AVALIAÇÃO DO DESEMPENHO DE UM SISTEMA COMBINADO UASB LODOS ATIVADOS NO TRATAMENTO DE EFLUENTES SANITÁRIOS

Transcrição

1 AVALIAÇÃO DO DESEMPENHO DE UM SISTEMA COMBINADO UASB LODOS ATIVADOS NO TRATAMENTO DE EFLUENTES SANITÁRIOS Valdir Honório Freire (1) Engenheiro Químico pela Escola de Engenharia Universidade Federal de Minas Gerais (UFMG). Mestrando em Saneamento, Meio Ambiente e Recursos Hídricos pela Escola de Engenharia da UFMG. Pesquisador do CETEC Fundação Centro Tecnológico de Minas Gerais. Marcos von Sperling Engenheiro Civil. Doutor em Engenharia Ambiental pelo Imperial College Universidade de Londres. Consultor na área de controle da poluição das águas. Professor do Departamento de Engenharia Sanitária e Ambiental da Universidade Federal de Minas Gerais (DESA-UFMG). Carlos Augusto de Lemos Chernicharo Engenheiro Civil. Doutor em Engenharia Ambiental pela Universidade de Newcastleupon-Tyne (Inglaterra). Consultor de empresas públicas e privadas na área de tratamento de esgotos. Professor do Departamento de Engenharia Sanitária e Ambiental da Universidade Federal de Minas Gerais (DESA-UFMG). Endereço (1) : Departamento de Engenharia Sanitária e Ambiental - UFMG - Av. Contorno o andar - Belo Horizonte - MG - CEP: Brasil - Tel: (031) marcos@desa.ufmg.br RESUMO Pesquisas recentes caminham no sentido de combinar processos anaeróbios e aeróbios de tratamento de esgotos sanitários. Esta alternativa de tratamento afigura-se como econômica, mas ainda pouco pesquisada a nível mundial. O presente trabalho apresenta os resultados do monitoramento de uma planta de lodos ativados, alimentada por efluentes de esgotos sanitários provenientes de um reator UASB. As unidades componentes do processo são em escala piloto. O sistema foi operado por 231 dias divididos em 5 fases distintas, trabalhando-se com vazões constantes e variáveis. Os parâmetros analisados foram: DQO, SST, SSV, NTK, Nitrogênio Amoniacal, Temperatura e ph. O sistema apresentou boa remoção de DQO total, variando de 68 a 85 % para o reator UASB, 23 a 51 % para o sistema de lodos ativados, e de 85 a 93 % para o sistema conjugado. Ocorreu também reduzida concentração de sólidos e amônia no efluente final, demonstrando a viabilidade técnica do sistema conjugado UASB - lodos ativados. PALAVRAS-CHAVE: UASB, Lodos Ativados, Tratamento Combinado, Pós- Tratamento, Esgotos Sanitários. 20 o Congresso Brasileiro de Engenharia Sanitária e Ambiental 905

