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1 II CONTROLE NO DESENVOLVIMENTO DE LODO FILAMENTOSO EM ESTAÇÃO DE TRATAMENTO DE ESGOTO DE LODOS ATIVADOS COM AERAÇÃO PROLONGADA ATRAVÉS DA ADIÇÃO DE CLORO Haroldo Benedito Alves Técnico em química industrial formado pelo Instituto Politécnico Estadual do Paraná. Formado na Escola da Qualidade da PUC Paraná. Graduado Comércio Exterior pelo Celinter. Técnico da Gestão de Apoio Técnico Industrial da USEG Sanepar. Laércio Mateus Squiba Engenheiro Agrônomo formado pela UFPr, Técnico da Gestão de Apoio Técnico Industrial da USEG Sanepar. Gil Alceu Mochida Engenheiro Civil formado pela UFPr, funcionário da assessoria de pesquisa e desenvolvimento da Sanepar. Luis Hamilton P. Garbossa Doutor em Hidráulica e Saneamento pela Escola de Engenharia de São Carlos - USP, Engenheiro Civil pela Pontifícia Universidade Católica do Paraná, pesquisador atuando na Assessoria de Pesquisa e Desenvolvimento da Companhia de Saneamento do Paraná (SANEPAR-DMA-APD). Ceslo Savelli Gomes Graduado pela Universidade Federal do Paraná em Hidráulica e Saneamento, Master of Science em Engenharia Sanitária, pela Univ. of California, Berkeley, Funcionário da Sanepar desde 1973, sendo Colaborador na Unidade de Serviços de Grandes Projetos-USGP. Professor do Departamento de Hidráulica e Saneamento da Universidade Federal do Paraná, desde 1979, lecionando saneamento básico, projetos de obras sanitárias e instalações prediais. Endereço: R. Engenheiros Rebouças, 1376 Rebouças - Curitiba PR CEP: Brasil Tel.: ( 41 ) haroldoba@sanepar.com.br RESUMO Diversos pesquisadores afirmam que a formação de flocos de dimensões relativamente grandes está associada ao desenvolvimento de microrganismos filamentosos. Estes microrganismos são normalmente encontrados nos sistemas de lodo ativado. Entre as possíveis estruturas de flocos apresentados pelos autores estão os lodos filamentosos, sendo que as principais características destes são: grandes dimensões; resistência; má sedimentabilidade e conseqüente alto valor do IVLD (índice volumétrico do lodo da amostra diluída). As principais causas que podem estimular o aparecimento de diferentes tipos de lodo filamentoso são: baixa concentração de OD nos tanques de aeração, ambiente anóxico, esgoto séptico, tempo de retenção de sólidos muito elevado, alta concentração de compostos reduzidos de enxofre, deficiência de nutrientes como nitrogênio e fósforo e baixo valor de ph. Este artigo apresenta discussão sobre o uso de cloro para controle da ocorrência de bulking e os resultados referentes ao controle do aumento nos valores de IVLD. Após identificar a capacidade dos decantadores em relação ao valor limite do IVLD, ficou definido que para esta estação de tratamento de esgoto (ETE) estudada deve-se manter os valores do IVLD próximos a 100 ml.g -1, pois foi identificado que este valor permite a manutenção da qualidade do efluente da ETE. Atualmente nos eventos de bulking mais graves as dosagens de cloro chegam até 2,5 kg de Cl 2 /ton de MS/dia, sendo que a capacidade limite de aplicação de cloro é da ordem de 240 kg.dia -1. As medidas adotadas permitiram operar o sistema com vazões acima das previstas em projeto. PALAVRAS-CHAVE: Microrganismos filamentosos, cloração, bulking, aeração prolongada. INTRODUÇÃO O sistema de tratamento de esgoto aeróbio apresentado neste artigo tem como parte integrante nas etapas do tratamento a utilização de decantadores secundários para remover parcela dos sólidos em suspensão. A separação da massa de lodo, através da sedimentação, determina em grande parte, a qualidade do efluente. A sedimentabilidade do lodo depende da estrutura do floco formado. Quando há um desequilíbrio do sistema e um crescimento desordenado de microrganismos filamentosos ocorre redução significativa da capacidade de sedimentação do lodo e consequentemente deterioração da qualidade do efluente final do sistema. ABES Associação Brasileira de Engenharia Sanitária e Ambiental 1

