Optimization of the use of natural coagulants in wastewater treatment using Rotational Central Composite Design

Autores/as

  • Igor Luz Gonçalves Universidade Federal de Viçosa, Campus Rio Paranaíba, Instituto de Ciências Exatas e Tecnológicas, Departamento de Engenharia Civil https://orcid.org/0000-0002-9800-9876
  • Frederico Carlos Martins de Menezes Filho Universidade Federal de Viçosa, Campus Rio Paranaíba, Instituto de Ciências Exatas e Tecnológicas, Programa de Pós-Graduação em Engenharia Civil https://orcid.org/0000-0003-4874-0254
  • Ed Carlo Rosa Paiva Universidade Federal de Catalão, Campus Rio Paranaíba, Faculdade de Engenharia, Programa de Pós-graduação em Engenharia Civil https://orcid.org/0000-0002-8045-5894
  • Eduardo Beraldo Morais Universidade Federal de Mato Grosso, Departamento de Engenharia Sanitária e Ambiental, Programa de Pós-Graduação em Recursos Hídricos https://orcid.org/0000-0002-8505-4133

DOI:

https://doi.org/10.18830/issn.1679-0944.n34.2023.22

Palabras clave:

Dairy wastewater, Moringa oleifera, Response Surface Methodology

Resumen

Contamination of water resources by industrial effluents represents a major environmental problem and, in Brazil, the dairy industry is one of the main causes of these problems. The composition of its effluent has a high amount of organic matter and nutrients and, therefore, it is necessary to treat them before disposal. This study aimed to optimize the treatment of synthetic dairy effluents, simulating the coagulation/flocculation process, through the application of a natural coagulant based on Moringa oleifera seed extract, using the Rotational Central Composite Design associated with the Surface Methodology response (MSR). The independent variables in the project were the fast and slow mixing times, the coagulant dosage and the concentration of pollutants. A mathematical model was established with an R² of 0.6, in which the significance of the pollutant concentration and coagulant dosage was proven. From the re-parameterization of the mathematical model, considering only these two variables, an adjustment of 74% was obtained. As a result, a removal efficiency of 94.9% of turbidity was obtained, demonstrating – in the first approximation analysis – a strong result for the use of a natural coagulant to remove turbidity from dairy effluents.

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Biografía del autor/a

Igor Luz Gonçalves, Universidade Federal de Viçosa, Campus Rio Paranaíba, Instituto de Ciências Exatas e Tecnológicas, Departamento de Engenharia Civil

Engenheiro Civil pela Universidade Federal de Viçosa, campus Rio Paranaíba- UFV-CRP. Atualmente pesquisador na área de saneamento e tratamento de águas.

Frederico Carlos Martins de Menezes Filho, Universidade Federal de Viçosa, Campus Rio Paranaíba, Instituto de Ciências Exatas e Tecnológicas, Programa de Pós-Graduação em Engenharia Civil

Professor Adjunto do curso de Engenharia Civil da Universidade Federal de Viçosa, Campus Rio Paranaíba (UFV-CRP). Coordenador do Núcleo de Estudo e Pesquisa do Zoneamento Ambiental Produtivo (NEPZAP/UFV-CRP). Doutor em Recursos Hídricos e Saneamento Ambiental (2014) pelo Instituto de Pesquisas Hidráulicas (IPH) da Universidade Federal do Rio Grande do Sul (UFRGS). Mestre em Engenharia do Meio Ambiente (2007) e bacharel em Engenharia Civil (2005) pela Universidade Federal de Goiás (UFG). Atualmente é Pesquisador Associado e Docente Colaborador do Programa de Pós-Graduação em Recursos Hídricos da Universidade Federal de Mato Grosso (PPGRH/UFMT). Têm experiência na área de Engenharia Civil e Engenharia Sanitária e Ambiental, atuando principalmente nos seguintes temas: modelagem hidrológica, manejo de águas pluviais, séries temporais e planejamento experimental.

Ed Carlo Rosa Paiva, Universidade Federal de Catalão, Campus Rio Paranaíba, Faculdade de Engenharia, Programa de Pós-graduação em Engenharia Civil

Possui graduação em engenharia civil pela Universidade Federal de Viçosa - UFV, 1997. Mestrado Engenharia Civil, Saneamento Ambiental, UFV, 2008. Doutorado em Engenharia Agrícola, Recursos Hídricos e Ambientais, UFV, 2011. Professor Associado da Universidade Federal de Catalão (UFCAT). Professor permanente do Programa de Pós-graduação em Engenharia Civil (PPGEC) da UFCAT. Atualmente sou coordenador do PPGEC. Tem experiência na área de Engenharia Civil, com Construção Civil, com compostagem em geral, tratamento de água, águas residuárias e resíduos sólidos, disposição no solo, uso racional da água, construções sustentáveis e conforto térmico e eficiência energética.

