dissertaÇÃo_avaliação de um sistema combinado anaeróbio
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ANA CARLA DE CARVALHO NOGUEIRA
AVALIAO DE UM SISTEMA COMBINADO ANAERBIO AERBIO PARA TRATAMENTO DA VINHAA
LAVRAS - MG
2014
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ANA CARLA DE CARVALHO NOGUEIRA
AVALIAO DE UM SISTEMA COMBINADO ANAERBIO
AERBIO PARA TRATAMENTO DA VINHAA
Dissertao apresentada Universidade Federal de Lavras, como parte das exigncias do Programa de Ps-Graduao em Recursos Hdricos em Sistemas Agrcolas, rea de concentrao em Irrigao e Saneamento Ambiental, para a obteno do ttulo de Mestre.
Orientador
Dr. Cludio Milton Montenegro Campos
Coorientadores
Dra. Ftima Rezende Luiz Fia
Dr. Ronaldo Fia
LAVRAS - MG
2014
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Ficha Catalogrfica Elaborada pela Coordenadoria de Produtos e Servios da Biblioteca Universitria da UFLA
Nogueira, Ana Carla de Carvalho. Avaliao de um sistema combinado anaerbio-aerbio para tratamento da vinhaa / Ana Carla de Carvalho Nogueira. Lavras : UFLA, 2014.
151 p. : il. Dissertao (mestrado) Universidade Federal de Lavras, 2014. Orientador: Cludio Milton Montenegro Campos. Bibliografia. 1. Vinhaa. 2. Sistema combinado anaerbio-aerbio. 3. Ensaio
hidrodinmico. 4. UASB. 5. FBS. I. Universidade Federal de Lavras. II. Ttulo.
CDD 628.746
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ANA CARLA DE CARVALHO NOGUEIRA
AVALIAO DE UM SISTEMA COMBINADO ANAERBIO
AERBIO PARA TRATAMENTO DA VINHAA
Dissertao apresentada Universidade Federal de Lavras, como parte das exigncias do Programa de Ps-Graduao em Recursos Hdricos em Sistemas Agrcolas, rea de concentrao em Irrigao e Saneamento Ambiental, para a obteno do ttulo de Mestre.
APROVADA em 28 de Fevereiro de 2014.
Dr. Alisson Carraro Borges UFV
Dr. Luiz Fernando Coutinho de Oliveira UFLA
Dr. Ronaldo Fia UFLA
Dr. Cludio Milton Montenegro Campos Orientador
LAVRAS - MG
2014
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Aos meus pais Jos Celso e Alessandra.
DEDICO
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AGRADECIMENTOS
Primeiramente agradeo a Deus pelo dom da vida!
Aos meus amados pais, Jos Celso e Alessandra, pelo apoio e incentivo
de sempre, pelas palavras amigas, por sempre acreditarem em meu potencial e
nunca me deixarem desistir dos meus sonhos.
Aos meus irmos, Alexandre e Alice, e aos meus cunhados Mariana e
Joo Guilherme, pela amizade e carinho nos momentos que mais foram precisos.
minha pequena princesa, minha afilhada Maria Fernanda, pelo sorriso
inocente e amor sem medidas.
Aos meus avs queridos, David, Geralda e Tereza, que sempre torceram
pelo meu sucesso e com suas oraes sempre me abenoaram.
s minhas tias Claret, Carla e Mal, pelas palavras amigas, conselhos e
oraes.
Aos meus tios e primos pelos momentos de alegria e diverso nas
reunies de famlia.
Ao meu namorado Douglas, pelo amor, companheirismo, pacincia e
colo de sempre. Por ser meu porto seguro nas horas que mais preciso e por no
me deixar desistir dos meus objetivos.
Aos meus sogros, Antnio e Raquel, aos cunhados Daniel, Nayara e
Elizandra, pelo carinho, amizade e oraes. Por se tornarem minha segunda
famlia.
Aos amigos de longa data, que mesmo nos vendo pouqussimas vezes ao
ano, sempre tiveram uma palavra amiga e um incentivo para me colocar para
frente.
Aos amigos conquistados durante a graduao, no citarei nomes para
no esquecer ningum, pelos momentos inesquecveis que passamos durante os
cinco anos de UFLA.
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Aos amigos da ps-graduao, pelos momentos de dificuldades que
passamos juntos, pelo apoio mtuo e pela amizade que ficar para o resto da
vida.
s amigas de repblica durante esses dezoito meses de mestrado, Karen
e Raquel, pela amizade e apoio.
Em especial, gostaria de agradecer s pessoas que me ajudaram a
concluir este trabalho com grande satisfao:
Ao meu orientador, professor Cludio Montenegro, por sempre acreditar
em meu potencial, pela orientao, pelo incentivo, pelas palavras amigas e
ensinamentos valiosos que levarei para minha vida profissional.
Aos meus coorientadores, professores Ronaldo Fia e Ftima Fia, por
contriburem grandiosamente para que meu experimento desse certo, pelas
orientaes, intervenes necessrias e amizade.
Aos bolsistas de iniciao cientfica: Dbora, Tatyanna, Jaza e
Emanuel, pela ajuda e esforo para que todas as anlises fossem feitas e que o
experimento sasse conforme o planejado. Aos alunos da Engenharia Ambiental
que me ajudaram voluntariamente no multiro para monitorar o ensaio
hidrodinmico.
Aos tcnicos do LAADEG: Wesley, Alex e Isael, pelo suporte dado para
que as anlises dessem certo.
Waina, colega e amiga de ps-graduao, que virou a mezona de
todos no LAADEG, pelo apoio, ajuda e disponibilidade sempre que necessitei.
empresa Sistemaq Sistemas de Irrigao, pela oportunidade de
exercer meu trabalho, aplicando todos os conhecimentos adquiridos durantes
esses anos de estudos, pelo apoio e compreenso para que conclusse essa etapa
com xito.
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coordenao, aos funcionrios e a todo corpo docente do Programa de
Ps-Graduao em Recursos Hdricos em Sistemas Agrcolas do Departamento
de Engenharia, pelos ensinamentos, ajuda e convivncia.
Ao Conselho Nacional de Desenvolvimento Cientfico e Tecnolgico
(CNPq) e Fundao de Amparo Pesquisa do Estado de Minas Gerais
(FAPEMIG), pelas bolsas concedidas e pelo financiamento do projeto.
Universidade Federal de Lavras (UFLA) e ao Departamento de
Engenharia (DEG), pela oportunidade de realizar esse curso.
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Por vezes sentimos que aquilo que fazemos
no seno uma gota de gua no mar.
Mas o mar seria menor se lhe faltasse uma gota...
(Madre Teresa de Calcut)
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RESUMO
O trabalho teve como objetivo a avaliao de um sistema combinado anaerbio-aerbio em escala laboratorial no tratamento da vinhaa. O sistema monitorado teve duas fases: a Fase I teve 77 dias de monitoramento e trabalhou com um TDH de 0,95 d-1 e a Fase II teve 123 dias de monitoramento e trabalhou com um TDH de 1,85 d-1. Para avaliao do sistema, foram monitoradas, nos afluentes e efluentes de cada reator, as seguintes variveis: demanda biolgica de oxignio (DBO), demanda qumica de oxignio (DQO), slidos totais (ST), slidos totais volteis (STV), slidos totais fixos (STF), nitrognio total Kjeldahl (NTK), nitrato, fsforo total, pH, temperatura, alcalinidade, acidez e compostos fenlicos. Todas as anlises foram feitas no LAADEG/UFLA, seguindo metodologia descrita em American Public Health Association - APHA (2005). Para o estudo hidrodinmico das unidades, foram realizados ensaios empregando cloreto de ltio (LiCl) como traador. Quanto ao desempenho do sistema, as eficincias de remoo para: ST, SFT, SV, compostos fenlicos, NTK, fsforo, DBO5, DQObruta e DQOfiltrada, foram baixas e apresentaram variaes consideradas, podendo observar que o sistema no entrou em steady-state. As variveis pH e temperatura apresentaram valores de 6,1 e 24,3 C, respectivamente, enquadrando nos valores adequados para o bom funcionamento do sistema. A produo terica de gs metano para o UASB 1 foi de 19,4 LCH4 d-1 na Fase I e de 10,9 LCH4 d
-1 na Fase II; para o UASB 2 foi de 6,9 LCH4 d-1 na
Fase I e de 5,7 LCH4 d-1 na Fase II. Os valores mdios encontrados para
alcalinidade parcial (AP), alcalinidade intermediria (AI) e alcalinidade total em ambas as fases de monitoramento do sistema estavam abaixo da faixa recomendada para o processo de anaerobiose. Atravs do ensaio hidrodinmico, os reatores UASB 1 e UASB 2 apresentaram fluxo tendendo a pistonado com moderada intensidade de disperso e o reator FBS apresentou fluxo tendendo mistura completa com grande intensidade de disperso.
Palavras-chave: Vinhaa. Eficincia na remoo de matria orgnica. Reator UASB. FBS. Ensaio hidrodinmico.
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ABSTRACT
The purpose of this study was to assess a combined aerobic-anaerobic system used for vinasse treatment. The experiment was performed in the laboratory scale during two different stages, namely, the stages I and II, which lasted respectively 77 and 123 monitoring days for a Hydraulic Retention Time of around 0.95 d-1 and of 1.85 d-1. On the affluents and effluents of each reactor were monitored the following parameters: biological oxygen demand (BOD), chemical oxygen demand (COD), total solids (TS), total volatile solids (TVS), total fixed solids (TFS), total Kjeldahl nitrogen (TKN), nitrate, total phosphorus, pH, temperature, alkalinity, acidity, and phenolic compounds. Analyses were carried out as outlined in American Public Health Association (2005), in the Laboratory of Effluent and Water Analysis of the Department of Engineering, at Federal University of Lavras. For the hydrodynamic study were performed experiments using lithium chloride as tracer. The system performance did not reach the steady-state, as result of low removal efficiency for TS, TFS, VS, phenolic compounds, NKT, phosphorus, BOD5, crude COD, and filtered COD, which showed significant variations. The pH of 6.1 and temperatures of 24.3oC were suitable for the best system working. The theoretical production of methane gas from the UASB 1 and UASB 2 were respectively of 19.4 LCH4 d-1 and 6.9 LCH4 d-1 at the stage I, and of 10.9 LCH4 d-1 and 5.7 LCH4 d-1 at the stage II. The averages of partial, intermediate and total alkalinity of both system monitoring stages were under the range recommended for the anaerobic process. Therefore, the reactors UASB 1 and UASB 2 showed a plug-flow tendency, with moderate dispersion. Besides, the Biological and Submerged Aerated Filter (BSAF) showed a tendency for complete mixing flow with intensive dispersion.
Keys-words: Vinasse. Efficiency in the organic matter removal. UASB reactor. BSAF. Hydrodynamic testing.
