II-124 RESPIROMETRIA APLICADA NO SISTEMA DE LODO ATIVADO. INFLUÊNCIA DE INTERRUPÇÕES DA OXIGENAÇÃO SOBRE A VIABILIDADE E ATIVIDADE DE LODO ATIVADO

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1 II-124 RESPIROMETRIA APLICADA NO SISTEMA DE LODO ATIVADO. INFLUÊNCIA DE INTERRUPÇÕES DA OXIGENAÇÃO SOBRE A VIABILIDADE E ATIVIDADE DE LODO ATIVADO Adriana Guimarães Costa Graduada em Engenharia Sanitária e Ambiental pela Universidade Federal do Pará. Mestranda em Engenharia Civil, área de concentração em Saneamento pela Universidade Federal da Paraíba. Bolsista da CAPES. Andréa Fagundes Ferreira Graduada em Engenharia Sanitária e Ambiental pela Universidade Federal do Pará. Mestranda em Engenharia Civil, área de concentração em Saneamento pela Universidade Federal da Paraíba. Bolsista da CAPES. Patrícia Guimarães Graduada em Engenharia Química pela Universidade Federal de Pernambuco. Doutorando em Engenharia Química pela Universidade Federal do Rio Grande do Norte. Sebastian Yuri Cavalcanti Catunda Doutor pela Politécnica de Paris. Professor do departamento de Engenharia Elétrica da Universidade Federal do Maranhão. Adrianus Van Haandel (1) Professor do Departamento de Engenharia Civil do Centro de Ciências e Tecnologia da Universidade Federal da Paraíba, PhD em Engenharia Civil/Saneamento. Endereço (1) : DEC CCT UFPb - Rua Aprígio Veloso, Bodocongó Campina Grande, Pb - CEP: Tel: (83) prosab@cgnet.com.br RESUMO O princípio do funcionamento de sistemas aeróbios de tratamento de águas residuárias é que se mantém uma população bacteriana no sistema e se fornece oxigênio em quantidade suficiente para que esta massa bacteriana possa metabolisar o material orgânico presente no afluente (Van Haandel e Marais, 1999). Na maioria dos sistemas aeróbios o oxigênio é transferido da atmosfera para a fase líquida do sistema de tratamento por meio de aeradores mecânicos que normalmente funcionam com motores elétricos. Para manter a população bacteriana viva e com boa capacidade metabólica a disponibilidade de oxigênio é necessária. Contudo, pode na prática haver interrupção da aeração, seja por problemas ocasionais na distribuição da energia elétrica ou devido a interrupções planejadas em horários de preço elevado de energia elétrica. Por outro lado é possível que durante determinados períodos não haja carga orgânica (p.e. no caso de não haver efluentes industriais nos fins de semana), de modo que conviria em princípio desligar os aeradores para reduzir o consumo de energia. Por esta razão é de interesse avaliar que influência exerce a interrupção da aeração sobre a sobrevivência de lodo ativo e sobre a atividade deste logo após a interrupção. No presente trabalho determinou-se a Taxa de Consumo de Oxigênio (TCO) da respiração endógena em batelada de lodo antes e depois se aplicar diferentes períodos sem aeração. Determinou-se ainda a influencia da duração da interrupção da aeração sobre a atividade das bactérias heterotróficas (que metabolisam o material orgânico) e das autotróficas (as nitrificadoras. Para isto determinou-se o aumento da TCO ao se adicionar substrato em abundância para as heterotróficas (acetato de sódio) e para as autotróficas (cloreto de amônia). Os resultados experimentais indicam que períodos de até uma semana de interrupção de aeração têm pouco efeito sobre a sobrevivência e a atividade do lodo ativado. Para períodos entre duas e três semanas tem uma diminuição gradual da fração de material orgânico que pode sobreviver e também a atividade metabólica que a fração viva ainda tem. Determinou-se ainda que tanto as bactérias heterotróficas quanto as bactérias autotróficas (nitrificantes) preservam sua capacidade metabólica por um longo período sem aeração. Concluise que a massa bacteriana que se desenvolve em sistemas de lodo ativado é capaz de resistir a prolongados períodos sem aeração. PALAVRAS-CHAVE: Respirometria, Atividade do Lodo, Respiração Endógena, Interrupção da Aeração, Decaimento da Atividade. ABES Trabalhos Técnicos 1