2 Segundo van Haandel e Marais (1999) diversos pesquisadores alegam que a formação de flocos de dimensões relativamente grandes está associada ao desenvolvimento de microrganismos filamentosos. Estes microrganismos são normalmente encontrados nos sistemas de lodo ativado, o problema surge quando seu crescimento é excessivo. Umas das possíveis estruturas de flocos, estão os lodos filamentosos, os quais são assim denominados por apresentarem grande quantidade de organismos filamentosos, sendo que suas principais características são: grandes dimensões; resistência; má sedimentabilidade e conseqüente altos valores de IVL. Os dois fatores que provocam a má sedimentabilidade dos flocos pelo grande crescimento de microrganismos filamentosos são a redução da densidade do floco devido a uma estrutura mais difusa e a dificuldade de aproximação entre os flocos pela presença dos filamentos. Segundo autores (Barnard, 1978; van Haandel e Marais, 1999), as principais causas que podem estimular o aparecimento de diferentes tipos de lodo filamentoso são: baixa concentração de OD nos tanques de aeração, ambiente anóxico, esgoto séptico, tempo de retenção de sólidos muito elevado, alta concentração de compostos reduzidos de enxofre, deficiência de nutrientes como nitrogênio e fósforo e baixo valor de ph. Sendo que para o controle dos eventos de bulking de microrganismos filamentosos recomenda-se agir nas causas, ou seja, identificar o que está causando esses eventos e tomar ações para minimizar a causa biológica ou física que está propiciando o desenvolvimento desses microrganismos (Barnard, 1978). Somente no caso de não haver outra alternativa deve-se fazer uma intervenção direta de controle desses microrganismos através do uso de agentes físicos ou químicos para o controle das filamentosas. Albertson et al. (1991) apresentaram o valor de IVL de 150 ml.g -1 como valor de referência, a partir do qual ações devem ser tomadas para redução da concentração de microrganismos filamentosos a fim de evitar problemas de sedimentabilidade do lodo. Contudo, Jenkins et al. (2003) recomendam definir um valor para o IVL (ou outro parâmetro que indique as propriedades de sedimentabilidade do lodo) para cada caso específico. O valor do IVL deve estar abaixo um determinado valor dentro do qual a ETE em questão pode ser operada satisfatoriamente. Para definir o IVL limite deve-se levar em conta a operação do decantador secundário e também os impactos da sedimentabilidade do lodo nas unidades de processamento de sólidos. Segundo Sperling a interpretação para o valor de IVL está sujeita a influência da concentração inicial de sólidos do lodo, dificultando a interpretação do resultado. Por exemplo, um lodo com concentração de mg.l -1 que não sedimenta em 30 min poderá ter IVL de ml.g -1. Contudo, um lodo com concentração de mg.l -1 que também não sedimenta em 30 min, poderá apresentar IVL de 100 ml.g -1. Como proposta para evitar este problema, uma alternativa é diluir o lodo em razões de 2 (1/2, 1/4, 1/8) sendo este método denominado de IVLD. Escolhe-se para o teste de IVLD a diluição que apresentar após 30 min uma interface de 20% da altura inicial. A tabela 1 apresenta uma interpretação aproximada da relação entre o IVL e o IVLD. Tabela 1: Interpretação aproximada do resultado do Índice Volumétrico de Lodo. Faixa de valores do Índice Volumétrico do Lodo (ml/g) Sedimentabilidade IVL IVLD Ótima Boa Média Ruim Péssima >300 >215 Fonte: Sperling, Caso seja optado pelo controle físico ou químico do bulking de microrganismos filamentosos, através da eliminação seletiva destes, pode-se destacar que existem diversas alternativas, como por exemplo, a aplicação de ozônio, peróxido de hidrogênio, hipoclorito de sódio, cloro, entre outros. Contudo, a disponibilidade do cloro nas ETEs devido ao seu uso para atividades como o controle de odor e clarificação de efluentes, associada ao custo e a facilidade de manuseio pelos funcionários das estações, faz com que o cloro gasoso seja muito utilizado no controle do bulking (intumescimento). ABES Associação Brasileira de Engenharia Sanitária e Ambiental 2

