VIABILIDADE TÉCNICA E ECONÔMICA DO DIGESTOR ANAERÓBIO DE FLUXO ASCENDENTE (UASB) NO SISTEMA ANAERÓBIO / AERÓBIO

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1 VIABILIDADE TÉCNICA E ECONÔMICA DO DIGESTOR ANAERÓBIO DE FLUXO ASCENDENTE (UASB) NO SISTEMA ANAERÓBIO / AERÓBIO Mônica de Amorim Coura (1) Mestre em Engenharia Civil pela Universidade Federal da Paraíba, Professora adjunta do Departamento de Engenharia Civil do Centro de Ciências e Tecnologia da UFPB. Doutoranda em Recursos Naturais na UFPB. Adrianus C. van Haandel Doutor em Engenharia Civil (Cidade do Cabo, África do Sul), Pós doutor em Tecnologia Ambiental (Wagenigen, Holanda). Professor do Curso de Pós Graduação em Engenharia Sanitária e Ambiental e do Curso de Doutorado em Recursos Naturais na UFPB em Campina Grande, Consultor. Endereço (1) : Área de Engenharia Sanitária /DEC/CCT/UFPB - Rua Aprígio Veloso, Bodocongó - Campina Grande - PB - CEP: Brasil - Tel: (083) prosab@cgnet.com.br RESUMO O uso integrado de reatores anaeróbios de fluxo ascendente (UASB) e sistemas de lodo ativado promete representar uma alternativa viável para sistemas híbridos de tratamento (Anaeróbio/Aeróbio). O UASB como unidade de pre-tratamento, além de possibilitar uma redução do tamanho dos reatores e do consumo de energia para aeração do sistema de lodo ativado, oferece também condições de digerir o lodo de excesso aeróbio, tendo-se um volume total de reatores muito menor e mantendo-se a qualidade do efluente do sistema convencional de lodo ativado. Nesta pesquisa, apresenta-se o desempenho do UASB como unidade de pre-tratamento e de digestor de lodo em sistemas anaeróbio/aeróbio. Descreve-se uma metodologia de operação de reatores UASB para o tratamento do lodo de excesso aeróbio no tratamento anaeróbio/aeróbio. Os dados experimentais exibiram uma remoção de DQO de 60% para o UASB e de 83% para o sistema anaeróbio/aeróbio. O balanço de massa do sistema anaeróbio/aeróbio mostrou que a energia utilizada na aeração é 50% inferior a dos sistemas convencionais de lodo ativado sendo ainda possível gerar esta energia a partir da combustão do biogás. PALAVRAS-CHAVE: Tratamento Anaeróbio-Aeróbio, Pós-tratamento, UASB-Lodo Ativado, Tratamento Anaeróbio, Digestão Anaeróbia. 20 o Congresso Brasileiro de Engenharia Sanitária e Ambiental 973

