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 Joinville - Santa Catarina II AVALIAÇÃO DA FASE ANAERÓBIA DE UM REATOR COMPARTIMENTADO ANAERÓBIO/AERÓBIO TRATANDO ESGOTO SANITÁRIO Gustavo Henrique Ribeiro da Silva(1) Engenheiro Civil Faculdade de Engenharia Civil de Araraquara (1998). Mestre em Engenharia Civil na área de Saneamento e Ambiente Unicamp (2001). Doutorando em Engenharia Civil na área de Saneamento e Ambiente Unicamp.. Edson Aparecido Abdul Nour (2) Professor Assistente Doutor da Faculdade de Engenharia Civil na área de Saneamento e Ambiente UNICAMP Endereço(1): Rua Sérgio Fernando Paranhos Fleury, 49 Jd. Sta. Helena São Carlos - SP - CEP: Brasil - Tel: (16) ghrsghrs@yahoo.com RESUMO A crescente necessidade do tratamento de esgotos sanitários exige da engenharia a procura por sistemas que venham a tornar viável a sua implementação. Tendo em vista a realidade econômica brasileira e a necessidade de implantação de estações de tratamento de esgoto sanitário, é muito importante que existam diversas opções tecnológicas adequadas às condições locais, capazes não só de apresentarem custos menores de implantação e operação, que os sistemas convencionais, mas que produzam efluentes finais com a qualidade necessária a atender os padrões de lançamento exigidos. Uma alternativa economicamente viável aos sistemas de tratamento de esgotos domésticos é o tratamento anaeróbio, que tem recebido atenção especial nas pesquisas desenvolvidas no Brasil, principalmente os reatores anaeróbios de alta taxa, uma vez que estes apresentam-se como unidades compactas e com boa eficiência de tratamento. Como uma das alternativas tecnológicas capazes de proporcionar as variações das condições ambientais necessárias

2 para a ocorrência dos processos acima mencionados está a utilização de reatores compartimentados anaeróbio/aeróbio como uma das possíveis alternativas tecnológicas No trabalho proposto será feito a avaliação da fase anaeróbia (câmaras anaeróbias) de um reator compartimentado anaeróbio/aeróbio tratando esgoto sanitário. O desempenho do sistema foi avaliado em diversos tempos de detenção hidráulica (TDH), onde os melhores valores de remoção de Demanda Química de Oxigênio Total (DQOtotal) - 58,0%, Demanda Química de Oxigênio Filtrada (DQOfiltrada) - 63,0% e Sólidos em Suspensão Totais (SST) - 68,4%. A estabilidade operacional necessária para os sistemas de baixo custo foi uma característica apresentada pelo reator compartimentado PALAVRAS-CHAVE: Processo Anaeróbio, Processo Aeróbio, Compartimentado, Esgoto sanitário. INTRODUÇÃO O tratamento anaeróbio de águas residuárias tem recebido atenção especial nas pesquisas em desenvolvimento no Brasil, devido às vantagens oferecidas pelo processo de digestão anaeróbia em tratamento de efluentes líquidos, sobretudo pelo baixo volume de lodo gerado quando comparado ao tratamento aeróbio. Porém, trata-se de um processo complexo de degradação e susceptível às variações das condições ambientais, como ph, temperatura, concentração de substratos e de produtos que tóxicos podem comprometer a eficiência processo. Tendo em vista a realidade econômica brasileira e a necessidade de implantação de estações de tratamento de esgoto sanitário, é muito importante que existam diversas opções tecnológicas adequadas às condições locais, capazes não só de apresentarem custos menores de implantação e operação, que os sistemas convencionais, mas que produzam efluentes finais com a qualidade necessária a atender os padrões de lançamento exigidos. Na tentativa de minimizar as desvantagens e otimizar as vantagens presentes nos processos anaeróbios e aeróbios, busca-se a união dos sistemas biológicos de tratamento de águas residuárias, ou seja, a conjugação de processos aeróbios (que proporciona uma boa qualidade do efluente tratado, mas com uma alta geração de lodo), com processos anaeróbios (que possui baixa produção de um lodo, com elevado grau de estabilização, aliado a um baixo consumo de energia elétrica). Desta forma, foi construído um sistema constituído de um reator composto por quatro câmaras seqüenciais, sendo as três primeiras anaeróbias e a última aeróbia, totalizando um volume aproximado de 2,5 m3. O lodo gerado pelo reator é capturado em um decantador laminar e encaminhado a câmara aerada do reator com a finalidade de além da manutenção de alta qualidade de biomassa ativa no sistema, proporcionar uma maior estabilização do lodo.

