EDSON JUNIO MOREIRA DE ALMEIDA LARA JARDIM GROSSI ESTUDO DO PROCESSO DE TRATAMENTO DE ÁGUA DA INDÚSTRIA DE LATICÍNIO

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1 EDSON JUNIO MOREIRA DE ALMEIDA LARA JARDIM GROSSI ESTUDO DO PROCESSO DE TRATAMENTO DE ÁGUA DA INDÚSTRIA DE LATICÍNIO Poços de Caldas/MG 2014

2 EDSON JUNIO MOREIRA DE ALMEIDA LARA JARDIM GROSSI ESTUDO DO PROCESSO DE TRATAMENTO DE ÁGUA DA INDÚSTRIA DE LATICÍNIO Trabalho de conclusão de curso apresentado como parte dos requisitos para obtenção de grau em Engenharia Química pela Universidade Federal de Alfenas. Orientadora: Profª. Lorena Oliveira Pires Poços de Caldas/MG 2014

3 FICHA CATALOGRÁFICA A447e Almeida, Edson Junio Moreira de. Estudo do processo de tratamento de água da indústria de laticínio./edson Junio Moreira de Almeida, Lara Jardim Grossi ; Orientação de Lorena Oliveira Pires. Poços de Caldas: fls.: il.; 30 cm. Inclui bibliografias: fls Trabalho de Conclusão de Curso (Graduação em Engenharia Química) Universidade Federal de Alfenas Campus de Poços de Caldas, MG. 1. Águas residuárias. 2. Indústrias de laticínio.3.reator anaeróbio. I. Grossi, Lara Jardim. II. Pires, Lorena Oliveira (orient.). III. Universidade Federal de Alfenas - Unifal.IV. Título. CDD 628.1

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5 AGRADECIMENTOS À Universidade Federal de Alfenas, em especial ao Instituto de Ciência e Tecnologia, pela oportunidade, apoio e condições de aprendizagem proporcionados. À empresa Barbosa e Marques por nos conceder a visita técnica e fornecer dados que foram utilizados no decorrer do estudo para a realização deste trabalho. À Professora Lorena Oliveira Pires que foi fundamental para a conclusão do nosso trabalho. Sempre orientando da melhor maneira possível, auxiliando, ensinando e disposta a ajudar em todas as dificuldades encontradas. A todos os docentes, discentes e funcionários da Unifal que de alguma maneira colaboraram para a nossa formação acadêmica, sendo de grande importância para a realização deste trabalho de conclusão de curso.

6 RESUMO A produção brasileira de leite e derivados possui grande destaque no cenário mundial. Porém, neste ramo industrial existe elevada produção de subprodutos que possuem grande carga orgânica, e como consequência geram resíduos com essa característica. Para o tratamento destes efluentes existem diversos processos baseados em aspectos físicos, químicos e biológicos como a coagulação, floculação, sedimentação, decantação e reatores biológicos. Para que houvesse um aprofundamento nas características dos processos utilizados nos tratamentos de resíduos de indústrias de laticínio, realizou-se uma visita técnica à empresa Barbosa e Marques sendo possível observar o tratamento das águas residuárias realizado por ela. A partir dos dados obtidos nesta visita, realizou-se uma revisão bibliográfica sobre os assuntos envolvidos e, a partir disso, foi possível estudar viabilidade de substituição do tratamento em lagoa por um reator UASB com o intuito de estabelecer qual processo seria mais viável para o tratamento de água residuária da indústria de laticínio. Após a realização dos cálculos, o volume, a área e a eficiência em relação à remoção de DBO do reator foram, respectivamente, 32,651 m³, 3,353 m² e 77,86%. Observou-se a grande diferença e economia de área se comparado com a lagoa aeróbia que possui área de 450m², volume de 900m³ e eficiência em relação à remoção de DBO de 86%. Assim, Em locais onde o custo do metro quadrado é muito elevado, reduzindo a área de construção para esta finalidade, há uma economia muito alta. Palavras-chave: Águas residuárias. Indústrias de laticínio. Processos de tratamento. Reator anaeróbio.

7 SUMÁRIO 1. Introdução Objetivos Revisão Bibliográfica Coagulação Floculação Sedimentação/Decantação Lagoas de Estabilização Resíduos das indústrias de laticínios no Brasil Resíduos Líquidos Resíduos Sólidos Tratamento de efluentes por processo anaeróbio Fatores Ambientais Reator UASB Funcionamento Critérios de projeto Metodologia Resultados e Discussões Viabilidade econômica Conclusão REFERÊNCIAS... 30