2 INTRODUÇÃO O reator anaeróbio de fluxo ascendente UASB é um sistema bastante utilizado no tratamento das águas residuárias para a remoção da matéria orgânica. No entanto, o efluente de um digestor anaeróbio geralmente não atende aos padrões da legislação local sobre a qualidade mínima do efluente, sendo necessária a adição de um pós-tratamento para remoção da matéria orgânica residual, dos SST, da concentração de nutrientes e de organismos patogênicos. Os sistemas de lodo ativado promovem uma excelente remoção de matéria orgânica, SST e nutrientes. No entanto, são bastante onerosos pois necessitam de muita energia para aeração e de unidades adicionais de adensamento e digestão de lodo, além de produzirem muito lodo e de baixa concentração e alto grau de instabilidade. Sistemas anaeróbio/aeróbio, constituídos de reatores UASB como unidades de prétratamento parecem ser uma alternativa viável para o tratamento dos esgotos por produzirem a mesma qualidade dos sistemas de lodo ativado convencionais e serem menos onerosos. O UASB reduz a carga orgânica afluente possibilitando menor aeração no sistema de lodo ativado além de digerir o lodo aeróbio e produzir um menor volume de lodo de excesso. Neste trabalho, apresenta-se o desempenho de um sistema anaeróbio/aeróbio, uma metodologia para a descarga de lodo de reatores UASB e mostra-se a viabilidade do UASB como unidade de pré-tratamento. MATERIAIS E MÉTODOS Descrição do Sistema Operacional A investigação experimental foi realizada no período de agosto a dezembro de 98, sendo que a coleta de dados teve duração de sete semanas; iniciou em 21 de outubro e terminou em 12 de dezembro. O sistema operacional utilizado foi constituído de duas unidades; uma anaeróbia e outra aeróbia montadas em escala piloto. A parte anaeróbia era um digestor anaeróbio de fluxo ascendente (UASB) e a aeróbia um sistema de lodo ativado (Bardenpho). A figura 1 mostra a representação esquemática do sistema. O reator UASB foi construído com tubos PVC, altura de 2,0 metros e volume útil de 60 litros. Para o sistema de lodo ativado foram utilizados baldes de plástico como reatores e como decantador uma estrutura cilíndrica em fibra de vidro afunilada na parte inferior. Os reatores do sistema de lodo ativado foram montados em série na seqüência: anóxico, aeróbico e anóxico e tinham volumes de 25,5, 25,7 e 25,5 litros respectivamente. Para promover a mistura, em cada reator foi colocado um motor tipo limpador de para-brisa de caminhão. O decantador com diâmetro de 0,50 metros, teve como raspador de lodo um sistema de metal e borracha que girava lentamente através de um motor também de limpador de para-brisa de caminhão acoplado a um redutor de velocidade. A aeração no 20 o Congresso Brasileiro de Engenharia Sanitária e Ambiental 974

3 reator aeróbio era similar à utilizada em aquários. Mangueiras de plástico foram utilizadas para todas as conexões e, sifões invertidos foram usados para o controle dos níveis nos reatores. Figura 1: Representação esquemática do sistema Anaeróbio/Aeróbio. Procedimento Operacional Inicialmente o UASB foi inoculado com lodo anaeróbio e alimentado com esgoto bruto bombeado do emissário da cidade de Campina Grande, por uma bomba dosadora que fornecia uma vazão de 7,5 l/h e possibilitava um tempo de detenção hidráulica de 8 horas. Quando o UASB atingiu o estado estacionário (constância na concentração de lodo no reator), foi retirado todo o conteúdo do reator, homogeneizado, descartado 50% e reiniciada a operação com apenas metade da massa de lodo. Esta operação ficou então sendo realizada semanalmente. O sistema de lodo ativado foi iniciado com lodo aeróbio e alimentado com uma vazão de 15 l/h, sendo 50% (7,5 l/h) o efluente do UASB e 50% o esgoto bruto bombeado por outro canal da bomba que alimentava o UASB. O sistema foi operado com uma idade de lodo de 9 dias sendo para isso descarregados diariamente do reator aeróbio 8,6 litros de lodo de excesso. Como apenas 1/3 do lodo permanecia num ambiente aeróbio, a idade de lodo do reator aeróbio era de 3 dias. Todos os dias à mesma hora 8,6 litros do licor misto eram retirados do sistema de lodo ativado e adicionados manualmente ao UASB através de uma caixa de alimentação acoplada à tubulação de esgoto bruto afluente. 20 o Congresso Brasileiro de Engenharia Sanitária e Ambiental 975

