23º Congresso Brasileiro de Engenharia Sanitária e Ambiental

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1 III-15 - PARTIDA E ADAPTAÇÃO DE UM REATOR ANAERÓBIO HORIZONTAL DE LEITO FIXO (RAHLF) PARA TRATAMENTO BIOLÓGICO DE LÍQUIDOS PERCOLADOS DE ATERROS SANITÁRIOS Ronan Cleber Contrera (1) Engenheiro Civil pela Escola de Engenharia de São Carlos da Universidade de São Paulo (EESC/USP). Mestre em Hidráulica e Saneamento pela EESC/USP. Doutorando em Hidráulica e Saneamento na EESC/USP. Marcelo Zaiat Engenheiro Químico e Mestre em Engenharia Química pela Universidade Federal de São Carlos (UFSCar), Doutor em Hidráulica e Saneamento pela EESC/USP, Professor do Departamento de Hidráulica e Saneamento na EESC/USP. Valdir Schalch Engenheiro Químico pela Escola Superior de Química Oswaldo Cruz (ESQOC), Mestre em Hidráulica e Saneamento pela EESC/USP, Doutor em Hidráulica e Saneamento pela EESC/USP, Professor do Departamento de Hidráulica e Saneamento na EESC/USP. Endereço (1) : Av. Francisco P. Lopes, 22, apto. 32 bloco E - Jardim Paraíso - São Carlos - SP - CEP: Brasil - Tel: (1) contrera@sc.usp.br ou ronancontrera@ig.com.br RESUMO Este trabalho avaliou a partida e a adaptação de um reator anaeróbio horizontal de leito fixo (RAHLF) no tratamento de líquidos percolados de aterros sanitários. Para realização do trabalho foram utilizados percolados de três coletas. A primeira coleta foi realizada no aterro sanitário de Bauru-SP e as outras duas no aterro sanitário de Rio Claro-SP. Esses percolados foram conservados em câmara fria a 5 o C durante a realização do experimento. O reator, em escala piloto, constituiu-se de um tubo de PVC com 3, m de comprimento, 1,5 cm de diâmetro interno com volume de aproximadamente 5 L, e com coletores de gases na face superior. Como suporte de imobilização foi utilizada espuma de poliuretano na forma de cubos de aproximadamente 1 mm de lado e como inóculo foi utilizado um lodo proveniente de um reator UASB de um abatedouro de aves da cidade de Tietê-SP. Operando-se o reator com o percolado coletado em Bauru-SP e com tempo de detenção hidráulica de 25 dias, ocorreu o colapso total do sistema após oito semanas de operação. Reiniciando-se o experimento e utilizando-se o percolado da primeira coleta realizada em Rio Claro-SP, o sistema estabilizou-se com baixa eficiência. Após mudanças na estratégia de partida utilizando-se um substrato sintético simulando esgoto sanitário e com tempo de detenção hidráulica de 2,5 dias, o sistema reagiu bem, mas ao se introduzir o percolado na composição do substrato a eficiência voltou a cair conforme se aumentou a proporção de percolado. Assim optou-se por substituir o percolado, realizando-se uma nova coleta de percolados em Rio Claro-SP. Esse novo percolado apresentou características compatíveis com as características de percolados de aterros jovens, ou seja, elevada concentração de ácidos voláteis e elevada relação DBO/DQO. Ao se introduzir esse novo percolado na composição do substrato, o sistema reagiu bem, podendo-se trabalhar com o percolado puro no final dessa etapa, conseguindo-se eficiências de até % na remoção de DQO, com tempo de detenção hidráulica de 2,5 dias e DQO afluente da ordem de 5. mg/l. PALAVRAS-CHAVE: Líquidos Percolados, Tratamento Anaeróbio, RAHLF, Aterro Sanitário, Resíduos Sólidos Urbanos. INTRODUÇÃO A inadequada disposição final dos resíduos gerados pela atividade humana vem, há muitos anos, se constituindo em um sério problema ambiental e de saúde pública, causando poluição e degradação do meio ambiente, contaminando o solo, os corpos hídricos, gerando maus odores e proliferando vetores de doenças. A construção de aterros sanitários é uma das formas mais adequadas e econômicas para disposição de resíduos sólidos no solo. Quando um aterro sanitário é bem construído e operado, com a construção de células, impermeabilização do solo e com sistema para a drenagem de líquidos percolados e gases, a produção de percolados poderá ocorrer em poucas semanas após o início da operação. A inadequada disposição desses líquidos pode trazer conseqüências gravíssimas ao meio ambiente, em especial aos corpos hídricos (águas ABES - Associação Brasileira de Engenharia Sanitária e Ambiental 1

