I-110 - ESTUDO COMPARATIVO DO REATOR UASB E DO REATOR
ANAERÓBIO COMPARTIMENTADO SEQÜENCIAL NO TRATAMENTO DE
ESGOTO SANITÁRIO
Miguel Mansur Aisse(1)
Engenheiro Civil (1976), doutorando em Engenharia pela Escola Politécnica da USP, com bolsa do CNPq. Professor e pesquisador do ISAM/PUCPR, desde 1980. Professor da UFPR, desde 1982.
Marllon Boamorte Lobato
Engenheiro Civil pela PUCPR (1999). Bolsista AP/CNPq junto ao ISAM/PUCPR, desde janeiro de 2000.
Alexsandro Bona
Acadêmico de Engenharia Química pela PUCPR. Bolsista IC/CNPq junto ao ISAM/PUCPR, desde março de 1999.
Luis H. Pospissil Garbossa
Acadêmico de Engenharia Civil pela PUCPR Bolsista IC/CNPq junto ao ISAM/PUCPR, desde fevereiro de 2000.
Endereço(1): Rua Imaculada Conceição, 1155 - Instituto de Saneamento Ambiental - ISAM/PUCPR - Bairro
Prado Velho - Curitiba - PR - CEP: 80215-901 - Brasil - Tel: (41) 330-1789 - Fax: (41) 332-1206 - e-mail:
aissemig@rla01.pucpr.br RESUMO
Os reatores anaeróbios tipo UASB tornaram-se consagrados no Paraná e no Brasil, ao serem utilizados de maneira extensiva no tratamento de esgotos para populações de 200 a 600.000 habitantes. Receberam junto a SANEPAR o nome de RALF e em avaliações recentes de reatores operando em escala real obteve-se eficiência de remoção de DQO dada pela equação COR= 7,74 + 0,59 x COA (R2=0,90), em kg/dia.
O reator anaeróbio compartimentado seqüêncial (RACS) foi estudado com o objetivo de minimizar ainda os custos de implantação e operação proporcionados pelos reatores UASB. No entanto a bibliografia consultada já revelava a necessidade da incorporação de um separador de sólidos na última câmara, para se obter um melhor desempenho.
Os resultados da operação e monitoramento de reatores piloto, conduzidos pelo ISAM/PUCPR, mostraram eficiências do reator UASB superiores as do RACS, na remoção de DQO, dos ST e dos SST, tendo sido obtidos valores de 70,0%, 39,3% e 72,6% para o UASB e de 58,2%, 33,3% e 60,6% para o RACS. Quanto a análise do processo anaeróbio seqüêncial, observou-se uma evolução da qualidade do efluente, do RACS 1 ao RACS 3, no entanto a porcentagem de remoção não foi proporcional a massa de microorganismos presentes no manto de lodos.
PALAVRAS-CHAVE: Esgoto Sanitário, Tratamento de Esgotos, Processo Anaeróbio, Reator UASB, Reator
Anaeróbio Compartimentado Seqüêncial.
INTRODUÇÃO/OBJETIVOS O Reator UASB
A partir dos anos 80 iniciou-se na América Latina o estudo e a aplicação de processos anaeróbios, para o tratamento de esgotos sanitários. Fortemente influenciados por autores como Lettinga, van Der Meer e colaboradores, o reator tipo UASB tornou-se familiar entre os projetistas e pesquisadores brasileiro.
