23º Congresso Brasileiro de Engenharia Sanitária e Ambiental
II-396 – INFLUÊNCIA DA CONCENTRAÇÃO DE OXIGÊNIO DISSOLVIDO SOBRE O DESEMPENHO DE SISTEMAS DE LODO ATIVADO.
Úrsula Thaís de Paula Medeiros
Engenheira Civil e Mestre em Engenharia Sanitária e Ambiental pela Universidade Federal de Campina Grande.
Paula Frassinetti Feitosa Cavalcanti
Mestre em Engenharia Sanitária e Doutora em Ciências Ambientais pelas Universidades de Campina Grande e Agrícola de Wageningen – Holanda.
Adrianus van Haandel(1)
Engenheiro Químico e Doutor em Engenharia Civil pelas Universidades de Eindhoven-Holanda e da Cidade do Cabo – África do Sul.
Endereço(1): Rua Aprígio Veloso, 882 - 58109-970 – Campina Grande – PB – Brasil – Tel: (83) 3331-4809, e- mail: prosab@uol.com.br
RESUMO
A energia para aeração é normalmente o maior fator de custos operacionais de sistemas de lodo ativado. A redução da intensidade de aeração diminui o consumo de energia, mas pode afetar o sistema de tratamento de três maneiras: (1) diminuindo a eficiência de remoção dos substratos (material orgânico e material nitrogenado), (2) inibindo o metabolismo das bactérias heterotróficas e autotróficas e (3) prejudicando as características de sedimentação do lodo. O valor ótimo da concentração de oxigênio dissolvido (OD) será o mínimo que permita a operação do sistema sem afetar de maneira significativa o seu desempenho e as propriedades biológicas e mecânicas do lodo. Os efluentes do Pólo Petroquímico de Camaçari são tratados em um sistema de lodo ativado, onde a demanda de energia é na ordem de 2.500 MWh/mês. A fim de reduzir o consumo de energia para aeração, foi realizada uma investigação experimental para estabelecer o valor da concentração mínima de OD. Três sistemas de lodo ativado, em escala de laboratório, foram operados simultaneamente com diferentes concentrações de OD. A taxa de consumo de OD (TCO) era medida “on line”
por 3 respirômetros. Os parâmetros avaliados para determinar o desempenho foram: eficiência de remoção de matéria orgânica, de sólidos em suspensão e de amônia. Foram também avaliadas a capacidade metabólica e sedimentabilidade do lodo. Os resultados da investigação mostraram que a CETREL pode adotar uma concentração de OD até um valor mínimo de 1mg/l, sem prejuízos para o desempenho do sistema de lodo ativado.
PALAVRAS-CHAVE: Efluentes da petroquímica, sistemas de lodo ativado, concentração de OD, custos de energia, respirometria.
INTRODUÇÃO
Sistemas de lodo ativado são conhecidos como unidades eficientes de remoção de material orgânico, sólidos em suspensão e, eventualmente, também macro-nutrientes, todos presentes em águas residuárias, produzindo um efluente de alta qualidade. Por outro lado, os custos de operação desses sistemas são elevados. Um dos fatores que mais contribui para um alto custo é a energia necessária para aeração. Por definição, para oxidar 1kg de matéria orgânica (expressa como DQO) é necessário 1kg de oxigênio. Por outro lado, para transferir 1kg de oxigênio do ar para o licor misto ou conteúdo do reator (que é uma mistura de lodo e líquido) é necessário, aproximadamente, uma energia de 1kWh. Em sistemas de lodo ativado, geralmente, mais da metade do material orgânico é oxidada, gerando uma demanda de oxigênio. Em adição, pode haver uma demanda extra de oxigênio para oxidação de amônia, ou seja, para nitrificação, que pode representar uma fração elevada do consumo total de oxigênio.
A CETREL (Empresa de Proteção Ambiental localizada em Camaçarí - BA), para tratar os efluentes do Pólo Petroquímico de Camaçari, opera um dos maiores sistemas de lodo ativado do mundo, com uma capacidade de aeração instalada de 5MW, que potencialmente representa um custo anual de R$6,5 milhões. A redução dos custos de energia para aeração, pela CETREL, poderia se dar através da redução da intensidade de aeração, mantendo-se, no sistema de lodo ativado, uma concentração de oxigênio dissolvido tão baixa quanto possível.
