II-065 ADAPTAÇÃO DE LODOS ATIVADOS CONVENCIONAIS PARA TRATAMENTO DE EFLUENTES LÍQUIDOS COM ELEVADAS CONCENTRAÇÕES DE FENOL E NITROGÊNIO AMONIACAL

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1 2º Congresso Brasileiro de Engenharia Sanitária e Ambiental II-65 ADAPTAÇÃO DE LODOS ATIVADOS CONVENCIONAIS PARA TRATAMENTO DE EFLUENTES LÍQUIDOS COM ELEVADAS CONCENTRAÇÕES DE FENOL E NITROGÊNIO AMONIACAL Ilka S. Dias Serra () Engenheira Sanitarista pela Universidade Federal do Pará. Mestre em Hidráulica e Saneamento pela Escola Politécnica da Universidade de São Paulo (EPUSP). Professora da Universidade Federal do Pará. Alberto José Moitta Pinto da Costa Engenheiro Químico pela UFPa, Mestre em Engenharia Civil pela UFPb, Doutor em Engenharia Hidráulica e Sanitária pela EPUSP, Pesquisador do Instituto de Pesquisas Tecnológicas do Estado de São Paulo (IPT); FOTO NÃO DISPONIVEL Pedro Alem Sobrinho Doutor em Engenharia pela Escola Politécnica da Universidade de São Paulo, Professor Titular do Departamento de Engenharia Hidráulica e Sanitária da EPUSP. Endereço () : Av. Alcindo Cacela, Umarizal - Belém - PA - CEP: Brasil - Tel: (9) e- mail: iserra@amazon.com.br RESUMO O desenvolvimento deste estudo teve como objetivo a partida de um sistema de lodos ativados em escala piloto, visando a adaptação de um inóculo proveniente de uma ETE convencional, tratando esgoto predominantemente doméstico com lodos ativados, para se obter a nitrificação biológica de despejos com altas concentrações de nitrogênio amoniacal e fenol, característico de efluentes de coquerias. O método utilizado para a adaptação da biomassa, foi o da adaptação natural dos microrganismos no próprio sistema de tratamento biológico, utilizando-se como inóculo a biomassa do tanque de aeração da Estação de Tratamento de Esgoto de Barueri da SABESP. Com a finalidade de manter a atividade microbiana do inóculo utilizado, o esgoto predominantemente doméstico foi gradativamente substituído pelo despejo sintético na alimentação do sistema, durante o período da pesquisa, que compreendeu duas fases. O sucesso desse estudo, como mostram os resultados obtidos, está relacionado ao rigoroso controle do ph, a adição de polieletrólito no tanque de aeração, ao controle da carga afluente de fenol e NH 3 -N e à adaptação rápida da biomassa ao fenol, que ao minimizar seu efeito inibitório às bactérias nitrificantes, permitiu a efetiva oxidação do nitrogênio amoniacal presente no despejo pelas mesmas, na fase final da adaptação. PALAVRAS-CHAVE: Adaptação, lodos ativados, esgoto sanitário, fenol, nitrogênio amoniacal INTRODUÇÃO No tratamento biológico de efluentes industriais, em especial àqueles projetados para remoção de poluentes potencialmente tóxicos, torna-se necessário a adaptação da população microbiana para que ela seja capaz de degradá-los, garantindo o bom desempenho do processo. Normalmente, o inóculo que pode ser disponibilizado com mais facilidade é o proveniente de estações de tratamento que recebem esgoto sanitário, predominantemente doméstico. No caso de efluentes contendo compostos fenólicos e nitrogênio amoniacal, eles são normalmente tóxicos e/ou inibidores aos processos biológicos quando presentes em altas concentrações. No Brasil, os padrões de lançamento em corpos d água receptores para fenol e nitrogênio amoniacal, estabelecidos pela legislação federal são de,5 mg/l e 5 mg N/L, respectivamente (CONAMA, 986) ABES Trabalhos Técnicos