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LISTA DE FIGURAS
Figura 1 Desenho esquemtico de um reator UASB ...................................... 38
Figura 2 Diferentes formas de injeo do traador ......................................... 57
Figura 3 Principais anomalias existentes em escoamentos no ideais ............ 59
Figura 4 Configuraes dos reatores UASB 1, UASB 2 e FBS ..................... 62
Figura 5 Configuraes do separador trifsico ............................................... 63
Figura 6 Configuraes do equalizador de presso ........................................ 64
Figura 7 Gasmetros para o monitoramento do biogs .................................. 65
Figura 8 Condutes utilizados como material suporte do FBS ....................... 66
Figura 9 Sistema de aerao do FBS composto por quatro unidades
perfuradas ligadas a um compressor para injeo de ar na base do
FBS ................................................................................................... 67
Figura 10 Tanque de acidificao e equalizao (TAE) para alimentao
dos reatores ....................................................................................... 68
Figura 11 Efluente gerado pelo FBS sendo descartado em galo de 20 litros
para o monitoramento dirio da vazo do sistema ........................... 69
Figura 12 Sistema de tratamento em escala laboratorial compreendendo
associao em srie dos reatores UASB com o FBS instalado no
LAADEG ......................................................................................... 70
Figura 13 Intervalo entre as duas fases quando se realizou o teste de
estanqueidade para verificao de vazamentos ................................ 71
Figura 14 Estruturao para realizao do ensaio hidrodinmico nos
reatores UASB 1, UASB 2 e FBS .................................................... 79
Figura 15 Variao nos valores de temperatura observados no afluente e a
mdia encontrada nas duas fases do experimento ............................ 82
Figura 16 Variao nos valores de temperatura observados no reator UASB
1 e a mdia encontrada nas duas fases do experimento .................... 83
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Figura 17 Variao nos valores de temperatura observados no reator UASB
2 e a mdia encontrada nas duas fases do experimento .................... 83
Figura 18 Variao nos valores de temperatura observados no FBS e a
mdia encontrada nas duas fases do experimento ............................ 84
Figura 19 Condutividade eltrica medida no afluente e nos reatores UASB
1, UASB 2 e FBS durante a ltima semana de monitoramento do
experimento ...................................................................................... 85
Figura 20 Variao nos valores de pH observados no afluente e a mdia
encontrada nas duas fases do experimento ....................................... 87
Figura 21 Variao nos valores de pH observados no UASB1 e a mdia
encontrada nas duas fases do experimento ....................................... 87
Figura 22 Variao nos valores de pH observados no UASB 2 e a mdia
encontrada nas duas fases do experimento ....................................... 88
Figura 23 Variao nos valores de pH observados no FBS e a mdia
encontrada nas duas fases do experimento ....................................... 88
Figura 24 Variao dos valores encontrados para alcalinidade total o
afluente e nos reatores UASB 1 e UASB 2. Mdia geral do
sistema na Fase I (632 mgCaCO3 L-1) e na Fase II (751
mgCaCO3 L-1) ................................................................................... 90
Figura 25 Variao dos valores encontrados para o Coeficiente de Ripley
(AI/AP) no afluente e nos reatores UASB1 e UASB2. Mdia
geral do sistema na Fase I (3,9) e na fase II(1,9) .............................. 91
Figura 26 Variao dos valores encontrados para alcalinidade parcial (AP)
no afluente e nos reatores UASB1 e UASB2. Mdia geral do
sistema na Fase I (219 mgCaCO3 L-1) e na Fase II (455
mgCaCO3 L-1) ................................................................................... 93
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Figura 27 Variao dos valores encontrados para alcalinidade intermediria
(AI) no afluente e nos reatores UASB1 e UASB2. Mdia geral
do sistema na Fase I (444 mgCaCO3 L-1) e na Fase II (434
mgCaCO3 L-1) ................................................................................... 93
Figura 28 Variao dos valores encontrados para alcalinidade bicarbonato
no afluente e nos reatores UASB1 e UASB2. Mdia geral do
sistema na Fase I (-233 mgCaCO3 L-1) e na Fase II (-
239mgCaCO3 L-1) ............................................................................. 94
Figura 29 Variao dos valores encontrados para cidos volteis totais no
afluente e nos reatores UASB1 e UASB2. Mdia geral do
sistema na Fase I (1138 mgCaCO3 L-1) e na Fase II (1353
mgCaCO3 L-1) .................................................................................. 96
Figura 30 Variao nos valores de concentrao de oxignio dissolvido no
FBS somente na Fase II do experimento. Valores medidos por
titulao e pelo oxmetro .................................................................. 97
Figura 31 Slidos totais (ST) presentes no sistema combinado anaerbio -
aerbio ............................................................................................ 101
Figura 32 Slidos fixos totais presentes no sistema combinado anaerbio -
aerbio ............................................................................................ 101
Figura 33 Slidos volteis totais presentes no sistema combinado anaerbio
aerbio ......................................................................................... 102
Figura 34 Perfil dos slidos atravs da concentrao de SVT para o ao
longo do monitoramento do sistema. A Reator UASB 1 / B
Reator UASB 2 / C Reator FBS / D Mdia do perfil dos
slidos nos reatores UASB 1, UASB 2 e FBS ............................... 104
Figura 35 Valores mdios de concentrao de DBO5, DQO bruta e DQO
filtrada, encontrados no afluente e nos reatores UASB 1, UASB
2 e FBS durante o monitoramento do sistema ................................ 108
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Figura 36 Produo de biogs nos reatores UASB 1 e UASB 2 atravs do
deslocamento de gua nos gasmetros ........................................... 110
Figura 37 Concentraes mdias de NTK no afluente e nos reatores UASB
1, UASB 2 e FBS durante o monitoramento do sistema ................ 115
Figura 38 Concentraes mdias de nitrato (NO3-) no afluente e nos
reatores UASB 1, UASB 2 e FBS durante o monitoramento do
sistema ............................................................................................ 116
Figura 39 Concentraes de fsforo no afluente e nos reatores UASB 1,
UASB 2 e FBS durante o monitoramento do sistema .................... 119
Figura 40 Concentraes dos compostos fenlicos no afluente e nos
reatores UASB 1, UASB 2 e FBS durante o monitoramento do
sistema ............................................................................................ 122
Figura 41 Curva de DTR para o UASB 1 ....................................................... 126
Figura 42 Curva de DTR para o UASB 2 ....................................................... 127
Figura 43 Curva de DTR para o FBS ............................................................. 127
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LISTA DE TABELAS
Tabela 1 Composio da vinhaa de cana-de-acar segundo vrios
autores .............................................................................................. 31
Tabela 2 Evoluo da legislao brasileira sobre a disposio da vinhaa ..... 33
Tabela 3 Vantagens e desvantagens de um reator UASB ............................... 39
Tabela 4 Parmetros da vinhaa por diversos autores ..................................... 42
Tabela 5 Carga orgnica volumtrica (COV), carga orgnica biolgica
(COB), tempo de deteno hidrulica (TDH) e vazo (Q)
utilizados durante as duas fases do experimento .............................. 73
Tabela 6 Frequncia e mtodos de anlises .................................................... 75
Tabela 7 Caractersticas operacionais dos reatores UASB 1, UASB 2 e
FBS para realizao do ensaio hidrodinmico ................................. 80
Tabela 8 Temperaturas mdias no afluente e nos reatores UASB 1, UASB
2 e FBS ao longo das duas fases de monitoramento do sistema....... 82
Tabela 9 Valores mdios do pH no afluente e nos reatores UASB 1,
UASB 2 e FBS ao longo das duas fases de monitoramento do
sistema .............................................................................................. 86
Tabela 10 Valores mdios da alcalinidade parcial, alcalinidade
intermediria e alcalinidade total (mgCaCO3 L-1) e do coeficiente
de Ripley para o afluente e para os reatores UASB 1 e UASB 2 ..... 92
Tabela 11 Valores mdios da alcalinidade bicarbonato (mgCaCO3 L-1) para
o afluente e para os reatores UASB 1 e UASB 2 ............................. 94
Tabela 12 Valores mdios dos cidos volteis totais (mgCaCO3 L-1) no
afluente e nos reatores UASB1 e UASB2 ........................................ 95
Tabela 13 Eficincia de remoo dos ST, SFT e SV no sistema anaerbio-
aerbio em estudo ............................................................................. 99
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Tabela 14 Valores mdios dos ST, SFT e SVT presentes nos reatores
UASB 1, UASB 2 e FBS ................................................................ 100
Tabela 15 Valores mdios das eficincias na remoo de DBO5, DQO bruta
e DQO filtrada durante o monitoramento do sistema ..................... 109
Tabela 16 Valores encontrados para a produo terica de metano ............... 111
Tabela 17 Valores mdios de NTK no afluente e nos reatores UASB 1,
UASB 2 e FBS durante o monitoramento do sistema .................... 114
Tabela 18 Eficincia mdia de remoo de NTK nos reatores UASB 1,
UASB 2 e FBS durante o monitoramento do sistema .................... 114
Tabela 19 Concentraes mdias de nitrato no afluente e nos reatores
UASB 1, UASB 2 e FBS durante o monitoramento do sistema..... 117
Tabela 20 Eficincia de remoo do nitrato nos reatores UASB 1, UASB 2
e FBS durante o monitoramento do sistema ................................... 117
Tabela 21 Valores mdios de fsforo no afluente e nos reatores UASB 1,
UASB 2 e FBS o monitoramento do sistema ................................. 118
Tabela 22 Eficincia mdia de remoo de fsforo nos reatores UASB 1,
UASB 2 e FBS, durante as duas fases de monitoramento do
sistema ............................................................................................ 118
Tabela 23 Valores mdios dos compostos fenlicos no afluente e nos
reatores UASB 1, UASB 2 e FBS durante o monitoramento do
sistema ............................................................................................ 121
Tabela 24 Eficincia mdia de remoo dos compostos fenlicos nos
reatores UASB 1, UASB 2 e FBS durante o monitoramento do
sistema ............................................................................................ 121
Tabela 25 Resultados do ensaio hidrodinmico realizado no sistema
combinado anaerbio-aerbio em estudo ....................................... 123
Tabela 26 Interpretao do resultado para a disperso (d) quanto
intensidade ...................................................................................... 123
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Tabela 27 Interpretao do resultado para a disperso (d) quanto ao
escoamento ..................................................................................... 123