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No entanto, a redução da aeração pode afetar o sistema de tratamento de diferentes formas: se a aeração é insuficiente, a remoção de substratos será incompleta, porque a redução de OD pode afetar a atividade metabólica das bactérias heterotróficas que utilizam a matéria orgânica e das bactérias autotróficas que oxidam amônia para nitrito e depois para nitrato. De outra forma, a atividade metabólica baixa significa que o sistema tem uma capacidade reduzida de absorver sobrecargas desses substratos. Outro problema que pode surgir está relacionado com a qualidade do lodo, onde a falta de oxigênio tende a favorecer o surgimento de lodo filamentoso que afeta negativamente a sedimentabilidade do lodo e diminui a capacidade do sistema de absorver cargas hidráulicas.
No presente trabalho estão apresentados os resultados de uma investigação experimental, na qual se operou 3 sistemas de lodo ativado em escala de bancada e sob condições iguais, exceto quanto às diferentes concentrações de OD neles mantidas. A investigação teve como objetivo determinar a concentração de OD limitante, ou seja, a concentração mínima para qual não houvesse prejuízos sobre o desempenho do sistema, a atividade metabólica e a sedimentabilidade do lodo
Os resultados da investigação experimental mostraram que mesmo para concentrações críticas de OD de 1mg/l, não foi observado uma redução significativa na eficiência do tratamento e na qualidade das bactérias heterotróficas. No entanto, a capacidade metabólica das bactérias autotróficas foi reduzida: para sistema com concentração media de OD = 1 mg/l a capacidade metabólica das autotróficas era somente a metade daquela capacidade relativa as autotróficas geradas no sistema sem limitação de OD.
MATERIAIS E MÉTODOS
Foram operados três sistemas de lodo ativado sob condições idênticas, exceto quanto à concentração de OD.
A Figura 1a é uma representação esquemática de um dos sistemas, enquanto que a Figura 1b é uma foto do sistema experimental instalado. No primeiro reator, denominado de R1, foi mantida uma concentração de OD
> 3mg/l (valor considerado abundante) mediante aeração contínua. No reator R2 a concentração de OD variava entre 1.5 a 2,5mg/l e no reator R3 de 0,5 a 1,5mg/l em R3. Todos os reatores tinham um volume de 25 litros. A temperatura ambiente era 26±1oC. Os três sistemas foram alimentados com o afluente equalizado da CETREL, com uma vazão constante de 17l/dia, mediante bombas dosadoras.
Figura 1: Representação esquemática (a esquerda) e fotografia (a direita) dos sistemas de lodo ativado, operados durante a investigação experimental.
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Os sistemas de tratamento foram inoculados com lodo aeróbio da CETREL. Para manter a idade de lodo de 20 dias (igual à de um dos tanques de aeração da ETE da CETREL -TA4), descartava-se diariamente um volume de licor misto equivalente a 1/20 do volume de cada um dos 3 reatores. Durante as primeiras seis semanas de operação (correspondendo a três vezes a idade de lodo, Rs) não foram colhidas amostras para testes, dando tempo para o lodo se adaptar ao regime operacional imposto. Após adaptação do lodo, foram coletadas, numa freqüência de três vezes por semana, amostras do afluente e dos efluentes, para caracterizar o desempenho dos sistemas com relação à eficiência de remoção dos substratos, sólidos suspensos e oxidação de amônia (nitrificação). Os procedimentos analíticos seguiram métodos padronizados (AWWA/APHA/WEF 1995) As constantes cinéticas que caracterizam biologicamente o lodo foram determinadas usando-se a respirometria. A sedimentabilidade do lodo foi avaliada mediante testes de Índice Volumétrico de Lodo (VAN HAANDEL E MARAIS, 1999).
A concentração de OD em cada um dos reatores R2 e R3 era controlada por respirômetros, acoplados a um computador, que ligava a aeração, quando o OD estava abaixo de um determinado valor mínimo (regulável), desligando-a quando chegava a um valor máximo. A partir do tempo necessário para que a massa bacteriana diminuísse a concentração de OD do seu valor máximo para o mínimo, o software do respirômetro calculava a TCO, que podia ser vista graficamente e “on line” na tela do monitor, sendo os valores armazenados numa planilha Excel no HD do computador.
