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Tipo: Tese
Título: Redox environment modulation via microaeration for intensified las removal in uasb reactors: from cometabolism to alternative electron acceptors
Título em inglês: Redox environment modulation via microaeration for intensified las removal in uasb reactors: from cometabolism to alternative electron acceptors
Autor(es): Oliveira, Mauricio Guimaraes de
Orientador: Santos, André Bezerra dos
Coorientador: Silva, Vicente Elício Porfiro Sales Gonçalves da
Palavras-chave em português: Intensificação de processos;Tensoativos;Biotransformação;Transferência extracelular de elétrons;Valorização do biogás;Ecologia microbiana
Palavras-chave em inglês: Process ntensification;Surface-active agents;Biotransformation;Extracellular electron transfer, Biogas Valorization,;Biogas valorization;Microbial ecology
CNPq: CNPQ::ENGENHARIAS::ENGENHARIA SANITARIA::SANEAMENTO AMBIENTAL
Data do documento: 2026
Citação: OLIVEIRA, Maurício Guimarães de. Redox environment modulation via microaeration for intensified las removal in uasb reactors: from cometabolism to alternative electron acceptors. 2026. Tese (Doutorado em Engenharia Civil-Saneamento Ambiental) - Centro de Tecnologia, Universidade Federal do Ceará, Fortaleza, 2026.
Resumo: A biodegradação do sulfonato de alquilbenzeno linear (LAS) em sistemas de tratamento de efluentes representa um desafio técnico significativo, especialmente em ambientes anaeróbios, onde a complexidade estrutural do anel benzênico e a toxicidade do surfactante limitam a eficiência biológica. Embora os processos aeróbios sejam consolidados pela alta eficiência na remoção de surfactantes, a rota anaeróbia apresenta maior viabilidade econômica devido ao baixo consumo energético, menor produção de lodo e potencial de recuperação energética através do metano. No entanto, o caráter persistente do LAS em sistemas estritamente anaeróbios, limita sua aplicação prática. Nesse cenário, a microaeração controlada e o uso de mediadores redox emergem como estratégias de intensificação metabólica que ativam rotas oxidativas de quebra do anel aromático e aceleram a transferência de elétrons interespécies, superando as barreiras termodinâmicas da degradação sem comprometer a economia de energia e a robustez do sistema anaeróbio. Esta pesquisa investigou, de forma integrada, o efeito da microaeração associada à seleção de co-substratos (Etapa I), à suplementação do mediador redox antraquinona-2-sulfonato (AQS) (Etapa II) e à otimização do tempo de detenção hidráulica (Etapa III) na remoção de LAS, no desempenho de reatores anaeróbios de manta de lodo (UASB), seleção de consórcios microbianos especializados na desestabilização do anel aromático. Na primeira etapa, os resultados indicaram que a combinação de microaeração com sacarose foi determinante para a otimização do processo, elevando a eficiência de remoção de LAS em 34,3% em comparação aos sistemas estritamente anaeróbios. A análise microbiológica revelou que essa configuração selecionou um consórcio especializado, destacando-se os gêneros Pleomorphomonas e Desulfovibrio, que atuaram sinergicamente na oxidação parcial do anel benzênico e na dessulfonação do surfactante, sem comprometer a produção de biogás. A produção de biogás aumentou com a microaeração sob alimentação com etanol (2,7 vs. 1,8 L·dia⁻¹), enquanto ambos os reatores apresentaram desempenho semelhante sob alimentação com sacarose (~2,7 L·dia⁻¹). Na segunda etapa, a adição de 50 µM de AQS isoladamente foi capaz de estabilizar a remoção de LAS em 65%, enquanto o controle anaeróbio apresentou performance oscilante em torno de 32%. A sinergia máxima foi alcançada com a coexistência de AQS e microaeração, elevando a remoção para 77% e promovendo o enriquecimento de arqueias metanogênicas hidrogenotróficas (Methanobacterium), o que sugere que o AQS atua como uma ponte de elétrons que facilita a transferência interespécies, mitigando os efeitos inibitórios do LAS. A terceira etapa demonstrou que o aumento do TDH para 16h sob microaeração criou uma "janela cinética" essencial para a atividade de enzimas oxigenases, permitindo que processos de ω-oxidação ocorressem de forma mais completa. Esta configuração não apenas maximizou a biotransformação do LAS (64%), mas também dobrou a eficiência de recuperação energética, atingindo um rendimento específico de metano de 0,55 LCH4.gDQOapl, com a coexistência estável de bactérias oxidativas (Smithella, Thauera) e metanógenos acetoclásticos. De maneira integrada, os resultados demonstram que o gerenciamento do ambiente redox, através da combinação estratégica de microaeração e mediadores (AQS) constitui uma ferramenta robusta para transformar reatores UASB em sistemas de alta performance para o tratamento de efluentes contendo surfactantes, garantindo estabilidade funcional e sustentabilidade energética.
