II AVALIAÇÃO E MODELAGEM DA REMOÇÃO DE DQO EM UM SISTEMA REATOR UASB LAGOA FACULTATIVA, EM ESCALA REAL

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1 II AVALIAÇÃO E MODELAGEM DA REMOÇÃO DE DQO EM UM SISTEMA REATOR UASB LAGOA FACULTATIVA, EM ESCALA REAL Neuza Evangelista Engenheira civil. Especialista em Matemática. Mestranda em Saneamento, Meio Ambiente e Recursos Hídricos na UFMG. Marcos von Sperling ( 1 ) Engenheiro Civil e Sanitarista. Doutor em Engenharia Ambiental pelo Imperial College, Univ. Londres. Professor Adjunto do Departamento de Engenharia Sanitária e Ambiental da UFMG. Carlos Augusto de Lemos Chernicharo Engenheiro Civil e Sanitarista. Doutor em Engenharia Ambiental pela Universidade de Newcastle upon Tyne, Inglaterra. Professor Adjunto do Departamento de Engenharia Sanitária e Ambiental da UFMG. Marília Carvalho de Melo Engenheira civil pela UFMG. Ex-bolsista de Iniciação Científica pelo CNPq. Endereço (1) : Departamento de Engenharia Sanitária e Ambiental UFMG; Av. Contorno o andar; Belo Horizonte marcos@desa.ufmg.br RESUMO O presente trabalho enfoca a avaliação de desempenho de um sistema constituído de reator anaeróbio de manta de lodo UASB (Upflow Anaerobic Sludge Blanket) com pós-tratamento em lagoa facultativa de polimento, ambos em escala real (7.000 hab). Efetua-se também a modelagem matemática da remoção de matéria orgânica na lagoa facultativa, em termos de DQO, segundo os regimes hidráulicos de mistura completa e fluxo disperso. A eficiência média de remoção de DQO e DBO para o sistema foi de 86% e 83%, com concentrações médias efluentes para estes parâmetros de 98 e 60 mg/l respectivamente. Os coeficientes de remoção de DQO obtidos, segundo os regimes hidráulicos, foram: para mistura completa, K DQO, 20ºC = 0,25d -1 e para fluxo disperso, K DQO, 20ºC = 0,11 d 1. Embora a maioria dos valores reportados em literatura se refira a DBO, os valores obtidos se aproximam de registros existentes (Von Sperling, 2001 e Arceivala, 1981). Considerando se a configuração geométrica da lagoa, com relação comprimento / largura L/B=4, avalia-se ser mais conveniente a utilização do regime de fluxo disperso. A DQO filtrada efluente, estimada segundo o modelo dinâmico, aproximou-se dos valores médios experimentais, mas ajustou-se apenas de forma razoável à dinâmica do sistema. PALAVRAS-CHAVE: Reator UASB, Lagoa facultativa, Remoção de matéria orgânica, Coeficiente de remoção de DQO, Modelagem matemática. INTRODUÇÃO A remoção de matéria orgânica é um dos principais objetivos do tratamento dos esgotos. As eficiências típicas de remoção pelos diversos processos de tratamento de esgotos já são satisfatoriamente conhecidas, quando estes sistemas atuam isoladamente. No entanto, considerando-se a nova geração de sistemas compostos por reatores UASB seguidos por lagoas de polimento, torna-se importante o conhecimento do comportamento da remoção de matéria orgânica no sistema combinado. O comportamento e a eficiência da lagoa, atuando como pós-tratamento, serão diferentes de uma lagoa primária. Os processos anaeróbios têm se revelado bastante adequados no pré - tratamento de esgotos, tendo em vista a alta taxa de remoção de DBO/DQO em função de duas características básicas: a maior massa de lodo retida e o contato intenso entre a carga orgânica afluente e o lodo, efetivados no processo (Catunda & Van Haandel, 1996). No Brasil, face às condições ambientais, os sistemas anaeróbios vêm ocupando posição de destaque, particularmente o reator UASB (Chernicharo, 1997). A significativa eficiência do reator de manta de lodo se deve ao fato de o fluxo no UASB ser ascendente, passando o fluxo total através da manta de lodo formada ABES - Associação Brasileira de Engenharia Sanitária e Ambiental 1

