reatores uasb aplicados ao tratamento combinado de esgotos

UNIVERSIDADE FEDERAL DE MINAS GERAIS PROGRAMA DE PÓS-GRADUAÇÃO EM SANEAMENTO ,

MEIO AMBIENTE E RECURSOS HÍDRICOS

REATORES UASB APLICADOS AO

TRATAMENTO COMBINADO DE ESGOTOS

SANITÁRIOS E LODO EXCEDENTE DE FILTRO

BIOLÓGICO PERCOLADOR

Patrícia Procópio Pontes

Belo Horizonte 2003

Reatores UASB aplicados ao tratamento combinado de esgotos

sanitários e lodo excedente de filtro biológico percolador



Reatores UASB aplicados ao tratamento combinado de esgotos

sanitários e lodo excedente de filtro biológico percolador

Tese apresentada ao Programa de Pós-graduação em Saneamento, Meio Ambiente e Recursos Hídricos da Universidade Federal de Minas Gerais, como requisito parcial à obtenção do título de Doutor em Saneamento, Meio Ambiente e Recursos Hídricos. Área de concentração: Saneamento Linha de pesquisa: Tratamento anaeróbio e pós-tratamento de efluentes de reatores anaeróbios Orientador: Carlos Augusto de Lemos Chernicharo

Belo Horizonte Escola de Engenharia da UFMG

2003

Página com as assinaturas dos membros da banca examinadora, fornecida pelo Colegiado do Programa

Aos meus pais, ao André, à Carolina, à Sílvia e ao Gláuder.

Programa de Pós-graduação em Saneamento, Meio Ambiente e Recursos Hídricos da UFMG

i

AGRADECIMENTOS �

• Ao Professor Carlos Augusto de Lemos Chernicharo, por sua orientação e por seu grande

apoio e incentivo.

• Ao Professor Marcos Von Sperling pelas contribuições adicionais à pesquisa.

• À Robson José de Cássia Franco Afonso pela orientação na implementação das análises

cromatográficas.

• Aos técnicos, bolsistas e alunos que colaboraram para a realização da pesquisa: Lívia,

Rodrigo, Lucilaine, Lorenzo, Carolina, Lucy, Jussara, Reginaldo, Norma, Emerson,

Juliana, Izabella, Deneb e Michele.

• `A FINEP e à FAPEMIG pelo financiamento da pesquisa.

• Ao CNPq e à FAPEMIG pelas bolsas de apoio técnico e iniciação científica.

• Ao Departamento de Engenharia Sanitária e Ambiental da UFMG pela disponibilização

dos laboratórios.

• À COPASA pelo apoio à pesquisa.

• À Polipláster pela confecção do reator em escala de demonstração.


ii

RESUMO

O presente trabalho apresenta o estudo do processo de tratamento combinado de águas

residuárias e lodo excedente aeróbio, em um único reator, através do retorno do lodo de

descarte de um filtro biológico percolador (FBP) para o reator UASB (reator anaeróbio de

fluxo ascendente e manta de lodo). Avaliou-se o efeito do retorno de lodo na performance do

sistema de tratamento, na degradação de matéria orgânica específica (carboidratos, proteínas e

lipídios), nas concentrações de ácidos graxos voláteis e nas características da biomassa

produzida no reator UASB, através da operação do sistema reator UASB/FBP em fases

operacionais sem e com retorno de lodo.

Os resultados obtidos indicaram a boa performance do sistema reator UASB/FBP para o

tratamento combinado de esgotos sanitários e lodo excedente de Filtro Biológico Percolador,

tendo-se obtido uma boa eficiência de remoção de DQO, DBO e SST e um grau de

estabilização do lodo aeróbio de aproximadamente 40 a 60 %, no reator UASB. Não foi

observada uma modificação significativa na composição afluente ao reator UASB, devido ao

retorno do lodo excedente do FBP.

O retorno de lodo aeróbio para o reator UASB não prejudicou a estabilidade do reator

anaeróbio, tendo-se observado concentrações de ácidos graxos voláteis próximas para os

sistemas operando sem e com retorno de lodo, além de constantes cinéticas de degradação de

carboidratos, proteínas e lipídios mais elevadas para o sistema operando com retorno de lodo.

A caracterização da biomassa indicou a presença de partículas de lodo com menores

dimensões, nos pontos mais elevados do reator UASB, durante a fase com retorno de lodo,

podendo-se associar as menores dimensões das partículas ao maior teor de polímeros extra-

celulares no lodo e ao bombeamento semi-contínuo de lodo ocorridos durante essa fase

operacional. Durante a fase com retorno de lodo, foi necessária a realização de descartes mais

frequentes de lodo, provavelmente devido aos valores mais elevados de produção específica

de sólidos e ao menor tamanho das partículas presentes no lodo coletado nos pontos mais

elevados do reator. A atividade metanogênica específica e a estabilidade do lodo praticamente

não se alteraram, durante as fases sem e com retorno de lodo, indicando que o retorno do lodo

aeróbio não apresentou efeitos negativos sobre esses parâmetros de caracterização da

biomassa.


iii

ABSTRACT

This work presents the study of the combined treatment of domestic sewage and aerobic

sludge in one single reactor, with the return of the sludge produced in a trickling filter (TF) to

the UASB reactor (upflow anaerobic sludge blanket reactor). The effect of the return of the

sludge on the performance of the treatment system, regarding carbohydrates, proteins and

lipids degradation; volatile fatty acids (VFA) concentrations; and anaerobic sludge

characteristics were evaluated in this research.

The results indicated the good performance of the UASB reactor/TF system for the combined

treatment of domestic sewage and return sludge produced in a trickling filter, with good

removal efficiencies of BOD, COD and TSS and an aerobic sludge stabilization of around 40

to 60 %, in the UASB reactor. Also, no significant modification in the influent composition

was observed with return of sludge.

The aerobic sludge return to the UASB reactor did not have any negative effect on the reactor

stability, and similar concentrations of VFA were observed for the UASB reactor operating

with and without return of the sludge. Degradation kinetic constants for carbohydrates,

proteins and lipids were higher for the system operating with sludge return.

The anaerobic sludge characterization indicated the presence of smaller particles of sludge at

the higher sampling points of the UASB reactor, during the phase with return of sludge, and

this was probably due to the higher concentrations of extra-cellular polymers in the sludge

and the semi-continuous pumping system of the sludge during this phase. There was an

increase at the discharge sludge frequency, during the phase with return of sludge, probably

because of the presence of smaller sludge particles and the increase at the specific sludge

production yield. Specific methanogenic activity and sludge stability almost did not change

significantly during the phases with and without sludge return, indicating that the sludge

return did not have any negative effect on these sludge characterization parameters.


iv

SUMÁRIO

LISTA DE ABREVIATURAS E SÍMBOLOS

ix

LISTA DE FIGURAS

x

LISTA DE TABELAS

xvi

1 - INTRODUÇÃO 1

2 - OBJETIVOS

4

2.1- Objetivo Geral 4

2.2- Objetivos específicos 4

3 - REVISÃO BIBLIOGRÁFICA 5

3.1 - Fundamentos da digestão anaeróbia 5

3.1.1- Hidrólise 5

3.1.2- Acidogênese 6

3.1.3- Acetogênese 7

3.1.4- Metanogênese 8

3.1.5- Sulfetogênese 9

3.2 - Fatores ambientais que afetam o processo anaeróbio 9

3.3 - Degradação de matéria orgânica específica 12

3.3.1- Carboidratos 12

3.3.2- Proteínas 13

3.3.3- Lipidios 15

3.3.4- Substratos Complexos 16

3.4 - Caracterização da biomassa em reatores anaeróbios 18

3.4.1- Granulação 18

3.4.2- Polímeros Extra- celulares 20

3.4.3- Indice Volumétrico do Lodo 22


v

3.4.4- Atividade Metanogênica Específica e Estabilidade 23

3.5 - Pós-tratamento de efluentes de reatores anaeróbios 24

3.6 - Tratamento combinado de águas residuárias e lodo de descarte aeróbio 29

3.7 - Análise crítica da literatura e contribuição do presente estudo 31

4 - MATERIAL E MÉTODOS 34

4.1 - Planejamento dos experimentos 34

4.2 - Descrição do aparato experimental 35

4.2.1- Sistema em escala piloto 35

4.2.1.1- Alimentação do sistema 37

4.2.1.2- Configuração do sistema em escala piloto 37

4.2.1.3- Elevatória de esgotos 38

4.2.1.4- Tratamento Preliminar 38

4.2.1.5- Reator UASB 40

4.2.1.6- Filtro Biológico Percolador 41

4.2.1.7- Linha de recirculação do lodo 43

4.2.2 - Sistema em escala de demonstração 44

4.2.2.1- Tratamento Preliminar 44

4.2.2.2- Sistema reator UASB/FBP 45

4.2.2.3- Linha de recirculação do lodo 48

4.3 - Fases da pesquisa 48

4.4 - Monitoramento do sistema de tratamento 49

4.4.1- Parâmetros físico-químicos de rotina 49

4.4.1.1- Amostragem 49

4.4.1.2- Análises 51

4.4.2- Determinação de matéria orgânica específica e ácidos graxos voláteis 51


4.4.1.2- Carboidratos 52

4.4.1.3- Proteínas 53

4.4.1.4- Lipídios 54

4.4.1.5- Acidos graxos voláteis 55


vi

4.4.1.6- Cálculo da DQOequivalente 56

4.4.3- Caracterização da biomassa no reator UASB 57


4.4.3.2- Polímeros extra-celulares 58

4.4.3.3- Distribuição granulométrica 58

4.4.3.4- Indice volumétrico do lodo 59

4.4.3.5- Sólidos voláteis e totais 59

4.4.3.6- Atividade metanogênica específica e estabilidade 60

4.4.4- Lodo de retorno 61

4.4.5- Biogás 61

4.5- Cálculo dos coeficientes de produção total de sólidos 63

4.6- Balanço de DQO 64

4.7- Metodologia de análise dos dados 66

5 - RESULTADOS E DISCUSSÃO 68

5.1 - Avaliação da eficiência do processo de tratamento 68

5.1.1- Verificação do ajuste dos dados à distribuição normal 69

5.1.2- Análise preliminar dos resultados 69


5.1.2.2- Sistema UASB/FBP 75

5.1.2.3- Diagramas de Box-Whisker 76

5.1.3 - Análise dos resultados consolidados 79


5.1.3.2 -Sistema reator UASB/FBP 85

5.1.3.3 - Diagramas de Box-Whisker 86

5.1.3.4 - Percentual de atendimento à legislação 88

5.1.4 - Lipídios , carboidratos e proteínas 92


5.1.4.2- Sistema reatorUASB/FBP 94

5.1.4.3- Diagramas de Box-whisker 95

5.1.5- Proporção de compostos orgânicos específicos no afluente e nos efluentes tratados durante as fases operacionais

97

5.1.5.1- Comparação da proporção de carboidratos, proteínas e lipídios após as etapas de tratamento

99


vii

5.2 - Estabilidade do processo de digestão anaeróbia 103


5.2.2- Perfil de decaimento de matéria orgânica específica no reator UASB 103

5.2.2.1- Carboidratos 104

5.2.2.2- Proteínas 105

5.2.2.3-Lipídios 107

5.2.2.4- Equações de decaimento de matéria orgânica específica no reator UASB

108

5.2.3- Perfil de decaimento de ácido graxos voláteis no reator UASB 112

5.2.3.1- Ácido acético 112

5.2.3.2- Ácido butírico 114

5.2.3.3- Equações de decaimento de ácidos graxos voláteis no reator UASB

114

5.2.4- Perfil de decaimento de DQO no reator UASB 115

5.2.4.1- Equações de decaimento de DQO no reator UASB 117

5.3- Caracterização da biomassa no reator UASB 120


5.3.2- Perfil de sólidos no reator UASB 125

5.3.2.1- Sistema em escala piloto 125

5.3.2.2- Sistema em escala de demonstração 126

5.3.3- Descarte de sólidos no reator UASB 127

5.3.3.1- Determinação da massa mínima necessária 128

5.3.3.2- Determinação da massa máxima aceitável 128

5.3.4- Massa de sólidos no reator UASB 129

5.3.5- Balanço de sólidos e produção específica de sólidos (Y) 131

5.3.5.1- Sistema em escala piloto 132

5.3.5.2- Sistema em escala de demonstração 133

5.3.6- Indice volumétrico do lodo 134

5.3.6.1- Diagramas de Box-Whisker 135

5.3.6.2- Comparação do IVL durante as fases operacionais 136

5.3.7- Distribuição Granulométrica 136

5.3.7.1- Diagramas de Box-whisker 136

5.3.7.2- Comparação da distribuição granulométrica do lodo coletado a 139


viii

25cm de altura durante as fases operacionais

5.3.7.3- Comparação da distribuição granulométrica do lodo coletado a 125 cm de altura durante as fases operacionais

139

5.3.7.4- Comparação da distribuição granulométrica do lodo nos reatores UASB

140

5.3.8- Polímeros Extra- celulares 141

5.3.8.1- Comparação da concentração de polímeros extra-celulares 144

5.3.8.2- Comparação da DQO equivalente de polímeros extra-celulares durante as fases operacionais

146

5.3.9- Relação entre IVL e Polímeros Extra- celulares 148

5.3.10- Estabilidade 151

5.3.11- Atividade Metanogênica Específica 152

5.4 - Produção e composição do biogás 154

5.4.1- Comparação da composição do biogás durante as fases operacionais 154

5.4.2- Comparação da taxa de produção de metano durante as fases operacionais

156

5.5 - Balanço de DQO 159

6 - CONCLUSÕES 163

7 - RECOMENDAÇÕES 167

8 - REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS 168

9 - ANEXOS 175

9.1- Anexo I - Detalhamento do aparato experimental e das etapas dos procedimentos analíticos

175

9.2 - Anexo II - Resultados da avaliação da eficiência 183

9.3 - Anexo III - Resultados para avaliação da estabilidade 197

9.4 - Anexo IV - Resultados de caracterização da biomassa 200

9.5 - Anexo V- Resultados de caracterização do biogás 212

9.6 - Anexo VI- Ajuste dos dados à distribuição normal 214

9.7 - Anexo VII- Comparação das médias entre as fases 218

9.8 - Anexo VIII- Dados do balanço de DQO 220


ix

LISTA DE ABREVIATURAS E SÍMBOLOS

AME – Atividade metanogênica específica

AGV – Ácidos graxos voláteis

CSTR – Reator de mistura completa

CG – Cromatógrafo a gás

DBO – Demanda bioquímica de oxigênio

DQO – Demanda química de oxigênio

FBP – Filtro biológico percolador

IVL – Indice volumétrico do lodo

PA – Ponto de amostragem

RAHLF – Reator anaeróbio horizontal de leito fixo

SST – Sólidos suspensos totais

SSV – Sólidos suspensos voláteis

ST – Sólidos totais

SVT – Sólidos voláteis totais

UASB – Reator anaeróbio de fluxo ascendente e manta de lodo

θh – Tempo de detenção hidráulica


x

LISTA DE FIGURAS

Figura 3.1 - Seqüência esquemática da decomposição de substrato 6

Figura 3.2 - Estrutura química dos carboidratos 13

Figura 3.3 - Obtenção de um dipeptídeo a partir de aminoácidos 14

Figura 3.4 - Ação da lipase na hidrólise de lipídios 15

Figura 3.5 - Esquema de funcionamento de um filtro biológico. 28

Figura 4.1-Tela de operação da Linha 0, controle do reator UASB 36

Figura 4.2 - Tela de operação da Linha 3, controle do filtro biológico percolador 36

Figura 4.3 - Hidrograma típico de vazões 37

Figura 4.4 - Configuração do sistema de tratamento 38

Figura 4.5 - Gradeamento, caixa de areia , calha Parshall 39

Figura 4.6 - Caixa de acumulação / distribuição 40

Figura 4.7 - Reator UASB piloto 41

Figura 4.8 - Sistema UASB/FBP em escala piloto 42

Figura 4.9 - Vista aérea do tratamento preliminar da ETE Arrudas 44

Figura 4.10 - Corte esquemático da unidade compacta de tratamento de águas residuárias 46

Figura 4.11 - Vista da unidade em escala industrial com capacidade para atender a 500 habitantes e detalhes da base do filtro e do efluente final

46

Figura 4.12 - Detalhe do Conjunto de bombas peristálticas e do aparato de amostragem no sistema em escala piloto

50

Figura 4.13 - Detalhe do amostrador automático, no sistema em escala de demonstração 50

Figura 4.14 - Desenho esquemático do reator UASB instalado no Laboratório de Instalações Piloto

52

Figura 4.15 - Pontos de amostragem de lodo no reator UASB em escala de demonstração 57

Figura 4.16 - Válvula de três vias para coleta de biogás 62

Figura 4.17 - Gasômetro para medida da vazão de biogás 62

Figura 4.18 - Coleta do biogás com o uso de seringa e da válvula de três vias 62

Figura 4.19 - Sistema de introdução do biogás no cromatógrafo 62

Figura 4.20 - Balanço de DQO no reator UASB 64


xi

Figura 5.1 - Série histórica dos valores de DQO para o sistema em escala piloto 72

Figura 5.2 - Série histórica dos valores de DBO para o sistema em escala piloto 72

Figura 5.3 - Série histórica dos valores de SST para o sistema em escala piloto 72

Figura 5.4 - Série histórica dos valores de DQO para o sistema em escala de demonstração

73

Figura 5.5 - Série histórica dos valores de DBO para o sistema em escala de demonstração

73

Figura 5.6 - Série histórica dos valores de SST para o sistema em escala de demonstração

73

Figura 5.7 - Diagrama de Box-Whisker para DQO no Sistema reator UASB/FBP para a análise preliminar

77

Figura 5.8 - Diagrama de Box-Whisker para DBO no Sistema reator UASB/FBP para a análise preliminar

77

Figura 5.9 - Diagrama de Box-Whisker para SST no Sistema reator UASB/FBP para a análise preliminar

78

Figura 5.10 - Diagrama de Box-Whisker para DQO no Sistema reator UASB/FBP 86

Figura 5.11 - Diagrama de Box-Whisker para DBO no Sistema reator UASB/FBP 87

Figura 5.12 - Diagrama de Box-Whisker para SST no Sistema reator UASB/FBP 88

Figura 5.13 - Distribuição percentual dos resultados de DQO para o sistema em escala piloto

89

Figura 5.14 - Distribuição percentual dos resultados de DBO para o sistema em escala piloto

90

Figura 5.15 - Distribuição percentual dos resultados de SST para o sistema em escala piloto

90

Figura 5.16 - Distribuição percentual dos resultados de DQO para o sistema em escala de demonstração

91

Figura 5.17 - Distribuição percentual dos resultados de DBO para o sistema em escala de demonstração

91

Figura 5.18 - Distribuição percentual dos resultados de SST para o sistema em escala de demonstração

92

Figura 5.19 - Remoção de carboidratos no Sistema reator UASB/FBP 95

Figura 5.20 - Remoção de proteínas no Sistema reator UASB/FBP 96

Figura 5.21 - Remoção de lipídios no Sistema reator UASB/FBP 96

Figura 5.22 - Contribuição da DQO equivalente de matéria orgânica específica para a DQO total afluente ao sistema em escala piloto

98

Figura 5.23 - Contribuição da DQO equivalente de matéria orgânica específica para a DQO total afluente ao sistema em escala de demonstração

98


xii

Figura 5.24 - Modificação na proporção média de carboidratos, proteínas e lipídios durante a Fase 1

100


100


101


101

Figura 5.28 - Perfil de decaimento da concentração de carboidratos no reator UASB 104

Figura 5.29 - Perfil de decaimento da concentração de proteínas no reator UASB 106

Figura 5.30 - Perfil de decaimento da concentração de lipídios 107

Figura 5.31 - Decaimento de concentração de carboidratos para os diferentes valores de concentrações iniciais (fase 1)

109

Figura 5.32 - Decaimento de concentração de carboidratos para os diferentes valores de concentrações iniciais (fase 2)

109

Figura 5.33 - Decaimento de concentração de proteínas para os diferentes valores de concentrações iniciais (fase 1)

110

Figura 5.34 - Decaimento de concentração de proteínas para os diferentes valores de concentrações iniciais (fase 2)

110

Figura 5.35 - Decaimento de concentração de lipídios para os diferentes valores de concentrações iniciais (fase 1)

110

Figura 5.36 - Decaimento de concentração de lipídios para os diferentes valores de concentrações iniciais (fase 2)

110

Figura 5.37 - Resultados previstos e observados para Carboidratos – fase 1 111

Figura 5.38 - Resultados previstos e observados para Carboidratos –fase 2 111

Figura 5.39 - Resultados previstos e observados para Proteínas–fase 1 111

Figura 5.40 - Resultados previstos e observados para Proteínas –fase 2 111

Figura 5.41 - Resultados previstos e observados para Lipídios –fase 1 111

Figura 5.42 - Resultados previstos e observados para Lipídios –fase 2 111

Figura 5.43 - Perfil de decaimento da concentração de ácido acético no reator UASB 113

Figura 5.44 - Perfil de decaimento da concentração de ácido butírico no reator UASB 114

Figura 5.45 - Perfil de decaimento da DQO 116

Figura 5.46 - Equação de decaimento de DQO para os valores médios da fase 1 118

Figura 5.47 -Equação de decaimento de DQO para os valores médios da fase 2 118

Figura 5.48 - Resultados previstos e observados para DQO–fase 1 118

Figura 5.49 - Resultados previstos e observados para DQO –fase 2 118


xiii

Figura 5.50 - Perfil de sólidos para as concentrações médias da Fase 1 126

Figura 5.51- Perfil de sólidos para as concentrações médias da Fase 2 126

Figura 5.52 - Porcentagem média de sólidos voláteis em diferentes pontos de amostragem para a Fase 1

126


126




127


127

Figura 5.58 - Concentração de sólidos suspensos totais no efluente do reator UASB em função da massa de sólidos totais presentes no reator, durante as fases 1 e 2

129

Figura 5.59 - Concentração de sólidos suspensos totais no efluente do reator UASB em função da massa de sólidos totais presentes no reator, durante as fases 3 e 4

129

Figura 5.60 - Massa de sólidos voláteis no reator UASB para o sistema em escala piloto 130

Figura 5.61 - Massa de sólidos totais no reator UASB para o sistema em escala piloto 130

Figura 5.62 - Massa de sólidos voláteis no reator UASB para o sistema em escala de demonstração

130

Figura 5.63 - Massa de sólidos totais no reator UASB para o sistema em escala de demonstração

130

Figura 5.64 - Massa de sólidos totais no reator UASB e concentração de SST no efluente, durante a fase 1

131

Figura 5.65 - Massa de sólidos voláteis no reator UASB e concentração de SST no efluente, durante a fase 2

131

Figura 5.66 - Massa de sólidos totais no reator UASB e concentração de SST no efluente, durante a fase 3

131

Figura 5.67 - Massa de sólidos voláteis no reator UASB e concentração de SST no efluente, durante a fase 4

131

Figura 5.68 - Produção específica de sólidos, em termos de sólidos totais voláteis por DQO aplicada, para o sistema em escala piloto

132

Figura 5.69 - Produção específica de sólidos, em termos de sólidos totais por DQO aplicada, para o sistema em escala piloto

132

Figura 5.70 - Produção específica de sólidos, em termos de sólidos totais voláteis por DQO removida, para o sistema em escala piloto

132

Figura 5.71 - Produção específica de sólidos, em termos de sólidos totais por DQO removida, para o sistema em escala piloto

132


xiv

Figura 5.72 - Produção específica de sólidos, em termos de sólidos totais voláteis por DQO aplicada, para o sistema em escala de demonstração

