TRATAMENTO ANAERÓBIO DE ESGOTOS SANITÁRIOS, UTILIZANDO UM REATOR ANAERÓBIO COM CHICANAS

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1 TRATAMENTO ANAERÓBIO DE ESGOTOS SANITÁRIOS, UTILIZANDO UM REATOR ANAERÓBIO COM CHICANAS Abdul Nour Edson Aparecido 1 *, Semensato Povinelli Cláudia 2, Povinelli Jurandyr 2, Campos José Roberto 2 1 Faculdade de Engenharia Civil - UNICAMP, Caixa Postal: 621, CEP: , Campinas, São Paulo, Brasil, FAX: , ednour@fec.unicamp.br 2 Escola de Engenharia de São Carlos - USP RESUMO O reator anaeróbio com chicanas (Anaerobic Baffled Reactor - ABR ) em estudo, com volume aproximado de 11 m 3, possuía 3 câmaras de volumes iguais com presença de manta de lodo junto ao fundo de cada câmara, além de uma 4ª câmara com um filtro para retenção de sólidos arrastados. O reator era alimentado com esgoto sanitário proveniente de uma rede coletora pública, que apresentava valores para DQO (Demanda Química de Oxigênio) entre 215 e 78 mg O 2 /L, e para DBO (Demanda Bioquímica de Oxigênio) entre 94 a 373 mg O 2 /L. A partida do reator foi efetuada sem a adição de qualquer tipo de inóculo. O sistema foi monitorado durante 667 dias, com Tempo de Detenção Hidráulico (TDH) de 12 horas (1 a Fase) 8 horas (2 a Fase) e 12 horas (3 a Fase). Os valores de ph ao longo de todas as câmaras e filtro, variou entre 6,2 e 7,1, com aumento nos valores de alcalinidade ao longo do reator. Os valores de percentagens de Remoção de DBO nas 3 fases, 37,3 a 8,6 ; 26,1 a 81,7 ; 55,7 a 86,3 respectivamente, mostraram que a operação do sistema com TDH de 8 horas provocou uma instabilidade grande no sistema. Comportamento semelhante ao da DBO, ocorreu para a DQO total, cujos valores de percentagens de remoção nas 3 Fases foram 33,9 a 64,7; 24,5 a 75,9 ; 41,2 a 73,7, respectivamente. A ausência de inóculo não prejudicou a partida e o desempenho do ABR. O TDH ótimo de operação foi de 12h, onde o sistema apresentou grande estabilidade a variações de carga orgânica. Palabras claves: reator anaeróbio com chicanas, esgoto sanitário, tratamento anaeróbio, partida, inóculo INTRODUÇÃO O reator anaeróbio com chicanas (ABR), aparece como uma importante opção no tratamento de efluentes líquidos de origem doméstica. Este reator é constituído de diversas câmaras (compartimentos) onde o esgoto atravessa diversas vezes regiões de densa população microbiana (manta de lodo), sempre no sentido ascendente, possibilitando uma maior atuação dos microrganismos que degradam a matéria orgânica presente. O ABR apresenta como uma vantagem importante quanto ao aspecto construtivo, a ausência de coletores de gases e anteparos que promovem a separação de fases (gás, líquido e grânulos/flocos), além da simplicidade do reator quanto a sua construção e operação, sem a necessidade da presença de partes móveis para o funcionamento do sistema (BACHMANN et alii, 1982). Como a produção de gases é relativamente baixa no tratamento de esgoto sanitário (Van HAANDEL e LETTINGA, 1994) a presença destes dispositivos de coleta, de construção dispendiosa, é desnecessária. BACHMANN et alii (1982 e 1985) definiram o ABR como sendo uma sucessão de reatores do tipo UASB (Up Flow Anaerobic Sludge Blanket), onde cada câmara apresenta mistura completa. O principal objetivo para tornar um reator eficiente deve ser a obtenção de alto tempo de retenção celular paralelamente a ocorrência de uma boa mistura em seu interior, de maneira a assegurar uma alta taxa de contato entre célula e substrato (GROBICKI e STUCKEY, 1991). O ABR apresenta estas duas características desejadas, devido a sua concepção. SPEECE (1983), em um trabalho de revisão bibliográfica sobre os conceitos da digestão anaeróbia e dos tipos de reatores existentes, apresentou uma citação pessoal de McCARTHY (1982), onde a presença das chicanas no ABR, favorecem o aparecimento de diferentes estágios

