I LODO ATIVADO SEQUENCIAL PARA TRATAMENTO DE DESPEJOS DE INDÚSTRIAS DE REFRIGERANTES

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1 I-57 - LODO ATIVADO SEQUENCIAL PARA TRATAMENTO DE DESPEJOS DE INDÚSTRIAS DE REFRIGERANTES Claudiane de Abreu Wiedmer Temps (1) Engenheira Química pela Universidade Federal do Paraná (UFPR). Mestranda em Tecnologia Química pela Universidade Federal do Paraná. Urivald Pawlowsky Engenheiro Químico pela Universidade Federal do Paraná. Mestre em Ciência pela COPPE. Doutor em Ciência (Ph.D.) pela State University of New York. Professor titular Doutor de Engenharia Ambiental da Universidade Federal do Paraná. Consultor da OMS/OPS desde Endereço (1) : Av. República Argentina, apto Água Verde - Curitiba - PR - CEP: Brasil - Tel: (41) cwiedmer@engquim.ufpr.br RESUMO A indústria de refrigerantes no Brasil é representada por algumas grandes companhias fabricadoras, mas há um grande número de empresas pequenas. O processo de fabricação é relativamente simples e barato, sendo que o tratamento dos efluentes gerados representa uma boa parte dos custos finais. Por este motivo, muitas fabricadoras pequenas acabam por não adotar qualquer sistema de tratamento, sendo os efluentes lançados diretamente ao corpo receptor ou à rede de esgotos. Para este caso, uma boa alternativa a ser aplicada seria a introdução de um sistema de tratamento que fosse barato e de fácil manutenção, e que diminuísse os custos de energia. Uma das soluções para o problema é a adoção de um sistema de lodos ativados em batelada. O objetivo geral deste trabalho é verificar a tratabilidade de efluentes gerados na industrialização de refrigerantes por meio do sistema de lodo ativado seqüencial, analisando a eficiência do processo em termos de redução de demanda química de oxigênio (DQO) e de sólidos suspensos (SS). Para atingir os objetivos foi montada uma unidade de tratamento de efluentes de lodos ativados em batelada em escala de bancada, com um reator de 12 L de capacidade provido de aeração por difusor. Foram estabelecidas quatro relações F/M (mg DQO/mg SSV.d) para avaliar o desempenho do sistema:,5;,1;,12 e,15 d -1. Para cada relação foram obtidos os valores de DQO e DBO de entrada e de saída do tratamento, concentração de sólidos suspensos e sólidos suspensos voláteis do reator e do efluente tratado, concentração de nitrogênio e fósforo do efluente bruto, além de se fazer análise microscópica diária do lodo do reator, para verificar os tipos de microrganismos presentes e a forma dos flocos. Os estudos realizados mostraram que o sistema proposto proporciona uma boa eficiência de remoção de matéria orgânica, sendo que os parâmetros físico-químicos do efluente final atenderam às especificações da legislação estadual. PALAVRAS-CHAVE: Lodo Ativado Seqüencial, Tratabilidade de Efluentes, Indústria de Refrigerantes. INTRODUÇÃO O tratamento de efluentes por lodos ativados em batelada tem sido exaustivamente estudado pela comunidade científica e implantado por indústrias interessadas em beneficiar-se com as suas vantagens: flexibilidade operacional (pode-se programar o horário de desligamento dos equipamentos de aeração, para diminuir o custo de energia), economia de espaço (todas as operações reação, decantação são realizadas em um único tanque), boa estratégia para indústrias com produção sazonal ou descontínua durante o dia (não opera em todos os turnos), fornece um efluente de boa qualidade e um alto grau de eficiência de remoção de matéria orgânica. Para o caso das indústrias alimentícias de modo geral, este sistema traz muitas vantagens, já que há um grande número de indústrias de pequeno e médio portes, que têm uma produção relativamente pequena e que geralmente não teriam recursos para aplicar em unidades de tratamento caras e de difícil controle. O tratamento por lodos ativados seqüencial pode ser totalmente automatizado, facilitando grandemente a sua operação. ABES - Associação Brasileira de Engenharia Sanitária e Ambiental 1