8 8 1. Introdução O Brasil é um dos maiores produtores de leite e derivados, no mundo. Este ramo é caracterizado pela produção de compostos que apresentam grande carga orgânica e, portanto, pela presença de resíduos com a mesma característica. A disposição final dos efluentes gerados nas indústrias de laticínios envolve uma problemática de estudo de grande relevância. Para o tratamento destes resíduos existem diversos processos baseados em aspectos físicos, químicos e biológicos como a coagulação, floculação, sedimentação, decantação e reatores biológicos. Para que fosse possível um aprofundamento nas características dos processos utilizados nos tratamentos de resíduos de indústrias de laticínio, realizou-se uma visita técnica à empresa Barbosa e Marques onde foi possível observar o tratamento das águas residuárias realizado por ela. Com base nas etapas do processo observadas na visita, foi feita uma revisão bibliográfica sobre cada operação de forma individual para que, posteriormente, pudesse se realizar análises sobre possíveis substituições no sistema atual. 2. Objetivos Estudar a viabilidade de aplicação do reator UASB em substituição de um sistema de tratamento de água residuária, composto por tratamentos físico-químicos e uma lagoa de estabilização aeróbia em uma indústria de laticínio. Ter como foco principal, a economia gerada pela redução de área utilizada no processo de tratamento proposto por este trabalho. 3. Revisão Bibliográfica Os processos, conceitos e tecnologias empregados no tratamento de águas residuárias serão abordados nesta revisão bibliográfica. É importante conhecer e entender cada processo para que seja possível, posteriormente, compará-los e determinar o que seria mais viável para se empregar no tratamento de água residuária da indústria de laticínios.

9 9 3.1.Coagulação O processo de coagulação é feito uma vez que, na grande maioria dos tratamentos de água não se é possível realizar a remoção de sólidos em suspensão apenas pelos processos de sedimentação, flotação e filtração. Este fato é devido aos sólidos possuírem cargas superficiais negativas, impedindo a aproximação dessas partículas. Sendo assim, é necessária a adição de agentes coagulantes para que ocorra uma modificação nas características da água e dos sólidos, ocorrendo essa aproximação (BERNARDO; DANTAS, 2005; RICHTER, 2009). Os mecanismos que estão envolvidos no processo de coagulação são complexos, uma vez que envolvem interações solvente-soluto, potenciais elétricos, conceitos de produtos de solubilidade, ph, dentre outros parâmetros. Porém, de forma simplificada, pode-se dizer que a coagulação permite a aproximação das partículas, formando-se aglomerados, ocorrendo a precipitação dos compostos em solução e a desestabilização de suspensões coloidais de partículas sólidas (GONÇALVES, 2005; SANTOS; SILVA, 2009). O processo de coagulação acontece de acordo com as alterações físico-químicas provocadas nas partículas coloidais presentes na água. Incialmente se adicionam produtos químicos que serão responsáveis pela coagulação. Estes produtos são denominados coagulantes, e diminuem as forças que mantém as partículas em suspensão, aproximando-as. Existem diversos tipos de produtos químicos utilizados para a coagulação. Sua escolha vai depender do efluente que está sendo tratado. Os coagulantes mais utilizados atualmente são os a base de sais de ferro e de alumínio, como por exemplo, o sulfato de alumínio. Dependendo da necessidade são adicionados de forma conjunta ao coagulante, outros produtos como polímeros catiônicos, sílica ativada e bentonita para auxiliar o processo de coagulação (SANTOS; SILVA, 2009; RICHTER, 2009). 3.2.Floculação O processo de floculação acontece posteriormente à coagulação, e tem como princípio unir as partículas já coaguladas ou desestabilizadas, de maneira que sejam formados compostos que possuem propriedades de adsorção, os flocos. Nesta etapa há a agitação da

10 10 água e consequentemente a colisão entre as partículas já coaguladas, formando flocos que são visíveis a olho nu. Ou seja, inicialmente o processo de coagulação se dá através de uma mistura rápida do coagulante com a água. Posteriormente, é necessária a agitação lenta para que possa ocorrer a formação dos flocos (BERNARDO; DANTAS, 2005; MACHADO et al., 2010; RICHTER, 2009). Estes compostos formados, os flocos, por possuírem cargas elétricas positivas, atraem as impurezas, bactérias, matérias e coloides presentes na água, para os flocos, uma vez que estes possuem carga negativa (MACHADO et al., 2010). É necessário que os flocos que saem dos tanques de floculação tenham tamanhos e densidade adequados para seguirem para os processos de clarificação por sedimentação (floco volumoso) ou por flotação e filtração (floco com menos volume). Também é necessário que haja um monitoramento das condições físico-químicas da água e a forma de operação, para que se tenha eficácia no processo de floculação (DURLI, 2007). Em sistemas de tratamentos no qual o efluente possui alta carga de gordura e óleo, como por exemplo, efluente de indústrias de laticínios, no final do processo utilizam-se caixas de gordura para a separação dos sólidos que a floculação não conseguiu retirar. Assim, formase uma massa que é misturada com os sólidos retirados do floculador. Essa mistura possui grande quantidade de lipídeos, e para que seja descartada é necessário passar por um processo de tratamento, a fim de se evitar a contaminação do ambiente. Nessas caixas de gordura também é necessário que se faça o controle das condições operacionais, pois, em temperaturas superiores a, e ph acima de 8,5 ocorre a saponificação das gorduras. E em temperaturas muito baixas as gorduras se solidificam acarretando problemas nos equipamentos e consequentemente na eficiência do processo (DURLI, 2007). 3.3.Sedimentação/Decantação A sedimentação é um processo físico que utiliza a gravidade para a remoção de partículas sólidas suspensas nas águas (RICHTER, 2009). O processo de sedimentação consiste em separar partículas sólidas em suspensão da água através do movimento descendente provocado pelas forças gravitacionais. Haverá a formação de duas fases, uma líquida (efluente tratado) e uma sólida (impurezas) que se depositará no fundo do tanque de sedimentação por possuir densidade superior à da água. Neste processo, o fluido gerado é claro e o lodo formado possui alto teor de sólidos. Existem

