Adaptation of the wastewater treatment plant by activated sludge in sequential batch reactor operating with application of flat membranes bioreactor

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1 Adaptation of the wastewater treatment plant by activated sludge in sequential batch reactor operating with application of flat membranes bioreactor Fabiana Valois Thiesen 1, Luiz Fernando Lemos 2, Maria Eliza Nagel Hassemer 3, Maria Ángeles Lobo Récio 4, Flávio Rubens Lapolli 5* 1,3,4.5 Programa de Pós-Graduação em Engenharia Ambiental, Universidade Federal de Santa Catarina Florianópolis SC 2 Habitasul Empreendimentos Imobiliários Ltda Florianópolis - SC *Autor corresponsal: Departamento de Engenharia Sanitária e Ambiental, Universidade Federal de Santa Catarina, Campus Universitário, Centro Tecnológico, Programa de Pós-Graduação em Engenharia Ambiental, Bairro Trindade - CEP , Florianópolis - Santa Catarina, Brasil. f.lapolli@ufsc.br ABSTRACT The application of innovations that promotes technological improvements into wastewater treatment plants aims to minimize increasing the danger of their disposal on the environment. Sequencing batch reactors (SBR) are quite widespread in Brazil because of its good efficiency and reduced space requirement mainly, where all treatment cycles occur in the same tank. The membrane bioreactors (MBR) comprise an operation using activated sludge systems, however replace the settling process by filtration systems and retention of biomass. The batch operation of Jurere International wastewater treatment plant, in Santa Catarina, works in 3 SBR operating at 8 hour cycles (3 cycles per day) where the last 2 hours of each cycle are for settling and withdrawing treated effluent. This work has as main objective evaluate the possibility of adapting this plant to operate with a membrane bioreactor (BRM + BS). Preliminary results point to the feasibility of this adaptation allowing an increase in capacity of treatment system and a substantial improvement in their performance. Keywords: Flat Membranes, Membrane bioreactor, Sequencing batch reactor, Sewage treatment. ADAPTAÇÃO DE UMA ESTAÇÃO DE TRATAMENTO DE ESGOTOS POR LODOS ATIVADOS OPERANDO EM BATELADA SEQUENCIAL COM APLICAÇÃO DE BIORREATOR DE MEMBRANAS PLANAS Resumo A aplicação de inovações que promovam melhorias tecnológicas no tratamento de efluentes domésticos tem o intuito de minimizar cada vez mais a periculosidade da sua disposição no meio ambiente. Os reatores de lodos ativados em batelada sequencial (RBS) são bastante difundidos no Brasil devido principalmente à redução da necessidade de espaço, pois todos os ciclos operacionais ocorrem em um único reator. Os biorreatores de membrana (BRM) compreendem uma operação utilizando os sistemas de lodos ativados, entretanto substituindo o processo de decantação por sistemas de filtração e retenção da biomassa. A operação da ETE de Jurerê Internacional, em Santa Catarina, é constituido de 3 reatores em bateladas sequenciais que operam em ciclos de 8 horas (3 por dia), sendo as últimas 2 horas de cada ciclo destinadas a decantação e a retirada do efluente tratado. Este trabalho tem por objetivo principal avaliar a possibilidade de adaptação dessa instalação passando a operar com um biorreator de membranas (BRM+BS). Os resultados preliminares obtidos a partir de um piloto apontam para a viabilidade dessa adaptação, o que permitirá um aumento da capacidade do sistema de tratamento e uma substancial melhora no desempenho do mesmo. Palavras clave: Tratamento de esgoto sanitário, Reatores em batelada sequencial, Biorreatores de membrana, Membranas Planas.

