REATORES UASB APLICADOS AO TRATAMENTO COMBINADO DE ESGOTOS SANITÁRIOS E LODO EXCEDENTE DE FILTRO BIOLÓGICO PERCOLADOR

(1)

UNIVERSIDADE FEDERAL DE MINAS GERAIS

P

ROGRAMA DE

P

ÓS

-

GRADUAÇÃO EM

S

ANEAMENTO

,

M

EIO

A

MBIENTE E

R

ECURSOS

H

ÍDRICOS

REATORES

UASB

APLICADOS

AO

TRATAMENTO

COMBINADO

DE

ESGOTOS

SANITÁRIOS

E

LODO

EXCEDENTE

DE

FILTRO

BIOLÓGICO

PERCOLADOR

Patrícia Procópio Pontes

Belo Horizonte

2003

(2)

Reatores UASB aplicados ao tratamento combinado de esgotos

sanitários e lodo excedente de filtro biológico percolador

(3)

Patrícia Procópio Pontes

Reatores UASB aplicados ao tratamento combinado de esgotos

sanitários e lodo excedente de filtro biológico percolador

Tese apresentada ao Programa de Pós-graduação em Saneamento, Meio Ambiente e Recursos Hídricos da Universidade Federal de Minas Gerais, como requisito parcial à obtenção do título de Doutor em Saneamento, Meio Ambiente e Recursos Hídricos.

Área de concentração: Saneamento

Linha de pesquisa: Tratamento anaeróbio e pós-tratamento de efluentes de reatores anaeróbios Orientador: Carlos Augusto de Lemos Chernicharo

Belo Horizonte

Escola de Engenharia da UFMG 2003

(4)

Página com as assinaturas dos membros da banca examinadora, fornecida pelo Colegiado do Programa

(5)

Aos meus pais, ao André, à Carolina, à Sílvia e ao Gláuder.

(6)

Programa de Pós-graduação em Saneamento, Meio Ambiente e Recursos Hídricos da UFMG

i

AGRADECIMENTOS

• Ao Professor Carlos Augusto de Lemos Chernicharo, por sua orientação e por seu grande apoio e incentivo.

• Ao Professor Marcos Von Sperling pelas contribuições adicionais à pesquisa.

• À Robson José de Cássia Franco Afonso pela orientação na implementação das análises cromatográficas.

• Aos técnicos, bolsistas e alunos que colaboraram para a realização da pesquisa: Lívia, Rodrigo, Lucilaine, Lorenzo, Carolina, Lucy, Jussara, Reginaldo, Norma, Emerson, Juliana, Izabella, Deneb e Michele.

• `A FINEP e à FAPEMIG pelo financiamento da pesquisa.

• Ao CNPq e à FAPEMIG pelas bolsas de apoio técnico e iniciação científica.

• Ao Departamento de Engenharia Sanitária e Ambiental da UFMG pela disponibilização dos laboratórios.

• À COPASA pelo apoio à pesquisa.

(7)

ii

RESUMO

O presente trabalho apresenta o estudo do processo de tratamento combinado de águas residuárias e lodo excedente aeróbio, em um único reator, através do retorno do lodo de descarte de um filtro biológico percolador (FBP) para o reator UASB (reator anaeróbio de fluxo ascendente e manta de lodo). Avaliou-se o efeito do retorno de lodo na performance do sistema de tratamento, na degradação de matéria orgânica específica (carboidratos, proteínas e lipídios), nas concentrações de ácidos graxos voláteis e nas características da biomassa produzida no reator UASB, através da operação do sistema reator UASB/FBP em fases operacionais sem e com retorno de lodo.

Os resultados obtidos indicaram a boa performance do sistema reator UASB/FBP para o tratamento combinado de esgotos sanitários e lodo excedente de Filtro Biológico Percolador, tendo-se obtido uma boa eficiência de remoção de DQO, DBO e SST e um grau de estabilização do lodo aeróbio de aproximadamente 40 a 60 %, no reator UASB. Não foi observada uma modificação significativa na composição afluente ao reator UASB, devido ao retorno do lodo excedente do FBP.

O retorno de lodo aeróbio para o reator UASB não prejudicou a estabilidade do reator anaeróbio, tendo-se observado concentrações de ácidos graxos voláteis próximas para os sistemas operando sem e com retorno de lodo, além de constantes cinéticas de degradação de carboidratos, proteínas e lipídios mais elevadas para o sistema operando com retorno de lodo.

A caracterização da biomassa indicou a presença de partículas de lodo com menores dimensões, nos pontos mais elevados do reator UASB, durante a fase com retorno de lodo, podendo-se associar as menores dimensões das partículas ao maior teor de polímeros extra-celulares no lodo e ao bombeamento semi-contínuo de lodo ocorridos durante essa fase operacional. Durante a fase com retorno de lodo, foi necessária a realização de descartes mais frequentes de lodo, provavelmente devido aos valores mais elevados de produção específica de sólidos e ao menor tamanho das partículas presentes no lodo coletado nos pontos mais elevados do reator. A atividade metanogênica específica e a estabilidade do lodo praticamente não se alteraram, durante as fases sem e com retorno de lodo, indicando que o retorno do lodo aeróbio não apresentou efeitos negativos sobre esses parâmetros de caracterização da biomassa.

(8)

iii

ABSTRACT

This work presents the study of the combined treatment of domestic sewage and aerobic sludge in one single reactor, with the return of the sludge produced in a trickling filter (TF) to the UASB reactor (upflow anaerobic sludge blanket reactor). The effect of the return of the sludge on the performance of the treatment system, regarding carbohydrates, proteins and lipids degradation; volatile fatty acids (VFA) concentrations; and anaerobic sludge characteristics were evaluated in this research.

The results indicated the good performance of the UASB reactor/TF system for the combined treatment of domestic sewage and return sludge produced in a trickling filter, with good removal efficiencies of BOD, COD and TSS and an aerobic sludge stabilization of around 40 to 60 %, in the UASB reactor. Also, no significant modification in the influent composition was observed with return of sludge.

The aerobic sludge return to the UASB reactor did not have any negative effect on the reactor stability, and similar concentrations of VFA were observed for the UASB reactor operating with and without return of the sludge. Degradation kinetic constants for carbohydrates, proteins and lipids were higher for the system operating with sludge return.

The anaerobic sludge characterization indicated the presence of smaller particles of sludge at the higher sampling points of the UASB reactor, during the phase with return of sludge, and this was probably due to the higher concentrations of extra-cellular polymers in the sludge and the semi-continuous pumping system of the sludge during this phase. There was an increase at the discharge sludge frequency, during the phase with return of sludge, probably because of the presence of smaller sludge particles and the increase at the specific sludge production yield. Specific methanogenic activity and sludge stability almost did not change significantly during the phases with and without sludge return, indicating that the sludge return did not have any negative effect on these sludge characterization parameters.

