22º Congresso Brasileiro de Engenharia Sanitária e Ambiental

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1 22º Congresso Brasileiro de Engenharia Sanitária e Ambiental 14 a 19 de Setembro 03 - Joinville - Santa Catarina II TRATAMENTO ANAERÓBIO TERMOFÍLICO DE EFLUENTE SINTÉTICO DE INDÚSTRIA DE CELULOSE UTILIZANDO REATOR ANAERÓBIO DE MANTA DE LODO E FLUXO ASCENDENTE Carmo, Dirlane De Fátima(1) Doutoranda em Hidráulica e Saneamento pela Escola de Engenharia de São Carlos EESC/USP; Mestre em Ciências da Engenharia Ambiental pela Escola de Engenharia de São Carlos - EESC/USP; graduada em Engenharia Agronômica pela Universidade Federal de Viçosa UFV. Pires, Eduardo Cleto (2) Professor titular do Departamento de Hidráulica e Saneamento da EESC/USP; Livredocente pelo Departamento de Hidráulica e Saneamento da Escola de Engenharia de São Carlos, USP; Doutor em Hidráulica e Saneamento pela Escola de Engenharia de São Carlos EESC/USP; Mestre em Engenharia Mecânica pela Pontifícia Universidade Católica do Rio de Janeiro; Engenheiro Mecânico formado pela Escola de Engenharia de São Carlos EESC/USP. Endereço(1): Rua Cezar Ricome, 92 Jardim Lutfalla São Carlos São Paulo Cep Res. (16) ; Fax: (16) ; dirlane@sc.usp.br RESUMO As indústrias no Brasil têm buscado o tratamento de seus efluentes, evitando assim que seus produtos sejam sobretaxados. Para as indústrias de papel e celulose, que lançam efluentes bastante poluentes e em altas temperaturas, o tratamento biológico termofílico é uma opção promissora. Neste trabalho foi utilizado um reator anaeróbio de manta de lodo e fluxo ascendente (UASB) termofílico para o pré-tratamento de um efluente simulado da indústria de pasta de celulose não branqueada. O reator foi operado por 390 dias, sendo 97 dias na faixa de temperatura termofílica. Neste período, a eficiência de remoção variou de 5

2 a 73%, permanecendo em torno de % na fase final da operação. A produção de metano variou de 3% a 77%, a produção de ácidos sofreu um aumento significativo de 40,52 mg.l- 1 para 364,03 mg.l-1 e a variação de alcalinidade total no reator no período foi de 125,72 a 479,14 mg.l-1. Palavras-chave: UASB; termofílico, indústria, celulose INTRODUÇÃO A qualidade ambiental tem sido comprometida, atingindo em muitos casos a irreversibilidade com o acelerado ritmo do desenvolvimento econômico. A água é um exemplo de recurso mineral renovável, que pode se tornar exaurível, portanto, o seu uso deve ser gerenciado visando a conciliação entre a conservação do com o progresso tecnológico. Uma das estratégias de gerenciamento é a cobrança pelo uso e disposição das águas, mesmo por usuários que possuam seu próprio sistema de captação, tratamento e disposição de água servida. Logo, tecnologias que visem a minimização do uso de água, bem como redução do lançamento de efluentes, assumem grande importância. A indústria de papel e celulose é uma das que mais consomem água e também lança efluentes bastante poluentes. Para o tratamento de seus efluentes, que saem em alta temperatura, uma das opções de tratamento propostas é o tratamento anaeróbio termofílico. O uso do reator anaeróbio de manta de lodo e fluxo ascendente termofílico para tratar diferentes efluentes têm sido utilizado em alguns trabalhos com resultados satisfatórios (RINTALA & LEPISTO, 1997; JAHREN & RINTALA, 1997; DINSDALE et a l, 1997). Assim, o objetivo deste trabalho foi avaliar um reator anaeróbio termofílico de manta de lodo e fluxo ascendente para um pré-tratamento de um efluente sintético de indústria de celulose; verificando a qualidade da água para implementar um pós-tratamento e possível reuso. Procedimento Experimental Substrato: para simular em laboratório, o efluente gerado pelas indústrias de polpa de celulose não branqueada, foi utilizado licor negro diluído em água, adicionando-se nutrientes. O licor negro pode simular satisfatoriamente este efluente porque contem os reagentes químicos utilizados no processo da fabricação da pasta de celulose e os subprodutos gerados na decomposição dos constituintes da madeira. O licor utilizado neste trabalho foi fornecido pela indústria de papel e celulose Celpav (unidade de Luís Antônio, São Paulo) e armazenado em temperatura de 40C. Foram coletados ao longo do experimento dois tipos, o concentrado (teor de sólidos em torno de 70%) e o intermediário (teor de sólidos em torno de %). No preparo do substrato um determinado volume do licor, de acordo com a DQO desejada (Tabela 2) era colocado em balão volumétrico de 1,0 L e o volume completado com água destilada. Posteriormente, o licor diluído era