4 Para evitar que os sólidos expulsos do reator UASB (fato normal nos reatores anaeróbios) entrassem no sistema de lodo ativado e para um mais rigoroso controle do crescimento de lodo, foi utilizada uma caixa de passagem para o efluente anaeróbio. Os sólidos ali retidos eram medidos e analisados semanalmente sendo em seguida descartados. Esta caixa, tinha o dobro da área do UASB e portanto o líquido nela tinha metade da velocidade ascensional. A massa de sólidos acumulada era muito pequena, não chegava a 10% da massa do reator. Embora no presente trabalho seja avaliado o tratamento secundário do esgoto bruto e o tratamento do lodo de excesso aeróbio na unidade de pré-tratamento anaeróbio (UASB), foi utilizado o sistema de lodo ativado Bardenpho para o posterior estudo comparativo da remoção de nutrientes no sistema anaeróbio/aeróbio. A tabela 1 apresenta as características operacionais do sistema. Tabela 1: Características operacionais do sistema experimental. Sistema Idade de lodo TDH Vazão Afluente (d) (h) (l.d -1 ) UASB Lodo ativado 3(reator aeróbio) 5, (sistema) Anaer./Aerób. - 13,1 360 Parâmetros Analisados A coleta das amostras para análise dos parâmetros físico-químicos iniciou apenas quando todo o Sistema estabilizou e teve duração de 7 semanas. A tabela 2 apresenta os parâmetros analisados, os pontos de amostragem e a freqüência. Tabela2: Parâmetros analisados, Pontos de amostragem e Freqüência. Pontos de Amostragem Freqüência Parâmetros Afluente Bruto Semanal SST, SSV, ph, T, AlC, AGV 5/Semana DQO Aleatória DBO Efluente do UASB Semanal SST, SSV, ph, T, AlC, AGV, DQO Aleatória DBO Efluente do Decantador Semanal SST, SSV, ph, T, AlC, AGV, DQO Aleatória DBO Lodo do UASB Semanal SST, SSV, ph, T Lodo da Caixa de Passagem Semanal SST, SSV, ph, T do efluente do UASB Reator Aeróbio Semanal SST, SSV, ph, T, ALC 5/semana TCO TCO= Taxa de Consumo de Oxigênio; T = Temperatura do esgoto bruto Todas as análises seguiram as técnicas padrões do Standard Methods for the Examination of Water and Waste Water, 19 a edição. Os sólidos suspensos do licor misto e do lodo do UASB foram separados dos sólidos dissolvidos por centrifugação. 20 o Congresso Brasileiro de Engenharia Sanitária e Ambiental 976

5 APRESENTAÇÃO DOS RESULTADOS E DISCUSSÃO Material Orgânico Os valores médios, máximos, mínimos e o desvio padrão dos parâmetros físico químicos analisados estão apresentados na tabela3. Tabela 3: Parâmetros Físico Químicos : médias, desvio padrão, máximo e mínimo. Parâmetros Unidade EB UASB Aeróbio Decantador PH - 7,37 ± 0,05 7,32-7,45 0 C 31 ± 2, DQO mg..l ± Temperatura DBO mg..l ± SST mg..l ± SSV mg..l ± 75 Alc.Tot. mg.caco 3.l - -1 Alc.Bicarb. mg.caco 3.l - -1 Alc.Ac.Vol. mg.caco 3.l ± ± ± AGV mg.hac 162 ± ,71 ± 0,06 6,59-6,77 25,7 ± 0, ± ± ± ± ± ± ± ± ,4 ± 0,07 7,32-7,5 26 ± 0,88 25,5-28 TCO mg..l -1.h ± 5, ,49 ± 0,13 7,24-7,59 25 ± ± ± ± ± ± ± ± ± ± ± ± 4 18 ± ± 9 36 ± O esgoto bruto apresentou uma DQO média de 742mg/l, valor considerado alto para a região e que foi devido ao racionamento de água na cidade. A temperatura média do esgoto bruto foi = 30 0 C. As variações de DQO ao longo do sistema anaeróbio/aeróbio durante o período de operação são apresentadas na Tabela 4 e ilustradas na Figura 2. As concentrações de DQO ao longo do Sistema anaeróbio/aeróbio mostram um comportamento estável durante todo o experimento. Considerando as concentrações afluente e efluente, as remoções médias de DQO foram : 60% para o UASB, 76% para o sistema de lodo ativado e 83% para o sistema anaeróbio/aeróbio. 20 o Congresso Brasileiro de Engenharia Sanitária e Ambiental 977

6 Tabela4: Variações da DQO no Sistema Anaeróbio/Aeróbio. Semanas EB UASB UASBf DEC DECf (mg.l -1 ) (mg.l -1 ) (mg.l -1 ) (mg.l -1 ) (mg.l -1 ) média Figura 2: Concentrações de DQO no sistema anaeróbio/aeróbio. DQO (mg/l) Semanas EB UASB UASBf DEC DECf A Tabela 5 apresenta as cargas orgânicas aplicadas ao UASB e a Tabela 6 a remoção de DQO no UASB considerando as concentrações de esgoto bruto afluente e efluente e a carga orgânica total aplicada. Tabela 5: Cargas orgânicas aplicadas ao UASB. Semanas Esgoto Bruto Reator Aeróbio Total Volumétrica (g.dqo.dia -1 ) (g.dqo.dia -1 ) (g.dqo.dia -1 ) (Kg.DQO.m -3.dia -1 ) 1 127,62 62,85 190,47 3, ,28 59,6 175,88 2, ,7 57,23 176,93 2, ,34 74,33 211,67 3, ,36 87,54 213,9 3, ,24 105,24 279,48 4, ,38 75,26 208,64 3,48 Média 133,56 74,58 208,14 3,47 20 o Congresso Brasileiro de Engenharia Sanitária e Ambiental 978