O reator anaeróbio de fluxo ascendente, em manto de lodo, consiste basicamente de um tanque Imhoff de fluxo vertical, apresentando câmaras de sedimentação e digestão anaeróbia, sobrepostas. Souza, 1986, cita que o esgoto a ser tratado é distribuído uniformemente no fundo do reator e passa através de uma camada de lodo biológico, o qual transforma a matéria orgânica em biogás. É evitada a entrada do gás produzido no sedimentador, através da colocação de defletores, e este é encaminhado somente a determinadas áreas do
e recirculação de lodo dentro da própria unidade. Existe um perfil de sólidos, com grande concentração na parte inferior (leito de lodo), e mistura completa entre lodo, líquido e gás nas camadas acima do leito. Na parte superior do digestor existe um separador de gases (decantador), no qual o lodo retorna à câmara de digestão provocando, em contra corrente com o fluxo ascendente, uma mistura bem uniforme (Aisse, 1985). Segundo Lettinga et al., s.d.t. algumas das principais condições que devem ser encontradas nestes reatores são: uma efetiva separação do biogás, do esgoto e do lodo; o lodo anaeróbio deve apresentar uma boa capacidade de sedimentação, e principalmente, deve desenvolver um lodo (biomassa) de elevada atividade, na forma de flocos ou de grânulos (1 a 5 mm de diâmetro); o esgoto deve ser introduzido na parte inferior do reator. Lettinga et al., 1983, apresentam mais informações quanto a eficiência de remoção da COT, DQO, DBO (total e solúvel) em função da carga orgânica afluente. Dados complementares podem ser obtidos em Vieira, 1984, Gomes e Aisse, 1985, Bollmann e Aisse, 1989, van Haandel e Lettinga, 1994, e Aisse et al., 1998. Estes últimos, em avaliações de reatores tipo RALF, operando em escala real, obtiveram eficiência de remoção de DQO dada pela equação COR= 7,74 + 0,59 x COA (R2=0,90), em kg/dia (ver Tabela 1).
Quanto a remoção de patogênicos em reatores tipo UASB, Gomes e Aisse, 1985, Belli Filho e Foresti, 1984, apresentam informações da remoção de coliformes totais e fecais, da ordem de 1 ciclo. Vieira, 1984, de um total de 34 determinações, obteve valores da ordem de 74 e 70%, respectivamente.
Tabela 1- Eficiência de Remoção de DQO de Esgoto Doméstico no Reator Tipo UASB, quando em Regime. ESGOTO Carga Orgânica Volumetria (Kg DQO/m3 . dia) EDQO (%) Tempo de detenção hidráulico (h) (v) T ESGOTO (ºC) FONTE
0,14 a 0,23 (I) 38 - 70 5,3 a 9,5 (I) 17,2 a 21,7 GOMES e AISSE, 1985
0,5 a 1,5 ---- 5 a 7 24 RODRIGUES, 1984
1,0(II) 55 - 85 14 a 17 13 - 20 LETTINGA et al., 1983
0,5 a 4,4 20 - 85 2,5 a 29,5 (III) 14 -20 BOLLMANN e AISSE, 1989
0,82 65 4 35 (IV) VIEIRA, 1984 9,0 62 3,0 D O M É S T I C O 2,8 67 7,2 24 a 26
van HAANDEL e LETTINGA, 1994 (VI)
OBS:
1. Medições feitas durante os meses de outubro 1984 e janeiro 1985. Excluiram-se os chamados "volumes mortos";
2. Reator secundário precedido de decantador - digestor; 3. Carga hidráulica = 2 m3/m3 . dia;
4. DQO = 0,5 g/L (média); 5. Lodo granular = 50 g SSV/L;
6. Carga orgânica = 0,02 kg DQO/Kg SSV . dia; 7. Reatores tipo RALF;
8. Reator piloto de 106 L; operando com esgoto decantado;
9. Tempo de detenção hidráulico = Tempo de detenção digestor + Tempo de detenção sedimentador. 10. Foram estudados tempos de detenção variando de 2,1 a 17,0 horas.
No que se refere a nutrientes, praticamente não existe variação ao nível de nitrogênio e fósforo, sendo detectado um pequeno aumento do nitrogênio amoniacal. Quanto aos agentes tensoativos (determinados pela reação com o azul de metileno MBAS) a remoção revela-se baixa, aproximadamente 43%, com um comportamento irregular (Vieira, 1984).