Eduardo Beraldo Morais, Universidade Federal de Mato Grosso, Departamento de Engenharia Sanitária e Ambiental, Programa de Pós-Graduação em Recursos Hídricos

Doutor em Ciências Biológicas - Área de Concentração em Microbiologia Aplicada, pela Universidade Estadual Paulista Júlio de Mesquita Filho. Professor Associado II na Universidade Federal de Mato Grosso ministrando disciplinas no curso de Engenharia Sanitária e Ambiental. Foi coordenador do curso de graduação em Engenharia Sanitária e Ambiental (2011-2012) e do Programa de Mestrado em Recursos Hídricos da Universidade Federal de Mato Grosso (2016-2019).Tem experiência na área de Recursos Hídricos, atuando nos temas: gestão integrada de bacias hidrográficas e tecnologias verdes e sustentáveis; e na área de Microbiologia, atuando nos temas: biodegradação de xenobióticos; biorremediação de solos e águas; biotratamento de águas residuárias e indicadores microbiológicos da qualidade ambiental.

Citas

ALVES, V. N.; MOSQUETTA, R.; COELHO, N. M. M.; BIANCHIN, J. N.; ROUX, K. C. D. P.; MATENDAL, E.; CARASEK, E. Determination of cadmium in alcohol fuel using Moringa oleifera seed’s as a biosorbent in a on-line system coupled to FAAS. Talanta, n.80, p. 1113-1138, 2010.

ASSUNÇÃO, D. E. S.; BARROS, J. J. C.; PAIVA, E. C. R. Reduction of turbidity and Escherichia coli ATCC 25922 in wastewater of dairy industry after treatment with Moringa oleifera LAM. International Journal of Advanced Engineering Research and Science (IJAERS). v.7, n.5, 2020.

BHATIA, S.; OTHMAN, Z.; AHMAD, A. L. Pretreat of palm oil mil effluent (POME) using Moringa Oleifera seed’s as natural coagulant. Journal of Hazardous Materials, n. 145, p. 120-126, 2007.

BHUPTAWAT, H.; FOLKARD, G. K.; CHAUDHARI, S. Innovative physico-chemical treatment of wastewater incorporating Moringa Oleifera seed coagulant. Journal of Hazardous Materials, n.142, p. 477-482, 2007.

BONGIOVANI, M. C.; CAMACHO, F. P.; VALVERDE, K. C.; SANTOS, T. R. T.; NISHI, L.; BERGAMASCO, R. Evaluation of trihalomethanes formation using combined process coagulation/floculation/membranes in water treatment. Chemical Engineering Transactions, v. 43, p. 6, 2015.

CAMMAROTA, E. C.; FREIRE, D. M. G. A review on hydrolytic enzymes in the treatment of wastewater with high oil and grease content. Bioresource Technology, v. 97, n.17, p. 2195-2210, 2016.

CANGELA, G. L. C. BENETTI, A, D. Otimização da clarificação de águas turvas com sementes de Moringa Oleífera. Revista DAE, v. 66, n. 212, p. 5-15, 2018.

CUSTÓDIO, M.; PEÑALOZA, R.; ESPINOZA, C.; ESPINOZA, W.; MEZARINA, J. Treatment of dairy industry wastewater using bacterial biomass isolated from eutrophic lake sediments for the production of agricultural water. Bioresource Technology Reports, v.17, 2022.

DE PAULA, H. M., DE OLIVEIRA ILHA, M.S., ANDRADE, L.S. Concrete plant wastewater treatment process by coagulation combining aluminum sulfate and Moringa Oleifera powder. J. Clean. Prod. v.76, p.125-130, 2014.

DE PAULA, H. M., ILHA, M., ANDRADE, L.S. Chemical coagulants and Moringa Oleifera seed extract for treating concrete wastewater. Acta Scientiarum Technology. v.38, p.57-64, 2016.

