22º Congresso Brasileiro de Engenharia Sanitária e Ambiental

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1 22º Congresso Brasileiro de Engenharia Sanitária e Ambiental 14 a 19 de Setembro Joinville - Santa Catarina II SISTEMA INTEGRADO E AUTO-SUSTENTÁVEL PARA TRATAMENTO DE ESGOTOS E HIGIENIZAÇÃO TÉRMICA DO LODO EXCEDENTE Carlos Augusto de Lemos Chernicharo(1) Engenheiro Civil e Sanitarista. Doutor em Engenharia Ambiental pela Universidade de Newcaste upon Tyne UK. Professor Adjunto do Departamento de Engenharia Sanitária e Ambiental da UFMG. Eduardo Sales Machado Borges Engenheiro Civil. Doutorando pelo Programa de Pós-graduação em Saneamento, Meio Ambiente e Recursos Hídricos (UFMG). Patrícia Procópio Pontes Engenheira Química. Mestre em Saneamento e Meio Ambiente. Doutoranda em Saneamento, Meio Ambiente e Recursos Hídricos pela UFMG. Professora do Departamento de Química do CEFET MG. Emerson Cristiano Frade Engenheiro Civil. Especialista em Engenharia Sanitária. Mestrando em Saneamento, Meio Ambiente e Recursos Hídricos pela UFMG. Valéria Martins Godinho Biológa. Mestranda em Saneamento, Meio Ambiente e Recursos Hídricos pela UFMG

2 Endereço(1): Av. do Contorno, 842 / 701 andar Belo Horizonte MG CEP Brasil Tel: (1) Fax: (1) calemos@ desa.ufmg.br RESUMO O presente trabalho objetiva apresentar a concepção e avaliação de desempenho de um sistema integrado para tratamento de esgotos e higienização térmica do lodo excedente. O sistema integrado, concebido e implantado em escala de demonstração para um equivalente populacional de 500 habitantes, consiste de uma unidade biológica (reator UASB + Filtro Biológico Percolador) para tratamento dos esgotos e de uma unidade térmica de higienização do lodo biológico excedente. A higienização é feita a partir da queima do biogás produzido no próprio reator anaeróbio, já que o balanço energético é amplamente favorável e garante a auto sustentabilidade do sistema. Os resultados obtidos, para a unidade biológica de tratamento, indicaram um excelente desempenho do sistema de tratamento, apesar do reator UASB ter funcionado, também, para adensamento e digestão anaeróbia do lodo de descarte do filtro biológico percolador. O sistema foi capaz de produzir um efluente final com as seguintes concentrações médias: 80 mgdqo.l-1, 27 mgdbo.l-1 e 17 mgsst.l-1. As eficiências médias de remoção no sistema de tratamento foram de 78% para DQO e 87% para DBO. Em relação à unidade térmica, o emprego do biogás gerado em reatores UASB foi suficiente para proporcionar a higienização térmica de todo o lodo excedente produzido na unidade biológica de tratamento de esgotos. As variáveis temperatura e tempo de exposição permitiram combinações variadas para a inativação de ovos de Ascaris lumbricoides, sendo que a completa inativação dos mesmos ocorreu após 5 horas de aquecimento do lodo, quando a temperatura média atingiu valores em torno de 67 ºC. Palavras-chave: Filtro biológico percolador, higienização de lodo, reator UASB, sistema integrado de tratamento, tratamento térmico de lodo, tratamento de esgotos. 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, como, por exemplo, através da combinação de reatores UASB e de Filtros Biológicos Percoladores - FBP, confere maior viabilidade econômica ao sistema de tratamento. O uso desse sistema de tratamento tem como grandes vantagens 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. No entanto, os sistemas anaeróbios geram no decorrer do processo de tratamento dois subprodutos, que são o lodo e o biogás. Segundo MULDER (2001), a emissão global de metano está estimada em 500 milhões de toneladas por ano, sendo que os sistemas

