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Dissertação de Mestrado
DOI
10.11606/D.18.2017.tde-28032017-163638
Documento
Autor
Nome completo
Andréia Vanessa Stocco Ortolan
E-mail
Unidade da USP
Área do Conhecimento
Data de Defesa
Imprenta
São Carlos, 2016
Orientador
Banca examinadora
Cunha, Davi Gasparini Fernandes (Presidente)
Coutinho, Aparecido dos Reis
Kellner, Erich
Título em português
Adsorção com carvão ativado granular e degradação biológica para o tratamento avançado de águas de abastecimento: remoção de microcistina em escala laboratorial
Palavras-chave em português
Adsorção
Biodegradação
Carvão ativado
Cianotoxinas
Tratamento de água de abastecimento
Resumo em português
As cianotoxinas, potencialmente prejudiciais à saúde dos homens e animais, são toxinas produzidas pelas cianobactérias e que podem estar presentes em reservatórios utilizados para captação de água para abastecimento, sobretudo em função do agravamento das condições sanitárias das bacias hidrográficas. Diante disso, torna-se fundamental que a água esteja adequada ao consumo humano em sua distribuição. Uma das formas de tratamento para remoção das cianotoxinas que vem sendo estudada é por meio do uso de carvão ativado granular (CAG), cuja eficiência depende de suas características intrínsecas e das condições operacionais. Outra possibilidade para remoção de tais toxinas se dá por meio da utilização de microrganismos capazes de promover sua biodegradação. A presente pesquisa analisou o potencial de remoção de microcistina por meio de adsorção por três diferentes CAGs comerciais (materiais de origem: casca de coco, mineral e osso) e por meio da degradação biológica por dois gêneros de bactérias. Para isso, foi utilizado um extrato de toxina produzido por meio do cultivo de Microcystis aeruginosa (cepa BB005) em meio WC, ao longo de 30 dias, com fotoperíodo de 12 h. Os carvões foram caracterizados de acordo com a massa específica aparente, umidade, pH, teor de cinzas, número de iodo, índice de azul de metileno e área superficial específica. Em seguida, foram realizados ensaios de adsorção com a microcistina (concentração inicial de 100 µg.L-1) para construção de isotermas com tempo de equilíbrio de 1 h. As análises de toxina foram realizadas pelo método ELISA e os dados foram ajustados aos modelos matemáticos de Langmuir e de Freundlich. Os melhores resultados de adsorção foram obtidos a partir do carvão de origem mineral (99% de remoção), que apresentou valores maiores para número de iodo (710 mgI2.g-1), índice de azul de metileno (169 mL.g-1), área superficial específica (911 m2.g-1) e porcentagem de microporos (70%), com melhor ajuste da isoterma obtido pelo modelo de Freundlich (R2 = 0,88). Os ensaios de biodegradação da microcistina com os gêneros Sphingomonas sp. e Brevundimonas sp foram realizados com a toxina esterilizada e não esterilizada (concentração inicial de 75 µg.L-1). Os resultados demonstraram que tais bactérias não foram capazes de degradar a toxina esterilizada. Entretanto, foi observada degradação nos ensaios em que a toxina não estava esterilizada (porcentagem de remoção de 98%), indicando a presença de algum microrganismo e/ou enzima atuante nesse processo, uma vez que o cultivo da cepa para obtenção do extrato não foi realizado sob condições de assepsia. Recomenda-se, para futuras pesquisas, a identificação do responsável pela biodegradação da microcistina, bem como a aplicação do carvão mineral em maior escala (filtro de leito fixo). Deste modo, será possível avaliar a formação de biofilme no leito de carvão, e comparar o desempenho da adsorção e da biodegradação na remoção do poluente-alvo em escala mais próxima à real.
Título em inglês
Adsorption with granular activated carbon and biological degradation for advanced treatment of drinking water: removal of microcystin in laboratory scale
Palavras-chave em inglês
Activated carbon
Adsorption
Biodegradation
Cyanotoxins
Drinking water treatment
Resumo em inglês
The cyanotoxins, which are potentially harmful to the health of humans and animals, are toxins produced by cyanobacteria. They can be found in reservoirs used for water supply, especially due to the degradation of sanitary conditions within the watersheds. Therefore, it is essential to assure potable water for human consumption in its distribution. The use of granular activated carbon (GAC) has been studied for advanced water treatment and cyanotoxins' removal. The efficiency of such technology depends on activated carbon intrinsic characteristics and operating conditions. Removing such toxins through biodegration by microrganisms is another possibility. The present study was perfomed in laboratory conditions and analyzed microcystin removal by adsorption by three commercial GACs (source materials: coconut shell, mineral and bone) and through the biological degradation by two genera of bacteria. An extract of toxin was produced by the cultivation of Microcystis aeruginosa (strain BB005), in medium WC throughout 30 days, with a 12 h photoperiod. The activated carbon samples were characterized regarding the apparent density, moisture, pH, ash content, iodine number, methylene blue index and specific surface area. Thereafter, adsorption experiments were conducted with microcystin (initial concentration of 100 µg.L-1) for estimating isotherms considering an equilibrium time of 1 h. The toxin analyses were performed by the ELISA (Enzyme-Linked Immunosorbent Assay) and the data were adjusted to the mathematical models of Langmuir and Freundlich. The best adsorption results were obtained with the mineral carbon (removal percentages of 98%), which also showed the highest values for the iodine number (710 mgI2.g-1), methylene blue index (169 mL.g-1), specific surface area (911 m2.g-1) and percentage of micropores (70%), with best adjustment of the isotherm through the Freundlich model (R2 = 0.88). The biodegradation tests of microcystin with Sphingomonas sp. and Brevundimonas sp. were carried out with the sterile and non-sterile toxin (initial concentration of 75 µg.L-1). The results showed that these bacteria were not able to promote degradation of the toxin when it was sterilized. However, the degradation was observed in those tests in which the toxin was not sterilized (reduction up to 98%), suggesting the presence of a microrganism and/or an enzyme responsible for this process, since the cultivation of the strain for obtaining the extract was not performed under sterile conditions. As for future research, it is recommendedthe identification of the factor responsible for the biodegradation of the microcystin, as well as the study of the use of the activated carbon from mineral source in a larger scale (fixed-bed filter). This would help to reach a scale closer to the real water treatment plants and evaluate the biofilm formation in the carbon bed, allowing the comparison of the performance of both adsorption and biodegradation processes in the removal of the target pollutant.
 
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Data de Publicação
2017-04-19
 
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