2 no processo (separação das fases: acidogênica e metanogênica), o aumento do tempo de retenção celular e custo nulo no uso de material de enchimento ou suporte para o biofilme. POVINELLI (1994) e POVINELLI et alii (1994), realizaram estudos preliminares com um dos primeiros ABR construídos em escala piloto para pesquisas, com volume de 11 m 3, o mesmo ABR utilizado neste trabalho. Os principais resultados obtidos foram: (a) mesmo sem inóculo, a eficiência de remoção de DBO e SSV atingiu valores de 7 % e 5 % respectivamente, valores considerados bons para reatores que tratam esgoto sanitário; (b) no último mês de operação, as concentrações de DBO e SSV no efluente tratado, atingiram valores de 8 e 6 mg.l -1 ; (c) mesmo com uma pequena manta de lodo formada, o TDH de 12 horas mostrou ser um valor viável para a operação do reator; (d) os valores de ph dentro das várias câmaras permaneceu próximo do neutro; (e) o reator apresentou no estudo de sua hidrodinâmica, espaços mortos, recirculação interna, e fluxo tendendo a escoamento pistonado quanto maior o TDH. Os autores indicaram também a necessidade de uma investigação mais detalhada dos aspectos quantitativos da hidrodinâmica do ABR em escala piloto. Os estudos sobre o ABR em escala de laboratório são, até o momento, raros (BACHMANN, et alii 1982 e 1985; BOOPHATHY et alii, 1988, XIUSHAN et alii, 1988, BOOPHATHY e TILCHE, 1991, 1992; GROBICKI e STUCKEY, 1988, 1989, 1991 e 1992), e mínimos, em escala piloto, (OROZCO, 1988), pouca informação se encontra disponível. O presente trabalho é o primeiro dentre os trabalhos publicados até o momento com reator possuindo volume de 11 m 3. OBJETIVO O presente trabalho tem como objetivo o estudo do desempenho do ABR em escala piloto, utilizando como substrato esgoto sanitário proveniente de rede coletora pública, sem adição de inóculo nas etapas de partida e operação, de maneira a contribuir para um maior conhecimento deste reator frente a situações reais, não obtidas facilmente em nível de bancada. METODOLOGIA O sistema de tratamento que foi alvo de estudo era constituído de uma caixa regularizadora de vazão (15 litros), vertedor triangular com 15 o de abertura (medição de vazão), e o reator anaeróbio de chicanas, que apresentava volume aproximado de 11 m 3 e possuía 4 câmaras, 3 com volumes iguais à 3,4 m 3 e uma com volume de,6 m 3, dentro da qual existia um filtro de pedregulho utilizado para retenção de sólidos arrastados (Figura 1). As câmaras eram interligadas por tubulações, em PVC e diâmetro de 7,5 cm, que distribuíam o efluente de uma câmara a outra, de maneira que o líquido a ser tratado apresentasse movimentos descendentes e ascendentes, atravessando regiões de elevada concentração de microrganismos ativos, que se formavam junto ao fundo de cada câmara (manta de lodo). O ABR foi construído em alvenaria revestida com argamassa de cimento e areia (,25 metros de espessura de parede), e está instalado na planta experimental do Departamento de Hidráulica e Saneamento da EESC-USP, São Carlos/São Paulo, Brasil. O sistema era alimentado com esgoto sanitário proveniente de uma rede coletora pública, cujas características do afluente ao ABR são apresentadas no Quadro 1. Os parâmetros estudados foram obtidos através de análises físicas e químicas descritas no Standard Methods for Examination of Water and Wastewater (APHA, 1989), e por outros métodos padronizados que se mostraram adequados. A frequência de coleta dos efluentes líquidos foram semanais e de forma composta. A duração de cada coleta composta foi equivalente ao Tempo de Detenção Hidráulico (TDH) de operação do ABR, ou seja, durante 8 ou 12 horas. Foram coletadas amostras, de maneira ocasional, a várias alturas nas câmaras 1, 2 e 3, para verificação do perfil da manta de lodo presente. Os diferentes pontos de coleta de amostras são descritos no Quadro 2.