3 O objetivo principal desse trabalho é avaliar o comportamento da fase anaeróbia (câmaras 1, 2 e 3) de um reator compartimentado anaeróbio/aeróbio tratando esgoto sanitário, por meio das seguintes variáveis: ph, DQOtotal, DQOfiltrada e Sólidos em Suspensão Totais. MATERIAIS E MÉTODOS O reator compartimentado referido no presente artigo, foi operado junto à estação de tratamento de esgotos (ETE) do bairro da Graminha, localizado no município de Limeira- S.P., Brasil, em uma área pertencente à empresa Águas de Limeira cedida à UNICAMP para o uso de pesquisas. Construído em alvenaria armada, o reator compartimentado é formado por quatro câmaras seqüenciais sendo a três primeiras câmaras anaeróbias e a última câmara aeróbia, com volume aproximado de 1,0 m3, 0,50 m3, 0,50 m3, 0,50 m3 respectivamente, apresentando como dimensões externas: 3,06 m de comprimento por 1,30 m de altura por 1,50 m de largura. Um decantador laminar, localizado após a câmara aeróbia, com volume de 0,5 m3, completa o sistema de tratamento. O volume da primeira câmara é maior que as demais, a fim de prolongar o tempo de detenção hidráulica nesta câmara, já que segundo CLARETO (1997), é nesta que se dá a maior remoção da matéria orgânica. Figura 1: Reator Compartimentado Anaeróbio/Aeróbio O efluente líquido que abastecia o sistema era proveniente da rede coletora pública, e recebia um tratamento com características de nível preliminar; grade grosseira, caixa desarenadora e peneira estática, antes da entrada no reator compartimentado. O controle da vazão de efluente para o sistema era realizado por meio de um vertedor triangular, de abertura de 15º, localizado antes do reator.um esquema completo do sistema de tratamento utilizado no estudo pode ser observado na Figura 2. Após a saída do reator existe um decantador secundário laminar constituído por uma caixa de fibro cimento com 0,5m3 de volume. As lâminas, confeccionadas em polipropileno, são dispostas formando um ângulo de 60 em relação à horizontal. (Figura 2) O fornecimento de ar para a quarta câmara foi realizado por um compressor de uso comercial com reservatório para 175 L e pressão máxima 120 lbf/pol2, utilizando um sistema de aeração composto por difusores de ar colocados junto ao fundo. Figura 2: Esquema Geral do Sistema Tratamento de Esgotos. Fonte: Adaptado SILVA (2001)

4 Os pontos de amostragens foram os seguintes: (E) após o vertedor, antes da entrada do reator; (C3) saída da câmara 3 e localizado a 1,0 m de altura do fundo do reator. (Figura 2 e 3) Figura 3: Perfil do Reator Compartimentado Anaeróbio/Aeróbio Fonte: Adaptado ZANELLA (1999) As amostragens foram realizadas de forma composta, durante 4 horas, uma vez por semana. As variáveis estudadas foram ph, demanda química de oxigênio (DQO) total e filtrada, sólidos em suspensão totais (SST).As metodologias utilizadas para a determinação destas variáveis estão contidas em APHA (1992). As diferentes Etapas de estudo foram caracterizadas pela variação do TDH utilizados na fase anaeróbia, as quais estão descritas na Tabela 1: Tabela 1: Etapas de operação do reator durante o período de estudo ETAPAS TDH da Fase Anaeróbia (horas) Tempo de Operação (dias) Período de Operação Total /03/2000 até29/05/ TDH

