CELSO SHUNJI YAMAKAWA Engenheiro de Alimentos

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1 ADIÇÃO DE FONTE DE CARBONO NO INÍCIO DA FASE ANÓXICA NA REMOÇÃO DE MACRONUTRIENTES E POR LODO ATIVADO USANDO RBS NO TRATAMENTO DE ÁGUA RESIDUÁRIA AVÍCOLA MAURO DE PAULA MOREIRA Engenheiro Químico, Doutor em Engenharia de Alimentos na área de Tratamento de Efluentes Líquidos Professor de Saneamento Básico e Fenômenos de Transporte CELSO SHUNJI YAMAKAWA Engenheiro de Alimentos RANULFO MONTE ALEGRE Engenheiro de Alimentos, Doutor em Engenharia de Alimentos Professor da Faculdade de Engenharia de Alimentos da UNICAMP RESUMO Várias estratégias de operação foram utilizadas no processo de lodo ativado por Reator de Batelada Sequencial (RBS) com o fim de promover a remoção de matéria carbonácea e nutrientes de águas residuárias de abatedouro avícola. O reator partia com volume de ml de suspensão de lodo decantado ou ml de suspensão de lodo e ml de água residuária bruta, sendo alimentado até que o volume final completasse 4 litros. A estratégia de operação que permitiu obter os melhores resultados foi: volume inicial de suspensão de lodo ml, período de enchimento com aeração 4 h, reação aerada 7, h e sedimentação 1 h. A concentração de oxigênio dissolvido oscilou entre 2 e mg/l e as remoções de, amônia, nitrito, nitrato e fósforo foram de 81, 83, 4, 72 e 86%, respectivamente, a o C. ABSTRACT Several strategies of sequencing batch reactor operation were utilised to promote carbonaceous material and nutrients removal from poultry wastewater by activated sludge. The reactor started with ml of sludge suspension or ml of sludge suspension plus ml of raw wastewater, being fed up to 4 litres. The operation strategy that led to the best results was: initial volume of sludge suspension ml, aerated feeding 4 h, aerated reaction 7. h and sludge settling 1 h. The dissolved oxygen concentration stayed between 2 and mg/l and the COD, ammonia, nitrite, nitrate and phosphorus removal reached were 81, 83, 4, 72 and 86%, respectively, at o C. PALAVRAS-CHAVE: Reator Batelada Sequencial (RBS), Nitrificação e Desnitrificação, Remoção de Fósforo, Tratamento Biológico, Acetato de Sódio. INTRODUÇÃO O tratamento de águas residuárias em reator batelada sequencial tem despertado interesse recentemente, dada a redução de custos que este sistema oferece em relação aos processos contínuos e, várias estratégias de operação têm sido propostas como forma de tratamento de águas residuárias, com o fim de obter remoção de matéria carbonácea e os nutrientes fósforo e nitrogênio, este nas suas várias formas, em um único ciclo de operação (SHEKER et al., 1993; MORGENROTH & WILDERER, 1998; Van LOOSDRECHT & JETTEN, 1998; LEE et al., 1997). A preocupação com a remoção de nutrientes tem crescido nos últimos anos, pois estes além de desencadear o processo de eutrofização, podem causar problemas de toxidez, sendo que os processos biológicos por lodos ativados apresentam boa eficiência de remoção destes nutrientes (FERRAZ et al., 1994). Segundo PEAVY e colaboradores (198) a nitrificação pode ocorrer concomitante com a remoção de matéria carbonácea, mas parâmetros operacionais como concentração de oxigênio dissolvido, período de aeração e idade de lodo, bem como temperatura, ph e a razão carbono/nitrogênio afetam o processo de nitrificação. Enquanto a taxa máxima de KEYWORDS: Sequencing Batch Reactor (SBR), Nitrification and Denitrification, Phosphorus Removal, Biological Treatment, Acetate Sodium. nitrificação ocorre a 2 o C na faixa de ph entre 8, e 8,8, a desnitrificação ocorre com maior velocidade em ph entre 6, e 7,, com atuação de vários gêneros de bactérias, incluindo a Pseudomonas, Micrococcus, Achromobacter e Bacillus (CULP et al., 1978). Por estas razões, encontrar a estratégia de operação do reator batelada sequencial, de forma a reduzir a concentração de material carbonáceo e nutrientes de águas residuárias até limites desejáveis para descarte, não é tarefa simples, sendo recomendado realizar ensaios práticos, pois como foi observado no presente trabalho. Além das variáveis listadas que interferem no processo, a qualidade dos 16 engenharia sanitária e ambiental Vol. 7 - Nº 1 - jan/mar 22 e Nº 2 - abr/jun 22

