II-112 - INFLUÊNCIA DA TEMPERATURA DOS ESGOTOS DOMÉSTICOS NA REMOÇÃO DE MATÉRIA ORGÂNICA E SÓLIDOS SUSPENSOS EM REATOR DE MANTA DE LODO - ETE ESMERALDA - PORTO ALEGRE / RS Evandro Ricardo da Costa Colares (1) Biólogo. Técnico Científico do Departamento Municipal de Água e Esgotos - DMAE - Porto Alegre/RS. Especialização em Engenharia Ambiental de Obras Civis e Saneamento, PUCRS, 2001. Antônio Domingues Benetti Engenheiro Civil. Professor Adjunto no Instituto de Pesquisas Hidráulicas da Universidade Federal do Rio Grande do Sul. Doutor em Engenharia Ambiental, Cornell University, EUA, 2000. Endereço (1) : Rua Barão do Cerro Largo, 600 Menino Deus Porto Alegre - RS - CEP: 90850-110 - Brasil - Tel: (51) 3298-9341 - e-mail: evandroc@dmae.prefpoa.com.br RESUMO Este trabalho faz uma avaliação da influência da temperatura dos esgotos sobre a eficiência dos reatores anaeróbios de manta de lodo na remoção de matéria orgânica e sólidos suspensos totais com base em dados coletados em reator UASB tratando esgotos domésticos em escala real. Foram analisados dados de temperatura, DBO e sólidos em suspensão coletados entre os anos de 1992 a 2004 na ETE Esmeralda, em Porto Alegre, RS. Os meses do ano foram classificados em quatro grupos em função de suas temperaturas médias. As eficiências médias de remoção de DBO e SST foram calculadas para cada grupo. Com relação a matéria orgânica, verificou-se que a eficiência média dos meses mais quentes foi maior do que a dos meses mais frios, embora não houvesse significância estatística nesta diferença. As remoções de sólidos em suspensão foram praticamente idênticas nos quatro grupos. PALAVRAS-CHAVE: Reator de manta de lodo, Reator UASB, Remoção de DBO, Remoção de sólidos, Temperatura do esgoto. INTRODUÇÃO Os reatores anaeróbios com configuração de manta de lodos têm sido preconizados para integrar estações de tratamento de esgotos em várias cidades brasileiras, incluindo Belo Horizonte e Porto Alegre. Todavia, sabese que a digestão anaeróbia é dependente da temperatura, com taxa de digestão decrescendo cerca de 11% para cada C de redução de temperatura (Equação 1) (Van Haandel e Lettinga, 1994). A Figura 1 ilustra esta característica da digestão anaeróbia. sendo: r = r (1) t ( t 30) 30 1, 11 t = temperatura ( C) r t, r 30 = taxas de digestão as temperaturas t e 30 C, respectivamente. ABES - Associação Brasileira de Engenharia Sanitária e Ambiental 1
Figura 1: Influência da temperatura na taxa de digestão anaeróbia na faixa mesofílica. (Fonte: van Haandel e Lettinga, 1994) A respeito da influência do fator ambiental temperatura no funcionamento de reatores de manta de lodo, reporta-se que o desempenho dessas unidades é mais adequado para os locais com temperaturas dos esgotos sanitários superiores a 20ºC (Chernicharo, 1997; Campos, 1999; Chernicharo, 2001; Foresti, 2002). Sagastume et al. (1996) mencionam que os reatores UASB são sensíveis à temperatura da água residuária, referindo que o processo anaeróbio é prejudicado com temperaturas inferiores a 16ºC. Segundo Chernicharo et al. (1999) a temperatura ideal de operação dos reatores anaeróbios situa-se na faixa dos 30 C aos 35ºC. Um dos critérios de projeto fundamentais em reatores UASB é o tempo de detenção hidráulica TDH, intimamente ligado à temperatura dos esgotos que a unidade de tratamento receberá (Campos, 1999). Para temperaturas dos esgotos abaixo dos 20ºC, comumente verificadas