PARÂMETROS E CRITÉRIOS DE DIMENSIONAMENTO DE CÂMARAS SELETORAS

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1 PARÂMETROS E CRITÉRIOS DE DIMENSIONAMENTO DE CÂMARAS SELETORAS Eduardo Pacheco Jordão, Doutor em Engenharia, Professor Adjunto da Escola de Engenharia da Universidade Federal do Rio de Janeiro (*) Pedro Além Sobrinho, Doutor em Engenharia, Professor Titular da Escola Politécnica da Universidade de São Paulo (**) (*) Depto.de Hidráulica e Saneamento, Escola de Engenharia, UFRJ Centro de Tecnologia, C.P CEP , Rio de Janeiro, Brasil Fax jordao@civil.ee.ufrj.br (**) Depto. de Engenharia Hidráulica e Sanitária, Escola Politécnica, USP Cidade Universitária, C.P CEP , São Paulo, Brasil Fax palem@usp.br Resumo O processo de lodos ativados tem sido utilizado nas estações de médio e grande porte com tecnologia já conhecida e dominada. Pode-se afirmar que as novas estações de tratamento que se encontram em fase de projeto ou construção nos grandes centros metropolitanos e nas cidades de porte médio vêm utilizando este processo. Já há algum tempo foi introduzida uma modificação no processo que inclui na cabeceira do tanque de aeração uma zona de mistura do esgoto afluente e do lodo ativado recirculado, antes do corpo principal do reator, em condições anaeróbicas, anóxicas, ou aeradas. A esta nova configuração chamou-se processo de câmaras seletoras, ou simplesmente seletor, sabendo-se que esta nova concepção tem a característica de selecionar uma população microbiana não filamentosa, capaz de favorecer as condições de sedimentação do lodo formado. O presente trabalho apresenta critérios de dimensionamento das câmaras seletoras, a partir de informações da literatura internacional e de experimentos específicos realizados no Brasil, nos quais foi possível recomendar parâmetros de projeto objetivos. Palavras-chave: águas residuárias, câmaras seletoras, lodos ativados, seletores, tratamento de esgotos.

2 Introdução Nos últimos anos foi desenvolvida uma modificação do processo de lodos ativados, incluindo na parte de montante do tanque de aeração uma zona de mistura do esgoto afluente e do lodo ativado recirculado, antes do corpo principal do reator, com condições particulares de aeração e agitação. A essa nova modificação chamou-se de processo de câmaras seletoras, ou simplesmente seletor, admitindo-se que esta nova concepção tem a característica de selecionar uma população microbiana não filamentosa, ( particularmente restringindo o crescimento das bactérias filamentosas características do intumescimento do lodo causado pela operação do sistema com baixa relação Alimento / Microrganismo) capaz de favorecer as condições de sedimentação do lodo. Em termos práticos, a câmara seletora pode situar-se na própria estrutura do tanque de aeração, sendo a câmara inicial desta unidade, ou em uma estrutura independente, imediatamente a montante do tanque de aeração. A Figura 1 mostra a representação esquemática típica. CÂMARA SELETORA TANQUE DE AERAÇÃO DECANTADOR SECUNDÁRIO AFLUENTE EFLUENTE RECIRCULAÇÃO Figura 1 Representação esquemática da câmara seletora Embora o uso de seletores venha tendo sucesso em um grande número de aplicações, tem-se, também,o relato de vários casos de insucesso de uso de seletores, particularmente quando este é anóxico. Este insucesso foi relacionado por CASEY et al (1994) como consequência de uma incompleta desnitrificação no seletor. Objetivos O presente trabalho tem por objetivos discutir os critérios de dimensionamento de câmaras seletoras, e propor parâmetros de projeto a partir da operação de ETE Piloto (montada na ETE Penha, Rio de Janeiro, JORDÃO, 1998), considerando ainda a experiência de outros centros de pesquisa ou unidades em operação. Aspectos Conceituais As teorias científicas concluem que o sistema seletor favorece o crescimento dos organismos formadores de flocos, em detrimento dos organismos filamentosos, particularmente aqueles característicos de sistemas operando com baixa relação Alimento / Microrganismos, possuindo estes últimos muito menor taxa de crescimento específico, em condições especiais, como em presença de elevada concentração de substrato. Nos estudos já clássicos ( JENKINS e DAIGGER, 1990) é mostrado que esta condição pode

