II DESEMPENHO DE SISTEMA DE LODO ATIVADO DE LODO ÚNICO UTILIZADO PARA TRATAMENTO DE ÁGUA RESIDUÁRIA SINTÉTICA DE COQUERA

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1 II-29 - DESEMPENHO DE SISTEMA DE LODO ATIVADO DE LODO ÚNICO UTILIZADO PARA TRATAMENTO DE ÁGUA RESIDUÁRIA SINTÉTICA DE COQUERA Solange Aparecida Goularte Dombroski (1) Engenheira Sanitarista pela Universidade Federal do Mato Grosso, Mestre em Engenharia Civil (área: Hidráulica e Saneamento) pela Escola de Engenharia de São Carlos da USP, Doutora em Engenharia (área: Engenharia Hidráulica e Sanitária) pela Escola Politécnica da USP, 3. Pesquisadora Visitante (bolsa de DCR do CNPq) junto à Universidade Federal do Mato Grosso. Pedro Alem Sobrinho Engenheiro Civil pela Escola de Engenharia de São Carlos da USP, Engenheiro Sanitarista pela Faculdade de Higiene e Saúde Pública da USP, Master of Science in Public Health Engineering pela University of Newcastle upon Tyne, U.K., Doutor em Engenharia pela Escola Politécnica da USP, Professor Titular do Departamento de Engenharia Hidráulica e Sanitária da Escola Politécnica da USP. Endereço (1) : Rua Consolação, Coophema Cuiabá - MT - CEP: Brasil - Tel: XX Fax: XX solgd@cpd.ufmt.br. RESUMO Os processos de nitrificação e desnitrificação utilizando fonte interna de carbono foram aplicados para o tratamento de água residuária de coqueria. A água residuária consistiu em um despejo sintético, simulando despejo líquido de coqueria, com concentrações de fenol da ordem de mg/l e de nitrogênio amoniacal em torno de 75 mgn-nh 3 /L. O estudo foi desenvolvido com a operação de um sistema de lodo ativado de lodo único, em escala piloto, objetivando a utilização de fenol como principal fonte de carbono no processo de desnitrificação. O presente trabalho foi possível após o desenvolvimento de estudos anteriores de adaptação da biomassa e operação do sistema com diferentes condições (DOMBROSKI et al., 2, DOMBROSKI; ALEM SOBRINHO, 3). Este trabalho refere-se à operação do sistema com idade do lodo de 29 dias. Observou-se desempenho estável do reator anóxico em relação a remoção de fenol (eficiência média de remoção de fenol 99,6%), confirmando que o fenol pode ser utilizado como fonte de carbono por bactérias desnitrificantes. Para as condições estudadas de fração anóxica de volume de reator (,4), tempo de detenção hidráulica efetivo para o reator anóxico (,8 dias) e idade de lodo (29 dias), observou-se uma taxa de desnitrificação específica de,88 kgn-no 3 - /kg SSV.d, eficiência de remoção de nitrogênio e DQO de 56,7 e 95,9%, respectivamente. Considerando que a relação DQO/N do afluente foi de 3,3, sugere-se que melhores remoções de nitrogênio poderão ser obtidas com complementação do carbono orgânico afluente ao processo de desnitrificação. PALAVRAS-CHAVE: Desempenho, lodo ativado, sistema de lodo único, água residuária, coqueria. INTRODUÇÃO A fabricação do aço pela indústria siderúrgica através de forno a base de oxigênio requer a coqueria em seu processo produtivo. Nesta unidade, o coque é produzido pelo aquecimento do carvão na ausência de oxigênio a altas temperaturas nos fornos de coque. Nos altos fornos, onde é produzido o ferro gusa através do aquecimento do coque, minério de ferro e calcário, o coque serve como combustível e fonte de carbono. As águas residuárias de coquerias podem apresentar concentrações relativamente altas de nitrogênio amoniacal e de compostos fenólicos. Outros poluentes que podem estar presentes nestes despejos líquidos incluem, entre outros, cianetos, hidrocarbonetos aromáticos polinucleares (HAPs) e mononucleares. A água residuária de coqueria é gerada na coqueificação do carvão, tratamento dos gases e nos processos de recuperação dos subprodutos da produção de coque e sua composição pode ser afetada em função do método utilizado para recuperação dos subprodutos (ZHANG et al., 1998). Características típicas de águas residuárias de coqueria são: (i) 418 a mgn-nh 3 /L (SUTTON et al., 199, LEE; PARK, 1998); (ii) DQO de 2678 a 3526 mgo 2 /L (SUTTON et al., 199); (iii) compostos fenólicos de a mgfenol/l (LEE; PARK; 1998, DA COSTA, 1999). ABES - Associação Brasileira de Engenharia Sanitária e Ambiental 1

