22º Congresso Brasileiro de Engenharia Sanitária e Ambiental 14 a 19 de Setembro 2003 - Joinville - Santa Catarina
III-037 - TRATAMENTO ANAERÓBIO DE RESÍDUOS SÓLIDOS URBANOS E LODOS DE TANQUES SÉPTICOS UTILIZANDO REATOR EM FASE SEMI-SÓLIDA SEGUIDO DE REATOR ANAERÓBIO FLUXO ASCENDENTE COM MANTA DE LODO
Rafael de Oliveira Pinto(1)
Engenheiro de Alimentos Mestre em Engenharia Química e Doutorando em Engenharia Ambiental todos pela Universidade Federal de Santa Catarina.
Paulo Belli Filho
Engenheiro Sanitarista, Doutor. Professor do Depto de Engenharia Sanitária e Ambiental. UFSC
Hugo Moreira Soares
Engenheiro Químico, Doutor. Professor do Depto de Engenharia Química e Engenharia de Alimentos. UFSC
Nadja Rigoni Medeiros
Graduanda de Engenharia Sanitária e Ambiental. Bolsista de iniciação científica/UFSC. Dep. de Engenharia Sanitária e Ambiental.
William Gerson Matias
Engenheiro Sanitarista, Doutor. Professor do Depto de Engenharia Sanitária e Ambiental. UFSC
Engenheira Química. Mestranda em Engenharia Química da Universidade Federal de Santa Catarina.
Endereço(1): Departamento de Engenharia Sanitária e Ambiental – Campus Universitário – UFSC- Trindade. Florianópolis, SC, Brasil.CEP 88010-970. Telefone:0 (XX) (48) 331-9597 FAX: 0 (XX) (48) 331-9823. E-mail: rafa_oliveira@excite.com belli@ens.ufsc.br
RESUMO
A falta de um destino final adequado aos resíduos sólidos e lodos de tanques sépticos leva a necessidade de se desenvolver novas técnicas de tratamento. Entre estas técnicas encontra-se o tratamento anaeróbio. No entanto, a preencontra-sença nos resíduos orgânicos de compostos poliméricos de difícil degradação como a celulose e a lignina, interferem no bom
desempenho dos microrganismos anaeróbios. Por isso, a co-digestão dos resíduos sólidos orgânicos com outros tipos de resíduos como, por exemplo, lodo de esgoto podem otimizar o processo de tratamento. Além disso, existe o lixiviado produzido durante a decomposição dos resíduos sólidos que também necessita passar por um processo de tratamento. O
presente trabalho propõe a aplicação do processo de digestão anaeróbia para bioestabilizar resíduos sólidos orgânicos (RSO) em conjunto com lodos de tanques sépticos em um reator de batelada em fase semi-sólida. Foram realizados dois experimentos diferentes. No
primeiro experimento, o digestor RSO foi alimentado com resíduos sólidos orgânicos e lodo de tanque séptico na relação de 80:20 (v:v), havendo correção do pH do lixiviado retornado ao digestor para 6,5. No segundo experimento trabalhou-se em termos de massa de inóculo por massa de sólidos totais da mistura que era de 0,080 Kginóculo/KgStmistura e sem correção de pH. Em ambos os experimentos o lixiviado produzido foi tratado
separadamente em um reator UASB. Os resultados apontam para a viabilidade de uso do digestor de RSO em condições de temperatura ambiente, no entanto, a correção de pH parece ter um peso significante visto que a mineralização da matéria orgânica foi maior no primeiro experimento do que no segundo. Com respeito ao digestor UASB, resultados indicam sua eficiência para tratar o lixiviado proveniente do digestor de RSO desde que mantenha o devido controle no pH e na carga orgânica volumétrica a ser aplicada ao sistema de tratamento, cujo aumento deve ser gradual para que haja a adaptação dos microrganismos ao substrato. Os resultados operacionais do reator UASB, mostraram que este foi eficiente até uma carga de 8 kgDQO/m3.dia de lixiviado tratado.
PALAVRAS-CHAVE: Tratamento anaeróbio, lodo de tanque séptico, resíduos sólidos orgânicos.
