REMOÇÃO DA POLUIÇÃO ORGÂNICA E NITROGENADA DE ESGOTO URBANO EM REATOR HÍBRIDO OPERADO COM BAIXA TEMPERATURA

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1 REMOÇÃO DA POLUIÇÃO ORGÂNICA E NITROGENADA DE ESGOTO URBANO EM REATOR HÍBRIDO OPERADO COM BAIXA TEMPERATURA Delmira Beatriz Wolff (*) Engenheira sanitarista e mestre em Engenharia Ambiental pela Universidade Federal de Santa Catarina, Brasil, doutoranda em Engenharia Ambiental-UFSC, sandwich com INSA-Toulouse, França, bolsita CAPES delmira@ens.ufsc.br Juan Carlos Ochoa Chavez INSA-Toulouse, França Etienne Paul INSA-Toulouse, França Rejane Helena Ribeiro da Costa Universidade Federal de Santa Catarina/Departamento de Engenharia Sanitária e Ambiental (*) Departamento de Engenharia Sanitária e Ambiental, CTC Universidade Federal de Santa Catarina. Campus universitário, Trindade, CEP Florianópolis SC Brasil Telefone RESUMO Este trabalho investiga o desempenho de um reator piloto híbrido com leito móvel na remoção simultânea de poluição orgânica e nitrogenada de um esgoto urbano, operado com temperatura de 16 o C. Foi utilizado um polietileno de baixa densidade como material suporte, com alta superfície específica para o crescimento da biomassa (375 m 2 /m 3 sup.). O reator piloto foi monitorado em duas fases, A e B com idades do lodo médias de 1 e 3 dias, respectivamente. As cargas volumétricas médias aplicadas foram de,9 kgdqo/m 3 dia (carga orgânica) e,15kgntk/m 3.dia (carga nitrogênio). Os resultados obtidos mostraram uma remoção de 91% de DQO, nas duas fases, e 75% e 71% de NTK, fases A e B, respectivamente. O processo mostrou-se eficiente para o tratamento de esgoto sanitário, quando operado com baixa temperatura, baixa idade do lodo e baixa porcentagem de preenchimento. PALAVRAS CHAVE Nitrogênio, poluição orgânica, reator híbrido, tratamento de esgoto urbano INTRODUÇÃO Os crescentes níveis de poluição dos recursos naturais, causados principalmente pelo crescimento desordenado das populações urbanas e pelo desenvolvimento tecnológico e industrial, exigem o desenvolvimento de novas tecnologias de tratamento de efluentes, com o objetivo de reduzir e/ou eliminar poluentes antes de seu lançamento nos recursos hídricos. Os processos de tratamento biológicos aeróbios de biomassa floculada, como lodos ativados convencionais, são freqüentemente usados para tratar os efluentes domésticos e industriais. Estes processos são eficientes na remoção de sólidos em suspensão e DQO, contudo, exigem grande área de instalação, reagem com dificuldade às altas variações de carga orgânica, e são muito dependentes da separação líquido/sólido e apresentam altos custos relativos à energia na aeração do sistema. No sentido de obter um reator biológico com elevada velocidade de conversão, capaz de tratar a poluição orgânica e nitrogenada em um único reator compacto, foram desenvolvidos os reatores híbridos, que utilizam processo de biomassa fixa em conjunto com lodo ativado (biomassa floculada). Este tipo de reator apresenta como vantagens, em relação aos outros processos de biomassa fixa, uma maior capacidade de retenção da biomassa no reator, melhor decantabilidade do lodo, utiliza material-suporte de baixa densidade, com elevada superfície específica para o crescimento da biomassa, redução de custos de instalação e energia e ainda, a

