ICTR 2004 CONGRESSO BRASILEIRO DE CIÊNCIA E TECNOLOGIA EM RESÍDUOS E DESENVOLVIMENTO SUSTENTÁVEL Costão do Santinho Florianópolis Santa Catarina

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1 ICTR 24 CONGRESSO BRASILEIRO DE CIÊNCIA E TECNOLOGIA EM RESÍDUOS E DESENVOLVIMENTO SUSTENTÁVEL Costão do Santinho Florianópolis Santa Catarina USO DE REATOR DE LEITO FLUIDIZADO SEQÜENCIAL EM BATELADA (RLFSB) PARA NITRIFICAÇÃO DE ESGOTO URBANO Alvís Fabiula Bortolotto Rosane Hein de Campos Patrícia Lopes Medeiros Rejane Helena Ribeiro da Costa PRÓXIMA Realização: ICTR Instituto de Ciência e Tecnologia em Resíduos e Desenvolvimento Sustentável NISAM - USP Núcleo de Informações em Saúde Ambiental da USP

2 USO DE REATOR DE LEITO FLUIDIZADO SEQÜENCIAL EM BATELADA (RLFSB) PARA NITRIFICAÇÃO DE ESGOTO URBANO ALVÍS FABIULA BORTOLOTTO (1) ROSANE HEIN DE CAMPOS (2) PATRÍCIA LOPES MEDEIROS (3) REJANE HELENA RIBEIRO DA COSTA (4) RESUMO Este trabalho avalia o desempenho de um reator de leito fluidizado seqüencial em batelada (RLFSB), em escala piloto, no tratamento de esgoto urbano, visando a remoção da matéria carbonácea e nitrogenada. Utilizou-se como material suporte o PVC, possuindo densidade de 1329 Kg/m 3 e diâmetro médio de 4,2 mm. O reator foi constituído por uma coluna cilíndrica em acrílico transparente de 2 cm de altura e 9 cm de diâmetro interno, com volume de 12 L, operado em ciclos de 12 horas, realizando as seguintes fases: enchimento, reação aeróbia e retirada. Foi adicionado em alguns ciclos cerca de 7,14 mg NaHCO 3 /mg N-NH 4 oxidado, para que o processo de nitrificação não fosse limitado pela alcalinidade. Foram monitorados os seguintes parâmetros: DQO, amônia, nitrito, nitrato, ph, temperatura, ORP, OD, entre outros. Os resultados mostraram que, quando devidamente operado, o RLFSB pode atingir eficiência de remoção de carbonácea de 89% e eficiência de remoção nitrogenada de 99%, produzindo um efluente de ótima qualidade, com concentrações de DQO e de nitrogênio amoniacal inferiores a 6 mg/l e 5 mg/l, respectivamente, estando de acordo com os padrões de lançamento em corpos receptores. PALAVRAS-CHAVE: Biofilme, esgoto urbano, leito fluidizado seqüencial em batelada, nitrificação. (1) Alvís Fabiula Bortolotto Engenheira Sanitarista pela UFSC, mestranda em Engenharia Ambiental (tecnologias de saneamento) no Dep. de Engenharia Sanitária e Ambiental/UFSC. afabiula@terra.com.br (2) Rosane Hein de Campos Engenheira civil pela UCPel, mestre em Engenharia Ambiental/UFSC, doutoranda em Engenharia Ambiental/UFSC. (3) Patrícia Medeiros Lopes Graduando em Engenharia Sanitária e Ambiental/UFSC. (4) Rejane Helena Ribeiro da Costa Engenheira civil pela UFPB, mestre em hidráulica e saneamento EESC-USP São Carlos, SP. Doutora pelo INSA-Toulouse, França. Pós-doutorado na Université Montpellier I, França. Professora Titular do Departamento de Engenharia Sanitária e Ambiental do Centro Tecnológico/CTC/UFSC. 194