2 INTRODUÇÃO O processo de lodos ativados tem sido uma tecnologia bastante utilizada para o tratamento de esgotos domésticos e industriais, apresentando elevada eficiência de tratamento, flexibilidade operacional, possibilidade de remoção de nutrientes, entre outras vantagens. Entretanto, lhe são atribuídas algumas desvantagens como: elevada mecanização, alto custo de implantação e manutenção, operação mais sofisticada e necessidade de tratamento de um grande volume de lodo gerado (VON SPERLING, 1997). Recentemente, os processos anaeróbios de alta taxa para tratamento de esgotos, em especial o Reator Anaeróbio de Fluxo Ascendente e Manta de Lodo (UASB), têm-se apresentado como uma tecnologia capaz de suprir algumas desvantagens dos sistemas aeróbios mecanizados, principalmente no que diz respeito ao consumo energético e à menor geração de lodo. Porém, o efluente tratado por estes processos apresenta algumas características insuficientes do ponto de vista legal e ambiental (CHERNICHARO, 1997). Com a finalidade de promover um equilíbrio entre as vantagens e desvantagens dos sistemas aeróbios e anaeróbios, pesquisas recentes caminham no sentido de combinar estes processos, em especial uma primeira etapa anaeróbia seguida de um pós tratamento aeróbio. Esta configuração de tratamento afigura-se como uma alternativa econômica, ainda pouco pesquisada a nível mundial. Algumas pesquisas já foram realizadas, entre as quais as descritas a seguir. COLLETI et al. (1997) estudaram em escala de laboratório o processo de lodos ativados como pós-tratamento de um reator anaeróbio compartimentado que recebia esgoto sanitário, com o objetivo de determinar constantes cinéticas do processo. O sistema de lodos ativados promoveu remoção de DBO em torno de 95 % e DQO em torno de 88 %. SOUSA & FORESTI (1996) trabalharam com um sistema composto de um reator UASB seguido de dois reatores sequenciais em batelada aeróbios (SBRs), em paralelo, objetivando verificar o desempenho de remoção de DQO, NTK, SSV e de nitrogênio amoniacal. O reator UASB foi alimentado continuamente com substrato sintético simulando esgoto sanitário. O sistema removeu em média 95 % de DQO e 85% de NTK. SILVA et al. (1995) estudaram um reator UASB em escala piloto tratando uma mistura de esgotos domésticos e efluentes industriais, onde estes últimos eram responsáveis por cerca de 50 % da carga orgânica e 90 % da vazão total. Como complementação do tratamento foi testado um sistema de lodos ativados, com seis reatores de mistura completa em série. O reator UASB apresentou eficiências de remoção de DQO em torno de 70 % e de DBO em torno de 80%. O processo de lodos ativados, durante todo o período de operação, mostrou-se bastante instável, apresentando quantidades elevadas de microorganismos filamentosos e perda de sólidos em suspensão pelo efluente. Nos períodos em que a instabilidade foi menor, as estimativas de valores médios de eficiência de remoção foram de 42% para a DQO, 63 % para DBO 5 e 39 % para SST, considerandose apenas o processo de lodos ativados. 20 o Congresso Brasileiro de Engenharia Sanitária e Ambiental 906

3 METODOLOGIA Fases operacionais A planta piloto UASB - Lodos Ativados foi implantada no Laboratório de Instalações Piloto (LIP) do Departamento de Engenharia Sanitária e Ambiental da Universidade Federal de Minas Gerais (DESA/UFMG). A planta faz parte do projeto STEPAA - Sistema de Tratamento de Esgotos por Processos Aeróbios e Anaeróbios desenvolvido pelo Grupo de Controle de Processos Industriais (GCPI) do Departamento de Engenharia Elétrica da UFMG, em colaboração com o DESA-UFMG. O LIP recebe os esgotos bombeados do principal interceptor das cidades de Belo Horizonte e Contagem, Minas Gerais, sendo, portanto, representativo dos esgotos gerados em ambas as cidades. O sistema de lodos ativados foi projetado com idade de lodo de um sistema convencional (7 dias), com decantador secundário e recirculação, porém sem o decantador primário, substituído pelo reator UASB e sem as etapas de tratamento do lodo de descarte, pois o mesmo seria retornado para o afluente do reator UASB, conforme esquematizado na Figura 1. Biogás UASB Efluente Sistema de aeração Reator de lodos ativados Decantado Efluente final Esgoto Bruto Recirculaçã o Descarte de lodos Bomba peristaltica Figura 1. Esquema da planta piloto UASB - lodos ativados O reator de lodos ativados possui um volume útil de 23 L e foi alimentado continuamente com o efluente do reator UASB através de bombas peristálticas. O reator UASB possui 416 L, alimentando, além da planta de lodos ativados, outras linhas de pós-tratamento. A aeração do reator é por ar difuso, tendo sido mantido o nível de OD em torno de 2 mg/l. O reator UASB já estava com o lodo aclimatado, pois vinha operando há vários meses. No reator de lodos ativados tentou-se inocular lodo de duas estações de tratamento, mas em ambos os casos não houve sucesso, principalmente por problemas de falta de energia durante o período. Optou-se assim, por deixar a biomassa crescer sem inóculo, garantindo com este procedimento uma biomassa melhor adaptada ao efluente a ser tratado. O acompanhamento se deu durante 231 dias, divididos em 5 fases distintas: FASE I: Esta fase iniciou-se no mês de outubro/97, com o acompanhamento da aclimatação da biomassa no reator de lodos ativados. Nesta etapa trabalhou-se com ambos os sistemas (UASB + lodos ativados) com tempos de detenção hidráulica maiores, de 20 o Congresso Brasileiro de Engenharia Sanitária e Ambiental 907