2 possibilidade de otimização de estações de tratamento de esgoto existentes para absorver maiores cargas orgânicas e promover a nitrificação e desnitrificação ( degaard et al., 2, Andreottola et al., 1999). Este trabalho investiga a remoção da poluição orgânica em termos de Demanda Química de Oxigênio-DQO e nitrogenada em termos de Nitrogênio Total Kjeldahl-NTK em um reator híbrido de leito móvel, operando com temperatura de 16 o C e diferentes idades do lodo. O princípio do reator de leito móvel é o crescimento de um biofilme em um elemento plástico de baixa densidade, o qual se move livremente no reator biológico (tanque de aeração) (Andreottola et al., 1999). METODOLOGIA Instalação piloto. O reator piloto era constituído por uma coluna em PVC transparente com volume útil de 22 litros (suporte + lodo), a qual era dotada de um agitador, com duas hélices, que mantinha o suporte em suspensão; um decantador com volume de 2,5 litros, de onde o lodo era recirculado em direção ao reator; e 3 bombas peristálticas, que eram utilizadas para alimentação do sistema, recirculação de lodo e adição de fonte de carbono, respectivamente. A aeração era seqüencial, com um corte de ar por ciclos de 45 minutos, permitindo a alternância de fases aeróbicas e anóxicas. O ph e o oxigênio dissolvido (OD) eram medidos por sondas e os resultados eram processados por um software de aquisição de dados. A temperatura era mantida a 16 C por meio de um termostato. O sistema era alimentado com esgoto sanitário captado na rede coletora urbana, que era pré-decantado e estocado em um tanque metálico, agitado e refrigerado a 4 C. As características do esgoto eram (valores médios): DQO TOTAL = 323 mg/l, NTK = 63 mg/l, NH + 4 = 38 mg/l e DQO/NTK = 5. Uma solução de carbono era injetada no tubo de recirculação durante a fase anaeróbia por meio de uma bomba peristáltica, que era comandada por um timer. Esta solução era constituída por Propianato de Sódio, Acetato, Amido solúvel e Etanol, utilizados como diferentes fontes de carbono facilmente biodegradáveis, com o objetivo de permitir o crescimento de diversas espécies bacterianas. Após a adição desta solução, a DQO total média da entrada passou a ser 39mg/L, e a relação DQO/N da entrada ficou superior a 6. A figura 1 mostra o esquema da instalação piloto R321 R321 1 H 1 H 2 L 2 L CONSORT O2 CONSORT O2 SET CAL SET CAL computador 2. oxímetro 3. temperatura e ph-metro 4. tanque alimentação 5. bomba alimentação 6. bomba recirculação 7. agitação 8. reator biológico 9. decantador 1. bomba solução carbono 6 1 Figura 1. Instalação piloto Material suporte Como material suporte, foi utilizado o P5, em polietileno, forma cilíndrica, profundidade de 6,2 mm, diâmetro médio de 1 mm, densidade 88 kg/m 3 e superfície específica potencial para o crescimento dos microorganismos de 375 m 2 /m 3 sup., cuja porcentagem de preenchimento no reator foi de 1%. A figura 2 mostra a foto deste material.

3 ,22,24,14 Figura 2. Suporte P5 lupa Condições operacionais O reator foi operado durante 227 dias em duas fases (A e B), definidas em função da idade do lodo: fase A, com idade do lodo média de 1 dias e fase B, idade do lodo média de 3 dias. A vazão de alimentação e recirculação era de 45 L/dia. As cargas volumétricas médias aplicadas foram de,9 kgdqo/m 3 dia (carga orgânica) e,15kgntk/m 3.dia (carga de nitrogênio total) nas fases A e B. Estas cargas aplicadas foram calculadas em função do volume de líquido do reator. Análises Foram realizadas análises diárias de Demanda Química de Oxigênio (micrométodo ao dicromato de potássio), total e filtrada, sólidos em suspensão e voláteis (gravimétrico), Nitrogênio total e amoniacal (Standard Methods, 1998). As eficiências de remoção em termos de DQO e NTK nas fases A e B foram calculadas diariamente. As amostras eram compostas, coletadas em um período de 12 horas aproximadamente. O rendimento da produção de lodo (Y obs ) foi determinado através da relação entre a biomassa produzida diariamente (Px) e a DQO removida. A produção diária de lodo depende da quantidade de sólidos em suspensão voláteis (SSV) que entram no reator, dos SSV acumulados no reator durante t, dos SSV presentes no lodo descartado e na saída do reator. RESULTADOS Remoção de matéria orgânica e produção específica de lodo Após a inoculação de uma semana com lodo ativado e 54 dias em condições operacionais normais, foi dado início ao monitoramento diário do reator piloto. A figura 3 mostra a evolução da DQO total de entrada e DQO total e filtrada na saída do sistema, nas fases A e B DQO, mg.l Fase A P5 Fase B DQOt (entrada) DQOt (saída) DQOsol (saída) Tempo, d Figura 2. Evolução da DQO, fases A e B

