PERFORMANCE DE UM REATOR UASB NA ATENUAÇÃO DA CARGA ORGÂNICA PRESENTE NA MISTURA DE ESGOTO SANITÁRIO E PERCOLADO

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1 PERFORMANCE DE UM REATOR UASB NA ATENUAÇÃO DA CARGA ORGÂNICA PRESENTE NA MISTURA DE ESGOTO SANITÁRIO E PERCOLADO Maria da Conceição Silva Lima * Universidade Estadual da Paraíba. Mestre em Desenvolvimento e Meio Ambiente pelo Programa Regional de Pós-Graduação em Meio Ambiente e Desenvolvimento PRODEMA/UFPB/UEPB. Tecnóloga Química em Couros e Tanantes pela UFPB. Valderi Duarte Leite Universidade Estadual da Paraíba Wilton Silva Lopes Universidade Estadual da Paraíba Gilson Barbosa Athayde Júnior Universidade do Vale do Rio Doce Shiva Prasad Universidade Federal da Paraíba Endereço (*): Rua Professora Maria Lianza, nº Jardim Cidade Universitária - João Pessoa, PB - Brasil Cep: Tel.: (83) RESUMO Os aspectos insalubres causados pelos resíduos sólidos estão sempre em evidência quando se discute sobre o saneamento ambiental. Apesar do panorama que circunda os resíduos sólidos não ser atrativo, ressalta-se que o mesmo não deve ser encarado como uma ameaça a sociedade quando eficientemente gerenciado. Estes também podem e devem ser concebidos como uma fonte inesgotável de energia, tendo em vista que cerca de 5% dos resíduos gerados na maioria dos países subdesenvolvidos constitui-se de uma fração orgânica putrescível, que ao ser submetida a processo fermentativos pode ser reaproveitada. Entretanto, durante o processo de tratamento desta fração mediante digestão anaeróbia gera inevitavelmente um líquido, denominado de percolado, o qual caracteriza-se por apresentar de acordo com a natureza dos resíduos do qual provém, elevada carga orgânica, mineral, tóxica e patogênica. Por conta disto, o percolado possui uma vasta possibilidade de contaminar o solo e corpos d águas receptores. Diante disto, o presente trabalho explora uma alternativa de tratamento biológico do percolado oriundo da digestão anaeróbia de resíduos tipicamente vegetais. Sabedores da eficiência do reator UASB em tratar esgoto sanitário, líquido com características semelhantes a do percolado, porém em proporções bastante reduzidas, ou seja, enquanto o esgoto sanitário pode ter uma DQO em torno de 2mg.L -1, o percolado pode chegar até 7.mg.L -1. Logo, utilizamos o artifício de diluir o percolado com esgoto sanitário, formando uma mistura, a qual introduzi-se em um reator UASB como substrato. O reator foi submetido a diferentes parâmetros operacionais como a carga orgânica aplicada (2,3kg.m -3.dia -1, 3,65kg.m - 3.dia -1, 4,37kg.m -3.dia -1 e 9,96kg.m -3.dia -1 ), tempo de detenção hidráulico (12h, 12h, 8h e 6h) e vazões diárias aplicadas (77,9L.dia -1, 77,9L.dia -1, 116,85L.dia -1 e 155,8L.dia -1 ), respectivamente durante quatro fases de monitoração, compreendendo 249 dias. Os estudos mostraram que o processo anaeróbio atingiu uma eficiência de remoção da carga orgânica de 61%, 73%, 76% e 83%, durante as fases de monitoração, indicando deste modo sua viabilidade de aplicação na degradação de uma mistura combinada de esgoto sanitário e percolado. Palavras-chave: Percolado, Resíduos sólidos, Depuração anaeróbia, Tratamento combinado, UASB. 1