11 11 casos em que há a presença de materiais na água que não podem ser separados por sedimentação simples, assim o processo de coagulação torna a sedimentação mais eficaz (SANTOS; SILVA, 2009; RICHTER, 2009). Após a coagulação ocorrerá à separação das partículas floculentas presentes no líquido. Ou seja, a função dos decantadores é proporcionar condições favoráveis para que ocorra a sedimentação dos flocos, e seu projeto adequado é essencial para se obter elevada eficiência na sedimentação (MACHADO et al., 2010). 3.4.Lagoas de Estabilização Lagoas de estabilização são exemplos de processos biológicos definidos como ambientes aquáticos que apresentam pouca profundidade, e que são destinados ao tratamento de águas residuárias provenientes de processos industriais ou usos domésticos. Sua principal função é a de acelerar o processo de estabilização da matéria orgânica através da presença de micro-organismos (aeróbios ou anaeróbios) (FALCO, 2005). O processo utilizado pela indústria visitada é o de uma lagoa aeróbia de mistura. Os principais fatores que influenciam a eficiência de uma lagoa são temperatura, radiação solar e vento. No caso dos resíduos das indústrias de laticínios, a utilização desta técnica é muito favorável devido às características do efluente que possui grande quantidade de matéria orgânica dissolvida (DURLI, 2007) Resíduos das indústrias de laticínios no Brasil O Brasil é o terceiro maior produtor mundial de leite. Sua produção em 2010 foi de aproximadamente toneladas, volume que representa 5,3% da produção mundial daquele ano (EMBRAPA, 2010). No passado as indústrias do ramo de laticínios tinham a atenção somente para a produção e o lucro. Porém, devido à sua importância no setor econômico brasileiro e o consequente surgimento de legislações ambientais específicas, surgiu a necessidade de se buscar novas tecnologias, principalmente visando ao aproveitamento de resíduos antes considerados desprezíveis, e que, por isso, eram descartados no meio ambiente (EMBRAPA, 2010; CASTRO, 2007).

12 Resíduos Líquidos De modo geral, a indústria de laticínios gera efluentes líquidos, sólidos e emite gases que podem causar danos ao meio ambiente. Os resíduos líquidos são provenientes de diversas atividades desenvolvidas ao longo do processo e, no caso da indústria de laticínios, abrangem também os esgotos sanitários gerados e as águas pluviais captadas (CASTRO, 2007). O efluente líquido é o maior causador de poluição. Segundo Rodrigues e Marinho (2012) o soro do queijo, por exemplo, quando descartado junto com os efluentes líquidos, se torna um forte agravante devido ao seu elevado potencial poluidor (DBO entre a mg O 2 /L). Uma indústria com produção média de litros de soro por dia polui o equivalente a uma cidade com habitantes (MACHADO, 2002). De acordo com Silveira (2004) as principais operações e processos que geram efluentes líquidos na indústria de laticínios são: Processo de higienização: Envolve as operações de enxágue para remoção de leite ou de produtos derivados, assim como de impurezas que ficam aderidas em latões de leite, tanques, tubulações e mangueiras de soro, bombas, equipamentos e utensílios diversos utilizados diretamente na produção, além da higienização de pisos e paredes. Descartes e descargas: Descargas de misturas de leite e água por ocasião do início e interrupção de funcionamento de pasteurizadores, trocadores de calor e evaporadores. Descarte de sólidos de leite retido em clarificadores, descarte de finos oriundos da fabricação de queijos, além da descarga de produtos e materiais de embalagem perdidos nas operações de empacotamento. Vazamento e derramamentos: Vazamentos de leite em tubulações e equipamentos devido a alguma operação feita de forma inadequada ou por falhas na manutenção de determinado equipamento. O soro do queijo tem seu volume constituído de aproximadamente 80 a 90% de leite. Também pode reter sólidos dentre os quais se destacam a lactose, proteínas solúveis, lipídeos, sais minerais e ácidos lático, além de outros nutrientes em menores concentrações como vitaminas. Segundo Rodrigues e Marinho (2012), efluentes contendo elevados teores de lipídeos, como os provenientes de laticínios, causam grandes danos ao meio ambiente, como a