5 01/03/2000 até 08/08/ TDH /08/2000 até 19/09/ TDH /09/2000 até 21/11/ TDH /01/2001 até 03/04/ TDH /04/2001 até 29/05/2001 a) ph Os valores mínimos e máximos de ph observados durante as Etapas estudadas, encontramse na Tabela 2 e Figura 4. Tabela 2: Valores mínimos (mín) e máximos (máx) para o ph na entrada, câmara 1, 2 e 3 do sistema nas Etapas 1, 2, 3, 4 e 5. Ponte de coleta 444 dias de operação

6 1 - TDH1 2 - TDH2 3 - TDH3 4 - TDH4 5 - TDH5 mín - máx mín - máx mín - máx mín - máx mín - máx mín - máx Afluente 5,4 a 8,3 6,7 a 8,3 6,5 a 7,0 6,3 a 7,9 6,2 a 8,3 5,4 a 7,2 Câmara 1 6,2 a 7,5 6,8 a 7,2 6,6 a 7,8 6,3 a 6,9

7 6,2 a 7,2 6,3 a 7,1 Câmara 2 6,2 a 7,3 6,8 a 7,0 6,5 a 6,7 6,3 a 6,8 6,2 a 7,3 6,5 a 7,0 Câmara 3 6,3 a 7,2 6,5 a 7,1 6,5 a 6,7 6,4 a 6,8 6,3 a 7,2 6,4 a 7,1 Figura 4: Valores de ph ao longo do tempo A cidade de Limeira-SP tem entre as suas principais atividades econômicas, a produção artesanal de bijuterias, em muitos casos, realizados por pequenas empresas caseiras. Parte dos produtos químicos utilizados para a confecção das peças é despejada na rede coletora de esgotos sem nenhum tipo de tratamento (ZANELLA, 1999 e CAMARGO, 2000). Segundo estes autores, ocorreram quedas abruptas, porém esporádicas, de ph no esgoto bruto, atingindo valor de te 1,7. Contudo, durante o período de estudo, não ocorreram situações semelhantes, devido a correção de ph realizada no efluente antes da entrada no reator. Vale ressaltar que o efluente da câmara 3, praticamente não teve seu valor de ph alterado, indicando uma boa estabilidade e capacidade de absorção de choques pelo

8 sistema, reforçando as pesquisas de NACHAIYSIT & STUCKEY (1997a, 1997b), NOUR (1996), ZANELLA (1999), ZANELLA & NOUR (2000), SILVA et al. (2000) e SILVA (2001). A grande maioria dos valores de ph estiveram na faixa de 6,7 a 7,0 durante as cinco Etapas do monitoramento, estes considerados ótimos para processo anaeróbio, não atingindo valores prejudiciais às atividades das arqueas metanogênicas, em praticamente todo o período de operação. b) Remoção de DQOtotal Os valores médios da remoção de DQOtotal estão representados na Tabela 3 e o comportamento pode ser observado por meio da Figura 5. Problemas com o controle de vazão de entrada do sistema, e conseqüentemente controle do tempo de detenção hidráulica não possibilitaram um equilíbrio adequado na Etapa 1. Tabela 3: Valores médios da porcentagem de remoção de DQOtotal na câmara 3 nas Etapas 1, 2, 3, 4 e 5. Ponto de coleta 444 dias de operação 1 - TDH1 2 - TDH2 3 - TDH3 4 - TDH4 5 - TDH5

