REMOÇÃO BIOLÓGICA DE FÓSFORO EM REATOR SEQUENCIAL EM BATELADA TRATANDO ESGOTO SANITÁRIO SINTETICO UTILIZANDO ACETATO DE SÓDIO COMO FONTE EXÓGENA DE CARBONO Nélia Henriques Callado (*) Engenheira Civil formada pela Universidade Federal de Alagoas, Mestre e Doutora em Hidráulica e Saneamento pela Escola de Engenharia de São Carlos (EESC/USP), Professora Adjunto do Centro de Tecnologia da Universidade Federal de Alagoas (CTEC/UFAL), Brasil Eugenio Foresti Engenheiro civil formado pela Escola de Engenharia de São Carlos / Universidade de São Paulo, Mestre e Doutor em Hidráulica e Saneamento pela Escola de Engenharia de São Carlos EESC/USP, Professor Titular do Departamento de Hidráulica e Saneamento da Escola de Engenharia de São Carlos (EESC/USP). Brasil (*) Rua José Porciúncula, 11, Farol, Maceió, Al, Brasil- Tel/Fax: + (82) 338-9682. e-mail: nhc@ctec.ufal.br ou ncallado@terra.com.br RESUMO Este trabalho apresenta a avaliação do desempenho de um sistema composto de dois reatores seqüenciais em batelada, em escala de laboratório, sendo um anaeróbio (RSBAn) e um aeróbio/anóxico (), na oxidação de matéria carbonácea, remoção biológica de fósforo e produção de lodo. O sistema foi operado em ciclos de 12 horas, com 8, L por batelada, tratando esgoto sanitário sintético, com DQO média afluente de 8 mg/l. O primeiro reator (RSBAn) tinha, por finalidade, remover a maior fração de matéria carbonácea e promover a amonificação; o segundo (), a de promover a nitrificação, a desnitrificação e a remoção biológica de fósforo, utilizando acetato como fonte exógena de carbono. Foram realizadas análises de DQO, Nitrogênio total, amoniacal, nitrito, nitrato, alcalinidade, ácidos voláteis, ph, potencial redox, sólidos totais, fixos e voláteis. Os dados de monitoramento mostraram que o sistema, quando devidamente operado, pode apresentar eficiências de remoção da ordem de 94,% de DQO, 9% de fósforo e 92% de nitrogênio, e produção média de lodo em excesso de 9,23L lodo /m 3 esgoto. Palabras Clave Remoção Biológica de Fósforo, Reator Seqüencial em Batelada, Esgoto Sanitário. INTRODUÇÃO Inicialmente projetados para tratar a fração orgânica presente em águas residuárias, os sistemas de tratamento têm se modificado para atender às restrições impostas pela legislação ambiental. Hoje, devido a problemas relacionados à eutrofização de corpos d água receptores, tem surgido a necessidade de se desenvolverem novas tecnologias de tratamento que, além de permitir a remoção da matéria orgânica, sejam capazes de remover os nutrientes, especialmente nitrogênio e fósforo. A indução da remoção biológica do fósforo é feita, basicamente, aumentando-se o percentual de fósforo na fração ativa de lodo. Segundo JEON e PARK (2), algumas bactérias têm a capacidade de estocar o fósforo na forma de polifosfato (poli-p) e carbono na forma de poli-b-hidroxibutirato (PHB).