2 Para o estudo foi escolhida a indústria de refrigerantes, que representa bem o caso das indústrias alimentícias, com demanda sazonal (nos períodos de maiores temperaturas, a demanda é maior) e produção descontínua (1 ou 2 turnos por dia). O princípio do processo de lodos ativados com operação intermitente consiste na incorporação de todas as unidades de processos e operações normalmente associadas ao tratamento convencional de lodos ativados, quais sejam, decantação primária, oxidação biológica e decantação secundária, em um único tanque. Utilizando um tanque único, esses processos e operações passam a ser simplesmente seqüências no tempo, e não unidades separadas como ocorre nos processos convencionais de fluxo contínuo. O processo de lodos ativados com fluxo intermitente pode ser utilizado também na modalidade de aeração prolongada, quando o tanque único passa a incorporar a unidade de digestão de lodo. O processo consiste de um reator de mistura completa onde ocorrem todas as etapas de tratamento. Isso é conseguido através do estabelecimento de ciclos de operação com durações definidas. A massa biológica permanece no reator durante todos os ciclos, eliminando desta forma a necessidade de decantadores separados das elevatórias de recirculação de lodo. Etapas de tratamento: 1. Enchimento (entrada de esgoto bruto ou decantado no reator) 2. Reação (aeração/mistura da massa líquida contida no reator) 3. Sedimentação (sedimentação e separação dos sólidos em suspensão do esgoto tratado) 4. Esvaziamento (retirada do esgoto tratado do reator) 5. Repouso (ajuste de ciclos e remoção do lodo excedente) A duração usual de cada ciclo pode ser alterada em função das variações da vazão afluente, das necessidades do tratamento e das características do esgoto e da biomassa no sistema. O descarte do lodo excedente geralmente ocorre durante o último ciclo (repouso), mas como este é opcional, já que sua finalidade é a de permitir o ajuste entre os ciclos de operação de cada reator, o descarte pode se dar em outras fases do processo. A quantidade e a freqüência de descarte de lodo são estabelecidas em função dos requisitos da performance, da mesma forma que nos processos convencionais de fluxo contínuo. Os ciclos normais de tratamento são ilustrados na figura 1. Figura 1: Ciclos do processo de operação intermitente ETAPA DO CICLO AERAÇÃO ENCHIMENTO ligada / desligada REAÇÃO ligada SEDIMENTAÇÃO desligada RETIRADA DO desligada SOBRENADANTE REPOUSO ligada / desligada ABES - Associação Brasileira de Engenharia Sanitária e Ambiental 2

3 MATERIAIS E MÉTODOS A unidade experimental foi montada no Laboratório de Efluentes Líquidos do Instituto Ambiental do Paraná, sendo todas as análises realizadas no Laboratório de Físico-Química da referida instituição. O efluente bruto era coletado semanalmente em uma indústria de refrigerantes da cidade de Curitiba, sendo armazenado sob refrigeração (4 C) até o momento do uso. Era coletado apenas o efluente proveniente das operações industriais, sendo que o esgoto doméstico era conduzido por outra tubulação até o sistema de tratamento da indústria. Como inóculo do tratamento foi utilizado o lodo do tanque de aeração do sistema de lodos ativados do Instituto Ambiental do Paraná, sendo então aclimatado com o despejo da indústria de refrigerantes, até apresentar boas características de sedimentabilidade e microbiológicas, para só então começar a coleta dos dados. O sistema de tratamento de efluentes em escala de bancada era constituído de um reator de acrílico de 12 L, sendo 8 L o volume útil, mantido a 25º C ± 2º C por um banho termostatizado. O ar era provido ao sistema por meio de um compressor de ar da marca Schultz, sendo introduzido no sistema por um difusor de pedra porosa. Antes de ser introduzido no sistema, o ar era filtrado em algodão e umidificado. As análises microscópicas foram realizadas num microscópio ótico da marca Wild-Heerbrugg, com aumentos de 1 e 4 vezes. A duração do ciclo de operações foi fixado em 24 h, com alimentação instantânea (batelada). Os aeradores ficavam ligados durante 22 horas para que ocorresse a reação de consumo de substrato pelos microorganismos. Depois deste período, os aeradores eram desligados por 1 h, período durante o qual ocorria a sedimentação do lodo para em seguida proceder-se a drenagem do sobrenadante (efluente tratado). Mais uma hora era reservada para o período de repouso do lodo, sendo então novamente feita a alimentação. O parâmetro fixado para o estudo foi a carga orgânica aplicada ao sistema, ou F/M (relação alimento/biomassa). Os testes foram conduzidos com os valores de F/M de,5;,1;,12 e,15 d -1. O objetivo inicial era de trabalhar com valores maiores de carga orgânica, mas ao chegar em,2 d -1 o lodo tornou-se intumescido, tendo sido observada a filamentação do lodo através do microscópio. Por duas vezes ocorreu este fato, sendo então limitado o estudo a relações F/M menores, para contornar o problema. Alguns autores afirmam que a presença de grande quantidade de carboidratos no efluente pode facilitar a filamentação. Para cada relação, foram obtidos os valores de DQO e DBO 5 de entrada e saída do tratamento, concentração de sólidos suspensos e sólidos suspensos voláteis do lodo no reator e do efluente tratado, concentração de nitrogênio e fósforo do despejo a ser tratado, além de análise microscópica do lodo no reator, de ph e análise de sedimentação do lodo (IVL). No reator eram diariamente controlados o ph, o oxigênio dissolvido e a temperatura, além de um acompanhamento da população microbiana através do microscópio. A dosagem de nutrientes era feita no despejo a ser alimentado ao sistema, seguindo a relação DBO : N : P de 1 : 5 : 1, de acordo com Metcalf & Eddy. Como nutrientes foram usadas soluções de cloreto de amônio,1 N e fosfato de sódio monobásico,1 N. O ph do despejo também era verificado antes da alimentação, sendo corrigido com solução de ácido sulfúrico 6 N, uma vez que o despejo possuía alcalinidade elevada. RESULTADOS Os resultados das análises semanais realizadas no efluente bruto coletado na indústria estão resumidos na tabela 1, com as mé e os desvios-padrão. Tabela 1: Características mé do efluente bruto. ph 11 ±,7 Fósforo (mg/l) 4,94 ±3,3 Nitrogênio Kjeldahl (mg/l) 4,17 ± 1,37 DQO (mg/l) 777 ± 174 DBO 5 (mg/l) 446 ± 199 Sólidos Suspensos Totais (mg/l) 97 ± 38 Sólidos Suspensos Voláteis (mg/l) 31 ± 28 ABES - Associação Brasileira de Engenharia Sanitária e Ambiental 3

