I TRATABILIDADE DOS DESPEJOS DE LATICÍNIOS POR LODOS ATIVADOS EM BATELADA

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1 I TRATABILIDADE DOS DESPEJOS DE LATICÍNIOS POR LODOS ATIVADOS EM BATELADA Maria Lucia Camargo Afonso Engenheira Química pela Universidade Federal do Paraná. Mestre em Tecnologia Química pela Universidade Federal do Paraná. Urivald Pawlowsky (1) FOTOGRAFIA NÃO Engenheiro Químico pela Universidade Federal do Paraná. Mestre em Ciência pela DISPONÍVEL COPPE. Doutor em Ciência pela State University of New York. Professor do Curso de Pós-Graduação em Tecnologia Química. Ex-Diretor do Departamento do Meio Ambiente da Surehma, atualmente IAP (PR). Consultor da Organização Pan-Americana de Saúde, de Indústrias e de Orgãos Governamentais. Maria da Graça Patza Engenheira Química pela Universidade Federal do Paraná. Técnica do Instituto Ambiental do Paraná (IAP), atuando na área de Avaliação de Tecnologias de Tratamento de Efluentes Industriais. Endereço (1) : Rua Fagundes Varela, Jardim Social - Curitiba - PR - CEP: Brasil - Tel: (41) urivald@engquim.ufpr.br RESUMO Neste estudo, em escala de laboratório, verificou-se a aplicabilidade do processo de Lodos Ativados por Batelada (LAB) no tratamento de águas residuárias geradas em postos de resfriamento de leite. Os resultados indicaram boa eficiência de remoção de matéria orgânica. As porcentagens máximas de remoção para DQO solúvel alcançaram 98,5% e 99,3% para DBO. O processo LAB demonstrou ser uma alternativa viável para o despejo de postos de resfriamento de leite. PALAVRAS-CHAVE: Lodos Ativados de Fluxo Intermitente, LAB, Sequencing Batch Reactor (SBR), Tratabilidade Laticínios. INTRODUÇÃO A produção leiteira do Estado do Paraná é uma das mais importantes do país. No ano de 1999 os 36 mil produtores comercializaram 1,85 bilhão de litros de leite, sendo 260 o número de unidades processadoras existentes no estado. A maioria dessas unidades são pequenas, processando menos de 10 mil litros de leite por dia. Muitas dessas instalações situam-se nos perímetros urbanos das cidades não possuindo área adequada para o tratamento dos despejos por processos simples como lagoas e o custo de instalações compactas de tratamento aeróbio é muito alto para grande parte das indústrias existentes, podendo torná-las inviáveis. O presente trabalho visou o aprimoramento da tecnologia de tratamento de efluentes de laticínios pelo processo de lodos ativados por batelada (LAB), tecnologia que vem ganhando espaço na solução de problemas ambientais no Brasil e no mundo. O uso de reatores biológicos de lodos ativados de fluxo intermitente, conhecidos como, Lodos Ativados por Batelada (LAB) vem sendo intensificado nos últimos anos em vários países, pela sua simplicidade operacional, possibilidade de automação, flexibilidade de estratégias de operação (que podem permitir a remoção de nutrientes e absorção de picos de cargas volumétricas e/ou orgânicas), apresenta baixa produção de lodo, alta eficiência de remoção de compostos orgânicos, aliado à economia de energia e implantação quando comparado com sistemas de lodos ativados convencionais e suas variantes. Diferentemente do processo contínuo, o LAB é formado, essencialmente, por reator biológico, com tanque único ou múltiplo, que funciona também como decantador secundário. O esquema operacional é extremamente simples: o despejo é admitido até o nível pré-determinado no reator; é tratado e depois ABES - Associação Brasileira de Engenharia Sanitária e Ambiental 1

