II CONSIDERAÇÕES SOBRE ENTUPIMENTOS EM REATOR ANAERÓBIO HORIZONTAL DE LEITO FIXO (RAHLF) TRATANDO ESGOTO SANITÁRIO

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1 II CONSIDERAÇÕES SOBRE ENTUPIMENTOS EM REATOR ANAERÓBIO HORIZONTAL DE LEITO FIXO (RAHLF) TRATANDO ESGOTO SANITÁRIO Cláudio Antônio de Andrade Lima (1) Professor Doutor das Faculdades COC Ribeirão Preto SP. Engenheiro Químico pela UFMG, Especialista em Segurança do Trabalho pela FUMEC, Mestre e Doutor em Hidráulica e Saneamento pela EESC-USP. Eugênio Foresti Professor Titular do Departamento de Hidráulica e Saneamento da Escola de Engenharia de São Carlos USP. Mestre e Doutor em Hidráulica e Saneamento pela EESC USP. Pós-Doutor pela University of New Castle Upon Tyne Inglaterra. Marcelo Zaiat Professor Doutor do Departamento de Hidráulica e Saneamento da EESC/USP. Engenheiro Químico e Mestre em Engenharia Química pela UFSCar, Doutor em Hidráulica e Saneamento pela EESC-USP. Endereço (1) : Rua Sebastião de Moraes, 585 Planalto Paraíso, São Carlos SP. CEP: Brasil -Tel: (016) caalima@terra.com.br. RESUMO As recentes configurações de reatores anaeróbios para tratamento de esgoto sanitário primam pela adoção de artifícios que propiciam maior acúmulo de biomassa ativa, como o Reator Anaeróbio Horizontal de Leito Fixo (RAHLF) que é dotado de matrizes de espuma de poliuretano como meio suporte poroso para imobilização da biomassa anaeróbia. A premissa básica para a sina de sucesso de uma nova configuração de biorreator reside nas características hidráulicas estabelecidas ao escoamento e mistura, de forma a promover o requisito cinético de ideal contato entre substrato e biomassa. Os desvios em relação ao ideal podem ser consideráveis, constituindo sua mensuração em um valioso parâmetro aplicável na verificação da adequação construtiva e na investigação de não conformidades do sistema em marcha, como queda de desempenho e colapso operacional por entupimentos. O RAHLF tratando esgoto sanitário, em escala piloto, sem inoculação prévia, apresentou partida rápida em termos de produção de metano e consolidação da biomassa anaeróbia, em torno de 90 dias, todavia em longa operação ocorreu queda de rendimento atribuída aos constantes entupimentos e ineficácia das operações de limpeza. A principal causa apontada para a queda de desempenho foi o comprometimento da hidrodinâmica do reator por entupimento do leito, caracterizado pela redução do volume útil reacional. A origem dos entupimentos se deveu mais a efeitos locais e qualitativamente relacionados à biomassa retida que propriamente quantitativo e extensivo ao longo de todo o reator. Apontou-se como gênese do colapso operacional por entupimentos a produção continuada de polímeros extracelulares, promovendo um efeito sinérgico com os predominantes organismos filamentosos e com os sólidos particulados retidos no interior do reator, culminando com anomalias do escoamento nos interstícios e, por conseguinte, na redução do volume útil reacional e queda de desempenho. PALAVRAS-CHAVE: Reator de leito fixo; Esgoto sanitário; Biomassa imobilizada; Tratamento anaeróbio de águas residuárias; Entupimentos, RAHLF. INTRODUÇÃO O crescente avanço do uso da biotecnologia anaeróbia para tratamento de esgoto sanitário deve-se, em grande parte, as recentes configurações de reatores como dos tipos manta de lodo, leito fluidificado e de leito fixo que primam pela adoção de artifícios que propiciam maior acúmulo de biomassa ativa. Por sua vez, os reatores de leito fixo caracterizam-se por dispor de um meio suporte para retenção da biomassa em seu interior de forma a propiciar condições favoráveis ao crescimento do biofilme aderido e/ou retido. Insere-se neste tipo de configuração, o Reator Anaeróbio Horizontal de Leito Fixo (RAHLF) dotado de matrizes de espuma de poliuretano como meio suporte poroso para imobilização da biomassa anaeróbia, tendo sido concebido visando elevada retenção celular e a otimização do volume útil reacional através da redução do volume destinado à separação do gás gerado (FORESTI et al.,1995). ABES - Associação Brasileira de Engenharia Sanitária e Ambiental 1