2 2º Congresso Brasileiro de Engenharia Sanitária e Ambiental O método de tratamento mais utilizado para remoção de despejos com essas característica é a oxidação biológica. Dentre os processos biológicos mais utilizados para remoção do fenol e nitrogênio amoniacal, destaca-se o de lodos ativados. A presença de determinados compostos em sistemas de tratamento biológico apresenta efeitos adversos com relação a nitrificação, e apesar da oxidação de nitrogênio amoniacal para nitrato constituir um processo bem definido no tratamento de esgotos predominantemente doméstico, no tratamento de efluentes industriais, a nitrificação é freqüentemente inibida ou anulada pela presença de compostos ou elementos tóxicos como o fenol, por exemplo. O controle efetivo do processo biológico de nitrificação depende da habilidade dos organismos nitrificantes na oxidação da amônia para nitrato. Em comparação com os organismos heterofróficos, as bactérias nitrificantes têm uma taxa de crescimento e reprodução menor, por isso são mais suscetíveis a interação de fatores como ph, temperatura, alcalinidade, número de microrganismos, idade do lodo, adaptação e compostos inibidores que influenciam na taxa de nitrificação (SHAMMAS, 986). HUNG et al., apud LEITE (997), relataram que na presença de substâncias orgânicas tóxicas, a adaptação dos microrganismos poderia levar um período relativamente longo. Porém, o tempo necessário para a recuperação de uma biomassa, considerando-se um súbito aumento na concentração dos poluentes aos quais ela já encontra-se adaptada, será inferior ao requerido anteriormente para a adaptação total. Portanto, apesar de ser bastante empregado no tratamento de efluentes industriais, a biomassa presente no processo de lodos ativados, requer um período de adaptação às novas condições encontradas em despejos provenientes de coquerias, que por possuírem altas concentrações de compostos tóxicos são, na maioria das vezes, inibitórios à essa população de microrganismos, principalmente quando são utilizadas instalações de processos convencionais de tratamento de esgotos sanitários. MATERIAIS E MÉTODOS A pesquisa, inicialmente prevista para ser realizada em uma única etapa, foi desenvolvida em duas fases distintas, denominadas de FASE e FASE 2. Em ambas as fases, os estudos foram baseados no método de adaptação natural dos microrganismos no próprio sistema de tratamento biológico, empregando-se como inóculo, a biomassa do tanque de aeração da Estação de Tratamento de Esgotos de Barueri, em São Paulo. Com a finalidade de reproduzir as condições encontradas no efluente líquido de coquerias, optou-se pela utilização de um despejo sintético preparado diariamente, cuja composição é apresentada na Tabela, de concentrações conhecidas e facilmente reprodutíveis, mais uma concentração de. mg/l de fenol. e de 75 mg/l de nitrogênio amoniacal. TABELA : Compostos constituintes do despejo sintético COMPOSTOS CONCENTRAÇÃO DA SOLUÇÃO BASE (g/l) CONCENTRAÇÃO DO DESPEJO SINTÉTICO (mg/l) Fenol NH 4 Cl (cloreto de amônio) 86,2 287 MgSO 4 (sulfato de magnésio) 6 2 K 2 HPO 4 (tampão) 2 CaCl 2 (cloreto de cálcio),6 53 MnSO 4 (sulfato de manganês),6 53 Para realização dos ensaios foi construído um sistema de lodos ativados em escala piloto, constituído das seguintes instalações, conforme pode ser observado na Figura : 2 ABES Trabalhos Técnicos