3 1. INTRODUÇÃO Os reatores seqüenciais de batelada (RSB) têm sido estudados, nos últimos anos, com fim de remover nutrientes e matéria carbonácea de águas residuárias em uma única unidade operacional, através de ciclos pré-definidos. Cada ciclo funciona com diferentes fases, em geral compreendendo: enchimento, reação anaeróbia/anóxica, reação aeróbia, reação anóxica, sedimentação, descarga e repouso (ARTAN et al., 21). Os processos de biomassa fixa oferecem muitas vantagens se comparados com tratamentos biológicos convencionais: entrada rápida em regime, alta taxa de remoção volumétrica, aumento da estabilidade do processo e compacidade dos reatores (LAZAROVA & MANEM, 1995). Dentre esses, destacam-se os reatores de leito fluidizado trifásicos, cuja operação em contínuo permite tratar cargas orgânicas variando entre 36 e 13 kg/dqo/m 3.dia, com baixa produção específica de lodo, variando entre,2 e,5 mgproteínas/ mgdqo removida (HEIN DE CAMPOS, 21, MARTINS, 23). Por outro lado, o tratamento de águas residuárias em reator seqüencial em batelada tem despertado interesse recentemente, devido à redução de custos que este sistema oferece em relação aos processos contínuos de lodos ativados e, várias estratégias de operação têm sido propostas como forma de tratamento de águas residuárias, com o fim de obter, em um ciclo de operação, remoção de matéria carbonácea e de nutrientes fósforo e nitrogênio, este nas várias formas, (SHEKER et al., 1993; MORGENROTH e WILDERER, 1998; Van LOOSDRECHT e JETTEN, 1998; LEE et al., 1997). No entanto, a opção de combinar as vantagens da tecnologia do RSB com sistema de biomassa fixa é uma possibilidade para o tratamento de efluentes ainda pouco investigada (ORHON et al., 22). Estudos realizados por BARBOSA (24), utilizando o PET como material suporte, mostraram que é possível tratar esgotos sanitários em reator de leito fluidizado seqüencial em batelada (RLFSB), desde que as condições operacionais para o desenvolvimento do processo sejam obedecidas, tais como relação C/N/P, ph, OD e temperatura. O objetivo deste trabalho é verificar a eficiência de um reator de leito fluidizado seqüencial em batelada (RLFSB) para o tratamento de esgoto urbano, com e sem adição de bicarbonato de sódio, monitorando seu desempenho quanto ao processo de nitrificação e à remoção da matéria carbonácea, de forma a adequar o efluente final dentro dos padrões ambientais para lançamento de efluentes. 2. MATERIAIS E MÉTODOS 2.1. Reator de Leito Fluidizado Seqüencial em Batelada (RLFBS) Foi utilizado um reator piloto de leito fluidizado seqüencial em batelada (RLFSB), de fluxo ascendente, constituído por uma coluna cilíndrica em acrílico transparente de 2 cm de altura e 9 cm de diâmetro interno, com volume de 12 L. Tendo na sua parte inferior um dispositivo em PVC, com aberturas para a entrada do efluente líquido e do 1941

4 ar. Para a entrada de ar foi acoplado um difusor com membrana para geração de bolhas finas. A linha de ar comprimido era provida de filtro, válvula reguladora de pressão e rotâmetro para medição de vazão. Uma zona de tranqüilização, na sua parte superior, permitia a separação das fases líquida e gasosa, constituída em acrílico transparente com altura de 5 cm e largura de 2 cm (volume de 16 L); desta, o efluente era encaminhado para o tanque de recirculação com volume de 75 L, seguindo novamente para o reator, com o objetivo de manter o suporte em fluidização. O material suporte utilizado foi o PVC, possuindo densidade de 1329 Kg/m 3 e diâmetro médio de 4,2 mm, tratado com solução de ácido nítrico a 65%, com a finalidade de promover maior rugosidade e aderência do biofilme. Na Figura 1 apresenta-se o esquema do RLFSB. Figura 1. Representação esquemática do RLFSB Operação do Reator O RLFSB foi alimentado com esgoto urbano proveniente do Bairro Pantanal, Florianópolis/SC. O esgoto era coletado na rede pública, sendo bombeado até o tanque de alimentação onde se aguardava 15 minutos para decantação, e então, era enviado para o reator. Este operou em contínuo durante 4 dias com o propósito de desenvolver o biofilme no meio suporte. Após este período, o RLFSB foi submetido a ciclos de operação pré-determinados, realizando-se dois ciclos diários de 12 horas. Cada ciclo operacional era composto por três fases distintas: Enchimento (15 min.) - o volume de alimentação era de 3 % do volume total de tratamento, correspondendo a 32 L; Reação aeróbia (11h e 4min.) - ocorria a mistura do líquido, fluidização do leito e injeção de ar; Retirada (5 min.) - o descarte correspondia a 3 % (32 L) do efluente clarificado. O restante do líquido tratado, assim como a biomassa fixa no material suporte permanecia no reator para o próximo ciclo. 1942