7 Tabela 6: Eficiência de remoção de DQO no UASB. Semanas % de Remoção % de Remoção (Concentração EB/UASB) (Carga Afluente/efluente) Média O UASB apresentou uma remoção de DQO de 60% em relação a DQO do esgoto bruto ( concentração afluente e efluente) e uma remoção de 70% em relação á carga total aplicada ( esgoto bruto e lodo aeróbio). O Sistema Anaeróbio/Aeróbio exibiu um efluente com DQO média de 128 mg/l e DBO de 32mg/l. A tabela 7 apresenta o balanço de massa do sistema anaeróbio/aeróbio. O balanço mostra que 17% do material orgânico afluente deixa o sistema como efluente, 24% sai como lodo de excesso,32% é digerido e apenas 23% é oxidado. O valor geral de 96% é considerado bom e indica que o sistema foi operado bem. A fração de 0,23 para o material oxidado é o principal fator em termos econômicos relacionados com gastos energéticos. É interessante comparar essas frações com os valores de um sistema convencional de lodo ativado com um digestor anaeróbio de lodo. Para as condições de temperatura e idade de lodo acima e adotando-se frações não biodegradáveis e solúvel e particulada de fus=0,17 e fup=0,13 (obtidas de trabalhos anteriores), o modelo de Marais e Ekama (1976) dá os seguintes resultados: fração da DQO no efluente mste=0,17, fração da DQO oxidada mso=0,52 e fração da DQO no lodo de excesso msx=0,32. Ao se aplicar digestão anaeróbia de lodo para a fração ativa de lodo (0,35) estima-se a fração digerível de lodo em 29% (Araújo, Catunda e Van Haandel,1998). Assim uma fração digerida de msd = 0,29 x 0,32 = 0,09 e uma fração de lodo estabilizado de 0,22. Os valores numéricos indicam que os dois sistemas produzem frações semelhantes de DQO no efluente (mste=0,17) e lodo de excesso (msx=0,24 para anaeróbio/aeróbio e 0,22 para lodo ativado convencional). Por outro lado no sistema anaeróbio/aeróbio a fração digerida (msd=0,32) é muito maior que no sistema convencional (msd=0,09) e a fração da DQO oxidada no sistema anaeróbio/aeróbio (mso=0,23) é muito menor que no sistema de lodo ativado convencional (mso=0,52). Pode-se demonstrar inclusive que o sistema anaeróbio/aeróbio é capaz de gerar energia em quantidade mais que suficiente para atender à demanda para a aeração, ao contrário do sistema convencional onde o potencial de produção de energia é insignificante. Conclui-se que os custos operacionais do sistema anaeróbio/aeróbio são muito mais baixos do que os do sistema convencional de lodo ativado. 20 o Congresso Brasileiro de Engenharia Sanitária e Ambiental 979

