II TAXA DE CARREGAMENTO ORGÂNICO: INFLUÊNCIA NO DESEMPENHO DE REATORES COMPARTIMENTADOS

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1 II TAXA DE CARREGAMENTO ORGÂNICO: INFLUÊNCIA NO DESEMPENHO DE REATORES COMPARTIMENTADOS Luciano Zanella (1) Mestre em Engenharia Civil na área de Saneamento e Ambiente UNICAMP (1999). Doutorando em Engenharia Civil na área de Saneamento e Ambiente UNICAMP Gustavo Henrique Ribeiro da Silva Mestre em Engenharia Civil na área de Saneamento e Ambiente - UNICAMP (2001). Doutorando em Hidráulica e Saneamento - EESC - USP Edson Aparecido Abdul Nour Professor Doutor da Faculdade de Engenharia Civil na área de Saneamento e Ambiente UNICAMP Endereço (1) : Rua Visconde do Rio Branco 707, Centro, CEP , Araras SP Tel.: (19) lucianoz@engnet.com.br RESUMO A taxa de carregamento orgânico é um dos principais parâmetros de projeto e acompanhamento para reatores de tratamento de efluentes. Apesar do fato de que, ao longo dos anos, esse parâmetro tenha adquirido grande importância, estudos realizados na presente pesquisa com o reator compartimentado em escala piloto, apresentaram resultados que indicam falta de correlação entre a TCO e as remoções de DQO e SST. Como a TCO é parâmetro composto, obtido pela relação entre vazão (ou tempo de detenção hidráulica) e quantidade de matéria orgânica presente no esgoto; diferentes combinações orgânicas e hidráulicas podem resultar o mesmo valor de TCO, representando situações totalmente diferentes, nas quais os resultados do tratamento podem ter respostas contraditórias quando à sua eficiência. PALAVRAS-CHAVE: Reator compartimentado, taxa de carregamento orgânico, anaeróbio e aeróbio, esgoto sanitário. INTRODUÇÃO Mundialmente foram desenvolvidas várias tecnologias para tratamento de esgoto, desde as mais sofisticadas, às mais simples. Uma das alternativas que tem recebido especial atenção nas pesquisas desenvolvidas no Brasil é o sistema de tratamento de esgotos sanitários pelo processo anaeróbio, dentre os quais, os reatores anaeróbios de alta taxa, unidades compactas e com boa eficiência de tratamento. Nesta categoria, embora ainda em processo de desenvolvimento, os reatores compartimentados despontam como alternativa economicamente viável, por apresentarem configuração e construção simples, facilidade operacional e boa capacidade para absorver choques hidráulicos, orgânicos e químicos. Um dos parâmetros utilizados para projeto e controle operacional dos sistemas anaeróbios é a Taxa de Carregamento Orgânico (TCO), foco de interesse do presente trabalho que apresenta a variação de eficiência de remoção de matéria orgânica e de sólidos em relação à variação de TCO, em um reator compartimentado anaeróbio/aeróbio, tratando esgoto sanitário e, ainda, discute a aplicabilidade desse parâmetro para referida configuração de reator. MATERIAIS E MÉTODOS O reator utilizado no desenvolvimento deste trabalho (Figura 1) encontra-se junto à estação de tratamento de esgotos (ETE) do bairro da Graminha, município de Limeira-SP, Brasil, em uma área pertencente à empresa Águas de Limeira, gentilmente cedida à UNICAMP para desenvolvimento de trabalhos de pesquisa. ABES - Associação Brasileira de Engenharia Sanitária e Ambiental 1