2 superficiais e subterrâneas), surgindo assim, a necessidade de se ter um sistema de tratamento adequado para esses líquidos. O tratamento anaeróbio de efluentes vem se mostrando como uma excelente alternativa para países de clima quente, como o Brasil, resultando em sistemas mais econômicos. Uma nova configuração de reator anaeróbio, o Reator Anaeróbio Horizontal de Leito Fixo (RAHLF), foi desenvolvido por Zaiat (199), que avaliou seu desempenho no tratamento do efluente de indústria de papel reciclado e substrato sintético à base de glicose. Ele sugeriu ainda, que se avaliasse a utilização do RAHLF no tratamento de outras águas residuárias mais complexas ou contendo resíduos tóxicos ou inibidores da atividade microbiana, tais como os percolados de aterros sanitários. Assim, o presente trabalho visou dar continuidade ao trabalho realizado por Zaiat (199), avaliando-se a partida e a adaptação do RAHLF no tratamento de percolados de aterros sanitários, que se constitui num grande problema ambiental, devido a existência de poucas pesquisas relacionadas ao tema no Brasil. MATERIAIS E MÉTODOS O RAHLF em escala piloto utilizado no experimento foi confeccionado com um tubo de PVC com 3, m de comprimento e 1,5 cm de diâmetro interno, perfazendo uma relação comprimento por diâmetro (L/D) igual a 2 e com volume total de aproximadamente 5 L. O reator foi construído em dois módulos de 1,5 m em série para que coubesse dentro da câmara que mantinha a temperatura controlada a 3 ±,1 o C. O reator possuía amostradores intermediários ao longo do comprimento em posições correspondentes a L/D iguais a,, 12 e 1 e orifícios ligados por mangueiras na parte superior dos módulos para captação de gás. A Figura 1 apresenta a câmara e o reator utilizados. Figura 1: Câmara com temperatura controlada; Reator anaeróbio horizontal de leito fixo (RAHLF). Para suporte de imobilização foi utilizada espuma de poliuretano com densidade de 2 kg.m -3 na forma de cubos de aproximadamente 1 cm de lado. O inóculo utilizado foi um lodo proveniente de um reator UASB de um abatedouro de aves da cidade de Tietê-SP. Foram feitas três coletas de percolado, a primeira realizada em Bauru-SP e as outras duas em Rio Claro-SP. Os percolados foram coletados e armazenados em galões de 2 L mantidos a 5 o C em uma câmara fria. O experimento foi desenvolvido em quatro etapas. Na primeira delas utilizou-se o percolado de Bauru-SP, sem ser diluído, com tempo de detenção hidráulica (θ h ) de 25 dias. O sistema foi operado por oito semanas até o colapso. Na segunda etapa o inóculo do reator foi substituído e procedeu-se exatamente como na primeira etapa, porém utilizando-se desta vez um novo percolado, coletado em Rio Claro-SP. Nesta segunda etapa o sistema foi novamente operado por oito semanas, estabilizando-se com baixa eficiência. ABES - Associação Brasileira de Engenharia Sanitária e Ambiental 2