3 A literatura (Jenkins et al., 2003) relata alguns valores de referência para seleção inicial da dosagem de cloro. De 2 a 3 kg Cl 2 / ton SS / d Esta dosagem é típica para manutenção do sistema que pode ser efetiva quando o sistema está em equilíbrio dinâmico. Porém, a cloração contínua é necessária para eliminar novas filamentosas que estão se desenvolvendo. De 5 a 6 kg Cl 2 / ton SS / d é uma dosagem típica para destruir o excesso de filamentos com pequeno impacto na qualidade do efluente. Com aplicações de 10 a 12 kg Cl 2 / ton SS / d irá provavelmente destruir os microrganismos filamentosos em excesso. Contudo, doses dessa magnitude normalmente destroem a estrutura do floco e resultam em perda da qualidade do efluente. O uso da cloração para controle de microrganismos filamentosos, normalmente, resulta na deterioração da qualidade do efluente devido ao aumento da turbidez no mesmo. A cloração também afeta a turbidez do efluente quando existe a presença de lodo nitrificante no reator (Metcalf e Eddy, 2003). MATERIAIS E MÉTODOS O sistema de tratamento de esgoto apresentado neste artigo é uma ETE de lodo ativado com aeração prolongada projetada para atender a, aproximadamente, hab, correspondente a 840 L.s -1. Contudo, atualmente está operando na sua capacidade limite, tratando em média 900 L.s -1. A ETE dispõe de sistema de tratamento preliminar composto por gradeamento e desarenador circular. O reator aeróbio é composto por dois tanques de aeração, tanque de aeração 1 (TA1) e tanque de aeração 2 (TA2) operados em paralelo. Cada um dos tanques dispõe de 8 aeradores tipo Hubert HB 400 (150 cv), totalizado 16 aeradores superficiais de eixo vertical, baixa rotação e com capacidade de oxigenação máxima no ensaio padrão de 1,5 kg O 2.h -1. CV -1. O efluente dos reatores passa por sistema de decantação e o lodo sedimentado e estabilizado aerobiamente tem parcela encaminhada novamente para o sistema de tratamento e parcela para o adensador de lodo e posteriormente para prensa desaguadora. O sistema de recirculação de lodo dispõe de duas bombas com capacidade de 400 L.s -1 cada uma, resultando em vazão total de 800 L.s -1. O sistema de dosagem de cloro foi instalado no ponto de recirculação de lodo e é compostos por 6 (seis) cilindros de cloro de 900 kg. A Solução para dosagem do cloro é preparada pela dissolução do cloro no líquido. O sistema de cloração tem capacidade para dosar até 240 kg.dia -1 de cloro nos dois tanques. A solução é preparada com o líqüido efluente do decantador, o qual é recalcado com bomba centrífuga de 3 CV para o ponto de recirculação de lodo do reator, onde é feita a dosagem. RESULTADOS E DISCUSSÃO A vazão média afluente à ETE Belém no ano de 2004 foi de 873 L.s -1.No início do ano de 2005 o sistema começou a apresentar problemas com o aumento do lodo filamentoso. No mês de fevereiro o sistema já estava trabalhando no limite de sua capacidade, com vazões médias diárias, em determinados dias do mês, de que utrapassavam a vazão de 840 L.s -1. No entanto, a vazão média efluente do sistema no mês de fevereiro foi de 647 L.s -1. Neste mesmo período o IVL apresentou valores médios de 508 ml.g -1 e 357 ml.g -1 para o tanque de aeração 1 (TA1) e o tanque de aeração 2 (TA2), respectivamente. A concentração média de OD naquele mês não ultrapassou 1 mg.l -1 em nenhum dos dois TA. Como conseqüência desses eventos foi observada perda de qualidade do efluente devido ao contínuo aumento do arraste de sólidos dos decantadores. Ao serem avaliadas estas informações, é possível identificar que esses fatores, são alguns dos apresentados na literatura (Barnard, 1978; van Haandel e Marais, 1999) como contribuintes para o desenvolvimento de microrganismos filamentosos. Como ação inicial para atender a maior vazão afluente ao sistema optou-se por reduzir a idade do lodo para manter os decantadores em funcionamento. Contudo esta ação proporcionou má estabilização do lodo É interessante observar que nos primeiros eventos de bulking, apesar da deterioração da qualidade do efluente final devido ao arraste de flocos, os decantadores apresentam reduzida turbidez. Provavelmente, esta ocorrência está ligada ao fato de que o crescimento dos microrgansismos filamentosos faz com que estes funcionem como uma espécie de malha fina que retém partículas em suspensão. No mesmo período em que foram iniciadas as ações para controle dos eventos de bulking foram realizadas análises de óleos e graxas, pois havia suspeita de que estes pudessem, também, estar influenciando nesta ABES Associação Brasileira de Engenharia Sanitária e Ambiental 3