2 Câmaras Anaeróbias C1 C2 C3 CA decantador Figura 1: Reator Compartimentado Anaeróbio/Aeróbio Construído em alvenaria armada, em escala piloto, o reator compartimentado é formado por quatro câmaras seqüenciais; as três primeiras anaeróbias e a última câmara aerada, com volumes aproximados de 1,0 m 3, 0,50 m 3, 0,50 m 3 e 0,50 m 3, respectivamente, com dimensões externas, de 3,06 m de comprimento por 1,30 m de altura e largura de 1,50 m. O esgoto percorre o reator sempre com movimentos verticais ascendentes, a entrada é feita pela parte inferior da primeira câmara, um dispositivo de saída que evita o carreamento de escuma é o responsável pela coleta do esgoto junto à lâmina livre no topo da câmara e o encaminha, por meio de um sistema de tubulações, para a parte inferior da câmara subseqüente. Um decantador laminar, com volume de 0,5 m 3, localizado após a câmara aerada completa o sistema de tratamento. Um decantador laminar, com volume de 0,50 m 3, localizado após a câmara aerada completa o sistema de tratamento. O maior volume da primeira câmara, tem por objetivo prolongar o tempo de detenção hidráulica nessa câmara, uma vez que nela se dá a maior remoção da matéria orgânica (CLARETO,1997). Um esquema completo do sistema de tratamento está representado na Figura 2. peneira estática controle de vazão efluente bruto reator compartimentado ar decantador laminar Figura 2- Esquema geral do sistema de tratamento de esgotos ABES - Associação Brasileira de Engenharia Sanitária e Ambiental 2

3 A operação do reator foi realizada em regime real de funcionamento, ficando submetido às variações da qualidade do esgoto conforme sua chegada na estação de tratamento, entre os anos de 1999 e 2001, compreendendo os trabalhos realizados por ZANELLA (1999) e SILVA (1991) A variação do tempo de detenção hidráulica (TDH) durante os períodos de acompanhamento, está descrita na Tabela 1. Tabela 1: Etapas de operação do reator durante o período de estudo ETAPAS Câmaras Anaeróbias (h) Câmara Aerada (h) Tempo de Operação (dia) Período de Operação 1ª etapa /02/1999 até 07/07/1999 Fase 1 TDH /02/1999 até 06/04/1999 Fase 2 TDH , /04/1999 até 08/06/1999 Fase 3 TDH /06/1999 até 07/07/1999 2ª etapa /03/2000 até 29/05/2001 Fase 4 TDH /03/2000 até 08/08/2000 Fase 5 TDH /08/2000 até 19/09/2000 Fase 6 TDH /09/2000 até 21/11/2000 Fase 7 TDH /01/2001 até 03/04/2001 Fase 8 TDH /04/2001 até 29/05/2001 A fase anaeróbia do sistema é composta pelas três primeiras câmaras e a fase aeróbia limita-se à câmara aerada. Os resultados apresentados são baseados em ensaios e análises realizadas em amostras compostas, coletadas entras 8:00 e 14:00h, uma vez a cada semana durante todo o período pesquisado. RESULTADOS a) Taxa de Carregamento Orgânico Por todo o tempo de acompanhamento, o reator funcionou em regime real de operação, sujeito às variações de carga orgânica que, normalmente, ocorrem durante o período de um dia e ao longo do ano pela variação da concentração de matéria orgânica no esgoto. Somente o tempo de detenção hidráulico foi controlado fazendo com que a taxa de carregamento orgânico tivesse as flutuações que naturalmente ocorrem em uma estação de tratamento de efluentes. Desta forma, além das variações que ocorrem naturalmente no valor da carga orgânica do esgoto devido às características do parâmetro, a cada vez que o reator era submetido à mudança de TDH, ocorria significativa variação