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A digestão anaeróbia é um processo bioquímico bastante complexo, constituído por várias rotas metabólicas, que envolve a participação de grupos distintos de bactérias, onde determinadas espécies podem desempenhar função específica para cada fase da digestão, portanto, apresentando diferentes exigências das condições ambientais ótimas (KHALID et al., 2011).

A predominância de determinado grupo ou rota metabólica ocorrerá em função da composição física e química do substrato e do controle das condições ambientais e operacionais do reator, considerando a finalidade para qual o equipamento foi projetado. Na Figura 5 são ilustradas as possíveis etapas metabólicas sequenciais envolvidas na biodigestão.

Fonte: Chernicharo (1997) adaptado de Lettinga et al. (1996).

O desempenho satisfatório da biodigestão anaeróbia está totalmente dependente da formação e do controle rigoroso das condições ambientais favoráveis ao crescimento e à interação harmônica do consórcio de microrganismos produtores de metano, buscando assim estabelecer o equilíbrio ecológico entres as espécies existentes. Os microrganismos mais sensíveis as variações das condicionantes ambientais são as bactérias metanogênicas, por conseguinte, merecem maior atenção quanto ao monitoramento de seus requisitos ambientais. Os

principais requisitos ambientais da digestão são: temperatura, pH/alcalinidade/ácidos graxos voláteis, nutrientes e a presença de elementos tóxicos (LIBÂNIO, 2002; VESILIND, 2011).

3.7.2.1.1 Temperatura

A temperatura é um fator físico que influencia na taxa de crescimento e densidade dos microrganismos, assim como em todas as reações químicas (GRASSO, 1993). De acordo com Campello (2009), a temperatura é uma das variáveis mais imprescindíveis na seleção dos microrganismos, pois estes não dispõem de mecanismos celulares para regular a temperatura interna, logo a temperatura no interior da célula é determinada pela temperatura externa do ambiente.

A digestão anaeróbia pode acontecer em três condições de temperatura: psicrófila (abaixo de 20°C), mesófila (entre 20º e 45ºC) e termófila (entre 45º e 70ºC) (LETTINGA; REBAC; ZEEMAN, 2001). Variações significativas em sistemas de tratamento anaeróbio de resíduos orgânicos modificam as taxas das reações enzimáticas, pode também provocar a desnaturação das enzimas ou até mesmo inativar as atividades celulares dos microrganimos, comprometendo a eficiência do tratamento (REIS, 2012).

Os processos anaeróbios mesófilicos são geralmente os mais adotados. Embora muitos autores corroboram (SCHMIT; ELLIS, 2000; BOLZONELLA et al., 2009; VINDIS et al., 2009), através de pesquisas realizadas, que a operação de reatores em faixas termofílicas apresentaram maiores eficiências de remoção de matéria orgânica e um potencial superior de produção de biogás, além de, promover uma maior remoção de patógenos. Em contrapartida, os reatores com temperaturas mais altas têm como desvantagens maior requisito de energia para aquecê-los, instabilidade do processo, desidratação e desprendimento do lodo digerido.

Ressalta-se que é fundamental manter a temperatura constante, isso porque flutuações bruscas podem acarretar a diminuição acentuada da população microbiológica e da produção de biogás (GAO et al., 2011; KHALID et al., 2011).

3.7.2.1.2 pH/alcalinidade/ácidos graxos voláteis

Assim como a temperatura, o potencial hidrogeniônico (pH) deve ser mantido em uma faixa ideal de maneira a assegurar o crescimento da associação de bactérias produtoras de metano. As bactérias acidogênicas apresentam uma escala de pH ótima situada entre 5,0 e 6,0, já as metanogênicas desempenham melhor atividade biológica em um pH mais elevado, na faixa de 6,7-7,4 . Para garantir a eficiência de sistemas anaeróbios é recomendado que o pH esteja situado no intervalo de 6,0 à 8,0 (LIU; TAY, 2004). Valor de pH fora da condição adequada culmina no acúmulo de ácidos graxos voláteis, podendo levar a falha do processo (AQUINO; CHERNICHARO, 2005).

Durante as fases de hidrólise e acidogênese são liberadas grandes quantidades de ácidos orgânicos voláteis que tendem a se acumular e podendo causar diminuição significativa do pH. Para evitar esse problema, é preciso manter a alcalinidade em concentrações suficientes para que se efetue o tamponamento do meio (LOPES et al., 2002). De acordo com Mayer (2013), o equilíbrio ácido-base em digestores anaeróbios é alcançado por concentrações elevadas de alcalinidade. Muitas vezes, deve ser suplementado uma fonte externa para fornecer estabilidade no processo.

