REMOÇÃO DA POLUIÇÃO ORGÂNICA E NITROGENADA DE ESGOTO
URBANO EM REATOR HÍBRIDO OPERADO COM BAIXA TEMPERATURA
Delmira Beatriz Wolff(*)
Engenheira sanitarista e mestre em Engenharia Ambiental pela
Universidade Federal de Santa Catarina, Brasil, doutoranda em
Engenharia Ambiental-UFSC, sandwich com INSA-Toulouse,
França, bolsita CAPES E-mail: [email protected]
Juan Carlos Ochoa Chavez
INSA-Toulouse, França
Etienne Paul
INSA-Toulouse, França
Rejane Helena Ribeiro da Costa
Universidade Federal de Santa Catarina/Departamento de Engenharia Sanitária e Ambiental
(*)
Departamento de Engenharia Sanitária e Ambiental, CTC – Universidade Federal de Santa Catarina.
Campus universitário, Trindade, CEP 88040-970 Florianópolis SC Brasil Telefone 55 48 331 7743
RESUMO
Este trabalho investiga o desempenho de um reator piloto híbrido com leito móvel na remoção simultânea de
poluição orgânica e nitrogenada de um esgoto urbano, operado com temperatura de 16oC. Foi utilizado um
polietileno de baixa densidade como material suporte, com alta superfície específica para o crescimento da
biomassa (3075 m2/m3sup.). O reator piloto foi monitorado em duas fases, A e B com idades do lodo médias de
10 e 3 dias, respectivamente. As cargas volumétricas médias aplicadas foram de 0,9 kgDQO/m3 dia (carga
orgânica) e 0,15KgNTK/m3.dia (carga nitrogênio). Os resultados obtidos mostraram uma remoção de 91% de
DQO, nas duas fases, e 75% e 71% de NTK, fases A e B, respectivamente. O processo mostrou-se eficiente
para o tratamento de esgoto sanitário, quando operado com baixa temperatura, baixa idade do lodo e baixa
porcentagem de preenchimento.
PALAVRAS CHAVE
Nitrogênio, poluição orgânica, reator híbrido, tratamento de esgoto urbano
INTRODUÇÃO
Os crescentes níveis de poluição dos recursos naturais, causados principalmente pelo crescimento
desordenado das populações urbanas e pelo desenvolvimento tecnológico e industrial, exigem o
desenvolvimento de novas tecnologias de tratamento de efluentes, com o objetivo de reduzir e/ou eliminar
poluentes antes de seu lançamento nos recursos hídricos. Os processos de tratamento biológicos aeróbios de
biomassa floculada, como lodos ativados convencionais, são freqüentemente usados para tratar os efluentes
domésticos e industriais. Estes processos são eficientes na remoção de sólidos em suspensão e DQO, contudo,
exigem grande área de instalação, reagem com dificuldade às altas variações de carga orgânica, e são muito
dependentes da separação líquido/sólido e apresentam altos custos relativos à energia na aeração do sistema.
No sentido de obter um reator biológico com elevada velocidade de conversão, capaz de tratar a poluição
orgânica e nitrogenada em um único reator compacto, foram desenvolvidos os reatores híbridos, que utilizam
processo de biomassa fixa em conjunto com lodo ativado (biomassa floculada). Este tipo de reator apresenta
como vantagens, em relação aos outros processos de biomassa fixa, uma maior capacidade de retenção da
biomassa no reator, melhor decantabilidade do lodo, utiliza material-suporte de baixa densidade, com elevada
superfície específica para o crescimento da biomassa, redução de custos de instalação e energia e ainda, a
possibilidade de otimização de estações de tratamento de esgoto existentes para absorver maiores cargas
orgânicas e promover a nitrificação e desnitrificação (∅degaard et al., 2000, Andreottola et al., 1999).
Este trabalho investiga a remoção da poluição orgânica em termos de Demanda Química de Oxigênio-DQO e
nitrogenada em termos de Nitrogênio Total Kjeldahl-NTK em um reator híbrido de leito móvel, operando
com temperatura de 16oC e diferentes idades do lodo. O princípio do reator de leito móvel é o crescimento de
um biofilme em um elemento plástico de baixa densidade, o qual se move livremente no reator biológico
(tanque de aeração) (Andreottola et al., 1999).
METODOLOGIA
Instalação piloto.