3 2º Congresso Brasileiro de Engenharia Sanitária e Ambiental tanque de alimentação. Volume útil = L; tanque de aplicação de bicarbonato de sódio e polieletrólito. Volume útil = L; tanque de aeração. Volume útil = 32 L; decantador secundário. Volume útil = L A solução de bicarbonato de sódio foi utilizada para correção do ph no interior do tanque de aeração, em virtude do consumo de alcalinidade durante as reações de nitrificação. A concentração da solução foi de 9 g/l, aplicada de acordo com a vazão de alimentação. A faixa de ph foi de 6,5 a 7,2. O polieletrólito foi adicionado diretamente no tanque de aeração com a finalidade de melhorar as condições de sedimentabilidade do lodo. Foi empregada uma solução de 3 mg/l, com densidade de carga e peso molecular elevados, preparada no mesmo reservatório para aplicação de polieletrólito. B TANQUE DE AERAÇÃO DECANTADOR SECUNDÁRIO TANQUE DE ALIMENTAÇÃO E DE BICARBONATO B BOMBA DE RETORNO DO LODO FIGURA Esquema do sistema piloto. A metodologia utilizada na Fase e na Fase 2 do trabalho são descritas a seguir: FASE Nessa fase inicial, ocorrida de /4/997 a 22/7/997, foi adicionando-se em litros de esgoto sanitário predominantemente doméstico uma solução de litro de despejo sintético em proporções diferentes e crescentes. Visando-se manter a mesma característica do esgoto doméstico que os microrganismos estavam acostumados, foram acrescentados aos litros de esgoto predominantemente doméstico, os poluentes que se desejava remover. A Tabela 2 mostra as etapas que foram utilizadas nessa Fase. TABELA 2: Etapas do processo de adaptação da Fase. ETAPA QUANT. DE ESGOTO SANITÁRIO (L) % APROXIMADA NA ALIMENTAÇÃO DOS COMPOSTOS UTILIZADOS, EM RELAÇÃO AO DESPEJO SINTÉTICO ABES Trabalhos Técnicos 3

4 2º Congresso Brasileiro de Engenharia Sanitária e Ambiental FASE 2 A segunda Fase da adaptação ocorreu de 23/7/997 a 6/2/997. Nessa Fase, os procedimentos de substituição gradativa do esgoto doméstico pelos compostos utilizados na preparação do despejo sintético foram idênticos aos descritos na Fase, até que fossem atingidas na alimentação concentrações de cerca de 5% desses compostos em relação ao despejo sintético. A partir desse momento, foi empregado outro procedimento para a adaptação do inóculo selecionado, com a efetiva substituição do volume do esgoto sanitário pelo volume correspondente de despejo sintético (composto pelos produtos químicos descritos na Tabela ). A Tabela 3 mostra as etapas que foram utilizadas nessa Fase 2 do processo de adaptação. TABELA 3: Etapas do processo de adaptação na Fase 2 % DA CONCENTRAÇÃO % DO ETAPA DOS COMPOSTOS DESPEJO EM RELAÇÃO À SINTÉTICO SOLUÇÃO BASE QUANTID. DE ESGOTO SANITÁRIO (L) 5 2 7,5 3 QUANTID. DE DESPEJO SINTÉTICO (L) ,5 27 RESULTADOS FASE Os resultados das análises físico-químicas realizadas nessa fase são apresentados na Tabela 4. Os resultados da primeira fase de estudos mostraram que a cada aumento na concentração afluente de fenol, o efluente do tanque de aeração apresentava eficiência de remoção de 99%. Os resultados obtidos no 8 o e 84 o dia de monitoramento (,8 e,5 mg/l, respectivamente) apresentaram valores acima dos recomendados pela Legislação Federal (CONAMA, 986), razão pela qual foi necessária a redução da concentração do despejo sintético de para 25%, na tentativa de recuperação do sistema. No entanto, apesar dos esforços despendidos nesse sentido, o tanque de aeração passou a espumar, ocorrendo nessa ocasião grande perda de sólidos. Após a interrupção da alimentação de despejo sintético, foi utilizado apenas o esgoto sanitário como substrato para a biomassa em estudo, conseguindo-se a total recuperação do sistema. 4 ABES Trabalhos Técnicos