Os problemas ambientais encontram-se cada vez mais complexos devido a carência de saneamento básico na maioria das cidades brasileiras. Entre estes problemas está a falta de manejo adequado dos resíduos sólidos orgânicos e dos lodos de tanques sépticos. De acordo com informações fornecidas pela Pesquisa Nacional de Saneamento Básico 2000, são produzidos diariamente no Brasil 125.281 toneladas de lixo domiciliar sendo que, em número de municípios, 63,6% utilizavam depósitos a céu aberto (lixões) e 32,2 % aterros (13,8% aterros sanitários e 18,4% aterros controlados) como seu destino final. A situação torna-se mais grave ao se verificar que muitos aterros denominados de controlados nada mais são do que lixões cobertos por terra e por isso apresentam os mesmos riscos que estes ao meio ambiente e consequentemente à população.
A Associação Brasileira de Normas Técnicas -ABNT-, através da NBR 10.004, define os resíduos sólidos como aqueles que se apresentam nos estados sólido e semi-sólido, que resultam de atividades da comunidade de origem: industrial, doméstica, hospitalar, comercial, agrícola, de serviços e de varrição. Ficam incluídos nesta definição os lodos provenientes de sistemas de tratamento de água, aqueles gerados em equipamentos e
instalações de controle de poluição, bem como determinados líquidos cujas particularidades tornem inviável o seu lançamento na rede pública de esgotos ou corpos de água, ou exijam para isso soluções técnica e economicamente inviáveis em face à melhor tecnologia disponível. Em particular, sobre os resíduos sólidos orgânicos, MATA-ALVAREZ et al. (2000) consideram a sua definição como algo impreciso, entendendo-se como tal o resíduo orgânico biodegradável com um teor de umidade entre 85 e 90%. Segundo informações destes autores, na Europa a produção diária de resíduos sólidos orgânicos municipais fica em torno de 400.000 toneladas e devido ao enorme impacto ambiental dos aterros
sanitários, muitos já estão sendo fechados na Europa. Deste modo, novos estudos vêm sendo realizados na área de tratamento de resíduos, principalmente o tratamento biológico. Entre os diversos tipos de tratamento biológico, destaca-se o tratamento anaeróbio devido a sua capacidade de reduzir o volume dos resíduos (facilitando a sua disposição final), estabilizar os mesmos, gerar um resíduo que pode ser usado para o condicionamento de solos e aproveitar o biogás produzido na forma de metano (Stroot et al., 2001). No entanto, várias características dificultam a digestão anaeróbia dos resíduos sólidos orgânicos, tais como, a presença de compostos poliméricos de difícil degradação como a celulose e a lignina. A co-digestão dos resíduos sólidos orgânicos com outros tipos de resíduos, podem otimizar o processo de tratamento. O uso de co-substrato melhora em muitos casos a
produção de biogás devido, entre outros fatores, ao efeito sinérgico estabelecido no meio de digestão e a melhoria no balanço de nutrientes. Às vezes o uso de co-substrato pode
também ajudar a estabelecer o conteúdo de umidade requerida para o processo de digestão (MATA-ALVAREZ et al. 2000). Um exemplo de co-digestão é a adição de lodo de esgoto aos resíduos sólidos orgânicos. Esta mistura tende a acelerar o processo de digestão devido ao fornecimento de nitrogênio e de inóculo.
Diversos estudos foram realizados com resíduo sólido orgânico a ser tratado e misturado com lodo de esgoto sanitário tendo como objetivo a melhoria no processo de
bioestabilização com diminuição no tempo necessário para o tratamento (BAERE et al.,1984; BRUMMELER et al., 1986; DI PALMA et al., 1999; EDELMANN et al., 1999). Os estudos referentes à proporção de lodo e lixo orgânico mostraram que proporções em
sólidos totais entre 5 e 20% de lodo no lixo orgânico promoveram valores de fator de conversão de matéria orgânica em gás entre 40 e 50%, o que é bastante relevante quando se verifica que uma das intenções de se adicionar lodo de esgoto, como no caso de aterros, é o de incrementar a produção de biogás e diminuir o tempo para o início de sua produção (CRAVEIRO, 1982). No processo de digestão seca denominado Biocel, desenvolvido por BRUMMELER et al. (1986), é feita uma mistura da fração orgânica de lixo urbano (moído em partículas menores que 12 mm) com lodo de esgoto em uma concentração de 35% de sólidos totais e digerido em um reator em batelada, levando 4 meses para a estabilização do material. DEMIREKLER e ANDERSON (1998), recomendam uma relação entre lodo primário e resíduo sólido orgânico municipal de 80:20 em sólidos totais.