9 Câmara 3 52,3 ± 16,0 56,1 ± 12,7 26,7 ± 10,9 49,7 ± 16,6 58,0 ± 14,7 52,1 ± 17,4 Figura 5: Porcentagem de Remoção de DQOtotal ao longo do tempo Devido a dificuldade em se manter os valores de TDH nas câmaras, e aeróbia a duração da Etapa 2 foi reduzida. É importante verificar que mesmo com a diminuição do TDH das câmaras anaeróbias de 12 para 8 horas (Etapa 2 para 3) ocorreu um aumento na eficiência média remoção de DQOtotal, mesmo sabendo que a Etapa 2 foi péssima para remoção de quase todos os parâmetros. O mesmo fato ocorreu quando da passagem da Etapa 3 para a 4, onde o reator ficou um período de aproximadamente 2 meses em situações precárias de operação devido a alguns problemas encontrados. Mesmo com uma diminuição de 50 % do TDH das câmaras anaeróbias da Etapa 3 para a 4 (8 para 4 horas), a eficiência média remoção de DQOtotal foi melhor que da Etapa 3, mostrando a boa capacidade do reator em absorver sobrecargas hidráulicas. Um aumento da biomassa e também uma melhor adaptação dos microrganismos envolvidos no processo biológico de degradação podem ter influenciado na melhora do desempenho do sistema. Os valores de remoção parcial de DQOtotal encontrados para as Etapas 1, 4 e 5, foram um pouco maiores que 50 %, valor também encontrado por POVINELLI (1994) para a partida de um reator compartimentado anaeróbio de 3 câmaras seguidos por filtro de britas. NOUR (1996), apresentou como resultados de remoção total e desvios padrão de DQOtotal para as 3 Etapas estudadas, TDH1=12 horas (Etapa 1 B), TDH2=8 horas (Etapa 2) e TDH3=12horas (Etapa 3) os seguintes valores: 52,5 ± 8,6 %, 42,1 ± 13,9 % e 56,7 ± 9,5 %, respectivamente. Comparando se apenas os valores médios de remoção de DQOtotal, os resultados obtidos por NOUR (1996), onde existiam somente câmaras anaeróbias seguido por filtro de britas, foram semelhantes as Etapas 1, 3, 4 e 5 do presente estudo.

10 ZANELLA (1999) apresentou os seguintes valores de remoção média, 56,4 ± 20,8 %, 53,7 ± 13,4 % e 58,2 ± 13,9 %, para os TDH de 24, 15 e 8 horas, somente para as câmaras anaeróbias, respectivamente. Analisando-se apenas os valores médios, o presente estudo apresentou valores semelhantes ao apresentado pelo autor em seu estudo. Entretanto, o reator compartimentado apresentado no presente trabalho, foi operado com TDH 50 % menor que o menor tempo estudado por ZANELLA (1999) nas Etapas 4 e 5. Operando um reator compartimentado anaeróbio de bancada, de volume total de 10 litros, seguido de um decantador circular, LOPES (1999) obteve os seguintes valores de eficiência de remoção de DQOtotal: 77,0 ± 10,0 %, 73,0 ± 10,0 %, 66,0 ± 9 %, para os TDH de 12, 8 e 6 horas, respectivamente. Estes valores foram superiores ao do presente estudo, contudo, deve ser levado em consideração que reatores de volumes reduzidos possuem uma possibilidade maior no controle das variáveis operacionais, desta forma estes reatores apresentam melhor desempenho que os reatores em escala piloto e/ou real. b) Remoção de DQOfiltrada Os valores médios da remoção de DQOfiltrada estão representados na Tabela 4 e o comportamento pode ser observado por meio da Figura 6. Tabela 4: Valores médios da porcentagem de remoção de DQOfiltrada na câmara 3 nas Etapas 1, 2, 3, 4 e 5. Ponto de coleta 444 dias de operação 1 - TDH1 2 - TDH2 3 - TDH3 4 - TDH4 5 - TDH5

