II-38 AVALIAÇÃO DO PROCESSO MBR PARA REÚSO DE EFLUENTE SANITÁRIO Ana Cláudia F. Pedreira de Cerqueira (1) Engenheira Especialista em Pesquisa e Desenvolvimento da White Martins Gases Industriais LTDA. Doutoranda em Engenharia Química pela COPPE/UFRJ. Mestre em Engenharia Química pela COPPE/UFRJ. Engenheira Química pela Escola de Química (UFRJ). Antonio Filipe Montalvão Doutor em Recursos Hídricos pela COPPE/UFRJ. Mestre em Ciências pela PUC/RJ. Professor Titular e coordenador do Curso de Engenharia Civil das FGB, Nova Iguaçu. Coordenador do curso de pós-graduação de Engenharia do Meio Ambiente das FGB. Carla Maia da Rocha Mestranda da Escola de Química/UFRJ e Bacharel em Química Industrial pela Fundação Técnico Educacional Souza Marques. Endereço (1) : Rua Guianas, 8 Campos Elíseos Duque de Caxias - RJ - CEP: 25225-17 - Brasil - e-mail: ana_cerqueira@praxair.com RESUMO A irregularidade do abastecimento e o alto custo da água em algumas regiões são fatores que favorecem o tratamento descentralizado de efluentes sanitários. A restrição de área normalmente observada nos empreendimentos urbanos impede a implantação do processo convencional de lodos ativados. No processo MBR a substituição da decantação secundária pela filtração em membranas permite aumentar a concentração de biomassa, reduzindo consequentemente o volume do biorreator. A separação de sólidos através de membranas de ultrafiltração permite a retenção completa de sólidos e a desinfecção do efluente tratado. Para que a qualidade do efluente tratado pelo processo MBR pudesse ser demonstrada e sua adequação como água de reposição de Sistema de Refrigeração pudesse ser avaliada, uma Unidade Piloto permaneceu em operação por 3 meses no Barrashopping, Rio de Janeiro. Durante a fase de testes os fatores críticos para manutenção da estabilidade operacional do sistema como o pré-tratamento, as condições hidrodinâmicas e os procedimentos de limpeza foram avaliados. Os resultados comprovaram que o efluente tratado pelo processo MBR apresenta qualidade superior à recomendada para reúso em Torres de Resfriamento e que o tratamento primário do efluente sanitário e os procedimentos de limpeza da membrana são essenciais para manutenção da capacidade de tratamento. PALAVRAS-CHAVE: Reúso de Água, Membranas, MBR, efluente sanitário. INTRODUÇÃO No processo biológico de tratamento de efluentes líquidos, a matéria orgânica solúvel é removida via reações metabólicas, com consumo de oxigênio e síntese de novas células (microorganismos). A oxigenação é realizada via equipamentos específicos de forma a manter um residual de oxigênio dissolvido no meio líquido de acordo com as condições de projeto e operacional. No tratamento convencional de lodos ativados, a separação da biomassa do efluente tratado se baseia na sedimentação dos flocos de microorganismos. As condições operacionais devem ser tais que produzam flocos suficientemente grandes para decantar, o que nem sempre é o ideal para o consumo da matéria orgânica. Se, entretanto, a sedimentação puder ser substituída por uma filtração, a necessidade de formação adequada de flocos é eliminada e uma população altamente ativa pode ser mantida no biorreator, independentemente se sua capacidade de floculação. No processo MBR, a separação de sólidos é feita por módulos de membranas de microfiltração ou de ultrafiltração. Dependendo da configuração, os módulos podem ser instalados externamente ou submersos no biorreator. O efluente tratado, permeado pela membrana, normalmente apresenta qualidade suficiente para reúso sem restrições ao contato humano. ABES - Associação Brasileira de Engenharia Sanitária e Ambiental 1