4 O oxigênio dissolvido no reator variou de 5 a 6 mg/l, estando de acordo com a concentração recomendada para tratamentos biológicos, que é superior a 2 mg/l. O ph no reator variou de 6,5 a 7,6, estando dentro da faixa ideal indicada para os processos biológicos. O ph do efluente final variou entre 6,6 e 8, sendo que a legislação determina valores de ph entre 5 e 9 para efluentes lançados aos corpo receptor. As concentrações de matéria orgânica medidas em termos de DQO do efluente tratado estão demonstradas na figura 2. Para cada F/M adotado, foram acompanhados no mínimo durante oito de tratamento, tendo sempre um período de adaptação de 5 entre uma taxa (F/M) e outra. Figura 2: Eficiência de remoção de matéria orgânica (em termos de DQO). 1 eficiência de remoção (%) F/M =,5 d-1 F/M =,1 d-1 F/M =,12 d-1 F/M =,15 d-1 7 Analisando a figura 2, observa-se que nos primeiros considerados a eficiência de remoção ainda não apresenta valores muito altos, principalmente para a relação F/M de,1 d -1, ocorrendo um aumento na eficiência após 3, tornando-se então constante. No final de dez, a eficiência observada em média é de 95%. A eficiência média de redução de DQO para cada F/M é: 94,2% para F/M de,5 d -1 ; eficiência de 89,3% para F/M de,1 d -1 ; eficiência de 92% para F/M de,12 d -1 e eficiência de 92,2% para F/M de,15 d -1. Nestes valores médios estão incluídos os valores dos primeiros considerados, apresentando mesmo assim altas eficiências de remoção de matéria orgânica. A figura 3 mostra os valores de DQO do efluente final do processo. Figura 3: Concentração de matéria orgânica do efluente tratado (em termos de DQO). 18 DQO final (mg/l) F/M =,5 d-1 F/M =,1 d-1 F/M =,12 d-1 F/M =,15 d-1 2 ABES - Associação Brasileira de Engenharia Sanitária e Ambiental 4

5 A legislação estadual estabelece que o valor máximo de DQO permitido para lançamento em corpos receptores seja de 125 mg/l. Observando a figura 3 nota-se que o tratamento, após o período de adaptação, atende perfeitamente ao valor permitido, para os quatro casos estudados. Os sólidos suspensos totais e voláteis no reator eram avaliados quanto à concentração, sendo amostrados 14 h após o início do ciclo (enchimento). Os valores dos sólidos suspensos voláteis estão apresentados na figura 4. Figura 4: Concentração de sólidos suspensos voláteis durante a fase de reação SSV reator (mg/l) É recomendada a faixa de concentração de SSV de 15 a 35 mg/l, sendo que o sistema de tratamento estudado apresenta valores abaixo do limite mínimo recomendado, principalmente para o valor de F/M de,5 d -1. Mesmo com a adição de maior quantidade de lodo introduzida no sistema durante o período de aclimatação, os valores tendiam a estas concentrações mais baixas. A figura 5 apresenta os valores de concentração de sólidos suspensos no efluente final, sendo o valor médio de 48 mg /L para F/M igual a,5 d -1 ; 13 mg/l para F/M de,1 d -1 ; 63 mg/l para F/M de,12 d -1 ; e 54 mg/l para F/M de,15 d -1. Figura 5: Concentração de sólidos suspensos (totais) no efluente tratado. 3 SS efluente final (mg/l) Diariamente era feito o teste de sedimentação, em proveta de 1 ml, deixando o lodo decantar durante 3 minutos. A partir dos valores observados, foi calculado o Índice Volumétrico de Lodo, para avaliar a sedimentabilidade do lodo. Os resultados estão representados na figura 6. ABES - Associação Brasileira de Engenharia Sanitária e Ambiental 5