2 INTRODUÇÃO A falta de disposição e tratamento adequada proporcional ao volume de resíduos sólidos gerados constitui-se em um grave problema com o qual convive grande parte da humanidade. Estes resíduos quando dispostos em lugares impróprios agride o meio ambiente e compromete a qualidade de vida da coletividade, causando fortes impactos negativos aos programas de saúde pública. Contudo salienta-se que a biodegradação da fração orgânica putrescível dos resíduos sólidos urbanos representa uma alternativa viável e promissora de tratamento e geração de energia química sob a forma de biogás, o qual possui cerca de 6% de metano, gás com elevado poder calorífico. Entretanto, durante a degradação ocorre inevitavelmente a formação de percolado. O percolado é potencialmente perigoso diante da sua elevada carga orgânica e tóxica, necessitando de tratamento anterior ao seu lançamento em corpo receptor. No que se refere a matéria orgânica o percolado difere do esgoto sanitário, uma vez que grande parte da matéria orgânica presente no esgoto encontra-se em suspensão e pode ser separada através da simples sedimentação e no caso do também possui variações de ph, altos valores de sólidos totais, dissolvidos e nitrogênio amoniacal, bem como, quantidades consideráveis de substâncias inorgânicas e teores de metais pesados do qual procede. Deste modo, a necessidade de pesquisas a fim de tratar o percolado motivou o presente trabalho, sendo escolhido uma alternativa de tratamento biológico conjugado de percolado e esgoto sanitário. O UASB foi escolhido por combinar uma alta capacidade de digestão a uma boa estabilidade operacional a um baixo custo de implantação e operação. O mesmo foi utilizado visando principalmente a redução da carga orgânica do percolado, proveniente da digestão de resíduos tipicamente vegetais (restos de frutas e verduras), a fim de contribuir para a definição de parâmetros operacionais e otimização dos processos de estabilização biológica do percolado, buscando uma alternativa viável e adequada para tratamento do mesmo em escala real. METODOLOGIA A Figura 1 mostra um diagrama esquemático do sistema experimental composto dos seguintes componentes: Ponto 1 Reator de batelada, 2 Tanque de homogeneização e preparação do substrato (percolado com o esgoto sanitário), 3- Emissário da rede de esgotamento sanitário, 4 e 5 Bombas hidráulicas, 6 Reator UASB, 6a Dispositivo do reator UASB de distribuição do fluxo de entrada, 6b Defletor de gás do separador de fases, 6c Coletor de gás do separador de fase, 6d Selo hidráulico do UASB e 7 Lagoas de polimento. 6d 6c 6 6b 1 6a Figura 1: Representação esquemática do sistema experimental. 2

3 O trabalho foi realizado nas dependências da Estação Experimental de Tratamento Biológico de Esgotos Sanitários EXTRABES da UFPB, localizado na cidade de Campina Grande PB, contando com o apoio financeiro da CAPES e do PROSAB. O tanque de alimentação consistia de uma caixa com um volume útil de 5L, nele ocorria a preparação e mistura manual do substrato aplicado ao reator UASB. O esgoto sanitário utilizado durante a fase de partida e na diluição do percolado era adicionado no tanque de alimentação, o mesmo provinha do emissário da rede de esgotamento sanitário sendo transportado através de bombeamento. O esgoto foi escolhido para diluir porque o percolado possui grandes oscilações nas concentrações dos seus parâmetros ao longo do processo de degradação, o que dificulta sua utilização como substrato único. O percolado acrescentado no tanque de alimentação advinha do reator de batelada de 2.2L sendo transportado através de baldes plásticos. O percolado proveio da degradação de resíduos tipicamente vegetais coletados em feiras livres e na Empresa Paraibana de Abastecimentos de Alimentos e Serviços Agrícolas (EMPASA). Foi utilizado uma proporção de 8% de resíduo para 2% de lodo de lagoa aeróbia. Após a preparação da mistura, uma bomba dosadora tipo peristáltica aduzia a mistura para a entrada do reator UASB. Com auxílio de uma escala graduada assegurava-se a leitura dos volumes da mistura de esgoto e percolado gasto diariamente. A vazão era fixada por um dispositivo de controle da velocidade do fluxo, sendo monitorada diariamente e ajustada manualmente. O reator UASB foi construído em forma cilíndrica utilizando um tubo de PVC adaptado, com uma altura de 1,46 e,2m de diâmetro, totalizando um volume útil de 39,95L No interior do reator foram instalados um dispositivo do fluxo de entrada e um separador de fases. O distribuidor do fluxo de entrada contém quatro pontos de lançamento do fluxo em diferentes direções a fim de evitar zonas mortas. No topo do separador foi instalada uma interface gás-líquido mantida por um selo hidráulico externo. O fluxo ascendente do reator exercia uma pressão sobre as camadas posteriores forçando o transbordamento do sobrenadante numa quantidade igual ao volume de mistura introduzido. O afluente então descia por gravidade para uma série de lagoas de polimento. O monitoramento do sistema experimental ocorreu nas frações líquidas afluentes e efluentes do reator UASB em consonância com os métodos preconizados pelo APHA-AWWA-WPCF (1995). O reator UASB foi monitorado durante um período de 249 dias após a fase de partida. Na Tabela 1 são apresentados os parâmetros operacionais referentes as quatro fases de monitoramento do reator UASB, consistindo de diferentes cargas orgânicas, tempos de detenção hidráulico e vazões aplicadas. TABELA 1: Parâmetros operacionais utilizados durante as quatro fases de monitoramento do reator UASB tratando mistura combinada de percolado e esgoto sanitário. FASE TEMPO DE TEMPO DE CARGA VAZÃO PERÍODO DA DETENÇÃO DURAÇÃO DA ORGÂNICA MÉDIA FASE (kg.m -3.dia -1 HIDRÁULICO ) (L.dia -1 FASE ) (dia) (h) (dia) 1 2, ,9 56 ao , , ao , , ao , , ao 249 RESULTADOS As figuras 2, 3 e 4 apresentam a tendência da evolução temporal do ph, da alcalinidade total e dos ácidos graxos voláteis nos líquidos afluentes e efluentes do reator UASB. 3