Com relação ao lixiviado produzido, uma alternativa seria a recirculação de parte deste ao sistema de tratamento visando a aceleração do processo de biodigestão e o tratamento biológico da outra parte, visto que os métodos biológicos têm promovido boa eficiência para o tratamento do lixiviado proveniente dos aterros sanitários. Segundo Lin (2000), um sistema moderno de tratamento anaeróbio pode ter alta eficiência no tratamento e um baixo tempo de retenção hidráulica (TRH), como é o processo de um reator UASB (fluxo
ascendente com manta de lodo).
O presente trabalho teve como objetivo desenvolver um sistema de baixo custo para tratar anaerobiamente os resíduos sólidos orgânicos. Para isto, estudou-se um processo de
digestão anaeróbia capaz de bioestabilizar os resíduos sólidos orgânicos urbanos integrados com lodos de tanques sépticos (digestor RSO). O lixiviado deste digestor foi tratado em um reator anaeróbio de fluxo ascendente e manta de lodo também conhecido como UASB (Upflow Anaerobic Sludge Blanket). O efluente tratado no UASB era recirculado para o digestor RSO.
MATERIAIS E MÉTODOS Descrição das unidades pilotos
O digestor para resíduos sólidos orgânicos com lodo de tanque séptico foi construído em fibra de vidro podendo ser dividido em 3 partes (Figura 1). Uma parte superior com volume aproximado de 150 L ocupado pelo gás produzido durante o processo de bioestabilização, uma outra parte cilíndrica de 360 L preenchida pela massa semi-sólida constituída da mistura de resíduo sólido orgânico e lodo de tanque séptico e uma parte cônica de 59 L destinada a receber o lixiviado formado. Uma parcela deste lixiviado é retirado na parte inferior do reator e realimentado por cima e a outra parcela segue para tratamento em um reator de fluxo ascendente (UASB) sendo, após o tratamento, retornado ao digestor de RSO. O reator foi operado em condições de temperatura ambiente. Realizou-se duas bateladas diferentes. Na primeira batelada, trabalhou-se com uma relação RSO e lodo de 80:20 em volume. Nesta batelada retirou-se no 28o dia de operação todo o volume de lixiviado gerado no interior do reator para correção em pH 6,50. Este volume de lixiviado foi posteriormente retornado ao reator de RSO. As recirculações de lixiviado ao reator eram igualmente feitas com correção de pH para 6,5.
Na batelada seguinte, experimentou-se trabalhar em termos de fator de inóculo, ou seja, relação massa de inóculo por massa de sólidos totais da mistura. Foi usado nesta partida 110 Kg de resíduos sólidos orgânicos coletados no CEASA e 60 L de lodo de tanque séptico usado como inóculo. O volume total ocupado ficou em torno de 160 L. Para o volume de 60 L e concentração de lodo de 32 g/L, obteve-se uma massa de inóculo de 1,92Kg. Considerando uma umidade de 80% na massa de RSO, trabalhou-se com um fator de inóculo de 0,080Kg inóculo/Kg STmistura. Nesta batelada não foi realizada correção de pH do lixiviado.
Visando aumentar a área superficial de resíduo disponível para a ação dos microrganismos, trabalhou-se em ambos os experimentos com uma granulometria inferior a 50 mm. Sendo que no primeiro experimento os sólidos foram triturados manualmente por meio de facas o que acarretou partículas mais estruturadas e com volume, enquanto que no segundo
experimento usou-se um triturador mecânico que acabou gerando um substrato mais pastoso e compacto.
Figura 1. Digestor de lodo séptico e resíduos sólidos
orgânicos (RSO).
O reator UASB utilizado para essa pesquisa é de acrílico com um volume útil de 9,5 litros, com seis pontos de coleta de amostra ao longo do seu corpo. O reator foi operado na faixa dos 25 a 27°C, através de aquecimento interno com banho termostatizado. A produção diária de gás foi medida usando-se um gasômetro de cúpula flutuante. Dois frascos, um com palha de aço e o segundo com sílica gel foram adaptados antes do gasômetro para que fossem retidos o H2S (proveniente da digestão anaeróbia) e a umidade do biogás (Figura 2).
No primeiro experimento, o reator foi inoculado com lodo proveniente de reator UASB fornecido pela Companhia de Saneamento de Santa Catarina (CASAN).
