II-040 DESEMPENHO DE REATORES PILOTO TIPO UASB E HÍBRIDO PARA O TRATAMENTO DE ESGOTO DOMÉSTICO

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1 II-040 DESEMPENHO DE REATORES PILOTO TIPO UASB E HÍBRIDO PARA O TRATAMENTO DE ESGOTO DOMÉSTICO Mauricio Pimenta (1) Engenheiro Civil formado pela UFAL. Mestre em Tecnologia Ambiental e Recursos Hídricos pela UFPE. Mario Takayuki Kato Engenheiro Civil formado pela UFPR. Mestre em Hidráulica e Saneamento pela EESC/USP. PhD em Tecnologia Ambiental pela Universidade Agrícola de Wageningen; Holanda. Professor Adjunto do Departamento de Engenharia Civil; Chefe do Laboratório de Saneamento Ambiental, Centro de Tecnologia e Geociências da UFPE. kato@ufpe.br Savia Gavazza Engenheira Civil formada pela UFAL. Doutora em Hidráulica e Saneamento pela EESC/USP. Pesquisadora- Recém-Doutora(CNPq) junto ao Programa de Pós-graduação em Tecnologia Ambiental e Recursos Hídricos do Departamento de Engenharia Civil, Centro de Tecnologia e Geociências da UFPE. savia@ufpe.br Lourdinha Florencio Engenheira Civil formada pela UFPE. Mestre em Hidráulica e Saneamento pela EESC/USP. PhD em Tecnologia Ambiental pela Universidade Agrícola de Wageningen, Holanda. Professora Adjunta do Departamento de Engenharia Civil, Centro de Tecnologia e Geociências da UFPE. flor@ufpe.br Endereço (1) : Laboratório de Saneamento Ambiental, Depto. de Engenharia Civil da UFPE. Avenida Acadêmico Hélio Ramos, s/n Recife-PE. (81) / mpimenta@vcnet.com.br; kato@ufpe.br RESUMO A utilização de reatores anaeróbios para tratamento de águas residuárias vem crescendo e se consolidando no Brasil devido a uma série de fatores sócio-econômicos e ambientais favoráveis. E a grande atividade dos microrganismos propiciam uma degradação da matéria orgânica mais eficiente. Ainda assim, inovações nas configurações clássicas de reatores estão sendo pesquisadas e dentre elas um reator promissor é o reator híbrido composto por UASB e filtro anaeróbio em um único reator. Este sistema maximiza as vantagens das duas configurações clássicas que o compõem e minimizam suas dificuldades operacionais. O presente trabalho relata o estudo comparativo de dois reatores pilotos, UASB convencional e Híbrido (composto por reator UASB+ filtro anaeróbio) com tempos de detenções hidráulica (TDH) iguais, entre 8 e 10 h. Os resultados obtidos mostraram que o reator híbrido apresentou um desempenho melhor, com remoções de médias DQO e SSV de 78% e 88%, respectivamente. Com uma operação simples e os custos de implantação iguais ao do UASB convencional com o acréscimo do meio suporte que se queira empregar, conclui-se a sua aplicação pode ser indicada especialmente para pequenas comunidades, visto que o sistema é de fácil operação e manutenção, não precisando de mão e obra especializada. PALAVRAS-CHAVE: Tratamento de Esgoto Doméstico, UASB, Filtro Anaeróbio, Reator Híbrido, Pequenas Comunidades INTRODUÇÃO A água é um bem essencial à vida de qualquer ser humano, e a cada dia que passa essa fica cada vez mais escassa. Em algumas regiões do mundo já existe o problema de escassez desta para o atendimento da população, que é sempre crescente. Com isso é de extrema importância que as reservas de água doce sejam conservadas e preservadas. Assim, as autoridades ambientais mundiais estão cada dia mais rigorosas para que as fontes hídricas sejam preservadas. É sabido que a disposição de efluentes, domésticos ou industriais, sem tratamento em corpos hídricos é um dos principais motivos para que estes fiquem impróprios para a realização dos mais diversos fins. Apesar do conhecimento das autoridades ambientais brasileiras sobre o problema, apenas 49% dos esgotos sanitários brasileiros são coletados em rede públicas, destes, somente 32% são tratados. Consequentemente, cerca de 16% dos esgotos produzidos no Brasil recebem algum tipo de tratamento (von Sperling, 1995). Com a preocupação de tentar solucionar a problemática exposta, várias instituições brasileiras vêm testando diversos tipos de tratamento, desde os mais clássicos até as novas tecnologias. É importante ressaltar que para ABES - Associação Brasileira de Engenharia Sanitária e Ambiental 1

