23º Congresso Brasileiro de Engenharia Sanitária e Ambiental
II-396 – INFLUÊNCIA DA CONCENTRAÇÃO DE OXIGÊNIO DISSOLVIDO
SOBRE O DESEMPENHO DE SISTEMAS DE LODO ATIVADO.
Úrsula Thaís de Paula Medeiros
Engenheira Civil e Mestre em Engenharia Sanitária e Ambiental pela Universidade Federal de Campina
Grande.
Paula Frassinetti Feitosa Cavalcanti
Mestre em Engenharia Sanitária e Doutora em Ciências Ambientais pelas Universidades de Campina Grande e
Agrícola de Wageningen – Holanda.
Adrianus van Haandel(1)
Engenheiro Químico e Doutor em Engenharia Civil pelas Universidades de Eindhoven-Holanda e da Cidade
do Cabo – África do Sul.
Endereço(1): Rua Aprígio Veloso, 882 - 58109-970 – Campina Grande – PB – Brasil – Tel: (83) 3331-4809, email: [email protected]
RESUMO
A energia para aeração é normalmente o maior fator de custos operacionais de sistemas de lodo ativado. A
redução da intensidade de aeração diminui o consumo de energia, mas pode afetar o sistema de tratamento de
três maneiras: (1) diminuindo a eficiência de remoção dos substratos (material orgânico e material
nitrogenado), (2) inibindo o metabolismo das bactérias heterotróficas e autotróficas e (3) prejudicando as
características de sedimentação do lodo. O valor ótimo da concentração de oxigênio dissolvido (OD) será o
mínimo que permita a operação do sistema sem afetar de maneira significativa o seu desempenho e as
propriedades biológicas e mecânicas do lodo. Os efluentes do Pólo Petroquímico de Camaçari são tratados em
um sistema de lodo ativado, onde a demanda de energia é na ordem de 2.500 MWh/mês. A fim de reduzir o
consumo de energia para aeração, foi realizada uma investigação experimental para estabelecer o valor da
concentração mínima de OD. Três sistemas de lodo ativado, em escala de laboratório, foram operados
simultaneamente com diferentes concentrações de OD. A taxa de consumo de OD (TCO) era medida “on line”
por 3 respirômetros. Os parâmetros avaliados para determinar o desempenho foram: eficiência de remoção de
matéria orgânica, de sólidos em suspensão e de amônia. Foram também avaliadas a capacidade metabólica e
sedimentabilidade do lodo. Os resultados da investigação mostraram que a CETREL pode adotar uma
concentração de OD até um valor mínimo de 1mg/l, sem prejuízos para o desempenho do sistema de lodo
ativado.
PALAVRAS-CHAVE: Efluentes da petroquímica, sistemas de lodo ativado, concentração de OD, custos de
energia, respirometria.
INTRODUÇÃO
Sistemas de lodo ativado são conhecidos como unidades eficientes de remoção de material orgânico, sólidos
em suspensão e, eventualmente, também macro-nutrientes, todos presentes em águas residuárias, produzindo
um efluente de alta qualidade. Por outro lado, os custos de operação desses sistemas são elevados. Um dos
fatores que mais contribui para um alto custo é a energia necessária para aeração. Por definição, para oxidar
1kg de matéria orgânica (expressa como DQO) é necessário 1kg de oxigênio. Por outro lado, para transferir
1kg de oxigênio do ar para o licor misto ou conteúdo do reator (que é uma mistura de lodo e líquido) é
necessário, aproximadamente, uma energia de 1kWh. Em sistemas de lodo ativado, geralmente, mais da
metade do material orgânico é oxidada, gerando uma demanda de oxigênio. Em adição, pode haver uma
demanda extra de oxigênio para oxidação de amônia, ou seja, para nitrificação, que pode representar uma
fração elevada do consumo total de oxigênio.
A CETREL (Empresa de Proteção Ambiental localizada em Camaçarí - BA), para tratar os efluentes do Pólo
Petroquímico de Camaçari, opera um dos maiores sistemas de lodo ativado do mundo, com uma capacidade de
aeração instalada de 5MW, que potencialmente representa um custo anual de R$6,5 milhões. A redução dos
custos de energia para aeração, pela CETREL, poderia se dar através da redução da intensidade de aeração,
mantendo-se, no sistema de lodo ativado, uma concentração de oxigênio dissolvido tão baixa quanto possível.