13 13 formação de filmes de óleo nas superfícies d águas, impedindo a difusão de oxigênio do ar para esse meio e promovendo, assim, a mortandade da vida aquática. A composição detalhada do efluente é influenciada por diversos fatores como o volume de leite processado, as condições e os equipamentos utilizados, as práticas para redução da carga poluidora e do volume de efluentes bem como os processos industriais em curso (MACHADO, 2002). Estima-se que aproximadamente 50% do soro produzido no Brasil ainda são descartados na natureza sem nenhum tipo de tratamento (SILVEIRA, 2004). Na Tabela 1, são apresentados os valores das principais características físico-químicas dos efluentes industriais de fábricas de laticínios localizadas no Estado de Minas Gerais. Vale ressaltar que estes dados podem variar dependendo da região de estudo. Algumas das grandes variações apresentadas podem estar relacionadas com a falta de medidas preventivas de redução de resíduos e com a variação de produção de acordo com os dias de processamento. Tabela 1 Características físico- químicas de efluentes oriundos de indústrias de laticínios do Estado de Minas Gerais Parâmetros Tipos de indústrias (*) DBO (mg O 2 /L) DQO (mg O 2 /L) Sólidos suspensos (mg/l) Sólidos totais (mg/l) Sólidos sedimentáveis (mg/l) 0,4-60 0,5-15 0,4 0,6 1,4 2,3 Nitrogênio orgânico (mg/l) 32,5-79,6 74,2 297,6 52,7 142,7 190,7-292 Fósforo total (mg/l) 6,5 31,0 2,9 131,4 12,4 29,2 92,4 175,5 Óleos (mg/l) Coeficiente geração de efluente 2,7 3,1 3,7 4,0 2,6 3,4 1,0 (L efluente/ L leite recebido) Coeficiente de consumo de água 3,9 4,4-3,3 3,9 1,4 1,5 (L água / L leite recebido) (*): (1) Produção de leite pasteurizado, manteiga, requeijão, doce de leite e queijos; (2) Produção de queijos diversos; (3) Produção de leite pasteurizado, requeijão, ricota, manteiga e queijos; (4) Produção de queijos diversos. (SILVA, 2006).

14 Resíduos Sólidos Os resíduos sólidos provenientes de indústrias de laticínios são subdivididos em dois grupos principais. O primeiro grupo abrange os resíduos gerados em escritórios, instalações sanitárias e nos refeitórios da indústria, correspondendo ao que se denomina lixo comercial e se refere a papéis, plásticos e embalagens, resíduos como papel toalha, papel higiênico, papel filtro, resto de alimentos, etc. O segundo grupo se refere aos produtos gerados pelas diversas operações desenvolvidas dentro da indústria como embalagens defeituosas, papelão, produtos devolvidos e cinzas de caldeiras. A Tabela 2 mostra de forma estimada a quantidade de resíduos sólidos produzidos em uma indústria de laticínios do Estado de Minas Gerais (SILVA, 2006). Tabela 2 -Quantidades de resíduos gerados estimados para uma indústria de laticínios Volume de leite Quantidade estimada de resíduos (kg/dia) processado (L/dia) Plástico Embalagem Folha de Flandres Alumínio multifoliar Fonte: (SILVA, 2006). 3.6.Tratamento de efluentes por processo anaeróbio O tratamento anaeróbio de efluentes industriais consiste na utilização de bactérias anaeróbias para a decomposição da matéria orgânica presente no efluente. Este tipo de tratamento é amplamente utilizado, podendo ser aplicado em diversos setores industriais como destilarias, abatedouros e laticínios (BARCELLOS; CARVALHO, 2013; KISPERGHER, 2013). Os processos mais conhecidos de tratamento anaeróbio são as lagoas anaeróbias, os tanques sépticos, os filtros anaeróbios e os reatores de alta taxa, como os reatores de fluxo ascendente e manta de lodo, nominados pela sua sigla em inglês de UASB (Upflow Anaerobic Sludge Blanket).

