II USO DE CASCAS DE OSTRAS PARA ESTABILIZAÇÃO DE PROCESSOS AERÓBIOS DE TRATAMENTO DE ESGOTOS COM BAIXA ALCALINIDADE

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1 II-32 - USO DE CASCAS DE OSTRAS PARA ESTABILIZAÇÃO DE PROCESSOS AERÓBIOS DE TRATAMENTO DE ESGOTOS COM BAIXA ALCALINIDADE Heike Hoffmann (1) Bióloga pela Universidade Greifswald, Alemanha, Doutorado em Ecologia Aquática pela Universidade Rostock, Alemanha, Pós-doutorado na UFSC, Engenharia Sanitária e Ambiental com bolsa de DAAD, Pesquisador visitante CNPq, UFSC. Tatiana Barbosa da Costa Engenheira Sanitarista pela UFPA, Mestre em Engenharia Ambiental pela UFSC (bolsista CAPES) Delmira Beatriz Wolff Engenheira Sanitarista, Mestre e Doutora em Engenharia Ambiental pela UFSC, com estágio sanduíche no INSA-Toulouse, França (bolsista CAPES). Christoph Platzer Engenheiro Civil pelas Universidades Técnicas de Hannover e Munique (Alemanha), Doutor em Saneamento pela Universidade Técnica de Berlim, Alemanha; Diretor da Rotária do Brasil Ltda, Florianópolis, SC, Brasil Rejane Helena Ribeiro da Costa Engenheira Civil pela UFPB, Mestre em Hidráulica e Saneamento EESC-USP São Carlos, SP. Doutora pelo INSA-Toulouse, França. Pós-doutorado na Université Montpellier 1, França. Professora Titular do Departamento de Engenharia Sanitária e Ambiental do Centro Tecnológico/UFSC. Endereço (1) : Departamento de Engenharia Sanitária e Ambiental, CTC UFSC - Campus universitário Bairro Trindade - Florianópolis SC - CEP Telefone (48) ou heike@ens.ufsc.br RESUMO Os problemas provocados pela nitrificação de um esgoto com baixa alcalinidade foram analisados em um reator piloto do tipo lodo ativado por batelada seqüencial, alimentado com esgoto urbano, pré-tratado em tanque séptico. No reator, operado sem a adição de cal (CaCO 3 ), o ph apresentou uma queda, chegando a atingir, por vezes, valores abaixo de 5,7 e os flocos de lodo ativado começaram a se destruir, resultando em elevação da turbidez no efluente final. A influência da desnitrificação para manter o ph foi analisada. Desenvolveu-se um modelo, que considera a concentração de amônia e a alcalinidade do esgoto bruto e calcula a desnitrificação necessária para evitar a queda de ph. Para efluente com 238 mg CaCO 3 /L de alcalinidade, 37,5 mg NH 4 -N/L de amônia e 1% de nitrificação, o modelo mostrou a necessidade de que haja 75% de desnitrificação para manter o ph estável. Como a concentração de DQO do esgoto bruto limitou a desnitrificação, que não ultrapassou a 6%, foi desenvolvida uma idéia alternativa. Dessa forma, com o objetivo de aumentar diretamente a alcalinidade do esgoto sanitário que alimenta o sistema, foi analisado o efeito do uso de cascas de ostras no tanque séptico. Os pré-ensaios mostraram bons resultados. Com tempo de retenção de 2 dias no tanque séptico, 5 kg cascas por m³ aumentariam a alcalinidade de esgoto bruto em 75 mg CaCO 3 /L. Pelo modelo, o esgoto com a nova alcalinidade de 313 mg CaCO 3 /L ( mg CaCO 3 /L), poderia tamponar a nitrificação total de 37,5 mg NH 4 -N/L com necessidade de apenas 1% de desnitrificação, ou, por outro lado, uma desnitrificação de 6%, poderia estabilizar a nitrificação de até 48 mg NH 4 -N/L. O uso de cascas de ostras para aumentar a alcalinidade se mostrou interessante especialmente para estações de pequeno porte que tratam esgoto conforme a resolução CONAMA 357/25. PALAVRAS-CHAVE: Baixa alcalinidade, casca de ostra, esgoto sanitário, estabilização da operação, nitrificação, reator em batelada. INTRODUÇÃO Apesar do fato de existirem diferentes sistemas adequados para a nitrificação, o sistema de lodo ativado é o sistema aeróbio mais utilizado. Devido à baixa velocidade de crescimento das bactérias nitrificantes e sua grande sensibilidade a baixas temperaturas, alterações de ph, falta de oxigênio, aplicação de elevadas cargas orgânicas e substâncias tóxicas, os sistemas de lodo ativado com nitrificação precisam de um volume muito elevado, com aeração que forneça acima de 1,5 mg O2/L (Nitrogen Control, 1993). ABES - Associação Brasileira de Engenharia Sanitária e Ambiental 1