11 Câmara 3 49,0 ± 17,4 63,0 ± 20,0 24,5 ± 13,9 42,6 ± 14,1 54,3 ± 15,8 57,3 ± 7,3 A DQOfiltrada apresentou uma comportamento semelhante a DQOtotal em relação a eficiência de remoção, como pode ser observado nas Tabelas 3 e 4 e Figuras 5 e 6. A Etapa 1 foi a que apresentou melhores resultados médios de remoção de DQOfiltrada. Com a diminuição do TDH das câmaras anaeróbias de 12 para 8 horas (Etapa 2 para 3) não houve queda na eficiência média de remoção de DQOfiltrada, mas sim um aumento nos valores médios de remoção. Figura 6: Porcentagem de Remoção de DQOfiltrada ao longo do tempo O mesmo ocorreu quando se diminuiu o TDH das câmaras anaeróbias de 8 para 4 horas (Etapa 3 para 4) ocorrendo um aumento de 42,6 para 54,3 % na eficiência de remoção. Este resultado indica que o reator compartimentado anaeróbio/aeróbio apresenta uma boa flexibilidade e rápida absorção de choques ocasionados pela a variação do TDH. A Etapa 5 não apresentou diferença significativa no valor de remoção de DQOfiltrada em relação a Etapa 4.

12 NOUR (1996), obteve como resultados para remoção de DQOfilt rada, 33,6 ± 13,9 % para a Etapa 1 B, 28,0 ± 13,2 % para a Etapa 2 e 36,2 ± 10,9 % para a Etapa 3, em um reator compartimentado anaeróbio seguido por filtro de britas. Comparando se apenas os valores médios de remoção de DQOfiltrada, os valores apresentados pelo autor foram menores que os encontrados no presente estudo, com exceção da Etapa 2. LOPES (1999), obteve os seguintes valores de eficiência de remoção de DQOtotal: 60,0 ± 15,0 %, 47,0 ± 15,0 %, 41,0 ± 12,0 %, para os TDH de 12, 8 e 6 horas, respectivamente. Os valores apresentados no presente foram um pouco maiores, exceto para a Etapa 2, e para Etapa 3 que foi um pouco inferior que o mesmo tempo utilizado pela autora. c) Remoção de SST Os valores médios da remoção de SST estão representados na Tabela 5 e o comportamento pode ser observado por meio da Figura 7. Tabela 5: Valores médios da porcentagem de remoção de SST na câmara 3 nas Etapas 1, 2, 3, 4 e 5. Ponto de coleta 444 dias de operação TDH1 TDH2 TDH3 TDH4 TDH5

13 Câmara 3 61,3 ± 15,7 68,4 ± 12,5 41,1 ± 10,5 57,2 ± 10,6 60,8 ± 20,8 58,4 ± 16,4 Com a diminuição do TDH das câmaras anaeróbias de 12 para 8 horas (Etapa 2 para 3) não houve queda na eficiência média de remoção parcial de SST, mas sim um aumento. O mesmo ocorreu na mudança do TDH das câmaras anaeróbias da Etapa 3 para a 4, onde se diminuiu o TDH em 50 %. Na Etapa 5 foi mantido o tempo de 4 horas para as câmaras anaeróbias e o comportamento continuou semelhante ao da Etapa 4. Figura 7: Porcentagem de Remoção de SST ao longo do tempo As eficiências de remoção de SST obtidas por NOUR (1996), para Etapa 1B (TDH = 12 horas), Etapa 2 (TDH = 8 horas) e Etapa 3 (TDH = 12 horas) foram, 64,3 ± 13,5 %, 49,5 ± 16,6 % e 67,5 ± 10,0 %, respectivamente, valores estes semelhantes aos apresentados no presente trabalho para remoção de SST, porém NOUR (1996) estudou câmaras anaeróbias, seguidas de um filtro de britas. Os valores de eficiência de remoção de DQOtotal obtidos por LOPES (1999) foram os seguintes: 87,0 ± 8,0 %, 86,0 ± 11,0 %, 80,0 ± 8,0 %, para os TDH de 12, 8 e 6 horas, respectivamente. Estes valores foram superiores ao do presente estudo, contudo, o reator estudado pela autora era de bancada e possuía um sistema de decantação. CONCLUSÕES Independentemente do valor de entrada, o valor de ph da saída da Câmara 3 também se manteve próximo de 7,0 durante as cinco Etapas estudadas, indicando uma boa estabilidade do reator compartimentado anaeróbio/aeróbio;