3 FIGURA 1: Sistema de tratamento contendo o ABR (dimensões em metros) QUADRO 1: Características do afluente ao ABR Parâmetro Intervalo de Variação Temperatura ( o C) 2,5 a 3, ph 6,3 a 7, Alcalinidade (mg CaCO 3.L -1 ) 68 a 158 Ácidos Voláteis (mg Ácido Acético.L -1 ) 12,2 a 72,2 DQO total (mg O 2.L -1 ) 215 a 78 DQO filtrada (mg O 2.L -1 ) 94 a 264 DBO total (mg O 2.L -1 ) 94 a 373 Sólidos Sedimentáveis (ml.l -1 ),1 a 7, Sólidos Totais (mg.l -1 ) 222,7 a 1.335,8 Sólidos Suspensos Totais (mg.l -1 ) 81,2 a 432,5 Sólidos Suspensos Voláteis (mg.l -1 ) 67,1 a 391,7 Nitrogênio Amoniacal (mg NH 3 -N.L -1 ) 1,1 a 3, Nitrogênio Total Kjeldhal (mg NH 3 -N.L -1 ) 16,5 a 59,8 Fósforo Total (mg PO P.L -1 ) 1,4 a 25,8 QUADRO 2: Pontos de amostragem no ABR Ponto de Coleta Característica da Amostra Após o vertedor triangular afluente ao sistema Altura do fundo :,1 m efluente líquido e lodo (para as 3 câmaras),2 m efluente líquido e lodo,3 m efluente líquido e lodo 1, m efluente líquido 1,9 m (saída da câmara) efluente líquido tratado pela câmara

4 Saída do reator efluente líquido tratado pelo filtro e pelo reator As freqüências das análises e os diversos parâmetros monitorados durante o estudo foram: - Freqüência semanal (efluentes líquidos): temperatura, ph, alcalinidade, ácidos voláteis, DQO (demanda química de oxigênio) total e dissolvida, DBO (demanda bioquímica de oxigênio) total, série de sólidos. - Freqüência quinzenal (efluentes líquidos): fósforo total, nitrogênio total kjeldhal, e nitrogênio amoniacal. - Eventualmente: série de sólidos (para os lodos) ao longo da altura de cada câmara. O ABR foi operado durante 667 dias, em 3 fases que se diferenciaram pela utilização de vários TDH: 1ª Fase com TDH de 12 horas (296 dias) etapa que inclui o tempo necessário a partida do reator, 2ª Fase com TDH de 8 horas (273 dias) e a 3ª Fase com TDH de 12 horas (98 dias). O ABR foi estudado de 15/6/1993 a 26/4/1995, abrangendo um período de quase 2 anos, de forma a verificar a influência das variações sazonais das características do esgoto doméstico no desempenho do ABR. RESULTADOS E DISCUSSÃO O material utilizado na construção do ABR (alvenaria) mostrou-se adequado em produzir pouca variação da temperatura interna, 2,5 a 29, o C, frente a uma variação maior da temperatura externa do ar, 15, a 38,5 o C. Durante todo o tempo de duração deste trabalho, o ABR apresentou pouca variação nos valores de ph para todas as 3 Fases, 6,2 a 7, considerando a saídas de todas as 4 câmaras, e 6,8 a 7, quando somente na saída do Filtro (saída do ABR). O efluente ao percorrer as várias câmaras do ABR, apresentava um aumento no valores da alcalinidade total, sendo que o maior aumento ocorreu no efluente que sai da 1ª câmara, 17 ± 22 para 127 ± 34 na Fase 1, 19 ± 14 para 127 ± 19 na Fase 2, 115 ± 12 para 144 ± 22 na Fase 3, (valor médio ± desvio padrão).. Em todas as fases o efluente que saia do filtro, ou seja do ABR, apresentava valores médios maiores de alcalinidade do aqueles apresentados pelo afluente ao sistema: 17 ± 22 para 13 ± 34 na Fase 1, 19 ± 14 para 151 ± 29 na Fase 2, 115 ± 12 para 167 ± 32 na Fase 3. Quando da análise dos resultados dos valores de Ácidos Voláteis Totais, foi observado que o aumento da sua concentração no efluente que sai da 1ª câmara (26,4 ± 11,1 para 26,8 ± 1, na Fase 1, 39,6 ± 11,3 para 42,3 ± 13,4 na Fase 2, 31,4 ± 11,1 para 27,3 ± 9,7 na Fase 3) indicou um aumento da produção de ácidos orgânicos pelo aumento do metabolismos das bactérias acidogênicas e acetogênicas apresentando-se como um possível colaborador no aumento da concentração da alcalinidade total deste mesmo efluente, principalmente na 2ª Fase; por outro lado na segunda e terceiras câmaras ocorreu um decréscimo na concentração de ácidos voláteis totais e um