Lodos Ativados

O sistema de lodo ativado é conhecido como unidades eficientes de remoção de material orgânico, sólidos em suspensão e, eventualmente, também macronutrientes, produzindo um efluente de alta qualidade (MEDEIROS, CAVALCANTI, VAN HAANDEL, 2005). No entanto, o sistema de Lodos Ativados não se configura tecnologia universal, haja vista apresentar elevados custos de implantação e operação, e demandar mão-de-obra sofisticada.

O lodo ativado é formado, principalmente de bactérias, algas, fungos e protozoários, sendo as bactérias os microrganismos de maior importância, uma vez que são responsáveis pela degradação da matéria orgânica e pela formação dos flocos.

A idade do lodo representa o tempo médio em que uma partícula de lodo permanece no sistema, este parâmetro é fundamental para o dimensionamento e a operação do sistema de lodo ativado (VAN HANDEL e MARAIS, 1999).

36 A maior idade de lodo usual para sistemas de lodo ativado convencional é de 10 dias, sistemas de lodos ativados com idade de lodo entre 18 e 30 dias são considerados de aeração prolongada (SANTOS, 2009). Além disso, deve- se levar em consideração o tempo de detenção hidráulico (TDH), que para Von Sperling (2012) deve estar em torno de 16 a 24h para caracterizar um sistema de lodos ativados com aeração prolongada.

Von Sperling e Fróes (1998), em seu estudo de caracterização da estação de tratamento de esgotos de Morro Altos, na região metropolitana de Belo Horizonte, determinaram uma idade de lodo média de 26,2 dias, caracterizando assim um sistema de lodos ativados de aeração prolongada.

Esta elevada idade do lodo é um dos principais pontos favoráveis do reator. Quanto maior o tempo de permanência do lodo em seu interior menor será a quantidade de matéria orgânica por unidade de volume. Isto obrigará as bactérias a intensificar o catabolismo celular, passando a consumir a matéria orgânica de suas células. O lodo final produzido encontra-se bastante mineralizado e com um menor risco sanitário, além de produzir um efluente final com baixa concentração de sólidos suspensos totais e DBO.

A DBO solúvel do efluente final de um sistema de lodo ativado de aeração prolongada é praticamente desprezível. A DBO total deste tipo de sistema é em sua maioria devida aos sólidos em suspensão efluentes do decantador secundário (VON SPERLING e FRÓES, 1998).

Os lodos ativados são bastante eficientes na remoção de nitrogênio dos esgotos sanitários. É comum observar sistemas com eficiências próximas ou superiores a 90% (KIM et al., 2011; ZIELINSKA et al., 2012; FUKUSHIMA et

al., 2013). Incluindo, neste cenário, estações projetadas para realizar a

nitrificação e desnitrificação simultâneas (SATOH et al., 2003).

Com relação à carga de oxigênio aplicada ao sistema de lodos ativados, Jordão e Pessoa (2009) indicam que é recomendável aplicar 2,5 vezes a carga média de DBO5, para sistemas projetados para promover a nitrificação. Indicam também que para sistemas projetados para nitrificação e que tratam efluentes

37 provenientes de reatores anaeróbios do tipo UASB, a carga de oxigênio recomendada é de 4 vezes a carga média de DBO5.

3.3 Moving Bed Biofilm Reactor (MBBR)

O MBBR, conhecido no Brasil por Reator de Leito Móvel com Biofilme, foi desenvolvido com o objetivo de compilar em um único sistema as características de duas tecnologias: a de lodos ativados e a de biofiltros. Desta forma, a biomassa se desenvolve aderida ao material suporte que, por sua vez, se move livremente no interior do reator.

Esta associação permite que o reator tenha uma série de vantagens em relação aos lodos ativados e aos biofiltros: Não necessita de recirculação de lodo; todo volume do reator é utilizado para o crescimento da biomassa; perda de carga insignificante; resistência a cargas de choque; requer menos espaço para implantação; a concentração de biomassa a ser separada é pelo menos 10 vezes menor (AYGUN et al., 2008; ØDEGAARD et al., 1999; JAHREN et al., 2002).

Contudo, algumas desvantagens são percebidas neste tipo de sistema. Schneider (2010) destaca o alto consumo energético e Reis (2007) aponta o alto custo efetivo de instalação e operação.

O MBBR pode ser operado em condições aeróbia, anóxica ou anaeróbia. No sistema aeróbio a própria agitação causada pela aeração provoca a circulação do material suporte no interior do reator. No caso dos sistemas anóxico e anaeróbio é necessário a utilização de um agitador mecânico.

O reator de leito móvel com biofilme vem sendo utilizado com sucesso na remoção de DBO, DQO e compostos nitrogenados (ØDEGAARD et al., 1999). Além disso, na Europa, devido à exigência relativa aos teores de fósforo no efluente final, o MBBR se apresenta como interessante alternativa quando combinado com processos de precipitação química (REIS, 2007).