2 dentro do reator e quase garantindo a não ocorrência de curtos-circuitos, além de que o separador trifásico dificulta o carreamento de partículas no efluente (Dixo et al,1995). Dessa forma, com a remoção do material coloidal, o efluente do UASB é mais transparente do que o de lagoas anaeróbias, o que facilita na lagoa de polimento subsequente a penetração da luz solar a consideráveis profundidades, sendo que altas taxas de fotossíntese podem ocorrer. Isto acarreta uma produção de oxigênio e um consumo de dióxido de carbono, que resultará no aumento de ph, características da lagoa de polimento (Catunda & Van Haandel, 1996). Ao mesmo tempo, a taxa de oxidação bacteriana na lagoa será baixa, devido à baixa concentração de material orgânico, o que pode conduzir a baixos valores do coeficiente de remoção de matéria orgânica. Um outro aspecto deve ser comentado. Para as lagoas de estabilização, a maior parte dos modelos, coeficientes e parâmetros reportados na literatura dizem respeito à DBO. É, portanto, importante obterem-se valores típicos também para DQO, considerando-se a importância deste parâmetro de qualidade em termos de projeto e controle operacional. São as seguintes as formas da DBO/DQO total efluente: (a) DBO/DQO remanescente do tratamento na forma solúvel e (b) DBO/DQO causada pelos sólidos em suspensão no efluente, constituídos principalmente pelas algas. Ambos os componentes devem ser considerados ao se avaliar a eficiência do tratamento e o atendimento à legislação brasileira. A real contribuição das algas em termos de acrescentar matéria orgânica ou de produzir oxigênio no corpo receptor é motivo de grande polêmica e bastante específico para cada corpo receptor. Este tópico não é abordado no presente trabalho. A remoção da DBO/DQO em lagoas facultativas pode ser modelada segundo os regimes hidráulicos de mistura completa (para lagoas pouco retangulares), fluxo em pistão (lagoas bastante alongadas ou com várias chicanas) ou fluxo disperso (independente das relações geométricas da lagoa). É interessante obterem-se valores do coeficiente de remoção de DBO/DQO (K) para os distintos modelos, desde que aplicáveis à geometria da lagoa. O modelo de fluxo disperso é mais genérico e capaz de representar todos os tipos de reatores. Na estimativa do valor de K baseado no tempo de detenção hidráulica e concentrações afluente e efluente, a adoção do regime hidráulico de mistura completa leva a obtenção de maiores valores de K que o regime de fluxo disperso. A princípio os valores de K deveriam ser iguais, de acordo com a cinética de reação, mas os desvios podem ser decorrentes da inadequação do modelo em representar o regime hidráulico (von Sperling, 2002). Os maiores valores de K que geralmente se obtêm para mistura completa seriam decorrentes de uma compensação matemática da baixa eficiência inerente ao modelo. Valores clássicos de K reportados na literatura para o modelo de mistura completa são de 0,30 a 0,35 d -1 para a temperatura de 20 O C (Silva e Mara, 1979; EPA, 1983). Von Sperling (2001), analisando a remoção de DBO em 10 lagoas de estabilização primárias e secundárias no Sudeste do Brasil, encontrou os seguintes valores médios: lagoas primárias: K = 0,40 d -1 (4 dados); lagoas secundárias: K = 0,27 d -1 (6 dados); todas as lagoas: K = 0,32 d -1 (10 dados). Para o modelo de fluxo disperso, Arceivala (1981) propõe a seguinte relação: K = 0,132.logL s - 0,146, onde L s é a taxa de aplicação superficial (kgdbo 5 /ha.d). ABES - Associação Brasileira de Engenharia Sanitária e Ambiental 2

