Fernanda Aparecida Veronez. Dissertação de Mestrado em Engenharia Ambiental

Desempenho de um Reator UASB Tratando Esgoto

Sanitário e Realizando Concomitantemente o

Adensamento e a Digestão do Lodo de Descarte de

Biofiltros Aerados Submersos

Fernanda Aparecida Veronez

Dissertação de Mestrado em Engenharia Ambiental

Programa de Pós-Graduação em Engenharia Ambiental

Universidade Federal do Espírito Santo

FERNANDA APARECIDA VERONEZ

Desempenho de um Reator UASB Tratando Esgoto

Sanitário e Realizando Concomitantemente o

Adensamento e a Digestão do Lodo de Descarte de

Biofiltros Aerados Submersos

Dissertação apresentada ao Programa

Pós-Graduação em Engenharia Ambiental

da Universidade Federal do Espírito

Santo, como requisito parcial para

obtenção do grau de mestre em

Engenharia Ambiental.

Orientador: Prof. Dr. Ricardo Franci

Gonçalves.

Dados Internacionais de Catalogação-na-publicação (CIP)

(Biblioteca Central da Universidade Federal do Espírito Santo, ES, Brasil)

Veronez, Fernanda Aparecida, 1973 -

V549d Desempenho de um reator UASB tratando esgoto sanitário e realizando concomitantemente o adensamento e a digestão do lodo de descarte de biofiltros aerados submersos / Fernanda Aparecida Veronez. – 2001.

151 f. : il.

Orientador: Ricardo Franci Gonçalves.

Dissertação (mestrado) – Universidade Federal do Espírito Santo, Centro Tecnológico.

1. Lodo. 2. Biogás. 3. Digestão anaeróbica. 4. Esgotos. I. Gonçalves, Ricardo Franci. II. Universidade Federal do Espírito Santo. Centro Tecnológico. III. Título.

Agradecimentos

A Deus;

Aos meus pais Valdir e Leida;

Ao meu marido Eduardo, pelo apoio e por ter entendido os momentos de ausência durante a confecção desta dissertação;

Ao orientador Ricardo, que, apesar de sempre comprometido com muitas coisas e pessoas, sempre teve um tempo para auxiliar na solução dos problemas;

Aos Professores Regina Keller e Servio Tulio, pelas sugestões; Ao colega Élcio, pelo apoio nas análises estatísticas;

Aos amigos de turma, Fabiana, Claudia, Vergínia, Elaine, Tércio, Dany e Heloísa (Mamy) pela força compartilhada durante a confecção dos nossos trabalhos;

A Fabrícia Fafá que me aturou durante todo o tempo;

Aos amigos do projeto “metanogênese”, Letícia, Carol, Ana Lycia e Tércio Abreu; A todos do LABSAN, pela disposição em ajudar no que fosse possível;

“Um pouco de ciência afasta-nos de Deus Muita ciência nos leva a Ele”. Joubert

Resumo

Esta pesquisa apresenta resultados da avaliação do desempenho de um reator UASB no tratamento de esgoto sanitário bem como no adensamento e na digestão do lodo de descarte de quatro biofiltros aerados submersos de diferentes leitos filtrantes. Os trabalhos, que tiveram duração de 1 ano, foram desenvolvidos na estação experimental de tratamento de esgoto da Universidade Federal do Espírito Santo, projetada para uma população de 1000 habitantes. O esgoto bruto, proveniente do bairro de Jardim da Penha, predominantemente residencial, de classe-média, situado próximo ao campus universitário, apresentou características médias de 152mg/l(SST), 409mgO2/l(DQO) e 197mgO2/l(DQOfiltrada). O reator UASB se mostrou eficiente no tratamento de esgoto sanitário, quando submetido a um TDHmédio de 7horas, produzindo um efluente com características médias de 52mg/l(SST), 161mgO2/l(DQO) e 95mgO2/l(DQOfiltrada). O efluente tratado pela associação UASB + biofiltros apresentou concentrações médias de 28mg/l(SST), 82mgO2/l(DQO) e 54mgO2/l(DQOfiltrada) para o biofiltro 1; 26mg/l(SST), 88mgO2/l(DQO) e 57mgO2/l(DQOfiltrada) para o biofiltro 2; 26mg/l(SST), 85mgO2/l(DQO) e 59mgO2/l(DQOfiltrada) para o biofiltro 3 e de 21mg/l(SST), 64mgO2/l(DQO) e 47mgO2/l(DQOfiltrada) para o biofiltro 4. As eficiências médias globais correspondentes foram de 82%(SST), 80%(DQO) e 73%(DQOfiltrada) para UASB + biofiltro 1; 83%(SST), 78%(DQO) e 71%(DQOfiltrada) para UASB + biofiltro 2; 83%(SST), 79%(DQO) e 70%(DQOfiltrada) para UASB + biofiltro 3 e de 86%(SST), 84%(DQO) e 76%(DQOfiltrada) para UASB + biofiltro 3 + biofiltro 4. Com relação ao lodo produzido, as elevadas concentrações de ST (5%) e os teores de SV/ST (66%) encontrados no fundo do reator UASB indicam o bom funcionamento do reator como unidade de adensamento e digestão de lodo aeróbio. Os resultados da caracterização do lodo aeróbio produzido nos deferentes biofiltros 1, 2, 3 e 4 apontam uma produção específica e características médias de, respectivamente, 0,22KgST/KgDQOremovida (0,20%ST e 68%SV/ST), 0,20KgST/KgDQOremovida (0,16%ST e 64%SV/ST), 0,17KgST/KgDQOremovida (0,10%ST e 59%SV/ST) e 0,24KgST/KgDQOremovida (0,06%ST e 51%SV/ST), indicando características de um lodo relativamente bem estabilizado. A análise estatística dos resultados do monitoramento do biogás aponta uma taxa de 208,5mlCH4 coletado/gDQOremovida, sendo proposto um modelo para representar a relação entre o biogás capturado e a DQO removida no reator anaeróbio:

( )

[0,823lnDQOremovida]

biogás e

Q = × . Os resultados obtidos indicam que o reator UASB além de possibilitar uma redução da matéria orgânica afluente aos biofiltros, preservando suas características básicas de eficiência e estabilidade no tratamento de esgoto, teve condições de receber o lodo aeróbio de descarte sem reflexo negativo no tratamento. Dessa forma, pode se afirmar que o emprego da associação de reatores UASB + biofiltros aerados submersos para tratamento de esgoto sanitário é uma opção tecnológica viável e muito interessante dos pontos vista econômico e operacional.

Abstract

This research paper aims at presenting the results of the performance assessment of a UASB reactor used in sewage treatment as well as in the consolidation and digestion of disposal sludge of four submerged aerated filters from different filtering beds. The research works, which lasted for 1 year, were developed at the experimental sewage treatment plant of the Espírito Santo Federal University, originally designed for a population of 1000 inhabitants. The raw sewage, coming from the neighboring district, Jardim da Penha, which is mostly residential and middle-class, presented average characteristics of 152mg/l(SST), 409mgO2/l(DQO) and 197mgO2/l(DQOfiltered). The UASB reactor proved to be efficient in treating domestic sewage, when subjected to a TDHaverage of 7hours, producing an effluent with average characteristics of 52mg/l(SST), 161mgO2/l(DQO) and 95mgO2/l(DQOfiltered). The effluent treated by the combination UASB + biofilters, displayed average concentrations of 28mg/l(SST), 82mgO2/l(DQO) and 54mgO2/l(DQOfiltered) for the biofilter 1; 26mg/l(SST), 88mgO2/l(DQO) and 57mgO2/l(DQOfiltered) for the biofilter 2; 26mg/l(SST), 85mgO2/l(DQO) and 59mgO2/l(DQOfiltered) for the biofilter 3 and 21mg/l(SST), 64mgO2/l(DQO) and 47mgO2/l(DQOfiltered) for the biofilter 4. The corresponding global average efficiencies were 82%(SST), 80%(DQO) and 73%(DQOfiltered) for UASB + biofilter 1; 83%(SST), 78%(DQO) and 71%(DQOfiltered) for UASB + biofilter 2; 83%(SST), 79%(DQO) and 70%(DQOfiltered) for UASB + biofilter 3 and 86%(SST), 84%(DQO) and 76%(DQOfiltered) for UASB + biofilter 3 + biofilter 4. Regarding the sludge produced, the high concentrations of ST (5%) and the contents of SV/ST (66%), which were found in the bottom of the UASB reactor, indicate its good working condition as a unit for consolidation and digestion of aerobic sludge. The resulting characterization of the aerobic sludge produced in the different biofilters (1, 2, 3, and 4), indicate a specific production and average characteristics of 0,22KgST/KgDQOremoved (0,20%ST and 68%SV/ST), 0,20KgST/KgDQOremoved (0,16%ST and 64%SV/ST), 0,17KgST/KgDQOremoved (0,10%ST and 59%SV/ST) and 0,24KgST/KgDQOremoved (0,06%ST and 51%SV/ST), respectively, thus showing characteristics of a relatively well-stabilized sludge. The statistical analysis of the biogas monitoring results point to a rate of 208,5mlCH4 collected/gDQOremoved, so it was proposed a model for representing the ratio between the captured biogas and the DQO removed in the aerobic reactor: Qbiogas e[0,823ln(DQOremoved)]

×

= . The results obtained

from the UASB reactor show that, in addition to allowing a reduction of organic matter coming into the biofilters, thus preserving its basic characteristics of efficiency and stability while treating wastewater, this reactor was able to receive disposal aerobic sludge without causing any negative effect in the treatment. Therefore, it’s possible to state that using the combination of UASB reactors + submerged aerated biofilters for treating domestic sewage is a feasible technological option and also quite interesting in an operational and economic viewpoint.