4 Fase 1 Fase 2 Fase 3 Fase 4 ph ph afluente ph efluente Figura 2: Tendência da evolução temporal do ph nos líquidos afluentes e efluentes do reator UASB. Fase 1 Fase 2 Fase 3 Fase 4 AT (mgcaco /L) AT afluente AT efluente Figura 3: Tendência da evolução temporal da alcalinidade total nos líquidos afluentes e efluentes do reator UASB AGV (mghac/l) Fase 1 Fase 2 Fase 3 Fase AGV afluente AGV efluente Figura 4: Tendência da evolução temporal dos ácidos graxos voláteis nos líquidos afluentes e efluentes do reator UASB. 4

5 Analisando as figuras 2, 3 e 4 observa-se a estabilidade operacional do reator UASB, mesmo trabalhando-se com carga maiores. Com a diluição do percolado com esgoto sanitário o líquido afluente do reator UASB apresentou um ph variando em uma faixa mais restrita e neutra (6,4 a 7,5) que a apresentada pelo percolado bruto (4,6 a 8,1). O líquido efluente apresentou um ph em torno de 7 a 7,9, a concentração da alcalinidade total foi crescente, culminado com um valor máximo de 13mgCaCO 3.L -1 e a concentração de AGV situou-se abaixo de 2mgH Ac.L -1. As figuras 5 e 6 apresentam, respectivamente, o perfil da concentração da demanda química de oxigênio nos líquidos efluentes e afluentes do reator UASB e a tendência de redução de DQO em função da taxa de carregamento orgânico durante o referido período experimental. A figura 6 apresenta um modelo que objetiva estimar a eficiência de redução de material carbonáceo do substrato aplicado. Este modelo foi obtido pela equação 1, o qual expressa o modelo matemático originado dos dados experimentais deste trabalho, tomando-se como referência a DQO, onde X representa a carga orgânica aplicada. Esta equação foi obtida utilizando-se o soft Jandel Scientific e possui um coeficiente de determinação do modelo (R 2 ) de,96. DQO (mg/l) DQOrem = 14, , X Fase 1 Fase 2 Fase 3 Fase DQO afluente DQO efluente Figura 5: Tendência da evolução das concentrações de DQO nos líquidos afluentes e efluentes do reator UASB. 1,5 equação (1) % de DQO removida Carga orgânica aplicada (kg.m 3.dia -1 ) Real Estimado Figura 6 - Tendência da redução de DQO em função da taxa de carregamento orgânico tratando uma mistura combinada de percolado e esgoto sanitário em reator UASB. 5

