PALAVRAS-CHAVE: Nitrificação, lodos ativados convencional, remoção de amônia, escala real

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1 II AVALIAÇÃO DA NITRIFICAÇÃO E FATORES INTERVENIENTES NO PROCESSO DE TRATAMENTO DE ESGOTOS POR LODOS ATIVADOS CONVENCIONAL EM ESCALA REAL- ETE ARRUDAS Sirlei Geraldo de Azevedo (1) Especialista em Engenharia Sanitária e Meio Ambiente pela Universidade Federal de Minas Gerais - UFMG. Especialista em Engenharia da Qualidade (PUC Minas). Graduado em Engenharia Química pela UFMG. Engenheiro Químico da Companhia de Saneamento de Minas Gerais - COPASA. Maria Letícia de Castro Graduada em Farmácia e Bioquímica pela Universidade Federal de Minas Gerais - UFMG. Atua na COPASA no monitoramento das diversas Estações de Tratamento de Esgotos da RMBH e dos corpos receptores desde 1985, assim como ministrando palestras sobre Gestão Ambiental a diversos públicos como professores e estudantes universitários de graduação e pós graduação, associações comunitárias, escolas técnicas, dentre outros. Frieda Keifer Cardoso Mestre em Saneamento, Meio Ambiente e Recursos Hídricos pela Universidade Federal de Minas Gerais - UFMG. Especialista em Gestão Integrada das Águas e dos Resíduos nas Cidades (Convênio Brasil/ Ministério das Cidades e Itália/ Hydroaid). Graduada em Engenheira Civil (PUC Minas). Engenheira de Operação da Companhia de Saneamento de Minas Gerais - COPASA. Sandra Parreiras Doutora em Recursos Hídricos e Ambientais (27) em Engenharia Agrícola pela Universidade Federal de Viçosa. Mestre em Irrigação e Drenagem (1999) pela Universidade Federal de Viçosa. Graduada em Engenharia Civil pela Escola de Engenharia Kennedy (1986). Coordenadora de operação de Estações de Tratamento de Esgoto de Pequeno e Médio da Companhia de Saneamento de Minas Gerais- COPASA. Ernani Vitor Marques Especialista em Engenharia Sanitária e Meio Ambiente pela Universidade Federal de Minas Gerais - UFMG. Tecnólogo em Normalização e Qualidade Industrial pelo CEFET-MG. Supervisor de Operação da Companhia de Saneamento de Minas Gerais - COPASA. Endereço (1) : Rua Mar de Espanha, nº SPSE/DVTE. Bairro: Santo Antônio - Belo Horizonte - MG - Brasil - CEP Tel: (31) sirlei.azevedo@copasa.com.br RESUMO O sistema de lodos ativados é amplamente utilizado mundialmente para tratamento de esgotos sendo capaz de produzir conversão satisfatória de amônia para nitrato. Em regiões de clima quente, a nitrificação ocorre sem grandes problemas, a não ser que haja alguma variação ambiental no tanque de aeração, como falta de oxigênio dissolvido, baixo ph, pouca biomassa ou a presença de substâncias tóxicas ou inibidoras. No período de julho/7 a agosto/8 houve uma diminuição da eficiência de remoção de amônia na ETE Arrudas em condições de difícil identificação. Este trabalho teve como objetivo avaliar os dados e identificar as possíveis causas de redução da eficiência da remoção biológica de nitrogênio amoniacal numa estação de tratamento de esgotos por lodos ativados com aeração convencional ETE Arrudas. Os resultados demonstraram que, apesar de manter a qualidade do efluente gerado dentro dos padrões das legislações ambientais, o processo de nitrificação foi comprometido pela baixa concentração média de oxigênio dissolvido requerida nos reatores. PALAVRAS-CHAVE: Nitrificação, lodos ativados convencional, remoção de amônia, escala real INTRODUÇÃO A nitrificação é um processo biológico, portanto presume a ação de seres vivos, levada a cabo por bactérias especiais, mas que ocorrem naturalmente em sistemas onde existam condições aeróbias e a presença de nitrogênio amoniacal. Segundo von Sperling (1997), a transformação da amônia em nitritos é efetivada através ABES Associação Brasileira de Engenharia Sanitária e Ambiental 1