2 que uma tecnologia seja aplicada em determinado caso, faz-se necessário a observação das condições locais. Aliado ao atendimento às legislações ambientais. Regiões com pouca disponibilidade de área, como grandes cidades, por exemplo, requerem estações de tratamento mais compactas. Por outro lado, locais com maiores disponibilidades de área, mas com dificuldades em se obter mão-de-obra especializada, especialmente na parte operacional, como é o caso de comunidades rurais, requerem alternativas mais simples. Em ambos os casos os sistemas integrados compactos são uma ótima solução, dentre estes, destaca-se a configuração: reator UASB seguido de filtros biológicos (Chernicharo e Machado, 1998). No Brasil a utilização de reatores anaeróbios para tratamento de águas residuárias vem crescendo, e um dos principais motivos para que isto ocorra é o clima quente predominante no país, altamente favorável às reações bioquímicas realizadas no interior dos reatores, bem como à atividade dos microrganismos, que resultam em degradação da matéria orgânica mais eficiente. Algumas inovações nas configurações clássicas de reatores vêm sendo pesquisadas, dentre elas pode-se destacar a do reator anaeróbio híbrido, que é a junção de duas ou mais configurações anaeróbias em um único reator. Neste sistema os principais objetivos são o de maximizar as vantagens das configurações clássicas que o compõem e minimizar suas dificuldades operacionais. Atualmente, a configuração híbrida composta de um reator UASB seguido por um filtro anaeróbio (FA) é das mais promissora, pois alia as vantagens conhecidas de alto desempenho do primeiro com a estabilidade do segundo. Além das vantagens citadas, este reator não necessita de grandes áreas para a sua implantação, pode tratar diversos tipos de efluentes, tanto esgotos domésticos (Stanford, 2002), quanto para efluentes industriais (Fernández, 2001; Lo et al., 1994), sua operação é bastante simples e seus custos para implantação são considerados baixos. O principal objetivo deste trabalho foi avaliar, sob diferentes condições operacionais de TDH (10 horas, 8 horas e 6 horas), o desempenho em paralelo dos reatores tipo UASB convencional e híbrido (UASB+FA) compactos construídos em fibra de vidro, para atendimento de comunidades com população entre 50 e 500 habitantes, através do uso de unidades modulares. MATERIAIS E MÉTODOS Os dois reatores piloto estão situados junto à ETE Mangueira, que recebe os esgotos domésticos provenientes dos bairros de Mangueira, San Martin e Mustardinha (Recife, PE). Ambos os reatores (Figura 1) foram construídos em fibra de vidro com as seguintes características: volume igual a 4.9 m³; altura útil de 5 m; tempo de detenção hidráulica de 10 horas; vazão de projeto igual a 0,49 m³/h para cada reator. Figura 1 - Reatores piloto UASB(esq) e híbrido(dir) No reator híbrido o separador trifásico, elemento que compõe a parte superior do UASB, foi substituído por um filtro anaeróbio com meio suporte composto de anéis de conduíte cortados em cilindros eqüiláteros de 25 mm de diâmetro (Figura 2b). Este tipo de enchimento foi utilizado por Andrade Neto (2004) em filtros anaeróbios e apresentou bons resultados, efluente com 15 mg/l e 100 mg/l de sólidos suspensos voláteis ABES - Associação Brasileira de Engenharia Sanitária e Ambiental 2