2 INTRODUÇÃO O consumo de energia elétrica é um dos principais fatores a ser considerado nos custos operacionais de um sistema de lodo ativado, isso porque os motores elétricos geralmente utilizados demandam energia para garantir a aeração do licor misto. Esse fato se torna ainda mais preponderante quando se considera a remoção de nitrogênio, onde a demanda de oxigênio para a nitrificação chega a ser em torno de 5% da demanda de oxigênio para a oxidação do material orgânico. Em regiões de clima tropical é praticamente impossível evitar que a nitrificação ocorra. O consumo de oxigênio pela massa bacteriana em sistemas de lodo ativado se deve basicamente a três fatores: (1) respiração endógena, o consumo pelas bactérias para sua manutenção, (2) catabolismo do material orgânico do afluente, i.e. uma parte do material orgânico é oxidada para produtos minerais e (3) oxidação de amônia para nitrato pelas bactérias nitrificadoras quando estas estão presentes. No caso de interrupção de aeração, a nitrificação pára imediatamente, porque as nitrificadoras são aeróbias obrigatórias (Downing et al, 1964). As heterotróficas podem metabolisar material orgânico usando nitrato, mas quando a desnitrificação for completa, todo o metabolismo pára. Neste momento a respiração endógena também não pode mais continuar por falta de um oxidante e a manutenção normal das funções vitais das bactérias não ocorre mais. Na prática podem ocorrer interrupções da aeração que podem ser ocasionadas por falhas no sistema de distribuição de energia ou então podem ser planejados. No caso de paradas involuntários da aeração é importante saber qual a freqüência e duração de blecautes e qual é o efeito da interrupção da aeração sobre a qualidade do lodo. Interrupções planejadas da aeração podem ser uma alternativa interessante para reduzir os custos operacionais de sistemas de lodo ativado. Em muitas regiões há uma tarifa variável de energia elétrica com preços bem mais altos no horário de demanda máximo (das 18: às 22: hrs aproximadamente). Van Haandel et al mostraram que era é tecnicamente factível interromper a aeração durante 4 horas no sistema de tratamento da CETREL em Camaçarí e que tal interrupção resultava numa redução de custos de aeração de 2 %. Por outro lado imagina-se que seria interessante desligar a aeração em sistemas de águas residuárias industriais quando nas indústrias não se produzem efluentes, por exemplo nos fins de semana. Neste caso será muito importante saber qual a duração máxima de uma interrupção para evitar o decaimento excessivo das bactérias ou perda de atividade do lodo. O consumo de oxigênio pela massa bacteriana num reator ou numa amostra pode ser avaliado por um teste simples no qual se determina a variação do consumo de oxigênio quando se interrompe a aeração, mantendose a agitação do licor misto. Ao se determinar a taxa de consumo de oxigênio (TCO) na ausência de substrato (material orgânico ou amônia), obtém-se um valor que reflete a demanda de oxigênio para a respiração endógena. Este é o parâmetro de avaliação mais adequado para quantificar a fração de bactérias que sobrevive um determinado período sem aeração: simplesmente determina-se a TCO antes e depois da interrupção da aeração. O decaimento do lodo ativo (massa bacteriana viva) durante interrupções da aeração tem dois aspectos: o aspecto quantitativo que está relacionado com a fração das bactérias que podem sobreviver um determinado período sem aeração e o aspecto qualitativo que é indicativa para a capacidade metabólica ou a atividade das bactérias que sobrevivem. A atividade de lodo também pode ser estimada pela taxa de consumo de oxigênio, da seguinte maneira: Depois de se determinar