Ariuska Karla Amorim Cabral; Marcelo Zaiat; Eugenio Foresti *

DESEMPENHO E ESTABILIDADE DE UM REATOR ANAERÓBIO HORIZONTAL DE LEITO FIXO (RAHLF), SUBMETIDO À VARIAÇÕES NA CONCENTRAÇÃO AFLUENTE E CARGA DE CHOQUE ORGÂNICA Ariuska Karla Amorim Cabral; Marcelo Zaiat; Eugenio Foresti * Escola de Engenharia de São Carlos (EESC) - Universidade de São Paulo (USP). Av. Dr. Carlos Botelho, 1465 - CEP: 1356-25, São Carlos, SP, Brasil, eforesti@sc.usp.br Palavras chaves: processo anaeróbio; reator de leito fixo; sobrecarga orgânica

RESUMO O presente trabalho teve como objetivo a avaliação do desempenho e estabilidade de um reator anaeróbio, submetido a variações de concentração afluente e cargas de choque orgânicas. Foi utilizado um reator com 2, m de comprimento, 5,4 cm de diâmetro e 2 ml de volume total, tendo sido o leito preenchido com lodo anaeróbio imobilizado em matrizes de espuma de poliuretano. O sistema foi alimentado com substrato sintético, sendo a glicose, sacarose e amido as principais fontes de carbono. Foi utilizada vazão em torno de,4 ml/s, equivalente a um tempo de detenção hidráulico de 5 horas. O reator foi operado com concentrações de matéria orgânica (DQO) afluente, de aproximadamente, 2 e 1 mg/l. Após ser atingido o estado estacionário, foram aplicadas cargas de choque orgânicas, através do aumento correspondente a três vezes o valor da DQO no afluente, durante um período de 5 horas. Para a operação do sistema com DQO no afluente próxima a 2 mg/l os dados de DQO, ácidos voláteis e alcalinidade no efluente, indicaram estabilidade operacional após o 15 o dia de operação. Para o ensaio com a carga de choque, os dados de DQO na amostra efluente, bruta e filtrada, demonstraram que não ocorreram oscilações nos valores desses parâmetros durante o período de aplicação da carga de choque. Após 8 horas do início do experimento, os valores de DQO no efluente decaíram até limites não detectáveis pelo método analítico, semelhante ao período anterior à carga de choque. Os valores obtidos para a DQO no efluente durante o experimento com DQO no afluente próxima a 1 mg/l, confirmaram a estabilidade operacional após o 15 o dia de operação. Durante a aplicação da carga de choque, a carga orgânica foi equivalente a 13,5 Kg DQO/m 3 dia (baseada no volume líquido). Foram observados aumentos nos valores das concentrações de DQO e ácidos voláteis no efluente até aproximadamente 8 horas do início da aplicação da carga de choque. Porém, após 24 horas ocorreu a completa recuperação do sistema. INTRODUÇÃO Novas configurações de reatores vêm sendo estudadas com o intuito de se obter sistemas mais eficientes, pelo melhor aproveitamento do volume útil reacional, com a consequente diminuição do volume total, pela melhoria da estabilidade e facilidade de operação. Uma das tentativas nesse sentido consiste em se desenvolver reatores anaeróbios com células imobilizadas que permita uma maior retenção de biomassa no sistema.

Reatores contendo células imobilizadas em suporte são mais resistentes a altas variações de cargas orgânicas, quando comparados com sistemas com biofilme/grânulos, pois a carga choque tende a alterar as características do biofilme ou dos grânulos (Henze e Harremoes, 1983). Segundo Inamori et. al., 1989, a imobilização propicia aumento na faixa de tolerância a variações de temperatura, ph, substâncias inibidoras, dentre outras, sendo a capacidade de tratamento do reator de leito fixo, proporcional à área superficial do recheio (Kawase et. al., 1989). Trabalhos realizados utilizando-se espuma de poliuretano como suporte de imobilização demostram a boa eficiência desse material e resistência à lavagem da biomassa quando não houverem gradientes de velocidade entre as fases aquosa e o suporte (Fynn e Whitmore, 1984; Zaiat et. al.,1994) Os resultados obtidos até o momento com reatores anaeróbios horizontais de leito fixo (RAHLF) indicam que os limites de capacidade com relação às taxas de carregamento orgânicas aplicadas não foram ainda estabelecidas. Do ponto de vista de otimização desses reatores, é importante que esses limites sejam estabelecidos. Este trabalho apresenta resultados de pesquisa sobre o desempenho e estabilidade de um Reator Anaeróbio Horizontal de Leito Fixo (RAHLF), submetido a variações de concentrações afluentes e cargas de choque orgânicas, operando com afluente sintético e utilizando matrizes porosas de espuma de poliuretano para imobilização do lodo anaeróbio. METODOLOGIA Foi utilizado um reator anaeróbio construído em vidro boro-silicato com 2, m de comprimento, 5,4 cm de diâmetro e 2 ml de volume total. O leito do reator foi preenchido com lodo anaeróbio imobilizado em matrizes de espuma de poliuretano, segundo metodologia desenvolvida por ZAIAT et. al. (1994). O sistema foi alimentado com afluente sintético, sendo a glicose a principal fonte de carbono. A vazão utilizada foi mantida próxima a,4 ml/s, equivalente a um tempo de detenção hidráulico de 5h. Os ensaios foram realizados à temperatura controlada de 3 C ± 1 C. Analisaram-se os seguintes parâmetros: DQO nas amostras afluente e efluente (bruta e filtrada), alcalinidade, ph, ácidos voláteis e produção de biogás.

