II AVALIAÇÃO DE TOXICIDADE DE EFLUENTE INDUSTRIAL EM BIODIGESTOR ANAERÓBIO ATRAVÉS DO TESTE DE ATIVIDADE METANOGÊNICA ESPECÍFICA

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1 II AVALIAÇÃO DE TOXICIDADE DE EFLUENTE INDUSTRIAL EM BIODIGESTOR ANAERÓBIO ATRAVÉS DO TESTE DE ATIVIDADE METANOGÊNICA ESPECÍFICA Sueli Harumi Kakinami (1) Bacharel em Ciências Biológicas formada pelo Instituto de Biociências da Universidade FOTO Estadual Paulista (UNESP); Especialização em Engenharia de Saneamento Básico pela NÃO Faculdade de Saúde Pública da Universidade de São Paulo (USP); atua como Bióloga da Divisão de Operação da Estação de Tratamento de Esgotos do ABC - Sabesp. DISPONIVEL Hélio Rubens Victorino Imbibmbo (2) Bacharel em Ciências Biológicas formado pelo Instituto de Biociências da Universidade de São Paulo (USP); Mestrando em Ecologia no Instituto de Biociências da Universidade de São Paulo (USP); atua como Biólogo da Divisão de Operação da Estação de Tratamento de Esgotos de Barueri - Sabesp. Endereço (2) : Av. Primeiro de maio S/N Vila Aldeinha - Barueri - SP - CEP: Brasil - Tel: +55 (11) Fax: +55 (11) helioimbimbo@sabesp.com.br RESUMO Algumas substâncias, em quantidades moderadas ou excessivas podem causar danos à digestão anaeróbia e as bactérias podem sofrer inibição do seu metabolismo diante de sua presença. A inibição em qualquer uma das etapas provoca interrupção do processo podendo chegar a um colapso do digestor. Uma forma de investigar se um composto poderá ou não provocar inibição no processo de digestão é realizar um ensaio de determinação da atividade metanogênica específica (ATME). Sua finalidade é avaliar a capacidade das bactérias em converter orgânico a metano e gás carbônico, a partir de quantidades pré estabelecidas de biomassa (gssv) e de (gdqo), sob condições ambientais controladas. O objetivo deste trabalho é investigar a ocorrência de inibição do processo de digestão anaeróbia nos digestores de Estações de Tratamento de Esgotos, em decorrência da adição de lodo proveniente da indústria química produtora de epóxi, polióis e látex. O teste consiste de reatores anaeróbios inoculados com lodo digerido e submetidos ao efluente testado para avaliação do seu potencial inibitório. O sistema é composto por um reator anaeróbio, um gasômetro e uma coluna volumétrica de leitura. Foram montados dois conjuntos de reatores, um inoculado com a concentração do lodo digerido recomendada pelo teste (1,2 g SSV/L) e outro simulando a concentração de operação do biodigestor. A alimentação foi através de batelada e foram utilizados três tipos de alimento: solução padrão de ácidos orgânicos voláteis; lodo afluente ao biodigestor; e esse mesmo lodo acrescido do lodo proveniente da industria.. Os reatores que receberam lodo teste não apresentaram fase Lag, assim como os reatores que foram alimentados apenas com lodo afluente ao biodigestor, indicando que o foi prontamente metabolizado. O lodo da empresa química, nas proporções estabelecidas no teste, não afetou a caracterização do lodo, não provocou inibição do metabolismo das bactérias anaeróbias, além de não alterar a concentração de metais pesados. PALAVRAS-CHAVE: toxicidade anaeróbia, digestão anaeróbia, biodigestor, lodo anaeróbio, efluente industrial INTRODUÇÃO O processo de digestão anaeróbia produz estabilização da matéria orgânica, redução de organismos patogênicos e do volume do lodo, melhoria da desidratação e em alguns casos possibilita o uso do lodo na agricultura. Devido ao seu baixo custo operacional, este tipo de tratamento é amplamente difundido no mundo, sendo utilizado por muitas indústrias para o tratamento de seus efluentes (JORDÃO & PESSOA, 1995). ABES Trabalhos Técnicos 1