14 O reator apresentou boa flexibilidade quanto a mudanças de TDH, no que se refere a eficiências de remoção de DQOtotal, DQOfiltrada e SST; Os aumentos ocorridos na carga orgânica e hidráulica foram absorvidos adequadamente pelo sistema, não provocando nenhuma instabilidade no sistema, mostrando ser um reator com boa configuração para absorver choques hidráulicas e orgânicos; Para a Etapa 4, que teve o seu TDH diminuído de 8 para 4 horas, foram obtidos os seguintes valores de eficiência: 58,0 %, 54,3 %, 60,8 % para DQOtotal, DQOfiltrada e SST, respectivamente; Possui configuração simples, facilidade operacional, construção simples e baixo consumo de energia elétrica. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS APHA; AWWA; WPCF, Standard Methods for the Examination of Water and Wastewater. 18. ed. Washington D. C., 1992 CAMARGO, S.A. R. Filtro Anaeróbio com Enchimento de Bambu para Tratamento de Esgotos Sanitários: Avaliação da Partida e Operação. Campinas Dissertação de Mestrado. Universidade Estadual de Campinas 181 p. CLARETO, C. R. Tratamento biológico de líquidos percolados gerados em aterros sanitários utilizando reator anaeróbio compartimentado. São Carlos Dissertação de Mestrado. Escola de Engenharia de São Carlos. Universidade de São Paulo. 300 p. NACHAIYASIT, S.; STUCKEY, D. C., The Effect of Shock Load on the Performance of Anaerobic Baffled Reactor (ABR). 1. Step Changes in Feed Concentration at Constant Retention Time, Water Research, v. 31, n. 11, p , 1997a. NACHAIYASIT, S.; STUCKEY, D. C., The Effec t of Shock Load on the Performance of Anaerobic Baffled Reactor (ABR). 2. Step and a Transient Hydraulic Shocks as Constant Feed Strenght, Water Research, v. 31, n. 11, p , 1997b. NOUR, E. A. A. Tratamento de Esgoto Sanitário Empregando-se Reator Compartimentado. São Carlos Tese de Doutorado. Escola de Engenharia de São Carlos. Universidade de São Paulo. 266p. POVINELLI, S. C. S. Estudo da Hidrodinâmica e Partida de Reator Anaeróbio com Chicanas Tratando Esgoto Sanitário. São Carlos Dissertação de Mestrado. Escola de Engenharia de São Carlos. Universidade de São Paulo. 128 p.

15 SILVA, G. H. R. Reator compartimentado anaeróbio/aeróbio tratando esgoto sanitário: Desempenho e Operação. Campinas Dissertação de Mestrado. Universidade Estadual de Campinas. 118p SILVA, G. H. R.; ZANELLA, L.; NOUR, E. A. A. Comportamento de um reator compartimentado híbrido submetido a um período de operação precária: Estabilidade do Sistema. In: XVII Congresso Interamericano de Ingenieria Sanitária y Ambiental, Porto Alegre, Brasil, Anais Eletrônicos, ZANELLA, Luciano. Partida de um reator compartimentado híbrido anaeróbio/aeróbio tratando esgoto sanitário. Campinas Dissertação de Mestrado. Universidade Estadual de Campinas. 118p. ZANELLA, L. & NOUR, E.A.A. Partida de um reator compartimentado híbrido anaeróbio/aeróbio tratando esgoto sanitário. In. VI Latin American Workshop and Seminar on Anaerobic Digeston. 2000, Recife, Anais, v. 2, n. 1, p