II-069 COMPORTAMENTO DE REATOR ANAERÓBIO DE LEITO FLUIDIZADO INVERSO SUBMETIDO A CRESCENTES CARGAS ORGÂNICAS

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VI Simpósio Ítalo Brasileiro de Engenharia Sanitária e Ambiental

II-069 – COMPORTAMENTO DE REATOR ANAERÓBIO DE LEITO

FLUIDIZADO INVERSO SUBMETIDO A CRESCENTES CARGAS

ORGÂNICAS

Heloisa Reetz da Rosa(1)

Engenheira Civil pela Escola de Engenharia da Universidade Federal do Rio Grande do Sul – UFRGS - e mestranda do Programa de Pós Graduação em Recursos Hídricos e Saneamento Ambiental do Instituto de Pesquisas Hidráulicas – UFRGS.

Luiz Olinto Monteggia

Engenheiro Civil - Mecânico pela Escola de Engenharia da Universidade Federal do Rio Grande do Sul – UFRGS - Mestre em Recursos Hídricos e Saneamento Ambiental pelo IPH-UFRGS. Doutor em Engenharia do Meio Ambiente pela Universidade de New Castle. Professor adjunto do IPH-UFRGS.

Endereço(1)_{: Rua Ten. Ary Tarragô, 154 – Bairro C. A. Borges, Porto Alegre – RS - CEP: 91510-390 - Brasil}

- Tel: +55 (51) 3339-0066 - Fax: +55 (51) 3316-7292 - e-mail: [email protected] RESUMO

Reatores anaeróbios de leito expandido/fluidizado são sistemas de tratamento que utilizam o princípio da fluidização para promover adequada transferência de massa entre o líquido a ser tratado e os microrganismos que atuarão na degradação da matéria orgânica. Nesse processo a biomassa cresce aderida a suportes de pequeno tamanho e formam biofilmes delgados. Com a retenção dos microrganismos dentro do reator consegue-se desmembrar o tempo de detenção hidráulica do tempo de retenção celular. Essa característica permite que a elaboração do projeto seja baseada na capacidade degradativa dos microrganismos anaeróbios e não na sua taxa de crescimento, além de dispensar o uso de qualquer sistema para recirculação de biomassa. O caso específico em que a fluidização do leito suporte ocorre devido ao fluxo descendente do líquido é denominado de fluidização inversa. Com o propósito de conhecer o comportamento desse tipo de reator aplicado para o tratamento anaeróbio de esgotos foram montados dois reatores anaeróbios de leito fluidizado inverso em regime contínuo não permanente. O objetivo principal do presente trabalho foi avaliar o desempenho dos mesmos quando submetidos a diferentes cargas orgânicas e vazões de recirculação. Para a alimentação dos mesmos foi utilizado afluente sintético a base de sacarose, dosado a 1,46 L/h, resultando em tempo de detenção hidráulica de 24 horas. A temperatura foi mantida em 35 °C. Como material suporte foram utilizadas partículas cilíndricas de polipropileno, de densidade aparente igual a 0,9 e granulometria uniforme, em torno de 3,5 mm. Foram selecionados seis valores de carga orgânica, sendo cada um mantido pelo período de aproximadamente 30 dias. De acordo com os dados obtidos pôde-se perceber que com o aumento gradual da carga orgânica, de 3 a 15 kg.DQO/m3_{.dia, a eficiência máxima observada ao longo do período experimental}

foi atingida para a carga orgânica em torno de 4,5 kg.DQO/m3_{.dia., superior a 90 % em ambos reatores.}

Valores mais elevados de carga orgânica resultaram em decréscimo progressivo da respectiva eficiência. Observou-se que decréscimos de eficiência foram devidos principalmente ao acúmulo de elevadas concentrações de ácidos graxos voláteis. Entretanto o processo apresentou elevada estabilidade operacional, indicada principalmente pela baixa variabilidade do pH do efluente e geração de alcalinidade pelo sistema ao longo do estudo.

PALAVRAS-CHAVE: Reator Anaeróbio de Leito Fluidizado Inverso, Tratamento de Efluentes, Reatores Anaeróbios de Alta Taxa, Material Suporte.

