II FATORES INTERVENIENTES NO DESEMPENHO DE UM REATOR UASB SUBMETIDO A DIFERENTES CONDIÇÕES OPERACIONAIS

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1 II FATORES INTERVENIENTES NO DESEMPENHO DE UM REATOR UASB SUBMETIDO A DIFERENTES CONDIÇÕES OPERACIONAIS Betina Maciel Versiani (1) Engenheira Química. Mestranda em Engenharia Ambiental COPPE / UFRJ. Eduardo Pacheco Jordão Dr.Eng., Professor Adjunto do Depto de Recursos Hídricos e Meio Ambiente Escola Politécnica / UFRJ. Isaac Volschan Júnior D.Sc., Prof. Adjunto do Depto. de Recursos Hídricos e Meio Ambiente Escola Politécnica / UFRJ. Márcia Walquíria de Carvalho Dezotti D.Sc., Professora Adjunta do Programa de Engenharia Química COPPE / UFRJ. José Paulo Soares de Azevedo Ph.D, Prof. Adjunto do Programa de Engenharia Civil da COPPE / UFRJ. Endereço (1) : Rua Soares Cabral, 17/cob.01 Laranjeiras - Rio de Janeiro RJ - CEP: Brasil Tel: (21) betina_versiani@hotmail.com RESUMO O presente trabalho teve como objetivo a avaliação de fatores associados ao desempenho de um reator UASB, submetido a diferentes condições operacionais e aplicado ao tratamento de esgotos tipicamente domésticos. A unidade foi operada e monitorada por um período de 270 dias delineados em quatro fases operacionais segundo os seguintes tempos de detenção hidráulica: 9, 7, 5 e 3 horas. Por meio do teste estatístico t-student para comparação de resultados, verificou-se que a Fase III (TDH 5 horas) foi a que apresentou melhor desempenho somente em termos de eficiência média de remoção de DQO (81%) e SST (89%), em relação às Fases I (TDH 9 horas) e II (TDH 7 horas); e em termos de DBO (80%), melhor desempenho em relação à Fase IV (TDH 3 horas). O incremento da velocidade ascensional resultou em menores eficiências de remoção, havendo a indicação de que o aumento da força de cisalhamento tenha promovido a desagregação dos sólidos na manta de lodo. Mesmo tendo-se observado concentração superior a 10% de sólidos totais na manta de lodo, o processo apresentou resultados satisfatórios. Observou-se índice de 100% de atendimento ao padrão de lançamento de 60mg/L de DBO e de SST, em ambos os casos e fases, com exceção da concentração efluente de DBO da Fase I. A caracterização da escuma também é apresentada, constatando-se a necessidade do condicionamento adequado desse material. O presente trabalho foi desenvolvido no âmbito do PROSAB (MCT/FINEP, Edital 4). PALAVRAS-CHAVE: Tratamento de Esgotos, Reator UASB, Velocidade Ascensional, Escuma, Manta de Lodo. INTRODUÇÃO Reatores Anaeróbios de Fluxo Ascendente (UASB) tem como parâmetros de processo o controle de tempo de detenção de sólidos, tempo de detenção hidráulico, as cargas volumétricas orgânicas e hidráulicas e a velocidade ascensional. A massa de sólidos na manta de lodo é parâmetro de controle do tempo de residência celular e serve para a caracterização da atividade metanogênica do processo anaeróbio. Para esgotos sanitários que não apresentem grandes variações em sua composição físico-química, variar o tempo de detenção hidráulico representa variar, inversamente, as cargas volumétricas orgânica e hidráulicas aplicadas e a velocidade ascensional. A retenção de sólidos na manta de lodo é diretamente influenciada pela velocidade ascensional dos esgotos e pelas características de sedimentação dos flocos/grânulos de lodo. A velocidade ascensional pode no entanto apresentar dois efeitos opostos. Velocidades mais elevadas promovem o aumento da colisão entre os sólidos suspensos afluentes e a manta de lodo, permitindo a adsorção e a captura destes, além de facilitar a separação das bolhas de gases formadas na superfície da biomassa. Inversamente, velocidades mais elevadas tendem a aumentar a força hidráulica de cisalhamento, possibilitar a desagregação dos sólidos capturados, e conseqüentemente, reduzir a sua capacidade de sedimentação e de permanência na manta de lodo (MAHMOUND, 2003). ABES - Associação Brasileira de Engenharia Sanitária e Ambiental 1