(9)

iv

SUMÁRIO

LISTA DE ABREVIATURAS E SÍMBOLOS

ix LISTA DE FIGURAS x LISTA DE TABELAS xvi 1 - INTRODUÇÃO 1 2 - OBJETIVOS 4 2.1- Objetivo Geral 4 2.2- Objetivos específicos 4 3 - REVISÃO BIBLIOGRÁFICA 5

3.1 - Fundamentos da digestão anaeróbia 5

3.1.1- Hidrólise 5

3.1.2- Acidogênese 6

3.1.3- Acetogênese 7

3.1.4- Metanogênese 8

3.1.5- Sulfetogênese 9

3.2 - Fatores ambientais que afetam o processo anaeróbio 9

3.3 - Degradação de matéria orgânica específica 12

3.3.1- Carboidratos 12

3.3.2- Proteínas 13

3.3.3- Lipidios 15

3.3.4- Substratos Complexos 16

3.4 - Caracterização da biomassa em reatores anaeróbios 18 3.4.1- Granulação 18

3.4.2- Polímeros Extra- celulares 20

(10)

v 3.4.4- Atividade Metanogênica Específica e Estabilidade 23 3.5 - Pós-tratamento de efluentes de reatores anaeróbios 24 3.6 - Tratamento combinado de águas residuárias e lodo de descarte aeróbio 29 3.7 - Análise crítica da literatura e contribuição do presente estudo 31

4 - MATERIAL E MÉTODOS 34

4.1 - Planejamento dos experimentos 34

4.2 - Descrição do aparato experimental 35

4.2.1- Sistema em escala piloto 35

4.2.1.1- Alimentação do sistema 37

4.2.1.2- Configuração do sistema em escala piloto 37

4.2.1.3- Elevatória de esgotos 38

4.2.1.4- Tratamento Preliminar 38

4.2.1.5- Reator UASB 40

4.2.1.6- Filtro Biológico Percolador 41

4.2.1.7- Linha de recirculação do lodo 43

4.2.2 - Sistema em escala de demonstração 44

4.2.2.1- Tratamento Preliminar 44

4.2.2.2- Sistema reator UASB/FBP 45

4.2.2.3- Linha de recirculação do lodo 48

4.3 - Fases da pesquisa 48

4.4 - Monitoramento do sistema de tratamento 49

4.4.1- Parâmetros físico-químicos de rotina 49

4.4.1.1- Amostragem 49

4.4.1.2- Análises 51

4.4.2- Determinação de matéria orgânica específica e ácidos graxos voláteis 51

4.4.1.2- Carboidratos 52

4.4.1.3- Proteínas 53

4.4.1.4- Lipídios 54

(11)

vi

4.4.1.6- Cálculo da DQOequivalente 56

4.4.3- Caracterização da biomassa no reator UASB 57

4.4.3.2- Polímeros extra-celulares 58

4.4.3.3- Distribuição granulométrica 58

4.4.3.4- Indice volumétrico do lodo 59

4.4.3.5- Sólidos voláteis e totais 59

4.4.3.6- Atividade metanogênica específica e estabilidade 60

4.4.4- Lodo de retorno 61

4.4.5- Biogás 61

4.5- Cálculo dos coeficientes de produção total de sólidos 63

4.6- Balanço de DQO 64

4.7- Metodologia de análise dos dados 66

5 - RESULTADOS E DISCUSSÃO 68

5.1 - Avaliação da eficiência do processo de tratamento 68 5.1.1- Verificação do ajuste dos dados à distribuição normal 69

5.1.2- Análise preliminar dos resultados 69

5.1.2.2- Sistema UASB/FBP 75

5.1.2.3- Diagramas de Box-Whisker 76

5.1.3 - Análise dos resultados consolidados 79

5.1.3.2 -Sistema reator UASB/FBP 85

5.1.3.3 - Diagramas de Box-Whisker 86

5.1.3.4 - Percentual de atendimento à legislação 88

5.1.4 - Lipídios , carboidratos e proteínas 92

5.1.4.2- Sistema reatorUASB/FBP 94

5.1.4.3- Diagramas de Box-whisker 95

5.1.5- Proporção de compostos orgânicos específicos no afluente e nos efluentes tratados durante as fases operacionais

97

5.1.5.1- Comparação da proporção de carboidratos, proteínas e lipídios após as etapas de tratamento

(12)

vii

5.2 - Estabilidade do processo de digestão anaeróbia 103

5.2.1- Verificação do ajuste dos dados à distribuição normal 103

5.2.2- Perfil de decaimento de matéria orgânica específica no reator UASB 103

5.2.2.1- Carboidratos 104

5.2.2.2- Proteínas 105

5.2.2.3-Lipídios 107

5.2.2.4- Equações de decaimento de matéria orgânica específica no reator UASB

108

5.2.3- Perfil de decaimento de ácido graxos voláteis no reator UASB 112

5.2.3.1- Ácido acético 112

5.2.3.2- Ácido butírico 114

5.2.3.3- Equações de decaimento de ácidos graxos voláteis no reator UASB

114

5.2.4- Perfil de decaimento de DQO no reator UASB 115

5.2.4.1- Equações de decaimento de DQO no reator UASB 117

5.3- Caracterização da biomassa no reator UASB 120

5.3.1- Verificação do ajuste dos dados à distribuição normal 125

5.3.2- Perfil de sólidos no reator UASB 125

5.3.2.1- Sistema em escala piloto 125

5.3.2.2- Sistema em escala de demonstração 126

5.3.3- Descarte de sólidos no reator UASB 127

5.3.3.1- Determinação da massa mínima necessária 128 5.3.3.2- Determinação da massa máxima aceitável 128

5.3.4- Massa de sólidos no reator UASB 129

5.3.5- Balanço de sólidos e produção específica de sólidos (Y) 131

5.3.5.1- Sistema em escala piloto 132

5.3.5.2- Sistema em escala de demonstração 133

5.3.6- Indice volumétrico do lodo 134

5.3.6.1- Diagramas de Box-Whisker 135

5.3.6.2- Comparação do IVL durante as fases operacionais 136

5.3.7- Distribuição Granulométrica 136

5.3.7.1- Diagramas de Box-whisker 136

(13)

viii 25cm de altura durante as fases operacionais

5.3.7.3- Comparação da distribuição granulométrica do lodo coletado a 125 cm de altura durante as fases operacionais

139

5.3.7.4- Comparação da distribuição granulométrica do lodo nos reatores UASB

140

5.3.8- Polímeros Extra- celulares 141

5.3.8.1- Comparação da concentração de polímeros extra-celulares 144 5.3.8.2- Comparação da DQO equivalente de polímeros extra-celulares

durante as fases operacionais

146

5.3.9- Relação entre IVL e Polímeros Extra- celulares 148 5.3.10- Estabilidade 151

5.3.11- Atividade Metanogênica Específica 152

5.4 - Produção e composição do biogás 154

5.4.1- Comparação da composição do biogás durante as fases operacionais 154 5.4.2- Comparação da taxa de produção de metano durante as fases

operacionais 156 5.5 - Balanço de DQO 159 6 - CONCLUSÕES 163 7 - RECOMENDAÇÕES 167 8 - REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS 168 9 - ANEXOS 175

9.1- Anexo I - Detalhamento do aparato experimental e das etapas dos procedimentos analíticos

175

9.2 - Anexo II - Resultados da avaliação da eficiência 183 9.3 - Anexo III - Resultados para avaliação da estabilidade 197 9.4 - Anexo IV - Resultados de caracterização da biomassa 200

9.5 - Anexo V- Resultados de caracterização do biogás 212

9.6 - Anexo VI- Ajuste dos dados à distribuição normal 214

9.7 - Anexo VII- Comparação das médias entre as fases 218

(14)

ix

LISTA DE ABREVIATURAS E SÍMBOLOS

AME – Atividade metanogênica específica AGV – Ácidos graxos voláteis

CSTR – Reator de mistura completa CG – Cromatógrafo a gás

DBO – Demanda bioquímica de oxigênio DQO – Demanda química de oxigênio FBP – Filtro biológico percolador IVL – Indice volumétrico do lodo PA – Ponto de amostragem

RAHLF – Reator anaeróbio horizontal de leito fixo SST – Sólidos suspensos totais

SSV – Sólidos suspensos voláteis ST – Sólidos totais

SVT – Sólidos voláteis totais

UASB – Reator anaeróbio de fluxo ascendente e manta de lodo

(15)

x

LISTA DE FIGURAS

Figura 3.1 - Seqüência esquemática da decomposição de substrato 6

Figura 3.2 - Estrutura química dos carboidratos 13

Figura 3.3 - Obtenção de um dipeptídeo a partir de aminoácidos 14

Figura 3.4 - Ação da lipase na hidrólise de lipídios 15

Figura 3.5 - Esquema de funcionamento de um filtro biológico. 28 Figura 4.1-Tela de operação da Linha 0, controle do reator UASB 36 Figura 4.2 - Tela de operação da Linha 3, controle do filtro biológico percolador 36