2 de bactérias, como as do gênero Nitrossomonas e a oxidação de nitritos a nitratos dá-se principalmente pela atuação de bactérias, como as do gênero Nitrobacter, conforme apresentado na equação NH 4 + 2O 2 NO 3 + 2H + + H 2 O + energia equação 1. O trabalho foi desenvolvido por meio de resultados operacionais e de monitoramento da ETE Arrudas (Figura 1), localizada na cidade de Sabará, MG, Brasil. Atualmente atende a 1 milhão de usuários correspondente a uma vazão de 2.25 m 3.s -1. A B C D Figura 1: Vista aérea da ETE Arrudas. A) Digestores anaeróbios B) Decantador primário C) Reator Aeróbio D) Decantador Secundário A ETE Arrudas é composta pelas unidades: tratamento preliminar, dois reatores com difusores de ar; três decantadores primários e seis secundários; elevatórias de recirculação de lodo, lodo excedente e escuma secundária, e digestores anaeróbios. Os dois reatores encontram-se localizados entre os decantadores primários e secundários com capacidade de m 3, cada. Com o desenvolvimento desse trabalho foi possível concluir que o processo de nitrificação foi comprometido pela baixa concentração média de oxigênio dissolvido, requerida nos reatores sendo solucionado pela atuação eletromecânica da malha difusora dos sopradores. MATERIAIS E MÉTODOS Para a contextualização e avaliação da diminuição da eficiência de remoção de amônia no período de julho/7 a agosto/8 foram feitas os seguintes procedimentos: - levantamento dos dados no período de janeiro/26 a julho/27, períodos antes e depois da ocorrência da queda de eficiência de remoção de amônia para efeito de comparação - testes em bancada - levantamento das análises dos parâmetros: DBO, DQO, SST, zooplancton qualitativo,od, nitrato, nitrogênio amoniacal e metais - verificação das mudanças operacionais e de manutenção eletromecânica Monitoramento da estação Para análise da eficiência da ETE e atendimento à legislação são realizadas coletas compostas semanais e para o controle operacional são feitas coletas simples e análises diárias de cada unidade. ABES Associação Brasileira de Engenharia Sanitária e Ambiental 2

3 No presente trabalho foram abordados os resultados das análises semanais de DBO, DQO, SST, ph afluente e efluente da estação bem como as análises mensais de zooplancton qualitativo e as análises diárias de OD, NH 3, NO 3 dos reatores. O período de avaliação é de janeiro/26 a julho/29. RESULTADOS E DISCUSSÃO Eficiência operacional da ETE Arrudas Na tabela 1 estão representados os valores médios anuais dos parâmetros de eficiência da ETE Arrudas, referente ao período de janeiro/26 a julho/29, os quais atendem à deliberação do COPAM N º 1/28, quanto ao lançamento de efluentes nos corpos receptores de água. Tabela 1 Valores médios anuais seguidos dos respectivos devios-padrão dos parâmetros de eficiência da ETE Arrudas Ano DBO afluente DBO efluente Eficiência % DQO afluente DQO efluente Eficiência % SST afluente SST efluente Eficiência % ph , ,8, ,9 