Sob condições anaeróbias, essas bactérias liberam o fosfato armazenado como poli-p, devido à necessidade de armazenar substrato rapidamente biodegradável como PHB. Nessas condições, a concentração de ortofosfato no meio líquido aumenta na fase anaeróbia. Na fase aeróbia, quando a concentração de substrato prontamente biodegradável é baixa, os organismos que possuem PHB armazenado começam a degradá-lo e a utilizá-lo como fonte de carbono e energia. Parte da energia é utilizada para formar poli-p e armazená-lo no interior das células, com conseqüente diminuição da concentração de fósforo na fase líquida. Para que haja a liberação de fosfato é necessária a presença de uma fonte de carbono facilmente degradável na fase anaeróbia, como os ácidos graxos de cadeia curta, principalmente acetato (SEDLAK,1991). HESSELMANN et al. (2) citam que o metabolismo da liberação de fosfato na fase anaeróbia, utilizando acetato como fonte de carbono, é caracterizado por cinco processos principais: Absorção do acetato e ativação do acetil co-a; Síntese de poli-b-hidroxibutirato (PHB) e valerato (PHV); Degradação do glicogênio; Degradação do polifosfato; Liberação simultânea de ortopolifosfato, potássio e magnésio. No entanto, apesar da ativação do acetato ser a etapa de maior consumo de energia no metabolismo anaeróbio de indução da remoção biológica de fosfato, este mecanismo bioquímico ainda não está bem elucidado. ALÉM SOBRINHO & SAMUDIO (2) comentam que o fósforo removido biologicamente da fase líquida fica incorporado à massa biológica e que, apesar de se encontrarem na literatura informações sobre a remoção biológica de fósforo nessa fase, pouco tem sido publicadas a respeito das características dos processos de tratamento de lodo gerado por esses sistemas e, principalmente, sobre os efeitos que o tipo de tratamento escolhido pode causar sobre o excesso de fósforo removido biologicamente. Se esse lodo for retornado a um reator anaeróbio para ser digerido, o fósforo nele incorporado é liberado para a fase líquida, aumentando a concentração de fósforo no efluente do reator e prejudicando o desempenho do sistema, principalmente no que se refere aos níveis de fósforo a serem conseguidos no efluente final da ETE. OBJETIVO Avaliar o desempenho de um sistema composto de dois reatores seqüenciais em batelada com relação à oxidação de matéria carbonácea, remoção biológica de fósforo e produção de lodo. MATERIAIS E MÉTODOS A pesquisa foi desenvolvida utilizando-se dois reatores seqüenciais em batelada, sendo um anaeróbio (RSBAn) e um aeróbio/anóxico (), construídos com seção circular em acrílico transparente, com volume útil de 14 L, operados em série, como mostrado no esquema da Figura 1. O sistema foi operado durante 42 dias, com 84 ciclos de 12 horas e alimentado com substrato sintético com composição similar à de esgotos sanitários. O substrato era preparado diariamente utilizando-se água, extrato de carne, amido, celulose, sacarose, óleo, detergente e solução de micronutrientes (TORRES, 1992), que resultava na DQO média de 8mg/L. Os reatores operaram com 8, L/batelada, em ciclos com seqüência de quatro fases distintas: enchimento, reação, sedimentação e descarte. Na fase de reação, o RSBAn era agitado intermitentemente (2min/,2h), recirculando-se o gás produzido e o tinha a fase de reação dividida em três partes: uma fase aeróbia, aerada/agitada continuamente, seguida de uma fase anóxica agitada recirculando-se o sobrenadante, encerrando com fase aeróbia, aerada/agitada continuamente.
Figura 1. Esquema da instalação experimental. O RSBAn tinha, por finalidade, remover a maior fração de matéria carbonácea (DQO) e promover a amonificação; e o, a de complementar a remoção de DQO, promover a nitrificação; a desnitrificação e a remoção biológica de fosfato, submetendo-se a fase de ração a condições aeróbias e anóxica utilizando acetato de sódio, como fonte exógena de carbono, adicionado sempre no início da fase anóxica. A operação do sistema foi divida em três etapas. Na Etapa I, o substrato sintético foi preparado utilizando-se extrato de carne líquido com alíquotas previamente preparadas e congeladas. Esse produto acabou durante a execução dessa Etapa. Assim, na Etapa II, o extrato de carne líquido foi substituído por extrato de carne em pó. No entanto, verificou-se que, com a troca do extrato de carne, a concentração de P-PO 4 3- diminuiu significativamente, cerca de 2% do valor obtido com o extrato de carne líquido. Assim, como se pretendia estudar a remoção de fósforo, novas alíquotas contendo extrato de carne liquido foram preparadas, sendo que, na Etapa III, voltou-se a utilizar esse extrato de carne no preparo do substrato sintético. Nas Etapas I e III, foram adicionados mg/l de acetato de sódio (equivalente a 217mg/L de acetato) como fonte de carbono para desnitrificação e remoção biológica de fósforo. Na Etapa II, como a concentração de P-PO 4 3- era menor, foram adicionados 3mg/L de acetato de sódio, equivalente a 127mg/L de acetato. RESULTADOS Os resultados obtidos mostraram que o sistema apresentou comportamento bastante estável, com eficiência global de remoção de DQO, tanto com relação ao efluente bruto, quanto ao filtrado, superior a 92%, aumentando para 96% na Fase II, quando se utilizou extrato de carne em pó no preparo do substrato sintético. Cerca de 7% da DQO era removida no, e a remanescente no. A Tabela 1 apresenta os valores médios dos principais parâmetros analisados, durante as fases operação do sistema. Observando-se a Tabela 1, nota-se que o apresentou eficiência de remoção de DQO superior a 7% com relação ao efluente bruto e de 6% com relação ao efluente filtrado. A maior eficiência de remoção de DQO, com relação ao efluente bruto, deve-se à retenção de sólidos voláteis (SV) nesse reator.