DE PAULA, H. M.; DE OLIVEIRA ILHA, M. S.; SARMENTO, A. P.; ANDRADE, L. S. Dosage optimization of Moringa Oleifera seed and traditional chemical coagulants solutions for concrete plant wastewater treatment. Journal of Cleaner Production, v. 174, p. 123-132, 2018.

EL-GOHARY, F.; TAWFIC, A. Decolorization and COD reduction of disperse and reactive dyes wastewater using Chemical coagulation followed by sequential batch reactor (SBR) process. Desalination v. 249, p. 1159-1164, 2009.

ERCIN, E.; VELDKAMP, T. I. E.; HUNINK, J. Cross-border climate vulnerabilities of the European Union to drought. Nature Communications. 12, 1–10, 2021

FLACH, L.; KÜHL S.; LAMBERTZ C.; GAULY, M. Environmental impact and food production of small-scale mountain dairy farms at different supplementation levels. Journal of Cleaner Production, v.310, 2021.

FRANCISCO, A. A. Comparação entre a aplicação do coagulante natural Moringa Oleífera e do coagulante químico Sulfato de Alumínio no tratamento de água com diferentes níveis de turbidez. Enciclopédia Biosfera, v.11, n.21, p.3010-3020, 2015.

GONÇALVES, I. L; MENEZES FILHO, F. C; OLIVEIRA, C. R. Otimização da Clarificação de água residuária têxtil com sulfato de alumínio. Congresso Internacional de Engenharia Ambiental e 10ª Reunião de Estudos Ambientais, p.184-196, 2020.

HEREDIA, J. B.; SÁNCHEZ-MARTÍN, J. Removal of sodium lauryl sulfate by coagulation/flocculation with Moringa Oleifera seed extract. Journal of Hazardous Materials, n. 164, p.713-719, 2009.

JOSHIBA, G. J.; PONNUSAMY, S. K.; CAROLIN, F.; SIVANESAN, S. M. Critical review on biological treatment strategies of dairy wastewater. Desalination Water Treatment, v.160, p.94-109, 2019.

KATAYON, S.; NOOR, M. J. M. M.; ASMA, M.; GHANI, L. A. A.; THAMER, A. M.; AZNI, I. et al. Effects of storage conditions of Moringa oleifera seeds on its performance in coagulation. Bioresource Technology, v. 97, p. 1455-1460, 2006.

KEERTHI, D., S.; VANI, M. M. Optimization studies on decolorization of textile wastewater using natural coagulants. Materials Today: Proceedings, v.57, p.1546-1552, 2022.

KUSHWAHA, J. P.; SRIVASTAVA, V. C.; MALL, I. D. Treatment of dairy wastewater by commercial activated carbon and bagasse fly ash: parametric, kinetic and equilibrium modelling, disposal studies. Bioresource Technology, v. 101, n.10, p.3474-3483, 2010a

KUSHWAHA, J. P.; SRIVASTAVA, V. C.; MALL, I. D. Treatment of dairy wastewater by inorganic coagulants: parametric and disposal studies. Water Research, v. 44, p.5867-5874, 2010b.

LO MONACO, P. A. V.; MATOS, A. T.; RIBEIRO, I. C.; NASCIMENTO, F. S.; SARMENTO, A. P. Use of Moringa seed extract as a coagulant agent in the treatment of water supply and wastewater. Ambiágua, v.5, n.3, p.222-231, 2010.

MATEUS, G.A.P.; FORMENTINI-SCHMITT, D.M.; NISHI, L.; FAGUNDES-KLEN, M. R.; GOMES, R. G.; BERGAMASCO, R. Coagulation/Flocculation with Moringa oleifera and Membrane Filtration for Dairy Wastewater Treatment. Water Air Soil Pollut, 228:342, 2017.

MATTIETTO, R. A.; MATTA, V. M. Utilização de um delineamento composto central rotacional para avaliação microbiológica de polpas de açaí pasteurizadas. Congresso Brasileiro de Engenharia Química, 2012.

MONTGOMERY, D. D.; RUNGER, G. C. Estatística Aplicada e Probabilidade para Engenheiros. 5ª ed. LTC, Rio de Janeiro,2012.

MUNIZ, G. L.; DUARTE, F. V.; OLIVEIRA, S. B. Uso de sementes de Moringa oleifera na remoção da turbidez de água para abastecimento. Rev. Ambient. Água, vol. 10 n. 2, p.454-463, 2015

NDABIGENSERE, A; NARASIAH, K. S. Quality of water treated by coagulation using Moringa Oleifera seeds. Water Research, n. 32, p. 781-791, 1998.

