Desempenho de um reator uasb utilizado para tratamento de esgotos e digestão de lodo aeróbio produzido em um filtro biológico percolador

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1 Desempenho de um reator uasb utilizado para tratamento de esgotos e digestão de lodo aeróbio produzido em um filtro biológico percolador P. P. Pontes (1), C. A L. Chernicharo (2), E. C. Frade (3) & M. T. R. Porto (3) (1) Centro Federal de Educação Tecnológica de Minas, Brasil, Coordenação de Química, Av. Amazonas Belo Horizonte Brasil, (2) Universidade Federal de Minas Gerais, Departamento de Engenharia Sanitária e Ambiental, Av. do Contorno O andar Belo Horizonte Brasil, (3) Universidade Federal de Minas Gerais, Departamento de Engenharia Sanitária e Ambiental, Av. do Contorno O andar Belo Horizonte Brasil, Abstract This work aimed at evaluating the influence of return sludge produced in a trickling filter (TF) on the performance of an UASB reactor used for the combined treatment of domestic sewage and aerobic sludge. During phase 1 of the research, the UASB reactor/tf system was fed with domestic sewage pumped directly from the interceptor of Arrudas stream, in Belo Horizonte City - Brazil. During phase 2, besides feeding the reactor with domestic sewage, the UASB reactor was also fed with the excess aerobic sludge produced in the trickling filter. The UASB reactor, with a volume of 42 litres, was operated with a mean hydraulic retention time of 5.6 hours in both operational phases. After 133 days of continuous monitoring, it was not observed any detrimental effect on the performance of the UASB reactor related to the return of the aerobic sludge produced in the TF. On the contrary, the COD results indicated a higher percentage of compliance with the discharge standards set by the Brazilian environmental legislation. During phase 2, when the UASB reactor was used for combined treatment of domestic sewage and return aerobic sludge from the TF, the anaerobic effluent presented mean concentrations of 18 mgtss.l -1, 57 mgbod.l -1 and 18 mgcod.l -1. Resumo O presente trabalho buscou avaliar a influência do retorno do lodo produzido em um filtro biológico percolador (FBP), sobre o desempenho de um reator UASB utilizado para o tratamento combinado de esgotos sanitários e de lodo aeróbio. Durante a primeira fase da pesquisa, o sistema reator UASB/FBP foi alimentado com esgoto sanitário, bombeado diretamente do interceptor do ribeirão Arrudas, em Belo Horizonte Brasil. Durante a segunda fase, além da alimentação com o esgoto doméstico, realizou-se o retorno de lodo do FBP para o reator UASB. O reator UASB possuía volume de 42 litros, sendo operado com tempo de detenção hidráulica médio de 5,6 horas nas duas fases operacionais. Após 133 dias de monitoramento contínuo, não foi observado qualquer efeito adverso no desempenho do reator UASB, em função do retorno do lodo aeróbio produzido no FBP. Ao contrário, os resultados de DQO indicaram um maior percentual de atendimento aos padrões de lançamento estabelecidos pela legislação ambiental. Durante a segunda fase da pesquisa, quando o reator UASB foi operado para tratamento conjunto dos esgotos brutos e do lodo aeróbio de retorno do FBP, o efluente anaeróbio apresentou concentrações médias de 18 mgsst.l -1, 57 mgdbo.l -1 e 18 mgdqo.l -1. Palavras-chave: Esgoto sanitário, digestão anaeróbia, digestão de lodo aeróbio, filtro biológico percolador, reator UASB Introdução A combinação do processo de tratamento anaeróbio de águas residuárias e da digestão do lodo de descarte de unidades aeróbias, utilizadas para o pós-tratamento do efluente anaeróbio, por exemplo através da combinação de reatores UASB e de filtros biológicos percoladores - FBP, pode conferir grande viabilidade econômica ao sistema de tratamento. O uso desse sistema de 389

