II-027 USO DE REATOR ACIDOGÊNICO HORIZONTAL TUBULAR COMO UNIDADE DE PRÉ-TRATAMENTO DE ESGOTO SINTÉTICO SIMULANDO ESGOTO SANITÁRIO

II-027 – USO DE REATOR ACIDOGÊNICO HORIZONTAL TUBULAR COMO

UNIDADE DE PRÉ-TRATAMENTO DE ESGOTO SINTÉTICO SIMULANDO

ESGOTO SANITÁRIO

Marcio Gomes Barboza(1)

Professor Assistente do Centro de Tecnologia da Universidade Federal de Alagoas. Mestre e doutorando em Engenharia Civil, área Hidráulica e Saneamento pela Escola de Engenharia de São Carlos – USP.

Eugênio Foresti

Professor Titular do Departamento de Hidráulica e Saneamento da Escola de Engenharia de São Carlos – USP. Mestre e Doutor em Engenharia Civil, área Hidráulica e Saneamento pela EESC –USP. Pós-Doutor pela Univerty of New Castle Upon Tyne – Ingalterra.

Endereço (1): Campus A. C. Simões/UFAL/CTEC, BR 104, Km 97, CEP 57072-970. Maceió, AL – Brasil.

Tel: +55 (82)214-1271. e-mail: mbarboza@ctec.ufal.br RESUMO

O trabalho tem como objetivos o monitoramento e a caracterização do efluente de um reator acidogênico tubular em escala de bancada para tratamento de esgoto sintético simulando esgoto sanitário. O sistema foi composto por um reator tubular, sem leito suporte, com características hidrodinâmicas do tipo “plug-fow”. Adotou-se um tempo de detenção hidráulico igual a 4 h. A temperatura de operação foi mantida em 25 oC. Os parâmetros monitorados foram DQO, ácidos voláteis, alcalinidade total e a bicarbonato, sólidos voláteis, pH, carboidratos, lipídeos, proteínas e amônia. Também foram realizados exames de morfologia dos microrganismos através de microscopia ótica. Os resultados apresentados permitiram concluir que o reator acidogênico tubular é viável como unidade de pré-tratamento de esgoto doméstico proporcionando uma redução de DQO da ordem de 42% e uma produção de ácidos acético, propiônico e butírico de 72, 21 e 2 mg/L, respectivamente. O efluente apresentou valores de pH entre 6,7 e 7,2 e alcalinidade à bicarbonato média igual a 101 mgCaCO3/L.

PALAVRAS-CHAVE: Reator Acidogênico, Sistema em Duas Fases, Pré-tratamento de Esgoto, Tratamento

Anaeróbio, Esgoto Sanitário.

INTRODUÇÃO

A digestão anaeróbia de resíduos orgânicos apresenta as seguintes vantagens quando comparada com os sistemas aeróbios: produção de lodo biológico mais estabilizado e em menor quantidade; baixo requerimento de nutrientes; não há necessidade de aeração; produção de metano; maior assimilação de altas cargas orgânicas. As desvantagens apontadas são: maior sensibilidade das bactérias envolvidas no processo; tempo de partida do reator relativamente longo; os efluentes geralmente necessitam de um pós-tratamento para remoção de DQO, amônia e outros compostos; é susceptível a problemas relacionados com desequilíbrio, entre a produção e o consumo de ácidos voláteis pelos microrganismos que participam do processo.

Os desequilíbrios que ocorrem no processo, basicamente podem ser diretamente relacionados com: variações nas condições ambientais; projeto e operação dos reatores e falta de maior conhecimento das relações complexas que ocorrem entre os microrganismos.

Com objetivo de minimizar os desequilíbrios deste processo de tratamento e conseqüentemente otimizá-lo, Hammer and Borchard (1969) e Pohland and Gosh (1971) propuseram o Sistema Anaeróbio em Duas Fases. A nova concepção consistiu na separação entre a fase ácida e a fase metânogênica, adotando-se dois reatores em série. Os primeiros pesquisadores adotaram uma separação física dos reatores através de membrana, enquanto que na pesquisa realizada posteriormente a separação das fases ocorreu por controle cinético através dos tempos de detençãos hidráulico e celular.

A separação física entre as fases proporciona as seguintes vantagens: possibilidade de ajustes nas condições ambientais na interfase, resultando em altas taxas de conversão e aumento da estabilidade do processo; controle das cargas orgânicas; recirculação individual em cada reator e descarte do lodo acidogênico que possui maior taxa de crescimento, sem ocorrer perdas dos microrganismos metanogênicos cujas taxas de crescimento são inferiores.