15 15 Quando comparado ao tratamento aeróbio, este processo apresenta grandes vantagens. Além de consumir menos energia não renovável, por não necessitar de aeração, o processo anaeróbio requer uma menor suplementação de nutrientes, produz menos lodo e, a maioria dos reatores utilizados ocupa menos espaço, o que o torna um processo econômico e ambientalmente sustentável (KISPERGHER, 2013; FAGUNDES, 2010). O tratamento anaeróbio é recomendado para o tratamento de efluentes que possuam altas concentrações de substâncias orgânicas. Durante a degradação, a matéria orgânica (solúvel e particulada) é convertida em metano e dióxido de carbono (BARCELLOS; CARVALHO, 2013). O processo de formação do metano pode ser exemplificado em quatro principais etapas que envolvem a hidrólise, a acidogênese, a acetogênese e a metanogênese, conforme apresentado na Figura 1: Figura 1: Etapas do processo de formação do metano (KISPERGHER, 2013). Hidrólise: As bactérias hidrolisam os produtos solúveis em uma mistura de ácidos orgânicos, hidrogênio e dióxido de carbono. Segundo Kispergher (2013), as espécies anaeróbias pertencentes às famílias Streptococcaceaee Enterobacteriaceaee o gênero das Bacteroides, Clostridium, Butyrivibrio, Eubacterium, Bifidobacteriume Lactobacillussão as mais comuns envolvidas neste processo.

16 16 Acidogênese: Nesta etapa, outro grupo de bactérias anaeróbias metabolizam os ácidos orgânicos em acetato, H 2 e CO 2. De acordo com Kispergher (2013), durante esta etapa, as bactérias metanogênicas consumidoras de hidrogênio rapidamente capturam o H 2 e mantêm a pressão parcial do gás extremamente baixa, o que promove uma condição termodinamicamente favorável para as bactérias produtoras de hidrogênio quebrarem os compostos orgânicos em ácido fórmico, acético, outros ácidos superiores, H 2 e CO 2. Acetogênese: Os produtos obtidos da acidogênese servem de substrato para a acetogênese. Este processo pode ser tanto autotrófico (utilização de hidrogênio e CO 2 como fonte de carbono para a síntese celular) ou como heterotrófico (utilização de substratos orgânicos como metanol e ácido fórmico como fonte de carbono) (KISPERGHER, 2013). Metanogênese: Etapa final para a produção de metano. Apresenta caráter exclusivamente anaeróbio e pode ocorrer por três vias principais: etanogênese redutora de CO 2 ou hidrogenotrófica, metanogêneseacetotrófica ou acetoclástica e vias metilotróficas Fatores Ambientais A digestão anaeróbia é um processo muito suscetível às variações das condições ambientais. A temperatura é um dos fatores mais importantes. Para cada sistema existirá uma temperatura ótima, que variará de acordo com as características dos microrganismos presentes e em função do efluente a ser tratado (FAGUNDES, 2010). Em relação ao ph, os microrganismos anaeróbios podem ser classificados em acidogênicos e metanogênicos. Para os acidogênicos, a faixa de ph ótima é entre 5,5 e 6,5 e, para os metanogênicos, a faixa ideal é entre 6,6 e 7,4. Em processos anaeróbios deve haver o fornecimento de nutrientes inorgânicos para que o resultado seja satisfatório. Os principais nutrientes são: nitrogênio, enxofre, fósforo, ferro, cobalto, níquel, molibdênio, riboflavina e vitamina B12 (KISPERGHER, 2013). Outro ponto importante a ser estudado em uma digestão anaeróbia é se há a presença de inibidores. Os inibidores mais importantes que devem ser analisados são o oxigênio, o enxofre, os cátions de metais leves e os metais pesados. A Tabela 3 apresenta as concentrações de inibição destes elementos (KISPERGHER, 2013).

17 17 Tabela 3: Níveis de inibição e toxicidade dos componentes. COMPOSTO INIBIDOR TÓXICO Oxigênio > 0,1 mg.l -1 - Amônia > 150 mg.l -1 - Enxofre - > 200 mg.l -1 Metais leves (Na, K, Ca, Mg) > 1000 mg.l -1 - Metais pesados (Ni, Cu, Pb, Cr, Zn) - Quando dissolvido Fonte: (KISPERGHER, 2013) 3.7.Reator UASB O avanço do tratamento anaeróbio de águas residuárias ocorreu na década de oitenta na Holanda, a partir do desenvolvimento do reator anaeróbio de manta de lodo e escoamento ascendente (UASB Upflow Anaerobic Sludge Blanket). Este se baseia no tratamento do efluente na ausência de oxigênio livre, sendo formada uma biomassa anaeróbia (lodo anaeróbio). Como há grande quantidade de matéria orgânica no efluente a ser tratado, ocorre a formação de subprodutos, como por exemplo, de biogás. Este tipo de reator possui duas das principais características do tratamento biológico, que são baixos tempos de detenção hidráulica e elevados tempos de retenção da biomassa (SOUZA, 2006; HAMERSKI, 2012) Funcionamento O reator UASB possui uma coluna ascendente que é formada de três partes. São elas: Leito de lodo, Zona de sedimentação e Separador trifásico. A Figura 2 representa o esquema do reator, bem como as partes envolvidas (HAMERSKI, 2012)..