2 A variação do tempo de detenção hidráulico entre 6 e 10 horas, carga hidráulica volumétrica inferior a 6,0 m 3 /m 3.d, carga orgânica volumétrica variando entre 1,0 e 3,0 kgdqo/ m 3.d, e velocidade ascensional entre 0,5 e 1,1 m/h são valores usuais sugeridos pela literatura especializada (CHERNICHARO, 1997). O presente trabalho teve como objetivo avaliar o comportamento de um Reator UASB tratando esgotos sanitários, submetido às variações dos parâmetros citados, correlacionando-as aos resultados obtidos em relação à remoção de matéria orgânica e sólidos em suspensão. Este trabalho foi desenvolvido no âmbito do PROSAB (MCT/FINEP, Edital 4) MATERIAIS E MÉTODOS Características da Unidade O presente trabalho faz parte de um projeto de pesquisa em desenvolvimento nas instalações do Centro Experimental de Tratamento de Esgotos da UFRJ (CETE Poli/UFRJ). Localizado na Cidade Universitária - Rio de Janeiro, o CETE Poli/UFRJ tem como missão atender aos objetivos acadêmicos de ensino e pesquisa dos cursos de graduação e pós-graduação da UFRJ voltados à engenharia de recursos hídricos, sanitária e ambiental. Consiste em uma central de operações, processos e tecnologias, dotada de 15 diferentes unidades, cada qual com capacidade equivalente da ordem de 500 habitantes. São as unidades de tratamento de esgotos: grade de barras, desarenador por gravidade, desarenador aerado, decantação primária convencional, decantação primária quimicamente assistida, reator UASB, tanque séptico, filtro anaeróbio, filtro aerado submerso, lodos ativados, lagoa aerada, lagoa de sedimentação, lagoa facultativa e lagoa de maturação. A unidade experimental da pesquisa em referência está ilustrada na Figura 1 a seguir. 11 Elevatória de de esg esgoto bruto 22 Tratamento preliminar (grade (grade de barras) barras) 33 Tratamento preliminar (desarenador) 44 Tanque Elevatória de equalização de alimentação do lodo do reator UASB 55 Elevatória Registro de regulador alimentação de vazão do reator UASB 66 Registro Reator regulador UASB de vazão 7 Reator UASB PC 01 Ponto de coleta 01 (afluente) PC 02 Ponto de coleta 02 (efluente) Adição PA 01 Ponto de amostragem na manta de lodo (0,54 m) de lodo PA 02 Ponto de amostragem na manta de lodo (0,98 m) PA 03 Ponto de amostragem na manta de lodo (1,50 m) 4 Esgoto bruto PC 01 Esgoto fortificado afluente PC 02 Esgoto tratado PA 03 efluente PA 02 PA Figura 1: Fluxograma da Unidade Experimental O esgoto bruto afluente à unidade experimental apresenta concentrações médias de 350 mgdqo/l, 153 mgdbo/l e 252 mgsst/l. O Reator UASB em estrutura plástica reforçada com fibra de vidro apresenta diâmetro de 2,5 m, altura total de 5,0 m e volume efetivo de 22,0 m 3. A Figura 2 ilustra o Reator UASB do CETE Poli/UFRJ. ABES - Associação Brasileira de Engenharia Sanitária e Ambiental 2

3 Figura 2: Reator UASB Fases da Pesquisa e Condições Operacionais As condições operacionais da unidade experimental durante a realização da pesquisa variaram segundo o tempo de detenção hidráulico, carga hidráulica volumétrica, carga orgânica volumétrica, e velocidade ascensional, conforme apresentado na Tabela 1. Tabela 1: Condições Operacionais do Reator UASB Parâmetros Fases I II III IV Vazão afluente (m 3 /h) 2,5 3,6 4,3 7,2 (m 3 /d) 60,5 86,4 103,7 172,8 Tempo de Detenção Hidráulica (h) Carga Orgânica Volumétrica (Kg DQO/ m 3.d) 1,2 1,5 1,7 3,1 Carga Hidráulica Volumétrica (m 3 / m 3.d) 2,8 3,9 4,7 7,9 Velocidade ascensional afluente (m/h) 0,6 0,8 1,0 1,6 Monitoramento da Unidade Após inoculação com lodo proveniente de outro reator anaeróbio, e um período de adaptação e estabilização, foi iniciado o monitoramento da unidade experimental. Ao longo de 270 dias, o monitoramento do esgoto afluente