a TCO na ausência de substrato (i.e. a taxa de respiração endógena) adiciona-se substrato em abundância de modo que o lodo passa a usar oxigênio a taxa máxima, tanto para a sua demanda endógena (que não se modifica) como para sua demanda exógena para metabolisar o material extracelular. A proporção entre a TCO máxima (com substrato abundante) e a TCO mínima (sem substrato) dá a informação sobre a capacidade metabólica ou seja a atividade do lodo. Mutatis mutandis, este mesmo método pode ser usado para avaliar a variação da atividade de nitrificadoras: neste caso adiciona se um sal de amônia (p.e. NH 4 CL) em abundância e mede se a TCO relacionado com esta adição. MATERIAIS E MÉTODOS No presente trabalho verificou-se a atividade bacteriana, tendo-se como recurso o uso da respirometria no qual utiliza-se um medidor de oxigênio ligado ao respirômetro sendo este acoplado a um computador. Através do uso de um software desenvolvido especialmente para esta finalidade, obtém-se dados da concentração de 2 ABES Trabalhos Técnicos

3 oxigênio em função do tempo e após um tratamento estatístico estes dados permitem o calcula da taxa de consumo de oxigênio (TCO). Estes dados são armazenados no computador para a produção de respirogramas: diagramas da TCO em função do tempo. Para a determinação confiável da TCO, requer-se um consumo de oxigênio de 2 a 3 mg/l (Van Haandel e Marais, 1999). O princípio do teste é simples, o computador controla a aeração ligando os aeradores quando a concentração de OD é menor que um valor de referência inferior (por exemplo 1, mg/l), aumentando a concentração de OD. Quando esta chega ao valor de referência superior (por exemplo 3, mg/l), a aeração é interrompida e observa-se a diminuição da concentração de OD devido à respiração. Ao atingir novamente o valor de referência inferior, a aeração é ligada novamente e inicia-se outro ciclo. Desta maneira determina-se a TCO semi continuamente (Van Haandel e Catunda, 1982). Uma amostra de lodo ativado de 5 litros, usada na investigação experimental, foi retirada de um sistema Bardenpho em escala de demonstração (6 m 3 ) que trata 5 l/h de esgoto bruto municipal de Campina Grande, mantendo-se uma idade de lodo de 7,8 dias, o suficiente para haver nitrificação e desnitrificação eficientes no sistema. Esta amostra era aerada por um período de 3 h para remover qualquer substrato que pudesse estar absorvido ou adsorvido ao lodo, observando-se que de fato na terceira hora a TCO da amostra era praticamente constante. Foram determinadas as DQO afluente e efluente, bem como, a concentração do lodo. Estes são os elementos necessários para calcular a composição teórica do lodo (fração ativa, resíduo endógeno e lodo inerte) e assim tem se condições de se calcular teoricamente qual é a TCO da respiração endógena usando-se o modelo de lodo ativado de Van Haandel e Marais (1999). Depois da aeração inicial interrompeu-se o fornecimento de oxigênio ao lodo e observou-se a TCO mínima (da respiração endógena) e máxima (com acetato) bem como a TCO máxima de nitrificação) da seguinte maneira:. Diariamente era retirada uma batelada de 1 litro da amostra inicial para determinação da TCO. Ao atingir a TCO endógena a batelada era dividida em duas partes iguais e a uma adicionava-se uma concentração de 17 mg/l (como DQO) de acetato de sódio e a outra uma concentração de 38 mg/l de cloreto de amônio. O substrato era diluído com a própria amostra para assegurar que não seria fornecido nenhum outro substrato ao lodo. Determinou-se então a TCO nas bateladas durante o metabolismo destes dois substratos. RESULTADOS EXPERIMENTAIS Com base na concentração do lodo verificou-se a TCO endógena teórica, o valor encontrado foi 15,2 mg/l/h o qual se apresenta bem próximo ao determinado pelo respirômetro, de 14,3 mg/l/h, o que garante a confiabilidade do teste. As