INTRODUÇÃO

A partir do momento em que um determinado resíduo orgânico é gerado e lançado ao ambiente, inicia-se o processo de degradação deste resíduo através da ação de microrganismos presentes no meio. No entanto, este processo natural de degradação é lento e não comporta a grande quantidade de resíduos gerada atualmente nas grandes cidades e centros industriais. Portanto, por questões ambientais e de saúde pública, os resíduos líquidos industrias e municipais devem ser adequadamente tratados antes de serem lançados nos cursos d’água, evitando-se a contaminação do ambiente e suas consequências. Efluentes industriais contendo grande

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concentração de matéria orgânica solúvel são frequentemente atrativos como substrato para tratamento anaeróbio, devido a sua alta produção de metano [Borja et al, 1993].

Ao final dos anos 70 o desenvolvimento de reatores de leito expandido/fluidizado trouxe nova perspectiva para a utilização dos sistemas anaeróbios. Com a retenção da biomassa aderida em material suporte pôde-se desvincular o tempo de retenção hidráulica do tempo de retenção celular, permitindo que o tempo de retenção hidráulica pudesse ser reduzido de alguns dias para algumas horas [Hickey et al, 1991].

Biorreator anaeróbio de leito fluidizado consiste em um sistema biológico no qual pequenas partículas fluidizadas são utilizadas para imobilizar a biomassa dentro do reator, resultando em alta concentração de microrganismos e possibilitando operação do sistema de forma mais contínua do que outros sistemas de leito móvel e com insignificante perda de biomassa [Setiadi, 1995]. Esse sistema ganhou considerável atenção nas últimas décadas, embora a maioria deles tenha sido operado apenas em escala de laboratório e piloto.

Dentre as vantagens apresentadas pelos reatores anaeróbios de leito fluidizado pode-se citar: grande área superficial disponível para a adesão de microrganismos; alta concentração de biomassa e longo período de residência celular; excelentes características de transferência de massa; e volume compacto devido a aplicação de alta taxa de carga orgânica. O sistema também apresenta algumas desvantagens, principalmente quanto aos custos energéticos para promover a fluidização e para a aquisição do material suporte, além de o mesmo não ser adequado para efluentes com alta concentração de sólidos suspensos.

No sistema de leito fluidizado inverso as partículas são mais leves e, devido a sua menor inércia, o resultado é um movimento mais intenso. Se por um lado isto poderia provocar a diminuição da taxa de transferência de substrato através do biofilme, por outro aumentam as colisões entre partículas intensificando a transferência de massa [Nikov e Karamanev, 1991].

No sentido de utilizar esse sistema para o tratamento de efluentes industriais e domésticos, ainda existem muitas dúvidas quanto ao seu desempenho. Neste sentido, procurou-se analisar o comportamento de reatores anaeróbios de leito fluidizado inverso no que se refere a parâmetros de projeto, tais como: carga orgânica, tempo de detenção hidráulica e vazão de recirculação. Com esse estudo pretende-se, portanto, disponibilizar informações que venham a contribuir para tornar possível a aplicação desta modalidade de tratamento na depuração de águas residuárias domésticas e industriais em escala real

REATORES ANAERÓBIOS DE LEITO EXPANDIDO/FLUIDIZADO

As vantagens gerais dos reatores de leito fluidizado foram primeiro identificadas para a oxidação do carbono por via aeróbia e denitrificação. Em meados dos anos 70 surgiu a idéia de que os sistemas de leito fluidizado poderiam ser utilizados e muito bem aceitos para o tratamento de efluentes por via anaeróbia [Enger e Heijnen, 1988]. Até meados dos anos 80 os sistemas de leito fluidizado foram construídos apenas em escala piloto e laboratório, ao contrario do que aconteceu com outros sistemas de tratamento anaeróbio de alta taxa [Heijnen et al, 1989].