Sumário

1. Introdução

2. Objetivos

3. Revisão Bibliográfica

3.1 Problemática do Gerenciamento do lodo em estações de tratamento de esgotos. ... 20

3.2 Opções Tecnológicas... 21

3.3 Associação anaeróbio + aeróbio ... 23

3.4 Reator Anaeróbio de Manta de lodo e Fluxo Ascendente (UASB)... 28

3.5 Biofiltro Aerado Submerso ... 33

3.6 Produção de Lodo ... 35 3.7 Produção de Biogás ... 40 3.8 Balanço de Massa... 43 3.9 Análise Estatística ... 46

4. Material e Métodos

4.5 Os Biofiltros Aerados Submersos ... 52

4.6 Monitoramento ... 55

4.7 Condições operacionais ... 61

4.8 Metodologia de Análise das amostras Laboratoriais... 62

4.9 Análise Estatística ... 62

4.10 Balanço de Massa em termos de sólidos ... 63

5.1 Desempenho do Sistema UASB + Biofiltros no tratamento de esgoto sanitário ... 68

5.2 Desempenho do reator UASB no tratamento da mistura: esgoto + Lodo aeróbio... 75

5.3 Caracterização do lodo aeróbio de descarte ... 85

5.4 Caracterização do lodo misto (anaeróbio+aeróbio) ... 89

5.5 Produção de lodo no sistema ... 92

5.6 Desempenho do reator UASB na digestão de lodo aeróbio... 94

5.7 Produção de biogás no sistema ... 96

5.8 Balanço de massa do sistema em termos de DQO ... 99

6. Conclusão

7. Recomendações

8. Referências Bibliográficas

Anexo A

Anexo B

Anexo C

Produção de Lodo (Y UASB) ... 143

Produção de Lodo (Y BF) ... 143

Amostras simples e compostas consideradas para o cálculo de Y UASB... 144

Anexo D

Lista de Figuras

Figura 3-1: Desenho esquemático da associação UASB + Biofiltros aerados submersos ... 27

Figura 3-2: Reator UASB ... 31

Figura 3-3: Biofiltro Aerado Submerso... 34

Figura 3-4: Balanço de massa do sistema anaeróbio – aeróbio... 45

Figura 4-1: Foto aérea da Estação de Tratamento de Esgoto da UFES (ETE-UFES)... 48

Figura 4-2: Estação experimental de tratamento de esgoto da UFES ... 49

Figura 4-3: Esgoto bruto afluente a elevatória da ETE-UFES passando pelo gradeamento.... 50

Figura 4-4: Gradeamento da Elevatória da UFES ... 50

Figura 4-5: Corte vertical do reator UASB ... 51

Figura 4-6: Perfil do leito dos biofiltros ... 52

Figura 4-7: Fluxo de esgoto nos biofiltros... 53

Figura 4-8: Corte A - BF1 e BF terciário ... 54

Figura 4-9: Válvulas de descarte de lodo de lavagem dos biofiltros... 54

Figura 4-10: Pontos de coleta ... 56

Figura 4-11: Coleta de perfil de lodo anaeróbio... 58

Figura 4-12: Torneira de descarte de lodo para o leito de secagem ... 58

Figura 4-13: Descarte de manta de lodo para o leito de secagem ... 59

Figura 4-14: Medidor de biogás ... 60

Figura 4-15: Tela de saída do programa de captura das medidas de vazão de esgoto e biogás61 Figura 5-1: Monitoramento de SST no sistema... 70

Figura 5-2: Comparação entre os conjuntos de dados relativos às concentrações de SST ... 71

Figura 5-3: Monitoramento de amostras compostas de DQO no sistema ... 72

Figura 5-4: Comparação entre os conjuntos de dados relativos às concentrações de DQO... 73

Figura 5-5: Monitoramento composto de DQO filtrada no sistema... 73

Figura 5-6: Comparação entre os conjuntos de dados relativos às conc. de DQOfiltrada ... 74

Figura 5-7: Perfil de lavagem dos biofiltros em termos de %ST ... 86

Figura 5-8: Perfil de lavagem dos biofiltros em termos de %SV/ST ... 86

Figura 5-9: Perfil de ST(%) no lodo misto do reator UASB ... 90

Figura 5-10: Perfil de SV/ST (%) no lodo misto do reator UASB... 91

Figura 5-11: Foto do lodo misto sendo descartado no leito de secagem... 93

Figura 5-12: Foto do lodo misto seco retirado do leito de secagem... 94

Figura 5-13: Histograma dos resíduos do modelo ajustado ... 98

Figura 5-14:Comparação entre os valores previstos no modelo e a série histórica avaliada ... 98

Lista de Tabelas

Tabela 3-1: Comparação relativa a qualidade do efluente, produção de lodo e demanda de

energia entre alguns sistemas de tratamento ... 26

Tabela 3-2: Desempenho do UASB e global (UASB+BF) obtidos por outros pesquisadores 28 Tabela 3-3: Características de lodos de reatores UASB em termos de %ST e %SV/ST ... 30

Tabela 3-4: Valores de coeficiente de crescimento de biomassa (Y) para lodo de reatores do tipo UASB obtido por outros autores ... 36

Tabela 3-5: Valores de coeficiente de crescimento de biomassa (Y) de lodo aeróbios obtido por outros autores ... 36

Tabela 3-6: Características do lodo em termos de Sólidos Voláteis ... 38

Tabela 3-7: Composição típica do biogás... 41

Tabela 3-8: Composição de metano no biogás... 41

Tabela 3-9: Taxas de produção de biogás ... 42

Tabela 3-10: Resultados relativos ao balanço de massa, em porcentagem, em Sistemas Anaeróbios-Aeróbios, apresentados por alguns pesquisadores... 45

Tabela 4-1: Descrição da granulometria dos biofiltros ... 52

Tabela 4-2: Superfície específica e carga de DQO aplicada aos biofiltros ... 53

Tabela 4-3: Condições operacionais... 61

Tabela 5-1: Valores das concentrações de SST, DQO e DQO filtrada no esgoto bruto e efluentes do reator UASB e biofiltros ... 69

Tabela 5-2: Comparação entre os resultados do monitoramento obtidos nesta pesquisa e os resultados obtidos em outras pesquisas utilizando a associação UASB + BF ... 69

Tabela 5-3: : Estatísticas relativas às vazões de entrada do esgoto afluente ao reator UASB . 76 Tabela 5-4: Cargas volumétricas aplicadas no reator UASB ... 77

Tabela 5-5: Comparação entre as cargas de SST aplicadas (DL e DSL). ... 78

Tabela 5-6: Comparação entre as cargas de DQO aplicadas (DL e DSL). ... 78

Tabela 5-7: Comparação entre as cargas de DQO filtrada aplicadas (DL e DSL)... 79

Tabela 5-8: Comparação entre as cargas de SST removidas (DL e DSL) ... 80

Tabela 5-9: Comparação entre as eficiências de remoção de SST (DL e DSL)... 81

Tabela 5-10: Comparação entre as cargas de DQO removidas (DL e DSL)... 82

Tabela 5-11: Comparação entre as eficiências de remoção de DQO (DL e DSL) ... 83

Tabela 5-12: Comparação entre as cargas de DQOfiltrada removidas (DL e DS)... 83

Tabela 5-13: Comparação entre as eficiências de remoção de DQO filtrada (DL e DS)... 84