3 Na terceira etapa, utilizou-se o sistema tal como estava no final da segunda etapa, mantendo-se o mesmo inóculo. Decidiu-se partir o sistema com um substrato sintético, simulando esgoto sanitário, com concentração, em termos de DQO, da ordem de grandeza da concentração do percolado utilizado na segunda etapa. Nessa terceira etapa utilizou-se θ h de 2,5 dias em relação ao volume total do reator, devido à facilidade de degradação desse novo substrato. A terceira etapa teve início utilizando-se o substrato sintético puro durante três semanas, e depois de verificada a viabilidade da biomassa e a estabilização aparente do sistema, começou-se a introduzir o percolado na composição do substrato. O percolado utilizado foi o mesmo utilizado na segunda etapa. Esse percolado foi utilizado até se atingir a proporção de %, onde se verificou uma queda da eficiência do sistema, que só se estabilizou quando se manteve constante a proporção de % de percolado na composição do substrato. Assim, foi feita uma nova coleta de percolado em Rio Claro-SP, e na quarta etapa utilizou-se esse novo percolado a partir da proporção de % até 1% sem diluição, até o final do experimento, onde foi observado um aumento gradual na eficiência do sistema. Todas as análises foram feitas segundo o Standard Methods for the Examination of Water and Wastewater APHA, AWWA, WPCF (199) com exceção dos ácidos voláteis que além de serem determinados por titulação também foram determinados por cromatografia gasosa segundo metodologia de Moraes et al. (2) em que se utilizou um microdestilador para purificação das amostras. RESULTADOS A Tabela 1 apresenta o resultado da caracterização dos percolados e a eficiência média do sistema nas duas últimas semanas de operação para as quatro etapas do experimento. TABELA 1: Caracterização dos percolados coletados e eficiências do sistema no final das quatro etapas (média nas duas últimas semanas de operação). Coletas de Percolados Efic. de Rem. Média no Final das Etapas (%) Parâmetros Bauru Rio Claro 1 a Etapa 2 a Etapa 3 a Etapa a Etapa 1 a 1 a 2 a Perc. Bauru Perc. RC-1 a Perc. RC-1 a Perc. RC-2 a DQO bruta (total) ,3 (,) 25,9 (,) 5, (3,1) 79,1 (,7) DQO filtrada ,1 (1,3) 25,5 (3,5) 5,5 (2,7) 79,7 (,) DBO ph,1,2 7, Ácidos voláteis totais* () 1 () 1 () 1 () Alcalinidade total ,1 (,) - 2, (,9) -1, (9,1) -,5 (3,) Ferro 1,,5 3,5 1,2 (1,), (13,7),5 (2,) 2, (12,9) Zinco,1,2,29 3,2 (2,) 3,9 (19,) 7, (27,) 77, (,5) Manganês 1,37, 1,52 2,5 (2,1) - - 3, (27,7) Sólidos totais , (1,) 3, (5,) 1, (1,) 27, (1,7) Sólidos totais fixos ,2 (,7) 1,9 (,) -,3 (1,2), (3,) Sólidos totais voláteis , (,9) 9,7 (,3) 3, (,2) 51,5 (3,) Nitrogênio total , () -,1 (),9 (2,3) Nitrogênio amoniacal , () - -1, (),3 (,9) Duração da Etapa (Semanas) 9,5 OBS: Todas unidades em mg/l exceto o ph (desvio padrão indicado entre parênteses). (*)AVT determinados por cromatografia (-) Não medidos, e (--) Não se aplica. Observa-se que tanto o percolado da primeira coleta realizada em Bauru-SP, quanto o percolado da primeira coleta realizada em Rio Claro-SP, apresentaram baixas concentrações de ácidos voláteis totais, fato que, provavelmente, contribuiu muito para a baixa eficiência do tratamento nas três primeiras etapas. Observa-se também que o percolado coletado em Bauru-SP apresentou concentração de nitrogênio amoniacal bem mais alta que os demais percolados e acredita-se que isso associado à baixa concentração de matéria orgânica de fácil degradação (ácidos voláteis) foi um fator determinante para o colapso total do sistema na primeira etapa. ABES - Associação Brasileira de Engenharia Sanitária e Ambiental 3

4 PRIMEIRA ETAPA Nas Figuras 2 e 3 são apresentados o resultados da primeira etapa deste trabalho, onde se utilizou como substrato o percolado da primeira coleta realizada no aterro sanitário de Bauru-SP. A Figura 2 apresenta as concentrações de DQO brutas e filtradas, na entrada e saída do sistema. Observa-se pela Figura 2 que depois das três primeiras semanas de operação o sistema começou a apresentar uma tendência clara de queda de eficiência, chegando ao colapso total na oitava semana de operação onde a eficiência do sistema chegou a zero, para remoção da matéria orgânica, medida em termos de DQO. Outro parâmetro que confirma que o sistema não se