2 decantado. O sobrenadante tratado é retirado do reator, deixando a massa de lodo biológico no reator. Este ciclo pode ser repetido vária vezes por dia, conforme a vazão afluente do despejo. O desenvolvimento desse trabalho contou com o apoio do Instituto Ambiental do Paraná (IAP-PR). MATERIAIS E MÉTODOS 1. Caracterização do despejo industrial O despejo industrial foi procedente de um pequeno Posto de Resfriamento de Leite localizado na região metropolitana da cidade de Curitiba, e teve origem na lavagem dos tanques de resfriamento e ordenhadeira mecânica. Amostras foram coletadas semanalmente, em recipientes de 30 litros e armazenadas em geladeira à 4ºC. Valores médios do despejo bruto em DQO e DBO foram 2.576mg/L e 1.292mg/L respectivamente. A presença de nutrientes foi insuficiente para obedecer à relação DBO/100: N/5: P:1, portanto, como fonte de nitrogênio foi utilizado Cloreto de Amônio e como fonte de fósforo Fosfato Ácido de Potássio. O ph do despejo bruto oscilou em torno de 8,0. Tendo em vista a necessidade do processo biológico de ser operado com alimento de características razoavelmente constantes, trabalhou-se com DQO em torno de 2.000mg/L, através da diluição das amostras brutas. De acordo com SENAI (1997), este é um valor médio daqueles apresentados como característicos de postos de resfriamento para o estado do Paraná, tornando assim os dados mais representativos, de acordo com a realidade das unidades do estado. 2. Unidade Experimental A unidade experimental consistia de um reator, em escala de laboratório, de PVC transparente com volume total de 12 litros, sendo 8,5 o volume útil. A temperatura foi mantida em 25 ±1ºC através de um banho termostático. A aeração foi realizada por maio de ar difuso (compressor de ar Schultz modelo MS-20/350), a qual, também teve a função de manter a mistura agitada. O despejo a ser tratado foi agitado permanentemente, mantido à uma temperatura abaixo de 10ºC por meio de banho de gelo e alimentado ao reator através de bomba peristáltica (Marca Milan - Modelo P-203). 3. Inóculo Foi utilizado inóculo proveniente da Estação de Tratamento de Esgotos da Sanepar. 4. Técnica Experimental A fase de aclimatação durou 16 dias e foi iniciada com uma relação alimento/biomassa (DQO) de 0,10 d -1. O ph foi mantido em 7,0, temperatura a 25±1ºC e oxigênio dissolvido superior a 2mg/L. Até se completar o volume útil do reator a alimentação foi manual e em batelada, após esse período, alimentou-se com o auxílio da bomba dosadora e já respeitando a estratégia de operação. O lodo foi considerado aclimatado quando apresentou boas características microbiológicas, a concentração de sólidos suspensos voláteis no reator permaneceu em equilíbrio e produziu alta remoção de matéria orgânica. Para a verificação da eficiência do sistema, bem como para se obter dados para a determinação dos coeficientes cinéticos, o estudo foi conduzido da seguinte forma: variou-se a relação alimento/biomassa (DQO) entre 0,10 e 0,25 d -1, o ciclo foi mantido em 24 horas sendo: 14h de alimentação, 8h30min reação, 1h decantação, 10 min drenagem e 20min de repouso. ABES - Associação Brasileira de Engenharia Sanitária e Ambiental 2