Como o processo opera com concentração de Sólidos Suspensos Totais entre 1 e 15 g/l, muito acima da concentração observada no processo convencional de lodos ativados, o volume do biorreator pode ser reduzido em até 4 vezes, o que torna o processo especialmente recomendado quando existe limitação de área. A conjugação do processo biológico de degradação com a separação de sólidos por membranas é um desenvolvimento relativamente recente. Nos últimos 1 anos, muito se tem publicado sobre o processo, suas aplicações e, mais recentemente, sobre a otimização dos sistemas, mostrando que padrões extremamente rígidos de qualidade podem ser atingidos. A retenção de macro-moléculas e o aumento da atividade do biorreator, que opera com concentração de sólidos entre 1 e 15 g/l, resultam em valores de DQO e DBO, pós tratamento, abaixo dos limites de detecção dos métodos analíticos. Entretanto, as condições e os procedimentos que permitem a operação contínua do sistema normalmente não são encontradas na literatura. Em 2, havia mais de 5 plantas MBR em operação no mundo, sendo que 66% no Japão e o restante espalhado principalmente pela Europa e América do Norte (Stephenson et al. 2). Destas instalações 45% usam membranas externas. Alguns fornecedores oferecem o sistema turn-key ; outros apenas os módulos de membrana. Na compra de sistemas turn-key a responsabilidade do processo e dos equipamentos é do fornecedor. O custo normlmente é muito alto uma vez que praticamente todos os componentes são importados Para importação de módulos e montagem local dos sistemas, estes fornecedores normalmente exigem o pagamento de uma licença que, além de garantir um desconto no preço dos módulos, inclui treinamento. Outros fornecedores oferecem módulos com assistência técnica para instalação e operação. Neste caso, o projeto e a instalação são de responsabilidade de quem os adquire. A importação dos módulos e a montagem local dos sistemas viabilizam economicamente a aplicação da tecnologia. Entretanto, isso exige de quem adquire o produto um conhecimento aprofundado, tanto do processo biológico, quanto do processo de separação por membrana. Para que a qualidade do efluente tratado pelo processo MBR pudesse ser demonstrada e sua adequação como água de reposição em Torres de Resfriamento pudesse ser avaliada, uma Unidade Piloto permaneceu em operação por 3 meses no Barrashopping, Rio de Janeiro. Durante a fase de testes os fatores críticos para manutenção da estabilidade operacional do sistema como o pré-tratamento, as condições hidrodinâmicas e os procedimentos de limpeza também foram avaliados. MATERIAIS E MÉTODOS Na Unidade Piloto MBR, a separação de sólidos após o tratamento biológico é realizada por 2 (dois) módulos de membranas de ultrafiltração tipo tubular, instalados em série com o biorreator (Figura 1). Os módulos podem ser vistos na Figura 2da planta Nos processos de separação por membranas, o que permeia pela membrana é chamado de permeado e o que fica retido é chamado de concentrado. A capacidade de filtração normalmente é expressa pelo fluxo, definido como vazão de permeado por unidade de área. No processo MBR, o permeado é o efluente tratado e o concentrado é a corrente concentrada de lodo que retorna ao biorreator. Nos módulos de membrana tubular, a velocidade tangencial acima de 3 m/s é usada para manter o fluxo. Medidores magnéticos foram usados para medição das vazões de permeado