2 A premissa básica para a sina de sucesso de uma nova configuração de um biorreator reside nas características hidráulicas estabelecidas ao escoamento e mistura, de forma a promover o requisito cinético de ideal contato entre substrato e biomassa. Os reatores contínuos apresentam escoamentos entre os extremos característicos aos modelos de reatores ideais, segundo LEVENSPIEL (1999), de mistura perfeita e tubular de fluxo pistonado. Os desvios em relação ao ideal podem ser identificáveis e consideráveis, constituindo sua mensuração em um valioso parâmetro de subsídio ao controle operacional, aplicável na verificação da adequação construtiva e na investigação de não conformidades do sistema em marcha, como queda de desempenho e colapso operacional por entupimentos. O RAHLF tratando esgoto sanitário, em escala piloto, sem inoculação prévia, apresentou partida rápida em termos de produção de metano e consolidação da biomassa anaeróbia, em torno de 90 dias, todavia em longa operação ocorreu queda de rendimento, atribuída aos constantes entupimentos e ineficácia das operações de limpeza. Dentro deste contexto, o presente trabalho apresenta a repercussão dos desvios de escoamento advindos de entupimentos no desempenho do RAHLF tratando esgoto sanitário e discute a gênese destas obstruções e seu estabelecimento, utilizando-se de resultados de ensaios hidrodinâmicos, análises microbiológicas, monitoramento físico-químico e balanço material da matéria orgânica aplicada ao reator. MATERIAIS E MÉTODOS O RAHLF, Figura 1, dispunha de volume total de 237,5 l, construído com tubos comerciais de PVC de 14,5 cm de diâmetro, dispostos em cinco módulos horizontais em série, de 2,88m cada. O suporte de imobilização de biomassa foi espuma de poliuretano (densidade de 23 kg.m -3 ) em matrizes cúbicas de 1 cm de aresta, sendo operado com tempo de detenção hidráulica teórico da ordem de 4 horas, durante 2 anos, sendo alimentado com esgoto sanitário efluente de etapas de sedimentação e peneiramento em malha de 1 mm. FIGURA 1 Fotografia do RAHLF piloto tratando esgoto sanitário Utilizou-se da técnica de estímulo e resposta, com perturbação promovida por traçadores salinos e corantes como a Eosina Y para avaliação dos perfis de distribuição do tempo de residência - DTR e ajustes de modelos teóricos em fases distintas, desde a verificação da porosidade do leito antes da partida até a operação plena após dois anos em marcha. Obtidos os perfis de DTR, buscou-se ajustá-los aos modelos uniparamétricos de Dispersão de pequena intensidade, Dispersão de grande intensidade e Tanques em série que além de caracterizarem o tipo de escoamento, foram úteis também, para quantificar a perda de volume útil racional durante as diversas fases de operação e na determinação da porosidade efetiva do leito de cada módulo. ABES - Associação Brasileira de Engenharia Sanitária e Ambiental 2

3 B Para o acompanhamento da evolução temporal do processo de retenção e aderência da biomassa no meio suporte e ao longo do reator, coletaram-se, periodicamente, amostras das matrizes de espuma ao longo do reator seguindo para determinação dos sólidos voláteis totais (SVT) presentes e para observações microscópicas dos microrganismos aderidos ao suporte. Estas observações foram realizadas por Microscopia Ótica de contraste de fase (MO) e Microscopia Eletrônica de Varredura (MEV) e serviram também para melhor análise do material disperso entre o meio suporte do reator. Para acompanhamento do desempenho da digestão anaeróbia do esgoto sanitário implementou-se um protocolo de monitoramento semanal contemplando os parâmetros Demanda Química de Oxigênio (DQO) bruta (não filtrada) e filtrada, Sólidos Totais (ST), Sólidos em Suspensão Totais (SST), Sólidos em Suspensão Voláteis (SSV), Alcalinidade total e parcial, Ácidos Voláteis Totais e ph, cujas técnicas analíticas encontram-se na Tabela 1. Tabela 1: Parâmetros e Técnicas Analíticas Utilizadas. PARÂMETROS TÉCNICA ANALÍTICA UNIDADE PH Direto, Potenciométrico SST Standard Methods, Gravimétrico mg/l SSV Standard Methods, Gravimétrico mg/l DQO Espectrofotométrico (APHA,1998) mg/l AVT Titulométrico (DILALLO & ALBERTSON, 1961) mg/l Alcalinidade Titulométrico (RIPLEY et al.,1986) mg/l Metano Cromatografia Gasosa v/v RESULTADOS A primeira bateria de ensaios objetivou avaliar o tipo predominante de escoamento e a porosidade efetiva do leito antes da alimentação com esgoto, admitido em projeto como tubular de fluxo pistonado ideal, com porosidade de leito de ε=0,4. Não obstante o expressivo domínio do escoamento de fluxo pistonado, o pequeno desvio padrão obtido nos perfis para diferentes traçadores, conferiu também, forte indício da predominância deste escoamento no volume ativo, haja vista que o alongamento da calda observado se deveu, efetivamente, após o pico e resultante dos fenômenos de