II-058 AVALIAÇÃO DO DESEMPENHO DO REATOR UASB NA DESNITRIFICAÇÃO DE ÁGUAS RESIDUÁRIAS DOMÉSTICAS.

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1 II-058 AVALIAÇÃO DO DESEMPENHO DO REATOR UASB NA DESNITRIFICAÇÃO DE ÁGUAS RESIDUÁRIAS DOMÉSTICAS. José Tavares de Sousa (1) Mestre em Engenharia Civil, UFPB (1986), Doutor em Hidráulica e Saneamento, USP (1996). Professor do Departamento de Química Universidade Estadual da Paraíba (UEPB). Coordenador do PRODEMA, UFPB/UEPB. Keliana Dantas Santos Mestranda em Desenvolvimento e Meio Ambiente - PRODEMA UFPB/UEPB Maria José Comandante Costa Mestranda em Desenvolvimento e Meio Ambiente - PRODEMA UFPB/UEPB Pollyanna Leite Ferreira da Costa Química Industrial PIBIC/CNPq/UEPB Mariaugusta Ferreira Mota Aluna de Química PIBIC/CNPq/UEPB Endereço (1) : Rua Basílio Araújo, 836- Catolé- Campina Grande. Paraíba - CEP: jtdes@uol.com.br RESUMO O reator UASB tem sido utilizado, com muita freqüência, no tratamento de águas residuárias para a remoção de material carbonáceo, sobretudo, para efluente com altas concentrações. O presente trabalho teve como objetivo estudar a viabilidade de ocorrência do processo de metanização e desnitrificação no mesmo reator. O experimento foi instalado e conduzido na área pertencente à Companhia de Águas e Esgotos do Estado da Paraíba (CAGEPA), onde está localizada a Estação de Tratamento Biológico de Esgotos (EXTRABES) e o laboratório do grupo de pesquisa do Programa de Pesquisa em Saneamento Básico (PROSAB). Foram investigados os seguintes parâmetros: DQO, ph, alcalinidade, ácidos graxos voláteis, nitrogênio kjdahlel, nitrogênio amoniacal, nitrato e nitrito. Durante os seis meses de operação a eficiência de remoção de nitrato e nitrito, ocorridos no reator UASB, manteve-se na média de 68%. Portanto, o material orgânico presente no reator se apresenta como uma boa fonte externa de carbono para a desnitrificação de esgotos domésticos. A concentração efluente de ácidos graxos voláteis presente no reator, após a desnitrificação, manteve-se praticamente igual à concentração afluente. Assim, o material orgânico utilizado no processo de desnitrificação deve ser oriundo da fração solúvel e rapidamente biodegradável do lodo existente no próprio reator UASB. Quando submetido a ambiente anóxico, é oxidado através da redução de nitrato e a fração restante do material solúvel é utilizada na síntese, incorporada aos organismos desnitrificantes. PALAVRAS-CHAVE: Fonte de carbono, processo de desnitrificação, reator UASB INTRODUÇÃO O processo de desnitrificação consiste na redução de nitrato a nitrogênio molecular, essa redução acontece associada ao ganho de elétrons. As bactérias heterotróficas utilizam carbono orgânico com fonte doadora de elétrons. No caso de esgotos sanitários já tratados em reator anaeróbio, não há disponibilidade de matéria orgânica como fonte de carbono suficiente para que ocorra a desnitrificação, portanto, exige uma fonte externa de carbono orgânico. Muitas bactérias consideradas facultativas desnitrificantes, são heterotróficas em ambiente anaeróbio, oxidam matéria orgânica utilizando nitrato como receptor terminal de elétrons. No tratamento de esgoto sanitário, a desnitrificação ocorre, geralmente, por ação de bactérias heterotróficas que, nesse caso, apresentam maior taxa min de crescimento, assumindo assim um θ c, menor quando comparadas com as bactérias autótrofas. STENSEL et al. (1973) encontraram um tempo de retenção celular mínimo (θ min c ) de aproximadamente 0,5 dias, entre 30 C e 20 C. Verificaram, ainda, que decrescendo a temperatura para 10 C, o crescimento da biomassa diminui e o θ min c permanecia em torno de 2 dias. ABES - Associação Brasileira de Engenharia Sanitária e Ambiental 1

