II-209 CARACTERIZAÇAÕ E AVALIAÇÃO DE TRATABILIDADE DO MATERIAL RETIDO EM UNIDADE DE PENEIRAMENTO FORÇADO DE ESGOTO BRUTO

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1 II-209 CARACTERIZAÇAÕ E AVALIAÇÃO DE TRATABILIDADE DO MATERIAL RETIDO EM UNIDADE DE PENEIRAMENTO FORÇADO DE ESGOTO BRUTO Ana Raquel Teixeira Engenheira Civil pela Escola de Engenharia da UFMG, mestre e doutoranda em Saneamento, Meio Ambiente e Recursos Hídricos Civil pela Escola de Engenharia da UFMG. Carlota Virgínia Pereira Alves Engenheira Civil pela Escola de Engenharia da UFMG e mestre em Saneamento, Meio Ambiente e Recursos Hídricos Civil pela Escola de Engenharia da UFMG. Sérgio Francisco de Aquino Graduado em Química (UFV). Mestre em Hidráulica e Saneamento (EESC-USP). Doutor em Engenharia Química (Imperial College). Bolsista Pós-Doc (CNPq) no Departamento de Engenharia Sanitária e Ambiental da UFMG. Carlos Augusto de Lemos Chernicharo (1) Engenheiro Civil e Sanitarista. Doutor em Engenharia Ambiental pela Universidade de Newcastle upon Tyne UK. Professor Adjunto do Departamento de Engenharia Sanitária e Ambiental da UFMG. Endereço (1) : Departamento de Engenharia Sanitária e Ambiental UFMG; Av. do Contorno, nº º. andar - Centro - Belo Horizonte - MG - CEP: Brasil - Tel: (31) calemos@desa.ufmg.br RESUMO O objetivo deste artigo é apresentar resultados de caracterização e quantificação do material retido em peneira utilizada no pré-tratamento do esgoto bruto afluente a um reator UASB em escala de demonstração. Enquanto a quantificação dos sólidos retidos permite a elaboração de um balanço de massa e a determinação da sua significância para a DQO total afluente, a caracterização físico-química e os testes de biodegradabilidade têm como função principal fornecer subsídios para a tomada de decisão sobre a melhor forma de tratamento e destinação final desse material. Os resultados mostraram que a quantidade de material produzida é pequena (de 70 a 100 mg sólidos/hab.d), e que o material retido é de difícil biodegradação, indicando o aterro sanitário como candidato natural à destinação final do resíduo. PALAVRAS-CHAVE: Tratamento de esgotos domésticos, reator UASB, peneiramento forçado, resíduo. INTRODUÇÃO O uso da tecnologia anaeróbia para o tratamento de esgotos apresenta várias vantagens. Os processos anaeróbios são relativamente eficientes na remoção de matéria orgânica, principalmente em regiões de clima quente; produzem pouco lodo e o lodo que produzem já é estabilizado; consomem pouca energia e geram ainda um subproduto energético; requerem construção e operação simples e ocupam pequenas áreas. Dentre as diferentes concepções de reatores anaeróbios, o reator de manta de lodo (UASB) é bastante utilizado no Brasil devido às suas inúmeras vantagens. As principais desvantagens dos reatores UASB estão relacionadas à necessidade de uma etapa de pós-tratamento; à operação mais complexa quando comparado às lagoas de estabilização e tanques sépticos; e à maior sensibilidade a choques hidráulicos e de carga tóxica (Chernicharo, 1997). Um problema associado à operação de reatores UASB é a presença de material particulado no efluente. A DQO particulada pode constituir significativa parcela da DQO total efluente e pode se originar tanto de sólidos orgânicos afluentes quanto da má retenção de biomassa no sistema. Uma estratégia para reduzir o tamanho do material particulado afluente ao reator e acelerar as taxas de conversões metabólicas, o que poderia resultar em conseqüente aumento na eficiência do tratamento, é a adoção do peneiramento forçado do esgoto bruto. Resultados de monitoramento de dois reatores UASB alimentados com esgoto doméstico mostraram que o peneiramento forçado melhorou a remoção da DQO filtrada em reator UASB. A peneira contribuiu para a redução do tamanho médio das partículas que entraram no reator, devido à combinação de ABES - Associação Brasileira de Engenharia Sanitária e Ambiental 1