3 transferido para um recipiente, sendo adicionados extrato de levedura, cloreto de amônio e fosfato de sódio monobásico, de forma a suprir as quantidades de nitrogênio e fósforo recomendados para o processo anaeróbio (relação DQO:N:P de 500:5:1, segundo FORESTI, 1997). O volume então era completado para 15,0 litros e o ph da amostra diluída era ajustado com ácido acético até atingir um valor aproximado de 7,0. Com 153 dias de operação do reator UASB foi adicionado ao substrato, etanol como fonte de carbono. Tabela 1. Composição do licor negro utilizado no preparo do substrato sintético Parâmetro Licor negro Concentrado Intermediário (1) Intermediário (2) ph 13,6 13,6 13,0 DQO (mg.l-1) DBO (mg.l-1)

4 Sulfeto Carbono orgânico total Zn (mg.l-1) 1,76 1,58 Pb (mg.l-1) 4,70 Cd (mg.l-1) 1,24 Ni (mg.l-1) 4,36 2,60

5 Fe (mg.l-1) 8,80 10,00 Mn (mg.l-1) 4,56 10,30 Cu (mg.l-1) 1,48 0,03 Cr (mg.l-1) 2,60 1,17 Tabela 2. Tipo e volume de licor usado, temperatura da cabine, tempo de detenção hidráulico, taxa de carregamento orgânico e tempo que o reator operou em cada condição. Tipo de licor e volume Temperatura (0C) TDH (h) TCO

6 (KgDQO/dia.m3) Tempo que operou nesta condição (dias) LNC (10mL:10L) 42 0,23±0,04 21 LNC (14mL:10L) 42 0,29 1 LNC (18mL:10L) 42 0,38 3 LNC (ML:10L) 30 0,67±0,07 11 LNC (25mL:10L)

7 30 0,79±0,04 23 LNI1 (50mL:10L) 1,69±0,10 34 LNI1 (50mL:10L) 1,47 LNI1 (60mL:12L) 1,66±0,12 15 LNI1 (60mL:15L) 1,57±0,18 4

8 LNI1 (45mL:15L:4mLetanol) 1,45 8 LNI1 (50mL:15L:5mL etanol) 1,18 4 LNI1 (50mL:15L:5mL etanol) 35 1,35 5 LNI1 (55mL:15L:7mL etanol) 35 1,3 2 LNI1 (55mL:15L:7mL etanol) 35

9 1,63 2 LNI1 (55mL:15L:7mL etanol) 37,5 2,03±1,03 2 LNI1 (50mL:15L:7mL etanol) 37,5 1,8 11 LNI1 (45mL:15L:7mL etanol) 37,5 1,63±0,21 18 LNI1 (45mL:15L:7mL etanol) 42,5 1,54±0,15 28 LNI1 (45mL:15L:7mL etanol) 47,5

10 1,69 41 LNI1 (45mL:15L:7mL etanol) 52 1,73±0,15 5 LNI2 (30mL:15L:7mL etanol) 52 1,34±0,17 10 LNI2 (30mL:15L:7mL etanol) ,18±0,08 78 Reator: neste trabalho foi empregado o reator anaeróbio de manta de lodo e fluxo ascendente (UASB), com um volume de reação de 10,5 litros. Inóculo: o reator anaeróbio foi inoculado com lodo proveniente de um reator UASB tratando dejetos de um abatedouro de aves (Dacar, São Paulo). A inoculação foi feita na última quinzena de março de 02 e a quantidade adicionada de lodo foi de 3,0 litros. O reator foi mantido em batelada por 10 dias, sendo posteriormente operado de forma contínua.