adaptou foi a geração acumulada de gás na semana, que pode ser verificada através da Figura 3, onde se pode notar um pico de quase 7 L/semana na geração de gás entre as três primeiras semanas de operação e depois ocorre uma queda acentuada da produção de gás, com geração de menos de 2 L/semana de gás entre a sétima e a oitava semana de operação, apesar da composição do gás ter apresenta-se praticamente constante. Pela Figura 3 pode-se observar que o ph manteve-se praticamente constante e próximo a tanto na entrada quanto na saída do sistema e na oitava semana de operação a alcalinidade total na saída do sistema igualou-se à da entrada. Bruta - (A) Bruta - (E) Filtrada - (A) Filtrada - (E) Bruta Filtrada DQO (mg/l) Efic. de Rem. de DQO (%) 1,,,, 2,, Figura 2: Resultados da primeira etapa. DQOs afluente (A) e efluente (E); Eficiência de remoção de DQO bruta e filtrada. Composição do Gás (%) Nitrogênio e outros Metano Gás Carbônico Vol. de Gás Vol. de Gás (L/semana) Alcalinidade Total 1 2 AT - (A) AT - (E) ph - (A) ph - (E) ph Figura 3: Resultados da primeira etapa. Composição e volume de gás gerado; Alcalinidade total e ph afluentes (A) e efluentes (E). Depois de verificado o colapso total do sistema na oitava semana, o reator teve sua operação interrompida e ele foi desmontado para se fazer uma avaliação da biomassa. Ao se observar a biomassa, verificou-se que ela apresentava coloração marrom, bem diferente da coloração preta apresentada na partida do sistema. Apresentava também um aspecto pastoso e mais coesivo. A biomassa também exalava e um forte odor de amoníaco, o que leva a crer que a alta concentração de nitrogênio amoniacal pode ter sido uma das causas dessa possível intoxicação do sistema e que pode ter impedido a adaptação da biomassa ao substrato. ABES - Associação Brasileira de Engenharia Sanitária e Ambiental

5 SEGUNDA ETAPA Para segunda etapa desse experimento o recheio do reator foi totalmente substituído, dando-se uma nova partida no sistema, reproduzindo-se as mesmas condições da etapa anterior, porém alterou-se o percolado que servia de substrato para alimentação do sistema. Nas Figuras e 5 são apresentados o resultados da segunda etapa do trabalho, onde se utilizou como substrato o percolado da primeira coleta realizada no aterro sanitário de Rio Claro-SP. A Figura apresenta as concentrações de DQO brutas e filtradas, na entrada e saída do sistema. Pela Figura pode se notar a aparente estabilização do sistema com eficiência pouco superior a 2%, da segunda até a oitava semana de operação. Na Figura 5 nota-se um pico na geração de gás de pouco mais de L/semana na terceira semana de operação e uma aparente estabilização entre e L/ semana nas semanas seguintes. A composição do gás gerado manteve-se praticamente constante com concentração de metano sempre em torno de %. Nota-se pela Figura 5 que o ph do sistema também se manteve praticamente constante com valores próximos a. A alcalinidade total do sistema também não apresentou oscilações, sendo que a partir da quarta semana de operação a alcalinidade de efluente ficou praticamente igual à do percolado de alimentação. bruta - (A) bruta - (E) filtrada - (A) filtrada - (E) DQO bruta DQO filtrada DQO (mg/l) Efic. de Rem. de DQO (%) 1,,,, 2,, Figura : Resultados da segunda etapa. DQOs afluente (A) e efluente (E); Eficiência de remoção de DQO bruta e filtrada. Composição (%) Nitrogênio e outros Metano Gás carbônico Vol. De Gás Vol. de Gás (L/semana) Alcalinidade Total AT - (A) AT - (E) ph - (A) ph - (E) ph Figura 5: Resultados da segunda etapa. Composição e volume de gás gerado; Alcalinidade total e ph afluentes (A) e efluentes (E). No final da segunda etapa o sistema foi novamente paralisado para uma avaliação das condições da biomassa. Dessa vez verificou-se que a biomassa mantinha, aparentemente, o mesmo aspecto do início da operação e assim, optou-se por manter a mesma biomassa para reinício da operação na terceira etapa. TERCEIRA ETAPA Nas Figuras a são apresentados o resultados da terceira etapa deste trabalho, onde se utilizou até a terceira semana de operação o substrato sintético simulando esgoto sanitário. Da terceira semana em diante o ABES - Associação Brasileira de Engenharia Sanitária e Ambiental 5