O reator piloto era constituído por uma coluna em PVC transparente com volume útil de 22 litros (suporte +
lodo), a qual era dotada de um agitador, com duas hélices, que mantinha o suporte em suspensão; um
decantador com volume de 2,5 litros, de onde o lodo era recirculado em direção ao reator; e 3 bombas
peristálticas, que eram utilizadas para alimentação do sistema, recirculação de lodo e adição de fonte de
carbono, respectivamente. A aeração era seqüencial, com um corte de ar por ciclos de 45 minutos, permitindo
a alternância de fases aeróbicas e anóxicas. O pH e o oxigênio dissolvido (OD) eram medidos por sondas e os
resultados eram processados por um software de aquisição de dados. A temperatura era mantida a 16°C por
meio de um termostato. O sistema era alimentado com esgoto sanitário captado na rede coletora urbana, que
era pré-decantado e estocado em um tanque metálico, agitado e refrigerado a 4°C . As características do
esgoto eram (valores médios): DQOTOTAL = 323 mg/L, NTK = 63 mg/L, NH+4 = 38 mg/L e DQO/NTK = 5.
Uma solução de carbono era injetada no tubo de recirculação durante a fase anaeróbia por meio de uma
bomba peristáltica, que era comandada por um “timer”. Esta solução era constituída por Propianato de Sódio,
Acetato, Amido solúvel e Etanol, utilizados como diferentes fontes de carbono facilmente biodegradáveis,
com o objetivo de permitir o crescimento de diversas espécies bacterianas. Após a adição desta solução, a
DQO total média da entrada passou a ser 390mg/L , e a relação DQO/N da entrada ficou superior a 6. A
figura 1 mostra o esquema da instalação piloto.
3
2
1
R321
1
2
CONSORT
SET
8
R321
H
L
O2
CAL
1
2
CONSORT
SET
H
L
O2
CAL
9
4
5
7
1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
8.
9.
computador
oxímetro
temperatura e pH-metro
tanque alimentação
bomba alimentação
bomba recirculação
agitação
reator biológico
decantador
10. bomba solução carbono
6
10
Figura 1. Instalação piloto
Material suporte
Como material suporte, foi utilizado o P5, em polietileno, forma cilíndrica, profundidade de 6,2 mm, diâmetro
médio de 10 mm, densidade 880 kg/m3 e superfície específica potencial para o crescimento dos
microorganismos de 3075 m2/m3sup., cuja porcentagem de preenchimento no reator foi de 10%. A figura 2
mostra a foto deste material.
0, 22
0,24
0, 14
Figura 2. Suporte P5 – lupa
Condições operacionais
O reator foi operado durante 227 dias em duas fases (A e B), definidas em função da idade do lodo: fase A,
com idade do lodo média de 10 dias e fase B, idade do lodo média de 3 dias. A vazão de alimentação e
recirculação era de 45 L/dia. As cargas volumétricas médias aplicadas foram de 0,9 kgDQO/m3 dia (carga
orgânica) e 0,15KgNTK/m3.dia (carga de nitrogênio total) nas fases A e B. Estas cargas aplicadas foram
calculadas em função do volume de líquido do reator.
Análises
Foram realizadas análises diárias de Demanda Química de Oxigênio (micrométodo ao dicromato de potássio),
total e filtrada, sólidos em suspensão e voláteis (gravimétrico), Nitrogênio total e amoniacal (Standard
Methods, 1998). As eficiências de remoção em termos de DQO e NTK nas fases A e B foram calculadas
diariamente. As amostras eram compostas, coletadas em um período de 12 horas aproximadamente. O
rendimento da produção de lodo (Yobs) foi determinado através da relação entre a biomassa produzida
diariamente (Px) e a DQO removida. A produção diária de lodo depende da quantidade de sólidos em
suspensão voláteis (SSV) que entram no reator, dos SSV acumulados no reator durante ∆t, dos SSV presentes
no lodo descartado e na saída do reator.
RESULTADOS
Remoção de matéria orgânica e produção específica de lodo
Após a inoculação de uma semana com lodo ativado e 54 dias em condições operacionais normais, foi dado
início ao monitoramento diário do reator piloto. A figura 3 mostra a evolução da DQO total de entrada e DQO
total e filtrada na saída do sistema, nas fases A e B
DQO, mg.L
-1
750
600
Fase B
DQOt (entrada)
Fase A
P5
DQOt (saída)
DQOsol (saída)
450
300
150
0
54 62 70 78 86 94 102 110 118 126 134 142 150 158 166 174 182 190 198 206 214 222 230
Tempo , d
Figura 2. Evolução da DQO, fases A e B
Na figura 3, observa-se uma boa estabilidade na remoção da DQO filtrada, em relação à variação da
DQOfiltrada, o que mostra que o reator é robusto, capaz de absorver as variações de carga.