Tabela 1. Valores médios dos principais parâmetros do sistema nas três fases de operação. Fase I Fase III Fase IV PARÂMETRO (extrato de carne líquido (extrato de carne em pó (extrato de carne líquido e mg.acetato/l) e 3 mg.acetato/l) e mg.acetato/l) DQO B, mg/l 229 6 21 28 269 42 DQO F, mg/l 121 42 97 22 164 36 N-NTK, mg/l 44,1,2 46,7 3, 49,7 2,8 N-NH + 4, mg/l 33, 2, 36,8 1,1 38,7,16 N-NO - 2, mg/l,,4,,4,, N-NO - 3, mg/l,, 6,8,93,, P-PO 3-4, mg/l 2,6 1,4,1,44 27,9,4 AT, mg/l 283 327 34 234 292 326 AI, mg/l 23 28 22 19 241 28 AP, mg/l 67 47 2 38 1 47 AI/AP,33 -,21 -,21 - AV, mg/l 31 12 13 7 31 21 ph 6,6-6,7 7,6-8, 6,-7, 7,7-8,3 6,6 7,9-8,2 pr -3 192/-148/18-31 163/-16/18 6,8 16/-1/172 OD, mg/l - 4,6-4,3 -, ST, mg/l 72 744 67 677 781 747 SV, mg/l 193 47 199 2 264 8 STLM, g/l 1,89,27 1,2 4,3 1,14 3,62 SVLM, g/l 7,97 3,8 7,83 3,2 7,61 2,6 H LODO, cm 2, 28, 2, 26, 2, 24, No, verificou-se conversão média de 7% do nitrogênio orgânico a nitrogênio amoniacal, acompanhada pelo aumento da alcalinidade total (AT) devido ao processo de amonificação que correspondeu, em média, a 3,38mg.CaCO 3 /mg.n-nh 4 produzido. Normalmente o efluente do não apresentava N-NH 4 + nem N-NO 3 -, indicando a completa oxidação do N-NH 4 + na primeira fase aeróbia e desnitrificação na fase anaeróbia subseqüente, no período de reação. A eficiência de remoção de nitrogênio foi de 87%, 92% e 94,% respectivamente nas Fases I, II e III. Verifica-se, também, que o processo de remoção biológica de fósforo, da fase liquida, no, foi excelente, com eficiência média de 9%. As concentrações médias de P-PO 4 3- no efluente foram de 1,4mg/L,,44mg/L e,4mg/l, respectivamente, para as Fases I, II e III. Na Fase III, o sistema apresentou, em 9% dos ciclos analisados, efluentes com concentração média de P-PO 4 3- menor que 1, mg/l, N-NTK menor que 3, mg/l, N-NO 2 menor,2 mg/l, não tendo sido constatada a presença de N-NH 4 e N-NO 3 -. O foi operado com concentração média de ST e SV no licor misto de.27mg/l e 3.8 mg/l, 4.3mg/L e 3.2mg/L, e 3.62mg/L e 2.6mg/L respectivamente nas Fases I, II e III. Esses valores mostram que a relação média SV/ST esteve sempre próxima a,73. Os descartes de lodo foram feitos durante as fases de sedimentação, sempre que a altura do lodo sedimentado atingia aproximadamente 3cm e a concentração de ST era de aproximadamente 4.8mg/L. Foram feitos seis descartes de lodo, em média a cada 2 bateladas (1 dias), o que resultou na produção média estimada de lodo de excesso de 9,23L lodo /m 3 esgoto. A idade de lodo média do foi de 2,1 dias, valor esse acima do encontrado na literatura e maior que os observado por por ALÉM SOBRINHO e SAMUDIO (2), que variou de 6,2 a 6,6 dias. A idade de lodo foi calculada baseada no balanço de massa utilizando a equação 1.