e efluente foi realizado segundo amostras compostas, coletadas de hora em hora, entre 08:00 e 17:00, com freqüência de amostragem variando de 1 a 3 vezes por semana, e de acordo com os seguintes parâmetros físico-químicos: temperatura, ph, DQO, DBO, e SST. Amostras semanais para determinação da concentração de ST e STV em diferentes alturas da manta de lodo, nos pontos P1 (0,54m), P2 (0,98m) e P3 (1,50m), também foram realizadas visando a configuração do perfil de sólidos. A caracterização da escuma foi feita em relação aos parâmetros de DQO, óleos e graxas, surfactantes, ST e SVT. As análises foram processadas no Laboratório de Engenharia do Meio Ambiente da Escola Politécnica da UFRJ LEMA, segundo as determinações estabelecidas no Standard Methods for the Examination of Water and Wastewater, excetuando as análises de óleos e graxas e surfactantes da escuma, realizadas no Laboratório de Análises - Analitical Solution. RESULTADOS E DISCUSSÃO A Tabela 2 mostra as estatísticas descritivas das concentrações de DQO, DBO e SST nas quatro fases operacionais e a Tabela 3 apresenta as eficiências médias de remoção em cada uma das fases. Pela Tabela 3, pode-se verificar que a Fase III foi a que apresentou melhores resultados, exceto em relação à eficiência de remoção de SST na Fase IV (90%). ABES - Associação Brasileira de Engenharia Sanitária e Ambiental 3

4 Os resultados de eficiência de remoção de DQO, DBO e SST, apresentaram distribuição normal. Por meio do teste estatístico t-student para comparação de resultados, verifica-se que a Fase III foi a que apresentou melhor desempenho somente em termos de eficiência média de remoção de DQO e SST, em relação às Fases I e II; e em termos de DBO, melhor desempenho em relação à Fase IV. A pouca quantidade de dados nas Fases I e II, prejudica a análise estatística, constatando-se assim a necessidade de se monitorar a unidade, sob estas condições, por um tempo maior, para melhor avaliação do seu desempenho com mais dados de concentrações de DBO. Os gráficos Box-Whisker de concentração afluente e efluente de DQO, DBO e SST encontram-se apresentados, respectivamente, nas Figuras 3, 4 e 5. Tabela 2: Estatísticas básicas relativas aos resultados apresentados nas fases de pesquisa Parâmetro Estatística Descritiva Aflu Eflu Aflu Eflu Aflu Eflu Aflu Eflu DQO (mg/l) DBO (mg/l) SST (mg/l) n Média DP Máx Mín n Média DP Máx Mín n Média DP Máx Mín Tabela 3: Eficiências médias de remoção Parâmetro Eficiência (%) DQO DBO SST ABES - Associação Brasileira de Engenharia Sanitária e Ambiental 4

5 DQO (mg/l) AF EF AF EF AF EF AF EF Max Min 75% 25% Mediana Figura 3: Gráfico Box-Whisker das concentrações afluentes e efluentes de DQO nas 4 fases DBO (mg/l) AF EF AF EF AF EF AF EF Máximo Mínimo 75% 25% Mediana Figura 4: Gráfico Box-Whisker das concentrações afluentes e efluentes de DBO nas 4 fases ABES - Associação Brasileira de Engenharia Sanitária e Ambiental 5

6 SST (mg/l) AF EF AF EF AF EF AF EF Máximo Mínimo 75% 25% Mediana Figura 5: Gráfico Box-Whisker das concentrações afluentes e efluentes de SST nas 4 fases Os resultados de eficiência média de remoção de DQO permitiram a avaliação da influência do tempo de detenção hidráulica (TDH) e da carga orgânica volumétrica aplicada (COV) sobre o desempenho do Reator UASB, como indica o gráfico da Figura 6. E% x COV x TDH COV TDH COV Aplicada (KgDQO/m3.d) 2,4 2,2 2,0 1,8 1,6 1,4 1,2 1,0 0, CO Removida / CO Aplicada (%) Tempo de Detenção Hidráulico (h) Figura 6: Eficiência de remoção de carga orgânica (DQO) em função da COV aplicada e do TDH O gráfico da Figura 6 indica o incremento da eficiência de remoção de DQO diretamente proporcional ao decréscimo do tempo de detenção hidráulica e ao incremento da carga orgânica volumétrica aplicada. A indicação é válida até o TDH de 5 horas (Fase III). A partir deste (Fase IV) observa-se, para o tempo de detenção de 3 horas, a redução da eficiência para 77%. Percebe-se assim que a operação do Reator UASB esteve otimizada para o tempo de detenção de 5 horas, uma vez ter sido o processo na fase subseqüente submetido a condições operacionais indesejadas. ABES - Associação Brasileira de Engenharia Sanitária e Ambiental 6