3 ser satisfeita em uma parte inicial do reator biológico, caracterizada por um baixo número de dispersão, preferencialmente menor que 0,2, e por um adequado gradiente de concentração de substrato, sendo elevada a relação alimento/microorganismo. As pesquisas realizadas em vários centros de estudos no mundo (Tchecoeslováquia, Estados Unidos, Inglaterra, França), mostram que os organismos formadores de flocos, obtidos nos seletores, apresentam a capacidade de rapidamente consumir e acumular o substrato orgânico, e nessas condições são mais eficientes e crescem mais que os organismos filamentosos e causadores do intumescimento e da má sedimentabilidade do lodo. A Figura 2, segundo JENKINS e DAIGGER (1990), compara o decaimento da DQO remanescente ao longo do tempo para um sistema típico de mistura completa e para um sistema com seletores. Observase claramente que os organismos formadores de flocos do sistema com seletores consomem o substrato orgânico (no caso em termos de DQO solúvel) muito mais rápido que os organismos típicos de um sistema de mistura completa, sendo capazes de acumular a maior parte da DQO solúvel em suas células para utilização em fase posterior. Em seu artigo clássico JENKINS e DAIGGER (1990) citam que a DQO solúvel após a câmara seletora decai para cerca de 60 mg/l; este valor foi verificado por JORDÃO e outros (1998), em pesquisa recente Lodos ativados Mistura Completa Com Seletores D Tempo horas Figura 2 - DBO sol.remanescente no processo sem e com câmaras seletoras Q A Figura 3, também de acordo com JENKINS e DAIGGER ( 1990), compara os sistemas anteriormente citados, e mostra que no caso de uso de seletores ocorre um elevado consumo inicial de oxigênio, contrariamente à situação típica de respiração estável do lodo ativado com mistura completa. Mostra ainda que no caso dos seletores, após o rápido consumo inicial e respectivo decaimento, a respiração permanece estabilizada, indicando assim que ao elevado consumo inicial do substrato orgânico (em termos de DQO solúvel) corresponde uma acumulação da maior parte desta DQO nas células dos organismos para posterior utilização. Em termos práticos, verifica-se no processo com câmaras seletoras, uma tendência a menor formação de lodo intumescido, Indices Volumétricos de Lodo (IVL) mais baixos que os típicos de lodos de má qualidade, e melhores condições do efluente final decantado. Dados típicos são confirmados em experimentos em escala de laboratório, em instalações protótipo, e em estações de tratamento D

4 i projetadas e operadas com esta finalidade. No Brasil, estão publicados os experimentos realizados e orientados com sucesso por Sampaio e Vilela na ETE Ipiranga, São Paulo ( SAMPAIO e VILELA, 1993) e Jordão, Além Sobrinho e outros na ETE Penha, Rio de Janeiro ( JORDÃO,1997) Lodos ativados Mistura Completa Com Seletores o ã ç a r p s e R g 2 / Tempo horas Figura 3 Respiração no processo sem e com câmaras seletoras As pesquisas realizadas mostraram que as condições do ambiente na zona inicial da câmara seletora são tais que formam uma sequência, em que as bactérias são primeiramente sujeitas a condições de fartura de alimentação (uma elevada relação A/M na câmara seletora), passando em seguida a condições de exaustão (baixa relação A/M no reator principal). Nessas condições o fenômeno seletor ocorre, desenvolvendo nas bactérias formadoras de flocos selecionadas a facilidade de rapidamente acumular o substrato (DQO solúvel), o que não acontece igualmente com os organismos filamentosos, sobressaindo então aqueles primeiros. Aí, portanto, uma vantagem primordial dos seletores, minimizando a presença dos organismos filamentosos, geradores do bulking. A cinética, ou a facilidade com que os organismos podem rapidamente consumir e acumular o substrato orgânico, é uma característica do processo de seletores. Os organismos típicos deste processo têm muito mais afinidade a esta cinética que os filamentosos e causadores do bulking e da má sedimentabilidade do lodo. A experiência dos que têm trabalhado neste campo indica que os organismos seletores prevalecem sobre uma gama de tipos de organismos filamentosos, entre os quais sphaerotilus natans, Tipo 021N e nocardia (encontrados em situações de bulking e foaming ). É possível enfatizar e resumir algumas condições características do processo seletor: a câmara seletora recebe uma alta carga de alimentação: elevada relação A/M (aproximadamente 20 kg DQO/kg SSVTA.d); o tempo de detenção hidráulico é baixo (aproximadamente 15 minutos na primeira câmara); caracteriza-se uma situação de fartura (elevado A/M na câmara seletora) seguida de uma situação de exaustão (A/M baixo no tanque de aeração);