na TCO, como pode ser notado na Tabela 2. Tabela 2: Valores médios e desvio padrão da TCO (kg DQO.m -3.dia -1 ) PONTO DE COLETA (M ± DP) CÂMARA 1 ANAERÓBIA AERÓBIA TOTAL Fase 1 0,91 ± 0,49-0,72 ± 0,29 0,36 ± 0,20 Fase 2 1,87 ± 0,40 1,85 ± 0,46 1,75 ± 0,42 0,80 ± 0,17 Fase 3 3,50 ± 0,53 3,64 ± 1,14 3,07 ± 1,05 1,19 ± 0,18 Fase 4 2,37 ± 0,64 2,29 ± 0,73 1,94 ± 0,66 1,81 ± 0,58 Fase 5 2,57 ± 0,35 1,68 ± 0,02 1,92 ± 0,20 1,25 ± 0,02 Fase 6 3,87 ± 0,65 2,84 ± 0,77 1,38 ± 0,27 1,89 ± 0,51 Fase 7 6,44 ± 1,56 4,07 ± 0,63 0,85 ± 0,31 2,06 ± 0,32 Fase 8 7,29 ± 1,24 4,44 ± 0,64 1,43 ± 0,42 1,56 ± 0,37 Entende-se por TCO da câmara 1, a quantidade de matéria orgânica que entra nesta câmara, dividida pelo valor do tempo de detenção hidráulico nela aplicado; por TCO da fase anaeróbia o valor obtido pela divisão ABES - Associação Brasileira de Engenharia Sanitária e Ambiental 3

4 da quantidade de matéria orgânica presente no esgoto da entrada do reator pelo tempo de detenção hidráulica das três primeiras câmaras. A TCO para a fase aeróbia é o resultado da divisão da quantidade de matéria orgânica do esgoto afluente somente à quarta câmara pelo valor do TDH aplicado apenas nesta câmara; a TCO total é o resultado da divisão do valor da quantidade de matéria orgânica que aporta ao reator pela soma dos valores dos TDHs das quatro câmaras. Cada mudança promovida no TDH pode ser considerada como um pequeno choque orgânico e hidráulico no reator. Como as respostas a choques do reator compartimentado foram rápidas (NACHAIYSIT & STUCKEY (1997a, 1997b), NOUR (1996), ZANELLA (1999), ZANELLA & NOUR (2000), SILVA et al. (2000) e SILVA (2001)), a eficiência do reator voltou aos níveis esperados, poucos dias após cada mudança de TDH. A natureza frágil do controle pelo parâmetro TCO pode ser verificada nas etapas 3, 4 e 6 quando as câmaras anaeróbias apresentaram o mesmo tempo de detenção hidráulico (TDH = 8:00 h) enquanto os valores da TCO verificados foram, respectivamente, de 3,64, 2,29 e 2,84 kg DQO.m -3.dia -1. b) Remoção de DQO total Os valores médios do percentual de remoção de DQO total estão apresentados na tabela 3 Tabela 3 - Valores médios e desvio padrão da porcentagem de remoção de DQO total PONTO DE COLETA (M ± DP) CÂMARA 1 ANAERÓBIA TOTAL Fase 1-56 ± ± 22 Fase 2 37 ± ± ± 9 Fase 3 37 ± 5 58 ± ± 10 Fase 4 53 ± ± ± 15 Fase 5 24 ± ± 9 48 ± 12 Fase 6 29 ± ± ± 11 Fase 7 30 ± 6 58 ± ± 12 Fase 8 27 ± 6 52 ± 7 65 ± 10 Durante as Fases 1, 2 e 3, com o reator em processo de partida, houve incremento nos valores de remoção de DQO mesmo com aumento da TCO. Com a ocorrência de problemas operacionais, principalmente no controle da vazão de entrada, feita por meio de um registro de gaveta, não foi obtida boa eficiência de remoção de DQO na Fase 5, quando comparada com os outros valores, embora a TCO total tenha sido de 1,25 kg DQO.m -3.dia -1, valor próximo ao obtido na Fase 3 (1,19 kg DQO.m -3.dia -1 ), quando a eficiência na remoção de DQO foi de 72%. Apesar da proximidade dos valores médios para a TCO, os valores de TDH para as Fases 3 e 5 foram bastante diferentes, 10 horas para a Fase 3 e 16 horas para a Fase 5. Na Fase 6, mesmo com menor TDH e maior TCO na porção anaeróbia, o fato de se ter obtido melhor controle de vazão, resultou na melhoria da remoção de DQO em relação à Fase 5. É importante