6 Figura 6: Índice Volumétrico de Lodo. 6 IVL O IVL é um parâmetro que avalia a sedimentabilidade do lodo, e valores entre e 5 indicam que a sedimentabilidade é ótima, tendo sido verificadas em todas as taxas (F/M) utilizadas valores abaixo de 5 (figura 6). A análise microscópica indicou que os flocos compactos, o que facilitava a sedimentação, e foi observada a presença de microrganismos que indicam boa remoção de matéria orgânica, como pedunculados e rotíferos, além de muitos ciliados. As duas análises, de IVL e microscópica, complementaram-se, indicando uma ótima sedimentabilidade do lodo gerado. Para cada F/M adotado, foram feitos testes para acompanhar a remoção de DQO ao longo das horas, para determinar qual seria o período ideal para que a remoção de matéria orgânica se completasse, visto que o ciclo estudado de 24 h foi adotado pelas dificuldades de operação decorrentes de um ciclo menor, visto que o sistema montado não possuía automatização. Após 7 h notou-se que não havia mais redução da DQO, tendo sido monitorado o sistema até este período de tempo. Os resultados desses testes são demonstrados na figura 7. Figura 7: Variação da concentração de matéria orgânica no ciclo. 2 DQO (mg/l) horas Pode-se observar que após 4 h a DQO do efluente tratado já encontra-se constante, o que indica que a biomassa já consumiu todo o substrato alimentado (efluente bruto), podendo a duração do ciclo ser diminuída para este período (4 h). Deste modo, o volume do reator é reduzido em relação ao ciclo de 24 h estudado. ABES - Associação Brasileira de Engenharia Sanitária e Ambiental 6

7 CONCLUSÕES O tratamento de despejos de indústrias de refrigerantes utilizando o lodo ativado seqüencial mostrou-se eficiente quanto à remoção de matéria orgânica, atendendo às exigências da legislação estadual quanto às características do efluente tratado, para as cargas orgânicas aplicadas (F/M) de,5 a,15 d -1. Valores menores que 125 mg/l (valor máximo permitido para indústrias de refrigerantes) foram atingidos. O efluente estudado mostrou facilidade em filamentar para F/M maiores que,2 d -1, provavelmente devido à grande quantidade de carboidratos facilmente degradáveis em sua composição, sendo este o motivo por limitar as cargas orgânicas aplicadas neste trabalho. O teor médio de sólidos suspensos voláteis no reator foi de 137 mg/l para F/M de,5; 182 mg/l para F/M de,1; 171 mg/l para F/M de,12 e de 126 mg/l para F/M de,15. Durante o período de aclimatação tentou-se aumentar estes valores com adição de mais lodo, mas a concentração tendia sempre a estes valores mais baixo, indicando uma tendência do sistema que foi aceita para o trabalho. O lodo presente no reator apresentou ótima sedimentabilidade, indicada tanto pelos valores do IVL abaixo de 5 quanto pelo aspecto compacto do floco observado no microscópio óptico e presença de pedunculados e rotíferos. A excelente sedimentabilidade permitiu que o efluente final tivesse aspecto límpido, com poucos sólidos. O ciclo de 24 h utilizado neste trabalho mostrou-se muito longo, uma vez que os testes realizados de acompanhamento da remoção de DQO indicaram que um ciclo mais curto (por exemplo, de 4 h) já seria eficiente, considerando as condições adotadas neste trabalho. O lodo ativado em batelada seqüencial tem inúmeras aplicações, mas deve ser feito um estudo em pequena escala como este para cada tipo de despejo, uma vez que o comportamento do sistema pode variar em função da natureza dos efluentes de cada indústria. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS 1. ASSOCIATION OF OFFICIAL CHEMISTS. Official methods os analysis. Washington KETCHUM, L.H. Jr. Design and physical features of sequencing batch reactors. Water Science and tecnhology. Vol.1. p METCALF & EDDY INC. Wastewater Engineering: treatment, disposal, Reuse. 3 ed. McGraw Hill STANDARD METHODS FOR THE EXAMINATION OF WATER AND WASTEWATER. 15 ed. Am. Publ. Halth Assm VON SPERLING, M. Lodos Ativados. Vol. 4. Belo Horizonte ABES - Associação Brasileira de Engenharia Sanitária e Ambiental 7