AVALIAÇÃO DA OPERAÇÃO EM REGIME HIDRÁULICO TRANSIENTE DE REATOR UASB E FILTROS ANAERÓBIOS RESUMO

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1 AVALIAÇÃO DA OPERAÇÃO EM REGIME HIDRÁULICO TRANSIENTE DE REATOR UASB E FILTROS ANAERÓBIOS Luciana Sanches, Carlos Augusto L. Chernicharo, Marcos von Sperling e Ronaldo Tâdeu Pena Departamento de Engenharia Sanitária e Ambiental UFMG Av. do Contorno, 842 7ºandar Belo Horizonte Brasil Tel.: Fax.: RESUMO Este trabalho apresenta os resultados operacionais de um reator UASB seguido de pós-tratamento constituído de dois filtros anaeróbios operando em paralelo, com diferentes alturas de meio suporte. O reator UASB apresentava um volume de 416L, e os filtros 85L e 50L. O experimento operou em regime hidráulico transiente, sob diferentes TDH. Estas diferentes condições operacionais caracterizaram sete fases de pesquisa. Pode-se concluir que o sistema UASB/Filtro anaeróbio apresentou resultados muito bons em termos de remoção de DQO, e também concentrações muito baixas de sólidos suspensos no efluente final. Observou-se uma similaridade nos filtros com diferentes alturas de meio. Isso pode ser um indicativo de que a utilização de filtros com pequena camada de meio suporte pode conferir um adequado polimento aos efluentes de reatores UASB, representando, outrossim, uma significativa economia na implantação do sistemas. Palavras chaves: Reator UASB, filtro anaeróbio, pós-tratamento, regime transiente. INTRODUÇÃO/OBJETIVOS O Brasil apresenta-se diante de uma ampla crise no saneamento básico, gerando como conseqüência sérios prejuízos, principalmente aos recursos hídricos, vindo a constituir um dos principais problemas de saúde pública. Uma vez que grande parte dos esgotos em nosso país não são tratados, torna-se de grande importância a realização de pesquisas no intuito de melhorar esta situação, buscando alternativas eficazes e com baixo custo de implementação e manutenção para o tratamento de esgotos sanitários, capazes de atender a legislação ambiental. Nesse sentido, verifica-se uma verdadeira revolução nos conceitos de tratamento de esgotos sanitários. Sem dúvida, o processo anaeróbio vem tendo aumento considerável em sua aplicabilidade, isto devido às diversas características favoráveis dos mesmos, em conjunto com as condições ambientais de temperatura observadas no país. Vem sendo grande a difusão da utilização de reatores de manta de lodo (UASB) no Brasil, entretanto estes têm dificuldades em produzir um efluente que se enquadre à legislação ambiental. Diante disso, o póstratamento torna-se primordial, uma vez que pode contribuir com uma melhor remoção da matéria orgânica no sistema. Sistemas combinados, compostos por unidades anaeróbias e aeróbias, apresentam-se como alternativas inovadoras, as quais ainda necessitam ser melhor investigadas. Nestes sistemas combinados, a maior parcela de matéria orgânica é removida no processo anaeróbio, possibilitando que o remanescente de matéria orgânica possa ser removido aerobicamente, com um menor consumo de energia e menor produção de lodo (COLETTI et al, 1997).