4 Na figura 3, observa-se uma boa estabilidade na remoção da DQO filtrada, em relação à variação da DQOfiltrada, o que mostra que o reator é robusto, capaz de absorver as variações de carga. Na tabela 1, é apresentado o rendimento médio de remoção da matéria orgânica em termos de DQO e a produção observada de lodo (Y obs ) nas fases A (idade do lodo = 1 dias) e B (idade do lodo = 3 dias), operados com temperatura média de 16 o C. As cargas orgânicas volumétricas aplicadas (CV ap ) foram calculadas em termos de DQO total e as cargas orgânicas volumétricas removidas (CVrem), em termos de DQO filtrada. Tabela 1: Remoção de cargas orgânicas (valores médios) e produção observada de lodo Parâmetro Fase A Fase B CV ap (KgDQO total /m 3 liq.d),94 ±,12,83 ±,26 CVrem sol (kgdqo sol / m 3 liq.d),84 ±,33,77 ±,44 CVrem total (kgdqof/ m 3 liq.d),86 ±,13,81 ±,13 Remoção filtrada (%) 91 ± 3 91 ± 4 Remoção total (%) 79 ± ± 11 Y obs (g/gdqo rem ),28,37 Estes resultados mostraram uma boa eficiência na remoção de carbono (91%), independente da idade do lodo, com uma baixa porcentagem de preenchimento dos suportes no reator (apenas 1%), para cargas orgânicas em torno de 1 kgdqo/m 3 dia, sendo o reator operado com temperatura de 16±1 o C. Andreottola et al, 1999, trabalhando com um MBBR (Moving Bed Biofilm Reactor), utillizando um suporte plástico com porcentagem de preenchimento superior, de 7%, com idade do lodo variando entre 6,7 e 14 dias e com carga aplicada média de,61kgdqo/m 3.dia e temperatura em torno de 2 o C, obteve uma eficiência média de remoção de DQO de 76%. A figura 4 apresenta a porcentagem de remoção carbonácea em função da relação entre as cargas orgânicas volumétricas removidas (COVrem total ) e cargas volumétricas aplicadas (COVap total ), em termos de DQO total, no decorrer das fases A e B. 12 1% 9% 8% CVremtotal, mgdqo.d -1, L P5 fase B P5 fase A 7% 6% CVaptotal, mgdqotot,d -1.L -1 Figura 4. Remoção de COV total A figura 5 apresenta a porcentagem de remoção carbonácea em função da relação COVrem filtrada e COVap total, onde a COVrem filtrada foi calculada em termos de DQO filtrada.

5 12 1% 9% CVremfil, mgdqo.d -1, L P5 fase A P5 fase B 8% 7% 6% Cvaptot, mgdqotot,d -1.L(liq) -1 Figura 5. Rendimento da remoção de COVfiltrada Com relação à carga orgânica filtrada, o rendimento foi muito estável, mesmo com idade do lodo na faixa de 3 dias. O reator apresentou, porém, problemas com relação à DQO particulada, devido ao arraste de lodo em consequência de ocorrer ainda desnitrificação no decantador (lodo flotante). Remoção de nitrogênio A figura 6 mostra o rendimento da nitrificação nas fases A e B, através da relação N-nitrificável e N- nitrificado. N-Nitrificado, mg N.d % 9% P5 fase A P5 fase B 7% 5% 3% N-Nitrificável, mg.d -1 Figura 6. Rendimento da nitrificação, fases A e B Verificou-se, então, que a diminuição da idade do lodo de 1 dias para 3 dias afetou muito pouco a nitrificação. Isto ocorreu porque as bactérias nitrificantes autotróficas, em reatores híbridos, ficam principalmente confinadas no biofilme, como observado por Oyanedel et al(22), Ochoa et al (22), Wolff et al (23). Foi observado um rendimento médio de remoção de nitrogênio total de 75% e 71%, fases A e B, respectivamente, com cargas aplicadas em torno de,15 kgntk/m 3 dia, sendo o reator operado com temperatura média de 16 C. A cinética de crescimento (µ máx ) e o decaimento dos nitrificantes, bem como a velocidade de reação enzimática de oxidação do nitrogênio dos nitrificantes são fortemente influenciados pela temperatura (Hoffmann, 2). A nitrificação pode ocorrer em uma faixa entre 4 a 45 o C, contudo, a temperatura ótima é de 35 o C para Nitrosomonas e de o C para Nitrobacter (Nitrogen Control-EPA,