Rotina Diária de Operação
Para minimizar os equipamentos necessários não foram utilizados decantadores: a decantação ocorria no próprio reator aerado. Dessa forma, a rotina de operação dos sistemas pode ser assim resumida:
1) pela manhã, como primeiro procedimento, quando o volume ocupado nos reatores era máximo (25 litros) eram retirados de cada reator 1,25 litros de licor misto, correspondente a 5% do lodo, para manter a idade de lodo de 20 dias;
2) em seguida, a aeração dos sistemas era interrompida, permitindo a sedimentação do lodo;
3) um volume de 17 litros do efluente clarificado era então descarregado, tomando-se o cuidado de se retirar amostras para analises dos STS, da DQO e dos compostos nitrogenados TKN, .NH3, NO2, e NO3;
4) após a descarga do efluente de cada reator, iniciava-se o bombeamento do afluente a uma taxa maior que 17l/dia, para que o volume do afluente (17 litros) se esgotasse, antes da nova seqüência de operação, um dia depois;
5) no reator R2 era mantida uma concentração de OD entre um máximo de 2,5 e um mínimo de 1,5mg/l, controladas por respirômetro. No reator R3 a concentração de OD, também controlada por um respirômetro, oscilava entre 0,5 e 1,5mg/l, enquanto que, no reator R1, a concentração de OD era mantida acima de 3mg/l sem controle específico;
6) os valores da concentração de OD e da TCO eram registrados continuamente e o consumo diário de oxigênio era calculado.
RESULTADOS DA INVESTIGAÇÃO EXPERIMENTAL Consumo de oxigênio
A Figura 2a mostra um exemplo de um respirograma típico dos reatores R2 e R3, obtido com auxílio do respirômetro, ao longo de um ciclo de operação de 1 dia. Observa-se que, logo após o inicio de uma nova alimentação (às 8:00 horas, aproximadamente) a TCO era alta, porque o volume do reator era pequeno (25-17 = 8litros). No decorrer do tempo, gradualmente o volume aumentava, e conseqüentemente a TCO diminuía, até acabar o afluente, após um tempo de alimentação Ta, havendo, então, uma diminuição repentina da TCO, passando a corresponder à TCO da respiração endógena.
Na Figura 2b observa-se o consumo acumulativo de oxigênio correspondendo ao respirograma da Figura 2a, durante um período de um dia. Esse dado é importante porque mostra a quantidade de oxigênio consumido e permite estimar o consumo de oxigênio para nitrificação (a partir do nitrato produzido) e para oxidação de material orgânico, que é um elemento para estimar a concentração do material biodegradável. O consumo diário de oxigênio pelo licor misto nos reatores foi calculado segundo o seguinte procedimento (vide também Tabela 1):
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1) na planilha da TCO em função do tempo, gerada pelo respirômetro, criava-se para os sucessivos valores da TCO duas colunas: uma do intervalo, Δt (entre as TCO sucessivas) e outra do volume do reator naquele intervalo, Vt;
2) o volume Vt era calculado da seguinte maneira: durante o intervalo de determinação de dois valores sucessivos da TCO, o volume aumentava em uma fração Δt/Ta dos 17 litros que eram adicionados diariamente;
3) o consumo de oxigênio durante o intervalo Δt no volume Vt era dado pelo produto ΔCt = TCOt*Δt*Vt; 4) quando, após um tempo Ta todos os 17 litros eram bombeados, o volume se torna constante e igual a 25 litros (o máximo do reator) e o consumo se tornava igual a ΔCt = TCOt*Δt*25.(t > Ta);
5) o consumo diário de oxigênio era dado pelo soma dos consumos nos intervalos (N) de duração Δt durante o dia:
∑=
=
Δ
=i N
i t
total
OD C
C
1
, (Equação 1)
Figura 2a: Respirograma típico gerado nos reatores R e R2 3
Figura 2b: Consumo de oxigênio durante o período de 24 horas relativo ao respirograma da Figura 2a.
Tabela 1:. Procedimento de cálculo para o consumo de oxigênio.
Tempo TCOtotal Volume acumulado Consumo de O2
T1 TCO1 V1 = 8,0 litros ΔC1 = TCO1*Δt*V1. T2 = T1+ Δt TCO2 V2 = V1 + Δt/Ta*17 ΔC2 = TCO2*Δt*V2
TN = T(N-1) + Δt TCON VN = V(N-1) + Δt/Ta*17 ΔCN = TCON*Δt*25.