4 modo a acompanhar o desempenho do sistema em condições mais folgadas. As vazões de ambos os reatores foram fixas. O reator UASB trabalhou com um TDH de 6 horas e o reator de lodos ativados trabalhou com um TDH de 3,7 horas. Esta etapa teve a duração de 62 dias. FASE II: nesta fase reduziu-se o TDH de ambos os reatores. As vazões também foram fixas. O reator UASB trabalhou com um TDH de 4 horas e o reator de lodos ativados trabalhou com um TDH de 2,75 horas. Esta etapa teve a duração de 48 dias. FASE III: nesta fase trabalhou-se com vazões variáveis ao longo de um período de 24 horas, seguindo um hidrograma típico de vazão. Os TDH dos reatores foram os mesmos da fase anterior, porém estes TDH passaram a ser valores médios, devido à variação de vazão. O objetivo do hidrograma era simular uma situação real que ocorre em estações de tratamento, com picos de vazão em determinados horários. O hidrograma foi implementado ajustando-se um polinômio, que simulava um hidrograma típico. A curva foi normalizada, de forma a se ter um valor médio igual à unidade. Deste modo, mutiplicava-se a vazão desejada de cada bomba pela curva unitária, obtendo o hidrograma específico para cada bomba. Através do software supervisório INTOUCH, todas as bombas seguiam o hidrograma ao mesmo tempo. Esta etapa teve a duração de 69 dias. A Figura 2 ilustra graficamente a curva gerada e a Equação 1 mostra o polinômio ajustado. FASE IV: Esta fase foi caracterizada pela redução do TDH do decantador do UASB, alcançada através da introdução de um pequeno balde com volume de 20 litros no mesmo. O objetivo foi tentar aumentar a concentração de matéria orgânica afluente do reator UASB e verificar como seria o comportamento do sistema de lodos ativados caso o nível de matéria orgânica aumentasse. O reator UASB e o sistema de lodos ativados trabalharam também com vazão variável e TDH igual à FASE III. FASE V: Nesta fase o sistema de lodos ativados passou a receber esgoto de duas formas simultaneamente: 80 % da vazão foi efluente do reator UASB e 20% do esgoto bruto. O objetivo foi provocar uma mudança qualitativa do esgoto a ser tratado pelo sistema de lodos ativados, investigando quais os efeitos que a introdução de esgoto bruto causaria no sistema. Ambos os sistemas trabalharam com vazão variável e TDH igual à FASE III. Na Tabela 1 é apresentado um resumo do planejamento de todas as fases experimentais. Tabela 1: Características operacionais do sistema. Fase Duração Vazão (l/h) TDH (h) Observação (dias) UASB LA UASB LA I ,7 Vazão constante II ,8 Vazão constante III * 8* 4* 2,8* Vazão variável IV * 8* 4* 2,8* Mudança no decantador do UASB V * 8* 4* 2,8* 20 % de esgoto bruto com vazão variável * - vazão variável utilizando o polinômio simulando o hidrograma de vazão 20 o Congresso Brasileiro de Engenharia Sanitária e Ambiental 908