2 Introdução Com base em dados do Sistema Nacional de Informações sobre o Saneamento (Snis, 2014), apenas 41% do esgoto produzido pelos municípios brasileiros possuem alguma forma de tratamento, sendo o restante disposto direta ou indiretamente nos corpos d água, de forma inadequada. Sendo assim, o tratamento dos esgotos assume grande importância no que diz respeito à preservação dos recursos hídricos e consequentemente da saúde humana. Neste contexto, verifica-se a necessidade em se desenvolver tecnologias capazes de garantir a remoção de nutrientes dos esgotos de forma eficiente e econômica, atendendo aos padrões de lançamento de efluentes cada vez mais rigorosos quanto ao controle ambiental. Dentre os diferentes sistemas existentes para tratamento de esgotos domésticos, os reatores de lodos ativados são amplamente utilizados. Estes, quando operados em batelada sequencial (RBS), tem como princípio a incorporação de todas as unidades, processos e operações em um único tanque (Von Sperling, 2002). Sendo assim, propiciam a remoção biológica de nutrientes com demandas de espaço reduzidas para sua implantação. Com os recentes avanços tecnológicos estudados e desenvolvidos para tratamento biológico de esgotos, está os biorreatores a membrana (BRM). Esta inovação veio com o objetivo de se buscar melhorias na eficiência de remoção dos nutrientes dos sistemas de tratamento por lodos ativados, pois operam em conjunto substituindo o processo de decantação por sistemas de filtração para retenção da biomassa e retirada do efluente tratado (Santos; Ma; Judd, 2011). A estação de tratamento de Esgotos (ETE) de Jurerê Internacional opera com reatores de lodos ativados em batelada sequencial (RBS), há mais de 15 anos. O sistema foi sendo ampliado de acordo com o crescimento populacional do bairro, e possui eficiência de tratamento adequada quanto à remoção de nutrientes. Entretanto, devido às recentes inovações existentes no mercado, a perspectiva de ampliação da sua capacidade de tratamento com aplicação de um sistema de membranas adaptado aos reatores já existentes torna ainda mais otimista a aceitação da tecnologia. O estudo proposto é para avaliação da aplicação de um módulo de membranas planas, em câmara externa ao reator RBS, com o objetivo de ampliar a capacidade de tratamento dos esgotos domésticos na ETE atual garantindo a sua qualidade. O biorreator de membrana adaptado a um reator em batelada sequencial (BRM+BS) opera sob a forma de filtração do lodo ativo formado no reator RBS e é constituído por um módulo de membranas de ultrafiltração de alta densidade de empacotamento, flexíveis e de fácil aplicação. Este biorreator, aplicado ao sistema existente, representaria a eliminação das etapas de decantação e retirada de efluente tratado operado no RBS existente. O estudo foi aplicado em escala piloto, porém os resultados encontrados foram considerados muito próximos à realidade da ETE onde foi aplicada a tecnologia. O emprego desta logística buscou trazer o pioneirismo à amostragem e à obtenção de resultados satisfatórios para aplicabilidade em outras ETEs do país, visando a adaptação e ampliação de suas capacidades de tratamento dos esgotos domésticos. Materias e Métodos Unidade Experimental O sistema experimental, em escala piloto, foi concebido para operar como um biorreator de recirculação, onde o módulo da membrana estará externo a um Reator em batelada sequencial (RBS). O sistema será alimentado com lodo ativo aerado dos reatores de tratamento do esgoto doméstico da Estação de Tratamento de Esgotos (ETE) de Jurerê Internacional (JI) localizado em Florianópolis, Santa Catarina. A ETE de JI opera com um sistema tipo lodos ativados em batelada, denominado reator em batelada sequencial (RBS). O Sistema está projetado e construído para atender atualmente habitantes. Possui, além do tratamento preliminar com peneiras autolimpantes e caixa de retenção de areia, 3 reatores em batelada, sendo 2 com volume total de 1250 m³ e 1 com 450 m³. O tratamento é realizado com ciclos de 8 horas, totalizando 3 ciclos diários em cada reator. Durante estas 8 horas, as 6 primeiras horas consistem em fases de aeração (nitrificação) e mistura (desnitrificação), as quais são alternadas e duram 1 hora cada. Após esta fase de remoção biológica da matéria