Tabela 28 Interpretao do resultado para o nmero de sries (N) quanto ao
escoamento ..................................................................................... 124
Tabela 29 Resultados dos ndices utilizados para a avaliao mais precisa
do ensaio hidrodinmico do sistema anaerbio-aerbio,
juntamente com a interpretao dos resultados .............................. 125
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LISTA DE SIGLAS E ABREVIATURAS
Bx - Grau Brix
ABNT Associao Brasileira de Normas Tcnicas
AI Alcalinidade Intermediria
ANOVA Anlises de varincias
AP Alcalinidade Parcial
AT Alcalinidade Total
ATP Trifosfato de adenosina
AVT cidos Volteis Totais
CE Condutividade Eltrica
CERH Conselho Estadual de Recursos Hdricos
CNPq - Conselho Nacional de Desenvolvimento Cientfico e Tecnolgico
COB Carga Orgnica Biolgica
CONAMA Conselho Nacional do Meio Ambiente
COPAM Conselho Poltico Ambiental
COV Carga Orgnica Volumtrica
CV Coeficiente de Variao
DBO Demanda Bioqumica de Oxignio
DEG Departamento de Engenharia da UFLA
DQO Demanda Qumica de Oxignio
DTR Tempo de residncia
EPDM Ethylene Propylene Diene Monomer (M- class rubber)
FAPEMIG - Fundao de Amparo Pesquisa do Estado de Minas Gerais
FBS Filtro Biolgico Aerado Submerso
IDM ndice de Disperso de Morril
K(t) Fator de correo
L/B Relao altura / dimetro
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LAADEG - Laboratrio de Anlise de gua e Efluentes do Departamento de
Engenharia
NBR Normas Brasileiras
NPK Nitrognio / Fsforo / Potssio
NTK Nitrognio Total Kjeldahl
OD Oxignio Dissolvido
P Presso atmosfrica
pH Potencial Hidrogeninico
PVC Cloreto de polivinila
Q Vazo
R2 Coeficiente de correlao
RAC Reator Anaerbio Compartimentado
SFT Slidos Fixos Totais
SST Slidos totais em suspenso
ST Slidos Totais
SVT Slidos Volteis Totais
TAE Tanque de Acidificao e Equalizao
TDH Tempo de Deteno Hidrulica
UASB Reator anaerbio de manta de lodo (Upflow Anaerobic Sludge Blanket)
UFLA Universidade Federal de Lavras
UFV Universidade Federal de Viosa
V Volume
Y Crescimento bacteriano
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LISTA DE SMBOLOS E UNIDADES
% - Porcentagem
C Graus Celsius
atm Presso atmosfrica
Ca Clcio
Ca(OH) Hidrxido de clcio
CaCO3 Carbonato de clcio
Cd Cdmio
CH4 Metano
cm Centmetro
CO2 Gs carbnico
Cr Cromo
d Dia
g L-1 Grama por litro
g m-3 Grama por metro cbico
g mol-1 Grama por mol
h Hora
K Potssio
kg m-3 d-1 Quilograma por metro cbico por dia
kg m-3 Quilograma por metro cbico
kg mol-1 Quilograma por mol
kPa Quilo Pascal
L Litro
L d-1 Litro por dia
L h-1 Litro por hora
L mol-1 K-1 Litro por mol por Kelvin
Li+ - Ltio
-
LiCl Cloreto de ltio
m Metro
m h-1 Metro por hora
m m-1 Metro por metro
m s-2 - Metro por segundo a cada segundo
m2 m-2 h-1 Metro quadrado por metro quadrado por dia
m3 m-3 d-1 Metro cbico por metro cbico por dia
mg L-1 Miligrama por litro
Mg Magnsio
mg mg-1 Miligrama por miligrama
mL Mililitro
mL d-1 Mililitros por dia
mm Milmetro
mS cm-1 Mili Siemens por centmetro
N Nitrognio
N2 Nitrognio
NaOH Hidrxido de sdio
NH3 Amnio
NH4+ - Amnia
Ni Nquel
NO2- Nitrito
NO3- Nitrato
Dimetro
K Graus Kelvin
O2 Oxignio
P Fsforo
Pb Chumbo
SO4 Dixido de enxofre
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Comprimento de onda
Sigma
-
SUMRIO
1 INTRODUO ............................................................................... 25 2 OBJETIVOS .................................................................................... 27 2.1 Objetivo geral .................................................................................. 27 2.2 Objetivos especficos ....................................................................... 27 3 REVISO DE LITERATURA ...................................................... 28 3.1 A vinhaa ......................................................................................... 28 3.1.1 Composio da vinhaa .................................................................. 29 3.1.2 Alternativas de tratamento da vinhaa e disposio final ........... 32 3.1.3 A vinhaa utilizada na fertirrigao e seus impactos .................. 35 3.2 Reatores anaerbios de manta de lodo UASB ........................... 37 3.3 Biofiltros aerados submersos (FBS) .............................................. 46 3.3.1 Nitrificao em filtro biolgico aerado submerso (FBS) ............. 50 3.4 Sistema combinado anaerbio aerbio....................................... 52 3.5 Hidrodinmica dos sistemas de tratamento .................................. 53 3.5.1 Utilizao de traadores nos estudos hidrodinmicos ................. 55 4 MATERIAL E MTODOS............................................................ 61 4.1 Localizao do experimento ........................................................... 61 4.2 Configurao do experimento ........................................................ 61 4.3 gua residuria ............................................................................... 67 4.4 Alimentao do sistema .................................................................. 68 4.5 Amostragem ..................................................................................... 69 4.6 Monitoramento do sistema ............................................................. 70 4.7 Produo terica de biogs............................................................. 76 4.8 Ensaio hidrodinmico do sistema .................................................. 78 5 RESULTADOS E DISCUSSES .................................................. 81 5.1 Temperatura .................................................................................... 81 5.2 Condutividade Eltrica ................................................................... 84 5.3 Potencial hidrogeninico (pH) ....................................................... 86 5.4 Alcalinidade e acidez ....................................................................... 89 5.5 Oxignio Dissolvido ......................................................................... 96 5.6 Slidos totais (ST), fixos (SFT) e volteis (SVT)........................... 97 5.7 Avaliao do perfil de slidos nos reatores ................................... 102 5.8 Eficincia na remoo de matria orgnica no sistema ............... 105 5.9 Produo de biogs ......................................................................... 109 5.9.1 Medio do biogs feita por deslocamento de gua ..................... 109 5.9.2 Produo terica de biogs............................................................. 110 5.10 Remoo de nitrognio e fsforo .................................................... 112 5.10.1 Remoo de nitrognio ................................................................... 112 5.10.2 Remoo de fsforo ......................................................................... 117
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5.11 Compostos fenlicos ........................................................................ 119 5.12 Ensaio hidrodinmico do sistema .................................................. 122 6 CONCLUSES ............................................................................... 130 7 CONSIDERAES FINAIS E SUGESTES ............................. 132 REFERNCIAS .............................................................................. 134 ANEXO ............................................................................................ 148
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25
1 INTRODUO
Para as indstrias que utilizam grandes quantidades de gua, tais como
as do setor sucroalcooleiro, fundamental tratar e reutilizar seus efluentes. Desta
forma, tem sido sugerida a aplicao da vinhaa no solo, como fonte de
nutrientes para as culturas. Porm, a disposio inapropriada pode levar
contaminao dos solos e das guas subterrneas. Associado a este fato, verifica-
se que os padres de descarga aplicados s agroindstrias so muitas vezes
rigorosos e abaixo dos nveis que podem ser alcanados com tecnologias de
tratamento biolgico convencional.
No Brasil, os processos anaerbios empregados em sistemas de
tratamento de efluentes so comumente utilizados devido s diversas vantagens
que apresentam, quando comparados aos aerbios. Porm, esses sistemas
quando utilizados individualmente para tratamento de guas residurias
agroindustriais produzem efluentes com concentraes de nutrientes (N e P)
acima do valor permitido pela legislao. O uso combinado dos processos
anaerbio e aerbio apresenta grande potencial para tratamento dessas guas
residurias. A combinao desses processos possibilita a construo de modelos
mais compactos (menor rea de implantao da estao), com menor consumo
de energia com aeradores, devido a menor demanda de oxignio dissolvido (OD)
e menor produo de biomassa (lodo).
O sistema combinado anaerbio/aerbio mostra ser uma opo vivel
quanto aos aspectos econmico e tcnico, pois esse sistema promove oxidao
carboncea, nitrificao, desnitrificao e, algumas vezes, remoo de fsforo.
Portanto, essa combinao torna possvel aproveitar as vantagens de cada um
deles e minimiza seus aspectos negativos.
Sendo assim, o projeto de pesquisa justifica-se medida que se constata
a importncia, para a economia brasileira, da produo de derivados da cana-de-
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26
acar, como o acar e o etanol. Ultimamente, o governo federal imps um
estmulo relevante produo de lcool como combustvel; em vista disto, as
reas de produo de cana-de-acar e consequentemente a produo da vinhaa
tm aumentado continuamente. Alm disso, o aumento na produo artesanal de
cachaa no estado de Minas Gerais tem demandado solues tcnicas viveis e
simplificadas para o tratamento de seus efluentes. Ressalta-se que nas regies
produtoras, o despejo da vinhaa em corpos de gua tem se tornado um grande
problema ambiental. O aprofundamento do conhecimento de sistemas
anaerbios e aerbios, quando operados de forma combinada, contribuir para
futuras aplicaes que estaro ao alcance dos produtores, com consequente
disseminao de tecnologia e incentivo a prticas sustentveis de produo.
-
27
2 OBJETIVOS
2.1 Objetivo geral
O objetivo geral desse trabalho foi avaliar o desempenho de dois
reatores anaerbios de manta de lodo (UASB) em srie, seguidos por um filtro
biolgico aerado submerso (FBS) no tratamento da vinhaa, em escala
laboratorial.
2.2 Objetivos especficos
Os objetivos especficos da pesquisa foram:
a) Analisar a remoo de matria orgnica dos reatores UASB e FBS,
por meio da avaliao das concentraes de DQO, DBO, ST, SVT,
SFT nos afluentes e efluentes dessas unidades de tratamento.
b) Avaliar o potencial de remoo de nitrognio e fsforo dos reatores
UASB e FBS.
c) Quantificar e tambm estimar teoricamente o biogs produzido pelos
reatores UASB.
d) Quantificar a eficincia na remoo de fenis.
e) Determinar o perfil dos slidos ao longo dos reatores UASB e FBS.
f) Avaliar o comportamento hidrodinmico dos reatores UASB e FBS.
-
28
3 REVISO DE LITERATURA
3.1 A vinhaa
O setor agroindustrial no reconhecido pela sociedade como um setor
que afeta o meio ambiente. De acordo com Abarca (1999), talvez tal fato seja
devido sociedade valorizar mais a contribuio da atividade agroindustrial na
produo de alimentos sendo, entretanto, desconhecido, para a maior parte dela,
a complexidade dos processos tecnolgicos existentes neste tipo de atividade,
bem como o montante de subprodutos poluidores que so gerados e depositados
no meio ambiente.
Dentre as diversas atividades agroindustriais com elevado potencial
poluidor, destaca-se o processamento da cana-de-acar. O processo clssico da
produo de lcool, a partir de acares por fermentao e destilao, gera um
efluente chamado vinhaa, tambm conhecido por restilo e vinhoto.