5 o substrato (DQO solúvel) é rapidamente reduzido: é comum na saída do seletor ter-se DQO solúvel menor que 60 mg/l; a estes valores reduzidos da DQO solúvel corresponde usualmente um IVL menor que 100 ml/g; apenas uma parcela pequena desta DQO é oxidada no seletor: a maior parte é armazenada nas células; são os microorganismos formadores de flocos que detêm a capacidade de rapidamente realizarem esta redução; nessas condições os formadores de flocos prevalecem sobre os organismos filamentosos. Tipos de Seletores São três os tipos de seletores aplicáveis no processo de lodos ativados: aeróbios, anóxicos, e anaeróbios. No seletor aeróbio a energia necessária para o armazenamento do substrato orgânico é proveniente da oxidação e de parte do substrato com fornecimento de oxigênio externo. No seletor anóxico, na ausência de oxigênio dissolvido o oxigênio necessário é retirado do nitrato, ocorrendo então uma desnitrificação. No seletor anaeróbio a energia necessária é obtida a partir da hidrólise de polifosfatos armazenados nas células. Nos dois últimos casos a agitação na câmara seletora deve ser aquela apenas necessária para manter os sólidos em suspensão, o que pode ser conseguido com a instalação de misturadores tipo hélice, com baixa densidade de potência. Parâmetros de Dimensionamento São vários os parâmetros de interesse para o dimensionamento das câmaras seletoras, entre os quais sobressaem: a relação A/M, o tempo de contacto, a taxa de desnitrificação, a relação DQO solúvel removida/ NO3-N desnitrificado, etc. O carregamento da câmara seletora deve ser elevado para estimular o maior desenvolvimento dos organismos formadores de flocos, em detrimento dos filamentosos. A tabela 1 ( WANNER, 1994) indica as relações alimento/microorganismo reportadas na literatura para câmaras seletoras aeradas. A experiência francesa ( PUJOL e CANLER, 1994) reporta o carregamento do seletor variando entre 100 a 300 mg.dqo sol. /g.ssta.h, o que equivale a aproximadamente 6 a 18 kg DQO/kg SSVTA.d. Para câmaras seletoras anóxicas relações da ordem de 3 a 6 kg DBO/kg SSTA.d, aproximadamente 20 kg DQO/kg SSVTA.d, são propostas por JENKINS e DAIGGER (1990). Nos experimentos realizados por JORDÃO (1998) a faixa verificada para câmaras não aeradas foi da ordem de 4,9 a 8,4 kg DBO/kg SSTA.d e 9,2 a 15,6 kg DQO sol./ssvta.d. A tabela 2 ( WANNER, 1995) relaciona tempos de contacto indicados para as câmaras aeradas, na faixa de 10 a 18 minutos. Para as câmaras anóxicas, tempos de contacto da mesma ordem, de 10 a 20 minutos, têm sido indicados ( JENKINS e DAIGGER, 1990), coincidindo com os resultados de JORDÃO et al (1997) nos seus experimentos recentes, em que os tempos de contacto foram de 15 a 16 minutos.