3 orgânica, compostos nitrogenados e fósforo, o reator passa 1 hora em decantação para separação da biomassa e do efluente clarificado, e posterior, retirada do mesmo, igualmente durante 1 hora. A representação esquemática do piloto do Biorreator à membrana adaptado a reator em batelada sequencial (BRM+BS) utilizado nesta pesquisa é apresentada na Figura 1. Figura 1 - Representação Esquemática do piloto BRM+BS proposto A primeira unidade (I) consiste no tanque de aeração do BRM+BS, a qual se trata do Reator RBS já existente na Estação de Tratamento de Esgotos e que manteve sua operação em bateladas alternando fases aeróbias e anaeróbias. O mesmo é equipado de aeradores para injeção de oxigênio na massa líquida e um misturador responsável pela homogeneização do licor misto. A segunda unidade (II) consiste em um tanque de armazenamento do lodo ativo proveniente das últimas duas etapas de aeração do Reator em Bateladas, o qual possui um misturador mecânico de forma a evitar a decantação do mesmo. A instalação deste tanque de volume litros se fez necessária para garantir que a terceira unidade onde fica alocado o módulo de membrana mantivesse o nível adequado para operação contínua do mesmo. A terceira unidade (III), onde fica alocado o módulo da membrana do BRM+BS, é constituída de um reservatório com capacidade de armazenamento de litros, o qual trabalhou com recirculação de lodo aerado do Reator existente na ETE, com alimentação contínua por gravidade. Esta unidade possui um misturador mecânico para homogeneização do licor misto e um sistema de aeração por difusores tubulares alocados logo abaixo do módulo de membranas, o qual minimiza os efeitos da colmatação das mesmas (Cui; Chang; Fane, 2003; Fane, 2002; Ueda et al., 1997). Esta aeração foi promovida através de um compressor de ar. O módulo trabalhou de maneira submersa, estando conectado à tubulação sob vácuo gerado pela bomba helicoidal para filtração e retirada do permeado. A unidade possui dispositivos para descarte de lodo de fundo e necessário para manutenção do teor de sólidos desejável no reator. Um sensor de pressão, localizado na tubulação do permeado, coleta periodicamente dados da pressão transmembrana (PTM), o que serve de indicativo da necessidade de limpeza destas unidades. O mesmo também estava conectado à uma caixa d água localizada 2 metros acima do módulo de membranas para realização de retrolavagem das membranas por gravidade manualmente vezes ao dia. A operação do sistema de tratamento piloto é realizada por meio de 2 painéis de comandos elétricos, onde temporizadores e inversores de frequência foram programados para automatização da bomba de alimentação, bomba de filtração e os sistemas de aeração e mistura. Todos estavam programados de acordo com a automação existente na ETE.

4 Procedimento Experimental Inicialmente, foram realizados ensaios no BRM+BS para a determinação da permeabilidade da membrana com água e o fluxo crítico do módulo de membranas utilizado. Para tal, foi empregado o método flux-step (Le Clech et al., 2003), que consiste no monitoramento da pressão transmembrana (PTM) enquanto o fluxo de filtração é gradualmente aumentado. A cada novo incremento do fluxo, é esperado que ocorresse um aumento da PTM, porém com uma tendência seguinte à estabilidade. O ponto em que esta estabilidade da PTM não mais se observou, após novo incremento do fluxo, foi considerado como sendo o fluxo crítico. O valor do fluxo crítico encontrado foi utilizado como referência para o fluxo de filtração limite durante a operação do reator. Assim, após a determinação do fluxo crítico, foi dada a partida no reator. Para tal, o mesmo foi alimentado com lodo proveniente do tanque de aeração da ETE de JI. O BRM+BS opera continuamente, sendo alimentado com o lodo aerado do Reator RBS que opera sob o regime de batelada, conforme explicitado anteriormente. Os estudos foram desenvolvidos com o BRM+BS, operando com taxa de filtração de 10 L/m².h. O módulo de membrana utilizado possui uma área de 50 m². Assim, a vazão de filtração do piloto permitirá tratar 0.5 m³/h. O BRM+BS deverá operar continuamente, com 10 minutos de filtração e intervalos de 0.5 minutos sem filtração para relaxamento da membrana. Este processo é recomendado por diversos autores