2 A utilização de um outro processo anaeróbio para pós-tratamento talvez possa ser uma boa alternativa, capaz de minimizar significativamente os custos energéticos e operacionais do tratamento, e podendo ser largamente aplicado em pequenas e médias comunidades. Experimentos realizados no Laboratório de Instalações Piloto do DESA/UFMG, em Belo Horizonte - Brasil, investigaram o desempenho de um reator UASB e de um filtro anaeróbio ascendente utilizado como póstratamento, com ambos os reatores em regime hidráulico permanente (CASSEB,1996; MACHADO, 1997). Entretanto, o regime hidráulico permanente não representa a realidade encontrada em estações de tratamento de esgotos, onde os esgotos sanitários sofrem alterações representativas, qualitativas e quantitativas, no decorrer do dia. Por essa razão, o presente estudo buscou verificar o desempenho de um reator UASB seguido de póstratamento, sob condições operacionais transientes. Para tal, foram utilizados dois filtros anaeróbios ascendentes: o primeiro com altura do meio suporte de 1m e o segundo de 0,50m, operando em regime hidráulico transiente. Assim, esta pesquisa avaliou o comportamento do sistema seguindo uma curva de vazão horária e sob diferentes aplicações de carga hidráulica volumétrica; permitindo ampliar conhecimentos e elevar a eficiência de sistemas, uma vez que os mesmos, atualmente, vem sendo projetados e implantados com parâmetros totalmente empíricos. METODOLOGIA Os experimentos foram desenvolvidos no Laboratório de Instalações Piloto Professor Ysnard Machado Ennes LIP do Departamento de Engenharia Sanitária e Ambiental da Universidade Federal de Minas Gerais. Durante o período em estudo, o efluente doméstico que alimentou os experimentos foi bombeado do interceptor da margem direita do Ribeirão Arrudas, através de um sistema de recalque totalmente automatizado. Após a linha de recalque, o efluente passava ao tratamento preliminar, composto de gradeamento, caixa de areia, calha Parshall e caixa de acumulação/distribuição. Em seguida, o efluente era encaminhado para um reator UASB. Como unidades de pós-tratamento foram utilizados dois filtros anaeróbios ascendentes, operando em paralelo, com volumes de 85L e 50L. A FIG. 1 apresenta um fluxograma das unidades experimentais. Reator UASB Filtro 01 Efluente tratado Tratamento preliminar Filtro 02 Efluente bruto FIGURA 1 Fluxograma das unidades experimentais. Durante este estudo, a alimentação no experimento funcionou totalmente automatizada, com sistema de bombeamento composto de bomba submersível, quadro de comando e eletrodos de nível localizados no interior da caixa de acumulação/distribuição. Reator UASB O reator possuía uma altura total de 4,20 metros, volume total de 416L e volume útil de 400L. Não foram tomados cuidados especiais com a partida do sistema, uma vez que pesquisas anteriores já vinham sendo realizadas para avaliação do comportamento deste reator UASB, a aproximadamente 4 anos (MACHADO, 1997). A FIG. 2 apresenta um desenho esquemático do reator UASB utilizado no experimento.

3 Saída de biogás Saída de efluente Pontos de amostragens Entrada de efluente FIGURA 2 Desenho esquemático do reator UASB em estudo Ao longo da altura do reator UASB estavam distribuídos 12 registros de esfera, em PVC 3/4, espaçados por aproximadamente 25cm, possibilitando a verificação do comportamento e desenvolvimento da manta de lodo. Filtros anaeróbios Como pós-tratamento do reator UASB foram utilizados dois filtros anaeróbios de fluxo ascendente. Os filtros eram cilíndricos, em fibra de vidro, e o meio suporte utilizado foi escória de alto forno. Para melhor compreensão foi denominado o filtro com altura de meio suporte de 1,0m de Filtro 01 e 02 com altura de 0,5m. As principais características dos filtros anaeróbios estão descritas na TAB. 1 e as FIG. 3 e 4 apresentam um desenho esquemático dos filtros utilizados no experimento. Na altura de cada filtro haviam registros de esfera, em PVC, de 3/4 destinados a amostragem do efluente. TABELA 1 Principais características dos filtros anaeróbios ascendentes Filtro 01 Filtro 02 Altura total (m) 1,5 1,5 Atura total até a lâmina d água 1,3 0,8 Altura do fundo falso (m) 0,2 0,2 Altura do meio suporte (m) 1,0 0,5 Diâmetro interno (m) 0,3 0,3 Volume total (L) 102,4 102,4 Volume total até a lâmina d água (L) Volume útil (L) 43,34 31,64 Área superficial do filtro (m 2 ) 0,071 0,071 Ponto de amostragem do líquido 4 registros de esfera φ ½ 3 registros de esfera φ ½ Ponto de amostragem do meio suporte 4 portinholas φ 12,7cm 3 portinholas φ 12,7cm