133

Figura 5.73 - Produção específica de sólidos, em termos de sólidos totais por DQO aplicada, para o sistema em escala de demonstração

133

Figura 5.74 - Produção específica de sólidos, em termos de sólidos totais voláteis por DQO removida, para o sistema em escala de demonstração

133

Figura 5.75 - Produção específica de sólidos, em termos de sólidos totais por DQO removida, para o sistema em escala de demonstração

133

Figura 5.76 - IVL para o lodo em diferentes alturas do reator UASB – Fase 1 135

Figura 5.77 - IVL para o lodo em diferentes alturas do reator UASB- Fase 2 135

Figura 5.78 - IVL para o lodo em diferentes alturas do reator UASB – Fase 3 135

Figura 5.79 - IVL para o lodo em diferentes alturas do reator UASB - Fase 4 135

Figura 5.80 - Distribuição granulométrica do lodo coletado no ponto de amostragem 2 137

Figura 5.81 - Distribuição granulométrica do lodo coletado no ponto de amostragem 6 137

Figura 5.82 - Distribuição granulométrica para o lodo coletado no ponto de amostragem 1A

138

Figura 5.83 - Distribuição granulométrica para o lodo coletado no ponto de amostragem 3A

138

Figura 5.84 - Concentrações médias de carboidratos extra-celulares, durante as Fases 1 e 2

141

Figura 5.85 - Concentrações médias de proteínas extra-celulares, durante as Fases 1 e 2 142

Figura 5.86 - Concentrações médias de lipídios extra-celulares, durante as Fases 1 e 2 142

Figura 5.87 - Concentrações médias de carboidratos extra-celulares, durante as Fases 3 e 4

143

Figura 5.88 - Concentrações médias de proteínas extra-celulares, durante as Fases 3 e 4 143

Figura 5.89 - Concentrações médias de lipídios extra-celulares, durante as Fases 3 e 4 144

Figura 5.90- DQO equivalente de polímeros extra-celulares para o sistema em escala piloto

146

Figura 5.91 - DQO equivalente de polímeros extra-celulares para o sistema em escala de demonstração

147

Figura 5.92 - Concentração de carboidratos extra-celulares e IVL para o lodo do ponto de amostragem 2

148

Figura 5.93 - Concentração de carboidratos extra-celulares e IVL para o lodo do ponto de amostragem 6

148

Figura 5.94 - Concentração de proteínas extra-celulares e IVL para o lodo do ponto de amostragem 2

148

Figura 5.95 - Concentração de proteínas extra-celulares e IVL para o lodo do ponto de 148


xv

amostragem 6

Figura 5.96 - Concentração de lipídios extra-celulares e IVL para o lodo do ponto de amostragem 2

149

Figura 5.97 - Concentração de lipídios extra-celulares e IVL para o lodo do ponto de amostragem 6

149

Figura 5.98 - Concentração de carboidratos extra-celulares e IVL para o lodo do ponto de amostragem 1A

150

Figura 5.99 - Concentração de carboidratos extra-celulares e IVL para o lodo do ponto de amostragem 3A

150

Figura 5.100 - Concentração de proteínas extra-celulares e IVL para o lodo do ponto de amostragem 1A

150

Figura 5.101 - Concentração de proteínas extra-celulares e IVLpara o lodo do ponto de amostragem 3A

150

Figura 5.102 - Concentração de proteínas extra-celulares e IVL para o lodo do ponto de amostragem 1A

151

Figura 5.103 - Concentração de lipídios extra-celulares e IVL para o lodo do ponto de amostragem 3A

151

Figura 5.104 - Estabilidade do lodo do ponto de amostragem 2, durante as fases 1 e 2 152

Figura 5.105 - AME do lodo do ponto de amostragem 2, no sistema em escala piloto, durante as fases sem e com retorno de lodo

153

Figura 5.106 - Composição do biogás no sistema em escala piloto 155

Figura 5.107 - Composição do biogás no sistema em escala de demonstração 155

Figura 108 - Produçao de biogás e metano no sistema em escala piloto 157

Figura 109 - Produçao de biogás e metano no sistema em escala de demonstração 157

Figura 5.110 - Esquema do balanço de conversão de DQO para o sistema em escala piloto

159

Figura 5.111 - Esquema do balanço de conversão de DQO para o sistema em escala de demonstração

160


xvi

LISTA DE TABELAS

Tabela 3.1 - Condições ambientais favoráveis aos microrganismos anaeróbios 9

Tabela 3.2 - Concentrações de efluente tratado 17

Tabela 3.3 - Interpretação aproximada do Índice Volumétrico do Lodo 22

Tabela 3.4 - Descrição sucinta de processos de pós-tratamento de efluentes de reatores anaeróbios

25

Tabela 4.1 - Características das unidades que compõem o tratamento preliminar 39

Tabela 4.2 - Características principais do reator UASB piloto 40

Tabela 4.3 - Características principais do Filtro Biológico Percolador piloto 42

Tabela 4.4 - Características do sistema em escala de demonstração 45

Tabela 4.5 - Fases operacionais 48

Tabela 4.6 - Programa de monitoramento para as análises de rotina do sistema UASB/FBP

51

Tabela 5.1 - Resumo das fases com seu respectivo período operacional 69

Tabela 5.2 - Dados estatísticos básicos da análise preliminar - Sistema em escala piloto 70

Tabela 5.3 - Dados estatísticos básicos da análise preliminar - Sistema em escala de demonstração

71

Tabela 5.4 - Resumo dos resultados médios de pH, temperatura, DBO, DQO e SST para a análise preliminar

74

Tabela 5.5 - Resultados da análise estatística utilizando-se o método “t de student” para as concentrações afluentes - Análise preliminar

79

Tabela 5.6 - Resultados da análise estatística utilizando-se o método “t de student” para as concentrações afluentes

80

Tabela 5.7 - Dados estatísticos básicos - Sistema em escala piloto 81

Tabela 5.8 - Dados estatísticos básicos Sistema em escala de demonstração 82

Tabela 5.9 - Resumo dos resultados médios de pH, T, DBO, DQO e SST 83

Tabela 5.10 - Resultados da análise estatística utilizando-se o método “t de student” para as concentrações do efluente do reator UASB

84

Tabela 5.11 - Resultados da análise estatística utilizando-se o método “t de student” para as concentrações do efluente do FBP

85

Tabela 5.12 - Resumo dos resultados médios para remoção de carboidratos, proteínas e 93


xvii

lipídios

Tabela 5.13 - Composição média do afluente durante as fases operacionais 97

Tabela 5.14 - Composição média do efluente do reator UASB durante as fases operacionais

100

Tabela 5.15 - Composição média do efluente do FBP durante as fases operacionais 100

Tabela 5.16 - Dados Estatísticas Básicos para carboidratos, proteínas e lipídios solúveis 104

Tabela 5.17 - Resultados da análise estatística para a comparação da concentração média de carboidratos, ao longo da altura do reator UASB, durante as fases 1 e 2

105

Tabela 5.18 - Resultados da análise estatística para a comparação da concentração média de proteínas, ao longo da altura do reator UASB, durante as fases 1 e 2

106

Tabela 5.19 - Resultados da análise estatística para a comparação da concentração média de lipídios, ao longo da altura do reator UASB, durante as fases 1 e 2

108

Tabela 5.20 - Valores da constante K e do coeficiente de determinação para as equações de remoção de primeira ordem

109

Tabela 5.21 - Dados Estatísticas Básicos para ácidos graxos voláteis 112

Tabela 5.22 - Resultados da análise estatística para a comparação da concentração média de ácido acético, ao longo da altura do reator UASB, durante as fases 1 e 2

113

Tabela 5.23 - Resultados da análise estatística para a comparação da concentração média de ácido butírico, ao longo da altura do reator UASB, durante as fases 1 e 2

114

Tabela 5.24 - Resultados da análise estatística para a comparação da concentração média de DQO, ao longo da altura do reator UASB, durante as fases 1 e 2

116

Tabela 5.25 - Dados estatísticos básicos para o teor de sólidos totais em diferentes alturas no reator UASB em escala piloto

121

Tabela 5.26 - Dados estatísticos básicos para a porcentagem de sólidos voláteis em diferentes alturas no reator UASB em escala piloto

121

Tabela 5.27 - Dados estatísticos básicos para o teor de sólidos totais em diferentes alturas no reator UASB em escala de demonstração

122

Tabela 5.28 - Dados estatísticos básicos para a porcentagem de sólidos voláteis em diferentes alturas no reator UASB em escala de demonstração

122

Tabela 5.29 -Dados Estatísticos Básicos para o lodo coletado no reator UASB no sistema em escala piloto

123

Tabela 5.30 -Dados Estatísticos Básicos para o lodo coletado no reator UASB no sistema em escala de demonstração

124

Tabela 5.31 - Produção específica média de sólidos no reator UASB 134

Tabela 5.32 - Resultados da análise estatística para o IVL 136


xviii

Tabela 5.33 - Resultados da análise estatística para a Distribuição Granulométrica para o lodo coletado a 25 e 20 cm de altura

139

Tabela 5.34 - Resultados da análise estatística para a Distribuição Granulométrica para o lodo coletado a 125 e 120 cm de altura

140

Tabela 5.35 -Resultados da análise estatística para a concentração de polímeros extra-celulares no lodo coletado a 25 e 20 cm de altura

145

Tabela 5.36 - Resultados da análise estatística para a concentração de polímeros extra-celulares no lodo coletado a 125 e 120 cm de altura

146

Tabela 5.37 - Resultados da análise estatística para a DQO equivalente de polímeros extra-celulares

147

Tabela 5.38 - Dados estatísticos básicos para a produção e composição do biogás 154

Tabela 5.39 - Análise estatística para a porcentagem de gases durante as fases 1 e 2 156

Tabela 5.40 - Análise estatística para a porcentagem de gases durante as fases 3 e 4 156

Tabela 5.41 - Balanço de DQO no reator UASB 160

Tabela 5.42 - Produção de metano e lodo no reator UASB 160

Tabela 5.43 - Produção específica média de sólidos no FBP em função da DQO 161

Tabela 5.44 - Produção específica média de sólidos no FBP em função da DBO 161

Tabela 5.45 - Grau de hidrólise no esgoto bruto e no lodo de retorno 162


� 1

1- INTRODUÇÃO

A combinação do processo anaeróbio de tratamento de águas residuárias e da digestão de

lodo, em um único reator, através do retorno do lodo de descarte do filtro biológico

percolador (FBP) para o reator UASB (“upflow anaerobic sludge blanket reactor”), pode

tornar o processo de tratamento de grande viabilidade econômica, aumentando sua

aplicabilidade no país. O uso desse sistema de tratamento tem como grandes vantagens a

minimização da produção de lodo (que deverá ser reduzida, apenas, ao reator UASB) e a

produção de um lodo mais concentrado e estabilizado. Entretanto, o efeito do tratamento

combinado de esgoto e lodo aeróbio, na performance do reator UASB, ainda deve ser

avaliado. Os processos de estabilização do lodo e do tratamento de águas residuárias

apresentam objetivos diferentes, que devem continuar a ser atendidos no sistema de

tratamento combinado. Enquanto o primeiro tem como objetivos a obtenção de um lodo com

menor concentração de patógenos e a redução do volume de lodo e dos sólidos orgânicos, o

segundo tem como objetivo principal a elevada qualidade do efluente final.

Os estudos já realizados sobre esse tipo de sistema se baseiam nos parâmetros de DBO e

DQO para avaliação da eficiência de remoção de material orgânico. Entretanto, o uso da DQO

e da DBO como parâmetros de monitoramento para a digestão anaeróbia apresenta algumas

deficiências, pois esses parâmetros: (I) apresentam falhas em caracterizar substratos

específicos nas águas residuárias, (II) não representam mudanças na composição das águas

residuárias, (III) não permitem que resultados operacionais do reator sejam aplicados para

águas residuárias de diferentes composições (MERKEL e KRAUTH, 1999).

O estudo da influência da composição do afluente, em termos de carboidratos, proteínas e

lipídios, no processo de tratamento anaeróbio, torna-se de grande importância, permitindo a

obtenção de maiores conhecimentos para o projeto de reatores anaeróbios, para o aumento da

estabilidade e da eficiência do processo. Um maior entendimento da influência da composição

afluente sobre a hidrólise e acidificação de compostos orgânicos no reator anaeróbio pode

proporcionar melhores condições para a obtenção de uma maior eficiência nessas etapas,

favorecendo o processo de degradação. A concentração do despejo em termos de sólidos

biodegradáveis (carboidratos, proteínas e lipídios), que deverá se modificar com a realização

do retorno de lodo, pode influenciar as rotas de conversão de DQO no sistema

(CHERNICHARO, 1997) e, dessa maneira, alterar a proporção entre os diferentes ácidos


� 2

graxos voláteis formados no processo. Um melhor entendimento da fase ácida e de como a

composição do afluente influencia essa fase pode levar a uma melhoria na estabilidade do

reator e a um aumento na concentração de compostos orgânicos solúveis (BANERJEE et al.,

1998).

Além da concentração dos compostos orgânicos, a proporção destes pode, também,

influenciar a sua degradabilidade. Efluentes ricos em lipídios e com uma menor proporção de

proteínas e carboidratos podem apresentar uma degradação mais lenta (VIDAL et al., 2000).

É importante, portanto, verificar o quanto o retorno de lodo irá modificar a composição

afluente e a proporção entre os diferentes compostos, e como essa modificação na composição

afetará a sua degradabilidade.

O estudo da influência da composição do afluente nas características da biomassa no reator é

uma etapa complementar no entendimento do processo de degradação anaeróbia, uma vez que

as características da biomassa afetam a eficiência de conversão de substratos. Ainda não se

sabe como o retorno de lodo irá afetar as características da biomassa no reator UASB,

entretanto, sabe-se que essas características podem ser afetadas pelo tipo de substrato

(CUERVO LOPEZ et al., 1999, PERLE et al., 1995). A granulação, a estabilidade, o teor de

polímeros extra-celulares, a sedimentabilidade e a atividade do lodo podem apresentar

modificações em função da composição da água residuária utilizada no tratamento anaeróbio.

A formação de grânulos de alta sedimentabilidade e a adsorção de polímeros extra-celulares

no lodo são diretamente influenciadas pela composição afluente (CUERVO LOPEZ et al,

1999, VIDAL et al., 2000), podendo influenciar a performance do reator.

O retorno de lodo deverá provocar, ainda, alterações na velocidade ascencional no reator

UASB, que também poderão influenciar a conversão de substratos e as características da

biomassa no reator (FRANCO et al., 2002), afetando a performance do reator e devendo ser

avaliadas.

Dessa forma, o presente trabalho busca investigar a influência do retorno de lodo de filtro

biológico percolador no processo de digestão anaeróbia em reatores UASB, avaliando-se o

efeito do retorno do lodo produzido no FBP, na degradação de matéria orgânica específica

(carboidratos, proteínas e lipídios), bem como nas concentrações de ácidos graxos voláteis e

nas características da biomassa produzida no reator. Dessa maneira, pretende-se obter maiores


� 3

conhecimentos sobre uma tecnologia de baixo custo, compacta e adequada para as condições

do país.

Ressalta-se que o presente trabalho inseriu-se na área de pesquisa de Digestão Anaeróbia do

Lodo de Descarte de Filtros Biológicos Aeróbios, no âmbito do Programa de Pesquisa em

Saneamento Básico – PROSAB – Edital 3, Tema 4, tendo sido apoiado com recursos do

PROSAB (FINEP, CNPq e CEF) e da FAPEMIG .


� 4

2-OBJETIVOS

2.1 - Objetivo Geral

• Avaliar a influência do retorno de lodo de um filtro biológico percolador no processo de

digestão anaeróbia em reatores UASB, buscando-se investigar o seu efeito na degradação

de matéria orgânica específica, na formação de ácidos graxos voláteis e nas características

da biomassa no reator anaeróbio.

2.2 - Objetivos Específicos

• Avaliar a eficiência do sistema reator UASB/FBP, com o reator UASB operando com e

sem retorno do lodo produzido no FBP.

• Avaliar, comparativamente, a formação de ácidos graxos voláteis no processo de

tratamento anaeróbio, em um reator UASB operando com e sem retorno do lodo

produzido no FBP.

• Investigar a degradação de matéria orgânica específica (carboidratos, proteínas e lipídios)

no processo de tratamento anaeróbio, para as diferentes condições de tratamento (com e

sem retorno de lodo produzido no FBP).

• Verificar o efeito das diferentes condições do tratamento (com e sem retorno de lodo

produzido no FBP) nas características finais do lodo anaeróbio (estabilidade, atividade

metanogênica específica, índice volumétrico, granulação, polímeros extra-celulares) e no

perfil de sólidos do reator UASB.

• Estabelecer uma rotina de descarte do lodo anaeróbio, de forma a minimizar a perda de

sólidos no efluente e garantir sua melhor qualidade.

• Estabelecer uma rotina de recirculação do lodo aeróbio produzido no FBP, para o reator

UASB, que não comprometa a estabilidade e a eficiência do tratamento anaeróbio.

• Avaliar o grau de estabilização do lodo aeróbio, proveniente do FBP, no reator UASB.


� 5

3-REVISÃO BIBLIOGRÁFICA

3.1 – Fundamentos da digestão anaeróbia

Do ponto de vista cinético, a digestão anaeróbia pode ser descrita como um processo de três

etapas, envolvendo a hidrólise de compostos orgânicos complexos, a produção de ácidos

(acidogênese e acetogênese) e a produção de metano. A cinética do estágio mais lento

governará a cinética geral de conversão do despejo. Os estudos mais significativos sobre a

cinética de conversão se iniciaram nos anos 70, quando Graef e Andrews (1973) afirmaram

que a conversão de ácidos voláteis a metano e dióxido de carbono seria a etapa controladora

da velocidade. Nos anos 80, Speece citado por Merkel e Krauth (1999) afirmou que a

hidrólise pode se tornar a etapa controladora da velocidade de degradação, dependendo das

características dos compostos orgânicos presentes nas águas residuárias. O pesquisador

observou, ainda, a dependência entre a etapa limitante do processo e a carga aplicada. A

Figura 3.1 apresenta de forma simplificada todo o processo.

São detalhadas a seguir as fases envolvidas na conversão anaeróbia da matéria orgânica.

3.1.1- Hidrólise

As bactérias não são capazes de assimilar a matéria orgânica particulada. A primeira fase da

degradação anaeróbia consiste na transformação da matéria orgânica particulada complexa

(polímeros) em compostos solúveis mais simples, através de enzimas extracelulares

excretadas pelas bactérias. Os compostos solúveis resultantes podem ser acessíveis às

bactérias, atravessando suas paredes celulares e membranas. Essa fase é considerada muito

lenta e durante essa fase os carboidratos são hidrolisados a açúcares simples e as proteínas a

aminoácidos. A temperatura do reator, o tempo de residência, a composição do substrato, o

tamanho das partículas, o pH do meio, a concentração de NH4+–N e a concentração de

produtos da hidrólise podem influenciar a taxa e o grau de hidrólise do substrato

(CHERNICHARO, 1997).

De acordo com Miron et al. (2000), que estudaram o efeito da idade do lodo na hidrólise e

acidificação de compostos orgânicos, durante a digestão anaeróbia de lodo proveniente de

tratamento primário, a uma temperatura de 25 OC, a hidrólise deve ser considerada a etapa


� 6

limitante no processo de digestão anaeróbia, para todos os tipos de substratos particulados

(carboidratos, proteínas e lipídios) presentes no lodo.

A etapa de hidrólise é realizada por vários tipos de bactérias. As principais bactérias

proteolíticas presentes em digestores anaeróbios pertencem ao gênero Clostridium, sendo

encontradas também Peptococcus anaerobicus, Bibidobacterium sp., Staphylococcus e

algumas espécies de bacilos. Bactérias da espécie Anaerovibrio lipolytica são capazes de

hidrolisar os triglicerídeos a ácidos graxos e glicerol enquanto o amido é degradado por várias

bactérias (Bacteroides, Clostridium, Micrococcus, Bacilus, Pseudomonas), sendo hidrolisado

pela ação da enzima amilase (McINERNEY, 1988).

Figura 3.1 - Seqüência esquemática da decomposição do substrato Adaptado de Chernicharo (1997)

3.1.2- Acidogênese

Durante a acidogênese, as bactérias metabolizam na forma intracelular os produtos solúveis

resultantes da hidrólise, que são convertidos em compostos orgânicos simples com o auxílio

Matéria Orgânica Particulada Proteínas Carboidratos Lipídios

Aminoácidos

Ácidos Graxos

Produtos Intermediários (Propionato, Butirato,

etc)

Acetato H2, CO2

CH4, CO2

Bactérias Fermentativas Hidrólise

Bactérias Fermentativas Acidogênese

Bactérias Acetogênicas Acetogênese

Archaeas Metanogênicas Metanogênese

Açúcares


� 7

de endoenzimas no interior das células bacterianas. Os principais produtos formados nessa

etapa são ácido propiônico, butírico, valérico, isovalérico, capróico, acético, láctico, dióxido

de carbono, ácido sulfídrico, hidrogênio, além de novas células bacterianas. Esse estágio é

denominado de fase ácida devido à grande quantidade de ácidos formados.

De acordo com McCarty, citado por Chernicharo (1997), para a degradação de lodos, o ácido

acético é precursor de cerca de 72 % da produção total de metano. Já os estudos realizados

por Pontes et al. (2002), para um reator UASB em escala piloto, operando com tempos de

detenção hidráulica de 4,2 e 5,6 horas e carga orgânica volumétrica afluente de 1,2 kg

DBO.m-3.d-1 (1,6 kgDQO.m-3.d-1) e 1,5 kgDBO.m-3.d-1 (2,3 kgDQO.m-3.d-1), indicaram que os

principais ácidos formados na degradação anaeróbia de esgotos sanitários foram os ácidos

acético e butírico, tendo ocorrido um decaimento de suas concentrações no reator anaeróbio

em função da altura. Um decaimento de concentrações semelhante foi apresentado por

Laubscher et al. (2001) para as concentrações de ácido acético, ácido propiônico e DQO em

um reator UASB.

A acidogênese é realizada por um grupo de bactérias fermentativas (Clostridium e

Bacteroids). As Clostridium são caracterizadas pela formação de esporos, podendo sobreviver

em ambiente anaeróbio totalmente adverso, enquanto as Bacteroids encontram-se presentes

no trato digestivo, participando da degradação de açúcares e amionoácidos (VAN HAANDEL

e LETTINGA, 1994; LETTINGA et al, 1996). A maioria das bactérias acidogênicas é

anaeróbia estrita, mas cerca de 1% consiste de bactérias facultativas (VAN HAANDEL e

LETTINGA, 1994).

Quando a população de microrganismos metanogênicos se encontra presente em quantidade

adequada, os ácidos são degradados à medida em que são formados, não se acumulando além

da capacidade neutralizadora do meio e o pH permanece na faixa favorável para as Archaeas

metanogênicas.

3.1.3 - Acetogênese

Na acetogênese, os produtos formados durante a acidogênese são transformados em substrato

apropriado para as Archaeas metanogênicas. Os produtos formados durante essa fase são

hidrogênio, dióxido de carbono e principalmente acetato. Dos produtos metabolizados pelas

bactérias acidogênicas, apenas o hidrogênio e o acetato podem ser utilizados diretamente


� 8

pelas metanogênicas. Entretanto, pelo menos 50% da matéria orgânica carbonácea

biodegradável é convertida em propionato e butirato, que são decompostos em acetato e

hidrogênio pela ação das bactérias acetogênicas (CHERNICHARO, 1997). Cerca de 70% da

DQO presente se converte em ácido acético (VAN HAANDEL e LETTINGA, 1994).