8 Tabela 7: Balaço de massa do sistema anaeróbio/aeróbio. Semanas mste msx msd moc Bo 1 0,11 0,24 0,26 0,22 0,83 2 0,23 0,27 0,13 0,25 0,88 3 0,18 0,24 0,3 0,25 0,97 4 0,18 0,22 0,28 0,22 0,9 5 0,11 0,24 0,41 0,25 1,01 6 0,21 0,19 0,48 0,19 1,07 7 0,19 0,28 0,35 0,21 1,03 Média 0,17 0,24 0,32 0,23 0,96 Desv.Pad. 0,05 0,03 0,11 0,02 0,09 Máximo 0,23 0,28 0,48 0,25 1,07 Mínimo 0,11 0,19 0,13 0,19 0,83 mste -fração de massa de DQO afluente que sai no efluente msx -fração de massa de DQO afluente que sai no lodo de excesso msd -fração de massa de DQO afluente digerida moc -fração de massa de DQO afluente oxidada Massa de Lodo A Tabela 8 apresenta os parâmetros utilizados na descarga de lodo e a idade de lodo do UASB durante todo o experimento. A metodologia de descarga descrita no procedimento operacional proporcionou uma idade de lodo média no UASB de 13,8 dias. Quanto a composição do lodo digerido determinouse SSV/SST = 0,74 Tabela 8: Parâmetros de descarga de lodo. Semanas Qreator Qcaixa Xcaixa Xreator Rs (l.dia -1 ) (l.dia -1 ) (KgSS.l -1 ) (KgSS.l -1 ) (dia) 1 4,286 0,571 0, , ,85 2 4,286 0,429 0, , ,89 3 4,286 0,571 0, , ,82 4 4,286 0,714 0, , ,60 5 4,286 0,429 0, , ,89 6 4,286 0,429 0, , ,86 7 4,286 0,571 0, , ,77 Média 4,286 0,531 0, , ,81 A tabela 9 apresenta o parâmetros de massa do UASB. A produção diária de lodo foi de 0,058Kg.SST.d -1 e 0,048 Kg SSV.d -1. A produção específica de lodo foi 0,28 considerando SST e 0,21 considerando SSV por Kg de DQO aplicada. 20 o Congresso Brasileiro de Engenharia Sanitária e Ambiental 980

9 Tabela 9: Parâmetros de massa do UASB. Semanas Produção de Lodo Produção de lodo Produção específica de lodo total produção específica de lodo volátil (g SST.d -1 ) (g SSV.d -1 ) (Kg SST.KgDQO -1 ) (Kg SSV.KgDQO -1 ) 1 43,764 33,569 0,230 0, ,066 41,327 0,330 0, ,191 33,621 0,238 0, ,054 33,770 0,241 0, ,734 46,609 0,298 0, ,226 51,274 0,244 0, ,004 57,281 0,374 0,275 Média ,28 0,21 CONCLUSÕES Operou-se um sistema Anaeróbio/Aeróbio composto de um reator UASB (60 l) e um Sistema de Lodo Ativado (77 l), usando-se o reator UASB para tratar metade da vazão de 360 l/d de esgoto bruto e o lodo gerado no Sistema de Lodo Ativado, obtendo-se as seguintes frações da DQO afluente: (1) fração no efluente =0,17; (2) fração no lodo estabilizado = 0,24; (3) fração oxidada = 0,23 e (4) fração digerida = 0,32. Uma análise do Sistema de Lodo Ativado com digestor de lodo convencional sob condições equivalentes prevê as seguintes frações: (1) fração no efluente = 0,17; (2) fração no lodo estabilizado = 0,22; (3) fração oxidada = 0,52 e (4) fração digerida = 0,09. O sistema anaeróbio/aeróbio portanto é equivalente ao sistema convencional de lodo ativado no que concerne a qualidade do efluente e à produção de lodo, mas a fração digerida no sistema anaeróbio/aeróbio é muito maior e a fração oxidada muito menor, reduzindo-se assim os custos operacionais. A otimização do sistema atual e a adequação para a remoção de nutrientes, produzirá um sistema econômico e eficiente com remoção de matéria orgânica, fósforo e nitrogênio e produção de um lodo com condições adequadas de disposição final. AGRADECIMENTOS Ao Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico (CNPQ) pelo apoio financeiro. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS 1. ALÉM SOBRINHO, P. ; GASI, T.M.T.; SILVA, S.J.A. Desenvolvimento de uma nova concepção de sistema de tratamento (reator UASB e lagoa aerada) para esgotos sanitários com elevada parcela de carga orgânica industrial. In 17 0 Congresso de Engenharia Sanitária e Ambiental, Natal, p ARAUJO, L.S.; CATUNDA,P.FC.; Van HAANDEL, A.C. Biological sludge stabilisation. part2: Influence of the composition of wasteactivated sludge on anaerobic stabilisation. Water SA p MARAIS, G.R and EKAMA, G.A..The activated sludge process part I: Steady state behaviour. Water SA p Van HAANDEL, A.C.; LENTINGA, G. Tratamento anaeróbio de esgotos: um manual para regiões de clima quente. s. n. t., o Congresso Brasileiro de Engenharia Sanitária e Ambiental 981