23º Congresso Brasileiro de Engenharia Sanitária e Ambiental

Transcrição

1 III O USO CONJUGADO DE PROCESSOS FÍSICO-QUÍMICOS E BIOLÓGICOS PARA O TRATAMENTO DE LÍQUIDOS PERCOLADOS GERADOS EM ATERROS SANITÁRIOS NO ESTADO DE SANTA CATARINA Cláudia Lavina Martins (1) Mestre em Engenharia Ambiental da Universidade Federal de Santa Catarina. Bolsista DTI - CNPq Joel Dias da Silva Doutorando em Engenharia Ambiental da Universidade Federal de Santa Catarina. Marina de Castro Rodrigues Mestranda em Engenharia Ambiental da Universidade Federal de Santa Catarina. Vivian Alves Máximo Mestranda em Engenharia Ambiental da Universidade Federal de Santa Catarina. Armando Borges de Castilhos Júnior Prof. Dr. do Departamento de Engenharia Sanitária e Ambiental da Universidade Federal de Santa Catarina - borges@ens.ufsc.br Endereço (1) : Servidão Trajano Manoel dos anjos, 40 Barra da Lagoa. Florianópolis Santa Catarina, CEP: Tel: (48) FAX: (48) lavina8@hotmail.com RESUMO Os líquidos percolados de aterros sanitários têm sido identificados como fontes potenciais de poluição ambiental, apresentando consideráveis variações de quantidade e de composição química. Para a minimização deste problema, pesquisas estão sendo realizadas buscando-se o desenvolvimento e otimização de processos convencionais e não-convencionais de tratamento deste efluente. Tem-se como objetivo, a aplicação de técnicas físico-químicas e biológicas para o tratamento de líquidos percolados, em escala piloto. A configuração do processo inclui: estágio primário (tratamento físico-químico e tratamento eletrolítico) e estágio secundário (reator do tipo UASB seguido de lagoas de estabilização). Pretende-se, com tal proposta, que haja um desenvolvimento e otimização dos processos de tratamento como: tratamento físico-químico, tratamento eletrolítico, reator UASB e lagoas de estabilização. Espera-se ainda, o desenvolvimento de metodologias de análises e determinação de parâmetros de monitoramento para um sistema conjugado de tratamento de líquidos percolados e uma contribuição efetiva para a minimização de impactos ambientais. PALAVRAS-CHAVE: Resíduos Sólidos Urbanos, Tratamento Físico-Químico, Tratamento Eletrolítico, Reator UASB, Lagoas de Estabilização. INTRODUÇÃO São freqüentes os problemas causados pela disposição inadequada de resíduos, quer sejam sólidos ou líquidos, gerados nos aglomerados urbanos de países em desenvolvimento, sendo os principais deles a poluição do meio ambiente e a disseminação de doenças infecciosas. Segundo ROBINSON & MARIS (1979), para a determinação do tipo de tratamento e do grau de eficiência desejada, os seguintes fatores devem ser considerados na elaboração de um projeto visando o tratamento de líquidos percolados: características dos líquidos percolados; presença de substâncias perigosas; alternativas de disposição do efluente tratado de maneira associada à legislação vigente; estudo de tratabilidade; avaliação das alternativas tecnológicas disponíveis, custos de implantação e operação. Os líquidos percolados têm sido identificados na literatura como fontes potenciais de poluição das águas superficiais e subterrâneas. Apresentando consideráveis variações, tanto de quantidade como de composição química. Encontra-se na literatura, embora escassa, relatos da experiência do tratamento de percolado por processos biológicos tanto anaeróbios, como aeróbios, além de processos físico-químicos. Destacam-se como objetivos do trabalho: Avaliar a aplicação de diferentes tipos de coagulantes (cloreto férrico, sulfato de alumínio, Tanfloc) em conjunto com auxiliares de floculação como tratamento primário do afluente de reator anaeróbio do tipo UASB; ABES - Associação Brasileira de Engenharia Sanitária e Ambiental 1