3 MATERIAL E MÉTODOS Esta pesquisa está inserida no Programa de Pesquisa em Saneamento Básico (PROSAB), Edital 3, Tema 2, Subprojeto 1, realizada pelo Departamento de Engenharia Sanitária e Ambiental da Universidade Federal de Minas Gerais (DESA-UFMG), em convênio com o Sistema Autônomo de Água e Esgoto (SAAE) da Cidade de Itabira, MG. A ETE Nova Vista atende a uma população de aproximadamente habitantes, constituindo-se de reator UASB (477m 3 ) e lagoa facultativa (200mx50mx2m). A Figura 1 apresenta o fluxograma da estação. Os dados utilizados baseiam-se no monitoramento rotineiro do sistema, com frequência semanal, no período de 1999 a 2001 (130 dados). Para o cálculo do coeficiente de remoção de DQO, considerou-se a DQO total afluente à lagoa e a DQO solúvel efluente da lagoa. Na avaliação do desempenho do sistema, foi considerada a DQO total efluente. O cálculo do coeficiente de remoção de matéria orgânica (DQO) foi feito segundo os modelos matemáticos dos regimes hidráulicos de mistura completa e fluxo disperso, conforme Quadro1. Afluente Elevatória Grades/Desarenador Reator UASB Lagoa Facultativa Corpo receptor Figura 1 - Fluxograma do sistema Quadro 1 Modelos matemáticos para regimes hidráulicos de fluxo disperso e mistura completa. Regime hidráulico Esquema Fórmula de cálculo da DQO efluente Equação C Mistura completa C = af ef 1+ K.t (1) (1 célula) Fluxo disperso Cef a = 4ae 1/2d = Caf. (1+ a) 2 e a/2d (1 a) 2 e a/2d (2) 1+ 4K b.t.d (3) C af = concentração afluente(org/100 ml) C ef = concentração efluente (org/100 ml) K = coeficiente de remoção de matéria orgânica (d -1 ) t = tempo de detenção hidráulica (d) d = Número de Dispersão = D/U.L = D.t/L 2 (adimensional) D = coeficiente de dispersão longitudinal (m 2 /d) U = velocidade de fluxo média no reactor (m/d) L = distância longitudinal no reator (m) Adaptado de von Sperling (1999) Para estimativa do número de dispersão d, adotou-se a formulação simplificada de Yanez (1993): (L/B) d = (4) 2 0,261+ 0,254.(L/B) + 1,014.(L/B) onde: B = largura da lagoa (m) ABES - Associação Brasileira de Engenharia Sanitária e Ambiental 3

4 RESULTADOS E DISCUSSÃO O Quadro 2 apresenta as estatísticas descritivas das concentrações de DQO e DBO ao longo do sistema, no período considerado. A Figura 2 complementa a informação em termos de DQO, apresentando um gráfico box-plot das eficiências de remoção. Observa-se que, de maneira geral, o desempenho do sistema foi amplamente satisfatório. As eficiências médias de remoção foram de 86% e 83% para DQO e DBO, e as concentrações efluentes médias foram de 98 e 60 mg/l, respectivamente. Quadro 2 - Estatísticas básicas do sistema Estatísticas Bruto Ef.UASB Ef.Lagoa UASB Lagoa Sistema DQO Total (mg/l) Eficiência de Remoção (%) nº de dados mínimo média máximo desvio padrão DQO Filtrada(mg/L) Eficiência de Remoção (%) nº de dados mínimo média máximo desvio padrão DBO(mg/L) Eficiência