como medida operacional de minimização dos efeitos da colmatação da membrana aumento do período de operação até a necessidade de limpeza (Ng e Hermanowicz, 2005). A vazão de recirculação de lodo aplicada no BRM+BS foi de 3 vezes a vazão de filtração. Sendo assim, a vazão de recirculação de lodo foi de 1.5 m³/h. A avaliação do desempenho do BRM+BS, se deu em 3 pontos distintos da unidade piloto: efluente bruto, tanque de aeração ao final da etapa de decantação e permeado. A avaliação foi realizada através da análise dos parâmetros a seguir: Demanda química de oxigênio (DQO); Nitrogênio (Nitratos, Amônia, Nitrogênio total); Fósforo total; Sólidos suspensos totais (SST); Sólidos suspensos voláteis (SSV); Índice volumétrico de lodo (IVL); determinação de Coliformes Totais e Escherichia Coli; turbidez; cor; alcalinidade e ph. O controle de parâmetros como oxigênio dissolvido (OD), temperatura e pressão transmembrana foram coletados por meio de sondas instaladas no biorreator. Após as 6 horas do ciclo completo de Desnitrificação + Nitrificação do Reator RBS, o Biorreator BRM+BS foi alimentado com até 48 m³ de Lodo aerado e a Membrana produziu até 3 m³ de Efluente tratado a cada ciclo. Sendo assim, durante o dia, foi produzido em média o volume de 12 m³ de esgoto sanitário tratado. Resultados e Discussões Visando determinar experimentalmente o fluxo de filtração mais indicado para a operação estável do módulo de membranas, conforme ilustra a Figura 2 o comportamento da PTM não evidenciou claramente o fluxo crítico da mesma, indicando apenas uma maior tendência ao incremento na pressão. Considerando o ensaio e também as recomendações do fabricante optou-se pelo fluxo a ser aplicado na 1ª estratégia de 10 L.m².h -1. Segundo indicado pelo fabricante do módulo da membrana, a mesma pode operar com fluxo máximo de 20 L.m².h -1 sendo que este valor poderá ser aplicado em uma 2ª estratégia de operação por um curto período para fins comparativos dos resultados, bem como prospecção das eficiências ou mesmo curva de tendência. Melhoria na eficiência do tratamento De acordo com os dados qualitativos do efluente tratado da ETE de JI atualmente, a mesma já possui eficiência adequada para remoção de matéria orgânica, compostos nitrogenados e fósforo operando como RBS. A aplicação do módulo de membranas como substituição às etapas de decantação e retirada do reator RBS, em seus resultados preliminares, apresentou substancial melhora no efluente final. Os resultados obtidos, apresentados na tabela 1 mostram uma comparação entre o RBS e o BRM+BS em termos de eficiência.

5 Figura 2 - Determinação do fluxo crítico Tabela 1- Resultados preliminares Eficiências do tratamento ENTRADA ETE SAÍDA RBS SAÍDA BRM+BS DATA P N- N- NO3 NH4 DQO P N- N- NO3 NH4 DQO TURBIDEZ P N- N- DQO TURBIDEZ NO3 NH4 25/02/ /03/ /03/ /03/ /03/ /03/ /04/ /04/ /04/ /04/ /04/ /05/ /05/ /05/ /05/ /05/ EFICIENCIA REMOÇÃO NITROGÊNIO 72% 75% EFICIENCIA REMOÇÃO FÓSFORO 68% 92% EFICIENCIA REMOÇÃO DQO 83% 91% A turbidez média quantificada no esgoto bruto foi de 95.7 NTU. Mesmo com este alto valor afluente, a eficiência média obtida durante as análises foi de 99.8%. Valor atingido através da filtração promovida pela membrana, que é capaz de reter quase praticamente 100% dos sólidos suspensos. Deste modo, o valor de turbidez residual médio no permeado (BRM+BS) foi de 0.24 NTU, sendo este enquadrado com a legislação mais restritiva acerca de turbidez do Brasil. A elevada eficiência na remoção da turbidez é uma característica dos sistemas que operam com membranas filtrantes, sendo elas uma alternativa na remoção de componentes em suspensão. Com isso, a remoção do fósforo no BRM+BS também apresentou melhoria quando comparada ao tratamento no RBS de 68% para 92%. A eficiência obtida caracteriza um efluente de alta qualidade, onde ficou claramente definida pela retenção física de macromoléculas promovida pelo sistema de ultrafiltração das membranas As concentrações médias obtidas foram de 1.29 mg.l -1 de fósforo total. A remoção de DQO, considerando que o efluente bruto possuía em média mg.l -1, obteve eficiência atingida pelo sistema de filtração do permeado no BRM+BS elevada, chegando a 91%. Apresentou inclusive uma considerável diferença quando comparada à remoção no RBS de 83%.

