II-051 INFLUÊNCIA DA VARIAÇÃO CÍCLICA DE CARGA HIDRÁULICA NO COMPORTAMENTO DO REATOR UASB

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1 II-51 INFLUÊNCIA DA VARIAÇÃO CÍCLICA DE CARGA HIDRÁULICA NO COMPORTAMENTO DO REATOR UASB Karina Querne de Carvalho (1) Engenheiro Civil formado pela Universidade Estadual de Maringá (UEM). Mestre em Hidráulica e Saneamento pela Escola de Engenharia de São Carlos da Universidade de São Paulo (EESC - USP). Doutoranda no programa de Hidráulica e Saneamento da EESC-USP. Monique Toledo Salgado (1) Engenheiro Civil formado pela Escola de Minas da Universidade Federal de Ouro Preto (UFOP). Mestre em Hidráulica e Saneamento pela Escola de Engenharia de São Carlos da Universidade de São Paulo (EESC - USP). Doutoranda no programa de Hidráulica e Saneamento EESC-USP. Eduardo Cleto PIres (1) Engenheiro Mecânico formado pela Escola de Engenharia de São Carlos da Universidade de São Paulo (EESC-USP), Mestre em Engenharia Mecânica pela PUC-RJ, Doutor em Hidráulica e Saneamento pela EESC-USP, Livre Docente em Hidráulica e Saneamento pela EESC, USP. Professor Titular do Departamento de Hidráulica e Saneamento da EESC-USP. Endereço (1) : Universidade de São Paulo, Escola de Engenharia de São Carlos, Departamento de Hidráulica e Saneamento, Av. do Trabalhador São Carlense, 4 Centro, São Carlos - SP, Brasil. Telefone: (XX16) Fax: (XX16) kaquerne@sc.usp.br RESUMO Poucos estudos são reportados na literatura quando o reator UASB é submetido a variações cíclicas diárias, de cargas orgânicas e hidráulicas, em períodos curtos de duração iguais ou menores que 24 h, com os quais verifica-se queda na eficiência do sistema causada pela provável ocorrência de flotação de grânulos da biomassa do reator, problemas com geração de odor e alta concentração de sólidos suspensos no efluente. Todos esses efeitos podem acarretar no lançamento de efluentes com concentrações de poluentes superiores aos limites estabelecidos. Para avaliar o desempenho desses reatores quando submetidos a variações de cargas hidráulicas e orgânicas, um reator UASB (Upflow Anaerobic Sludge Blanket) em escala piloto (16 L) foi operado no tratamento de esgoto sanitário coletado no Laboratório de Tratamento de Resíduos (LTR) do Campus I da Universidade de São Paulo em São Carlos (EESC/USP). O reator foi submetido a variações cíclicas diárias de valores superiores e inferiores a 4% em relação à vazão media afluente. Essas variações cíclicas impostas não influenciaram na capacidade de tamponamento do sistema e nas características do esgoto efluente comumente verificadas em sistemas de tratamento de reatores de manta de lodo. PALAVRAS-CHAVE: Comportamento dinâmico, variação cíclica de vazão, carga orgânica, carga hidráulica, UASB. INTRODUÇÃO O reator UASB (Upflow Anaerobic Sludge Blanket) representa uma das melhores alternativas no tratamento de esgotos sanitários por requerer baixos custos de instalação, operação e manutenção, gerar pequenos volumes de lodo, ter capacidade de suportar sobrecargas hidráulicas e orgânicas e promover remoção de matéria orgânica (em termos de DQO - Demanda Química de Oxigênio), entre 7% e 8%. Esse reator possui biomassa com grande diversidade microbiana capaz de adaptar-se a diferentes tipos de resíduos biodegradáveis e possibilita a redução do volume das unidades de tratamento devido à manutenção de tempos de detenção hidráulica (TDH) mais baixos e tempos de retenção celular elevados. Em contrapartida, surgem dúvidas em relação ao comportamento desses reatores quando submetido a variações cíclicas diárias de cargas orgânicas e hidráulicas, comuns em esgoto de origem doméstica e bastante significativas em pequenas instalações. Essas variações podem promover, entre outras, flotação dos grânulos, geração de odor desagradável e alta concentração de sólidos suspensos no efluente e levar a queda da eficiência do reator, acarretando lançamento de efluentes com concentrações de poluentes superiores aos limites estabelecidos. ABES - Associação Brasileira de Engenharia Sanitária e Ambiental 1