4 Saída de biogás Saída de biogás 20 NA Saída de Escória de alto Pontos de amostragen Placa suporte Fundo falso Entrada de afluente NA Escória de alto 1 Saída de efluente 3 Pontos de 2 amostragen Placa suporte Fundo falso Entrada de afluente FIGURA 3 Desenho esquemático do Filtro 01. FIGURA 4 Desenho esquemático do Filtro 02. Meio suporte A escória de alto-forno utilizada como meio suporte nos filtros anaeróbios foi cedida pela siderúrgica Aços Especiais Itabira (ACESITA). A escória de alto forno é um resíduo siderúrgico abundante no estado de Minas Gerais que na maioria das vezes não possui destinação adequada, assim a sua utilização pode além de reduzir o custo global de implantação do sistema de tratamento, validar uma nova utilização para a mesma (CASSEB, 1996). A granulometria utilizada no estudo foi de φ 50 a 76mm, equivalente a graduação de brita nº 4. A mesma possuía área superficial de aproximadamente 100m 2 /m 3. Etapas da pesquisa Este estudo foi realizado durante o período de outubro de 1997 a junho de 1998, resultando em 212 dias de operação. Durante este período houve variação no comportamento hidráulico das unidades, bem como aumento gradual da carga orgânica aplicada, conseguida através da redução do tempo de detenção hidráulica nos filtros anaeróbios. Assim este estudo pode ser dividido em sete etapas distintas. As principais características operacionais do sistema estão descritas na TAB. 2. Em seu trabalho, MACHADO (1997) concluiu que o reator UASB e um filtro anaeróbio utilizado como póstratamento apresentaram melhor remoção de matéria orgânica carbonácea com TDH de 6h no reator UASB e 3 a 4h nos filtros anaeróbios. Baseando-se nisto, este estudo iniciou-se com reator UASB operando com TDH de 4h. Propositadamente utilizou-se um TDH relativamente baixo para reator UASB, a fim de permitir um efluente com parcela de DQO superior à permitida pela legislação ambiental, reforçando a necessidade do póstratamento. Para os Filtros 01 e 02 utilizou-se TDH de 4,9 e 5,7h, respectivamente.

5 TABELA 2 Resumo das principais características operacionais do sistema. Características Etapas I II III IV V VI VII Duração da etapa (dias) Dia de operação UASB Est. Est. Trans. Trans. Trans. Trans. Trans. Regime hidráulico Filtro 01 Trans. Trans. Trans. Trans. Trans. Trans. Trans. Filtro 02 Trans. Trans. Trans. Trans. Trans. Trans. Trans. Vazão UASB (L/h) Filtro 01 17,5 23,3 23,3 35,0 42, Filtro 02 8,8 11,7 11,7 17,3 21,3-50 TDH teórico UASB 4,0 4,0 4,0 4,0 4,0 4,0 4,0 (h) Filtro 01 4,9 3,7 3,7 2,4 2,0 1,0 - Filtro 02 5,7 4,3 4,3 2,9 2,3-1,0 Taxa de UASB 1,05 1,05 1,05 1,05 1,05 1,05 1,05 aplicação superficial Filtro 01 0,24 0,32 0,32 0,50 0,60 1,20 - (m 3 /m 2.h) Filtro 02 0,12 0,16 0,16 0,43 0,30-0,70 Carga hidráulica UASB 6,0 6,0 6,0 6,0 6,0 6,0 6,0 aplicada Filtro 01 4,9 6,5 6,6 9,9 12,0 24,0 - (m 3 /m 2.d) Filtro 02 4,2 5,6 5,6 8,4 10,2-24,0 Carga orgânica UASB 9,49 10,65 2,31 3,82 2,34 2,05 3,86 volumétrica Filtro 01 0,69 0,79 0,55 0,82 1,13 3,19 - (KgDQO/m 3.d) Filtro 02 0,35 0,67 0,47 0,69 0,96-4,25 Legenda: Est.: estacionário, Trans.: transiente Regime hidráulico A maior parte das pesquisas desenvolvidas com reatores UASB e filtros anaeróbios considera uma vazão constante ao longo do dia. No entanto, as variações horárias de vazão são a regra geral nas estações em escala real, fato que pode ocasionar interferências e alterar o comportamento do sistema de tratamento. Nesse sentido, o acompanhamento de aparatos experimentais que operem em regime hidráulico transiente torna-se de fundamental importância. Para a consecução desta estratégia, o Departamento de Engenharia Sanitária e Ambiental (DESA/UFMG), em parceria com o Laboratório de Controle de Processos Industriais (LCPI) do Centro de Pesquisas e Desenvolvimento em Engenharia Elétrica (UFMG), desenvolveu uma planta piloto STEPAA (Sistema de Tratamento de Esgotos por Processos Anaeróbios e Aeróbios) com o objetivo principal da automação e controle dos sistemas de pré-tratamento e pós-tratamento, através da qual foi possível implementar regime hidráulico transiente, simulando um hidrograma típico de vazão através de um polinômio ajustado. A FIG. 05 mostra o hidrograma típico de vazão utilizado. Vazão 1,8 1,6 1,4 1,2 1,0 0,8 0,6 0,4 0,2 0,0 00:00 02:00 04:00 06:00 Vazão variável 08:00 10:00 12:00 14:00 Horas do dia 16:00 18:00 20:00 FIGURA 5 Curva de vazão variável utilizada Vazão média 22:00 00:00 Monitoramento do experimento O monitoramento do sistema foi feito através de amostragens compostas, realizadas para determinação de parâmetros físico-químicos do esgoto bruto (A-UASB), saída do reator UASB (E-UASB) e saída dos Filtros 01 e 02 (E-Filtro01 e E-Filtro02). Para se obter dados mais significativos, realizou-se também amostragens nos pontos do corpo cilíndrico do reator UASB e dos filtros, e amostras do meio suporte. Os seguintes parâmetros