3.1.4 - Metanogênese

Os microrganismos atuantes nessa etapa possuem uma baixa taxa de crescimento e são mais

sensíveis às alterações ambientais. “As Archaeas metanogênicas são microrganismos

anaeróbios obrigatórios que requerem condições anaeróbias de crescimento, e altamente

redutoras, com potenciais de oxi-redução da ordem de –300 mV (SOWERS, citado por

CANHOS e VAZOLLER, 1999). Sua característica mais evidente está relacionada com sua

especificidade de substrato para o crescimento e produção de metano. Até agora, os

conhecidos são: formiato, monóxido de carbono, metanol, 2-propanol, aminas metiladas,

dimetilsulfeto, metilcarptanas e acetato, sendo universal o dióxido de carbono que necessita

de hidrogênio como doador de elétrons. As Archaeas metanogênicas apresentam morfologia

comum às células procarióticas, com forma de bacilos de diferentes tamanhos, cocos, sarcinas

e filamentos” (CANHOS e VAZOLLER, 1999).

A produção de metano nessa fase da degradação anaeróbia pode ocorrer a partir do acetato

(60 a 70% da produção) ou a partir do dióxido de carbono (SOUBES, citado por

CHERNICHARO, 1997). O metano formado nessa etapa é insolúvel na água, sendo liberado

para a fase gasosa. O dióxido de carbono, por ser relativamente solúvel em água, é liberado

apenas parcialmente para a fase gasosa.

A metanogênese, geralmente, é a etapa que limita a velocidade da digestão como um todo,

entretanto, para temperaturas inferiores a 20 oC, a hidrólise pode se tornar limitante (VAN

HAANDEL e LETTINGA, 1994). ). No processo de digestão anaeróbia de lodo proveniente

de tratamento primário, de acordo com Miron et al. (2000), a hidrólise pode ser considerada a

etapa limitante para uma temperatura de 25oC.

3.1.5 - Sulfetogênese

Despejos que contenham compostos de enxofre passam ainda pela etapa de sulfetogênese,

durante a qual, sulfatos, sulfitos e outros compostos que contenham enxofre são reduzidos a

sulfetos, devido à ação de um grupo de bactérias anaeróbias estritas, denominadas bactérias


� 9

redutoras de sulfato ou sulforedutoras. As bactérias sulforedutoras dividem-se em dois

grupos: (1) bactérias sulforedutoras que oxidam seus substratos de forma incompleta até o

acetato (Desulfobulbus, Desulfomonas e a maioria do gênero Desulfotomaculum e

Desulfovibrio); (2) Bactérias sulforedutoras que oxidam seus substratos completamente até

gás carbônico (Desulfobacter, Desulfococcus, Desulfosarcina, Desulfobacterium e

Desulfofema) (VISSER, 1995).

Com a presença de sulfato nas águas residuárias, muitos dos compostos intermediários,

formados durante a degradação anaeróbia, passam a ser utilizados pelas bactérias

sulforedutoras, provocando alteração nas rotas metabólicas (CHERNICHARO, 1997).

3.2- Fatores ambientais que afetam o processo anaer óbio

Para que o processo anaeróbio apresente uma boa eficiência, é necessário que se observe a

relação entre os microrganismos participantes do processo e as condições ambientais

necessárias ao seu desenvolvimento. As principais condições ambientais que devem ser

controladas para o desenvolvimento da degradação anaeróbia são o pH, a temperatura, a

presença de nutrientes e a ausência de materiais tóxicos. Na Tabela 3.1 são apresentadas

algumas condições favoráveis aos microrganismos anaeróbios.

Tabela 3.1 - Condições ambientais ótimas para os microrganismos anaeróbios

Parâmetros Faixa de variação pH 6,8 a 7,5 Temperatura Classe Mesófila 25 a 40 oC Classe Termófila 40 a 65 oC Nutrientes Nitrogênio 2,72 mg.gDBO-1

Fósforo 0,45 mg.gDBO-1 Material Tóxico Ausência

Fonte: adaptado de Chernicharo (1997) e Nascimento (2001)

• pH, alcalinidade e ácidos voláteis

O controle do pH é de grande importância nos reatores anaeróbios, atuando no sentido de

eliminar o risco de inibição das Archaeas metanogênicas. Uma alta taxa de metanogênese só

ocorre quando o pH se mantém em uma faixa próxima do valor neutro. Um pH menor que

6,3 ou maior que 7,8 provoca uma diminuição rápida na metanogênese (VAN HAANDEL e


� 10

LETTINGA, 1994). Se a taxa de remoção de ácidos pela metanogênese não acompanhar a

taxa de produção de ácidos na acidogênese, pode ocorrer uma instabilidade no reator, com

diminuição do pH seguida de uma maior redução na metanogênese e de um aumento na

produção líquida de ácidos.

A interação entre a alcalinidade e os ácidos voláteis é fundamentada na capacidade da

alcalinidade do sistema em neutralizar os ácidos formados na degradação anaeróbia e em

tamponar o pH no caso de acúmulo de ácidos voláteis. As principais fontes de alcalinidade do

sistema são as proteínas, que liberam amônia durante a hidrólise, e o acetato que gera

bicarbonato. Para pH entre 6,0 e 7,5 o tamponamento se deve quase que totalmente aos

bicarbonatos (VAN HAANDEL e LETTINGA, 1994).

• Temperatura

A temperatura é de grande importância na digestão anaeróbia, atuando na seleção das

espécies, já que essas não possuem meios de controlar sua temperatura interna. Alterações na

temperatura podem ocasionar um desequilíbrio na atividade biológica, que poderá provocar

variações em vários parâmetros (alcalinidade, pH, ácidos voláteis e produção de gás, dentre

outros). A temperatura influencia, ainda, as taxas das reações enzimáticas e as taxas de

difusão de substrato. Pode-se conseguir uma considerável redução no volume do reator

anaeróbio se ele for operado próximo à temperatura ótima para o desenvolvimento da

população microbiana. Entretanto, mudanças bruscas de temperatura podem levar a um

desbalanceamento entre as bactérias acidogênicas e as Archaeas metanogênicas


A formação microbiana de metano apresenta duas faixas ótimas de temperatura, uma na faixa

mesófila (30 a 35 oC) e outra na faixa termófila (50 a 55 oC). Abaixo de 20 oC, a produção de

gás apresenta uma grande diminuição (CHERNICHARO, 1997).


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• Nutrientes

Para que o processo biológico apresente uma boa eficiência, os nutrientes devem ser

fornecidos na proporção adequada. Os requisitos nutricionais das populações microbianas

podem ser determinados a partir da composição empírica das células microbianas. Os esgotos

sanitários, de uma maneira geral, apresentam os diferentes tipos de nutrientes em

concentrações adequadas. Efluentes industriais, entretanto, por apresentar composições mais

específicas, podem necessitar de um fornecimento adicional de nutrientes.

O nitrogênio é o nutriente necessário em maiores quantidades para o crescimento dos

microrganismos. A concentração de fósforo é, geralmente, 1/5 a 1/7 do valor estabelecido

para o nitrogênio. As seguintes relações podem ser utilizadas para esgoto doméstico

(LETTINGA et al., 1996):

• Biomassa com baixo crescimento de produção celular (Y ≈ 0,05 gSSV/gDQO)

Degradação de ácidos graxos voláteis

DQO : N : P = 1000 : 5 : 1 ou C : N : P = 330 : 5 : 1

• Biomassa com alto crescimento de produção celular (Y ≈ 0,15 gSSV/gDQO)

Degradação de carboidratos

DQO : N : P = 350 : 5 : 1 ou C : N : P = 130 : 5 : 1

Outros nutrientes (enxofre, ferro, cobalto, níquel, molibdênio, selênio, riboflavina e vitamina

B12) são necessários em menor quantidade.

• Compostos Tóxicos

Alguns tipos de substâncias químicas, como metais pesados e compostos organo-clorados, são

tóxicos mesmo em baixas concentrações. Entretanto, no caso de esgotos domésticos, é muito

pouco provável a presença dessas substâncias em concentrações inibidoras. Sulfeto e oxigênio

são compostos tóxicos que podem estar presentes nos esgotos. Se bolhas de ar estiverem no

afluente e forem carreadas para o interior do reator, entrando em contato com o lodo

metanogênico, pode ocorrer inibição da sua atividade. De acordo com Speece (1986), uma

concentração de 170 mg H2S.L-1 pode ser tolerada em reatores UASB. Amônia livre em

concentrações acima de 150 mg.L-1 se torna tóxica, enquanto o íon amônio apresenta um

limite máximo de 3000 mg.L-1 (McCARTY, citado por CHERNICHARO, 1997).


� 12

3.3 – Degradação de matéria orgânica específica

Pouco se sabe sobre a degradação de matéria orgânica específica (carboidratos, proteínas e

lipídios) em reatores anaeróbios. Alguns estudos têm sido realizados de maneira a se analisar

o processo de tratamento anaeróbio em função da composição de carboidratos, proteínas e

lipídios no afluente, entretanto, esses estudos ainda são limitados.

De acordo com Metcalf e Eddy (1991), cerca de 75% dos sólidos suspensos e 40% dos sólidos

filtráveis presentes em águas residuárias são de natureza orgânica, tendo-se uma proporção de

25 a 50% de carboidratos, 40 a 60% de proteínas e cerca de 10% de óleos e graxas. Raunkjaer

et al. (1994) observaram teores de 18, 28 e 31% para carboidratos, proteínas e lipídios,

respectivamente, enquanto Dignac et al. (2000) concluiram que aminoácidos, carboidratos,

lipídios e compostos fenólicos contribuem com 46% do carbono orgânico presente no esgoto.

Como deverá haver uma modificação na composição afluente ao reator UASB, em termos de

carboidratos, proteínas e lipídios, com o retorno de lodo, que poderá influenciar o processo de

tratamento anaeróbio, será apresentada uma retrospectiva de estudos sobre digestão anaeróbia,

com uma visão crítica daqueles estudos que se relacionem com a degradação de matéria

orgânica específica em reatores UASB.

3.3.1- Carboidratos

Os carboidratos possuem estrutura química de poliidroxialdeídos ou poliidroxicetonas (Figura

3.2) e são formados basicamente por átomos de hidrogênio, carbono e oxigênio. São

classificados em monossacarídeos, oligossacarídeos e polissacarídeos. A glicose é o

monossacarídeo mais abundante na natureza. Oligossacarídeos são carboidratos constituídos

por cadeias curtas de monossacarídeos unidos por ligação covalente (sacarose) e

polissacarídeos são carboidratos que possuem cadeias longas de monossacarídeos (amido e

celulose). Os monossacarídeos são geralmente solúveis em água enquanto os polissacarídeos,

geralmente, são insolúveis. A celulose é um tipo de polissacarídeo de difícil decomposição

biológica, constituindo-se em um problema em estações de tratamento (BLUNDI, 1988).


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O ⁄⁄ CH CH CH CH CH C H OH OH OH OH OH

Glicose ( poliálcool-aldeído) O ⁄⁄ CH CH CH CH CH C H OH OH OH OH O

Frutose ( poliálcool-cetona) Figura 3.2 Estrutura química dos carboidratos

Os carboidratos são os compostos de hidrólise mais rápida, sendo convertidos a açúcares

simples e fermentados a ácidos graxos voláteis (MIRON et al., 2000). Entretanto, sua

degradação pode provocar acúmulo de ácido propiônico, quando presente em concentrações

mais elevadas (INANC et al., 1999). O ácido propiônico é considerado o mais tóxico dentre

os ácidos produzidos no processo e pode inibir as Archaeas metanogênicas para

concentrações acima de 1000mg/L. Observou-se que a produção de ácido propiônico é

favorecida pelo pH neutro e alta concentração de substrato. O uso de pH=5, para a

acidogênese, é recomendado para prevenir a formação de ácido propiônico, para águas

residuárias contendo carboidratos de fácil degradação.

3.3.2- Proteínas

Proteínas são macromoléculas formadas pela união de L - α aminoácidos. A condensação de

duas ou mais moléculas de aminoácidos origina um polipeptídeo e a condensação de um

número elevado de aminoácidos origina as proteínas (Figura 3.3). A degradação de proteínas

é um processo complexo, envolvendo um grande número de diferentes espécies de

microrganismos anaeróbios.

A degradação de águas residuárias à base de proteínas foi estudada no final dos anos 80 por

McInerney (1988), que avaliou o processo de hidrólise de proteínas a aminoácidos.

Geralmente, as proteínas são hidrolisadas a peptídeos e aminoácidos que são fermentados a

ácidos voláteis, CO2 , H2, NH4+ e S-2 (McINERNEY, 1988).


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R’ R – CH – COOH + R’ – CH – COOH →→→→ R – CH – CO – NH – CH – COOH + H2O

NH2 H – N – H NH2

Aminoácido Aminoácido Dipep tídeo

Figura 3.3 - Obtenção de um dipeptídeo a partir de aminoácidos

A influência das características das águas residuárias industriais e dos caminhos de

degradação anaeróbia no projeto de reatores foi estudada por Merkel e Krauth (1999). De

acordo com esses pesquisadores, o projeto de reatores, para o processo de degradação de

resíduos à base de proteínas, deve se basear na cinética de degradação de ácido propiônico e

acético. Foram analisados dois tipos de efluentes: águas residuárias etanólicas (proveniente de

indústria fotográfica) e águas residuárias de base protéica (indústria de laticínios). Para a

degradação da água residuária etanólica, os pesquisadores sugerem que o projeto de reatores

deve se basear na cinética de degradação de ácido acético, que foi a controladora do processo.

As etapas limitantes do processo de degradação de proteínas foram a degradação de ácido

propiônico e ácido acético e o projeto de reatores deve se basear nessas etapas considerando

as condições da dinâmica de carga. Os pesquisadores sugerem a necessidade de se avaliar o

efeito dos caminhos de degradação para diferentes condições de operação. A carga aplicada,

durante o estudo desses pesquisadores, foi de 10 kg DQO.m-3dia-1.

Fang e Chung (1999) realizaram experimentos de tratamento de águas residuárias de base

protéica, em dois reatores UASB de 2,8 litros, para avaliar a influência da temperatura no

processo. Nos experimentos, foram utilizadas temperaturas de 37 e 55oC e tempo de detenção

de 9 horas. Observou-se que o principal responsável pela DQO residual no efluente eram as

peptonas, logo a taxa de degradação em ambas as temperaturas foi limitada pela hidrólise

inicial de proteínas para cargas de até 16 DQO m-3dia-1. Uma vez acidificadas, as proteínas

eram degradadas mais facilmente. Para cargas maiores, houve um aumento na concentração

de ácidos graxos no efluente. Além disso, para cada carga aplicada, a concentração de ácidos

graxos no efluente do reator termofílico foi maior do que no mesofílico. O aumento da carga

aplicada no reator termofílico aumentou drasticamente a concentração de ácidos graxos no

efluente, indicando que as bactérias acetogênicas são mais sensíveis ao aumento na carga a


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55oC. Os resultados demonstraram, ainda, uma remoção de 83,5 a 85,2 % de DQO para

cargas variando de 8 a 22 kg DQO. m-3dia-1 (3200 a 8250 mg. L -1 de proteínas na água

residuária) para utilização do reator na temperatura de 37oC e remoção de 68,5 a 82,7% de

DQO na temperatura de 55 oC. Para 32 kg DQO. m-3dia a remoção de DQO diminuiu para

75,7% no reator mesofílico e 65,1% no termofílico. A 42 kg DQO. m-3.dia-1 a remoção de

DQO foi de 53,8% no reator termofílico.

3.3.3- Lipídios

Os lipídios ocorrem na forma de suspensão nas águas, causando danos nas estações de

tratamento e nos corpos d’água receptores. Entretanto, de acordo com Blundi (1988), faltam

dados sobre os níveis e características dos lipídios presentes nos esgotos, provavelmente

devido a problemas de identificação e quantificação pelos métodos analíticos rotineiros.

Lipídios são todas as substâncias solúveis em solventes orgânicos apolares ou de baixa

polaridade. São ésteres do glicerol com ácidos graxos de cadeia longa (Figura 3.4). Os óleos

apresentam-se no estado líquido à temperatura ambiente e as gorduras são sólidas nessas

condições. Os lipídios são compostos orgânicos muito estáveis, de difícil degradação por

bactérias, podendo ser problemáticos no processo de tratamento de águas residuárias.

Efluentes de indústrias de refino de óleo comestível, de processamento de lã, de laticínios,

matadouros, fábricas de margarina e frigoríficos apresentam grande quantidade de lipídios. A

adsorção de lipídios à biomassa, em reatores anaeróbios, pode ocasionar a desintegração do

grânulo (SAMSON et al., 1985) e o seu acúmulo como escuma no topo de reatores anaeróbios

pode provocar entupimento de linhas de saída de gases e de efluentes (ANDERSEN e

SCHMID, 1985).

Lipase CH2 – O – R -COOH

CH – O – R2 -COOH

CH2 – O – R3 -COOH

Glicerol Ácidos graxos Figura 3.4 Ação da lipase na hidrólise de lipídios

Em relação à degradação anaeróbia de lipídios, sabe-se que os triglicerídeos são hidrolisados

a ácidos graxos de cadeia longa e oxidados a acetato ou propionato (MIRON et al., 2000). De

acordo com Hanaki et al. (1981), os ácidos graxos de cadeia longa, formados na degradação

de lipídios, podem inibir sua própria degradação e a produção de metano a partir do acetato.


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As dificuldades no tratamento de efluentes com alto teor de lipídios e polifenóis foram

avaliadas por Beccari et al. (1999). O uso de bentonita e Ca(OH)2 foi realizado em

experimentos em escala de laboratório para determinação da melhor opção e condições para

pré-tratamento, na otimização do processo do tratamento anaeróbio. O efluente utilizado no

tratamento apresentava 5,1 g.L-1 polifenóis, 3,1 g.L-1 de ácido oleico e 11,1 g.L-1 de lipídeos,

pH=4,4 e DQO= 92,6 g.L-1. O sistema consistiu de um reator onde se adicionava hidróxido

de cálcio e bentonita para o pré-tratamento, seguido de um reator para o tratamento anaeróbio.

Uma sedimentação final separava o lodo que era reciclado. O pH ótimo para o pré-tratamento

é também apropriado para a acidogênese, logo, pode-se usar um processo em duas fases: pré-

tratamento/acidogênese (1a fase) seguido da metanogênese (2 a fase).

O tratamento de efluentes de indústrias de lã foi estudado por Gutierrez et al. (1999). Um

reator anaeróbio de 57 litros foi utilizado com uma carga orgânica de 3 a 5 kg DQO.m-3.dia-1.

O efluente apresentava 71% de óleos e graxas e foi analisada a possibilidade do uso do

processo anaeróbio na sua degradação. A cera de lã é composta por uma mistura de ésteres,

de colesterol, lanoesterol e outros esteróis. A parte ácida dos esteróis contém cadeias de

ácidos graxos com 7 a 41 carbonos. Os resultados do trabalho indicaram que os ácidos graxos

obtidos na hidrólise das graxas foram degradados pelos microrganismos enquanto os esteróis

acumularam-se no lodo. A partir desses resultados pode-se dizer que, para o efluente

estudado, não é possível degradar anaerobicamente mais do que 50% da graxa total presente.

A remoção de DQO foi de 40 a 55%.

3.3.4- Substratos complexos

O uso de tratamento anaeróbio de alta taxa para águas residuárias à base de proteínas tem se

tornado popular para aplicações industriais. O projeto de reatores se torna complicado devido

à presença de gorduras e material particulado que são difíceis de degradar. Batstone et al.

(1999) estudaram o uso de modelos para a degradação de carboidratos e proteínas solúveis

para simular a solubilização de partículas e a degradação biológica de gorduras. A

composição do efluente utilizado é apresentada na Tabela 3.2. Resultados experimentais

indicaram a necessidade de uma diferente aproximação para incluir a degradação de gorduras

e materiais particulados. O modelo deve ainda ser estudado para plantas similares, mas parece

ser adequado para projeto e otimização da degradação de águas residuárias à base de proteínas

e gorduras.


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Tabela 3.2 - Concentrações do efluente estudado

Substrato Concentração

Carboidratos 14 mgDQO.L-1

Proteína particulada 421 mgDQO.L-1 Proteína solúvel 1765 mgDQO.L-1 Óleos e graxas 1110 mgDQO.L-1 Óleos e graxas solúveis 17 mgDQO.L-1 Amônia 51 mg N.L-1

Fonte: Batstone et al. (1999)

Azbar et al. (2001) estudaram o efeito da configuração e da complexidade do substrato no

tratamento anaeróbio. Diferentes substratos (glicose, propionato, butirato, etanol e lactato)

acrescentados de um resíduo com composição de 60% de carboidratos, 34% de proteínas e

6% de lipídios foram estudados para diferentes configurações de reatores. As configurações

estudadas foram de reator de mistura completa em batelada, reator de mistura completa com

fluxo contínuo, reator de mistura completa em dois estágios, reator UASB em um estágio. A

concentração da alimentação foi de 20.000 mgDQO.L-1. Os resultados obtidos indicaram uma

menor eficiência de degradação para o reator de mistura completa de um estágio. Para o reator

UASB, operando com alimentação de cada substrato separadamente, a glicose originou um

maior valor de DQO no efluente em relação aos outros substratos, com exceção do lactato. O

etanol e o butirato originaram um menor valor de DQO residual no efluente.

Vidal et al. (2000) estudaram a influência da proporção de lipídios na degradação anaeróbia

de efluente de laticínio. Foi estudada a degradabilidade de dois tipos de águas residuárias,

com proporção de lipídios, proteínas e carboidratos de 1,7/0,57/1 e 0,05/0,54/1 e com DQO

variando de 400 a 20000 mg.L-1. Os pesquisadores observaram uma degradação mais lenta

para a água residuária com maior proporção de lipídios, provavelmente devido à hidrólise

mais lenta desses compostos. Entretanto, para a amostra estudada, esse fator foi benéfico pois

diminuiu a acumulação de ácidos graxos voláteis no processo e favoreceu o processo de

degradação.

Os estudos sobre a degradação de lipídios, carboidratos e proteínas para esgotos sanitários e

lodos ainda são restritos, entretanto, pode-se destacar o trabalho de Miron et al. (2000), que

estudaram o uso de um reator de mistura completa para o tratamento de lodo primário.

Avaliou-se o efeito do tempo de residência celular (idade do lodo) no processo. O reator de

mistura completa foi alimentado com lodo primário e observou-se um aumento na hidrólise de


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lipídios e carboidratos com o aumento no tempo de residência celular, quando o reator era

operado em condições acidogênicas, entretanto, isso não foi observado para proteínas.

Estudos sobre as rotas de formação de metano a partir de substratos complexos (lodos de

estações de tratamento de esgotos ou outros de composição similar) indicam que cerca de

30% do material orgânico é convertido em ácido propiônico (que é resultante da fermentação

de carboidratos e proteínas). O ácido acético é o mais abundante, sendo formado a partir de

praticamente todos os compostos orgânicos. Para substratos complexos, o ácido acético é

precursor de cerca de 72% do metano formado. Os ácidos acético e propiônico são

responsáveis por 85% da produção total de metano e os 15% restantes se originam dos outros

ácidos (McCARTY, citado por CHERNICHARO, 1997).

3.4- Caracterização da biomassa em reatores anaeró bios

O sucesso de qualquer sistema de tratamento anaeróbio depende da manutenção, nos reatores,

de uma biomassa adaptada, com elevada atividade microbiana e resistente a choques. É de

grande importância monitorar as mudanças nas características do lodo, durante o tratamento

anaeróbio.