2 As bactérias nitrificantes, mesmo sensíveis contra mudanças de ph, liberam ácido em resultado da nitrificação, o que normalmente não chama muito a atenção porque o esgoto possui um tampão natural, suficiente para manter o ph acima de 7,2, considerado como ótimo para a nitrificação (von Sperling, 1997). No entanto, a maior parte da alcalinidade de esgoto sanitário é originária da água potável, a qual, no Brasil, muitas vezes tem baixa alcalinidade. Por definição (ATV-Manual, 1997), uma alcalinidade abaixo de 75 mg CaCO3/ mmol pode provocar problemas operacionais no reator pela destruição dos flocos de lodo ativado. A solução mais econômica para evitar esse queda de ph consiste na exploração da desnitrificação, a qual, mesmo não exigida pelo CONAMA (25), é absolutamente recomendável para todos os sistemas de lodo ativado, por causa de suas vantagens econômicas e operacionais, como menor produção do lodo em excesso, menor gasto da energia para a aeração, melhor sedimentabilidade do lodo no decantador secundário e sua integração facilmente realizável (Nitrogen Control, 1993). Infelizmente, a desnitrificação muitas vezes é limitada, seja pela baixa relação entre C:N de esgoto bruto, especialmente no caso de pré-tratamento anaeróbio, ou seja pela própria configuração de sistemas de lodo ativado, permitem uma desnitrificação de 1% somente como pós-desnitrificação com fonte adicional de carbono. No caso de desnitrificação insuficiente, a adição contínua de cal, no afluente ou no tanque biológico, apresenta-se como única possibilidade de estabilizar o ph no reator. Especialmente para estações de pequeno porte, com pouca possibilidade de manutenção, a dosagem contínua de cal é um fator que implica em custos operacionais. Em vista disso, este trabalho investigou o uso de cascas de ostras no tanque séptico como alternativa para estabilizar o processo e reduzir custos. MATERIAIS E MÉTODOS PRIMEIRA ETAPA: Reator Piloto RBS Um reator piloto do tipo lodo ativado, com funcionamento por batelada seqüencial, com volume de 1,4m³ foi operado com esgoto urbano, coletado na rede pública. O reator trabalhou em 3 ciclos por dia, cada ciclo de 8 horas, recebendo 4 Litros de esgoto por ciclo. O esgoto foi pré-tratado em um tanque séptico com um tempo de retenção de 2-3 dias. Para realizar a desnitrificação com boa eficiência, o enchimento total de um ciclo foi dividido em 4 vezes. A primeira carga do ciclo foi maior do que as três seguintes (1 x 25 L, depois 3 x 5 L) para conseguir a desnitrificação total do Nitrato resistente no lodo ( Costa, 25). Foram monitorados: Três vezes por semana as variáveis: Alcalinidade, DQO e SS pelo Standard Methods (1998); NH 4 -N, NO 3 -N, NO 2 -N, PO 4 -P pelo método colorimétrico (kit da Merck desenvolvidos segundo Standard Methods), em amostras do afluente e do efluente final. DBO 5 do afluente e do efluente final uma vez por semana (método manométrico). A análise de NTK, especialmente importante para esgoto com altas concentrações de sólidos sedimentáveis, não foi possível nesta época. Como o esgoto bruto permanecia 2 dias no tanque séptico e saía com baixas concentrações de