θ c = V SBR.X / [Q D.X D +(Q-Q D ).X E ]... equação 1 Em que: θ c = Idade de lodo média, d V SBR = Volume do reator, (14 L) X = Concentração média de SV no reator, (3216,6 mg/l ) Q D = Volume de lodo de descarte, (,148 L/d) X D = Concentração de SV do lodo de descarte, (117 mg/l) Q = Volume de esgoto afluente, (16 L/d) X E = Concentração de SV no efluente do reator, (43,3 mg/l) A produção média de lodo em relação a DQO afluente, considerando a DQO efluente do RSBAn somada a DQO equivalente a adição do acetato como fonte exógena de carbono, resultou em,237mgsv/mgdqo. As relações entre fósforo removido e sólidos voláteis no licor misto (Pr/SVLM), e as correlações entre acetato adicionado e concentração inicial de fósforo (Ac/P) do estão apresentadas na Tabela 2. Tabela 2. Relações Pr/SVLM e Ac/P obtida nas Etapas I, II e III. Ac (mg) P (mg) Ac/P Pr (mg/l) SVLM (mg/l) Pr/SVLM Etapa I 217 2,6 8,47 24,2 38,64 Etapa II 127,1 24,9 4,66 32,1 Etapa III 217 27,9 7,78 27,36 26,13 Deve-se salientar que, certamente, parte do acetato estava sendo utilizada na desnitrificação e parte estava sendo absorvida na remoção biológica de fosfato, mas as relações Ac/P obtidas são semelhantes aos valores encontrados na literatura. Os valores da relação Pr/SVLM variaram de,1 a,1, sendo este ultimo próximo aos valores encontrados por ALÉM SOBRINHO e SAMUDIO (2). Para observar melhor os processos que estavam ocorrendo nos reatores, foram realizados os perfis temporais apresentados na Figura 2. Analisando-se o gráfico do perfil temporal de remoção de DQO e formação de N-NH 4, realizado no, verificase que maior fração da remoção de DQO, bem como parte majoritária do processo de amonificação ocorreu durante as seis primeiras horas de reação, sem muita variação até o final do ciclo. No, os perfis temporais mostram que houve a completa oxidação do N-NH + 4 na primeira fase aeróbia, acompanhada pelo consumo da alcalinidade decorrente do processo da nitrificação, na razão de,16mgcaco 3 /mgn oxidado. Na fase anóxica, verifica-se que o fosfato foi totalmente liberado quase que instantaneamente, e a desnitrificação ocorre gradativamente durante as duas primeiras horas subseqüentes à liberação de fosfato. Conforme pode ser observado, a remoção de P-PO 3-4 ocorreu na segunda fase aeróbia. Observa-se ainda, na fase anóxica, que houve consumo de DQO FL e AV. No entanto, os AV não foram totalmente 3- consumidos. Portanto, inicialmente os AV foram consumidos e o P-PO 4 foi liberado instantaneamente para fase líquida, tendo o processo de desnitrificação se iniciado em seguida.
Conc.AT, mg/l 4 3 3 2 2 1 1 6 4 4 3 3 REAÇÃO SEDIM. 2 2 1 1 1 2 3 4 6 7 8 9 1 11 12 Conc, de N, m g/l Con.AT, mg/l 4 3 3 2 2 1 1 AERÓBIO ANAERÓBIO AERÓBIO SEDIM. 1 2 3 4 6 7 8 9 1 11 12 3 3 2 2 1 1 Conc. de N, mg/l Conc. DQO e AV, mg/l Conc. AT, mg/l Conc. DQO e AV, mg/l 6 4 3 2 1 REAÇÃO SEDIM. 1 2 3 4 6 7 8 9 1 11 12 3 3 4 2 4 3 2 3 1 REAÇÃO SEDIM. 2 2 1 1 1 1 2 3 4 6 7 8 9 1 11 12 7 6 4 3 2 1 REAÇÃO SEDIM. 1 2 3 4 6 7 8 9 1 11 12 8 7 6 4 3 2 1 3- Conc.P- PO 4, mg/l Conc DQO e A V, mg/l ETAPA II 3 3 2 2 1 1 Conc, de N, mg/l Conc. AT, mg/l 3-, Conc. P-PO 4 mg/l Conc DQO e AV, mg/l ETAPA III Legenda: DQO B _ DQO + F N-NTK ----O--- N-NH 4 + - N-NO 2 - N-NO 3 3- P-PO 4 AT AV. Figura 2. Perfis temporais dos e na Etapa II e na Etapa III. A desnitrificação foi acompanhada pela produção da alcalinidade na razão de 6,1gCaCO 3 /gn reduzido. Embora a AT produzida na fase anaeróbia tenha se originado principalmente do processo de desnitrificação, a liberação de fosfato e a adição do acetato de sódio também elevam a alcalinidade do meio. Essa é uma explicação possível para o fato de a concentração de AT no efluente do, nas Fases I e III, ter sido superior à observada na Fase II. Naquelas, devido 16 14 12 1 8 6 4 2 4 3 3 2 2 1 1 AERÓBIO ANAERÓBIO AERÓBIO SEDIM. 1 2 3 4 6 7 8 9 1 11 12 AERÓBIO ANAERÓBIO AERÓBIO SEDIMENT. 1 2 3 4 6 7 8 9 1 11 12 2 18 16 14 12 1 8 6 4 2 AERÓBIO ANAERÓBIO 1 2 3 4 6 7 8 9 1 11 12 4 4 3 3 2 2 1 1 3 2 2 1 1 AERÓBIO SEDIMENT. 7 6 8 4 3 2 1 Conc. P- PO 4 3-, mg/l Conc. N, mg/l Conc. P-PO 4 3-, mg/l