3 (SSV) e de DQO, respectivamente, além de diminuir os gastos com fundação, pois o meio suporte com conduíte é bem mais leve, geralmente composto por brita n 4. A B Figura 2 Conduítes inteiros (A), anéis cortados (B). Durante o período compreendido entre junho de 2004 a fevereiro de 2005 foram monitorados os reatores, perfazendo um total de 267 dias de experimento. Os parâmetros monitorados estão inseridos no Quadro 1, e os pontos de amostragem foram: (1) caixa divisora de vazão (alimentação do sistema), (2) saída do reator UASB e (3) saída do reator híbrido. Todos essas determinações seguiram os procedimentos descritos no Standard methods (1998), com exceção da técnica de análise de ovos de helmintos, que foi seguida de acordo com metodologia descrita por Chernicharo (2001). Os reatores foram operados com três tempos de detenção hidráulicos (TDH) diferentes, o que caracterizou três fases distintas na pesquisa: (i) Fase I com TDH de 10 horas, que compreendeu o período entre os dias 1 e 165 do experimento; (ii) Fase II com TDH de 8 horas, que compreendeu o período entre os dias 166 e 210 do experimento; e (iii) Fase III com TDH de 6 horas, compreendeu os dias 211 até o final do experimento. Quadro 1 Principais parâmetros analisados Parâmetros Periodicidade Método DBO 1 por semana Respirométrico DQO 3 por semana Titulométrico Sólidos Suspensos 1 por semana * Voláteis(SSV) 2 por semana ** Ovos de Helmintos Quinzenalmente * 1 por semana ** Gravimétrico Bailenger modificado * primeiros 120 dias; ** no período restante do experimento A eficiência de remoção de DQO foi calculada a partir dos resultados de DQO afluente bruta menos a DQO efluente filtrada em membrana de fibra de vidro de 1.2μ. ABES - Associação Brasileira de Engenharia Sanitária e Ambiental 3

4 RESULTADOS E DISCUSSÕES O experimento perdurou 267 dias, sendo que por razões operacionais, as bombas de alimentação do sistema quebraram simultaneamente, o sistema ficou parado 15 dias, esse período ficou compreendido entre os dias 51 e 65. Esse fato resultou numa queda na eficiência como é vista nas Figuras 3,4 e 5, mas não houve uma interferência significativa nos resultados, pois nesse período os reatores ainda estavam se adaptando as condições operacionais. As eficiências de remoção de DQO estão mostradas na Figura 2. Observa-se que o desempenho reator híbrido foi superior ao reator UASB e este se mostrou mais instável durante todas as três fases. Na primeira fase, tempo de detenção hidráulica em torno de 10 horas, os valores médio, mínimo e máximo do reator híbrido foram respectivamente: 108mg/L, 39mg/L, 261 mg/l; em contrapartida os referidos valores encontrados para o reator UASB foram respectivamente:141mg/l, 75mg/L, 261mg/L. Na segunda fase, TDH igual a 8 horas, os valores de remoção de DQO foram 121mg/L, 88mg/L, 195mg/L(valores médio, mínimo e máximo, respectivamente). Estes mesmos valores para o reator UASB foram de 155mg/L, 109mg/L,269mg/L, respectivamente. Finalmente com o TDH igual a 6 horas os resultados para DQO média, máxima e mínima para o reator híbrido foram 159mg/L, 80mg/L, 239mg/L; e para o reator UASB foram 178 mg/l,84 mg/l, 295mg/L, respectivamente. Figura 3: Eficiência de Remoção de DQO Essa superioridade do reator híbrido pode ser explicada, pois uma vez que o filtro anaeróbio, instalado na parte superior do reator, proporciona mais estabilidade ao sistema e, ainda, funciona como um pós-tratamento (CHERNICHARO,2001) para a unidade UASB. Pode-se ainda mencionar o fato de que o reator híbrido tem uma retenção melhor de SSV o que influi diretamente no resultado de DQO. Para os valores de sólidos suspensos voláteis (SSV) também se pode perceber (Figura 3) que o reator híbrido é mais eficiente na remoção, na maioria das vezes, que o UASB, isto confirma outra principal vantagem que é atribuída ao uso dos filtros anaeróbios, a retenção de sólidos. Em termos de eficiência, os reatores híbrido obtive médias de 88%, 83%, 76%, nas fases 1, 2 e 3 respectivamente.já o reator UASB obteve uma média de remoção de 83%, 80%,76%, nas três fases respectivamente. ABES - Associação Brasileira de Engenharia Sanitária e Ambiental 4

