GRANULAÇÃO DE LODO AERÓBIO TRATANDO ESGOTO COM BAIXA CARGA ORGÂNICA

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1 GRANULAÇÃO DE LODO AERÓBIO TRATANDO ESGOTO COM BAIXA CARGA ORGÂNICA 1 Dayane de Andrade Lima 1, Jarbas Rodrigues Chaves 2, Heraldo Antunes Silva Filho 3, Elivânia Vasconcelos Moraes dos Santos 4. 1 Técnica em Meio Ambiente e Graduanda em Saneamento Ambiental - IFCE, Bolsista de Iniciação Científica do CNPq. dayaneandrade@ifce.edu.br 2 Técnico do Laboratório de Controle Ambiental IFCE, Campus Limoeiro do Norte, Mestrando em Tecnologia e Gestão Ambiental IFCE, Campus Fortaleza. jarbasrodrigues@ifce.edu.br 3 Professor do IFCE, Campus Limoeiro do Norte. heraldo@ifce.edu.br 4 Professora do IFCE, Campus Limoeiro do Norte. elivania@ifce.edu.br Resumo Recentemente surgiu a tecnologia de granulação aeróbia que se trata de um caso especial de biofilme composto de células autoimobilizadas. O lodo granular aeróbio apresenta inúmeras vantagens sobre os flocos de lodo ativado tradicionais, tais como rápida sedimentação e elevada retenção de biomassa. Essa pesquisa teve como objetivo central obter lodo granular aeróbio em condições de estresse orgânico e hidrodinâmico a partir de sistemas de lodo ativado do tipo bateladas sequenciais. O lodo granular foi gerado por meio de controle de parâmetros operacionais como ciclos, forma de alimentação e curtos tempos de sedimentação. O tempo de partida do sistema foi de 45 dias, após esse período já se identificavam mais de 80% do lodo do sistema em forma de grânulos. Estes eram de tamanhos irregulares e os maiores mediram pouco mais de 5 mm, todavia, os grânulos maiores mostraram-se pouco instáveis e de fácil desintegração ao sofrer cisalhamento. No presente trabalho confirmou-se que a formação de grânulos em reatores aeróbios de fluxo intermitente em bateladas sequenciais é viável, mesmo tratando esgotos com baixas cargas orgânicas importando bem mais as condições impostas desde o momento de partida do sistema que a concentração de material orgânico afluente. Palavras chave: tecnologia, grânulos, cisalhamento. 1. INTRODUÇÃO A maior parte dos sistemas de lodo ativado para o tratamento de águas residuárias necessitam de grandes áreas de implantação, isso se deve principalmente ao grande volume de 1 Trabalho inédito 1

2 biomassa floculenta que é gerada nos reatores demandando área também para sedimentar esses sólidos nos decantadores (VAN HAANDEL; MARAIS, 1999). Diante desse cenário verifica-se a necessidade de minimizar esses espaços e simplificar as operações, além de reduzir investimentos e custos (MORGENTOTH et al., 1997). De acordo com Dezotti et al., (2011), a granulação aeróbia é uma tecnologia de tratamento de esgotos recente e bastante promissora, pois pode adequar-se a sistemas em bateladas sequenciais, reatores a membranas, e outros aeróbios com condições similares que permitem contenção e otimização de área. A tecnologia de granulação aeróbia pode representar uma alternativa para solucionar os problemas de má sedimentabilidade do lodo floculento e ainda estar relacionado à economia no investimento inicial por não requerer material suporte, além disso, o grânulo aeróbio apresenta uma gama de microrganismos em seu interior possibilitando remoção simultânea de matéria orgânica, nitrogênio e fósforo (MORGENTOTH et al., 1997). A rápida sedimentação, elevada retenção de biomassa e capacidade de resistir a elevadas cargas orgânicas podem ser elencados como aspectos importantes para o desenvolvimento de sistemas de tratamento mais compactos. Este trabalho busca mostrar que a formação de grânulos em reatores aeróbios é viável mesmo em sistemas tratando esgotos com baixa carga orgânica volumétrica e baixa relação carbono/nitrogênio (C/N). 2. MATERIAL E MÉTODOS Para a pesquisa foram montados dois reatores em bateladas sequenciais (RBS1 e RBS2) no Laboratório de Controle Ambiental (LCA) localizado nas instalações físicas do Instituto Federal de Educação, Ciência e Tecnologia do Ceará, Campus Limoeiro do Norte (IFCE-LN). A alimentação dos sistemas RBS1 e RBS2 para geração de lodo granular foi com esgoto proveniente das instalações sanitárias do IFCE, Campus Limoeiro do Norte. Destacase que esse tipo de efluente apesar de ter características similares a de esgotos domésticos, por se tratar do esgoto de uma instituição de ensino em que a população fixa é mínima, a contribuição não é proporcional entre material orgânico e amônia, sendo este último predominante, apresentando concentrações elevadas comparadas aos obtidos em literatura (VAN HAANDEL; MARAIS, 1999). Na Tabela 1 mostram-se os parâmetros analisados para obter os dados e eficiência e dados operacionais. 2