Tabela 5-14: Cargas de lodo aeróbio recirculado para o reator UASB ... 85

Tabela 5-15: Características do lodo aeróbio descartado dos biofiltros durante o processo de lavagem... 87

Tabela 5-16: Valores de coeficiente de crescimento de biomassa (y) para os biofiltros... 88

Tabela 5-17: Superfície específica e carga de DQO aplicada nos biofiltros 1, 2, 3 e 4 ... 88

Tabela 5-18: Estatísticas relativas às características do lodo misto (anaeróbio+aeróbio)... 89

Tabela 5-19: Estatística relativa aos descartes de lodo do UASB... 92

Tabela 5-20: Comparação entre o coeficiente de crescimento de biomassa obtido nesta pesquisa com resultados obtidos por outros pesquisadores... 93

Tabela 5-21: Comparação entre os resultado do balanço de massa em termos de DQO obtidos nesta pesquisa com resultados obtidos por outros pesquisadores... 102

Lista de Símbolos

ETE: Estação de tratamento de esgoto

UASB: Reator anaeróbio de manta de lodo e fluxo ascendente DQO: Demanda química de oxigênio

PROSAB: Programa de Pesquisa em Saneamento Básico UFES: Universidade Federal do Espírito Santo SST: Sólidos suspensos totais

DBO: Demanda química de oxigênio FINEP: Financiadora de Estudos e Projetos MCT: Ministério da ciência e tecnologia

CNPq: Conselho Nacional de Pesquisa e Desenvolvimento Tecnológico CEF: Caixa Econômica Federal

SEPURB: Secretaria de Política urbana do ministério do planejamento e orçamento TDH: Tempo de detenção hidráulica

BF: Biofiltro aerado submerso

RAFA: Reator anaeróbio de fluxo ascendente DAFA: Digestor anaeróbio de fluxo ascendente

RAFAALL: Reator anaeróbio de fluxo ascendente através de leito de lodo RALF: Reator anaeróbio de leito fluidizado

MSta: Massa diária de material orgânico no afluente MSte: Massa diária de material orgânico no efluente

MSx: Massa diária de material orgânico no lodo de excesso MSd: Massa diária de material orgânico digerida

Mso: Massa diária de material orgânico oxidada Bo: Fator de recuperação de material orgânico ATP: Adenosina trifosfato

COT: Carbono orgânico total

ST: Sólidos totais

SV: Sólidos voláteis

PH: Potencial de hidrogênio AGV: Ácidos graxos voláteis

CO2: Dióxido de carbono

H2: Hidrogênio NH3: Amônia H2S: Sulfeto de hidrogênio CH4: Metano O2: Oxigênio H2O: Água

CNTP: Condições normais de temperatura e pressão VCH4: Volume de metano produzido;

DQOCH4: Carga de DQO removida no reator e convertida em metano; K(t): Fator de correção para a temperatura operacional do reator VCH4: Volume de metano produzido;

α: Nível de significância

y: Variável dependente ou resposta

b0 : Intercepto

b1: Coeficiente angular

x: Variável independente ou preditora FUNASA: Fundação Nacional de Saúde

DQOfiltrada : Demanda química de oxigênio do esgoto filtrado

SF: Sólidos fíxos

DL: Monitoramento realizado em dias de lavagem dos biofiltros DSL: Monitoramento realizado em dias sem de lavagem dos biofiltros

MSV(UASB+BF): Massa de lodo misto em termos de SV

MSV(Lodo UASB): Massa de lodo anaeróbio em termos de SV no UASB

MSV(Lodo BFs): Massa de lodo aeróbio em termos de SV nos BFs

MST: Massa de lodo em termos de ST

MSV: Massa de lodo em termos de SV

MST(Lodo UASB): Massa de lodo anaeróbio em termos de ST

MST(Lodo BFs): Massa de lodo aeróbio em termos de ST nos BFs Yuasb: Coeficiente de crescimento de biomassa no UASB YBFs: Coeficiente de crescimento de biomassa no BF

MDQOremUASB: Massa de DQO removida diariamente no reator UASB MDQOremBF: Massa de DQO removida diariamente nos biofiltros

SVBF : Porcentagem de SV/ST no lodo do BF

SVBF *: Porcentagem de SV/ST no lodo do BF após a mistura

H1: Hipótese alternativa

n: Número de amostras

Xi: Média

Sxi: Desvio padrão

Max: Maior valor

Min: Menor valor

R2: Ajuste da reta pelo método dos mínimos quadrados Beta: Coeficiente Beta significativo

1.

Introdução

O gerenciamento de lodo é um dos maiores desafios para o sucesso técnico e operacional de Estações de Tratamento de esgoto de todo o mundo. É também um desafio econômico, já que o processamento da fase sólida pode representar até 60% dos custos operacionais da Estação, dependendo da tecnologia utilizada (Fernandes, 2000). Esse problema ressalta a necessidade de desenvolvimento de tecnologias que gerem reduzidas quantidades de lodo bem estabilizado, além de um efluente de boa qualidade. Nesse sentido, a produção de lodo de esgoto pode ser minimizada na fase líquida do tratamento por meio de seleção de tecnologias apropriadas (Gonçalves & Luduvice, 2000).

Dentre as recentes tecnologias utilizadas, os processos anaeróbios de alta taxa, em especial o Reator Anaeróbio de Manta de Lodo e Fluxo Ascendente (UASB1), tem se mostrado como uma tecnologia capaz de suprir algumas desvantagens dos sistemas aeróbios mecanizados, principalmente no que diz respeito ao menor consumo de energia e à menor produção de lodo (Coura & van Haandel, 1999). Porém o efluente desses reatores não apresenta características suficientes do ponto de vista legal e ambiental de lançamento, sendo necessária adição de um pós-tratamento (Chernicharo, 1997; van Haandel & Marais, 1999).

Os sistemas aeróbios, por sua vez, apesar de promovem uma excelente remoção de matéria orgânica, são bastante onerosos pois necessitam de energia para aeração e de unidades adicionais de adensamento e digestão de lodo, além de produzirem muito lodo de baixa concentração e de alto grau de instabilidade2.

Com o objetivo de promover um equilíbrio entre as vantagens e desvantagens dos sistemas anaeróbios e aeróbios, pesquisas recentes caminham no sentido de combinar esses dois processos. Essa configuração apresenta-se como uma alternativa econômica, ainda pouco pesquisada em nível mundial (Freire et al, 1999).

1 _{Do ingles: “Upflow anaerobic sludge blanket”} 2

A opção de usar reatores anaeróbios atuando como etapa primária do tratamento também vem sendo motivo de pesquisas no sentido de minimizar a produção de lodo gerado pela estação mediante a recirculação de lodo aeróbio para o reator anaeróbio. (van Haandel & Lettinga, 1994; Chernicharo, 1997; Gonçalves et al. 1998). Outro aspecto de interesse se deve à produção de biogás, que pode ser aproveitado na própria estação de tratamento onde é gerado, com uso na secagem e higienização do lodo, ou como suprimento energético para a aeração do sistema aeróbio (van Haandel & Lettinga, 1994; van Haandel & Marais, 1999; Gonçalves & Luduvice, 2000).

Segundo Coura & van Haandel (1999), o sistema anaeróbio-aeróbio é capaz de gerar energia em quantidade mais que suficiente para atender à demanda para a aeração do sistema, ao contrário do sistema convencional (Lodos ativados), onde o potencial de produção de energia é insignificante.

A utilização de reatores UASB como pré-tratamento de reatores aeróbios apresenta inúmeras vantagens em relação aos processos aeróbios convencionais, notadamente quando aplicado em locais de clima quente, como é o caso da maioria dos municípios brasileiros. Essa configuração anaeróbio-aeróbio amplia significativamente a importância do reator UASB, que passa a atuar tanto na matéria orgânica particulada quanto na solúvel do esgoto. Pode-se assim esperar um sistema compacto, de baixo custo de implantação e de operação, satisfatória eficiência de remoção de DQO, economia de energia e possibilidade de utilização do gás metano na própria estação (Coura & van Haandel, 1999).

Além dessas vantagens, esse sistema, mediante a recirculação de lodo aeróbio para o reator UASB, produz pequenos volumes de lodo de excesso, com boa desidratabilidade, elevado grau de mineralização e adensamento, gerando assim uma economia considerável no manejo e destino final desse subproduto (Chernicharo et al., 1999(a); Foresti et al, 1999).