Apesar das vantagens descritas, os sistemas em duas fases podem apresentar duas desvantagens no que se refere a transferência de H2 entre espécies e o baixo pH do reator acidogênico. A ausência de microrganismos

consumidores de H2, no reator acidogênico, faz com que sua pressão parcial aumente e, como conseqüência,

poderá haver uma mudança da rota metabólica conduzindo à formação de propionato e butirato. Este fenômeno pode ser exemplificado através do catabolismo de glicose por bactérias hidrolíticas fermentativas, que conduz à formação de acetato, propionato e butirato, como mostrado nas reações apresentadas a seguir:

C6H12O6 + 2H2O

→

( 1 )

C6H12O6

→

C6H12O6

→

O H2 tem um papel fundamental neste catabolismo. A nicotinamida adenina dinucleotídeo reduzida (NADH)

produzida durante a oxidação, deve ser regenerada através de redução de prótons para forma de gás hidrogênio. Os microrganismos hidrogenotróficos atuam como reguladores da pressão parcial do H2 no sistema. A ausência

destes microrganismos no reator possibilita um o aumento da pressão parcial de H2 e como forma de

autocontrole os microrganismos acidogênicos passam a adotar caminhos alternativos de disposição de elétrons para regeneração do NADH. Os caminhos alternativos são obtidos através da fermentação do piruvato para propionato, lactato e etanol ou através da fermentação da Acetyl-CoA para ácido butírico (Harper and Pohland, 1986).

Os processos de conversão dos ácidos orgânicos de cadeias maiores, álcoois e outros componentes, à ácido acético através das bactérias acetogênicas, também são diretamente influenciados pela pressão parcial do H2 no

sistema. Nas reações mostradas abaixo, verifica-se que a conversão do propionato, butirato e etanol, possuem variação de energia livre positiva, ou seja, a formação dos produtos é termodinamicamente desfavorável, e somente ocorrerá se houver uma remoção do H2.

Propionato

CH3CH2COO- + 3H20

→

Butirato

CH3CH2CH2COO- + 2H2O

→

Lactato

CH3CHOHCOO- +2H20

→

Etanol

CH3CH2OH + H2O

→

Gujer and Zehnder (1983), Boone and Bryant (1980) e Koch et al. (1983), citados por Sam-Soom (1990), determinaram os tempos de geração de microrganismos acetogênicos que oxidam butirato e propionato. Os pesquisadores obtiveram valores de 2,3 d para as acetogênicas que oxidam butirato e 4,6 a 5,8 d para as acetogênicas que oxidam propionato.

Portanto, o projeto de reatores acidogênicos com tempo de detenção hidráulico(θh) semelhante ao tempo de

detenção celular(θc) e ambos inferiores aos tempos de geração de microrganismos acetogênicos, possibilitará

O presente trabalho, entre outros desenvolvidos no Laboratório de Processos Biológicos da Escola de Engenharia de São Carlos-USP, está inserido no projeto temático da FAPESP intitulado “Desenvolvimento de Sistemas Anaeróbios para Tratamento de Águas Residuárias: Concepção, Operação, Hidrodinâmica, Microbiologia e Materiais de Construção Alternativos”. Seu objetivo específico é avaliar o desempenho de um reator acidogênico anaeróbio, em escala de bancada, como unidade de pré-tratamento de esgoto sintético simulando esgoto sanitário.

MATERIAIS E MÉTODOS

O sistema experimental foi composto por um reator horizontal tubular em escala de bancada, semelhante ao desenvolvido por Zaiat et al. (1997), entretanto sem leito fixo. As características do reator foram:

Material: Tubo em acrílico transparente Comprimento (Lt): 104,0 cm

Diâmetro interno (D): 5,2 cm

Coleta de gás: 5 unidades localizadas na geratriz superior do tubo (L/D = 2, 6, 10, 14 e 18). Pontos de amostragens intermediários: 4 unidades (L/D = 4, 8, 12 e 16)

Volume total: 2209 mL

O reator foi mantido no interior de uma incubadora, onde houve temperatura constante de 25+1oC. A Figura 1 representa uma vista lateral do reator.

Figura 1: Vista lateral do Reator

No 33o dia de operação adotou-se um decantador para coleta do efluente, cujo volume útil foi de 800 mL, Portanto, a partir daí as amostras do efluente passaram a ser coletadas após este dispositivo. O período experimental teve duração de 56 dias.