3, ,1, ,8 6, ,9, , ,8,1 Nota: Análises realizadas conforme metodologias descritas no Standard Methods for the Examination of Water and Wastewater 21 ed - 25 Testes para avaliação da remoção de amônia Inicialmente foram realizados testes de bancada para avaliação da remoção de amônia com amostra da zona anóxica dos reatores, variando o tempo de aeração com a disponibilidade de oxigênio e sua correlação com a redução de amônia (Tabela 2) com o objetivo de investigar o processo de oxidação conforme descrito na equação 1. Tabela 2 Teste de bancada para avaliação da remoção de amônia Oxigênio Dissolvido Data Tempo de aeração N-NH 3 25/8/8 Sem aeração 23 Eficiência (%) 1 hora horas 2, horas 2,7 3, /8/8 Sem aeração, horas 2,5 2, horas 3,8 2,2 9 No dia 25/8/8 foram feitos testes iniciais em diferentes fontes de ar o que proporcionou um OD alto após 1h, em 26/8/8 retirou-se alíquotas da mesma amostra em diferentes tempos para análise. Os testes de bancada indicaram a possibilidade de remoção de amônia em níveis de 9% após 3 horas de aeração usando o compressor de ar da linha da bancada central. Com esse dado partiu-se para uma investigação mais detalhada dos resultados das análises de OD. ABES Associação Brasileira de Engenharia Sanitária e Ambiental 3

4 jan/6 mai/6 set/6 jan/7 mai/7 set/7 jan/8 mai/8 set/8 jan/9 mai/9 jan/6 abr/6 jul/6 out/6 jan/7 abr/7 jul/7 out/7 jan/8 abr/8 jul/8 out/8 jan/9 abr/9 jul/9 X Simpósio Ítalo-Brasileiro de Engenharia Sanitária e Ambiental Resultados de oxigênio dissolvido (OD) nos reatores No período de janeiro/26 a julho/29 foram realizadas duas coletas diárias, às 9 e 15 horas no meio dos reatores e submetidas à análise de oxigênio dissolvido. Dos dados obtidos (n=172-reator 1- R1; n=172- reator 2 - R2) foram usados as médias mensais e plotados nas séries temporais conforme representados nas figuras 2 e 3 a seguir: 4,5 4, 3,5 3, 2,5 2, 1,5 1,,5, Oxigênio dissolvido - 9h 3, 2,5 2, 1,5 1,,5, Oxigênio dissolvido - 15h R1-9h R2-9h R1-15h R2-15h Figura 2: OD dos reatores 9h Figura 3: OD dos reatores- 15h A figura 2 apresenta uma queda da média de concentração de OD no período de 28. Através da figura 3 pode-se observar uma diminuição da concentração de OD bem evidenciada no período de maio/7 a agosto/8. Resultados de nitrato nos reatores As análises de nitrato foram realizadas a partir de 2/5/27. Os dados estão apresentados na figura 4 a seguir. Pode-se observar no período de 27 e 28 uma concentração baixa de nitrato. Figura 4: Análise de nitrato nos reatores Organismos encontrados nos reatores de lodos ativados Mensalmente são realizadas análises de zooplancton qualitativo que apresentam resultados em percentual dos organismos presentes nos reatores de lodos ativados. Os resultados da análise microscópica apresentam os gêneros de microorganismos observados e expressos em % de campos avaliados. Os dados foram tabelados e classificados por grupos sendo apresentados na figura 5 a seguir: ABES Associação Brasileira de Engenharia Sanitária e Ambiental 4