3 RESULTADOS Iniciou-se a aclimatação do lodo com uma concentração de biomassa em termos de sólidos suspensos voláteis no reator em torno de 1.500mg/L. Durante todo este período de aclimatação não houve crescimento líquido da biomassa. Esta estabilização na concentração de sólidos foi alcançada pela baixa carga orgânica aplicada e alto tempo de retenção de sólidos no sistema, acarretando a digestão aeróbia do lodo. Isto foi observado durante todo o estudo, não havendo necessidade de descartar lodo em excesso (com exceção do experimento com taxa de aplicação F/M 0,25 d -1 ). Este fato apresenta-se como um grande aliado, pois em escala real esta estratégia de operação reduz sensivelmente o custo de operação e instalação do processo, tendo em vista que o lodo biológico produzido em excesso deve passar por um tratamento antes de ser disposto no solo. Os testes foram realizados na seguinte ordem: 0,15d -1, 0,20d -1, 0,17 d -1 e 0,10 d -1. A taxa 0,25 d -1 foi aplicada após uma outra fase do estudo na qual variou-se os tempos de enchimento e reação (não apresentada neste trabalho), mantendo-se a carga aplicada constante. A Tabela 1 apresenta um resumo dos resultados obtidos, sendo os valores reportados na tabela as médias obtidas no período que variou de 9 a 12 ciclos para cada etapa de observação. Para as quatro primeiras etapas as concentrações de sólidos suspensos voláteis no reator tenderam a valores baixos e estáveis, o motivo já mencionado acima. As características de sedimentabilidade do lodo, avaliado pelo parâmetro IVL, demonstram um lodo compacto apresentando valores inferiores a 100mL/g. Observou-se que os testes com maior sedimentabilidade do lodo, foram os que apresentaram um lodo formado por grandes e pesados flocos. Na etapa com a maior taxa de aplicação (F/M 0,25), observou-se lodo intumescido e com a presença crescente de microrganismos filamentosos. Justamente durante esta etapa obteve-se melhores resultados de remoção de matéria orgânica: 99,3% em DBO e 98,1 em DQO. Em todas as etapas o teor de sólidos suspensos totais no efluente foi superior a 30 mg/l, gerando um efluente com aspecto turvo e em alguns casos com pequenas partículas, como na etapa 4 ( F/M 0,20 d -1 ), na qual o efluente apresentou um teor médio de sólidos suspensos totais de 238 mg/l. A eficiência de remoção de SST para todas as etapas variou entre 34,6 e 91,8%. Avaliando o conjunto dos resultados de remoção de matéria orgânica, características do lodo e a sua sedimentabilidade, a etapa com taxa de aplicação F/M 0,10 d -1 foi a que apresentou os melhores valores: eficiência de remoção 98,4% em DBO, 97,7 em DQO, IVL de 57 ml/g com flocos bem formados. Como dados complementares foram realizados alguns experimentos com taxa de aplicação 0,30 d -1, porém o grau de intumescimento foi bastante elevado, não sendo possível retirar o volume de despejo tratado sem retirar uma quantidade de lodo biológico junto. Tabela 1 - Performance do reator. Parâmetro Fase 1 F/M 0,10 F/M O,15 F/M 0,17 F/M 0,20 F/M 0,25 SSVR (mg/l) IVL (ml/g) DBO inf (mg/l) DBOs efl (mg/l) DQO inf (mg/l) DQOs efl (mg/l) SST inf (mg/l) SST efl (mg/l) ABES - Associação Brasileira de Engenharia Sanitária e Ambiental 3