ressaltar que, apesar da diminuição do TDH das câmaras anaeróbias de 8 para 4 horas e aumento da TCO de 2,84 para 4,07 kg DQO.m -3.dia -1 da Fase 6 para as Fases 7 e 8, foram conseguidos melhores valores de remoção parcial de DQO total, evidenciando boa capacidade do reator em absorver sobrecargas hidráulicas. O desenho do reator compartimentado promove um amortecimento das cargas como pode ser verificado ao se analisar o valor da TCO do reator como um todo, o qual variou somente de 1,89 para 2,06 kg DQO.m -3.dia -1 durante o mesmo período. Apesar da grande variação do TDH de 0,36 até 2,06 kg DQO.m -3.dia -1 e da TCO de 0,36 até 2,06 kg DQO.m 3.dia -1 (cerca de 570%), a variação da remoção de DQO foi pequena, variou de 48% a 72% (cerca de 150%) indicando independência entre a variação da TCO e a variação da remoção de DQO. ABES - Associação Brasileira de Engenharia Sanitária e Ambiental 4

5 c) Remoção de Sólidos em Suspensão Total (SST) A remoção de sólidos em suspensão totais obtida é indicada na tabela 4 Tabela 4 Valores médios e desvio padrão da porcentagem de remoção de SST PONTO DE COLETA (M ± DP) CÂMARA 1 ANAERÓBIA TOTAL Fase 1-95 ± 3 74 ± 41 Fase 2 54 ± ± 9 72 ± 17 Fase 3 44 ± 4 68 ± ± 12 Fase 4 53 ± ± ± 11 Fase 5 32 ± 5 48 ± ± 5 Fase 6 36 ± ±10 65 ± 16 Fase 7 42 ± ± ± 25 Fase 8 39 ± ± ± 18 A diminuição do TDH das câmaras anaeróbias de 12 para 8 horas e da TCO de 1,92 para 1,38 kg DQO.m -3.dia -1 (Fase 5 para 6) não promoveu queda na eficiência média de remoção parcial de SST; ao contrário, a porcentagem de remoção aumentou de 48 para 54%. O mesmo ocorreu na mudança dos valores de TDH das câmaras anaeróbias da Fase 6 para 7, nas quais o TDH foi reduzido em 50% com uma conseqüente elevação da TCO de cerca de 147%, enquanto que a remoção de SST aumentou de 54 para 63% na porção anaeróbia. Da Fase 7 para a Fase 8 foi mantido o TDH de 4 horas para as câmaras anaeróbias enquanto houve uma elevação da TCO de 4,07 para 4,44 kg DQO.m -3.dia -1 e queda na eficiência de remoção de SST 63 para 58%. Tal como ocorreu na remoção de DQO, houve independência para o sistema como um todo entre a variação da TCO e os resultados obtidos para a remoção de SST. Embora como um todo o sistema tenha respondido bem, a parte anaeróbia do reator sofreu redução de eficiência de remoção de sólidos com as mudanças de TDH; redução esta relacionada às variações na velocidade ascensional. A TCO para o reator como um todo variou de 0,36 a 2,06 kg DQO.m -3.dia -1 enquanto a remoção de sólidos teve variação bem menor de 62 a 79%. d) Validade da taxa de carregamento orgânico Uma análise inicial mostrou existir independência entre os resultados das eficiências de remoção de sólidos e de DQO, comparados à variação das taxas de carregamento orgânico. Nas figuras 1, 2 e 3 pode-se observar a variação dos valores da remoção de DQO e remoção de SST para a primeira câmara, para a fase anaeróbia e para o reator como um todo, respectivamente, em função da variação da TCO, indicada no eixo direito dos gráficos. ABES - Associação Brasileira de Engenharia Sanitária e Ambiental 5