A realização do retorno de lodo aeróbio para o reator UASB poderá provocar alterações nas

características da biomassa (atividade do lodo, estabilidade, distribuição granulométrica,

índice volumétrico do lodo e na composição em termos de polímeros extra-celulares), pois

essas características são influenciadas pela composição do afluente. Dessa maneira, será

apresentada uma retrospectiva de estudos sobre esses parâmetros de caracterização da

biomassa.

3.4.1- Granulação

As células microbianas existem em uma variedade de formas, tamanhos e fases de

crescimento, individualmente ou agregadas em várias microestruturas. Estas condições são

importantes na digestão anaeróbia, pois é provável que a forma da biomassa tenha um efeito

na sobrevivência do microrganismo e na transferência de nutrientes, e, consequentemente, na

eficiência da digestão anaeróbia (CHERNICHARO, 1997).

O desenvolvimento de um agregado microbiano denso, denominado grânulo, é importante

para a performance do reator UASB. Boas características de sedimentação são obtidas através


� 19

da formação de densos grânulos com diâmetros de até vários milímetros. O fenômeno da

granulação parece se restringir aos reatores UASB e, em menor escala, aos filtros anaeróbios,

estando geralmente associado ao tratamento de despejos ricos em carboidratos e ácidos

voláteis (CHERNICHARO, 1997). Os mecanismos de formação de grânulos estão

relacionados a diferentes fatores:

• Características do substrato (concentração e composição);

• Compressão gravitacional das partículas de lodo e taxa superficial de liberação do biogás;

• Condições para o desenvolvimento de Archaeas metanogênicas, tais como a presença de

cátions bivalentes;

• Velocidade ascensional do líquido através do leito de lodo.

De acordo com Franco et al. (2002), uma alternativa para a melhoria das características da

biomassa em reatores UASB é a modificação da velocidade ascensional no reator com criação

de um efeito de pulsação. Os resultados obtidos pelos pesquisadores indicaram a presença de

partículas de lodo de maior porosidade e menor tamanho para essas condições operacionais,

resultando em uma maior conversão de substratos no reator.

A granulação do lodo pode, ainda, ser influenciada pela presença e composição de polímeros

extra-celulares, que contribuem para a agregação e estabilidade do lodo anaeróbio. A

aglomeração das bactérias, em grânulos, aumenta a transferência metabólica, reduzindo a

inibição dos microrganimos acetogênicos e metanogênicos (EL-MAMOUNI et al., 1998). A

análise da distribuição granulométrica do lodo é um parâmetro importante para a sua

caracterização (EL-MAMOUNI et al., 1998) e para o estudo de fatores físico-químicos

causadores da granulação (LAGUNA et al., 1999).


� 20

Laguna et al. (1999) estudaram diferentes metodologias para a determinação da distribuição

granulométrica do lodo. Os autores compararam a medida direta em microscópios, a

determinação de velocidade de sedimentação e extrapolação do diâmetro utilizando a Lei de

Stokes e o peneiramento a úmido dos grânulos. Os resultados obtidos para o peneiramento a

úmido não indicaram perda de sólidos durante o peneiramento e os perfis de distribuição

granulométrica apresentaram boa reprodutibilidade para peneiramento de amostras com

volumes de 10 a 25 mL. Não se observou evidência de erosão do grânulo.

3.4.2- Polímeros extra-celulares

Mudanças na sedimentabilidade do lodo têm sido relacionadas à concentração de polímeros

extra-celulares. Os polímeros extra-celulares podem se originar do metabolismo ou ruptura de

microrganismos (proteínas, polissacarídeos e lipídios) e da adsorção de material orgânico da

água residuária (celulose, ácidos húmicos e outros). A superfície celular apresenta áreas

hidrofóbicas e, dessa maneira, moléculas hidrofóbicas, como os lipídios e proteínas das

células, podem ficar aderidas nos flocos. Sabe-se da influência dos polímeros extra-celulares

na sedimentabilidade, mas a falta de um método uniforme para sua extração dificulta a

comparação de resultados de diferentes estudos, podendo-se obter dados contraditórios

(URBAIN et al., 1993).

Um estudo da estrutura físico-química de flocos de lodos ativados foi realizado por Urbain et

al. (1993). De acordo com esses pesquisadores, o aumento na concentração de polímeros

extra-celulares é associado a piores condições de sedimentação do lodo. A adsorção de

lipídios pode ocasionar a flotação do lodo ou a formação de lodo com diferentes

características físico-químicas ou menor atividade (PERLE et al., 1995). A adsorção de

gordura na superfície do lodo pode limitar o transporte de substratos solúveis na biomassa e

diminuir a taxa de conversão de substratos (VIDAL et al., 2000).

Cuervo-Lopez et al. (1999) estudaram o efeito combinado da fonte de carbono e da carga de

nitrogênio na desnitrificação e na sedimentabilidade do lodo granular em um reator UASB.

Acetato, lactato e glicose foram utilizados como fonte de carbono para a desnitrificação. As

cargas de nitrogênio foram de 500, 1000 e 2000 mg N-NO3.L-1.dia-1. Observou-se a influência

da fonte de carbono na sedimentabilidade do lodo e na estabilidade do reator e a influência da

carga de nitrogênio e da fonte de carbono na desnitrificação. Um aumento na concentração de

polímeros extra-celulares foi observado quando se utilizou lactato e glicose como fonte de


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carbono. Observou-se, ainda, a flotação do lodo quando se utilizou lactato como fonte de

carbono. O uso de glicose como fonte de carbono provocou instabilidade no reator. Os

resultados obtidos indicam que a relação proteínas/carboidratos (P/C) poderia ser um melhor

indicador da estabilidade do reator que o índice volumétrico do lodo, pois o aumento na

relação P/C foi observado durante a flotação do lodo e o mesmo não ocorreu com o IVL.

Vários métodos têm sido utilizados para a extração de polímeros extra-celulares. Brown e

Lester (1980) utilizaram a relação proteínas/carboidratos para a escolha do método do vapor

como melhor método de extração para amostras de lodos ativados. Os autores testaram cinco

métodos de extração: extração com hidróxido de sódio, com EDTA, com vapor, com ultra-

som e com ultracentrifugação. Observou-se que o método do vapor proporcionou um boa

extração e provocou uma menor ruptura celular em relação aos métodos com EDTA e

hidróxido de sódio. O método do ultra-som apresentou baixa eficiência de extração.

Zhang et al. (1999) estudaram métodos de extração para quantificação de polímeros extra-

celulares em biofilmes. Foram estudados os métodos de centrifugação regular, EDTA,

ultracentrifugação, extração com vapor e centrifugação regular com formaldeído. O método

de extração com formaldeído apresentou melhor rendimento na extração de carboidratos

enquanto o método de extração com vapor apresentou o melhor rendimento para proteínas. A

avaliação do efeito dos métodos de extração no rompimento celular foi realizada através de

testes de DNA no sobrenadante. Não se observou rompimento celular significativo nos

experimentos. Observou-se que a água de lavagem é essencial na quantificação de polímeros

extra-celulares em biofilmes, podendo contribuir com 8 a 50% do teor de carboidratos totais.

Martinez et al. (2000) utilizaram o método de extração com EDTA para a extração de

proteínas, lipídios e carboidratos em flocos nitrificantes. A concentração de proteínas variou

de 5 a 45 mg.L-1 enquanto que a concentração de carboidratos apresentou pouca variação,

com valor médio de 30 mg.L-1. Análises estatísticas indicaram que as variações do índice

volumétrico do lodo do floco não filamentoso estavam relacionadas com mudanças no teor de

proteínas extra-celulares.

3.4.3 - Índice volumétrico do lodo

O índice volumétrico do lodo (IVL) é definido como o volume ocupado por 1 g de lodo após

uma sedimentação de 30 minutos e é utilizado em estações de tratamento para levantamento

de dados para o controle operacional da estação (V0N SPERLING, 2000). Existem algumas


� 22

variantes para o teste de IVL, que pode ser realizado sem agitação, durante o período de

sedimentação (IVL), sem agitação e com diluição da amostra (IVLD), com agitação durante o

período de sedimentação (IVLA) e com agitação e expressão dos resultados em concentração

padronizada de 3,5 g.L-1 (IVLA 3,5) (VON SPERLING, 2000). O teste sem agitação durante o

período de sedimentação (IVL) é o mais utilizado no país.

Para o processo de lodos ativados, tem sido apresentadas relações entre IVL e a

sedimentabilidade do lodo (CUERVO-LOPEZ et al., 1999). Quanto maior o IVL, pior é a

sedimentabilidade do lodo, ocupando um maior volume no decantador secundário. Valores

típicos de IVL e sua relação com a sedimentabilidade para lodos ativados são apresentados na

Tabela 3.3.

Tabela 3.3 - Interpretação aproximada do resultado do Índice Volumétrico do Lodo para lodos ativados

Faixa de valores do Índice Volumétrico do Lodo (mL.g-1) Sedimentabilidade IVL IVLD IVLA IVLA 3,5

Ótima 0 a 50 0 a 45 0 a 50 0 a 40 Boa 50 a 100 45 a 95 50 a 80 40 a 80

Média 100 a 200 95 a 165 80 a 140 80 a 100 Ruim 200 a 300 165 a 215 140 a 200 100 a 120

Péssima >300 >215 >200 >120 Onde: IVL = indice volumétrico do lodo sem agitação; IVLD= IVL sem agitação e com diluição da amostra; IVLA= IVL com agitação; IVLA3,5= IVL com agitação e expressão dos resultados em concentração padronizada de 3,5 g.L-1 Fonte: Adaptado de Von Sperling (2000)

O IVL sofre a limitação de ser dependente da concentração inicial de sólidos. Diferentes tipos

de lodos que não sedimentam podem apresentar valores de IVL muito diferentes em função

da concentração de sólidos (VON SPERLING, 2000).

A relação entre IVL e sedimentabilidade do lodo anaeróbio foi estudada por Cuervo-Lopez et

al. (1999). Os pesquisadores estudaram o lodo de um reator UASB utilizado para o processo

de desnitrificação e observaram que, em alguns casos, a variação na sedimentabilidade do

lodo não é bem correlacionada com o IVL, pois mesmo para casos de instabilidade no reator,

os pesquisadores obtiveram valores de IVL abaixo de 150 mL.g-1. Para valores de IVL entre

100 e 150mL.g-1, a flotação do lodo pode ser observada ou não, indicando que nesse intervalo

o IVL não é um bom indicador de sedimentabilidade.


� 23

3.4.4- Atividade metanogênica específica e estabilidade

O teste de atividade metanogênica específica (AME) do lodo consiste em se avaliar a

capacidade das bactérias metanogênicas de converter substrato orgânico em metano e gás

carbônico. A AME pode variar em diferentes reatores, sendo influenciada pela natureza do

substrato e pela característica da biomassa formada.. A avaliação da AME é importante para

se determinar o potencial da biomassa em converter substratos solúveis em metano e gás

carbônico. Embora existam outras etapas desenvolvendo-se no digestor anaeróbio, a

metanogênese acetotrófica é a mais importante por ser limitante para conversão de material

orgânico em metano (CHERNICHARO, 1997).

O teste da atividade metanogênica específica permite realizar uma análise de rotina para

quantificar a atividade de lodos anaeróbios; avaliar o comportamento do lodo sob efeito de

compostos inibidores; determinar a toxicidade de compostos químicos presentes em efluentes

e resíduos sólidos; estabelecer o grau de degradabilidade de substratos; monitorar mudanças

de atividade do lodo devido a acúmulo de material inerte; determinar a carga orgânica

máxima que pode ser aplicada a um tipo de lodo e avaliar parâmetros cinéticos


Observa-se que, para tempos de detenção baixos, a atividade do lodo no reator se iguala à

atividade máxima no teste de incubação, sendo que, em alguns casos, pode até exceder esse

valor. Quando se utilizam tempos de detenção elevados, entretanto, esse valor é bem menor

que a atividade máxima (VAN HAANDEL e LETTINGA, 1994). Van Haandel e Lettinga

(1994) citam valores de AME da ordem de 0,08 a 0,30 g DQO-CH4. gSVT-1.dia-1 para

diferentes reatores UASB.

James et al. (1990) realizaram a medida da AME em amostras de lodo coletadas de três

reatores UASB diferentes, tratando esgotos domésticos com DQO média afluente de 300 mg

DQO. L-1, e de 2 reatores UASB diferentes, tratando esgoto doméstico com DQO média

afluente de 500 mg DQO. L-1. Os resultados obtidos indicaram valores de AME variando

de 0,5 a 0,8 g DQO-CH4. gSVT -1.dia-1.

O teste de estabilidade do lodo permite estabelecer qual a fração da massa de lodo é composta

de material orgânico biodegradável, ainda não digerido. Um teor elevado de material

biodegradável no lodo pode indicar que o sistema esteja sobrecarregado e poderá causar

problemas na separação sólido-líquido do lodo de excesso. Dados experimentais indicam que


� 24

amostras de lodo de reatores anaeróbios com TDH de 2 a 3 horas ainda produzem gás após

um mês de inoculação. Para tempos de permanência de 5,6, 7,2 e 17 horas, as amostras de

lodo apresentam uma maior estabilidade (VAN HAANDEL e LETTINGA, 1994).

3.5- Pós-tratamento de efluentes de reatores anaeró bios

Embora apresente vantagens, o processo anaeróbio tem, ainda, dificuldade em produzir um

efluente que se enquadre a padrões usuais da legislação ambiental. O efluente do processo

anaeróbio necessita de tratamento posterior para completar a remoção de compostos orgânicos

e remover patógenos. Os sistemas de pós-tratamento devem ser simples, de baixo custo,

devendo ser concebidos, preferencialmente, em consonância com o conceito básico dos

reatores anaeróbios. Alguns tipos de associações dos sistemas de tratamento de esgotos

anaeróbio e aeróbio podem contribuir para a redução de custos operacionais e energéticos do

sistema, tornando-se alternativas promissoras, do ponto de vista técnico e econômico, para

países em desenvolvimento.

Como alternativas pesquisadas de processos de pós-tratamento de efluentes de reatores

UASB, encontram-se sistemas aeróbios e anaeróbios, destacando-se:

• Lagoas de estabilização

• Lodos ativados

• Biofiltro aerado submerso

• Aplicação no solo

• Filtro anaeróbio

• Reator anaeróbio de leito expandido

• Filtro biológico

A Tabela 3.4 apresenta os principais tipos de sistemas que têm sido pesquisados para o pós-

tratamento de efluentes de reatores anaeróbios.


� 25

Tabela 3.4 -Descrição sucinta de processos de pós-tratamento de efluentes de reatores anaeróbios

Tratamento Características do pós-tratamento Eficiência média Concentrações médias do efluente

Fonte

Filtro anaeróbio + Escoamento superficial no solo

Forma das rampas: retangular de 40 m x 4,35 m; Inclinação: 3,5%; Grama: Tifton (cynodon sp); Taxa de aplicação: 0,1 a 0,2 m³ .m-1. h-1

91 a 94% para DBO

116 mg DQO. L-1 33 mg DBO. L-1 40 mg SST. L-1

Coraucci Filho et al. (2000)

Decanto-digestor + Filtro anaeróbio + Escoamento subsuperficial

Escoamento: subsuperficial ; Forma das rampas: dois tabuleiros de 10 m x 3,5 m; Inclinação: 1% e 6%; Grama: Capim elefante (pennisetum purpureum).

Remoção de DQO de 53%, COT de 54% e SS acima de 70%.

53 mg DQO. L-1 8 mg COT. L-1 7,5 mg SST. L-1

Lucas Filho et al. (2000)

Reator UASB + Aplicação no solo

Rampas: três de escoamento superficial; área unitária: 3 m x 25 m; Inclinação: 4%;Taxa aplicação 0,4 a 0,5 m3/m.h.

77% de remoção de DQO 83% de remoção de DBO

48 a 62 mg.DBO. L-1 98 a 119 mg.DQO. L-1 17 a 57 mg.SST. L-1

Chernicharo et al (2001)

Reator UASB + wetlands

Sistema wetland: 0,6 m de profundidade e área de 1 m x 10,0 m; Foram utilizadas macrófitas emergentes (juncus sp); Taxas de aplicação hidráulica: 2,3; 3,3 e 4,5 cm.d-1

Remoção de 79 a 83% de DQO, 48 a 71% de SVT, 47 a 70% de NTK e 99,99% de coliformes totais.

- Sousa et al. (2000)

Reator UASB + reator sequencial de batelada (RSB)

Volume RSB= 600L; altura:1,5M; diâmetro: 0,8m.

56 a 74 mg.DQO. L-1

37 a 54 mg. SST. L-1

Cybis e Pickbrenner (2001)

Reator anaeróbio compartimentado + Filtro biológico

Filtro biológico com aeração forçada. 73 % para remoção DBO e 70% para remoção DQO (TAS de 1,5 m³/m².d) 59% para remoção DBO e 55% para remoção DQO (TAS de 7,5 m³/m².d) 48% para remoção DBO e 40% para remoção DQO (TAS de 13 m³/m².d) Obs: Valores para o Filtro Biológico

Belem (1996) apud Coletti et al (1997)

Reator UASB + Biofiltro aerado submerso

Biofiltro: 1,5 x 1,5 m, com altura de 5,3 m; Material de enchimento: brita 0, brita 2, brita 4 e areia; Carga hidráulica reator UASB = 0,65 m³/m².h e BF = 1,5 a 2,4 m³/m².h; TDH reator UASB de 8,5 h e BF de 0,5 a 1,3 h; Taxa de aeração no BF de 12 Nm³/m².h.

95% de remoção de SS 95% de remoção de DBO5 88% de remoção de DQO

<90 mg.DQO. L-1 <30 mg.SST. L-1

Gonçalves et al. (1999)

Tanque séptico e Filtros anaeróbios

Filtros: 0,7 m de largura, 4,0 m de comprimento e 1,2 m de altura; Forma: retangular; Meio suporte: brita 4, seixo, tijolos cerâmicos, anéis de conduítes).

13 a 23 mg COT. L-1

15 a 20 mg SST. L-1 95 a 128 mg DQO. L-1

Andrade Neto et al. (2000)


� 26

Tabela 3.4 - Descrição sucinta de processos de pós-tratamento de efluentes de reatores anaeróbios (Continuação)

Tratamento Características do pós-tratamento Eficiência média Concentrações médias do efluente

Fonte

Reator UASB + Lagoa facultativa

Lagoa facultativa: volume 20.000 m³; Área: 1 ha; Profundidade: 2 m; θh: 23 dias.

Remoção de DQO do sistema foi da ordem de 78%

140 mg DQO. L-1 65 mg SST. L-1

Chernicharo (1997)

Reator UASB + Filtro anaeróbio

Filtro anaeróbio: 102 L; Forma das unidades de tratamento: cilíndrica; Meio suporte: escória de alto forno.

85 a 95% de eficiência de remoção de DQO e DBO

120 mg DQO. L-1 60 mg DBO. L-1 30 mg SST. L-1

Chernicharo e Machado (1998)

Reator UASB + Lagoa de polimento

Lagoas: chicaneadas operando em série ou paralelo com θh de 2; 3,5; 5 e 10 dias.

Remoção de DQO entre 15,1 a 75,6% para θh de 5 dias e de 34,8 a 76,5% para θh de 10 dias

53 e 51 mg DQO. L-1

Arantes et al. (2000)

Reator UASB + lagoas de polimento

Lagoas: com chicanas; Operação: com tempo de permanência de 5, 7,5 e 15 dias.

66 e 67% para remoção de DBO 45 e 44% para remoção de DQO.

24 a 59 mg.DBO. L-1

108 a 221 mgDQO. L-1 18 a 68 mg. SST. L-1

Mayer et al (2001)

Reator UASB + lagoa de polimento

Lagoas: sem e com chicanas Operação: tempo de permanência de 7,65 e 7, 10 dias, para lagoas sem e com chicanas, respectivamente

43 e 44 % de remoção de DQO 65 e 64 % de remoção de DBO

104 a 109 mg.DBO. L-1

256 a 262 mgDQO. L-1 149 a 128 mg.SST. L-1

Soares et al. (2001)

Reator UASB + lagoa facultativa

Operação: com tempo de permanência de 21 dias. 86% de remoção de DQO 83% de remoção de DBO 82% de remoção de SST

56 mg.DBO. L-1

100 mgDQO. L-1 49 mg. SST. L-1

Rocha (2002)


Operação: com tempo de permanência de 1,4 a 6,2 dias 53 % de remoção de DQO 89 % de remoção de DBO 78% de remoção de SST

<60 mg.DBO. L-1

96 a 227 mgDQO. L-1 39 a 123 mg. SST. L-1

Andrade et al. (2003)


Operação: com tempo de permanência de 47 dias. 85% de remoção de DQO 92% de remoção de DBO 91% de remoção de SST

69 mg.DBO. L-1

196 mgDQO. L-1 59 mg. SST. L-1

Santos (2003)

FONTE: Adaptado de Nascimento (2001) e Chernicharo et al. (2001)


27

A importância da associação de reatores anaeróbios e aeróbios para tratamento de águas

residuárias é reconhecida por muitos pesquisadores (MERGAERT et al., 1992, VAN

HAANDEL e LETINGA, 1994). Um estudo comparativo do uso de sistemas aeróbios

convencionais (lodos ativados após o tratamento primário convencional) e da associação de

reatores anaeróbios e aeróbios foi realizado por Von Sperling e Chernicharo (1998). Os

resultados obtidos indicaram que a associação de reatores anaeróbios e aeróbios tem como

principais vantagens a melhor qualidade do efluente numa eventual primeira etapa anaeróbia

do tratamento, menor consumo de energia, menor consumo de produtos químicos na

desidratação do lodo, menor quantidade de lodo produzido e maior simplicidade operacional

em relação aos processos convencionais de tratamento. Como desvantagens pode-se citar o

maior volume e maior custo do reator no primeiro estágio do tratamento. A associação de

reatores anaeróbios e aeróbios amplia a importância do reator UASB, que passa a atuar na

remoção de DQO solúvel e particulada do esgoto e cerca de 66% da DQO afluente é

metabolizada no reator UASB (GONÇALVES et al., 2001).

O uso de filtros biológicos percoladores surge como opção de pós-tratamento por processos

aeróbios para efluentes de reatores UASB e, sendo objeto de estudo da presente pesquisa, um

maior detalhamento desse processo de tratamento é apresentado a seguir.

• Filtros Biológicos Percoladores

Os filtros biológicos percoladores são sistemas de tratamento de esgotos por processo

biológico. O sistema é constituído de um meio suporte de material grosseiro, tal como pedras,

ripas ou material plástico, sobre o qual os esgotos são aplicados continuamente por meio de

distribuidores rotativos ou estacionários. Os distribuidores rotativos são movidos pela própria

carga hidráulica dos esgotos ou energia elétrica. Após a aplicação, os esgotos percolam pelo

meio suporte em direção aos drenos de fundo. Esta percolação permite o crescimento

bacteriano na superfície do material de enchimento, formando uma película gelatinosa ativa,

constituída de fungos, bactérias aeróbias e anaeróbias, algas, protozoários, insetos e larvas.

Os filtros biológicos percoladores são sistemas aeróbios, pois o ar circula nos espaços vazios

existentes entre o meio suporte, fornecendo o oxigênio para a respiração dos microrganismos.

A ventilação é usualmente natural, embora possa ser forçada. A Figura 3.5 apresenta o

esquema de funcionamento do filtro biológico.


28

Figura 3.5 - Esquema de funcionamento de um filtro biológico

Fonte: adaptado de Von Sperling (1995)

Em relação ao uso de filtros biológicos para o pós-tratamento de efluentes de reatores

anaeróbios, pode-se citar as pesquisas realizadas no âmbito do Programa de Pesquisa em

Saneamento Básico - PROSAB (PROSAB, 2000) e de algumas unidades operadas pela

Companhia de Saneamento do Estado do Paraná – SANEPAR.