No segundo experimento, a partida no UASB foi dada usando-se uma mistura de 1:1 de lodo granular de um reator UASB que trata efluentes de indústria cervejeira mais o lodo granular do próprio reator usado no experimento anterior formando um volume total inicial de 3 litros de lodo granular.
Análises fisico-químicas e biológicas
O resíduo sólido orgânico foi analisado através de seus teores de nitrogênio total, umidade a 65oC, matéria orgânica e resíduos minerais. Quanto ao lixiviado produzido, analisou-se sólidos totais, sólidos voláteis, alcalinidade total, pH, fósforo total, ácidos orgânicos voláteis, nitrogênio total, amônia e DQO. O reator UASB foi monitorado rotineiramente pelos parâmetros: pH, concentração de DQO, produção diária de biogás, e composição do biogás, nas condições estáveis de processo. As análises clássicas de amostras seguiram as recomendações indicadas no Standard Methods for Examination of Water and Wastewater. A composição do biogás produzido pelos reatores e a concentração dos ácidos orgânicos voláteis foram determinadas por cromatografia gasosa seguindo metodologia descrita por MONTENEGRO (2001) e MORAES et al (2000).
RESULTADOS
Digestor de resíduos sólidos orgânicos integrado com lodo de tanque séptico
A Tabela 1 apresenta as características dos resíduos sólidos/lodo orgânicos no início e ao término da biodigestão do primeiro experimento. Observa-se que houve uma redução de matéria orgânica (11,03 % para 6,9%) e por conseqüência a sua mineralização (2,58% para 17,58% de resíduos minerais).
Tabela 1. Composição físico-químico do resíduo sólido orgânico no primeiro experimento. Parâmetros (%)* Início Após 150 dias N total 0,03 0,35 P2O5 total 0,09 0,09 Umidade 65oC
86,00 75,50 Matéria orgânica 11,03 6,90 C/N 5,44 0,74 Resíduos minerais 2,58 17,58
*unidade % exceto para a relação C/N.
No entanto, pela Tabela 2, verifica-se que no segundo experimento a mineralização dos resíduos sólidos orgânicos/lodo não foi tão significativa quanto àquela obtida no primeiro experimento.
Tabela 2. Composição físico-química do resíduo sólido orgânico no segundo experimento. Parâmetros (%)* Início Após 144 dias Após 257dias N total 0,20 0,10 0,14
P2O5 total 0,07 0,008 0,04 Umidade 65oC 88,70 90,60 91,70 Matéria orgânica 9,23 7,29 6,61 Relação C/N 25,64 40,50 26,23 pH 3,75 4,70 4,73 Resíduos minerais 1,43 1,96 1,53
*unidade % exceto para pH e relação C/N.
Um dos motivos para o ocorrido pode estar no fato de que não eram realizadas correções do pH para o lixiviado retornado ao reator.
A figura 3 mostra os valores de pH obtidos no lixiviado retirado do reator RSO nos dois experimentos.
Figura 3. Valores de pH do lixiviado retirado do reator de RSO.
Quanto aos valores de DQO e do teor de sólidos do lixiviado na saída do reator (figuras 4 e 5), obteve-se uma redução da DQO na faixa de 65-69% e dos sólidos totais e voláteis a redução foi na faixa de 80% e 76-88%, respectivamente. Demonstrando que o tratamento do lixiviado no UASB antes de seu retorno ao reator de RSO é eficiente.
Figura 4. Variação das concentrações de DQO do lixiviado.
Figura 5. Variação da concentração de sólidos totais e voláteis do lixiviado.
Reator UASB
Os resultados referentes à adição do lixiviado no reator UASB durante o primeiro experimento são apresentados na Figura 6. A DQO do lixiviado para a alimentação do UASB variou de 2,80 a 38,70 gDQO/L. O reator conferiu uma boa eficiência de remoção de DQO no primeiro mês de operação ficando ao redor de 90%.
Figura 6. Evolução dos parâmetros de controle do reator UASB (1o experimento).
No 129o dia de operação houve uma alteração na alimentação do reator onde a sua concentração de DQO subiu de 19,00 para 38,67 g DQO/L, ocorrendo assim uma certa instabilidade no reator devido às altas concentrações de DQO aplicada no sistema.
A alimentação direta do lixiviado no reator UASB sem qualquer tipo de diluição ou acerto de pH se iniciou a partir do 178° dia de operação onde se pode verificar uma queda
acentuada do pH na alimentação do reator que após 20 dias de alimentação operando o reator desta forma, provocou uma instabilidade no processo influenciando assim todos os parâmetros de controle do mesmo.
