Physical-chemical characterization and determination of aerobic kinetic coefficients for the removal of organic matter from agro-industrial wastewater

Morais, Naassom Wagner Sales; Coelho, Milena Maciel Holanda; Silva, Francisco Schiavon Souza; Pereira, Erlon Lopes; Santos, André Bezerra dos

doi:10.1590/S1413-4152202020190220

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Engenharia Sanitaria e Ambiental

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Sumário

Artigo Técnico • Eng. Sanit. Ambient. 25 (3) • May-Jun 2020 • https://doi.org/10.1590/S1413-4152202020190220 copy

Physical-chemical characterization and determination of aerobic kinetic coefficients for the removal of organic matter from agro-industrial wastewater

Authorship SCIMAGO INSTITUTIONS RANKINGS

ABSTRACT

The aim of the present work was to perform a physicochemical characterization of different agroindustrial wastewaters (AIW), to apply first and second order kinetic models to verify which one best describes the progression of the biochemical oxygen demand (BOD) and to determine the aerobic kinetics coefficients of organic matter removal from AIW. The BOD progression assay was performed from the incubation of AIW in a respirometric system (Oxitop^®). The first and second order kinetic models were evaluated by mean square error (RMSE), normalized mean square error (NRMSE), and Akaike Information Criterion (AIC). The aerobic biodegradation kinetics of the AIW evaluated was better fitted to the first order model in terms of total and soluble BOD. In the total BOD progression, the highest coefficient of first-order deoxygenation (k ') was that of slaughterhouse wastewater (SW; 0.56 d^-1) and the lowest was that of swine wastewater (SSW; 0.16 d^-1). The deoxygenation coefficients determined in the present work were representative, and can be used for the simulation of degradation processes of organic matter under aerobic conditions.

Keywords:
physical-chemical characterization; kinetic deoxygenation constant; agroindustrial wastewater; kinetic modeling

Parâmetro	ARB	ARS	ARC	ARL	ARBF	Unidade
pH	7	6,8	8,9	5,4	5,5	-
AT	187,5	2.932,1	370,6	223,1	198,1	mgCaCO₃ L^-1
AVT	246,8	2.289,8	212,7	861,6	583,2	mgH₃COOH L^-1
CE	560	7.760	1.408	5.260	1.353	µS cm^-1
Cor aparente	8.032	2.992	300	424	109	mgPtCo L^-1
Turbidez	212	12.864	92,8	3.760	683	NTU
ST	8.507	17.387	4.009	18.263	1.451	mg L^-1
STV	7.256	9.809	2.456	12.292	763	mg L^-1
STF	1.251	7.578	1.553	5.971	687	mg L^-1
SDT	1.308	8.785	3.825	15.679	1.232	mg L^-1
SDV	1.051	2.270	2.338	9.796	579	mg L^-1
SDF	257	6.515	1.487	5.883	652	mg L^-1
SST	7.199	8.602	184	2.584	219	mg L^-1
SSV	6.205	7.539	118	2.496	184	mg L^-1
SSF	994	1.063	66	88	35	mg L^-1
Fluoreto	4,3	57,3	24,1	36,3	30,4	mg L^-1
Cloreto	62,2	3.537,7	35,2	2.984,8	127,6	mg L^-1
Brometo	ND	5,8	ND	6,7	ND	mg L^-1
Sulfato	12,3	94,7	12	43,9	17,9	mg L^-1
DQO_T	11.290	18.707	5.536	17.629	2.047	mgO₂ L^-1
DQO_P	5.696	14.999	343	5.264	607	mgO₂ L^-1
DQO_S	5.594	3.708	5.192	12.365	1.440	mgO₂ L^-1
DBO₅ ^20ºC _T	4.100	7.979	2.295	11.875	1.620	mgO₂ L^-1
DBO₅ ^20ºC _S	2.661	434	1.511	10.000	1.345	mgO₂ L^-1
DBO₅ ^20ºC _P	1.438	7.544	783	1.875	27	mgO₂ L^-1
O.G.	22,3	147,1	30,4	94,6	45,9	mg L^-1
Nitrogênio total	502,9	723,4	29,5	168,4	69,3	mg-N L^-1
NTK	502,9	721,8	28,6	168	68,9	mg-N L^-1
Nitrogênio orgânico	492,8	361,2	26,1	160,5	8,6	mg-N L^-1
Nitrogênio amoniacal	10,1	360,6	2,4	9,4	60,3	mg-N L^-1
Nitrito	0	0	0	0	0	mg-N L^-1
Nitrato	0	1,6	0,9	0,4	0,4	mg-N L^-1
Fósforo Total	19,6	63	15,6	105,4	26,6	mg-P L^-1
Ortofosfato	12,1	44,2	3,8	52,9	9,9	mgP-PO₄ ^3- L^-1
Cádmio	0,4	0,4	0,4	0,4	0,4	mg L^-1
Chumbo	4,3	5,5	4,8	5,6	4,1	mg L^-1
Cobre	0,2	0,5	0,1	0,2	0,2	mg L^-1
Cromo	ND	0,05	ND	0,02	0,005	mg L^-1
Ferro	ND	ND	2,4	1,8	4,8	mg L^-1
Manganês	ND	1,5	ND	ND	ND	mg L^-1
Níquel	1	1,2	1	1,2	1	mg L^-1