7 De fato, para Fase IV, obteve-se uma carga hidráulica volumétrica aplicada de 7,9 m 3 / m 3.d, valor superior ao limite máximo de 6,0 m 3 / m 3.d sugerido pela literatura. Da mesma forma, em relação à velocidade ascensional, obteve-se o valor de 1,6 m/h, valor superior ao limite de 1,1 m/h. A constatação pode estar relacionada ao que preconiza MAHMOUND (2003), ao reportar a velocidade ascensional como um importante fator interveniente no desempenho do processo. No caso, a elevação da velocidade ascensional de 1,0 m/h (Fase III) para 1,6 m/h (Fase IV) pode ter sido responsável pelo aumento na força hidráulica de cisalhamento, promovendo uma desagregação dos sólidos capturados, o que deve ter contribuído para a piora no desempenho da unidade. A Tabela 4 indica para cada fase de pesquisa, a quantidade relativa às concentrações efluentes de DBO e SST inferiores a 60mg/L, valor máximo permitido pela maioria dos padrões estaduais de lançamento de esgotos sanitários em corpos d água. Os padrões foram atendidos em 100% das concentrações efluentes de SST em todas as fases. No caso das concentrações efluentes de DBO, somente na Fase I o padrão não foi atendido em 100%, apresentando um índice de atendimento de 67%. Tabela 4: Índice de atendimento aos padrões de lançamento de esgotos sanitários em corpos d água Fase Índice de Atendimento DBO (%) Índice de Atendimento SST (%) I II III IV Apesar de anteriormente ter sido apontada a Fase III como aquela de melhor desempenho e mesmo para as inadequadas condições operacionais que caracterizaram a Fase IV, percebe-se na Tabela 4 que até mesmo a última fase satisfez ao longo de todo o tempo de pesquisa os índices de atendimento de 60mg/L. Observa-se no entanto que as concentrações afluentes de DBO da Fase IV foram inferiores as concentrações das fases anteriores, apresentando precisamente a concentração média afluente de 100mg/L. Os índices de atendimento obtidos para as diferentes condições operacionais referem-se ao padrão de 60 mg/l, vigente na maioria dos estados da federação. Considerando, no entanto, a legislação atual do Estado do Rio de Janeiro (DZ FEEMA-215) verifica-se a aplicabilidade da unidade somente para o atendimento à carga orgânica bruta compreendida entre 25 e 80 kgdbo/d, já que para cargas superiores à 80 kgdbo/d, requer-se a concentração máxima efluente de 40 mg/l de DBO e SST. Em relação às concentrações de ST e SVT na manta de lodo observa-se que variaram em cada ponto de amostragem (P1, P2, P3) conforme mostra a Tabela 5. Em função dos volumes da manta de lodo, relativos a cada ponto de amostragem, foi determinada a concentração de ST e SVT no compartimento de digestão. Tabela 5: Variação da concentração de sólidos na manta de lodo e massa de sólidos acumulada Ponto de Volume da Altura do ponto de SVT amostragem manta (m 3 ST (Kg/m3) ) amostragem (m) (Kg/m 3 ) ST (Kg) SVT (Kg) P1 2,65 0, P2 2,16 0, P3 2,55 1, Comp. de Digestão 7, (11,3%) 74 (7,4%) Observa-se que embora elevadas concentrações de sólidos tenham sido alcançadas em função da não realização de descarte de lodo ao longo da pesquisa, o desempenho do reator manteve-se satisfatório, conforme anteriormente já comentado. Por fim, cabe ressaltar que ao longo de toda a pesquisa foram registradas temperaturas médias de 27 o C, ph médio igual a 7,0, e concentrações médias efluentes de 97mgDQO/L, 41mgDBO/L e 36mgSST/L, as quais mostraram-se adequadas ao atendimento do padrão de lançamento de 60mg/L de DBO e SST. Caracterização da Escuma Os resultados das amostras de escuma obtidos permitiram concluir que o material formado no topo do reator apresenta grande quantidade de óleos & graxas e surfactantes. Os valores encontrados na caracterização da ABES - Associação Brasileira de Engenharia Sanitária e Ambiental 7