5 Em alguns ciclos foi adicionado cerca de 7,14 mg Bicarbonato de Sódio NaHCO 3 /mg N- NH 4 oxidado, para que o processo de nitrificação não fosse limitado pela alcalinidade. A cada ciclo eram coletadas amostras do esgoto bruto, do licor misto e do efluente final clarificado, com início da batelada às 7: horas e término às 19: horas. 2.3 Métodos Analíticos O acompanhamento do reator foi feito através de sonda multiparâmetros YSI o 692 registrando medições on line de ph, oxigênio dissolvido (OD), temperatura e potencial redox (ORP). Em paralelo, foram realizadas análises de: amônia (método colorimétrico de Nessler), nitrito (método colorimétrico da alfanaftilamina ), nitrato (método colorimétrico da brucina), demanda química de oxigênio (DQO, método colorimétrico em refluxo fechado) total e filtrada em papel filtro Whatmann 4, segundo Standard Methods (1998). 3. RESULTADOS E DISCUSSÕES A Tabela 1 apresenta valores médios e desvio padrão de caracterização do esgoto urbano, obtidos durante o período de estudo. Por se tratar de um esgoto residencial, em sua composição predominam despejos domésticos, uma parcela de águas pluviais e águas de infiltração. Tabela 1. Caracterização do esgoto urbano (n= 8). Parâmetros Valores médios ph 7,1 ±,25 DQO T (mg/l) 582 ± 228 DQO F (mg/l) 337,5 ± 25,19 Amônia (mg/l N-NH 4 ) 4,64 ± 5,7 Nitrito (mg/l N-NO 2 ), ±, Nitrato (mg/l N-NO 3 ),21 ±,7 Fósforo (mg/l) 15,77 ± 2,75 Alcalinidade 36,12 ± 2,38 (mg/l CaCO 3 ) A Figura 2 apresenta os valores obtidos para as eficiências de remoção da amônia e remoção carbonácea (DQO) ao longo dos ciclos monitorados sem adição de bicarbonato. Observa-se que o RLFSB nos primeiros ciclos não estava adaptado para o processo de nitrificação, não havendo nenhuma eficiência em relação à remoção de amônia. Do ciclo 15 até o ciclo 32, o RLFSB manteve um comportamento estável, com eficiência média de remoção de amônia a 8%. A partir do ciclo 33, verifica-se que o reator possui um comportamento diferente, alcançando até o ciclo 54 uma eficiência média de remoção de amônia de 91%. Em relação à remoção carbonácea, o 1943