38 Aspectos fundamentais para operação de um MBBR devem ser observados: Schneider (2010) apresenta a razão de recheio, a hidrodinâmica do reator, a vazão de ar (para sistemas operados aerobiamente), e a formação do biofilme como os mais relevantes.

A razão de recheio consiste na razão entre volume ocupado pelo material suporte e o volume total do reator. Aygun et al. (2008) recomendam que esta razão fique entre 30 e 70%. Para Rusten et al. (2006), razões superiores a 70% dificultam a boa movimentação do material suporte no interior do reator, este aspecto pode provocar um formação de um biofilme mais espesso, o que leva a uma perda de rendimento do reator.

A turbulência no interior do reator é fundamental para a boa eficiência do tratamento. Em sistemas aeróbios esta agitação é garantida pela própria aeração. Rusten et al. (2006) afirmam que esta agitação garante a transferência de oxigênio dissolvido e dos nutrientes até os microrganismos, evita a formação de zonas estagnadas e a formação de biofilme espesso.

Apesar de importante para o funcionamento do MBBR, uma agitação excessiva pode causar desprendimento muito acentuado do biofilme, podendo resultar em efluente com grande concentração de sólidos.

O material suporte representa uma proteção para o desenvolvimento do biofilme. De acordo com o que afirmam Lazarova e Manem (1995), os microrganismos que se desenvolvem aderidos a uma superfície de contato são menos afetados pelos fatores ambientais externos do que os microrganismos com crescimento em suspensão.

Nos sistemas MBBR o biofilme se desenvolve essencialmente na parte interna dos suportes, uma vez que, a parte externa dos suportes está constantemente colidindo umas com as outras, limitando o desenvolvimento do biofilme (RUSTEN et al., 2006; AYGUN et al., 2001).

3.4 Biofiltro Aerado Submerso (BAS)

Os primeiros biofiltros aerados surgiram no início dos anos 1980, sendo concebidos para realizar a remoção de sólidos suspensos e a oxidação da

39 matéria orgânica em esgotos domésticos. Suas principais vantagens são: a pequena ocupação de área, operação simples, o aspecto modular, simplificando extensões futuras, baixo impacto ambiental, efetivo no tratamento de odores, e a eliminação da decantação secundária, suprimindo problemas de separação de lodo em unidades de clarificação (GONÇALVES et al., 2001).

Os reatores com biomassa aderida são unidades que possuem suporte físico que permite a imobilização dos microrganismos responsáveis pela degradação de compostos orgânicos e inorgânicos presentes nos efluentes sanitários ou industriais (FLORÊNCIO et al. 2009). Estes reatores podem ser projetados de forma a permitir que ocorram os processos de nitrificação e desnitrificação, reduzindo, e em casos mais extremos até eliminando o nitrogênio presente no meio.

Em sua pesquisa, GÁLVEZ et al. (2003), observaram eficiência na oxidação do nitrogênio amoniacal de 100% e eficiência de 95% na desnitrificação. Para isto, os autores trabalharam com esgotos domésticos em escala de laboratório, utilizando um biofiltro aerado submerso (BAS) constituído por dois tubos de 6 cm de diâmetro e 2 metros de altura, preenchidos com argila expandida, com um TDH de 1,6h, vazão de ar de 7,8 m3/m2h e utilizando metanol na razão de DQO/N de 2,37 como fonte de carbono.

Cheng et al. (2009) trabalharam com uma associação entre reator anaeróbio e biofiltro aerado submerso, em escala de laboratório, tratando esgotos domésticos. Como material de enchimento, os autores utilizaram espuma de poliuretano, que permite 80% de vazios. Desta forma, aplicando o processo de nitrificação e desnitrificação simultâneas, alcançaram 94% de eficiência na remoção da amônia.

O processo é caracterizado pela alimentação e percolação contínua do esgoto através do meio suporte. A continuidade da passagem dos esgotos nos interstícios promove o crescimento e a aderência da biomassa na superfície do meio suporte (JORDÃO e PESSOA, 2009). É justamente o contato do esgoto com os microrganismos aderidos que irá promover a conversão da matéria orgânica e os processos de nitrificação e desnitrificação, quando o reator for projetado para tal função.

40 Esta configuração permite que o BAS seja mais compacto do que o sistema de lodos ativados e não necessitem de etapa de clarificação complementar dos seus efluentes.

Além disso, é importante configurar reatores capazes de concentrar a maior quantidade de biomassa por volume. O tempo de retenção celular elevado contribui favoravelmente a qualidade final do efluente (LOPES, 2009).