O substrato utilizado na pesquisa foi desenvolvido por Torres (1992), com composição semelhante ao esgoto doméstico. Sousa (1996); Sarti (1998), entre outros, comprovaram a viabilidade do uso deste substrato, através de pesquisas realizadas no Departamento de Hidráulica e Saneamento da Escola de Engenharia de São Carlos. Além das características de semelhança com o esgoto doméstico, outros fatores que também contribuíram decisivamente para sua escolha foram a eliminação do risco de contaminação do operador e a facilidade de preparo. Sua composição está apresentada na Tabela 1, onde são descritas as contribuições, em percentual de DQO, dos compostos orgânicos utilizados (proteínas, carboidratos e lipídeos). A contribuição em proteínas foi obtida através da adição de extrato de carne. Os carboidratos foram obtidos através da adição de sacarose, amido comercial e celulose. Os lipídeos foram obtidos com adição de óleo de cozinha à base de soja. A simulação da alcalinidade do esgoto doméstico(120 mg/L) foi feita através da adição de 200 mg/L de bicarbonato de sódio. Também houve a adição de detergente na proporção de 0,3 mL/L de esgoto. A DQO bruta do esgoto sintético foi de aproximadamente 560mg/L.

Tabela 1 - Composição orgânica do substrato sintético (Torres, 1992)

Fração Orgânica Percentagem da DQO (%) Composto Orgânico

Proteínas 50 Extrato de carne em pó

Sacarose (20%)

Carboidratos 40 Amido comercial (60%)

Celulose em pó (20%)

Lipídeos 10 Óleo de soja

O substrato também foi enriquecido com soluções de sais minerais. Torres (1992), pesquisou quais eram as concentrações aproximadas destes constituintes no esgoto sanitário real, com o objetivo de sintetizar um substrato com características semelhantes. A Tabela 2 apresenta as concentrações de sais minerais que foram usadas na composição do substrato sintético.

Tabela 2 - Concentração de sais minerais do substrato sintético

Sais Minerais Concentração (mg/l)

NaCl 250,0

MgCl2.6H2O 7,0

CaCl2.2H2O 4,5

A duração do experimento foi de 56 dias. O tempo de detenção hidráulico adotado para o reator foi de 4 horas. A taxa de carregamento orgânico volumétrico foi da ordem de 3,36 kgDQO.m-3.d-1. As análises físico-químicas que foram realizadas nesta pesquisa estão apresentadas, juntamente com os métodos utilizados para suas determinações, na Tabela 3.

Tabela 3 - Parâmetros analisados e referências bibliográficas dos métodos

Parâmetro Método Referência Bibliográfica do Método

pH ( unidade ) Potenciométrico Temperatura ( oC ) Medida direta

DQO ( mgO2.L -1 ) Digestão/Colorimétrico Sólidos ( mg.L-1 ) Gravimétrico Composição do Gás ( % ) Cromatografia APHA; AWWA; WPCF (1998)

Alcalinidade ( mg CaCO3.L-1 ) Titulação Ripley et al. ( 1986 )

Ácidos Voláteis( mgHAc.L-1 ) Titulação e Cromatografia Dillalo and Albertson ( 1961 ) Proteínas ( mg.L-1 ) Colorimétrico Lowry modificado por Peterson(1977) Carboidratos( mg.L-1 ) Colorimétrico DU Bois et al. ( 1956 )

Lipídeos ( mg.L-1 ) Colorimétrico Blundi ( 1988 )

Vazão ( L.d-1 ) Volumétrico

-Produção diária de gás (L ) Deslocamento de líquido

-As análises de DQO filtradas foram realizadas através de equipamento de filtração à vácuo utilizando-se membrana com poros de 1,2 µm.

Os exames microbiológicos do lodo anaeróbio foram realizados através de microscopia ótica. O microscópio usado foi da marca Olympus modelo BH2.

RESULTADOS E DISCUSSÃO ALCALINIDADE E PH

A variações temporais de pH e alcalinidade no efluente do reator acidogênico, conforme apresentado nas Figuras 2 e 3, indicam que a alcalinidade à bicarbonato introduzida no afluente foi suficiente para prevenir uma redução significativa dos valores de pH . Os valores de pH situaram-se na faixa de 6,7 a 7,2, com valor médio igual a 6,9. A alcalinidade à bicarbonato no efluente variou 72 a 131 mgCaCO3/L, com valor médio igual a

101 mgCaCO3/L. Portanto, o efluente dispõe ainda de alcalinidade à bicarbonato suficiente para a manutenção

do pH na faixa considerada ótima para a metanogênese.

