I AVALIAÇÃO DE UM REATOR (UASB) EM FASE DE PARTIDA SEM INÓCULO, UTIIZANDO-SE PARAMETROS FÍSICO-QUÍMICOS E APLIICANDO MODELO PROBABILISTICO

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1 I AVALIAÇÃO DE UM REATOR (UASB) EM FASE DE PARTIDA SEM INÓCULO, UTIIZANDO-SE PARAMETROS FÍSICO-QUÍMICOS E APLIICANDO MODELO PROBABILISTICO Liliana Pena Naval (1) Doutorada pela Universidad Complutense de Madrid em Engenharia Química, professor Titular do curso de Engenharia Ambiental da Universidade do Tocantins. Tatiana Ferreira Wanderley Aluna do curso de Engenharia Ambiental da Universidade do Tocantins. Endereço (1) : Arse 102 QI 48 Lt. 11 Al. 19, Palmas - TO - CEP: Brasil - Tel: (63) liliana@unitins.br FOTOGRAFIA NÃO DISPONÍVEL RESUMO O estudo foi desenvolvido em um reator UASB empregado o para tratamento de águas residuárias domésticas do município de Palmas - TO, tendo como objetivo realizar o monitoramento do sistema a partir de parâmetros físico-químicos e avaliar a confiabilidade do referido reator, através da aplicação de análises probalísticas aos resultados obtidos no monitoramento. O monitoramento do sistema foi feito a partir de coletas que variaram entre semanais, quinzenais e mensais de acordo com o parâmetro analisado. A avaliação da confiabilidade do reator foi feita a partir do modelo probabilístico que define o coeficiente de confiabilidade de acordo com a seguinte equação: COC= M x /X d = (V 2 x + 1) ½ exp{-z 1- [Ln(V 2 x +1) 1/2 ]}. Como resultado, o sistema alcançou uma taxa de remoção de 33% na sua fase de partida e 60%, das concentrações de cargas orgânicas após atingir sua estabilidade. A confiabilidade do sistema, considerando um nível de probabilidade de 90% é de 62,67%, considerando DQO no efluente, podemos constatar que o sistema tem um limite máximo de descarga de 181,5mg/L. Se o sistema operar com um nível de probabilidade de 95% e confiabilidade de 43,29%, podemos constatar que o limite máximo de descarga é de 183,31 mg/l. Estes valores são desejáveis, já que se estabeleceu como critério de descarga 350 mg/l de DQO no efluente. Os dados obtidos durante o monitoramento indicam que o reator atingiu a estabilidade, e seu efluente apresenta características desejáveis. O resultado obtido para a confiabilidade do Sistema, é satisfatório quando consideramos que o reator vem operando a alguns meses e na fase de partida sofreu variações na concentração de carga orgânica. PALAVRAS-CHAVE: Análise Probabilística, Digestão Anaeróbia, Monitoramento, Reator UASB. INTRODUÇÃO A aplicação de reatores anaeróbios na depuração de afluentes municipais e domésticos são indicados para resolver os problemas sanitários e de contaminação devido a eficiente tecnologia e os baixos custos (BORZACCONI e LOPEZ, 1994). No entanto, segundo MORGAN e col. (1998), na maioria dos casos que se empregou reatores anaeróbios de fluxo ascendente (UASB), como processo depurador de águas residuárias municipais verificou-se que há ocorrência de matéria orgânica (DBO e DQO) remanescentes no efluente, devido a que a digestão anaeróbia tem um limite de remoção que depende basicamente da cinética global da degradação e da temperatura, do conteúdo de biomassa ativa e do grau de contato entre o substrato e os microrganismos. Quando a água residuária entra no reator, há mistura do material orgânico nela presente com o lodo anaeróbio presente na zona de digestão, havendo então digestão anaeróbia o que resulta na produção de biogás e no crescimento de lodo (VAN HAANDEL e LETTINGA, 1994). Nos sistemas de tratamento anaeróbio procura-se