As ETE’s de Cambé e Londrina (PR), constituídas por reator RALF (Reator Anaeróbio de

Leito Fluidificado) seguido de filtro biológico percolador, entraram em operação,

respectivamente, em 1998 e no final de 2000 (AISSE et al., 2001). Essas plantas funcionam

em escala plena, tratando esgotos sanitários.

O uso de filtros biológicos percoladores para o pós-tratamento de efluentes de reatores UASB

foi estudado por Chernicharo e Nascimento (2001). Nesse trabalho, estudou-se um sistema de

tratamento em escala piloto, em funcionamento no Laboratório de Instalações Piloto da

UFMG. Observou-se uma boa eficiência do sistema, sendo que o efluente final apresentou

concentrações de DBO, SST e DQO abaixo de 60 mg.L-1, 30 mg.L-1 e 120 mg.L-1,

respectivamente, para as oito fases de operação do sistema (taxas de aplicação hidráulica de:

3,4 a 30,6 m3.m-2.dia-1, respectivamente). O filtro biológico foi capaz de operar com cargas

orgânicas variando de 0,3 a 3,9 kg DBO.m-3.dia-1. Além disso, o efluente obtido apresentou

meio suporte

esgoto percolando

biofilme


29

concentrações de oxigênio dissolvido da ordem de 1,5 mg.L-1. Não se realizou o retorno de

lodo aeróbio para o reator UASB, nesse sistema de tratamento.

O efeito da altura do meio suporte e da recirculação do efluente do filtro biológico em um

filtro utilizado para o pós-tratamento de efluente de reator UASB foi avaliado por

Chernicharo et al. (2002), estudando o mesmo sistema em escala piloto apresentado nas

pesquisas de Chernicharo e Nascimento (2001). Nesse trabalho, observou-se que a taxa de

recirculação de 50% do efluente do filtro biológico não teve efeito positivo na performance do

filtro. Os baixos valores de DBO e DQO presentes no efluente indicaram que a recirculação

do efluente não é benéfica nessas condições. Os melhores resultados operacionais foram

obtidos para uma carga hidráulica de 25 m³.m-².d-1 e uma carga orgânica de 0,9 kgDQO.m-3.

d-1, para o filtro biológico utilizando uma altura de meio suporte de 1,9 m. Nessas condições,

o filtro produziu um efluente com valores médios de DQO, DBO e SST de 102 mgDQO.L-1,

33 mgDBO.L-1 and 23 mgSST. L-1, respectivamente.

3.6-Tratamento combinado de águas residuárias e lod o de descarte aeróbio

O tratamento combinado de águas residuárias e de lodo aeróbio, em um único reator, através

do retorno do lodo de descarte do filtro biológico percolador (FBP) para o reator UASB, em

um sistema reator UASB/FBP, encontra-se em fase inicial de pesquisas, e sua performance

vem sendo avaliada por alguns pesquisadores (AISSE et al., 2001, PONTES et al., 2002).

Espera-se que esse sistema de tratamento combinado, além de minimizar a produção de lodo

e de produzir um lodo mais concentrado e estabilizado, atenda aos requisitos de remoção de

material orgânico, típico de um tratamento de águas residuárias, que gira em torno de 60 a

90%, e da digestão do lodo, que geralmente fica na faixa de 40 a 50% de remoção de sólidos

voláteis (JENÍCEK et al., 1999). Entretanto, a adequação do sistema de tratamento a esses

requisitos ainda está em fase de avaliação.

Será apresentada a seguir uma retrospectiva dos principais estudos realizados com o objetivo

de se avaliar a performance do sistema de tratamento combinado de lodos e águas residuárias

em reatores anaeróbios.

O lodo resultante das operações e processos de tratamento contém, geralmente, 0,25 a 12% de

sólidos, dependendo do tratamento utilizado. O lodo de filtro biológico é floculento e


30

relativamente inodoro quando está fresco e apresenta uma decomposição mais lenta que

outros lodos. O lodo deve ser tratado devido à sua elevada concentração de material orgânico

não estabilizado. O principal processo utilizado para a conversão do material orgânico contido

no lodo é a digestão anaeróbia. Esse processo é realizado com as finalidades de: i) destruir ou

reduzir a níveis previamente estabelecidos os microrganismos patogênicos; ii) estabilizar o

material orgânico; iii) reduzir o volume do lodo; iv) dotar o lodo de características favoráveis

à remoção de umidade; e v) permitir a sua utilização como fonte de húmus ou condicionador

de solos para fins agrícolas (METCALF & EDDY, 1991).

A possibilidade de retorno de lodo de descarte para o reator UASB foi, originalmente,

proposta por Van Haandel e Lettinga (1994) e testada por Sousa e Foresti (1996) e por Ortega

et al. (1996), utilizando lodo de retorno de um processo de lodos ativados, e por Gonçalves et

al. (1999), que estudaram a associação de reatores UASB e biofiltros aerados submersos, para

o tratamento de esgotos domésticos, em substituição a estações de tratamento de esgotos

convencionais.

De acordo com Ortega et al. (1996), o retorno de lodo não provocou efeitos negativos na

performance do reator UASB, tendo ocorrido, inclusive, um aumento na atividade

metanogênica específica, de 0,27 para 0,40 gDQO-CH4. gSV-1.dia-1 e na velocidade de

sedimentação do lodo granular, de 16 para 18m/h, com a realização do retorno de lodo

aeróbio. Os resultados obtidos por Gonçalves et al. (1999) indicaram a capacidade desse tipo

de sistema em produzir um efluente de ótima qualidade. A remoção de SST, DBO5 e DQO

foram de 95%, 95% e 88%, respectivamente. O efluente final obtido foi de ótima qualidade,

apresentando as seguintes características: SST = 10 mg.L-1, DBO5 = 10 mg.L-1e DQO = 50

mg.L-1. Observou-se, também, que o retorno do lodo do biofiltro para o reator UASB não

afetou a performance do sistema. Além disso, essa configuração originou uma produção de

lodo bem menor em relação ao processo convencional. A produção de metano foi maior,

sendo possível o uso do biogás na secagem e pasteurização do lodo.

Apesar da eficiência do sistema de tratamento combinado de águas residuárias, pouco se

conhece sobre a produção, adensamento e digestão do lodo aeróbio no reator UASB. Os

estudos realizados por Gonçalves et al. (2001) para avaliar a produção de lodo e o potencial

de produção de biogás para a associação de reatores UASB e biofiltros aerados submersos

indicaram que o lodo produzido no reator anaeróbio apresentou baixas concentrações de SV

(relação SVT/ST = 57%) e concentrações de ST de 5%. O lodo formado se apresentou sem


31

odor e com uma coloração escura, tendo-se obtido uma digestão equivalente a 21%, para o

lodo aeróbio no reator UASB.

Jenicek et al. (1999) realizaram estudos sobre o tratamento combinado de águas residuárias e

lodos em um reator anaeróbio compartimentado de fluxo ascendente. Nesses estudos,

realizou-se o retorno de lodo aeróbio em um reator anaeróbio para minimizar a produção de

lodo no processo. Durante o trabalho, procurou-se otimizar a performance do reator em

relação ao tratamento de águas residuárias e lodo. Foram testadas 2 taxas de recirculação de

lodo: 100% e 3,5%. O retorno de lodo não teve efeito significativo na remoção de DQO,

entretanto, houve uma diminuição da atividade metanogênica específica do lodo, ao contrário

do que havia ocorrido no trabalho de Ortega et al. (1996) que observaram um aumento da

AME, com a realização do retorno de lodo. Para a taxa de recirculação de lodo de 100%, a

remoção de DQO no tratamento anaeróbio foi de 77,5% e a remoção total 96,7%, enquanto

que para a taxa de recirculação de 3,5%, a remoção de DQO no tratamento anaeróbio foi de

85,8% e a remoção total 97,9%. A produção específica de lodo no processo foi extremamente

baixa: 0,067 gSST. gDQO-1 removida.

Aisse et al. (2001) estudaram o retorno de lodo de filtro biológico para um reator UASB

utilizado para o tratamento de esgotos sanitários. Os resultados obtidos pelos pesquisadores,

na ETE Caçadores (Cambé – PR), indicaram a obtenção de um efluente com concentrações

médias de 100 mg DQO.L-1 e 24 mg DBO.L-1. Foram obtidas eficiências médias globais de

84% para a remoção de DQO e 93% para a remoção de DBO. A necessidade de descarte

frequente de lodo do reator anaeróbio foi observada pelos pesquisadores, tendo ocorrido,

inclusive, deterioração na qualidade do efluente na ausência desse descarte.

3.7 - Análise crítica da literatura e contribuição do presente estudo

A partir dos trabalhos apresentados no item 3.6, pode-se verificar que existem apenas alguns

estudos iniciais com o objetivo de avaliar o efeito do retorno de lodo para o reator UASB.

Estudos mais aprofundados sobre o tratamento combinado se tornam necessários para

aumentar a aplicabilidade de reatores UASB para esse tipo de tratamento.

Os estudos já realizados sobre tratamento combinado de lodo aeróbio e esgoto sanitário

apresentam diferentes características em relação à presente pesquisa. Os estudos realizados

por Ortega et al. (1996) e Sousa e Foresti (1996) foram para retorno de lodo aeróbio,

proveniente de processo de lodos ativados, enquanto Gonçalves et al. (2001) verificaram o


32

efeito do retorno de lodo proveniente de biofiltros aerados submersos para reatores UASB. Já

o estudo desenvolvido por Jenícek et al. (1999) foi realizado para retorno de lodo aeróbio para

um reator anaeróbio compartimentado de fluxo ascendente. Aisse et al. (2000) estudaram o

retorno de lodo de FB para reatores UASB, entretanto, os pesquisadores não realizaram

caracterização de biomassa, avaliação da estabilidade do reator UASB ou avaliação da

composição do afluente e efluentes em termos de matéria orgânica específica.

Um maior conhecimento sobre como o retorno de lodo influencia as características da

biomassa no reator UASB é de grande importância para o tratamento anaeróbio, pois o lodo

aeróbio passará a ser estabilizado no reator UASB. Como apresentado por Gonçalves et al.

(2001), pouco se conhece sobre a produção, adensamento e digestão do lodo aeróbio no reator

UASB. Dados contraditórios são apresentados, em relação à AME para sistemas com retorno

de lodo. Enquanto Ortega et al. (1996) observaram um aumento da AME, com a realização

do retorno de lodo, Jenícek et al. (1999) observaram uma diminuição no valor desse

parâmetro. O efeito do retorno contínuo de lodo aeróbio para o reator UASB, em parâmetros

tais como a estabilidade do lodo, o IVL, o teor de polímeros extra-celulares e a distribuição

granulométrica ainda não foi avaliado por pesquisadores, permanecendo desconhecido.

A verificação da existência de alguma relação entre esses diferentes parâmetros de

caracterização do lodo anaeróbio também ainda não foi realizada. A correlação de parâmetros

tais como IVL e polímeros extra-celulares e a investigação da influência da composição

afluente nesses parâmetros de caracterização do lodo são outros fatores de caráter inovador a

serem avaliados na presente pesquisa. Os estudos já realizados correlacionando

sedimentabilidade e polímeros extra-celulares são para processos de lodos ativados (URBAIN

et al., 1983) e para reator anaeróbio, utilizado para desnitrificação e sendo alimentado com

glicose, lactato e acetato (CUERVO LOPEZ et al., 1999).

Estudos sobre as modificações na composição afluente, que poderão ocorrer com o retorno de

lodo, e de como essas modificações irão afetar a degradação de matéria orgânica específica e

as rotas de degradação anaeróbias ainda não foram realizados. Algumas pesquisas sobre

degradação de matéria orgânica específica vêm sendo realizados para águas residuárias

industriais, com concentrações elevadas de carboidratos (INANC, et al, 1999), de proteínas

(FANG & CHUNG, 1999, MERKEL & KRAUTH, 1999, McINERNEY, 1988) e lipídios

(HANAKI, et al, 1981, BECCARI, et al., 1999, GUTIERREZ et al., 1999). Destacam-se,

ainda, os trabalhos de Miron et al. (2000) para degradação anaeróbia de lodos provenientes de


33

tratamento primário, e o trabalho de Azbar et al. (2001) para diferentes tipos de substratos

(glicose, propionato, butirato, etanol e lactato), entretanto, não existem dados para o sistema

de tratamento combinado.

O efeito do retorno de lodo no perfil de decaimento de concentrações de matéria orgânica

específica e de ácidos graxos voláteis no reator UASB, em função da altura, é também um

diferencial do presente estudo. Resultados iniciais (PONTES et al., 2002) indicam a influência

da carga orgânica volumétrica e do tempo de detenção hidráulica no perfil de decaimento da

concentração de ácidos e na altura mínima necessária para a sua degradação. A presente

pesquisa permitirá uma continuidade desses estudos em relação aos ácidos, avaliando, ainda,

o decaimento das concentrações de matéria orgânica específica no reator UASB.

Essa pesquisa pretende, portanto, avaliar como o retorno de lodo afetará esses diferentes

parâmetros da digestão anaeróbia, permitindo uma melhor avaliação da performance do

sistema de tratamento e um melhor entendimento de mecanismos que influenciam a

degradação anaeróbia. Dessa forma, pretende-se contribuir para um melhor entendimento

sobre como a degradação de matéria orgânica específica, as rotas de degradação anaeróbias e

as características da biomassa estarão sendo influenciadas pelo retorno de lodo, avaliando-se,

ainda, a performance do sistema de tratamento como um todo e contribuindo para uma maior

aplicação da tecnologia de tratamento combinado de esgotos sanitários.


34

4 - MATERIAL E MÉTODOS

4.1 - Planejamento dos experimentos

Foi realizado, inicialmente, um planejamento dos experimentos para o desenvolvimento de

estudos que possibilitassem um melhor entendimento do efeito do retorno e da digestão

anaeróbia de lodo de filtro biológico percolador (FBP) em reatores UASB.

A programação dos experimentos foi realizada de maneira a se estudar, em escala piloto, o

reator UASB funcionando de maneira convencional, sem retorno de lodo, e, em seguida,

estudar o reator operando com retorno do lodo produzido no filtro biológico percolador,

verificando as modificações ocorridas em função desse retorno. Em um segundo momento,

para a avaliação da aplicabilidade do sistema de tratamento combinado compacto em escala

de demonstração, foi projetado um sistema de tratamento para uma população de 500

habitantes.

Dessa maneira, os experimentos foram programados para serem realizados em quatro fases:

• Fase 1 : escala piloto, com o reator UASB operando sem retorno de lodo do FBP

• Fase 2 : escala piloto, com o reator UASB operando com retorno de lodo do FBP

• Fase 3 : escala de demonstração, com o reator UASB operando sem retorno de lodo do

FBP

• Fase 4 : escala de demonstração, com o reator UASB operando com retorno de lodo do

FBP

Durante essas fases operacionais, o programa de monitoramento foi planejado de forma a se

avaliar:

• Eficiência do sistema reator UASB/FBP: com a realização de análises de DBO, DQO,

SST, carboidratos, proteínas e lipídios, no afluente e efluentes do sistema;

• Estabilidade do processo de digestão anaeróbia: com a amostragem em diferentes alturas

ao longo do reator UASB para a realização de análises de DQO, matéria orgânica

específica (carboidratos, proteínas e lipídios) e ácidos graxos voláteis;

• Características da biomassa no reator anaeróbio: com a realização de amostragem em

diferentes alturas ao longo do reator UASB e análises de sólidos totais e voláteis,


35

polímeros extra-celulares, distribuição granulométrica, atividade metanogênica específica,

estabilidade e índice volumétrico do lodo.

4.2 - Descrição do aparato experimental

Os experimentos de tratamento combinado de esgotos sanitários e de lodo aeróbio foram

desenvolvidos em dois sistemas reator UASB/Filtro Biológico Percolador (FBP), um em

escala piloto e outro em escala de demonstração. Os experimentos em escala piloto foram

conduzidos no Laboratório de Instalações Piloto Prof. Ysnard Machado Ennes (LIP), do

Departamento de Engenharia Sanitária e Ambiental da UFMG (DESA-UFMG), enquanto os

experimentos em escala de demonstração foram realizados na estação de tratamento

experimental, implantada junto à ETE – Arrudas, em Belo Horizonte. Essas unidades

integram o Programa de Pesquisa em Saneamento Básico (PROSAB) - Edital 3 - Tema 4.

4.2.1- Sistema em escala piloto

Conforme descrito por Nascimento (2001), o sistema reator UASB/FBP, em escala piloto,

integra o Sistema de Tratamento de Esgotos por Processos Anaeróbios e Aeróbios (STEPAA),

desenvolvido em parceria com o Laboratório de Controle de Processos Industriais (LCPI) do

Departamento de Engenharia Elétrica da UFMG. A planta pode ser operada através de um

painel local ou de um console de supervisão, operação e engenharia, constituído de um

microcomputador - PC no qual é executado o programa supervisório InTouch. O sistema foi

concebido de forma a possibilitar a operação da planta de duas maneiras: Modo Local e Modo

Remoto, sendo que o modo remoto pode ser manual ou automático.

Em Modo Remoto, o controle é realizado através do software instalado. A operação neste

modo pode ser manual, com o usuário comandando individualmente os equipamentos, ou

automático, com a planta operando com o mínimo de interferência do usuário. O aplicativo

desenvolvido no software InTouch é dividido em 20 telas, permitindo a navegação pelas

telas de operação das linhas de tratamento, tela de visualização e coleta de dados, dentre

outras opções. A Figura 4.1 mostra a tela de operação da linha 0, responsável pelo controle do

reator UASB; a Figura 4.2 mostra a tela de operação da linha 3, responsável pelo controle do

filtro biológico percolador.


36

Figura 4.1- Tela de operação da Linha 0, controle do reator UASB

Figura 4.2 - Tela de operação da Linha 3, controle do filtro biológico percolador

O sistema de automação permite o monitoramento contínuo de determinados parâmetros, tais

como: temperatura, turbidez, vazão, acionamento automático das bombas e recalque do

esgoto bruto. O software permite a operação da planta em regime hidráulico transiente,

gerando um hidrograma típico de vazões, conforme apresentado na Fig. 4.3. A equação 4.1

fornece o polinômio ajustado para a vazão variável.


37

Figura 4.3- Hidrograma típico de vazões

na qual: Q(t) = vazão no tempo t Qméd = vazão média

4.2.1.1-Alimentação do Sistema

O LIP recebe esgoto sanitário proveniente do interceptor da margem direita do ribeirão

Arrudas, em Belo Horizonte - MG, por meio de um sistema automatizado de bombeamento. O

interceptor coleta esgotos de uma área de contribuição de aproximadamente 40 km².

4.2.1.2- Configuração do sistema em escala piloto

A planta em escala piloto operou com duas configurações distintas. Na primeira configuração,

não se realizou o retorno de lodo do FBP para o reator UASB. Na segunda configuração, foi

instalado um sistema de bombeamento do lodo do FBP para o reator UASB, utilizando-se

uma bomba peristáltica (Masterflex, modelo 7521-40, com duas cabeças “easy load”,

modelo 7518-10, operando em paralelo, com rotação de 6 a 600 rpm), que passou a funcionar

no 44º dia de operação. A Fig. 4.4 representa o fluxograma geral do aparato experimental.

0,0

0,2

0,4

0,6

0,8

1,0

1,2

1,4

1,6

1,8

00:0

0

02:0

0

04:0

0

06:0

0

08:0

0

10:0

0

12:0

0

14:0

0

16:0

0

18:0

0

20:0

0

22:0

0

00:0

0

hora

vazão variável vazão média

Q(t) = Qméd x (2,257674899019214 x 10-8 x t8 – 1,767215006944928 x 10-6 x t7 + 5,116597876473766 x 10-5 x t6 – 6,28364357100304 x 10-4 x t5 + 1,87696007163563 x 10-3 x t4 + 2,233369844377985 x 10-2 x t3 – 0,1617523061772343 x t2 + 0,3327608438175243 x t + 0,449840128581591)

(4.1)


38

Figura 4.4- Configuração do sistema de tratamento

4.2.1.3-Elevatória de Esgotos

O esgoto era bombeado para o LIP por uma bomba submersível, instalada no interior do poço

de visita localizado no interceptor de esgotos. A bomba submersível, modelo ABS 300M de ½

CV, era controlada automaticamente por eletrodos de nível localizados dentro da caixa de

acumulação/distribuição. Para proteção contra material grosseiro, que pudesse provocar

danos, a bomba foi colocada dentro de uma gaiola de fibra de vidro com furos de 20 mm.

4.2.1.4-Tratamento Preliminar

O esgoto sanitário, proveniente do interceptor do ribeirão Arrudas, passava por um sistema de

tratamento preliminar, composto de cesto coletor e caixa de areia, sendo, depois,

encaminhado a um tanque de acumulação/distribuição, onde ficavam instalados os eletrodos

de nível para controle automático da elevatória de esgotos. A Tabela 4.1 fornece as

características das unidades que compõem o tratamento preliminar e as Figuras 4.5 e 4.6

ilustram o sistema de tratamento preliminar.

3

8

efluentetratado

Sentido de fluxo

Retorno de lodo

1

2

3

7

afluenteesgoto bruto

1 – Interceptor/elevatória esgoto (bomba submersível)2 – Tratamento preliminar (cesto coletor, desarenador, calha Parshall, cx distribuição)3 – Bomba peristáltica4 – Reator UASB5 – Pontos de amostragem de lodo6 – Cx de passagem com agitador magnético7 – Filtro Biológico Percolador8 – Decantador externo

4

3

6

5


39

Tabela 4.1 - Características das unidades que compõem o tratamento preliminar Unidade Características

Cesto coletor de material grosseiro Diâmetro: 20 cm Altura: 25 cm com furos laterais de 16 mm

Caixa de areia

Largura: 10 cm Altura: 26 cm Comprimento: 75 cm Compartimentada em 3 câmaras, com registros de esfera de ¾”

Calha Parshall Garganta: W = 1”

Caixa de acumulação/distribuição

Largura: 60 cm Altura: 60 cm Comprimento: 100 cm Equipada com eletrodos de controle de nível

Figura 4.5- Gradeamento, caixa de areia , calha Parshall

Caixa de areia

Calha Parshall

Cesto Coletor


40

Figura 4.6 - Caixa de acumulação / distribuição

4.2.1.5 -Reator UASB

As características principais do reator UASB são apresentadas nas Tabela 4.2, enquanto a

Figura 4.7 ilustra o reator UASB em escala piloto.

Tabela 4.2 - Características principais do reator UASB piloto Característica Reator UASB

Compartimento de

digestão Separador trifásico Total

Material acrílico resina poliéster e

fibra de vidro -

Diâmetro interno (mm) 300 300 a 610 -

Altura (m) 3,20 1,00 4,20

Volume útil (L) 224 176 400

Área superficial (m2) 0,071 0,071 a 0,292 -

Pontos de amostragem de lodo

13 1 14


41

Desenho esquemático Vista do reator

Figura 4.7 - Reator UASB piloto

Depois do tratamento preliminar, o esgoto bruto era bombeado para alimentação do reator

UASB, por meio de uma bomba peristáltica (Masterflex, modelo 7521-40, com duas cabeças

“easy load”, modelo 7518-10, operando em paralelo, com rotação de 6 a 600 rpm).