11 Operação: após a inoculação o reator permaneceu em batelada por 10 dias. Posteriormente foi operado de forma contínua, com tempo de detenção de 42 horas e demanda química de oxigênio de 400mg/L. De acordo com a tabela 2, foram feitos ajustes no tempo de detenção hidráulica e na taxa de carregamento orgânico. O reator foi operado inicialmente em temperatura (@ 250C). Posteriormente, foi instalado um termostato para o controle da temperatura, que foi aumentada progressivamente, atingindo 570C na etapa final do trabalho. Análises: o monitoramento dos reatores foi feito analisando-se alcalinidade, ph, sólidos, demanda química de oxigênio (DQO) e ácidos graxos voláteis. Estas análises seguiram os procedimentos do "Standard Methods for the Examination of water and the wastewater" (APHA, 1998). Resultados e Discussão O reator anaeróbio foi inoculado, na segunda quinzena de março de 02, com 3,0 L de lodo obtido de um reator UASB que trata efluente de abatedouro de aves (Dacar), em São Paulo. O reator foi alimentado com o substrato descrito na metodologia, de acordo com a tabela 2. O UASB permaneceu em sistema de batelada durante 10 dias, em temperatura. Posteriormente, foi colocado em sistema contínuo. Inicialmente, o tempo de detenção hidráulico utilizado no tratamento anaeróbio foi de 42 horas e a demanda química de oxigênio foi aumentada de acordo com a Tabela 2. Após 26 dias de operação, o tempo de detenção hidráulico foi alterado para 30 horas e a DQO continuou sendo alterada até atingir um valor médio de 1030mg/L. O licor utilizado nesta etapa foi o licor negro concentrado, que causou diversos problemas, tanto de caracterização, quanto de perda de sólidos no reator. A partir do 650 dia de operação, o licor intermediário passou a ser utilizado e a DQO foi ajustada para o valor desejado para este trabalho, em torno de 1400 mg/l. Verificou-se uma queda na eficiência do sistema. Foi feita então uma análise da Demanda bioquímica de oxigênio e verificada uma baixa relação DBO/DQO, abaixo da recomendada pela literatura, que apresenta como uma boa relação de biodegradabilidade entre 0,3 e 0,6. Estes resultados indicaram a necessidade da adição de uma fonte de carbono ao substrato. Inicialmente, não havia sido utilizada uma fonte externa de carbono devido ao receio de reações adversas devido ao aumento de temperatura. Optou-se pela adição de etanol como fonte de carbono, visto que este foi usado no trabalho de BUZZINI (00) com êxito. A partir do 1030 dia de operação dos reatores foi adicionado o etanol e foram feitas mudanças no volume de licor adicionado ao substrato de forma a deixar-se a DQO nos valores desejados. Com 158 dias de operação, foi iniciada a segunda fase. O termostato passou a ser utilizado para controle de temperatura, partindo de 30 graus. Ainda na primeira quinzena de setembro de 02, com 168 dias de operação, a temperatura foi aumentada para 350C.

12 Houve queda do ph no reator anaeróbio passando para 5,3, com 172 dias de operação do reator UASB, provavelmente devido ao aumento da carga orgânica em 358 mg.l-1, além do "stress" provocado pelo aumento na temperatura. A eficiência neste período caiu de 51% para 33%. Foram adicionados 0,8 gramas de bicarbonato de sódio por litro do reator UASB. Também foi aumentado o ph do substrato, de 7,3 para 8,3. Deve-se considerar também que esta queda de ph pode Houve queda na produção de metano de 14,9 µmols (75%) para 4,86 µmols (23%). A alcalinidade foi reduzida de 310 mg/l para 5,9 mg/l e a produção de ácidos aumentou de 51,17 para 109,55 mg/l. O ph do reator foi restabelecido em dois dias, voltando a cair com 186 dias de operação, em virtude novamente de alteração nas características do licor nestes dias. O bicarbonato de sódio foi novamente utilizado, na mesma concentração, novamente com êxito. A eficiência de remoção de DQO ficou em torno de 33%, a produção de ácidos aumentou de 127,6 mg/l para 336,8 mg/l, a alcalinidade parcial gerada que estava crescente, caiu de 172,8 mg/l para 8,8 mg/l e a produção de metano ficou em torno de 6µmols. Porém, 15 dias depois, a produção de ácidos foi reduzida a 90 mg/l. No final da operação nesta temperatura a produção de ácidos era de 65mg/L, a produção de alcalinidade total era de 290 mg/l e a produção de metano estava em torno de 15µmols. A temperatura havia sido ajustada para 37,50C com 172 dias de operação e foi aumentada para 42,50C com 217 dias. Inicialmente houve um aumento na produção de ácidos, mas a produção caiu poucos dias depois, não afetando o ph do reator. A alcalinidade gerada aumentou, variando de 290 mg/l a 380 mg/l, sendo que a produção de metano atingiu valores em torno de 17µmols no final da operação com esta temperatura. O reator foi operado 41 dias com a temperatura em 47,50C. Houve aumento na produção de ácidos de valores em torno de 50 mg/l para valores em torno de 140 mg/l, caindo a alcalinidade total de aproximadamente 370 mg/l para aproximadamente 260 mg/l. Entretanto, o ph não foi alterado. A eficiência de remoção variou de 47 % a 73% nesta temperatura. Durante 15 dias o reator operou na temperatura de 5C, iniciando a fase termofílica. Inicialmente a eficiência de remoção caiu de 51% para 8% com uma semana de operação nesta temperatura. Também ocorreu a queda da alcalinidade e conseqüentemente a queda do ph e a produção de metano ficou abaixo do limite de detecção do método. Porém, houve uma recuperação do reator e na semana seguinte a eficiência chegou a 35%, mas a produção de ácidos aumentou de 144 mg/l para 240 mg/l nesta temperatura. Na fase final de operação, o reator operou a uma temperatura de 570C por 78 dias. No início da operação houve um pico de DQO na entrada, atingindo 1852 mg/l e a eficiência de remoção caiu a 3%. A produção de ácidos foi crescente, partindo de 131 mg/l atingindo 364 mg/l com 44 dias de operação e no final da operação do reator, esta produção estava decrescendo e apresentava valores em torno de 230 mg/l. A alcalinidade real também estava em níveis abaixo do limite de detecção do método com esta alta produção de ácidos e só pôde ser