6 1993). Verifica-se, deste modo, que a temperatura de 16 o C a qual foi operado o reator piloto, pode ser limitante para o processo de nitrificação. A figura 7 mostra a evolução temporal da remoção de nitrogênio total 11 1 Fase A Fase B NTK, mgn/l Estabilização P5 Entrada Saída Tempo, d Figura 7. Evolução da remoção de NTK, fases a e B Com relação `a remoção de nitrogênio, o reator piloto não foi muito estável, mostrando alterações na concentração de saída do reator, decorrentes das mudanças nas concentrações de NTK aplicadas.. Observouse, neste suporte, que a área específica total teoricamente disponível para o crescimento da biomassa, na prática, não foi totalmente colonizada. A figura 8 mostra a foto do suporte com biofilme, obtida por lupa. Figura 8. foto do suporte P5 colonizado (aumento 15X) Observa-se que o crescimento do biofilme ocorreu principalmente na superfície interna do suporte. Como este material não apresenta uma rugosidade efetiva, a biomassa que poderia se aderir na superfície externa é submetida intensamente as forças hidrodinâmicas de cisalhamento, devido à turbulência formada na massa líquida e pela passagem do ar. Deste modo, provavelmente não ocorre a fase de adesão irreversível dos microorganismos sobre o suporte, na superfície externa, sendo que o crescimento da biomassa ficou limitado ao interior do suporte, que fica mais protegido das forças hidrodinâmicas. O biofilme resultante é então espesso e principalmente formado por organismos heterotróficos (Wolff et al, 23). Como os organismos nitrificantes estão principalmente confinados no biofilme, neste reator, com baixa porcentagem de preenchimento, com uma superfície real para o crescimento da biomassa abaixo da superfície real, com uma população predominante de heterotróficas na biomassa aderida,sendo o reator operado com temperatura de 16 o C e com idades do lodo de 1 e 3 dias, não foi obtida a nitrificação total no sistema.

7 CONCLUSÕES Com base nos resultados obtidos, verificou-se que o reator híbrido de leito móvel constitui uma alternativa muito interessante para o tratamento de efluentes sanitários, pois apresentou um bom desempenho na remoção da poluição carbonácea, em média 91%, e nitrogenada, em média 75%, mesmo trabalhando com grande variação de cargas aplicadas, com temperaturas baixas, em torno de 16 o C, e com baixa idade do lodo (aproximadamente 3 dias), e para cargas aplicadas de,9 kgdqo/m 3 dia (carga orgânica) e,15kgntk/m 3.dia (carga nitrogênio). Desta forma, este tipo de reator exige menores áreas de implantação, o que implica em custos reduzidos de instalação. Por trabalhar com um material suporte de baixa densidade, e apresentar um bom rendimento com uma porcentagem de preenchimento de apenas 1%, apresentam como grande vantagem a possibilidade de redução de custos ligados à aeração do sistema. O sistema mostrou-se capaz de absorver variação de cargas orgânicas aplicadas, o que mostra que esta tecnologia é promissora, e constitui uma alternativa muito interessante para aplicação em áreas turísticas (balneários, hotéis fazenda, etc.), onde há grande variação de população contribuinte na época de temporada, assim como em regiões com climas temperados, onde as temperaturas são baixas nos meses de outono e inverno. AGRADECIMENTOS. Os autores agradecem à CAPES pelo auxílio financeiro prestado. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS Andreottola, G., Foladori, P., Ragazzi, M., Tatano, F. Experimental comparison between MBBR and activated sludge system for the treatment of municipal wastewater Water Science and Technology, vol. 41 n 4-5, pp , 2. Hoffman, H. Externe Anzucht von Nitrifikanten im Schlammwasser - ein Beitrag zur reduktion punktueller Stoffeinträge in Gewässer. Veröffenlichung des Institutes für Kulturtechnik und Siedlungswasserwirtschaft, der Universität Rostock, No.3, 6, 2. NITROGEN CONTROL-EPA MANUAL. Technomic Publishing, Pennsylvania, USA, degaard, H., Gisvold, B., Strickland, J. The influence of carrier size and shape in the moving bed biofilm process. Water Science and Technology, vol. 41 n 4-5 pp , 2. Ochoa, J.C., Colprim, J., Palacios B., Paul, E., And Chatellier, P. Active heterotrophic and autotrophic biomass distribution between fixed and suspended systems in a hybrid biological reactor. Water Science and Technology vol 46 n Oyanedel, V.; Garrido, J.M.; Colprim, J.; Lazarova, V. And Mendez, R. Comparison and modelling of the growth of heterotrophs and nitrifiers in biofilm and hybrid airlift reactors. International Specialised Conference on Biofilm Monitoring,Editoração eletrônica. Porto- Portugal, p Standard Methods For The Examination of Water And Wastewater, 19 th ed, American Public Health Association/American Works Association/Water Environment Federation. Washington DC, USA, Wolff, D.B., Ochoa Chavez, J.C., Paul, E Costa, R.H.R. Estudo da biomassa heterotrófica e autotrófica ativa desenvolvida em reatores híbridos no tratamento de esgoto urbano. XIV SINAFERM, Editoração eletrônica, Florianópolis SC, 23.