6 Em relação a figura 5 observa-se que mesmo havendo acentuadas variações nas concentrações nos líquidos afluentes (729 a 2827 mg.l -1 ) ocorreu uma remoção elevada e crescente nos líquidos efluentes. A remoção de DQO foi de 61%, 73%, 76% e 83% durante as quatro fases. Com relação ao parâmetro DQO solúvel observou-se um comportamento semelhante com relação a remoção, sendo de 59%, 64%, 82% e 85%, respectivamente durante a primeira, a segunda, a terceira e última fase. Atribui-se a natureza dos resíduos sólidos utilizados na geração do percolado o fato de que grande parte da DQO total afluente constituí-se de DQO solúvel (53%), valor este muito próximo da relação DQO/DBO 5 que foi de 5%, indicando assim a biodegradabilidade do substrato aplicado. Analisando a tendência contida na figura 6 observa-se que a curva traçada com o modelo apresenta comportamento similar aquelas traçadas com os dados experimentais. Outro parâmetro cinético utilizado foi a constante de biodecomposição. Os valores desta constante indicam a velocidade com que o material orgânico foi degradado. O modelo adotado é o de uma reação de primeira ordem, ou seja, a velocidade da reação é proporcional à quantidade de substrato ou nutriente existente num dado instante, o que, matematicamente, pode ser descrito pela equação 2 derivada da equação de Monod. µ = µ o. e Kt equação (2) Salienta-se que µ representa a concentração do substrato num dado instante (mg.l -1 ), µ o a concentração inicial do substrato ou nutriente limitante (mg.l -1 ), k a constante de proporcionalidade (velocidade da reação ) e t o tempo (dia). A tabela 2 apresenta as equações exponenciais as quais foram ajustadas com os dados experimentais obtidos durante o trabalho experimental, utilizando a equação (2). TABELA 2 Equações exponenciais ajustadas com os dados experimentais obtidos durante as quatro fases de monitoração do sistema experimental. PARÂMETROS 1 ª 2 ª FASES 3 ª 4 ª DQO DQO = 1149,86.e -, t DQO = 1827,65.e -, t DQO = 1458,3.e -, t DQO = 2489,65.e -,85737.t STV STV = 489,33.e -,13398.t STV = 1336,33.e -,13981.t STV = 756.e -,91176.t STV = 1174.e -, t SSV SSV = 161,29.e -, t SSV = 943,5.e -, t SSV = 275,2.e -, t SSV = 273.e -, t NTK NTK = 125,91.e -,1173.t NTK = 15,8.e -,81295.t NTK = 91,56.e -,15399.t NTK = 117,1.e -,11475.t PT PT = 14,9.e -, t PT = 36,38.e -,16347.t PT = 18,79.e -,6316.t PT = 21,55.e -, t Analisando os dados apresentados na tabela 2, observa-se que a maior constante de bioconversão foi estabelecida na quarta fase do trabalho experimental para os parâmetros, DQO, STV e PT. Salienta-se que a quarta fase foi a que apresentou a maior carga orgânica aplicada ao reator UASB. A terceira fase apresentou as menores constantes de decomposição para os parâmteros DQO, STV, SSV e PT. Além disto, verificou-se que a constante de biodecomposição para SSV aumentou da primeira para a segunda fase e decresceu nas demais fases, o que leva a supor que na terceira fase a carga orgânica deveria ter sido maior, haja vista que não foi suficiente para manter o crescimento dos microrganismos expressos pelos SSV. CONCLUSÕES O tratamento de percolado conjugado com esgoto sanitário no caso específico deste trabalho desponta como uma promissora alternativa tecnológica. A eficiência média de remoção de DQO foi crescente e elevada durante o período de monitoração, sendo de 61% na primeira fase, 73% na segunda fase, 76% na terceira fase e 83% na quarta fase. 6

7 A DQO nos líquidos efluentes foi em torno de 42mg.L -1, contudo como não foi observado remoções significativas dos nutrientes como nitrogênio e fósforo, os resíduos líquidos efluentes do reator UASB requerem um tratamento em lagoas de polimento. A eficiência de remoção de DQO foi função direta da carga orgânica aplicada. Mesmo trabalhando-se com uma relação DQO/N/P acima de 35/5/1 durante as quatro fases de monitoração do trabalho não foi verificado efeito inibitório ou de toxicidade por nitrogênio amoniacal. Os resíduos líquidos efluentes do reator UASB podem ser considerados como um bom agente catalisador do processo de digestão anaeróbia de resíduos sólidos orgânicos. O reator UASB tratando uma mistura combinada de percolado e esgoto sanitário apresenta um efluente com características físicas e bacteriológicas satisfatórias para pós-tratamento em lagoas de estabilização. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS APHA, AWWA, WPCF Standart Methods for the Examination of Water and Wastewater. 18 ed. Washington, 7

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