Reatores anaeróbios de leito expandido/fluidizado são sistemas de tratamento que utilizam o princípio da fluidização para promover adequada transferência de massa entre o líquido a ser tratado e os microrganismos que atuarão na degradação da matéria orgânica. Nesse processo a biomassa cresce aderida a suportes de pequeno tamanho e formam biofilmes de pouca espessura. O uso de partículas muito finas garante área superficial elevada e permite o emprego de tempos de detenção hidráulicos reduzidos.

Ao selecionar o material suporte para o empacotamento de reatores anaeróbios de leito fluidizado devem ser observadas as características físicas do mesmo, sendo as mais importantes: tamanho, forma, densidade, dureza, rugosidade e área superficial [Marín et al, 1999].

Para ocorrer a fluidização é necessária elevada velocidade de escoamento do líquido através do leito, a qual é conseguida através da recirculação do efluente. Devido as altas taxas de recirculação requeridas para a fluidização os reatores de leito fluidizado operam em regime de mistura completa [Kennedy e Droste, 1991], favorecendo condições excelentes de transferência de massa e permitindo ampla cobertura de concentrações. Em reatores anaeróbios de leito fluidizado convencional as cargas orgânicas comumente utilizadas variam de

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30 a 60 kgDQO/m3_{.dia, em relação ao volume útil do reator, ocupado pelo material suporte [Iza, 1991]. Esse}

sistema parece ser um dos mais eficientes para o tratamento de águas residuárias [Steyer et al, 1999].

Um dos mais importante aspectos dos reatores anaeróbios de leito fluidizado é a formação do biofilme. A composição do esgoto e a velocidade superficial do líquido são determinantes para a diversidade microbiana, concentração de biomassa e consequentemente, densidade e espessura do biofilme [Castilla et al, 2000]. Como as bactérias que atuam na digestão anaeróbia se aderem às partículas do leito suporte e modificam seu comportamento hidrodinâmico, é necessário ajustar a recirculação a expansão adequada [Blanco et al, 1995]. A expansão do leito ocorre devido ao aumento da velocidade superficial e o crescimento biológico [Turan e Ozturk,1996].

Por se tratar de um sistema biológico ocorre a contínua formação de biofilme. Se não houver um controle de seu crescimento, o mesmo pode se tornar muito espesso. Biofilmes espessos não são tão bem aderidos ao meio suporte quanto os mais delgados e colisões entre partículas pode levar ao desprendimento de grandes porções de biofilme, que formarão grânulos ou serão levados junto com o efluente para fora do reator comprometendo o seu desempenho. Quando o biofilme se forma de maneira não homogênea, as partículas passam a ter diferentes propriedades físicas (volume, densidade) e diferentes propriedades de fluidização (velocidade terminal, velocidade mínima). Essas diferenças podem provocar a segregação do leito. Normalmente leitos tendem a segregar com partículas mais densas no fundo e mais leves no topo. Essas diferenças produzem fluidização não homogênea, podendo causar arraste de partículas se a velocidade do escoamento for muito elevada ou compactação do leito e áreas estagnadas se a velocidade de escoamento for muito baixa. Nenhuma dessas situações é desejável do ponto de vista operacional [Iza, 1991].

MATERIAIS E MÉTODOS:

SELEÇÃO E CARACTERIZAÇÃO DO MATERIAL SUPORTE:

A escolha do material suporte é um dos itens mais importantes para o projeto de reatores com filme aderido. Para o bom desempenho do sistema procurou-se observar as seguintes características para a seleção do material suporte: • • • • • •

Pequeno tamanho, para maximizar a área disponível para a adesão de microrganismos;

Elevado coeficiente de uniformidade, para evitar a estratificação do meio e melhorar as características de mistura;

Presença de rugosidade superficial, para melhorar a adesão de microrganismos; Massa específica inferior a da água, para tornar possível a fluidização inversa; Estabilidade química e física;

Disponibilidade e baixo custo.

Com base nestas premissas foi escolhido o Polipropileno (PP) na forma de partículas estrudadas da OPP Petroquímica. O PP apresenta uniformidade granulométrica, e forma aproximadamente cilíndrica. As suas características físicas podem ser observadas na tabela 1.

Tabela 1: Características do polipropileno.