5 Fase1 Fase2 Fase3 Figura 4: Remoção de SSV Para enfatizar ainda mais a qualidade dos efluentes produzidos pelos reatores, ambos apresentaram, em sua maioria, resultados de SSV abaixo dos 30 mg/l, sendo que o reator híbrido em muitas vezes esse valor ficou abaixo dos 20 mg/l. Esses valores estão em concordância com a legislação de muitos estados, por exemplo o de Minas Gerais que é de 30 mg/l. Assim em relação a esse parâmetro o efluente do reator híbrido tem condições de atender a legislação, enquanto que o reator UASB, geralmente com valores acima de 30 mg/l, teria que ter uma unidade polidora para poder alcançar esse patamar. Em relação a DBO (Figura 5), em todo o experimento o reator híbrido apresentou melhores resultados que o reator UASB, com exceção em uma única vez, o que não é significante, pois os valores foram bem próximos. Esse fato ocorreu quando o experimento tinha decorrido 139 dias com os valores de 65mg/L e 50 mg/l para os reatores híbrido e UASB, respectivamente. Para a primeira fase os valores médios de DBO foram de 71 mg/l para o reator híbrido e 108 mg/l para o reator UASB. Já para a segunda fase os valores foram de 55 mg/l e de 95 mg/l, híbrido e UASB respectivamente e para a fase 3 foram de 63 mg/l, 85 mg/l. Apesar dessa diferença apresentada em relação à eficiência de remoção ambos os reatores apresentaram resultados médios iguais a 70%,85%, 85% para a primeira, segunda e terceira fase respectivamente. Fase 1 Fase 2 Fase 3 Figura 5 Remoção de DBO Bruta Analisando em termos de valores absolutos de DBO constata-se mais uma vez a principal função do filtro anaeróbio, a de polidor do efluente do reator UASB. Um dos aspectos mais importantes estudados foi a remoção de ovos de helmintos, visto que este é um indicador para a reutilização das águas residuárias para fins agrícolas. Analisando a Figura 6, observa-se que esta pode ser considerada uma das principais vantagens da utilização do reator híbrido, visto que este apresenta menos de 1 ovo por litro na maioria dos resultados, fato este que viabiliza o reúso com restrições. ABES - Associação Brasileira de Engenharia Sanitária e Ambiental 5

6 Fase1 Fase2 Fase3 Figura 6 - Número de ovos de helmintos viáveis por litro. Nota-se tam bém que com o passar do tempo há uma acumulação de ovos no biofiltro do reator híbrido. Como não são destruídos ou inviabilizados pelo meio, quando a camada de lodo atinge chega ao estágio de saturação, com alta concentração de biomassa, os ovos começam a ser liberados junto com o efluente, fazendo com que a qualidade do mesmo caia. Sendo assim, torna-se necessária a remoção do excesso de lodo. Isto pode ser dado fazendo um descarga de lodo na parte do filtro. CONCLUSÕES/RECOMENDAÇÕES Em comparação ao reator UASB, o reator híbrido mostrou-se muito mais estável durante todo o processo e ainda, em períodos, onde por motivos diversos, o sistema ficou parado, o mesmo reator apresentou um tempo de recuperação menor que o reator UASB. Enquanto o reator UASB necessitou de 1 semana para voltar a apresentar os resultados que eram obtidos antes da paralisação, o reator híbrido necessitou apenas de ter dias para realizar a mesma ação. Em se tratando de remoção de poluentes, o reator híbrido, em números absolutos, mostrou-se melhor, principalmente