O Reator Anaeróbio Compartimentado Seqüêncial (de Chicanas)
Chernicharo, 1997, cita que o reator de chicanas assemelha-se a um tanque séptico com múltiplas câmaras em série e com dispositivos mais eficazes de alimentação das diversas câmaras. Para se obter esta configuração o reator é equipado com chicanas verticais, que impõe ao líquido um movimento sequencial descendente e ascendente, de forma a garantir um maior contato do despejo com a biomassa presente no fundo da unidade.
Campos citado por Chernicharo, 1997, destaca que este tipo de reator apresenta várias das principais vantagens dos reatores UASB, além de ser concebido sem o separador de gases (e decantador interno superior), portanto, com menor profundidade, facilitando sua execução enterrada e representando uma redução dos custos de implantação. No entanto tal aspecto, em unidades de maior porte, pode levar a uma excessiva perda de sólidos, caso sejam verificadas grandes variações e picos excessivos da vazão afluente, uma vez que o sistema está desprovido de mecanismos auxiliares de retenção de biomassa.
Kato et al., 1999, destacam que como a concentração de matéria orgânica diminui de uma câmara para outra, a quantidade de biomassa é, em geral, decrescente seqüencialmente. A incorporação de melhor sistema de distribuição do afluente, bem como de um separador de sólidos na última câmara é indicada para se obter um melhor desempenho.
Em termos de processo, o reator compartimentado se caracteriza por oferecer a possibilidade de separar algumas fases da digestão anaeróbia, que termodinamicamente favorece a formação de metano, eliminando na forma de gás, o hidrogênio na primeira ou primeiras câmaras. O hidrogênio pode impedir a rápida degradação de ácido propiônico, que é uma etapa precursora do ácido acético e consequentemente metanogenização (Kato et al., 1999).
Povinelli et al., 1994, apresentam os resultados da partida de um reator anaeróbio de chicanas, em escala protótipo ( 11 m3 ) que possui três câmaras em série e um filtro de pedregulho ao final ( h de 30 cm), tratando esgotos sanitários, previamente gradeados.
Sem inoculação prévia, o pH se manteve aproximadamente constante (6,7), com o aumento no final da operação ( 6 meses). A alcalinidade e os ácidos voláteis tiveram um aumento mais acentuado. Os sólidos, de maneira geral, tiveram sua redução aumentada em função do tempo e ao longo do reator, chegando numa remoção de até 50% no final da operação. Para TDH de 12 horas, obteve-se remoções de DQO e DBO de 50% e 70% respectivamente. Não houve remoção de nutrientes ao longo do reator ( Povinelli et al.,1994 ). Neder et al., 1995, avaliaram preliminarmente a operação de um reator anaeróbio compartimentado, construído na ETE Torto ( Brasília - DF ), para uma população de 2500 hab, possuindo como pós - tratamento um filtro intermitente de areia. No reator anaeróbio, construído de forma prismática, o mesmo foi dividido longitudinalmente em 04 compartimentos, permitindo segundo os autores que os últimos tanques se tornem verdadeiras câmaras de polimento. Diferentemente do citado anteriormente cada compartimento possui uma zona de deflexão de gases e, sobre esta, a decantação . Os resultados preliminares foram considerados excelentes, com remoções de DQO e SST de 75 % e 78 % respectivamente.
Orozco, s.d.t., após o desenvolvimento do processo em reatores piloto, cita a construção de um reator anaeróbio a pistão - RAP, em escala real para 5000 habitantes (população equivalente), na Savana de Bogotá (Colômbia). O reator, com duas células paralelas de 17,0 x 4,3 m e profundidade de 2,7m, possui 8 compartimentos e ao final um separador de gás - sólido, projetado para uma velocidade ascencional de 1,0 m/h.