Dos resduos da indstria sucroalcooleira, a vinhaa , sem dvida, o
mais importante, no s em termos de volume gerado, mas tambm em potencial
poluidor. Aproximadamente de 6 a 15 litros de vinhaa so obtidos para cada
litro de lcool produzido e sua composio varia de acordo com a matria prima
e os equipamentos utilizados no processo de obteno do lcool, representando
um srio problema ambiental (CHAUDHARI; MISHRA; CHAND, 2007;
JIMNEZ; BORJA; MARTN, 2004).
O efluente caracterizado por ser um resduo com alto contedo de
matria orgnica, elementos minerais (K, Ca e Mg), pH cido, cor marrom-
escura devido presena de polmeros de alto peso molecular chamados
melanoidinas e compostos fenlicos (cido tnico e hmico). Geralmente, o teor
de matria orgnica na forma de demanda biolgica de oxignio (DBO) e
demanda qumica de oxignio (DQO) varia de 25.000 a 45.000 mg L-1 e de
-
29
50.000 a 120.000 mg L-1, respectivamente. J o contedo de nitrognio e sulfato
varia de 4.000 a 6.000 mg L-1 e de 7.000 a 9.000 mg L-1, respectivamente
(JIMENEZ; BORJA; MARTN, 2004; MADEJN et al., 2001).
A disposio da vinhaa no ambiente perigosa e tem elevado potencial
de poluio. A alta concentrao de matria orgnica (DQO e DBO) e de
nutrientes (N e P) pode resultar em eutrofizao dos cursos dgua naturais. A
aplicao desses efluentes no solo, sem acompanhamento adequado, afeta
perigosamente a qualidade das guas subterrneas, alterando suas propriedades
fsico-qumicas, tais como cor, pH, condutividade eltrica (CE), etc., devido
lixiviao dos ons orgnicos e inorgnicos (JAIN et al., 2005).
Normas ambientais, cada vez mais rgidas, tm colocado presso nas
cachaarias e nos produtores tradicionais de acar e lcool a partir da cana-de-
acar, o que resulta num interesse crescente para o desenvolvimento de novas
tecnologias e procedimentos para o tratamento da vinhaa.
3.1.1 Composio da vinhaa
Sua composio qumica bastante varivel e depende, principalmente,
de fatores como a natureza e a composio da matria prima, do sistema usado
no preparo do mosto, do mtodo de fermentao adotado e do sistema de
conduo da fermentao alcolica, do tipo de levedura utilizada, do tipo de
aparelho destilatrio empregado, da maneira de destilao e do tipo de flegma
separado (GLRIA; ORLANDO FILHO, 1984; LELIS NETO, 2008).
Consiste em um efluente lquido rico em matria orgnica e potssio,
com significativos teores de clcio, magnsio e enxofre e outros minerais em
pequena quantidade. Devido a sua composio, amplamente utilizada in natura
como adubo, na fertirrigao (BORDIGNON, 2011; CABELLO et al., 2009;
CORAZZA, 2006).
-
30
Segundo Barros (2013) e Giachini e Ferraz (2009), a vinhaa pode ser
formada a partir de trs mostos diferentes, o que lhe confere nveis variveis
para cada elemento mineral. O mosto de melao o mais rico, apresenta em
mdia nveis de nitrognio - fsforo potssio (NPK) com cerca de 0,57; 0,10;
3,95 kg m-3 de vinhaa, respectivamente. O mosto misto, que produzido em
usinas como destilarias, apresenta nveis com cerca de 0,48 kg m-3 de N, 0,09 kg
m-3 de P, 3,34 kg m-3 de K e o mosto de caldo, produzido em destilarias isoladas,
apresenta os nveis de NPK em kg m-3 de vinhaa, 0,28; 0,09; 1,29
respectivamente.
A vinhaa apresenta elevadas concentraes de matria orgnica, por
isso seu uso pode alterar caractersticas do solo, modificando o mesmo
quimicamente, aumentando alguns elementos para as plantas e tambm pode
alterar o solo, como aumentar a lixiviao de seus compostos e contaminar o
lenol fretico, problemas de eutrofizao, entre outros (PREVITALI, 2011).
Outras caractersticas da vinhaa que causam impacto ambiental
negativo so: a cor, presena de metais pesados e poluentes orgnicos, como
clorofrmio, pentaclorofenol, fenol e cloreto de metileno. Compostos fenlicos
da matria prima, melanoidinas de reao Maillard de acares com protenas,
caramelos de acares superaquecidos e resduos de hidrlise cida podem
contribuir com a colorao do efluente. Estes compostos podem inibir a
fermentao microbiana no rmen, assim como no tratamento biolgico da
vinhaa, quando presentes em determinadas concentraes (VIANA, 2006).
Rocha (2012), analisando a Tabela 1, observou uma relao mdia de
46% de DBO/DQO, ou seja, quase metade de toda a DQO presente na vinhaa
constituda de matria orgnica biodegradvel. Este um dado importante, pois
indica o potencial poluidor deste resduo e uma possibilidade de tratamento
biolgico para a remoo desta parcela, em especial o tratamento anaerbio.
-
31
Tabela 1 Composio da vinhaa de cana-de-acar segundo vrios autores
Referncia Tipo de
mosto de vinhaa
pH DBO (g L-1)
DQO (g L-1)
N(total) (g L-1)
SO4 (g L-1)
P(total) (g L-1)
K (K2O3) (g L-1)
Haandel e Catunda (1994)
Caldo 3,5 12,0 25,0 0,40 0,20 0,80 -
Driessen et al. (1994)
Caldo 3,5 15,0 22,0 0,40 0,06 - 0,40
Costa et al. (1986)
Caldo 4,2 16,5 33,0 0,70 0,09 1,74 0,76
Callander e Badford (1983)
Caldo 3,9 - 26,0 1,19 0,32 2,10 1,47
Lampoglin e Rossel (1997)
Caldo 4,1 11,0 24,0 0,45 0,65 0,11 1,65
Costa et al. (1986)
Misto 4,5 19,8 45,0 0,71 0,09 3,82 3,73
Souza, Fuzaro e Polegato (1992)
Misto 3,9 - 31,5 0,37 0,03 1,30 0,42
Costa et al. (1986)
Melao 4,6 25,0 65,0 1,61 0,13 6,50 6,40
Menezes (1989)
Melao 4,1 25,8 48,0 0,82 0,16 - -
Haranda et al. (1996)
Melao 4,1 30,0 120 1,60 0,06 1,92 4,60
Sheehan e Greenfield
(1980)
Melao 4,2 35,7 77,7 1,78 0,17 8,90 4,36
Driessen et al. (1994)
Melao 3,9 39,0 100 1,03 0,03 7,00 9,5
Goyal et al. (1996)
Melao 4,1 60,0 98,0 1,20 1,50 1,20 5,00
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32
Tabela 1, concluso
Referncia Tipo de
mosto de vinhaa
pH DBO (g L-1)
DQO (g L-1)
N(total) (g L-1)
SO4 (g L-1)
P(total) (g L-1)
K (K2O3) (g L-1)
Sanchez Riera et al.
(1985)
Melao 4,8 - 100,0 2,5 0,30 1,75 0,70
Casarini et al. (1987)
Melao 4,2 - 24,6 0,81 0,03 1,98 0,61
Lampogha e Rossel (1997)
Melao 4,6 25,0 65,0 1,03 6,40 0,20 5,60
Bazua et al. (1991)
Melao 5,0 27,5 64,0 1,30 - - 2,80
Fonte: Rocha (2012)
3.1.2 Alternativas de tratamento da vinhaa e disposio final
Com a perspectiva do aumento substancial da produo de vinhaa e
tendo em vista o aumento do controle sobre a disposio do resduo, surgiram
diversas iniciativas de busca de tecnologias para solucionar o problema. Neste
sentido, observa-se que a poltica ambiental (neste caso via legislao ambiental)
pode ter um papel ativo na seleo de possibilidades tecnolgicas (CORAZZA;
SALLES-FILHO, 2000; ROCHA, 2012).
A partir da dcada de 1970 ficou limitado o lanamento da vinhaa nos
mananciais superficiais, gerando multa usina que violasse essa proibio. A
Tabela 2 apresenta o avano da legislao brasileira no que diz respeito ao
lanamento indevido da vinhaa nos mananciais superficiais.
-
33
Tabela 2 Evoluo da legislao brasileira sobre a disposio da vinhaa
Legislao Descrio
Portaria MINTER n 323, de 29/11/1978
(HASSUDA, 1989)
Probe o lanamento da vinhaa nos mananciais superficiais.
Lei n 6.134, de 02/06/1988, art. 5, do Estado de So Paulo (HASSUDA, 1989)
Os resduos lquidos, slidos ou gasosos, provenientes de atividades agropecurias, industriais, comerciais ou de qualquer outra natureza, s podero ser conduzidos ou lanados de forma a no polurem as guas subterrneas.
Lei n 13.494, de 11/07/2001, do Estado de
Minas Gerais (MINAS GERAIS, 2001).
Trata do padro de identidade e caractersticas do processo de elaborao da Cachaa Artesanal de Minas, condicionam a obteno e a manuteno do Certificado de Controle de Origem ao cumprimento das obrigaes inerentes legislao ambiental, dentre outras.
Deliberao Normativa COPAM n 164, de
30/03/2011 (CONSELHO ESTADUAL DE
POLTICA AMBIENTAL DO ESTADO DE MINAS
GERAIS - COPAM, 2011).
Elaborao de proposta de deliberao normativa especfica para aplicao de vinhaa e guas residurias provenientes da fabricao de aguardente em solo agrcola. Considerando que a aplicao de vinhaa, guas residurias ou sua mistura em solo agrcola benfica para a recomposio de nutrientes no solo, desde que observadas as taxas adequadas e as exigncias de controle ambiental.
Norma Tcnica CETESB
P4.321 (COMPANHIA DE TECNOLOGIA DE
SANEAMENTO AMBIENTAL - CETESB,
2006).
Dispe sobre os critrios e procedimentos para a aplicao da vinhaa, gerada pela atividade sucroalcooleira no processamento de cana-de-acar, no solo do Estado de So Paulo.
Deliberao Normativa COPAM n 184, de 13/06/2013, art. 4 (COPAM, 2013)
A aplicao de vinhaa, guas residurias ou sua mistura em solo agrcola s pode ser feita em rea de empreendimento do setor agrossilvipastoril para a qual tenha sido elaborado o Plano de Aplicao, cujo formulrio encontra-se no Anexo III desta Deliberao Normativa.
Deliberao Normativa COPAM n 184, de 13/06/2013, art. 9 (COPAM, 2013)
A vinhaa e as guas residurias produzidas durante a safra e que no forem utilizadas para aplicao em solo agrcola devem ter destinao ambientalmente adequada.