Característica Valor

Diâmetro [mm] 3,5

Densidade aparente 0,9

Densidade “bulk” 0,5

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VI Simpósio Ítalo Brasileiro de Engenharia Sanitária e Ambiental MONTAGEM EXPERIMENTAL:

O experimento constituiu na montagem de dois reatores de forma cilíndrica, os quais foram construídos em acrílico de acordo com o desenho esquemático representado na figura 1. O diâmetro interno foi de 0,15 m e a altura 2,0 m, resultando em volume total de 35 litros para cada reator. A operação de ambos ocorreu de forma paralela. Garrafa de Drashoff Controle de nível Clarificado (Efluente) Difusor Aquecimento e equalização T= 35 o_C Bomba de recirculação (centrífuga) Saída de gás Medidor de vazão de gás Bomba de alimentação ( peristáltica ) Solução Sintética T = 4°C

Figura 1. Diagrama esquemático do sistema de leito fluidizado anaeróbio inverso montado experimentalmente.

Cada reator foi recheado com 4700 g de partículas de PP, resultando em 47 cm de leito em repouso. Cada um deles foi inoculado com lodo proveniente de reator UASB durante a etapa de partida, a qual foi desenvolvida previamente e o desenvolvimento do biofilme resultou em aumento da altura do leito suporte para 72 cm, também medido sem recirculação.

A recirculação do efluente foi realizada através de bomba centrífuga com potência igual a 0,5 c.v. conectada a um inversor de freqüência para controle da vazão. O difusor de líquido foi composto por uma placa perfurada removível colocada no topo da coluna, permitindo a distribuição uniforme por toda a seção transversal. A temperatura foi mantida em 35 ± 0,5 o_{C através de resistência elétrica de 500 W controlada por termostato}

digital Fullgauge, modelo MT511R. O aquecimento foi feito dentro do tanque de equalização e, devido a recirculação e características de mistura completa, foi possível manter a temperatura em todo o sistema praticamente constante.

O afluente sintético foi preparado com sacarose e nutrientes adequadamente dissolvidos em água da rede, resultando em solução isenta de sólidos em suspensão. O afluente sintético foi mantido sob refrigeração a temperatura de 4°C e dosado com o auxílio de bomba peristáltica Watson Marlow, modelo 101U a 1,46 L/h, resultando em tempo de detenção hidráulico de 24 horas. O alimento sintético, a base de sacarose, foi conduzido ao tanque de equalização para mistura prévia com o efluente recirculado.

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VI Simpósio Ítalo Brasileiro de Engenharia Sanitária e Ambiental TAXA DE RECIRCULAÇÃO

A razão de recirculação é dada pela relação entre a vazão recirculada e a vazão de alimentação. Os inversores de frequência conectados às bombas de recirculação permitiram relacionar a frequência de rotação da bomba com a vazão recirculada.

Como desejava-se avaliar o efeito da velocidade de passagem do liquido através do leito foram selecionadas duas vazões de recirculação. Para o reator A aplicou-se vazão de recirculação igual a 4,05 L/min e para o B 17,22 L/min, resultando em velocidades superficiais de 13,75 m/h e 58,50 m/h respectivamente. A taxa de recirculação foi de aproximadamente 167 vezes para A e 715 vezes para B. Com valores bastante altos pode-se considerar que os reatores operaram em regime de mistura completa. As caraterísticas hidráulicas de operação dos reatores estão mostradas na tabela 2.

Tabela 2: Características hidráulicas dos reatores A e B.

Característica Reator Α Reator Β

Vazão de recirculação [L.min-1_{] 4,05}_17,22

Velocidade superficial [m.h-1_{] 13,75}_58,50

Taxa de recirculação [passagens] 167 715

Tempo de retenção hidráulico [h] 24 24

Volume do leito [L] 19 24

PARÂMETROS DE CONTROLE E AVALIAÇÃO DO PROCESSO:

A estabilidade operacional do sistema foi controlada através das análises de pH, alcalinidade e ácidos graxos presentes no efluente. A eficiência do processo foi avaliada pela medida de remoção da matéria orgânica, indicada pelos valores de DQO de entrada e saída do reator. Análises de sólidos voláteis foram feitas no sentido de estimar a perda de biomassa. As análises de alcalinidade, sólidos e DQO foram realizadas de acordo com as especificações dadas pelo Standard Methods (APHA, 1995). A carga orgânica foi calculada em relação ao volume total do reator.