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No entanto, a redução da aeração pode afetar o sistema de tratamento de diferentes formas: se a aeração é
insuficiente, a remoção de substratos será incompleta, porque a redução de OD pode afetar a atividade
metabólica das bactérias heterotróficas que utilizam a matéria orgânica e das bactérias autotróficas que oxidam
amônia para nitrito e depois para nitrato. De outra forma, a atividade metabólica baixa significa que o sistema
tem uma capacidade reduzida de absorver sobrecargas desses substratos. Outro problema que pode surgir está
relacionado com a qualidade do lodo, onde a falta de oxigênio tende a favorecer o surgimento de lodo
filamentoso que afeta negativamente a sedimentabilidade do lodo e diminui a capacidade do sistema de
absorver cargas hidráulicas.
No presente trabalho estão apresentados os resultados de uma investigação experimental, na qual se operou 3
sistemas de lodo ativado em escala de bancada e sob condições iguais, exceto quanto às diferentes
concentrações de OD neles mantidas. A investigação teve como objetivo determinar a concentração de OD
limitante, ou seja, a concentração mínima para qual não houvesse prejuízos sobre o desempenho do sistema, a
atividade metabólica e a sedimentabilidade do lodo
Os resultados da investigação experimental mostraram que mesmo para concentrações críticas de OD de
1mg/l, não foi observado uma redução significativa na eficiência do tratamento e na qualidade das bactérias
heterotróficas. No entanto, a capacidade metabólica das bactérias autotróficas foi reduzida: para sistema com
concentração media de OD = 1 mg/l a capacidade metabólica das autotróficas era somente a metade daquela
capacidade relativa as autotróficas geradas no sistema sem limitação de OD.
MATERIAIS E MÉTODOS
Foram operados três sistemas de lodo ativado sob condições idênticas, exceto quanto à concentração de OD.
A Figura 1a é uma representação esquemática de um dos sistemas, enquanto que a Figura 1b é uma foto do
sistema experimental instalado. No primeiro reator, denominado de R1, foi mantida uma concentração de OD
> 3mg/l (valor considerado abundante) mediante aeração contínua. No reator R2 a concentração de OD
variava entre 1.5 a 2,5mg/l e no reator R3 de 0,5 a 1,5mg/l em R3. Todos os reatores tinham um volume de 25
litros. A temperatura ambiente era 26±1oC. Os três sistemas foram alimentados com o afluente equalizado da
CETREL, com uma vazão constante de 17l/dia, mediante bombas dosadoras.
Figura 1: Representação esquemática (a esquerda) e fotografia (a direita) dos sistemas de lodo
ativado, operados durante a investigação experimental.
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Os sistemas de tratamento foram inoculados com lodo aeróbio da CETREL. Para manter a idade de lodo de 20
dias (igual à de um dos tanques de aeração da ETE da CETREL -TA4), descartava-se diariamente um volume
de licor misto equivalente a 1/20 do volume de cada um dos 3 reatores. Durante as primeiras seis semanas de
operação (correspondendo a três vezes a idade de lodo, Rs) não foram colhidas amostras para testes, dando
tempo para o lodo se adaptar ao regime operacional imposto. Após adaptação do lodo, foram coletadas, numa
freqüência de três vezes por semana, amostras do afluente e dos efluentes, para caracterizar o desempenho dos
sistemas com relação à eficiência de remoção dos substratos, sólidos suspensos e oxidação de amônia
(nitrificação). Os procedimentos analíticos seguiram métodos padronizados (AWWA/APHA/WEF 1995) As
constantes cinéticas que caracterizam biologicamente o lodo foram determinadas usando-se a respirometria. A
sedimentabilidade do lodo foi avaliada mediante testes de Índice Volumétrico de Lodo (VAN HAANDEL E
MARAIS, 1999).
A concentração de OD em cada um dos reatores R2 e R3 era controlada por respirômetros, acoplados a um
computador, que ligava a aeração, quando o OD estava abaixo de um determinado valor mínimo (regulável),
desligando-a quando chegava a um valor máximo. A partir do tempo necessário para que a massa bacteriana
diminuísse a concentração de OD do seu valor máximo para o mínimo, o software do respirômetro calculava a
TCO, que podia ser vista graficamente e “on line” na tela do monitor, sendo os valores armazenados numa
planilha Excel no HD do computador.