18 18 Figura 2: Esquema representativo do funcionamento de um reator UASB (HAMERSKI,2012). A trajetória do efluente a ser tratado é ascendente ao entrar no reator. O efluente atravessa a zona de digestão, onde escoa pelas passagens do separador, alcançando em seguida, a zona de sedimentação. A digestão anaeróbia inicia-se no fundo do reator, quando o efluente entra em contado com o leito de lodo. Nesta etapa, há a formação de biogás, da biomassa bacteriana e de um líquido resultante da quebra, degradação biológica e digestão dos sólidos orgânicos suspensos (HAMERSKI, 2012) Critérios de projeto Para projetar um reator UASB é necessário que seja definido em qual critério será baseado o projeto. O conhecimento desses critérios está relacionado com a eficácia do processo de tratamento do efluente. Um dos fatores que medem a eficiência do reator é sua

19 19 habilidade em desenvolver e manter um lodo, possuindo uma elevada atividade e excelentes características de sedimentação (HAMERSKI, 2012). Vários fatores como tempo de detenção hidráulica ( ), carga orgânica volumétrica (COV), velocidade superficial do líquido ( ), dentre outros, são base para o projeto do reator, e são escolhidos em função da temperatura de operação. Após a definição desses parâmetros, definem-se características construtivas do sistema como separador gás-sólido-líquido, dispositivo do sistema de distribuição da água residual, entre outros (ZAIAT, 2003). Os critérios de projeto para o reator UASB, segundo Di Bernardo et al. (1991) e Chernicharo (1997) são definidos abaixo Taxa de carregamento hidráulico (TCH) e tempo de detenção hidráulico θ. De acordo com a Equação 1 calcula-se a taxa de carregamento hidráulico que relaciona a vazão afluente, pelo volume total do reator. (1) Em que, Taxa de carregamento hidráulico ( ); Q = Vazão ( ); V = Volume total do reator ( ). A taxa de carregamento hidráulico (TCH) também pode ser considerada como a carga hidráulica volumétrica (CHV), definida como o volume de efluente a ser tratado diariamente inserido no reator, por unidade de volume do reator. Reatores UASB que possuem altos valores de TCH podem apresentar perda de desempenho relacionado à perda excessiva de biomassa, uma consequência do arraste do lodo com o efluente. Pode apresentar redução do tempo de residência celular e o tempo de permanência da biomassa pode ser inferior ao do seu crescimento acarretando falhas no sistema. O tempo de detenção hidráulica é o inverso da TCH, como pode ser observado na Equação 2.

20 20 Em que, Tempo de detenção hidráulica (d). (2) Área e altura A altura e a área de um reator UASB podem ser encontrados utilizando-se as Equações 3 e 4 respectivamente. (3) Em quem, H = altura do reator (m); v = velocidade de escoamento (m/h); = taxa de carregamento hidráulico (d); V = volume do reator (m³); A = área do reator (m²). (4) Carga orgânica volumétrica O fator COV também pode ser chamado de taxa de carregamento orgânico, está relacionado com a quantidade de matéria orgânica aplicada diretamente no reator, por unidade de volume. Pode ser calculado através da Equação 5 (HAMERSKI, 2012)..

21 21 Em que, COV = Carga Orgânica Volumétrica (kg DQO/ m³ d); = Demanda Química de Oxigênio (DQO) do afluente (kg/m 3 ); Tempo de detenção hidráulica (d). (5) Assim, observa-se que a COV é diretamente influenciada pela concentração de matéria orgânica (em DQO ou DBO), assim como, pela vazão afluente ao reator Carga biológica (carga de lodo) Estudar como o efluente afeta as características da biomassa no reator é de grande importância para o entendimento do processo de degradação anaeróbia, para a eficiência da conversão de substratos. Desta forma, para o projeto do reator é fundamental determinar a quantidade em massa de matéria orgânica que será aplicada no reator, ou seja, a carga biológica (COB), também denominada carga de lodo. Esta quantidade pode ser calculada através da Equação 6 (PONTES, 2003; HAMERSKI, 2012). ( ) (6) Sendo, COB = Carga biológica (kg DQO/ kg STV d); = Demanda Química de Oxigênio (DQO) do afluente (kg/m 3 ); Q = Vazão (m 3 d -1 ); M = Massa de microrganismos presentes no reator = (volume concentração de STV (kgstv)); STV= Sólidos Totais Voláteis (resíduo total, filtrável ou não filtrável após a calcinação da amostra em temperatura e tempo específicos).

