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1 TRATAMENTO DE ÁGUAS RESIDUÁRIAS DE SUINOCULTURA EM REATORES ANAERÓBIOS OPERADOS EM BATELADA SEQÜENCIAL (ASBR), EM SÉRIE: EFEITO DA MISTURA E DA CARGA ORGÂNICA VOLUMÉTRICA Duda, R.M.* 1 ; Oliveira, R.A de 2 ; Gomes, M.J.C. 1 Engª Química, Doutoranda em Microbiologia Agropecuária; UNESP, Jaboticabal/SP, roseduda@fcav.unesp.br. 2 Eng.º Agrônomo e Tecnólogo em Construção Civil; Doutor em Engenharia Civil (Hidráulica e Saneamento) pela Escola de Engenharia, USP, São Carlos; Professor Assistente Doutor, Departamento de Engenharia Rural, UNESP, Jaboticabal; Tel: (16) ; oliveira@fcav.unesp.br 3 Zootecnista pela UNESP, Jaboticabal/SP Resumo Neste trabalho avaliou-se o efeito da mistura e da carga orgânica volumétrica no desempenho de dois reatores anaeróbios operados em batelada seqüencial (ASBR- Anaerobic Sequencing Batch Reactor ), instalados em série, em escala piloto (volumes de 280 L e 140 L, respectivamente) no tratamento de águas residuárias de suinocultura. As cargas orgânicas volumétricas (COV) aplicadas no primeiro reator foram de 2,54 e 6,09 g DQO total / L d e de 2,07 e 6,12 g DQO total / L d para os ensaios com mistura e sem mistura, respectivamente, durante a fase da reação nos ASBR. As eficiências médias de remoção da demanda química de oxigênio total (DQO total ), sólidos suspensos totais (SST), nitrogênio total kjedahl (NTK) e fósforo total (P-total) variaram de 70 a 95%, de 81 a 93%; 25 a 39% e de 35 a 65%, respectivamente, no sistema de tratamento anaeróbio. Para as COV de 2,54 e 2,07 g DQO total / L d foram observados as maiores eficiências de remoção de DQOtotal, DQOdiss, SST, SSV, P-total, Zn e Cu. Com a utilização da mistura foi observado aumento nas eficiências de remoção de matéria orgânica e nutrientes para as menores COV aplicadas. Palavras-chave: ASBR; carga orgânica volumétrica. 520

2 TREATMENT OF SWINE WASTEWATER IN ANAEROBIC SEQUENCING BATCH REACTORS (ASBR), IN SERIES: EFFECT OF THE MIXTURE AND OF THE ORGANIC LOAD RATE Abstract In this study, the effect of the mixture and the organic load rate (OLR) were evaluated, in two anaerobic sequencing batch reactors (ASBR), installed in series, in pilot scale (volumes of 280 L and 140 L, respectively), for the treatment of swine wastewater. The organic load rate (OLR) applied in the first reactor were 2.54 and 6.09 g total COD / L d and 2.07 and 6.12 g total COD / L d for the assays with mixture and without mixture, respectively, during the reaction phase in ASBR. The removal efficiencies of the total oxygen chemical demand (totalcod), total suspended solids (TSS), total kjedahl nitrogen (TKN) and total phosphorus (total-p) varied from 70 to 95%, 81% to 93%; 25 to 39% and 35 to 65%, respectively, in the anaerobic treatment system. For COV of 2.54 and 2.07 g total COD / L d the higher efficiencies of removal were observed in total COD, TSS, VSS, total-p-, Zn and Cu. With the use of the mixture, an increase was observed in the organic matter and nutrients removal efficiencies, for the lowest COV applied. Key-words: ASBR, organic load rate. Introdução A suinocultura é uma das atividades mais importantes do complexo agropecuário brasileiro, por ser predominantemente desenvolvida em pequenas propriedades rurais e em áreas com limitações topográficas para o estabelecimento de lavouras extensivas (MEDRI & MEDRI, 2004). As águas residuárias produzidas nestas propriedades rurais têm altas concentrações de matéria orgânica e também são ricas em nutrientes, como o nitrogênio e o fósforo, mas a maior parte delas não é usada como fertilizante no solo, devido ao grande volume e a pouca área disponível para a aplicação e contêm coliformes fecais e metais (Cu, Mn, Zn e Fe) em grandes quantidades, que podem restringir a sua aplicação na irrigação de culturas agrícolas. O tratamento anaeróbio pode ser utilizado como alternativa para reduzir o poder poluente de águas residuárias de suinocultura e, ao mesmo tempo, os subprodutos resultantes desse processo (biogás e efluente estabilizado) podem ter aplicação direta na propriedade rural. Para o tratamento anaeróbio de águas residuárias da criação de animais, o reator anaeróbio operado em batelada seqüencial (ASBR) pode ser adotado, em razão das vantagens que esse sistema apresenta em relação aos reatores contínuos convencionalmente utilizados, como a eliminação da sedimentação secundária, boa retenção de biomassa, operação simples e flexibilidade (SHIZAS & BAGLEY, 2002; CLEO & HANSEN, 2008), e pela possibilidade da operação intermitente com adaptação às fases produtivas dos animais. Cada seqüência (ciclo de operação) do ASBR inclui quatro etapas distintas, realizadas em uma única unidade: alimentação, reação, sedimentação e descarte. A 521