2 ADIÇÃO DE FONTE DE CARBONO NO INÍCIO DA FASE ANÓXICA NA REMOÇÃO DE MACRONUTRIENTES E POR LODO ATIVADO USANDO NO TRA RATAMENTO AMENTO DE ÁGU GUA RESIDUÁRIA AVÍCOLA RBS NO materiais dissolvidos na água, bem como as características do lodo biológico, são fatores importantes que devem ser considerados ao se projetar estes reatores. MATERIAL E MÉTODOS Água residuária e biomassa Amostras de água residuária foram coletadas no abatedouro de aves Pena Branca, localizado em Jaguariúna / SP, sempre no mesmo local e horário. O lodo foi coletado na corrente de reciclo da planta de tratamento de efluentes do abatedouro avícola. Reator Batelada Sequencial (RBS) O reator utilizado foi construído em tubos de vidro, com fundo cônico, encamisado, dotado de pedras porosas no fundo para promover aeração, com 7L de volume total, sendo 4L de volume de trabalho. Métodos analíticos As amostras foram filtradas em papel filtro e realizadas análises de amônia, nitrito, nitrato,, alcalinidade, fósforo e sólidos suspensos. Todas as análises seguiram os procedimentos descritos no Standard Methods (APHA, AWWA, WPCF, 199). RESULTADOS E DISCUSSÃO A água residuária usada nos experimentos foi caracterizada para determinar sua composição. A Tabela 1 apresenta valores dos parâmetros médios medidos durante um mês, de cinco amostras coletadas entre 9:3 e 1:h, onde se observa a relação :N:P de 1:,3:2,1, cabendo ressaltar que o abatedouro avícola não faz adição de nutrientes, obtendo contudo, excelente remoção de. Tabela 1 - Caracterização da água residuária de abatedouro avícola. Operação do reator O RBS foi operado de acordo com as seguintes etapas: 1) alimentação - o RBS partia com volume inicial de, ou 2L, que era composto de lodo compactado ou mistura de lodo e água residuária, e chegava a um volume final (4L). Nesta fase, o reator era aerado, com a finalidade de promover a degradação do material poluente e dar condições para ocorrer os processos de nitrificação e posterior desnitrificação. O período de alimentação era de 4 horas, após a qual o fator diluição não mais existe e as variações nas concentrações passam a ser exclusivamente devidas às reações microbiológicas; 2) reação - após atingir o volume final, o reator era aerado e/ou agitado por tempo variável, com a finalidade de promover a redução da, do nitrogênio e do fósforo. Na reação aeróbia, o objetivo era a remoção da, nitrificação e retirada de fósforo (oxigênio dissolvido ³ 2 mg/ L). Na reação anóxica, o objetivo era alcançar a desnitrificação (oxigênio dissolvido próximo de zero); 3) sedimentação; 4) descarga e ) repouso (ajuste de ciclos). Um eletrodo foi instalado no reator para medir oxigênio dissolvido e temperatura. Parâmetros Concentração (mg/l) 1774±19 N inorgânico 8,6±2, N orgânico 8,4±6, NTK 94,±4,7 Fósforo 37,±2,3 Óleos e graxas 266±12 Alcalinidade total 944±12 Cloretos 2±8 Sólidos Totais 2133±62 Sólidos Suspensos 882±6 Sólidos Dissolvidos 11±6 Temperatura=23,7±1.1; ph=6,93±,12 Neste trabalho foram estudadas três condições diferentes para conseguir os processos de nitrificação e desnitrificação. Observaram-se dois fenômenos que influenciaram as concentrações no interior do reator na fase de alimentação. O primeiro foi devido à própria reação microbiana que ocorreu neste período, e o segundo foi devido à diluição. O experimento 1 foi realizado a o C, a alimentação foi de 1,1L/h e o reator partiu com um volume inicial de ml de lodo misturado. O ciclo completo foi de 12,h, dividido nas seguintes etapas: 4h de alimentação aerada, 7,h de reação aerada e 1h de sedimentação. O oxigênio dissolvido foi controlado entre 2 e mg/l e o ph foi somente monitorado. A Figura 1 mostra que houve diminuição da concentração de amônia na fase de alimentação devido ao efeito de diluição pela alimentação (vazão de,87 L/ h), porém durante esta