22 Velocidade ascensional O valor da velocidade ascensional do reator vai depender do tipo de lodo e das cargas aplicadas. Esta pode ser calculada considerando a relação entre a vazão afluente e a seção transversal do reator de acordo com a Equação 7. Em que, v = Velocidade ascensional ( ); Q = Vazão (m 3 d -1 ); A = Área da seção transversal do reator (m²); (7) Produção e composição do lodo A produção de lodo é consequência da degradação da matéria orgânica no sistema. Este lodo que está sendo produzido vai se acumulando no interior do reator até que este fique cheio, e seja necessário o descarte de uma parcela do lodo produzido. Deve haver o controle da retirada desse lodo para que o sistema não perca eficiência, uma vez que, o excesso de lodo diminui a degradação da matéria orgânica. Para que seja feito esse controle, utiliza-se a Equação 8, de acordo com Lettinga (1996), que representa a concentração de sólidos esperadas no efluente. ( ) Em que, SS = Concentração dos sólidos suspensos no efluente (mg/l); = Tempo de detenção hidráulica (d); (8)

23 23 Para cada tipo de reator anaeróbio, aconselha-se a aplicação de uma determinada quantidade de água residuária com concentrações de sólidos em suspensão diferentes. Como por exemplo, nos tratamentos utilizando filtros anaeróbios de fluxo ascendente os limites recomendados de matéria orgânica são de até 10%. Para os reatores UASB podem ser utilizados para concentrações de sólidos suspensos no efluente de aproximadamente 50% de matéria orgânica. Se o efluente a ser tratado possui alta concentração de SS (superior a 50%), aconselha-se realizar um pré-tratamento neste efluente (CETESB, 2014). O lodo produzido é oriundo da alta concentração de microrganismos presentes no sistema. Eles se aderem uns aos outros formando flocos ou grânulos que irão sedimentar e assim, formar o lodo. Posteriormente, este lodo formado será responsável por estabilizar o material biodegradável particulado (HAMERSKI, 2012) Cálculo estimado da eficiência do reator A eficiência do reator é obtida a partir do cálculo estimando a remoção de DBO e DQO. A Equação 9 representa o cálculo da eficiência em relação à DQO e constantes empíricas (CAPASSI et al., 2013). ( ) (9) Em que, Eficiência do reator em termos da remoção de DQO. = tempo de detenção hidráulica. A Equação 10 representa o cálculo da eficiência em relação à DBO e constantes empíricas (CAPASSI et al., 2013).. ( ) (10)

24 24 Sendo que, Eficiência do reator em termos da remoção de DBO. = Tempo de detenção hidráulica. Outro parâmetro que pode ser calculado é a concentração de sólidos suspensos totais no efluente final do reator. A Equação 11 demonstra como é realizado este cálculo em função de constantes empíricas (CAPASSI et al., 2013).. (11) Em que, = Concentração de sólidos totais suspensos (mg/l). = Tempo de detenção hidráulica. 0,24 = Constante empírica. 4. Metodologia Para um melhor entendimento sobre o tema foi realizada uma visita técnica à empresa Barbosa e Marques, com nome comercial de Queijos Regina, localizada no Município de Governador Valadares no estado de Minas Gerais. A empresa possui 100 anos de funcionamento, mantendo atualmente 550 empregos diretos e 400 indiretos em duas unidades fabris e filiais de vendas, sendo que estas produzem mais de 40 produtos diferentes. A água residual do processo, assim como esperado, possui alta DBO e DQO além de apresentar grande quantidade de proteínas e gorduras. O soro do leite não é descartado junto com a água residual do processo, pois pode ser reaproveitado em outras áreas. Para o tratamento da água residual faz-se uso de tratamentos e processos físicos, químicos e biológicos. Os processos físico-químicos são divididos em várias etapas. A primeira parte consiste no peneiramento com o intuito de se retirar resíduos sólidos de grande granulometria. Em seguida, a água residual que foi peneirada segue para o tanque de equalização.

25 25 Para a correção do ph adiciona-se hidróxido de sódio e ácido sulfúrico de acordo com a necessidade. Após estes processos, a água do tanque segue para um floculador tubular e para um decantador. As próximas etapas são realizadas através de processos biológicos. As figuras 3 a 6 a seguir apresentam as etapas do processo. Figura 3: Água residual do processo Figura 5: Floculador Tubular Figura 4: Peneira Figura 6: Flotação O processo de tratamento biológico da água residual acontece em uma lagoa aeróbia com agitação, com bactérias presentes para realizar a decomposição. A água da lagoa é enviada para um decantador onde ocorre o retorno do lodo. Após a etapa de decantação a água já está pronta para ser enviada ao curso d água mais próxima da empresa, o córrego Figueirinha pertencente à Bacia Hidrográfica do Rio Doce. O lodo gerado no processo de decantação é enviado para um filtro prensa, e está sendo estudado para ser usado como fertilizante. O processo de tratamento da água residual do processo possui 86% de eficiência na remoção de DBO (dado fornecido pela empresa em estudo). As Figuras 7 e 8 exibem a lagoa aerada e o decantador utilizados no processo.