5 2º Congresso Brasileiro de Engenharia Sanitária e Ambiental O gráfico apresentado na Figura 2 mostra as concentrações afluentes e efluentes de fenol no sistema na Fase da adaptação. Vale ressaltar que, até o 5 o dia do início do processo, o sistema estava sendo alimentado somente com esgoto doméstico e, a partir deste dia em diante passou-se a acrescentar a porcentagem correspondente do despejo sintético que continha fenol. Figura 2 - Comportamento das concentrações de fenol na alimentação e no efluente na Fase. CONCENTRAÇÃO (mg/l) FENOL AFLUENTE FENOL EFLUENTE /Abr /Abr /Mai 2/Mai /Mai 9/Jun 9/Jun 29/Jun 9/Jul 9/Jul 29/Jul Na Figura 2, observa-se que a cada aumento na concentração afluente de fenol, o efluente do tanque de aeração apresentava resultados coerentes, com eficiência de remoção em torno de 99%. Os resultados obtidos no 8 o e 84 o dia (8/7/97 e 22/7/97), cujas concentrações efluentes ficaram em,8 e,5 mg/l, respectivamente, ultrapassaram os valores recomendados pelo CONAMA de,5 mg/l. Neste momento reduziu-se a concentração do despejo sintético que estava em % para 25% na tentativa de se recuperar o sistema, mas não houve sucesso, o tanque de aeração passou a espumar e houve grande perda de sólidos. O passo seguinte foi interromper a alimentação com o despejo sintético, deixando apenas o esgoto sanitário. A recuperação do sistema após o aparecimento dessa espuma, caracteriza o fim da fase do processo de adaptação. A Figura 3 apresenta um perfil da série nitrogenada no sistema durante a Fase, e o comportamento da nitrificação no tanque de aeração. Figura 3 - Comportamento das concentrações de fenol na alimentação e no efluente na Fase. CONCENTRAÇÃO (mg/l) NH3-N AFLUENTE 25 NH3-N EFLUENTE NO3-N EFLUENTE NO2-N EFLUENTE /Abr /Abr /Mai 2/Mai /Mai 9/Jun 9/Jun 29/Jun 9/Jul 9/Jul 29/Jul ABES Trabalhos Técnicos 5

6 2º Congresso Brasileiro de Engenharia Sanitária e Ambiental Com relação ao comportamento do processo de nitrificação no tanque de aeração durante essa primeira fase, os picos nas concentrações de nitrogênio amoniacal efluente, assim como, a diminuição das concentrações de nitrato efluente, coincidem com as oscilações de ph ocorridas nos 54 o, 59 o, 66 o, 77 o, 8 o e 84 o dias de monitoramento. Apesar de algumas variações ocorridas durante o processo, foi possível observar a elevada produção de nitrato e a baixa produção de nitrito no efluente, o que comprova o bom funcionamento do processo de nitrificação. De acordo com os resultados apresentados, a cada nova carga afluente do despejo sintético aplicado, a eficiência na remoção de nitrogênio amoniacal foi de 98%. 6 ABES Trabalhos Técnicos

7 2º Congresso Brasileiro de Engenharia Sanitária e Ambiental Tabela 4 Resumo Da Apresentação Dos Resultados Da Fase. TANQUE DE ALIMENTAÇÃO TANQUE DE AERAÇÃO /Abr 2/Mai 6/Mai 3/Jun 8/Jun 24/Jun 27/Jun /Jun % da Conc. dos Composto s à Solução Base 27 CONCENTRAÇÃO CARGA (g/dia) CONCENTRAÇÃO (mg/l) RELAÇÃO A/M VAZÃO (mg/l) (L/dia) Fenol DQO NH 3-N Fenol DQO NH 3-N SSV Fenol DQO - NH 3 Fenol DQO NH 3- N ,4 8,88 8,96 5, 4,32 5,77 3,33 8, ,4,3,,3,5,2 26 2,6,5,5 7 2,79,6,5 4/Jul ,35 2,5 3, 6,3 46 2,24,8,29,8 7/Jul ,46 22,72 4, 27,4 43,96,8,32,6 /Jul ,88 2,7 4, ,6 43 2,8,8,28,6 5Jul ,84 29,6 6,45 335, 55 2,88,9,34,7 8/Jul ,7 22, 6,84 455,8 38 4,76,7,2,6 22/Jul ,73 33,53 5,2 3365,5 7 38,,8,38,6,62,6,77,42,43,67 2,75 2, ,4,28,28,28,,2 2,7 2,52,35,28,7,2,5,,24,3,2,2,6,2,5,3,5,4 FASE 2 Essa fase iniciou-se após a recuperação do sistema, em 4 de agosto de 997 e encerrou-se em 6 de dezembro de 997. Os resultados das análises físico-químicas realizadas são apresentados na