aumento nos valores da alcalinidade total (24,5 ± 7,6 na Fase 1, 42,3 ± 13,4 na Fase 2, 27,3 ± 9,7 na Fase 3), indicando um aumento no metabolismo destes ácidos e na concentração de compostos que neutralizariam ácidos. Quanto a remoção de matéria orgânica, a Figura 2 apresenta remoções de DQO total de 33,9 a 64,7 %, 24,5 a 75,9 %, e 41,2 a 73,7m %, respectivamente nas Fases 1,2 e 3 para o efluente que sai do ABR (saída do filtro). A Figura 3 apresenta o comportamento do ABR frente a remoção de matéria orgânica biodegradável através dos valores de porcentagem de remoção de DBO nas saídas das quatro câmaras, indicando um bom desempenho do reator. As Fases 1, 2 e 3 apresentaram respectivamente os valores (na saída do reator) de 37,3 a 8,6 %, 26,1 a 81,7 % e 55,7 a 86,3 %. Os resultados de remoção de DQO e DBO foram muito semelhantes aos encontrados por OROZCO (1988). Em ambas as Figuras, verificou-se uma diminuição no desempenho do ABR na Fase 2 (TDH de 8 horas). Uma análise conjunta das Figuras 2, 3 e 4 indica a presença de compostos orgânicos recalcitrantes ao tratamento, provavelmente compostos surfactantes (detergentes e sabões), que poderiam ser metabolizados com o aumento do TDH. A presença de espumas de cor branca no efluente que saia do reator é uma indicação da presença destes compostos.

5 A eficiência de remoção de Sólidos Sedimentáveis foi muito boa, onde os valores médios da quantidade presente no efluente tratado pelo ABR foram para as Fases 1 e 3 menores que,1 ml.l -1, e,2 ml.l -1 para a 2ª Fase. Quanto a remoção de Sólidos Totais, o reator apresentou pouca eficiência: 32,2 ± 16,7 na Fase 1, 16,9 ± 15,6 na Fase 2 e 28,7 ± 19,9 na Fase 3; já para os Sólidos Suspensos Totais a eficiência foi maior (66,6 ± 14,2 na Fase 1, 51,1 ± 18,5 na Fase 2 e 67,5 ± 1, na Fase 3). Estes resultados indicaram que os sólidos dissolvidos presentes foram àqueles que sofreram menor remoção. % de Remoção de DQO a Fase 2 a Fase 3 a Fase Câmara 1 Câmara 2 % de Remoção de DQO 1 1 a Fase 2 a Fase 3 a Fase Câmara 3 Filtro FIGURA 2: Porcentagem de remoção de DQO Total na saída de cada câmara e do filtro % de Remoção de DBO a Fase 2 a Fase 3 a Fase % de Remoção de DBO a Fase 2 a Fase 3 a Fase Câmara 1 Câmara 2 Câmara 3 Filtro FIGURA 3: Porcentagem de remoção de DBO Total na saída de cada câmara e do filtro % de Remoção de DQO Filtrada % de Remoção de DQO Filtrada Câmara 1 Câmara 2 Câmara 3 Filtro FIGURA 4: Porcentagem de remoção de DQO Filtrada na saída de cada câmara e do filtro

6 O desempenho do reator quanto a remoção de SSV (sólidos suspensos voláteis), Figura 5, apresentou comportamento semelhante ao da DQO e DBO, exceto pela 2ª Fase onde ocorreu uma menor estabilidade e eficiência, indicando que um TDH de 8 horas é desaconselhável. Uma característica importante a ser observada é o retorno rápido (em torno de 7 dias) do reator ao seu melhor desempenho operacional quando da mudança do TDH de 8 para 12 horas (passagem da 2ª para a 3ª Fases) a Fase 2 a Fase 3 a Fase a Fase 2 a Fase 3 a Fase % de Remoção de S S V % de Remoção de S S V Câmara 1 Câmara 2 Câmara 3 Filtro FIGURA 5: Porcentagem de remoção de SSV na saída de cada câmara e do filtro As remoções de nutrientes foram muito baixas ou quase nulas em todas as três Fases. Para o Fósforo Total, a eficiência média de remoção atingiu valores muito pequenos: 7,3, 2,8 e 12,3 % (respectivamente para as Fases 1, 2 e 3), valores menores que os 28 % encontrados por BACHMANN et alii (1985). A concentração de Nitrogênio Amoniacal nos efluentes da saída do ABR aumentou em relação a do afluente que entra no reator; já as concentrações de Nitrogênio Total Kjeldhal nos efluentes tratados em todas as Fases pelo reator apresentaram resultados semelhantes à concentrações nos afluentes ao ABR. A Figura 6 