fase houve produção de amônia, uma vez que se ocorresse apenas diluição, a concentração de amônia no tempo de 3,7 h, ponto de mínimo da curva na fase de alimentação, deveria ser cerca de 4,63 mg/l e não 14 mg/l, como mostra a Figura. No mesmo intervalo de tempo ocorreu nitrificação, pois o mesmo cálculo de diluição da concentração de nitrito entre o início da alimentação e o tempo de 3,7 h mostra que a concentração de nitrito deveria ser reduzida de 191 mg/l a aproximadamente,26 mg/l, porém como a concentração de nitrito era cerca de mg/ L, concluiu-se que ocorreu nitrificação. A curva de concentração de nitrato apre- Vol. 7 - Nº 1 - jan/mar 22 e Nº 2 - abr/jun 22 engenharia sanitária e ambiental 17

3 , C, R MAURO DE PAULA MOREIRA OREIRA,, CELSO SHUNJI YAMAKA AMAKAWA,, RANULFO MONTE ALEGRE Alimentação aerada Reação aerada Sed AMONIA Figura 1 - Variação da concentração de amônia, nitrito e nitrato durante o experimento 1 Condição inicial: ml de lodo. (mg/l) Alimentação aerada Reação aerada Sed senta queda suave durante a fase de alimentação do reator, indicando que, de forma similar, houve produção e acúmulo de nitrato durante esta fase, contudo, durante a fase de reação aerada seus valores oscilaram ao redor de um valor médio de concentração, fato também observado na curva de concentração de nitrito que oscilou ao redor de valor médio de concentração. Como no início do período de reação aerada a concentração de amônia aumentou (Figura 1), pode-se concluir que durante este período não ocorreu nitrificação, e desnitrificação ou estas reações ocorreram de forma lenta, ocorrendo amonificação. A partir do tempo de 6,7 h, observa-se que a concentração de amônia diminui, enquanto que a concentração de nitrito apresenta pequeno aumento, indicando que ocorreu nitrificação, porém o fato da concentração de nitrato oscilar ao redor do valor médio indica que ocorreu desnitrificação, o que corrobora com as observações de HWANG & HANAKI (2). MANCINELLI et al. (1999) também apresentam resultados de desnitrificação em presença de oxigênio dissolvido. A Figura 2 mostra que a concentração de teve um pequeno aumento na fase de alimentação do reator, e pequena diminuição na fase de reação aerada, enquanto que a curva de concentração de fósforo apresentou taxa constante de consumo até o final da fase de reação aerada, seguido de pequena taxa de consumo de alcalinidade, comprovando as observações de CULP et al. (1978), isto é, a remoção de fósforo também pode ter implicado no consumo de alcalinidade. Os resultados alcançados até o final da fase de reação aerada não são bons, porém na fase de sedimentação do lodo FOSFORO Figura 2 - Variação da concentração de, alcalinidade e fósforo durante o experimento 1 Condição inicial: ml de lodo. observa-se que ocorreu queda brusca de todas substâncias analisadas, o que pode ser observado no trabalho de LEE et al. (1997), porém ainda não se conhece explicação para tal fato, que é uma constante em todos os experimentos realizados, inclusive vários experimentos não reportados no presente trabalho. Uma possível explicação para este fato é que o lodo adquiriu, ao logo do experimento, características de lodos utilizados em processos de estabilização por contato e os materiais presentes na água adsorveram-se na superfície dos flocos, sendo removidos da água. Os experimentos cujos resultados são mostrados nas Figuras 3 e 4, foram conduzidos a 24±1 o C com vazão de alimentação de,77 L/h, ambos com a mesma condição inicial: ml de lodo compactado e ml de água residuária. Pela Figura 3 observa-se que a curva de concentração de amônia apresenta valor maior no final da fase de alimentação do que no início, mostrando que houve produção de amônia, permanecendo constante do final da fase de alimentação (4 h) até a 7 h (fase de reação óxica). Entretanto, a inclinação da curva de concentração de nitrito a partir do final da fase de alimentação mostra que até o tempo de 1 h houve produção de amônia, quando a concentração de nitrito atingiu valor máximo, mas a curva