2 O tratamento biológico de águas residuárias de coquerias tem sido bastante utilizado, apresentando-se, geralmente, técnica e economicamente viável. O objeto de algumas pesquisas tratando tais efluentes ou similares tem sido remover, através de sistemas biológicos aeróbios, compostos fenólicos e/ou nitrogênio amoniacal, principalmente. Em outras pesquisas, foram utilizados reatores anóxicos, os quais podem promover a desnitrificação, resultando em remoção de nitrogênio presente nas referidas águas residuárias. Nos últimos anos, a tendência tem sido a aplicação de desnitrificação com utilização de fonte interna de carbono (sistema de lodo único com pré-desnitrificação) por razões econômicas, menor produção de lodo e utilização mais efetiva dos compostos orgânicos contidos na água residuária (ISAACS; HENZE, 1995). A utilização de sistemas de lodo único com pré-desnitrificação apresenta vantagens como: diminuição do consumo de oxigênio em função da utilização da matéria orgânica presente na água residuária pelas bactérias desnitrificantes e isenção ou diminuição dos gastos referentes ao uso de fonte externa de carbono. Outras vantagens de processos que incluem a desnitrificação controlada são a produção de alcalinidade e o melhor desempenho do decantador secundário. Assim, tem sido cada vez maior o interesse pelo desenvolvimento de sistemas biológicos de tratamento de águas residuárias que sejam eficientes na remoção de nitrogênio, seja para cumprimento de legislações cada vez mais restritivas, seja com vistas a vantagens relacionadas ao processo global. Para efluentes de coqueria, com altas concentrações de fenol e de nitrogênio amoniacal, o processo de nitrificação e desnitrificação utilizando fenol como principal fonte de carbono merece especial atenção. Esta pesquisa teve por objetivo avaliar a desnitrificação de uma água residuária de coqueria (com concentração de nitrogênio amoniacal em torno de 75 mgn-nh 3 /L) sem adição de fonte externa de carbono, através da operação de um sistema de lodo ativado de lodo único, utilizando fenol como principal fonte de carbono para desnitrificação. MATERIAL E MÉTODOS A seguir são apresentadas as características da água residuária e da instalação piloto utilizadas, além das etapas e monitoramento da presente pesquisa. Características da água residuária A água residuária estudada consistiu em uma água residuária sintética simulando despejo líquido de coqueria. A mesma foi preparada com água de abastecimento público e determinados produtos químicos, adicionados de modo a torná-la relativamente similar àquelas águas residuárias produzidas em coquerias. Os produtos químicos e as concentrações dos mesmos utilizados na preparação da mesma são apresentados na Tabela 1. Tabela 1: Produtos químicos utilizados para preparação da água residuária sintética Produtos químicos Concentração (mg/l) Fenol Cloreto de amônio 287 Sulfato de manganês 53 Cloreto de cálcio 53 Ferrocianeto de potássio 133 Sulfato de magnésio 33 Fosfato de potássio bibásico Naftaleno 3 Benzeno 5 Tolueno 3 Xileno 5 Fonte: DA COSTA (1999), DOMBROSKI (3). Instalação piloto utilizada A instalação piloto consistiu em sistema de lodo ativado de lodo único contendo, basicamente, um reator anóxico, um reator aeróbio, um decantador secundário e reciclo de lodo ativado (Figura 1). Os reatores e ABES - Associação Brasileira de Engenharia Sanitária e Ambiental 2