Relação entre a concentração de OD e a eficiência de remoção dos substratos
Durante um período de 4 meses, observou-se a eficiência de remoção dos sólidos em suspensão, do material orgânico e de amônia nos três sistemas de tratamento, sendo a concentração de OD era mantida na faixa desejada mediante respirômetros acoplados aos reatores. Na Tabela 2 estão apresentados os valores médios dos parâmetros de desempenho analisados nos três reatores operados. A partir desses valores, pode-se observar uma elevada eficiência de remoção dos sólidos em suspensão, da matéria orgânica (DQO) e amônia, que era independente da concentração de OD mantida nos sistemas. No caso da CETREL, uma eficiência de remoção do material orgânico maior que 80% significa, de fato, que praticamente todo o material biodegradável foi removido. A fração de material não biodegradável e solúvel no afluente da CETREL é de
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aproximadamente 18%, de modo que a eficiência não pode exceder 100-18 = 82%. Os valores da Tabela 2 não evidenciam uma influência clara da concentração de OD sobre o desempenho do sistema de tratamento.
A Tabela 3 contém os valores do balanço de massa de material nitrogenado nos três sistemas. Para o balanço de massa do material nitrogenado, comparou-se a massa de nitrogênio no efluente mais a massa de nitrogênio no lodo de excesso (10%
da massa de lodo volátil de excesso) com a massa de material nitrogenado no afluente. Na Tabela 3 se apresentam os dados experimentais.Os dados de Tabela 3 mostram que o balanço de material nitrogenado não fecha: a recuperação de nitrogênio é incompleta e o déficit aumenta com a diminuição da concentração de OD. Uma possível explicação é que houve dessorção de amônia nos reatores, facilitada pelos valores da temperatura e do pH relativamente elevados do efluente. A taxa de dessorção é proporcional à concentração de amônia não ionizada no reator, e este valor tende a aumentar com a redução da concentração de OD (vide Tabela 2). De fato, testes separados mostraram que quando o afluente era aerado, havia uma redução significativa de amônia da fase líquida pelo desprendimento do gás para a atmosfera.
Tabela 2. Caracterização do desempenho dos três sistemas R1, R2 e R3 operados, em termos da eficiência média de remoção dos sólidos em suspensão, do material orgânico e de nitrificação. (V = 25 l;
Qa = 17 l/d, Rs =20 dias).
Variáveis Afluente. R1 R2 R3
Equalizado. >3,0 mgO2/l 1,5 a 2,5 mgO2/l 0,5 a 1,5 mgO2/l
Valor Eficiência
Remoção
Valor Eficiência Remoção
Valor Eficiência Remoção SST (mg/l) 213 <2,5 >99% <2,5 >99% <2,5 >99%
DQO (mg/l) 1.482 296 80% 288 81% 282 81%
TKN (mg/l) 104,3 11,6 89% 14,1 86% 13,3 87%
NH3 (mg/l) 57,7 0,9 98% 0,8 99% 1,2 98%
NO3 (mg/l) <1 51,7 45,0 40,3
MOt (gO2/d) 14,10 14,25
Xt(mg/l) 4.841 4.530 4.663
Xv 3,098 2,900 2,864
Tabela 3. Resultados do balanço de massa de material nitrogenado durante a operação dos três reatores (R1, R2 e R3) sob as condições especificadas.
Parâmetro Unidade R1 R2 R3
OD (mgO2/l) >3,0 1,5 a 2,5 0,5 a 1,5 Massa de N no afluente, MNa
Massa de N no lodo de excesso MNl
Massa de N no efluente, MNe
mgN/dia mgN/dia mgN/dia
1.773 387 1,091
1.773 363 1,020
1.773 358 932
BBn 0,83 0,78 0,73
Tabela 4. Resultado médio do balanço de massa de material orgânico durante a operação dos três reatores (R1, R2 e R3), sob as condições especificadas.