RESULTADOS E DISCUSSÃO

Os reatores foram operados durante 8 meses em regime contínuo. Cada etapa foi caracterizada pela carga orgânica aplicada, sendo para cada uma com duração de aproximadamente 30 dias. Durante este período os mesmos se mostraram adequados operacionalmente e foram obtidas remoções de matéria orgânica bastante elevadas. Na tabela 3 estão os resultados obtidos para cada etapa experimental.

Tabela 3: Quadro resumo dos resultados obtidos durante todas as etapas experimentais.

Carga orgânica (kg.DQO.m-3_.dia-1_{) Eficiência}_(%)

Etapa Reator

Máxima Mínima Média Máxima Mínima Média A 3,59 3,13 3,34 94,59 78,38 85,53 1 _{B 3,83 3,16 3,43 92,86 73,17 80,66} A 4,79 4,41 4,53 96,67 87,50 92,83 2 B 4,57 4,25 4,45 92,59 82,76 88,28 A 7,50 6,72 7,17 85,42 74,00 80,88 3 _{B 7,46 6,65 7,13 81,82 70,41 76,86} A 11,15 10,27 10,67 76,11 64,54 68,15 4 B 10,99 10,17 10,52 65,25 59,38 61,47 A 12,70 12,01 12,39 77,85 45,45 60,86 5 _B_{12,74 12,05 12,31 70,63 41,06 56,02} A 14,51 14,02 14,15 44,89 39,43 41,33 6 B 14,75 13,99 14,40 42,70 35,59 39,88 Observando-se os resultados obtidos percebe-se a melhor eficiência para cargas orgânicas em torno de 4,5 kg.DQO.m-3_.dia-1_{, onde foram conseguidas eficiências superiores a 90%. Na etapa 5, onde foram aplicadas}

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15 dias de operação com a correspondente carga orgânica. A figura 2 mostra o desempenho dos reatores ao longo do experimento quanto as cargas orgânicas aplicadas e as eficiências obtidas.

25 35 45 55 65 75 85 95 105 3 5 7 9 11 13 15 1

Carga Orgânica (kgDQO.m-3_.dia-1₎

E fic iê n c ia ( % ) Reator A Reator B 7

Figura 2 : Eficiência na operação para todas as cargas orgânicas aplicadas.

A figura 3 mostra a concentração de ácido acético para as cargas orgânicas aplicadas. Observando-se o desenvolvimento dos resultados percebe-se que para a carga orgânica em torno de 12,3 kg.DQO.m-3_.dia-1

houve aumento brusco de concentração de ácido acético, justificando a queda de eficiência comentada anteriormente. A redução de eficiência se deveu ao acúmulo de ácido acético em excesso no sistema.

Figura 3: Concentração de ácido acético ao longo do período experimental.

0 500 1000 1500 2000 2500 3000 2 4 6 8 10 12 14 16

Carga Orgânica (kgDQO.m-3_.dia-1₎

Á ci do A cé ti co ( m g. L -1) Reator A Reator B

O percentual médio dos diversos tipos de ácidos produzidos está representado na figura 4, onde pode-se perceber que a presença de acido acético é bastante elevada em relação aos demais. Entretanto, de acordo com o que pode ser observado na figura 5, o aumento da concentração de ácido acético não provocou o azedamento dos reatores, visto que o pH se manteve praticamente constante, em torno da neutralidade. No Entanto a melhor estabilidade foi obtida pelo reator A.

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VI Simpósio Ítalo Brasileiro de Engenharia Sanitária e Ambiental 0% 20% 40% 60% 80% 100% 1 2 3 4 5 6 Etapa Experimental Reator A

Acético Propiônico Outros

0% 20% 40% 60% 80% 100% 1 2 3 4 5 6 Etapa Experimental Reator B

Acético Propiônico Outros

Figura 4: Percentual de ácidos presentes nos reatores.