2 Estudar a eficiência do tratamento eletrolítico como alternativa para o tratamento primário dos líquidos percolados; Avaliar a tratabilidade dos líquidos percolados previamente tratados nas unidades físico-químicas utilizando um reator UASB; Estudar o tratamento biológico do efluente proveniente do reator UASB em um sistema de lagoas de estabilização, sendo elas anaeróbia, facultativa e de polimento, e por fim Avaliar e verificar a eficiência total do sistema combinado proposto, bem como a prescrição de recomendações e parâmetros visando sua aplicação em escala real. MATERIAIS E MÉTODOS A configuração do processo escolhido, para o tratamento de líquidos percolados em escala piloto, inclui os seguintes estágios (Figura 1): estágio primário (tratamento físico-químico tradicional e tratamento eletrolítico) e estágio secundário (reator do tipo UASB seguido de um sistema de lagoas de estabilização). Para o dimensionamento de cada uma das diferentes unidades, efetuou-se uma caracterização do efluente bruto, conforme apresentado na Tabela 1. TRATAMENTO BIOLÓGICO reservatório superior lagoa facultativa lagoa aeróbia reator UASB tanque 2 lagoa anaeróbia tanque coagulação - floculação TRATAMENTO FÍSICO-QUÍMICO tanque 1 tanque tratamento eletrolítico Figura 1 Configuração do sistema de tratamento proposto. Tabela 1 Caracterização do efluente bruto Parâmetros Resultados Parâmetros Resultados DQO 6103 mg/l O2 ph 8 Dióxido de Carbono 520,00 mg/l CO2 Cobre Não detectado Nitrito 1,29 mg/l N-NO2 Cádmio Não detectado Nitrogênio Total 2222,00 mg/l N Cromo * Oxigênio Dissolvido 0,07 mg/l O2 Alumínio 7,27 mg/l Ortofosfato (Sílica) 78,30 mg/l PO4 Zinco 1,11 mg/l Fósforo Total 25,54 mg/l P Manganês 2,31 mg/l DBO5 2202,00 mg/l O2 Ferro 40,10 mg/l Chumbo Não detectado Ferro 40,10 mg/l O trabalho vem sendo desenvolvido em etapas distintas: 1) Tratamento Físico-Químico: Este tratamento compreende as seguintes séries: Série 1 Construção dos diagramas de Coagulação: Caracterização do chorume bruto e ensaio preliminar de floculação; Série 2 Otimização da Mistura Rápida: Serão realizados três ensaios para um dos pontos escolhido na Série 1. Sendo assim, as dosagens de coagulante, corretivo de ph e ph de coagulação, estão definidos para esta série; ABES - Associação Brasileira de Engenharia Sanitária e Ambiental 2

3 Série 3 Otimização da Floculação: Serão realizados seis ensaios para um dos pontos escolhido na Série 1, e com os parâmetros da mistura já otimizados na Série 2. Sendo assim, as dosagens de coagulante, corretivo de ph e o ph de coagulação, estão definidos para esta série; Série 4 Influência da Velocidade de Sedimentação: Será realizado um ensaio para um dos pontos escolhido na Série 1, com os parâmetros da mistura já otimizados na Série 2, bem como os parâmetros de floculação otimizados na Série 3; Série 5 Determinação do Volume de Lodo: Será realizado um ensaio para um dos pontos escolhido na Série 1, com os parâmetros da mistura já otimizados na Série 2 (Tempo de mistura e Gradiente), bem como os parâmetros de floculação otimizados na Série 3. Após o término da floculação, os jarros ficam em repouso por 20 minutos (sedimentação). O sobrenadante é descartado e volume restante de três jarros, concentrado, juntamente com o material sedimentado, é transferido para um cone Imhof de um litro. A leitura do volume de lodo sedimentado será feita durante seis horas. 2) Tratamento Eletrolítico: Este tratamento compreende três fases: Fase 1: Determinação do tempo de detenção de cada batelada e de uma intensidade e/ou densidade de corrente adequadas ao tratamento, que sejam capazes de realizar eletrocoagulação e eletroflotação (decorrentes do processo eletrolítico). Nesta fase, foram escolhidos os eletrodos de ferro por se decomporem mais facilmente, facilitando assim a eletrólise e a produção de íons necessários ao tratamento; Fase 2: Definida a intensidade de corrente a ser aplicada ao sistema, serão testadas mais quatro configurações (alumínio, ferro + grafite, alumínio + grafite), com o objetivo de definir a melhor configuração do reator para o tratamento primário assim como as melhores condições para o reator UASB que receberá os efluentes tratados; Fase 3: Nesta fase, o reator ainda será operado em batelada e ao final do processo o efluente tratado passará para um decantador que será ligado em modo