2 tratamento tem como grande vantagem a minimização da produção de lodo, reduzida apenas ao reator UASB, que passa a operar, também, como digestor anaeróbio do lodo de descarte do FBP, sendo produzido um lodo já estabilizado e de elevada concentração. A possibilidade de retorno de lodo de descarte para o reator UASB foi originalmente proposta por Souza & Foresti (1996) e van Haandel & Lettinga (1994) e testada por Gonçalves et al. (1999), que estudaram a associação de reatores UASB e biofiltros aerados submersos para o tratamento de esgotos domésticos, em substituição a estações de tratamento de esgotos convencionais. Os resultados obtidos por Gonçalves et al. (1999) indicaram a capacidade desse tipo de sistema de produzir um efluente de ótima qualidade. O presente trabalho investiga a influência do retorno de lodo de um FBP sobre o processo de digestão anaeróbia em um reator UASB. Dessa maneira, pretende-se obter maiores conhecimentos sobre uma tecnologia de baixo custo, compacta e adequada para as condições em países de clima quente. Material e métodos Características da planta piloto O sistema de tratamento consistiu de um reator UASB, em escala piloto, com volume de 42 litros, seguido de um filtro biológico percolador (FBP), utilizado para o pós-tratamento do efluente anaeróbio. O sistema reator UASB/FBP foi alimentado com esgoto doméstico retirado diretamente do interceptor da margem direita do ribeirão Arrudas, na cidade de Belo Horizonte - Brasil. Os esgotos passavam pelas unidades de tratamento preliminar (cesto perfurado e caixa de areia) e por um tanque de acumulação/distribuição, localizados a montante do reator UASB. O sistema possuía automação, controlada por um software próprio, que permitia a operação da planta em regime hidráulico transiente, gerando um hidrograma típico de vazões que simulava as variações horárias de vazão. A configuração do sistema de tratamento é apresentada na Figura 1 e suas características na Tabela 1. A figura 2 mostra uma vista do sistema de tratamento em escala piloto. Tabela 1 - Características do sistema em escala piloto Reator Característica Filtro Biológico Percolador UASB Compartimento de Compartimento de reação decantação Material Acrílico Polipropileno Polipropileno Diâmetro (m),3,3,3 Altura total (m) 4,2 2, 1,5 Volume útil (L) Área superficial (m 2 ),71,71,71 39

3 efluente tratado 1 afluente esgoto bruto Interceptor/elevatória esgoto (bomba submersível) 2 Tratamento preliminar (cesto coletor, desarenador, calha Parshall, cx distribuição) 3 Bomba peristáltica 4 Reator UASB 5 Pontos de amostragem de lodo 6 Cx de passagem com agitador magnético 7 Filtro Biológico Percolador 8 Decantador externo Sentido de fluxo Retorno de lodo Figura 1 - Fluxograma do aparato experimental FBP Reator UASB Decantador Fases operacionais Figura 2 Vista do sistema Reator UASB/FBP A pesquisa foi realizada em duas fases, quando a planta em escala piloto operou com duas configurações distintas. A primeira, sem a realização do retorno de lodo do FBP para o reator UASB, teve duração de 43 dias. Na segunda configuração, com duração de 133 dias, foi implantada uma linha de recirculação de lodo, do FBP para o reator UASB, que consistia de um sistema de bombeamento semi-contínuo, operado durante 8 segundos, a cada uma hora, com uma vazão de,5 L.h -1, equivalente a,7% da vazão de esgoto bruto introduzida no reator UASB (74 L.h -1 ). A Tabela 2 apresenta as características operacionais da planta piloto. 391