de Remoção (%) nº de dados mínimo média máximo desvio padrão Eficiências de remoção de DQO no sistema 80 Eficiência (%) UASB Lagoa Sistema Min-Max 25%-75% Mediana Figura 2: Box-plot das eficiências de remoção de DQO em cada unidade, individualmente, e no sistema, como um todo. Com relação aos coeficientes de remoção de DQO, foram obtidos os seguintes valores, calculados a partir das médias de DQO afluente e efluente: mistura completa: K 20º = 0,25 d -1 fluxo disperso: K 20º = 0,11 d -1 ABES - Associação Brasileira de Engenharia Sanitária e Ambiental 4

5 O número de dispersão, igual a 0,23, foi estimado segundo a fórmula empírica de Yanez (1993). O coeficiente de temperatura θ foi adotado como 1,05. Valores operacionais médios no período investigado foram: tempo de detenção hidráulica = 21 d, vazão média = 980 m 3 /d, taxa de aplicação superficial = 90 kgdbo 5 /ha.d = 174 kgdqo/ha.d, temperatura da lagoa = 24ºC. Os valores de K DQO para mistura completa (0,25 d -1 ) são similares aos valores de K DBO obtidos por von Sperling (2001) para seis lagoas facultativas secundárias no Sudeste do Brasil (0,27 d -1 ). O valor de K DQO para fluxo disperso (0,11 d -1 ) é igual ao obtido utilizando-se a fórmula de Arceivala para DBO (1981): K = 0,132.logL s - 0,146 = 0,132xlog(90) 0,146 = 0,11 d -1. É interessante observar que os valores de K para DQO são similares aos valores de K para DBO. Poder-se-ia esperar a obtenção de menores valores de K DQO, já que a eficiência de remoção de DQO é usualmente inferior à de DBO (embora não o tenha sido, no presente caso, o que justifica a similaridade nos valores de K). A obtenção de maiores valores de K para mistura completa do que para fluxo disperso é totalmente coerente com a interpretação das fórmulas que permitem a estimativa da concentração efluente (von Sperling, 2000). Para um par de dados de DQO afluente e efluente, pelo fato de a equação do regime de mistura completa conduzir a menores eficiências de remoção, o valor de K é superestimado, de forma a corrigir a menor adequação do regime de mistura completa em representar reatores existentes na prática. A Figura 3 apresenta a série temporal de dois anos dos valores de DQO solúvel efluente observados e estimados pelos modelos de fluxo disperso e mistura completa, utilizando-se o K DQO médio obtido, seguido da devida correção para a temperatura do líquido prevalecente em cada dia. Os modelos conduziram a uma boa representação dos valores médios, mas foram apenas razoáveis na simulação da dinâmica do sistema. ABES - Associação Brasileira de Engenharia Sanitária e Ambiental 5

6 Concentração (mg/l) jan-99 fev-99 mar-99 abr-99 DQO tot afl x DQO sol efl x DQO sol efl calc (Fluxo disperso) mai-99 jun-99 jul-99 ago-99 set-99 out-99 nov-99 dez-99 abr-00 mai-00 DQO tot afl DQO sol efl obs DQO sol efl calc) jun-00 jul-00 ago-00 4 por. Méd. Móv. (DQO tot afl) 4 por. Méd. Móv. (DQO sol efl obs) 4 por. Méd. Móv. (DQO sol efl calc)) set-00 out-00 nov-00 dez-00 jan-01 fev-01 mar-01 abr-01 mai-01 jun-01 jul-01 ago-01 set-01 out-01 nov-01 dez-01 Concentração (mg/l) DQO tot afl x DQO sol efl obs x DQO sol efl calc (Mistura Completa) jan-99 fev-99 mar-99 abr-99 mai-99 jun-99 jul-99 ago-99 set-99 out-99 nov-99 dez-99 abr-00 mai-00 jun-00 jul-00 ago-00 set-00 out-00 nov-00 dez-00 jan-01 fev-01 mar-01 abr-01 mai-01 jun-01 jul-01 ago-01 set-01 out-01 nov-01 dez-01 DQO afluente DQO sol efl observada DQO sol efl calculada) 4 por. Méd. Móv. (DQO afluente) 4 por Méd.Móv(DQO sol. obs.) 4 por Méd. Móv.