contínuo ao reator UASB. Preliminarmente o reator foi operado com quatro eletrodos com espessura de 2 mm cada, dispostos perpendicularmente ao fundo. As placas têm 30 cm de largura e 35 cm de comprimento e distância entre elas de 5 cm, com uma fonte de alimentação, um conversor de corrente alternada em contínua, que fornecia uma intensidade de corrente de aproximadamente 0,5 A, fazendo com que a densidade de corrente do processo fosse de aproximadamente 4,76 A / m². Cada batelada tratava um volume de 20 L de efluente bruto. O monitoramento do processo estava sendo realizado a cada 10 minutos para os parâmetros ph, condutividade e temperatura, e DQO nos pontos 30 e 60 minutos do tratamento. Nesta nova fase, a fonte alimentadora do processo foi alterada para uma de 10 A e o volume tratado para 30 litros. Os valores de DQO estão sendo analisados nos pontos 10, 20, 40 e 60 minutos para uma maior acompanhamento do processo e das eficiências do tratamento ao longo de cada batelada de 1 hora. Estão sendo inseridos ainda outros parâmetros de análise como COT, fósforo total e nitrogênio amoniacal. Além disso, o tratamento está sendo testado com eletrodos de alumínio em condições idênticas às utilizadas com eletrodos de ferro. 3) Reator UASB O reator tem um volume útil de 120 litros, em PVC reforçado de corpo cilíndrico, sendo alimentado por gravidade. O volume de gás produzido é coletado e quantificado por um sistema onde o gás produzido desloca uma coluna d água, sendo o volume deslocado correspondente à quantidade de gás produzido. Fase 1: O lodo utilizado para a inoculação e partida do experimento foi retirado de um reator UASB que trata efluentes de indústria cervejeira, e apresentou como características, um ph de 6,97, concentração de sólidos totais (ST) de 96 g/kg e sólidos voláteis (SV) de 69,6 g/kg (relação SV/ST= 0,73), concentração de DQO de 758,6 mg/l e Nitrogênio Amoniacal de 1093 mg/l, e atividade metanogênica de mg.dqo/gssv.dia. Realizou-se também neste estudo uma observação microbiológica em microscópio ótico para verificação dos microrganismos presentes no inóculo, conforme figuras 2 a 4, a seguir: ABES - Associação Brasileira de Engenharia Sanitária e Ambiental 3

4 Figura 2- Bactérias anaeróbias. Figura 3 Bactérias Fluorescência. Figura 4 Grânulo do Lodo. Fase 2: Partida do reator: Adicionou-se no reator um volume de 30 L do inóculo, 1 litro de chorume completando-se com água o volume total do reator, de forma a mantê-lo com uma concentração média de 200 mg/l, em termos de matéria orgânica (semelhante ao esgoto sanitário), permanecendo desta forma por 48 horas. Ao terceiro dia, iniciou-se a alimentação do reator UASB com chorume do aterro sanitário com carga orgânica volumétrica inicial de 0,2 KgDQO/m3.dia, correspondendo a uma vazão de alimentação de 4,40 L / dia e um tempo de detenção hidráulico (TDH) de 28 dias. 4) Sistema de Lagoas de Estabilização As lagoas de estabilização são retangulares, feitas à base de fibra de vidro, de cor azul claro, com reforço nas suas laterais e dreno para limpeza próximo à base. A lagoa anaeróbia possui 0,8 m3 de volume, a lagoa facultativa 1,1 m3 e a de maturação, 1,1m3, conectadas entre si por meio de tubulações de PVC de 50mm de diâmetro, com registros para controle do fluxo entre elas. As lagoas recebem o líquido percolado previamente tratado pelas unidades de tratamento físico-químico e pelo reator UASB quando do funcionamento em conjunto das unidades; e efluente bruto do tanque de armazenamento primário quando em funcionamento isolado das diferentes unidades (durante a partida do sistema). As vazões foram determinadas de acordo com as cargas encontradas nas análises físico-químicas de DQO, da caracterização do efluente bruto. Para que não houvesse sobrecarga orgânica na primeira lagoa, testes de DQO foram feitos para diferentes concentrações do líquido percolado bruto, com diluições de 25, 50 e 75% do efluente, para encontrar uma concentração ótima para dar partida no sistema. RESULTADOS PRELIMINARES 1) Tratamento Físico-Químico