4 Tabela 2 - Características operacionais da planta piloto Reator UASB FBP Fase θ h VA Carga orgânica volumétrica Altura MS TAS (h) (m.h -1 ) (kgdbo.m -3.d -1 ) (kgdqo.m -3.d -1 ) m (m³.m -2.d -1 ) 1 5,6 1,5 1,4 2,3 1,9 25,1 2 5,6 1,5,9 1,9 1,9 25,1 θ h : tempo de detenção hidráulica médio - VA: velocidade ascensional média TAS: taxa de aplicação superficial média - MS: meio suporte Monitoramento da planta piloto Durante o monitoramento das unidades piloto, foram realizadas amostragens compostas do esgoto bruto, do efluente do reator UASB e do efluente final do decantador secundário do FBP, sendo as análises desenvolvidas segundo o Standard Methods for the Examination of Water and Wastewater (AWWA/APHA/WEF, 1998). Os parâmetros de matéria orgânica específica foram realizados de acordo com as seguintes metodologias: carboidratos, de acordo com Dubois et al. (1956); proteínas, segundo o método Kjeldahl (AWWA/APHA/WEF, 1998); e lipídios, de acordo com o método da sulfofosfovanilina (Postma & Stroes, 1968). Foram realizadas, ainda, amostragens do lodo, em diferentes alturas do reator UASB (25, 125 e 175 cm de altura), e a caracterização dessas amostras em termos de sólidos totais e voláteis, índice volumétrico do lodo, distribuição granulométrica (Laguna et al, 1999) e atividade metanogênica especifica. Resultados e discussão Matéria orgânica carbonácea e sólidos suspensos Os resultados médios das concentrações de DQO, DBO e SST e das eficiências médias de remoção são apresentados na Tabela 3, enquanto os diagramas de Box-Whisker, mostrados nas Figuras 3 a 5, representam as variações dos resultados das concentrações do afluente (1), do efluente do reator UASB (2) e do efluente de FBP (3). Fase 1 2 Parâmetro Lodo do FBP Tabela 3 - Resumo dos resultados médios Concentrações Eficiências de remoção (%) Esgoto Afluente Efluente Efluente Reator FBP Sistema Bruto UASB * UASB FBP UASB UASB/ FBP ph - 6,5 ±,2-6,5 ±,6 7,1 ±, Temp. ( o C ) - 26,1 ± 1,6-25,9 ± 1,3 26,1 ± 1, DQO (mg.l -1 ) ± ± ± DBO(mg.L -1 ) ± ± ± SST (mg.l -1 ) ± ± ± ph - 6,9 ±,3-6,8 ±,3 7,5 ±, Temp. ( o C) - 26,4 ± 2,3-26,1 ± 2,3 26,8 ± 2, DQO (mg.l -1 ) 11 ± ± ± ± ± DBO (mg.l -1 ) 759 ± ± ± ± ± SST (mg.l -1 ) 944 ± ± ± ± ± * Afluente UASB: Lodo + Esgoto bruto Os resultados mostram que o retorno do lodo aeróbio excedente, produzido no FBP, parece não ter influenciado negativamente o funcionamento do reator UASB, uma vez que houve, inclusive, 392

5 um aumento na eficiência de remoção de DQO durante a fase 2 da pesquisa (de 7%, na fase 1, para 75%, na fase 2 - ver Tabela 3). Em relação à DBO, não foi observada a mesma tendência, tendo ocorrido uma queda de eficiência de remoção no reator UASB, de 81% para 73%, entre as fases 1 e 2, respectivamente. Apesar da queda de eficiência de remoção de DBO, o sistema reator UASB/FBP foi capaz de manter as eficiências globais de remoção de DQO e de DBO em níveis muito próximos, sendo que a qualidade final do efluente foi melhor durante a fase 2, em termos de SST, DBO e de DQO (Tabela 3). DQO(mg/L) Fase 1 Fase Figura 3 Diagrama de Box- Whisker para a DQO DBO(mg/L) Fase 1 Fase Figura 4 Diagrama de Box- Whisker para a DBO SST(mg/L) Fase 1 Fase Figura 5 Diagrama de Box- Whisker para SST Especificamente em relação ao reator UASB, as concentrações médias do efluente, durante a fase 1, foram de 37 mgsst.l -1, 68 mgdbo.l -1 e 16 mgdqo.l -1, enquanto na fase 2 foram obtidas concentrações mais baixas, com valores médios de 18 mgsst.l -1, 57 mgdbo.l -1 e 18 mgdqo.l -1. As menores concentrações de DBO e de DQO do esgoto bruto, durante a fase 2, contribuíram para a melhor qualidade do efluente do reator UASB nesta fase. Todavia, deve-se destacar que o retorno do lodo excedente do FBP, para o reator UASB, durante a fase 2, além de não ter contribuído significativamente para o aumento das concentrações de DQO, DBO e SST no afluente (Tabela 3), não influenciou a performance geral do reator UASB, conforme nos itens seguintes em relação a outros parâmetros. Matéria orgânica específica (carboidratos, proteínas e lipídios) As concentrações médias de matéria orgânica específica afluentes ao reator UASB foram de 76 mg.l -1 de carboidratos, 145 mg.l -1 de proteínas e 18 mg.l -1 de lipídios, durante a fase 1, e 58 mg.l -1 de carboidratos, 88 mg.l -1 de proteínas e 9 