Rotina Diária de Operação
Para minimizar os equipamentos necessários não foram utilizados decantadores: a decantação ocorria no
próprio reator aerado. Dessa forma, a rotina de operação dos sistemas pode ser assim resumida:
1) pela manhã, como primeiro procedimento, quando o volume ocupado nos reatores era máximo (25 litros)
eram retirados de cada reator 1,25 litros de licor misto, correspondente a 5% do lodo, para manter a idade de
lodo de 20 dias;
2) em seguida, a aeração dos sistemas era interrompida, permitindo a sedimentação do lodo;
3) um volume de 17 litros do efluente clarificado era então descarregado, tomando-se o cuidado de se retirar
amostras para analises dos STS, da DQO e dos compostos nitrogenados TKN, .NH3, NO2, e NO3;
4) após a descarga do efluente de cada reator, iniciava-se o bombeamento do afluente a uma taxa maior que
17l/dia, para que o volume do afluente (17 litros) se esgotasse, antes da nova seqüência de operação, um dia
depois;
5) no reator R2 era mantida uma concentração de OD entre um máximo de 2,5 e um mínimo de 1,5mg/l,
controladas por respirômetro. No reator R3 a concentração de OD, também controlada por um respirômetro,
oscilava entre 0,5 e 1,5mg/l, enquanto que, no reator R1, a concentração de OD era mantida acima de 3mg/l
sem controle específico;
6) os valores da concentração de OD e da TCO eram registrados continuamente e o consumo diário de
oxigênio era calculado.
RESULTADOS DA INVESTIGAÇÃO EXPERIMENTAL
Consumo de oxigênio
A Figura 2a mostra um exemplo de um respirograma típico dos reatores R2 e R3, obtido com auxílio do respirômetro, ao
longo de um ciclo de operação de 1 dia. Observa-se que, logo após o inicio de uma nova alimentação (às 8:00 horas,
aproximadamente) a TCO era alta, porque o volume do reator era pequeno (25-17 = 8litros). No decorrer do tempo,
gradualmente o volume aumentava, e conseqüentemente a TCO diminuía, até acabar o afluente, após um tempo de
alimentação Ta, havendo, então, uma diminuição repentina da TCO, passando a corresponder à TCO da respiração
endógena.
Na Figura 2b observa-se o consumo acumulativo de oxigênio correspondendo ao respirograma da Figura 2a, durante um
período de um dia. Esse dado é importante porque mostra a quantidade de oxigênio consumido e permite estimar o consumo
de oxigênio para nitrificação (a partir do nitrato produzido) e para oxidação de material orgânico, que é um elemento para
estimar a concentração do material biodegradável. O consumo diário de oxigênio pelo licor misto nos reatores foi calculado
segundo o seguinte procedimento (vide também Tabela 1):
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1) na planilha da TCO em função do tempo, gerada pelo respirômetro, criava-se para os sucessivos valores da
TCO duas colunas: uma do intervalo, Δt (entre as TCO sucessivas) e outra do volume do reator naquele
intervalo, Vt;
2) o volume Vt era calculado da seguinte maneira: durante o intervalo de determinação de dois valores
sucessivos da TCO, o volume aumentava em uma fração Δt/Ta dos 17 litros que eram adicionados diariamente;
3) o consumo de oxigênio durante o intervalo Δt no volume Vt era dado pelo produto ΔCt = TCOt*Δt*Vt;
4) quando, após um tempo Ta todos os 17 litros eram bombeados, o volume se torna constante e igual a 25
litros (o máximo do reator) e o consumo se tornava igual a ΔCt = TCOt*Δt*25.(t > Ta);
5) o consumo diário de oxigênio era dado pelo soma dos consumos nos intervalos (N) de duração Δt durante o
dia:
i= N
COD,total = ∑ ΔCt
(Equação 1)
i =1
Figura 2a: Respirograma típico gerado nos
reatores R2 e R3
Figura 2b: Consumo de oxigênio durante o
período de 24 horas relativo ao respirograma da
Figura 2a.
Tabela 1:. Procedimento de cálculo para o consumo de oxigênio.
Volume acumulado
Tempo
TCOtotal
T1
TCO1
V1 = 8,0 litros
ΔC1 = TCO1*Δt*V1.
T2 = T1+ Δt
TCO2
V2 = V1 + Δt/Ta*17
ΔC2 = TCO2*Δt*V2
TN = T(N-1) + Δt
TCON
VN = V(N-1) + Δt/Ta*17
ΔCN = TCON*Δt*25.