3 mistura durante a etapa da reação é necessária para melhorar o contato entre a biomassa e o substrato, mas não deve ser intensa, para evitar danos a biomassa granular e as suas características de sedimentação (ZHANG et al., 1997 e RODRIGUES et al., 2003). Portanto o objetivo deste trabalho foi a avaliação do efeito da mistura e da carga orgânica volumétrica no tratamento de águas residuárias de suinocultura em reatores ASBR, em série. Material e Métodos A unidade experimental utilizada para o tratamento secundário das águas residuárias de suinocultura foi constituída por uma bomba centrífuga, um depósito de dejetos de suínos (afluente), dois reatores operados em batelada seqüencial (ASBR), em escala piloto, instalados em série. Para o monitoramento da produção de biogás foram instalados gasômetros. Os reatores anaeróbios operados em batelada seqüencial foram construídos com rígido de policloreto de vinila (PVC) com diâmetros de 500 e 400 mm, com volume total de 280 L e 140 L, para o primeiro e segundo reatores, respectivamente (Figura 1). O volume reservado para a acumulação de gás na parte superior dos ASBR foi adotado como 14% do volume total dos reatores (40 L e 20 L para o R1 e R2, respectivamente). Nos ASBR (R1 e R2) foram instalados sistemas de agitação mecânica, compostos por 3 impelidores, eixo e moto-redutor, com acionamento intermitente. O experimento foi dividido em 4 ensaios, variando-se o tempo de detenção hidráulico (TDH) e a carga orgânica volumétrica (COV) nos ASBR (R1 e R2), conforme descritos na Tabela 1. Durante a etapa de reação, o sistema de mistura foi acionado intermitentemente (15 minutos/h), com rotações de 35 rpm no R1 e no R2, nos ensaios 1 e 3. Nos ensaios 2 a 4 não foi utilizado a mistura. Nas amostras dos afluentes e efluentes dos ASBR foram determinados a demanda química de oxigênio total (DQO total ), demanda química de oxigênio dissolvida (DQO diss ), sólidos suspenso totais (SST), sólidos suspensos voláteis (SSV), nitrogênio total Kjeldalh (NTK), fósforo total (P-total), Zn e Cu. O volume de biogás produzido foi monitorado diariamente por meio de medidas em gasômetros, e a composição do biogás foi analisada semanalmente em cromatografia gasosa. As determinações foram realizadas conforme descrito por Standard Methods for the Examination of Water and Wastewater (1998). Resultados e Discussão A temperatura média do ar foi de 25,2; 24,9; 20,5 e 24,0, nos ensaios 1, 2, 3 e 4, respectivamente. Os valores médios da DQO total no afluente foram de ; ; e mg L -1 nos ensaios 1, 2, 3 e 4, respectivamente (Tabela 2). Para as menores cargas orgânicas volumétricas (COV) de 2,54 e de 2,07 g DQOtotal / (L d), nos ensaios 1 e 2, respectivamente, foram observadas eficiências de remoção para o sistema (R1 + R2) superiores a 81; 79; 87; 86; 58; 82 e 84% para a DQOtotal, DQOdiss; SST; SSV; NTK; P-total; Zn e Cu, respectivamente. Com o aumento da COV para 6,09 e 6,12 g DQOtotal / (L d), os ensaios 3 e 4, observou-se 522