-
34
Rocha (2012) e Viana (2006) mostram vrias possibilidades de
tratamento e aproveitamento da vinhaa, tais como:
a) Tratamentos fsico-qumicos: coagulao, floculao e
sedimentao com baixo consumo de energia e remoo de DQO de
at 50%, havendo inclusive remoo de cor.
b) Osmose reversa: a vinhaa passada por presso por uma
membrana seletiva, no permeado h reduo na DQO de 90%. um
processo caro com grande consumo energtico e dificuldade em
encontrar uma membrana adequada.
c) Evaporao: para atingir cerca de 60 Bx deixando a vinhaa com
consistncia pastosa.
d) Incinerao: sistema de reao em leito fluidizado. Apesar de
reaproveitar os sais minerais nas cinzas, economicamente invivel.
e) Reciclagem industrial: A vinhaa gerada usada at 15 vezes para
diluir o melao antes da fermentao, isto reduz o volume de vinhaa
para 1 a 2 litros por litro de lcool destilado.
f) Lagoas aerbias de jacinto: a planta aqutica, conhecida
vulgarmente como Jacinto (aguap), a biomassa vegetal produzida
a partir da remoo da matria orgnica e nutriente da vinhaa,
podendo ser aproveitada na rao animal ou para produo de
biogs.
g) Lagoas de estabilizao: o resduo pode ser estabilizado com prazo
de at nove meses por ao fermentativa natural, em que h o
desprendimento de gases com odor desagradvel, infiltrao e
contaminao do lenol fretico.
h) Filtros biolgicos: biodegradao anaerbia.
-
35
i) Produo de biomassa proteica fngica ou unicelular:
necessidade de tratamento posterior.
j) Digesto anaerbia: produo de gs metano durante a degradao
anaerbia da vinhaa.
k) Fertirrigao: a vinhaa in natura utilizada na lavoura para
reaproveitamento do nitrognio, fsforo e potssio.
De todos os itens citados acima, a fertirrigao a mais difundida e
utilizada, devido a sua viabilidade tcnica e econmica. amplamente utilizada
em reas agrcolas, prximas das usinas de cana-de-acar, por conter elementos
em quantidades significativas, substituindo assim, o uso de fertilizantes
qumicos.
3.1.3 A vinhaa utilizada na fertirrigao e seus impactos
A fertirrigao com vinhaa uma prtica muito utilizada nas usinas e
destilarias do Brasil. Com o aumento na produo de lcool, acarretou aumento
tambm na produo de vinhaa, causando uma srie de problemas no meio
ambiente pelo seu destino com despejo em rios (PREVITALI, 2011).
A constituio da vinhaa, rica em gua e minerais, e as dificuldades
tcnicas e econmicas envolvidas em seu tratamento, aparecem como as razes
arroladas com maior frequncia para justificar a adoo e a ampla difuso da
prtica vigente para o destino da vinhaa, a fertirrigao (VIANA, 2006).
A fertirrigao empregada como expediente substituto ao uso da
fertilizao qumica, constituindo uma fonte de nutrientes minerais,
principalmente de potssio (CORAZZA; SALLES-FILHO, 2000); contribuindo
tambm com a economia, pois diminui os gastos com a adubao qumica.
-
36
A vinhaa um resduo que no contm reconhecidamente metais
pesados, porm, foram encontrados j em amostras de vinhaa teores baixos de
metais pesados como Pb, Cd, Cr e Ni, sugerindo que aplicaes elevadas de
vinhaa por um longo perodo poderiam aumentar estes no solo (CAMILOTTI
et al., 2009).
A aplicao desse resduo em doses compatveis com as caractersticas
fsico-qumicas do solo, devido ao incremento de produtividade agrcola,
aumenta tambm a produo de acar por hectare, tornando-se assim, um
importante fator econmico principalmente para a agroindstria sucroalcooleira
(PENHABEL, 2010).
Segundo Viana (2006), as principais razes da ampla difuso da
fertirrigao so:
a) Baixo investimento inicial requerido (tanques de decantao,
caminhes, e atualmente bombas e dutos).
b) Baixo custo de manuteno (pouco pessoal, diesel e eletricidade
gerada localmente).
c) Rpida disposio da vinhaa no solo (sem necessidade de grandes
reservatrios reguladores).
d) Ganhos compatveis com o investimento (h lucros com a
reciclagem do potssio no solo e o retorno do investimento
bastante rpido).
e) Fecha o ciclo interno que envolve a parte agrcola e a industrial no
mesmo setor, diminuindo a dependncia de insumos externos
(fertilizante).
f) No envolve uso de tecnologia complexa.
g) Aumento da produtividade da safra e da produtividade na fabricao
do acar.
-
37
Mesmo diante das vantagens proporcionadas pela adoo da
fertirrigao, restam ainda dvidas quanto adequao da prtica do ponto de
vista da proteo dos recursos naturais, principalmente no que diz respeito a seus
efeitos de longo prazo. O uso de volumes elevados de vinhaa pode aumentar o
nvel de potssio no caldo da cana. Alm disso, h controvrsias sobre
salinizao do solo e contaminao de aquferos subterrneos. Se os efeitos da
descarga da vinhaa sobre os mananciais de superfcie so bastante conhecidos a
ponto de no mais suscitarem disputas, o mesmo parece no ocorrer com os
impactos ambientais de sua disposio no solo (CORAZZA; SALLES-FILHO,
2000; VIANA, 2006).
3.2 Reatores anaerbios de manta de lodo UASB
O tratamento anaerbio de efluentes bastante atrativo para pases de
clima tropical, uma vez que a aplicabilidade dessa tecnologia depende de fatores
ambientais que neles so favorveis. Em pases como Mxico, Equador,
Colmbia, Indonsia, Venezuela e Brasil j se encontram em operao diversas
estaes de tratamento com tecnologia anaerbia (HAMERSKI, 2012).
O UASB foi desenvolvido e aplicado na Holanda na dcada de 1970 e
vem sendo utilizado para tratamento de esgotos domsticos e industriais, assim
como no tratamento de lodo, atuando, como um decantador primrio, um reator
biolgico, um decantador e um digestor de lodo (ROSRIO, 2007).
Segundo Chernicharo (1997), Lettinga et al. (1991) e Passeggi et al.
(2012), o reator UASB (Figura 1) um dos sistemas biolgicos no qual o
efluente tratado na ausncia de oxignio livre, ocorrendo a formao de uma
biomassa anaerbia, denominada lodo anaerbio. Um dos principais subprodutos
da degradao anaerbia da matria orgnica o biogs (CH4 e CO2). E um dos
aspectos mais importantes nos reatores UASB sua habilidade em desenvolver e
-
38
manter um lodo de elevada atividade e excelentes caractersticas de
sedimentao.
Figura 1 Desenho esquemtico de um reator UASB
Fonte: Silva, J. (2007)
Rosrio (2007) apresentou na Tabela 3 as principais vantagens e
desvantagens da utilizao do UASB no tratamento de esgotos.
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39
Tabela 3 Vantagens e desvantagens de um reator UASB
VANTAGENS DESVANTAGENS
- Baixo consumo de energia eltrica, devido a no utilizao de equipamentos
eletromecnicos.
- A partida do UASB lenta, pois as bactrias anaerbias tm uma velocidade
de crescimento pequena.
- Sistema compacto, no necessitando de grandes reas.
- Pequena remoo de organismos patognicos.
- Este tratamento suporta variao de cargas orgnicas e hidrulicas, quando o
sistema estiver estabilizado e o lodo ativo.
- Este sistema tem baixa capacidade de tolerar cargas txicas.
- Eficincia de DQO e DBO na ordem de 65% a 75%.
- Gerao de odor desagradvel por causa da degradao de compostos contendo
enxofre e gs sulfdrico.
- Produo de energia na forma de metano.
- Necessidade de ps-tratamento para remoo de DQO remanescente, amnia e
outros compostos.
- Pequena produo de lodo. Tal lodo no precisa de tratamento, pois j vem
estabilizado, havendo apenas a necessidade de desidratao.
- Baixo requerimento de nutrientes.
- Baixo custo de implantao e operao.
- Em caso de necessidade a alimentao do reator pode ser parada por vrios
meses, sem perdas significativas para a biomassa.
Nos ltimos anos, a tecnologia UASB tem sido utilizada com sucesso
para o tratamento de vrios tipos de guas residurias. Reatores UASB
pertencem categoria de alta taxa de tratamento anaerbio de efluentes e,
portanto, um dos reatores mais populares e amplamente utilizados no
tratamento de efluentes de destilaria (AKUNNA; CLARK, 2000).
O processo anaerbio se constitui em uma tecnologia adequada para a
estabilizao das altas concentraes de matria orgnica presente na vinhaa,
-
40
possibilitando produzir dois produtos finais de valor econmico: o gs metano
como fonte de energia e o efluente que pode ser usado com maior segurana
como fertilizante de solos devido reduo de matria orgnica pelo processo
anaerbio, mas ainda com concentraes considerveis de nutrientes
(MADEJN et al., 2001; RIBAS, 2007).
A tecnologia UASB adequada para guas residurias de destilaria de
alta carga somente quando o processo for iniciado com sucesso e estiver em
funcionamento estvel. Sendo assim, para alcanar partidas bem sucedidas, os
reatores devem ser operados a uma baixa carga de 4 a 8 kg m-3 d-1 de DQO e a
eficincia de remoo de DQO deve ser monitorada cuidadosamente
(WOLMARANS; VILLIERS, 2002).
Segundo Ribas (2007), vrios autores avaliaram o reator UASB para
tratamento anaerbio termoflico da vinhaa por apresentar melhor desempenho
(DRIESSEN; TIELBAARD; VEREIJKEN, 1994; HARADA et al., 1996;
SOUZA; FUZARO; POLEGATO, 1992; VLISSIDIS; ZOUBOULIS, 1993;
WIEGANT; CLAASSEN; LETTINGA, 1986). Alguns dos estudos mais
significativos sobre o tratamento anaerbio de vinhaa so apresentados na
Tabela 4 com relao s taxas mximas obtidas de carregamento orgnico.
Harada et al. (1996) analisaram a viabilidade de reatores UASB em
temperaturas termoflicas. Um reator UASB de 140 litros foi estudado por um
perodo de 430 dias. A carga orgnica de at 28 kg m-3 d-1 de DQO foi aplicada
por meio da reduo do tempo de deteno hidrulica (TDH). A remoo de
DQO foi de 67%, enquanto a remoo de DBO foi mais significativa (mais de
80%).
Driessen, Tielbaard e Vereijken (1994) estudaram o tratamento
anaerbio da vinhaa, em condies termoflicas, utilizando reator UASB. Os
pesquisadores verificaram a tratabilidade da vinhaa por esse mtodo.
Obtiveram eficincias de remoo de DQO na faixa entre 65 e 95%, dependendo
-
41
das condies do tratamento. Obtiveram carregamentos da ordem de
22 kg m-3d-1, com eficincia de remoo de DQO de 88%, alm de formao de
lodo bem granulado. Os autores preveem que carregamentos orgnicos maiores
podem ser aplicados com alta eficincia de remoo de DQO se as condies de
operao forem otimizadas.