2 Alguns estudos sobre o comportamento dinâmico de reatores UASB no tratamento de águas residuárias domésticas e industriais, submetidos a cargas de choque hidráulicas ou orgânicas de curta duração, demonstraram em geral, a capacidade desses reatores em absorver as cargas de choque impostas e em recuperar as condições iniciais do processo. Por outro lado, a literatura especializada não reporta relatos extensos sobre o comportamento dinâmico desse tipo de reator quando submetido a cargas cíclicas de curta duração, típicas de instalações de tratamento de esgoto doméstico. Pires et al., (21) demonstraram a capacidade desses reatores em amortecer flutuações cíclicas impostas à vazão afluente e que esse amortecimento era inerente aos fenômenos bioquímicos e hidrodinâmicos que ocorrem no reator UASB e não ao efeito de escala desses reatores. Carvalho e Pires (22) desenvolveram um modelo matemático simplificado baseado no modelo hidrodinâmico de mistura completa em reatores em série, modelo cinético de primeira ordem para consumo de substrato e modelo cinético de Monod para crescimento da biomassa, para compreender os eventuais amortecimentos e atrasos nas respostas desses reatores quando submetidos a essas variações. Esse modelo indicou a capacidade do reator em amortecer as flutuações cíclicas impostas à vazão afluente. É, portanto, conveniente que, no projeto de reatores UASB sejam contempladas eventuais flutuações de comportamento, resultantes de variações de carga hidráulica e orgânica. O objetivo principal dessa pesquisa foi avaliar o comportamento dinâmico de um reator UASB em relação à eficiência de remoção de matéria orgânica no tratamento de esgoto sanitário coletado no Laboratório de Tratamento de Resíduos (LTR) do Campus I da Universidade de São Paulo em São Carlos (EESC/USP). O reator em escala piloto, com capacidade de 16 L foi submetido a variações cíclicas na carga hidráulica aplicada com valores inferiores e superiores a 4% em relação à vazão média afluente. MATERIAIS E MÉTODOS O reator UASB possui volume 16 l e é constituído de duas partes, uma coluna cilíndrica em PVC e um separador gás-sólido-líquido em aço inox. A coluna tem diâmetro igual a,3 m e altura total igual a 1,86 m. O separador de fases tem diâmetro igual a,3 m, altura igual a,6 m e está instalado à distância de 1,86 m da base do reator. O substrato aplicado na alimentação do reator UASB era composto de esgoto sanitário coletado no Laboratório de Tratamento de Resíduos (LTR) suplementado com esgoto sintético que simula esgoto real para que a concentração de matéria orgânica afluente fosse variável na faixa de 45 mgdqo.l a 7 mgdqo.l. O substrato era introduzido no reator por meio de bomba dosadora eletromagnética automatizada. O reator foi inoculado com 55l de lodo proveniente de reator anaeróbio que trata água residuária de abatedouro de aves devido a diversidade microbiana apresentada. O afluente e o efluente do reator foram caracterizados através da análise dos parâmetros: DQO (bruta e filtrada), ph, alcalinidade total e a bicarbonato, ácidos voláteis, sólidos suspensos e totais. As análises foram realizadas como descritas no Standard Methods for the Examination of Water and Wastewater (1998). Com o objetivo de acompanhar o comportamento do reator e analisar a eficiência do sistema ao longo do tempo, a experimentação foi dividida em duas fases: Na primeira fase, o reator foi operado com cargas hidráulica e orgânica constantes, tempo de detenção hidráulica igual a 1 h e vazão média afluente igual a 16, l.h. Os parâmetros para monitoramento do reator durante o período de partida e suas respectivas freqüências de análises estão apresentados na Tabela 1. ABES - Associação Brasileira de Engenharia Sanitária e Ambiental 2