nos períodos mais frios da região sul, recomenda-se que o TDH médio diário seja maior do que 10 até 14 horas (Chernicharo et al.,1999). Catunda et al. apud Sagastume et al. (1996) avaliaram a influência do tempo de detenção hidráulico em reatores UASB tratando esgotos domésticos. Nas condições de temperatura e cargas orgânicas dos testes, não foi observada inibição da atividade metanogênica. Contudo, as eficiências foram mais baixas para menores tempos de detenção. Estes autores concluíram que, se o reator UASB for utilizado como processo unitário fundamental do tratamento, o TDH deve ser superior a 4-6 h para garantir uma eficiência mais alta de remoção de matéria orgânica e sólidos em suspensão. Os autores admitem, contudo, menores TDH caso o reator venha a ser usado apenas como pré-tratamento de outros processos. OBJETIVO O objetivo deste estudo foi o de avaliar o efeito da temperatura sobre a remoção de matéria orgânica e sólidos suspensos totais em uma estação de tratamento com reatores UASB atendendo a uma localidade de Porto Alegre, cidade que se caracteriza por possuir invernos com temperaturas baixas. MATERIAIS E MÉTODOS A ETE Esmeralda localiza-se e possui sua bacia de contribuição na Vila Esmeralda, Porto Alegre Rio Grande do Sul, recebendo esgotos de uma população de aproximadamente 1.000 habitantes. A vazão de projeto (média) da estação é 5,8 L/s e a vazão real (média anual) varia entre 1 e 2 L/s. O processo de tratamento dos esgotos empregado é constituído por dois reatores de manta de lodo operando em paralelo, ABES - Associação Brasileira de Engenharia Sanitária e Ambiental 2
sucedidos por um aerador em cascata. Os efluentes líquidos tratados são lançados no arroio Mato Grosso, afluente do arroio Dilúvio. O lodo descartado dos reatores, após desumidificação em leitos de secagem, é enviado para aterro sanitário (DMAE, 1999). O estudo foi realizado utilizando-se os dados de monitoramento do desempenho da estação obtidos a partir de coletas de amostras de esgotos e análises laboratoriais executadas pela Divisão de Pesquisa DVP do DMAE. Esta unidade organizacional é responsável pelos programas de monitoramento das estações de tratamento de esgotos, pontos de captação de água bruta e pela avaliação da qualidade da água do Lago Guaíba e de seus formadores. O período compreendido para a avaliação foi agosto de 1992 a maio de 2004. A eficiência da ETE com relação à remoção de matéria orgânica e sólidos suspensos foi feita através das análises de Demanda Bioquímica de Oxigênio de 5 dias e 20 C e resíduo não-filtrável a 105ºC no afluente e efluente dos reatores UASB. A metodologia analítica utilizada rotineiramente no DMAE para a determinação de DBO é a de Winckler com modificação da Azida e incubação. Sólidos suspensos totais são medidos pelo método gravimétrico. Ambas as metodologias seguem os procedimentos do Standard Methods for the Examination of Water and Wastewater. Os dados de temperatura foram separados em quatro períodos de três meses cada, de acordo com uma escala decrescente de temperaturas médias do afluente. Da mesma forma, as análises de DBO e sólidos suspensos foram agrupadas nestes períodos. Para avaliar os resultados da eficiência de remoção de matéria orgânica e sólidos suspensos foi utilizado o teste de análise de variância não-paramétrica - teste de Kruskal Wallis (Callegari-Jaques, 2003). RESULTADOS E DISCUSSÃO A DBO média calculada