de concentração de nitrato no início da fase de reação óxica tem inclinação menor que a curva de nitrito, o que permite concluir que ocorreu desnitrificação ou utilização de nitrato como fonte de nitrogênio, como já observado pela Figura 2. Na fase anóxica, apesar da concentração de amônia apresentar grande oscilação, as curvas de nitrito e nitrato apresentaram pequena oscilação ao redor do valor médio de concentração, mostrando que, contrariamente ao que se supunha, não ocorreu desnitrificação, enquanto que na penúltima fase, também óxica, observa-se outra vez remoção de amônia, nitrito e nitrato. A Figura 4 mostra consumo de fósforo em todas as fases, exceto na fase anóxica, onde sua concentração apresentou um ponto de máximo, sendo a consumida a partir da sexta hora, na fase de reação. Para esta condição experimental, a observação de CULP e colaboradores (1978) não se mostrou válida, pois o consumo de fósforo ocorreu sem que houvesse consumo de alcalinidade. A curva de concentração de amônia mostrada na Figura tem comportamen- 18 engenharia sanitária e ambiental Vol. 7 - Nº 1 - jan/mar 22 e Nº 2 - abr/jun 22

4 ADIÇÃO DE FONTE DE CARBONO NO INÍCIO DA FASE ANÓXICA NA REMOÇÃO DE MACRONUTRIENTES E POR LODO ATIVADO USANDO NO TRA RATAMENTO AMENTO DE ÁGU GUA RESIDUÁRIA AVÍCOLA RBS NO Alimentação Reação óxica Anóxica Óxica Sed AMÔNIA Figura 3 - Variação da concentração de amônia, nitrito e nitrato no RBS suplementado com água residuária bruta durante o experimento 2 Condição inicial: ml de lodo e ml de água residuária bruta. (mg/l) Alimentação Reação óxica Anóxica Óxica Sed F Ó SFORO Figura 4 - Variação da concentração de, alcalinidade e fósforo no RBS suplementado com água residuária bruta durante o experimento 2 Condição inicial: ml de lodo e ml de água residuária bruta Al. aerada Reação óxica Reação anóxica Sed AMONIA Figura : Variação da concentração de amônia, nitrito e nitrato no RBS suplementado com acetato durante o experimento 3 Condição inicial: ml de lodo e ml de água residuária bruta. to diferente das mostradas nas Figuras 1 e 3, chamando a atenção o fato de que os experimentos das Figuras 3 e tiveram a mesma condição de partida, ou seja, no experimento da Figura a produção de amônia foi mais intensa até a nona hora, na fase óxica. Não ocorreu acúmulo de nitrito e nitrato a partir do final da etapa de alimentação do reator, sendo a taxa de consumo de nitrato maior ou igual à taxa de consumo de nitrito, visto que a curva de concentração de nitrato apresenta valor constante no intervalo da sexta até a décima hora, com pequena queda após este intervalo. A adição de acetato no início da fase anóxica não favoreceu a remoção de fósforo (Figura 6), pois sua remoção apresentou taxa constante na fase óxica, porém na fase anóxica, sua concentração permaneceu praticamente constante. LEE et al. (1997) obtiveram bons resultados de remoção de nutrientes quando adicionaram acetato no início da fase anóxica, porém, no caso da Figura 6 observa-se que a concentração de não era tão baixa, não sendo, portanto, necessário adicionar fonte de carbono para promover a remoção de nutrientes. A remoção de fósforo durante a fase óxica foi acompanhada, até a décima hora, de aumento da concentração de alcalinidade, evidenciando com mais intensidade, que a remoção deste nutriente pode não estar associada à remoção de alcalinidade. Os melhores resultados em termos de remoção de e fósforo foram obtidos no experimento com adição de fonte de carbono, comprovando a observação de RODRÍGUEZ et al. (1998), que suplementaram a água residuária com melaço e fosfato para aumentar a concentração de e fósforo para 6 e mg/ L,respectivamente.Segundo DIAMADOPOULOS et al. (1997), a inclusão de um período anóxico depois da fase aerada melhorou a eficiência de remoção de nitrogênio, entretanto, esta fase requer a adição de uma fonte de carbono externa, devido à baixa concentração de carbono biodegradável, e ao mesmo tempo o sistema torna-se menos eficiente na remoção de. Contudo, os resultados deste trabalho não concordam com as observações de MOHSENI-BANDPI & ELLIOT (1998), que investigaram a remoção de nitrato de água subterrânea, usando três diferentes fontes de carbono externa: metanol, etanol e ácido acético, cujos resultados mostraram que a fonte de carbono mais eficiente para remoção de nitrato foi o ácido acético. Vol. 7 - Nº 1 - jan/mar 22 e Nº 2 - abr/jun 22 engenharia sanitária e ambiental 19