Figura 4.3 - Hidrograma típico de vazões 37

Figura 4.4 - Configuração do sistema de tratamento 38

Figura 4.5 - Gradeamento, caixa de areia , calha Parshall 39

Figura 4.6 - Caixa de acumulação / distribuição 40

Figura 4.7 - Reator UASB piloto 41

Figura 4.8 - Sistema UASB/FBP em escala piloto 42

Figura 4.9 - Vista aérea do tratamento preliminar da ETE Arrudas 44 Figura 4.10 - Corte esquemático da unidade compacta de tratamento de águas residuárias 46 Figura 4.11 - Vista da unidade em escala industrial com capacidade para atender a 500

habitantes e detalhes da base do filtro e do efluente final

46

Figura 4.12 - Detalhe do Conjunto de bombas peristálticas e do aparato de amostragem no sistema em escala piloto

50

Figura 4.13 - Detalhe do amostrador automático, no sistema em escala de demonstração 50 Figura 4.14 - Desenho esquemático do reator UASB instalado no Laboratório de

Instalações Piloto

52

Figura 4.15 - Pontos de amostragem de lodo no reator UASB em escala de demonstração 57 Figura 4.16 - Válvula de três vias para coleta de biogás 62

Figura 4.17 - Gasômetro para medida da vazão de biogás 62

Figura 4.18 - Coleta do biogás com o uso de seringa e da válvula de três vias 62 Figura 4.19 - Sistema de introdução do biogás no cromatógrafo 62

(16)

xi Figura 5.1 - Série histórica dos valores de DQO para o sistema em escala piloto 72 Figura 5.2 - Série histórica dos valores de DBO para o sistema em escala piloto 72 Figura 5.3 - Série histórica dos valores de SST para o sistema em escala piloto 72 Figura 5.4 - Série histórica dos valores de DQO para o sistema em escala de

demonstração

73

Figura 5.5 - Série histórica dos valores de DBO para o sistema em escala de demonstração

73

Figura 5.6 - Série histórica dos valores de SST para o sistema em escala de demonstração

73

Figura 5.7 - Diagrama de Box-Whisker para DQO no Sistema reator UASB/FBP para a análise preliminar

77

Figura 5.8 - Diagrama de Box-Whisker para DBO no Sistema reator UASB/FBP para a análise preliminar

77

Figura 5.9 - Diagrama de Box-Whisker para SST no Sistema reator UASB/FBP para a análise preliminar

78

Figura 5.10 - Diagrama de Box-Whisker para DQO no Sistema reator UASB/FBP 86 Figura 5.11 - Diagrama de Box-Whisker para DBO no Sistema reator UASB/FBP 87 Figura 5.12 - Diagrama de Box-Whisker para SST no Sistema reator UASB/FBP 88 Figura 5.13 - Distribuição percentual dos resultados de DQO para o sistema em escala

piloto

89

Figura 5.14 - Distribuição percentual dos resultados de DBO para o sistema em escala piloto

90

Figura 5.15 - Distribuição percentual dos resultados de SST para o sistema em escala piloto

90

Figura 5.16 - Distribuição percentual dos resultados de DQO para o sistema em escala de demonstração

91

Figura 5.17 - Distribuição percentual dos resultados de DBO para o sistema em escala de demonstração

91

Figura 5.18 - Distribuição percentual dos resultados de SST para o sistema em escala de demonstração

92

Figura 5.19 - Remoção de carboidratos no Sistema reator UASB/FBP 95 Figura 5.20 - Remoção de proteínas no Sistema reator UASB/FBP 96 Figura 5.21 - Remoção de lipídios no Sistema reator UASB/FBP 96 Figura 5.22 - Contribuição da DQO equivalente de matéria orgânica específica para a DQO

total afluente ao sistema em escala piloto

98

Figura 5.23 - Contribuição da DQO equivalente de matéria orgânica específica para a DQO

total afluente ao sistema em escala de demonstração

(17)

xii Figura 5.24 - Modificação na proporção média de carboidratos, proteínas e lipídios durante a Fase 1

100

Figura 5.25 - Modificação na proporção média de carboidratos, proteínas e lipídios durante a Fase 2

100

101

Figura 5.28 - Perfil de decaimento da concentração de carboidratos no reator UASB 104 Figura 5.29 - Perfil de decaimento da concentração de proteínas no reator UASB 106 Figura 5.30 - Perfil de decaimento da concentração de lipídios 107 Figura 5.31 - Decaimento de concentração de carboidratos para os diferentes valores de

concentrações iniciais (fase 1)

109

Figura 5.32 - Decaimento de concentração de carboidratos para os diferentes valores de concentrações iniciais (fase 2)

109

Figura 5.33 - Decaimento de concentração de proteínas para os diferentes valores de concentrações iniciais (fase 1)

110

Figura 5.34 - Decaimento de concentração de proteínas para os diferentes valores de concentrações iniciais (fase 2)

110

Figura 5.35 - Decaimento de concentração de lipídios para os diferentes valores de concentrações iniciais (fase 1)

110

Figura 5.36 - Decaimento de concentração de lipídios para os diferentes valores de concentrações iniciais (fase 2)

110

Figura 5.37 - Resultados previstos e observados para Carboidratos – fase 1 111 Figura 5.38 - Resultados previstos e observados para Carboidratos –fase 2 111 Figura 5.39 - Resultados previstos e observados para Proteínas–fase 1 111 Figura 5.40 - Resultados previstos e observados para Proteínas –fase 2 111 Figura 5.41 - Resultados previstos e observados para Lipídios –fase 1 111 Figura 5.42 - Resultados previstos e observados para Lipídios –fase 2 111 Figura 5.43 - Perfil de decaimento da concentração de ácido acético no reator UASB 113 Figura 5.44 - Perfil de decaimento da concentração de ácido butírico no reator UASB 114

Figura 5.45 - Perfil de decaimento da DQO 116

Figura 5.46 - Equação de decaimento de DQO para os valores médios da fase 1 118 Figura 5.47 -Equação de decaimento de DQO para os valores médios da fase 2 118

Figura 5.48 - Resultados previstos e observados para DQO–fase 1 ₁₁₈

(18)

xiii Figura 5.50 - Perfil de sólidos para as concentrações médias da Fase 1 126 Figura 5.51- Perfil de sólidos para as concentrações médias da Fase 2 126 Figura 5.52 - Porcentagem média de sólidos voláteis em diferentes pontos de

amostragem para a Fase 1

126

Figura 5.53 - Porcentagem média de sólidos voláteis em diferentes pontos de amostragem para a Fase 2

126

Figura 5.54 - Perfil de sólidos para as concentrações médias da Fase 3 127 Figura 5.55 - Perfil de sólidos para as concentrações médias da Fase 4 127 Figura 5.56 - Porcentagem média de sólidos voláteis em diferentes pontos de

amostragem para a Fase 3

127

Figura 5.57 - Porcentagem média de sólidos voláteis em diferentes pontos de amostragem para a Fase 4

127

Figura 5.58 - Concentração de sólidos suspensos totais no efluente do reator UASB em função da massa de sólidos totais presentes no reator, durante as fases 1 e 2

129

Figura 5.59 - Concentração de sólidos suspensos totais no efluente do reator UASB em função da massa de sólidos totais presentes no reator, durante as fases 3 e 4

129

Figura 5.60 - Massa de sólidos voláteis no reator UASB para o sistema em escala piloto 130 Figura 5.61 - Massa de sólidos totais no reator UASB para o sistema em escala piloto 130 Figura 5.62 - Massa de sólidos voláteis no reator UASB para o sistema em escala de

demonstração

130

Figura 5.63 - Massa de sólidos totais no reator UASB para o sistema em escala de demonstração

130

Figura 5.64 - Massa de sólidos totais no reator UASB e concentração de SST no efluente, durante a fase 1

131

Figura 5.65 - Massa de sólidos voláteis no reator UASB e concentração de SST no efluente, durante a fase 2