para os esgotos domésticos afluentes da ETE Esmeralda foi de 216 ± 82 mgo 2 /L (n = 112), sendo que o efluente dos reatores apresentou valor médio de 68 ± 33 mgo 2 /L (n = 100) para o mesmo parâmetro. Para os sólidos suspensos totais dos esgotos domésticos afluentes verificou-se a média de 227 ± 110 mg/l (n = 113), com o efluente dos reatores alcançando uma média de 33 ± 20 mg/l (n = 101) neste parâmetro. A Tabela 1 apresenta um resumo das médias gerais dos parâmetros DBO e sólidos suspensos totais para o afluente da estação de tratamento de esgoto e efluente dos reatores, assim como as eficiências globais de remoção verificadas ao longo do período considerado no monitoramento da estação. Tabela 1: resumo das médias gerais para a DBO e Sólidos Suspensos Totais e respectivas eficiências de remoção no efluente dos reatores (%). PARÂMETRO AFLUENTE REATOR REMOÇÃO % DBO (mgo 2 /L) 216 68 68 SST (mg/l) 227 33 86 Os dados de temperaturas dos esgotos obtidos ao longo do período de monitoramento foram avaliados com o intuito de produzir estatísticas descritivas e, posteriormente, agrupar os meses com temperaturas médias próximas. A Tabela 2 apresenta as temperaturas médias dos esgotos por meses do ano, desvio padrão e n amostral para o afluente da ETE Esmeralda. ABES - Associação Brasileira de Engenharia Sanitária e Ambiental 3
Tabela 2: temperatura média (ºC) dos esgotos afluentes por meses do ano. MÊS MÉDIA s n janeiro 24,5 3,1 11 fevereiro 25,1 1,4 8 março 23,8 1,8 10 abril 21,9 1,4 10 maio 18,7 1,2 9 junho 17,1 0,9 7 julho 16,4 1,8 8 agosto 16,2 2,1 10 setembro 18,3 1,6 8 outubro 19,8 0,4 8 novembro 22,0 1,5 8 dezembro 23,7 1,4 10 A partir da avaliação da Tabela 2 foram constituídos quatro grupos de três meses, segundo um critério de classificação decrescente das temperaturas médias dos esgotos. Formaram-se então os seguintes grupos: GRUPO 1, contendo os meses de janeiro, fevereiro e março; GRUPO 2, com os meses de abril, novembro e dezembro; GRUPO 3, com os meses de maio, setembro e outubro; GRUPO 4, contendo os meses de junho, julho e agosto (Tabela 3). Tabela 3: grupos de meses conforme a classificação decrescente das temperaturas médias dos esgotos afluentes (ºC). GRUPO MÊS MÉDIA fevereiro 25,1 Grupo 1 janeiro 24,5 março 23,8 dezembro 23,7 Grupo 2 novembro 22,0 abril 21,8 outubro 19,8 Grupo 3 maio 18,7 setembro 18,3 junho 17,1 Grupo 4 julho 16,4 agosto 16,2 A Tabela 4 apresenta as médias das temperaturas dos esgotos afluentes à estação nos grupos de meses estabelecidos anteriormente (Tabela 3). Para assegurar que as médias amostrais pertenciam a quatro populações distintas, as mesmas foram testadas frente à análise de variância (F=107,99 (g.l.: 3, 103) P=0,00) e comparação múltipla de médias - teste de Tukey. Estes testes indicaram que as médias dos grupos são significativamente diferentes entre si. Tabela 4: médias das temperaturas dos esgotos afluentes com os grupos da Tabela 3. GRUPO MÉDIA(ºC) s n 1 24,4 2,2 29 2 22,5 1,6 28 3 18,9 1,3 25 4 16,5 1,7 25 ABES - Associação Brasileira de Engenharia Sanitária e Ambiental 4