No Brasil, no âmbito do Programa de Pesquisa em Saneamento Básico (PROSAB3), algumas pesquisas utilizando o tratamento combinado anaeróbio-aeróbio, em escala piloto, tem obtido ótimos resultados, e deram suporte à construção de Estações de Tratamento de Esgoto em escala real que já operam, como a ETE Baixo Guandu

3

Iniciado em 1996, pela ação conjunta entre FINEP/MCT, CNPq, CEF e SEPURB (Secretaria de Política urbana do ministério do planejamento e orçamento), o PROSAB visa apoiar o desenvolvimento de pesquisas na área de abastecimento de água, água residuária e resíduos sólidos e tem como prioridade o desenvolvimento e o aperfeiçoamento de tecnologias voltadas para a ampliação da cobertura dos serviços de saneamento no Brasil.

(15000 hab), ETE Aimorés (15000 hab) e ETE Caçadores (57.618 hab) (Bof et al., 2001; Aisse et al., 2001b).

Esta pesquisa dá continuidade aos estudos iniciados em 1993, na Universidade Federal do Espírito Santo (UFES), referentes ao desenvolvimento de tecnologias de tratamento de esgoto doméstico baseada na associação de reatores UASB e Biofiltros aerados submersos. Em estudos anteriores já foi comprovada a eficiência desta associação na produção de efluentes secundários assegurando um padrão de lançamento de SST<30mg/l, DQO<90mg/l e DBO<30mg/l mesmo sob condições dinâmicas de cargas aplicadas. Apesar da comprovada eficiência, pouco se sabe sobre a produção, adensamento, digestão e, sobretudo, sobre a qualidade do lodo misto formado pela combinação dos tipos de lodo anaeróbio e aeróbio, bem como o potencial de produção de biogás pelo sistema. Outro ponto importante é a avaliação do comportamento do reator UASB durante a recirculação de lodo aeróbio. Dando então prosseguimento a esses estudos, este trabalho estudou e avaliou alguns dos pontos ainda desconhecidos.

2.

Objetivos

2.1

Objetivo Geral

Esta pesquisa teve como objetivo avaliar o desempenho de um reator anaeróbio do tipo UASB tratando esgoto sanitário de características médias, bem como avaliar os efeitos da recirculação de lodo de descarte de biofiltros aerados submersos (BFs) para o interior do reator anaeróbio. Também fez parte deste estudo avaliar o adensamento e a digestão de lodo aeróbio de descarte dos biofiltros pelo reator UASB e quantificar o potencial de produção de biogás no sistema.

2.2

Objetivos Específicos

• Avaliar o desempenho do reator UASB no tratamento da mistura: esgoto + lodo aeróbio dos biofiltros em termos de SST e DQO;

• Avaliar o desempenho do reator UASB no adensamento do lodo dos biofiltros;

• Avaliar o desempenho do reator UASB na digestão do lodo dos biofiltros;

• Caracterizar o lodo de descarte dos biofiltros;

• Caracterizar o lodo misto (aeróbio + anaeróbio) no reator UASB;

• Quantificar a produção de lodo no sistema;

3.

Revisão Bibliográfica

3.1

Problemática do Gerenciamento do lodo em estações

de tratamento de esgotos.

Definido como o resíduo do tratamento de águas residuárias, o lodo de esgoto equivale à cerca de 1% a 2% do volume total de esgoto tratado. Embora aparentemente represente um pequeno volume, o seu custo de tratamento e disposição final pode ser responsável por 20% a 60% do custo operacional de uma estação de tratamento de esgoto dependendo da tecnologia utilizada (Luduvice, 1999; Tsutya, 2000; Fernandes, 2000).

Frente a esse problema, o gerenciamento de lodo nas estações de tratamento de esgoto deve ser considerado desde a concepção do projeto, na escolha de uma tecnologia que possibilite a geração de um lodo bem adensado, isto é, em volumes reduzidos, até sua disposição final.

Gonçalves & Luduvice (2000) observaram que a produção de lodo obtida por meio do tratamento anaeróbio equivale a 20% da produção relativa ao processo aeróbio. Ainda, segundo avaliação dos autores, na associação de reatores anaeróbio-aeróbio, a massa total de lodo produzido corresponde a 60% da produzida no tratamento aeróbio simples. A associação do tratamento físico-químico e tratamento aeróbio por sua vez, mesmo quando associada à estabilização do lodo, produz cerca de 20% a mais de lodo quando comparado aos processos aeróbios e quase o dobro do processo combinado anaeróbio-aeróbio.

3.2

Opções Tecnológicas

Com relação aos processos biológicos, destacam-se os processos anaeróbios cuja baixa taxa de crescimento da biomassa diminui a quantidade de lodo produzido. No entanto, para o caso de reatores com biomassa em suspensão mais antigos (Lodos ativados), este pré-requisito pode representar um significativo impacto de custos de implantação e operação, pois demandam grandes volumes reacionais, carga orgânica pequena, suprimento considerável de energia e boa retenção de biomassa. (Gonçalves & Luduvice, 2000).

No que se refere ao tratamento de esgoto, os sistemas anaeróbios encontram uma grande aplicabilidade no Brasil, devido às suas vantagens inerentes e às favoráveis condições climáticas de temperatura (Chernicharo, 1997). A utilização de processos anaeróbios além de demandar um investimento inicial menor em relação aos processos aeróbios convencionais, não requer altos custos de manutenção, indicando aos projetistas um bom caminho para o tratamento de esgotos (Maestri & Jiménez, 2000). A importância da digestão anaeróbia como processo de tratamento de resíduos orgânicos cresceu de forma extraordinária nas últimas décadas, principalmente por apresentar balanço energético mais favorável que os processos aeróbios convencionais (Foresti, 1994).

No entanto, existe um consenso de que, na maioria das aplicações, os sistemas anaeróbios devem ser encarados como uma primeira etapa do tratamento uma vez que estes não são capazes de produzir efluentes finais com elevado grau de qualidade e geralmente não atendem aos padrões da legislação local sobre a qualidade mínima do efluente, sendo necessária então a adição de um pós-tratamento para remoção da matéria orgânica (Coura & van Haandel, 1999).

Desta forma, tem se buscado a utilização de sistemas combinados de tratamento, procurando-se obter as enormes vantagens de incorporação de um sistema anaeróbio como primeiro estágio de tratamento de esgoto sanitário, seguido de uma unidade de pós-tratamento.

Com vistas à minimização da produção de lodo, algumas opções tecnológicas tem tido posição de destaque para o tratamento de águas residuárias. Dentre elas destaca-se a combinação de processos anaeróbios-aeróbios.

Várias são as tecnologias que estão sendo estudadas para o pós-tratamento de reatores UASB, em nível de Brasil, dentre elas: disposição no solo, lagoas de estabilização/maturação, Lodos ativados, biofiltros percoladores, biofiltros aerados, entre outros.

Diante desta perspectiva, a tendência de se optar por reatores anaeróbios atuando como etapa primária de sistemas aeróbios vem sendo motivo de novas pesquisas no âmbito do PROSAB, com estações de tratamento já construídas no Espírito Santo, Minas Gerais, Distrito Federal, Paraná, entre outros, onde um dos principais aspectos inovadores é a gestão do lodo, simplificada mediante o descarte do lodo aeróbio para adensamento e digestão no reator anaeróbio. Outro aspecto de interesse se deve à produção de biogás, que pode ser aproveitado na própria estação de tratamento onde é gerado, com uso na secagem e higienização do lodo, ou como suprimento energético para a aeração do sistema aeróbio (Bof,1999; van Haandel & Marais,1999).

A grande aceitação no Brasil e o esforço contínuo para o melhoramento de tecnologias para aplicação mais eficiente e rentável do sistema anaeróbio-aeróbio no tratamento de águas residuárias, têm gerado um interesse por investigar os aspectos que possam simplificar a operação global do processo (Ortega et al, 1996).

São vantagens da associação anaeróbio-aeróbio (von Sperling & Chernicharo, 1998): melhor qualidade do efluente tratado, menor custo de energia, menores volumes de lodo, menos unidades a serem implantadas, menos equipamentos eletromecânicos e simplicidade operacional.

Avaliando o efeito do descarte de lodo aeróbio, proveniente de um reator de Lodos ativados, para um reator UASB, ambos em escala piloto, Ortega et al. (1996) não observaram efeito negativo no funcionamento geral do reator UASB.