Parâmetro Unidade R2 R3
1,5 a 2,5 (mgO2/l)
% 0,5 a 1,5 (mgO2/l)
% Massa de DQO no afluente (MSa)
Massa de DQO no efluente (MSe)
Massa de DQO no lodo de excesso (MSxv) Massa de DQO oxidada (MSo)
gDQO/dia gDQO/dia gDQO/dia gO2/dia
25,19 4,90
No balanço de massa do material orgânico, comparou-se a massa de material orgânico que entrava no sistema (MSta) com a massa de material orgânico oxidado (MSo), a massa de material orgânico no lodo (MSxv) e a massa de material orgânico no efluente (MSe). Para calcular a massa de material orgânico oxidada, calculou-se a massa de oxigênio consumida nos reatores e diminuiu-se, deste valor, a massa de oxigênio necessária para nitrificação (4,56*massa de nitrato produzido). Para calcular a massa de material orgânico no lodo de excesso,
5,44 14,10
19 22 56
25,19 4,79 5,36 14,25
19 21 57
BBo 24,44 0,97 24,40 0,97
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multiplicou-se a massa de lodo de excesso volátil por um fator de conversão de 1,5mgDQO/mgSVS. Os resultados dos cálculos do balanço de massa do material orgânico estão na Tabela 4.
Na investigação experimental foi observado que, nos três sistemas, o balanço de massa fechava com boa aproximação. A fração da DQO lançado no efluente independeu da concentração de OD nos diferentes reatores. Nota-se, também, que mesmo com baixas concentrações de OD (0,5 a 1,5mg/l) a fração de material orgânico oxidada era aproximadamente constante (56-57% da DQO do afluente). Por outro lado, na Tabela 2 observa-se que a concentração de lodo volátil (e, portanto, da produção deste) não era afetada pela concentração de OD. Fica, assim, evidenciada que a concentração de OD era suficiente para a degradação da matéria orgânica e que, portanto, não havia uma influência direta da concentração de OD sobre a eficiência de remoção do material orgânico. Também ficou evidenciado que a concentração de OD não afetava mensuravelmente os 3 parâmetros fundamentais do sistema de lodo ativado: a concentração de material orgânico no efluente, consumo de oxigênio e produção de lodo
Determinação da Capacidade Metabólica do Lodo A capacidade metabólica do lodo pode ser avaliada a partir da taxa de consumo de oxigênio – TCO, que uma batelada de lodo exibe quando um substrato específico é fornecido em abundância.
Sabe-se que no caso de material orgânico biodegradável o consumo de oxigênio é 1/3 da massa de material orgânico metabolizado (VAN HAANDEL E MARAIS 1999), enquanto 2/3 do material orgânico metabolizado são sintetizados. Portanto no metabolismo do material orgânico há consumo de 1/3 kg de oxigênio por kg de DQO metabolizada. No caso de nitrificação há uma relação estequiométrica entre a taxa de nitrificação e de consumo de oxigênio: há um consumo de 4,56mgO2 por mg N nitrificado. A TCO que se observa em função do tempo quando se coloca substrato em contato com lodo tem a forma da Figura 3, podendo-se distinguir três fases: (1) metabolismo máximo em condições de concentração ilimitada de substrato (2) taxa de metabolismo reduzido devido à limitação de disponibilidade de substrato e (3) na ausência de substrato a TCO se torna novamente igual à TCO da respiração endógena.
Figura 3: Perfil típico da TCO após a adição de substrato a uma batelada de lodo ativado.
Portanto, a taxa máxima de consumo de oxigênio no metabolismo de material orgânico é:
rmc
TCO
TCOmax− min=1/3* (Equação 2)
No caso de nitrificação se tem:
r
mnTCO
TCO
max−
min= 4 , 56 *
(Equação 3)Onde:
TCOmax Taxa máxima de consumo de oxigênio (primeira fase);
TCOmin Taxa mínima de consumo de oxigênio (respiração endógena);
rmc, rmn Taxa máxima de metabolismo de material orgânico e de amônia.
É possível se determinar, de maneira direta e simples, a taxa máxima de utilização de um substrato, a partir da TCO de uma batelada de lodo recebendo abundância deste. Por outro lado sabe-se que a equação de Monod prevê uma relação entre a taxa máxima de metabolismo e o crescimento de lodo, que no caso de substrato ilimitado se pode escrever como:
mc a a mc
mc X
Y X K
r = =⎜⎝⎛ ⎟⎠⎞
h
μ (Equação 4)
e
mn n n
mn
mn X
Y X K
r = =⎜⎝⎛ ⎟⎠⎞
n
μ (Equação 5)
onde
µmc constante de crescimento específico máximo de bactérias heterotróficas;
23º Congresso Brasileiro de Engenharia Sanitária e Ambiental Xa concentração das bactérias heterotróficas;
Kmc constante de utilização do material orgânico;
Yh rendimento da utilização de material orgânico pelas heterotróficas = 0,45 mgXa/mgDQO µmn constante de crescimento específico máximo de bactérias autotróficas;
Xn concentração das bactérias heterotróficas;
Kmn constante de utilização de amônia;
Yn rendimento da utilização de amônia pelas autotróficas = 0,10 mgXn/mgN.