3 Tabela 1: Parâmetros de acompanhamento da eficiência dos RBS. Variáveis Métodos Analíticos Referência Temperatura ( o C) Eletrométrico APHA et al. (2012) *ph ( - ) Potenciométrico APHA et al. (2012) Sólidos Sedimentáveis (ml/l) Cone Imhoff APHA et al. (2012) *DQO (mg/l) Refluxação Fechada APHA e al. (2012) Amônia (mg/l) Semi- Micro-Kjeldahl APHA et al. (2012) Nitrato (mg/l) Espectrofotométrico APHA et al. (2012) Nitrito (mg/l) Espectrofotométrico APHA et al. (2012) *SST (mg/l) Gravimétrico APHA et al. (2012) *SSV (mg/l) Gravimétrico APHA et al. (2012) *SSF (mg/l) Gravimétrico APHA et al. (2012) Oxigênio Dissolvido (mg/l) Oximétrico APHA et al. (2012) *IVL (g/ml) Gravimétrico VON SPERLING (1996) *ph Potencial Hidrogeniônico; DQO Demanda Química de Oxigênio; SST Sólidos Suspensos Totais; SSV Sólidos Suspensos Voláteis; SSF Sólidos Suspensos Fixos; IVL Índice Volumétrico de Lodo. Não se utilizou inóculo para a partida dos sistemas, tendo sido necessários, aproximadamente 45 dias para o lodo encontrar-se relativamente adequado em termos de concentração de sólidos e com boa consistência granular (grânulos com diâmetro acima de 0,2 mm). Identificou-se esse período pela presença de sólidos em suspensão consideravelmente composto por lodo floculento de baixa sedimentação no efluente. Após, o estabelecimento do equilíbrio do sistema (estado estacionário) não se tinha mais esse tipo de ocorrência. Para a granulação do lodo existem táticas importantes que precisam ser identificadas e respeitadas na operação dos sistemas desde a etapa de partida. Dentre estas, (1) a relação altura/diâmetro (A/D), (2) os ciclos operacionais e (3) o tempo de sedimentação para seleção do lodo, além das características do esgoto afluente (4), são primordiais para a seleção de microrganismos agrupados em grânulos (MORGENTOTH et al., 1997). O sistema RBS1 foi montado em acrílico e operado sob as seguintes condições: temperatura média de 25ºC, volume útil de aproximadamente 3,7 litros e idade de lodo de 20 dias. A relação A/D era pouco menor que 3 (2,91). Sendo a altura de 0,35 m e o diâmetro de 0,12 m (Figura 1). A alimentação era manual com fluxo ascendente. Para a aeração usou-se um dispositivo no fundo do reator que 3