Consumo de O2
Relação entre a concentração de OD e a eficiência de remoção dos substratos
Durante um período de 4 meses, observou-se a eficiência de remoção dos sólidos em suspensão, do material orgânico e de
amônia nos três sistemas de tratamento, sendo a concentração de OD era mantida na faixa desejada mediante respirômetros
acoplados aos reatores. Na Tabela 2 estão apresentados os valores médios dos parâmetros de desempenho analisados nos três
reatores operados. A partir desses valores, pode-se observar uma elevada eficiência de remoção dos sólidos em suspensão, da
matéria orgânica (DQO) e amônia, que era independente da concentração de OD mantida nos sistemas. No caso da
CETREL, uma eficiência de remoção do material orgânico maior que 80% significa, de fato, que praticamente todo o
material biodegradável foi removido. A fração de material não biodegradável e solúvel no afluente da CETREL é de
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aproximadamente 18%, de modo que a eficiência não pode exceder 100-18 = 82%. Os valores da Tabela 2 não evidenciam
uma influência clara da concentração de OD sobre o desempenho do sistema de tratamento.
A Tabela 3 contém os valores do balanço de massa de material nitrogenado nos três sistemas. Para o balanço de massa do
material nitrogenado, comparou-se a massa de nitrogênio no efluente mais a massa de nitrogênio no lodo de excesso (10%
da massa de lodo volátil de excesso) com a massa de material nitrogenado no afluente. Na Tabela 3 se apresentam os dados
experimentais.Os dados de Tabela 3 mostram que o balanço de material nitrogenado não fecha: a recuperação de nitrogênio
é incompleta e o déficit aumenta com a diminuição da concentração de OD. Uma possível explicação é que houve dessorção
de amônia nos reatores, facilitada pelos valores da temperatura e do pH relativamente elevados do efluente. A taxa de
dessorção é proporcional à concentração de amônia não ionizada no reator, e este valor tende a aumentar com a redução da
concentração de OD (vide Tabela 2). De fato, testes separados mostraram que quando o afluente era aerado, havia uma
redução significativa de amônia da fase líquida pelo desprendimento do gás para a atmosfera.
Tabela 2. Caracterização do desempenho dos três sistemas R1, R2 e R3 operados, em termos da
eficiência média de remoção dos sólidos em suspensão, do material orgânico e de nitrificação. (V = 25 l;
Qa = 17 l/d, Rs =20 dias).
R2
R3
Variáveis
Afluente.
R1
Equalizado.
SST (mg/l)
DQO (mg/l)
TKN (mg/l)
NH3 (mg/l)
NO3 (mg/l)
MOt (gO2/d)
Xt(mg/l)
Xv
213
1.482
104,3
57,7
<1
>3,0 mgO2/l
Valor
Eficiência
Remoção
<2,5
>99%
296
80%
11,6
89%
0,9
98%
51,7
4.841
3,098
1,5 a 2,5 mgO2/l
Valor
Eficiência
Remoção
<2,5
>99%
288
81%
14,1
86%
0,8
99%
45,0
14,10
4.530
2,900
0,5 a 1,5 mgO2/l
Valor
Eficiência
Remoção
<2,5
>99%
282
81%
13,3
87%
1,2
98%
40,3
14,25
4.663
2,864
Tabela 3. Resultados do balanço de massa de material nitrogenado durante a operação dos três reatores
(R1, R2 e R3) sob as condições especificadas.
R2
R3
Parâmetro
Unidade
R1
OD
>3,0
1,5 a 2,5
0,5 a 1,5
(mgO2/l)
Massa de N no afluente, MNa
mgN/dia
1.773
1.773
1.773
Massa de N no lodo de excesso MNl
mgN/dia
387
363
358
Massa de N no efluente, MNe
mgN/dia
1,091
1,020
932
Bn
B
0,83
0,78
0,73
Tabela 4. Resultado médio do balanço de massa de material orgânico durante a operação dos três
reatores (R1, R2 e R3), sob as condições especificadas.