3 decantador foram construídos em chapa de aço inoxidável. A homogeneização do conteúdo do reator anóxico foi realizada com agitador mecânico de eixo vertical e a do conteúdo do reator aeróbio foi através do ar (fornecido por um compressor de ar) introduzido neste reator. O decantador possuía um removedor de lodo. Qd Qa, Sa Reator anóxico V1, S1, X1 Reator aeróbio V2, Se, X2 Qr, Se, Xr Decantador V3 Qe, Se, Xe Qalcal., Salcal. Figura 1: Configuração e esquema operacional do sistema de lodo ativado utilizado Onde: Qa: vazão afluente ao sistema; Sa: concentração do substrato no afluente; Qe: vazão efluente; Se: concentração do substrato no efluente; Xe: concentração de sólidos em suspensão voláteis no efluente; Qr: vazão de retorno de lodo do decantador; Xr: concentração de sólidos em suspensão voláteis na linha de retorno de lodo do decantador; Sr: concentração do substrato na linha de retorno de lodo; Qalcal.: vazão de solução alcalinizante; Salcal.: concentração da solução alcalinizante; X1: concentração de sólidos em suspensão voláteis no reator anóxico; V1: volume do reator anóxico; S1: concentração do substrato no reator anóxico; Qd: vazão de descarte de lodo do reator aeróbio para fins de amostragem e para manutenção da idade do lodo; X2: concentração de sólidos em suspensão voláteis no reator aeróbio; V2: volume do reator aeróbio; S2: concentração do substrato no reator aeróbio; V3: volume do decantador. Etapas da pesquisa A pesquisa foi desenvolvida em três etapas principais: (i) operação do sistema sem a zona anóxica: partida do sistema e adaptação do lodo biológico visando a nitrificação; (ii) operação do sistema com a zona anóxica incorporada: testes preliminares e (iii) operação do sistema com valores pré-estabelecidos da idade do lodo. Na primeira etapa, o sistema foi operado sem o reator anóxico. A biomassa (obtida do tanque de aeração do sistema de tratamento de efluentes líquidos de uma indústria petroquímica) foi adaptada para tratar a água residuária em questão. Nesta etapa o sistema foi operado para obtenção da nitrificação e remoção dos compostos orgânicos em meio aeróbio. Na partida da operação, a vazão do afluente foi em torno de 1L/d. A vazão afluente ganhava incrementos de 5L/d quando o efluente apresentava concentração < 5 mg N-NH 3 /L e <,5 mg fenol/l até vazão final de 3 L/d. Uma bomba dosadora foi utilizada para adição de solução de NaHCO 3 ao conteúdo do reator aeróbio visando a manutenção do ph na faixa de 6,8 a 7,2. Após adaptação da biomassa visando a nitrificação, deu-se início à segunda etapa da pesquisa. Nesta, o inóculo foi submetido a outra adaptação a qual visou remoção de compostos orgânicos no reator anóxico para tais compostos servirem como doadores de elétrons no processo de desnitrificação. A partir desta etapa, houve controle automático de ph (medidor/controlador de ph acoplado a um eletrodo de ph e a uma bomba dosadora, a qual dosava NaHCO 3 ) no conteúdo do reator aeróbio. ABES - Associação Brasileira de Engenharia Sanitária e Ambiental 3

4 Então, iniciou-se a etapa de avaliação da desnitrificação para operação da instalação piloto com idade do lodo do sistema (θc sistema ) de 29 dias. A Tabela 2 apresenta as condições operacionais para este teste (θc sistema de 29 dias). Tabela 2: Condições operacionais gerais durante a operação do sistema de lodo ativado com θc sistema de 29 dias Parâmetros Água residuária bruta Reator anóxico Reator aeróbio Sistema ph 5,95-6,29 7,15-7,82 6,47-7,2 - Temperatura ( o C) 21,5-26,5 24, - 27, 24, - 26,5 - OD (mgo 2 /L) -, 4,35-5,5 - DQO afluente /N-NH 3afluente 3, Tempo de detenção