condições operacionais e a composição do esgoto são apresentados no quadro 1. Quadro1: Condições operacionais e caracterização do afluente e efluente do sistema gerador de lodo. Característica do Afluente e Efluente Condições Operacionais Parâmetro Valor Parâmetro Afluente Reator Efluente Volume do Reator (m 3 ) 6 DQO (mg/l) Vazão do Afluente (m 3.d -1 ) 1 TKN (mg/l) 38 3 Vazão do Lodo de Retorno (m 3.d -1 ) 1 NH 3 (mg/l) 27 1 Idade do Lodo (d) 7,8 NO 3 (mg/l) <1 16 Temperatura ( o C) 25 Alc (mg/l) Número de determinações 3 PH 7,5 7,2 STS (mg/l) 137 SVS (mg/l) 95 Na Figura 1 observa-se os resultados da TCO relativa a respiração endógena após interrupção da aeração de 1, 15 e 3 dias de duração. É possível verificar que apesar da amostra ter sido aerada antes do experimento há material extra celular que se gera durante a interrupção da aeração. Isto se conclui a partir da TCO elevada que se observa nos primeiros momentos depois do reinicio da aeração. Esta geração se explica quando se admite que há bactérias morrendo e se solubilisando (lisa) mas que este material (biodegradável) não pode ser usada pelas bactérias vivas porque não há disponibilidade de um oxidante. Quando a aeração é reiniciada, a massa bacteriana viva metabolisa a massa de bactérias mortas. Quando a interrupção é curta (no primeiro dia) há ABES Trabalhos Técnicos 3

4 pouco material extra celular e o consumo se dá rapidamente ( 1 min, Fig. 1) restabelecendo-se basicamente a TCO da respiração antes da interrupção da aeração. Todavia para interrupções longas (15 dias) a lisa do material orgânico é muito mais expressiva, resultando num maior aumento temporário da TCO e por um período mais longo, mas no fim do metabolismo do material gerado nos 15 dias (4 min, Fig. 1) a TCO se restabelece a um nível nitidamente inferior ao valor inicial da TCO: 1,2 contra 14,3 mg/l/h, observa-se que neste intervalo houve decaimento de aproximadamente 1-1,2/14,3 = 1/3 da massa e bactérias vivas. No trigésimo e último dia do experimento tanto o valor logo depois do reinicio da aeração como a TCO correspondente a respiração endógena são baixas. O baixo valor inicial pode ser explicado se a atividade do lodo vivo é baixo, fato que é comprovado pelo teste específico correspondente. O baixo valor da TCO de respiração endógena (4 mg/l/h) mostra que grande parte das bactérias vivas decairiam nos trinta dias sem aeração, mantendo-se uma fração viva de somente 4/14,3 =,28. TCO(mg/l/h) o dia 15o dia 28o dia tempo(min) TCOend(mg/l/h) tempo(d) Figura 1: Perfis da TCO do Licor Misto em Diferentes Períodos sem Aeração Figura 2: Valor da respiração endógena em bateladas de uma amostra de lodo após vários períodos sem aeração 1o dia 16o dia 3o dia Substrato solúvel Substrato nitrogenado TCO(mg/l/h) tempo(min) TCOmax/TCOend tempo(d) Figura 3: Perfis da TCO do Licor Misto em Diferentes Períodos sem Aeração e Após a Adição de Alimento Solúvel Figura 4: Proporção entre o valor máximo da TCO e a respiração endógena para dois substratos em função da duração da interrupção da aeração 4 ABES Trabalhos Técnicos

5 Na Fig. 2 observa-se a evolução da TCO de respiração endógena em função da duração da interrupção da aeração. Como se vê na figura, a TCO endógena não apresenta grandes variações nos primeiros vinte dias sem aeração. Após esse período verifica-se um decréscimo considerável da mesma, o que caracteriza um decaimento da massa bacteriana. A Figura 3 apresenta como exemplos os resultados da TCO obtidos em amostras submetidas 1, 15 e 3 dias sem aeração, sendo adicionado a mesma, após obtenção da TCO endógena, um substrato solúvel: acetato de sódio. Observa-se no primeiro dia uma TCO endógena de aproximadamente 14,3 mg/l/h e após a adição do acetato atinge o valor de em média 53, mg/l/h alcançando sua máxima TCO e consequentemente a máxima atividade bacteriana, após