O RAP foi preenchido com um meio plástico, de valor de porosidade adequado para promoção da separação gás-sólido e manter a biomassa em cada câmara separadamente. Resultados de operação dos meses de junho e julho de 1993, bem após a “partida” do RAP, revelaram uma eficiência média de 68,5% para a DQO, 68,2% para a DBO e 78,0% para SST, sob uma carga orgânica de 0,95Kg DQO/m3 . dia e temperatura de 17ºC. A avaliação do reator anaeróbio compartimentado seqüencial (RACS) para o tratamento de esgotos sanitários e sua inevitável comparação com o já consagrado reator UASB, é o objeto deste trabalho.
METODOLOGIA
A realização das pesquisa relativas aos reatores UASB e RACS, está sendo cumprida junto a ETE Belém da SANEPAR (Curitiba - PR), e inclui o projeto, construção (concluídos), operação e monitoramento de instalação piloto. A instalação está situada em área contígua ao desarenador e recebe esgoto sanitário gradeado e desarenado, oriundo das unidades responsáveis pelo tratamento preliminar da ETE Belém. A vazão de dimensionamento de cada processo foi de 250 L/h (ver Figura 1).
O esgoto é enviado ao fundo do reservatório elevado (caixa de distribuição), através de um conjunto motor-bomba submersível, do tipo triturador. No reservatório o esgoto é distribuído aos processos de tratamento, através de vertedores situados na superfície. Através de luva roscável (vertedor) é obtida a vazão desejada e um extravasor mantém o nível de esgoto constante.
Figura 1: Pós Tratamento de Efluentes Provenientes de Reatores Anaeróbios Fluxograma da Instalação Piloto.
O reator UASB foi construído em tubulação de concreto, de diâmetro 80cm e altura de 4,0m, possuindo no topo um separador gás-sólido (decantador) em fibra de vidro. O reator RACS, com três câmaras em série, foi igualmente construído com tubos de concreto, de diâmetro 100 cm e altura de 2,0m, sem o decantador (separador de fases) no seu topo, contando apenas com o gasômetro (ver Figura 2).
As amostras de esgoto bruto foram coletadas por meio de um amostrador ISCO, a cada 30 minutos e compostas em alíquotas iguais, totalizando 24 horas. Os efluentes anaeróbios foram coletados através de bombas peristálticas, de maneira contínua, no mesmo período de tempo.
Registros de gaveta colocados espaçadamente ao longo da altura dos reatores permitem a coleta de lodo, para determinação da concentração de sólidos no manto de lodos. Os reatores foram inoculados previamente, em setembro de 1999, com lodo anaeróbio de reatores RALF (UASB) da SANEPAR, com excessão do RACS3 (terceira câmara).
As determinações e ensaios estão sendo conduzidos no Laboratório de Análises Ambientais do ISAM/PUCPR e observam as rotinas expressas no Standard Methods, 1998.
Figura 2: Vista Geral da Instalação Piloto junto ao Desarenador da ETE Belém (SANEPAR).
RESULTADOS E DISCUSSÃO
Os reatores UASB e RACS foram operados desde dezembro de 1999 a julho de 2000, tendo sido impostas duas fases de operação: a partida, com inóculo de lodo anaeróbio de RALF fornecido pela SANEPAR, e a operação com a vazão de dimensionamento. Os resultados estão sumarizados nas Figuras 3 e 4 e na Tabela 2 apresentadas a seguir.
Tabela 2: Monitoramento dos Reatores UASB e RACS
Como se observou na Tabela 2, a DQOt apresentou no efluente, para o reator tipo UASB o valor 144 ± 48 mg/L e para o RACS o valor de 200 ± 66 mg/L. Tendo-se no afluente o valor 479 ± 160 mg/L, isto representou uma eficiência de remoção de 70,0% e 58,2% respectivamente. Para os ST e SST as eficiências de remoção foram 39,3%, 72,6%, 33,3% e 60,0%, respectivamente para o reator UASB e a RACS.