hidráulica 1 (d) -,8 3,7 6,9 Idade do lodo (d) Recirculação do lodo do decantador (%) 1 Tempo de detenção hidráulica efetivo para o reator anóxico e nominal para o reator aeróbio e o sistema. Os resultados referentes a primeira e segunda etapas foram apresentados em DOMBROSKI et al. (2). Com relação à terceira etapa, parte dos resultados (θc sistema : 6 dias) foram apresentados em DOMBROSKI et al. (2) e parte (θc sistema : 41 dias) em DOMBROSKI; ALEM SOBRINHO (3). Monitoramento do sistema de lodo ativado O sistema foi monitorado através de medidas de: (i) nitrogênio amoniacal (N-NH 3 ), (Demanda Química de Oxigênio) DQO, fenol, nitrato, nitrito, sólidos em suspensão totais (SST), sólidos em suspensão voláteis (SSV), ph e temperatura no efluente; (ii) nitrogênio amoniacal, DQO, fenol, ph e temperatura no afluente; (iii) oxigênio dissolvido (OD), ph, temperatura, fenol, SST, SSV, nitrato e nitrito no conteúdo de reator anóxico; (iv) OD, ph, temperatura, SST e SSV no conteúdo do reator aeróbio. Os métodos utilizados nas determinações laboratoriais foram os seguintes (APHA et al. 1995): DQO: refluxo aberto; compostos fenólicos: fotométrico direto com destilação preliminar e extração com clorofórmio com destilação preliminar; nitrogênio amoniacal: titulométrico; nitrato: eletrodo de nitrato (Orion, 977 BN); nitrito: colorimétrico; sólidos em suspensão voláteis e totais (SSV e SST): gravimétrico; ph: potenciométrico; oxigênio dissolvido (OD): eletrodo de membrana. RESULTADOS E DISCUSSÃO A seguir são apresentados os resultados obtidos (compostos fenólicos, DQO, N-NH 3, N-NO 3 -, N-NO 2 -, SST, SSV, OD, ph, temperatura, taxa de utilização de substrato (U), taxa de desnitrificação específica (TD esp ), relação alimento/microrganismos (A/M) e eficiência de remoção) durante a operação do sistema de lodo ativado com θc sistema de 29 dias. Na Figura 2a observa-se um desempenho estável do reator anóxico com relação à remoção de fenol, não sendo verificadas concentrações acima de 1 mgfenol/l (limite de detecção do método fotométrico direto). No efluente final, as concentrações verificadas de fenol foram inferiores aos padrões de emissão para corpos d água receptores de,5mg/l estipulados pela Resolução número 2 do Conselho Nacional do Meio Ambiente -CONAMA- (BRASIL, 1986) e pelo artigo 18 do Decreto número do Estado de São Paulo (SÃO PAULO, 1976). As concentrações de fenol iguais a,25 mg/l apresentadas na Figura 2a referem-se às determinações laboratoriais que resultaram iguais ou inferiores ao limite de detecção do método da extração com clorofórmio. As concentrações médias de DQO (Figura 2b) foram de 2495, 97 e 92 mgo 2 /L para a água residuária bruta, reator anóxico e efluente final, respectivamente. Observa-se que grande parte da DQO (ver Tabela 3) foi removida no reator anóxico, o que está de acordo com a remoção de fenol, considerando que este era o principal composto orgânico em termos quantitativos. ABES - Associação Brasileira de Engenharia Sanitária e Ambiental 4

5 Água residuária bruta (mg fenol/l) Água residuária bruta Compostos fenólicos Reator anóxico 2, 1,5 1,,5, Reator anóxico e efluente final (mg fenol/l) (a) Água residuária bruta (mg O 2 /L) DQO Água residuária bruta Reator anóxico (amostra filtrada) (amostra filtrada) Figura 2: Variação das concentrações de compostos fenólicos (a) e DQO (b) com θc sistema = 29d Reator anóxico e efluente final (mg O 2 /L) Na Figura 3a, é possível observar estabilidade do reator aeróbio com relação a remoção de nitrogênio amoniacal ao longo de todo o teste, exceto por um pico (7 mgn-nh 3 /L) no 26 o dia, o qual não foi possível identificar a causa e que não se manteve. Com exceção deste pico, as concentrações de N-NH 3 no efluente sempre foram