à maior concentração de fosfato no substrato sintético, houve necessidade de se adicionar mg/l acetato de sódio para atingir eficiência elevada de remoção biológica de fósforo. Por outro lado, na Fase II, quando a concentração de fósforo era menor, a concentração de acetato de sódio utilizada foi também inferior (3mg/L ). 3- Nos perfis temporais verifica-se também que, logo na primeira fase aeróbia, o P-PO 4 foi prontamente absorvido, alcançando concentrações da ordem de 1,6 mg/l. Isto pode ter ocorrido, provavelmente, devido ao armazenamento prévio de substrato rapidamente biodegradável, como PHB, nas etapas anóxicas anteriores. Devido à baixa concentração de substrato prontamente biodegradável, na primeira fase aeróbia do (visto que a maior fração da DQO já havia sido consumida no ), os organismos começam a degradar o PHB previamente armazenado, utilizado-o como fonte de carbono e energia, absorvendo o fosfato do meio líquido, como poli-p, e armazenando-o no interior de suas células. CONCLUSÕES O sistema de tratamento composto de reatores seqüenciais em batelada, nas condições estudadas, apresentou excelente desempenho, atingindo eficiências de remoção da ordem de 94,% de DQO, 9% de fósforo e 92% de nitrogênio. A remoção biológica de fósforo da fase líquida, a nitrificação e a desnitrificação foram conseguidas submetendo-se o período de reação do a condições alternadas aeróbia/anaeróbia(anóxica)/aeróbia, adicionando-se acetato de sódio como fonte de carbono para remoção biológica de fósforo e desnitrificação, no início da fase anóxica. Nessas condições a produção média de lodo em excesso foi de 9,23L lodo /m 3 esgoto, relação lodo produzido/ DQO afluente de,237mgsv/mgdqo e tempo de retenção celular de 22,1 dias. A relação entre fósforo removido e sólidos voláteis no licor misto (Pr/SVLM) variaram de,1 a,1 e a correlação entre acetato adicionado e concentração inicial de fósforo (Ac/P) foi de 7,8, aproximadamente. No, os perfis temporais mostraram que, na primeira fase aeróbia, a nitrificação ocorria com 1% de eficiência. Na fase anóxica subseqüente o fosfato era instantaneamente liberado, assim que se desligava a aeração e adicionava-se o acetato de sódio. O processo de desnitrificação ocorria durante as três horas do período anóxico e, na segunda fase aeróbia, o fosfato era rapidamente consumido nas primeiras horas. REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS ALÉM SOBRINHO, P.e SAMUDIO, E. M. M. (2). Estudo sobre remoção biológica de fósforo de esgoto sanitário, através do processo de lodos ativados operado em batelada. In: XXVII CONGRESSO INTERAMERICANO DE ENGENHARIA SANITÁRIA E AMBIENTAL. Porto Alegre / RS Brasil. HESSELMAN, R. P. X.; Von RUMMELL, R.; RESNICK, S. M.; HANY, R.; ZEHNDER, A. J. B. (2). Anaerobic metabolism of bacteria performing enhanced biological phosphate removal. Water Research, V. 34, N. 14, P. 3487-3494. JEON, C. O.; PARK, J. M. (2). Enhanced biological phosphorus removal in a sequencing batch reactor supplied with glucose as a sole carbon source. Water Research, V. 34, N. 7, P. 216-217. SEDLAK, R. (1991). Phosphorus and nitrogen removal from municipal wastewater. New York: Lewis. TORRES, P. (1992) Desempenho de um reator anaeróbio de manta de lodo (UASB) de bancada no tratamento de substrato sintético simulando esgotos sanitários. Dissertação (Mestrado). Escola de Engenharia de São Carlos, USP.