e de concentrado. A limpeza das membranas foi feita através do bombeamento de água ou de permeado acumulado no Tanque de Limpeza no mesmo sentido da filtração, isto é, de dentro para fora da membrana tubular, durante aproximadamente 1 minutos. A Unidade Piloto de Tratamento Biológico de Efluentes com Membranas (MBR) foi projetada para receber uma vazão constante de efluente, sanitário ou industrial, após tratamento primário. No Barrashopping, a Unidade Piloto foi instalada em paralelo à Estação de Tratamento de Efluentes por lodos ativados existente, após o tratamento primário, o qual é constituído de caixa de gordura e de peneira. Para proteção das membranas, dois filtros foram instalados em série, antes do biorreator. ABES - Associação Brasileira de Engenharia Sanitária e Ambiental 2
Retorno de Concentrado Saída de Permeado FI FI PI Biorreator Tanque de Limpeza Bomba de Reciclo Módulo de Membrana Figura 1 - Esquemático da Unidade Piloto MBR. Pré-filtro Módulos Bomba de Reciclo Figura 2 - Unidade Piloto MBR instalada no Barrashopping. Como o objetivo principal dos testes era avaliar a qualidade do efluente tratado e sua adequação ao reuso como água de reposição nas Torres de Resfriamento, além das análises usuais para verificar a eficiência do ABES - Associação Brasileira de Engenharia Sanitária e Ambiental 3
tratamento secundário, análises específicas relacionadas às exigências de reúso também foram realizadas segundo o Standard Methods for the Examination of Water and Wastewater e a Metodologia FEEMA. Para acompanhamento do processo biológico, foram realizadas análises periódicas das concentrações de Sólidos Suspensos Totais e Sólidos Suspensos Voláteis. Um Medidor de Oxigênio Dissolvido instalado no biorreator permitiu acompanhar continuamente e controlar a concentração de oxigênio dissolvido, mantida entre 2 e 4 mg/l através da injeção de oxigênio puro. Para avaliação da eficiência do processo biológico, foram feitas análises de DBO, DQO, Nitrogênio Amoniacal, Óleos e Graxas, Surfactantes Aniônicos e ph no efluente sanitário após tratamento primário e no efluente tratado na Unidade Piloto MBR. Para avaliação da separação de sólidos foram determinadas a turbidez e a concentração de Sólidos Suspensos Totais do efluente tratado. Para cumprimento das exigências do reúso em Torres de Resfriamento, foram analisados os seguintes parâmetros: Alcalinidade total, Cloreto, Ferro, Zinco, Fósforo Total, Dureza de Cálcio, Dureza de Magnésio, Sílica, Condutividade e Sólidos Totais Dissolvidos. Para avaliação de toxicidade, além dos testes de toxicidade aguda para o organismo Brachydanio rerio, realizadas no LabPol (Programa de Engenharia Química, COPPE/UFRJ), um aquário foi mantido com o efluente tratado durante a fase de testes. Para atestar a desinfecção, análises de coliformes fecais e totais foram realizadas pelo Método FEEMA MF44/45 - Tubos Múltiplos no Laboratório de Engenharia do Meio Ambiente da Escola Politécnica da UFRJ. RESULTADOS: CONDIÇÕES HIDRODINÂMICAS Inicialmente o biorreator foi operado em batelada para crescimento dos microorganismos e início do processo biológico de degradação da matéria orgânica. Com a concentração de SST em torno de 3 mg/l, a ultrafiltração foi iniciada. Antes da partida da ultrafiltração, no dia 22-Set-23, um filtro Y com tela de abertura 2 mm foi instalado na descarga da bomba de reciclo para proteção das membranas. O gráfico (a) da Figura 3 mostra o declínio da velocidade tangencial (v) e do fluxo (Jp) nas primeiras horas de operação do sistema. O declínio da velocidade tangencial foi atribuído ao aumento da perda de carga na descarga da bomba devido à retenção de fibras na tela do filtro Y. (a) (b) 3,5 35 3,5 35 3 3 3 3 v (m/s) 2,5 2 1,5 1 25 2 15 1 Fluxo (L/m 2 h) v (m/s) 2,5 2 1,5 1 25 2 15 1 Fluxo (L/m 2 h),5 5,5 5 3 6 9 12 15 3 6 9 12 15 Tempo (min) v Jp Tempo (min) v Jp Figura 3 - Fluxo permeado e velocidade tangencial na membrana tubular. ABES - Associação Brasileira de Engenharia Sanitária e Ambiental 4
