CINÉTICA DA DEGRADAÇÃO BIOLÓGICA EM LODOS ATIVADOS: CFSTR X SBR Carlos Gomes da Nave Mendes (1) Claudia Mayumi Yamassaki (2) Renata Ugliani Henrique Pereira (3) (1) Prof. Assistente Doutor da Faculdade de Engenharia Civil (FEC) - UNICAMP, Departamento de Saneamento e Ambiente, Cidade Universitária Zeferino Vaz, Cx. Postal 6021, Distrito de Barão Geraldo, CEP 13083-970, Campinas - SP, Brasil. fax.: (019) 788-2411; e-mail: cgdanave@fec.unicamp.br. (2) Engenheira Civil, Mestre em Engenharia Civil, Área de Saneamento e Ambiente, FEC - UNICAMP, Departamento de Saneamento e Ambiente, Cidade Universitária Zeferino Vaz, Cx. Postal 6021, Distrito de Barão Geraldo, CEP 13083-970, Campinas - SP, Brasil. fax.: (019) 788-2411. (3) Química, Mestre em Engenharia Civil, Área de Saneamento e Ambiente, FEC - UNICAMP, Departamento de Saneamento e Ambiente, Cidade Universitária Zeferino Vaz, Cx. Postal 6021, Distrito de Barão Geraldo, CEP 13083-970, Campinas - SP, Brasil. fax.: (019) 788-2411. Palavras Chave: lodos ativados; coeficientes cinéticos; parâmetros de projeto; produção de lodo; batelada
OBJETIVO O objetivo do presente trabalho visa o estudo comparativo entre dois tipos de tecnologias de lodos ativados para o tratamento de efluentes líquidos: reatores de fluxo contínuo tipo mistura completa e reatores de lodos ativados de fluxo intermitente, conhecidos como lodos ativados por batelada, em inglês, continous flow stirred tank reactors - CFSTR e sequencial batch reactors - SBR, respectivamente. Com o uso de efluentes líquidos gerados por indústria predominantemente de corantes químicos, serão abordados os seguintes aspectos: Determinação dos coeficientes cinéticos do tratamento biológico pelo método convencional de reatores aeróbios de escoamento contínuo sem recirculação de lodo; Proposição de metodologia para determinação dos coeficientes cinéticos com o uso de reatores de lodos ativados de fluxo intermitente; Comparação entre os resultados de ambas as tecnologias e respectivos parâmetros cinéticos de degradação biológica. METODOLOGIA A primeira fase do estudo experimental foi desenvolvida em seis reatores de aeração tipo mistura completa, de escoamento contínuo, sem recirculação de lodo, alimentados com água residuária de mesmas características qualitativas, porém em vazões diferentes e crescentes, de forma que fossem obtidos diferentes e decrescentes tempos de detenção hidráulico e celular em cada reator. Os reatores foram montados em acrílico, providos de sistema de aeração independente, alimentação contínua proporcionada por bomba peristáltica, extravasor de superfície e descarga de fundo, conforme pode ser visualizado na Figura 1, lado direito. O substrato utilizado e lodo ativado já aclimatado foram obtidos nas instalações do Sistema de Tratamento de Águas Residuárias Industriais e Sanitárias (STAR) da Johann Faber, indústria localizada em São Carlos - SP, cujas instalações encontram-se em funcionamento a seis anos. A alimentação de cada reator foi feita a partir de bequeres contendo o substrato, cujo teor de nutrientes foi corrigido com adição de ureia e sódio fosfato bifásico heptahidratado. O tempo de detenção hidráulico e celular em cada reator foi variado entre 1 e 11 dias, alterando-se o volume e/ou a vazão afluente em cada um, e a operação da instalação perfez um total de 5 semanas para permitir a obtenção das condições de equilíbrio e coleta de amostras para caracterizações e cálculo dos coeficientes cinéticos da água residuária investigada, conforme metodologia clássica, descrita em METCALF & EDDY (1991). Na segunda fase do estudo experimental, foi feita a montagem de cinco reatores de lodos ativados por batelada constituídos de bequeres de 4 litros, providos de sistema de aeração contínua e independente, conforme pode ser visualizado na Figura 1, lado esquerdo, operando com tempos de detenção hidráulicos idênticos, porém, variando-se