Parâmetro
Massa de DQO no afluente (MSa)
Massa de DQO no efluente (MSe)
Massa de DQO no lodo de excesso (MSxv)
Massa de DQO oxidada (MSo)
Unidade
gDQO/dia
gDQO/dia
gDQO/dia
gO2/dia
Bo
B
R2
1,5 a 2,5
(mgO2/l)
25,19
4,90
5,44
14,10
24,44
19
22
56
R3
0,5 a 1,5
(mgO2/l)
25,19
4,79
5,36
14,25
19
21
57
0,97
24,40
0,97
%
%
No balanço de massa do material orgânico, comparou-se a massa de material orgânico que entrava no sistema
(MSta) com a massa de material orgânico oxidado (MSo), a massa de material orgânico no lodo (MSxv) e a
massa de material orgânico no efluente (MSe). Para calcular a massa de material orgânico oxidada, calculou-se
a massa de oxigênio consumida nos reatores e diminuiu-se, deste valor, a massa de oxigênio necessária para
nitrificação (4,56*massa de nitrato produzido). Para calcular a massa de material orgânico no lodo de excesso,
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multiplicou-se a massa de lodo de excesso volátil por um fator de conversão de 1,5mgDQO/mgSVS. Os
resultados dos cálculos do balanço de massa do material orgânico estão na Tabela 4.
Na investigação experimental foi observado que, nos três sistemas, o balanço de massa fechava com boa
aproximação. A fração da DQO lançado no efluente independeu da concentração de OD nos diferentes
reatores. Nota-se, também, que mesmo com baixas concentrações de OD (0,5 a 1,5mg/l) a fração de material
orgânico oxidada era aproximadamente constante (56-57% da DQO do afluente). Por outro lado, na Tabela 2
observa-se que a concentração de lodo volátil (e, portanto, da produção deste) não era afetada pela
concentração de OD. Fica, assim, evidenciada que a concentração de OD era suficiente para a degradação da
matéria orgânica e que, portanto, não havia uma influência direta da concentração de OD sobre a eficiência de
remoção do material orgânico. Também ficou evidenciado que a concentração de OD não afetava
mensuravelmente os 3 parâmetros fundamentais do sistema de lodo ativado: a concentração de material
orgânico no efluente, consumo de oxigênio e produção de lodo
Determinação da Capacidade Metabólica do Lodo
A capacidade metabólica do lodo pode ser avaliada a partir da
taxa de consumo de oxigênio – TCO, que uma batelada de lodo
exibe quando um substrato específico é fornecido em abundância.
Sabe-se que no caso de material orgânico biodegradável o
consumo de oxigênio é 1/3 da massa de material orgânico
metabolizado (VAN HAANDEL E MARAIS 1999), enquanto
2/3 do material orgânico metabolizado são sintetizados. Portanto
no metabolismo do material orgânico há consumo de 1/3 kg de
oxigênio por kg de DQO metabolizada. No caso de nitrificação há
uma relação estequiométrica entre a taxa de nitrificação e de
consumo de oxigênio: há um consumo de 4,56mgO2 por mg N
nitrificado. A TCO que se observa em função do tempo quando se
coloca substrato em contato com lodo tem a forma da Figura 3,
podendo-se distinguir três fases: (1) metabolismo máximo em
condições de concentração ilimitada de substrato (2) taxa de
metabolismo reduzido devido à limitação de disponibilidade de
substrato e (3) na ausência de substrato a TCO se torna novamente
igual à TCO da respiração endógena.
Figura 3: Perfil típico da TCO após a adição
de substrato a uma batelada de lodo ativado.
Portanto, a taxa máxima de consumo de oxigênio no metabolismo de material orgânico é:
TCOmax − TCOmin = 1 / 3 * rmc
(Equação 2)
No caso de nitrificação se tem:
TCOmax − TCOmin = 4,56 * rmn
Onde:
TCOmax
TCOmin
rmc, rmn
(Equação 3)
Taxa máxima de consumo de oxigênio (primeira fase);
Taxa mínima de consumo de oxigênio (respiração endógena);
Taxa máxima de metabolismo de material orgânico e de amônia.
É possível se determinar, de maneira direta e simples, a taxa máxima de utilização de um substrato, a partir da TCO de uma
batelada de lodo recebendo abundância deste. Por outro lado sabe-se que a equação de Monod prevê uma relação entre a
taxa máxima de metabolismo e o crescimento de lodo, que no caso de substrato ilimitado se pode escrever como:
K
rmc = μ mc X a = ⎛⎜ mc ⎞⎟ X a
Yh ⎠
⎝
e
K
rmn = μ mn X n = ⎛⎜ mn ⎞⎟ X n
Yn ⎠
⎝
onde
µmc
(Equação 4)
(Equação 5)
constante de crescimento específico máximo de bactérias heterotróficas;
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Xa
Kmc
Yh
µmn
Xn
Kmn
Yn
concentração das bactérias heterotróficas;
constante de utilização do material orgânico;
rendimento da utilização de material orgânico pelas heterotróficas = 0,45 mgXa/mgDQO
constante de crescimento específico máximo de bactérias autotróficas;
concentração das bactérias heterotróficas;
constante de utilização de amônia;
rendimento da utilização de amônia pelas autotróficas = 0,10 mgXn/mgN.