6 Tabela 1 - Relações A/M em câmaras seletoras (WANNER, 1994) Fonte kg DBO/kg SSTA.d kg DQO/kg SSVTA.d Albertson, ,0 - ATV, relatório 2-6-1, ,0 - Chudoba e Wanner, 1989 > 3,0 20 Daigger e Nicholson, ,2-4,9 - Eikelboom, ,0-5,0 - Lee et al, >20 Linne et al, ,0-6,0 - van Niekerk et al, O entendimento que sugere tais tempos de contacto reduzidos, é de que as bactérias filamentosas possuem uma taxa específica de remoção de substrato muito mais baixa do que as formadoras de flocos, de forma que se os tempos de contacto forem muito longos aquelas terão iguais chances de se desenvolverem. Tabela 2 - Tempo de Contacto em Câmaras Seletoras (*) Fonte (*) Tempo de Contacto, min. Relatório ATV 2.6.1, Daigger et al, Eikelboom, Pujol, Rensink e Donker, 1992 >10 van Niekerk et al, (*) WANNER, 1994 Com o objetivo de evitar um inesperado crescimento de organismos filamentosos no reator aerado, após a câmara seletora, JENKINS e DAIGGER (1990) recomendam que o substrato solúvel na saída do seletor seja inferior a 60 mg/l DQO solúvel, valor que foi verificado nos experimentos brasileiros citados.

7 A partir desse dado é possível então verificar se há nitrato em quantidade suficiente no lodo retornado para satisfazer a remoção da DQO pela desnitrificação. Pode-se assim calcular a DQO solúvel removida, e com uma taxa de DQO solúvel removida por NO3 N desnitrificado (da ordem de 8 mg/mg), calcular a concentração de NO3 N requerido na linha de retorno de lodo. Se por exemplo, a DQOs afluente ao seletor é 100 mg/l (balanço de massa da DQO no esgoto bruto ou decantado e da DQO no lodo recirculado), e se a taxa de DQOsol. removida por NO3 N desnitrificado é de 8 mg/mg, o NO3 N trazido pelo lodo recirculado deve apresentar para a soma das vazões afluente e de lodo recirculado, pelo menos (100 60)/8 = 5 mg/l. Se esta concentração não for esperada, uma recirculação interna do esgoto do tanque de aeração deve ser realizada. Outra observação importante relativa ao comportamento do processo é verificada em relação às taxas de desnitrificação de organismos filamentosos e formadores de flocos de sistemas com seletores: os valores citados na literatura (valores médios da ordem de 4 mg. NO3 -N/ g.ssv.h) foram confirmados nas pesquisas recentes na ETE Ipiranga ( SAMPAIO e VILELA, 1993). Este valor, que equivale a cerca de 0,10 g.no 3 -N/ g.ssv.d é compatível com a velocidade de desnitrificação encontrada na literatura, de acordo com COSTA RODRIGUES (1993), tal como se verifica na tabela 3. Tabela 3 - Taxas de Desnitrificação Fonte g NO 3 -N/ g.ssv.d R.N. Dawson, K.L.Murphy 1,68 (1,06) T-20 USEPA 0,07 Y. Argaman 0,154 (1,2) T-20 J.Barnard, P.G.Meiring 0,086 (1,09) T-20 C.Bear, L.K.Wang 0,04 (1,06) T-20 Admitindo no nosso exemplo uma concentração de 2000 mg/l ( 2 g/l) de SSV no tanque de aeração, e a taxa de desnitrificação de 4 mg NO3-N /g.ssv.h, resulta uma taxa ou concentração necessária por hora de 4 x 2 = 8 mg NO3 -N /L.h. Para o exemplo dado em que a concentração de 5 mg NO3 -N /L alimenta o reator, este deve dispor de um tempo de contato de (5/8 x 60) = 37,5 minutos. Este é o tempo total do seletor, que se recomenda compartimentar em duas ou três câmaras, a primeira das quais será altamente carregada como se indicou. Para 2 câmaras com 19 minutos cada, com a concentração já vista de SSV = 2000 mg/l no reator, e uma concentração no esgoto decantado afluente de DBO = 120 mg/l, resulta a relação necessária de A/M = (120) / (2000 x 19) x (24 x 60) = 4,5 d - 1. Um outro aspecto importante a ser considerado no uso de seletores anóxicos, segundo CASEY et al (1994), é que o potencial de desnitrificação do total de câmaras anóxicas a montante do reator aerado seja suficiente para garantir a total desnitrificação do nitrato a elas afluente. Isto garantirá a ausência de NO 2 N,na passagem para o reator aeróbio, que é a fonte de NO intracelular, que inibe a atividade das bacterias formadoras de floco em condições aeróbias, segundo CASEY et al (1994).