6 Figura 1 Eficiência de remoção de DQO e de SST de acordo com a variação de TCO para a câmara 1 Remoção de DQO e SST (%) DQO SST TCO ,00 8,00 7,00 6,00 5,00 4,00 3,00 2,00 1,00 TCO (kg DQO.m -3.dia -1 ) As melhores eficiências, tanto para a remoção de DQO, quanto para remoção de SST na quarta fase, ocorreram quando o TDH da câmara 1 foi fixado em 4 horas e a TCO era de 2,37 kg DQO.m -3.dia -1. Esse mesmo TDH foi utilizado nas fases 3 e 6, porém, mudanças nas características do efluente provocaram mudança na TCO obtida, respectivamente, para 3,50 e 3,87 kg DQO.m -3.dia -1. Nas duas últimas fases estudas nota-se que, mesmo com significativo aumento na TCO, foi pequena a variação na remoção de DQO e SST. Somente nas fases 5, 6 e 7 houve uma variação no mesmo sentido entre a TCO e as remoções de sólidos e DQO, ou seja, para um aumento da TCO verificou-se um aumento nas remoções de SST e DQO. Figura 2 - Eficiência de remoção de DQO e de SST de acordo com a variação de TCO para a fase anaeróbia 10 DQO SST TCO Remoção de DQO e SST (%) ,00 8,00 7,00 6,00 5,00 4,00 3,00 2,00 1,00 TCO (kg DQO.m -3.dia -1 ) ABES - Associação Brasileira de Engenharia Sanitária e Ambiental 6

7 Quando se analisam as três câmaras anaeróbias em conjunto, as curvas obtidas mostram-se ligeiramente diferentes em relação às obtidas para a primeira câmara tratada isoladamente. Para a remoção de sólidos, a Fase 1 foi a que se mostrou com maior eficiência, isso se deve ao fato do reator estar em processo de partida, com baixas velocidades ascensionais em todas as câmaras, o que proporcionou o acúmulo de sólidos no reator. Também se destacam quanto à remoção de sólidos, as Fases 2 e 4. Para essas fases os valores das TCO da porção anaeróbia do reator foram de 1,85 e 2,29 kg DQO.m -3.dia -1 respectivamente, enquanto os valores de TDH para as mesmas fases foram de 15 e 8h. A variação dos valores da TCO e valores de remoção para SST e DQO ocorrida nas Fases 4, 5, 6 e 7 foi no mesmo sentido, embora não exista uma aparente correlação numérica entre os valores dessas variações. Para as outras Fases as variações foram em sentido contrário, também não indicando correlação numérica entre as variações. Figura 3 - Eficiência de remoção de DQO e de SST de acordo com a variação de TCO para todo o reator Remoção de DQO e SST (%) DQO SST TCO ,00 8,00 7,00 6,00 5,00 4,00 3,00 2,00 1,00 TCO (kg DQO.m -3.dia -1 Para reatores compartimentados, devido a sua configuração, pode ser levantada outra questão quanto à validade da utilização do parâmetro TCO. O reator compartimentado, a grosso modo, assemelha-se a uma seqüência de reatores UASB em série. A taxa de carregamento orgânico, aplicada de modo convencional, correlaciona a carga orgânica de entrada no reator com o TDH total do sistema. Se a analogia anterior for levada a cabo, no caso de reatores compartimentados, a TCO deve ser calculada câmara a câmara, utilizandose o valor da DQO da saída da câmara antecedente para o cálculo da TCO da câmara seguinte; assim fica toda estruturada a modelagem do sistema. Recomendações feitas por DE ZEEUW (1984) indicam que para um reator UASB, durante a partida, o valor da TCO deve ser inferior a 1 kg DQO.m -3.dia -1. Seguindo a linha da comparação entre o reator compartimentado e uma seqüência de pequenos reatores UASB, recomenda-se também o uso desse parâmetro na partida de um reator compartimentado, porém sem levar em conta o reator como um todo, e sim a primeira câmara, embora nesta consideração ocorram problemas para estabelecimento de uma correlação