Na tabela 1, é apresentado o rendimento médio de remoção da matéria orgânica em termos de DQO e a
produção observada de lodo (Yobs) nas fases A (idade do lodo = 10 dias) e B (idade do lodo = 3 dias),
operados com temperatura média de 16oC. As cargas orgânicas volumétricas aplicadas (CVap) foram
calculadas em termos de DQO total e as cargas orgânicas volumétricas removidas (CVrem), em termos de
DQO filtrada.
Tabela 1: Remoção de cargas orgânicas (valores médios) e produção observada de lodo
Parâmetro
Fase A
Fase B
CVap (KgDQOtotal/m3liq.d)
0,94 ± 0,12
0,83 ± 0,26
CVremsol (kgDQOsol/ m3liq.d)
0,84 ± 0,33
0,77 ± 0,44
CVremtotal (kgDQOf/ m3liq.d)
0,86 ± 0,13
0,81 ± 0,13
Remoção filtrada (%)
91 ± 3
91 ± 4
Remoção total (%)
79 ± 13
72 ± 11
Yobs (g/gDQOrem)
0,28
0,37
Estes resultados mostraram uma boa eficiência na remoção de carbono (91%), independente da idade do lodo,
com uma baixa porcentagem de preenchimento dos suportes no reator (apenas 10%), para cargas orgânicas
em torno de 1 kgDQO/m3dia, sendo o reator operado com temperatura de 16±1oC. Andreottola et al, 1999,
trabalhando com um MBBR (Moving Bed Biofilm Reactor), utillizando um suporte plástico com
porcentagem de preenchimento superior, de 70%, com idade do lodo variando entre 6,7 e 14 dias e com carga
aplicada média de 0,61kgDQO/m3.dia e temperatura em torno de 20oC, obteve uma eficiência média de
remoção de DQO de 76%.
A figura 4 apresenta a porcentagem de remoção carbonácea em função da relação entre as cargas orgânicas
volumétricas removidas (COVrem total) e cargas volumétricas aplicadas (COVap total), em termos de DQO
total, no decorrer das fases A e B.
100%
1200
CVremtotal, mgDQO.d L
-1, -1
90%
80%
1000
70%
P5 fase B
P5 fase A
800
60%
600
400
200
0
0
200
400
600
800
-1
1000
1200
-1
CVaptotal, mgDQOtot,d .L
Figura 4. Remoção de COV total
A figura 5 apresenta a porcentagem de remoção carbonácea em função da relação COVremfiltrada e COVaptotal,
onde a COVremfiltrada foi calculada em termos de DQO filtrada.
1200
100%
90%
CVremfil, mgDQO.d L
-1, -1
1000
80%
P5 fase A
P5 fase B
800
70%
60%
600
400
200
0
0
200
400
600
800
1000
1200
Cvaptot, mgDQOtot,d-1.L(liq)-1
Figura 5. Rendimento da remoção de COVfiltrada
Com relação à carga orgânica filtrada, o rendimento foi muito estável, mesmo com idade do lodo na faixa de
3 dias. O reator apresentou, porém, problemas com relação à DQO particulada, devido ao arraste de lodo em
consequência de ocorrer ainda desnitrificação no decantador (lodo flotante).
Remoção de nitrogênio
A figura 6 mostra o rendimento da nitrificação nas fases A e B, através da relação N-nitrificável e Nnitrificado.
100%
4500
90%
N-Nitrificado, mg N.d
-1
4000
P5 fase A
3500
P5 fase B
3000
70%
2500
50%
2000
1500
30%
1000
500
0
0
500
1000
1500
2000
2500
3000
3500
4000
4500
-1
N-Nitrificável, mg.d
Figura 6. Rendimento da nitrificação, fases A e B
Verificou-se, então, que a diminuição da idade do lodo de 10 dias para 3 dias afetou muito pouco a
nitrificação. Isto ocorreu porque as bactérias nitrificantes autotróficas, em reatores híbridos, ficam
principalmente confinadas no biofilme, como observado por Oyanedel et al(2002), Ochoa et al (2002), Wolff
et al (2003).
Foi observado um rendimento médio de remoção de nitrogênio total de 75% e 71%, fases A e B,
respectivamente, com cargas aplicadas em torno de 0,15 kgNTK/m3dia, sendo o reator operado com
temperatura média de 16°C. A cinética de crescimento (µmáx) e o decaimento dos nitrificantes, bem como a
velocidade de reação enzimática de oxidação do nitrogênio dos nitrificantes são fortemente influenciados pela
temperatura (Hoffmann, 2000). A nitrificação pode ocorrer em uma faixa entre 4 a 45oC, contudo, a
temperatura ótima é de 35oC para Nitrosomonas e de 35-42oC para Nitrobacter (Nitrogen Control-EPA,
1993). Verifica-se, deste modo, que a temperatura de 16oC a qual foi operado o reator piloto, pode ser
limitante para o processo de nitrificação.