4 eficiências de remoção para o sistema (R1+R2) inferiores a 77; 70; 82; 82; 39; 55; 69 e 73% para a DQOtotal, DQOdiss; SST; SSV; NTK; P-total; Zn e Cu, respectivamente. A utilização da mistura influenciou positivamente as eficiências de remoção de DQO, sólidos suspensos e nutrientes no ensaio 2, com COV de 2,07 g DQOtotal / (L d). Para COV de 6,09 g DQOtotal / (L d) no ensaio 3, com a utilização da mistura observou-se decréscimo nas eficiências de remoção de DQOtotal, DQOdiss, SSV; P-total e Cu (Tabela 2) Nos ensaios 2 e 4, sem a utilização da mistura, observaram-se produções volumétricas de metano para o sistema (R1+R2) de 0,378 e 0,192 m 3 CH 4 /m 3 reator d, respectivamente, superiores as observadas nos ensaios 1 e 3, de 0,167 e 0,131 m 3 CH 4 /m 3 reator d, respectivamente, com a utilização da mistura (Tabela 2). Os valores médios dos números de coliformes termotolerantes no afluente variaram de 9,5x10 6 a 1,2x10 6 NMP/100mL. No efluente os coliformes termotolerantes variaram de 3,9 x 10 3 a 1,4 x 10 4 NMP/100 ml (Tabela 2). Conclusões Nos ASBR com as menores COV (2,54 e 2,07 g DQOtotal / L d) as eficiências de remoção de DQO total e SST foram de até 95% para o sistema de tratamento (R1 + R2). A mistura mecânica proporcionou aumento as eficiências médias de remoção de DQO, sólidos e nutrientes com COV de 2,54 g DQOtotal /L d. Para COV de 6,09 g DQOtotal /L d observou-se um efeito negativo da mistura. Agradecimentos CAPES, FAPESP e a Tigre S. A. pelo apoio financeiro. Literatura Citada Cheong, D. Y. & Hansen, C. L. (2008). Effect of feeding strategy on the stability of anaerobic sequencing batch reactor responses to organic loading conditions. Bioresource Technology, 99, Rodrigues, J.A.D.; Ratusznei, S.M.; Camargo, E.F.M.; Zaiat, M. (2003). Influence of agitation rate on the performance of an anaerobic sequencing batch reactor containing granulated biomass treating low-strength wastewater. Advances in Environmental Research, 7, Shizas, I.; Bagly, D. M. (2002). Improving anaerobic sequencing reactor performance by modifying operational parameters. Water Research, Oxford, 36, Standard Methods for the Examination of Water and Wastewater (1998). 20th edn, American Public Health Association/American Water Works Association/Water Environment Federation,WashingtonDC,USA. 523

5 Zhang, R. H.; Yin, Y.; Sung, S.; Dague, R. R. (1997). Anaerobic Treatment of swine waste by the anaerobic sequencing batch reactor. Transactions of the ASAE, St. Joseph, 40, biogás 500 ASBR (R1) 400 efluente biogás ASBR (R2) 1380 efluente 360 afluente corte sem escala cotas: mm Figura 1. Representação esquemática do sistema de tratamento anaeróbio estágios com reatores ASBR em série, em escala piloto. Tabela 1. Tempo de detenção hidráulico, carga orgânica volumétrica e distribuição dos tempos do ciclo operacional nos reatores ASBR (R1 + R2). Ensaio 1 Ensaio 2 Ensaio 3 Ensaio 4 c/ mistura s/mistura c/ mistura s/mistura Tempo de detenção hidráulica do R1 (h) 144,0 144,0 57,6 57,6 Tempo de detenção hidráulica do R2 (h) 72,0 72,0 28,8 28,8 Carga orgânica volumétrica no R1 (g DQOtotal/L d) 2,54 2,07 6,09 6,12 Carga orgânica volumétrica no R2 (g DQOtotal/L d) 0,67 0,68 7,50 4,06 Tempo do ciclo (h) Volume de alimentação por ciclo (L)

6 Tabela 2. Valores médios das eficiências de remoção da DQO total, DQO diss, SST, SSV, NTK, P-total, Zn e Cu para o sistema de tratamento anaeróbio em dois estágios com os reatores ASBR (R1 e R2) em série, nos ensaios 1, 2, 3, 4. Parâmetros Ensaio 1 Ensaio 2 Ensaio 3 Ensaio 4 Média c.v. Média c.v. Média c.v. Média c.v. Temperatura média do ar (ºC) 25,2-24,9-20,5-24,0 - COV R1 2, , , ,12 40 (gdqo total /(L d)) R2 0, , , ,06 55 DQO total DQO diss SST SSV (mg L -1 ) NTK P-total Zn Cu Afluente Efluente R Eficiência (R1+R2) % Afluente Efluente R Eficiência (R1+R2) % Afluente Efluente R Eficiência (R1+R2) % Afluente Efluente R Eficiência (R1+R2) % Afluente Efluente R Eficiência (R1+R2) % Afluente Efluente R Eficiência (R1+R2) % Afluente 7,0 41 9,5 34 6,8 68 7,5 30 Efluente R2 0,3 64 3, , ,6 39 Eficiência (R1+R2) % Afluente 1, ,8 81 1,3 50 Efluente R2 1, , , ,6 139 Eficiência (R1+R2) % 99 0, Produção volumétrica de R1 0, , , , CH 4 (m 3 CH 4) /(m 3 reator d) R1 + R2 0, , , , Coliformes Afluente 6,0x10 4 9,5x10 6 1,2x10 6 7,4x10 6 termotolerantes (NMP/100mL) Efluente R2 3,9x10 3 1,4x10 4 1,3x10 4 5,5x10 3 COV- carga orgânica volumétrica, DQO total demanda química de oxigênio total; DQO diss demanda química de oxigênio dissolvida; SST sólidos suspensos totais; SSV sólidos suspensos voláteis; NTK nitrogênio total Kjeldalh, P-total, c.v. coeficiente de variação. 525