difusão e adsorção do traçador nos poros do recheio. Na busca da porosidade efetiva, adotou-se a metodologia de correção apresentada por LIMA (2001) admitindo a hipótese que o fenômeno da difusão nos poros do recheio não alterava significativamente o tempo de passagem do pico do traçador (T pico ). Procedeu-se a partir de então, o cálculo da porosidade efetiva de cada ensaio realizado, obtendo-se o valor médio de 0,36 ± 0,02. O reduzido valor do desvio padrão obtido, conferiu sustentação à hipótese adotada de difusão e adsorção do traçador nos poros do recheio, face à repercussão da independência do tipo de traçador utilizado nos resultados. A segunda fase focou a partida, sem inoculação prévia, do reator e sua avaliação em longa operação. Na Figura 2 observam-se os perfis temporais de partida operacional do RAHLF em relação às eficiências de remoção de DQO filtrada e não filtrada (bruta), com aumento significativo dos valores após 50 dias de operação, apresentando, após esse período, valores médios de 63 ±10 % e 54 ±14 %, respectivamente, para amostras não filtradas e filtradas. Os valores obtidos de DQO B demonstraram a capacidade do reator de retenção de material em suspensão, manifestada de forma mais efetiva, após 45 dias de operação, possivelmente ligada à ação das bactérias hidrolíticas. Após este período, a DQO no efluente apresentou o valor médio de 142 ± 35 mg DQO/l. Após BB 45 dias de operação a DQO F do efluente apresentou redução em sua concentração, atribuída a ação efetiva da biodigestão. A partir de então, os valores apresentaram a tendência de estabilização, com valor médio de DQO F de 103 ±24mg/l e mínimo diário de 70 mg/l. ABES - Associação Brasileira de Engenharia Sanitária e Ambiental 3

4 Ef. Remoção DQO (%) PERÍODO OPERACIONAL (dias) FIGURA 2 Eficiências de remoção de DQO B B ( ) e DQOF ( ) no período operacional de 140 dias. O perfil temporal dos resultados do monitoramento de ácidos graxos voláteis totais (AVT), encontrados na Figura 3, é indicativo que a fase de acidogênese prevaleceu nos 45 dias iniciais, haja vista que as concentrações no efluente foram maiores que os observados no afluente, todavia, sem redução abrupta do ph atribuída à capacidade de tamponamento do meio reagente, dada pela alcalinidade disponível no esgoto. A partir de então, manifestou-se de forma efetiva a fase de metanogênese, caracterizada pela remoção substancial de ácidos, quando se obteve maior estabilidade deste parâmetro, com valor médio de 25 ± 4 mg HAc/l, bem abaixo do valor médio do afluente, 49 ±11 mg HAc/l. 80 AVT (mghac/l) PERÍODO OPERACIONAL (dias) FIGURA 3 Perfis de AVT no afluente ( ) e efluente ( ) no período operacional de 140 dias. Quanto à avaliação da estabilidade da biodigestão, monitorou-se, também, a alcalinidade, suas frações e interrelações. Observou-se a geração de alcalinidade a bicarbonato a partir de 45 dias de operação, confirmando, assim, o equilíbrio bioquímico entre os microrganismos produtores de acetato e os metanogênicos. A partir do 90 o dia de operação pôde-se observar a fase de maior concentração de metano no biogás e menor variabilidade nos resultados analíticos, configurando um cenário de estabilização da composição do biogás. Fase, esta, coincidente com o período em que os parâmetros monitorados na fase líquida também se mostraram mais estáveis, com maior eficiência de remoção de DQO. Pela quantificação de metano e CO 2 no monitoramento da fase gasosa, pôde-se observar o crescente enriquecimento temporal de metano no biogás gerado até um patamar de estabilização, apresentando uma porcentagem molar de 70 a 80% de metano e de 3 a 5% de dióxido de carbono. Diante destas considerações, atribuiu-se como marco do estabelecimento do equilíbrio dinâmico aparente do processo, o 90 o dia de operação. O estabelecimento do cenário de entupimento do RAHLF foi caracterizado pela invasão líquida na linha de gás. Inicialmente, com freqüência mensal, a ação expedida para correção era uma retrolavagem com água ABES - Associação Brasileira de Engenharia Sanitária e Ambiental 4

