NITRIFICAÇÃO E REMOÇÃO CARBONÁCEA EM RLFSB NO TRATAMENTO DE ESGOTO URBANO AO LONGO DE UMA BATELADA. Alvís Fabiula Bortolotto* Engenheira Sanitarista pela UFSC, mestranda do Programa de Pós-Graduação em Engenharia Ambiental, do Dep. de Engenharia Sanitária e Ambiental (UFSC), Brasil. Rosane Hein de Campos Pós-Graduação em Engenharia Ambiental, do Dep. de Engenharia Sanitária e Ambiental (UFSC), Brasil. Felipe Castellani Thans Curso de Graduação em Engenharia Sanitária e Ambiental da UFSC, Brasil. Rejane Helena Ribeiro da Costa Departamento de Engenharia Sanitária e Ambiental da UFSC, Brasil. Endereço: Universidade Federal de Santa Catarina, Centro Tecnológico, Departamento de Engenharia Sanitária e Ambiental - UFSC/CTC/ENS.Campus Universitário - 881-97 - Trindade - Florianópolis - SC - Brasil. Telefone: (48) 331-7738- Fax: (48) 234-6459 - E-mail: afabiula@terra.com.br e rejane@ens.ufsc.br RESUMO Este trabalho avalia o comportamento de um reator de leito fluidizado seqüencial em batelada (RLFSB), em escala piloto, no tratamento de esgoto urbano, visando a remoção da matéria carbonácea e nitrogenada. Utilizou-se como material suporte o PVC, com densidade de 1329 Kg/m 3 e diâmetro médio de 4,2 mm. O reator possui um volume de 13 L e foi operado em ciclos de 12 horas, quando foram monitorados os seguintes parâmetros: DQO, amônia, nitrito, nitrato, ph, temperatura, ORP e alcalinidade. São apresentados os resultados ao longo de uma batelada padrão. Constatou-se que a oxidação e conversão da matéria carbonácea biodegradável foram realizadas principalmente na primeira hora da batelada. A completa nitrificação do efluente ocorreu após 6 horas de início da batelada. O RLFSB produz um efluente de ótima qualidade, com concentrações de DQO e de nitrogênio amoniacal inferiores a 6 mg/l e 5 mg/l, respectivamente. Parâmetros como ph e o oxigênio dissolvido se mostraram muito importantes para o controle efetivo do final da nitrificação, podendo ser usados como ferramenta para a otimização do funcionamento do reator. PALAVRAS-CHAVE: Biofilme, esgoto urbano, leito fluidizado, nitrificação, tratamento. 1. INTRODUÇÃO Os processos biológicos de tratamento de efluentes podem utilizar biomassa suspensa ou biomassa fixa, de acordo com a locação dos microorganismos envolvidos no tratamento. A remoção de nitrogênio de águas residuárias é freqüentemente feita pelo processo biológico de nitrificação-desnitrificação e ocorre em três estágios: a conversão do nitrogênio orgânico para amônia (amonificação), a oxidação da amônia a nitrato na presença de oxigênio (nitrificação) e por fim, a conversão de nitrato a nitrogênio gasoso utilizando um composto orgânico como agente redutor na ausência de oxigênio (desnitrificação) (CYBIS & PICKBRENNER, 2). A nitrificação é representada pelo lento crescimento de bactérias autotróficas aeróbias. Para isso, é necessária grande quantidade de oxigênio e alcalinidade. Portanto um processo é útil quando: mantém lento o crescimento bacteriano no sistema; permite uma efetiva transferência de oxigênio; e reage tolerantemente comparado com as variações de cargas afluentes (BEHRENDT, 1999). Os processos com biofilmes foram aplicados inicialmente para remover o carbono, porém, avanços nas pesquisas mostram sua utilização na remoção do fósforo e do nitrogênio (RYHINER et al.,1992).