3 Tabela 1. Parâmetros a serem analisados e suas freqüências (partida do reator) Parâmetro freqüência de amostragem* unidade afluente reator efluente temperatura ºC diária diária diária ph - diária diária diária alcalinidade a bicarbonato mg.l 3 x semana - 3 x semana alcalinidade total mg.l 3 x semana - 3 x semana ácidos voláteis mg.l 3 x semana - 3 x semana sólidos suspensos e totais fixos/voláteis mg.l 3 x semana - 3 x semana DQO (bruta e filtrada) mg.l 3 x semana - 3 x semana O sistema foi monitorado duas vezes por semana, através dos mesmos parâmetros de controle do período de partida, após atingir o estado estacionário. Dois perfis temporais de concentração com coletas de amostras a cada 3 h em período de 24 h dos mesmos parâmetros de controle do período de partida foram realizados nessa mesma fase operacional. Variações na carga hidráulica através da mudança na variação da vazão média afluente em valores inferiores e superiores a 4% foram introduzidas na segunda fase de operação do sistema. Nessa fase foram realizados dois perfis temporais de concentração com coletas de amostras a cada 2 h em período de 24 h dos mesmos parâmetros de controle monitorados na fase anterior. RESULTADOS Na primeira fase o reator foi operado com tempo de detenção hidráulica de 1 h, vazão média afluente de 16 l.h e com aplicação de carga hidráulica e orgânica constante. Nessa fase foram realizados dois perfis temporais de concentração com coleta de amostras do afluente e do efluente do sistema a cada 3 h em período total de 24 h. Os valores de ph do efluente do reator mantiveram-se na faixa de 6,9 a 7,1, devido a capacidade de tamponamento do sistema. Os valores médios obtidos para temperatura ambiente e para o efluente do reator foram iguais a 23 ± 2ºC e 24 ± 1ºC, respectivamente. A concentração média de matéria orgânica afluente bruta variou aproximadamente de 688±122 mg.l em função da suplementação do esgoto bruto. O sistema apresentou capacidade de tamponamento, pois os valores obtidos para os parâmetros alcalinidade total e alcalinidade a bicarbonato para o efluente foram adequados ao tipo de água residuária tratada. As concentrações de alcalinidade total para o afluente e efluente do reator variaram de 184 a 24 mg CaCO3.1 e de 244 a 295 mg CaCO3.1, respectivamente. As concentrações de alcalinidade a bicarbonato para o afluente e efluente do reator variaram na faixa de 52 a 9 mg CaCO3.1 e de 211 a 261 mg CaCO3.1, respectivamente. As concentrações de ácidos voláteis para o efluente do reator variaram de 34 a 54 mghac.l, com valor médio de 45 mghac.l. A Figura 1 apresenta os valores de sólidos suspensos totais e de DQO filtrada e a eficiência de remoção do sistema. ABES - Associação Brasileira de Engenharia Sanitária e Ambiental 3

4 sólidos suspe nsos tota is (m g.l) afluente efluente DQO filtrada (mg.l- 1) afluente efluente eficiência (%) a) b) Figura 1- a) perfil temporal de valores de sólidos suspensos totais; b) perfil temporal de valores de DQO filtrada do afluente e efluente e da eficiência de remoção de matéria orgânica do reator As concentrações de matéria orgânica bruta variaram de 586 a 99 mg.l e de 27 a 36 mg.l no afluente e no efluente, respectivamente. As concentrações de matéria orgânica filtrada variaram de 426 a 571 mg.l e de 99 a 189 mg.l para afluente e efluente, respectivamente. Essas variações prejudicaram a eficiência de remoção de matéria orgânica do sistema que alcançou em média 6% para DQO bruta e 73% para DQO filtrada. As concentrações de sólidos suspensos totais variaram de 78 a 145 mg.l e de 21 a 12 mg.l no