Von Sperling et al.(2001a) apresentaram a concepção de um trabalho de conversão de uma ETE em escala real, dimensionada e construída segundo o processo de Lodos ativados, modalidade aeração prolongada, para uma ETE segundo o sistema UASB -Lodos ativados projetada para 138.593 habitantes. A conversão proposta é inovadora, no sentido de converter uma ETE já existente para o sistema UASB-Lodos ativados. Como resultados se permitiu que deixassem de ser utilizadas 1 tanque de aeração, 2 decantadores secundários e 2 adensadores mecanizados representando uma economia de 30% no volume total de unidades e de 70% no consumo de energia para aeração.

Esta concepção também propiciará, segundo os autores, uma redução de 50% no volume de lodo a ser disposto, mediante a digestão de lodo aeróbio no reator UASB.

3.3

Associação anaeróbio + aeróbio

Buscando opções tecnológicas para o tratamento de águas residuárias, Gonçalves et al. (1993) propuseram a associação de reatores UASB e biofiltros aerados submersos, como um meio de aprimorar o potencial de desnitrificação em sistemas de remoção de nutrientes. Nessa pesquisa, o reator UASB foi aplicado à fermentação em substituição ao decantador primário. A estratégia descrita foi estudada em escala de laboratório a partir da qual, segundo os autores, se obteve resultados de eficiência de remoção de SST muito superior às normalmente obtidas em decantadores primários convencionais. A partir dos trabalhos de Gonçalves et al. (1993), Araújo (1996) estudou um sistema UASB + Biofiltro aerado submerso, em escala piloto, tratando esgoto sanitário a nível secundário. Durante o período de experimento (TDH no UASB = 6h), as eficiências médias de remoção do conjunto foram de 95%(SST), 95%(DBO) e 88%(DQO), assegurando um padrão de efluente com 10mg/l de SST, 10mg/l de DBO e 50mg/l de DQO. Dos resultados obtidos pôde-se concluir que os biofiltros aerados submersos podem ser considerados uma alternativa viável para o pós-tratamento de reatores UASB.

Dando continuidade a pesquisa de Araújo (1996), Bof (1999) operou um conjunto piloro de UASB + Biofiltro aerado submerso sob variações de carga e recirculação de lodo aeróbio de lavagem para o reator UASB. Eficiências do conjunto de 92%(SST), 93%(DBO) e 89%(DQO) foram obtidas para um TDH = 6h (UASB), resultando em um efluente do sistema com as seguintes características: 14mg/l (SST), 15mg/l (DBO) e 58mg/l (DQO). Além do bom desempenho do sistema, foi verificada uma baixa produção de lodo (de 0,07 a 0,36 KgST/KgDQOremovida) no reator UASB, mediante carga de 2,4 a 7,8 KgDQO/m3.dia). O descarte de lodo aeróbio para o reator UASB não apresentou efeito negativo sobre o desempenho do sistema. Os resultados de %ST (>6%) e %SV/ST (60%) no fundo do reator UASB indicaram o uso desse reator como adensador e digestor de lodo aeróbio.

Aisse et al. (2001a) apresentaram resultados do monitoramento de um sistema piloto UASB + Filtro biológico aerado submerso + Decantador secundário. O sistema foi operado com retorno de lodo biológico aeróbio sedimentado ao reator UASB. Quando foram aplicadas taxas hidráulicas no Filtro biológico de 30 m3/m2.dia, o efluente do decantador secundário apresentou valores de 71 +18mg/l (DQO) 17 +16mg/l (DBO) e 26 +11mg/l (SST), correspondendo a uma eficiência de remoção de 81% (DQO), 88% (DBO) e 83% (SST) para o sistema.

Paralelamente, Aisse et al (2001b) avaliaram a filtração biológica como pós-tratamento do efluente de um reator UASB operando um sistema UASB + Filtro biológico + Decantador secundário de alta taxa, tratando esgoto sanitário. Quando o Filtro biológico foi submetido a cargas hidráulicas aplicadas de 30 m3/m2.dia, o efluente do decantador secundário apresentou as seguintes características: 81 +18mg/l (DQO), 18 +

11mg/l (DBO) e 24 +9mg/l (SST), correspondendo a uma eficiência de remoção para o sistema de 78% (DQO), 88% (DBO) e 84% (SST).

Hirakawa et al. (2001) estudaram um sistema UASB + biofiltro aerado submerso em escala piloto buscando avaliar o comportamento do sistema no tocante ao atendimento à legislação ambiental. A partir dos resultados obtidos verificou-se que o desempenho do conjunto foi satisfatório, com 91% de eficiência média de remoção de DBO equivalente a um efluente na faixa de 6 a 17 mg/l.

Von Sperling et al. (2001b) apresentaram o monitoramento em escala piloto de um reator UASB como pré-tratamento de um sistema Lodos ativados, com retorno de lodo aeróbio para o reator UASB. O conjunto obteve eficiências médias de 85 a 93% (DQO) produzindo um efluente com 50a 58mg/l em termos de DQO e de 13 a 18mg/l em termos de SST. Como resultados da pesquisa, a combinação se mostrou muito boa alternativa para o tratamento de esgoto sanitário.

3.3.1 Comparação entre tecnologias

Além Sobrinho (2000) apresenta algumas vantagens do tratamento anaeróbio + aeróbio quando compara uma ETE convencional (decantador primário + tratamento biológico aeróbio + adensadores de lodo+ digestores anaeróbios+desidratação), com uma ETE

constituída de reator UASB + tratamento biológico aeróbio, com o lodo secundário encaminhado para digestão no próprio reator UASB e daí, direto para a desidratação. Além do reduzido volume do sistema como um todo, proveniente da substituição de decantadores primários, adensadores de lodo e digestores anaeróbios por reatores UASB, segundo Além Sobrinho (2000), o sistema apresenta vantagens pelo fato da eficiência de remoção de DBO pelo reator UASB apresentar possibilidade de redução de cerca de metade do volume dos reatores biológicos aeróbios. Nesse caso, o custo de implantação da ETE com reator UASB seguido de tratamento biológico aeróbio é de no máximo 80% daquele de uma ETE convencional (Silva, 1993 apud Além Sobrinho, 2000).

Para o caso do sistema de Lodos ativados, o consumo de energia para aeração cai para cerca de 50 a 55% daquela ETE convencional, quando não se tem nitrificação, e cerca de 65 a 70% quando se tem nitrificação quase total (Além Sobrinho, 2000).

Tendo em vista principalmente a produção de lodo e consumo de energia, Além Sobrinho (2000) também compara alguns sistemas de tratamento de maior potencial de uso no Brasil (Tabela 3-1).

Segundo pesquisas realizadas por Coura & van Haandel, (1999), a energia necessária na aeração de um sistema UASB + Lodos ativados foi 50% inferior a necessária nos sistemas convencionais de Lodos ativados sendo ainda possível gerar esta energia a partir da combustão do biogás.

A proposta de associação de reatores UASB e Biofiltros aerados submersos, apresentada por Gonçalves et al (1993), foi comparada com o sistema europeu, considerado convencional (decantador primário + BFs + tratamento completo do lodo) por Gonçalves et al. (1998). Segundo os autores, no sistema europeu, a performance dos decantadores primários é praticamente nula quanto à degradação do substrato solúvel do esgoto. Além disso, o lodo formado nos decantadores primários necessita de estabilização complementar. Já no sistema UASB+BF, 70% da matéria orgânica é estabilizada no UASB. Também, no sistema UASB+BF, as emissões de lodo são reduzidas em apenas uma (reator UASB) mediante recirculação de lodo aeróbio de lavagem para a entrada do sistema. Outro aspecto importante, que os autores ressaltam é a concentração de sólidos no lodo de fundo do reator UASB (>50gST/l) característica essa que elimina a necessidade de adensamento complementar de lodo.

Conseqüentemente menores volumes de lodo e significante economia de energia foram as vantagens apontadas pelos pesquisadores quando compararam a associação UASB+BF em relação à configuração convencional européia.