4 se responsabilizou pela difusão de oxigênio (pedra porosa de aquário) alimentado por um compressor de ar. Aerador Torneira de Descarte Figura 1: Sistema RBS1 montado com seus elementos suportes. O RBS2 foi montado com um tubo de poli cloreto de vinila (PVC) e também foi operado com temperatura média de 25ºC e idade de lodo de 20 dias. O volume útil era de aproximadamente 14 litros (Figura 2). A relação A/D era de 20 sendo um valor bem mais elevado que o do RBS1 justamente para se verificar se ocorreria granulação mesmo com relações mais baixas, ou seja, o RBS2 apresentava relação ideal de acordo com diversos autores enquanto que o RBS1 não tinha boas condições de granular na consideração exclusiva desse parâmetro (BASSIN et al., 2012). A alimentação era ascendente por meio de uma bomba que promovia o recalque do esgoto. Para a aeração usou-se um dispositivo no fundo do reator que distribuía de forma homogênea o oxigênio (pedra porosa de aquário) alimentado por um compressor de ar. Os ciclos dos sistemas foram controlados e divididos em quatro, sendo estes: três menores e um grande ciclo (noturno). Os ciclos eram iguais em relação às fases: alimentação, hidrólise, fase aeróbia, sedimentação, descarte. Os tempos de sedimentação, descarte, alimentação e hidrólise não diferiam entre os ciclos. Sendo o tempo de aeração o único fator variante onde nos ciclos pequenos essa aeração era de aproximadamente três horas e meia e no grande ciclo de sete horas e meia. O tempo adotado para sedimentação e consequente seleção do lodo granular foi de 2 minutos para o RBS1 (correspondendo a uma velocidade de sedimentação de biopartículas próxima a 12 m/h) e de 5 minutos para o RBS2 (correspondendo a uma velocidade de 4

5 sedimentação de biopartículas próxima a 25 m/h), tendo sido suficiente para selecionar as partículas mais densas e descartar parte do lodo filamentoso que crescia e não se aderia aos grânulos. Afluente e Bomba de Recalque Aerador Alimentação Ascendente Torneira de Descarte Figura 2: Sistema RBS2 montado com seus elementos suportes. Nota-se que com esta diferenciação no tempo de sedimentação também pôde ser testada, como parâmetro preliminar para a granulação de lodo aeróbio, a velocidade de sedimentação, pois esta interfere diretamente na qualidade mecânica do lodo quanto ao índice volumétrico de lodo (IVL). O descarte durava em média 4 minutos e a alimentação 15 minutos. Na hidrólise, o aerador era desligado por uma hora e logo se seguiam três horas e meia de aeração nos ciclos pequenos e sete horas e meia no ciclo grande. 3. RESULTADOS E DISCUSSÃO A partir da montagem e operação dos sistemas RBS1 e RBS2, após 45 dias de operação obteve-se lodo granular aeróbio apresentando grânulos de tamanhos irregulares, em que os maiores mediram mais de 5 mm. Os grânulos maiores mostraram-se pouco instáveis e de fácil desintegração ao sofrer cisalhamento, contudo mais estudos devem ser desenvolvidos 5

6 para se identificar como os ciclos operacionalizados intencionalmente para favorecimento da remoção de matéria orgânica, nitrogênio e fósforo podem melhorar a resistência e estabilidade dos grânulos (BASSIN et al., 2012). Na Figura 3 encontram-se um lodo floculento obtido de lodo ativado tradicional, primeiros grânulos obtidos e com 80% da composição de grânulos. Na Figura 4 mostra-se o lodo disposto em diferentes situações para melhor visualizá-lo. A B C Figura 3: (A) Lodo floculento; (B) primeiros grânulos obtidos; (C) grânulos maduros. A B C Figura 4: Lodo granular aeróbio formado em RBS. (A) grânulos em proveta de 1 litro; (B) grânulos no vidro de relógio; (C) lodo granular em cone Imhoff. Quanto à eficiência de remoção de matéria orgânica e nutrientes para os sistemas operados encontram-se os resultados na Tabela 2. Destaca-se que o afluente apresentava baixa carga orgânica volumétrica de 0,005 kg.m 3.d -1 para o RBS1 e de aproximadamente 0,016 kg.m 3.d -1 para o RBS2 e mesmo com as condições adversas houve plena evolução dos grânulos. O relato de pesquisadores que operaram sistemas similares tratando esgoto doméstico (que também tem baixa carga orgânica) não é definitivo quanto à granulação de lodo aeróbio, mas não é otimista, demonstrando pouco sucesso no desenvolvimento do processo em seus trabalhos (DEZOTTI et al., 2011). 6