Com o objetivo de comparar as eficiências dos reatores de manta de lodo na remoção de matéria orgânica, foram separados os dados de DBO do afluente bruto e efluente do reator de acordo com os grupos de meses estabelecidos na Tabela 3. Após, foram calculadas as eficiências na remoção de matéria orgânica nesses grupos (Tabela 5). Desta forma, buscou-se evidenciar a eventual influência da temperatura sobre a atividade biológica nos reatores da ETE Esmeralda. Tabela 5: eficiência média (%) na remoção de matéria orgânica (DBO) nos reatores da ETE Esmeralda. GRUPO EFIC. MÉDIA (%) s n 1 72 12,5 28 2 59 19,1 27 3 62 25,2 25 4 65 19,8 20 Inicialmente verifica-se na Tabela 5 que a eficiência média dos reatores nos meses pertencentes ao grupo 1 (janeiro, fevereiro e março) é maior do que a eficiência dos demais grupos. Efetivamente, as comparações que interessariam mais são aquelas entre as eficiências do grupo 1 com as do grupo 4. Nesses grupos verificaramse os maiores contrastes de temperatura, ou seja, a eficiência nos meses de temperaturas dos esgotos mais elevadas (24,4ºC) contra a eficiência nos meses de temperaturas mais baixas (16,5ºC). Para avaliar esta situação foi executado o teste de Kruskal-Wallis com as seguintes hipóteses: H 0 : μ remoção de DBO grupo1 = μ remoção de DBO grupo2 = μ remoção de DBO grupo3 = μ remoção de DBO grupo4 H 1 : existe alguma diferença entre as eficiências médias dos grupos na remoção de matéria orgânica (DBO) verificada no efluente dos reatores. A estatística do teste de Kruskal-Wallis é representada pela Equação (2): sendo: 2 R 12 i H = N ( N + 1) 3( N + 1) (2) n i H = estatística do teste não-paramétrico de Kruskal-Wallis; n i = tamanho de cada amostra; N = Σn i = número total de dados; R i = soma dos postos em cada amostra. Calculando a estatística do teste de Kruskal-Wallis obteve-se H=5,297 e P=0,1513 (χ 2 :g.l.=3; n=100). Este resultado indicou que a hipótese H 0 não deve ser rejeitada. Portanto, os resultados disponíveis não permitem verificar uma variação estatisticamente significativa nas eficiências de remoção de matéria orgânica entre os diferentes grupos de meses (P=0,1513). É importante ressaltar que os desvios padrões das eficiências médias são elevados (Tabela 5), ocorrendo portanto uma sobreposição considerável entre os grupos, dificultando assim a verificação estatística do efeito da temperatura no processo biológico. Permaneceu então apenas o indicativo de que a eficiência nos meses mais quentes (janeiro, fevereiro e março) foi mais elevada do que a eficiência dos meses mais frios (junho, julho e agosto). Monteggia e Silveira (1998) compararam a eficiência de remoção de matéria orgânica em reator UASB com curvas de temperaturas dos esgotos afluentes e observaram que ambas seguem a mesma tendência. Para valores decrescentes de temperatura, abaixo de 22ºC, verificaram valores decrescentes na eficiência de remoção de DQO, sendo que os valores mínimos de temperatura coincidiram com os menores valores deeficiência do sistema de tratamento. Uma avaliação da carga hidráulica volumétrica média aplicada na ETE Esmeralda, com base nos dados operacionais do ano de 2002, permitiu verificar variação entre 1,0 a 1,4 m 3 /m 3.d, com TDH médios de 17,7 a 31,3 h. Os valores de projeto da ETE Esmeralda para CHV e TDH são, respectivamente, 2,96 m 3 /m 3 dia e 8 h. ABES - Associação Brasileira de Engenharia Sanitária e Ambiental 5