2 dois fatores: retenção de material de maior tamanho, e desintegração da matéria orgânica suspensa que é forçada, durante o peneiramento, através de ranhuras com abertura de 1mm. Enquanto outro artigo apresentado nesse evento tem a função de apresentar resultados do efeito do peneiramento forçado no desempenho de um reator UASB, o principal objetivo deste artigo é apresentar resultados de quantificação e caracterização do material retido na peneira. MATERIAL E MÉTODOS Descrição do aparato experimental O aparato experimental é constituído de uma unidade de peneiramento forçado que opera à montante de um reator UASB, conforme ilustrado no fluxograma da Figura 1. gradeamento desarenador reator R1 peneiramento forçado reator R2 digestor Figura 1 Fluxograma do aparato experimental A peneira, gentilmente confeccionada e doada pela empresa PROMINAS, é de aço inoxidável e possui aberturas de 1mm (Tabela 1 e Figura 2) que impedem a entrada de sólidos de maiores dimensões no reator. O sistema conta com um manômetro que indica o aumento de pressão à medida que se aumenta o tempo de operação e a retenção do material sólido. Os resultados dos ensaios de pressão (Figura 3) realizados durante 24 horas indicaram uma freqüência ideal de limpeza da peneira de 7 dias para uma vazão de operação de 37 m 3 /d. Figura 2 Vista da unidade de peneiramento forçado e da peneira ABES - Associação Brasileira de Engenharia Sanitária e Ambiental 2

3 Tabela 1 - Principais características da unidade de peneiramento forçado Característica Tipo/valor Material aço inoxidável Diâmetro (mm) 150 Largura das aberturas (mm) 1,0 Pressão de trabalho (kgf/cm 2 ) 0 a 5 1,00 0,90 0,80 Pressão Vazão Linear (Pressão) Linear (Vazão) 0,80 0,70 0,60 Pressão (kgf/cm²) 0,70 0,60 0,50 0,40 0,50 0,40 0,30 0,20 0,10 Vazão (L/s) 0, Tempo (minutos) Figura 3 - Variação de pressão e vazão com o tempo utilizando a peneira de 75mm de diâmetro e 0,5 mm de abertura de malha Teste contínuo de 24h. 0,00 Protocolo de testes A caracterização química do material retido na peneira foi feita semanalmente com uma amostra do resíduo obtido durante a limpeza da peneira. A retirada do material foi feita manualmente com o auxílio de uma espátula, e uma amostra do material removido foi então submetida a um pré-tratamento objetivando a sua homogeneização. Após determinar o peso e o volume da amostra, o material in natura foi então triturado em um processador de alimentos (Black & Decker, 310 ml de capacidade e 150 W de potência). A amostra pastosa foi então analisada de acordo com o Standard Methods for the Examination of Water and Wastewater (AWWA/APHA/WEF, 1998), para os seguintes parâmetros: demanda química de oxigênio (DQO), demanda bioquímica de oxigênio (DBO), sólidos totais (ST) e sólidos totais voláteis (STV). A amostra foi utilizada ainda para a determinação da concentração de proteínas, carboidratos e lipídios, de acordo com os procedimentos descritos em Blundi e Gadêlha (2001). Foram também efetuados testes de biodegradabilidade aeróbia e anaeróbia do material. A análise de biodegradabilidade aeróbia baseou-se em testes de DBO 5 e DBO 20 e o resultado de DBO obtido dividido pela concentração de DQO forneceram a biodegradabilidade aeróbia de 5 e 20 dias, respectivamente. A biodegradabilidade anaeróbia, por sua vez, foi determinada utilizando-se um procedimento modificado de Owen et al. (1979). Frascos de vidro de 110mL foram purgados com nitrogênio e inoculados com 15mL de lodo anaeróbio, 5mL do material retido na peneira e 60mL de solução de nutrientes. Os frascos foram lacrados com septo de borracha que permitia a determinação da produção e amostragem de biogás aferida por meio de seringa de vidro esmerilhada (Aquino, 2004). A determinação da composição do biogás foi feita por cromatografia gasosa e a biodegradabilidade anaeróbia calculada com base na produção real de metano e na produção teórica, que foi estimada conhecendo-se a massa de DQO incubada (1g DQO 394 ml CH 4 a 30 C e 1 atm). ABES - Associação Brasileira de Engenharia Sanitária e Ambiental 3