Entre os reatores de biomassa fixa, destacam-se os reatores de leito fluidizado trifásico, cuja operação em contínuo permite tratar elevadas cargas orgânicas (> 1 kgdqo/m 3.dia), com baixa produção específica de lodo, (<,5 mgproteínas/ mgdqo removida ) (HEIN DE CAMPOS, 21, MARTINS, 23). Por outro lado, o tratamento de águas residuárias em reator seqüencial em batelada (RSB) tem despertado interesse recentemente, devido à redução de custos que este sistema oferece em relação aos processos contínuos de lodos ativados. Várias estratégias de operação têm sido propostas para o tratamento de águas residuárias, com o fim de obter, em um ciclo de operação, remoção de matéria carbonácea e de nutrientes fósforo e nitrogênio, este nas várias formas, (SHEKER et al., 1993; MORGENROTH & WILDERER, 1998; Van LOOSDRECHT & JETTEN, 1998; LEE et al., 1997). O processo do RSB utiliza reator simples ou reatores múltiplos operados em paralelo. É realizado em ciclos, com diferentes fases: enchimento, reação, clarificação, retirada do efluente e repouso (ARTAN et al., 21). Na fase de enchimento, o esgoto é o alimento do reator. Antes de começar o enchimento já existe no reator a biomassa que permaneceu da fase anterior. Depois do enchimento, vem a fase de reação, onde o líquido é misturado e/ou aerado. Nesta etapa ocorrem diferentes reações, que podem ser anaeróbias, aeróbias e anóxicas, de acordo com o objetivo do processo biológico. Após esta etapa ocorre a fase de retirada, o efluente clarificado é removido. O líquido remanescente permanece no reator em repouso até o começo do próximo ciclo. A duração de cada ciclo é préselecionada, sendo usualmente maior do que o tempo necessário para o tratamento de água residuária (CHANG et al., 2). A opção de combinar as vantagens da tecnologia do RSB com sistema de biomassa fixa é uma possibilidade para o tratamento de efluentes ainda pouco investigada (ORHON et al., 22). Experimentos em regime de batelada, com variações da concentração do substrato e volume de bio-partículas, foram executados em reator biológico de leito fluidizado trifásico (RLFSB), no tratamento de esgoto, para a oxidação da matéria orgânica e nitrogênio simultaneamente (AURESENIA et al., 1999). BARBOSA et al. (23) efetuaram ensaios em RLFSB, utilizando o PET como material suporte, verificando a eficiência do tratamento para remoção de matéria carbonácea (DQO) e nutrientes, testando diferentes estratégias operacionais para os períodos com e sem aeração dos ciclos. Os resultados evidenciaram a possibilidade de utilização desse tipo de reator desde que parâmetros operacionais, tais como ph, OD e relação DQO/N/P sejam otimizados. Este trabalho tem como objetivo verificar a eficiência de um reator de leito fluidizado seqüencial em batelada (RLFSB) para o tratamento de esgoto urbano, monitorando seu desempenho quanto à remoção da DQO e medindo o processo de nitrificação, ao longo de um ciclo operacional. 2. MATERIAIS E MÉTODOS 2.1. REATOR DE LEITO FLUIDIZADO SEQÜENCIAL EM BATELADA (RLFBS) O reator piloto de leito fluidizado seqüencial em batelada (RLFSB), fluxo ascendente, é constituído por uma coluna cilíndrica em acrílico transparente de 2 cm de altura e 9 cm de diâmetro interno, com volume de 12 L. Na parte inferior situa-se um dispositivo em PVC, com aberturas para a entrada do efluente líquido e do ar. Para a entrada de ar foi acoplado uma membrana de bolhas finas. A linha de ar comprimido é provida de filtro, válvula reguladora de pressão e rotâmetro para medição de vazão. Na sua parte superior situa-se a zona de tranqüilização que permite a separação das fases líquida e gasosa, constituída em acrílico transparente com volume de 16 L; deste é encaminhado para o tanque de recirculação com volume de 75 L, seguindo para o reator novamente, com o objetivo de manter o suporte em fluidização. O material suporte utilizado foi o PVC, apresentando densidade de 1329 Kg/m 3, e diâmetro médio de 4,2 mm, tratado com solução de ácido nítrico a 65%, com a finalidade de promover maior rugosidade e aderência do biofilme. Na Figura 1 apresenta-se o esquema do RLFSB.