5 2,0 Hidrograma de vazão Vazão 1,5 1,0 0,5 0,0 horário Figura 2. Hidrograma típico de vazão simulado pelo polinômio Vazão variável (l/h) = (vazão média)* {{1,3*10-9 *X ,6*10-7 *X 10-8,4*10-6 * X 9 + 2,5*10-4 * X 8-4,8*10-3 * X 7 + 6,1*10-2 * X 6-15,1*10-1 * X 5 + 2,7* X 4-8,2* X 3 + 1,2*10 1 * X 2-7,9* X + 2,4*10 1 }/36} (1) onde: X = horas do dia Atividades desenvolvidas e análises efetuadas Durante os 231 dias de acompanhamento foram coletadas amostras do esgoto bruto, do efluente do reator UASB, do tanque de aeração, da recirculação do decantador de lodos ativados e do efluente do decantador de lodos ativados. A freqüência média de amostragem foi de 2 a 3 vezes por semana. Também foram monitorados o ph e a temperatura do afluente e dos efluentes dos reatores. As análises efetuadas encontram-se na Tabela 2. Tabela 2: Pontos de amostragem e parâmetros analisados. Ponto Análise Esgoto bruto DQOb, DQOf, SST, SSV, SSF, NTK, N-amonical, ph, T Efluente do UASB DQOb, DQOf, SST, SSV, SSF, NTK, N-amonical, ph, T Tanque de aeração SST, SSV, SSF Efluente do LA DQOb, DQOf, SST, SSV, SSF, NTK, N-amonical, ph, T onde: DQOb =DQO bruta (DQO total); DQOf = DQO filtrada ; SST = Sólidos em Suspensão Totais ; SSV = Sólidos em Suspensão Voláteis ; SSF - Sólidos em Suspensão Fixos ; NTK - Nitrogênio Total Kjeldahl. ; T = temperatura em o C. As análises seguiram a metodologia do Standard Methods for the Examination of Water and Wastewater, 18 o Edição (APHA/AWWA/WEF,1992). RESULTADOS E DISCUSSÃO Os resultados médios dos principais parâmetros em cada fase são apresentados na tabela 3. Os resultados de eficiência de remoção de DQO bruta encontram-se na Tabela o Congresso Brasileiro de Engenharia Sanitária e Ambiental 909

6 Tabela 3 Parâmetros analisados e resultados das 5 fases operacionais. Parâmetro Estat. FASES OPERACIONAIS FASE I FASE II FASE III FASE IV FASE V P1 P2 P3 P1 P2 P3 P1 P2 P3 P1 P2 P3 P1 P2 P1+ P2 DQOb média (mg/l) DP n DQOf média (mg/l) DP n SST média (mg/l) DP n SSV média (mg/l) DP n SSTTA média (mg/l) DP n SSVTA média (mg/l) DP n NTK média (mg/l) DP n NH4+ média (mg/l) DP n ph média DP n Temperatura média ( o C) DP n onde: P1 = esgoto bruto; P2 = efluente do reator UASB; P3 = efluente do sistema de lodos ativados; DP = desvio padrão; n = número de amostras. Tabela 4 - Eficiências médias de remoção de DQOb no reator UASB, sistema de lodos ativados e no sistema combinado UASB - lodos ativados. Fase UASB LA UASB -LA I 85 % 23 % 88 % II 84 % 56 % 93 % III 85 % 43 % 91 % IV 69 % 51 % 85% V 68 % 50 % --- Os valores médios de DQO das FASES II, III e IV no efluente final do sistema de lodos ativados apresentaram valores médios em torno de 55 mg/l, valores bem abaixo do rigoroso padrão exigido pela legislação estadual do Estado de Minas Gerais, que é P3 20 o Congresso Brasileiro de Engenharia Sanitária e Ambiental 910