Esses valores indicam que os reatores operam com folga em relação ao projetado e com TDH muito acima daquilo que é preconizado pela literatura, como se pode observar na Tabela 6. Tabela 6: tempos de detenção hidráulica em reatores UASB. TEMPERATURA DO TEMPO DE DETENÇÃO HIDRÁULICA (h) ESGOTO (ºC) MÉDIA DIÁRIA MÍNIMO (durante 4 a 6 h) 16-19 > 10-14 > 7-9 20-26 > 6-9 > 4-6 > 26 > 6 > 4 (Fonte: Chernicharo et al., 1999). Conforme apresentado na Tabela 4, a média da temperatura dos esgotos afluentes da estação para os meses de junho, julho e agosto situou-se em 16,5ºC, sendo esta a condição mais desfavorável verificada para esses reatores, em termos da atividade bacteriana. Como os tempos de detenção hidráulica são efetivamente elevados, não foi possível constatar perdas significativas nas eficiências de remoção de DBO, embora o valor calculado para os meses mais frios tenha sido um pouco mais baixo (Tabela 5). De acordo com Sagastume et al. (1996), as eficiências de remoção de DBO e sólidos suspensos totais em reatores de manta de lodo que tratem esgotos sanitários são muito afetadas pelo TDH. Estes autores declaram que a eficiência do processo será baixa para tempos de detenção hidráulico inferiores a 4 6 h. Entretanto, tempos de detenção hidráulica elevados, ainda que a eficiência possa ser incrementada, não produzirão efeitos significativos, pois a eficiência se manterá quase que constante, passando os parâmetros hidráulicos a limitar o processo de digestão anaeróbia, e não o tempo de contato da matéria orgânica com a população microbiana. Essas generalizações concordam em parte com as avaliações de Santos e Sperling (2003), que verificaram eficiências de remoção de 60%, tanto para a DQO como para a DBO, num reator UASB em escala real operando com TDH médio de 57 horas. No entanto, a remoção de SST foi de 92%, sugerindo a influência do TDH na remoção desta variável. Para comparar as eficiências dos reatores da ETE Esmeralda na remoção de sólidos suspensos, foram adotados os mesmos procedimentos utilizados anteriormente no caso da remoção de matéria orgânica. Os dados dos SST do afluente bruto e efluente dos reatores foram separados de acordo com os grupos de meses estabelecidos na Tabela 3. Depois, foram calculadas as eficiências na remoção de sólidos suspensos nesses grupos (Tabela 7). Os dados da Tabela (7) indicam que praticamente inexistem diferenças entre as eficiências médias dos grupos 1, 2, 3 e 4, concluindo-se que a temperatura não influenciou a remoção de sólidos em suspensão na ETE. Tabela 7: eficiência média na remoção de sólidos suspensos totais (RNF105). GRUPO EFICIÊNCIA MÉD. (%) s n 1 83,8 11,8 28 2 82,8 10,6 27 3 82,0 18,8 25 4 82,0 12,9 20 CONCLUSÕES Na avaliação das temperaturas médias dos esgotos brutos afluentes à ETE Esmeralda, os meses de janeiro, fevereiro e março foram os que apresentaram médias mais elevadas. Os meses de temperaturas médias mais baixas foram junho, julho e agosto. A eficiência média dos reatores da ETE Esmeralda na remoção de matéria orgânica (DBO) nos meses de janeiro, fevereiro e março foi de 72%, ao passo que a eficiência nos meses de junho, julho e agosto foi de 65,1%. Embora se verifique maior eficiência do processo anaeróbio nos meses em que as temperaturas dos esgotos são mais elevadas, em comparação com os meses de temperaturas mais baixas, as diferenças observadas não foram estatisticamente significativas. Esta situação talvez tenha relação com o grau de variabilidade dos resultados avaliados, o que se percebe examinando os desvios-padrões das médias. Unidades ABES - Associação Brasileira de Engenharia Sanitária e Ambiental 6