mg.l -1 de lipídios, durante a fase 2. As eficiências médias de remoção, no reator UASB, em termos de carboidratos, foram de 78 e 83%, durante as fases 1 e 2, respectivamente, enquanto para lipídios foi de 69 %, durante a fase 1 e 62%, durante a fase 2. As eficiências médias de remoção de proteínas foram muito baixas e se mantiveram praticamente inalteradas durante as duas fases ( 28% e 27%, durante as fase 1 e 2, respectivamente). Se por um lado o reator UASB apresentou uma menor eficiência de remoção de lipídios durante a fase 2, por outro, apresentou melhor eficiência de remoção de carboidratos nesta fase. Em termos gerais, as eficiências globais do sistema UASB/FBP foram praticamente as mesmas durante as duas fases, com valores médios em torno de 86% para carboidratos, 83% para lipídios e 47% para proteínas. As concentrações médias de carboidratos no efluente final do sistema de tratamento (efluente do FBP) foram de 11 e 8 mg.l -1, nas fases 1 e 2, respectivamente. Em termos de proteínas, as concentrações médias no efluente final ainda foram relativamente elevadas, com valores de 78 e 44 mg.l -1, para as fases 1 e 2, respectivamente. Já as concentrações de lipídios foram muito baixas em ambas as fases, com valores médios de 3 mg.l - 1 para a fase 1 e de 2 mg.l -1 para a fase

6 Estabilidade do sistema de tratamento e atendimento aos padrões de lançamento A fim de se avaliar a estabilidade do sistema e o grau de atendimento aos padrões de lançamento, foi procedida uma análise estatística do percentual de resultados que se enquadraram aos padrões estabelecidos pela legislação ambiental do estado de Minas Gerais, conforme mostrado nas Figuras 6 a 8 (fase 1) e 9 a 11 (fase 2). DQO (mg/l) Efl. UASB Padrão-9mg/L Efl. FB Figura 6 - Distribuição percentual dos resultados de DQO - Fase 1 DBO (mg/l) Efl. UASB Padrão-6mg/L Efl. FB Figura 7 - Distribuição percentual dos resultados de DBO - Fase 1 SST (mg/l) Efl. UASB Padrão-6mg/L Efl. FB Figura 8 - Distribuição percentual dos resultados de SST - Fase 1 DQO (mg/l) Ef. UASB Padrão=9mg/L Ef.FB DBO (mg/l) Ef. UASB Padrão=6mg/L Ef.FB SST (mg/l) Ef. UASB Padrão=6mg/L Ef.FB Figura 9 - Distribuição percentual dos resultados de DBO - Fase 2 Figura 1 - Distribuição percentual dos resultados de DBO - Fase 2 Figura 11 - Distribuição percentual dos resultados de SST - Fase 2 Observa-se que, durante a fase 1, apenas cerca de 3% dos resultados de DQO estiveram abaixo do padrão de lançamento de 9 mgdqo.l -1, enquanto aproximadamente 6% desses resultados estiveram muito próximos do valor máximo permitido. Já na fase 2, houve um elevado incremento do percentual de resultados que atenderam a legislação ambiental, com cerca de 75% dos resultados permaneceram abaixo de 9 mgdqo.l -1. No entanto, embora o percentual de atendimento ao padrão estabelecido pela legislação ambiental tenha melhorado, observa-se uma maior variação na concentração do efluente produzido, com uma diminuição da estabilidade do sistema. Em relação ao parâmetro DBO, a totalidade dos resultados atendeu ao padrão de lançamento de 6 mg.l -1, nas duas fases da pesquisa. Novamente, pôde-se observar uma maior estabilidade na fase 1, quando 1% dos resultados de DBO no efluente do reator UASB permaneceram abaixo de 4 mg. L -1. Para o parâmetro SST, as concentrações finais do FBP foram mantidas abaixo de 6 mg.l -1, durante quase todo o período operacional. Observa-se que os valores obtidos no efluente do reator FBP foram bastante reduzidos, em ambas as fases. Durante a fase 1, 1% dos resultados obtidos para o efluente do reator FBP permaneceram abaixo de 4mg.L -1, enquanto na fase 2 cerca de 9% dos resultados permaneceram abaixo desse valor. O filtro biológico percolador foi responsável pelo atendimento ao padrão de lançamento, promovendo uma remoção adicional de sólidos suspensos, durante a fase 1. Durante a fase 2, o teor médio de sólidos do efluente do reator UASB foi muito baixo (18 mg.l -1 ) e o filtro biológico percolador contribuiu minimamente para a diminuição desse valor. 394