NDABIGENSERE, A; NARASIAH, K. S.; TALBOT, B.G. Active agents and mechanism of coagulation of the turbid water using Moringa Oleifera. Water Research, v.29, n.2, p 703-710, 1995.

PAVÃO, B. B. M; NASCIMENTO, E. P. Crise hídrica como unidade analítica sobre a regulação das águas brasileiras. Desenvolvimento e meio ambiente, v.52, p. 1-20, 2019.

PISOI, I. Coagulation of Surface Water using Simple and Prehydrolyzed Aluminium Salts. Revista de Chimie, v. 62, n. 5, p. 575-578, 2011.

R, The R Foundation for Statistical Computing, 2020.

RIBEIRO, J. V. M.; ANDRADE, P. V.; REIS, A. G. Moringa oleifera seed as a natural coagulant to treat low-turbidity water by in-line filtration. Rev. Ambient. Água, v. 14, n. 6, p. 1-9, 2019.

REDDY, D. H. K. ; SESHAIAH, K. ; REDDY, A. V. R. ; MADHAVA RAO, M. ; WANG, M. C. Biosorption of Pb2+ from aqueous solutions by Moringa Oleifera bark: Equilibrium and kinetic studies. Journal of Hazardous Materials, n. 174, p.831-838, 2010.

SHI, W.; HEALY, M. G.; ASHEKUZZAMAN, S. M.; DALY, K.; LEALY, J. J.; FENTON, O. Dairy processing sludge and co-products: A review of present and future re-use pathways in agriculture. Journal of Cleaner Production, v.314, p.1-12, 2021.

SRIVASTAVA, V. C.; MALL, I. D.; MISHRA, I. M. Treatment of pulp and paper mill wastewaters with poly aluminum chloride and bagasse fly ash. Colloids and Surfaces A: Physicochemical and Engineering Aspects, v. 260, p. 17-28, 2005.

TCHAMANGO, S.; NANSEU-NJIKI, C. P.; NGAMENI, E.; HADJIEV, D.; DARCHEN, A. Treatment of dairy effluents by electrocoagulation using aluminum electrodes. Science of Total Environment, n. 408, p. 947-952, 2010.

TIE, J.; JIANG, M.; LI, HANCHAO, LI.; ZHANG, S.; ZHANG, X.. A comparison between Moringa oleifera seed presscake extract and polyaluminum chloride in the removal of direct black 19 from synthetic wastewater. Industrial Crops and Products, v.74, p.530-534, 2015.

TUKKI, O. H.; BARMINAS, J. T.; OSEMEAHON, S. A.; ONWUKA, J. C.; DONATUS, R. A. Adsorption of colloidal particles of Moringa oleifera seeds on clay for water treatment applications. Journal of Water Supply: Research and Technology - Aqua, v. 65, n. 1, p. 75-86, 2016.

VALVERDE, K. C.; PACCOLA, E. A. ; POMINI, A. M. ; YAMAGUCHI, N. U. ; BERGAMASCO, R. Combined water treatment with extract of natural Moringa Oleifera lam and synthetic coagulant. Revista Ambiente e água, v. 13, n.3, 2018.

VAZ, L. G. DE L. Processo de coagulação/ floculação no tratamento de efluentes de galvanoplastia. Dissertação. Toledo: Departamento de Engenharia Química, Universidade Estadual do Oeste do Paraná. Toledo, 2009.

VIEIRA, A.; VIEIRA, M.; SILVA, G.; ARAUJO, A.; FAGUNDES-KLEN, M. R.; VEIT, M. T.; BERGAMASCO, R. Use of Moringa oleifera seed as a natural adsorbent for wastewater treatment. Water Air Soil Pollut, n. 206, p. 273-281, 2010.

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Publicado

2023-09-14

Cómo citar

Luz Gonçalves, I., Martins de Menezes Filho, F. C., Rosa Paiva, E. C., & Beraldo Morais, E. (2023). Optimization of the use of natural coagulants in wastewater treatment using Rotational Central Composite Design. Paranoá, 16(34), 1–12. https://doi.org/10.18830/issn.1679-0944.n34.2023.22

Número

Vol. 16 Núm. 34 (2023): Flujo Continuo - Enero/Junio

Sección

Água e Mudanças Climáticas

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