8 escuma foram de 2.197ppm de óleos & graxas, 190mgSurfactantes/L, mgDQO/L, 659mgST/L e 454mgSVT/L. CONCLUSÕES Os resultados obtidos nas quatro fases do experimento conduzem à caracterização do comportamento do reator em relação aos parâmetros clássicos do processo, segundo valores similares àqueles propostos pela literatura especializada. A operação com TDH de 5 horas apresentou as melhores eficiências de remoção de matéria orgânica (DQO e SST) em relação às Fases I e II, respaldada pela indicação do teste estatístico t- student. O teste não permitiu que se afirmasse o mesmo em relação à Fase IV. A variação na concentração afluente de DBO entre as fases, quando se obteve para Fase IV uma concetração média de 100mg/L e, a pouca quantidade de dados nas Fases I e II, prejudica a análise estatística. Constata-se a necessidade de se monitorar a unidade, sob estas condições, por um tempo maior, para melhor avaliação do seu desempenho com mais dados de concentrações de DBO. A velocidade ascensional apresenta-se como um importante fator interveniente no desempenho do processo. Sua variação até o limite inferior a 1,0 m/h favoreceu o desempenho da unidade, provavelmente devido a uma maior adsorção e captura de sólidos afluentes na própria manta de lodo. Inversamente, a velocidade ascensional ao limite superior de 1,0 m/h implicou na piora no desempenho da unidade, que pode ter sido responsável pelo aumento na força hidráulica de cisalhamento, promovendo uma desagregação dos sólidos capturados. O reator UASB teve um desempenho satisfatório em todas as fases operacionais. Em relação ao índice de atendimento ao padrão de lançamento e 60mg/L, estes foram atendidos em 100% das concentrações efluentes de SST em todas as fases. No caso das concentrações efluentes de DBO, somente na Fase I o padrão não foi atendido em 100%, apresentando um índice de atendimento de 67%. Mesmo a manta de lodo apresentando uma concentração de sólidos superior a 10%, o desempenho do reator não foi comprometido. Da mesma forma, recomenda-se a continuidade de investigação do reator UASB quando submetido a elevadas acumulações de sólidos na manta de lodo. Trata-se de importante informação para a rotina operacional da unidade, uma vez que a acumulação de sólidos tende por um lado a comprometer a qualidade do efluente tratado, porém, por outro, a sua retirada requer procedimentos de manejo, desidratação e de destinação final do material. A caracterização de escuma permitiu a obtenção de informações adicionais para determinação da melhor forma de condicionamento desse material. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS 1. AWWA/APHA/WEF (1998). Standard Methods for the Examination of Water and Wastewater. 20th edition. Washington. 2. CAMPOS, J. R. (1999). Tratamento de esgotos sanitários por processo anaeróbio e disposição controlada no solo. Rio de Janeiro: PROSAB/ ABES, CHERNICHARO, C. A. L., Reatores Anaeróbios Princípios do Tratamento Biológico de Águas Residuárias. Belo Horizonte: Departamento de Engenharia Sanitária e Ambiental DESA/UFMG, v. 2 a ed. 246p.. 4. DZ-205-R3 - FEEMA - Diretriz de Controle de Carga Orgânica Biodegradável em Efluentes de Origem Não Industrial. 30 Dezembro de MAHMOUND, N.; ZEEMAN, G.; GIJZEN. H.; LETTINGA, G. Solids removal in upflow anaerobic reactors, a review. Bioresource Technology 90 (2003) VAN HAANDEL, A. C.; LETTINGA, G. Tratamento anaeróbio de esgoto. Um manual para regiões de clima quente. Universidade Federal da Paraíba, Campina Grande: UFPb, ABES - Associação Brasileira de Engenharia Sanitária e Ambiental 8