7 de 90 mg/l. A análise da variância efetuada (nível de significância de 5%) indicou não haver diferenças significativas entre as médias destas 3 fases. Uma importante conseqüência deste resultado foi demonstrar que a vazão variável não influenciou significativamente o desempenho do sistema de lodos ativados, na mudança da FASE II para a FASE III, mesmo com os problemas operacionais particulares de cada uma destas etapas e a diferença na quantidade de amostras em cada uma dessas fases. Resultado semelhante ocorreu com a DQOf. A FASE I apresentou valores menores valores de eficiência no sistema de lodos ativados principalmente devido ao fato de ter sido a fase de partida da planta e aclimatação da biomassa, não representado, portanto, condições totalmente estáveis de operação. Os valores de SST apresentaram valores também muito abaixo do exigido pela legislação estadual (60mg/L). Nota-se que o efluente do reator UASB apresentou valores baixos de SST (<40mg/l) nas FASES I, II, III e IV, ressaltando ainda o ganho considerável conseguido com o reator de lodos ativados. Na FASE V, caracterizada pela mistura de esgotos (efluente do UASB e esgoto bruto), obteve-se um elevado valor de SST no efluente final (99mg/l). Este fato ocorreu devido ao constante intumecimento do lodo, que ocorreu de maneira esporádica nas outras fases, porém permaneceu constante durante todo o ensaio da FASE V, apesar de todas as tentativas efetuadas de solucionar o problema, porém sem sucesso. Com relação ao reator UASB, nota-se que houve uma grande diferença nas DQOb médias efluentes do reator da FASE II para a FASE III, podendo indicar que a vazão variável contribuiu para a melhoria do desempenho do reator. Entretanto, a análise da variância (nível de significância de 5%) favoreceu a hipótese de que a vazão variável não influenciou o desempenho do reator. Contudo, como o número de amostras das duas fases foi muito diferente e as estatísticas críticas de cálculo da variância foram muito próximas, não se pode ser conclusivo a este respeito. A redução do TDH do decantador do UASB através da redução do seu volume útil interno promoveu a queda de eficiência do mesmo na remoção da DQO, de 85 % para 69 %, em média. Porém, a elevação da matéria orgânica efluente parece não ter sido suficiente para influenciar o desempenho do sistema de lodos ativados. Observou-se que o esgoto, após passar pelo sistema de lodos ativados, com exceção da FASE V, apresentou ainda grande redução de NTK e NH 4 +. CONCLUSÕES A aplicação da vazão variável não afetou o desempenho do sistema de lodos ativados. O sistema de lodos ativados como pós-tratamento apresentou eficiências relativamente elevadas na remoção de DQO, entre 43 e 56 %, desconsiderando-se a FASE I, que foi caracterizada pelo crescimento e aclimatação da biomassa. O sistema combinado apresentou eficiências elevadas, apresentando resultados acima de 90 % nas FASES II e III. Pelas características de desempenho apresentadas, o sistema de pós-tratamento utilizando a tecnologia de lodos ativados demonstrou ser uma alternativa viável ao tratamento de efluente de reatores UASB, principalmente em se considerando o baixo TDH total do sistema (4,0 h no reator UASB e 2,8 h no reator de lodos ativados). Porém, outros estudos, principalmente no que diz respeito à mistura de esgotos (bypass do UASB), ainda são necessários. 20 o Congresso Brasileiro de Engenharia Sanitária e Ambiental 911

8 REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS 1. APHA;AWWA;WEF (1992) Standard Methods for the Examination of Water and Wastewater. Washington, D.C.;18 ed 2. CHERNICHARO, CAL (1997). Princípios do Tratamento Biológico de Águas Residuárias - Reatores Anaeróbios. Vol 5. Departamento de Engenharia Sanitária e Ambiental - UFMG. 3. COLETTI, F.J., POVINELLI, J., DANIEL, L. A (1997) Pós-tratamento por lodos ativados de efluentes provenientes de processos anaeróbios de tratamento de esgoto sanitário; Determinação de constantes cinéticas - 19 o Congresso Brasileiro de Engenharia Sanitária e Ambiental, Foz do Iguaçu, set/ SOUSA, J.T de; FORESTI, E (1996). Domestic Sewage Treatment in a UASB - SBR Reator System Wat.Sci.Tech. Vol. 3, n. 3, pp SILVA, S.M.C.P da; SOBRINHO, P.A; Jr., A.S.G. (1995) Avaliação do Sistema Reator UASB e Processo de Lodos Ativados para Tratamento de Esgotos Sanitários com Elevada parcela de Contribuição Industrial - 18 o Congresso Brasileiro de Engenharia Sanitária e Ambiental, Salvador, Bahia, set/ VON SPERLING, M. (1997). Princípios do Tratamento Biológico de águas Residuárias - Lodos Ativados, Vol 4. Departamento de Engenharia Sanitária e Ambiental UFMG 20 o Congresso Brasileiro de Engenharia Sanitária e Ambiental 912