2 GRADY Jr. & LIM (1980) de uma forma simplificada, mostraram que a redução do nitrato ocorre em etapas seqüenciais, conforme a seqüência (1): Estados de oxidação NO 3 - NO 2 - NO N 2 O N (1) As duas etapas iniciais são bastante estudadas. A primeira é a redução de nitrato para nitrito mediada pela enzima nitrato redutase, a segunda é a redução do nitrito pela enzima nitrito redutase. Na verdade, a completa conversão de NO 3 - a nitrogênio molecular se processa através de uma microbiota desnitrificante constituída de vários grupos de microrganismos. A desnitrificação pode ser realizada por considerável número de gênero de bactérias. Muitas bactérias heterotróficas, que oxidam anaerobiamente matéria orgânica usando NO 3 - como receptor terminal de elétrons, funcionam como facultativas desnitrificantes (Sousa, 1996). RITTMAN & LANGELAND (1985) apud SOUSA & FORESTI(1999) apresentaram os seguintes gêneros de bactérias que realizam desnitrificação: Pseudomonas, Achromobacter, Alcaligenes, Bacillus, Micrococcus, Proteus, Hiphomicrobium, Chromobacterium, Halobacterium, Moraxella, Neisseria, Paracoccus, Azospirillum, Rhodopseudomonas, Thiobacillus, Vibrio, Xanthomonas e Klebsiella. Nesse contexto, o objetivo desse trabalho foi avaliar o potencial de metanização e desnitrificação no mesmo reator UASB, sem a utilização de outra fonte de carbono. MATERIAL E MÉTODOS O experimento foi conduzido na área pertencente à Companhia de Águas e Esgotos do Estado da Paraíba (CAGEPA), município de Campina Grande PB, com coordenada geográfica de 7 O 13 S e 35 O.52 W e altitude de 550 m, onde está localizada a Estação Experimental de Tratamento Biológico de Esgotos Sanitários (EXTRABES) e os laboratórios do grupo de pesquisa do Programa de Pesquisa em Saneamento Básico (PROSAB). O sistema de tratamento constitui-se de um reator anaeróbio tipo UASB seguido de um reator de nitrificação (Bernet et al., 1997). O efluente nitrificado era transferido através de bomba de pulso para o reator UASB onde ocorria a desnitrificação. ABES - Associação Brasileira de Engenharia Sanitária e Ambiental 2

3 8cm 1 6L 35cm 19cm 10cm 82cm 50cm 15cm 2 3,5L 131cm 3 3,5L 2,5L 93cm U A S B Afluente Figura- 1 Esquema do sistema de tratamento 1: receptor de efluente anaeróbio, funciona como tanque de equalização 2: reator de nitrificação 3: receptor de efluente desnitrificado A pesquisa foi desenvolvida da seguinte forma: o reator UASB com 7,2 L de volume útil e TDH de 12 horas, foi alimentado na sua base inferior com uma vazão de 0,60 L/hora. No reator de nitrificação a concentração de oxigênio dissolvido foi mantida na média de 6,0 mg O 2 / L. A cada dois dias o reator UASB era alimentado com efluente nitrificado que funcionava como reator de desnitrificação. Foram analisados, DQO, alcalinidade, ph, temperatura, nitrogênio kjeldahl, N-amoniacal, nitratos, nitritos, ácidos voláteis total, sólidos e suas frações, fósforo total e ortofosfatos, para o afluente e para o efluente. Com relação ao lodo, foram determinadas as frações de sólidos voláteis e dissolvidas do lodo aeróbio e anaeróbio. Todas as determinações seguiram recomendações do APHA (1995) APRESENTAÇÃO E DISCUSSÃO DOS RESULTADOS Os principais resultados obtidos durante a fase experimental estão apresentado na Tabela 1. Observa-se que no reator de nitrificação ocorreu consumo de alcalinidade, como a alcalinidade afluente era alta o ph manteve-se constante, já na desnitrificação ocorreu consumo de acidez, a alcalinidade aumentou conjuntamente com o aumento do ph. + NO3 + 1, 08CH3OH + H 0, 065C5H 7O2N + 0, 47N 2 + 0, 76CO2 + 2, 44H2O. (2) De acordo com a equação (2), o processo de desnitrificação acontece com um consumo de 1 mol de íons hidrogênio por mol de nitrato reduzido ou equivalente. Estequiometricamente, cada mol de nitrogênio na forma de nitrato reduzido (14g N) produz 50g de alcalinidade a CaCO 3 ( 1 mol de H + ). Dessa forma, o processo de desnitrificação aumenta a alcalinidade (50/14) de 3,57mg CaCO 3 por mg de nitrogênio reduzido na forma de nitrato (van Haandel e Marais, 1999). ABES - Associação Brasileira de Engenharia Sanitária e Ambiental 3