Os valores das constantes µmn e µmc indicam o crescimento máximo por unidade de tempo das bactérias autotróficas e das
bactérias heterotróficas. As constantes Kmc e Kmn denotam a massa de substrato que pode ser metabolizada por unidade de
tempo e por unidade de massa de bateria heterotrófica ou autotrófica. Combinando-se as Equações (2 e 3) e (4 e 5) pode-se
calcular diretamente as constantes características da capacidade metabólica das bactérias heterotróficas e autotróficas no lodo,
adicionando-se o substrato adequado a uma batelada de lodo, observando-se a TCO no período subseqüente para estabelecer
os valores máximo e a mínimo.
Para determinar a capacidade metabólica das bactérias heterotróficas e autotróficas do lodo dos três reatores foi necessário
primeiramente estimar a concentração dessas bactérias . Usando-se a teoria básica de MARAIS e EKAMA (1976), têm-se as
seguintes expressões:
Xa =
(1 − fus − fup )StaYh Rs =
(1 + bh Rs )Rh
SbaYh Rs
(1 + bh Rs )Rh
(Equação 6)
e
Xn =
Onde:
bh:
bn:
fup:
fus:
Nc:
Rh:
Rs:
Sba:
Sta:
Sba:
Xa:
Xn
Yh:
Yn:
T:
T
N cYn Rs
(1 + bn Rs )Rh
(Equação 7)
constante de decaimento = 0,24(1,04)T-20 dia-1; (VAN HAANDEL e MARAIS, 1999);
constante de decaimento das bactérias autotróficas (Nitrossomonas) (dia-1) = 0,04(1,03)T-20 dia-1;
fração da DQO afluente particulada e não biodegradável;
fração da DQO afluente solúvel e não biodegradável;
concentração de amônia nitrificada no sistema (mg/l);
tempo de permanência hidráulica (25/17 dias);
idade de lodo (20 dias);
DQO biodegradável afluente:(1-fus-fup)Sta (mg/l);
DQO do afluente (mg/l);
DQO biodegradável do afluente (mg/l);
concentração média do lodo heterotrófico (mg/l);
concentração média do lodo autotrófico (Nitrossomonas) (mg/l);
coeficiente de rendimento das bactérias heterotróficas(0,45 mgXa/mgDQO);
coeficiente de rendimento das bactérias autotróficas (0,1mgXn/mgN);
temperatura do sistema (26oC).
Para se calcular as concentrações das bactérias heterotróficas (Xa) e das bactérias autotróficas (Xn), a partir das
Equações 6 e 7 nos reatores R1, R2 e R3, faltava saber a concentração dos substratos metabolizados, Sba e Nc,
respectivamente. Quanto à concentração de bactérias heterotróficas, Xa, sabia-se que era independente da
concentração de OD porque praticamente todo o material biodegradável era consumido nos três reatores. Os
valores dos parâmetros que definem Xa são todos conhecidos menos os valores das frações de material não
biodegradável solúvel (fus) e particulado (fup). O valor de fus pode ser calculado como a razão entre a DQO do
efluente e a do afluente, tendo-se, em média para os três reatores, um valor de fus =0,19. O valor de fup foi
calculado a partir da produção de lodo volátil ou do consumo de oxigênio, usando-se a teoria de MARAIS E
EKAMA (1976), resultando em fup = 0,06. Assim, calculou-se a concentração de bactérias heterotróficas
como: Xa = 882mg/l.
A concentração das bactérias autotróficas (Nitrossomonas) foi claramente influenciada pela concentração de
OD no sistema de tratamento: as concentrações de nitrato produzidas nos três sistemas eram substancialmente
diferentes. Usando-se a concentração de nitrato (Tabela 1) para se estimar a concentração do substrato
metabolizado, obteve-se:
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Em R1:
Em R2:
Em R3:
Xn = 51,7*0.1*20/((1+0.04*20)25/17) = 35 mg/l
Xn = 45,0*0.1*20/((1+0.04*20)25/17) = 31 mg/l
Xn = 40,3*0.1*20/((1+0.04*20)25/17) = 27 mg/l.