2 De forma simplificada, a digestão anaeróbia é considerada um processo de dois estágios; no primeiro a matéria orgânica é convertida a ácidos voláteis, como por exemplo, ácido acético. Nesta etapa as bactérias são facultativas ou estritamente anaeróbias, conhecidas genericamente por bactérias acidogênicas. No segundo estágio, os ácidos voláteis produzidos por estas bactérias servem de para as metanogênicas. Estas, por fim convertem os ácidos orgânicos em produtos finais gasosos como gás carbônico e metano. Algumas substâncias, em quantidades moderadas ou excessivas podem causar danos à digestão anaeróbia, entre elas os metais pesados, sulfetos, amônia dissolvida, ácidos voláteis não ionizados e cianetos. As bactérias podem sofrer inibição do seu metabolismo diante da presença de uma ou mais substâncias citadas acima. A inibição em qualquer uma das etapas provoca interrupção do processo podendo chegar a um colapso do digestor. Uma forma de investigar se um composto poderá ou não provocar inibição no processo de digestão é realizar um ensaio de determinação da atividade metanogênica específica (ATME). Sua finalidade é avaliar a capacidade das bactérias em converter orgânico a metano e gás carbônico, a partir de quantidades pré estabelecidas de biomassa (gssv) e de (gdqo), sob condições ambientais controladas. OBJETIVOS O objetivo deste trabalho é investigar a ocorrência de inibição do processo de digestão anaeróbia nos digestores das Estações de Tratamento de Esgotos de Barueri (ETE-Barueri) e ABC (ETE ABC), em decorrência da adição de lodo proveniente de uma indústria que produz epóxi, polióis e látex. MATERIAIS E MÉTODOS Para a montagem do ensaio, foi solicitado à empresa uma coleta composta, retirando-se alíquotas de mesmo volume a cada duas horas, por um período de 24 horas. O material coletado foi analisado no Laboratório da ETE-Barueri, onde determinou-se os parâmetros necessários à montagem do ensaio, como sólidos, DQO e densidade. O lodo coletado ficou sob refrigeração até a montagem do ensaio. A montagem do ensaio baseouse no método descrito pela Universidade de Wageningen (IHE/WAU, 1991), Holanda. O teste consiste de reatores anaeróbios inoculados com lodo digerido e submetidos a outros compostos para avaliação do seu potencial efeito inibitório. O sistema é composto por um reator anaeróbio, um gasômetro e uma coluna volumétrica de leitura. Ambos, o reator e o gasômetro consistem de balões de vidro de dois e três litros respectivamente (Fig.1). Foram montados dois conjuntos de reatores, sendo que um deles foi inoculado com lodo digerido com concentração de 1,2 g SSV/L reator, conforme recomendação do método original, e outro conjunto foi inoculado com lodo digerido simulando as condições dos biodigestores da ETE s. Os reatores foram alimentados com três diferentes tipos de, são eles: solução padrão de ácidos voláteis, cuja composição são os ácidos acético, propiônico e butírico; lodo afluente aos biodigestores; e esse mesmo lodo acrescido de lodo teste. Além dos s, foram adicionadas soluções de macro e micro-nutrientes para eliminar a possibilidade de inibição de metabolismo por depleção de nutrientes. A alimentação dos reatores foi feita apenas no início do teste (batelada) simulando o tempo de retenção hidráulica dos digestores de cada ETE. Ambos os conjuntos de reatores, durante todo o período do teste permaneceram imersos em banho-maria a C, com duas agitações diárias. Os gasômetros contém