II REMOÇÃO DE FÓSFORO EM REATORES AERÓBIOS DE LEITO FLUIDIZADO VARIANDO O TDH E INCLUINDO UMA CÂMARA DE FLOTAÇÃO

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1 II REMOÇÃO DE FÓSFORO EM REATORES AERÓBIOS DE LEITO FLUIDIZADO VARIANDO O TDH E INCLUINDO UMA CÂMARA DE FLOTAÇÃO Dib Gebara (1) Engenheiro Civil pela Escola de Engenharia de São Carlos. Mestre em Hidráulica e Saneamento pela Escola de Engenharia de São Carlos (EESC/USP). Professor Assistente do Departamento de Engenharia Civil da Faculdade de Engenharia de Ilha Solteira UNESP. Milton Dall'Aglio Sobrinho Engenheiro Civil pela Escola de Engenharia de São Carlos. Mestre e Doutor em Hidráulica e Saneamento pela Escola de Engenharia de São Carlos (EESC/USP). Professor Assistente Doutor do Departamento de Engenharia Civil da Faculdade de Engenharia de Ilha Solteira - UNESP. Pedro Além Sobrinho Professor Titular do Departamento de Engenharia Hidráulica e Sanitária da Escola Politécnica Universidade de São Paulo Endereço (1) : Alameda Bahia, 550 Ilha Solteira - SP - CEP: Brasil - Tel: (18) dib@dec.feis.unesp.br. RESUMO São apresentados os resultados da remoção de fósforo total e ortofosfato em reatores aeróbios fluidizados por jatos de ar. O trabalho experimental foi dividido em duas etapas. Na primeira os reatores operaram em conjunto com um propulsor axial possibilitando que as vazões iniciais para manter o meio suporte em suspensão fossem reduzidas. No decorrer do experimento foi variado o TDH, com o objetivo de verificar a influência do tempo de detenção hidráulica sobre a remoção de fósforo total e ortofosfato. Foi verificada nesta fase a existência de um lodo de difícil sedimentação que prejudicava a qualidade final do efluente. A partir dessas informações foi proposta a locação de uma câmara de flotação ocupando o lugar onde antes existia o decantador. Tal alteração foi apenas implantada no reator de 12m, já que os resultados da etapa anterior mostraram que as remoções de fósforo não sofreram influência da altura dos reatores. Os resultados da segunda etapa experimental mostraram que mesmo após a inserção do sistema de flotação as concentrações de fósforo total e ortofosfato continuaram acima dos padrões de lançamento, mesmo sendo observadas remoções de até 40%. Ensaios realizados em laboratório, conduzidos em uma célula de flotação, mostraram que é possível melhorar a perfomace do flotador com adição de cloreto férrico. PALAVRAS-CHAVE: Biofilme; Reator aeróbio; Leito Fluidizado, Air lift, Remoção de Nutrientes INTRODUÇÃO Os reatores aeróbios de leito fluidizado podem ser considerados uma tecnologia recente no que se refere a sistemas de tratamento de águas residuárias. Em diversos trabalhos foram relatados o emprego destes dispositivos no tratamento do esgoto doméstico e industriais. A biomassa adere naturalmente a partículas sólidas e a imobilização da biomassa em um meio suporte permite que estes sistemas operem com um tempo de detenção da fase líquida independentemente da taxa específica de crescimento dos microorganismos. Isto faz com que os reatores assumam uma geometria mais compacta em relação aos demais sistemas, portanto esses dispositivos tornam-se uma alternativa viável quando o fator limitante para a escolha do sistema de tratamento for a área de locação. Esses sistemas vêm apresentando um grande potencial para remoção de compostos orgânicos e nutrientes, como o nitrogênio e fósforo (GIESEKE et al, 2002). Sua estrutura heterogênea permite que operem tanto em processos anaeróbios como aeróbios, podendo ser exposto a estas duas condições alternadamente, colaborando para que os processos de nitrificação e desnitrificação aconteçam em um único sistema. Segundo Nicolella et al, 2000, o biofilme aderido promove uma alta velocidade de sedimentação da biomassa, reduzindo as estruturas de separação e clarificação; o meio fluidizado aumenta a área superficial para a transferência de massa, resultando em uma alta capacidade de conversão da matéria orgânica. ABES - Associação Brasileira de Engenharia Sanitária e Ambiental 1