5 , C, R MAURO DE PAULA MOREIRA OREIRA,, CELSO SHUNJI YAMAKA AMAKAWA,, RANULFO MONTE ALEGRE (mg/l) Al. aerada Reação óxica Reação anóxic Sed FOSFORO Figura 6 - Variação da concentração de, alcalinidade e fósforo no RBS suplementado com acetato durante o experimento 3 Condição inicial: ml de lodo e ml de água residuária bruta. CONCLUSÕES Os resultados dos experimentos realizados mostraram que a adição de uma fonte de carbono no início da fase anóxica não permitiu aumentar a remoção de nitrogênio (nitrato). Embora o RBS apresente vantagens econômicas em relação aos processos contínuos de tratamento de águas residuárias, pelos resultados destes três experimentos verifica-se que ajustar suas condições de operação para promover remoção de matéria carbonácea e nutrientes simultaneamente não é tarefa simples. O desempenho do RBS em alcançar os processos de nitrificação e desnitrificação depende da duração e da ordem das diferentes etapas de operação do reator. Os resultados indicam que a melhor condição estudada na remoção de amônia, nitrito e nitrato foi sem suplementação de carbono num ciclo de 12h, obtendo-se remoção de 83, 4 e 72%, respectivamente. Já para remoção de e fósforo, o melhor resultado foi obtido com adição de acetato num ciclo de 21h, isto é, 72 e 9%, respectivamente. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS APHA, AWWA, WPCF. Standard Methods for the Examination of Water and Wastewater, 19 a ed. New York, 199. CULP, R.L.; WESNER, G.M. & CULP, G.L. Advanced Wastewater Treatment, 2 a ed. New York: Van Nostrand Reinhold Company, 632 p, DIAMADOPOULOS, E.; SAMARAS, P.; DABOU, X. & SAKELLAROPOULOS, G.P. Combined Treatment of Landfill Leachate and Domestic Sewage in a Sequencing Batch Reactor. Water Science Technology, v.36, n.2-3, p.61-68, FERRAZ, A.O.; GOBBI, E.F.; GAMA, A F.S. & RUSSO, C. Modelo Matemático do Reator Batelada Sequencial - Parte 1: Nitrificação. Revista Brasileira de Engenharia, v.11, n.1, p.7-16, HWANG, S. & HANAKI, K. Effects of oxygen concentration and moisture content of refuse on nitrification, denitrification and nitrous oxide production. Bioresource Technology, v.71, p.9-16, 2. LEE, S.I.; PARK, J.H.; KO, K.B. & KOOPMAN, B. Effect of Fermented Swine Wastes on Biological Nutrient Removal in Sequencing Batch Reactors. Water Research, v.31, n.7, p , MANCINELLI, R.L.; SMERNOFF, D.T. & WHITE, M.R. Controlling denitrification in closed artificial ecosystems. Adv. Space Res. v. 24, n. 3, p , MOHSENI-BANDPI, A. & ELLIOT, D.J. Groundwater denitrification with alternative carbon sources. Water Science Technology, v.38, n.6, p , MORGENROTH, E. & WILDERER, P.A. Sequencing Batch Reactor Technology: concepts, design and experiences. Journal of the Chartered Institution of Water and Environmental Management, v.12, n., p , PEAVY, H.S.; ROWE, D.R. & TCHOBANOGLOUS, G. Environmental Engineering, New York: McGRAW-Hill, 198. RODRÍGUEZ, G.C.; BARCELÓ, O.G. & MARTÍNEZ, S.G. Wastewater Fermentation and Nutrient removal in Sequencing Batch Reactor. Water Science Technology, v.38, n.1, p.-264, 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, v.28, n.1, p.9-266, Van LOOSDRECHT, M.C.M. & JETTEN, M.S.M. Microbiological Conversions in Nitrogen Removal. Water Science Technology, v.38, n.1, p.1-7, 1998 Endereço para correspondência: Mauro de Paula Moreira Rua José de Alencar, 19/141 CEP: Campinas - SP mauromo@ig.com.br AGRADECIMENTOS Os autores agradecem a FAPESP pelo apoio financeiro e ao Eng. Luiz Boneto do abatedouro de aves Pena Branca pelo fornecimento das amostras. 2 engenharia sanitária e ambiental Vol. 7 - Nº 1 - jan/mar 22 e Nº 2 - abr/jun 22