Tabela 5. A Figura 4 apresenta o comportamento das concentrações de fenol afluente e efluente ao tanque de aeração nesse período. Apesar dos problemas operacionais ocorridos na Fase, o sistema apresentou excelente remoção de fenol, comprovando a relativa facilidade de degradação desse composto em sistemas de lodos ativados com uma biomassa bem adaptada. Os resultados alcançados nessa pesquisa foram melhores do que os apresentados por outros autores (KOSTENBADER, 969; WEAR et al, 98; GARCIA, 985; COSTA, 999). Figura 4 Comportamento da concentração de fenol afluente e efluente na fase 2. 2 FENOL AFLUENTE FENOL EFLUENTE CONCENTRAÇÃO (mg/l) /8/99 9/8/99 3/9/99 8/9/99 3//99 8//99 2//99 7//99 2/2/99 ABES Trabalhos Técnicos 7

8 2º Congresso Brasileiro de Engenharia Sanitária e Ambiental Como pode ser observado na Figura 4, o sistema vinha apresentando resultados bastante satisfatórios quanto a remoção de fenol, com concentrações efluentes variando de, a, mg/l e uma eficiência de remoção em torno de 99%. No 75 o dia (7//97) mudou-se a condição operacional na alimentação, passando o volume do tanque de alimentação para 5% do despejo sintético e os outros 5% de esgoto doméstico. Nesse mesmo período foi descoberto um erro que estava ocorrendo na preparação do despejo sintético no momento da pesagem dos compostos, provocando a queda na concentração de fenol no 57 o dia (29/9/97) para cerca de 5 mg/l no 8 o dia 23//97. Resolvido esse problema o sistema continuou operando normalmente. O comportamento do sistema nessa Fase em relação a remoção de fenol pode estar relacionado à adaptação da biomassa na fase anterior do estudo. Ainda com relação à Figura 4, no 66 o e 73 o dias (8//97 e 5//97) as análises de fenol afluente foram perdidas provocando a zona descontinua que aparece no gráfico apresentado. De forma idêntica à fase anterior, o sistema apresentou porcentagem de remoção de fenol bastante elevada e não foi verificado qualquer efeito inibitório no processo de nitrificação devido a presença desse composto em alta concentração na alimentação. As concentrações efluentes de NH 3 N estiveram sempre na faixa de a 5 mg/l, e valores superiores a esses (que eram observados pela manhã) estavam relacionados as variações do ph que ocorriam principalmente durante a noite. A eficiência da remoção de NH 3 N no sistema foi em torno de 96%. A Figura 5 mostra o comportamento da série nitrogenada nesse período. Infelizmente algumas análises de NO 3 - N foram perdidas durante o estudo, provocando algumas imperfeições no gráfico (seqüências quebradas) e impedindo uma conclusão mais precisa do processo em um período importante do estudo. Na Figura 5 é possível observar o desempenho do processo de nitrificação, com boa produção de nitrato e baixa concentração de nitrito no efluente final. Ainda com relação a Figura 5, o pico na concentração de NH 3 N afluente de 2 mg NH 3 -N/L apresentado no 73 o dia (5//97), foi provocado pelo mesmo erro que ocorreu na preparação do despejo sintético, como explicado em relação ao fenol. Durante a segunda fase de ensaios, as concentrações efluentes de nitrogênio amoniacal mantiveram-se na faixa de a 5 mg NH 3 -N/L, sendo que valores superiores a esses, observados principalmente pela parte da manhã, estavam relacionados às variações de ph que ocorriam durante a noite. A eficiência da remoção de nitrogênio amoniacal nessa fase de estudos foi elevada, da ordem de 96%. 8 ABES Trabalhos Técnicos