-
42
Tabela 4 Parmetros da vinhaa por diversos autores
Temperatura Configurao (volume til)
Tempo operao(d)
Origem vinhaa
DQO afluente (g L-1)
1COVmx. (kg m-3 d-1)
2TDH (d) 3DQO (%) Rendimento
CH4 (m3 m-3 d-1)
Referncia
Mesoflico (32-37 C)
Filme fixo (0,8 L)
90 Vincola 61 20 3 37 3,8
Lalov, Krysteva e Phelouzat
(2001)
Fluidificado com pedra
pome (0,63 L) 66 Vincola 18 36 0,5 76 8,2
Balaguer, Vicent e Pars
(1997)
Fluidificado com carvo
granular ativado( 1,5 L)
250 Acar de beterraba
1,7 5,3 8 87 2,3 Fdz-Polanco et al. (2001)
Fluidificado com zeolita
(1,0 L) 120
lcool de cana
66 10 0,6 80 1,2 Fernandez et
al. (2001)
UASB (0,5 L) n.d. Vincola 31 9,1 3,4 90 0,72 Moosbrugger et al. (1993)
Batelada sequencial
(5,0 L) 147
Acar de cana
16 2,4 6,6* 96 n.d. Ruiz (2002)
-
43
Tabela 4, concluso
Temperatura Configurao (volume til)
Tempo operao(d)
Origem vinhaa
DQO afluente (g L-1)
1COVmx. (kg m-3 d-1)
2TDH (d) 3DQO (%) Rendimento
CH4 (m3 m-3 d-1)
Referncia
Termoflico (53-55C)
UASB (2,0 L) 200 Acar de Beterraba
60 6,0 10 86 1,9 Vlissidis e Zouboulis
(1993)
UASB (5,75 L) 120 lcool
beterraba 15,4 86,4 0,2 60 26
Wiegant, Claassen e
Lettinga (1986)
Fluidificado (n.d) 90 Vincola 15 40,5 2,55 82 7,5 Prez, Romero e Sales (1999)
UASB (140 L) 430 lcool de
cana 10 24 0,42 45 n.d.
Harada et al. (1996)
UASB(70 m3) 280 lcool de
cana 31,5 25 2 72 10
Souza, Fuzaro e Polegato (1992)
4RAHLF(2 L) 90 lcool de
cana 10 9,1 1,1 70 n.d. Telh (2001)
UASB (10 L) 200 lcool de
cana 5-6,5 5-6,5 1 45 n.d. Viana (2006)
n.d.: dado no disponvel; *Tempo de ciclo de cada batela. 1COVmx: carga orgnica volumtrica mxima; 2 TDH: tempo de deteno hidrulica; 3DQO: eficincia de remoo;
4RAHLF: reator anaerbio horizontal de leito fixo.
-
44
O conceito de reator UASB convencional mostrou srias limitaes,
principalmente devido aos problemas relacionados resistncia de transferncia
de massa ou o aparecimento de gradientes de concentrao dentro do sistema
(LIER et al., 2001).
Sistemas anaerbios podem ser operados como fase nica ou sistemas de
duas fases. Sistemas monofsicos envolvem apenas um reator, no qual os
microrganismos degradam a matria orgnica, enquanto nos sistemas de duas
fases, os organismos acidognicos e os metanognicos encontram-se em dois
reatores distintos.
O processo anaerbio de dois estgios, segundo Haandel e Lettinga
(1994), consiste em dois reatores em srie, um para hidrlise parcial da matria
orgnica particulada e o outro para digerir os compostos solveis formados no
primeiro reator. O primeiro reator hidroltico, com velocidade ascensional
relativamente baixa, conter lodo floculento. A matria orgnica particulada do
afluente poder ser adsorvida e parcialmente hidrolisada nos flocos e
reintroduzida como compostos solveis na fase lquida, os quais sero tratados
no segundo reator. A eficincia de remoo de slidos suspensos no primeiro
reator ser maior do que a remoo da matria orgnica solvel e ser necessrio
a descarga peridica do excesso de lodo (PEREIRA, 2004).
Segundo Mohana, Acharya e Madamwar (2009), um sistema bifsico
capaz de otimizar cada etapa de fermentao em fermentadores separados.
Como resultado, a eficincia do processo e a cintica so superiores aos dos
processos convencionais de estgio nico em que todos os organismos primrios
e secundrios e impurezas associadas so conduzidos sob condies ambientais
idnticas.
Na fase preliminar da fermentao, os produtos finais so formiato,
acetato, lactato, etanol, dixido de carbono, hidrognio e maior teor de cidos
graxos volteis. basicamente a fase de fermentao cida. A fase secundria
-
45
constitui na fermentao do metano, na qual os produtos finais sero o metano e
dixido de carbono.
A biometanizao utilizando sistema bifsico o mtodo de tratamento
mais adequado para as guas residurias de alta carga devido as suas mltiplas
vantagens, tais como: possibilidade de manter condies ideais para o
tamponamento de desequilbrios entre a produo e consumo de cidos
orgnicos; desempenho estvel e maior concentrao de metano no biogs
produzido (SETH; GOYAL; HANDA, 1995).
Uma das maiores limitaes do tratamento anaerbio de guas
residurias, com concentraes elevadas de slidos orgnicos biodegradveis,
como a vinhaa, em sistemas de um nico estgio a hidrlise lenta, em virtude
da produo de grandes quantidades de cidos graxos volteis no reator, os quais
podem diminuir e inibir a atividade dos microrganismos metanognicos.
Sabendo disso, Akunna e Clark (2000) propuseram um reator hbrido,
que uma combinao de reatores UASB e um reator anaerbio
compartimentado para o tratamento de efluentes de alta carga, conhecido como
reator anaerbio de leito granular. Eficincias de remoo de at 80% de DQO e
90% de DBO foram observadas para uma taxa de carga orgnica de 4,75 kg m-3
d-1 de DQO. A produo de biogs aumentou de 10 a 22 L d-1 para taxas de
carregamento de 0,99 e 4,75 kg m-3 d-1 de DQO, com teor de metano de 60 a
70%. A eficcia do reator resultou na estabilidade do processo criada pela
separao das fases previstas na configurao do reator. O sistema tambm
mostrou maior reteno de slidos com concentrao de slidos suspensos no
efluente de 80 mg L-1 para todas as condies orgnicas e hidrulicas.
Uzal, Gokay e Demirer (2003) investigaram o tratamento anaerbio de
resduos de destilaria de usque em reatores UASB de duas fases e concluram
que o sistema funcionou de forma eficiente, mesmo em carga orgnica to alta
quanto 39 kg m-3 d-1, resultando em reduo da DQO de 95%.
-
46
Sayed e Fergala (1995), utilizando o processo em dois estgios com
reatores UASB (o primeiro com lodo floculento e o segundo com lodo
granulado), para tratamento de esgoto sanitrio bruto (DQO de 200 a 700 mg L-1
com 55% correspondendo DQO), com temperatura de 18 C a 20 C,
verificaram eficincias de remoo de DBO e DQO de 90 a 80%,
respectivamente, com COV de 2 e 6 kg DQO m-3 d-1 no primeiro e segundo
reatores, respectivamente.
3.3 Biofiltros aerados submersos (FBS)
O Biofiltro Aerado Submerso, ou Filtro Aerbio Submerso, conforme
designado pela NBR 13.969/97, um processo de tratamento que utiliza um
meio suporte, imerso no reator, para fixao dos microrganismos responsveis
pela depurao do esgoto (biofilme), sendo o oxignio necessrio fornecido por
meio de equipamentos de aerao (ASSOCIAO BRASILEIRA DE
NORMAS TCNICAS - ABNT, 1997). Embora o volume de ar introduzido seja
expressivo, no interior do meio filtrante prevalece um escoamento de fluxo
pisto (ORTIGARA, 2009).
So tambm conhecidos como sistemas de aerao por contato e tm
sido utilizados por mais de 50 anos. Pedra, coque, ripas de madeiras e material
cermico so alguns dos materiais suportes utilizados no passado. Ar
comprimido era introduzido atravs de tubos perfurados sob o meio de contato.
Com o desenvolvimento dos difusores de ar, atualmente fabricados com
membrana de borracha EPDM (Ethylene Propylene Diene Monomer) (M-class
rubber) e montados em PVC (cloreto de polivinila); e com os vrios materiais de
contato, (meio suporte) este tipo de filtro continua atraindo o interesse dos
pesquisadores. Assim, os filtros submersos parecem ser uma boa alternativa a
outros processos de tratamento (AISSE et al., 2001).
-
47
Os FBS so reatores de biomassa aderida nos quais so utilizados
materiais de empacotamento com uma elevada rea especfica para o tratamento
secundrio e tercirio de guas residurias. O efluente a ser tratado introduzido
na parte inferior do biofiltro, juntamente com o ar necessrio para a atividade
microbiana. A maioria dos FBS dispe de sistema de aerao artificial, no qual
uma bomba succiona o afluente e injeta ar dissolvido na base dos biofiltros.
Podem tambm ser utilizados compressores convencionais, mas o mais
adequado em escala plena so os denominados sopradores, capazes de aplicar ar
a elevadas presses manomtricas. gua residuria e ar percolam no meio
suporte.
Durante todo o trajeto, microrganismos aerbios aderidos ao suporte de
imobilizao celular e em suspenso no lquido em tratamento utilizam a matria
orgnica presente, estabilizando-a e produzindo, como subprodutos, gs
carbnico, gua e energia armazenada nos microrganismos sob a forma de ATP.
Esta configurao diferenciada de reator foi desenvolvida na Europa no
final dos anos 80, sendo o FBS largamente difundido devido s suas vantagens,
como a pequena necessidade de rea e cargas orgnicas aplicveis muito
superiores aos processos biolgicos convencionais, alcanando altas eficincias
de remoo de compostos orgnicos, nitrognio total e slidos suspensos
(WANG et al., 2006).
Em geral, reatores submersos de biomassa fixa alcanam uma elevada
concentrao de microrganismos, o que permite menores tempos de deteno
hidrulica (TDH) para os mesmos tempos de reteno de slidos, em
comparao com sistemas em que a biomassa cresce suspensa. Isso resulta em
um sistema compacto, que pode ser vantajoso quando no se dispe de grandes
reas para construir o sistema de tratamento (ORTIGARA, 2009).
-
48
Os biofiltros aerados so capazes de atingir diferentes objetivos de
qualidade: oxidao de matria orgnica, nitrificao secundria ou terciria,
desnitrificao e a desfosfatao fsico-qumica (LACAMP et al., 1992).