acelerar o processo da digestão, criando-se condições favoráveis. Essas condições se referem tanto ao próprio projeto do sistema de tratamento como as condições operacionais nele existentes. Em relação ao projeto de sistema de tratamento têm-se duas prerrogativas básicas: (a) o sistema de tratamento deve manter grande massa de bactérias ativas que atue no processo de digestão anaeróbia e (b) é necessário que haja contato intenso entre o material orgânico presente no afluente e a massa bacteriana do ABES - Associação Brasileira de Engenharia Sanitária e Ambiental 1

2 sistema. Quanto as condições operacionais, os fatores que mais influem são a temperatura, o ph, a presença de elementos nutrientes e a ausência de materiais tóxicos no afluente (FORESTI e col., 1999). O estudo foi desenvolvido em reator UASB para tratamento de águas residuárias domésticas no município de Palmas - TO, com as seguintes características: 6m de altura, 22,57m de diâmetro, velocidade média de 0,5 a 0,7m/h e com tempo de retenção hidráulica de 8h. Assim, considerou-se de fundamental importância o monitoramento do UASB empregado no tratamento de águas residuais domésticas de Palmas. Realizando o monitoramento, também foi possível determinar e avaliar a eficiência, visto que esse efluente é lançado para pós-tratamento e depois lançado no Ribeirão Água Fria, cujas águas são utilizadas para várias atividades pela população, inclusive aquelas identificadas como de contato primário e abastecimento. MATERIAIS E MÉTODOS O programa de monitoramento realizado, que a partir do qual foram obtidos os dados para a avaliar a confiabilidade do Sistema, a rotina de coleta, e a amostragem, seguem listados na Tabela 1. Tabela 1 - Parâmetros analisados no Sistema estudado, tipo de amostragem, freqüência de coleta e técnica empregada para a realização das análises propostas. Parâmetro Local de Freqüência Técnica Referência Coleta* ** DQO EB e EF. S Refluxo com dicromato STANDARD (1995) Sólidos Decantáveis EB e EF Q Sedim. Cone Inmhoff STANDARD (1995) Sólidos Totais EB e EF Q Evap. e secagem a 105 o C SYMONS e col. (1941) Sólidos Fixos EB e EF Q Secagem a 550 o C STANDARD (1995) Sólidos Voláteis EB e EF Q Secagem a 550 o C STANDARD (1995) Alcalinidade EB e EF S Titul. ph determinado ASTM, (1982) Temperatura EB e EF S Imersão direta STANDARD (1995) ph EB e EF S Leitura direta STANDARD (1995) Ác. Graxos Voláteis EB e EF S Acidific e alcalinização DILLALO (1961) Cond. Elétrica EF Q Imersão Direta STANDARD (1995) Nitrato EB e EF O Espectrof. Visível STANDARD (1995) Nitrito EB e EF O Espectrof. Visível STANDARD (1995) * EB - esgoto bruto, EF - efluente final ** D - diária, S - semanal, Q - quinzenal, M - mensal, O - ocasional A avaliação da confiabilidade do reator foi feita a partir do modelo probabilístico citado por SÁNCHEZ e col. (1998), o modelo proposto define o coeficiente de confiabilidade de acordo com a seguinte equação: COC= M x /X d = (V x 2 + 1) ½ exp{-z 1- [Ln(V x 2 +1) 1/2 ]} (01) onde: M x = Média do parâmetro de interesse (DQO mg/l); σ x = Desvio Padrão; V x = M x /σ x ; X d = Critério de descarga para o parâmetro de interesse; Z 1- = Variável normal aleatória para uma confiabilidade (1- α). Após revisão bibliográfica, foi selecionado o parâmetro de qualidade, DQO, a se considerar no sistema. Se verificou o seu ajuste a uma distribuição lognormal, determinou-se o nível de qualidade possível de se obter sob as condições de operações avaliadas assim como o correspondente critério de descarga para qual o sistema é confiável 90% e 95% das vezes. ABES - Associação Brasileira de Engenharia Sanitária e Ambiental 2