O reator UASB era constituído de compartimento de digestão (1) e separador trifásico (2). No

compartimento de digestão estavam distribuídos 13 registros de esfera, em PVC, com

diâmetro de ¾” espaçados a cada 25 cm. Estes registros possibilitavam a amostragem do lodo

para verificação do perfil de sólidos ao longo de compartimento de digestão. No separador

trifásico ocorria a separação dos sólidos, gases e efluente. Os sólidos sedimentados

retornavam ao compartimento de digestão, os gases coletados eram encaminhados a um

medidor de gases (Ritter, Tipo TG-05, capacidade de 1 a 60 L.h-1) e o efluente era

encaminhado para a caixa de passagem, onde ocorria a distribuição para as demais unidades

de pós-tratamento da planta.

4.2.1.6- Filtro Biológico Percolador – FBP

O efluente do reator UASB era encaminhado, por gravidade, para o filtro biológico

percolador. O filtro biológico percolador era constituído de dispositivo de distribuição do

afluente, compartimento de reação, fundo falso e decantador. As características principais do

1 - compartimento de digestão

2- separador trifásico


42

filtro biológico percolador são apresentadas na Tabela 4.3, enquanto a Figura 4.8 ilustra o

FBP e o sistema UASB/FBP piloto.

Tabela 4.3- Características principais do Filtro Biológico Percolador piloto

Reação Fundo falso Decantação

(interno) Decantação (externo)

Material polipropileno polipropileno polipropileno polipropileno

Diâmetro interno (mm) 300 300 300 300

Altura do leito percolador (m) 1,9 - - -

Altura total (m) 2,0 0,20 0,20 1,05

Volume útil (L) 60,00 - 10,50 60,00

Área superficial (m2) 0,071 - 0,071 0,071

Orifícios de ventilação - 38 (∅ ½”) - -

Desenho esquemático Vista do sistema

Figura 4.8- Sistema UASB/FBP em escala piloto

O dispositivo de distribuição do afluente no FBP (1) consistia de um bico aspersor, com

orifício de 5 mm de diâmetro, acoplado a mangueira de alimentação no topo do filtro e

afastado do leito percolador de 10 cm, aproximadamente.

O compartimento de reação (Leito Percolador) do filtro biológico percolador (2) apresentava

altura de 1,9 m e diâmetro igual a 300 mm, tendo sido preenchido com escória de alto forno,

classificadas segundo o tamanho de 4 a 6 cm. O fundo falso (3) era constituído de uma placa

perfurada, com diâmetro de 300 mm e orifícios de ½” espaçados a cada 30 mm. Tinha a

função de suportar o leito de escória, permitir a drenagem do liquido percolado e a ventilação

Característica Filtro Biológico Percolador (compartimentos)

1- Distribuição do afluente

2 - Compartimento de reação do FBP

3- Fundo falso

4- Decantador


43

do meio suporte com a passagem de ar pela base do filtro. As laterais do fundo falso, com

altura de 20 cm e diâmetro igual a 300 mm eram vazadas, com dois conjuntos de orifícios de

½”, paralelos e espaçados de 50 mm na horizontal, ao longo de todo o perímetro, totalizando

uma área de abertura para a passagem do ar de aproximadamente 0,005 m².

O decantador externo do FBP (4) possuía uma seção inferior, cônica, com altura de 25 cm,

diâmetro de 300 mm e volume de 5 L; e outra superior, cilíndrica, com altura de 1,9 m,

diâmetro de 300 mm e volume de 55 L, perfazendo uma área superficial de 0,071 m² e

volume de 106 L. Para alimentação do decantador externo, o efluente do compartimento de

reação do FBP era coletado em sua parte inferior e bombeado por meio de uma bomba

peristáltica (Masterflex, modelo 7521-40, com uma cabeça “easy load”, com rotação de 6 a

600 rpm). O decantador externo possuía registro de fundo para descarte do lodo, anteparo de

retenção de escuma e conexão para saída do efluente.

O efluente do reator UASB era bombeado e distribuído no topo do filtro biológico percolador,

segundo o hidrograma que confere vazões variáveis ao longo do dia. O esgoto tinha, então,

um fluxo descendente através do compartimento de reação que continha o meio suporte

(escória de alto forno) e era coletado, finalmente, no compartimento de decantação. No

decantador, os sólidos desgarrados do biofilme, ou não retidos no meio suporte pelos

mecanismos de filtração e adsorção, eram removidos do efluente final que saía pela parte

superior do decantador. O efluente do decantador era dirigido a uma caixa de passagem, onde

era mantido continuamente misturado para evitar sedimentação de sólidos, e então parte era

bombeada para coleta de amostras.

4.2.1.7- Linha de recirculação de lodo

Para a realização do retorno de lodo, foi implantada uma linha de recirculação de lodo, sendo

o lodo bombeado para a caixa de distribuição por meio de uma bomba peristáltica

(Masterflex, modelo 7521-40, com uma cabeça “easy load”, com rotação de 6 a 600 rpm) e

introduzido no reator UASB, juntamente com o esgoto bruto afluente.

Para o retorno do lodo, programou-se um sistema de bombeamento semi-contínuo, que

operava durante 80 segundos, a cada hora, com um vazão de 0,5 L.h-1, que equivale a 0,7% da

vazão de esgoto bruto introduzida no reator UASB (74 L.h-1).


44

4.2.2- Sistema em escala de demonstração

Para o sistema em escala de demonstração, foi projetada uma unidade compacta, para uma

vazão média de 75 m3. dia-1, composta por um reator UASB, na parte interna da unidade,

acoplado a um filtro biológico percolador na parte externa. Essa unidade foi implantada junto

à ETE Arrudas (estação de tratamento de esgotos da COPASA-MG), localizada no distrito de

Marzagânia, na divisa dos municípios de Sabará e Belo Horizonte.

4.2.2.1-Tratamento Preliminar

O tratamento preliminar da ETE Arrudas era composto por gradeamento grosseiro, com

espaçamento entre as barras de 10 cm, e gradeamento fino, com espaçamento de 1,3 cm. A

limpeza das grades grossas era realizada manualmente, enquanto as grades finas possuíam

limpeza mecanizada. O tratamento preliminar era constituído, também, por 3 desarenadores,

com 12 m de largura e 1,70 m de profundidade, perfazendo uma área total de 432 m².

O sistema de tratamento preliminar retirava um total diário, aproximado, de 10 toneladas de

resíduos, que eram dispostos em aterro sanitário localizado dentro da própria área da estação.

Apenas dois desarenadores estavam em funcionamento, uma vez que a estação ainda não

atingiu sua vazão de projeto. A Figura 4.9 mostra uma vista aérea do tratamento preliminar da

ETE Arrudas.

Figura 4.9 - Vista aérea do tratamento preliminar da ETE Arrudas, fonte COPASA/MG

O efluente do tratamento preliminar era encaminhado aos decantadores primários, do sistema

de tratamento da ETE Arrudas, através de um emissário com 2,5 km de extensão, sendo uma


45

parte em sifão invertido de 1,4 km de comprimento e diâmetro de 1,9 m. Uma pequena

parcela desse efluente era retirada na saída do emissário do sifão invertido e enviada para o

reator UASB em escala de demonstração.

4.2.2.2 - Sistema reator UASB/FBP

O sistema foi alimentado através do bombeamento do esgoto bruto da saída do sifão invertido

para o canal de entrada dos decantadores primários da ETE Arrudas, sendo que a tubulação de

desvio para o reator UASB percorria paralelamente todo o canal de entrada dos decantadores,

de aproximadamente 110 m de comprimento e 220 mm de diâmetro.

Para alimentação do sistema, foi utilizada uma bomba de deslocamento contínuo, modelo:

NM0385Y01L06B, da marca NETSCH, com inversor de frequência de modelo CFW 07 -

10A, com saída de 0 a 300Hz, da marca WEG.

As principais características do sistema reator UASB/FBP em escala de demonstração são

apresentadas na Tabela 4.4.

Tabela 4.4 - Características do sistema em escala de demonstração Sistema em escala de demonstração

Filtro biológico Característica Reator UASB Compartimento

de reação Compartimento de decantação

Material Fibra de vidro Fibra de vidro Fibra de vidro Diâmetro externo (m) 2,51 4,1 4,1 Diâmetro interno (m) 2,5 2,51 2,51 Altura total (m) 4,5 1,9 1,75 Volume útil (m3) 22 11,5 7,25 Área superficial (m2) 4,9 7,6 7,6

A configuração do sistema em escala de demonstração é apresentada na Figura 4.10 e no

Anexo I ( Figura A1-1 ) e a unidade de tratamento é apresenta na Figura 4.11.


46

Figura 4.10 - Corte esquemático da unidade compacta de tratamento de águas residuárias

Figura 4.11 - Vista da unidade em escala industrial com capacidade para atender a 500 habitantes e detalhes da base do filtro (a) e do efluente final (b)

No sistema em escala de demonstração, a entrada do esgoto no sistema se dava pela parte

inferior do reator UASB (1), que era dividido em três câmaras internas, seguindo um fluxo

ascendente dentro do mesmo. Um dispositivo trifásico (2) de separação de sólidos, líquidos e

Legenda

1 Tubo de distribuição do esgoto bruto 2 Separador trifásico 3 Compartimento de decantação 4 Canaletas de coleta do efluente

no FBP 5 Canaletas de distribuição do

efluente no FBP 6 Meio suporte (escória de alto-

forno) 7 Decantadores lamelares 8 Caixa de coleta do efluente do

FBP 9 Caixa de acumulação de lodo do

FBP 10 Bomba para retorno do lodo do

FBP

(a)

(b)


47

gases se localizava na parte superior do reator e garantia a separação do gás contido na

mistura líquida (3). No decantador, o lodo mais pesado era removido da massa líquida

retornando ao compartimento de digestão (4), enquanto as partículas mais leves deixavam o

reator junto com o efluente. O efluente deixava o reator por meio de canaletas localizadas na

parte superior do decantador (5).

O efluente do reator UASB era distribuído, uniformemente, na parte superior do FBP (5), que

se subdividia em 3 filtros ao redor do reator UASB, sendo que o fluxo de esgotos passava a

ter uma trajetória descendente. O FBP era dividido em dois compartimentos, um de reação

(6), na parte superior, onde se encontrava o meio suporte, e um inferior, de decantação (7),

onde a biomassa e os sólidos que se desgarravam do meio suporte ficavam retidos.

O compartimento de reação (6) consistia de um tanque preenchido com escória de alto forno,

sobre a qual os esgotos eram aplicados. Após a aplicação, os esgotos percolavam em direção

ao fundo, através do meio suporte, permitindo o crescimento bacteriano na superfície do

material de enchimento. O fundo do compartimento de reação era vazado, de maneira a

permitir a passagem do líquido e possibilitando a ventilação do filtro, necessária para manter

as condições aeróbias e o efetivo tratamento dos despejos pela via aeróbia. O FBP possuía

aproximadamente 2.310 orifícios de ventilação com 3cm de diâmetro, totalizando uma área

total de 1,60m² equivalente a 20% da área superficial do filtro.

Após passar pelo meio suporte e ser drenado no fundo do FBP, o líquido era encaminhado a

um decantador lamelar (7), localizado na parte inferior do filtro. O efluente de cada FBP era

enviado para 4 decantadores. Os decantadores lamelares possuíam um conjunto de 5 placas

em fibra inclinadas de 600 em relação a horizontal e espaçadas de 5 cm uma das outras. O

volume total de cada decantador era de 440L, sendo que havia um volume máximo de 200L

abaixo do conjunto de placas inclinadas, para o acúmulo de lodo. A canaleta interna de coleta

do efluente decantado apresentava 10 cm de largura e 15 cm de altura. Esta canaleta tinha 4

vertedores triangulares de 600, dentro de cada decantador. Para cada conjunto de 4

decantadores, existia um vertedor principal que descarregava sua vazão na canaleta externa

de coleta do efluente final.

Os sólidos que desprendem do biofilme, ou não retidos no meio suporte pelos mecanismos de

filtração e adsorsão, sedimentavam no fundo do decantador, sendo removidos do efluente

final, que era finalmente coletado pela parte superior do decantador (8). O lodo (9)


48

sedimentado no fundo do decantador era retornado para o reator UASB, possibilitando a

adoção de um sistema único de digestão do lodo aeróbio e anaeróbio.

4.2.2.3- Linha de recirculação de lodo

A recirculação de lodo para o reator UASB era realizada a partir de uma bomba rotativa de

deslocamento contínuo (Marca: Netsch; Tipo: NEMO; modelo: NM015SY01L06B; motor:

0,75 HP), operada de forma intermitente ao longo do dia. Para essa bomba, utilizou-se um

inversor de frequência da marca DANFOSS, modelo VLT MICRO: 176F7301 – 5,0 A e

saída de 0,1 a 400 Hz. A tubulação de retorno de lodo aeróbio para o sistema foi construída

com tubo de PVC soldável e com diâmetro de 40mm.

Para o retorno do lodo, programou-se um sistema de bombeamento semi-contínuo que

operava durante 15 minutos, a cada hora, com um vazão de 800 L.d-1, durante 5 dias da

semana, que equivale a 1,2% da vazão de esgoto bruto introduzida no reator UASB (69

m3.d-1).

4.3 - Fases da pesquisa

O trabalho foi desenvolvido em 4 fases principais, conforme apresentado na Tabela 4.5.

Tabela 4.5 - Fases operacionais Fase Característica Duração

(dias) θh no reator UASB

(h)

Taxa de aplicação superficial no FBP

(m3.m-2. dia-1)

1 Escala piloto/sem retorno de lodo 131 5,6 25 2 Escala piloto/com retorno de lodo 274 5,6 25 3 Escala de demonstração/sem retorno de

lodo 38 7,7 13,6

4 Escala de demonstração/com retorno de lodo

136 7,7 13,6

O reator UASB em escala piloto já vinha sendo operado há aproximadamente 7 anos,

conseqüentemente, já adaptado ao esgoto sanitário em tratamento. Durante a primeira fase da

pesquisa, procurou-se avaliar a performance do sistema de tratamento operando sem retorno

de lodo para o reator UASB. O tempo de detenção hidráulica médio (θh ) utilizado para o

reator UASB foi de 5,6 horas e a vazão do esgoto bruto foi de 74 L.h-1.


49

Na segunda fase da pesquisa, foi avaliado o efeito do retorno do lodo do filtro biológico

percolador para o reator UASB e, para comparação com a primeira fase da pesquisa, as

demais condições operacionais não foram alteradas.

Durante a terceira e a quarta fase, a performance do sistema de retorno de lodo foi testada em

escala de demonstração para uma vazão de esgoto bruto de 69 m3.d-1, avaliando-se, ainda, a

rotina de descarte e recirculação de lodo no reator UASB. Para o sistema em escala de

demonstração, foram utilizadas taxas de aplicação superficial no FBP inferiores às do sistema

em escala piloto, uma vez que o FBP em escala de demonstração foi projetado e construído

para se possibilitar a recicirculação de até 100% do efluente final. Com isso, as taxas de

aplicação foram mais baixas, uma vez que a recirculação do efluente não foi praticada.

4.4- Monitoramento do sistema de tratamento

4.4.1- Parâmetros físico-químicos de rotina

4.4.1.1- Amostragem

O programa de monitoramento foi realizado através de amostragens compostas para o esgoto

afluente ao reator UASB e para os efluentes do reator UASB e do FBP. No sistema em escala

piloto, foram utilizadas bombas peristálticas (Masterflex, modelo 7521-50 de 1 a 100 rpm,

com quatro cabeças, modelo 7518-00) para a coleta de amostras. A amostragem também foi

realizada de acordo com o hidrograma típico de vazões, possibilitando a coleta de amostras

compostas, proporcionais às vazões afluentes ao sistema de tratamento, em um período de 24

horas.

O início e o término da coleta foram realizados sempre no horário da manhã, entre 8:00 e 9:00

horas. O esgoto bombeado era coletado em recipientes (bombonas de plástico), que ficavam

dentro de caixas de isopor com gelo, para refrigerar e preservar a amostra composta, durante o

período de 24 horas. A Figura 4.12 mostra a bancada de instalação das bombas peristálticas de

alimentação das linhas de tratamento e de coleta das amostras, bem como o detalhe dos

recipientes coletores (bombonas).


50

Figura 4.12- Detalhe do Conjunto de bombas peristálticas e do aparato de amostragem no

sistema em escala piloto

No sistema em escala de demonstração, foram utilizados amostradores automáticos ISCO

3700, modelo: 603704001, para a coleta de amostras compostas. Os amostradores

armazenavam as amostras em 24 frascos de um litro, compreendendo uma coleta para cada

hora do dia (Figura 4.13). Após a coleta, as amostras dos 24 frascos eram misturadas para a

obtenção da amostra composta para a análise.

Figura 4.13- Detalhe do amostrador automático no sistema em escala de demonstração

No final da coleta, as amostras armazenadas nas bombonas (volume total amostrado de cerca

de 20 litros) e nos amostradores automáticos eram homogeneizadas e transferidas para frascos

de 1 litro, de vidro e plástico, sendo então transportadas para o laboratório de análises físico-

químicas do DESA-UFMG.

bombaperistáltic

recipientes

Recipientes de coleta

Bomba peristáltica


51

4.4.1.2 - Análises

O programa de monitoramento incluiu análises físico-químicas (alcalinidade, acidez, DQO

total e filtrada, DBO5 total e filtrada, sólidos em suspensão totais e voláteis, amônia, NTK,

nitrato, fósforo) do afluente ao reator UASB (esgoto bruto) e dos efluentes do reator UASB e

do FBP. Algumas análises eram realizadas in loco, através de aparelhos portáteis e/ou pelo

sistema de automação. As análises físico-químicas de rotina foram realizadas conforme o

Standard Methods for Examination of Water and Wastewater (AWWA/APHA/WEF, 1998).

Os parâmetros físico-químicos eram analisados 2 vezes por semana, com exceção das análises

de DBO5, NTK e N-NH3 que eram realizadas uma vez por semana. A Tabela 4.6 apresenta o

programa de monitoramento e a frequência das análises.

Tabela 4.6 - Programa de monitoramento para as análises de rotina do sistema UASB/FBP

Parâmetro reator UASB FBP

Afluente Reator Efluente Reator Efluente

pH 3/semana - 3/semana - 3/semana

Alcalinidade e Ácidos Voláteis 2/semana - 2/semana - 2/semana

Temperatura 3/semana - 3/semana - 3/semana

DBO bruta 1/semana - 1/semana - 1/semana

DBO filtrada 1/semana - 1/semana - 1/semana

DQO bruta 2/semana - 2/semana - 2/semana

DQO filtrada 2/semana - 2/semana - 2/semana

Sólidos Suspensos 2/semana - 2/semana - 2/semana

Sol. Suspensos Voláteis 2/semana - 2/semana - 2/semana

N-NTK e N-NH3 1/semana - 1/semana - 1/semana

4.4.2- Determinação de matéria orgânica específica e ácidos graxos voláteis (AGV)

4.4.2.1 - Amostragem

Para a avaliação do efeito do retorno de lodo na eficiência do sistema de tratamento, em

relação à degradação de matéria orgânica específica, eram realizadas amostragens compostas

para a análise de carboidratos, proteínas, lipídios e ácidos graxos voláteis para o esgoto bruto,

efluentes do reator UASB e do FBP, conforme descrito para os parâmetros físico-químicos de

rotina.

Para avaliação das rotas de degradação anaeróbias e do perfil de decaimento das

concentrações de carboidratos, proteínas, lipídios e AGV no reator UASB, foram realizadas

amostragens em diferentes alturas ao longo do reator em escala piloto (0, 25, 125 e 225 cm de


52

altura). A coleta de amostras era realizada sempre no período da manhã entre 8:00 e 9:00

horas. Os pontos de amostragem são apresentados na Figura 4.14.

Figura 4.14 - Desenho esquemático do reator UASB instalado no Laboratório de Instalações Piloto com os pontos de amostragem

O procedimento de amostragem consistiu de:

• Abertura da torneira de amostragem, com descarte de 250 mL de lodo, para evitar a coleta

de lodo retido nas torneiras.

• Coleta de aproximadamente 500mL de lodo;

• Sedimentação e centrifução do lodo, para separação da fração sobrenadante;

• Filtração a vácuo da fração sobrenadante, com filtro Whatman GFC ou equivalente;

• Análise do material filtrado.

As análises de matéria orgânica específica e de AGV eram realizadas uma vez por semana,

para os pontos de amostragem no reator UASB em escala piloto.

4.4.2.2 Carboidratos

As análises de carboidratos totais e solúveis foram realizadas pelo método do fenol e ácido

sulfúrico, baseado na metodologia descrita por Dubois et al. (1956). A adição dos reagentes

(fenol e ácido sulfúrico) a amostras que contenham carboidratos resulta em uma cor laranja. A

absorbância é lida a 488 nm, no espectrofotômetro Espectrofotômetro Hach DR2000. Essa

T1=0 cm

T2=25 cm

T6=125 cm

T10=225 cm

�

Entrada de ef luente

Saída de ef luente

Saída de biogás

P ontos deamostragem

DQO efl. (kgDQOefl./d)

DQO afl.(kgDQOafl./d)

Produção deCH4

(kgDQOCH4/d)

Produçãode lodo(kgDQOlodo/d)

PA10=225 cm PA6=125 cm

PA2= 25cm

PA1=0cm


53

metodologia é apresentada por Gadelha e Blundi (2001), para a análise de águas residuárias.

O método é rápido e simples, sendo a cor produzida estável por horas.

A concentração de carboidratos presentes nas amostras foi determinada através de uma curva

padrão previamente construída para a lactose. A determinação dos carboidratos era realizada

em triplicata, sendo considerado para cálculo da concentração de carboidratos, a absorbância

média. Todos os procedimentos realizados para as amostras foram realizados para um branco,

para o qual se utiliza água destilada.

Os procedimentos da análise de carboidratos são apresentados a seguir:

• Adição de 0,5 ml da amostra, 0,5 ml de solução de fenol a 5% e 2,5 ml de H2SO4

concentrado em um tubo de ensaio (Anexo I - Figura A.1.2). O ácido deve ser adicionado

rapidamente, com jato direcionado para a superfície do líquido, de modo a se obter uma

boa mistura;

• Manutenção do tubos de ensaio em repouso por 10 minutos (Anexo I - Figura A1.3) e, em

seguida, incubação dos tubos em um banho de água com temperatura entre 25 e 30 0C, por

15 minutos (Anexo I - Figura A1.4);

• Leitura da absorbância em espectrofotômetro HACH DR2000 a 488 nm (Anexo I - Figura

A1.5).

4.4.2.3 - Proteínas

As análises de proteínas eram realizadas pelo Método Kjeldahl para a determinação do teor

total de proteínas, de acordo com o Standard Methods for Examination of Water and

Wastewater (AWWA/APHA/WEF, 1998), e pelo método de Lowry (LOWRY et al., 1951)

para a determinação de proteínas solúveis. A aplicabilidade do método de Lowry em águas

residuárias, para a determinação de proteína solúvel, foi estudada por Raunkjaer et al. (1994)

e para o presente estudo foi verificada a aplicabilidade do método para as amostras de águas

residuárias, efluentes de reatores aeróbios e anaeróbios utilizadas na pesquisa, sendo os

resultados obtidos apresentados por Pontes et al. (2001).

O método de Lowry se baseia na reação do cobre com a proteína, em meio alcalino, e pela

posterior redução do reagente de fosfomolibdato-fosfotungstenato no reagente Folin-

ciocalteau. Quando o reagente Folin-ciocalteau é adicionado, na amostra contendo proteínas e

previamente tratada com o cobre, ocorre a redução desse reagente, resultando em uma cor

mais intensa, com absorção máxima em 550nm.