Para a realização da série 1, foi caracterizado o chorume bruto e determinada a dosagem preliminar do coagulante. Como o chorume não respondeu inicialmente ao ajuste de ph, necessitando uma dosagem alta de corretivos, optou-se pelo uso do Cloreto Férrico, por este ter uma faixa maior de ph para coagulação, não necessitando a priori, do ajuste. As amostras passaram por agitação rápida num gradiente de velocidade de 200 s -1 a 900 s -1 com um tempo de mistura rápida variando de 20 segundos a 5 minutos, durante a adição do coagulante, seguido por uma agitação lenta com gradientes entre 28 s -1 a 40 s -1 por 15 minutos. Após este período de tempo a agitação é interrompida e deixa-se decantar por 15 e 30 minutos. As Figuras 5 a 8 apresentam os resultados encontrados. Eficiência (%) Redução da cor aparente após 30 min de decantação Dosagem de cloreto férrico 400 RPM 500 RPM 600 RPM Eficiência (%) Redução da turbidez após 30 min de decantação Dosagem de cloreto férrico 400 RPM 500 RPM 600 RPM Figura 5 Remoção da cor aparente Figura 6 Remoção da turbidez ABES - Associação Brasileira de Engenharia Sanitária e Ambiental 4

5 % remoção Redução turbidez após 30 minutos de decantação 84 83, , , Tempo Mistura rápida (seg) 400 RPM 500 RPM % remoção Redução de cor após 30 minutos de decantação 83,6 83,4 83, ,8 82,6 82, Tempo de mistura rápida (seg) 400 RPM 500 RPM Figura 7 Redução da turbidez na Mistura Rápida Figura 8 Redução da cor na Mistura Rápida A dosagem que apresentou melhor redução de cor e turbidez foi a de 1200 mg/l (Figura 7 e 8), com percentuais de 70% e 82%, respectivamente. Determinado o valor da dosagem de coagulante na série 1, prosseguiu-se com a otimização da mistura rápida. Até o presente momento, o melhor tempo de mistura rápida encontrada foi de 40 segundos e um gradiente de velocidade médio de 1200 s -1 (500 rpm). Em média a redução de cor, turbidez e DQO para a otimização da mistura rápida ficaram em torno de 70%, 80% e 30% respectivamente. 2) Tratamento Eletrolítico Inicialmente, o reator não estava operando com a eficiência desejada utilizando-se fonte alimentadora de 0,5 A. A eletrólise necessária ao processo estava sendo realizada, entretanto insuficientemente para a promoção de eletrocoagulação e eletroflotação do efluente, devido à baixa intensidade de corrente fornecida ao sistema, não sendo possível um resultado expressivo do tratamento. A medida do ph não obteve alteração significativa variando em média apenas de 7,6 a 7,3 durante o processo. O mesmo ocorreu com a condutividade (aumentou em torno de 2%) e com a temperatura (variando de 26 C a 29 C) durante a batelada. Valores estes, insuficientes para a promoção da eletrólise demandada pelo tipo de efluente utilizado e tratamento requerido. Em média, os resultados de remoção de DQO obtidos ficaram em torno de 20 a 25%, não obtendo diferença significativa entre os pontos coletados: 30 e 60minutos. Com o aumento da intensidade de corrente aplicada ao sistema através do conversor de 10 A, foi observado o processo de eletroflotação, obtendo-se em torno de 2 cm de material flotado, tanto com eletrodos de ferro quanto com eletrodos de alumínio. A Tabela 2 apresenta os resultados encontrados pelo reator eletrolítico. Tabela 2 Concentrações de DQO e COT obtidas pelo reator eletrolítico DQO Tipo de Eficiência de Dias Eletrodo Remoção Entrada Saída Entrada COT Saída Eficiência de Remoção (%) (%) Alumínio ,8 5551,6 5,7 1438,0 1330,5 7,5 Alumínio ,2 4085,5 11,5 1276,0 1215,0 4,8 Ferro ,2 4650,5 5,2 1269,5 1150,0 9,4 Ferro ,7 4479,0 1,9 Como pode ser observado na Tabela 2, os valores da eficiência de remoção do tratamento tanto de DQO, quanto de COT, ainda não estão satisfatórios. Entretanto, o reator ainda passará a ser operado com mais duas placas de eletrodo, num total de seis placas, a fim de melhorar o desempenho do tratamento. Pode ser observado também que os valores de remoção de DQO obtidos pela fonte de 0,5 A foram superiores aos com a fonte de 10 A, contrariamente ao esperado. Entretanto quando as análises preliminares foram realizadas, o efluente utilizado para o tratamento estava armazenado há mais tempo e, portanto, possuía um valor de concentração de DQO bem mais baixo do que aquele utilizado para os ensaios com 10 A, podendo indicar que altos valores de DQO sejam um fator limitante ao processo. Ainda serão testados como o sistema funciona com eletrodos grafite combinados com os de ferro e alumínio, e análises com o efluente com diferentes concentrações para uma melhor definição do funcionamento do processo em questão. ABES - Associação Brasileira de Engenharia Sanitária e Ambiental 5