em escala real de operação são complexas de serem monitoradas, uma vez que diversos fatores podem provocar interferências nos resultados que se deseja avaliar. No caso da ETE Esmeralda destacam-se as baixas vazões que aportam no sistema e as contribuições de águas pluviais por ocasião das chuvas, o que termina gerando distorções nos parâmetros hidráulicos de projeto. Os resultados analisados indicam que a temperatura dos esgotos não exerceu influência perceptível nas eficiências de remoção de sólidos suspensos pelos reatores. Esta remoção está provavelmente vinculada aos elevados tempos de detenção hidráulica verificados na ETE Esmeralda. A carga hidráulica volumétrica dos reatores oscilou entre 1,0 e 1,4 m 3 /m 3.d e os tempos de detenção hidráulica médios foram desde 17,7 até 31,3 horas. Os valores da carga hidráulica volumétrica constituem menos de 50% da carga estabelecida em projeto e os tempos de detenção hidráulica estão aproximadamente 2 a 4 vezes maiores do que o valor de projeto. Tempos de detenção hidráulica tão elevados podem estar mascarando o efeito da temperatura do esgoto na eficiência de remoção de matéria orgânica, principalmente nos meses de inverno, uma vez que esta situação proporciona tempos de contato muito elevados entre o esgoto afluente e as bactérias anaeróbias, compensando assim a queda de desempenho na atividade metabólica dos microrganismos. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS 1. CALLEGARI-JAQUES, S.M. Bioestatística: princípios e aplicação. Porto Alegre: Artmed, 2003. 2. CAMPOS, J.R. (Coord.). Tratamento de esgotos sanitários por processo anaeróbico e disposição controlada no solo. Rio de Janeiro: PROSAB, 1999. 3. CHERNICHARO, C.A.L. Reatores anaeróbios. Belo Horizonte: Departamento de Engenharia Sanitária e Ambiental Universidade Federal de Minas Gerais, 1997. (Princípios do Tratamento Biológico de Águas Residuárias, v. 5.) 4. CHERNICHARO, C.A.L. et al. Reatores anaeróbios de manta de lodo. In: CAMPOS, J.R. (Coord.). Tratamento de esgotos sanitários por processo anaeróbico e disposição controlada no solo. Rio de Janeiro: PROSAB, 1999. cap. 07, p. 155-198. 5. CHERNICHARO, C.A.L. (Coord.). Pós-tratamento de efluentes de reatores anaeróbios. Belo Horizonte: PROSAB, 2001. 6. DEPARTAMENTO MUNICIPAL DE ÁGUA E ESGOTOS. Plano Diretor de Esgotos Sanitários de Porto Alegre. Porto Alegre, 1999. 7. FORESTI, E. Anaerobic treatment of domestic sewage: established technologies and perspectives. Water Science and Technology, v. 45, nº 10, p. 181-186. 2002. 8. MONTEGGIA, L.O.; SILVEIRA, I.C.T. Análise dos fatores intervenientes no desempenho de reatores anaeróbios de manto de lodos de fluxo ascendente tratando esgotos sanitários. In: CONGRESO INTERAMERICANO DE INGENIERÍA SANITARIA Y AMBIENTAL 26., 1998, Lima. Anais...Lima, 1998. p. 1-13. 9. SAGASTUME, F.M.; SAGASTUME, J.M.M.; ROBLES, A.N. Aplicabilidad de la digestión anaerobia para el tratamiento de aguas residuales municipales. In: CONGRESO INTERAMERICANO DE INGENIERÍA SANITARIA Y AMBIENTAL 25., 1996, México. Anais...México, 1996. p. 1-8. 10. SANTOS, S.E.; VON SPERLING, M. Avaliação do desempenho operacional de uma ETE em escala real, composta de reator UASB seguido de lagoa de polimento. In: CONGRESSO BRASILEIRO DE ENGENHARIA SANITÁRIA E AMBIENTAL 22., 2003, Joinville. Anais...Joinville, 2003. II-134 11. VAN HAANDEL, A. C.; LETTINGA, G. Anaerobic sewage treatment. A practical guide for regions with a hot climate. Chichester: Wiley, 1994. ABES - Associação Brasileira de Engenharia Sanitária e Ambiental 7