7 Tabela 2: Parâmetros da eficiência dos RBS. Eficiência das Variáveis (Em geral médias de 6 determinações) DQO Afluente (mg/l) RBS1 (%) RBS2 (%) 329,5 71,8 62,5 Amônia Afluente (mg/l) RBS1 (%) RBS2 (%) 125,2 96,2 96,4 Nitrato Afluente (mg/l) RBS1 (mg/l) RBS2 (mg/l) < 1 < 6 < 4 Fósforo Total Afluente (mg/l) RBS1 (%) RBS2 (%) 12,4 43,6 Não houve remoção IVL Lodos Floculentos RBS1 RBS2 50 a 120 ml/g 52 ml/g 36 ml/g Vale ressaltar que os ciclos operacionais impostos não objetivaram a remoção de nutrientes, mas somente a granulação de lodo. Pesquisas futuras serão focadas em ajustes dos tempos de reação anaeróbia, aeróbia e anóxica, bem como o controle de oxigênio dissolvido para esse fim. CONCLUSÃO 1. O lodo granular aeróbio apresenta inúmeras vantagens quando se compara com o lodo floculento onde as características de sedimentação são melhores e maiores concentrações de biomassa (por ser mais compacta) podem ser conseguidas. O IVL dos sistemas operados foi menor que 50 ml/g, valor este definido para lodos floculentos como de excelente sedimentabilidade (VON SPERLING, 1996). 2. Não importando a relação A/D foram obtidos grânulos com diâmetros variando de 0,2 a 5 mm. Tendo, estes últimos, apresentado pouca resistência às forças de cisalhamento hidrodinâmico. O efeito da carga orgânica baixa não foi definitivo para ocorrência da granulação do lodo aeróbio. 7

8 3. O fator de pressão de seleção que pode ter influenciado de forma definitiva a predominância de grânulos nos sistemas operados é decorrente possivelmente do tempo de sedimentação dado no momento de partida do sistema. Após 45 dias de estabilização não se percebeu mais sólidos no efluente decorrente de biomassa floculenta e mais de 80% do lodo dos sistemas eram em forma de grânulos após esse período. 4. Assim sugerem-se ajustes nos tempos das fases anaeróbia/aeróbia/anóxica em cada ciclo operacional para permitir a remoção simultânea de compostos orgânicos e nutrientes, pois essa influência pode melhorar a qualidade dos grânulos, bem como incorporar mais vantagens aos sistemas. AGRADECIMENTOS Ao Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico (CNPq) pela concessão de bolsas PIBIC em parceria com o IFCE e ao Laboratório de Controle Ambiental (LCA). REFERÊNCIAS APHA. Standard methods for the examination of water and wastewater. 22ª. ed. Washington: American Public Health Association BASSIN, J. P., KLEEREBEZEM R., DEZOTTI M., VAN LOOSDRECHT M. C. M. Simultaneous nitrogen and phosphate removal in aerobic granular sludge reactors operated at different temperatures. Water Resoursh DEZOTTI, M., SANT ANNA JR., G. L., BASSIN, J. P. Processos biológicos avançados para tratamento de efluentes e técnicas de biologia molecular para o estudo da diversidade microbiana. Rio de Janeiro RJ: Interciência, VAN HAANDEL, A; MARAIS, G. O Comportamento do Sistema de Lodo Ativado: Teoria e Aplicações para Projetos e Operações. Campina Grande: Epgraf, VON SPERLING, M. Princípios Básicos do Tratamento de Esgotos. Belo Horizonte: Departamento de Engenharia Sanitária e Ambiental; Universidade Federal de Minas Gerais, MORGENTOTH, E.; SHERDEN, T.I.; VAN LOOSDRECHT, M.C.M; HEIJEN, J.J; WILDERER, P. A. Areobic Granular Sludge in a Sequencing Batch Reactor. Water Research - v.31,