8 I A Redução do IVL Os estudos realizados pelos especialistas citados, em particular por Jenkins e outros ( JENKINS e DAIGGER, 1990), mostram que índices volumétricos de lodo (IVL) inferiores a 100 ml/g têm sido obtidos quando se usa câmaras seletoras, resultando flocos pesados de boa sedimentação. Esta observação foi igualmente verificada nos ensaios realizados na ETE Ipiranga, São Paulo ( SAMPAIO e VILELA, 1993), obtendo-se no caso específico valor tão baixo como 50 ml/g. Nos experimentos da ETE Penha, Rio de Janeiro ( JORDÃO, 1998), o IVL retornou ao baixo patamar de 91 ml/g após a ocorrência de um intumescimento do lodo. A Figura 4 mostra para os experimentos realizados na ETE Penha, a variação do IVL ao longo do tempo, evidenciando claramente o benefício do seletor: nestes experimentos operou-se inicialmente sem câmara seletora (fase 2), depois com o seletor (fase 3), a seguir o seletor foi retirado (fase 4), quando ocorreu o intumescimento do lodo, elevando o IVL a 577 ml/g (valor médio para esta fase); a reintrodução do seletor (fase 5) fez retornar o IVL às condições anteriores (91 ml/g) e eliminou a presença de lodo intumescido, ocorrendo o fenômeno de recuperação após cerca de 20 dias, correspondendo a 2,5 vezes a idade do lodo. Este valor coincide com o indicado por PUJOL e CANLER, ( 1994), que reporta que um período de cerca de 2 a 3 vezes a idade do lodo para que o IVL se reduza adequadamente após a inserção de uma câmara seletora no processo de lodos ativados, e se mantenha então estável IVL(ml/g) V dia L Figura 4 Variação do IVL em experimentos com seletores, ETE Penha (JORDÃO, 1998) A tabela 4 mostra os organismos identificados filamentosos predominantes ao longo desses experimentos, relacionando com o IVL médio medido, e observações pertinentes ( JORDÃO, 1998). ( m

9 Tabela 4 Identificação dos Organismos Filamentosos, Organismos Predominantes, por Período, e IVL médio (Experimentos na ETE Penha, JORDÃO, 1998) Período IVL médio, ml/g Organismos identificados Observação 20/08 a 02/10/96 60 Sphaerotilus natans (*); Haliscomenobacter hydrossis; Tipo 0041 (*); Tipo Os microrganismos observados apresentam-se em pequena quantidade, formando a estrutura do floco e não estão interferindo na sedimentação do lodo 09/10 a 25/11/ Sphaerotilus natans (*); Haliscomenobacter hydrossis; Tipo 0041; Tipo 1701; Tipo 0803; Notoscoida limicola Durante o período houve um pequeno aumento na quantidade de organismos filamentosos, entretanto estes estão formando a estrutura do floco e não estão interferindo na sedimentação do lodo 02/12 a 16/12/ Thiothrix II (*); Tipo 021N; Sphaerotilus natans; Notoscoida limicola; Tipo A quantidade de organismos filamentosos aumentou significativamente, interferindo na sedimentação do lodo, e caracterizando o intumescimento do lodo. O organismo identificado como predominante durante este episódio foi o Thiothrix II 03/01 a 13/01/97 78 (*) - Organismo predominante Thiothrix II (*); Tipo 021N; Sphaerotilus natans; Notoscoida limicola; Durante o período a quantidade de organismos filamentosos diminuiu de modo a não mais interferir na sedimentação do lodo