3 RESULTADOS Antes de se passar a exposição dos resultados e suas respectivas discussões, deve-se levar em conta as seguintes considerações: O reator entrou em operação a aproximadamente oito (8) meses e o mesmo não foi inoculado antes de receber esgoto. O período de partida do UASB é crítico em relação à estabilidade operacional, devido a baixa atividade biológica. A eficiência do tratamento nesse período é, principalmente, devido ao processo físico de sedimentação. Os resultados em termos de remoção de matéria orgânica e da concentração de sólidos no efluente são variáveis. A partida é influenciada pela composição e concentração do afluente, pela qualidade do inoculo (quando utilizado), por fatores operacionais como carga orgânica e tempo de retenção hidráulica, por fatores ambientais como ph, alcalinidade, presença de nutrientes e temperatura e, ainda, pela configuração do reator (WEILAND e ROZZI, 1991; VAN HAANDEL e LETINGA, 1994; GHANGREKAR et al., 1996 e CHERNICHARO, 1997). A partida pode ser considerada concluída, quando passam a ser constantes, principalmente: (1) os valores das concentrações da matéria orgânica e dos sólidos no efluente; (2) a concentração e atividade do lodo anaeróbio e (3) quando se estabelece o equilíbrio entre as fermentações ácidas e metanogênica no interior do reator. Nessa etapa o reator atinge o estado estacionário (VAN HAANDEL e LETINGA, 1994 e CHERNICHARO, 1997). A rede coletora de esgoto ainda não está ligada a todas as residências, desta forma o reator não está recebendo a carga orgânica total para o qual foi projetado, e o mesmo ainda recebe afluente de ligações clandestinas. O resultado dos parâmetros analisados para monitoramento do UASB na fase de partida do reator, considerando afluente e efluente, segue na tabelas 2. Tabela 2 - Resultado dos parâmetros analisados no Afluente e Efluente, durante a fase de partida. MÉDIA MÁXIMO MINIMO Parâmetro Afluente Efluente Afluente Efluente Afluente Efluente Taxa de Remoção (%) DQO (mg/l) 447,43 297,82 813,0 740,0 266,7 136,07 33 TDS (mg/l) 130,5 96,96 350,0 203,0 48,0 44,0 27,7 Nitrito (mg/l) 0,0315 0,0244 0,0706 0,039 0,017 0,02 22,5 Nitrato (mg/l) 0,6816 0,5731 1,27 0,742 0,2967 0,399 15,9 T (ºC) 27,78 27,53 28,9 28,9 26,7 26,7 - ph 6,88 6,85 7,61 7,63 5,84 6,03 - Alc. (meq/l) 2,25 1,7 5,04 3,52 1,24 0,8 - Como pode ser observado, durante as quatorze (14) primeiras semanas de operação ocorreu variações nas concentrações de DQO do afluente e por conseqüência do efluente, como é mostrado na tabela acima a taxa de remoção de DQO foi muito baixa isto devido ao reator não ter alcançado sua estabilidade operacional pelo fato de estar em fase de partida. Quanto a temperatura, observou-se que durante este período esta manteve-se entre 26 e 29 o C, que coincidiram com o período chuvoso. Com relação ao ph, não se observam variações bruscas. No inicio do processo a alcalinidade apresentou valores bastante baixos, não assegurando a capacidade tampão do sistema. A partir da nona semana já se observa um aumento significativo, sendo estes valores suficientes para garantir a capacidade de tamponamento do sistema carbônico. Quanto aos nutrientes estes apresentaram uma baixa taxa de remoção, mas isto não deve ser considerado um problema já que o sistema possui pós-tratamento de forma a garantir a remoção destes. Devido a pouca quantidade de dados e o reator encontrar-se em fase de partida achou-se inconveniente a aplicação do modelo probabilístico para avaliar a confiabilidade do sistema. Os dados expressos na Tabela 3, são referentes aos dados obtidos através do programa de monitoramento, quando o reator já havia concluído sua fase de partida. ABES - Associação Brasileira de Engenharia Sanitária e Ambiental 3