solução de hidróxido de sódio, com concentração de 30 g/l. Cada gasômetro está ligado a um reator por meio de mangueiras de látex. Entre o gasômetro e o reator há uma cápsula de vidro contendo cal sodada que, assim como o hidróxido de sódio, tem a função de reter o gás carbônico. O volume de metano produzido era lido por deslocamento de solução em proveta graduada de 500mL, duas vezes ao dia, por um período de vinte dias. Do volume obtido, descontou-se o metano produzido pelo branco, correspondente a respiração endógena, e converteu-se a metano seco em condições normais de temperatura e pressão (CNTP), em seguida, obteve-se o equivalente a este volume em DQO de metano. Os valores de DQO 2 ABES Trabalhos Técnicos

3 foram representados graficamente em função do tempo, para determinação da ATME, que corresponde ao coeficiente angular da reta obtida pelos pontos correspondentes ao período de maior produção líquida de gás. Figura 1- Esquema de montagem do ensaio. RESULTADOS Com base nos parâmetros operacionais como vazão, tempo de retenção hidráulica, carga orgânica, etc., estimou-se a contribuição em termos de vazão e carga orgânica, do lodo proveniente da indústria química aos digestores das ETE's Barueri e ABC (Tab. II). A adição deste lodo nos digestores das ETE's Barueri e ABC representam um acréscimo de carga orgânica percentualmente bastante reduzido. Tabela II - Contribuição em volume e carga orgânica do lodo afluente ao biodigestor (LA) e do lodo teste (LT) nos digestores da ETE-Barueri (A) e ABC (B) A m³/d % volume Kg DQO/d % carga org. LA 2198,91 99,55 90,220 99,91 LT 9,93 0,05 81,515 0,09 Total 2208,8 100, ,5 100 B m³/d % volume Kg DQO/d % carga org. LA 664,4 98, ,3 LT 10 1, ,7 Total 674,4 100, ,0 De acordo com os dados acima foram calculados os volumes do lodo, e nutrientes, além da concentração de inóculo, e carga específica para cada reator (Tab. III). Após a montagem do teste, foram feitas novas análises para a determinação das concentrações efetivas de, inóculo e carga específica(tab. III ) ABES Trabalhos Técnicos 3

4 Tabela III - Volumes utilizados na montagem do ensaio, indicando os valores programados para concentração do inóculo, concentração de e carga específica, em (A) para a ETE Barueri e em (B) para a ETE ABC. A Reator Vol. reator Lodo digerido Substrato H 2 O Vol. Nutr. Conc. inóculo Conc. Carga específ. Tipo de 1 A/B 2L , ,2 2,15 1,79 AOV 2 A/B 2L , ,2 2,15 1,79 LA 3 A/B 2L ,2 2,15 1,79 LA+LT 4 2L ,2-0 BRANCO 5 A/B 2L ,8 7,2-13,3 2,15 0,16 LA 6 A/B 2L ,3 2,15 0,16 LA+LT 7 2L ,3-0 BRANCO AOV= solução de ácidos voláteis; LA= lodo afluente ao digestor da ETE-Barueri; LT= lodo teste da indústria química B Reator Vol. reator Lodo digerido Substr. H 2 O Vol. Nutr. Conc. Inóculo Conc. Substrato Carga específ. Tipo de 1 A/B 2L , ,2 0,67 0,56 AOV 2 A/B 2L , ,2 0,67 0,56 LA 3 A/B 2L ,1+0, ,2 0,67 0,56 LA+LT 4 2L ,2-0 BRANCO 5 A/B 2L , ,65 0,67 0,1 LA 6 A/B 2L ,1+0, ,65 0,67 0,1 LA+LT 7 2L ,1-6,65-0 BRANCO AOV= solução de ácidos voláteis; LA= lodo afluente ao digestor da ETE-ABC; LT= lodo teste da indústria química Uma vez montados os reatores, foram feitas novas análises para que fossem determinadas as concentrações efetivas de lodo digerido (inóculo),, e determinação das cargas específicas. As concentrações efetivas obtidas encontram-se na Tabela IV. Tabela IV - Concentrações efetivas de inóculo, e carga específica dos ensaios montados para a ETE Barueri (A) e ABC (B) Reator Concentração do inóculo Concentração do Carga específica Tipo de 1 A/B 1,25 2,43 1,94 AOV 2 A/B 1,25 1,36 1,09 LA 3 A/B 1,25 1,51 1,21 LA+LT 4 1,25 5 A/B 13,78 1,36 0,098 LA 6 A/B 13,78 1,51 0,109 LA+LT 7 13,78 AOV= solução de ácidos voláteis; LA= lodo afluente os biodigestores da ETE-Barueri; LT= lodo teste 4 ABES Trabalhos Técnicos

