Aplicação da matriz de emissão e excitação de fluorescência como ferramenta de monitoramento de matério orgânica recalcitrante em efluente de celulose kraft durante tratamento biológico

Abstract

Resumo: Este estudo avaliou o uso de Matriz de Emissão e Excitação de Fluorescência (MEEF) como ferramenta na otimização de processos aeróbios tratando efluente de celulose e papel kraft por meio do monitoramento da eficiência de um sistema de tratamento biológico em escala de bancada simulando uma Lagoa Aerada Facultativa (LAF). A caracterização do efluente industrial mostrou um efluente com Demanda Química de Oxigênio (DQO) variando de 454 a 704 mgO2/L, Demanda Bioquímica de Oxigênio (DBO5) variando de 116 a 334 mgO2/L, Compostos Fenólicos Totais (CFT) variando de 91 a 350 mg/L, Cor variando de 0,06 a 0,37 UA, Compostos Lignínicos (CL) variando de 0,93 a 6,02 UA, Área Espectral (AE) variando de 64 a 1040 cm2, Turbidez variando de 18 a 99 UNT e pH variando de 6,4 a 8,4. O protótipo de LAF, com volume de 1 L, foi operado por 510 dias em fluxo contínuo com Carga Orgânica Volumétrica (COV) média de 0,2 kgDQO/m3d e Tempo de Detenção Hidráulico (TDH) médio de 3 dias. Foram testadas diferentes condições de Oxigênio Dissolvido (OD) na LAF (Fase I com aeração média de aproximadamente 6 mgO2/L, Fase II com aeração média de aproximadamente 4 mgO2/L e Fase III com aeração média de aproximadamente 3 mgO2/L), utilizando a Matriz de Emissão e Excitação de Fluorescência como ferramenta de monitoramento associada à análise de parâmetros convencionais (DQO, DBO5,20, CL, CFT, AE e turbidez) e à análise cromatográfica para detecção de ácidos resínicos e eugenol. Durante o experimento a técnica de MEEF revelou-se eficaz para identificar a melhor condição de aeração, além de mostrar as alterações qualitativas na matéria orgânica dissolvida, identificando a ocorrência de biotransformações durante o processo biológico de tratamento. Os melhores resultados de eficiência foram obtidos durante a Fase III com aproximadamente 3 mgO2/L, onde se obteve remoções de 46 % da DQO, 85 % da DBO5, 12 % dos Compostos Fenólicos Totais, 19% da Cor, 36% dos Compostos Lignínicos, 12% da Área Espectral, 6% do Ácido Dehidroabiético, 4% do Ácido Isopimárico e 45% do Eugenol. Mostrando que além de não comprometer a eficiência do tratamento na remoção da matéria orgânica lábil, a redução do OD ainda propiciou maior remoção dos compostos fenólicos e ácidos resínicos no efluente do tratamento. Observou-se também que compostos como os ácidos resínicos apresentaram tendência a adsorção e posterior dessorção do lodo, afetando a eficiência nas Fases I e II. Por fim, foi possível concluir que o sistema LAF é promissor para o tratamento de efluente kraft, e que a utilização da MEEF como ferramenta de monitoramento complementa análises tradicionais de medição da matéria orgânica dissolvida e pode ser integrada ao monitoramento para melhor controle operacional do sistema.

Abstract: This study evaluated the application of Excitation-Emission Matrix Fluorescence (MEEF) as a monitoring tool for optimizing aerobic processes in the treatment of kraft pulp and paper mill effluent, using a bench-scale biological system simulating an Aerated Stabilization Basin (ASB). The initial characterization of the effluent revealed high organic and phenolic loads, with COD values ranging from 454 to 704 mg O2/L, BOD5 from 116 to 334 mg O2/L, Total Phenolic Compounds from 91 to 350 mg/L, Color from 0,06 a 0,37 AU, lignin-derived compounds from 0,93 a 6,02 UA, Spectral Area from 64 a 1040 UA/nm, Turbidity from 18 a 99 UNT and pH from 6,4 a 8,4. The ASB prototype, with a working volume of 1 L, was continuously operated for 510 days under different aeration conditions (6 , 4, and 3 mg O2/L in Phases I, II, and III, respectively), with an volumetric organic loading rate (OLR) of 0.2 kgCOD/m3d and a mean hydraulic retention time (HRT) of 3 days. MEEF, combined with conventional analyses (COD, BOD, lignin-derived compounds, phenolic compounds, color e turbidity) and chromatographic detection of resin acids and eugenol, proved sensitive in detecting qualitative changes in dissolved organic matter, allowing the identification of the most efficient operational condition. The best results were obtained during Phase III (~ 3 mg O2/L), with removals of 46% COD, 85% BOD5, 12% total phenolic compounds, 19% color, 36% lignin-derived compounds, 12% spectral area, 6 % dehydroabietic acid, 4% isopimaric acid, and 45% eugenol. These findings indicate that reducing oxygen supply did not compromise the removal of labile organic matter and further favored the elimination of phenolic compounds and resin acids. Resin acids also showed a tendency to adsorb and subsequently desorb from sludge, which affected treatment efficiency in Phases I and II. In conclusion, the ASB system demonstrated potential for kraft effluent treatment, and the integration of MEEF into conventional monitoring represents a promising strategy for operational control, providing complementary information on the qualitative transformations of dissolved organic matter throughout the process.