5 ja n/ 6 ab r/6 ju l/6 ou t/ 6 ja n/ 7 ab r/7 ju l/7 ou t/ 7 ja n/ 8 ab r/8 ju l/8 ou t/ 8 ja n/ 9 ab r/9 ju l/9 ja n/ 6 ab r/6 ju l/6 ou t/ 6 ja n/ 7 ab r/7 ju l/7 ou t/ 7 ja n/ 8 ab r/8 ju l/8 ou t/ 8 ja n/ 9 ab r/9 ju l/9 jan/6 abr/6 jul/6 out/6 jan/7 abr/7 jul/7 out/7 jan/8 abr/8 jul/8 out/8 jan/9 abr/9 jul/9 out/9 X Simpósio Ítalo-Brasileiro de Engenharia Sanitária e Ambiental CLN: Ciliados Livres Natantes; CPF: Ciliados Pendunculados Fixos; FLAG: Flagelados, RIZOP: Rizópodes, ROTÍF: Rotíferos, BAC. FLAM: Bactérias Filamentosas Figura 5: Dados da análise microbiológica (Zooplancton qualtitativo) Observa-se na Figura 5 que ocorreu uma menor diversidade de microorganismos, tal fato deve-se, provavelmente, ao período de redução da eficiência de remoção de nitrogênio amoniacal. Segundo Oliveira et.al. (29) a menor diversidade sugere menor estabilidade e ambiente com maior grau de estresse. Resultados das Análises de metais Foram realizadas análises de metais no afluente e efluente da estação. Os resultados do período em estudo encontram-se no quadro abaixo contendo os gráficos dos metais analisados. Quadro 1: Gráficos dos metais analisados Alumínio ,8,7,6,5,4,3,2,1 Arsênio Chumbo ,8,7,6,5,4,3,2,1 ABES Associação Brasileira de Engenharia Sanitária e Ambiental 5

6 jan/6 abr/6 jul/6 out/6 jan/7 abr/7 jul/7 out/7 jan/8 abr/8 jul/8 out/8 jan/9 abr/9 jul/9 jan/6 abr/6 jul/6 out/6 jan/7 abr/7 jul/7 out/7 jan/8 abr/8 jul/8 out/8 jan/9 abr/9 jul/9 ja n/ 6 ab r/6 ju l/6 ou t/ 6 ja n/ 7 ab r/7 ju l/7 ou t/ 7 ja n/ 8 ab r/8 ju l/8 ou t/ 8 ja n/ 9 ab r/9 ju l/9 jan/6 abr/6 jul/6 out/6 jan/7 abr/7 jul/7 out/7 jan/8 abr/8 jul/8 out/8 jan/9 abr/9 ja n/ 6 mar/ 6 mai/6 ju l/6 set/6 no v/6 ja n/ 7 mar/ 7 mai/7 ju l/7 set/7 no v/7 ja n/ 8 mar/ 8 mai/8 ju l/8 set/8 no v/8 jul/9 ja n/ 6 mar/ 6 mai/6 ju l/6 set/6 no v/6 ja n/ 7 mar/ 7 mai/7 ju l/7 set/7 no v/7 ja n/ 8 mar/ 8 mai/8 ju l/8 set/8 no v/8 ja n/ 6 ab r/6 ju l/6 ou t/ 6 ja n/ 7 ab r/7 ju l/7 ou t/ 7 ja n/ 8 ab r/8 ju l/8 ou t/ 8 ja n/ 9 ab r/9 ju l/9 jan/6 abr/6 jul/6 out/6 jan/7 abr/7 jul/7 out/7 jan/8 abr/8 jul/8 out/8 jan/9 abr/9 jul/9 ja n/ 6 ab r/6 ju l/6 ou t/ 6 ja n/ 7 ab r/7 ju l/7 ou t/ 7 ja n/ 8 ab r/8 ju l/8 ou t/ 8 ja n/ 9 ab r/9 ju l/9 X Simpósio Ítalo-Brasileiro de Engenharia Sanitária e Ambiental Cromo ,16,14,12,1,8,6,4,2,35,3,25,2,15 Cádmio Calcio ,1 1,5 Estanho ,4,35,3,25,2,15,1, Mn total ,25,2,15,1,5 Mercúrio-26-29,6,5,4,3,2,1 Níquel ,3,25,2,15,1,5 Prata Selênio-26-29,35,3,25,2,15,1,5 ABES Associação Brasileira de Engenharia Sanitária e Ambiental 6

7 Os compostos inorgânicos identificados como inibidores potenciais da nitrificação são os seguintes: zinco, cianetos, percloratos, cobre, mercúrio, cromo, níquel, prata, tiocianatos, azida de sódio, hidrazina, cromato de potássio, cádmio, arsênio trivalente, fluoretos, chumbo. Os metais pesados, em concentrações da ordem de 1 a 2 podem ser bem tolerados pelas nitrificadoras, segundo Ferreira, E.S, (2). Conforme se pôde verificar pelos gráficos do quadro acima, os metais que apresentaram picos de concentração acima destes valores são o Zn (28) e Fe (94,25 ). O zinco não pode ter sido o causador do problema, pois antes da data já não estava nitrificando e o ferro refere-se ao período em que a nitrificação estava ocorrendo normalmente. A mesma inferência pode ser feita em relação ao chumbo. Pode-se notar que alguns metais apresentam dados constantes ou mesmo mudança do limite de detecção com valores diferenciados por período como: arsênio, bário, cromo, cádmio, estanho, mercúrio, prata e selênio, porém não se pode inferir sobre a toxicidade dos mesmos no processo de nitrificação. Outros metais como alumínio, cobre, cálcio, manganês, níquel apresentaram