6 percolado da primeira coleta realizada no aterro sanitário de Rio Claro-SP foi introduzido gradualmente na composição do substrato. A Figura apresenta as concentrações de DQO brutas e filtradas, na entrada e saída do sistema e a Figura apresenta as eficiências de remoção de DQO. DQO (mg/l) Afl. Bruta Ef l. Bruta Afl. Filtr. Efl. Filtr. % perc. % perc Efic. de Rem. de DQO (%) 1 2 Efic. Bruta Efic. Filtrada % perc. % perc Figura : Resultados da terceira etapa, com as porcentagens de percolados na composição do substrato. DQOs afluente e efluente; Eficiência de remoção de DQO bruta e filtrada. Nitrogênio e outros Metano Gás Carbônico Volume AT - (A) AT - (E) ph - (A) ph - (E) Composição (%) Volume (L/semana) Alcalinidade Total Figura 7: Resultados da terceira etapa. Composição e volume de gás gerado; Alcalinidade total e ph afluentes (A) e efluentes (E) ph AB - (A) AB - (E) % perc. % perc. AVT - (A) AVT - (E) Alc. à Bicarbonato Ácidos Voláteis Totais (mg Ac. Acét./L) Figura : Resultados da terceira etapa, com as porcentagens de percolados na composição do substrato. Alcalinidade à bicarbonato afluente (A) e efluente (E); Ácidos voláteis totais afluente (A) e efluente (E). Observa-se ainda pela Figura que o sistema reagiu muito bem quando se utilizou o substrato sintético puro, porém quando se iniciou a introdução gradual do percolado em sua composição a eficiência do sistema começou a cair e mesmo mantendo-se a proporção de % de percolado durante quatro semanas o sistema não demonstrou nenhuma recuperação. A Figura 7 apresenta o volume de gás gerado que foi quase sempre maior que 5 L/semama com composição de metano da ordem de 7%. A Figura 7 apresenta o ph e a alcalinidade total na entrada e saída do sistema. A Figura apresenta a alcalinidade à bicarbonato do sistema e pode-se notar o aumento dessa alcalinidade tanto na entrada do sistema quanto em sua saída quando ABES - Associação Brasileira de Engenharia Sanitária e Ambiental

7 se iniciou a introdução do percolado na composição do substrato. A Figura apresenta as concentrações de ácidos voláteis totais no afluente e no efluente do sistema. QUARTA ETAPA Nas Figuras 9 a 11 são apresentados o resultados da quarta etapa deste trabalho. DQO (mg/l) Afl. Bruta Ef l. Bruta Afl. Filtr. Efl. Filtr. % perc. % perc ,5 1 1, , , ,5 Efic. de Rem. de DQO (%) 1 2 Efic. Bruta Efic. Filtrada % perc. % perc. 9 9,5 1 1, , , ,5 1 2 Figura 9: Resultados da quarta etapa, com as porcentagens de percolados na composição do substrato. DQOs afluente e efluente; Eficiência de remoção de DQO bruta e filtrada. Composição (%) Nitrogênio e outros Metano Gás Carbônico Volume Volume (L/semana) Alcalinidade Total AT - (A) AT - (E) ph - (A) ph - (E) ,5 1 1, , , ,5 ph Figura 1: Resultados da quarta etapa. Composição e volume de gás gerado; Alcalinidade total e ph afluentes (A) e efluentes (E). AB - (A) AB - (E) % perc. % perc. AVT - (A) AVT - (E) Alc. à Bicarbonato ,5 1 1, , , ,5 Ácidos Voláteis Totais (mg Ac. Acét./L) ,5 1 1, , , ,5 Figura 11: Resultados da quarta etapa, com as porcentagens de percolados na composição do substrato. Alcalinidade à bicarbonato afluente (A) e efluente (E); AVT afluente (A) e efluente (E). Entre a terceira e a quarta etapa o sistema não teve sua operação interrompida. O que diferenciou a terceira da quarta etapa foi a substituição do percolado utilizado na composição do substrato de alimentação na nona semana de operação, e como o sistema reagiu a partir dessa mudança. A partir da nona semana de operação passou a se utilizar o percolado da segunda coleta realizada no aterro sanitário de Rio Claro-SP na composição ABES - Associação Brasileira de Engenharia Sanitária e Ambiental 7