131

Figura 5.66 - Massa de sólidos totais no reator UASB e concentração de SST no efluente, durante a fase 3

131

Figura 5.67 - Massa de sólidos voláteis no reator UASB e concentração de SST no efluente, durante a fase 4

131

Figura 5.68 - Produção específica de sólidos, em termos de sólidos totais voláteis por DQO aplicada, para o sistema em escala piloto

132

Figura 5.69 - Produção específica de sólidos, em termos de sólidos totais por DQO aplicada, para o sistema em escala piloto

132

Figura 5.70 - Produção específica de sólidos, em termos de sólidos totais voláteis por DQO removida, para o sistema em escala piloto

132

Figura 5.71 - Produção específica de sólidos, em termos de sólidos totais por DQO removida, para o sistema em escala piloto

(19)

xiv Figura 5.72 - Produção específica de sólidos, em termos de sólidos totais voláteis por DQO aplicada, para o sistema em escala de demonstração

133

Figura 5.73 - Produção específica de sólidos, em termos de sólidos totais por DQO aplicada, para o sistema em escala de demonstração

133

Figura 5.74 - Produção específica de sólidos, em termos de sólidos totais voláteis por DQO removida, para o sistema em escala de demonstração

133

Figura 5.75 - Produção específica de sólidos, em termos de sólidos totais por DQO removida, para o sistema em escala de demonstração

133

Figura 5.76 - IVL para o lodo em diferentes alturas do reator UASB – Fase 1 135 Figura 5.77 - IVL para o lodo em diferentes alturas do reator UASB- Fase 2 135 Figura 5.78 - IVL para o lodo em diferentes alturas do reator UASB – Fase 3 135 Figura 5.79 - IVL para o lodo em diferentes alturas do reator UASB - Fase 4 135 Figura 5.80 - Distribuição granulométrica do lodo coletado no ponto de amostragem 2 137 Figura 5.81 - Distribuição granulométrica do lodo coletado no ponto de amostragem 6 137 Figura 5.82 - Distribuição granulométrica para o lodo coletado no ponto de amostragem

1A

138

Figura 5.83 - Distribuição granulométrica para o lodo coletado no ponto de amostragem 3A

138

Figura 5.84 - Concentrações médias de carboidratos extra-celulares, durante as Fases 1 e 2

141

Figura 5.85 - Concentrações médias de proteínas extra-celulares, durante as Fases 1 e 2 142 Figura 5.86 - Concentrações médias de lipídios extra-celulares, durante as Fases 1 e 2 142 Figura 5.87 - Concentrações médias de carboidratos extra-celulares, durante as Fases 3 e

4

143

Figura 5.88 - Concentrações médias de proteínas extra-celulares, durante as Fases 3 e 4 143 Figura 5.89 - Concentrações médias de lipídios extra-celulares, durante as Fases 3 e 4 144 Figura 5.90- DQO equivalente de polímeros extra-celulares para o sistema em escala

piloto

146

Figura 5.91 - DQO equivalente de polímeros extra-celulares para o sistema em escala de demonstração

147

Figura 5.92 - Concentração de carboidratos extra-celulares e IVL para o lodo do ponto de amostragem 2

148

Figura 5.93 - Concentração de carboidratos extra-celulares e IVL para o lodo do ponto de amostragem 6

148

Figura 5.94 - Concentração de proteínas extra-celulares e IVL para o lodo do ponto de amostragem 2

148

(20)

xv amostragem 6

Figura 5.96 - Concentração de lipídios extra-celulares e IVL para o lodo do ponto de amostragem 2

149

Figura 5.97 - Concentração de lipídios extra-celulares e IVL para o lodo do ponto de amostragem 6

149

Figura 5.98 - Concentração de carboidratos extra-celulares e IVL para o lodo do ponto de amostragem 1A

150

Figura 5.99 - Concentração de carboidratos extra-celulares e IVL para o lodo do ponto de amostragem 3A

150

Figura 5.100 - Concentração de proteínas extra-celulares e IVL para o lodo do ponto de amostragem 1A

150

Figura 5.101 - Concentração de proteínas extra-celulares e IVLpara o lodo do ponto de amostragem 3A

150

Figura 5.102 - Concentração de proteínas extra-celulares e IVL para o lodo do ponto de amostragem 1A

151

Figura 5.103 - Concentração de lipídios extra-celulares e IVL para o lodo do ponto de amostragem 3A

151

Figura 5.104 - Estabilidade do lodo do ponto de amostragem 2, durante as fases 1 e 2 152 Figura 5.105 - AME do lodo do ponto de amostragem 2, no sistema em escala piloto,

durante as fases sem e com retorno de lodo

153

Figura 5.106 - Composição do biogás no sistema em escala piloto 155 Figura 5.107 - Composição do biogás no sistema em escala de demonstração 155 Figura 108 - Produçao de biogás e metano no sistema em escala piloto 157 Figura 109 - Produçao de biogás e metano no sistema em escala de demonstração 157 Figura 5.110 - Esquema do balanço de conversão de DQO para o sistema em escala

piloto

159

Figura 5.111 - Esquema do balanço de conversão de DQO para o sistema em escala de demonstração

(21)

xvi

LISTA DE TABELAS

Tabela 3.1 - Condições ambientais favoráveis aos microrganismos anaeróbios 9

Tabela 3.2 - Concentrações de efluente tratado 17

Tabela 3.3 - Interpretação aproximada do Índice Volumétrico do Lodo 22 Tabela 3.4 - Descrição sucinta de processos de pós-tratamento de efluentes de reatores

anaeróbios

25

Tabela 4.1 - Características das unidades que compõem o tratamento preliminar 39 Tabela 4.2 - Características principais do reator UASB piloto 40 Tabela 4.3 - Características principais do Filtro Biológico Percolador piloto 42 Tabela 4.4 - Características do sistema em escala de demonstração 45

Tabela 4.5 - Fases operacionais 48

Tabela 4.6 - Programa de monitoramento para as análises de rotina do sistema UASB/FBP

51

Tabela 5.1 - Resumo das fases com seu respectivo período operacional 69 Tabela 5.2 - Dados estatísticos básicos da análise preliminar - Sistema em escala piloto 70 Tabela 5.3 - Dados estatísticos básicos da análise preliminar - Sistema em escala de

demonstração

71

Tabela 5.4 - Resumo dos resultados médios de pH, temperatura, DBO, DQO e SST para a análise preliminar

74

Tabela 5.5 - Resultados da análise estatística utilizando-se o método “t de student” para as concentrações afluentes - Análise preliminar

79

Tabela 5.6 - Resultados da análise estatística utilizando-se o método “t de student” para as concentrações afluentes

80

Tabela 5.7 - Dados estatísticos básicos - Sistema em escala piloto 81 Tabela 5.8 - Dados estatísticos básicos Sistema em escala de demonstração 82 Tabela 5.9 - Resumo dos resultados médios de pH, T, DBO, DQO e SST 83 Tabela 5.10 - Resultados da análise estatística utilizando-se o método “t de student”

para as concentrações do efluente do reator UASB

84

Tabela 5.11 - Resultados da análise estatística utilizando-se o método “t de student” para as concentrações do efluente do FBP

85

(22)

xvii lipídios

Tabela 5.13 - Composição média do afluente durante as fases operacionais 97 Tabela 5.14 - Composição média do efluente do reator UASB durante as fases

operacionais

100

Tabela 5.15 - Composição média do efluente do FBP durante as fases operacionais 100 Tabela 5.16 - Dados Estatísticas Básicos para carboidratos, proteínas e lipídios solúveis 104 Tabela 5.17 - Resultados da análise estatística para a comparação da concentração média de carboidratos, ao longo da altura do reator UASB, durante as fases 1 e 2

105

Tabela 5.18 - Resultados da análise estatística para a comparação da concentração média de proteínas, ao longo da altura do reator UASB, durante as fases 1 e 2