A figura 7 mostra a evolução temporal da remoção de nitrogênio total
110
100
Fase A
Fase B
90
NTK, mgN/L
80
70
Estabilização
P5
Entrada
Saída
60
50
40
30
20
10
0
54 62 70 78 86 94 102 110 118 126 134 142 150 158 166 174 182 190 198 206 214 222 230
Tempo, d
Figura 7. Evolução da remoção de NTK, fases a e B
Com relação `a remoção de nitrogênio, o reator piloto não foi muito estável, mostrando alterações na
concentração de saída do reator, decorrentes das mudanças nas concentrações de NTK aplicadas. . Observouse, neste suporte, que a área específica total teoricamente disponível para o crescimento da biomassa, na
prática, não foi totalmente colonizada. A figura 8 mostra a foto do suporte com biofilme, obtida por lupa.
Figura 8. foto do suporte P5 colonizado (aumento 15X)
Observa-se que o crescimento do biofilme ocorreu principalmente na superfície interna do suporte. Como este
material não apresenta uma rugosidade efetiva, a biomassa que poderia se aderir na superfície externa é
submetida intensamente as forças hidrodinâmicas de cisalhamento, devido à turbulência formada na massa
líquida e pela passagem do ar. Deste modo, provavelmente não ocorre a fase de adesão irreversível dos
microorganismos sobre o suporte, na superfície externa, sendo que o crescimento da biomassa ficou limitado
ao interior do suporte, que fica mais protegido das forças hidrodinâmicas. O biofilme resultante é então
espesso e principalmente formado por organismos heterotróficos (Wolff et al, 2003). Como os organismos
nitrificantes estão principalmente confinados no biofilme, neste reator, com baixa porcentagem de
preenchimento, com uma superfície real para o crescimento da biomassa abaixo da superfície real, com uma
população predominante de heterotróficas na biomassa aderida,sendo o reator operado com temperatura de
16oC e com idades do lodo de 10 e 3 dias, não foi obtida a nitrificação total no sistema.
CONCLUSÕES
Com base nos resultados obtidos, verificou-se que o reator híbrido de leito móvel constitui uma alternativa
muito interessante para o tratamento de efluentes sanitários, pois apresentou um bom desempenho na remoção
da poluição carbonácea, em média 91%, e nitrogenada, em média 75%, mesmo trabalhando com grande
variação de cargas aplicadas, com temperaturas baixas, em torno de 16oC, e com baixa idade do lodo
(aproximadamente 3 dias), e para cargas aplicadas de 0,9 kgDQO/m3 dia (carga orgânica) e
0,15KgNTK/m3.dia (carga nitrogênio). Desta forma, este tipo de reator exige menores áreas de implantação, o
que implica em custos reduzidos de instalação. Por trabalhar com um material suporte de baixa densidade, e
apresentar um bom rendimento com uma porcentagem de preenchimento de apenas 10%, apresentam como
grande vantagem a possibilidade de redução de custos ligados à aeração do sistema.
O sistema mostrou-se capaz de absorver variação de cargas orgânicas aplicadas, o que mostra que esta
tecnologia é promissora, e constitui uma alternativa muito interessante para aplicação em áreas turísticas
(balneários, hotéis fazenda, etc.), onde há grande variação de população contribuinte na época de temporada,
assim como em regiões com climas temperados, onde as temperaturas são baixas nos meses de outono e
inverno.
AGRADECIMENTOS. Os autores agradecem à CAPES pelo auxílio financeiro prestado.
REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS
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∅degaard, H., Gisvold, B., Strickland, J. The influence of carrier size and shape in the moving
bed biofilm process. Water Science and Technology, vol. 41 n°4-5 pp. 383-391, 2000.
Ochoa, J.C., Colprim, J., Palacios B., Paul, E., And Chatellier, P. Active heterotrophic and
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Oyanedel, V.; Garrido, J.M.; Colprim, J.; Lazarova, V. And Mendez, R. Comparison and
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Standard Methods For The Examination of Water And Wastewater, 19th ed, American Public
Health Association/American Works Association/Water Environment Federation. Washington DC, USA,
1998.
Wolff, D.B., Ochoa Chavez, J.C., Paul, E Costa, R.H.R. Estudo da biomassa heterotrófica e
autotrófica ativa desenvolvida em reatores híbridos no tratamento de esgoto urbano. XIV SINAFERM,
Editoração eletrônica, Florianópolis SC, 2003.