O reator foi operado com concentrações de matéria orgânica (DQO) afluentes de aproximadamente, 2 e 1 mg/l, até ser atingido o estado estacionário. A seguir, foram aplicadas cargas de choque orgânicas, em cada experimento, através do aumento correspondente a três vezes o valor da DQO afluente, durante um período de cinco horas, correspondente ao tempo de detenção hidráulico. Neste período foram coletadas amostras em intervalos de uma hora e obtidos os valores de DQO, alcalinidade, ph e ácidos voláteis. Também foram coletadas amostras para a medida da composição de gás. Estes dados foram obtidos durante um período de cerca de três vezes o tempo de detenção hidráulico, com o objetivo de acompanhar todo o efeito da perturbação no sistema. RESULTADOS E DISCUSSÃO Na operação do sistema com DQO na amostra afluente de 189 mg/l ± 19 mg/l, os dados de DQO no efluente indicaram estabilidade operacional do reator após o 15 dia de operação (Figura 1). 3 25 2 DQO (mg/l) 15 1 efluente bruta (mg/l) efluente filtrada (mg/l) afluente (mg/l) 5 5 1 15 2 25 3 35 4 45 Tempo (dias) Figura 1: Valores de DQO nas amostras afluente e efluente (bruta e filtrada) durante o período de operação

A partir da análise do gráfico da Figura 1, pode-se verificar oscilação nos valores de DQO nas amostras efluente, bruta e filtrada, nos primeiros 15 dias de operação. Nesse período, os valores da DQO na amostra efluente bruta foi de 45 ± 2 mg/l (máximo de 8 mg/l e mínimo de 15 mg/l) e da DQO na amostra efluente filtrada de 36 ± 19 mg/l (máximo de 74 mg/l e mínimo de 11 mg/l). Após o 15 o dia de operação, a DQO na amostra efluente bruta apresentou valor de 16 ± 7 mg/l (máximo de 31 mg/l e mínimo de 7 mg/l) e a DQO na amostra efluente filtrada de 11 ± 8 mg/l (máximo de 31 mg/l e mínimo de 2 mg/l), indicando estabilidade operacional. Comparando-se os valores de DQO na amostra efluente bruta e filtrada observa-se que não ocorreram variações significativas dos mesmos. Este fato indica um baixo arraste da biomassa (sólidos em suspensão voláteis) imobilizada na espuma de poliuretano, confirmado pela análise de SSV no efluente, cujas concentrações se apresentaram abaixo do limite de detecção do método. Os valores calculados para as eficiências de remoção de DQO na amostra efluente bruta e filtrada em função do tempo são apresentados na Figura 2. Foram observadas variações significativas da eficiência durante o início da operação e os valores se tornaram mais estáveis após o 15 o dia. 1 Eficiência de remoção de DQO (%) 9 8 7 6 Eficiência em relação a DQO bruta (%) Eficiência em relação a DQO filtrada (%) 5 4 8 12 16 2 24 28 32 36 4 Tempo (dias) Figura 2: Eficiência de remoção de DQO na amostra efluente bruta e filtrada ao longo do período de operação