A remoo de matria orgnica e de slidos, bem como a nitrificao
podem ser obtidas em uma nica unidade (MANN; MENDOZA-ESPINOSA;
STEPHENSON, 1999). Como um processo de crescimento em leito fixo, as
condies timas para os microrganismos relevantes ao processo podem ser
mantidas independentes do tempo de deteno hidrulica (MOORE;
QUARMBY; STEPHENSON, 2001), permitindo o desenvolvimento de
organismos com baixas velocidades de crescimento, tais como as bactrias
nitrificantes.
Alm de compactos, os biofiltros podem ser construdos em concreto,
fibra de vidro ou ao revestido com epxi, podendo ser constitudos de unidades
pr-fabricadas, possveis de serem transportadas e montadas no local da
instalao. Essa peculiaridade facilita a instalao destes sistemas em locais
onde a infraestrutura tende a ser precria, como pequenas localidades
(CHERNICHARO, 2001).
No Brasil, os FBS tm sido amplamente utilizados para o ps-tratamento
de esgoto sanitrio de reatores anaerbios, tais como reatores UASB
(HIRAKAWA; PIVELI; ALM SOBRINHO, 2002; NASCENTES; ROQUE,
2003), tanque sptico (MAGRI et al., 2013) e filtros anaerbios (DOMINGUES;
SECO; NOUR, 2005).
Na configurao de UASB seguido por FBS, nas condies em que foi
testado por Hirakawa, Piveli e Alm Sobrinho (2002), com taxas de aplicao de
0,74 a 4,02 kg m-3 d-1 de DQO, o FBS apresentou bons resultados na remoo de
matria orgnica (DQO e DBO) do esgoto domstico. No perodo em que a
eficincia mdia de remoo de DQO no UASB foi de 59%, a do FBS foi de
64%, sendo que a eficincia global do sistema foi de 85%.
-
49
Biofiltros como ps-tratamento de tanques spticos e preenchidos com
materiais alternativos (tampas de polietileno e cascas de ostras) foram estudados
por Magri et al. (2013) para o tratamento de esgoto domstico. Para valores
mdios de DQO afluente de 309 mg L-1 e carga orgnica volumtrica de 0,8 kg
m-3 d-1 de DQO, as eficincias de remoo foram de 62% para o biofiltro
preenchido com tampas PET e 94% para o preenchido com casca de ostras.
Alm da eficincia de remoo de DQO mais elevada, o FBS preenchido com
casca de ostra apresentou-se mais eficiente na aderncia de microrganismos,
com menor desprendimento de biofilme e elevada estabilidade em todos os
processos de transformaes bioqumicas (ORTIGARA, 2009).
Gonalves et al. (2001) conduziram outros trabalhos, com a associao
UASB + FBS, utilizando meios minerais, com quatro formulaes de brita (4,2 e
0), areia (2,5 e 1,1 mm) e cinazita (mdia e fina). O FBS, agora dividido em
quatro, operou com cargas hidrulicas de 1,2, 3m2 m-2 h-1 (secundrio) e 2,4 m2
m-2 h-1 (tercirio). A eficincia de remoo de ST foi de 80% e 90% e o efluente
final apresentou concentrao mdia de 30 e 17 mg L-1, respectivamente para o
FBS secundrio e tercirio. Quanto a DQO, a associao foi capaz de produzir
um efluente com menos de 90 mg L-1.
As principais caratersticas dos biofiltros so: compacidade, alta
concentrao de biomassa ativa no volume reacional, idade do lodo elevada,
pequena produo de lodo, resistncia aos choques (hidrulicos e de carga
orgnica) e possibilidade de cobertura evitando problemas com odores e impacto
visual. E podem ser utilizados como polimento de um sistema anaerbio de
tratamentos de esgotos ou como a unidade principal de tratamento (YENDO,
2003).
-
50
3.3.1 Nitrificao em filtro biolgico aerado submerso (FBS)
As guas residurias podem apresentar diversos contaminantes
biodegradveis com: compostos orgnicos, compostos orgnicos volteis, metais
txicos, slidos suspensos, nutrientes, patgenos microbianos e parasitas
(BITTON, 2005). Dentre eles encontra-se o nitrognio, que em altas
concentraes, causam eutrofizao nos corpos de gua receptores dos efluentes
podendo, dependendo da sua espcie, ser txicos biota presente (JACOBS,
2013).
No ciclo do nitrognio, o nitrognio amoniacal (NH3/NH4+) oxidado a
nitrato (NO3-), mas, antes oxidado em nitrito (NO2
-). Esse processo
denominado nitrificao conforme segue:
NH3/NH4+ NO2
- NO3
-
A nitrificao pode ser considerada um processo vulnervel no
tratamento de efluentes, uma vez que, o crescimento das bactrias nitrificantes
apresenta velocidade baixa por serem microrganismos autotrficos e a
sensibilidade com as condies do meio como o pH, temperatura e oxignio
dissolvido (CAMPOS et al., 2006).
Segundo Jacobs (2013), os microrganismos nitrificantes apresentam uma
tendncia a liberar polmero extracelular facilitando sua fixao na matriz de
lodo. A presena de materiais suportes facilita a adeso dos microrganismos,
evitando sua sada (lavagem) do sistema.
A faixa de temperatura em que a nitrificao pode ocorrer est situada
entre 5 C a 50 C, sendo que a temperatura tima apresenta valores entre 28 C
a 36 C (HENZE, 1997; MELO FILHO, 2013).
-
51
A reao de nitrificao encontra suas condies timas em um pH em
torno de 7,5 (HENZE, 1997). No entanto, alguns autores afirmam ainda que o
pH timo para este processo gira em torno de 7,2 a 8,5 (BARNES; BLISS,
1983). Segundo Environmental Protection Agency - EPA (1975), valores de pH
abaixo de 7,0 e acima de 9,8 reduzem a velocidade de nitrificao em cerca de
50%. Os microrganismos nitrificantes so suscetveis a uma srie de inibidores
orgnicos e inorgnicos (MELO FILHO, 2013).
O processo de nitrificao em seu primeiro estgio produz cidos (ons
de hidrognio), o que pode provocar uma diminuio do pH se a alcalinidade
no for suficiente para proporcionar o tamponamento do sistema (MAGRI et al.,
2013).
Segundo Magri et al. (2013) uma prtica adotada em estaes de
tratamento de esgotos a dosagem de NaOH ou Ca (OH) na tentativa de reduzir
o problema de diminuio do pH em funo do consumo de alcalinidade. Em
alternativa adio de produtos qumicos, surge a avaliao de novos materiais
de preenchimento e adeso de biofilme, os quais podem suprir o sistema com
alcalinidade necessria estabilidade do processo. Todos os materiais que
interagem com o meio lquido fornecendo alcalinidade caracterizam-se como
no inertes, podendo assim sofrer um processo de degradao dentro dos
reatores.
Yu et al. (2008) utilizaram gros de escria de alto forno como material
suporte. Morgan-Sagastume et al. (2008) usaram a escria vulcnica. Han et al.
(2009) operaram um biofiltro aerado com um material suporte fabricado
especificamente para este fim (escala somente exploratria), composto por lodo
de esgoto desaguado mais argila e cinza leve. Qiu et al. (2010) avaliaram a
eficincia de trs filtros biolgicos aerados que utilizavam como materiais de
preenchimento a cermica, a zelita e um base de carbonato. Magri et al.
(2013) avaliaram a eficincia do processo de nitrificao utilizando conchas de
-
52
ostras como material suporte em reatores aerbios com biomassa fixa. Todos os
autores citados obtiveram resultados satisfatrios no tamponamento de seus
reatores atravs dos materiais suportes que utilizaram, resultando assim, em uma
elevao da taxa de nitrificao e mantendo-a mais estvel.
3.4 Sistema combinado anaerbio aerbio
Os reatores anaerbios apresentam muitas vantagens, porm seus
efluentes geralmente precisam de ps-tratamento para complementar a remoo
de materiais orgnicos e poluentes remanescentes. O emprego de reator
anaerbio seguido de reator aerbio vantajoso, por exemplo, para o processo
de nitrificao, pois, grande parte da matria orgnica retirada na etapa
anaerbia e, portanto, oferece maior disponibilidade de oxignio dissolvido para
os microrganismos auttrofos nitrificantes completarem o processo de
nitrificao. A remoo completa de nitrognio via nitrito exige uma etapa de
desnitrificao, que pode ser prejudicada se no houver fonte de carbono para
doar eltrons s bactrias hetertrofas desnitrificantes (SILVA JNIOR, 2011).
De acordo com Chernicharo (2006), a utilizao de processos
combinados anaerbio-aerbio propicia uma srie de vantagens perante as
estaes de tratamento aerbias convencionais, tais como baixa potncia de
aerao requerida na fase aerbia, menor produo de lodo biolgico e baixo
custo de implantao e operao. Em sistemas combinados UASB/lodos
ativados ou UASB/reator de biofilme aerado o excesso de lodo gerado no reator
aerbio pode ser direcionado para o reator UASB, onde digerido e adensado
juntamente com o lodo anaerbio, dispensando unidades de digesto e
adensamento adicionais.
Em que se pesem as suas grandes vantagens, os reatores anaerbios
dificilmente produzem efluentes que atendam aos padres estabelecidos pela
-
53
legislao ambiental brasileira. Portanto, torna-se de grande importncia o ps-
tratamento desses efluentes como uma forma de atender aos requisitos legais e
propiciar a proteo dos corpos dgua receptores. Alm da complementao na
remoo de matria orgnica, o ps-tratamento tem por objetivo a remoo de
constituintes pouco afetados nos processos anaerbios, tais como nutrientes (N e
P) e organismos patognicos (ARAUJO JNIOR, 2006).
Araujo Jnior (2006) cita que estudos conduzidos por Gonalves et al.
(2001) mostraram que o sistema combinado UASB/reator de biofiltro aerado
submerso capaz de manter condies estveis de operao apesar das variaes
de carga afluente e do reciclo de lodo descartado do reator aerbio para o reator
anaerbio. Segundo o autor, os valores mdios de DQO (Demanda Qumica de
Oxignio) e SST (Slidos em Suspenso Totais) no efluente final para esse
sistema so usualmente mantidos abaixo de 90 mg L-1 de DQO e 30 mg L-1 de
SST.
3.5 Hidrodinmica dos sistemas de tratamento
O estudo hidrodinmico tem fundamental importncia na avaliao do
desempenho dos reatores biolgicos, principalmente para se conhecer o tipo de
mistura predominante e assim auxiliar no modelamento e consequentemente no
escalonamento destas unidades.
Salienta-se ainda que a cintica bacteriana est diretamente associada ao
tipo de mistura, portanto, sem o conhecimento hidrodinmico no h como
simular o desempenho de uma determinada unidade de tratamento.
Este estudo permite um maior conhecimento dos mecanismos
hidrulicos e pode detectar problemas associados s falhas operacionais e de
projeto, podendo causar deficincias como caminhos preferenciais (curtos-
circuitos), zonas mortas (estagnadas), as quais podem prejudicar a eficincia no
-
54
tratamento, uma vez que causa diminuio do tempo de deteno hidrulica
(CARVALHO et al., 2008; CASTRO, 2010).