Quanto a evolução dos resultados, o efluente do reator UASB permaneceu grande parte do período de monitoramento com qualidade superior a do reator tipo RACS. Observou-se uma grande variação de qualidade do afluente (bruto) influenciando os resultados dos efluentes (Figuras 3 e 4). Foram expurgados da Tabela 2 os dados cujos valores de DQO e sólidos extrapolaram o intervalo x ±σ.
O valor de SSed de 1,51 ± 5 mL/L, no efluente do reator UASB, resultou superior ao limite recomendado pela Resolução CONAMA nº 20/86. Durante o período de observação (8 meses) não procedeu-se a descarga do excesso de lodo anaeróbio, efetuada somente no início do mês de agosto. Para o efluente do RACS, com SSed de 2,72 ± 3 mL/L, a perda de sólidos é mais freqüente, pelo fato do reator não possuir separador de fases. A Tabela 3 apresenta a evolução da massa de sólidos voláteis no manto de lodo dos reatores anaeróbios. Observou-se uma perda de massa no mês de março em ambos os reatores anaeróbios, coincidindo com uma deterioração da qualidade do afluente, cujos valores foram expurgados das Figuras 3 e 4, por motivos já esclarecidos. Quanto ao RACS houve inicialmente transferência de massa de lodo para o RACS 3 e perda contínua no efluente, para as vazões de operação de aproximadamente 250 L/h (vasc= 0,32 m/h). As Figuras 5 a 8 apresentam os perfis de sólidos obtidos no manto de lodo dos reatores anaeróbios.
Tabela 3: Quantidade (massa) do Lodo Anaeróbio Acumulado nos Reatores (kg STV).
Data UASB RACS 1 RACS 2 RACS 3 ΣΣΣΣ RACS
11/11/99 28,51 18,23 6,99 0,38 25,60
04/01/00 42,25 18,53 18,40 3,67 40,60
09/03/00 50,56 11,18 5,29 4,71 21,18
08/05/00 31,29 8,60 4,26 3,27 16,13
Na análise do processo anaeróbio seqüêncial, procedeu-se algumas coletas compostas, dos efluentes de cada câmara do RACS. Observou-se, em geral, uma evolução da qualidade do efluente do RACS1 ao RACS3, no entanto a porcentagem de remoção não foi proporcional a massa de microorganismos presentes no manto de lodo (Tabelas 3, 4 e 5).
Tabela 4: Caracterização dos Efluentes Tratados ao Longo do Reator Anaeróbio Compartimentado Seqüencial. Afluente Data DBOt (mg/L) DQOt (mg/L) N-total (mgN/L) N-orgânico (mgN/L) N-NH3 (mgN/L) PO4 (mgP/L) Turbidez (UNT) 30/05/2000 239,3 496,0 24,0 1,7 22,3 6,2 -01/06/2000 - 486,3 37,6 15,4 22,2 7,7 -06/06/2000 282,8 597,6 25,5 1,7 23,8 7,5 83,0 ST (mg/L) STV (mg/L) SST (mg/L) SSF (mg/L) SSV (mg/L) SSed (mg/L) 30/05/2000 518,0 255,0 178,0 39,0 139,0 2,0 01/06/2000 520,0 240,0 188,0 28,0 160,0 2,3 06/06/2000 587,5 317,5 188,0 120,0 68,0 3,5 Efluente RACS1 Data DBOt (mg/L) DQOt (mg/L) N-total (mgN/L) N-orgânico (mgN/L) N-NH3 (mgN/L) PO4 (mgP/L) Turbidez (UNT)
Figura 7: Gráfico do Perfil do Lodo do RACS3 (ST). Figura 8: Gráfico do Perfil do Lodo do Reator UASB (ST). Figura 5: Gráfico do Perfil do Lodo do RACS1 (ST). Figura 6: Gráfico do Perfil do Lodo do RACS2 (ST).