De posse dos valores das concentrações de bactérias heterotróficas e autotróficas nos reatores, passou-se a estimar a
capacidade metabólica das bactérias nos reatores R1, R2 e R3 usando-se testes respirométricos e determinando-se a TCO
mínima e máxima de bateladas de lodos quando alimentados com substrato em abundância. Como material orgânico
utilizou-se o próprio afluente equalizado, uma vez que o lodo tinha para este efluente uma afinidade maior que para
substratos facilmente metabolisadas, como acetato ou sacarose. Quando o afluente era adicionado a uma batelada de lodo,
adicionava-se, também, 50mg/l de alil-tio-uréia que suprimia a atividade das bactérias autotróficas sem afetar as bactérias
heterotróficas. Para avaliar a capacidade metabólica de Nitrossomonas, usou-se uma solução de cloreto de amônia.
O respirograma apresentado na Figura 3 é o resultado de um teste para determinar a atividade metabólica das bactérias
heterotróficas. A área limitada pela curva da TCO e a reta tracejada (TCO mínima ou endógena) representa o consumo de
oxigênio durante o teste. A Figura 4 apresenta um respirograma típico obtido de um teste onde foi colocado cloreto de
amônia. Semelhante as bactérias heterotrofias, a área limitada pela curva da TCO e a reta tracejada da o consumo de oxigênio
para a oxidação de amônia para nitrato.
Os dados de Tabela 5 mostram os resultados médios dos testes respirométricos, quando foi usando o afluente equalizado
como substrato. Na Tabela 5 estão apresentados os valores da concentração de bactérias heterotróficas (Xa), do consumo de
oxigênio (Co) e da diferença entre a TCO máxima e a TCO endógena (TCOmax). A partir desses valores, calculou-se a taxa
máxima de remoção do material orgânico (rmc) a constante de crescimento específico máximo (μmc) e a constante de
utilização do material orgânico (Km). Os resultados indicam que a capacidade metabólica não depende da concentração de
OD no reator: os valores das constantes μmc e Km não foram influenciados de forma significativa pela concentração de OD
Figura 3: respirograma típico da atividade
metabólica heterotrófica – curva da TCO, após
alimentação de uma batelada de lodo com afluente
equalizado e 50 mg/l alil tio uréia.
Figura 4: respirograma típico da atividade
metabólica autotrófica – curva daTCO após
alimentação de uma batelada de lodo com
cloreto de amônia.
Tabela 5 – Concentração de bactérias heterotróficas, consumo de oxigênio, TCO máxima e constantes
cinéticas das bactérias heterotróficas presente nos reatores R1, R2 e R3 na alimentação com 100 mg/l
DQO do afluente
R2
R3
Parâmetro
Unidade
R1
OD
>3,0
1,5 a 2,5
0,5 a 1,5
mgO2/l
mg/l
Xa(calculado)
884
884
884
Co
mgO2/l
34
31
39
TCOMax
mg/l/h
80
94
80
rmc
mg/l/dia
240
282
240
dia-1
2,93
3,44
2,93
μmc
mgDQO/mgXa/dia
6,5
7,6
6,5
Km
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Tabela 6 - Concentração, de bactérias autotróficas, produção de nitrato nos reatores, TCO máxima e
constantes cinéticas do lodo autotrófico presente nos reatores R1, R2 e R3 na alimentação com 5 mgN/l
de NH4Cl.
R2
R3
Parâmetro
Unidade
R1
OD
(mgO2/l)
>3,0
1,5 a 2,5
0,5 a 1,5
mg/l
Xn
35
31
27
NO3
mgN/l
51,7
45,0
40,3
TCOn,max
mgO2/l/h
20
16
10
rmn
(mg/l/dia)
4,4
3,5
2,2
dia-1
0,30
0,27
0,19
μmn
Os dados de Tabela 6 mostram os resultados médios dos testes respirométricos usando-se o cloreto de amônia como
substrato das bactérias autotróficas. Os respirogramas eram gerados para os diferentes lodos, mantendo-se a mesma faixa de
OD que havia nos reatores nos quais os lodos formam gerados. A partir desses dados, calculou-se a taxa máxima de remoção
do material orgânico, rmc, e a constante de crescimento específico máximo, μmn. Diferentemente das bactérias heterotróficas,
os dados mostram que a constante μmn dependia da concentração de OD mantida no reator: quanto mais a concentração de
OD maior o valor da constate μmn.. Pode-se mostrar que a influência da concentração de OD pode ser expressa
como uma relação de Monod. (STENSTRÖM E PODUSKA, 1980): a derivação da expressão (que esta fora
do escopo central deste trabalho) leva a:
μ mn =
μ max .OD
OD + K O
=
0,4OD
OD + 1
(Equação 8)
onde:
μmn e μmax são as constantes de crescimento específico e de crescimento específico máximo para uma
determinada concentração de OD e para disponibilidade ilimitada de oxigênio respectivamente e,
KO é a constante de meia saturação de OD.