4 RESULTADOS Durante a coleta do resíduo da peneira foi possível fazer uma caracterização visual do material, e foi observada a presença dos seguintes materiais: casca de legumes e frutas, cabelos, papel, plástico, sementes, partes de insetos, barbantes e pedaços de objetos não identificados. Segundo o processo classificatório de resíduos sólidos definidos pela ABNT (2004), o material retido na peneira pode ser classificado como Resíduo Perigoso Classe I por apresentar risco à saúde pública, provocando mortalidade, incidência de doenças ou acentuando seus índices além de risco ao meio ambiente, quando gerenciado de forma inadequada. A Figura 4 apresenta uma foto da peneira com o material retido. Figura 4 Material retido na peneira A produção média de material retido em 7 dias de operação foi de aproximadamente 350g em peso úmido e 400mL em volume, obtendo uma densidade média do material solto de 0,88 g/ml. As tabelas 2 e 3 apresentam, respectivamente, os resultados médios dos testes de caracterização físico-química do material retido e os valores de alguns parâmetros calculados. As concentrações médias dos diversos parâmetros de caracterização avaliados são apresentadas na Tabela 2 e na Figura 5. Conforme pode-se depreender, embora o resíduo seja produzido em pequena quantidade, as concentrações do material retido são bastante elevadas. Tabela 2 - Resultados médios das análises físico-químicas do material retido na peneira Parâmetro Valor DBO TOTAL (g/l) 57 DQO (g/l) 199 Sólidos Totais ST (g/l) 365 Sólidos Totais Voláteis STV (g/l) 216 Teor de umidade (%) 94 Carboidrato Total (g/l) 20 Proteína Total (g/l) 45 Lipídeo Total (g/l) 28 Os resultados apresentados na Tabela 2 indicam que o teor de umidade do material retido é em média de 94%. Os resultados mostram ainda que o material retido é predominantemente orgânico (STV/ST = 0,59) e não estabilizado, o que resultou em elevadas concentrações de DBO e DQO. A baixa relação DBO/DQO (0,29 em média) indica baixa biodegradabilidade de curto prazo sob condições aeróbias. Esses resultados foram confirmados pelos testes de biodegradabilidade aeróbia (Figura 6) que indicam que menos de 12% da DQO é aerobiamente degradada a longo prazo. Uma análise geral dos testes de biodegradabilidade sugere que o ABES - Associação Brasileira de Engenharia Sanitária e Ambiental 4

5 material retido é de difícil biodegradação aeróbia e anaeróbia, e que a fração biodegradável é mais rapidamente estabilizada sob condições anaeróbias do que aeróbias Concentração (g/l) DBO DQO ST STV Carboidrato Proteína Lipídeo Parâmetro Figura 5 Concentrações médias de vários parâmetros de caracterização relativos ao material retido na peneira 35 Percentual de biodegradabilidade (%) dias 20 dias 5 dias 20 dias Biodegradabilidade aeróbia Biodegradabilidade anaeróbia Figura 6 Biodegradabilidade aeróbia e anaeróbia do material retido na peneira As análises de matéria orgânica específica (Tabela 2 e Figura 5) indicaram que as proteínas constituem significativa porção do material retido. Pesquisas recentes (Aquino et al, em preparação) de determinação experimental dos coeficientes de conversão da matéria orgânica específica em DQO, indicaram as seguintes relações: 1,1 gglicose/gdqo; 1,6 gcaseína/gdqo e 1,6 góleo de Soja/gDQO. A utilização desses valores de coeficientes resulta em uma contribuição específica de carboidratos, proteínas e lipídios de, respectivamente, 10%, 36% e 22,5% da DQO total. Esses resultados mostram que aproximadamente 