Pode-se observar, pela análise da figura 3, que houve queda nas eficiências de remoção de DQO nas amostras efluentes bruta e filtrada por volta do 36 o dia de operação. No 35 o dia de operação, o reator foi desmontado por problemas operacionais com o sistema de coleta de gás. Essa interferência, na operação do sistema foi, provavelmente, a causa da menor eficiência apresentada no dia 36. Após atingida a estabilidade operacional, procedeu-se à coleta de amostras para a obtenção do perfil de DQO (31 o dia de operação) em função do comprimento do reator. As amostras foram coletadas em pontos intermediários ao longo do comprimento do reator na razão comprimento/diâmetro (L/D) de 4, 8, 12, 16 e 2. Os dados são apresentados na Figura 3. 2 18 16 14 DQO (mg/l) 12 1 8 6 4 2 4 8 12 16 2 L/D Figura 3: Perfil de DQO ao longo do comprimento do reator Analisando-se a curva do perfil de DQO, pode-se observar queda brusca no valor medido do ponto zero (afluente) ao primeiro amostrador em L/D = 4. Depois deste ponto, a diminuição do valor medido tornou-se menos acentuada, indicando que praticamente toda a degradação do substrato ocorreu em L/D = 8 o que equivale ao tempo de detenção de 2,1 horas. Este fato sugere que, devido às diferentes concentrações de substrato e de produtos intermediários, diferentes populações poderão se desenvolver em regiões distintas do reator Após atingida a estabilidade operacional,foi realizado o ensaio com carga de choque orgânica equivalente a três vezes o valor da DQO afluente, durante um período de 5 horas (Figura 4).

8 6 A DQO afluente (mg/l) 4 2 1 DQO efluente (mg/l) 75 5 25 Filtrada Bruta B Concentração de CH 4 (moles/l) x 1-3 3 2 1 C 2 4 6 8 1 12 Tempo (h) Figura 4: Dados obtidos durante a carga de choque (amostragem composta). (a) DQO afluente (mg/l); (b) DQO efluente bruta e filtrada (mg/l) e (c) concentração de metano (moles/l). Os pontos do gráfico estão ligados por linhas apenas para melhor visualização. Os dados obtidos para DQO na amostra efluente bruta e filtrada (Figura 4B) demostram que não ocorreram oscilações nos valores desses parâmetros durante o período em que foi aplicada a carga de choque. Após 8h do início do experimento, os valores de DQO nas amostras efluentes (bruta e filtrada) decaíram até um limite não detectável pelo método de medida. No gráfico da Figura 4C são apresentados os valores de concentração de metano ao longo do tempo. Também não foram observadas variações significativas nos valores desse parâmetro, indicando que a carga de choque aplicada não provocou distúrbios ao desempenho da reator

Os dados de DQO na amostra efluente (bruta e filtrada) para operação do sistema com concentração de matéria orgânica igual a 963 mg/l ± 34 mg/l, são apresentados na Figura 5. 1 8 DQO (mg/l) 6 4 efluente bruta (mg/l) efluente filtrada (mg/l) afluente (mg/l) 2 5 1 15 2 25 3 Tempo (dias) Figura 5: Dados de DQO nas amostras afluente e efluente (bruta e filtrada) em função do tempo. Operação com DQO A ~ 1 mg/l. Os pontos do gráfico estão ligados por linhas apenas para melhor visualização. Analisando-se o gráfico da Figura 5, pode-se verificar a queda nos valores de DQO das amostras efluentes (bruta e filtrada) nos primeiros 15 dias de operação. Nesse período, a DQO das amostras efluentes brutas foi de 176 mg/l ± 96 mg/l ( máximo de 351 mg/l e mínimo de 69 mg/l) e a DQO das amostras efluentes filtradas de 139 mg/l ± 98 mg/l (máximo de 314 mg/l e mínimo de 35 mg/l). No 12 dia de operação, observou-se um aumento significativo nos valores de DQO das amostras efluentes (bruta e filtrada), devido a problemas operacionais relacionados ao bombeamento do substrato. Após o 15 o dia de operação, a DQO da amostra efluente bruta apresentou valor de 72 mg/l ± 14 mg/l (máximo de 19 mg/l e mínimo de 55 mg/l) e a DQO da amostra efluente filtrada de 53 mg/l ± 16 mg/l (máximo de 81 mg/l e mínimo de 38 mg/l), indicando estabilidade operacional. Os valores calculados de eficiência de remoção de DQO em função do tempo são apresentados na Figura 6. Foram observadas variações da eficiência até o 15 o dia de operação, a partir do qual o reator tornou-se mais estável. No 12 o dia de operação, observou-se queda na eficiência de remoção devido ao problema já citado anteriormente.