O acúmulo de ácidos graxos voláteis (AGVs), principalmente de acetato, propianato e butirato, são provocadas por:

[...] condições de instabilidade, sejam elas devido a choques de carga ou a presença de compostos tóxicos, ocorrerá devido a não observância de limitações cinéticas e/ou termodinâmicas, que podem ser causadas por limitações de transferência de massa e/ou nutricionais (AQUINO; CHERNICHARO, 2005).

Ainda segundo Aquino e Chernicharo (2005), o excesso de AGVs não deve ser considerado como algo inevitável, mas deve-se atentar que um ou mais grupo de microrganismos estão sendo afetados, sendo o caso dos microrganismos sintróficos e metanogênicos.

Para assegurar a boa estabilidade nos processos de digestão anaeróbia é recomendado manter os valores de AGV/AT inferiores a 0,3, sendo que valores acima desse limite podem provocar distúrbios no sistema e afetar o desempenho operacional dos reatores. Porém, é possível

que em alguns processos, valores de AGV/AT diferentes de 0,3 não ocasione instabilidade no tratamento (CHERNICHARO, 1997).

3.7.2.1.3 Nutrientes

Para se obter boa performance no processo de digestão anaeróbia é necessário manter as concentrações de macro e micronutrientes em quantidades suficientes (MORAES, 2005). Os macronutrientes mais essenciais na degradação biológica da matéria orgânica são o nitrogênio, o fósforo e o enxofre. O nitrogênio é o nutriente mais assimilado durante as atividades metabólicas das bactérias anaeróbias, logo, exigido em grandes concentrações. As principais fontes de nitrogênio utilizadas são o nitrogênio orgânico e a amônia. No entanto, o fósforo e o enxofre são demandados em baixas quantidades, em especial, pelas arqueas metanogênicas. Destaca-se que o sulfeto deve ser mantido em concentrações reduzidas, evitando assim um ambiente favorável para as bactérias redutoras de sulfato e não prejudicando a atividade das metanogênicas (SPEECE, 1996; CHERNICHARO, 1997).

Como mencionado anteriormente, as bactérias anaeróbias necessitam de nitrogênio para a síntese de proteínas, sendo o controle das concentrações adequadas de nitrogênio efetuado através da relação carbono/nitrogênio. É recomendado que a relação ótima C/N para a digestão anaeróbia esteja situada entre 20-30 (RAO; SINGH, 2004). Para Verma (2002) e Picanço (2004), relação C/N acima do recomendado causará déficit de nitrogênio, evitando assim a decomposição da matéria orgânica remanescente devido a carência nutricional. Todavia, relação C/N abaixo dessa taxa levará a produção demasiada de amônia, que dependendo da condição alcalina do meio, pode elevar o pH para valores acima de 8,5 e inibir a ação das metanogênicas. Quando necessário, os RSOrg podem ser diluídos com águas residuárias ou com esterco animal para que se atinja uma relação C/N ideal.

Outros elementos também se tornam essenciais à nutrição dos microrganismos e compõe o sítio ativo das enzimas, sendo requisitados em níveis traços, que é o caso de micronutrientes como cromo, ferro, cobalto, cobre, manganês, molibdênio, níquel, selênio, boro, vanádio e zinco. Se os níveis desses metais traços estiverem acima do limite nutricional requerido irá ocasionar efeito tóxico ou inibitório aos microrganismos (RAPOSO et al., 2011b).

3.7.2.1.4 Elementos tóxicos

A toxicidade é um dos principais fatores que afeta negativamente o desempenho operacional de reatores anaeróbios. Há inúmeras substâncias orgânicas e inorgânicas que podem ser prejudiciais ao crescimento das bactérias. Dependendo da concentração dos compostos tóxicos no material afluente, os efeitos podem resultar na aclimatação da biomassa, quando presentes em concentrações limites que irão estimular a adaptação; ou inibição, quando em níveis capazes de inativar a atividade dos microrganismos. O efeito tóxico é causado por sais (geralmente, ocasionado pelos cátions), amônia livre, sulfeto, cianetos, cromatos, metais pesados (cromo, níquel, zinco, cobre, arsênio, etc.), entre outros (CHERNICHARO, 1997).