2 Heijnen et al, 1993, apresentou bons resultados na nitrificação, com tempos de detenção baixos, da ordem de 2 a 4 horas. Outros autores, entretanto, como Furtado et al, 1998, apresentaram resultados com boa nitrificação apenas com TDH bem maior, da ordem de 8 a 10 horas. Nicolella et al., (2000) chama a atenção que em algumas ocasiões, há necessidade de uma etapa de polimento para remover uma quantidade de biomassa suspensa que tem sua origem nos processos de desprendimento do filme devido aos efeitos hidrodinâmicos. Além disso, a má sedimentabilidade do lodo também pode ter sua origem no crescimento excessivo de microorganismos filamentosos e no próprio processo de desnitrificação. Estes efeitos podem prejudicar a qualidade do efluente final nesses reatores. Dentro deste contexto, este trabalho apresenta o efeito da variação do TDH sobre a remoção de fósforo e verifica os efeitos da locação de um sistema de flotação para um mesmo TDH na remoção de fósforo. MATERIAIS E MÉTODOS Localizada em uma das estações elevatórias de esgoto do município de Ilha Solteira-SP, a bancada possui dois reatores aeróbios de leito fluidizado por jatos de ar, com 6 e 12 m respectivamente, confeccionados em PVC e com diâmetro interno de 200 mm e externo de 250 mm. Ambos os reatores são alimentados com parte do esgoto que chega a estação através de uma derivação feita na linha de recalque da estação. Após a derivação o esgoto passa por um conjunto de grades finas e a partir deste ponto ele é reacalcado até uma caixa de nível constante localizada no reator de 12 m. Parte do excesso de esgoto da caixa é conduzido a uma segunda caixa de nível constante localizada no reator de 6m. O restante é conduzido novamente até o poço de sucção da estação. Próximos às caixas de nível constate estão localizados os mecanismos para o controle da vazão afluente dos reatores. O material escolhido como meio suporte para o crescimento aderido foi areia. Para a caracterização do material foram realizadas análises granulométricas conjunta (NBR 7181/84) e a massa específica dos sólidos seguiu a metodologia preconizada pela ABNT(NBR 6508/84). O material suporte pode ser classificado como areia fina com diâmetro médio de 0,27mm e massa específica de 2657 kg/m 3. O sistema de injeção de ar, responsável por manter o meio suporte em suspensão e fornecer oxigênio necessário para os processos metabólicos, utiliza difusores de ar cilíndricos confeccionados em PVC com um diâmetro de 40 mm. Estes foram perfurados em 6 carreiras de 36 furos. Cada furo possui um diâmetro aproximado de 1 mm espaçados cerca de 3 mm entre eles. Os difusores de ar foram centralizados em relação ao tubo interno, cerca de 1,20m acima do fundo. Para prover de ar o sistema de injeção utilizaram-se dois compressores de duplo estágio, um com 5 HP e outro de 7,5 HP, com tanque de reserva de 800 litros. Para investigar a remoção de fósforo em reatores aeróbios de leito fluidizado por jatos de ar o trabalho experimental foi dividido em duas etapas. ETAPA 1 REATORES OPERANDO COM UM PROPULSOR AXIAL No início de operação foi verificado um residual de oxigênio muito grande no topo dos reatores. Este excesso causa uma certa ineficiência no processo, principalmente em termos econômicos, já que grande parte da energia gasta no processo pode ser atribuída a produção de ar. Dentro deste contexto foi proposta a locação de um propulsor axialnos tubos de subidas dos reatores. A introdução do propulsor axial permitiu reduzir as vazões de ar sem comprometer a suspensão do meio suporte. Desta forma as vazões que eram de 5500 l/h puderam ser reduzidas para 2500 l/h. A concentração de meio suporte nesta etapa foi de 100 g/l de areia e os tempos de detenção hidráulica foram de 8, 6, 4, 3 e 2 horas sendo modificados em intervalos equivalentes a dois meses. A figura 1 mostra um esquema da bancada com a bomba inserida no tubo de subida. ABES - Associação Brasileira de Engenharia Sanitária e Ambiental 2