1 Eficiência de remoção de DQO (%) 9 8 7 6 Eficiência em relação a DQO bruta (%) Eficiência em relação a DQO filtrada (%) 5 4 8 12 16 2 24 28 32 Tempo (dias) Figura 6: Eficiência de remoção de DQO nas amostras efluentes (bruta e filtrada) ao longo do período de operação. Os pontos do gráfico estão ligados por linhas apenas para melhor visualização. Os valores de ácidos voláteis no efluente em função do tempo são apresentados na Figura 7. Podese a tendência ao decréscimo na concentração de ácidos voláteis excluindo-se o valor elevado no 12 dia. 2 15 Ácidos voláteis (mg/l) 1 5 5 1 15 2 25 3 Tempo (dias) Figura 7: Valores de ácidos voláteis no efluente em função do tempo. Operação com DQO A ~ 1 mg/l. Os pontos do gráfico estão ligados por linhas apenas para melhor visualização.

Não foram observadas variações consideráveis nos valores obtidos para alcalinidade. Os valores de alcalinidade a bicarbonato no afluente foram de 538 ± 29 mg/l CaCO 3 e no efluente de 589 ± 26 mg/l CaCO 3. A geração de alcalinidade a bicarbonato confirma a estabilidade operacional da sistema. Na Figura 8 a seguir são apresentados os valores de concentração de metano em função do tempo. 3 25 Concentração de Metano (moles/l) x 1-3 2 15 5 1 15 2 25 3 Tempo (dias) Figura 8: Concentração de metano em função do tempo. Os pontos do gráfico estão ligados por linhas apenas para melhor visualização. A confiabilidade dos valores da concentração de metano (Figura 8) foi prejudicada pela persistente presença de líquido no sistema de coleta de gás. Estes dados, portanto, não representam de forma adequada a estabilidade de operação do reator. A partir dos dados apresentados, pode-se verificar que o reator apresenta um período de partida relativamente curto, aproximadamente de 15 dias. Porém, apresentou problemas com o sistema de coleta de gás prejudicando assim a obtenção dos valores da concentração de metano. Após atingida a estabilidade operacional, procedeu-se à coleta de amostras para a obtenção do perfil de DQO (19 o dia de operação) em função do comprimento do reator. As amostras foram coletadas em pontos intermediários ao longo do comprimento do reator na razão comprimento/diâmetro (L/D) de 4, 8, 12, 16 e 2. Os dados obtidos são apresentados na Figura 9.

1 8 DQO (mg/l) 6 4 2 4 8 12 16 2 L/D Figura 9: Perfil de DQO ao longo do comprimento do reator. Os pontos do gráfico estão ligados por linhas apenas para melhor visualização. Analisando-se a curva do perfil de DQO pode-se observar queda gradual nos valores de DQO ao longo do comprimento do reator. Este fato está, sem dúvida, relacionado com a característica de escoamento pistonado no reator, conforme relatado anteriormente (Cabral, 1995 e De Nardi, 1997). Após a obtenção dos dados do perfil de DQO, foi aplicada carga de choque orgânica igual a três vezes o valor da carga em estado estacionário, através do aumento correspondente da concentração de DQO afluente. Essa carga de choque foi equivalente à taxa de carregamento orgânica (TCO) de aproximadamente 13,5 Kg DQO/m 3 dia (baseada no volume líquido de 694 ml), tendo sido aplicada durante um período de cinco horas, semelhante ao tempo de detenção hidráulico do sistema (Figura 1).

3 DQO afluente (mg/l) 25 2 15 1 5 A DQO efluente (mg/l) 2 175 15 125 1 75 5 25 Filtrada Bruta B 3 28 Concentração de CH 4 (moles/l) x 1-3 26 24 22 2 2 4 6 8 1 12 14 16 18 2 22 24 Tempo (h) C 1 8 6 Ácidos voláteis efluente (mghac/l) 4 2 D 5 CH 4 /CO 2 4 3 2 1 E 2 4 6 8 1 12 14 16 18 2 22 24 Tempo (h) Figura 1: Dados obtidos durante a carga de choque (amostragem composta). (a) DQO na amostra afluente (mg/l); (b) DQO na amostra efluente bruta e filtrada (mg/l); (c) concentração de metano (moles/l); Ácidos voláteis efluente (mg Hac/L) e (e) CH 4 /CO 2. Os pontos do gráfico estão ligados por linhas apenas para melhor visualização.