7 Caracterização da biomassa do reator UASB Durante a fase 2, todo o lodo produzido no FBP foi retornado ao reator UASB, para adensamento e estabilização, de onde foi realizado o descarte de todo o lodo produzido no sistema de tratamento. A caracterização do lodo do reator anaeróbio, durante as fases 1 e 2, indicou uma concentração média de sólidos totais da ordem de 7% para o lodo coletado na torneira 2 (25 cm de altura), enquanto que, para o lodo coletado nas torneiras 6 (125 cm de altura) e 8 (175 cm de altura), a concentração média de sólidos totais foi da ordem de 2%. Considerando-se que o lodo produzido no FBP apresentava uma concentração média de,9% de SST durante a fase 2, depreende-se que o seu retorno para o reator UASB não interferiu na manutenção de um lodo anaeróbio de elevada concentração. Além disso, a produção específica média de lodo no reator UASB foi apenas ligeiramente superior durante a fase 2 (,11 gst/gdqo aplicada, contra,1 gst/gdqo aplicada durante a fase 1) Avaliou-se, ainda, a porcentagem de sólidos voláteis em relação ao teor de sólidos totais ao longo das diferentes alturas no reator UASB. A porcentagem média de SVT no reator foi de 63% para a fase 1 e 6% para a fase 2. Essas porcentagens são bem inferiores àquelas encontradas no lodo do FBP, que foram da ordem de 7%, indicando um aumento no grau de estabilização do lodo aeróbio, devido ao seu retorno para o reator UASB. Os valores médios de IVL obtidos para a fase 1 foram de 13, 31 e 3 ml/g, para o lodo coletado nas torneiras 2 (25 cm), 6 (125 cm) e 8 (175 cm), respectivamente. Na fase 2, os valores médios de IVL, para os mesmos pontos de amostragem, foram de 16, 43 e 37 ml/g, respectivamente. Realizou-se uma análise estatística para as diferenças entre as duas fases operacionais, ao nível de significância de 5%, utilizando-se a distribuição t de Student. Os resultados da análise estatística indicaram um aumento no valor médio do IVL, durante a fase 2, para o lodo coletado nas torneiras 2 e 6. Para o lodo coletado na torneira 8, não houve diferença entre os valores médios de IVL obtidos nas fases 1 e 2. Como constatação geral, verificou-se que os valores médios de IVL do lodo do reator UASB foram sempre inferiores a 5mL/g, tanto na fase 1 quanto na fase 2. Como esperado, observou-se uma melhor sedimentabilidade do lodo proveniente dos pontos mais baixos do reator. Deve-se considerar, entretanto, que a alta concentração de sólidos no lodo pode, também, influenciar o valor do IVL (Von Sperling, 2). Os resultados obtidos para a distribuição granulométrica para o lodo coletado nas torneiras 2, 6 e 8 indicaram uma predominância de partículas menores que,71 mm, para todos os pontos de amostragem. Grânulos maiores que 2,38 mm foram detectados apenas no lodo da torneira 2, em uma porcentagem média de 1% na fase 1 e de 13% na fase 2. A porcentagem média de sólidos menores que,71mm diminuiu, durante a fase 2, em relação à fase 1, de 79 para 49% no lodo da torneira 2, enquanto aumentou a porcentagem de sólidos com dimensões entre,71 e 2,38 mm. Para o lodo das torneiras 6 e 8, a porcentagem média de grânulos menores que,71mm foi de 94 e 9 %, durante a fase 1, e 93%, durante a fase 2, em ambos os pontos de amostragem. Para o lodo coletado nas torneiras 6 e 8, não houve uma diferença na porcentagem média de grânulos da fase 1 para a fase 2 (ao nível de significância de 5%). As atividades metanogênicas específicas médias obtidas para o lodo da torneira 2, durante as fases 1 e 2, foram de,6 e,8 gdqo CH4.gSVT -1. d -1, respectivamente. Para o lodo da torneira 6, a atividade metanogênica específica média obtida foi de,5 gdqo CH4.g SVT -1.d -1, durante as duas fases. Estes resultados indicam uma aparente melhoria da atividade do lodo durante a fase 2 da pesquisa, que pode estar relacionada tanto ao retorno do lodo do FBP, quanto às menores cargas orgânica volumétricas, já que estes foram os únicos fatores que diferenciaram a fase 2 da fase