3 anaeróbios de tratamento de esgoto contribuem com cerca de 5 % deste total, ou seja, cerca de 25 milhões de toneladas. A queima deste biogás, portanto, além de ser algo estritamente necessário para amenizar os impactos ambientais advindos do metano, uma vez que este é cerca de trinta vezes mais impactante que o gás carbônico, na contribuição para o aumento do efeito estufa (EVANS, 2001), poderá propiciar o seu aproveitamento como uma fonte de energia calorífica, reintegrando o carbono ao seu ciclo natural. Por outro lado, também como uma tendência mundial, normas ambientais mais rigorosas restringem cada vez mais a destinação final do lodo gerado em ETE s para as duas mais tradicionais formas de disposição destes resíduos, que são os aterros sanitários e o emprego na agricultura. No entanto, embora mais exigentes, as agências ambientais têm incentivado o emprego agrícola do lodo, devendo para isso apresentar caraterísticas adequadas a esta finalidade. Uma destas exigências trata-se da higienização do lodo, podendo ser viabilizado o emprego irrestrito deste material na agricultura, a qual pode ser obtida empregando-se mecanismos químicos, térmicos e biológicos, combinados ou isoladamente. Sendo assim, o presente trabalho objetiva apresentar a concepção e avaliação de desempenho de um sistema integrado para tratamento de esgotos e higienização térmica do lodo excedente. O sistema integrado consiste de uma unidade biológica (reator UASB + Filtro Biológico Percolador) para tratamento dos esgotos e de uma unidade térmica de higienização do lodo biológico excedente. A higienização é feita a partir da queima do biogás produzido no próprio reator anaeróbio, já que o balanço energético é amplamente favorável e garante a auto sustentabilidade do sistema. MATERIAL E MÉTODOS Características do sistema integrado O sistema integrado, concebido e implantado em escala de demonstração para um equivalente populacional de 500 habitantes, é composto de uma unidade biológica de tratamento dos esgotos e de uma unidade térmica de higienização do lodo, conforme descrito nos itens seguintes. Os trabalhos vêm sendo desenvolvidos junto à ETE Arrudas, em Belo Horizonte, em cooperação com a COPASA MG. Unidade biológica de tratamento de esgotos A unidade biológica de tratamento de esgotos é composta por um reator UASB na parte interna e um filtro biológico percolador (FBP) na parte externa (ver Figuras 1 e 2). A entrada do esgoto no sistema se dá pela parte inferior do reator UASB (1), seguindo um fluxo ascendente dentro do mesmo. A estabilização da matéria orgânica ocorre em todas as zonas de reação, sendo a mistura promovida pelo fluxo ascensional do esgoto e das bolhas de gás. Um dispositivo trifásico (2) de separação de sólidos, líquidos e gases se localiza na parte superior do reator e garante a separação do gás contido na mistura líquida, propiciando a manutenção de condições ótimas de sedimentação no compartimento de decantação (). No decantador, o lodo mais pesado é removido da massa líquida retornando

4 ao compartimento de digestão, enquanto as partículas mais leves são perdidas do sistema junto com o efluente. O efluente deixa o reator por meio canaletas (4) localizadas na parte superior do decantador. O efluente do reator UASB é distribuído, uniformemente, na parte superior do FBP (5), sendo que o fluxo de esgotos passa a ter uma trajetória descendente. O FBP é dividido em dois compartimentos, um de reação (6), na parte superior, onde se encontra o meio suporte, e um inferior, de decantação (7), onde a biomassa e os sólidos que se desgarram do meio suporte ficam retidos. O compartimento de reação (6) consiste de um tanque preenchido com material de alta permeabilidade (brita, escória de alto forno ou material sintético), sobre o qual os esgotos são aplicados. Após a aplicação, os esgotos percolam em direção ao fundo, através do meio suporte, permitindo o crescimento bacteriano na superfície do material de enchimento, na forma de uma película fixa denominada biofilme. A matéria orgânica contida nos esgotos é adsorvida pela película microbiana, ficando retida um tempo suficiente para a sua estabilização. O fundo do compartimento de reação é vazado, de maneira a permitir a passagem do líquido e reter a camada suporte, além de possibilitar a ventilação do filtro, necessária para manter as condições aeróbias e o efetivo tratamento dos despejos pela via aeróbia. Após passar pelo meio suporte e ser drenado no fundo do FBP, o líquido é encaminhado a um decantador lamelar (7), localizado na parte inferior do filtro. Esta configuração de decantador permite que sejam aplicadas maiores taxas hidráulicas superficiais, diminuindo a distância vertical que as partículas devem percor rer na sedimentação e, consequentemente, o tamanho do decantador. Os sólidos desgarrados do biofilme, ou não retidos no meio suporte pelos mecanismos de filtração e adsorsão, sedimentam no fundo do decantador, sendo removidos do efluente final, que é finalmente coletado pela superior do decantador (8). O lodo sedimentado no fundo do decantador é descartado para um pequeno tanque de acumulação (9) e bombeado de volta ao reator UASB por meio de uma pequena bomba (10), possibilitando a adoção de um sistema único de digestão do lodo aeróbio e anaeróbio, mais econômico e compacto. Um corte esquemático e uma vista frontal da unidade biológica de tratamento de esgotos são apresentados nas Figuras 1 e 2, enquanto as principais características encontram-se na Tabela 1. Figura 1 Corte esquemático da unidade biológica de tratamento de esgotos (reator UASB/FBP)