4 DETERMINAÇÃO DOS COEFICIENTES CINÉTICOS Com os dados obtidos nas diferentes etapas aplicou-se o modelo cinético para reatores de escoamento contínuo obtendo-se as constantes de reação. A base de cálculo foi em DQO, pois a concentração inicial foi mantida em 2014 ± 44 mg/l e pela rapidez do método. Os dados observados na etapa com carga de aplicação 0,25d -1 não foram utilizados no estudo cinético, pois o lodo já apresentava um certo grau de intumescimento e inexistência das condições de equilíbrio completamente estabelecidas. No presente trabalho foram realizados dois estudos cinéticos, um considerando o volume total do reator para a determinação do tempo de detenção hidráulico e outro estudo considerando que um ciclo por dia resulta em tempo de detenção hidráulico igual a 1 dia. A Tabela 2 apresenta um resumo da determinação dos coeficientes que geraram as Figuras 1,2 e 3. Utilizouse os melhores pontos (média do parâmetro ± 10%). Os resultados da determinação considerando θ H =1 não foram considerados, pois, a análise de regressão dos valores apresentou coeficientes de correlação muito baixos, não obtendo-se dados confiáveis para modelos cinéticos. Figura 1 - Determinação dos coeficientes k e Ks X.0H / So-S (d) y = 377,36x + 3,222 R 2 = 0, ,000 0,005 0,010 0,015 0,020 0,025 1/S (mg/l) Figura 2 - Determinação dos coeficientes Y e k d. 0,030 1/0c (1/d) 0,025 0,020 0,015 0,010 y = 0,183x - 0,0125 R 2 = 0,5912 0,005 0, ,05 0,1 0,15 0,2 0,25 So-S / X.0H (1/d) ABES - Associação Brasileira de Engenharia Sanitária e Ambiental 4

5 Tabela 2 - Resumo da determinação dos coeficientes cinéticos. So S X 0c 1/S 0H X.0H So-S 1/0c F/M DQO DQOs SSVR So-S X.0H (mg/l) (mg/l) (mg/l) (d) (L/mg) (d) (d) (1/d) (1/d) (d -1 ) ,61 0,029 8,957 11,442 0,087 0, ,99 0,028 8,173 7,492 0,133 0, ,59 0,020 11,288 10,502 0,095 0, ,10 0,020 10,954 10,213 0,098 0,010 0, ,81 0,015 11,822 10,267 0,097 0, ,04 0,022 11,068 11,586 0,086 0, ,75 0,028 11,440 9,627 0,104 0, ,65 0,019 12,879 9,374 0,107 0, ,47 0,019 11,740 10,695 0,094 0, ,99 0,022 12,918 12,701 0,079 0, ,97 0,008 8,509 7,083 0,141 0, ,65 0,008 7,929 7,073 0,141 0, ,12 0,009 7,209 7,039 0,142 0, ,04 0,009 8,309 7,060 0,142 0, ,52 0,010 6,916 7,020 0,142 0, ,77 0,010 7,246 7,004 0,143 0, ,19 0,010 7,805 7,022 0,142 0,008 0, ,76 0,015 8,065 6,894 0,145 0, ,29 0,010 8,366 6,985 0,143 0, ,73 0,014 7,036 6,666 0,150 0, ,69 0,015 8,126 7,282 0,137 0, ,43 0,008 8,790 7,923 0,126 0, ,62 0,020 6,071 5,918 0,169 0, ,83 0,014 6,028 5,566 0,180 0, ,26 0,010 6,827 6,766 0,148 0, ,39 0,010 6,182 6,275 0,159 0,013 0, ,88 0,009 6,159 6,750 0,148 0, ,86 0,008 6,137 7,092 0,141 0, ,75 0,007 6,888 6,434 0,155 0, ,70 0,009 6,106 5,903 0,169 0, ,73 0,008 6,494 6,457 0,155 0, ,89 0,006 5,417 5,727 0,175 0, ,14 0,007 5,417 5,235 0,191 0, ,74 0,006 5,136 4,804 0,208 0, ,26 0,007 5,986 5,412 0,185 0, ,15 0,007 6,200 5,398 0,185 0, ,86 0,005 6,200 5,277 0,189 0, ,46 0,020 6,396 5,686 0,176 0,027 0, ,90 0,031 5,414 5,293 0,189 0, ,68 0,016 5,414 5,453 0,183 0, ,02 0,010 5,051 4,155 0,241 0, ,82 0,012 5,390 5,230 0,191 0, ,57 0,033 5,999 5,647 0,177 0,019 O coeficiente Y (0,183 mg SSV/mg DQO) que representa a quantidade de células geradas por quantidade de substrato aplicado, indicou uma baixa produção de biomassa, não deixando de se considerar a associação do alto tempo de aeração, que acabou digerindo o lodo biológico gerado. ABES - Associação Brasileira de Engenharia Sanitária e Ambiental 5