ST (mg/L) STV (mg/L) SST (mg/L) SSF (mg/L) SSV (mg/L) SSed (mg/L) 30/05/2000 464,0 200,0 112,0 26,0 86,0 0,9 01/06/2000 438,0 190,0 152,0 28,0 124,0 1,0 06/06/2000 635,0 335,0 268,0 92,0 176,0 7,5 Efluente RACS2 Data DBOt (mg/L) DQOt (mg/L) N-total (mgN/L) N-orgânico (mgN/L) N-NH3 (mgN/L) PO4 (mgP/L) Turbidez (UNT) 30/05/2000 146,1 335,9 - - - - -01/06/2000 - 314,4 - - - - -06/06/2000 131,8 374,5 44,7 16,8 27,9 6,8 43,0 ST (mg/L) STV (mg/L) SST (mg/L) SSF (mg/L) SSV (mg/L) SSed (mg/L) 30/05/2000 394,0 158,0 84,0 20,0 64,0 0,8 01/06/2000 424,0 168,0 116,0 32,0 84,0 1,1 06/06/2000 482,5 232,5 92,0 4,0 88,0 3,0 Efluente RACS3 Data DBOt (mg/L) DQOt (mg/L) N-total (mgN/L) N-orgânico (mgN/L) N-NH3 (mgN/L) PO4 (mgP/L) Turbidez (UNT) 30/05/2000 102,6 232,4 - - - - -01/06/2000 - 533,2 - - - - -06/06/2000 105,2 280,9 39,8 10,7 29,0 7,2 32,0 ST (mg/L) STV (mg/L) SST (mg/L) SSF (mg/L) SSV (mg/L) SSed (mg/L) 30/05/2000 346,0 148,0 72,0 22,0 50,0 0,8 01/06/2000 726,0 344,0 472,0 164,0 308,0 13,8 06/06/2000 432,5 197,5 86,0 12,0 74,0 2,0
Tabela 5: Eficiências de Remoção da DQO e dos ST ao Longo do Reator Anaeróbio Compartimentado Seqüêncial.
EDQO% EST%
RACS1 RACS2 RACS3 RACS1 RACS2 RACS3
Data
Unit. Unit. Acum. Unit. Acum. Unit. Unit. Acum. Unit. Acum.
30/05/00 16,9 18,5 32,3 30,8 53,1 10,4 15,8 23,9 12,2 29,3
01/06/00 23,7 15,3 35,3 Neg Neg 15,1 3,2 18,5 Neg Neg
06/06/00 Neg 41,1 37,3 25,0 53,0 12,2 Neg 17,9 10,4 26,4
CONCLUSÃO
Durante o período de avaliação (8 meses) as eficiências do reator UASB foram superiores as do RACS, na remoção da DQO, dos ST e SST, obtendo-se valores de 70,0%, 39,3% e 72,6% para o UASB e de 58,2%, 33,3% e 60,6% para o RACS, operando ambos com o mesmo esgoto sanitário;
O reator RACS possui como vantagens comparativas ao UASB a menor profundidade e ausência do separador gás-sólidos. No entanto observou-se uma menor capacidade na retenção de sólidos para velocidades ascensionais superiores a 0,4 m/h;
Observou-se no esgoto sanitário afluente grande variação de qualidade, influenciando os resultados do efluente. Também não procedeu-se a descarga do excesso de lodo durante o período de observação. Estes fatos conduziram aos valores de SSed de 1,51 ± 5 mL/L e 2,72 ± 3 mL/L, respectivamente para o reator UASB e RACS;
AGRADECIMENTOS
Os autores agradecem à SANEPAR e ao PROSAB, através da FINEP, CNPq/RHAE e CEF, todo o apoio demonstrado ao longo do desenvolvimento dos trabalhos, desde a construção da instalação piloto, o acesso à ETE Belém e o financiamento da operação e monitoramento.
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