6 físico-químicos foram analisados: temperatura, ph, alcalinidade, ácidos voláteis, DQO t, DQO s, SS e qualidade e quantidade do biogás produzido. As amostras foram analisadas no Laboratório de Análises Físico-químicas do DESA/UFMG e no LIP, de acordo com Standard Methods (1992). A freqüência das análises de ph, temperatura e leitura de biogás produzido foi diária, enquanto as análises de alcalinidade, ácidos voláteis, SS e DQO variaram de uma a três vezes por semana. O perfil de sólidos totais nos filtros foi realizado quinzenalmente e no reator UASB mensalmente. RESULTADOS E DISCUSSÃO Os principais resultados estão apresentados na Tab.3. Com os resultados obtidos pode-se verificar as eficiências na remoção de matéria orgânica, conforme Tab. 4. Parâmetros TABELA 3 Resumo das médias dos parâmetros físico-químicos monitorados Etapas I II III IV V VI VII A-UASB DQO t E-UASB (mg/l) E-Filtro E-Filtro A-UASB DQO s E-UASB (mg/l) E-Filtro E-Filtro A-UASB DBO t E-UASB (mg/l) E-Filtro E-Filtro A-UASB 6,2 6,4 6,0 6,4 6,7 6,6 6,6 PH E-UASB 6,3 6,5 6,2 6,6 6,7 6,6 6,6 E-Filtro 01 6,5 6,6 6,4 6,6 6,5 6,5 - E-Filtro 02 6,5 6,6 6,3 6,6 6,7-6,6 A-UASB 28,4 25,9 28,9 27,8 25,7 25,6 24,5 Temperatura (ºC) E-UASB 28,5 25,9 28,8 27,8 25,4 25,9 24,5 E-Filtro 01 28,7 25,6 28,7 27,6 25,3 25,9 - E-Filtro 02 28,6 25,4 28,6 27,9 25,3-24,4 A-UASB Alcalinidade E-UASB (mg/l) E-Filtro E-Filtro A-UASB Ácidos voláteis E-UASB (mg/l) E-Filtro E-Filtro A-UASB SST E-UASB (mg/l) E-Filtro E-Filtro