8 9 5 6 7 2 4 6 8 10 12 14 16

Carga orgânica (kgDQO/m3_.dia)

pH

Reator A Reator B

Figura 5: pH do efluente dos reatores.

A alcalinidade do efluente apresentou variações ao longo do período de operação, como pode ser observado nas figuras 6 e 7, respectivamente para os reatores A e B. Entretanto percebe-se a tendência ao aumento da alcalinidade conforme vai-se aumentando a carga orgânica aplicada. Isso se deve principalmente a adição de bicarbonato de sódio ao esgoto sintético. Para ambos reatores nota-se que para cargas orgânicas menores ocorre aumento de alcalinidade, enquanto que para cargas orgânicas maiores a alcalinidade adicionada é em parte consumida para neutralizar os ácidos produzidos em excesso.

500 1.500 2.500 3.500 4.500 5.500 6.500 2 4 6 8 10 12 14 16

Carga orgânica (kgDQO.m-3_.dia-1₎

A lc a lin id a d e ( m g C a C O3. L -1) Afluente Efluente

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Figura 7: Alcalinidade afluente e efluente do Reator B.

O desprendimento de biomassa pode ser estimado através da presença de sólidos voláteis no efluente. Como pode ser observado na figura 8, o reator B apresenta concentrações de sólidos voláteis superiores aos obtidos para o reator A na maioria das análises realizadas. Este resultado demonstra que a velocidade de passagem do líquido influencia na perda de biomassa aderida e provavelmente na espessura do biofilme. A figura 9 mostra os reatores em operação. 500 1.500 2.500 3.500 4.500 5.500 6.500 2 4 6 8 10 12 14 16

A lc a li ni da de ( m gC a C O3. L -1) Afluente Efluente 0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000 8000 3 5 7 9 11 13 15 1

S ó lid o s v o lá te is t o ta is ( m g .L -1) Reator A Reator B 7

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Figura 9: Fotografia dos reatores em operação.

O volume de biogás produzido foi medido através de medidor baseado no princípio de Hyde, o qual foi desenvolvido no Instituto de Pesquisas Hidráulicas da Universidade Federal do Rio Grande do Sul. Este aparelho ainda se encontra em fase de testes e o mesmo foi calibrado utilizando-se um volume conhecido de água introduzida em uma coluna de gás. Enquanto a água era introduzida na coluna o ar contido na mesma era introduzido no medidor. A quantidade mostrada no contador relacionada com o volume introduzido permitiu a estimativa de volume de gás produzido. Infelizmente o monitoramento da produção de biogás só foi possível a partir do 210º_{dia de operação, correspondente a meados da etapa 5. A figura 10 mostra a quantidade de gás}

produzido durante o período em que o mesmo foi monitorado.

0 1 2 3 4 5 6 210 215 220 225 230 235 240 245 250

Tempo de operação (dias)

V o lu m e de bi og á s a 3 5 ºC (L ) Reator A Reator B

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VI Simpósio Ítalo Brasileiro de Engenharia Sanitária e Ambiental CONCLUSÕES

Observando-se o comportamento do reator ao longo do tempo de operação e com base nos resultados obtidos pode-se concluir que:

• Os reatores anaeróbios de leito fluidizado inverso são adequados ao tratamento de efluentes industriais alcançando eficiências superiores a 90% para cargas orgânicas até 5 kgDQO.m-3_.dia-1

• Ao se comparar as eficiências em relação as velocidades superficiais aplicadas nota-se que para a velocidade maior ocorre menor remoção de carga orgânica, maior perda de biomassa e o sistema parece ser menos estável.

• Apesar da redução de eficiência observada entre ambos reatores para mesma carga orgânica, pode-se considerar que a mesma foi pequena em relação a magnitude da diferença entre as velocidades superficiais, o que indica que os reatores anaeróbios de leito fluidizado inverso podem ser operados com taxas de recirculação bastante elevadas.

• Com relação a paradas de sistema com a finalidade de manutenção periódica, não foram observados decréscimos de eficiência momentâneos, nem problemas operacionais devido a falta de recirculação.

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