6 RLFSB teve um comportamento praticamente constante, com eficiência média de remoção de 74% (mín. 68% e máx.79%). Eficiência de remoção (%) N-NH4 DQO Ciclos Figura 2. Comportamento da eficiência de remoção de amônia e DQO para os ciclos sem adição de bicarbonato de sódio. No ciclo 33 efetuou-se a determinação dos perfis temporais para o RLFSB, com medidas on line dos parâmetros ph, OD, temperatura e ORP, e análises em laboratório de amônia, nitrito e nitrato, DQO F, cujos resultados são apresentados nas Figuras 3 a 5. Para este ciclo a eficiência de remoção de amônia foi de 93% e as concentrações no final do ciclo para nitrito e nitrato se mantiveram em torno de 4,5 mg/l e 21 mg/l, respectivamente, valores próximos aos obtidos por KATSOGIANNIS et al. (22) em RSB convencional, com períodos de reação aeróbia variando entre 1 e 3 horas, para despejo sintético. Observa-se na Figura 3, que com 8 horas de reação aeróbia, os valores de amônia eram inferiores a 1 mg/l. 6 N-NH4 N-NO2 N-NO3 Concentração (mg/l) : 2:24 4:48 7:12 9:36 12: Figura 3. Concentrações de amônia, nitrito e nitrato no ciclo 33. Os resultados apresentados na Figura 4 mostram que a remoção da matéria orgânica em termos de DQO ocorreu no início da batelada. No RLFSB, a demanda química de oxigênio solúvel afluente é reduzida em parte, através do efeito diluição à medida que o esgoto é introduzido no reator. A eficiência de remoção da DQO foi de 78% no final deste ciclo. AURESENIA et al. (1999) também constataram remoção e estabilização da matéria carbonácea (Carbono Orgânico Total-COT) e da amônia (N-NH 4 + ) a partir das primeiras horas do ciclo em RLFSB, com despejo sintético. Esses autores verificaram que havia inibição do processo de nitrificação quando o carbono orgânico inicial era 1944

7 elevado (> 5 mg/l), as concentrações de amônia permaneciam constantes até que todo COT fosse consumido, ou ficasse estável em níveis baixos. DQO (mg/l) : 2:24 4:48 7:12 9:36 12: Figura 4. Perfil temporal da remoção carbonácea (DQO) ao longo do ciclo 33. Os resultados do monitoramento on line (Figura 5) mostram no inicio do ciclo, às 7: horas da manhã, temperatura de 25ºC, a qual foi aumentando durante a batelada, atingindo valores acima dos 35ºC no final do ciclo. A concentração de oxigênio dissolvido, que era baixa no enchimento, aumentou com a injeção de ar no reator, e ao longo do ciclo assumiu valores na faixa de 4,5 a 5,5 mg O 2 /L. Para HANAKI et al. (199), a taxa de crescimento das Nitrosomonas sp não é limitada em níveis de OD acima de 1, mg/l, mas na prática, é requerido um OD superior a 2, mg/l. O ph afluente registrado para este ciclo foi 6,75, valores considerados por METCALF & EDDY (1991) abaixo dos ideais para a nitrificação. O ORP assumiu valores negativos no início da batelada na faixa de -15 a -2 mv, chegando a valores positivos no final da batelada entre +15 e +2 mv. Temp., OD, ph T (ºC) OD (mg/l) ph ORP (mv) : :45 1:45 3:45 5:45 7:45 9:45 12: Figura 5. OD, ph, ORP e temperatura no ciclo 33. ORP A Figura 6 apresenta as eficiências de remoção de DQO e amônia para os ciclos efetuados com adição de bicarbonato. A eficiência de remoção de DQO nos primeiros ciclos foi maior do que nos ciclos finais, isto se deve ao fato de que, os ciclos finais foram realizados em épocas chuvosas, ocorrendo uma diluição da DQO afluente, e conseqüentemente, diminuindo a eficiência de remoção. Já a amônia manteve eficiência de remoção praticamente constante em todos os ciclos, em torno de 99%. 1945