54

A concentração de proteínas foi determinada através de uma curva padrão previamente

construída para a soro albumina bovina e a análise era realizada em triplicata, sendo

considerado para cálculo da concentração de proteínas, a absorbância média. Todos os

procedimetos realizados para as amostras foram efetuados também para um branco, utilizando

0,5 mL de água destilada.

Os procedimentos da análise são apresentados a seguir:

• Adição de 0,5 mL de amostra e 5 mL de solução “D” em tubos de ensaio (Anexo I-

Figura A1.6) e agitação dos tubos;

• Incubação dos tubos por 10 minutos, na temperatura ambiente, e acréscimo de 0,5mL do

reagente Folin 1N (Anexo I- Figura A1.7). O reagente Folin é preparado pela diluição do

reagente Folin - ciocalteau na proporção de 1:2, com água deionizada;

• Agitação dos tubos e, em seguida, incubação por 30 minutos, na temperatura ambiente;

• Leitura da absorbância em espectrofotômetro HACH DR2000 a 550 nm.

A solução “D” era preparada a partir da mistura de:

• 98mL da solução A: 20g de carbonato de sódio e 4 g de hidróxido de sódio em 1000mL

de água destilada

• 1mL da solução B: 1g de sulfato de cobre pentahidratado em 100mL de água destilda

• 1mL da solução C: 2g de tartarato de sódio e potássio em 100mL de água

4.4.2.4 - Lipídios

As análises de lipídios totais e filtrados eram realizadas pelo método da sulfofosfovanilina

(POSTMA e STROES, 1968), descrito por Blundi e Gadelha, (2001) para a análise em águas

residuárias. O método consiste na adição de ácido sulfúrico concentrado, ácido fosfórico

concentrado e solução de vanilina, os quais em presença de lipídio, resultam em uma cor rosa.

A absorbância é lida a 537 nm em espectrofotômetro Espectrofotômetro HACH DR2000. A

concentração de lipídios presentes nas amostras foi determinada através de uma curva padrão

previamente construída para o óleo de soja Soya.

Para a realização deste ensaio é necessário verificar se a amostra apresenta-se dentro da faixa

de sensibilidade. Pode-se encontrar amostras dentro da faixa de sensibilidade normal e

amostras fora da faixa de sensibilidade normal (que devem ser concentradas antes da análise).

Para as amostras de esgoto e efluentes analisadas, foi necessário realizar a concentração das

amostras antes da análise, devido às baixas concentrações de lipídios presentes. A


55

concentração das amostras foi realizada através do aquecimento de um volume de amostra,

que variou entre 50 e 200 mL, em um banho-maria a 100 0C (Anexo I- Figura A1.8), levando

a amostra a resíduo sólido contendo lipídios (Anexo I- Figura A1.9).

Os procedimentos da análise de lipídios, após a concentração das amostras, são apresentados a

seguir:

• Adição de 0,1mL de água destilada e 2,0 ml de H2SO4 concentrado ao resíduo sólido

(Anexo I- Figura A1.10) e aquecimento da amostra por 10 minutos em um banho de água

em ebulição;

• Medida de um volume de 0,1 ml desse material e transferência para tubos de ensaio,

seguido da adição de 2,0 ml de H3PO4 e de 0,5 da solução de vanilina (Anexo I- Figura

A1.11).

• Agitação dos tubos de ensaio e incubação em um banho de água a 37 0C por 15 minutos

(Anexo I- Figura A1.12).

• Leitura da absorbância a 537 nm, dentro de um prazo de 10 minutos, contra o teste em

branco (Anexo I- Figura A1.13).

Para o teste em branco, utilizou-se um tubo de ensaio contendo 0,1 ml de água destilada e 2,0

ml de ácido sulfúrico, aquecendo de maneira análoga às amostras (em um banho de água em

ebulição, por 10 minutos). Após o banho de água em ebulição, pipetava-se 0,1 ml desse

material que era transferido para tubos de ensaio, e os procedimentos utilizados para as

amostras eram repetidos para o teste em branco.

4.4.2.5 - Ácidos graxos voláteis

As análises de ácidos graxos voláteis (ácido acético, propiônico, butírico, iso-butírico,

valérico e iso-valérico) eram realizadas por cromatografia gasosa, em cromatógrafo Perkin-

Elmer XL GL, equipado com detector de ionização de chama (FID). As principais

características operacionais do equipamento foram:

• Coluna capilar do tipo OV 351 - Ácido nitroteraphtálico com polietilenoglicol modificado

• Gás de arraste: hidrogênio

• Temperaturas:

- Injetor e o detector: 250oC

- Forno: 70 oC (2 min) – 180oC (5 min); 5oC/min


56

• Volume injetado: 5 µL

• Razão de divisão: 1/100

• Fluxo do gás de arraste: 1mL/minuto

Os procedimentos de tratamento da amostra consistiam em uma adaptação da metodologia de

extração desenvolvida por Moraes et al. (2001), que utiliza éter etílico no processo de

extração. A metodologia foi adaptada para uso em cromatógrafos com amostrador automático.

As principais modificações da metodologia desenvolvida por Moraes et al. (2001) foram em

relação ao solvente utilizado na extração, volumes das amostras, e dos reagentes utilizados e

uso do ultra-som durante a extração. Nessa metodologia, utilizou-se cloreto de sódio, ácido

sulfúrico e metil tert-butil éter no processo de extração. Maiores detalhes do uso da

metodologia e os resultados obtidos são apresentados por Afonso et al. (2001). Os

procedimentos para a análise são descritos a seguir:

• Medida de 15 mL de amostra e transfência do volume pipetado para tubos de ensaio de 20

mL;

• Adição de 5g de cloreto de sódio, 0,4mL de solução de ácido sulfúrico 1 M, 50µL de

ácido crotônico e 2 mL de metil tert-butil éter (MTBE) aos tubos de ensaio e agitação

manual por 1 minuto (Anexo I- Figura A1.14);

• Manutenção dos tubos de ensaio em um banho de ultra-som (Anexo I- Figura A1.15), por

5 minutos (ou até total separação das fases), e separação da fração orgânica, transferido-a

para o frasco do amostrador automático programado para a injeção de 5 µL de amostra no

cromatógrafo (Anexo I- Figura A1.16 e A1.17).

Para quantificação dos ácidos, utilizou-se o método do padrão interno, introduzindo-se ácido

crotônico, durante a preparação das amostras, e comparando-se os fatores de resposta de cada

ácido com o ácido crotônico. As equações das curvas de calibração para soluções padrão de

ácidos graxos voláteis e o cromatograma são apresentadas no Anexo I (Tabela A1.1 e Figura

A1.18).

4.4.2.6 - Cálculo da DQO equivalente

A partir dos resultados obtidos, foi realizado o cálculo da DQOequivalente de ácido acético,

carboidratos, proteínas e lipídios nas amostras. Os fatores de equivalência utilizados para se

obter uma estimativa da DQOequivalente a partir das análises de ácido acético, carboidratos,


57

proteínas e lipídios das amostras foram de 1,0 mg DQO/mg ácido acético, 1,1 mg DQO/mg

carboidratos, 1,5 mg DQO/mg proteínas e 2,9 mg DQO/mg lipídios (MIRON et al., 2000).

Esses fatores foram testados, ainda, através da determinação da DQO de soluções padrão de

ácido acético, de um carboidrato (lactose), de uma proteína (caseína) e de um lipídio (óleo de

soja) e os mesmos fatores citados na literatura foram obtidos.

4.4.3-Caracterização da biomassa no reator UASB

Complementarmente, foram avaliadas as principais características do lodo produzido no

reator UASB: atividade metanogênica específica, estabilidade do lodo, índice volumétrico do

lodo, distribuição granulométrica e polímeros extra-celulares, bem como, o perfil de sólidos

ao longo do reator.

A caracterização do lodo foi realizada uma vez por semana para diferentes alturas ao longo do

reator UASB em escala piloto (Figura 4.14) e em escala de demonstração (Figura 4.15). Os

pontos de amostragem do reator UASB em escala de demonstração localizavam-se nas alturas

de 20, 50, 120, 170 e 220 cm , nas três câmaras internas do reator (câmaras A, B e C).

Figura 4.15- Pontos de amostragem de lodo no reator UASB em escala de demonstração


Os pontos de amostragem para a análise de IVL, ST, SSV e granulometria do lodo foram

aqueles localizados a 25 e 125 cm de altura no sistema em escala piloto, enquanto para o

sistema em escala de demonstração, os pontos de amostragem foram a 20 e 120 cm de altura

na câmara A do reator (Pontos de amostragem 1A e 3A, respectivamente). Para os parâmetros

de atividade metanogênica específica e estabilidade do lodo foram realizadas análises para as


58

alturas de 25 cm no sistema em escala piloto e 20 cm no sistema em escala de demonstração

(câmara A). Essas análises foram realizadas a cada quinze dias para cada sistema de

tratamento.

O procedimento de amostragem consistiu de:

• Abertura da torneira de amostragem, com descarte de 250 mL de lodo, para evitar a coleta

de lodo retido nas torneiras.

• Coleta de, aproximadamente, 500mL de lodo, para a realização de análises e de 1000mL

para a determinação do IVL.

4.4.3.2 - Polímeros extra-celulares

Dentre os métodos de extração de polímeros extra-celulares apresentados na literatura, optou-

se pelo uso do método do vapor, descrito por Zhang et al. (1999), que apresentava maior

rendimento para a extração de proteínas em relação aos outros métodos, sendo também

adequado para a análise de lipídios e carboidratos. Os procedimentos do método de extração

com vapor, descrito por Zhang et al. (1999) foram realizados nas seguintes etapas:

• Lavagem do lodo, com adição de água deionizada em 2 g de lodo, seguido da agitação e

centrifugação da amostra a 3500 rpm;

• Separação da água de lavagem (Fração 1);

• Adição de 25 mL de água deionizada ao lodo centrifugado e agitação por 1 minuto em um

vortex (Fração 2). Mistura das duas frações obtidas e manutenção da amostra obtida em

um banho de vapor a 80o C, por 10 minutos;

• Centrifugação da amostra a 4000 rpm (Anexo I- Figuras A1.19 e A1.20) e separação do

sobrenadante;

• Filtração do sobrenadante e análise do teor de carboidratos, proteínas e lipídios.

4.4.3.2 - Distribuição Granulométrica

A determinação da distribuição granulométrica foi realizada de acordo com metodologia

descrita por Laguna et al. (1999). Determinava-se a variação na distribuição granulométrica

do lodo para diferentes alturas do reator, através da determinação da fração de sólidos retida

em peneiras de 2,38, 0,71 e 0,297 mm.


59

O procedimento para a determinação da distribuição granulométrica do lodo é apresentado a

seguir:

• Determinação do teor de sólidos na amostra coletada e medida de 25mL da amostra de

lodo em uma proveta;

• Adição do volume medido a uma sequência de peneiras de 2,38, 0,71 e 0,297 mm (Anexo

I- Figura A1.21);

• Adição de água de torneira nas peneiras para lavagem do lodo, até completa remoção do

excesso de material retido nas peneiras (Anexo I- Figura A1.22);

• Inversão da peneira e realização de uma contra lavagem, com coleta do lodo que havia

sido retido nas peneiras (Anexo I- Figura A1.23);

• Determinação do volume total da amostra diluída durante a contra-lavagem de maneira a

se calcular o grau de diluição das amostras (Anexo I- Figura A1.24);

• Determinação do teor de sólidos das amostras coletadas na contra-lavagem.

A determinação da porcentagem de grânulos retidos nas peneiras era realizada a partir do

cálculo da massa retida em cada peneira e da massa total de sólidos no lodo, determinada

inicialmente.

4.4.3.3 - Índice volumétrico do lodo

O índice volumétrico do lodo foi determinado para se avaliar as modificações na

sedimentabilidade do lodo em função do retorno de lodo, de acordo com metodologia descrita

no Standard Methods for Examination of Water and Wastewater (AWWA/APHA/WEF,

1998).

O procedimento para a determinação do IVL consistiu nas seguintas etapas:

• Homogeneização da amostra, transferindo-se de um béquer para a proveta com agitação

para retirada de gases;

• Introdução da amostra na proveta de 1000mL e sedimentação do lodo por 30 minutos;

• Medida do volume de lodo sedimentado;

• Determinação do teor de sólidos totais na amostra, para cálculo do IVL.

4.4.3.4 - Avaliação do teor de sólidos totais e voláteis

O teor de sólidos foi determinado, semanalmente, no lodo proveniente nos pontos de

amostragem 2 e 6 (25 e 125 cm de altura), no sistema em escala piloto, e nos pontos de


60

amostragem 1A e 3A (20 e 120 cm de altura, na câmara A), no sistema em escala de

demonstração.

Realizou-se, ainda, quinzenalmente, a determinação do perfil de sólidos no reator UASB, com

coleta de amostras em diferentes pontos de amostragem no reator UASB em escala piloto (0,

25, 50, 75, 100, 125, 150, 175, 200, 225, 275, 325 cm de altura) e no reator UASB em escala

de demonstração (20, 70, 120, 170, 220 cm de altura). A metodologia para a análise de sólidos

totais e de sólidos totais voláteis se encontra descrita no Standard Methods for Examination of

Water and Wastewater (AWWA/APHA/WEF, 1998).

4.4.3.5 - Atividade metanogênica específica e estabilidade do lodo

A partir do teste de atividade metanogênica específica, foi avaliada a capacidade do lodo em

produzir metano a partir de um substrato de acetato em condições otimizadas, podendo

indicar acúmulo de material inerte e a carga orgânica máxima a ser digerida no reator. O teste

foi realizado de acordo com a metodologia descrita por Chernicharo (1997), com a utilização

de um aparelho modelo OXITOP Control AN-6, com cabeças de medição OXITOP-C da

WTW. Para a determinação da estabilidade, substituiram-se as soluções de acetato, tampão e

nutrientes, apresentadas por Chernicharo (1997) para o teste de AME, por água, e utilizou-se

o mesmo aparelho na realização do teste.

Os procedimentos utilizados para a AME são apresentados a seguir:

• Coleta do lodo do reator anaeróbio e análise do teor de sólidos (Anexo I- Figura A1.25);

• Cálculo do volume de lodo, acetato de sódio (concentração 5%), de solução tampão e de

nutrientes a serem colocados nas garrafas, de acordo com Chernicharo (1997);

• Estabilização da estufa à temperatura de 30ºC (Anexo I- Figura A1.26);

• Adição do lodo nas garrafas e, em seguida, da solução tampão e de nutrientes;

• Introdução das barras magnéticas nas garrafas e em seguida das cabeças medidoras de

pressão (Anexo I- Figura A1.27);

• Realização da purga de oxigênio, com introdução de nitrogênio por 2 minutos (Anexo I-

Figura A1.28), e acréscimo da solução de acetato de sódio (Anexo I- Figura A1.29);

• Introdução das garrafas no dispositivo de agitação e, em seguida, na estufa;

• Início da agitação das amostras e programação das cabeças medidoras de pressão, com o

auxílio do controle (Anexo I- Figura A1.30).


61

Para o cálculo da AME, foram construídas as curvas de produção de metano ao longo do

período do teste e a partir do trecho retilíneo das curvas médias de produção de metano, que

coincide com uma taxa de produção aproximadamente constante, aplicou-se regressão linear,

tendo sido obtidas as respectivas linhas de tendência, com suas equações e coeficientes de

determinação. A inclinação da reta indicava a taxa de produção de metano (mLCH4.d-1) em

cada um dos ensaios. A partir da taxa de produção de metano e da quantidade inicial de

biomassa, obtinha-se a Atividade Metanogênica Específica do lodo (mLCH4.d-1. gSVT-1).

O cálculo da estabilidade do lodo foi realizado a partir da determinação da massa inicial de

sólidos voláteis utilizada no teste e da produção de metano, durante um período de um mês ou

até a produção de gás atingir valores próximos de 2 mLCH4.gSVT-1.d-1. Determinava-se a

DQO convertida em metano (DQOCH4), através da medida do volume do biogás produzido e

da análise do seu teor de metano e, em seguida, através das equações 4.12 e 4.13,

apresentadas no item 4.5, calculava-se a DQOCH4. Sabendo-se a DQO da massa inicial de

sólidos voláteis (DQOinicial) utilizada no teste, o cálculo da estabilidade era realizado

determinando-se a porcentagem de DQOinicial presente no lodo que ainda poderia ser

estabilizada em ambiente anaeróbio e convertida a metano (DQOCH4/DQOinicial x 100).

4.4.4- Lodo de retorno


Foi realizada a coleta semanal do lodo de retorno do filtro biológico percolador para o reator

UASB. A amostragem era realizada no período da manhã, com bombeamento do lodo de

retorno para um frasco de 2 Litros, por um período de 4 horas. Após a amostragem,

determinava-se o IVL do lodo e, em seguida, a amostra era enviada para as análises

laboratoriais.

4.4.4.2 - Análises

Para a amostra de lodo de retorno, eram realizadas análises de DQOtotal, DQOfiltrada, sólidos

totais e voláteis, NTK, N-NH3, carboidratos, proteínas e lipídios.

4.4.5- Biogás

4.4.5.1- Amostragem

A coleta do biogás era realizada por uma válvula de três vias (Figura 4.16) conectada ao

sistema de saída do gás. Após o ponto de coleta, realizava-se a medida da vazão de gás


62

através de um medidor wet gasmeter (Ritter, Tipo TG 05, Modelo 1-4, Capacidade 1 a 60

dm3/h). A Figura 4.17 apresenta o gasômetro utilizado na medição da vazão de biogás.

Figura 4.16 - Válvula de três vias para

coleta de biogás Figura 4.17 - Gasômetro para medida da

vazão de biogás

4.4.5.2- Análise

O biogás era analisado por cromatografia gasosa, para determinação do teor de metano e

dióxido de carbono. As análises eram realizadas em um cromatógrafo Perkin-Elmer

Autosystem XL GC, equipado com detector de condutividade térmica (TCD), utilizando

coluna empacotada e hélio como gás de arraste. As temperaturas do forno e do detector eram

de 60 e 150 oC, respectivamente, e o volume de gás injetado era de 0,5 mL. A frequência de

análise do biogás era de 2 vezes por semana. O processo de coleta e análise do biogás é

apresentado nas Figuras 4.18 e 4.19 e o cromatograma no Anexo I (Figura A1.31).

Figura 4.18- Coleta do biogás com o uso de seringa e da válvula de três vias

Figura 4.19 – Sistema de introdução do biogás no cromatógrafo.


63

4.5 - Cálculo dos coeficientes de produção total de sólidos

O balanço estimado de sólidos no reator UASB foi realizado conforme a seqüência de cálculo

descrita a seguir. Os coeficientes de produção total de sólidos relacionam-se ao lodo

descartado no reator UASB e aos sólidos perdidos com o efluente, e foram calculados por

meio das equações 4.2 a 4.6, em relação à DQO aplicada e à DQOremovida.

(4.2)

(4.3)

(4.4)

(4.5)

(4.6)

Yt DQOapl = MSt___ MDQOapl

na qual:

Yt DQOapl = coeficiente de produção total de sólidos (gST.gDQOapl-1)

MSt = massa total de sólidos produzidos no sistema (gST) MDQOapl = massa de DQO aplicada ao sistema (gDQO)

MSt = (Xd x Vd) + (Qe x Xe x D) na qual: Xd = concentração de sólidos totais descartados durante cada fase operacional

(gST.L-1) Vd = volume descartado (L)

Qe = vazão efluente (L.d-1) Xe = concentração de sólidos suspensos no efluente durante cada fase operacional

(gSS.L-1) D = duração da fase operacional (d)

MDQOapl = Qa x DQOafl x D na qual Qa = vazão afluente (L.d-1)

DQOafl = concentração de DQO afluente média (g.L-1) D = duração da fase operacional (d)

Yt DQOrem = MSt MDQOrem

na qual::

Yt DQOrem = coeficiente de produção total de sólidos (gST.gDQOrem-1)

MDQOrem = massa de DQO removida (gDQO)

MDQOrem = Qa x (DQOafl-DQOfefl) x D na qual: Qa = vazão afluente (L.d-1)

DQOafl = concentração de DQO afluente (g.L-1) DQOfefl = concentração de DQO filtrada no efluente (g.L-1) D = duração da fase operacional (d)


64

4.6 – Balanço de DQO

Para o cálculo de grau de estabilização do lodo no reator UASB, foi realizado um balanço de

DQO no reator anaeróbio. O esquema do balanço de DQO é apresentado na Figura 4.20.

Figura 4.20 – Balanço de DQO no reator UASB

A DQO de entrada no reator UASB é constituída pela DQO particulada e filtrada do esgoto

bruto e do lodo de retorno, como apresentado na equação 4.7.

DQO entrada = (Sop + Sof ) + (Srp + Srf), (4.7)

na qual:

Sop = concentração de DQO particulada no esgoto bruto (g.L-1)

Srp = concentração de DQO particulada no lodo de retorno (g.L-1)

Sof = concentração de DQO filtrada no esgoto bruto (g.L-1)

Sr f = concentração de DQO filtrada no lodo de retorno (g.L-1)

A DQO filtrada removida no reator UASB pode ser representada por:

Efluente Q Sf Sp

Esgoto Bruto

Qo Sof Sop

Lodo descartado Sd , S Qd, Q

Xd , Xp

Efluente FBP

Lodo de retorno Qr Srf Srp

Biogás DQOCH4,

Decantador

FBP

Reator UASB


65

DQOfrem = ((Sop x Ho x Qo + Sof x Qo) + (Srp x Hr x Qr + Srf x Qr) – (Sf x (Qo + Qr)) ,

(4.8)

na qual:

DQOfrem = DQO filtrada removida

Sop = concentração de DQO particulada no Esgoto Bruto (g.L-1)

Srp = concentração de DQO particulada no lodo de retorno (g.L-1)

Sof = concentração de DQO filtrada no esgoto bruto (g.L-1)

Srf = concentração de DQO filtrada no lodo de retorno (g.L-1)

Sf = concentração de DQO filtrada efluente (g.L-1)

Qo = vazão do esgoto bruto (L.h-1)

Qr = vazão do lodo de retorno (L.h-1)

Ho = grau de hidrólise da DQO particulada no esgoto bruto

Hr = grau de hidrólise da DQO particulada do lodo de retorno

A DQO filtrada removida no reator será convertida em metano (DQOCH4,) ou em biomassa

(DQOSólidos), de acordo com a equação 4.9. Deve-se salientar que a DQO devido a H2S e NH3,

por ser muito baixa, não foi considerada no balanço de DQO.

DQOfrem = DQOSólidos + DQOCH4, (4.9)

na qual:

DQOSólidos = DQO convertida em biomassa

DQOCH4 = DQO convertida em metano

A parcela de DQO convertida em biomassa foi calculada a partir da produção diária de lodo

(Kg SVT.dia-1) descartado no reator UASB (equação 4.10) e, a partir dos dados de DQO

particulada no efluente do reator UASB e do teor de sólidos suspensos voláteis nesse efluente,

determinou-se a relação entre DQO do lodo e a concentração de SSV (equação 4.11). Dessa

maneira, sabendo-se a produção diária de lodo, determinava-se a sua DQO.

PSólidos = Xd x Qd + Xp x Q (4.10)

na qual:

PSólidos = lodo descartado do reator UASB ou perdido no efluente (Kg SVT.dia-1)

X d = concentração de SVT no lodo de descarte (g.L-1)

Q d = descarte diário de lodo no reator UASB (L.d-1)

Xp = concentração de SVT no efluente do reator UASB (g. L -1)

Q = vazão do efluente do reator UASB (L.d-1)


66

DQOSólidos = PSólidos x R, (4.11)

na qual:

R = relação entre DQOparticulada e SSV no efluente do reator UASB (gDQO.gSSV-1)

Para o cálculo da DQO convertida em metano, utilizou-se as equações 4.12 e 4.13.