3 Figura 1: Esquema da bancada experimental com o propulsor axial Apesar da redução na vazão de ar obtida com a introdução do propulsor axial foi verificado no efluente final dos reatores a ocorrência de um lodo de difícil sedimentação, que pode ter sua origem no processo de desnitrificação e também pela grande turbulência do leito, causando o desprendimento de parte da biomassa aderida. Este lodo prejudicava a qualidade do efluente final. Como proposta para eliminar esta parcela de sólidos indesejáveis, o decantador transformou-se em uma câmara de flotação, dando início a segunda etapa da experimentação. ETAPA 2 REATORES OPERANDO COM SISTEMA DE FLOTAÇÃO A figura 2 mostra o esquema do flotador proposto. Comparando a figura 1 com a figura 2 pode-se observar que o decantador foi utilizado para criar a câmara de flotação. A câmara possui um diâmetro externo de 0,75 m e interno de 0,40 m, dado pelo diâmetro da câmara de separação de ar. O líquido sai da câmara através de 4 aberturas horizontais dotadas de defletores verticais que dirigem o fluxo para baixo ao penetrar no decantador. Para o sistema de recirculação foi instalada uma câmara pressurizada. Figura 2: Esquema da bancada experimental com o sistema de flotação Parte do efluente do reator deveria ser levado a uma caixa de passagem onde existe um sistema de recalque que conduz este efluente à câmara pressurizada. Entretanto, devido as baixas vazões de recirculação ABES - Associação Brasileira de Engenharia Sanitária e Ambiental 3

4 empregadas, houve entupimento dos injetores do sistema de flotação pelo acúmulo de sólidos existente no efluente. Para contornar este problema optou-se pelo uso de água limpa como fluido de recirculação ao invés de parte do efluente. Para o controle de nível no interior da câmara pressurizada foi utilizada uma chave de bóia ligada à bomba. A pressão no interior da câmara situou-se na faixa de 5 a 6 atm. Entre o compressor e a câmara existe uma válvula reguladora de pressão, cuja a função é manter constante a pressão de saída. A água de recirculção passa por um filtro, sendo a vazão regulada através de um rotâmetro de alma cônica. A figura 3 mostra um esquema contendo os principais componentes da alimentação do sistema de flotação. Figura 3: Esquema da alimentação do sistema de flotação Nesta fase do trabalho optou-se em manter apenas o reator de 12 m em funcionamento com o sistema de flotação. A concentração de areia no interior do reator permaneceu a mesma da etapa anterior, ou seja, 100 g/l. O TDH durante toda essa etapa foi de 3 h e apenas foi alterada a taxa de recirculação no sistema de flotação, começando com 15% e após 2 meses de operação este valor foi alterado para 20%. ANÁLISES FÍSICO QUÍMICAS Para a caracterização do esgoto afluente e efluente dos reatores, nas duas etapas de operação, foram realizadas análises de Fósforo Total e Ortofosfato de acordo com Standart Methods for Examination of Water and Wastwater (APHA, AWWA & WPCF, 1998), sendo a concentração obtida através do uso de espectrofotômetro (DR-2000). Para uma maior clareza, serão descritos na tabela 1 os métodos que foram seguidos: Tabela 1: Métodos Análises Fosfato Total* Ortofosfato* (*)análises realizadas em espectrofotômetro DR-2000 Métodos Uitilizados Método digestão ácido persulfato (Hach) Método ácido ascorbico (Hach) ABES - Associação Brasileira de Engenharia Sanitária e Ambiental 4

5 RESULTADOS ETAPA 1 (BOMBA AXIAL) A tabela 2 apresenta os valores de concentração de fósforo total em função do TDH para os reatores operando com o propulsor axial Tabela 2: ConcentraçãoFósforo Total A partir dos dados da tabela 2 foram construídos os gráficos das figuras 4 e 5 que apresentam as concentrações médias e remoções de fósforo total respectivamente Figura 4: Concentrações médias de fósforo total em função do TDH Pelo gráfico da figura 4 pode-se notar que as concentrações médias de fósforo total no efluente dos reatores não apresentaram diferenças significativas com a variação do TDH. A figura 5 mostra o gráfico de remoções de fósforo total em função do TDH em termos percentuais. ABES - Associação Brasileira de Engenharia Sanitária e Ambiental 5