sólidos sedimentáveis do tanque, a concentração de NH 4 - N foi considerada semelhante à de NTK. Uma vez por semana, foi realizado o acompanhamento de um ciclo de 8 horas, com controle de ph, O 2 e temperatura, com coletas no final das fases anóxicas e aeróbias (amostra do lodo filtrado) para determinação de: DQO, NH 4 -N, NO 3 -N, NO 2 -N, alcalinidade e realizar a microscopia ótica do lodo ativado. Depois das primeiras experiências negativas, foi aplicada cal no reator quando havia queda de ph a valores inferiores a 7,. Aproximadamente 5 g de cal por semana foram usados para manter o ph acima de 7,. Após, a operação do reator foi realizada com o ph entre 6,8 e 7,2 que se mostrou suficiente para garantir a nitrificação. SEGUNDA ETAPA: Cálculo da Correlação entre Nitrificação, Alcalinidade e Desnitrificação A nitrificação é um processo que consome a alcalinidade. Durante a nitrificação de 1 mol de amônia, 2 moles de H+ vão ser gerados: NH O 2 NO H 2 O + 2H + (1) ABES - Associação Brasileira de Engenharia Sanitária e Ambiental 2

3 O sistema de tamponamento bicarbonato/ gás carbônico reage na forma: 2 H HCO 3 2 H 2 O + 2 CO 2 (2) Como a hidrólise do NTK, também a desnitrificação aumenta a alcalinidade pela fixação de prótons: - Geral NO 3 + H +,5 N 2 +,5 H 2 O + 2,5 (O) (3) Na conclusão, a alternância da alcalinidade durante o processo biológico num reator aeróbio depende da alcalinidade natural do esgoto bruto (Ks, o ), da diferença entre a amônia no início (NH 4 -N o ) e final da nitrificação (NH 4 -N fim ) e da concentração de aitrato formado (NO 3 -N fim ). Assim o cálculo para a alcalinidade no efluente final (Ks, e ) segue a seguinte equação (von Sperling, 1994): Ks fim = Ks, o - 3,57 (NH 4 -N o NH 4 -N fim + NO 3 -N fim ) [ mg CaCO 3 /L ] (4) Essa correlação foi usada para desenvolver o modelo que considera a alcalinidade natural do esgoto bruto (Ks, o ), a nitrificação (NH 4 -N o - NH 4 -N fim ) realizada e a necessidade de desnitrificação, com o objetivo de manter a alcalinidade de efluente final acima de 75 mg CaCO 3 /L. TERCEIRA ETAPA: Ensaios com cascas de ostras Dois recipientes de 2 litros serviram como pilotos de tanques anaeróbios, um como controle e o outro recebeu 1 kg de cascas de ostras, levemente quebradas (pedaços de 5 até 8 cm). Antes do primeiro enchimento com esgoto bruto, foram aplicados em cada recipiente 1 L de lodo do tanque séptico empregado no prétratamento do efluente do piloto. Os esgotos dos dois recipientes foram trocados a cada 2 a 3 dias, sendo adicionados 18 L de esgoto bruto durante 16 semanas, realizando um tempo de retenção de 2 a 3 dias. Foram efetuadas análises de: DQO, ph e alcalinidade em amostras do esgoto bruto e do esgoto tratado no processo anaeróbio com e sem cascas de ostras (recipientes 1 e 2). RESULTADOS PRIMEIRA ETAPA: REATOR PILOTO RSB Depois da inoculação com lodo ativado no reator, somente após 4 semanas a nitrificação se estabilizou com concentrações no efluente final em torno de 1mg NH 4 -N/L. Os problemas de estabilização da nitrificação provavelmente foram devidos ao ph baixo. Sem a adição de cal foi observado: Desaparecimento da maioria dos protozoários responsáveis pela filtração da fase líquida, para ph entre 6,8 e 6,, sobreviveram as Amebas nuas (figura 2a); Abaixo de ph 6,2 a nitrificação foi afetada e começou um crescimento intensivo das Zoogleas (fig. 2b); Abaixo de 6,-5,7, os flocos de lodo ativado começaram a se destruir, resultando em turbidez elevada no efluente final (figura 2c); Durante toda operação foram observadas bactérias filamentosas do tipo 21N e outros tipos (figura 1d). A) Ameba nua 4x B) Zooglea 1x C) Bactérias livres D) B. filamentosas Figura 1: Imagens microscópicas que mostram problemas de formação dos flocos A eficiência de desnitrificação variou. As figuras 2a e 2b mostram os resultados do monitoramento de dois ciclos diferentes. O primeiro ciclo num dia da 4 a. semana com alta concentração de amônia e baixa concentração de DQO (baixa relação C:N) de esgoto bruto, e o segundo ciclo num dia da 1 a. semana com ABES - Associação Brasileira de Engenharia Sanitária e Ambiental 3