5 Figura 2 Vista frontal da unidade biológica de tratamento de esgotos (reator UASB/FBP), concebida para 500 habitantes. Tabela 1 - Características principais da unidade biológica de tratamento de esgotos Característica Reator UASB Filtro Biológico Percolador Compartimento de reação Compartimento de decantação Material Fibra de vidro Fibra de vidro Fibra de vidro Altura útil (m) 4,50 1,90 1,55 Volume útil (m³) 22,1 9,7 4,2 Área superficial (m2) 4,91 5,10

6 4,25 Unidade térmica de higienização do lodo A unidade térmica é constituída de um reservatório de biogás e de um reator térmico, conforme ilustrado nas Figuras e 4. As principais características encontram-se na Tabela2. Figura Configuração esquemática do sistema integrado envolvendo uma unidade biológica e uma unidade térmica Figura 4 Vistas do reservatório de biogás (acima) e do reator térmico (abaixo) Tabela 2 Características principais da unidade térmica de tratamento de lodo Característica Reservatório de biogás Reator térmico Material Lona Aço carbono Altura útil (m) 2,00 0,70 Seção da base (m) 2,00 x 2,00 D = 0,60 Volume útil (m) 8,00

7 0,20 Características operacionais da unidade biológica de tratamento de esgotos As principais condições operacionais, para uma vazão média afluente ao sistema igual a 2,88 m.h-1 são apresentados na Tabela : Tabela Características operacionais da unidade biológica de tratamento de esgotos Reator UASB FBP Tempo de detenção hidráulica: 7,7 h Velocidade ascensional: 0,59 m.h-1 Taxa de aplicação superficial: 1,6 m³.m-2.d-1 Taxa de aplicação superficial (decantador): 16,45 m³.m-2.d-1 Tempo de detenção hidráulica (decantador): 1,46 h. O sistema funcionou com a recirculação de lodo do FBP para o reator UASB, feita a partir de uma pequena elevatória de retorno de lodo, operada de forma intermitente ao longo do dia. Um sistema automatizado (liga/desliga) controlava o acionamento da bomba, de forma a possibilitar um tempo de operação de 15 minutos, a cada uma hora, com uma vazão de 2,22 L.min-1, durante cinco dias da semana. Esta vazão de recirculação eqüivale a 1,16% da vazão diária de esgoto bruto introduzida no reator UASB, ou, ainda, a 0,8% da vazão total afluente ao sistema. Características operacionais da unidade térmica de higienização do lodo Como o biogás é produzido continuamente e o descarte do lodo é realizado em bateladas, o biogás deve ser armazenado, para posterior queima, no momento do tratamento térmico do lodo. A queima do biogás é feita a partir de queimadores disponíveis no mercado, instalados embaixo e próximos à parede do fundo do reator térmico. Devido ao fato de que a exposição do lodo, após atingir-se temperaturas superiores a 65 oc, por um período mínimo de 1 hora, é suficiente para a total higienização do lodo, a pressão