6 Figura 5: Remoções médias de fósforo total em função do TDH Embora o gráfico da figura 5 mostre remoções de até 42% nas concentrações de fósforo total para o TDH de 6 horas. As concentrações continuaram acima dos padrões estabelecidos para o lançamento ficando em torno de 7 mg/l por todo período experimental. A tabela 3 mostra as concentrações de ortofosfato para o reator de 12 e 6 metros em função do TDH respectivamente. Tabela 3: Concentração Ortofosfato A partir dos dados da tabela 3 calculou-se a concentração média de ortofosfato em função do TDH. Os valores de concentração média podem ser observados no gráfico da figura 6. ABES - Associação Brasileira de Engenharia Sanitária e Ambiental 6

7 Figura 6: Concentrações médias de ortofosfato em função do TDH As concentrações de ortofosfato ficaram acima dos padrões de lançamento para ambos os reatores. Os gráficos das figuras 4, 5 e 6 mostraram que não houve diferenças na eficiência de remoção de fósforo com o aumento da altura do reator quando confronta-se os resultados do reator de 6 m e 12 m. Os resultados também mostram que não houve diferenças nas concentrações de fósforo total e ortofosfato para as faixas de TDH's ensaiadas. Embora a inserção do propulsor não tenha alterado o comportamento dos reatores com relação a remoção de fósforo, esta proposta permitiu que os reatores operassem com vazões de ar menores nos estágios iniciais de operação. Antes disso os reatores necessitavam de um longo tempo até a formação do biofilme para redução da vazão de ar. O período de formação de biofilme também era retardado devido ao intenso cisalhamento causado pelas altas vazões de ar. Durante esta fase de experimentação foi verificado a existência de um lodo de difícil sedimentação que acabava sendo carreado junto com efluente final dos reatores, prejudicando sua qualidade. Para contornar este problema foi proposto a construção de um flotador no lugar dos decantadores. RESULTADOS ETAPA 2 (FLOTAÇÃO) Como os resultados da etapa anterior mostraram que não houve diferenças entre reator de 12 e 6 m optou-se apenas pela locação do sistema de flotação no reator de 12 metros. O gráfico a seguir mostra as concentrações de fósforo total ao longo do período experimental para as duas taxas de recirculação utilizadas, que foram de 15% e após alguns ensaios realizados optou-se por aumentar para 20%. Figura 7: Concentrações de fósforo total em função da taxa de recirculação A figura 8 mostra os valores da concentração de ortofosfato, para as duas taxas de recirculação. Podempos observar que houve uma redução nas concentrações de fósforo total e ortofosfato. Entretanto as concentrações, mesmo após a locação do sistema de flotação, continuaram acima dos padrões de lançamento. ABES - Associação Brasileira de Engenharia Sanitária e Ambiental 7

8 Figura 8: Concentrações de ortofosfato em função da taxa de recirculação O gráfico da figura 9 faz um comparativo entre as concentrações de fósforo total nas três situações de operação do reator, ou seja, sem o sistema de flotação, com o sistema e 15% e 20 % de recirculação respectivamente. Figura 9: Concentrações médias de ortofosfato em função da taxa de recirculação Podemos observar pela figura 9 remoções médias de 40 %. Apesar do gráfico acima apontar uma eficiência de remoção de fósforo total menor para o reator funcionando sem o sistema de flotação, se os desvios das amostras forem computados verifica-se que não houve diferença entre as três situações de operação. O mesmo comportamento pode ser verificado para a remoção de ortofosfato, como pode ser observado na figura 10. Além disso as reduções observadas nas figura 9 e 10 não podem ser somente creditadas ao aumento da eficiência de remoção devido ao aumento da taxa de recirculação, pois o sistema utilizou água limpa ao invés de parte do efluente final que deveria retornar à câmara de saturação. O início de operação com parte do efluente do reator recirculando acabou gerando problemas de entupimento dos injetores no interior do flotador, agravado ainda pelas baixas vazões empregadas. Deste modo parte do efeito de redução da concentração média de fósforo total e ortofosfato pode estar ocorrendo devido à diluição do esgoto afluente. ABES - Associação Brasileira de Engenharia Sanitária e Ambiental 8