5 limpa. Todavia, ao longo do período operacional esta ação tornou-se ineficiente, passando a demandar limpezas semanais. Após cerca 500 dias de funcionamento ininterrupto, o cenário operacional caracterizava-se pela freqüência semanal de retrolavagens, queda de desempenho, elevada variabilidade na qualidade do efluente final e prevalência de invasão líquida na linha de biogás. Este cenário denotava que o RAHLF encontrava-se em colapso operacional por entupimentos. A terceira fase focou-se no exame post mortem do RAHLF colapsado por entupimentos que se deu inicialmente com a abertura dos módulos iniciais para avaliação visual. Verificou-se avançado estágio de colmatação do leito, Figura 4, especialmente em seus trechos finais, com forte coloração preta escura, grande quantidade de agregados microbianos retidos nos interstícios junto a material viscoso, sugestivo da presença de polímeros extracelulares, extensivamente impregnados também, nas telas de retenção das matrizes de poliuretano. FIGURA 4 Vista do leito colmatado aderido à tela de retenção das matrizes de espuma A extensão desta colmatação do leito refletiu-se na abrupta elevação da perda de carga, para até 0,6 kgf/cm 2, enquanto o previsto em projeto para todo o reator era de apenas 0,05 kgf/cm 2. Após a realização de uma retrolavagem obteve-se a redução da perda de carga, nos módulos desobstruídos, para o patamar de 0,03 kgf/cm 2, devido, principalmente, a ação do fluxo reverso de promover a descompactação do leito em seu trecho final. Todavia, observou-se que o fluxo reverso também escoava por caminhos preferenciais, não apresentando uniformidade ao longo da seção transversal, resultado este, atribuído a entrada concêntrica da alimentação e, principalmente, pela baixa resistência mecânica da espuma de poliuretano. Nas observações em microscópio eletrônico, conforme Figura 5, verificou-se o estado de agregação das matrizes de espuma, possivelmente promovido por polímeros extracelulares, configurando um cenário de comprometimento do escoamento livre na seção transversal, além de potencial promotor de caminhos preferenciais e de elevação da perda de carga no leito. FIGURA 5 - Observações sob microscopia eletrônica de varredura da formação de micro-colônias e excreção de polímeros ABES - Associação Brasileira de Engenharia Sanitária e Ambiental 5

6 Após 500 dias de operação o acúmulo de sólidos suspensos nos módulos iniciais redundou em perda de volume útil reacional, denunciado pelos ensaios hidrodinâmicos de determinação da porosidade efetiva. Em termos da porosidade de pico este comprometimento foi de até 51% para o módulo inicial. Embora a retrolavagem tenha sido eficaz no tocante a redução da perda de carga, a mesma eficácia não foi observada quanto ao restabelecimento do volume útil reacional, haja vista que o resultado de um ensaio hidrodinâmico após a operação de retrolavagem no módulo inicial apontou que o que leito permanecia, praticamente, com a mesma porosidade reduzida que quando colapsado. Este resultado além de confirmar as suspeitas de ocorrência de caminhos preferenciais no fluxo reverso, também apontou a dificuldade de se regenerar a porosidade do leito, seja pelas características estruturais da espuma, como baixa resistência mecânica à conformação, ou pela resistente ligação do material particulado retido nos interstícios do leito. Ainda com aplicação de balanço material de sólido levantou-se a predominância dos sólidos suspensos gerados no reator em relação ao alimentado e a insuficiência quantitativa de sólidos para ocupar o volume reacional nos níveis de comprometimento denunciados pelos ensaios hidrodinâmicos. As baixas concentrações de SSV obtidas no monitoramento do efluente e a significativa remoção de sólidos do afluente reforçaram a hipótese do RAHLF promover, também, retenção física de material particulado, conferindo uma característica particular a seu lodo de conter uma parcela maior de material abiótico não digerido. Característica esta, manifestada nos resultados dos exames de microscopia, principalmente aos relacionados às amostras dos módulos iniciais. Com uma maior retenção de material particulado e, por conseguinte, maior disponibilização de substrato hidrolisável, provavelmente ocorreu também, uma maior conversão da DQO pelas células do módulo inicial, com predomínio dos microrganismos acidogênicos que por sua vez apresentaram rendimento celular bem superior ao dos metanogênicos. Condições estas que conferiram heterogeneidade da distribuição do catalisador biológico ao longo do reator, predominantemente concentrado em seu trecho inicial. Todavia, mesmo considerando um cenário extremo, com o total de uma parcela de 30% da DQO afluente convertida em biomassa e incidindo exclusivamente no primeiro módulo, teríamos um acúmulo máximo de 23,6 gssv/dia. Em uma estimativa grosseira, esta retenção comprometeria diariamente apenas 23 ml de um