Modelo	Parâmetros	ARB	ARS	ARC	ARL	ARBF
Progressão			DBO_T
Primeira Ordem	k’ (d^-1)	0,563	0,165	0,308	0,395	0,414
	R²	0,952	0,980	0,997	0,984	0,915
	RMSE	0,298	0,602	0,049	0,489	0,127
	NRMSE	7,085	4,054	1,430	3,622	6,967
	AIC	-29,452	-14,234	-112,463	-18,034	-68,168
Segunda Ordem	k” (L d^-1 g^-1)	0,308	0,022	0,203	0,062	0,554
	R²	0,845	0,946	0,940	0,935	0, 981
	RMSE	0,534	0,982	0,225	1,001	0,060
	NRMSE	12,673	6,608	9,539	7,413	3,319
	AIC	-14,334	1,403	-54,664	2,020	-93,381
	DBO_UT (gO₂ L^-1)	4,21	14,85	3,44	13,50	1,82
Progressão			DBO_S
Primeira Ordem	k’ (d^-1)	0,232	1,013	0,175	0,346	0,435
	R²	0,956	0,986	0,987	0,970	0,973
	RMSE	0,278	0,013	0,090	0,608	0,050
	NRMSE	7,418	2,935	3,247	5,171	4,133
	AIC	-31,322	-136,191	-89,385	-11,950	-99,708
Segunda Ordem	k” (L d^-1 g^-1)	0,114	6,166	0,127	0,060	0,882
	R²	0,7843	0,986	0,912	0,919	0,962
	RMSE	0,527	0,013	0,238	1,001	0,060
	NRMSE	14,077	2,853	10,848	8,518	4,930
	AIC	-14,664	-137,101	-52,617	2,023	-93,713
	DBO_US (gO₂ L^-1)	3,74	0,45	2,78	11,75	1,22

Água residuária agroindustrial	k’ (d ^-1 )	Referências
Suinocultura	0,24	Fia, Matos e Fukunaga (2004FIA, R.; MATOS, A.T.; FUKUNAGA, D.C. (2004) Cinética de degradação da matéria orgânica de águas residuárias de origem animal. In: CONGRESSO BRASILEIRO DE ENGENHARIA AGRÍCOLA, São Paulo, 2004. Anais...)
Laticínios	0,18
Avicultura	0,21
Suinocultura	0,07-0,41	*Matos et al. (2014*MATOS, M.P.; BORGES, A.C.; MATOS, A.T.; SILVA, E.F.; MARTINEZ, M.A. (2014) Effect of binominal time-temperature in obtaining biochemical oxygen demand of different wastewaters. Engenharia Agricola, v. 34, n. 2, p. 332-340. http://dx.doi.org/10.1590/S0100-69162014000200014 https://doi.org/http://dx.doi.org/10.159... )
Laticínios	0,13-0,31
Beneficiamento de frutos do cafeeiro	0,13	*Fia et al. (2007*FIA, R.; MATOS, A.T.; LUIZ, F.A.R.; PEREIRA, P.A. (2007) Coeficientes de degradação da matéria orgânica de água residuária da lavagem e descascamento dos frutos do cafeeiro em condições anóxica e aeróbia. Engenharia na Agricultura, Viçosa, v. 15, n. 1, p. 45-54.)
Abatedouro	0,56	Este Trabalho
Suinocultura	0,16
Cervejaria	0,31
Laticínios	0,40
Beneficiamento de frutos	0,41

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[1] * Autor correspondente: andre23@ufc.br