Conclui-se que a taxa de nitrificação depende da concentração de OD: para uma concentração de OD igual ao
valor da constante de meia saturação (KO = 1 mg/l, Equação 8) a taxa de nitrificação é somente metade da taxa
máxima num ambiente sem limitação de OD.
Sedimentabilidade de Lodo
Os resultados experimentais mostraram que a variação da concentração de OD teve muito pouca repercussão
sobre a eficiência do tratamento e sobre as propriedades de lodo. O índice volumétrico de lodo, IVL, variou
entre 30 a 34g/l, do reator R1 de maior concentração de OD (>3,0mg/l) para o reator R3 de menor
concentração de OD (1mg/l). Geralmente considera-se um valor de IVL menor que 75ml/g como indicativo de
uma excelente sedimentabilidade, 100ml/g para boa sedimentabilidade de maior que 150ml/g para lodo
filamentoso. O valor de IVL de 30 a 34 ml/g indica que o lodo manteve excelente sedimentabilidade
independente da concentração de OD que prevalecia no reator.
CONCLUSÕES
O respirômetro foi uma ferramenta muito útil para avaliar a concentração mínima de OD que pôde ser mantida
nos reatores aerados, como também para determinar o balanço de massa no sistema e avaliar a capacidade
metabólica dos lodos gerados nos sistemas com diferentes concentrações de OD.
Da investigação experimental, conclui-se que a redução de OD para um valor médio de 1mg/l (faixa de 0,5 a
1,5mg/l) não leva a uma diminuição da eficiência de remoção do material orgânico ou de amônia, de modo
que a redução de OD não acarretaria a uma deterioração da qualidade do efluente.
Para a faixa de OD investigada, a capacidade metabólica e a taxa de crescimento máxima das bactérias
heterotróficas não foram afetadas sistematicamente e significativamente.
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A constante de crescimento máximo de Nitrossomonas é claramente influenciada pela concentração de OD,
tendo-se estabelecido um valor de KO = 1mg/l para a constante de meia saturação, o que significa que a taxa
de nitrificação se reduz pela metade quando OD = 1mg/l relativo ao valor que se obtém sem limitação de OD.
Todavia, mesmo com capacidade metabólica reduzida as bactérias autotróficas são capazes de reduzir a
concentração de amônia para valores muito baixos (até OD = 1mg/l).
A sedimentabilidade do lodo, indicada pelo índice volumétrico de lodo, não foi afetada de forma mensurável
pela redução da concentração de OD: o valor de IVL oscilou entre 30 e 34 ml/g para a faixa de OD de 1 a >
3mg/l.
A redução da concentração de OD no sistema de tratamento da CETREL poderia levar a uma redução bastante
significativa dos custos operacionais sem afetar de maneira significativa à qualidade do efluente ou à
estabilidade operacional do sistema de tratamento.
AGRADECIMENTOS
O desenvolvimento desse trabalho contou com a participação da CETREL (Empresa de Proteção Ambiental) e
o apoio financeiro do programa CTPETRO através da FINEP.
REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS
1.
2.
3.
4.
5.
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HENZE M.; GRADY, C.P.L.; GUJER, W.; MARAIS, G.V.R. e MATSUO, T. (1986). Activated Sludge
Model no.1. Scientific and Technical Reports No. 1, IAWPRC, London, Reino Unido.
MARAIS, G.V.R. e EKAMA, G.A. (1976).The Activated Sludge Process: Steady State Behaviour.
Water S.A., 2, 4, p63-200.
STENSTRÖM M.K e PODUSKA R.A. (1980): The Effect of Dissolved Oxygen Concentration on
Nitrification. Water Research 14, 6 p645-650
VAN HAANDEL, A. e MARAIS, G.V.R. (1999). O Comportamento do Sistema de Lodo Ativado. Ed.
Epigraf – Campina Grande-Pb-Brasil., p488.
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