Os valores das constantes µmn e µmc indicam o crescimento máximo por unidade de tempo das bactérias autotróficas e das bactérias heterotróficas. As constantes Kmc e Kmn denotam a massa de substrato que pode ser metabolizada por unidade de tempo e por unidade de massa de bateria heterotrófica ou autotrófica. Combinando-se as Equações (2 e 3) e (4 e 5) pode-se calcular diretamente as constantes características da capacidade metabólica das bactérias heterotróficas e autotróficas no lodo, adicionando-se o substrato adequado a uma batelada de lodo, observando-se a TCO no período subseqüente para estabelecer os valores máximo e a mínimo.
Para determinar a capacidade metabólica das bactérias heterotróficas e autotróficas do lodo dos três reatores foi necessário primeiramente estimar a concentração dessas bactérias . Usando-se a teoria básica de MARAIS e EKAMA (1976), têm-se as seguintes expressões:
( )
(
1 h)
h h(
1 hh)
h1
R R b
R Y S R
R b
R Y S f X f
s s ba s
s ta up us
a = +
+
−
= − (Equação 6)
e
(
1 b R)
Rh R Y X Ns n
s n
n = +c (Equação 7)
Onde:
bh: constante de decaimento = 0,24(1,04)T-20 dia-1; (VAN HAANDEL e MARAIS, 1999);
bn: constante de decaimento das bactérias autotróficas (Nitrossomonas) (dia-1) = 0,04(1,03)T-20 dia-1; fup: fração da DQO afluente particulada e não biodegradável;
fus: fração da DQO afluente solúvel e não biodegradável;
Nc: concentração de amônia nitrificada no sistema (mg/l);
Rh: tempo de permanência hidráulica (25/17 dias);
Rs: idade de lodo (20 dias);
Sba: DQO biodegradável afluente:(1-fus-fup)Sta (mg/l);
Sta: DQO do afluente (mg/l);
Sba: DQO biodegradável do afluente (mg/l);
Xa: concentração média do lodo heterotrófico (mg/l);
Xn concentração média do lodo autotrófico (Nitrossomonas) (mg/l);
Yh: coeficiente de rendimento das bactérias heterotróficas(0,45 mgXa/mgDQO);
Yn: coeficiente de rendimento das bactérias autotróficas (0,1mgXn/mgN);
TT: temperatura do sistema (26oC).
Para se calcular as concentrações das bactérias heterotróficas (Xa) e das bactérias autotróficas (Xn), a partir das Equações 6 e 7 nos reatores R1, R2 e R3, faltava saber a concentração dos substratos metabolizados, Sba e Nc,
respectivamente. Quanto à concentração de bactérias heterotróficas, Xa, sabia-se que era independente da concentração de OD porque praticamente todo o material biodegradável era consumido nos três reatores. Os valores dos parâmetros que definem Xa são todos conhecidos menos os valores das frações de material não biodegradável solúvel (fus) e particulado (fup). O valor de fus pode ser calculado como a razão entre a DQO do efluente e a do afluente, tendo-se, em média para os três reatores, um valor de fus =0,19. O valor de fup foi calculado a partir da produção de lodo volátil ou do consumo de oxigênio, usando-se a teoria de MARAIS E EKAMA (1976), resultando em fup = 0,06. Assim, calculou-se a concentração de bactérias heterotróficas como: Xa = 882mg/l.
A concentração das bactérias autotróficas (Nitrossomonas) foi claramente influenciada pela concentração de OD no sistema de tratamento: as concentrações de nitrato produzidas nos três sistemas eram substancialmente diferentes. Usando-se a concentração de nitrato (Tabela 1) para se estimar a concentração do substrato metabolizado, obteve-se:
23º Congresso Brasileiro de Engenharia Sanitária e Ambiental Em R : 1 Xn = 51,7*0.1*20/((1+0.04*20)25/17) = 35 mg/l
Em R2: Xn = 45,0*0.1*20/((1+0.04*20)25/17) = 31 mg/l Em R3: Xn = 40,3*0.1*20/((1+0.04*20)25/17) = 27 mg/l.