Tabela 3-1: Comparação relativa a qualidade do efluente, produção de lodo e demanda de energia entre alguns sistemas de tratamento

Configuração Qualidade do

efluente Lodo produzido

Demanda de energia UASB DBO5 = 60 a 100mg/l SST=40 a 80mg/l 15 a 20 gST/hab.dia lodo estabilizado -

Lodos ativados convencional sem nitrificação 4. DBO5 <30mg/l SST<30mg/l 35 a 40 gST/hab.dia lodo estabilizado 12KWh/hab.ano

Lodos ativados convencional sem nitrificação 5. DBO5 <20mg/l SST<30mg/l 30 a 35 gST/hab.dia lodo estabilizado 20KWh/hab.ano

Filtro biológico de alta taxa6. DBO5 <30mg/l

SST<30mg/l

35 a 40 gST/hab.dia lodo digerido

-

Lodos ativados por aeração prolongada7. DBO5 <20mg/l SST<40mg/l 40 a 45 gST/hab.dia lodo estabilizado aerobicamente 35KWh/hab.ano

Lodos ativados de alta taxa8. DBO5 <30mg/l

SST<30mg/l

65 a 70 gST/hab.dia lodo não digerido

15KWh/hab.ano

UASB + Lodos ativados convencional sem nitrificação9

DBO5 <20mg/l

SST<30mg/l

25 a 30 gST/hab.dia lodo digerido

6KWh/hab.ano

UASB + Lodos ativados convencional com nitrificação10

DBO5 <20mg/l

SST<30mg/l

20 a 27 gST/hab.dia lodo digerido

15KWh/hab.ano

UASB + Filtro biológico de alta taxa DBO5 <30mg/l SST<30mg/l 25 a 30 gST/hab.dia lodo digerido -

Lagoas aeradas + lagoas de decantação DBO5 <30mg/l SST<40mg/l 15 a 25 gST/hab.dia lodo digerido 22KWh/hab.ano

UASB + Biofiltro aerado submerso sem nitrificação

DBO5 <20mg/l

SST<30mg/l

25 a 30 gST/hab.dia lodo digerido

6KWh/hab.ano

Fonte: Adaptado de Além Sobrinho (2000)

4_{θ< 3 dias, com decantador primário, tanque de aeração, decantador secundário, adensador de lodo e digestor}

anaeróbio.

5 _{θ = 4 a 7 dias, com decantador primário, tanque de aeração, decantador secundário, adensador de lodo e}

digestor anaeróbio.

6 _{Decantador primário, filtro biológico,decantador secundário, adensador de lodo e digestor anaeróbio.} 7_{θc=18 a 30 dias, sem decantador primário.}

8_θ

c=1 a 2 dias, sem decantador primário e sem digestor de lodo; tanque de aeração com oxigênio puro.

9_{θc< 3 dias} 10_{θc< de 4 a 7 dias}

3.3.2 UASB + BFs

O sistema combinado UASB + Biofiltros aerados submersos (BFs) (Figura 3-1) é uma tecnologia que já encontra-se consolidada, fato comprovado pelo número de estações implantadas no Espírito Santo e demais estados nos últimos dois anos (representando um total de 29 unidades) (Bof et al, 2001).

Gonçalves et al. (1995) citam como vantagem prática do uso desta associação, a compacidade de ETEs que podem ser usadas em áreas urbanas, densas, inclusive em subsolo de edifícios, o aspecto modular, a rápida entrada em regime, a resistência à cargas de choque e a não necessidade de decantador secundário11.

UASB

BFs

Efluente final

Esgoto bruto

Retorno de lodo aeróbio Mistura esgoto + lodo aeróbio

BF Leito de secagem Lodo de descarte Elevatória UASB

BFs

Retorno de lodo aeróbio Mistura esgoto + lodo aeróbio

BF

Leito de secagem

Lodo de descarte

Elevatória

Figura 3-1: Desenho esquemático da associação UASB + Biofiltros aerados submersos

Na Tabela 3-2 tem-se a comparação dos resultados de monitoramento de sistemas UASB+BF estudados por outros pesquisadores. Da comparação dos dados verifica-se uma homogeneidade dos resultados em relação ao desempenho dos reatores.

Tabela 3-2: Desempenho do UASB e global (UASB+BF) obtidos por outros pesquisadores

Padrão de efluente (mg/l) Eficiência de remoção (%)

UASB global UASB global

Fonte

SST DQO SST DQO SST DQO SST DQO

Araújo (1996)12 40 118 10 50 70 69 92 86

Bof (1999)13 42 123 30 90 76 76 92 89

Bof et al. (2001)14 30 101 14 67 86 79 93 86

3.4

Reator Anaeróbio de Manta de lodo e Fluxo

Ascendente (UASB)

Embora com várias denominações no Brasil (RAFA15, DAFA16, RAFAALL17, RALF18 etc.), o Reator Anaeróbio de Manta de Lodo e Fluxo Ascendente se consagrou como Reator UASB19, nomenclatura original dada em inglês, na década de 70, pelo Professor Gatze Lettinga e sua equipe na Universidade Agrícola de Wageningen, na Holanda (Chernicharo, 1997; Kato et al., 1999).

O reator UASB apresenta um grande avanço na aplicação da tecnologia anaeróbia para o tratamento de águas residuárias e tem demonstrado ser o reator de maior sucesso entre os reatores anaeróbios até o momento. Esse sucesso pode ser explicado por vários motivos técnicos e econômicos, entretanto, uma das principais características é a sua configuração física a qual lhe permite essencialmente o desenvolvimento de uma grande quantidade de biomassa ativa constituída de flocos ou de grânulos de alta densidade e resistência mecânica, e retenção desses no reator, conferindo-lhes um elevado tempo para a retenção celular. Com isso o UASB pode tratar esgotos sanitários com altas cargas orgânicas e volumétricas, com o tempo de detenção hidráulica curto, da ordem de grandeza de algumas horas, dependendo das condições operacionais e das características dos esgotos.

12

UASB + BF sem retorno de lodo aeróbio (escala piloto)

13 _{UASB + BF com retorno de lodo aeróbio (escala piloto)} 14 _{UASB + BF com retorno de lodo aeróbio (escala real)} 15 _{Reator Anaeróbio de Fluxo Ascendente}

16 _{Digestor Anaeróbio de Fluxo Ascendente} 17

Reator Anaeróbio de Fluxo Ascendente através de leito de lodo

18 _{Reator Anaeróbio de Leito Fluidizado}

O reator UASB realiza simultaneamente em seu interior várias funções que, em outras estações de tratamento aeróbio convencional, são geralmente efetuadas em tanques separados. Portanto, o UASB é um reator que desempenha o papel de digestão da parte sólida retida, requerendo, quando do descarte do lodo de excesso, somente secagem. E sendo reator, ocorrem portanto as reações para o processamento da parte solúvel que vem com os esgotos. Portanto, o UASB é ao mesmo tempo um decantador primário, um reator biológico propriamente dito, um decantador secundário e um digestor de lodo (Gonçalves & Luduvice, 2000).

O processo anaeróbio por meio de reatores UASB apresenta inúmeras vantagens em relação aos processos aeróbios convencionais, notadamente quando aplicado em locais de clima quente, como é o caso da maioria dos municípios brasileiros. Nessas situações, pode-se esperar um sistema com as seguintes características principais (Sousa & Foresti, 1994; Chernicharo et al., 1999a e Foresti et al, 1999):

• sistema compacto com baixa demanda de área;

• baixo custo de implantação e de operação;

• possibilidade de cobertura (evitando problemas com o dores e impacto visual);

• baixa produção de lodo de excesso e, portanto economia considerável no manejo e destino final desse tipo de resíduo dos sistemas de tratamento;

• baixo consumo de energia;

• satisfatória eficiência de remoção de matéria orgânica;

• possibilidade de rápido reinício, mesmo após longas paralisações;

• lodo de excesso com elevado grau de estabilização e adensamento;

• boa desidratabilidade do lodo;

Embora os reatores UASB incluam amplas vantagens, alguns aspectos negativos ainda são atribuídos aos mesmos (Chernicharo at al, 1999a; Bof, 1999 e Foresti at al, 1999):

• possibilidade de emanação de maus odores (quando bem projetado, construído e operado, o sistema não deve apresentar problemas de mau cheiro);

• baixa capacidade do sistema de tolerar cargas tóxicas;

• elevado intervalo de tempo necessário para a partida do sistema;

• necessidade de pós-tratamento;

• corrosão;

• escuma.

Valores típicos das principais características do lodo de reatores UASB são mostrados a seguir (Tabela 3-3).

Tabela 3-3: Características de lodos de reatores UASB em termos de %ST e %SV/ST

Fonte %ST %SV/ST

Sistemas de Cali, São Paulo e Kampur apud

van Haandel & Lettinga (1994)20 1,6-4 30-70

Bof (1999)21 6 60

Coura & van Haandel (1999)22 - 74

Chernicharo (1997) 4- 10 -

3.4.1 Descrição do Processo de Tratamento

A presença do separador de fases é a característica mais peculiar do reator UASB (Figura 3-2). Este separador divide o reator em uma parte inferior, chamada zona de digestão, onde há o leito e manta de lodo e uma parte superior ou zona de sedimentação (van Haandel & Marais, 1999).