volume útil reacional modular de 19 l, considerada a porosidade de 0,4 do leito, o que redundaria na projeção de um período acima de 800 dias para o completo comprometimento deste volume útil. A julgar pela avaliação deste cenário extremo, menos de 10% do volume útil reacional teria sido comprometido para acomodação do excesso de lodo gerado no período de autonomia operacional do módulo inicial, observado de 15 a 45 dias, caracterizado pela eficiência negativa de remoção de DQO B. B Depreende-se destas considerações a respeito do balanço material que a gênese dos problemas de entupimento do RAHLF se deveu muito mais a efeitos localizados (pontuais) e qualitativos do que propriamente quantitativos e extensivos ao longo de todo o reator, mas com reflexos agudos na hidrodinâmica do escoamento ao longo da operação. Os resultados dos ensaios hidrodinâmicos com o RAHLF piloto corroboram com este entendimento, haja vista os diferenciados comportamentos do escoamento e dos percentuais de perda de volume útil para os diferentes módulos e estágios da operação. Em suma conclui-se que a origem dos entupimentos se deveu mais a efeitos locais e qualitativamente relacionados à biomassa retida que propriamente quantitativo e extensivo ao longo de todo o reator. Aponta-se como gênese do colapso operacional por entupimentos a produção continuada de polímeros extracelulares, promotores de um efeito sinérgico com os predominantes organismos filamentosos e com os sólidos particulados retidos no interior do reator que culminaram com as anomalias do escoamento nos interstícios e na redução do volume útil reacional e, por conseguinte, na queda de desempenho do RAHLF em longa operação. ABES - Associação Brasileira de Engenharia Sanitária e Ambiental 6

7 CONCLUSÕES Os resultados obtidos com a realização deste trabalho permitem apresentar as seguintes conclusões: O período experimental de cerca de 2 anos foi suficiente para avaliação da influencia temporal no desempenho do RAHLF, e para identificação de potenciais fatores intervenientes no aumento de escala desta nova configuração de reator; Em torno de 90 dias constatou-se os maiores teores de metano no biogás, a melhor qualidade do efluente em termos da DQO, qualidade da microbiota do lodo, estabilidade da digestão pela geração de alcalinidade, sendo considerado o marco do estabelecimento do equilíbrio dinâmico aparente do processo. O RAHLF piloto apresentou queda de desempenho ao longo da operação de dois anos, principalmente em relação à qualidade final do efluente em termos da DQO e SSV. A principal causa apontada para a queda de desempenho foi o comprometimento da hidrodinâmica do reator devido ao entupimento do leito, caracterizado pela redução do volume útil reacional; Os estudos de hidrodinâmica apontaram perda de 50 a 75% do volume útil reacional nos módulos em colapso por entupimentos, em relação ao leito sem biomassa; A origem dos entupimentos se deveu mais a efeitos locais e qualitativamente relacionados à biomassa retida que propriamente quantitativo e extensivo ao longo de todo o reator. Aponta-se como gênese do colapso operacional por entupimentos a produção continuada de polímeros extracelulares, promotores de um efeito sinérgico com os predominantes organismos filamentosos e com os sólidos particulados retidos no interior do reator, culminando com anomalias do escoamento nos interstícios e, por conseguinte na redução do volume útil reacional e queda de desempenho. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS 1. APHA; AWWA; WPCF (1998) Standard Methods for the Examination of Water and Wastewater, 20th edition, American Public Health Association, Washington. 2. DILALLO, R. and ALBERTSON, O.E. (1961) Volatile Acids by Direct Tritation. Journal WPCF, v.33, p FORESTI, E., ZAIAT, M.; CABRAL, A.K.A. AND DEL NERY, V. (1995). Horizontal-Flow Anaerobic Immobilized Sludge (HAIS) Reactor for Paper Industry Wastewater Treatment. Brazilian Journal of Chemical Engineering, v.12, p LEVENSPIEL, O. (1999). Chemical reaction engineering. 3.ed. New York, John Wiley & Sons Inc. 5. LIMA, C.A.A. (2001). Tratamento de esgoto sanitário em reator anaeróbio horizontal de leito fixo. São Carlos. Tese (Doutorado) - Escola de Engenharia de São Carlos, Universidade de São Paulo. 6. RIPLEY, L.E. ; BOYLE, W.C.; CONVERSE, J.C. (1986) Improved Alkalimetric Monitoring for Anaerobic Digestion of High-Strength Wastes. Journal WPCF, v.58, p ABES - Associação Brasileira de Engenharia Sanitária e Ambiental 7