abaixo de 5 mg N-NH 3 /L. (b) Nitrogênio amoniacal 5 5 Nitrato Água residuária bruta e reator anóxico (mg N- NH 3 /L) Água residuária bruta Reator anóxico (amostra não filtrada) Reator aeróbio (amostra não filtrada) Reator aeróbio e efluente final (mg N-NH 3 /L) mg N-NO 3 - /L Reator anóxico Figura 3: Variação das concentrações de N-NH 3 (a) e N-NO 3 - (b) com θc sistema = 29 d. (a) Com relação às concentrações de nitrato, observa-se uma estabilidade no efluente final (Figura 3b) a partir do 2 o dia. As concentrações médias de nitrato e nitrito no efluente foram de 289 mgn-no 3 - /L e,71 mgn-no 2 - /L (resultados não apresentados aqui). A partir das concentrações de nitrogênio amoniacal dos conteúdos dos reatores anóxico e aeróbio, calcularam-se a relação alimento/microrganismo (A/M) e taxa de utilização de substrato (U) para o reator aeróbio (Tabela 3). Neste teste (θc sistema = 29d), observou-se uma eficiência de remoção de nitrogênio de 56,7% (Tabela 3). Esta esteve entre a eficiência de remoção de nitrogênio verificada durante a operação do sistema com θc sistema = 6d (5,1%, DOMBROSKI et al., 2) e com θc sistema = 41d (59,3%, DOMBROSKI; ALEM SOBRINHO, 3). É possível que a maior eficiência de remoção observada quando o sistema foi operado com θc sistema = 41 d, (b) ABES - Associação Brasileira de Engenharia Sanitária e Ambiental 5

6 comparada com àquelas de 29 e 6 dias, foi devida às condições operacionais do mesmo que resultaram em uma relação DQO removida /N-NO 3 - removido ligeiramente menor (4,1, 4,2 e 4,3 para θc sistema de 41, 29 e 6 dias, respectivamente), já que a relação DQO afluente /N-NH 3afluente foi basicamente igual (3,2 a 3,3) para os três testes. A Figura 4 mostra que as concentrações de SST e SSV nos reatores anóxico e aeróbio se estabilizaram a partir do 35 o dia do teste. As concentrações médias de SST foram de 2539, 2441 e 25 mg/l e de SSV foram de 2299, 2213 e 23 mg/l para os conteúdos dos reatores anóxico e aeróbio e para o efluente final, respectivamente. Este teste resultou em uma concentração média de SST no efluente (25 mg/l) maior do que aquelas observadas durante a operação do sistema com θc sistema = 41d (14 mg/l, DOMBROSKI; ALEM SOBRINHO, 3) e com θc sistema = 6 d (18 mg/l, DOMBROSKI et al., 2). Tais diferenças podem ter ocorrido em função de diferentes fluxos de sólidos aplicados no decantador em cada teste, embora, nesta pesquisa, não tenha sido determinado o fluxo limite de sólidos. SST (mg/l) - Reator anóxico e aeróbio Sólidos em suspensão totais SST (mg/l) - (a) SSV (mg/l) - Reator anóxico e aeróbio Sólidos em suspensão voláteis SSV (mg/l) - (b) Reator anóxico Reator aeróbio Reator anóxico Reator aeróbio Figura 4: Variação das concentrações de SST (a) e SSV- (b) com θc sistema = 29 d. A Tabela 3 mostra um resumo dos resultados verificados durante a operação do sistema de lodo ativado com θc sistema de 29 dias. Tabela 3: Resumo dos resultados obtidos Parâmetros Reator anóxico Reator aeróbio Sistema A/M (kgfenol/kgssv.d), A/M (kgn-nh 3 /kgssv.d) -,7 - U (kgfenol/kgssv.d), U (kgn-nh 3 /kgssv.d) -,7 - TD esp (kgn-no - 3 /kgssv.d),88 - Fenol removido /N-NO - 3 removido 1, DQO removida /N-NO 3 removido 4,2 - - Eficiência de Fenol 99,6-99,97 remoção (%) DQO 86,9-95,9 N-NH 3-99, 99,9 N-(NH 3 +NO - 3 +NO - 2 ) 44,3-56,7 CONCLUSÕES O presente trabalho permitiu as seguintes conclusões: ABES - Associação Brasileira de Engenharia Sanitária e Ambiental 6