6 3) Reator UASB O reator inicialmente está sendo monitorado através dos seguintes parâmetros onde obtivemos como médias dos resultados preliminares, conforme Tabela 3. Tabela 3 Parâmetros e concentrações médias do reator UASB Parâmetro Freqüência Concentrações médias ph 2 x dia 7,64 T( C) 2 x dia 25,2 Potencial Redox ( mv) 2 x dia -35 DQO entrada 2 x semana 2586 DQO saída 2 x semana 119 Sólidos Totais Entrada Quinzenal 7891 Sólidos Totais Saída Quinzenal 446 Sólidos Voláteis Entrada Quinzenal 2138 Sólidos Voláteis Saída Quinzenal 281 Estabeleceu-se como critério para o aumento da carga orgânica volumétrica e hidráulica aplicada no reator (etapa posterior), sua resposta em termos de eficiência de remoção de DQO, onde o reator deve manter-se estável com relação aos demais parâmetros de monitoramento, podendo assim aumentar a carga orgânica aplicada e conseqüentemente diminuir seu tempo de detenção hidráulica. 4) Sistema de Lagoas de Estabilização As lagoas têm sido monitoradas através dos seguintes parâmetros, com os seguintes resultados, conforme a Tabela 4. Tabela 4 Parâmetros de controle das lagoas de estabilização. Pontos De Coleta Parâmetros P1 (Entrada da lagoa anaeróbia) P2 (Saída da lagoa anaeróbia) P3 (Lagoa facultativa) P4 (Lagoa de maturação) DQO 3433, ,92 121,50 30,50 Condutividade ( μs) 12,11 12,04 0,91 0,19 OD (mg/l) - - 3,37 4,80 Potencial Redox (mv) Sólidos Totais 7229, ,66 559,00 160,00 Sólidos Fixos 1657, ,66 240,00 0,00 Sólidos Voláteis 5571, ,00 269,00 160,00 Clorofila a (μg/l) ,45 13,95 Temperatura ( C) 29,83 30,13 26,13 26,10 CONCLUSÕES Como todas as unidades encontram-se na sua fase inicial, os resultados ainda não são conclusivos. Para o tratamento físico-químico, serão necessários os procedimentos das séries 3, 4 e 5, bem como a realização dos experimentos com os demais coagulantes. Quanto ao tratamento eletrolítico, novas bateladas com diferentes configurações de eletrodos, estão sendo providenciadas para o refinamento e otimização do processo. A fase secundária do tratamento (reator UASB e ABES - Associação Brasileira de Engenharia Sanitária e Ambiental 6

7 lagoas de estabilização), que envolve processos biológicos, ainda requer um período maior de aclimatação da biomassa para obter a eficiência desejada. A partir do momento que as diferentes unidades apresentarem os resultados desejados para o sistema como um todo, passarão a operar em regime contínuo e conjugados entre si. Espera-se que, com o sistema conjugado, as unidades venham a satisfazer as necessidades que porventura apresentem no decorrer do tratamento, buscando um desenvolvimento e otimização dos processos de tratamento como: tratamento físico-químico, tratamento eletrolítico, reator UASB e lagoas de estabilização. Espera-se ainda, o desenvolvimento de metodologias de análises e determinação de parâmetros de monitoramento para um sistema conjugado de tratamento de líquidos percolados e uma contribuição efetiva para a minimização de impactos ambientais. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS 1. ROBINSON, H. D., MARIS, P.J (1979). Leachate from Domestic Waste: Generation, Composition and Treatment. A review. [s.l.]: Water Research Center. (Technical Report, TR 108). 2. DI BERNARDO, L.; DI BERNARDO, A.; CENTURIONE FILHO, P.L. (2002). Ensaios de Tratabilidade de Água e dos Resíduos Gerados em Estações de Tratamento de Água. São Carlos, RiMa. ABES - Associação Brasileira de Engenharia Sanitária e Ambiental 7