4 ocorrência. Contudo, todas as análises realizadas apresentaram resultados inferiores a 5 mg.l -1, descartando a possibilidade de influência significativa de óleos e graxas no desenvolvimento dos microrganismos filamentosos. Neste período foram contratados exames microscópicos do material com baixa sedimentabilidade. Como resultado dos exames da amostra o laboratório relatou a predominância da espécie com morfologia similar a tipo 021N (figura 1) apresentada por Jenkins et al. (2003). Figura 1: Morfologias de microrganismos filamentosos semelhantes a 021N, apresentados por Jenkins et al. (2003). Dos problemas encontrados, não havia solução rápida que pudesse ser efetivada nas causas do desenvolvimento do bulking, pois a vazão afluente ao sistema continuava a aumentar devido ao aumento do número de contribuições, o esgoto afluente ao sistema é séptico e, com o sistema de aeração disponível, não é possível antingir a concentração de OD adequada para o sistema. Esses eventos contribuíram para o desenvolvimento de ambiente propício ao crescimento de microrganismos filamentosos. Ao se realizar a avaliação das alternativas possíveis para o gerenciamento do problema de bulking, optou-se por iniciar a cloração do lodo de retorno da ETE. A escolha do ponto de injeção é particularmente importante, pois o cloro reage extremamente rápido, logo deve ser aplicado o mais diretamente possível nos filamentos. Portanto a escolha lógica é em uma zona de passagem obrigatória do lodo do sistema e que apresente turbulência necessária permitindo contato entre o lodo e o cloro. Considerando essas questões o ponto de recirculação do lodo é local muito interessante pois é um ponto de passagem que atende a esses requisitos. A literatura sugere que a freqüência de exposição do lodo seja igual ou superior a 3 vezes por dia (Jenkins et al., 2003). Durante os ensaios iniciais de uso do cloro, optou-se por usar dosagem de 80 kg.dia -1. Esta dosagem foi feita quando os Sólidos Suspensos do Tanque de Aeração (SSTA) apresentavam valor médio de mg.l -1. A dosagem resultou em 0,5 kg de cloro/ton de MS de ST.dia. Após os primeiros dias, foi identificado que seria necessário usar a cloração com dosagens mais elevadas, o que exigiu a ampliação do sistema para capacidade máxima de 240 kg.dia -1. A partir de março a metodologia de medição de IVL foi alterada para IVLD. Após identificar a capacidade dos decantadores em relação ao valor limite do IVLD, ficou definido que para esta ETE o objetivo é manter os valores do IVLD próximos a 100 ml.g -1, pois foi identificado que este valor permite a manutenção da qualidade do efluente da ETE. Ficou estabelecido o valor de 90 ml.g -1 como valor de referência para interrupção da cloração e o valor de 110 ml.g -1 como valor de referência para retomar a cloração do sistema. ABES Associação Brasileira de Engenharia Sanitária e Ambiental 4

5 Após a área operacional definir dosagens, procedimentos operacionais e a adequação das instalações do sistema de dosagem do cloro gasoso para sua aplicação na corrente de lodo de retorno, iniciou-se o fornecimento de cloro nos eventos de crescimento desordenado de microrganismos filamentosos, identificados através da análise do IVLD no efluente líqüido do tanque de aeração. Atualmente nos eventos de bulking mais graves as dosagens de cloro chegam até 2,5 kg de Cl 2 /ton de MS/dia. Com a implantação da dosagem do cloro gasoso foi observada significativa redução dos valores de IVLD e conseqüente melhora das características de sedimentabilidade do lodo presente no decantador. Durante os eventos de bulking o IVLD do licor misto, ou seja, os sólidos suspensos do tanque de aeração atingiram valores máximos próximos a 200 ml.g -1. Foi possível observar a deterioração nas propriedades de sedimentabilidade do lodo encaminhado para o decantador. Contudo, não foi possível identificar significativa deterioração da qualidade do efluente, a qual apresentou média relativamente constante para um período de 10 meses, com valores de DQO e SST de 37 mg.l -1 e 9,3 mg.l -1, respectivamente. Isto se deve porque são tomadas ações antes do evento de bulking prejudicar a qualidade do efluente. As figuras 2 e 3 apresentam a variação dos valores de IVLD durante o período de, aproximadamente, um ano de operação da ETE para os TA 1 e IVLD [ml.g -1 ] Tempo [dias] Figura 2: Variação dos valores de IVLD durante eventos de bulking e respectivo controle para o TA IVLD [ml.g -1 ] Tempo [dias] Figura 3: Variação dos valores de IVLD durante eventos de bulking e respectivo controle para o TA2. ABES Associação Brasileira de Engenharia Sanitária e Ambiental 5