106

Tabela 5.19 - Resultados da análise estatística para a comparação da concentração média de lipídios, ao longo da altura do reator UASB, durante as fases 1 e 2

108

Tabela 5.20 - Valores da constante K e do coeficiente de determinação para as equações de remoção de primeira ordem

109

Tabela 5.21 - Dados Estatísticas Básicos para ácidos graxos voláteis 112 Tabela 5.22 - Resultados da análise estatística para a comparação da concentração média de ácido acético, ao longo da altura do reator UASB, durante as fases 1 e 2

113

Tabela 5.23 - Resultados da análise estatística para a comparação da concentração média de ácido butírico, ao longo da altura do reator UASB, durante as fases 1 e 2

114

Tabela 5.24 - Resultados da análise estatística para a comparação da concentração média de DQO, ao longo da altura do reator UASB, durante as fases 1 e 2

116

Tabela 5.25 - Dados estatísticos básicos para o teor de sólidos totais em diferentes alturas no reator UASB em escala piloto

121

Tabela 5.26 - Dados estatísticos básicos para a porcentagem de sólidos voláteis em diferentes alturas no reator UASB em escala piloto

121

Tabela 5.27 - Dados estatísticos básicos para o teor de sólidos totais em diferentes alturas no reator UASB em escala de demonstração

122

Tabela 5.28 - Dados estatísticos básicos para a porcentagem de sólidos voláteis em diferentes alturas no reator UASB em escala de demonstração

122

Tabela 5.29 -Dados Estatísticos Básicos para o lodo coletado no reator UASB no sistema em escala piloto

123

Tabela 5.30 -Dados Estatísticos Básicos para o lodo coletado no reator UASB no sistema em escala de demonstração

124

Tabela 5.31 - Produção específica média de sólidos no reator UASB 134 Tabela 5.32 - Resultados da análise estatística para o IVL 136

(23)

xviii Tabela 5.33 - Resultados da análise estatística para a Distribuição Granulométrica para o lodo coletado a 25 e 20 cm de altura

139

Tabela 5.34 - Resultados da análise estatística para a Distribuição Granulométrica para o lodo coletado a 125 e 120 cm de altura

140

Tabela 5.35 -Resultados da análise estatística para a concentração de polímeros extra-celulares no lodo coletado a 25 e 20 cm de altura

145

Tabela 5.36 - Resultados da análise estatística para a concentração de polímeros extra-celulares no lodo coletado a 125 e 120 cm de altura

146

Tabela 5.37 - Resultados da análise estatística para a DQO equivalente de polímeros extra-celulares

147

Tabela 5.38 - Dados estatísticos básicos para a produção e composição do biogás 154 Tabela 5.39 - Análise estatística para a porcentagem de gases durante as fases 1 e 2 156 Tabela 5.40 - Análise estatística para a porcentagem de gases durante as fases 3 e 4 156

Tabela 5.41 - Balanço de DQO no reator UASB 160

Tabela 5.42 - Produção de metano e lodo no reator UASB 160 Tabela 5.43 - Produção específica média de sólidos no FBP em função da DQO 161 Tabela 5.44 - Produção específica média de sólidos no FBP em função da DBO 161 Tabela 5.45 - Grau de hidrólise no esgoto bruto e no lodo de retorno 162

(24)

Programa de Pós-graduação em Saneamento, Meio Ambiente e Recursos Hídricos da UFMG 1

1- INTRODUÇÃO

A combinação do processo anaeróbio de tratamento de águas residuárias e da digestão de lodo, em um único reator, através do retorno do lodo de descarte do filtro biológico percolador (FBP) para o reator UASB (“upflow anaerobic sludge blanket reactor”), pode tornar o processo de tratamento de grande viabilidade econômica, aumentando sua aplicabilidade no país. O uso desse sistema de tratamento tem como grandes vantagens a minimização da produção de lodo (que deverá ser reduzida, apenas, ao reator UASB) e a produção de um lodo mais concentrado e estabilizado. Entretanto, o efeito do tratamento combinado de esgoto e lodo aeróbio, na performance do reator UASB, ainda deve ser avaliado. Os processos de estabilização do lodo e do tratamento de águas residuárias apresentam objetivos diferentes, que devem continuar a ser atendidos no sistema de tratamento combinado. Enquanto o primeiro tem como objetivos a obtenção de um lodo com menor concentração de patógenos e a redução do volume de lodo e dos sólidos orgânicos, o segundo tem como objetivo principal a elevada qualidade do efluente final.

Os estudos já realizados sobre esse tipo de sistema se baseiam nos parâmetros de DBO e DQO para avaliação da eficiência de remoção de material orgânico. Entretanto, o uso da DQO e da DBO como parâmetros de monitoramento para a digestão anaeróbia apresenta algumas deficiências, pois esses parâmetros: (I) apresentam falhas em caracterizar substratos específicos nas águas residuárias, (II) não representam mudanças na composição das águas residuárias, (III) não permitem que resultados operacionais do reator sejam aplicados para águas residuárias de diferentes composições (MERKEL e KRAUTH, 1999).

O estudo da influência da composição do afluente, em termos de carboidratos, proteínas e lipídios, no processo de tratamento anaeróbio, torna-se de grande importância, permitindo a obtenção de maiores conhecimentos para o projeto de reatores anaeróbios, para o aumento da estabilidade e da eficiência do processo. Um maior entendimento da influência da composição afluente sobre a hidrólise e acidificação de compostos orgânicos no reator anaeróbio pode proporcionar melhores condições para a obtenção de uma maior eficiência nessas etapas, favorecendo o processo de degradação. A concentração do despejo em termos de sólidos biodegradáveis (carboidratos, proteínas e lipídios), que deverá se modificar com a realização do retorno de lodo, pode influenciar as rotas de conversão de DQO no sistema (CHERNICHARO, 1997) e, dessa maneira, alterar a proporção entre os diferentes ácidos

(25)

graxos voláteis formados no processo. Um melhor entendimento da fase ácida e de como a composição do afluente influencia essa fase pode levar a uma melhoria na estabilidade do reator e a um aumento na concentração de compostos orgânicos solúveis (BANERJEE et al., 1998).

Além da concentração dos compostos orgânicos, a proporção destes pode, também, influenciar a sua degradabilidade. Efluentes ricos em lipídios e com uma menor proporção de proteínas e carboidratos podem apresentar uma degradação mais lenta (VIDAL et al., 2000). É importante, portanto, verificar o quanto o retorno de lodo irá modificar a composição afluente e a proporção entre os diferentes compostos, e como essa modificação na composição afetará a sua degradabilidade.

O estudo da influência da composição do afluente nas características da biomassa no reator é uma etapa complementar no entendimento do processo de degradação anaeróbia, uma vez que as características da biomassa afetam a eficiência de conversão de substratos. Ainda não se sabe como o retorno de lodo irá afetar as características da biomassa no reator UASB, entretanto, sabe-se que essas características podem ser afetadas pelo tipo de substrato (CUERVO LOPEZ et al., 1999, PERLE et al., 1995). A granulação, a estabilidade, o teor de polímeros extra-celulares, a sedimentabilidade e a atividade do lodo podem apresentar modificações em função da composição da água residuária utilizada no tratamento anaeróbio. A formação de grânulos de alta sedimentabilidade e a adsorção de polímeros extra-celulares no lodo são diretamente influenciadas pela composição afluente (CUERVO LOPEZ et al, 1999, VIDAL et al., 2000), podendo influenciar a performance do reator.

O retorno de lodo deverá provocar, ainda, alterações na velocidade ascencional no reator UASB, que também poderão influenciar a conversão de substratos e as características da biomassa no reator (FRANCO et al., 2002), afetando a performance do reator e devendo ser avaliadas.

Dessa forma, o presente trabalho busca investigar a influência do retorno de lodo de filtro biológico percolador no processo de digestão anaeróbia em reatores UASB, avaliando-se o efeito do retorno do lodo produzido no FBP, na degradação de matéria orgânica específica (carboidratos, proteínas e lipídios), bem como nas concentrações de ácidos graxos voláteis e nas características da biomassa produzida no reator. Dessa maneira, pretende-se obter maiores

(26)

conhecimentos sobre uma tecnologia de baixo custo, compacta e adequada para as condições do país.