Na tentativa de manter a velocidade tangencial mais estável, retirou-se a tela do filtro, o que resultou no perfil de velocidade e de fluxo apresentado no gráfico (b) da Figura 3. A relação entre a velocidade tangencial, calculada a partir da vazão de reciclo, e a vazão de permeado também pode ser observada na Figura 4. Os picos que aparecem nas duas curvas correspondem às vazões de reciclo e de permeado após limpeza dos módulos. Plotando-se a vazão de permeado em função da velocidade tangencial, o comportamento linear pode ser confirmado, como ilustrado na Figura 5. Vazão de reciclo (m3/h) 3 25 2 15 1 5 3, 2,5 2, 1,5 1,,5, Vazão de permeado (m3/h) 7:3 8:5 9: 11: 13: 15: 17: 19: 21: 6: 6:42 8:1 9:36 11: 13:2 15:25 16:17 17:11 17:56 18:42 19: 21: Hora Reciclo Permeado Figura 4 - Perfil típico de vazão de permeado (dias 27 e 28-Out). 1,8 1,6 Vazão de permeado (m3/h) 1,4 1,2 1,,8,6,4,2,,5 1 1,5 2 2,5 3 3,5 velocidade tangencial (m/s) 21/out 22/out 27/out 28/out Figura 5 - Vazão de permeado em função da velocidade tangencial Observa-se na Figura 5 alguns pontos de velocidade tangencial baixa, em torno de,5 m/s, decorrentes da interrupção da operação da bomba de reciclo por falta de energia. Sem o reciclo, os módulos permaneceram cheios de lodo que foi concentrado pela permeação da água pela membrana. No retorno à operação, o ABES - Associação Brasileira de Engenharia Sanitária e Ambiental 5
entupimento dos módulos com lodo concentrado ocasionou o aumento da perda de carga e a redução da vazão de reciclo. RESULTADOS: QUALIDADE DO EFLUENTE TRATADO O principal objetivo de um programa de reúso de água é assegurar que não haja risco à saúde pelo contato com compostos químicos tóxicos e microorganismos patogênicos. As medidas de controle incluem a eliminação ou a redução da concentração destes constituintes na água e, quando apropriado, a prevenção do contato direto e indireto (EPA/625/R-92/4). Os problemas mais comuns em Torres de Resfriamento decorrentes da qualidade da água são incrustração, corrosão, crescimento microbiológico, deposição de sólidos e espuma. A incrustração, causada por precipitação de sais de cálcio e magnésio e a deposição de sólidos reduzem a eficiência da troca térmica. O crescimento microbiológico sob a forma de biofilme ocorre na presença de matéria orgânica e de nutrientes, podendo causar, além da redução da eficiência da troca térmica, a redução da vazão de água e a geração de sub-produtos corosivos. (EPA/625/R-92/4). As recomendações da Environmental Protection Agency (EPA- USA) foram usadas como referência para avaliar a qualidade do efluente tratado e a sua adequação ao reúso em Torres de Resfriamento (Tabela 1). Tabela 1- Recomendações do EPA-USA para reúso de água. Limites/condições DBO 5 : < 1 mg/l Coliformes Fecais: ND/1 ml Turbidez: < 2 NTU Cloro residual: 1 mg/l ph: 6 a 9 DBO 5 : < 3 mg/l Coliformes Fecais: <2/1 ml SST: < 3 mg/l Cloro residual: 1 mg/l ph: 6 a 9 Aplicação Uso urbano sem restrições: Irrigação de parques e jardins; proteção contra incêndio; fontes ornamentais; construção; ar