8 Taxa de produção de metano Assim como para a atividade metanogênica específica, observou-se uma maior taxa de produção de gás metano durante a fase 2 (,29 L CH4.gDQO removida -1 ), em relação à fase 1 (,16 L CH4.gDQO removida -1 ). Observa-se que a taxa de produção obtida durante a fase 2 foi cerca de 24% menor que a produção teórica (,38 L CH4.gDQO -1, para T = 25 o C). Novamente, esta maior taxa de produção de metano, durante a fase 2, pode estar relacionada aos mesmos fatores apontados anteriormente (retorno do lodo ou menor carga orgânica volumétrica). Outrossim, problemas de vazamento na linha de gases podem ter ocorrido durante a fase 1 e contribuído para as menores taxas de produção calculadas. Conclusões Esse trabalho vem confirmar a possibilidade do tratamento combinado, em reatores UASB, de esgoto sanitário e de lodo aeróbio excedente produzido em filtros biológicos percoladores. Não foi observado qualquer efeito adverso no desempenho do reator UASB, em função do retorno do lodo aeróbio produzido no FBP. Ao contrário, os resultados de DQO indicaram um maior percentual de atendimento aos padrões de lançamento estabelecidos pela legislação ambiental. Durante a segunda fase da pesquisa, quando o reator UASB foi operado para tratamento conjunto dos esgotos brutos e do lodo aeróbio de retorno do FBP, o efluente anaeróbio apresentou concentrações médias de 18 mgsst.l -1, 57 mgdbo.l -1 e 18 mgdqo.l -1. O Filtro Biológico Percolador conferiu grande estabilidade operacional ao sistema de tratamento e também promoveu uma melhoria da qualidade do efluente final. Para o parâmetro de DBO, as concentrações finais do FBP foram mantidas sempre abaixo de 6 mg.l -1. Durante a fase 2, quando foi praticado o retorno de lodo para o reator UASB, o efluente final FBP apresentou concentrações médias de 17 mgsst.l -1, 27 mgdbo.l -1 e 82mgDQO.L -1. Entretanto, foi observada uma maior dispersão dos resultados e uma ligeira queda da estabilidade do sistema de tratamento. Agradecimentos Os autores agradecem ao CNPq, pelas bolsas concedidas, e à FAPEMIG e à FINEP, através do PROSAB, pelo financiamento da pesquisa. Agradecem, ainda, às bolsistas de iniciação científica Lívia Lobato, Isabela Barros e Juliana Miranda, pelo auxílio nas análises de caracterização do lodo. Referências Bibliográficas Dubois, M., Gilles, K.A, Hamilton, J. K, Rebers, P.A, Smith, F. Colorimetric method for determination of sugars and related substances. Analytical Chemistry, 28, 35-56, march, Golçalves, R. F., Araújo, V. L., Bof, V. S. (1999) Balanço Energético e produção de lodo em uma ETE do tipo UASB + Biofiltro Aerado Submerso, In: Anais do Congresso Brasileiro de Engenharia Sanitária e Ambiental, Rio de Janeiro, RJ. Laguna A, Ouattara, A, Gonzalez, R. O, Baron, O, Famá, G, EL Mamouni, R. Guiot, S., Monroy, O, Macarie, H. A simple and low cost technique for determining the granulometry of upflow anaerobic sludge blanket reactor sludge, Water Science and Technology, 4 (8), 1-8, Postma, T.; Stroes, J.A.P. Lipid screening in clinical. Clin. Chim. Acta, 22, , Souza, J.T., Foresti, E.(1996) Domestic sewage treatment in an upflow anaerobic sludge blanketsequencing batch reactor system. Water Science and Technology, Vol. 33, N o 3, Standard methods for the examination of water and wastewater (1998) 2 th edition, American Public Health Association/American Water Works Association/ Water Environmental Federation, Washington DC, USA. van Haandel, A.C., Lettinga, G. (1994) Tratamento anaeróbio de esgotos. Um manual para países de clima quente. 396

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