8 empregada para queima do biogás deve propiciar o alcance desta temperatura de referência o mais rápido possível. Pesquisas realizadas na UFMG indicaram que uma pressão em torno de cm de coluna d água, próximo ao ponto de queima, é suficiente para se atingir tal temperatura dentro de horas de queima do biogás. A aplicação desta pressão deve se dar a partir da alocação de pesos em cima do reservatório de biogás. Vale ressaltar a importância de se atentar para a perda de carga nas tubulações e conexões que conduzem o biogás do reservatório ao queimador, bem como para a capacidade de queima dos queimadores. Monitoramento do sistema integrado No monitoramento da unidade biológica de tratamento de esgotos, foram realizadas, dentre outras, análises de: DBO (total e filtrada), DQO (total e filtrada), SST, ph e temperatura. Para a maioria das coletas, foram realizadas amostragens compostas, sendo as análises desenvolvidas segundo o Standard Methods for the Examination of Water and Wastewater (AWWA/APHA/WEF, 1998). No monitoramento da unidade térmica, optou-se por utilizar ovos de helmintos, especialmente ovos de Ascaris lumbricoides, como organismo indicador, por serem altamente resistentes a condições ambientais adversas e pela elevada freqüência com que são encontrados na população. Para obter-se uma quantidade representativa de ovos de Ascaris no lodo a ser analisado, foi necessária uma etapa de trabalho bastante ampla que incluiu desde a obtenção de fêmeas adultas de A. lumbricoides, retiradas de fezes de crianças infectadas, até a extração dos ovos do útero destes vermes. Estes foram então centrifugados, estocados em tubos e preservados a 4 C. Protocolo dos testes de higienização Para realização dos ensaios, inoculou-se uma solução de ovos de Ascaris lumbricoides no lodo a ser tratado termicamente, almejando-se, a partir do teor estimado de sólidos deste, uma concentração representativa do número de ovos a serem recuperados, tendo como referência o valor inicial de cerca de 100 ovos/gst. No decorrer dos ensaios, o lodo foi mantido em constante agitação, objetivando-se minimizar a sedimentação de sólidos e a formação de gradiente de temperatura ao longo da altura do volume de lodo aquecido, uma vez que o queimador do biogás foi instalado sob o reator térmico. Após início da agitação, coletava-se a primeira amostra (tempo zero de aquecimento - temperatur a ambiente), iniciando-se assim a queima do biogás, sendo as demais amostras coletadas em intervalos de tempo previamente estabelecidos ( e 5 horas). As amostras eram então processadas em laboratório, empregando-se o Método de Meyer (MEYER et al., 1978) para a recuperação dos ovos de Ascaris lumbricoides, verificando-se, posteriormente, a viabilidade dos mesmos pela técnica de incubação. Sendo assim, após o término do período de incubação (28 dias) procedia-se a leitura das câmaras, em triplicata, verificando-se o percentual de ovos viáveis e não viáveis, para cada amostra coletada.

9 Encerrada a etapa de tratamento térmico, o lodo pode ser descartado para o leito de secagem. Após a secagem, este material estará bastante propício ao manuseio, no que se refere à ausência de patógenos, com possibilidade potencial de emprego na agricultura, uma vez que sofreu higienização no decorrer do tratamento térmico. RESULTADOS E DISCUSSÃO Unidade biológica de tratamento de esgotos A série temporal dos resultados operacionais da unidade biológica de tratamento de esgotos, em relação aos parâmetros DQO, DBO e SST, é apresentada nas Figuras 5 a 7, enquanto o resumo dos resultados médios é mostrado na Tabela 4. Figura 5 - Resultados de DQO Figura 6 - Resultados de DBO Figura 7 - Resultados de SST Tabela 4 Resumo dos resultados médios *Esgoto Bruto + Lodo do FBP O retorno do lodo excedente do FBP, para o reator UASB, não contribuiu significativamente para o aumento das concentrações de DQO, DBO e SST no afluente do reator UASB (Tabela 4) e não prejudicou a performance geral do reator. Os resultados obtidos indicaram um excelente desempenho do sistema de tratamento, apesar do reator UASB ter funcionado, também, para adensamento e digestão anaeróbia do lodo de descarte do FBP. O sistema foi capaz de produzir um efluente final com as seguintes concentrações médias: 80 mgdqo.l-1, 27 mgdbo.l-1, 17 mgsst.l-1. Também as eficiências médias de remoção podem ser consideradas excelentes, 78% para DQO e 87% para DBO. A análise estatística do percentual dos resultados que se enquadraram aos padrões estabelecidos pela legislação ambiental do estado de Minas Gerais indicou que cerca de 60% dos resultados de DQO estiveram abaixo do padrão de lançamento de 90 mgdqo.l-1, destacando-se, no entanto, que aproximadamente 90% desses resultados estiveram muito próximos do valor máximo permitido. Em relação ao parâmetro DBO, 95% dos resultados