8 Eficiência de remoção (%) Ciclos DQO N-NH4 Figura 6. Comportamento da eficiência de remoção de amônia e DQO para os ciclos com adição de bicarbonato de sódio.. Foram obtidos bons resultados relativamente a nitrificação, similares àqueles obtidos por CYBIS (1993) em estudos sobre nitrificação e desnitrificação de esgoto urbano em RSB em escala de bancada. As Figuras 7 a 9 mostram o perfil temporal para os parâmetros medidos on line: ph, temperatura, OD e ORP, e para aqueles analisados em laboratório: DQO F, amônia, nitrito e nitrato, durante o ciclo 18. Na Figura 7 observase que no ciclo 18 a amônia atinge valores aceitáveis pela Resolução2/86 CONAMA (< 5, mg/l) em 4 horas e trinta minutos, chegando a quase zero em 7 horas e trinta minutos, sendo removida em cerca de 99%. Neste ciclo, a concentração de nitrato foi superior a do nitrito em toda a batelada, em trono de 1 mg/l. 5 N-NH4 N-NO2 N-NO3 Concentração (mg/l) : 2:24 4:48 7:12 9:36 Figura 7. Perfil de amônia, nitrito e nitrato no ciclo 18. A Figura 8 mostra que a concentração de DQO t afluente no ciclo 18 foi 16 mg/l. A remoção de matéria orgânica atingiu eficiência de remoção de 8%, ocorrendo praticamente no início da batelada, assim como observado nos ciclos sem adição de bicarbonato. 1946

9 DQO (mg/l) : 2:24 4:48 7:12 9:36 12: Figura 8. Perfil temporal da remoção carbonácea (DQO) ao longo do ciclo 18. Os resultados do monitoramento on line apresentados na Figura 9 mostram que no inicio do ciclo (às 7: horas da manhã) a temperatura registrada estava em torno de 24ºC, aumentando durante a batelada, atingindo valores acima dos 32ºC. O ph afluente apresentou valores em torno de 7,, valores considerados abaixo dos ideais para a nitrificação. Com a adição do bicarbonato o ph aumentou no início da batelada até 7,9, formando um tampão, com a nitrificação o ph desceu até 7,5 permanecendo nesse valor até o final do ciclo, formando um curva descrita na literatura como vale da amônia (ANDREOTTOLA et al., 21), servindo como parâmetro de controle do processo. O oxigênio dissolvido inicialmente era baixo (1,8 mg/l), mas ao longo da batelada assumiu valores elevados na faixa de 5, a 5,5 mg/l, indicando que o oxigênio dissolvido não era um fator limitante para o bom desempenho da nitrificação. O ORP assumiu valores negativos no início da batelada na faixa de -1 a -15 mv, chegando a valores positivos no final da batelada entre +1 e +15 mv. Temp., OD, ph T (ºC) OD (mg/l) ph ORP (mv) : 1: 2:3 4: 6:3 9: ORP Figura 9. Perfis do ph, OD, temperatura e ORP no ciclo

10 4. CONCLUSÕES Os resultados do experimento mostraram que o reator revelou-se capaz de tratar cargas orgânicas aplicadas variando entre,37 e,5 Kg DQO F /m 3.d e entre,75 e,16 Kg N-NH 4 /m 3.d, apresentando remoção máxima de DQO e N-NH 4 de 89% e 99%, respectivamente. A adição do bicarbonato de sódio acelerou o processo de nitrificação biológica, oferecendo condições favoráveis para o mesmo. É possível tratar esgoto urbano em uma só unidade operacional, utilizando reator de leito fluidizado seqüencial em batelada (RLFSB), cujas condições ótimas de funcionamento, essenciais ao bom desempenho do processo, são: ph entre 7, e 8,; oxigênio dissolvido na faixa de 4, a 5, mg O 2 /L; e temperatura entre 27 e 32 C. 5. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS ANDREOTTOLA, G., FOLADORI, P., RAGAZZI, M. On-line control of SBR system for nitrogen removal from industrial watewater. Water Science & Technology, vol. 43, n.3, p. 93-1, 21. ARTAN,N., WILDERER, P., ORHON, D., MORGEROTH E., ÖZGÜR N. The Mechanism and Design of Sequencing Batch Reactor Systems for Nutrient Removal - The State of the Art. Water Science and Technology, vol. 43, n 3, p 53-6, 21. AURESENIA, J., HIBIYA, K., TSUNEDA, S. and HIRATA, A. Kinetic equation for simultaneous oxidation of total organic carbon and ammonium-nitrogen in three-phase fluidized bed biofilm reactor. In: IAWQ/IWA - Conference on Biofilm Systems, New York BARBOSA, S.R. Tratamento de efluentes em reator de leito fluidizado seqüencial em batelada. Dissertação de Mestrado, UFSC, Florianópolis, SC, 165p, 24. CYBIS, L.F. An innovative Aproach to the Control of Sequencing Batch Reactors Used for Nitrification and Dinitrification. Tese de Ph.D. University of Leeds, Leeds, Inglaterra, 24 p, HANAKI, K., C. WANTAWIN, AND S. OHGAKI. Nitrification at low levels of dissolved oxygem with and without organic loading in a suspended-growth reactor. Water Research, n. 24 p.297, 199. HEIN de CAMPOS, R. Utilização de reator de leito fluidizado trifásico aeróbio em sistema de tratamento combinado de águas residuárias. Dissertação de Mestrado, UFSC, Florianópolis, SC, 117p, 21. KATSOGIANNIS, A. N., KORNAROS, M., LYBERATOS, G. Long-term effect of total cycle time and aerobic/anoxic phase ratio on nitrogen removal in a sequencing batch reactor. Water Environment Research, vol.74 (4) p , 22. LAZAROVA, V. & MANEM, J. Biofilm Characterization and Activity Analysis in Water and Wastewater Treatment. Water Reserch, vol 29 (1) p ; LEE, S.I., PARK, J.H., KO, K.B. & KOOPMAN, B. Effect of Fermented Swine Waste on Biological Nutrient Removal in Sequencing Batch Reactors. Water Research, vol.31, n.7, p ,