4 Tabela 3 - Resultado dos parâmetros analisados no Afluente e Efluente durante o monitoramento. MÉDIA MÁXIMO MINIMO Parâmetro Afluente Efluente Afluente Efluente Afluente Efluente Taxa de Remoção (%) DQO (mg/l) 294,12 175, ,0 104,5 60 TDS (mg/l) 251,7 186, Nitrito (mg/l) 0,072 0,04 0,1215 0,084 0,0236 0,02 44 Nitrato (mg/l) 0,913 0,53 3,56 0,96 0,354 0, T (ºC) 28,37 28,1 30,4 30,7 26,8 25,1 - PH 6,62 6,64 7,56 7,63 5,84 6,0 - Alc. (meq/l) 5,74 1,43 5,04 3,52 1,24 1,16 - Após os três (3) primeiros meses o sistema ficou estabilizado e alcançou uma taxa de remoção de 60%, taxa considerada satisfatória, levando-se em consideração a irregularidade nas concentrações de cargas orgânicas que desestabilizaram o Sistema na sua fase de partida. Quanto a temperatura, observou-se que esta mantevese entre 26 e 29 o C, nas primeiros meses, a partir de então, estas elevara-se, mas não ultrapassando os 30 º ºC, sem apresentar durante o período variações bruscas, o que favoreceu a operacionalidade do reator. Também convém ressaltar que está temperatura está próxima da ideal para que o reator funcione em intervalo mesofilíco, o que pode ser uma vantagem, pois neste intervalo estes sistemas tornam-se mais estáveis. Com relação ao ph, durante toda a fase experimental manteve-se entre 6 e 8. Apresentando nas últimas semanas do período de partida, um ph mais ácido para o efluente, que pode estar associado a fase ácida da digestão anaeróbia, denotando desta forma inicio a produção de ácidos graxos voláteis e conseqüente formação de metano (CH 4 ). A partir da estabilização do reator, o ph apenas variou, constatando-se o bom funcionamento de sistema. No inicio do processo a alcalinidade apresentou valores bastante baixos, a partir da nona semana já se observa um aumento significativo, mas que tornaram-se estáveis durante toda a fase experimental, Coforme proposto, este estudo não só monitorou o Sistema, mas também avaliou a confiabilidade deste. Para tanto aplicou-se um Modelo Probabilístico, baseado nos conceitos de confiabilidade e estabilidade, a partir de dados experimentais. As principais características do Sistema estão expostas na Tabela 4. Tabela 4 - Principais características do afluente e efluente do Sistema para um intervalo de confiança de 90% e 95%. AFLUENTE EFLUENTE Média (mg/l) 294,1173 Média (mg/l) 175,0287 DesvioP (mg/l) 43,11298 DesvioP (mg/l) 33,90139 Mínimo (mg/l) 176 Mínimo (mg/l) 104,5 Máximo (mg/l) 353,0 Máximo (mg/l) 242,0 Z (90%) (mg/l) 1, Z (90%) (mg/l) 1, Z (95%) (mg/l) 1, Z(95%) (mg/l) 1, De acordo com os resultados acima expostos e com o modelo proposto para determinar a confiabilidade do sistema obteve-se o seguinte resultado: COR = m x / X d = (V x 2 +1) 1/2 exp{-z 1- [Ln(V x 2 +1) ½ ]} onde: m x = 175,0287 mg/l σ x= 33,90139 mg/l V x = 0,19369 X d = 350 mg/l Z 1- = 90 e 95% ABES - Associação Brasileira de Engenharia Sanitária e Ambiental 4