4 concentração baixa de amônia e concentração alta de DQO (alta relação C:N). A influência da nitrificação e desnitrificação para o valor de ph e de alcalinidade no reator, nestes dois exemplos escolhidos, foi significativa. 12 Alcalinidade NH4-N NO3-N ph Alcalinidade NO3-N NH4-N ph 14 Alcalinidade (mg CaCO 3/L) Concentração (mgnx/l) e ph Alcalinidade (mg CaCO 3/L) Concentração (mgnx/l) e ph Tempo (min) A) Ciclos com 1% de nitrificação e desnitrificação insuficiente esgoto bruto: 38 mg DQO/L e 45 mg NH 4 -N/L Tempo (min) B) Ciclo com insuficiente nitrificação e desnitrificação ótima esgoto bruto: 675 mg DQO/L e 35 mg NH 4 -N/L Figura 2: Resultados do monitoramento de dois ciclos de 8 horas (6 horas tratamento) O primeiro ciclo (figura 2a) mostrou uma nitrificação total, mas a desnitrificação foi claramente limitada, de um lado por causa da baixa concentração de DQO e por outro lado também por que a fase anóxica foi muito curta. Como resultado, a alcalinidade baixou no final do ciclo, permanecendo com uma concentração em torno de 2 mg CaCO 3 /L e o ph baixou de 6,8 ate 6,. Devido à recuperação de alcalinidade pela desnitrificação nas fases anóxicas, verificava-se certo aumento desta, não suficiente, porém, para contrabalançar a perda na fase aeróbia (nitrificação). No segundo ciclo (figura 2b), a nitrificação foi limitada pela falta de oxigênio nas fases aeróbias do ciclo porque a concentração de DQO do esgoto bruto era muito mais elevada do que nos dias anteriores. A falta de oxigênio e a alta concentração de DQO favoreceram a eficiência da desnitrificação, especialmente na primeira fase com enchimento elevado (25L). Durante todo ciclo, a alcalinidade e também o ph permaneceram estáveis. SEGUNDA ETAPA: CÁLCULO DA CORRELAÇÃO ENTRE NITRIFICAÇÃO, ALCALINIDADE E NECESSIDADE DA DESNITRIFICAÇÃO Os resultados dos vários monitoramentos de ciclos durante 3 meses de operação do reator piloto foram analisados através da equação 4, que calcula a alcalinidade esperada depois da nitrificação e desnitrificação. O objetivo consistiu na comparação dos resultados analíticos e do valor teórico. Em média, o esgoto pré-tratado em tanque séptico mostrou uma alcalinidade de 238 mg CaCO3/L, com um mínimo de 185 e máximo de 275 CaCO3/L e ph médio de 7,. Os valores da DQO no esgoto tiveram grande variabilidade entre 25 e 675 mg DQO/L, com média de 396 mg DQO/L. A DBO5 foi cerca de 45% da DQO. A concentração de amônia variou entre 3 e 45 mg NH4-N/L. A média de 181 mg DBO5/L : 37,5 mg NH4-N/L, resulta numa relação 1 N : 4,8 DBO5, segundo Metcalf & Eddy (23), ela é suficiente para a desnitrificação, mas segundo cálculo mais complexo apresentado em ATV Manual (1997), essa relação é baixa e as condições operacionais no piloto exigiriam pelo menos uma relação de 1 N : 6,5 DBO5 para realizar a desnitrificação total. A nitrificação proporcionou um efluente final com média de,7 mg NH4-N/L. Considerando a concentração de amônia no afluente, e a concentração de 12,8 mg NO3-N/L no efluente final, calcula-se uma eficiência média de desnitrificação de 65%. A alcalinidade no efluente final