7 - Os resultados obtidos (θc sistema = 29 d) confirmaram a viabilidade de obtenção de desnitrificação utilizando fonte interna de carbono para a água residuária de coqueria utilizada, verificada anteriormente para θc sistema de 6 e 41 dias (resultados não apresentados neste trabalho). - Durante a operação, o sistema apresentou desempenho estável com relação à remoção de compostos fenólicos e DQO no reator anóxico e de nitrogênio amoniacal no reator aeróbio (eficiência de remoção de 99,6%, 86,9% e de 99,%, respectivamente), sendo que o sistema apresentou eficiência de remoção de 99,9% tanto para fenol quanto para nitrogênio amoniacal e de 95,9% para DQO. - Comparado aos testes com θc sistema de 41 d e 2 d, este (θc sistema de 29 d) pareceu estar numa condição próxima ao limite para desempenho estável do sistema já que tal desempenho não foi obtido para valores de θc sistema em torno de 2 dias (resultados não apresentados neste trabalho). - Para as condições operacionais utilizadas verificou-se: (i) relação DQO removida /N-NO 3 - removido de 4,2; (ii) valor de U no reator anóxico de,153 kgfenol/kg SSV.d sem que houvesse acúmulo de fenol ; (iii) TD esp de,88 kg N-NO 3 - /kg SSV.d. - Considerando que a relação DQO/N do afluente foi de 3,3, o sistema utilizado foi eficiente na remoção de DQO (95,9%) e razoavelmente eficiente na remoção de N (56,%). Sugere-se que melhores remoções de nitrogênio poderão ser obtidas com complementação do carbono orgânico afluente ao processo de desnitrificação. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS 1. AMERICAN PUBLIC HEALTH ASSOCIATION (APHA), AMERICAN WATER WORKS ASSOCIATION (AWWA) AND WATER ENVIRONMENT FEDERATION (WEF). Standard methods for the examination of water and wastewater, 19.ed., Washington, APHA-WEF, BRASIL. Ministério de Desenvolvimento Urbano e Meio Ambiente. Conselho Nacional do Meio Ambiente. Resolução no 2 de 15 de junho de Dispõe sobre a classificação de águas doces, salobras e salinas no território nacional. Diário Oficial da União, 3 jul DA COSTA, A. J. M. Estudo da tratabilidade de água residuária sintética simulando despejo líquido de coqueria. São Paulo, Tese (Doutorado) - Escola Politécnica, Universidade de São Paulo. 4. DOMBROSKI, S. A. G.; AUN, M. V.; SILVA, S. M. C. P. DA; ALEM SOBRINHO, P. Nitrificação e desnitrificação de água residuária sintética de coqueria. In: CONGRESO INTERAMERICANO DE INGENIERÍA SANITARIA Y AMBIENTAL, 28., Cancún, México, 2. Anais. 5. DOMBROSKI, S. A. G.; ALEM SOBRINHO, P. Nitrificação e desnitrificação de água residuária sintética de coqueria utilizando fonte interna de carbono. In: CONGRESSO BRASILEIRO DE ENGENHARIA SANITÁRIA E AMBIENTAL, 22., Joinville, Brasil, 3. Anais (Trabalho II-28). 6. DOMBROSKI, S. A. G. Nitrificação e desnitrificação de água residuária de coqueria utilizando fonte interna de carbono. São Paulo, 3. 42p. Tese (Doutorado) - Escola Politécnica, Universidade de São Paulo. 7. ISAACS, S. H.; HENZE, M. Controlled carbon source addition to an alternating nitrificationdenitrification wastewater treatment process including biological P removal. Water Research, v.29, n.1, p.77-89, Jan LEE, M. W.; PARK, J.M. Biological nitrogen removal from coke plant wastewater with external carbon addition. Water Environment Research, v.7, n.5, p.19-5, July/August, SÃO PAULO (Estado). Decreto no de 8 de setembro de Aprova o regulamento da Lei no 997 de 31 de maio de 1976, que dispõe sobre a prevenção e o controle da poluição do meio ambiente. Legislação estadual: controle de poluição ambiental, São Paulo, CETESB, SUTTON, P. M.; MARVAN, I. J.; CRAIG, F. Biological treatment of wastewater from byproduct coking operations: an innovative approach. In: INDUSTRIAL WASTE CONFERENCE, 45., Purdue University, West Lafayette, Proceedings. West Lafayette, Lewis Publishers, May, 199, p ZHANG, M.; TAY, J. H.; QIAN, Y.; GU, X. S. Coke plant wastewater treatment by fixed biofilm system for COD and NH 3 -N removal. Wat. Res., v.32, n.2, p , ABES - Associação Brasileira de Engenharia Sanitária e Ambiental 7