13 medida 28 dias depois, apresentando valores de 47 mg/l quando a operação foi encerrada em razão de diversas falhas no sistema de controle de temperatura. A produção de metano inicialmente em torno de 1 µmol, atingiu 14,7 µmol com 63 dias de operação, mas voltou a cair para valores em torno de 1 µmol no final da operação. Nos últimos 36 dias de operação a eficiência de remoção havia estabilizado em 21%. Comparando os resultados deste trabalho aos obtidos por BUZZINI (00) que operou um reator UASB na faixa mesofilica alimentado pelo mesmo tipo de substrato, maior eficiência foi obtida, em torno de 90 %, quando o reator UASB operou com tempo de detenção hidráulico de 48 horas. Quando este tempo foi diminuído para 24 horas, a eficiência caiu para 76%. Deve-se considerar que a produção de ácidos no reator termofílico (131mg/L a 364 mg/l) também é bastante elevada comparada com a faixa mesofilica (52 mg/l a 110 mg/l). (a) (b) (c) (d) (e) (f) Figura 1. Resultados do monitoramento do reator: DQO (a), Eficiência de remoção (b), ph (c), ácidos graxos voláteis (d), Alcalinidade parcial (e) e produção de gases (f). Conclusões Um dos maiores obstáculos encontrados neste trabalho foi a variação das características do licor negro, sendo que este suportou o choque orgânico apenas na fase termofílica, apesar da baixa eficiência de remoção. Deve ser considerado que o reator operou com um tempo de detenção hidráulico muito baixo, visto que seria empregado posteriormente um reator de lodos ativados para o polimento do efluente. Possivelmente, melhores resultados seriam obtidos se a operação do reator fosse efetuada com um tempo de detenção hidráulico maior.

14 Na faixa termofílica a eficiência do reator sofreu grandes variações, de 10 a 27%; teve o maior pico de produção de ácidos (364 mg/l) e permaneceu 21 dias com a alcalinidade real abaixo do limite de detecção do método empregado. Entretanto, não houve a possibilidade de avaliar se haveria uma estabilização dos parâmetros analisados (DQO, ácidos, alcalinidade e metano), visto que foram apresentados problema s no controle de temperatura da cabine climatizada e haveria então um choque térmico no reator. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS BUZZINI, A.P. Remoção de licor negro residual e organoclorados de efluente simulado de indústria de pasta celulósica. Tese de doutorado. Escola de Engenharia de São Carlos, Universidade de São Paulo. 165p, 00. DINSDALE, R.M; HAEKES, F.R.; HAWKES, D.L. Comparison of mesophilic and thermophilic upflow anaerobic sludge blanket reactors treating instant coffee production wastewater. Water Research, v.31, n.1, p , JAHREN, S.J.; RINTALA, J.A. The closure of water circuits by internal thermophilic (55 and 700C) anaerobic treatment in the thermomechanical pulping process. Water Science Technology, v.35, n.2-3, p , RINTALA, J.A.; LEPISTO, S.S. Pilot-scale thermophilic anaerobic treatment of wastewater from seasonal vegetable processing industry. FADINI, P.S. Water Science Technology, v.36, n.2-3, p , AGRADECIMENTOS. Os autores agradecem ao Conselho Nacional de Pesquisa e Desenvolvimento pela bolsa de doutorado concedida, e pela bolsa de produtividade e pesquisa. Agradecem também a indústria Celpav-unidade de Luís Antônio, pelo licor negro cedido para a realização deste trabalho. E a FAPESP pelo financiamento do projeto Temático "Desenvolvimento, análise, aprimoramento e otimização de reatores anaeróbios para tratamento de águas residuárias".