baixou na media até 55 mg CaCO3/l, assim foram analisados mais ciclos onde o ph apresentou uma queda, do que ciclos onde o ph se manteve estável. O controle calculado pela equação 4 resultou em valores de alcalinidade no final do processo muito parecidos com os obtidos nos ensaios, com uma sub-estimativa em média de 5%, provavelmente causada pela produção de ácido no tanque séptico. Em conclusão deste resultado positivo, a equação 4 foi usada para desenvolver um modelo na forma de diagrama, que determina a necessidade da desnitrificação dependente da nitrificação (NH4-No - NH4-Nfim) e da alcalinidade natural do esgoto bruto, com o objetivo de manter a alcalinidade do lodo ativado, no caso de nitrificação acima de 75 mg CaCO3/L, segundo ATV Manual (1997) e ABES - Associação Brasileira de Engenharia Sanitária e Ambiental 4

5 correspondendo com os resultados das figuras 2a e 2b, a alcalinidade acima de 75 mg CaCO3/L no efluente final garante uma operação com ph estável. A figura 3 mostra o resultado do modelo. 7 6 Aréa onde a alcalinidade no reator não é corrigível com a desnitrificacão 1% DN 8% DN 6% DN 4% DN 2% DN sem DN Concentração mg NH 4 -N o /L ,5 mg NH 4 -N/L 238 mg CaCO 3 /L Alcalinidade (mg CaCO 3 /L) Aréa onde a correlação NH 4 -N o : Alcalinidade o não necessita da desnitrificação Figura 3: Diagrama prognóstico para a necessidade de desnitrificação, dependendo da nitrificação, resultando do objetivo de manter a alcalinidade acima de 75 mg CaCO 3 /L Assim, o afluente do RBS piloto, com alcalinidade média de 238 mg CaCO 3 /L e concentração média de 37,4 mg NH 4 -N /L, exige quase 8% de desnitrificação para manter o ph estável. Na realidade, a desnitrificação foi limitada pela baixa concentração de DQO. Pelo gráfico da figura 3, essa desnitrificação com eficiência de 65%, seria suficiente para estabilizar no máximo a nitrificação de 33 mg NH 4 -N /L de esgoto com alcalinidade 238 mg CaCO 3 /L, ou por outro lado, para a nitrificação total de 37,5 mg NH 4 -N/L e 65% desnitrificação realizada, seria necessário um esgoto com alcalinidade de pelo menos 26 mg CaCO 3 /L. TERCEIRA ETAPA: ENSAIO COM OSTRAS Do cálculo, surgiram três possibilidades diferentes para manter a operação estável e evitar o perigo de uma queda de ph. A primeira, o aumento da desnitrificação até 8%, não se mostrou possível continuamente devido à baixa concentração de DQO, em comparação com a relativamente alta concentração de amônia no esgoto bruto. A segunda possibilidade seria diminuir a nitrificação. Como mostrou o cálculo, a nitrificação de 33 mg NH 4 -N /L seria tamponada pela alcalinidade deste esgoto, fica uma diferença para a concentração de amônio no afluente (37,5 mg NH 4 -N /L) de 4,5 mg NH 4 -N /L, que poderia continuar no efluente final segundo as exigências da Resolução 357/25 do CONAMA. Mas, manter continuamente um valor de amônia elevado no efluente final é difícilmente realizável e necessita de controle on-line do processo. Por isso, foi pesquisada a terceira possibilidade, que exige um leve aumento da alcalinidade do esgoto, em até pelo menos 26 mg CaCO 3 /L. Foi escolhida então a técnica alternativa e econômica de passagem do esgoto afluente durante 2 dias num tanque séptico piloto (tanque de 2 litros), preenchido em 5 % com cascas de ostras. Os resultados de 2 meses de operação são mostrados na figura 4. ABES - Associação Brasileira de Engenharia Sanitária e Ambiental 5