total consumo do acetato há uma brusca queda da TCO obtendo-se assim a segunda 4 1o dia 15o dia 28o dia TCO(mg/l/h) tempo(min) Figura 5: Perfis da TCO do Licor Misto em Diferentes Períodos sem Aeração e Após a Adição de Alimento Solúvel TCO endógena, a qual é superior à primeira. Isso provavelmente se deve ao crescimento da massa bacteriana ao metabolisar o substrato. Após quinze dias sem aeração já é possível observar uma queda da atividade (em torno de 25%), tendo-se no último dia de experimento uma baixa de 5% na atividade bacteriana o que é bastante representativo. A Fig. 4 apresenta a proporção entre a TCO máxima (com substrato orgânico abundante) e a TCO mínima (relativa à respiração endógena) em função do período sem aeração. Observa-se que a proporção tende a diminuir com o tempo, o que indica que a atividade específica (isto é a capacidade metabólica do lodo por unidade de massa de lodo vivo) diminui na medida que aumenta o tempo de interrupção de aeração. Esta diminuição se torna mais acentuada depois de 2 dias de interrupção da aeração. A atividade das bactérias nitrificantes é observada na Figura 5, os resultados foram obtidos em amostras submetidas 1, 15 e 3 dias sem aeração, sendo adicionado ao licor misto um material nitrogenado (cloreto de amônio) como alimento para posterior verificação da atividade das bactérias nitrificantes. É possível observar, que diferente das bactérias heterotróficas as autotróficas apresentam uma maior resistência a falta de oxigênio, praticamente não havendo alteração da TCO máxima: a TCO logo depois da adição de amônia diminuiu de 45 mg/l/h no primeiro dia sem aeração para 4 mg/l/h após 3 dias sem aeração. Outro fato importante é que a TCO diminuía gradualmente enquanto o lodo metabolisava a amônia adicionada. Isto se deve ao fato que a nitrificação é um processo que consome alcalinidade e por esta razão o ph diminui, o que em si reduz a taxa de nitrificação e portanto a TCO associada a este processo. É interessante observar que a diminuição do ph leva também a uma redução da taxa de respiração endógena quando o metabolismo da amônia está concluído. CONCLUSÕES (1) A respirometria é uma ferramenta muito útil para a avaliar a sobrevivência e a capacidade metabólica do lodo ativado quando a aeração é interrompida. ABES Trabalhos Técnicos 5

6 (2) Grande parte das bactérias no lodo de um sistema Bardenpho operado com esgoto municipal como afluente, sobrevivem períodos de até 2 semanas sem aeração. Após um período de 3 semanas começa a haver um decaimento expressiva da fração de lodo ativo. (3) A capacidade metabólica sofre uma redução gradual na medida que se aplica um período mais longo sem aeração, principalmente porque a massa de bactérias vivias diminui. (4) A atividade específica das bactérias heterotróficas permaneceu praticamente constante durante 2 dias quando se aplicava períodos de até 2 dias sem aeração, e diminuía em aproximadamente 5 % quando o período se estendia por 3 dias. A atividade específica das bactérias autotróficas não foi mensuravelemente afetada por períodos de até 3 dias sem aeração. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS 1. DOWNING, A.L., PAINTER, H.A. E KNOWLES, G. (1964). Nitrification in the Activated Sludge Process, J. Proc. Inst. Sew. Purif., 64,2 pp DOWNING, A.L., Tomilinson., T.G. e Truesdale, G.A. (1964). Effects of Inhibitors on Nitrification in the Activated Sludge Process, J. Proc. Inst. Sew. Purif., 6, pp VAN HAANDEL E MARAIS, G. (1999). O Comportamento do Sistema de Lodo Ativado: Teria e Aplicações para Projetos e Operações. 4. MCCARTY, P.L. E BRODERSEN C.F. (1962).: Theory and extebded aeration activated sludge. J. Wat. Pollut. Controil Fed. 34, VAN HAANDEL, A.C. E CATUNDA, P.F.C. (1982). Determinação da Taxa de Consumo de Oxigênio. Revista Engenharia Sanitária. 21, 4, pp ABES Trabalhos Técnicos