A partir da análise dos dados de DQO na amostra efluente bruta e filtrada (figura 1B) e ácidos voláteis no efluente (figura 1 D ), pode-se verificar um aumento nos valores destes parâmetros até aproximadamente 8h do início da carga de choque. Após esse tempo, verifica-se a diminuição na concentração da DQO bruta e filtrada bem como nos valores de ácidos voláteis. Os pontos obtidos após 24h do início do experimento com a carga de choque indicam que, apesar do sistema ter sido inicialmente afetado por essa perturbação, houve completa recuperação do mesmo. A aplicação da carga de choque, como perturbação ao sistema, gerou curvas respostas para o efluente semelhantes àquelas obtidas para ensaios hidrodinâmicos em reatores com escoamento próximo ao pistonado. Curvas semelhantes foram obtidas por Cabral, 1996 e De Nardi 1997, utilizando reator anaeróbio horizontal de leito fixo, para ensaios hidrodinâmicos com traçadores. Na figura 1, são apresentados os dados obtidos para a concentração de CH 4 (figura 1C) e para a razão CH 4 /CO 2 (figura 4E). Pode-se observar uma ligeira queda na relação CH 4 /CO 2 durante a aplicação da carga de choque, indicando aumento do teor de CO 2 em ralação ao de metano. Provavelmente tal fato ocorreu devido a desequilíbrio temporário entre as fases acidogênica e matanogênica. Os dados obtidos durante o período da aplicação da carga de choque indicam que ocorreu aumento nas concentrações de DQO efluente e ácidos voláteis porém, o reator recuperou a sua eficiência operacional no período de 24 horas.caine et.al., 1991, analisando os efeitos de choques de ph, temperatura e cargas orgânicas e hidráulicas, em um filtro anaeróbio, também constataram que o estado estacionário foi restabelecido após 24h do período de sobrecarga. CONCLUSÕES A partir dos dados obtidos para o período de partida do reator, para as concentrações afluentes de aproximadamente 2 e 1 mg/l, pode-se verificar que a estabilidade operacional foi atingida após 15 dias de operação, confirmando-se que o período de partida do reator é extremamente curto, comparado a outros tipos de reatores anaeróbios. Após ter sido estabelecido o estado estacionário, observou-se a manutenção de estabilidade operacional bem como de boa eficiência de remoção de DQO, que manteve-se superior a 9%.

A aplicação da carga de choque equivalente a 13,5 Kg DQO/m 3 dia, interferiu no desempenho do reator, apenas no período de 24 horas após a aplicação da sobrecarga A investigação sobre o desempenho do sistema sob condições de variação na concentração de matéria orgânica afluente e carga de choque orgânicas, deverá ter continuidade para melhor avaliação do desempenho do reator quando submetido a tais variações. AGRADECIMENTOS À Fundação de Amparo à Pesquisa no Estado de São Paulo pelo suporte financeiro e concessão de bolsa (processo n 95/4259-9). REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS BLASZCZYK, R.; GARDNER, D. and KOSARIC, N. (1994), Response and Recovery of Anaerobic Granules from Shock Loading, Water Research, volume 28, número 3, páginas 675-68. CABRAL, A. K. A. (1996), Caracterização hidrodinâmica de um Reator Anaeróbio Horizontal de Leito Fixo (RAHLF). São Carlos. Dissertação (Mestrado-Hidráulica e Saneamento)- Escola de Engenharia de São Carlos (EESC), Universidade de São Paulo (USP). CAINE, M. E. ; ANDERSON, G. K. and DONNELLY, T. (1991), A study into the effect of a series of Shocks on a Pilot-scale Anaerobic Filter, in: Proceedings of the 45th Industrial Waste Conference. Purdue University, páginas 451-461. DEL NERY, V. (1987), Utilização de Lodo Anaeróbio Imobilizado em Gel no estudo de Partida de Reator de Fluxo Ascendente com Manta de Lodo, Dissertação de Mestrado apresentada ao Programa de Pós-graduação da Escola de Engenharia de São Carlos (EESC), Universidade de São Paulo (USP), São Carlos, SP. HENZE, M.; HARREMOES, P. (1983), Anaerobic Treatment of Wastewater in Fixed Film Reactors - a literature Review, Water Science Tecnology, volume 15, páginas 1-11. INAMORI, Y.; MATSUSIGE, K.; SUDO, R.; CHIBA, K.; KIKUCHI, H. and EBSUNO, T. (1989), Advanced Wastewater Treatment using an Immobilized Micro-organism/Biofilm tom-step process, Water Science Tecnology, volume 21, páginas 1755-1758.

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