9 Figura 10: Concentrações médias de ortofosfato em função da taxa de recirculação Durante todo período de operação com esse sistema não houve nenhuma adição de agentes floculantes ou coagulantes.devido a estes problemas operacionais apresentados, coletou-se amostras antes da entrada no sistema de flotação e foram realizados ensaios de flotação em uma bancada de laboratório utilizando um aparelho de jar-test e uma célula de flotação de acordo com Metcalf & Eddy (1991). Nestes ensaios utilizou-se ainda cloreto férrico como agente floculante, variando a concentração e utilizou-se a mesma taxa de recirculação e pressão de trabalho adotadas em campo. A amostra coletada era dividida em 6 células de amostragem com volume de 2 litros. Na primeira célula não foi adicionado cloreto férrico e nas demais a concentração variou de 15 a 100 mg/l. As células eram levadas ao aparelho de jar-test onde era realizada a mistura. Durante a experimentação foram anotadas as condições de cada ensaio, ou seja, foram medidos o ph, as temperaturas de cada amostra e ambiente. Para verificar a influência da adição de cloreto férrico sobre a remoção de fósforo, adotou-se o fósforo total como parâmetro, pela facilidade nos ensaios de caracterização. O gráfico da figura 11 mostra os resultados obtidos nos ensaios em laboratório. Figura 11: Concentrações médias de fósforo total em função da adição de cloreto férrico Fósforo Total (mg/l - P) 7,0 6,5 6,0 5,5 5,0 4,5 4,0 3,5 3,0 2,5 2,0 1,5 1,0 0,5 0,0 O m g/l 15mg/l 25mg/l 50mg/l 75mg/l 100mg/l Concentração de Cloreto Férrico O gráfico da figura 11 mostra que o aumento da adição de cloreto férrico ocasionou um decréscimo na concentração de fósforo total nas amostras retiradas. Os valores apresentados na figura 11 são relativos às concentrações médias obtidas nos mesmos. CONCLUSÕES As remoções de fósforo total e ortofosfato não foram afetadas pelo efeito de escala e alteração do TDH, quando se compara os resultados obtidos do reator 6 com o reator de 12 m. Para todos os TDH's propostos na etapa 1, as concentrações de fósforo total e ortofosfato ficaram acima dos padrões de lançamento. A inclusão de um propulsor axial permitiu reduzir as vazões iniciais requeridas para manter o meio suporte em suspensão até a formação do biofilme. Nesta etapa experimental foi verificada a existência de um lodo de ABES - Associação Brasileira de Engenharia Sanitária e Ambiental 9

10 difícil sedimentação, prejudicando a qualidade final do efluente. Neste sentido foi proposta a construção de um flotador no lugar dos decantadores, na tentativa de contornar o problema. Com esta proposta os dispositivos não perderam a característica de serem compactos. Era esperado que a remoção de fósforo fosse o parâmetro que sofresse maiores alterações com a inclusão do flotador, entretanto, os resultados mostraram que mesmo após a inclusão de tal sistema as concentrações efluentes do reator continuaram acima dos padrões de lançamento. A pequena redução observada em termos de ortofosfato e fósforo total não pôde ser exclusivamente creditada ao sistema de flotação, já que os resultados podem ter sido influenciados pela diluição do esgoto efluente. Com a adição de cloreto férrico, tendo como parâmetro o fósforo total, os ensaios realizados em uma célula de flotação em laboratório mostraram que é possível a remoção de fósforo utilizando um sistema de flotação integrado a um sistema aeróbio de leito fluidizado por jatos de ar. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS 1. FURTADO, A.A.L.; ALBUQUERQUE, R.T.; LEITE, S.G.F. & PEÇANHA, R.P. Effect of Hydraulic Retention Time on Nitrification in an Airlift Biological Reactor. Bras. J. of Chem. Eng.: v.15(3), GIESEKE, A.; ARNZ, P.; AMANN, R.; SCHRAMM, A. Simultaneous P end N removal in a sequencing batch biofilm reactor: insights from reactor- and microscale investigations. Water Research, v. 36, p , HEIJNEN, J. et al. Development and Scale-Up of an Aerobic Biofilm Air-Lift Suspension Reactor. J. Water Sci. Tech.: v. 27, p , NICOLELLA, C.; VAN LOOSDRECHT, M.C.M; HEIJNEN, J.J. Wastewater treatment with particulate biofilm reactors. Journal of Biotechnology, v.80, p. 1-33, AGRADECIMENTOS À FAPESP, FUNDUNESP pelo apoio financeiro e PREFEITURA MUNICIPAL DE ILHA SOLTEIRA por apoiarem cedendo o local para a realização do experimento. ABES - Associação Brasileira de Engenharia Sanitária e Ambiental 10