26 26 Figura 7: Lagoa Aerada Figura 8: Decantador A Figura 9 representa o fluxograma geral do processo descrito anteriormente, no qual podem ser observadas todas as etapas para o tratamento do efluente gerado na indústria. Figura 9: Fluxograma do processo de tratamento do efluente 5. Resultados e Discussão Para se realizar o dimensionamento do reator, foi necessário realizar algumas considerações iniciais. Adotou-se a temperatura ambiente como sendo de 30ºC, o tempo de detenção hidráulica de 10 horas (0,417 dias) e a velocidade de escoamento utilizada foi de 0,48. Tais valores foram escolhidos de acordo com o tratamento já existente na indústria de laticínio, e do tipo da indústria (tipo 1), assim como, seus respectivos valores para cada parâmetro apresentado na Tabela1. A primeira parte do dimensionamento se baseou no cálculo do volume do reator. Utilizando as Eq. 1 e 2, foi possível encontrar a Equação 12 que relaciona o volume com a taxa de retenção hidráulica. Considerou-se uma vazão média de ³. (12)

27 27 A altura foi calculada através da relação entre a velocidade de escoamento e o tempo de detenção hidráulica (Equação 3). Foi possível encontrar a área do reator através da Equação 4. Com o valor para a área definido e, tendo conhecimento da Equação 13, encontrou-se o valor para o diâmetro do reator. (13) A parte final do dimensionamento se baseou nas características biológicas do processo. Dessa forma, realizaram-se cálculos a fim de se encontrar a eficiência e a concentração de sólidos suspensos totais com o auxílio das Equações 9, 10 e 11.

28 28 Cálculo da eficiência do reator ( ) ( ) ( ) ( ) Cálculo da concentração de sólidos suspensos totais: 5.1.Viabilidade econômica A preocupação com o meio ambiente fez com que surgissem leis para a proteção ambiental. O tratamento de efluentes industriais está inserido neste cenário, e com este propósito, diversas formas para se tratar os efluentes foram estudadas e desenvolvidas. Porém, antes de escolher qualquer opção de tratamento, deve-se levar em consideração a necessidade de cada empresa, assim como, a disponibilidade de recursos financeiros, área para a construção da estação de tratamento de efluentes industriais, tipo de efluente a ser tratado, parâmetros e valores estabelecidos por lei a serem obedecidos, condição climática do local, dentre outros. Neste trabalho, estudou-se a viabilidade de substituição de uma lagoa aeróbia já existente na indústria de laticínio em estudo, pelo reator UASB, no tratamento de seus efluentes industriais. A ideia principal é garantir o tratamento eficaz que a lagoa proporciona, e apresentar outra forma de se tratar esses efluentes utilizando menor área industrial. Utilizando-se dados específicos da empresa em estudo, como por exemplo, a vazão do efluente e a velocidade de escoamento, dimensionou-se um reator UASB, obtendo valores de área, volume e eficiência. A comparação destes valores, em relação às áreas e volumes utilizados, pode ser observada na Tabela 4 abaixo.

29 29 Tabela 4: Comparação entre as duas formas de tratamento Parâmetros para Forma de tratamento do efluente comparação Lagoa Aeróbia Reator UASB Área 450 6,80 Volume 900 Eficiência (DBO) 86% 77,86% Custo da área total R$ ,00 R$ 1.888,90 Os cálculos de custo foram realizados utilizando o valor de lote (360 m 2 ) a R$ ,00 que é o valor encontrado na cidade e no bairro em que se encontra a indústria de laticínio em estudo. Com os valores obtidos observa-se que há uma economia muito grande em se tratando de custo do terreno a ser instalado o sistema de tratamento de efluentes. A eficiência teórica encontrada para o reator demonstra que apesar de ser menor que da lagoa, ainda assim o sistema é muito eficiente e viável. 6. Conclusão Para a indústria de laticínio em estudo, a utilização do reator UASB apresenta uma redução de área para a construção de estações para se tratar o efluente gerado. Assim, a empresa pode usar o espaço excedente que seria utilizado na construção da lagoa para outros fins. Durante o estudo foi visto na literatura que o custo de um reator UASB é superior ao da lagoa anaeróbia, porém, quando se trata de locais onde o custo do metro quadrado é muito elevado, reduzindo a área de construção para esta finalidade, há uma economia muito alta. Mesmo não tendo levado em conta todos os parâmetros que existem no cálculo de dimensionamento e operação de um reator UASB, a partir do estudo realizado neste trabalho, observou-se que se devem analisar todas as variáveis envolvidas em um projeto para que haja maior economia possível. Ou seja, para diferentes tipos de efluentes existem diversos tratamentos e condições envolvidas. Cabe ao engenheiro responsável pelo projeto determinar a viabilidade e a melhor escolha de tratamento para que o sistema escolhido seja eficaz e com o menor custo possível.

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