5 A confiabilidade do sistema, considerando um nível de probabilidade de 90% é de 62,67%, considerando a DQO no efluente, podemos constatar que o sistema tem um limite máximo de descarga de 181,5mg/L em um intervalo de confiança ao nível de 10% de significancia, ou seja o sistema tem 10% de probabilidade de operar com carga superior a 181,5 mg/l. Se o sistema operar com um nível de probabilidade de 95% e confiabilidade de 43,29%, podemos constatar que o limite máximo de descarga é de 183,31 mg/l, considerando-se um intervalo ao nível de 5% de significancia, ou seja o sistema tem 5% de probabilidade de operar com carga superior a 183,31 mg/l. Estes valores são desejáveis, já que se estabeleceu como critério de descarga 350 mg/l de DQO no efluente. CONCLUSÕES Os resultados obtidos neste trabalho permitiram concluir que: os modelos probabilísticos baseados nos conceitos de confiabilidade e estabilidade são aplicáveis para avaliação integral de sistema de tratamento de águas residuárias em estudo, permitindo determinar sua capacidade para produzir um efluente aceitável e estabelecer os critérios de carga; o resultado obtido para a confiabilidade do Sistema, é satisfatório quando consideramos que o reator vem operando a alguns meses e na fase de partida sofreu variações na concentração de carga orgânica que o mesmo recebe; a avaliação do coeficiente de confiabilidade permitiu determinar o critério de descarga que é possível para satisfazer a partir de uma probabilidade aceitável, sob as condições em que o sistema tem operado; a partir do estudo realizado, constatou-se que o reator satisfaz os critérios de descarga e o dados obtidos durante o monitoramento indicam que o reator atingiu a estabilidade, e seu efluente apresenta características desejáveis. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS 1. American Society for Testing and Materials (1982). Standard Methods for Acidity and Alkalinity. Fhiladelphia, Pa. 2. BORZACCONI, L. e LOPEZ, I. (1994). Relevamiento de Reactores en América Latina. III Taller y Seminário Lathinooamericano "Tratamiento Anaerobio de Aguas Residuales". Montevideo, Uruguai. Pp CHERNICHARO, C.A.L. (1997). Princípios do Tratamento Biológico de Águas Residuárias; Reatores Anaeróbios. v. 5, DESA-EEUFMG. 4. CHERNICHARO, C. A L. (1997). Reatores Anaeróbios. SEGRAC, Belo Horizonte. 246 p. (Princípios do tratamento biológico de águas residuárias; v. 5). 5. CHERNICHARO, C.A.L.; PINTO, J.D.S.; CASSEB, M.M.S. e MACHADO, R.M.G. (1997). Alternativa de Tratamento Simplificado de Esgotos Sanitários para Municípios de Pequeno Porte. In: Prêmio Caixa Econômica Federal de Saneamento, Belo Horizonte, Minas Gerais. 6. DILLALO, R. e ALBERTSON, O E. (1961). Volatile acids by direct titration. Journal Water Pollution Control Federation, v. 33, n. 4, pp FORESTI, E. e col. (1999). Fundamentos do tratamento anaeróbio in Tratamento de esgoto sanitário por processo anaeróbio e disposição controlada no solo / José Roberto Campos (coordenador). 464 p. Projeto PROSAB. Rio de Janeiro: ABES. 8. GHANGREKAR, M. M.; ASOLEKAR, S.; RANGANATHAN, K. R. e JOSHI, S. G. (1996). Experience with UASB reactor start-up under different operating conditions. Wat. Sci. Tech., v.34, n. 5-6, pp MORGAN, S. F.; MORGAN, S. J. M.; NOYOLA, R. A. (1998). Aplicabilidad de la Digestión Anaerobia para el Tratamiento de Aguas Residuales Municipales. 20 º Congresso Interamericano de Engenharia Sanitária e Ambiental. Lima, Peru. 9. SÁNCHEZ, R.M.; BLANCO, L.E.; NAJUL, M.; RINCONES, M. (1998) Analisis Probabilistico en la Evaluacion de Sistemas de Tratamiento para Aguas Residuales (STLRs). 20 º Congresso Interamericano de Engenharia Sanitária e Ambiental. Lima, Peru. 10. STANDARD METHODS OF THE EXAMINATION OF WASTE AND WASTEWATER (1995). A.P.H.A. 19 th Ed New York, USA. 11. VAN HAANDEL, A. C. e LETTINGA, G. (1994). Tratamento Anaeróbio de Esgotos: Um manual para regiões de clima quente. ABES - Associação Brasileira de Engenharia Sanitária e Ambiental 5