O efluente deste tipo de reator apresenta geralmente baixa concentração de sólidos e matéria orgânica e, normalmente, ocorre a nitrificação do efluente. Segundo Lopes (2009), este tipo de configuração tem elevada capacidade de responder a mudanças de temperatura, vazão, redução do pH e outras condições desfavoráveis, tais como a falta de oxigênio, conseguindo retomar a operação normal em curto espaço de tempo após sanadas as condições desfavoráveis.

Hirakawa, Piveli e Além Sobrinho (2001) aplicaram um BAS em escala piloto e com fluxo descendente, com leito fixo com 32,7L de volume aparente, no pós-tratamento de reator UASB (604L) com esgoto sanitário e verificaram o conjunto com eficiência de 91% na remoção de DBO. Ainda neste experimento observou-se que o BAS foi capaz de promover a remoção de nitrogênio amoniacal durante um determinado tempo. A taxa de aplicação deste experimento foi de 4 kgDQO/ m³.dia.

3.5 Acúmulo de lodo

Em um processo de transformação da matéria orgânica através da ação de agentes biológicos, é obvio afirmar que quanto maior o acúmulo desses agentes, mais eficiente e rápido será o processo de transformação.

Desta maneira, uma forma indicada para estimar a quantidade de microrganismos no interior dos filtros é determinar a quantidade de lodo retido em seu interior.

Nos biofiltros aerados convencionais, a biomassa se desenvolve na superfície do material de enchimento (também conhecido como material

41 suporte) e nos espaços vazios entre eles. No caso dos biofiltros alvo desta tese, além desses ambientes a biomassa também se desenvolve nos interstícios do material de enchimento, permitindo que ela se acumule e se desenvolva em maior quantidade, e, consequentemente, apresente maior eficiência na remoção da matéria orgânica.

Von Sperling (1996) e Jordão e Pessoa (2009), dizem que o crescimento bacteriano, chamado também de produção de biomassa, pode ser expresso em função do substrato utilizado, de maneira que quanto mais substrato é assimilado maior é a taxa de crescimento bacteriano. Esta relação é apresentada na equação 3.9.

Produção bruta de sólidos

= . (3.9)

Na qual:

X = Concentração de microrganismos, SS ou SSV (g/m3)

Y = Coeficiente de produção celular (biomassa produzida por unidade de massa de substrato removido). Neste caso a biomassa pode ser apresentada na forma de SS ou SST, e a o substrato na forma de DBO5 ou DQO. (g/g)

S = Concentração de DBO5 ou substrato no reator (g/m3) T = Tempo (d)

Entretanto, esta relação não leva em consideração o decaimento bacteriano devido à respiração endógena, morte ou inativação, predação e outros fatores relevantes no interior do reator. Por isso, os mesmo autores apresentam incluem o coeficiente de decaimento bacteriano (Kd) para apresentar a produção líquida de sólidos.

42 Produção líquida de sólidos

= . − . (3.10)

O coeficiente de produção celular (Y) é estimado através de testes laboratoriais utilizando o esgoto a ser tratado. Von sperling (1996) traz os seguintes valores para tratamento aeróbio:

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4 MATERIAL E MÉTODOS

A pesquisa se desenvolve utilizando dois biofiltros aerados localizados no espaço físico da Estação de Tratamento de Esgotos do Campus Central da Universidade Federal do Rio Grande do Norte – UFRN – em Natal, e durou de setembro de 2012 até dezembro de 2014.

Estes biofiltros que apresentam elevado índice de vazios, são aplicados no pós-tratamento de efluentes anaeróbios e buscam remover biologicamente compostos nitrogenados de esgotos sanitários através do processo de nitrificação e desnitrificação simultâneas, sem, no entanto, serem necessárias remoções constantes de lodo.

Com o objetivo de aprimorar a tecnologia, utilizou-se eletroduto corrugado cortado para enchimento de biofiltros aerados de leito submerso, com alto índice de vazio (cerca de 90%), e consequente alta capacidade de retenção da biomassa no interior do reator, produzindo efluente com baixa turbidez, que dispensa a necessidade de decantadores secundários, reduzindo os custos de implantação e operação.

O filtro aerado com leito fixo de material plástico com alto índice de vazios, que de fato constitui uma nova tecnologia de tratamento de esgotos, porque tanto contém lodo em suspensão nos interstícios como retém biomassa aderida ao material de enchimento, que é o princípio de funcionamento dos biofiltros aerados submersos. Contudo, distinguem-se bastante destes, porque a grande quantidade de lodo retido nos interstícios tem papel de destaque na biodegradação, assim como distinguem-se também dos reatores de leito móvel com biofilme, porque o leito é fixo e retém maior quantidade de sólidos nos interstícios do material de enchimento.

Estes biofiltros inovadores podem ser utilizados no pós-tratamento de qualquer tipo de reator anaeróbio. Especificamente para esta pesquisa, foi aproveitado um sistema de filtros anaeróbios pré-existentes.

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