6 Contudo, outro ponto a se destacar é a remoção dos compostos nitrogenados os quais apresentaram uma média de remoção de 75%, considerando o final do tratamento a soma das concentrações de N-NO 3 e N-NH 4. Entretanto. se considerarmos a remoção de nitrogênio amoniacal (N-NH 4 ), a mesma apresenta eficiência acima de 90% com concentrações médias do efluente tratado de 2.4 mg.l -1. Observa-se que, a alteração nos ciclos operacionais da ETE de Jurerê Internacional com a eliminação das etapas de decantação do RBS e introduzindo membranas transformando-a em um biorreator a membrana adaptado a m sistema em batelada sequencial (BRM+BS) permitirá além do aumento de sua capacidade de tratamento, uma substancial melhoria na qualidade do efluente final. Considerando o volume diário atual tratado de m³ de esgoto doméstico tratado em 24 horas na ETE atual, a modificação para BRM+BS representaria aproximadamente um aumento diário de 450m³ de esgoto tratado. Este volume é bastante representativo considerado que uma população de 1875 habitantes poderia ser atendida com esse acréscimo na capacidade de tratamento. Conclusões O BRM+BS operado em câmara externa ao RBS se mostrou capaz de otimizar efetivamente o desempenho da ETE nos processos de remoção de matéria orgânica, a turbidez e o fósforo. A filtração exercida pela membrana mostrouse capaz de grande retenção da turbidez, sempre abaixo de 0.5 NTU. Este processo foi refletido na remoção biológica do fósforo, onde o valor máximo encontrado foi menor que 2 mg.l -1, considerado relativamente baixo. Além disso, apresentou alta eficiência quanto à integração aos processos em batelada de nitrificação e desnitrificação para remoção dos compostos nitrogenados provenientes do esgoto doméstico de Jurerê Internacional, apresentando alta eficiência de remoção principalmente de nitrogênio amoniacal. Com relação ao desempenho da membrana, o valor limite da PTM de 0.4 indicava a colmatação da mesma. Este valor não foi atingido durante o período do experimento. Entretanto, verifica-se a necessidade de operação mais longa do mesmo para se avaliar a necessidade de limpeza da mesma. Contudo, o sistema de membranas planas aplicado a um sistema de batelada em câmara externa a um reator de lodos ativados mostrou-se bastante viável quanto ao aumento da capacidade de tratamento da ETE com garantia de eficiência de remoção de compostos orgânicos e aumento da qualidade do seu efluente tratado. O estudo proposto proporciona a projeção para aplicação em escala real aumentando em 450 m³ o volume de tratamento da ETE estudada, o qual representa aproximadamente 1800 habitantes a mais que poderão ser beneficiadas com adequada disposição de seus dejetos ao meio ambiente. Referências bibliográficas Cui. Z.; Chang. S.; Fane. A. The use of gas bubbling to enhance membrane processes. journal of membrane science. v n p Fane. A. Membrane bioreactors: design and operational options. filtration and separation. v. 39. n. 5. p Le Clech. P.; Jefferson, B.; Chang, I. S.; Judd, S.J. critical flux determination by the flux-step method in a submerged membrane bioreactor. journal of membrane science. v n p Ng. H. Y.; Hermanowicz. S. W. Membrane bioreactor operation at short solids retention times: performance and biomass characteristics. water research. v. 39. n. 6. p Santos. A.; Ma. W.; Judd. S. J. Membrane bioreactors: two decades of research and implementation. desalination. v n. 1. p SNIS. Sistema nacional de informações sobre saneamento: diagnóstico dos serviços de água e esgotos. snsa/ mcidades. n. brasilia. p Ueda. T.; Hata, K.; Kikuoka, Y.; Seino, O. Effects of aeration on suction pressure in a submerged membrane bioreactor. water research. v. 31. n. 3. p Von Sperling. M. Lodos ativados. 2. ed. belo horizonte: desa/ufmg