Ressalta-se que o presente trabalho inseriu-se na área de pesquisa de Digestão Anaeróbia do Lodo de Descarte de Filtros Biológicos Aeróbios, no âmbito do Programa de Pesquisa em Saneamento Básico – PROSAB – Edital 3, Tema 4, tendo sido apoiado com recursos do PROSAB (FINEP, CNPq e CEF) e da FAPEMIG .

(27)

2-OBJETIVOS

2.1 - Objetivo Geral

•

Avaliar a influência do retorno de lodo de um filtro biológico percolador no processo de digestão anaeróbia em reatores UASB, buscando-se investigar o seu efeito na degradação de matéria orgânica específica, na formação de ácidos graxos voláteis e nas características da biomassa no reator anaeróbio.

2.2 - Objetivos Específicos

•

Avaliar a eficiência do sistema reator UASB/FBP, com o reator UASB operando com e sem retorno do lodo produzido no FBP.

•

Avaliar, comparativamente, a formação de ácidos graxos voláteis no processo de tratamento anaeróbio, em um reator UASB operando com e sem retorno do lodo produzido no FBP.

•

Investigar a degradação de matéria orgânica específica (carboidratos, proteínas e lipídios) no processo de tratamento anaeróbio, para as diferentes condições de tratamento (com e sem retorno de lodo produzido no FBP).

•

Verificar o efeito das diferentes condições do tratamento (com e sem retorno de lodo produzido no FBP) nas características finais do lodo anaeróbio (estabilidade, atividade metanogênica específica, índice volumétrico, granulação, polímeros extra-celulares) e no perfil de sólidos do reator UASB.

•

Estabelecer uma rotina de descarte do lodo anaeróbio, de forma a minimizar a perda de sólidos no efluente e garantir sua melhor qualidade.

•

Estabelecer uma rotina de recirculação do lodo aeróbio produzido no FBP, para o reator UASB, que não comprometa a estabilidade e a eficiência do tratamento anaeróbio.

(28)

3-REVISÃO BIBLIOGRÁFICA

3.1 – Fundamentos da digestão anaeróbia

Do ponto de vista cinético, a digestão anaeróbia pode ser descrita como um processo de três etapas, envolvendo a hidrólise de compostos orgânicos complexos, a produção de ácidos (acidogênese e acetogênese) e a produção de metano. A cinética do estágio mais lento governará a cinética geral de conversão do despejo. Os estudos mais significativos sobre a cinética de conversão se iniciaram nos anos 70, quando Graef e Andrews (1973) afirmaram que a conversão de ácidos voláteis a metano e dióxido de carbono seria a etapa controladora da velocidade. Nos anos 80, Speece citado por Merkel e Krauth (1999) afirmou que a hidrólise pode se tornar a etapa controladora da velocidade de degradação, dependendo das características dos compostos orgânicos presentes nas águas residuárias. O pesquisador observou, ainda, a dependência entre a etapa limitante do processo e a carga aplicada. A Figura 3.1 apresenta de forma simplificada todo o processo.

São detalhadas a seguir as fases envolvidas na conversão anaeróbia da matéria orgânica.

3.1.1- Hidrólise

As bactérias não são capazes de assimilar a matéria orgânica particulada. A primeira fase da degradação anaeróbia consiste na transformação da matéria orgânica particulada complexa (polímeros) em compostos solúveis mais simples, através de enzimas extracelulares excretadas pelas bactérias. Os compostos solúveis resultantes podem ser acessíveis às bactérias, atravessando suas paredes celulares e membranas. Essa fase é considerada muito lenta e durante essa fase os carboidratos são hidrolisados a açúcares simples e as proteínas a aminoácidos. A temperatura do reator, o tempo de residência, a composição do substrato, o tamanho das partículas, o pH do meio, a concentração de NH4+–N e a concentração de

produtos da hidrólise podem influenciar a taxa e o grau de hidrólise do substrato (CHERNICHARO, 1997).

De acordo com Miron et al. (2000), que estudaram o efeito da idade do lodo na hidrólise e acidificação de compostos orgânicos, durante a digestão anaeróbia de lodo proveniente de tratamento primário, a uma temperatura de 25 OC, a hidrólise deve ser considerada a etapa

(29)

limitante no processo de digestão anaeróbia, para todos os tipos de substratos particulados (carboidratos, proteínas e lipídios) presentes no lodo.

A etapa de hidrólise é realizada por vários tipos de bactérias. As principais bactérias proteolíticas presentes em digestores anaeróbios pertencem ao gênero Clostridium, sendo encontradas também Peptococcus anaerobicus, Bibidobacterium sp., Staphylococcus e algumas espécies de bacilos. Bactérias da espécie Anaerovibrio lipolytica são capazes de hidrolisar os triglicerídeos a ácidos graxos e glicerol enquanto o amido é degradado por várias bactérias (Bacteroides, Clostridium, Micrococcus, Bacilus, Pseudomonas), sendo hidrolisado pela ação da enzima amilase (McINERNEY, 1988).

Figura 3.1 - Seqüência esquemática da decomposição do substrato

Adaptado de Chernicharo (1997)

3.1.2- Acidogênese

Durante a acidogênese, as bactérias metabolizam na forma intracelular os produtos solúveis resultantes da hidrólise, que são convertidos em compostos orgânicos simples com o auxílio

Matéria Orgânica Particulada

Proteínas Carboidratos Lipídios

Aminoácidos Ácidos Graxos

Produtos Intermediários (Propionato, Butirato, etc) Acetato H2, CO2 CH4, CO2 Bactérias Fermentativas Hidrólise Bactérias Fermentativas Acidogênese Bactérias Acetogênicas Acetogênese Archaeas Metanogênicas Metanogênese Açúcares

(30)

de endoenzimas no interior das células bacterianas. Os principais produtos formados nessa etapa são ácido propiônico, butírico, valérico, isovalérico, capróico, acético, láctico, dióxido de carbono, ácido sulfídrico, hidrogênio, além de novas células bacterianas. Esse estágio é denominado de fase ácida devido à grande quantidade de ácidos formados.

De acordo com McCarty, citado por Chernicharo (1997), para a degradação de lodos, o ácido acético é precursor de cerca de 72 % da produção total de metano. Já os estudos realizados por Pontes et al. (2002), para um reator UASB em escala piloto, operando com tempos de detenção hidráulica de 4,2 e 5,6 horas e carga orgânica volumétrica afluente de 1,2 kg DBO.m-3.d-1 (1,6 kgDQO.m-3.d-1) e 1,5 kgDBO.m-3.d-1 (2,3 kgDQO.m-3.d-1), indicaram que os principais ácidos formados na degradação anaeróbia de esgotos sanitários foram os ácidos acético e butírico, tendo ocorrido um decaimento de suas concentrações no reator anaeróbio em função da altura. Um decaimento de concentrações semelhante foi apresentado por Laubscher et al. (2001) para as concentrações de ácido acético, ácido propiônico e DQO em um reator UASB.

A acidogênese é realizada por um grupo de bactérias fermentativas (Clostridium e

Bacteroids). As Clostridium são caracterizadas pela formação de esporos, podendo sobreviver

em ambiente anaeróbio totalmente adverso, enquanto as Bacteroids encontram-se presentes no trato digestivo, participando da degradação de açúcares e amionoácidos (VAN HAANDEL e LETTINGA, 1994; LETTINGA et al, 1996). A maioria das bactérias acidogênicas é anaeróbia estrita, mas cerca de 1% consiste de bactérias facultativas (VAN HAANDEL e LETTINGA, 1994).

Quando a população de microrganismos metanogênicos se encontra presente em quantidade adequada, os ácidos são degradados à medida em que são formados, não se acumulando além da capacidade neutralizadora do meio e o pH permanece na faixa favorável para as Archaeas metanogênicas.