1/3 da matéria orgânica não estabilizada constituinte do material retido não se enquadra na classificação química denominada aqui de matéria orgânica específica. A quantificação do material retido (Tabela 3) indicou que a peneira retém diariamente cerca de 21g de sólidos suspensos totais (peso seco), o que corresponde a apenas 0,23% dos sólidos suspensos afluentes à unidade de peneiramento. Embora a retenção de sólidos seja pequena, a função da peneira é primordialmente a de diminuir o tamanho médio das partículas e não retê-las. A redução do tamanho das partículas é desejada para se acelerar o grau de hidrólise e as taxas de conversões metabólicas no reator anaeróbio, conforme discutido no outro artigo apresentado. A Tabela 3 mostra ainda que o material orgânico retido na peneira representa, respectivamente, 0,04% da DBO particulada e 0,08% da DQO particulada afluentes à unidade de peneiramento. ABES - Associação Brasileira de Engenharia Sanitária e Ambiental 5

6 Tabela 3 - Carga orgânica afluente e retida na peneira Parâmetro Carga afluente Carga retida Porcentagem de material (kg/dia) (kg/dia) retido (%) DBO TOTAL 10,7 0,003 0,03 DBO PARTICULADA 6,9 0,003 0,04 DQO TOTAL 21,7 0,011 0,05 DQO FILTRADA 13,2 0,011 0,08 Sólidos Suspensos Totais SST 9,1 0,021 0,23 Sólidos Suspensos Voláteis SSV 7,5 0,012 0,16 CONCLUSÕES Os resultados apresentados mostram que a produção diária dos sólidos retidos na peneira foi em média de 50mg (peso úmido) e que a carga orgânica característica do material é de 3gDBO/dia e 11gDQO/d. Os resultados mostram que a quantidade de material produzida é pequena (de 70 a 100 mg sólidos/hab.d), e que o material retido é de difícil biodegradação, indicando o aterro sanitário como candidato natural à destinação final do resíduo. Embora os constituintes do material retido não sejam prontamente biodegradados, a fração biodegradável a longo prazo (20 dias) representaria a destruição de 58 g/l de DQO sob condições anaeróbias. Nesse sentido, testes em digestores de bancada serão realizados para se avaliar a viabilidade prática de estabilização anaeróbia do resíduo antes de sua destinação final. AGRADECIMENTOS Os autores agradecem o suporte recebido, às seguintes instituições: Companhia de Saneamento de Minas Gerais COPASA; Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico CNPq; Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior CAPES; Financiadora de Estudos e Projetos FINEP (PROSAB); Fundação de Amparo à Pesquisa de Minas Gerais FAPEMIG. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS 1. APHA (1998) Standard methods for the examination of water and wastewater. 20 th edition. Washington. 2. Aquino, S. F. (2004). Formation of soluble microbial product (SMP) in anaerobic reactors during stress conditions. Ph.D. Thesis Department of Chemical Engineering Imperial College London. 3. Aquino, S. F.; Silva, S. Q.; Chernicharo, C.A.L. e Von Sperling, M. (em preparação) Considerações práticas sobre o teste de demanda química de oxigênio (DQO) em análises de águas residuárias. 4. ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DE NORMAS TÉCNICAS. NBR 10004: Resíduos sólidos - Classificação. Rio de Janeiro, Blundi, C. E., Gadelha, R. F. (2001). Metodologia para determinação de matéria orgânica específica em águas residuárias. Pós-tratamento de efluentes de reatores anaeróbios: aspectos metodológicos. Chernicharo C. A. L. (coordenador). Belo Horizonte, PROSAB: Chernicharo, C. A. L. Princípios do Tratamento Biológico de Águas Residuárias; Reatores Anaeróbios. 1.ed. Belo Horizonte: Departamento de Engenharia Sanitária e Ambiental UFMG, V p. 7. Owen, W. F., Stukey, D. C. (1979). Bioassay for monitoring biochemical methane potencial and anaerobic toxicity. Water Research, v. 13, p ABES - Associação Brasileira de Engenharia Sanitária e Ambiental 6