5 Tabela IV (cont.) - Concentrações efetivas de inóculo, e carga específica dos ensaios montados para a ETE Barueri (A) e ABC (B) B Reator Concentração do inóculo (gssv/l) Concentração do (gdqo/l) Carga específica (gdqo/gssv.l) Tipo de 1 A/B 1,83 0,63 0,34 AOV 2 A/B 1,83 0,67 0,37 LA 3 A/B 1,83 0,67 0,37 LA+LT 4 1,83-5 A/B 9,81 0,67 0,07 LA 6 A/B 9,81 0,67 0,07 LA+LT 7 9, AOV= solução de ácidos voláteis; LA= lodo afluente os biodigestores da ETE-ABC; LT= lodo teste. O gráfico de metano produzido em termos de DQO, para as ETE's Barueri e ABC, podem se visualizados na figura 2. Para a obtenção da ATME, toma-se o trecho reto da curva de maior inclinação, determina-se o seu coeficiente angular e divide-se pela concentração do inóculo no início do teste (CHERNICHARO, 1997).Os gráficos que representam o trecho da curva utilizado para a determinação da ATME encontram-se na Fig. 3. No ensaio para a ETE ABC, os reatores 1B e 3B apresentaram indícios de entrada de ar no sistema, prejudicando os resultados, portanto não serão considerados. A Produção de metano - ETE Barueri 2,4 metano (g DQO-CH4/Lr) 2,0 1,6 1,2 0,8 0,4 0, tempo (h) 1A/B 2A/B 3 A/B 5A/B 6A/B Figura 2 - Média do volume de metano acumulado em função de DQO para as ETE's Barueri (A) e ABC (B). ABES Trabalhos Técnicos 5

6 B Produção de metano - ETE ABC 0,5 metano (gdqo-ch4/lr) 0,4 0,3 0,2 0,1 0-0,1-0, tempo (h) 1A 2A/B 3A 5A/B 6A/B Figura 2 (cont.) - Média do volume de metano acumulado em função de DQO para as ETE's Barueri (A) e ABC (B). Na figura 3 podem ser vistos os trechos selecionados das curvas de produção de metano dos quais serão obtidos os valores de atividade metanogênica específica. 6 ABES Trabalhos Técnicos

7 Figura 3 - Trechos selecionados das curvas de produção de metano para as ETE's Barueri e ABC. ETE BARUERI ETE ABC 1A/B 1 A / B metano (gdqo-ch4/lr) 1,60 1,40 1,20 1,00 0,80 0,60 0,40 0,20 y = 0,0111x - 0,4255 y = 0,0113x - 0, metano (gdqoch4/lreator) 0,60 0,50 y = 43x - 0,0587 0,40 0,30 y = 43x - 0,0505 0,20 0,10-0, Linear (1A) Linear (1B) Linear (1B) Linear (1A) 2A/B 2A / B metano (gdqo-ch4/lr) 0,70 0,60 y = 66x - 0,0105 0,50 0,40 0,30 y = 63x - 0,0184 0,20 0, metano(gdqoch4/lreator) 0,04 0,04 0,03 0,03 0,02 0,02 0,01 0,01 y = 01x + 0,0163 y = 1E-04x + 0, Linear (2A) Linear (2B) Linear (2B) Linear (2A) 3A/B 3 A / B metano (gdqo-ch4/lr) 0,70 0,60 y = 7x - 0,0288 0,50 0,40 y = 68x - 0,0314 0,30 0,20 0, metano (gdqoch4/lreator) 0,08 0,07 y = 05x + 0,0208 0,06 0,05 y = 04x + 0,0138 0,04 0,03 0,02 0, Linear (3A) Linear (3B) tempo (h) Linear (3B) Linear (3A) tempo (h) Os valores correspondentes aos coeficientes angulares são agora divididos pela concentração do inóculo e multiplicados por 24, para a conversão dos valores de horas para dia, obtendo-se desta forma os valores de ATME, que podem ser vistos na Tabela V. Conforme pode ser visto, para o ensaio correspondente à ETE Barueri, os valores da atividade metanogênica específica para os reatores que continham o lodo teste foi 38,4% inferior ao valor obtido para a solução padrão, e 6,5 % superior aos reatores que receberam apenas lodo do ponto 9A. Os maiores valores de ATME ocorridos nos reatores 1 A e 1 B, em ambos os ensaios,, devem-se à natureza do, pois este já está solubilizado e praticamente pronto para ser degradado pelas bactérias metanogênicas, suprimindo a fase de acidogênese, conferindo portanto maior