3.1.3 - Acetogênese

Na acetogênese, os produtos formados durante a acidogênese são transformados em substrato apropriado para as Archaeas metanogênicas. Os produtos formados durante essa fase são hidrogênio, dióxido de carbono e principalmente acetato. Dos produtos metabolizados pelas bactérias acidogênicas, apenas o hidrogênio e o acetato podem ser utilizados diretamente

(31)

pelas metanogênicas. Entretanto, pelo menos 50% da matéria orgânica carbonácea biodegradável é convertida em propionato e butirato, que são decompostos em acetato e hidrogênio pela ação das bactérias acetogênicas (CHERNICHARO, 1997). Cerca de 70% da DQO presente se converte em ácido acético (VAN HAANDEL e LETTINGA, 1994).

3.1.4 - Metanogênese

Os microrganismos atuantes nessa etapa possuem uma baixa taxa de crescimento e são mais sensíveis às alterações ambientais. “As Archaeas metanogênicas são microrganismos anaeróbios obrigatórios que requerem condições anaeróbias de crescimento, e altamente redutoras, com potenciais de oxi-redução da ordem de –300 mV (SOWERS, citado por CANHOS e VAZOLLER, 1999). Sua característica mais evidente está relacionada com sua especificidade de substrato para o crescimento e produção de metano. Até agora, os conhecidos são: formiato, monóxido de carbono, metanol, 2-propanol, aminas metiladas, dimetilsulfeto, metilcarptanas e acetato, sendo universal o dióxido de carbono que necessita de hidrogênio como doador de elétrons. As Archaeas metanogênicas apresentam morfologia comum às células procarióticas, com forma de bacilos de diferentes tamanhos, cocos, sarcinas e filamentos” (CANHOS e VAZOLLER, 1999).

A produção de metano nessa fase da degradação anaeróbia pode ocorrer a partir do acetato (60 a 70% da produção) ou a partir do dióxido de carbono (SOUBES, citado por CHERNICHARO, 1997). O metano formado nessa etapa é insolúvel na água, sendo liberado para a fase gasosa. O dióxido de carbono, por ser relativamente solúvel em água, é liberado apenas parcialmente para a fase gasosa.

A metanogênese, geralmente, é a etapa que limita a velocidade da digestão como um todo, entretanto, para temperaturas inferiores a 20 oC, a hidrólise pode se tornar limitante (VAN HAANDEL e LETTINGA, 1994). ). No processo de digestão anaeróbia de lodo proveniente de tratamento primário, de acordo com Miron et al. (2000), a hidrólise pode ser considerada a etapa limitante para uma temperatura de 25oC.

3.1.5 - Sulfetogênese

Despejos que contenham compostos de enxofre passam ainda pela etapa de sulfetogênese, durante a qual, sulfatos, sulfitos e outros compostos que contenham enxofre são reduzidos a sulfetos, devido à ação de um grupo de bactérias anaeróbias estritas, denominadas bactérias

(32)

redutoras de sulfato ou sulforedutoras. As bactérias sulforedutoras dividem-se em dois grupos: (1) bactérias sulforedutoras que oxidam seus substratos de forma incompleta até o acetato (Desulfobulbus, Desulfomonas e a maioria do gênero Desulfotomaculum e

Desulfovibrio); (2) Bactérias sulforedutoras que oxidam seus substratos completamente até

gás carbônico (Desulfobacter, Desulfococcus, Desulfosarcina, Desulfobacterium e Desulfofema) (VISSER, 1995).

Com a presença de sulfato nas águas residuárias, muitos dos compostos intermediários, formados durante a degradação anaeróbia, passam a ser utilizados pelas bactérias sulforedutoras, provocando alteração nas rotas metabólicas (CHERNICHARO, 1997).

3.2- Fatores ambientais que afetam o processo anaeróbio

Para que o processo anaeróbio apresente uma boa eficiência, é necessário que se observe a relação entre os microrganismos participantes do processo e as condições ambientais necessárias ao seu desenvolvimento. As principais condições ambientais que devem ser controladas para o desenvolvimento da degradação anaeróbia são o pH, a temperatura, a presença de nutrientes e a ausência de materiais tóxicos. Na Tabela 3.1 são apresentadas algumas condições favoráveis aos microrganismos anaeróbios.

Tabela 3.1 - Condições ambientais ótimas para os microrganismos anaeróbios

Parâmetros Faixa de variação

pH 6,8 a 7,5 Temperatura Classe Mesófila 25 a 40 oC Classe Termófila 40 a 65 oC Nutrientes Nitrogênio 2,72 mg.gDBO-1 Fósforo 0,45 mg.gDBO-1

Material Tóxico Ausência

Fonte: adaptado de Chernicharo (1997) e Nascimento (2001)

•

pH, alcalinidade e ácidos voláteis

O controle do pH é de grande importância nos reatores anaeróbios, atuando no sentido de eliminar o risco de inibição das Archaeas metanogênicas. Uma alta taxa de metanogênese só ocorre quando o pH se mantém em uma faixa próxima do valor neutro. Um pH menor que 6,3 ou maior que 7,8 provoca uma diminuição rápida na metanogênese (VAN HAANDEL e

(33)

LETTINGA, 1994). Se a taxa de remoção de ácidos pela metanogênese não acompanhar a taxa de produção de ácidos na acidogênese, pode ocorrer uma instabilidade no reator, com diminuição do pH seguida de uma maior redução na metanogênese e de um aumento na produção líquida de ácidos.

A interação entre a alcalinidade e os ácidos voláteis é fundamentada na capacidade da alcalinidade do sistema em neutralizar os ácidos formados na degradação anaeróbia e em tamponar o pH no caso de acúmulo de ácidos voláteis. As principais fontes de alcalinidade do sistema são as proteínas, que liberam amônia durante a hidrólise, e o acetato que gera bicarbonato. Para pH entre 6,0 e 7,5 o tamponamento se deve quase que totalmente aos bicarbonatos (VAN HAANDEL e LETTINGA, 1994).

•

Temperatura

A temperatura é de grande importância na digestão anaeróbia, atuando na seleção das espécies, já que essas não possuem meios de controlar sua temperatura interna. Alterações na temperatura podem ocasionar um desequilíbrio na atividade biológica, que poderá provocar variações em vários parâmetros (alcalinidade, pH, ácidos voláteis e produção de gás, dentre outros). A temperatura influencia, ainda, as taxas das reações enzimáticas e as taxas de difusão de substrato. Pode-se conseguir uma considerável redução no volume do reator anaeróbio se ele for operado próximo à temperatura ótima para o desenvolvimento da população microbiana. Entretanto, mudanças bruscas de temperatura podem levar a um desbalanceamento entre as bactérias acidogênicas e as Archaeas metanogênicas (CHERNICHARO, 1997).

A formação microbiana de metano apresenta duas faixas ótimas de temperatura, uma na faixa mesófila (30 a 35 oC) e outra na faixa termófila (50 a 55 oC). Abaixo de 20 oC, a produção de gás apresenta uma grande diminuição (CHERNICHARO, 1997).

(34)

• Nutrientes

Para que o processo biológico apresente uma boa eficiência, os nutrientes devem ser fornecidos na proporção adequada. Os requisitos nutricionais das populações microbianas podem ser determinados a partir da composição empírica das células microbianas. Os esgotos sanitários, de uma maneira geral, apresentam os diferentes tipos de nutrientes em concentrações adequadas. Efluentes industriais, entretanto, por apresentar composições mais específicas, podem necessitar de um fornecimento adicional de nutrientes.