Abstract: The biodegradation of linear alkylbenzene sulfonate (LAS) in wastewater treatment systems poses a significant technical challenge, especially in anaerobic environments, where the structural complexity of the benzene ring and the surfactant's toxicity limit biological efficiency. Although aerobic processes are well-established for their high efficiency in surfactant removal, the anaerobic route offers greater economic viability through lower energy consumption, reduced sludge production, and potential for energy recovery through methane. However, the persistent nature of LAS in strictly anaerobic systems limits its practical application. In this scenario, controlled microaeration and the use of redox mediators emerge as metabolic intensification strategies that activate oxidative pathways for aromatic ring cleavage and accelerate interspecies electron transfer, overcoming the thermodynamic barriers of degradation without compromising energy efficiency and the robustness of the anaerobic system. This research investigated, in an integrated manner, the effect of microaeration associated with the selection of cosubstrates (Step I), the supplementation of the redox mediator anthraquinone-2-sulfonate (AQS) (Step II), and the optimization of hydraulic retention time (Step III) on LAS removal, in the performance of upflow anaerobic sludge blanket (UASB) reactors, and the selection of microbial consortia specialized in the destabilization of the aromatic ring. In the first step, the results indicated that the combination of microaeration with sucrose was crucial for process optimization, increasing LAS removal efficiency by 34.3% compared to strictly anaerobic systems. Microbiological analysis revealed that this configuration selected a specialized consortium, highlighting the genera Pleomorphomonas and Desulfovibrio, which acted synergistically in the partial oxidation of the benzene ring and in the desulfonation of the surfactant, without compromising biogas production. Biogas production increased with microaeration under ethanol feeding (2.7 vs. 1.8 L·day⁻¹), while both reactors performed similarly under sucrose feeding (~2.7 L·day⁻¹). In the second stage, the addition of 50 µM AQS alone stabilized LAS removal at 65%, whereas the anaerobic control showed fluctuating performance around 32%. Maximum synergy was achieved with the coexistence of AQS and microaeration, increasing removal to 77% and promoting the enrichment of hydrogenotrophic methanogenic archaea (Methanobacterium), suggesting that AQS acts as an electron bridge to facilitate interspecies transfer and mitigate the inhibitory effects of LAS. The third stage demonstrated that increasing the HRT to 16h under microaeration created an essential "kinetic window" for the activity of oxygenase enzymes, enabling ω-oxidation to proceed more completely. This configuration not only maximized LAS biotransformation (64%) but also doubled energy recovery efficiency, achieving a specific methane yield of 0.55 LCH4.gCODapl, with the stable coexistence of oxidative bacteria (Smithella, Thauera) and acetoclastic methanogens. In an integrated manner, the results demonstrate that managing the redox environment through the strategic combination of microaeration and mediators (AQS) constitutes a robust tool for transforming UASB reactors into high-performance systems for treating effluents containing surfactants, ensuring functional stability and energy sustainability.
Descrição: Este documento está disponível online com base na Portaria no 348, de 08 de dezembro de 2022, disponível em: https://biblioteca.ufc.br/wp-content/uploads/2022/12/portaria348-2022.pdf, que autoriza a digitalização e a disponibilização no Repositório Institucional (RI) da coleção retrospectiva de TCC, dissertações e teses da UFC, sem o termo de anuência prévia dos autores. Em caso de trabalhos com pedidos de patente e/ou de embargo, cabe, exclusivamente, ao autor(a) solicitar a restrição de acesso ou retirada de seu trabalho do RI, mediante apresentação de documento comprobatório à Direção do Sistema de Bibliotecas.
URI: http://repositorio.ufc.br/handle/riufc/86509
Currículo Lattes do(s) Autor(es): http://lattes.cnpq.br/0425404389648665
Currículo Lattes do Orientador: http://lattes.cnpq.br/3626519258208111
Currículo Lattes do Coorientador: http://lattes.cnpq.br/1843172198671042
Tipo de Acesso: Acesso Aberto
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