velocidade de produção de metano, consequentemente maiores valores de ATME. Nota-se que no início, esses reatores apresentaram uma pequena fase Lag, correspondendo ao tempo que as bactérias levaram para se aclimatar ao. No ensaio realizado para a ETE ABC, esta fase é mais evidente, com maior duração, como pode ser verificado na figura 2(B). Uma vez aclimatadas, a conversão do a metano foi mais intensa. No ensaio de Barueri, os reatores 3A e 3B (que receberam lodo teste) não apresentaram fase Lag, assim como os reatores que foram alimentados apenas com lodo afluente ao biodigestor (2A/B), indicando que não deve ter ocorrido inibição por parte do lodo teste, uma vez que o foi prontamente metabolizado. Já no ensaio para a ETE ABC, a velocidade de produção de gás é menor, muito provavelmente associado ao regime de operação dos digestores daquela planta. Porém, os reatores que continham lodo afluente ao biodigestor, adicionado de lodo teste apresentaram maiores valores médios, comparados àqueles que foram ABES Trabalhos Técnicos 7

8 alimentados apenas com lodo afluente ao biodigestor, sugerindo que, na ETE ABC, a adição do lodo industrial, não trará inibição ao sistema de tratamento anaeróbio da planta. Tabela V Valores médios de ATME nos reatores, durante o ensaio para as ETE's Barueri e ABC. ATME (g DQO CH4 /g SSV.L.d) REATOR ETE Barueri ETE ABC 1 A/B 0, , A/B 0, , A/B 0, ,0236 Ao término do ensaio foi efetuada a análise de metais para os reatores 5 A/B e 6 A/B referentes à ETE Barueri, com o intuito de avaliar se a adição do lodo industrial poderia alterar as características do lodo. Esta verificação é bastante relevante pois a classificação do lodo não pode ser alterada, caso contrário a disposição em aterro sanitário para resíduos classe 2 (classe em que atualmente o lodo da ETE Barueri está inserido) estaria comprometida, inviabilizando o recebimento e tratamento do lodo industrial. Os resultados encontram-se na Tab. VI. Tabela VI Concentrações de metais nos reatores 5 A/B e 6 A/B. METAL (mg/l) REATORES Ag Cu Cd Cr Fe Mn Ni Pb Zn 5 A/B 1,59 19,63 0,37 17,9 605,0 5,32 9,73 6,25 54,0 6 A/B 1,82 19,55 0,38 17,15 603,0 5,28 9,44 5,89 54,6 Referência * 1,92 20,84 0,4 17,45 611,0 4,69 9,35 5,76 63,4 * Lodo do biodigestor coletado antes da montagem do ensaio, no qual nada foi adicionado. Os dados apresentados na Tabela VI evidenciam que a adição do lodo da empresa., nas proporções estabelecidas no teste, não afetou a caracterização do lodo no que diz respeito à concentração de metais pesados, uma vez que a análise do lodo não mostrou diferenças significativas entre as amostras de lodo dos reatores 5A/B e 6A/B. CONCLUSÕES Os valores de ATME obtidos nestes testes sugerem que o lodo proveniente da indústria de epóxi, polóis e látex, utilizado na montagem destes ensaios,. não provoca inibição do metabolismo anaeróbio, dos sistemas de digestão de lodo das ETE's Barueri e ABC, sob as condições em que foram corridos os ensaios. A adição do lodo industrial não afeta a caracterização do lodo desidratado, portanto não implicará em problemas no processo de disposição final deste lodo em aterro sanitário. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS 1. CHERNICHARO, C. A. L., 1997 Princípios do tratamento biológico de águas residuárias Reatores anaeróbios. 1ª ed. UFMG, Belo Horizonte, vol. 5, 246pp. 2. IHE, 1991 Interational course on anaerobic waste water treatment Anaerobic Lab Work. WAU, Wageningen, 49pp. 3. JORDÃO, E. P. & PESSOA, C.A., 1995 Tratamento de esgotos domésticos. 3ª ed. ABES, Rio de Janeiro, 720pp. 8 ABES Trabalhos Técnicos