apresenta importantes resultados quanto a Taxa de Carregamento Orgânico (TCO) para o ABR. A TCO para todo o reator variou em torno de 1, kg DQO.m -3.dia -1 nas Fases 1 e 3 e entre 1, e 2, kg DQO.m -3.dia -1 na 2ª Fase, faixa esta que tornou instável o desempenho do ABR. Quando se observa a TCO que cada câmara recebe, verifica-se que mesmo recebendo altas cargas orgânicas, apresentaram um bom desempenho (Figuras 2 a 5), demonstrando que a configuração do ABR promove um aumento na estabilidade do processo anaeróbio presente. Esta característica foi também verificada por BACHMANN et alii (1985). 8 7 Fase 1 Fase 2 Fase Fase 1 Fase 2 Fase 3 T C O (kg DQO.m -3.dia -1 ) T C O (kg DQO.m -3.dia -1 ) Reator Câmara 1 Câmara 2 Câmara 3 FIGURA 6: Valores da Taxa de Carregamento Orgânico (TCO) para o Reator ABR e para as 3 câmaras Os resultados contidos na Figura 7 mostram a formação das mantas de lodo nas 3 câmaras, aproximadamente 1 dias após o início da operação do ABR, onde não foi adicionado qualquer tipo de

7 inóculo. Verifica-se que a manta se concentrou nos primeiros 3 centímetros do fundo de cada câmara (contendo flocos e grânulos com diâmetros ao redor de,5 a 1, mm), resultado muito próximo dos 4 centímetros encontrados por XIUSHAN et alli (1988) e BOOPATHY e TILCHE (1991 e 1993), porém nestes trabalhos houve a utilização de inóculo durante a etapa de partida do ABR. 35 CÂMARA 1 35 CÂMARA 2 35 CÂMARA S S T (mg.l -1 ) S S T (mg.l -1 ) S S T (mg.l-1) , 675 FIGURA 7: Perfil de distribuição de Sólidos Suspensos Totais (SST) ao longo das câmaras:,1,2,3 1, 1,9 Com base no tempo necessário à formação das mantas de lodo nas 3 câmaras (Figura 7) e a ocorrência de pequenas amplitudes de variações na eficiência de remoção de matéria orgânica e sólidos suspensos (Figuras 2, 3 e 5), pode-se afirmar que a partida do ABR se completou, certamente ao redor de 2 dias de operação para este estudo. O fato é sustentado tanto pela definição de ABR feita por BACHMANN et alii (1982 e 1985), quanto pela a definição de partida de reatores UASB descrita por De ZEEUW (1984). CONCLUSÕES O material utilizado na construção do ABR (alvenaria) mostrou-se adequado na manutenção da temperatura interna dentro de uma faixa de valores adequados ao processo anaeróbio de degradação. O ABR apresentou pouca variação nos valores de ph para todas as 3 Fases de operação, independente das características apresentadas pelo afluente proveniente da rede pública, indicando uma boa estabilidade do processo. Este resultado pode ser confirmado pelo aumento da alcalinidade e pela diminuição da concentração de ácidos totais voláteis no efluente tratado ao longo de todas as câmaras. As melhores remoções de DQO, DBO e SSV foram obtidas para o TDH de 12 horas, por outro lado quando o ABR operou com TDH de 8 horas, seu desempenho mostrou grande instabilidade. Ao promover o retorno do TDH para 12 horas, o reator apresentou o mesmo desempenho apresentado na 1ª Fase. As remoções de Fósforo Total, Nitrogênio Amoniacal e Nitrogênio Total Kjeldhal foram muito baixas ou quase nulas. A partida do ABR sem adição de qualquer tipo de inóculo, operando desde o início com o TDH 12 horas, aconteceu ao redor de 2 dias. Após este período o reator apresentou semelhantes características operacionais aos reatores ABR que tiveram adição de inóculos das mais diferentes procedências. As mantas de lodo nas 3 câmaras concentraram-se nos primeiros 3 centímetros do fundo de cada câmara, apresentando flocos e grânulos. Finalmente o ABR mostrou-se adequado ao tratamento de efluentes de baixa concentração orgânica, com baixo custo de operação, manutenção e construção, sendo portanto uma alternativa importante ao tratamento de efluentes de origem doméstica.

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