condicionado e circuito secundário para descargas de vaso sanitário. Uso sem restrições para recreação de contato primário. Irrigação de vegetais consumidos crús. Uso urbano com acesso restrito: irrigação de áreas onde o acesso é controlado e não é freqüente (cemitérios, cinturões verdes, canteiros de estradas). Irrigação de forrageiras, grãos e pastagem. Aquicultura comercial. Pesca, navegação e outras atividades sem contato primário. Reciclo industrial: reposição de água do sistema de refrigeração, água de processo, água para limpeza. Este trabalho se restringe aos resultados das análises dos contaminantes cujas concentrações podem ser reduzidas pelo processo biológico. As Figuras 6, 7 e 8 mostram os perfis de DQO, de DBO, de vazão e de carga volumétrica entre os dias 15 e 31 de Outubro de 23. Neste período, a DQO e a DBO médias do efluente na entrada do biorreator permaneceram em torno de 12 mg/l e 6 mg/l, respectivamente. A partir destes valores, remoções acima de 9% de DQO e de 95% de DBO foram alcançadas, mesmo com o pico de carga ocorrido no dia 24-Out. A DQO do efluente tratado se manteve entre 32 mg/l e 116 mg/l, apresentando valor médio de 6 mg/l. A DBO do efluente tratado se manteve entre 6 mg/l e 4 mg/l, apresentando valor médio de 15 mg/l. Na Figura 8 verifica-se que a carga volumétrica na entrada do biorreator variou entre 3,5 e 9,5 kgdqo/m 3.dia, apresentando valor médio de 4,7 kgdqo/m 3.dia, acima do normalmente observado para o processo MBR (Stephenson et al. 2). ABES - Associação Brasileira de Engenharia Sanitária e Ambiental 6
25 1 225 9 2 8 DQO (mg/l) 175 15 125 1 75 7 6 5 4 3 Remoção (%) 5 2 25 1 15-out 17-out 19-out 21-out 23-out 25-out 27-out 29-out 31-out Entrada Saída Remoção Figura 6 - Perfil de DQO na entrada e na saída da Unidade Piloto MBR. DBO entrada (mg/l) 1 9 8 7 6 5 4 3 2 1 1 9 8 7 6 5 4 3 2 1 15-out 16-out 17-out 18-out DBO saída (mg/l), Remoção (%) 19-out 2-out 21-out 22-out 23-out 24-out 25-out 26-out 27-out 28-out 29-out 3-out 31-out Entrada Saída Remoção Figura 7 - Perfil de DBO na entrada e na saída da Unidade Piloto MBR. ABES - Associação Brasileira de Engenharia Sanitária e Ambiental 7
Carga Volumétrica (kgdqo/m3.d) 1, 9, 8, 7, 6, 5, 4, 3, 2, 1,, 2 1,8 1,6 1,4 1,2 1,8,6,4,2 15-out 16-out 17-out 18-out 19-out 2-out F/M (1/d), Vazão (m3/h) 21-out 22-out 23-out 24-out 25-out 26-out 27-out 28-out 29-out 3-out 31-out Dia CV Entrada CV saída Vazão F/M Figura 8- Perfis de Carga Volumétrica (CV), F/M e de Vazão na entrada da Unidade Piloto MBR. Como pode ser observado na Figura 9, a concentração de nitrogênio amoniacal na saída permaneceu abaixo de 5 mg/l, com exceção dos momentos de pico ocorridos nos dias 28 e 3-Out. As concentrações médias de amônia na entrada e na saída da Unidade Piloto MBR permaneceram em torno de 33 mg/l e 4 mg/l, respectivamente. O consumo de nitrogênio amoniacal foi atribuído à geração de células, uma vez que a relação N:DBO se manteve, na média, próxima aos 5% recomendados e a concentração de nitrato no efluente tratado abaixo de 1 mg/l. 5 1, 45 4,9 Amônia (mg/l) 35 3 25 2 15,8,7 1,6 5 15-out 17-out 19-out 21-out 23-out 25-out 27-out 29-out 31-out,5 Entrada Saída Remoção Figura 9 - Perfis de amônia na entrada e na saída da Unidade Piloto MBR. ABES - Associação Brasileira de Engenharia Sanitária e Ambiental 8