Figura 2: Variação temporal da alcalinidade à bicarbonato no reator acidogênico

Figura 3: Variação temporal do pH no reator acidogênico DQO

A remoção média de DQO, considerando o afluente bruto e o efluente filtrado, foi da ordem de 42% até o 33o dia de operação quando entrou em funcionamento o decantador. O valor médio de remoção de DQO para o período compreendido entre o 33o e o 56o dia foi de 48% (Figura 4). Através das curvas de DQO bruta afluente e efluente ao reator verificamos a grande capacidade de hidrólise dos sólidos, principalmente, os maiores que 1,2 µm que não compõe a DQO filtrada. O valor médio de DQO bruta afluente foi de 570 mg/L, deste, 169 mg/L é devida aos sólidos com tamanhos superiores a 1,2 µm, correspondendo a 30 % do total. Enquanto, que o valor médio de DQO bruta efluente foi de 365 mg/L, sendo apenas 52 mg/L devida aos sólidos maiores que

0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 0 10 20 30 40 50 60 Dias de Operação

Alc à Bicarbonato (mgCaCO

3

/L)

Alc. à bicarbonato efluente Alc. à bicarbonato afluente

5,0 5,5 6,0 6,5 7,0 7,5 8,0 0 10 20 30 40 50 60 Dias de Operação pH pH Efluente pH Afluente

1,2 µm. Estes resultados confirmam as boas características de hidrólise obtidas com o uso de reatores acidogênicos para pré-tratamento de diversos tipos de efluentes de acordo com pesquisas realizadas por Beal e Monteggia (1997), Barboza e Foresti (1995), Wang (1994) e Cohen et al. (1979).

A Figura 4 mostra que no terceiro dia de operação a remoção de DQO já alcançava valores acima de 40% considerando a DQO bruta afluente e DQO filtrada efluente. Possivelmente, este fato ocorreu devido aos fenômenos de decantação da parcela sedimentável de sólidos, rápida etapa de hidrólise e conversão da matéria orgânica à biomassa conforme será abordado durante a discussão dos dados de ácidos voláteis.

Figura 4: Variação Temporal de DQO no reator acidogênico

O gráfico mostrado na Figura 5 foi traçado considerando a DQO bruta afluente e DQO filtrada nos demais pontos do reator. A DQO filtrada afluente foi igual a 399 mg/L e já no primeiro ponto de coleta (L/D = 4), o reator apresentava DQO filtrada igual a 320 mg/L. Estes resultados confirmam a grande capacidade de conversão da parcela de DQO, entretanto, o gráfico da Figura 7 indica que inicialmente esta conversão é priorizada para formação de biomassa.

Figura 5: Variação Espacial de DQO no reator acidogênico, considerando a DQO bruta afluente e DQO filtrada ao longo do reator

ÁCIDOS VOLÁTEIS 0 100 200 300 400 500 600 700 0 4 8 12 16 20 L/D DQO ( mg/L )

DQO Filtrada DQO Bruta 0 100 200 300 400 500 600 700 0 10 20 30 40 50 60 Dias de Operação Concentração ( mg/L )

primeira etapa corresponde ao período inicial de operação até o 33o dia de operação quando foi introduzido o decantador. A segunda etapa compreende o período entre o 34o e 56o dia de operação, onde o efluente passou a ser coletado após o decantador.

Apesar do reator acidogênico alcançar o equilíbrio dinâmico aparente em relação a DQO em torno do 4o dia de operação, em relação a produção de ácidos voláteis o equilíbrio foi obtido a partir do 8o dia. Este fato pode ser explicado através dos fenômenos de decantação da matéria orgânica particulada no reator e conversão da matéria orgânica para formação de biomassa já que não houve inoculação inicialmente.

O valor médio de ácidos voláteis, determinados por titulação, a partir do equilíbrio aparente da primeira etapa foi 63 mg/L. As concentrações de ácidos obtidas por cromatografia gasosa foram: 44,8 mg/L de ácido acético, 16,3 mg/L de ácido propiônico e 2,0 mg/L de ácido butírico.