Segundo Capela et al. (2009) e Matangue (2011), a necessidade de uma
mistura eficiente dentro dos reatores anaerbios tem sido reconhecida e
reforada por muitos autores. Uma mistura apropriada promove um bom
transporte de massa ou substrato, calor aos microrganismos, mantm a
uniformidade e outros fatores ambientais e assegura o uso efetivo de todo
volume do reator evitando estratificao e zonas mortas.
A eficincia dos reatores UASB depende, principalmente, da biomassa
ativa e da carga afluente ao reator. medida que o reator vai atingindo as
condies de estabilidade, conhecidas como permanentes (steady-state), um leito
denso de lodo formado no fundo do reator, consistindo normalmente de
grnulos, acima do qual formada uma zona de manta de lodo e desta outra
zona clarificada que constitui a zona de decantao (SMITH; ELLIOT; JAMES,
1996).
Com o uso crescente de reatores UASB, tornou-se necessrio tambm
um melhor entendimento dos aspectos hidrodinmicos dos reatores utilizados,
pois na maioria, os trabalhos realizados abordam o problema sob o ponto de
vista da eficincia de remoo de matria orgnica, slidos e outros parmetros
(CASTRO, 2010).
O comportamento hidrodinmico analisado a partir de estudo com
traadores. Este estudo consiste em obter informaes sobre a distribuio do
tempo de residncia do fluido que est escoando dentro da unidade de
tratamento. O estudo hidrodinmico das unidades de tratamento permite
verificar a existncia e quantificao dos volumes de zonas mortas, curtos-
circuitos e exibir o tipo de mistura predominante na unidade examinada
(CAPELA et al., 2009; LOURENO; CAMPOS, 2009; MATANGUE, 2011;
SMITH; ELLIOT; JAMES, 1996; SPERLING, 2006).
-
55
Castro (2010) citou diversos trabalhos de autores sobre a avaliao do
comportamento hidrodinmico de reatores, dentre os quais os de Brito e Melo
(1997) que avaliaram o comportamento hidrodinmico de um reator UASB em
escala de laboratrio, com volume de 480 mL e mantido temperatura de 30 C.
O substrato era composto por mistura de cidos actico e propinico, na
proporo de 4,5:1,0. O reator foi operado com tempo de deteno hidrulica
(TDH) de 1,7h e velocidade ascensional de 0,22 m h-1. A inoculao do reator
foi realizada com lodo com concentrao de 21 kg m-3 de slidos volteis. Este
lodo aplicado na partida era anaerbio e granulado, proveniente de reator UASB
em escala real tratando gua residuria de indstria de farinha de trigo. Os
ensaios de estmulo-resposta, tipo pulso foram realizados com injeo de 2 mL
de cloreto de ltio e concentrao de 5 g L-1 na linha de alimentao do reator
UASB. Os autores verificaram um comportamento hidrodinmico semelhante ao
reator tipo tubular ideal, denominado escoamento pistonado. Isso ocorreu devido
baixa velocidade ascensional de operao aplicada ao reator e pouca
produo de biogs no provendo turbulncia necessria mistura do fluido
interno. Os autores destacaram o surgimento de efeito de cauda nas amostras do
efluente, indicando a presena de zonas estagnadas (zonas mortas) no reator. O
efeito de cauda corresponde em um atraso na sada de parte do traador aplicado
no sistema em estudo. Este fenmeno ocorre porque o traador fica retido em
zonas mortas ou possveis recirculaes internas.
3.5.1 Utilizao de traadores nos estudos hidrodinmicos
Um traador pode ser qualquer substncia ou partcula (qumica ou
biolgica) que possui propriedades adequadas capazes de seguir pontualmente
ou de forma contnua um determinado escoamento em um sistema aberto ou
fechado (LOURENO; CAMPOS, 2009).
-
56
Em geral, o traador ideal possui as seguintes propriedades:
a) Ser facilmente miscvel, no alterando as caractersticas do
escoamento, nem suas propriedades, tais como: densidade,
viscosidade e temperatura.
b) No afetam a velocidade das reaes qumicas que ocorrem na
unidade, nem provocar inibio ou toxicidade na biomassa presente
em unidades de tratamento biolgico, no alterando a velocidade ou
as taxas das reaes bioqumicas.
c) Em reatores heterogneos e multifsicos, como a maioria dos
reatores biolgicos, o traador no muda de fase durante o ensaio.
Segundo Levenspiel (1999), quando o traador injetado num
determinado reator ou unidade delimitada fisicamente, participa do fluxo
inerente ao reator, sendo por fim arrastado at a sua sada. Com isso a
informao do traador pode ser utilizada diretamente ou em conjunto com os
modelos de escoamento para prever o desempenho dos mesmos. O mapeamento
total da distribuio de velocidades do fluido feito por meio da distribuio do
tempo de residncia (DTR) ou curva E (curva de distribuio de idade ou tempo
de sada), sendo estes parmetros necessrios para o completo entendimento do
comportamento hidrulico do reator.
A escolha do traador apropriado no tarefa fcil, principalmente para
uma unidade de tratamento biolgico, sendo, a adsoro pela biomassa, um dos
problemas srios a ser enfrentado durante os ensaios. Em reatores UASB, a
difuso do traador no lodo pode alterar as respostas, modificando as curvas de
DTR (CASTRO, 2010).
Apesar de serem usados vrios tipos de corantes fluorescentes, tais
como: fluorescena, isotiocianato de fluorescena, rodamina-B, rodamina-WT e
-
57
eosina, nos sistemas anaerbios de tratamento de guas residurias (UASB), o
cloreto de ltio (LiCl) tem sido indicado como traador ideal, apesar de ter sido
verificado que, para concentraes superiores a 2 g L-1, mesmo com exposies
temporrias a esta substncia, pode ocorrer inibio da atividade metanognica
(ANDERSON et al., 1991).
Segundo Castro (2010), os ensaios com traadores do tipo estmulo-
resposta, equivale a adicionar uma quantidade conhecida de traador no lquido
afluente, no incio do ensaio, e concomitantemente medir, a intervalos de tempo
regular, a concentrao do traador no efluente. Determina-se ento a massa
total de traador adicionado em relao ao tempo. Em funo do tipo de curva
permanente do traador, tem-se o comportamento hidrodinmico do referido
reator.
As injees de traador podem ser feitas de diferentes formas, tais como:
aleatria, degrau, pulso e peridica (LEVENSPIEL, 2000). Estas formas esto
apresentadas na Figura 2.
Figura 2 Diferentes formas de injeo do traador
Fonte: Levenspiel (2000)
-
58
A aplicao pode ser:
a) Instantnea (pulso): consiste em injetar, na entrada da unidade, um
pequeno volume da soluo de traador, em um intervalo de tempo
muito curto, passando-se a medir sua concentrao na sada.
b) Contnua: consiste em alimentar a unidade durante um perodo de
tempo pelo menos trs vezes maior que o tempo de deteno
hidrulica terico (TDH), com o afluente contendo concentrao
conhecida do traador, medindo-se sua concentrao na sada a partir
do incio do teste.
Uma informao importante na prtica em reatores o conhecimento da
distribuio de tempos de residncia (DTR). Trata-se de um fator importante
para se avaliar o comportamento geral de um reator, juntamente com a cintica
da reao, a determinao da DTR permite diagnosticar problemas de
escoamento no reator (SOUZA, 2012).
Segundo Souza (2012), as principais anomalias so: existncia de zonas
de estagnao do fluido ou zonas mortas; curto-circuito extremo e subpassagem
do fluido; existncia de canalizao, especialmente em operaes em
contracorrente; disperso axial em reatores tubulares; segregao, resultante das
condies de mistura. A Figura 3 apresenta as principais anomalias existentes
em escoamentos no ideais.
-
59
Figura 3 Principais anomalias existentes em escoamentos no ideais
Fonte: Levenspiel (1999)
Segundo Castro (2010), experimentos de laboratrio demonstram que
problemas com a DTR surgem dependendo do traador utilizado. Em face disto,
os reatores biolgicos devem ser estudados e, de acordo com suas condies
operacionais e, ou, fsicas, obedecer aos seguintes critrios:
a) Evitar ou minimizar o fenmeno da cauda na curva DTR;
b) No ser adsorvido em biomassa ou ter qualquer biodegradabilidade
em curto prazo;
c) No ser adsorvido em bolhas de gs, tais como: CO2, O2, CH4 ou N2;
-
60
d) Apresentar estabilidade sob condies de processo (pH e redox);
e) Apresentar estabilidade com o tempo;
f) Apresentar alta solubilidade em gua/gua residuria;
g) Apresentar faixa de concentrao com uma resposta linear e boa
sensibilidade.
-
61
4 MATERIAL E MTODOS
4.1 Localizao do experimento
O experimento, composto por dois reatores anaerbios de manta de lodo
(UASB) em srie seguidos por um biofiltro aerado submerso (FBS) como ps-
tratamento, foi desenvolvido no Laboratrio de Anlise de gua do
Departamento de Engenharia (LAADEG) da Universidade Federal de Lavras
(UFLA), em Lavras, Minas Gerais (latitude 2114S, longitude 4200W,
altitude mdia de 918 m).
4.2 Configurao do experimento
Os dois reatores UASB foram construdos idnticos, em acrlico, com
dimetro interno de 0,18 m, altura total de 0,8 m e volume til de 16 litros, tendo
uma relao altura/dimetro (L/B) de 4,44 m m-1. Ao longo da altura dos
reatores, foram instalados espaadamente (9,5 cm) quatro prticos
(amostradores), que permitiram a coleta de lodo para determinao das
concentraes de slidos ao longo dos reatores. A Figura 4 apresenta as
configuraes dos reatores UASB 1, UASB 2 e FBS.
O afluente a ser tratado entrava pelo fundo dos reatores UASB em
escoamento ascendente, formando uma biomassa contribuindo para a
degradao do afluente. O efluente gerado em cada reator era liberado pela
lateral, na altura do quarto prtico, servindo de afluente ao prximo reator
interligado.
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Figura 4 Configuraes dos reatores UASB 1, UASB 2 e FBS
No topo de cada reator UASB, foi instalado um separador de fases
(separador trifsico), de forma cnica, permitindo a sada do efluente, a
coleta do biogs gerado e a reteno dos slidos dentro do sistema. A
Figura 5 apresenta as configuraes do separador trifsico.
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Figura 5 Configuraes do separador trifsico
Para regular o nvel de biogs produzido nos reatores UASB, foi
instalado um equalizador de presso em cada um desses reatores (Figura 6).
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Figura 6 Configuraes do equalizador de presso
Para o monitoramento da produo do biogs foram instalados
gasmetros (Figura 7) nos reatores UASB. O biogs produzido e armazenado era
medido por deslo