20

DAFA

21 _{UASB+ BF em escala piloto, com retorno de lodo aeróbio para o UASB} 22 _{UASB + Lodos ativados com retorno de lodo aeróbio para o UASB}

Entrada de Esgoto Saída do Efluente Anaeróbio Descarte de Lodo Descarte de lodo Separador de fases Defletor Leito de lodo Manta de lodo

Figura 3-2: Reator UASB

O reator UASB tem como característica a biomassa dispersa no meio, e não aderida a um meio suporte especialmente incluído, como ocorre nos filtros biológicos. Neste reator, a própria biomassa, ao crescer, pode formar pequenos grânulos, correspondentes à aglutinação de diversas bactérias, que por sua vez, servem de meio suporte para outras bactérias. Esta aglutinação auxilia no aumento da eficiência do sistema, mas não é fundamental para o funcionamento do reator (von Sperling, 1996a). A concentração de biomassa no reator é bastante elevada, justificando a denominação de manta de lodo. Devido a esta elevada concentração, o volume requerido para os reatores anaeróbios de manta de lodo é bastante reduzido, em comparação outros sistemas de tratamento (von Sperling, 1996a).

O fluxo de líquido é ascendente. O efluente que sai da zona de digestão, passa pelas aberturas do separador de fases e entra na zona de sedimentação. Devido à geometria do separador de fases, a velocidade do líquido tende a diminuir a medida em que o líquido se aproxima da superfície do reator. Dessa forma, os flocos de lodo que são arrastados e entram nas aberturas entre o separador e as paredes do reator do separador de fases encontram uma zona de fluxo tranqüilo na qual é possível obter-se uma velocidade de sedimentação de partículas maior que a velocidade de arraste pelo

líquido, numa determinada distância menor que a altura da camada de sedimentação. Neste caso, a partícula acaba sendo depositada sobre a superfície inclinada do separador de fases até que uma massa suficientemente grande de sólidos se acumule e deslize, fazendo com que o lodo retorne à zona de digestão (van Haandel & Marais, 1999).

As bolhas de biogás formadas como resultado da di gestão anaeróbia, formadas na zona de digestão, sobem juntamente com a fase líquida até encontrarem uma interface líquido-gás, presente abaixo do separador de fases. Nesta região, as bolhas se desprendem formando uma fase gasosa. Eventualmente, alguns flocos de lodo que subiram até a interface líquido-gás aderidos às bolhas, após o desprendimento do gás tendem a retornar novamente para a zona de digestão. Alguns obstáculos que funcionam como defletores de gás localizados abaixo das aberturas do separador de fases, desviam as bolhas de gás que porventura se formem verticalmente abaixo das aberturas do separador de fases, para evitar que passem pelas mesmas e criem turbulência na zona de sedimentação (van Haandel & Marais, 1999).

Como resultado da atividade anaeróbia, são formados gases (principalmente metano e gás carbônico), cujas bolhas também apresentam tendência ascendente. De forma a reter a biomassa no sistema, impedindo que ela saia com o efluente, a parte superior dos reatores UASB apresentam uma estru tura que possibilita as funções de separação e acúmulo de gás e de separação e retorno dos sólidos (biomassa).

O lodo formado pelo metabolismo biológico pode ser dividido em 2 partes distintas: Leito de lodo: região inferior, formada após alguns meses de operação, onde ocorre o desenvolvimento de um lodo bastante concentrado, com concentrações máximas na faixa de 5 a 10% (van Haandel & Lettinga, 1994).

Manta de lodo: região superior, formada logo acima do leito de lodo. Nesta, encontra-se a zona de lodo mais disperso, na qual os sólidos apreencontra-sentam velocidades de sedimentação mais baixas. A concentração de lodo nessa zona geralmente varia entre 1,5 a 3% (Chernicharo et al., 1999a).

A região localizada entre o leito e a manta de lodo é denominada zona dinâmica ou de transição, na qual ocorre o arraste de sólidos (Hamoda & Berg, 1984 apud Bof, 1999).

No reator UASB a produção de lodo é bem baixa sendo seu excesso descartado periodicamente com o objetivo de evitar que sólidos sejam carreados junto com o efluente devido ao aumento do volume de lodo no reator. O lodo de excesso descartado deve ser submetido a algum processo de separação de fazes sólida e líquida23. Diferentemente dos filtros anaeróbios, não há necessidade de decantação primária, o que simplifica ainda mais o fluxograma da estação (van Haandel & Lettinga, 1994). A descarga do excesso de lodo, quando necessária, deve se realizar referencialmente pelo ponto superior da manta de lodo, onde se encontra o lodo mais floculento (Noyola, 1994; Chernicharo et al., 1999b).

3.5

Biofiltro Aerado Submerso

Os biofiltros aerados constituem-se numa tecnologia de tratamento de esgoto sanitário, surgida na Europa no início dos anos 80, que consiste em um reator biológico trifásico, preenchido por material poroso, mantido totalmente submerso, através do qual passa a vazão de esgoto a ser tratado juntamente com a vazão de ar necessária para a oxidação biológica (Chernicharo et al., 1996) (Figura 3-3).

Dentre os processos aeróbios com biofilme, os biofiltros aerados submersos destacam-se pela compacidade e elevada eficiência na remoção de matéria orgânica. Sua principal desvantagem consiste na necessidade de lavagens periódicas para reduzir perdas de carga hidráulica. Entretanto, em se tratando de unidade de pós-tratamento de reatores UASB, a utilização de reatores com biofilme constitui-se em uma boa solução, visto que o efluente anaeróbio apresenta baixas concentrações de matéria orgânica, o que diminui a carga aplicada aos biofiltros. (Gonçalves, 1995).

23 _{A opinião de alguns especialistas diverge entre qual seria a denominação correta para a secagem do lodo}

Leito Aeração Efluente Anaeróbio Efluente Final

Figura 3-3: Biofiltro Aerado Submerso

Os sistemas aeróbios promovem uma excelente remoção de matéria orgânica. No entanto, são bastante onerosos pois necessitam de energia para aeração e de unidades adicionais de adensamento e digestão de lodo, além de produzirem muito lodo e de baixa concentração e alto grau de instabilidade. Bof (1999) reporta valores médios de 0,4% ST e 80%SV/ST encontrados em lodo de biofiltros aerados submersos trabalhando como pós-tratamento de reatores UASB.

3.5.1 Operações de lavagem

As lavagens periódicas são realizadas com o objetivo de retirar o lodo aderido em excesso gerado devido ao crescimento do biofilme. Este então, é descartado como lodo de lavagem.

Segundo Pujol (1992) apud Bof (1999), as operações de lavagem geralmente consomem um volume de água cerca de 3 vezes o volume do leito filtrante.

3.6

Produção de Lodo

Em geral, o lodo produzido em reatores anaeróbios não requer tratamento para a estabilização antes do processo de separação de água e sólido. Este fato, aliado ao reduzido volume de lodo produzido, aproximadamente 1/6 da produção de lodo em sistemas aeróbios, torna o tratamento e destino final de lodo em sistemas de tratamento anaeróbio muito mais simples do que em sistemas de tratamento aeróbio.(Aisse et al., 1999).

A produção de lodo num reator UASB tipicamente está na faixa de 0,07 a 0,39KgST/KgDQOremovida, de 0,05 a 0,28KgST/KgDQOaplicada e de 0,03 a 0,21KgSV/KgDQOaplicada, dependendo da composição do esgoto bem como das condições operacionais do reator (Tabela 3-4).

Tabela 3-4: Valores de coeficiente de crescimento de biomassa (Y) para lodo de reatores do tip o UASB obtido por outros autores

Fonte YUASB (KgST/KgDQOrem) Y’UASB (KgST/KgDQOaplic) Y’’UASB (KgSV/KgDQOaplic) Araújo (1996)24 0.1 - 0.2 - - Bof (1999)25 0.07 0.05 0.03

Medeiros et al (1998) apud Bof

(1999) 0.13 - 0.15 - -

Coura & van Haandel (1999)26 - 0.28 0.21

Chernicharo (1997) - 0.1 - 0.2 -

Chacon, 199427 - 0.02 -

Van Haandel & Lettinga (1994) 0.14-0.2 - - Sistemas de Cali, São Paulo e

Kampur apud van Haandel & Lettinga (1994)28

0.29-0.39 0.2-0.27 0.07-0.1

Em se tratando de reatores aeróbios, a produção de lodo está na faixa de 0,02 a 0,41KgST/KgDQOremovida e de 0,01 a 0,52 KgSV/KgDQOremovida (Tabela 3-5).