na remoção de ovos de helmintos, onde foi observado menos de um ovo viável por litro. Em se tratando de DBO e SSV o reator híbrido mostrou-se até 20% mais eficiente em relação ao UASB em todos os elementos monitorados. Somente em algumas ocasiões o reator UASB mostrou-se superior, mas essa diferença pode ser considerada irrelevante, pois os valores encontrados para ambos os reatores foram bem parecidos nessas ocasiões. Mas a principal vantagem observada no reator híbrido foi a remoção de ovos de helmintos, o que viabiliza o reúso do efluente proveniente deste reator em diversas atividades, a agricultura é um exemplo. O que é muito importante, pois o efluente produzido por reatores anaeróbios é muito rico em nutrientes que são responsáveis para o desenvolvimento dos vegetais, nitrogênio e fósforo, por exemplo. Esse tipo de operação, bem simples, faz que sejam possíveis lugares onde não apresentem uma mão de especializada usufrua de um tratamento eficaz e eficiente para o tratamento dos esgotos locais. Indo mais além, os reatores podem ser vistos como unidades modulares, ou seja para comunidades maiores, pode-se dispor de um número maior de unidades para o atendimento de comunidades maiores. Como recomendação, faz necessário o estudo para a verificação do tempo de descarga do lodo no reator, pois foi constatado que com o passar do tempo os ovos de helmintos que inicialmente foram removidos começam a ser liberados para o efluente do reator híbrido, sendo assim com a descarga do lodo pretende-se eliminar o excesso de ovos pelo lodo que ainda poderá receber uma higienização, para matar os patógenos presentes neste, e logo após ser utilizado como adubo. ABES - Associação Brasileira de Engenharia Sanitária e Ambiental 6

7 AGRADECIMENTOS Gostaria de agradecer a Fundação de Amparo a Pesquisa do Estado de Alagoas- FAPEAL-, que custeou a bolsa de mestrado. A Companhia de Pernambucana de Saneamento COMPESA aos amigos do LSA, principalmente ao técnico responsável pelo laboratório, Ronaldo Fonseca, e a aluna de IC Aline Brasil que auxiliou nessa pesquisa. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS 1. ANDRADE NETO, C. O. Filtro Anaeróbio aplicado ao tratamento de esgoto sanitário. Campina Grande Tese de Doutorado. Universidade Federal de Campina Grande, ANDRADE NETO, C.O. Sistemas simples para tratamento de esgotos sanitários experiência brasileira. ABES, Rio de Janeiro, 1997, 301p. 3. AWWA/APHA/WEF. Standard methods for the examination of water and wastewater. 20th edition, 1998, Washington. 4. CHERNICHARO, C.A.L. (coord.). Pós-tratamento de efluentes de reatores anaeróbios. Projeto Prosab. FINEP. Belo Horizonte, p. 5. CHERNICHARO, C.A.L. (coord.). Pós-tratamento de efluentes de reatores anaeróbios metodologias de análises. Projeto Prosab. FINEP. Belo Horizonte, CHERNICHARO, C.A.L., MACHADO, R.M.G. Feasibility of the UASB/AF system for domestic sewage treatment in developing countries. Water Science and Technology, 38 (8-9), p FERNÁNDEZ, M.J. et al (2001) Anaerobic Treatment of fiberboard manufacturing wastewaters in a Pilot Scale Hybrid UASB Reactor. Water Research 35 (17), pp LO, K.V., LIAO, E.H. E GAO, Y.C. (1994) Anaerobic treatment of swine Wastewater Using Hybrid UASB Reactors. Bioresource Technology 47, pp KATO M.T. et al. Configurações de reatores anaeróbios. In Campos J.R. (Coord.). Tratamento de esgotos sanitários por processo anaeróbio e disposição controlada no solo, Cap. 3, p , ABES, Rio de Janeiro, STANFORD, M.P.A. Avaliação de reatores UASB e híbrido (UASB e filtro anaeróbio) para tratamento d e esgoto sanitário de comunidades de pequeno e médio porte. Dissertação de Mestrado. UFPE. Recife, ABES - Associação Brasileira de Engenharia Sanitária e Ambiental 7