De posse dos valores das concentrações de bactérias heterotróficas e autotróficas nos reatores, passou-se a estimar a capacidade metabólica das bactérias nos reatores R1, R2 e R3 usando-se testes respirométricos e determinando-se a TCO mínima e máxima de bateladas de lodos quando alimentados com substrato em abundância. Como material orgânico utilizou-se o próprio afluente equalizado, uma vez que o lodo tinha para este efluente uma afinidade maior que para substratos facilmente metabolisadas, como acetato ou sacarose. Quando o afluente era adicionado a uma batelada de lodo, adicionava-se, também, 50mg/l de alil-tio-uréia que suprimia a atividade das bactérias autotróficas sem afetar as bactérias heterotróficas. Para avaliar a capacidade metabólica de Nitrossomonas, usou-se uma solução de cloreto de amônia.
O respirograma apresentado na Figura 3 é o resultado de um teste para determinar a atividade metabólica das bactérias heterotróficas. A área limitada pela curva da TCO e a reta tracejada (TCO mínima ou endógena) representa o consumo de oxigênio durante o teste. A Figura 4 apresenta um respirograma típico obtido de um teste onde foi colocado cloreto de amônia. Semelhante as bactérias heterotrofias, a área limitada pela curva da TCO e a reta tracejada da o consumo de oxigênio para a oxidação de amônia para nitrato.
Os dados de Tabela 5 mostram os resultados médios dos testes respirométricos, quando foi usando o afluente equalizado como substrato. Na Tabela 5 estão apresentados os valores da concentração de bactérias heterotróficas (Xa), do consumo de oxigênio (Co) e da diferença entre a TCO máxima e a TCO endógena (TCOmax). A partir desses valores, calculou-se a taxa máxima de remoção do material orgânico (rmc) a constante de crescimento específico máximo (μmc) e a constante de utilização do material orgânico (Km). Os resultados indicam que a capacidade metabólica não depende da concentração de OD no reator: os valores das constantes μmc e Km não foram influenciados de forma significativa pela concentração de OD
Figura 3: respirograma típico da atividade metabólica heterotrófica – curva da TCO, após alimentação de uma batelada de lodo com afluente equalizado e 50 mg/l alil tio uréia.
Figura 4: respirograma típico da atividade metabólica autotrófica – curva daTCO após alimentação de uma batelada de lodo com cloreto de amônia.
Tabela 5 – Concentração de bactérias heterotróficas, consumo de oxigênio, TCO máxima e constantes cinéticas das bactérias heterotróficas presente nos reatores R1, R2 e R3 na alimentação com 100 mg/l DQO do afluente
Parâmetro Unidade R1 R2 R3
OD mgO2/l >3,0 1,5 a 2,5 0,5 a 1,5
Xa(calculado)
Co
TCOMax
mg/l mgO2/l mg/l/h
884 34 80
884 31 94
884 39 80 rmc
μmc
Km
mg/l/dia dia-1
mgDQO/mgXa/dia
240 2,93 6,5
282 3,44 7,6
240 2,93 6,5
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Tabela 6 - Concentração, de bactérias autotróficas, produção de nitrato nos reatores, TCO máxima e constantes cinéticas do lodo autotrófico presente nos reatores R1, R2 e R3 na alimentação com 5 mgN/l de NH4Cl.
Parâmetro Unidade R1 R2 R3
OD (mgO2/l) >3,0 1,5 a 2,5 0,5 a 1,5
Xn
NO3
TCOn,max
mg/l mgN/l mgO2/l/h
35 51,7
20
31 45,0
16
27 40,3
10 rmn
μmn (mg/l/dia)
dia-1
4,4 0,30
3,5 0,27
2,2 0,19
Os dados de Tabela 6 mostram os resultados médios dos testes respirométricos usando-se o cloreto de amônia como substrato das bactérias autotróficas. Os respirogramas eram gerados para os diferentes lodos, mantendo-se a mesma faixa de OD que havia nos reatores nos quais os lodos formam gerados. A partir desses dados, calculou-se a taxa máxima de remoção do material orgânico, rmc, e a constante de crescimento específico máximo, μmn. Diferentemente das bactérias heterotróficas, os dados mostram que a constante μmn dependia da concentração de OD mantida no reator: quanto mais a concentração de OD maior o valor da constate μmn.. Pode-se mostrar que a influência da concentração de OD pode ser expressa como uma relação de Monod. (STENSTRÖM E PODUSKA, 1980): a derivação da expressão (que esta fora do escopo central deste trabalho) leva a:
1 4 , 0
max.