Tabela 3-5: Valores de coeficiente de crescimento de biomassa (Y) de lodo aeróbios obtido por outros autores

Fonte Yaeróbio

(KgST/KgDQO rem)

Y’aeróbio

(KgSV/KgDQO rem)

Araújo (1996) 0.02 - 0.14 0.01 - 0.03

Canler & Perret (1993) 0.41

Bof (1999) 0.11 - 0.27 0.06 - 0.22

EPA (1993); Orthon & Artan (1994) apud von

Sperling (1996b) 0.3 - 0.7

Van Haandel & Marais (1999) 0.35 - 0.52

Van Haandel & Lettinga (1994) > 0.2

Dependendo do processo escolhido para o tratamento de águas residuárias, o lodo de esgoto pode ser submetido a diferentes tipos de adensamento, estabilização, condicionamento e desidratação antes de sua disposição final. De um modo geral, a estabilização é utilizada para a redução da massa de lodo, redução de microrganismos patogênicos e controle de odores. Já o adensamento, o condicionamento, a desidratação e a secagem, para remoção de água e redução do volume de lodo (Tsutya, 2000).

24 _{UASB + BF em escala piloto, sem retorno de lodo aeróbio}

25 _{UASB+ BF em escala piloto, com retorno de lodo aeróbio para o UASB} 26

UASB + Lodos ativados com retorno de lodo a eróbio para o UASB

27 _{ETE RIO FRIO} 28 _DAFA

3.6.1 Adensamento e Digestão de lodo

Comparado com Lodos ativados, o reator UASB produz um lodo mais fácil de ser adensado (Lettinga et al 1996 apud von Sperling & Chernicharo, 1998).

Vários indicadores podem ser utilizados para avaliar o grau de estabilização do lodo, como: odor; nível de redução de patógenos; nível de redução de sólidos voláteis; toxicidade; taxa de absorção de oxigênio; ATP29; atividade enzimática; DBO, DQO e COT; teor de nitrogênio (amoniacal e nítrico); teor de orto-fosfato; teor de carboidratos, proteínas e lipídios; teor de cinzas; aptidão à desidratação; presença de protozoários e rotíferos; viscosidade; teor calorífico e combinação de vários parâmetros (Fernandes, 2000; Chávez, 1998 apud Nascimento et al., 2001).

Quanto mais o lodo se assemelhar à matéria orgânica “fresca”, maior será seu potencial de putrefação e produção de odores desagradáveis e também maior será a concentração de microrganismos patogênicos. À medida que o lodo “fresco” passa por processos de biotransformação, seus componentes orgânicos, mais facilmente biodegradáveis, são transformados e o lodo ganha características de lodo “estabilizado”, apresentando odor menos ofensivo e menor concentração de microrganismos patogênicos. A necessidade de estabilização do lodo está, principalmente, ligada a essas duas características negativas do lodo fresco: seu potencial de produzir odores e seu conteúdo em microrganismos patogênicos, sendo que na prática, um lodo pode ser “estabilizado” por outros métodos, além dos processos de biodegradação (Fernandes, 2000).

Segundo Luduvice (2000), o lodo digerido anaerobicamente tem coloração preta enquanto o lodo digerido aerobicamente apresenta coloração marrom. O lodo estabilizado (digerido) não possui odor ofensivo

.O lodo gerado em ETEs, notadamente lodo primário e secundário originado de processos aeróbios, possuem uma grande quantidade de matéria orgânica biodegradável, na forma de sólidos suspensos voláteis (Tabela 3-6). No tratamento de lodo a redução da fração orgânica ou estabilização do lodo é desejável antes de sua disposição final. Para a estabilização do lodo são aplicados quase exclusivamente

métodos biológicos de digestão, podendo ser anaeróbia ou aeróbia (Nascimento et al , 2001).

Tabela 3-6: Características do lodo em termos de Sólidos Voláteis

Tipo de lodo SV/ST (%)

primário 60 - 80

Secundário 60 - 80

Ativado excedente 80

Misto (primário + ativado) 75

Digerido 30 - 60

UASB 30-7430

Fontes: Luduvice (1999); von Sperling & Chernicharo (1998); Aisse et al (1999); Veenstra (1990) apud Nascimento (2001).

Digestores anaeróbios de lodo têm que atender a três importantes requisitos para apresentar um bom desempenho na redução da fração volátil do lodo: permitir um contato intensivo entre a população de bactérias responsável pela digestão com o substrato (o lodo a ser digerido); manter as condições ambientais adequadas às bactérias e ter uma idade de lodo ou tempo de retenção celular suficiente para que a população de bactérias seja compatível com o processo e com o substrato afluente (Nascimento et al, 2001).

Nascimento et al (2001) avaliaram a estabilização anaeróbia do lodo proveniente de um sistema de Lodos ativados do tipo Bardenpho, em reatores do tipo UASB. Os resultados demonstraram que a utilização de reatores UASB como digestores de lodo dispensa a unidade de adensamento bem como os dispositivos de agitação do lodo, significando uma economia de investimentos iniciais e operacionais além de maior simplicidade operacional.

A digestão anaeróbia é o processo mais utilizado atualmente, produzindo um lodo relativamente estável a um custo moderado. Não havendo outro substrato, que não o lodo a ser digerido, ocorrerá a estabilização tanto do material biodegradável extracelular presente no lodo (DQO exógena) como do próprio lodo (DQO endógena). Como resultado, haverá uma diminuição da concentração de SV, caracterizando um lodo estabilizado (Nascimento et al, 2001).

Fundamentos da Digestão anaeróbia

A remoção da matéria orgânica dos esgotos ocorre através dos processos de desassimilação ou catabolismo31. Os dois tipos de catabolismo de interesse no tratamento dos esgotos são: catabolismo oxidativo (oxidação da matéria orgânica) e catabolismo fermentativo (fermentação da matéria orgânica). A digestão anaeróbia é um processo biológico no qual diferentes tipos de microrganismos, na ausência de oxigênio molecular, promovem a transformação de compostos orgânicos complexos (carboidratos, proteínas e lipídios) em produtos mais simples como metano e gás carbônico. Vários são os fatores que influenciam o desempenho da digestão anaeróbia de águas residuárias, dentre eles destacam-se: a temperatura, o pH, a alcalinidade e a presença de nutrientes, capacidade de assimilação de cargas tóxicas, transferência de massa, sobrecargas hidráulicas e a atividade metanogênica (Murk et al., 1980).

Da digestão anaeróbia, o material particulado complexo é convertido em materiais dissolvidos mais simples (hidrólise), que logo são convertidos (acidogênese) em substâncias orgânicas simples (ácidos graxos voláteis de cadeia curta – ácidos graxos voláteis, álcoois, ácido lático e compostos minerais como CO2, H2, NH3, H2S etc.). A seguir, uma etapa intermediária (acetogênese) converte estes produtos em compostos que formam os substratos para produção de metano (acetato, hidrogênio e dióxido de carbono) que, por sua vez, são finalmente convertidos em metano e dióxido de carbono (metanogênese).

31

Reações de produção de energia, nas quais ocorre a degradação do substrato e o material orgânico é usado como fonte de energia por meio de sua conversão em produtos estáveis. Parte da energia liberada é usada pelas bactérias na formação de material celular (anabolismo). (von Sperling, 1996a e van Haandel & Marais, 1999).

3.7

Produção de Biogás

Formação e Características do Biogás

A produção teórica de metano pode ser derivada da estequiométrica da digestão anaeróbia onde 1 mol de CH4 requer 2 moles de oxigênio para sua completa oxidação a gás carbônico e água.(Equação 3-1):

CH4 + 2O2 CO2 + 2H2O Equação 3-1

(16g) (64g) (44g) (36g)

Portanto, cada 16g de CH4 produzido, correspondem à remoção de 64g de DQO. Na CNTP isso corresponde a 350mlCH4/gDQOremovida.

A expressão geral que determina a produção teórica de metano por grama de DQO removida é apresentada nas Equações 3-2 e 3-3 (Chernicharo, 1997):

) ( 4 4 _{K t} DQO V_CH = CH

VCH4 = produção volumétrica de metano (l/dia);

DQOCH₄ = carga de DQO removida no reator e convertida em metano (gDQO);

K(t) = fator de correção para a temperatura operacional do reator (gDQO/l).

) 273 ( ) ( t R K P t K + × × = Equação 3-3 Onde:

P = pressão atmosférica (1 atm);

K = DQO correspondente a um mol de CH4 (64 gDQO/mol); R = constante dos gases (0,08206 atm.L/mol.OK);