8 do substrato partindo-se da proporção de % até a utilização do percolado puro e sem diluição a partir da semana 12,5. A Figura 9 apresenta as concentrações de DQO brutas e filtradas, na entrada e saída do sistema e a Figura 9 apresenta as eficiências de remoção de DQO. Nota-se por essas figuras como o sistema reagiu positivamente à mudança do percolado atingindo-se eficiência da ordem de % a partir da décima semana de operação e mantendo-se a mesma eficiência mesmo com o aumento da carga orgânica aplicada. A Figura 1 apresenta o volume e a composição do gás gerado. Nota-se por essa figura que da semana 11 até a semana 13,5 o sistema passou de uma geração de gás de cerca de 5 L/semana para mais de 22 L/semana, com composição de metano da ordem de até %. A Figura 1 apresenta as variações de ph e da alcalinidade total do sistema. A Figura 11 apresenta a alcalinidade à bicarbonato no afluente e no efluente do sistema. Nota-se por essa figura que o sistema gerou alcalinidade à bicarbonato durante todo o tempo o que é mais um indicativo de sua aparente boa estabilidade operacional. A Figura 11 apresenta as concentrações de ácidos voláteis totais no afluente e no efluente do sistema. Observa-se que o sistema removeu muito bem essa fração orgânica da DQO, mesmo quando sua concentração era elevada, atingindo cerca de 1. mg/l determinados por titulação. Na determinação por cromatografia gasosa a concentração observada foi de 2. mg/l no afluente e somente traços no efluente, verificando-se uma remoção de aproximadamente 1 % dos ácidos como apresentado na Tabela 1. CONCLUSÕES Os líquidos percolados de aterros sanitários velhos podem não conduzir a bons resultados quando tratados em reatores anaeróbios, devido talvez, à baixa concentração de matéria orgânica de fácil degradação (ácidos voláteis), ou à presença de substâncias tóxicas (nitrogênio amoniacal) que podem inibir o processo ou a adaptação da biomassa; A estratégia de partida utilizando esgoto sintético com adaptação gradual do sistema ao percolado surtiu menos efeito, nesse caso, que a substituição do percolado, por outro com alta concentração de ácidos voláteis. O RAHLF mostrou-se como uma boa alternativa para tratamento biológico anaeróbio de líquidos percolados de aterros sanitários com altas concentrações de ácidos voláteis (aterros jovens ), tendo atingido eficiência da ordem de % na remoção de DQO. AGRADECIMENTOS À FAPESP, pela bolsa de estudos e pelo auxílio à pesquisa concedido aos pesquisadores. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS 1. APHA; AWWA; WPCF Standard Methods for the Examination of Water and Wastewater. 2th edition. Washington-DC, USA, CONTRERA, R. C. Tratamento biológico de líquidos percolados de aterros sanitários utilizando reator anaeróbio horizontal de leito fixo (RAHLF). São Carlos. Dissertação de Mestrado Escola de Engenharia de São Carlos, Universidade de São Paulo, MORAES, E. de M.; ADORNO, M. A.T.; ZAIAT, M. e FORESTI, E. Determinação de ácidos voláteis por cromatografia gasosa em efluentes de reatores anaeróbios tratando resíduos líquidos e sólidos. VI Oficina e Seminário Latino-Americano de Digestão Anaeróbia, Recife. Vol. 2 pp , 2.. ZAIAT, M. Desenvolvimento de reator anaeróbio horizontal de leito fixo (RAHLF) para tratamento de águas residuárias. São Carlos. 157 p. Tese (Doutorado) Escola de Engenharia de São Carlos, Universidade de São Paulo, 199. ABES - Associação Brasileira de Engenharia Sanitária e Ambiental