No 179° dia de operação houve uma queda na remoção da DQO, caindo de 82 para 45% de remoção, devido provavelmente ao aumento na carga orgânica volumétrica aplicada no reator.
No segundo experimento, o reator UASB foi alimentado com substrato preparado através da diluição de lixiviado da primeira batelada a uma concentração em torno de 10 gDQO/L e carga de 2 gDQO/l.dia. A partir do 75º dia de operação passou-se utilizar o lixiviado gerado no digestor de RSO para esta finalidade. O reator seguiu um plano de aumento gradual de carga de acordo com a sua eficiência de remoção de DQO, atingindo a carga de 8
gDQO/L.dia no 277º dia de operação. Ao contrário do primeiro experimento, trabalhou-se mantendo a concentração de alimentação em torno de 10 gDQO/L e o controle de
temperatura só começou a ser feito nos primeiros dias de inverno.
Durante este experimento (figura 7) foram observadas flutuações na eficiência de remoção de DQO que podem ser relacionadas principalmente a quedas bruscas na temperatura ambiente. No 123º, por exemplo, é apresentado uma eficiência de remoção de 57,6%, neste dia foi registrado uma temperatura mínima de 9ºC, temperatura esta capaz de afetar a atividade das bactérias metanogenicas. Este foi o período mais crítico de operação pelo fato do reator estar operando sem controle de temperatura. A partir daí foi determinado trabalhar com banho mantendo a temperatura mínima do reator acima de 20ºC.
Figura 7. Evolução dos parâmetros de controle do reator UASB (2o experimento).
Pela tabela 4 observa-se que o UASB vem sendo capaz de remover não só o ácido acético, que é o preferencial dos microrganismos, mas também o propiônico, butírico, isobutírico e valérico, que chegam a não ser detectados na análise cromatográfica.
Tabela 4. Concentração de ácidos orgânicos voláteis na entrada e saída do reator UASB. Data
Ácido acético (mg/L) Ácido propiônico (mg/L) Ácido isobutírico (mg/L) Ácido butírico (mg/L) Ácido valérico (mg/L) Ácido isovalérico (mg/L) Entrada Saída Entrada Saída Entrada Saída Entrada Saída Entrada Saída Entrada Saída 26/04/02 77 1140 667 146
33 24 - 708 - 59 - 13 - 30/04/02 81 1954 530 1284 36 24 - 4117 - 161 - 17 - 08/05/02
89 5035 755 1515 37 30 113 3862 25 156 7 15 - 10/05/02 91 572 498 1146 37 26 - 3714 -
168 - 20 - 13/05/02 94 1735 700 1253 56 26 - 3579 71 158 7 18 - 02/07/02 143 4732 1806 1283 895
80 89 353 188 224 195 297 298 28/08/02 200 4218 1480 1775 - 116 - 521 - 298 - 301 - 18/09/02
221 4317 859 1048 118 95 - 1057 - 339 - 332 - 18/10/02 251 3918 2546 869 189 63 - 606 133 482
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De forma geral, os resultados indicam que o reator UASB é eficiente para tratar o lixiviado proveniente do digestor de RSO desde que mantenha o devido controle no pH e na carga orgânica volumétrica a ser aplicada ao sistema de tratamento cujo aumento deve ser gradual para que haja a adaptação dos microrganismos ao substrato. O percentual de metano no biogás ficou em torno de 84,5%.
CONCLUSÕES
Os resultados apontam para a possibilidade de se trabalhar com o digestor anaeróbio para tratar resíduos sólidos orgênicos integrados com lodos de tanques sépticos. em condições de temperatura ambiente. no entanto, a correção de pH do lixiviado a ser recirculado é um fator importante para o processo adequado de biodigestão.
O reator UASB mostrou-se adequado para o tratamento de lixiviado de digestor anaeróbio que trata residuos solidos orgânicos com lodos. Pode – se obter eficiências da ordem de 80% de remoção de DQO para uma carga orgânica volumétrica de 8 kg DQO/m3.d. Este reator deve ser operador com temperatura superior a 20° C para obtenção desta eficiência.
AGRADECIMENTOS
Os autores agradecem à FINEP e ao CNPq pelo financiamento desta pesquisa, que integra – se ao PROSAB – Programa Nacional de Pesquisa em Saneamento Básico.
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