10 atenderam ao padrão de lançamento de 60 mg.l-1, enquanto para o parâmetro SST as concentrações finais do FBP foram mantidas abaixo de 60 mg.l-1 durante quase todo o período operacional (praticamente 100% de atendimento ao padrão ambiental). 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, para posterior higienização. A caracterização do lodo do reator anaeróbio indicou uma concentração média elevada de sólidos totais (entre 2 e 5%), enquanto no lodo do FBP essas porcentagens foram da ordem de 1%. Além disso, a produção específica total média de lodo no sistema (reator UASB + FBP) foi baixa, tendo-se obtido um valor médio de 0,15 gst/gdqoaplicada, durante o período operacional. A porcentagem média de sólidos voláteis em relação ao teor de sólidos totais no lodo do reator UASB foi de 58%. Unidade térmica de higienização do lodo Em relação aos experimentos de higienização do lodo descartado da unidade biológica de tratamento de esgotos, foram realizados três ensaios na unidade de tratamento térmico, todos em condições semelhantes de descarte do lodo e tempo de queima do biogás. Os resultados dos testes de higienização são expressos em termos de concentrações médias de ovos de A. lumbricoides, conforme apresentado na Figura 8 e Tabela 5. Figura 8 Variação média do n de ovos de A. lumbricoides no decorrer dos testes de higienização Tabela 5 - Estatística descritiva - higienização térmico do lodo Tempo de exposição (h) Parâmetros Temperatura (o C) N0 total de ovos (ovos/gms) N0 de ovos viáveis (ovos/gms)

11 N0 de ovos não viáveis (ovos/gms) 0 No de amostras Média Máximo Mínimo 24, Desvio padrão

12 No de amostras Média Máximo Mínimo 51,

13 78 Desvio padrão No de amostras Média Máximo 69, Mínimo

14 65 56,5 0 56,5 Desvio padrão 2, Conforme pode se visualizado a partir da Figura 8, durante o tempo de aquecimento (5 horas), o lodo foi exposto a temperaturas variando entre 25 e 67 ºC (médias dos três ensaios), tendo sido coletadas amostras nos tempos 0, e 5 horas, quando as temperaturas estavam próximas a 25, 55 e 67 oc. Como pode ser visto, nenhum ovo viável foi recuperado na amostra coletada a 5 horas de aquecimento do lodo. CONCLUSÕES O trabalho confirma a possibilidade do tratamento combinado, em reatores UASB, de esgoto sanitário e de lodo excedente produzido de filtros biológicos percoladores. A conjugação de dois processos (anaeróbio e aeróbio) em uma mesma unidade reúne as principais vantagens dos sistemas convencionais já existentes no mercado, acrescendo aspectos inovadores como o adensamento e a digestão do lodo aeróbio, produzido no FBP e retido no decantador, no próprio reator UASB, sem qualquer prejuízo ao funcionamento e à eficiência do sistema de tratamento. Esta configuração possibilita uma enorme redução de custos de implantação e de operação do sistema de tratamento, uma vez que o fluxograma geral da estação não mais necessita de unidades separadas para o adensamento e a digestão do lodo aeróbio, como ocorre nas estações de tratamento convencionais. Conforme demonstrado nos testes realizados, o emprego do biogás gerado em reatores UASB é mais que suficiente para proporcionar a higienização térmica de todo o lodo excedente produzido neste sistema de tratamento de esgotos.

15 O trabalho desenvolvido mostra-se de extrema relevância para o Brasil, uma vez que aponta para uma solução totalmente auto-sustentável em relação à higienização de lodos, com a possibilidade de reúso agrícola. Com base nos resultados obtidos, o sistema integrado apresenta-se como uma importante, útil e promissora alternativa para o emprego do biogás gerado em sistemas anaeróbios de tratamento de esgoto. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS AWWA/APHA/WEF. Standard methods for the examination of water and wastewater. 20th edition. Washington, EVANS, G. Biowaste and biological waste treatment. London: James & James Scienc Publishers Ltd., p. MEYER,K. B., MILLER,K. D., KANESHIRO,E.S. Recovery of Ascaris eggs from sludge. The Journal of Parasitology, v. 64, n 2, April, MULDER, A. Optisation of the methane recovery from anaerobic treatment sewage. In: 9ht World Congress on Anaerobic Digestion Anaerobic Conversion for Sustainability. Proceedings - Part 2, Antwerpen. Belgium. September 2-6, 2001.