9 2º Congresso Brasileiro de Engenharia Sanitária e Ambiental FIGURA 5 Comportamento da série nitrogenada no sistema durante a fase 2. CONCENTRAÇÃO(mg/L) NH3-N AFLUENTE NH3-N EFLUENTE NO3-N EFLUENTE NO2-N EFLUENTE 4/8/99 9/8/99 3/9/99 8/9/99 3//99 8//99 2//99 7//99 2/2/99 TABELA 5 RESUMO DA APRESENTAÇÃO DOS RESULTADOS DA FASE 2. TANQUE DE ALIMENTAÇÃO TANQUE DE AERAÇÃO % da CONCENTRAÇÃO CARGA (g/dia) CONCENTRAÇÃO (mg/l) RELAÇÃO A/M Conc. dos VAZÃ O Fenol (mg/l) DQO NH 3 N Fenol DQO NH 3 N SSV Fenol DQO NH 3 -N Fenol DQO NH 3 -N Compos tos à Solução Base (L/dia) 4/Ago /Ago /Ago /Ago /Ago 2/Ago 25/Ago /Set /Set /Set 29/Set 8/Out /Out % DE DESPE JO SINTÉ TICO VAZÃ O (L/dia) Fenol DQO NH 3 -N Fenol DQO NH 3 -N SSV Fenol DQO NH 3 -N Fenol DQO NH 3 -N 23/Out /Nov /Nov /Nov /Dez 6/Dez CONCLUSÕES Com base no trabalho realizado, concluiu-se que: ABES Trabalhos Técnicos 9

10 2º Congresso Brasileiro de Engenharia Sanitária e Ambiental Utilizando-se inicialmente uma biomassa proveniente de ETE tratando esgoto sanitário, como foi o caso do lodo da Estação de Tratamento de Esgoto de Barueri, é possível a adaptação para despejo sintético com concentração de mg/l de fenol, bem como, para uma nitrificação eficiente com concentrações no afluente de NH 3 -N de 75 mg/l. Para essas condições, a remoção de fenol e NH 3 -N foi eficiente com concentrações efluentes inferiores a,5 e 5, mg/l, respectivamente, requeridas pela Legislação Federal (CONAMA, 986); O sucesso da adaptação nesse trabalho está relacionado a utilização do controlador de temperatura e a adição de polieletrólito em solução a,% no interior do reator; O controle do ph é fator preponderante no tratamento de despejos com essas características, devendo ser rigoroso no interior do tanque de aeração. A faixa de valor recomendada deve ficar situada entre 6,7 e7,2; As cargas de fenol aplicadas, não produziram qualquer efeito inibitório no processo de nitrificação durante a adaptação da biomassa. O fenol foi metabolizado com relativa facilidade pelo sistema de tratamento, com porcentagem de remoção acima de 99%, utilizando uma relação Alimento/Microrganismo entre,2 e,9 g fenol/g SSV.dia; As cargas de nitrogênio aplicadas foram oxidadas para nitrato com relativa facilidade pelas bactérias nitrificantes presentes na biomassa. As porcentagens de remoção de amônia variaram de 92,9 a 99,8%, utilizando uma relação Alimento/Microrganismo entre,2 e,9 g fenol/g SSV.dia e,o5 a,7 g NH 3 N/g SSV.dia; As porcentagens de remoção de DQO solúvel foram excelentes durante as duas fases do processo de adaptação. Os valores encontrados variaram de 94,4 a 99% para as cargas aplicadas no processo, utilizando relações Alimento/Microrganismos entre,9 e,33 g DQO/g SSV.dia; REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS. ANTHONISEN, A. C.; LOHER, R. C.; PRAKASAM, T. B. S.; SRINATH, E. G. Inhibition of Nitrification by Ammonia and Nitrous Acid. JOURNAL OF WATER POLLUTION CONTROL FEDERATION, v. 48, n. 5, p , BRAILE, P. M.; Cavalcanti, J. E. W. A. Manual de tratamento de águas residuárias industriais. São Paulo, CETESB, CONAMA. Conselho Nacional do Meio Ambiente. Resolução n o 2. 8/6/ COSTA, A. J. M. P. DA. Estudo de tratabilidade de Água Residuária Sintética Simulando Despejo Líquido de Coquerias. São Paulo, v. Tese (Doutorado) - Escola Politécnica da Universidade de São Paulo, METCALF & EDDY, INC. Wastewater Engineering: Treatment, Disposal and Reuse. 3. ED. SINGAPORE, MCGRAW-HILL, SEDLAK, Richard I. Phosphorus and Ntrogen Removal from Municipal Wastewater: principles and practice. 2ND ED. LEWIS PUBLISHERS. 99. ABES Trabalhos Técnicos