4 Observa-se na Tabela 1 que a massa de Demanda Química de Oxigênio removida por unidade de massa de N-NO 3 removida cresceu, a relação, foi iniciada com 7 e terminou com 12. Segundo Çeçen & Gonenç (1992) a maior taxa de remoção de nitrogênio ocorre quando a relação DQO/ N-NO 3 é maior ou igual a 5. A eficiência de remoção de nitrato foi de 65%, o efluente coletado do reator UASB apresentou apenas 8% de remoção ácidos graxos voláteis (AGV), conforme valores afluentes e efluentes apresentados, supostamente esse material solúvel presente no efluente pouco contribuiu com o processo de desnitrificação. Nesse processo, as bactérias heterotróficas utilizam carbono orgânico como fonte doadora de elétrons. No caso de esgoto sanitário já tratado (tratamento secundário), como este não dispõe de carbono orgânico rapidamente biodegradável suficiente, exige-se uma fonte externa de carbono. Nesse caso, entende-se que, apenas a DBO dissolvida presente no lodo anaeróbio participa do processo de desnitrificação. Supostamente a fração solúvel e rapidamente biodegradável do lodo anaeróbio presente na reator UASB, quando submetido ao ambiente anóxico, é oxidado por meio da redução do nitrato e a fração restante do material solúvel é utilizada na síntese, incorporados aos organismos desnitrificantes, por outro lado, a fração do material particulado (lentamente biodegradável) sofre processo de solubilização, em seguida sofre fermentação, produzindo compostos reduzidos como ácidos voláteis. Esse material fermentado quando em contato com o nitrato presente no sistema ocorre a desnitrificação. Portanto, no caso especifico do lodo anaeróbio, quando o material solúvel rapidamente biodregardável é esgotado, a taxa de desnitrificação é limitada pela taxa de hidrólise do material orgânico particulado (Sousa &.Foresti, 1999). Tabela 1- Valores médios de dez determinações dos parâmetros analisados durante os seis meses de operação do sistema Parâmetros Esgoto Bruto Efluente UASB RN RD x δ x δ x δ x δ ph 6,5 a 7,0 7,0 a 7,2 7,0 a 7,3 7,2 a 7,5 Alcalinidade 246 ± ±15,0 146 ± ± 15 (mgcaco 3. L -1 ) AGV 94 ± 8,0 68 ± 12,0 99 ± ± 13 (mg HAc. L -1 ) DQO 575 ± ± ± ±80 (mgdqo. L -1 ) NTK 59,6 ± 17,0 44,2 ± 5,0 10,5 ± 3,0 9,3 ±4,0 (mgntk.l -1 ) N-amoniacal 44,2 ± 5,0 10,9 ±3,0 4,4 ±2,0 4,0 ± 1,9 (mg N-NH 4. L) Nitrato ,7 ±8,3 8,4 ±1,8 (mgn-no 3. L -1 ) Nitrito (mgn-no 2. L -1 ) ,0 ±2,0 1,0 ± 0,8 UASB: reator anaeróbio de fluxo ascendente com manta de lodo; RN: reator de nitrificação; RD: reator de desnitrificação O processo de desnitrificação, de forma geral, reduz nitrato (N - NO 3 - ) a gás nitrogênio (N 2 ). Essa redução é uma alternativa da respiração biológica que resulta na remoção de nitrogênio. Nesse processo, o oxigênio molecular (O 2 ), estando presente no meio, funciona como inibidor. As bactérias desnitrificantes utilizam preferencialmente o oxigênio molecular que compete com o nitrato na função de receptor de elétrons. Dessa forma, a desnitrificação só pode ocorrer em ambiente anóxico. Na desnitrificação ocorre a redução de nitrato a nitrogênio molecular (N 2 ) com obtenção de energia do material orgânico. Os organismos heterótrofos desnitrificantes necessitam de doadores de elétrons para assim processar a redução do nitrato. Por isso, a baixa disponibilidade de elétrons em compostos orgânicos (fonte de carbono) é um fator limitante no processo de desnitrificação. As bactérias responsáveis pela desnitrificação são anaeróbias facultativas. Essas, são organismos autótrofos e heterótrofos. As principais bactérias facultativas heterotróficas capazes de realizar a desnitrificação pertencem aos seguintes gêneros: Pseudomonas, Micrococcus, Achromobacter, Bacillus e Spirillum. ABES - Associação Brasileira de Engenharia Sanitária e Ambiental 4