entre os parâmetros estudados e a TCO. Deve-se ressaltar que a taxa de carregamento orgânico, é um parâmetro composto, variando tanto com o tempo de detenção hidráulico do reator, quanto com a quantidade de matéria orgânica presente no esgoto. Várias condições hidráulicas e orgânicas diferentes podem acarretar no mesmo valor de TCO, mostrando mais uma fragilidade na utilização do parâmetro como item de projeto e controle de uma estação de tratamento de efluentes. ABES - Associação Brasileira de Engenharia Sanitária e Ambiental 7

8 CONCLUSÕES A configuração do reator, em forma de câmaras, é de grande importância para assimilação e amortecimento de choques ácidos, orgânicos e hidráulicos; O reator apresentou boa eficiência na remoção parcial de DQO e SST para quase todos os TDH e TCO estudados; O parâmetro TCO deve ser utilizado cercado de cuidados por se tratar de um parâmetro composto, ou seja, dependente da carga orgânica que adentra o reator ou a câmara e o TDH do reator ou câmara. Valores de TCO semelhantes podem ter significados totalmente distintos e podem levar a eficiências opostas quanto ao tratamento dos esgotos. Ocorreu uma independência entre as variações de TCO e as variações de remoção de DQO e SST para o sistema quando observado como um todo assim como quando observados em partes, e; A aplicação do parâmetro TCO para reatores compartimentados deve ser revista já que o reator assemelha-se a uma seqüência de reatores UASB onde cada câmara pode ser encarada como um reator em separado sendo esse o ponto inicial para a modelagem desse tipo de sistema. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS 1. DE ZEEUW, W. J., Acclimatization of Anaerobic Sludge for UASB-Reactor Start-up. Tese (Ph.D.), Agricultural University, Wageningen, Netherlands, p. 2. NACHAIYASIT, S.; STUCKEY, D. C., The Effect of Shock Load on the Performance of Anaerobic Baffled Reactor (ABR). 1. Step Changes in Feed Concentration at Constant Retention Time, Water Research, v. 31, n. 11, p , 1997a. 3. NACHAIYASIT, S.; STUCKEY, D. C., The Effect of Shock Load on the Performance of Anaerobic Baffled Reactor (ABR). 2. Step and a Transient Hydraulic Shocks as Constant Feed Strenght, Water Research, v. 31, n. 11, p , 1997b. 4. NOUR, E. A. A., Tratamento de Esgoto Sanitário Empregando-se Reator Compartimentado. Tese (Doutorado) São Carlos: Escola de Engenharia de São Carlos, USP, 1996, 266p. 5. SILVA, G. H. R.; ZANELLA, L.; e NOUR, E. A. A. Comportamento de um reator compartimentado híbrido submetido a um período de operação precária: Estabilidade do Sistema, XVII, Congresso Interamericano de Ingenieria Sanitária y Ambiental, Porto Alegre, Brasil, Anais Eletrônicos, SILVA, G. H. R. Reator compartimentado anaeróbio/aeróbio tratando esgoto sanitário: Desempenho e Operação. Campinas: Unicamp, 166p Dissertação: Mestrado. 7. ZANELLA, L., Partida de um reator compartimentado híbrido anaeróbio/aeróbio tratando esgoto sanitário, Dissertação (mestrado) - Campinas: Universidade Estadual de Campinas, Unicamp, 1999, 118p. 8. ZANELLA, L. & NOUR, E.A.A. Partida de um reator compartimentado híbrido anaeróbio/aeróbio tratando esgoto sanitário In. VI Latin American Workshop and Seminar on Anaerobic Digeston, 2000, Recife, Anais, v. 2, n. 1, p ABES - Associação Brasileira de Engenharia Sanitária e Ambiental 8