6 Conforme citado anteriormente, o procedimento de adição de cloro para o controle no crescimento dos microrganismos filamentosos prevê o uso de cloro para manter o valor do IVLD abaixo de 110 ml.g -1, sendo interrompido quando este objetivo é atingido para evitar gastos desnecessários e prejuízo ao funcionamento do sistema. Conforme pode ser observado nas figuras 2 e 3, fica clara a tendência do sistema em propiciar o desenvolvimento de microrganismos filamentosos devido ao comportamento em ciclos nos valores do IVLD. Considerando as dificuldades operacionais como, por exemplo, o aumento da vazão afluente ao sistema e a limitação na capacidade de aeração do sistema. A cloração do sistema para o controle do IVLD permitiu se obter certa flexibilidade operacional, ampliando a capacidade do sistema em tratar esgoto, sem perda significativa na qualidade do efluente. A média de valores de ph para o período estudado apresentarem certa variação entre si, contudo resultaram em valores médios iguais a 7,1 + 0,4 para ambos os tanques. Os sólidos suspensos totais apresentaram valor de mg.l e mg.l para o TA1 e TA2, respectivamente. Foram calculados os valores médios do IVLD para o período em que os TA apresentaram valor acima do limite estabelecido de 110 ml.g -1 e durante os períodos em que o sistema apresentou valores considerados ideais. Estes cálculos resultaram nas informações constantes na tabela 2. Tabela 2: Valores médios de IVLD para concentrações abaixo e acima do limite de 110 ml.g -1. IVLD acima do limite [ml.g -1 ] Período com coloração [dias]* IVLD abaixo do limite [ml.g -1 ] Período sem coloração [dias]* TA TA * Para período de acompanhamento de 322 dias. Conforme apresentado na tabela 2 durante, aproximadamente, metade do tempo o sistema apresentou valores dentro dos esperados para o IVLD e conseqüentemente não foi necessária fazer a cloração dos tanques TA1 e TA2. Também é possível verificar que ao longo do ano, com o maior domínio operacional do sistema de cloração, os períodos de tempo em que o IVLD permaneceu acima do limite desejado foi reduzido gradativamente, assim como o tempo em que se manteve acionado o sistema de cloração. A freqüência mínima de exposição do lodo recirculado ao cloro, recomendada na literatura, é de, aproximadamente, três vezes por dia. Contudo, há relatos na literatura de freqüências de 1,4 vezes por dia, a qual atendeu a demanda por controle do bulking. Para o período apresentado de 322 dias, na ETE em questão, a exposição de lodo máxima passível de ser obtida era da ordem de duas vezes ao dia. Contudo, ainda sim foi possível controlar de forma satisfatória os eventos de crescimento desordenado de microrganismos filamentosos. CONCLUSÕES Com base no apresentado é possível concluir que: Através da cloração no sistema no ponto de recirculação de lodo foi possível efetivar significativo controle do bulking no reator. As dosagens para redução do bulking variam dependendo da situação. Contudo, pode-se adotar como valor de referência 2,5 kg de Cl 2 /ton de ST/dia. As dosagens aplicadas são similares ao reportado na literatura para manter os eventos de bulking sob controle. Através destas ações foi possível flexibilizar o sistema, que já opera acima da vazão de projeto, viabilizando o aumento da concentração de sólidos suspensos no tanque de aeração e aumento da idade de lodo e sua estabilização. As ações de cloração também garantiram a manutenção da qualidade do efluente, mesmo operando a ETE com vazões acima da vazão de projeto. ABES Associação Brasileira de Engenharia Sanitária e Ambiental 6

7 REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS 1. JENKINS, D.; RICHARD, M.G.; DAIGGER, G.T. Manual on causes and control of activated sludge bulking, foaming and other solids separation problems control of activated sludge bulking and other settling problems, 3rd Edition. Lewis Publishers. London, UK p METCALF E EDDY. Wastewater Engineering Treatment Disposal and Reuse, 4th Edition. McGraw- Hill. New York, NY. p VAN HAANDEL, A. E MARAIS, G. O comportamento do sistema de lodo ativado Teoria e aplicações para projetos e operação, Epgraf. Campina Grande, PB. p VON SPERLING. Princípios do tratamento biológico de águas residuárias, Departamento de Engenharia Sanitária e Ambiental, Belo Horizonte, MG. p ABES Associação Brasileira de Engenharia Sanitária e Ambiental 7