a idade do lodo entre 2 e 20 dias para cada reator. Os reatores foram operados de maneira idêntica, mantendo-se o mesmo substrato utilizado na primeira fase do trabalho, alterando-se, apenas, o volume de lodo descartado diariamente, para permitir a diferenciação dos tempos de detenção celular em cada reator. Os ciclos de funcionamento dos reatores obedeceram às seguintes operações seqüenciais: Período de Enchimento: instantâneo, correspondente a um volume de 50%, com introdução de aeração; Período de Aeração (Reação): 6 horas com introdução de ar; Descarte de Lodo: com a aeração ligada para proporcionar uma perfeita homogeinização do volume do reator, foram retirados os seguintes volumes de cada reator: - reator 1: 2000 ml, proporcionando uma idade do lodo igual a 2 dias; - reator 2: 1000 ml, proporcionando uma idade do lodo igual a 4 dias; - reator 3: 500 ml, proporcionando uma idade do lodo igual a 8 dias; - reator 4: 300 ml, proporcionando uma idade do lodo igual a 13,33 dias; - reator 5: 200 ml, proporcionando uma idade do lodo igual a 20 dias; Período de Sedimentação: 1,5 horas, com interrupção da aeração; Descarte de Sobrenadante: feito até o nível médio dos reatores, preservando-se o volume de lodo sedimentado; Período de Repouso: 16,5 horas com aeração, completando-se o tempo de um ciclo completo de 24 horas.
FIGURA 1 - Fotografia dos reatores de lodos ativados de fluxo contínuo sem recirculação de lodo (direita) e de fluxo intermitente ou batelada (esquerda). A operação dos reatores procedeu-se por um período de 20 dias para obtenção das condições de equilíbrio em cada reator e coleta de amostras para caracterização e determinação dos coeficientes cinéticos. RESULTADOS Tendo como objetivo a determinação das constantes cinéticas de biodegradação aeróbia do despejo, o que só é possível em condições de equilíbrio e regime permanente em termos de sólidos biológicos e consumo de substrato no interior dos reatores, foram monitorados os valores de SST (sólidos suspensos totais), SSF (sólidos suspensos fixos), SSV (sólidos suspensos voláteis), IVL (índice volumétrico de lodo), ph e Temperatura, para cada reator contínuo e batelada, durante período de funcionamento superior ao do maior período de detenção hidráulico em operação. Nos reatores de fluxo contínuo, os valores de SSV, admitidos como correspondentes à fração ativa de microrganismos presentes em cada reator (SSV = X), como era esperado, sofreram uma queda assintótica com o decorrer do período de funcionamento dos mesmos, tendendo a valores próximos a estabilidade. Para os reatores com tempo de detenção maior, o período de operação para a estabilização foi maior. As coletas dos reatores para determinação dos parâmetros cinéticos, foram determinadas em função da DBO 5 filtrada (filtro GF/C - 47 mm), respectivamente para as amostras de afluente (S 0 ) e efluente (S) dos reatores. Os dados obtidos para os reatores de escoamento contínuo são mostrados no Quadro 1 e Figuras 2 e 3, QUADRO 1 - Valores obtidos experimentalmente para os reatores contínuos, após obtenção das condições de equilíbrio.
Nota a : Valores excluídos das determinações dos coeficientes cinéticos devido a possíveis erros analíticos ou operacionais. QUADRO 2 - Valores obtidos experimentalmente para os reatores batelada, após obtenção das condições de equilíbrio.
onde são traçadas as retas que melhor se ajustaram aos dados experimentais, utilizando-se o método dos mínimos quadrados. As constantes cinéticas puderam ser determinadas para os reatores investigados, resultando nos valores apresentados no Quadro 3. FIGURA 2 - Resultados experimentais que permitem a determinação de K s e k para o uso de reatores de lodos ativados de fluxo contínuo sem recirculação. FIGURA 3 - Resultados experimentais que permitem a determinação de Y e k d para o uso de reatores de lodos ativados de fluxo contínuo sem recirculação.