Figura 1: Representação esquemática do RLFSB. 2.2 Operação do Reator O RLFSB foi alimentado com esgoto urbano proveniente do Bairro Pantanal, Florianópolis/SC. O esgoto era coletado na rede pública, sendo bombeado até o tanque de alimentação onde se aguardava 15 minutos para decantação, e então, era enviado para o reator. Este operou em contínuo durante 4 dias com o propósito de desenvolver o biofilme no meio suporte. Após este período, o RLFSB foi submetido a ciclos de operação prédeterminados, realizando-se dois ciclos diários de 12 horas. Cada ciclo operacional era composto por três fases distintas: Enchimento (15 min.) - o volume de alimentação era de 3 % do volume total de tratamento, correspondendo a 32 L; Reação (11h e 4min.)- ocorria a mistura do líquido, fluidização do leito e injeção de ar; Retirada (5 min.)- o descarte correspondia a 3 % (32 L), do efluente clarificado. O restante do líquido tratado e a biomassa fixa no material suporte permaneciam no reator para o próximo ciclo. Foi adicionado a cada ciclo cerca de 7,14 mg Bicarbonato de Sódio NaHCO 3 /mg N-NH 4 oxidado, para que o processo de nitrificação não fosse limitado pela alcalinidade. A cada ciclo eram coletadas amostras do esgoto bruto, do licor misto e do efluente final clarificado. 2.3 Métodos Analíticos O acompanhamento do reator foi feito através de sonda multiparâmetros YSI 692 registrando medições de ph, oxigênio dissolvido (OD), temperatura e potencial redox (ORP). Em paralelo foram realizadas análises de: amônia (método colorimétrico de Nesller), nitrito (método colorimétrico da alfanaftilamina ), nitrato (método colorimétrico da brucina), demanda química de oxigênio (DQO, método colorimétrico em refluxo fechado) total e filtrada em papel filtro Whatmann 4 e alcalinidade (método titulométrico com fenolftaleína e alaranjado de metila). Todas essas metodologias seguem os métodos padrões do Standard Methods (APHA, AWWA, WEF, 1998). 3. RESULTADOS E DISCUSSÕES Foram realizadas 28 bateladas, durante as quais o reator se mostrou em regime estacionário de funcionamento. São apresentados os resultados obtidos em uma batelada padrão, em ciclo de 12 horas. Os resultados obtidos (Figura 2) durante esta operação do sistema mostram que a remoção da matéria orgânica ocorreu praticamente no início da
batelada. Analisando-se o gráfico, verifica-se ocorreu remoção da DQO em cerca de 74% na primeira ½ hora do ciclo e de aproximadamente 9% ao final da primeira hora, permanecendo praticamente constante até o final do ciclo, indicando que o processo de remoção de matéria orgânica foi bastante eficiente. No RLFSB a demanda química de oxigênio solúvel afluente é reduzida, em parte, através do efeito diluição à medida que o esgoto é introduzido no reator (o volume recirculado entre bateladas é responsável por este efeito) e pelo processo de oxidação biológica aeróbia. DQO (mg/l) 3 25 2 15 1 5 : -EB1:12 2:24 3:36 4:48 6: 7:12 8:24 9:36 1:48 12: Horário de Coleta (hora:minuto) Figura 2 - Comportamento da DQO ao longo do tempo para uma batelada. A Figura 3 apresenta os resultados obtidos para os compostos de nitrogênio ao longo da batelada. Observa-se que nos primeiros 3 minutos ocorre a queda brusca da amônia, devido à diluição do esgoto afluente com o esgoto remanescente no reator. A partir deste tempo, a concentração de amônia diminui, enquanto a concentração de nitrato apresenta um aumento, indicando o inicio do processo de nitrificação. A concentração de nitrito se mantém praticamente constante, apenas com um pequeno aumento a partir de 4: horas de operação. Devido a baixa produção de nitrato, a maior contribuição para remoção do nitrogênio amoniacal ocorreu em função do consumo pela biomassa e da adsorção aos flocos (SHARMA e AHLERT, 1997). A eficiência de remoção de amônia foi de 99%, após 8 horas de funcionamento do ciclo. Concentração (mg/l) 4 35 N-NH4 N-NO2 N-NO3 3 25 2 15 1 5 Horário de Coleta (hora:minuto) Figura 3 - Variação da concentração de amônia, nitrito e nitrato ao longo da batelada. AURESENIA et al. (1999) também constataram remoção e estabilização da matéria carbonácea (Carbono Orgânico Total, COT) e da amônia (N-NH 4 ) a partir das primeiras horas do ciclo em RLFSB. Esses autores verificaram que havia inibição do processo de nitrificação quando o carbono orgânico inicial era elevado (> 5 g/m 3 ), as concentrações de amônia permaneciam constantes até que todo o COT fosse consumido, ou ficasse estável em níveis baixos. As Figuras 4 a 6 apresentam os perfis temporais para a batelada quanto ao monitoramento contínuo, efetuado com a sonda YSI 692, dos parâmetros ph, OD e potencial redox. A Figura 7 apresenta o comportamento da alcalinidade ao longo da batelada.