10 Considerações Finais O dimensionamento do seletor deve prever uma compartimentação em duas ou três câmaras, de modo a submeter a primeira a uma elevada relação alimento-microorganismo, da ordem de 5 a 6 ou mais kg DBO/kg SSTA.d, como apresentado anteriormente. No caso da câmara anóxica, há que se prever também um tempo disponível para a total desnitrificação e suficiente para a remoção da DQO solúvel até o patamar em que se espera boas condições do lodo formado e respectivo IVL. A escolha entre o tipo de seletor, aerado ou não, deve ser função dos organismos e das características do esgoto em particular e da necessidade ou não de desnitrificação. A recomendação da realização de experimentos em nível de bancada ou protótipo é válida para definir as melhores condições de projeto. É interessante optar pelo dimensionamento do seletor como anóxico, mas prever a possibilidade de torná-lo aeróbio, pela simples introdução de aeração na câmara seletora. Nesse caso se deverá projetar a câmara seletora com um ou mais aeradores superficiais, ou com domos de ar difuso no fundo. Os dispositivos de aeração (mecânica ou por ar difuso) são calculados de forma a suprir o oxigênio necessário ao processo biológico. No caso de aeração superficial mecânica, o aerador é simplesmente não utilizado quando o seletor opera como anóxico. No caso de aeração por ar difuso, a alimentação de ar para os domos na câmara anóxica é igualmente fechada quando o reator é anóxico, e aberta quando aeróbio. Vale lembrar que não se deve utilizar domos cerâmicos porosos na zona de seletores, que certamente se colmatariam pela ação dos sólidos em suspensão na câmara; a recomendação é no sentido do uso de domos de cobertura flexível, garantindo a estanqueidade do sistema de alimentação de ar no período de comportamento anóxico do seletor. Nos últimos anos verificou-se um grande desenvolvimento na tecnologia dos domos de cobertura flexível, apropriados a este tipo de aplicação. Embora altamente vantajosos, sua vida útil ainda não está de todo bem estabelecida. A agitação necessária à câmara pode ser obtida pela ação de misturadores submersíveis, instalados nas paredes do reator, ou por agitadores de eixo vertical tipo turbina. Esses equipamentos e misturadores devem manter um nível de agitação de pelo menos 10 W/m3 de tanque. A introdução de uma câmara seletora precedendo os reatores de um sistema de lodos ativados é assim eficaz em eliminar as condições de intumescimento filamentoso, ocorrendo a resposta em um período de cerca de 2,5 a 3 vezes a idade do lodo. Parâmetros de literatura, internacionais, e os conhecidos em nosso país, permitem um dimensionamento da câmara seletora com confiança, como abordado no corpo do trabalho.

11 Bibliografia Casey,T.G.; Wentzel,M.C.; Ekama,G. A.; Loewenthal,R.E.; Marais,GvR. A Hypotesis for the Causes and Control of Anoxic-Aerobic ( AA ) Filament Bulking in Nutrient Removal Activated Sludge Systems- Wat. Sci. Tech. Vol 29, No. 7, pp , Costa Rodrigues, J.M. Seletores, relatório interno, Hidroservice Engenharia, 1993 Jenkins,D; Daigger,G The Use of Selectors for Control of Activated Sludge Bulking, Annual Conference, Michigan Water Pollution Control Association, 1990 Jordão, E.P. Pesquisas Visando Melhorias Operacionais no Processo de Lodos Ativados; Escola Politécnica, Universidade de São Paulo, 1998 Jordão, E.P., Além Sobrinho, P., e outros Uso de Câmara Seletora na Operação de um Sistema de Lodos Ativados Estudo em Escala Piloto; ABES, 1997 Pujol,R; Canler, J.P. Contact Zone: French Practice with Low F/M Bulking Control; Water Science Technology, 29,7, 1994 Sampaio, A.O; Vilela,J.C.- Utilização de Seletores para o Controle de Intumescimento Filamentoso em Processos de Lodos Ativados, Programa em Escala Real; ABES, 1993 Wanner, J.- Activated Sludge Bulking and Foaming Control, Lancaster-Basel, 1994