5 Figura 2- Comportamento da contração de nitrato afluente e efluente, durante o período experimental. Observa-se na Figura 2 que a concentração afluente de nitrato (N-NO 3 - ), durante a fase experimental, variou de 10 a 35mg/L enquanto a concentração efluente manteve-se entre 3 e 18mg/L. A remoção média na desnitrificação foi de 65%. Teoricamente, durante o processo de desnitrificação ocorre geração de alcalinidade. Os resultados apresentados na Tabela 1 confirmam que ao longo do período experimental a produção de alcalinidade foi de 54 mg CaCO 3. L -1 esse valor é um tanto inferior ao valor teórico. A redução de nitrato durante o período experimental foi de 16,3 mg. L -1 de nitrato, teoricamente, [16,3mg N- NO 3 - x 3,57mg CaCO 3.( mg N-NO 3 ) -1 ] a alcalinidade produzida deveria ser 58,20 mg CaCO 3. Com relação à remoção de N-NTK parte da diminuição deste pode ser atribuída ao processo de assimilação na forma de nitrogênio amoniacal e na forma de nitrato pela biomassa do reator UASB e uma outra fração de decaimento deve-se a própria biomassa no reator de nitrificação. CONCLUSÕES Durante os seis meses de operação, a eficiência de remoção de nitrato e nitrito, ocorridos no reator UASB, permaneceu na média de 68%. Portanto, o material orgânico presente do reator se apresenta como uma boa fonte externa de carbono para a desnitrificação de esgotos domésticos. A concentração efluente de ácidos graxos voláteis presente no reator, após a desnitrificação manteve-se praticamente igual à concentração afluente e, nesse sentido, a eficiência de remoção de nitrato é função da concentração de sólidos suspensos voláteis presente no lodo do reator UASB. Dessa forma, o material orgânico existente no próprio reator funcionou como fonte de carbono adequada para o processo de desnitrificação. A produção de alcalinidade, observada durante o processo de desnitrificação, não provocou variação do ph, portanto, o efluente nitrificado apresentava boa capacidade de tamponamento. AGRADECIMENTOS Os autores agradecem ao CT-Hidro, ao CNPq, BNB, à Companhia de Águas e Esgotos da Paraíba CAGEPA, à EXTRABES e ao Programa de Pesquisa em Saneamento Básico PROSAB. ABES - Associação Brasileira de Engenharia Sanitária e Ambiental 5

6 REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS 1. APHA. AWWA.WPCF. Standard methods for the examination of water and wastewater. 15 ed. Washigton, DC: American Public Health Association. American Water Works Association, Water Pollution Control Federation, 1995, 1134p. 2. BERNET, N.; DELGENES, J.; STEYER, J.P.; MOLETTA, R. Combined organic carbon and nittogen removal from piggery wastewater using anaerobic and aerobic SRB. In: 8 th INTERNATIONAÇL CONFERNCE ON ANAEROBIC DIGESTION, may 1997, Sendai. Proceedings... Sendai, v.3, p ÇEÇEN, F.; GONENÇ, I.E. Nitrification-denitrification of high-strength nitrogen waste in two upflow submerged filters. Water Science Technology, loudon, v.26, n.9/11, p , ETENSEL, H.D LOEHR, R.C. LAWRENCE, A.W. Biological kinetics of suspended- Growth denitrification. Jounal Water Pollution Control. V. 45, n. 2, p , feb SOUSA,. J.T. de ; Foresti, E. Utilização de lodo anaeróbio como fonte de exrterna de carbono no processo de desnitrificação de águas residuárias. Revista brasileira de Engenharia Agricola e Ambiental. Campina Grande. v.3, n.1. p69-73, ABES - Associação Brasileira de Engenharia Sanitária e Ambiental 6