7,8 7,7 7,6 ph 7,5 7,4 7,3 7,2 Figura 4 - Perfil de ph ao longo da batelada. OD (mg/l) 7 6 5 4 3 2 1 Figura 5 - Perfil de OD ao longo da batelada. 15 1 ORP (mv) 5 : -5 1:12 2:24 3:36 4:48 6: 7:12 8:24 9:36 1:48 12: -1-15 Figura 6 - Perfil do potencial redox ao longo da batelada. Alcalimidade (mg CaCO3/L) 25 24 23 22 21 2 19 18 17 16 15 Figura 7 - Comportamento da alcalinidade ao longo da batelada.
Devido à adição do bicarbonato de sódio ao esgoto bruto em quantidade suficiente para tamponar o meio e manter o ph entre 7, e 8,, este sofre um pequeno aumento no início da batelada (Figura 4). Verifica-se que quando o processo de nitrificação se inicia (Figura 3), o ph decresce (Figura 4) e o ORP aumenta (Figura 6), devido ao consumo da alcalinidade (Figura 7) e oxidação da amônia (Figura 3). Observa-se que o valor do ph continua a aumentar e a alcalinidade mantém uma estabilidade, quando praticamente toda amônia já foi oxidada (9:36 horas da batelada). Neste momento também a concentração de OD (Figura 5) que vinha aumentando gradativamente desde o início da batelada, sofre um aumento de 5, mg/l para 6, mg/l. Este aumento abrupto indica o fim da oxidação da amônia pelas bactérias nitrificantes, e é chamado como o break point da nitrificação (HAO e HUANG, 1996; CYBIS, 1993). Este comportamento também foi observado por HOFFMANN et al. (24) em reator seqüencial de batelada (RSB) do tipo lodo ativado. Outra observação importante é que no instante próximo às 6: horas da batelada, tanto para o ph como para o OD e ORP surge um ponto de inflexão, exatamente no momento em que a concentração de amônia é inferior a concentração de nitrato e de nitrito. Observações similares foram feitas por CYBIS (1993) no momento em que ocorreu o processo de nitrificação total. A alcalinidade total em nenhum momento assumiu valores capazes de reduzir a ação de microrganismos envolvidos no tratamento de esgoto. Segundo Van HAANDEL e MARAIS (1999), valores de alcalinidade abaixo de 3 mg CaCO 3 /L oferecem riscos de haver queda brusca do ph nos sistemas de lodos ativados e inibir a nitrificação. O comportamento da temperatura no reator está apresentado na Figura 8. Ocorre um aumento gradativo do grau de agitação molecular no decorrer da batelada e a diferença de temperatura entre o início e o fim da batelada foi de 6 ºC. A elevação deste parâmetro contribui diretamente para o aumento da atividade bacteriana e a redução da solubilidade do oxigênio dissolvido no reator, mas para as bateladas efetuadas a concentração de OD se apresentava suficiente para o bom desempenho do processo de nitrificação, assim como a faixa de temperatura do reator, de acordo com Van LOOSDRECHT & JETTEN (1998). 33 32 Temperatura (ºC) 31 3 29 28 27 26 25 Figura 8 - comportamento da temperatura durante a batelada 4. CONCLUSÕES As condições ótimas de funcionamento de parâmetros essenciais ao bom desempenho do processo de tratamento biológico foram: ph de 7, a 8,; oxigênio dissolvido de 3, a 5, mg O 2 /L; e temperatura na faixa de 25 a 32 C. Nestas condições foi possível alcançar eficiência de 99 % no processo de conversão de amônia em nitrito e nitrato e eficiência de 9 % na remoção carbonácea. A partir dos resultados obtidos, pode-se concluir que a elevação da temperatura da massa líquida no RLFSB e o aumento da concentração de oxigênio dissolvido no reator favorecem a nitrificação, transformando eficientemente a amônia em nitrito e nitrato. Parâmetros como ph e o oxigênio dissolvido se mostraram muito importantes para o controle efetivo do final da nitrificação, podendo ser usados como ferramenta para a otimização do funcionamento de RLFSB.
5. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS APHA, AWWA,WEF. Standard Methods for the Examination of Water and Wastewater. Washington, DC, 2 th Ed. 1998. ARTAN,N., WILDERER, P., ORHON, D., MORGEROTH E., ÖZGÜR N. The Mechanism and Design of Sequencing Batch Reactor Systems for Nutrient Removal - The State of the Art. Water Science and Technology, v.43, n 3, p 53-6,21. AURESENIA, J., HIBIYA, K., TSUNEDA, S. and HIRATA, A. Kinetic equation for simultaneous oxidation of total organic carbon and ammonium-nitrogen in three-phase fluidized bed biofilm reactor. In: IAWQ/IWA - Conference on Biofilm Systems, New York. 1999. BARBOSA, S.R. HEIN de CAMPOS, R.., LAMEGO NETO, L.G. e COSTA, R.H.R. Estratégias Operacionais Para Nitrificação-Desnitrificação em Reator de Leito Fluidizado Seqüencial em Batelada (RLFSB). In: 22º Congresso Brasileiro de Engenharia Sanitária e Ambiental. Joinville, SC. ABES. 23. BEHRENDT, J. Modeling of aerated upflow fixed bed reactors for nitrification. Water Science & Technology, 39, n.4, p.85-92. 1999. CHANG, C.N., CHEN, C.H. and CHAO, A. Using sequencing batch biofilm reactor (SBBR) to treat ABS wastewater. Water Science & Technology, 41, n.4-5, p.433-44. 2. CYBIS, L.F. An innovative Aproach to the Control of Sequencing Batch Reactors Used for Nitrification and Dinitrification. Tese de Ph.D. University of Leeds, Leeds, Inglaterra, 24 p, 1993. CYBIS, L.F & PICKBRENNER, K. Uso de reator seqüencial em batelada para pós-tratamento de efluentes de tratamento anaeróbio. PROSAB - Coletânea de artigos Técnicos, 1, p.157-164. 2. HAO, O.J., HUANG, J. Alternating aerobic-anaerobic process for nitrogen removal: process evaluation. Water Environ. Res.,, 68(1), p 83-93, 1996. HEIN de CAMPOS, R. Utilização de reator de leito fluidizado trifásico aeróbio em sistema de tratamento combinado de águas residuárias. Dissertação de Mestrado, UFSC, Florianópolis, SC, 117p, 21. HOFFMANN, H., WEITZ, J., COSTA, T.B., WOLFF, D.B., PLATZER, C. e COSTA, R.H.R. Avaliação da nitrificação e desnitrificação em um reator seqüencial por batelada como processo descentralizado para tratamento de esgoto sanitário. In: Congresso AIDIS, Porto Rico, 24. LEE, S.I., PARK, J.H., KO, K.B. & KOOPMAN, B. Effect of Fermented Swine Waste on Biological Nutrient Removal in Sequencing Batch Reactors. Water Research, v.31, n.7, p.187-1812, 1997. MARTINS, C.L. Comportamento de reator de leito fluidizado trifásico aeróbio utilizando diferentes materiais suporte. Dissertação de Mestrado, UFSC, Florianópolis, SC, 153p, 23. 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.5, p.314-321, 1998. ORHON, D., SEKOULOV, I. and DULKADIROGIU, H. Innovative technologies for wateswater treatment in coastal tourist areas. Water Science & Technology, v. 46, n.8, p. 67-74, 22. RYHINER, G., BIROU, B. and GROS, H. The use of submerged structured packings in biofilm reactors for wastewater treatment. Water Science and Technology, 26, n.3-4, p.723-731. 1992 SHARMA, B., AHLERT, R. C. Nitrification and Nitrogen Removal. Water Research, v. 11, p.897-925, 1997. 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.259-266, 1993. Van HAANDEL, A. C., MARAIS, G.V.R. O Comportamento do Sistema de Lodo Ativado: Teoria e Aplicações para Projetos e Operações. Campina Grande: epgraf, 1999.472 p. Van LOOSDRECHT, M.C.M. & JETTEN, M.S.M. Microbiological Conversions in Nitrogen Removal. Water Science and technology, v.38, n.1, p 1-7, 1998.