afluente e no efluente, respectivamente e as concentrações de sólidos suspensos variaram de 77 a 139 mg.l e de 21 a 19 mg.l para efluente e efluente, respectivamente. Na segunda fase, as variações cíclicas na carga hidráulica foram introduzidas através da mudança na variação da vazão média afluente em valores inferiores e superiores a 4%. Nessa fase foram realizados dois perfis temporais de concentração com coleta de amostras do afluente e do efluente do sistema a cada 3 h em período total de 24 h. Os valores de ph do efluente do reator mantiveram-se na faixa de 6,9 a 7,2, devido a capacidade de tamponamento do sistema. Os valores médios obtidos para temperatura ambiente e para o efluente do reator foram iguais a 27 ± 2ºC e 26 ± 1ºC, respectivamente. A concentração média de matéria orgânica afluente em termos de DQO bruta variou de aproximadamente 638±5 mg.l. Mesmo com aplicação de carga cíclica variável o sistema apresentou capacidade de tamponamento, com valores de alcalinidade total e alcalinidade a bicarbonato para o efluente superiores àqueles obtidos para o afluente. As concentrações de matéria orgânica em termos de DQO bruta variaram muito ao longo do tempo de operação do reator, atingindo picos de mínimo e de máximo iguais às faixas de 575 a 724 mg.l e de 39 a 533 mg.l no afluente e no efluente, respectivamente. Para as concentrações de matéria orgânica em termos de DQO filtrada os picos de mínimo e de máximo foram iguais às faixas de 439 a 56 mg.l e de 26 a 478 mg.l para afluente e efluente, respectivamente. A Figura 2 apresenta os valores de sólidos suspensos totais e de DQO filtrada e a eficiência de remoção do sistema. eficiência (%) ABES - Associação Brasileira de Engenharia Sanitária e Ambiental 4

5 só lid o s su sp e n so s to ta is (m g.l ) afluente efluente DQO filtrada (m g.l ) a) b) afluente efluente eficiência (%) e fic iê nc ia (%) Figura 2- a) perfil temporal de valores de sólidos suspensos totais; b) perfil temporal de valores de DQO filtrada do afluente e efluente e da eficiência de remoção de matéria orgânica do reator As concentrações de sólidos suspensos totais atingiram picos de mínimo e de máximo iguais às faixas de 16 a 85 mg.l e de 48 a 17 mg.l no afluente e no efluente, respectivamente. Para as concentrações de sólidos suspensos voláteis, os picos de mínimo e de máximo foram iguais as faixas de 16 a 81 mg.l e de 48 a 143 mg.l para afluente e efluente, respectivamente. CONCLUSÕES O sistema apresentou valores para concentração de sólidos totais, sólidos totais fixos, sólidos totais voláteis, sólidos suspensos voláteis compatíveis com as características do esgoto sanitário e com sistemas de tratamento em reatores de manta de lodo. Mesmo com aplicação de carga cíclica variável o sistema apresentou capacidade de tamponamento, com valores de alcalinidade total e alcalinidade a bicarbonato para o efluente superiores àqueles obtidos para o afluente. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS 1. PIRES, E. C.; PIRES, R. C.; BATISTA, K. B.; CARVALHO, K. Q. Dynamic behaviour of UASB reactors submitted to cyclical loads. 9 th CONGRESS ON ANAEROBIC DIGESTION. 21. Anais. Antuérpia, Bélgica. p , STANDARD METHODS FOR THE EXAMINATION OF WATER AND WASTEWATER. 2th ed. American Public Health Association / American Water Works Association / Water Environment Federation, Washington, DC, USA, CARVALHO, K. Q.; PIRES, E. C. Dynamic response of UASB reactors submitted to diurnal cyclical flow: simplified mathematical model. VII LATIN AMERICAN WORKSHOP AND SYMPOSIUM ON ANAEROBIC DIGESTION. 22. Anais. Mérida, México. p , PAULA J. R; FORESTI, E. Kinetics studies on a UASB reactor subjected to increasing COD concentration. Water Science and Technology 25: 1311, ABES - Associação Brasileira de Engenharia Sanitária e Ambiental 5