O nitrogênio é o nutriente necessário em maiores quantidades para o crescimento dos microrganismos. A concentração de fósforo é, geralmente, 1/5 a 1/7 do valor estabelecido para o nitrogênio. As seguintes relações podem ser utilizadas para esgoto doméstico (LETTINGA et al., 1996):

• Biomassa com baixo crescimento de produção celular (Y ≈ 0,05 gSSV/gDQO) Degradação de ácidos graxos voláteis

DQO : N : P = 1000 : 5 : 1 ou C : N : P = 330 : 5 : 1

• Biomassa com alto crescimento de produção celular (Y ≈ 0,15 gSSV/gDQO) Degradação de carboidratos

DQO : N : P = 350 : 5 : 1 ou C : N : P = 130 : 5 : 1

Outros nutrientes (enxofre, ferro, cobalto, níquel, molibdênio, selênio, riboflavina e vitamina B12) são necessários em menor quantidade.

•

Compostos Tóxicos

Alguns tipos de substâncias químicas, como metais pesados e compostos organo-clorados, são tóxicos mesmo em baixas concentrações. Entretanto, no caso de esgotos domésticos, é muito pouco provável a presença dessas substâncias em concentrações inibidoras. Sulfeto e oxigênio são compostos tóxicos que podem estar presentes nos esgotos. Se bolhas de ar estiverem no afluente e forem carreadas para o interior do reator, entrando em contato com o lodo metanogênico, pode ocorrer inibição da sua atividade. De acordo com Speece (1986), uma concentração de 170 mg H2S.L-1 pode ser tolerada em reatores UASB. Amônia livre em

concentrações acima de 150 mg.L-1 se torna tóxica, enquanto o íon amônio apresenta um limite máximo de 3000 mg.L-1 (McCARTY, citado por CHERNICHARO, 1997).

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3.3 – Degradação de matéria orgânica específica

Pouco se sabe sobre a degradação de matéria orgânica específica (carboidratos, proteínas e lipídios) em reatores anaeróbios. Alguns estudos têm sido realizados de maneira a se analisar o processo de tratamento anaeróbio em função da composição de carboidratos, proteínas e lipídios no afluente, entretanto, esses estudos ainda são limitados.

De acordo com Metcalf e Eddy (1991), cerca de 75% dos sólidos suspensos e 40% dos sólidos filtráveis presentes em águas residuárias são de natureza orgânica, tendo-se uma proporção de 25 a 50% de carboidratos, 40 a 60% de proteínas e cerca de 10% de óleos e graxas. Raunkjaer et al. (1994) observaram teores de 18, 28 e 31% para carboidratos, proteínas e lipídios, respectivamente, enquanto Dignac et al. (2000) concluiram que aminoácidos, carboidratos, lipídios e compostos fenólicos contribuem com 46% do carbono orgânico presente no esgoto.

Como deverá haver uma modificação na composição afluente ao reator UASB, em termos de carboidratos, proteínas e lipídios, com o retorno de lodo, que poderá influenciar o processo de tratamento anaeróbio, será apresentada uma retrospectiva de estudos sobre digestão anaeróbia, com uma visão crítica daqueles estudos que se relacionem com a degradação de matéria orgânica específica em reatores UASB.

3.3.1- Carboidratos

Os carboidratos possuem estrutura química de poliidroxialdeídos ou poliidroxicetonas (Figura 3.2) e são formados basicamente por átomos de hidrogênio, carbono e oxigênio. São classificados em monossacarídeos, oligossacarídeos e polissacarídeos. A glicose é o monossacarídeo mais abundante na natureza. Oligossacarídeos são carboidratos constituídos por cadeias curtas de monossacarídeos unidos por ligação covalente (sacarose) e polissacarídeos são carboidratos que possuem cadeias longas de monossacarídeos (amido e celulose). Os monossacarídeos são geralmente solúveis em água enquanto os polissacarídeos, geralmente, são insolúveis. A celulose é um tipo de polissacarídeo de difícil decomposição biológica, constituindo-se em um problema em estações de tratamento (BLUNDI, 1988).

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Programa de Pós-graduação em Saneamento, Meio Ambiente e Recursos Hídricos da UFMG 13 O ⁄⁄ CH CH CH CH CH C H OH OH OH OH OH Glicose ( poliálcool-aldeído) O ⁄⁄ CH CH CH CH CH C H OH OH OH OH O Frutose ( poliálcool-cetona)

Figura 3.2 Estrutura química dos carboidratos

Os carboidratos são os compostos de hidrólise mais rápida, sendo convertidos a açúcares simples e fermentados a ácidos graxos voláteis (MIRON et al., 2000). Entretanto, sua degradação pode provocar acúmulo de ácido propiônico, quando presente em concentrações mais elevadas (INANC et al., 1999). O ácido propiônico é considerado o mais tóxico dentre os ácidos produzidos no processo e pode inibir as Archaeas metanogênicas para concentrações acima de 1000mg/L. Observou-se que a produção de ácido propiônico é favorecida pelo pH neutro e alta concentração de substrato. O uso de pH=5, para a acidogênese, é recomendado para prevenir a formação de ácido propiônico, para águas residuárias contendo carboidratos de fácil degradação.

3.3.2- Proteínas

Proteínas são macromoléculas formadas pela união de L - α aminoácidos. A condensação de duas ou mais moléculas de aminoácidos origina um polipeptídeo e a condensação de um número elevado de aminoácidos origina as proteínas (Figura 3.3). A degradação de proteínas é um processo complexo, envolvendo um grande número de diferentes espécies de microrganismos anaeróbios.

A degradação de águas residuárias à base de proteínas foi estudada no final dos anos 80 por McInerney (1988), que avaliou o processo de hidrólise de proteínas a aminoácidos. Geralmente, as proteínas são hidrolisadas a peptídeos e aminoácidos que são fermentados a ácidos voláteis, CO2 , H2, NH4+ e S-2 (McINERNEY, 1988).

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R’

R – CH – COOH + R’ – CH – COOH →→→→ R – CH – CO – NH – CH – COOH + H2O

NH2 H – N – H NH2

Aminoácido Aminoácido Dipeptídeo

Figura 3.3 - Obtenção de um dipeptídeo a partir de aminoácidos

A influência das características das águas residuárias industriais e dos caminhos de degradação anaeróbia no projeto de reatores foi estudada por Merkel e Krauth (1999). De acordo com esses pesquisadores, o projeto de reatores, para o processo de degradação de resíduos à base de proteínas, deve se basear na cinética de degradação de ácido propiônico e acético. Foram analisados dois tipos de efluentes: águas residuárias etanólicas (proveniente de indústria fotográfica) e águas residuárias de base protéica (indústria de laticínios). Para a degradação da água residuária etanólica, os pesquisadores sugerem que o projeto de reatores deve se basear na cinética de degradação de ácido acético, que foi a controladora do processo. As etapas limitantes do processo de degradação de proteínas foram a degradação de ácido propiônico e ácido acético e o projeto de reatores deve se basear nessas etapas considerando as condições da dinâmica de carga. Os pesquisadores sugerem a necessidade de se avaliar o efeito dos caminhos de degradação para diferentes condições de operação. A carga aplicada, durante o estudo desses pesquisadores, foi de 10 kg DQO.m-3dia-1.

Fang e Chung (1999) realizaram experimentos de tratamento de águas residuárias de base protéica, em dois reatores UASB de 2,8 litros, para avaliar a influência da temperatura no processo. Nos experimentos, foram utilizadas temperaturas de 37 e 55oC e tempo de detenção de 9 horas. Observou-se que o principal responsável pela DQO residual no efluente eram as peptonas, logo a taxa de degradação em ambas as temperaturas foi limitada pela hidrólise inicial de proteínas para cargas de até 16 DQO m-3dia-1. Uma vez acidificadas, as proteínas eram degradadas mais facilmente. Para cargas maiores, houve um aumento na concentração de ácidos graxos no efluente. Além disso, para cada carga aplicada, a concentração de ácidos graxos no efluente do reator termofílico foi maior do que no mesofílico. O aumento da carga aplicada no reator termofílico aumentou drasticamente a concentração de ácidos graxos no efluente, indicando que as bactérias acetogênicas são mais sensíveis ao aumento na carga a