6 35 Esgoto bruto Tanque com casca de ostra Tanque sem casca de ostra Alcalinidade (mgcaco 3 /L) Tempo (d) Figura 4: Alcalinidade depois de tratamento de esgoto no tanque séptico com cascas de ostras, comparado com esgoto bruto e com tanque sem cascas de ostras Os resultados mostram um aumento de 5 até 1% da alcalinidade no tanque séptico de controle (sem cascas de ostras) comparado com esgoto bruto, decorrente dos processos anaeróbios que liberam CO 2 que influencia dessa forma o sistema de tamponamento bicarbonato/ gás carbônico (von Sperling 1997, Metcalf & Eddy, 23). Mesmos assim houve um aumento da alcalinidade do efluente do tanque séptico com cascas de ostras, comparado com o controle sem ostras, em média de 2 até 25% ou seja, em torno de 75 mg CaCO 3 /L, que é mais que necessário para o exemplo anteriormente estudado. Comparando com o modelo (figura 3), essa passagem em tanque séptico preenchido com 5% de cascas (5 kg cascas por 1m³), resultaria numa alcalinidade média de efluente de 313 mg CaCO 3 /L, suficiente para manter a nitrificação total de 37,5 mg NH 4 -N com necessidade de somente 2% de desnitrificação ou, por outro lado, com a alcalinidade de 313 mg CaCO 3 /L e uma desnitrificação de 65%, como foi realizada pelo piloto, poderia ser nitrificada uma concentração de amônia no efluente de até 48 mg NH 4 -N/L. Assim, o pré-tratamento em tanque com cascas de ostras ajudaria significativamente a estabilizar a operação de sistemas de lodo ativado, em casos de esgoto com baixa alcalinidade. CONCLUSÕES É provável que os problemas operacionais observados no Piloto RBS aconteçam periodicamente em algumas ETE s no Brasil, ainda mais que nas condições climáticas locais é difícil evitar a nitrificação, mesmo nas estações de lodo ativado que não estejam dimensionadas para esse processo. Pela velocidade especifica de crescimento das bactérias nitrificantes, a 25 C elas podem ser mantidas a partir de uma idade de lodo acima de 2 dias. Os problemas relacionados muitas vezes não são percebidos, mas a queda do ph sempre resulta em baixa eficiência da operação, provocando turbidez elevada e perda da biomassa ativa. Como o cálculo mostra, uma solução consiste na realização de desnitrificação controlada, que pode recuperar até 5% da alcalinidade natural. Nos casos em que isso não seja possível, por exemplo, devido à limitações pela concentração de DQO, uma alternativa consiste no aumento de alcalinidade natural com a utilização de cascas de ostras. Foram obtidos bons resultados, que devem ser analisados em escala real, visando uma solução econômica e ecológica, especialmente para estações de pequeno porte, com poucas possibilidades de operação e manutenção, como é o caso de sistemas descentralizados. AGRADECIMENTOS Ao CNPq e à CAPES pela concessão de bolsas de estudo e à Rotária do Brasil Ltda pelo fornecimento de equipamentos. ABES - Associação Brasileira de Engenharia Sanitária e Ambiental 6

7 REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS 1. ATV Manual: ATV Handbuch Biologische und weitergehende Abwasser-reinigung 4. Auflage, Ernst & Sohn, Berlin, Hrsg. Abwassertechn Vereinigung e.v. Hennef, Alemanha, CONAMA: Conselho Nacional do Meio Ambiente, Resolução N 357, de 18 de março de 25. Diário Oficial da União, nº 53 (ISSN ), p COSTA, T.B. Desempenho de Reator em Batelada Seqüencial (RBS) com Enchimento Escalonado no Tratamento de Esgoto Sanitário Doméstico. Dissertação de Mestrado, UFSC, p. 4. NITROGEN CONTROL-EPA MANUAL. Technomic Publishing, Pennsylvania, USA, 311pp METCALF & EDDY. Wastewater Engineering: treatment, disposal and reuse. 3 rd. ed., McGraw- Hill, New York, USA, VON SPERLING, M. Lodos Ativados. Belo Horizonte: Departamento de Engenharia Sanitária e Ambiental, UFMG, ABES - Associação Brasileira de Engenharia Sanitária e Ambiental 7