= +
= +
OD OD K
OD OD
O mn
μ μ (Equação 8)
onde:
μmn e μmax são as constantes de crescimento específico e de crescimento específico máximo para uma determinada concentração de OD e para disponibilidade ilimitada de oxigênio respectivamente e,
KO é a constante de meia saturação de OD.
Conclui-se que a taxa de nitrificação depende da concentração de OD: para uma concentração de OD igual ao valor da constante de meia saturação (KO = 1 mg/l, Equação 8) a taxa de nitrificação é somente metade da taxa máxima num ambiente sem limitação de OD.
Sedimentabilidade de Lodo
Os resultados experimentais mostraram que a variação da concentração de OD teve muito pouca repercussão sobre a eficiência do tratamento e sobre as propriedades de lodo. O índice volumétrico de lodo, IVL, variou entre 30 a 34g/l, do reator R1 de maior concentração de OD (>3,0mg/l) para o reator R3 de menor concentração de OD (1mg/l). Geralmente considera-se um valor de IVL menor que 75ml/g como indicativo de uma excelente sedimentabilidade, 100ml/g para boa sedimentabilidade de maior que 150ml/g para lodo filamentoso. O valor de IVL de 30 a 34 ml/g indica que o lodo manteve excelente sedimentabilidade independente da concentração de OD que prevalecia no reator.
CONCLUSÕES
O respirômetro foi uma ferramenta muito útil para avaliar a concentração mínima de OD que pôde ser mantida nos reatores aerados, como também para determinar o balanço de massa no sistema e avaliar a capacidade metabólica dos lodos gerados nos sistemas com diferentes concentrações de OD.
Da investigação experimental, conclui-se que a redução de OD para um valor médio de 1mg/l (faixa de 0,5 a 1,5mg/l) não leva a uma diminuição da eficiência de remoção do material orgânico ou de amônia, de modo que a redução de OD não acarretaria a uma deterioração da qualidade do efluente.
Para a faixa de OD investigada, a capacidade metabólica e a taxa de crescimento máxima das bactérias heterotróficas não foram afetadas sistematicamente e significativamente.
23º Congresso Brasileiro de Engenharia Sanitária e Ambiental
A constante de crescimento máximo de Nitrossomonas é claramente influenciada pela concentração de OD, tendo-se estabelecido um valor de KO = 1mg/l para a constante de meia saturação, o que significa que a taxa de nitrificação se reduz pela metade quando OD = 1mg/l relativo ao valor que se obtém sem limitação de OD.
Todavia, mesmo com capacidade metabólica reduzida as bactérias autotróficas são capazes de reduzir a concentração de amônia para valores muito baixos (até OD = 1mg/l).
A sedimentabilidade do lodo, indicada pelo índice volumétrico de lodo, não foi afetada de forma mensurável pela redução da concentração de OD: o valor de IVL oscilou entre 30 e 34 ml/g para a faixa de OD de 1 a >
3mg/l.
A redução da concentração de OD no sistema de tratamento da CETREL poderia levar a uma redução bastante significativa dos custos operacionais sem afetar de maneira significativa à qualidade do efluente ou à estabilidade operacional do sistema de tratamento.
AGRADECIMENTOS
O desenvolvimento desse trabalho contou com a participação da CETREL (Empresa de Proteção Ambiental) e o apoio financeiro do programa CTPETRO através da FINEP.
REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS
1. AWWA/APHA/WEF. Standard Methods for the Examination of Water and Wastewater. 19th edition.
Washington, 1995.
2. HENZE M.; GRADY, C.P.L.; GUJER, W.; MARAIS, G.V.R. e MATSUO, T. (1986). Activated Sludge Model no.1. Scientific and Technical Reports No. 1, IAWPRC, London, Reino Unido.
3. MARAIS, G.V.R. e EKAMA, G.A. (1976).The Activated Sludge Process: Steady State Behaviour.
Water S.A., 2, 4, p63-200.
4. STENSTRÖM M.K e PODUSKA R.A. (1980): The Effect of Dissolved Oxygen Concentration on Nitrification. Water Research 14, 6 p645-650
5. VAN HAANDEL, A. e MARAIS, G.V.R. (1999). O Comportamento do Sistema de Lodo Ativado. Ed.
Epigraf – Campina Grande-Pb-Brasil., p488.