variações ao longo de todo o período. Análise de amônia No período de janeiro/26 a julho/29 foram realizadas análises de nitrogênio amoniacal nas amostragens compostas realizadas semanalmente (n=182). Os dados foram plotados nas séries temporais conforme representados na Figura 6 a seguir: Figura 6: Remoção de amônia no período de janeiro/26 a julho/29 Conforme pode-se analisar na figura 6 no período de 4/7/7 a 2/8/8 houve uma queda acentuada na eficiência de remoção de amônia. Fazendo-se uma análise do período em questão pode-se verificar que se limitando a concentração de OD em torno de,5 a 1 (conforme figuras 2 e 3) teremos uma queda na eficiência da nitrificação, bem como queda da formação de nitrato evidenciados nas figura 4, além da menor diversidade de microorganismos evidenciado na figura 5. Ações tomadas para a melhoria do processo Durante o período de baixa eficiência de remoção de amônia e investigação da causa efetiva do problema várias ações foram tomadas buscando-se resolver o problema podendo-se citar: - alterações das aberturas das válvulas de comando de ar para a malha de difusores de membranas colocadas no fundo dos reatores segundo o set point ideal da concentração através de de sua ligação via painel (operação manual). - Em julho/28 foram instaladas sondas de processo para a medição de OD automaticamente. Os medidores de OD também podem atuar automaticamente na abertura ou fechamento das válvulas borboletas motorizadas que injetam ar na malha dos difusores de membranas colocadas no fundo dos reatores. - Atuação eletromecânica no difusor de ar dos sopradores, após verificação que o mesmo estava travado e efetuar a manutenção em 27/8/8, o processo voltou a remover amônia em níveis de 8 a 9%. ABES Associação Brasileira de Engenharia Sanitária e Ambiental 7

8 CONCLUSÕES Conforme avaliação dos resultados, concluímos que, apesar de manter a qualidade do efluente gerado dentro dos padrões das legislações ambientais (conforme tabela 1), o processo de nitrificação foi comprometido pela baixa concentração média de oxigênio dissolvido requerida nos reatores. Apesar de todas as medidas operacionais adotadas somente o problema foi resolvido com a atuação eletromecânica da malha difusora dos sopradores. A redução de amônia está diretamente relacionada com a redução da concentração de oxigênio dissolvido no período avaliado. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS 1. FERREIRA, E.S,. Cinética química e fundamentos dos processos de nitrificação e desntrificação biológica. XXVII Congresso Interamericano de Engenharia Sanitária e Ambiental.dez/2. 2. MINAS GERAIS. Deliberação Normativa Conjunta COPAM/CERH-MG N.º 1, de 5 de Maio de 28. Dispõe sobre a classificação dos corpos de água e diretrizes ambientais para o seu enquadramento, bem como estabelece as condições e padrões de lançamento de efluentes, e dá outras providências. Minas Gerais. Conselho Estadual de Política Ambiental OLIVEIRA, G.S.S; ARAÚJO, C.V.M; FERNANDES, J.S.F; Microbiologia de sistemas de lodos ativados e sua relação com o tratamento de efluentes industriais: a experiência da Cetrel. Engenharia sanitária e Ambiental, v14 n2, p , abril/jun VON SPERLING, M. Princípios do tratamento biológico de águas residuárias. Vol. 4. Lodos Ativados DESA UFMG. 2 a ed. 428p.25. ABES Associação Brasileira de Engenharia Sanitária e Ambiental 8