A Figura 1 mostra a variação da concentração de sólidos suspensos totais (SST) e de sólidos suspensos voláteis (SSV) durante o período de amostragem. A redução da concentração ocorrida entre os dias 15 e 28- Out-23 foi atribuída ao descarte indevido de lodo. A relação F/M pode ser observada na Figura 8 e na Figura 1. No dia 24-Out, o pico de DQO e a baixa concentração de sólidos suspensos voláteis resultou na relação F/M igual a aproximadamente,8, acima do normalmente observado para o processo MBR (Stephenson et al. 2). mg/l 12 1 8 6 4 2 1,2 1,8,6,4,2 15-out 16-out 17-out 18-out 19-out 2-out 21-out 22-out 23-out 24-out 25-out 26-out 27-out 28-out 29-out 1/d 3-out 31-out Dia SST SSV F/M Figura 1 - Perfis de SST, SSV e F/M no biorreator. Os resultados das análises indicaram ausência de sólidos suspensos totais e turbidez menor do que 1 NTU em todas as amostras coletadas na saída da Unidade Piloto MBR. As análises de surfactantes aniônicos indicaram 86% de remoção, com concentração média na saída em torno de,4 mg/l. Nas análises de colimetria não foi possível detectar coliformes fecais e totais, atestando que a membrana foi capaz de reter os microorganismos. Observou-se também que o efluente tratado não apresentou toxicidade a peixes (Brachydanio rerio). CONCLUSÕES A operação de plantas de lodos ativados se baseia no controle da concentração de sólidos em suspensão de forma que a separação de sólidos possa ser feita por sedimentação. Qualquer instabilidade do sistema se reflete na qualidade do efluente tratado. A operação de plantas MBR se baseia no controle do fluxo através das condições hidrodinâmicas de turbulência e dos procedimentos de limpeza. Neste caso, instabilidades no sistema se refletem na redução da capacidade de filtração. A eficiência do processo se mantém a menos que ocorra ruptura da membrana. A pré-filtração é essencial para retenção de fibras (como cabelos e papel) que se depositam na entrada dos módulos, reduzindo a velocidade tangencial. Durante o período de testes, o procedimento de limpeza com permeado manteve o fluxo acima do valor de projeto. A DQO, a DBO e o fluxo acima dos valores considerados no projeto da Unidade Piloto MBR foram os responsáveis pela carga volumétrica acima da recomendada para o processo MBR. A redução da carga volumétrica possivelmente tornaria o processo biológico e a qualidade do efluente tratado mais estável. ABES - Associação Brasileira de Engenharia Sanitária e Ambiental 9
A partir dos resultados das análises dos parâmetros físico-químicos concluiu-se que a qualidade do efluente tratado é superior à recomendada para reúso em Torres de Resfriamento pelos critérios da Environmental Protection Agency (EPA-USA). Como o principal requisito para o reúso é a desinfecção, o efluente tratado pela Unidade Piloto MBR pode ser classificado como adequado, sem restrições para contato humano. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS 1. APHA Standard Methods for Examination of Water and Wastewater, 19 o edição. American Public Health Association, Washington, DC., 1995. 2. GANDER, M.; JEFFERSON, B.; JUDD, S. Aerobic MBRs for domestic wastewater treatment: a review with costs considerations. Separation and Purification Technology, n. 18, p. 119-13, 2. 3. REARDON, R., KARMASIN, B., PRIETO, L. A look at compact liquid treatment technologies and their impact on minimizing plant size requirements. Florida Water Resource Journal, p. 45-48, jan 24. 4. STEPHENSON T. et al. Membrane Bioreactors for Wastewater Treatment. IWA Publishing, London, UK, 21. 5. U.S. Environmental Protection Agency. Technology Transfer Manual: Guidelines for Water Reuse. EPA/625/R-92/4, Cincinnati, Ohio, 1992. ABES - Associação Brasileira de Engenharia Sanitária e Ambiental 1