FIGURA 4 - Resultados experimentais que permitem a determinação de K s e k para o uso de reatores de lodos ativados intermitentes. FIGURA 5 - Resultados experimentais que permitem a determinação de Y e k d para o uso de reatores lodos ativados intermitentes.
QUADRO 3 - Coeficientes cinéticos da degradação biológica em reatores de lodos ativados, obtidos através da metodologia proposta para água residuária de origem industrial contendo corantes químicos. TIPO DE REATOR k (d -1 ) K s (mg/l) Y k d (d -1 ) u m (d -1 ) Fluxo Contínuo 1,54 23,2 0,81 0,012 1,25 Fluxo Intermitente 5,34 76,9 0,30 0,012 1,60 Nos reatores de lodos ativados por batelada, apesar da operação intermitente, os resultados demonstraram clara tendência à estabilização dos sólidos biológicos presentes nos cinco reatores. A inoculação de lodo aclimatado ao despejo, trazido do STAR - JF, em teor superior ao de equilíbrio em cada reator, proporcionou sua diminuição assintótica, cuja velocidade foi inversamente proporcional ao tempo de detenção celular correspondente em cada reator. Os resultados finais desta série são mostrados no Quadro 2 e Figuras 4 e 5, além do Quadro 3, que contempla os resultados das constantes cinéticas determinadas. CONCLUSÕES Os coeficientes cinéticos de biodegradação aeróbia do despejo de origem industrial utilizado como substrato, determinados em reatores de lodo ativado de escoamento contínuo sem recirculação de lodo, conforme metodologia clássica, apresentaram grandes discrepâncias em relação aos valores obtidos para os reatores de escoamento intermitente. Portanto, a aplicabilidade desses parâmetros é limitada quando se trata de reatores por batelada; É possível, através da metodologia proposta e utilizada para reatores de lodos ativados de fluxo intermitente, estabelecer condições próximas às de equilíbrio (regime permanente), permitindo a determinação de coeficientes cinéticos que melhor representem as relações de consumo de substrato e geração de lodo biológico nesse tipo de reatores; A taxa de geração de lodo biológico em relação à quantidade de substrato utilizada é muito inferior em reatores de fluxo intermitente quando comparada a reatores de fluxo contínuo, ambos de lodo ativado. No presente trabalho, para o substrato utilizado, a relação entre esses valores foi de 1 para 2,7, respectivamente, ou seja, uma diferença de 170%. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS ARORA, M. L., BARTH, E. F., UMPHRES, M. B. Tëchnology evatuation of sequencing batch reactors. Journal WPCF v.57, n. 8, p. 867-875, august, 1985. CHERNICHARO, C. A. L, von SPERLING, M., Considerações sobre o dimensionamento de sistemas de lodos ativados de fluxo intermitente (batelada), 17 o. Congresso Brasileiro de Engenharia Sanitária e Ambiental, Natal - RN, v. 2, Tomo I, p. 118-129, 1993. IRVINE, R. L., KETCHUM, L. H., ARORA, M. L., BARTH, E. F. An organic loading study of full-scale sequencing batch reactors. Journal WPCF. v.57, n.8, p.847-853, august, 1985. MENDES, C. G. N. Modelação Matemática para projeto e operação de reatores intermitentes de lodos ativados. XXV Interamerican Congress of Sanitary Engineering and Environmental Sciences, México, D. F., novembro, 1996. METCALF & EDDY. Watewater Engineering: Treatment, Disposal and Reuse. 3 a. ed. New York: Mc Graq- Hill, 1991. p.83, 90-93, 364-369, 374-377, 384-389, 531-546, 1265-1266, 1275-1277. ISBN 0-07-100824-1. PIRES, M. R. & FIGUEIREDO, R. F. Effect of fill time duration on the sequencing batch reactor. In: Worldwide Symposium: Pollution in Large Cities. Párdua, Itália, 22 a 25 de fev., 1995.