-se os resultados obtidos (Figura 6), pode-se observar as porcentagens de remoções dos parâmetros cor, turbidez, clorofila e compostos com absorção em UV 254nm, indicando qual a dosagem ótima do coagulante utilizado. Figura 6. Porcentagem de remoção de Cor, Turbidez, Compostos com absorção em UV 254nm e Clorofila-a em relação à dosagem do pó de Moringa. Desta forma os resultados apontam que o pó da semente da Moringa oleifera adicionada diretamente às suspensões celulares apresenta-se eficiente na remoção de clorofila-a, cor e turbidez, chegando atingir remoções de até 96,4, 80,5 e 78,1%, respectivamente, sob as condições de operação estabelecidas de G MR 315 s -1 à 20 s, G F 15 s -1 à 20 minutos, P sat 6 bar, T sat 4 min, R 30% e V flot de 20 cm min -1.

9 Foi encontrado como dosagem ideal de pó de Moringa oleífera 100 mg L -1 após análise estatística. Com relação a remoção de UV 254nm nota-se que a Moringa oleifera não obteve resultados muito satisfatórios, atingindo um máximo de 39,1% de remoção na dosagem de 100 mg L -1. Houve uma queda na eficiência de remoção conforme foi aumentada a dosagem de Moringa oleifera. Este resultado pode estar atribuído pelo fato da Moringa oleifera ser um coagulante orgânico, composta basicamente de proteínas, lipídeos e carboidratos, responsáveis pelo residual orgânico na água tratada. 4 CONCLUSÕES Pode-se afirmar com este trabalho que os parâmetros de mistura rápida e lenta, incluindo o tempo da mistura juntamente com os parâmetros de pressão, velocidade de flotação, tempo de saturação e taxa de recirculação, podem afetar a eficiência de remoção dos parâmetros de qualidade cor, turbidez e clorofila-a., no processo de coagulação/floculação e flotação por ar dissolvido. Observou-se que as sementes de Moringa trituradas são eficientes no que se refere a remoção de cor, turbidez e clorofila-a da água tratada pelos processos de coagulação/floculação/flotação por ar dissolvido. Concluiu-se que 100 mg L -1 foi a dosagem ideal do coagulante utilizado, obtendo residuais em torno de 43,6 uh para cor aparente, 8,8 ut para turbidez, 0,0966 cm -1 para compostos com absorção em UV 254nm e 5,9 µg.l -1 de clorofila-a, nas condições de operação adequadas. REFERÊNCIAS Aparecida Pera do Amaral, P., L. A. Coral, M. E. Nagel-Hassemer, T. J. Belli & F. R. Lapolli. Association of dissolved air flotation (DAF) with microfiltration for cyanobacterial removal in water supply. Desalination and Water Treatment, 51(7-9): , Carmichael, N. The toxins of cyanobacteria. Scientific American, 270(1): 78-86, Centurione Filho, P. L. & L. Di Bernardo. Procedimento para execução de ensaios de flotação/filtração em equipamento de bancada. Revista de Engenharia Sanitária e Ambiental, 8(1): 39-44, Di Bernardo, L. (1995). Algas e suas influências na qualidade das águas e nas tecnologias de tratamento. Algas e suas influências na qualidade das águas e nas tecnologias de tratamento, ABES. Ferreira, P. M., A. F. Carvalho, D. F. Farias, N. G. Cariolano, V. M. Melo, M. G. Queiroz, A. Martins & J. G. Machado-Neto. Larvicidal activity of the water extract of Moringa oleifera seeds against Aedes aegypti and its toxicity upon laboratory animals. Anais da Academia Brasileira de Ciências, 81(2): , Ghebremichael, K. A., K. Gunaratna, H. Henriksson, H. Brumer & G. Dalhammar. A simple purification and activity assay of the coagulant protein from< i> Moringa oleifera</i> seed. Water research, 39(11): , Liu, J., Y. Chen & Y.-H. Ju. Separation of algal cells from water by column flotation. Separation science and technology, 34(11): , Ndabigengesere, A. & K. Subba Narasiah. Quality of water treated by coagulation using< i> Moringa oleifera</i> seeds. Water Research, 32(3): , Nwaiwu, N. & A. Bello. Effect of Moringa oleifera-alum ratios on surface water treatment in north east Nigeria. Res J Appl Sci Eng Technol, 3(6): , Oh, H.-M., S. J. Lee, M.-H. Park, H.-S. Kim, H.-C. Kim, J.-H. Yoon, G.-S. Kwon & B.-D. Yoon. Harvesting of Chlorella vulgaris using a bioflocculant from Paenibacillus sp. AM49.

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