6 Vários resultados operacionais de literatura, comprovam uma geração de lodo comparativamente menor quando se utilizam reatores de fluxo intermitente, fato considerado de grande vantagem operacional e financeira para um sistema de efluentes líquidos. Uma dos problemas encontrados no tratamento de despejos de laticínios operados em processos de lodos ativados, considerando as características do processo, é a formação de grandes quantidades de lodo secundário não mineralizado. O coeficiente de decaimento endógeno k d (0,0125 d -1 ) que significa o lodo oxidado na respiração endógena e é função da quantidade de sólidos suspensos voláteis no reator, apresentou-se inferior aos encontrados em literatura. Este coeficiente está inversamente relacionado com o tempo de detenção celular. Observou-se uma alta idade do lodo durante todo o experimento, em torno de 62 dias. Os valores obtidos para os outros coeficientes foram: k (0,310 d -1 ), µm (0,057 d -1 ), µ (0,016 d -1 ) e U (0,156 mg DQO/mg SSV.d). O valor do coeficiente de saturação Ks (116,98 mg DQO/L),que indica a afinidade dos microrganismos por cada substrato, foi próximo ao encontrado em tratamento de esgotos domésticos 15-70mg DQO/L) Através da Figura 3, determinou-se a concentração limitante de substrato que foi de mg/l. Figura 3 - Taxa de crescimento específica em função da concentração de substrato limitante. 0,060 0,050 Taxa especif de cresc. (1/d) 0,040 0,030 0,020 0,010 0, S (mg/l) CONCLUSÕES Com base no trabalho realizado e metodologias adotadas, comprovou-se a viabilidade técnica da utilização do processo de lodos ativados por batelada para o tratamento de efluente de postos de resfriamento de leite com elevadas eficiências de remoção de matéria orgânica. Esta concepção de sistema com a ausência de decantadores secundários traz uma série de vantagens tanto construtivas como operacionais representando uma opção de menor custo. Para taxas de aplicação variando entre 0,10 e 0,25 kg DQO/ kg SSVR.d obteve-se eficiência de remoção de matéria orgânica entre 97,7 e 99,3 % em DBO; entre 94,7 e 98,5 em DQO solúvel e entre 84,4 e 97,5 % para DQO total. Demonstrou-se que o reator pode ser operado com elevadas idades de lodo, com a mínima ou nenhuma geração de lodo em excesso. Isto representa uma redução de custos considerando àqueles referentes a disposição final do lodo biológico. ABES - Associação Brasileira de Engenharia Sanitária e Ambiental 6

7 REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS 1. ARORA, M.L., BARTH, E., UMPHRES, M.B. Technology evaluation of sequencing batch reactors. Journal Water Pollution Control Federation, v.57, n.8, p , ago BÓRIO, T., PAWLOWSKY, U. Aeração prolongada de despejo formulado de laticínio. IX CONGRESSO BRASILEIRO DE ENGENHARIA SANITÁRIA 1977, Anais. Belo Horizonte, MG, DANFORTH Jr, T. Computadorized control of sequencing batch reactor treatment for dairy processing wastewater, In: 1992 FOOD ENVIRONMENTAL CONFERENCE, Georgia Institute of Technology, p , IRVINE, R., WILDERER, P., FLEMMING, H. Controlled unsteady state processes and technologies - na overview. Water Science and Technology, v.35, n.1, p. 1-10, METCALF &EDDY. Wastewater Engineering: treatment, disposal, reuse. 3 ed. New York: McGraw-Hill, 1334p ORHON,D., CIMSIT,Y., TÜNAY,º Substrate removal mechanism for sequencing batch reactors. Water Science and Technology, v.18, n.7/8, p , SENAI - comunicação direta, USEPA - Environmental Protection Agency - Sequencing batch reactors, EPA/625/8-86/011, 24p, ABES - Associação Brasileira de Engenharia Sanitária e Ambiental 7