7 TABELA 4 Resumo das eficiências de remoção dos parâmetros físico-químicos monitorados Parâmetros Eficiência Etapas (%) I II III IV V VI VII UASB DQO t Filtro Filtro Global UASB/Filtro Global UASB/Filtro UASB DQO s Filtro Filtro Global UASB/Filtro Global UASB/Filtro UASB DBO t Filtro Filtro Global UASB/Filtro Global UASB/Filtro O objetivo principal do monitoramento do sistema UASB/Filtro 01 e UASB/Filtro 02 foi o de se avaliar o comportamento das unidades operando em regime transiente e o comportamento dos filtros com diferentes alturas de meio suporte como pós-tratamento. A partir desta proposta pôde-se constatar que: O decaimento da eficiência dos sistemas UASB/Filtro 01 e UASB/Filtro 02 foi observado a partir da etapa V, quando estes foram operados com TDH inferiores a 2 horas. Nesta fase, a eficiência global para remoção de DQOt foi de 80% e 84%, para os filtros 01 e 02, respectivamente. Até esta etapa, os filtros 01 e o 02 propiciaram efluentes atendendo as concentrações permitidas pela legislação ambiental estadual. Na etapa V, a qual pode ser definida como etapa limite para melhor desempenho dos filtros anaeróbios, as concentrações de DQO no efluente final foram de 76 e 60mg/L para os filtros 01 e 02, respectivamente. Os resultados de sólidos suspensos no efluente final também são animadores, uma vez que foram observados valores inferiores a 21mg/L para ambos os filtros, até a etapa V. A partir desta etapa, quando o sistema foi operado com TDH inferiores, a qualidade do efluente final foi inferior. Parece que o regime transiente pouco afetou o desempenho do sistemas. Comparativamente, o sistema UASB/ Filtro anaeróbio, tanto operado em regime transiente quanto permanente, apresentou bons resultados em relação à remoção de matéria orgânica, tendo sido observada uma queda de eficiência quando os mesmos foram submetidos a elevadas cargas hidráulicas (TDH inferior a 2h). Nas etapas em regime hidráulico transiente, o reator UASB chegou a atingir eficiências médias de remoção de DQOt da ordem de 90%, resultando em um efluente com concentrações de DQOt de 76mg/L. Com o reator UASB, pôde-se verificar através do perfil de sólidos totais (ST) que as variações de vazão, com picos máximos e mínimos pronunciados afetaram as concentrações de ST ao longo da altura do reator foram diferentes das encontradas nas etapas em que o reator foi operado em regime hidráulico permanente. Notou-se uma maior expansão da manta de lodo, que atingiu a parte mais superior do compartimento de digestão. Acredita-se que a melhor eficiência do reator UASB durante a operação em regime hidráulico transiente seja justificada pelo fato da ocorrência de uma melhor mistura da manta de lodo. De certa forma, os filtros anaeróbios sofreram o mesmo efeito de expansão da manta de lodo, tendo sido observadas as maiores concentrações de ST à uma altura de 20cm acima dos fundos falsos dos mesmos. Isso ocorreu na maioria das etapas operacionais. A FIG.5 apresenta um perfil de ST no reator UASB na etapa I, quando o regime hidráulico foi permanente, e a FIG. 6 um perfil de ST no reator UASB, em regime transiente na etapa III.

8 (g/l) 100,0 90,0 80,0 70,0 60,0 50,0 40,0 30,0 20,0 10,0 0,0 ST STV Registros de coleta Figura 5 Perfil de ST no reator UASB na etapa I operando em regime hidráulico transiente 100,0 (g/l) 80,0 60,0 40,0 20,0 0,0 ST STV Registros de coleta Figura 6 Perfil de ST no reator UASB na etapa III operando em regime hidráulico transiente CONCLUSÕES Os filtros anaeróbios com diferentes alturas de meio suporte apresentaram semelhante margem de remoção de de DQOt e, em conjunto com o reator UASB, propiciaram uma eficiência global satisfatória, resultando em um efluente final capaz de atender a legislação ambiental na maioria das etapas estudadas. Isso pode ser um indicativo de que a utilização de filtros com pequena camada de meio suporte podem conferir um adequado polimento aos efluentes de reatores UASB, representando, outrossim, uma significativa economia na implantação dos sistemas de tratamento de águas residuárias. Também os resultados de SS no efluente final foram excelentes, tendo sido observados concentrações médias inferiores a 21mg/L, até a etapa V, onde pode ser notado seu melhor desempenho. REFERÊNCIA BIBLIOGRÁFICA APHA, AWWA, WPCF. Standard methods for the examination of water and wastewater. 18 ed. New York: L. S. Clerceri, A. E. Grenberg, R.R. Trussel, CARVALHO, E. H.. Filtros biológicos anaeróbios: conceitos básicos, projeto e desenvolvimento. São Carlos: Escola de Engenharia de São Carlos da USP, p. (Dissertação, Mestrado em Engenharia Civil). CASSEB, M. M. S.. Avaliação do desempenho de um reator anaeróbio de fluxo ascendente e manta de lodo, em escala piloto, tratando esgotos sanitários da cidade de Belo Horizonte. Belo Horizonte: Escola de Engenharia da UFMG, p. (Dissertação, Mestrado em Saneamento e Meio Ambiente). CHERNICHARO, C. A. L..: Reatores anaeróbios. 1ed. Belo Horizonte: Departamento de Engenharia Sanitária e Ambiental da UFMG, p. (Princípios do tratamento biológico de águas residuárias, v.5) COLETTI, F. J., POVINELLI, J., DANIEL, L. A.. Pós-tratamento por lodos ativados de efluentes provenientes de processos anaeróbios de tratamento de esgoto sanitário: determinação de constantes cinéticas. In: ANAIS DO 19º CONGRESSO BRASILEIRO DE ENGENHARIA SANITÁRIA E AMBIENTAL. Foz do Iguaçu: ABES, p COPAM (CONSELHO DE POLÍTICA AMBIENTAL DE MINAS GERAIS) Deliberação Normativa nº 10, 1986.

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