A segunda etapa de operação apresentou resultado médio de 85 mg/L de ácidos voláteis determinados por titulação, enquanto que os resultados obtidos por cromatografia foram: 72,2 mg/L de ácido acético, 21,3 mg/L de ácido propiônico e 2,3 mg/L de ácido butírico. Portanto, a adoção do decantador proporcionou um aumento significativo na produção de ácidos, provavelmente devido ao aumento do tempo de detenção hidrálico. As proporções médias dos ácidos acético(75,5%), propiônico(22,1%) e butírico(2,4%), indicam que a ausência de microrganismos consumidores de H2 no sistema não conduziu uma mudança relevante na rota metabólica

para produção dos ácidos propiônico e butírico, conforme descrito por Haper and Pohland (1985) para degradação anaeróbia de glicose.

Figura 6: Variação Temporal de ácidos voláteis no efluente do reator acidogênico

A variação espacial de ácidos voláteis no reator (Figura 7), mostra que ao contrário da variação temporal de DQO, a produção de ácidos sofreu um retardo. Este fato reforça a hipótese de que inicialmente a maior parcela de energia obtida na conversão de substrato é direcionada para a produção de biomassa e, posteriormente, seja priorizada uma maior parcela de energia para manutenção desta biomassa, com o conseqüente aumento da produção de ácidos voláteis. O gráfico mostra ainda a tendência de crescimento da concentração de ácidos voláteis com o aumento o tempo de detenção hidráulico. Esta tendência foi confirmada na segunda etapa, quando foi adotado o decantador.

0 20 40 60 80 100 120 0 10 20 30 40 50 60 Dias de Operação Concentração (mg HAc/L) Efluente

Figura 7: Variação Espacial de ácidos voláteis no reator acidogênico, considerando a DQO bruta afluente e DQO filtrada ao longo do reator

SÓLIDOS SUSPENSOS VOLÁTEIS

Os valores médios de sólidos suspensos voláteis foram 391 mg/L no afluente e 342 mg/L no efluente. Apesar destes valores não demonstrarem grande eficiência na remoção de sólidos, é possível inferir a grande capacidade do sistema em converter a matéria orgânica particulada à biomassa, já que os sólidos do efluente foram compostos basicamente por biomassa.

O decantador adotado proporcionou uma equalização nas concentrações de sólidos efluentes do sistema, como pode ser visualizado a partir do 33o dia de operação( Figura 8 ).

Figura 8: Variação temporal de Sólidos Suspensos Totais(SST) e Sólidos Suspensos Voláteis(SSV) no reator acidogênico

EXAMES MICROBIOLÓGICOS

Os exames microbiológicos mostraram uma grande quantidade de células com morfologias do tipo cocus e bacilos (Figura 9). Também foi observada, em pequena quantidade, a presença de bacilos curvos e organismos filamentosos. Durante todo o experimento não foi detectada presença de microrganiasmos fluorescentes.

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 0 4 8 12 16 20 L/D

Conc. de Ácidos Voláteis (mgHAc/L)

0 200 400 600 800 1000 1200 0 10 20 30 40 50 60 Dias de Operação Concentração ( mg/L )

Figura 9: Exame microbiológico do lodo acidogênico realizado no 4o dia de operação. Presença de morfologias do tipo cocus e bacilos

CONCLUSÕES

Os valores de pH do efluente do reator acidogênico situaram-se entre 6,7 e 7,2, uma faixa considerada ótima para uma posterior conversão deste efluente em reator metanogênico. Os valores de alcalinidade à bicarbonato mostram que a pré-acidificação ocorreu sem consumir toda capacidade tampão, portanto, não haveria a necessidade de adição de álcalis para uma etapa posterior do tratamento.

Os resultados de DQO mostraram que a conversão da matéria orgânica ocorreu basicamente no início do reator acidogênico , entretanto, a produção de ácidos foi retardada ocorrendo com intensidade a partir do ponto de coleta L/D=12. A concentração de ácidos cresceu com o aumento do tempo de detenção hidráulico, principalmente, após o uso do dencantador, quando alcançou 48% de remoção.

As proporções médias dos ácidos acético(75,5%), propiônico(22,1%) e butírico(2,4%), indicaram que a desvantagem da ausência de microrganismos consumidores de H2 no sistema, , não afetou significativamente a

produção de ácido acético, contradizendo afirmações encontradas na literatura.

Os resultados demonstram a viabilidade do uso do sistema como pré-tratamento de esgoto sanitário visando a redução da carga orgânica e a pré-acidificação do afluente de um reator anaeróbio

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