(DQO sol. efl. calc.) Figura 3: Concentrações de DQO total afluente à lagoa facultativa (efluente do reator UASB), DQO solúvel efluente observada e DQO solúvel efluente estimada pelo modelo dinâmico, utilizando K médio nos regimes hidráulicos de fluxo disperso e mistura completa, corrigido para diferentes temperaturas. CONCLUSÕES O sistema reator UASB lagoa facultativa apresentou uma boa remoção de DQO e DBO, com eficiências médias na ordem de 86% e 83%, e concentrações efluentes médias de 98 e 60 mg/l, respectivamente. O reator UASB contribui para remoção de matéria orgânica com eficiência em torno de 75% para DBO/DQO. A lagoa facultativa (polimento) contribuiu na remoção da matéria orgânica, melhorando a qualidade do efluente final nesse aspecto. Os valores dos coeficientes de remoção de DQO obtidos foram: mistura completa: K DQO 20º = 0,25 d -1 ; fluxo disperso: K DQO 20º = 0,11 d -1. Os valores de K DQO para mistura completa são similares aos valores de K DBO obtidos em outras lagoas facultativas secundárias no Sudeste do Brasil. O valor de K DQO para fluxo disperso é igual ao obtido utilizando-se a fórmula proposta por Arceivala, em função da taxa de aplicação superficial na lagoa. O ajuste do modelo matemático foi apenas razoável, embora tenha representado satisfatoriamente os valores médios. AGRADECIMENTOS ABES - Associação Brasileira de Engenharia Sanitária e Ambiental 6

7 Os autores agradecem ao PROSAB e ao SAAE de Itabira pelo apoio à pesquisa. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS 1. ARCEIVALA, S.J. Wastewater treatment and disposal. Marcel Dekker, New York. 892 p CATUNDA, P.F.C. ; VAN HAANDEL A.C. Improved performance and increased applicability of waste stabilization ponds by pretreatment in a UASB reactor. Water Science and Technology, v.33, nº 7, p , CHERNICHARO, C.A.L. Princípios de tratamento biológico de águas residuárias. Vol. 5. Reatores anaeróbios. Belo Horizonte: Departamento de Engenharia Sanitária e Ambiental UFMG DIXO, N. G. H.; GAMBRILL, M. P.; CATUNDA, P.F.C.; VAN HAANDEL, A. C. Removal of pathogenic organisms from the effluent of an upflow anaerobic digester using waste stabilization ponds. Water Science and Technology, v.31, nº 12, p , EPA. Design Manual. Municipal wastewater stabilization ponds. United States Environmental Protection Agency SILVA, S.A., MARA, D.D. Tratamento biológico de águas residuárias: lagoas de estabilização. Rio de Janeiro : ABES VON SPERLING, M. Princípios do tratamento biológico de águas residuárias. Vol. 3. Lagoas de Estabilização. Belo Horizonte: Departamento de Engenharia Sanitária e Ambiental UFMG VON SPERLING, M. Performance evaluation and mathematical modelling of coliform die-off in tropical and subtropical waste stabilization ponds. Water Research, 33, pp VON SPERLING, M. Proposição de modelos para a estimativa da remoção de coliformes em lagoas de estabilização com base em dados de 33 lagoas brasileiras. Revista Engenharia Sanitária e Ambiental, Vol 5, No 4, p VON SPERLING, M. Remoção de DBO em 12 lagoas de estabilização primárias e secundárias no Sudeste do Brasil. In: SILUBESA, Porto Seguro, abril YANEZ, F. Lagunas de estabilizacion. Teoria, diseño y mantenimiento. ETAPA, Cuenca, Equador, 421 p ABES - Associação Brasileira de Engenharia Sanitária e Ambiental 7