11 MARTINS, C.L. Comportamento de reator de leito fluidizado trifásico aeróbio utilizando diferentes materiais suporte. Dissertação de Mestrado, UFSC, Florianópolis, SC, 153p, 23. METCALF & EDDY. Wastewaste Engineering: treatment, disposal and reuse. Mc Graw Hill, 3ª ed., MORGENROTH, E. & WILDERER, P.A. Sequencing Batch Reactor Technology: Concepts, Design and Experiences. Journal of the Chartered Institution of Water and Environmental Management, vol.12, n.5, p , ORHON, D., SEKOULOV, I. and DULKADIROGIU, H. Innovative technologies for wateswater treatment in coastal tourist areas. Water Science & Technology, vol. 46, n.8, p , 22. SHEKER, R.E., ARIS, R.M. & SHIEH, W.K. The Effects of Fill Strategies on SBR Performance Under Nitrogen Deficiency and Rich Conditions. Water Science & Technology, vol.28, n.1, p , Standard Methods for the Examination of Water and Wastewater. 2 th Edn., American Public Health Association/American Water Works Association/Water Environment Federation, Washington, DC, USA, Van LOOSDRECHT, M.C.M. & JETTEN, M.S.M. Microbiological Conversions in Nitrogen Removal. Water Science and technology, vol.38, n.1, p 1-7, ABSTRACT This work evaluates the performance of a sequencing batch fluidized bed reactor (SBFBR), in pilot scale, for the treatment of urban wastewater, with the objective of investigate the biological removal of COD and nitrogen, using the PVC as support material, with density of 1329 Kg/m 3 and average diameter of 4,2 mm. The reactor was constituted by a cylindrical column in transparent acrylic of 2 cm of height and 9 cm of intern diameter, with a volume of 12 L, operated in cycles of 12 hours, carrying through the following phases: fill, aerobic reaction and draw. It was added in some cycles about 7,14 mg NaHCO3/mg N-NH4 oxidated, so that the nitrificação process was not limited by the alkalinity. The following parameters were monitored: COD, ammonium, nitrite, nitrate, ph, temperature, ORP, DO, among others. The results showed that, the RLFSB can reach efficiency of removal of COD of 89% and efficiency of nitrogen removal of 99%, when correctly operated, producing an effluent one of excellent quality, with COD and ammonium concentrations lower then 6 mg/l and 5 mg/l, respectively, being in according with the standards of discharge in receiving bodies. KEY-WORDS: Biofilm, nitrification, sequencing batch fluidized bed reactor, urban wastewater. 1949