DQO-CH4 = K (t) x Qbiogás x %CH4 , (4.12)

na qual:

K (t) = fator de correção para a temperatura operacional do reator (gDQO.L-1)

Qbiogás = vazão de biogás (L.d-1)

% CH4 = porcentagem de metano no biogás (%)

K(t) = P x K (4.13)

Rx (273+t)

na qual: P = pressão atmosférica (atm) K = DQO correspondente a um mol de metano (64gDQO/mol) R = constante dos gases (0,08206 atm.L/mol.oK) t = temperatura operacional do reator (oC )

A partir da determinação da DQO do biogás e do lodo foi possível determinar a DQO

removida do reator. Igualando as equações 4.8 e 4.9, foram obtidas as equações 4.14 e 4.15,

através da equação 4.14 foi possível determinar o grau de hidrólise da DQO particulada no

esgoto bruto (Ho), durante as fases 1 e 3. O valor obtido para o grau de hidrólise no esgoto

bruto (Ho) para o sistema operando sem retorno de lodo foi utilizado para o cálculo do grau

de hidrólise do lodo de retorno (Hr), durante as fases 2 e 4 (equação 4.15).

Ho = (DQOlodo + DQOCH4, - Sof x Qo + Sf x Qo ) / (Sop x Qo)

(4.14)

Hr = (DQO lodo + DQOCH4,-(Sop x Ho x Qo + Sof x Qo) - ( Srf x Qr) + (Sf x (Qo + Qr))) / (Srp x Qr)

(4.15)

4.7 – Metodologia de análise dos dados

Com o objetivo de comparar os resultados obtidos durante as duas fases iniciais da pesquisa,

foram elaborados, inicialmente, tabelas e gráficos utilizando os programas Microsoft Excel e

Statistica. O programa Statistica permitiu a elaboração dos gráficos tipo Box-Whisker, os


67

quais apresentam as características de um conjunto de dados, como: dispersão, simetria ou

assimetria e observação de dados discrepantes com valores de máximo e mínimo.

Para a comparação dos resultados obtidos durante as fases operacionais, foi realizada,

inicialmente, a verificação do ajuste dos dados à distribuição normal, utilizando-se o método

de Kolmogorov-Smirnov (com probabilidade de Lilliefors). Foram obtidos os dados

estatísticos básicos e testou-se, ainda, a hipótese nula de que as médias das concentrações das

diferentes variáveis analisadas, durante as fases operacionais (fases 1 e 2 e fases 3 e 4),

tenham sido iguais (ao nível de significância de 5%), utilizando-se a distribuição “t de

Student”. Quando o valor absoluto do t calculado for inferior ao tabelado, deve-se aceitar a

hipótese nula, caso contrário deve-se rejeitá-la. Dessa forma, pretende-se verificar se as

diferenças detectadas entre as duas fases são significativas ou não.

Após a finalização do período experimental, foram realizadas análises de regressão, para se

obter o perfil de decaimento da concentração de ácidos graxos voláteis e matéria orgânica

específica no reator anaeróbio, em função da altura, durante as fases operacionais. Alguns

parâmetros utilizados na caracterização do lodo foram, também, comparados, procurando-se

verificar a existência de correlação entre eles.


68

5- RESULTADOS E DISCUSSÃO

5.1- Avaliação da eficiência do processo de tratame nto

O efeito do tratamento combinado de esgotos e lodo excedente de filtro biológico percolador

sobre a eficiência do processo foi avaliado no sistema reator UASB/FBP em escala piloto e

em escala de demonstração. Conforme descrito na metodologia os sistemas de tratamento

foram operados sem retorno de lodo (fase 1, no sistema em escala piloto, e fase 3, no sistema

em escala de demonstração) e com o retorno do lodo excedente do FBP para o reator UASB

(fase 2, no sistema em escala piloto, e fase 4, no sistema em escala de demonstração). A fase

1 da pesquisa foi realizada em duas etapas:

• Fase 1 A: no período de outubro de 2001, dias operacionais 1 a 30.

• Fase 1 B: no período de setembro a novembro de 2002 (dias operacionais 323 a 421),

representados no gráfico da série histórica a partir do dia operacional 31.

Essa subdivisão ocorreu devido à necessidade de se obter um maior número de resultados da

fase 1 da pesquisa e devido à grande diferença de concentrações médias afluentes do esgoto

bruto, da fase 1A para a fase 2. Dessa maneira, o período operacional da fase 1 (fase sem

retorno de lodo) teve continuação durante a fase 1B, objetivando-se conseguir concentrações

afluentes de DQO, DBO e SST mais próximas das obtidas na fase 2 (fase com retorno de

lodo), tornando mais fácil comparar as fases, e objetivando, ainda, a obtenção de um número

maior de resultados da fase 1.

Para análise dos resultados, considerou-se um período de transição mínimo de 20 dias entre as

fases operacionais, que era suficiente para a estabilização do processo de tratamento. Apenas

os resultados obtidos a partir do vigésimo dia operacional da fase 2, foram considerados para

a comparação entre as fases, pois o período inicial de retorno de lodo, apresentou

instabilidade na vazão e concentração do lodo de retorno, e, consequentemente, no sistema de

tratamento. A Tabela 5.1 resume cada fase com seu respectivo período operacional.


69

Tabela 5.1 - Resumo das fases com seu respectivo período operacional Sistema Fases Período operacional Total de dias

1A 01/outubro/2001 a 02/novenbro/2001 32

1B 16/agosto/2002 a 30/novembro/2002 99

Escala Piloto

2 14/novembro/2001 a 14/agosto/2002 274

3 30/julho/2002 a 10/setembro/2002 38 Escala de demonstração

4 12/setembro/2002 a 23/janeiro/2003 136

5.1.1 –Verificação do ajuste dos dados à distribuiç ão normal Para se comparar as médias de DBO, DQO e SST e concentrações de carboidratos, proteínas e

lipídios, entre as fases, e verificar se ocorreu uma diferença estatisticamente significativa

devido ao retorno de lodo, foi necessário verificar, inicialmente, o ajuste dos resultados à

distribuição normal, utilizando-se o método de “Kolmogorov-Smirnov”. Observou-se que os

resultados obtidos para esses parâmetros apresentavam distribuição normal ou lognormal,

podendo-se comparar os valores médios das diferentes fases através do método “t de student”.

5.1.2 –Análise preliminar dos resultados Tendo em vista as diferenças entre as concentrações médias dos diversos parâmetros de

caracterização do esgoto bruto, nas diferentes fases da pesquisa, optou-se por proceder uma

primeira análise com todos os resultados obtidos, e, em um segundo momento, descartar os

resultados de alguns dias operacionais, a fim de que as comparações, entre as fases sem e

com retorno de lodo, pudessem ser realizadas para o sistema operando com concentrações

médias afluentes semelhantes (item 5.1.3).

Os dados estatísticos básicos obtidos para os resultados de DBO, DQO, SST, temperatura e

pH, para os sistemas em escala piloto e em escala de demonstração, são apresentados nas

Tabelas 5.2 e 5.3, enquanto as séries históricas dos resultados obtidos são apresentadas nas

Figuras 5.1 a 5.6 e no Anexo II (Tabelas A2.1 e A2.2). O resumo dos valores médios e das

eficiências de cada fase é apresentado na Tabela 5.4.


70

Tabela 5.2 - Dados estatísticos básicos da análise preliminar - Sistema em escala piloto FASE 1 FASE 2 Parâmetro Ponto

Esgoto Bruto

Efluente UASB

Efluente FBP

Esgoto Bruto

Efluente UASB

Efluente FBP

No de dados 17 17 17 33 33 33 Média 534 139 88 420 104 86 Mínimo 446 93 54 263 29 26 Máximo 632 199 125 602 232 206

DQO

(mg.L-1)

Desvio Padrão 60 28 21 101 51 42 No de dados 17 17 17 33 33 33

Média 194 75 54 165 68 46 Mínimo 83 16 7 79 21 2 Máximo 322 175 125 282 148 215

DQOf

(mg.L-1)



DBO

(mg.L-1)



DBOf

(mg.L-1)



SST

(mg.L-1)


Média 6,8 6,7 7,4 7,0 6,9 7,5 Mínimo 6,2 6,2 6,6 6,0 6,1 6,7 Máximo 7,3 7,9 8,2 7,6 7,6 7,9

pH

Desvio Padrão 0,3 0,4 0,4 0,3 0,3 0,2 No de dados 21 21 21 45 45 45


T ( oC )

Desvio Padrão 3,0 2,9 2,6 2,9 2,9 2,8


71

Tabela 5.3 - Dados estatísticos básicos da análise preliminar - Sistema em escala de

demonstração FASE 3 FASE 4 Parâmetro Ponto

Esgoto Bruto

Efluente UASB

Efluente FBP

Esgoto Bruto

Efluente UASB

Efluente FBP


DQO

(mg.L-1)



DQOf

(mg.L-1)



DBO

(mg.L-1)



DBOf

(mg.L-1)



SST

(mg.L-1)



pH



T ( oC )

Desvio Padrão 0,8 0,7 0,7 2,1 2,1 1,9


72

Fase 1 Fase 2 Figura 5.1 - Série histórica dos valores de DQO para o sistema em escala piloto

Fase 1 Fase 2

Figura 5.2 - Série histórica dos valores de DBO para o sistema em escala piloto

Fase 1 Fase 2

Figura 5.3 - Série histórica dos valores de SST para o sistema em escala piloto

-

100

200

300

400

500

600

700

800

0 25 50 75 100 125 150

Dia operacional

DQ

O (

mg

/L)

Afluente Efl. UASB Efl. FBP

-

100

200

300

400

500

600

700

800

0 50 100 150 200 250

Dia operacional

DQ

O (

mg

/L)


-50

100150200250300350400450500550600

0 25 50 75 100 125 150

Dia operacional

DB

O (

mg

/L)


050

100150200250300350400450500550600

0 50 100 150 200 250

Dia operacional

DB

O (

mg

/L)


050

100150200250300350400450500550600

0 25 50 75 100 125 150

Dia operacional

SS

T (m

g/L

)


050

100150200250300350400450500550600

0 50 100 150 200 250

Dia operacional

SS

T (

mg/

L)



73

Fase 3 Fase 4 Figura 5.4 - Série histórica dos valores de DQO para o sistema em escala de

demonstração

Fase 3 Fase 4 Figura 5.5 - Série histórica dos valores de DBO para o sistema em escala de

demonstração

Fase 3 Fase 4 Figura 5.6 - Série histórica dos valores de SST para o sistema em escala de

demonstração

-100200300400500600700800

- 5 10 15 20 25 30 35 40

Dia operacional

DQ

O (

mg

/L)

Afluente Ef l.UASB Efl.FBP

-100

200300400500

600700

800

- 25 50 75 100 125 150 Dia operacional

DQ

O (

mg

/L)

Afluente Efl.UASB Efl.FBP

050

100150200250300350400450500

0 5 10 15 20 25 30 35 40Dia operacional

DB

O (

mg

/L)


050

100150200250300350400450500

- 5 10 15 20 25 30 35 40

Dia operacional

SS

T (m

g/L

)


050

100150200250300350400450500

- 25 50 75 100 125 150 Dia operacional

SS

T (

mg

/L)

Af luente Efl.UASB Ef l.FBP

050

100150200250300350400450500

- 25 50 75 100 125 150 Dia operacional

DB

O (

mg

/L)



74

Tabela 5.4 - Resumo dos resultados médios de pH, temperatura, DBO, DQO e SST para a análise preliminar

Eficiência de remoção (%)

Fase

Parâmetro

L R E B

Afluente UASB

(LR+ E B)

Efluente UASB

Efluente FBP Reator

UASB

FBP

Sistema UASB/ FBP

pH - 6,8 - 6,7 7,4 - - - T (OC ) - 24,5 - 24,5 24,5 - - -

DQO (mg.L-1) - 534 - 139 88 74 36 83 DBO (mg.L-1) - 320 - 71 31 78 56 90

1

SST (mg.L-1) - 250 - 39 24 - - - pH - 7,0 - 6,9 7,5 - - -

T (OC ) - 23,1 - 22,9 23,5 - - - DQO (mg.L-1) 3323 420 440 104 86 75 17 80 DBO (mg.L-1) - 254 66 35 74 47 86

2

SST (mg.L-1) 4232 158 185 20 19 - - - pH - 7,0 - 6,7 7,6 - - -

T ( OC) - 23,2 - 22,4 22,1 - - - DQO (mg.L-1) - 492 - 202 107 59 47 78 DBO (mg.L-1) - 346 - 96 42 72 56 88

3

SST (mg.L-1) - 209 - 80 36 - - - pH - 6,2 - 6,2 7,0 - - -

T ( OC) - 24,4 - 24,2 24,1 - - - DQO (mg.L-1) 5143 361 400 134 77 63 42 79 DBO (mg.L-1) - 204 - 62 23 70 63 89

4

SST (mg.L-1) 9992 138 219 40 17 - - - Onde: EB = Esgoto Bruto LR = Lodo de retorno


Os resultados obtidos para o sistema em escala piloto indicaram que, durante a fase 1, o reator

UASB foi operado com cargas orgânicas volumétricas médias de 1,4 kgDBO.m-3.d-1 e 2,4

KgDQO.m-3.d-1, tendo sido capaz de produzir um efluente com valores médios de 139 mg

DQO.L-1, 71 mgDBO.L-1 e 39 mgSST.L-1, apresentando uma eficiência média de 74% de

remoção de DQO e 78% de remoção de DBO.

As concentrações médias afluentes para DQO, DBO e SST foram inferiores durante a fase 2,

tendo sido observados decréscimos de 21 % nas concentrações médias afluentes de DQO e de

DBO no esgoto bruto, em relação à fase 1, enquanto para SST o decréscimo foi de 37 %. O

retorno de lodo, entretanto, provocou um aumento na concentração afluente ao reator UASB,

de 4,8% para a DQO e 17% para SST, durante a fase 2.

Durante a fase 2, as cargas orgânicas volumétricas no reator UASB foram de 1,1 kgDBO.

m-3.d-1 e 1,9 KgDQO.m-3.d-1. O efluente produzido no reator UASB, durante a fase 2,


75

apresentou concentrações médias de 104 mgDQO.L-1, 66 mgDBO.L-1 e 20 mgSST.L-1, e o

reator UASB apresentou uma eficiência de 75% de remoção de DQO e 74% de remoção de

DBO. Foram observadas concentrações mais elevadas no efluente do reator UASB durante a

fase 1, devido às maiores concentrações afluentes ao reator, uma vez que as eficiências de

remoção foram muito próximas durante as duas fases operacionais.

Para o sistema em escala de demonstração, operando sem retorno de lodo (fase 3), as

eficiências médias de remoção de DQO e DBO foram de 59 e 72%, respectivamente. Durante

a fase 4, a eficiência média de remoção de DQO aumentou para 63% e a eficiência média de

remoção de DBO diminuiu para 70%.

No sistema em escala de demonstração, foi observada, novamente, a presença de

concentrações mais elevadas no efluente do reator UASB, durante a fase sem retorno de lodo,

devido às maiores concentrações no esgoto bruto, uma vez que o reator foi operado com

cargas orgânicas volumétricas médias de 1,5 KgDQO.m-3.d-1. e 1,1 kgDBO.m-3.d-1, durante a

fase 3, e de 1,1 KgDQO.m-3.d-1 e 0,7 kgDBO.m-3.d-1, durante a fase 4. Foi observado um

decréscimo nas concentrações médias afluentes de DQO e de DBO no esgoto bruto, de 26 e

41%, respectivamente, em relação à fase 3, enquanto para SST o decréscimo foi de 34 %.

Entretanto, o retorno de lodo, durante a fase 4, provocou um aumento na concentração

afluente ao reator UASB, de 11% para a DQO e 59% para SST.

5.1.2.2- Sistema reator UASB/FBP

Para o sistema em escala piloto (fases 1 e 2), o FBP foi operado com a altura de meio suporte

igual a 1,90 m, taxa de aplicação superficial de 25,1 m³.m-2.d-1 e cargas orgânicas

volumétricas de 4,1 KgDQO.m-3.d-1 e 2,1 kgDBO.m-3.d-1.

Na fase 1, o efluente final apresentou concentrações médias de 88 mgDQO.L-1, 31

mgDBO.L-1 e 24 mgSST.L-1, enquanto, durante a fase 2, o FBP produziu um efluente final

com concentrações médias próximas ao observado na fase 1, com valores médios de 86

mgDQO.L-1, 35 mgDBO.L-1 e 19 mgSST.L-1 , tendo sido aplicadas cargas orgânicas

volumétricas de 3,1 Kg DQO.m-3.d-1 e 2,0 kg DBO.m-3.d-1 no FBP. As eficiências médias de

remoção de DQO e DBO no sistema reator UASB/FBP obtidas durante as fases operacionais

foram de 83 e 90 %, respectivamente, para a fase 1, e 80 e 86 %, respectivamente, para a fase

2.


76

Para o sistema em escala de demonstração, durante a fase 3, as cargas orgânicas

volumétricas no FBP foram de 1,2 KgDQO.m-3.d-1 e 2,1 kgDBO.m-3.d-1, enquanto durante a

fase 4, os valores foram de 0,8 KgDQO.m-3.d-1 e 1,2 kgDBO.m-3.d-1. A taxa de aplicação

superficial no FBP foi 13,6 m³.m-2.d-1. As eficiências médias do sistema de tratamento

praticamente não se modificaram nas fases operacionais, com eficiências de remoção de DQO

e DBO de 78 e 88%, para a fase 3, e 79 e 89 %, respectivamente, para a fase 4. Observou-se

que, nesse sistema, durante a fase com retorno de lodo, as menores eficiências de remoção de

DBO do reator UASB foram compensadas pelas maiores eficiências do FBP, que operou com

uma menor taxa de aplicação superficial.

Analisando-se os resultados obtidos durante as fases operacionais, para o sistema em escala

piloto, pode-se observar uma menor eficiência de remoção de DBO no reator UASB, durante

a fase 2 (com retorno de lodo),em relação à fase 1. Em relação à DQO, não ocorreu um

decréscimo na eficiência do reator UASB e as concentrações médias finais do sistema de

tratamento foram muito próximas, durante as duas fases operacionais. Entretanto, as menores

concentrações afluentes no esgoto bruto, durante a fase 2, dificultam uma melhor comparação

entre as fases. Para o sistema em escala de demonstração, foi observada, também, uma maior

eficiência de remoção de DQO no reator UASB, e uma menor eficiência de remoção de

DBO, durante a fase com retorno de lodo. Todavia, essa é uma análise preliminar, uma vez

que não foram desenvolvidos testes estatísticos para confirmar, ou não, as diferenças

observadas. Tais testes foram realizados no item 5.1.3, para o sistema reator UASB/FBP

operando com cargas orgânicas afluentes semelhantes.

A eficiência global do sistema reator UASB/FBP apresentou valores ligeiramente inferiores

para a remoção de DQO e DBO, no sistema em escala piloto operando com retorno de lodo.

Para o sistema em escala de demonstração, operando com retorno de lodo, foram observadas

eficiências de remoção de DQO e de DBO muito próximas àquelas observadas na fase sem

retorno de lodo. Entretanto, da mesma maneira que havia ocorrido para o sistema em escala

piloto, as menores concentrações afluentes do esgoto bruto dificultaram a comparação entre

as fases.

5.1.2.3- Diagramas de Box-Whisker

Para uma melhor comparação das diferentes fases operacionais, são apresentados diagramas

de Box-Whisker, nas Figuras 5.7 a 5.9, para os resultados obtidos para o monitoramento do


77

afluente (P1), do efluente do reator UASB (P2) e do efluente do FBP (P3), para os parâmetros

de DQO, DBO e SST nos sistemas em escala piloto e em escala de demonstração.

Sistema em escala piloto Sistema em escala de demonstração

Figura 5.7 - Diagrama de Box-Whisker para DQO no Sistema reator UASB/FBP para a análise preliminar

A análise da Figura 5.7 indica a maior variação nas concentrações afluentes de DQO,

durante a fase 2, para o sistema em escala piloto. Os efluentes do reator UASB e do FBP

apresentaram uma maior dispersão nas concentrações, durante a fase 2, indicando que o reator

UASB e o FBP foram menos eficientes em reduzir a variabilidade de concentrações de DQO

em relação à fase 1 (Tabela 5.2). Ressalta-se, no entanto, que também o esgoto afluente ao

sistema (P1) apresentou grande dispersão para os valores de DQO, durante essa fase.

Para o sistema em escala de demonstração, os resultados de DQO indicaram concentrações

médias afluentes inferiores e com menor variabilidade, durante a fase 4, em relação à fase 3.

Entretanto, os efluentes do reator UASB e do FBP apresentaram uma maior dispersão de

resultados em relação à fase 3, indicando que o retorno de lodo possa ter provocado uma

maior variabilidade nas concentrações do efluente.


Figura 5.8 - Diagrama de Box-Whisker para DBO no Sistema reator UASB/FBP para a análise preliminar

MáximoMínimo

75%25%

Mediana

DQ

O (

mg

/L)

0

100

200

300

400

500

600

700

P1 P2 P3 P1 P2 P3

Fase 1 Fase 2

MáximoMínimo

75%25%

Mediana

DQ

O (m

g/L

)

0

200

400

600

800

1000

P1 P2 P3 P1 P2 P3

Fase 3 Fase 4

MáximoMínimo

75%25%

Mediana

DB

O (

mg

/L)

0

100

200

300

400

500

P1 P2 P3 P1 P2 P3

Fase 1 Fase 2

MáximoMínimo

75%25%

Mediana

DB

O (m

g/L

)

0

50

100

150

200

250

300

350

400

P1 P2 P3 P1 P2 P3

Fase 3 Fase 4


78

A análise da Figura 5.8 indica, também, uma maior variação nas concentrações afluentes de

DBO, durante a fase 2 em relação à fase 1, para o sistema em escala piloto, embora as

concentrações médias tenham sido inferiores durante a fase 2. O efluente do reator UASB

apresentou uma menor dispersão de resultados, durante a fase 2, entretanto, para o FBP

ocorreu uma maior dispersão nas concentrações do efluente, durante essa fase.

Para o sistema em escala de demonstração, os resultados indicaram concentrações médias

afluentes com maior variabilidade, durante a fase 4, em relação à fase 3. O reator UASB e o

FBP foram capazes de uniformizar, com variações mais suaves as concentrações de DBO,

mas a dispersão dos resultados nos efluentes do reator UASB e do FBP, durante a fase 4,

permaneceu superior ao observado na fase 3.


Figura 5.9 – Diagrama de Box-Whisker para SST no Sistema reator UASB/FBP para a análise preliminar

Para o parâmetro SST, a dispersão dos resultados foi semelhante durante as fases 1 e 2,

entretanto as concentrações afluentes foram menores, durante a fase 2. As concentrações de

SST no efluente tratado, entretanto, apresentaram uma baixa variabilidade durante as duas

fases e valores médios muito próximos .

Para o sistema em escala de demonstração, foi possível observar concentrações afluentes

inferiores, durante a fase 4, em relação à fase 3. O efluente tratado apresentou menores

concentrações de SST e uma menor variação dessas concentrações, durante a fase com

retorno de lodo, provavelmente, devido às características desfavoráveis do esgoto bruto

durante a fase 3 (sem retorno de lodo), com concentrações médias mais elevadas e maior

dispersão de concentrações.

MáximoMínimo

75%25%

Mediana

SS

T (m

g/L

)

0

100

200

300

400

500

P1 P2 P3 P1 P2 P3

Fase 1 Fase 2

MáximoMínimo

75%25%

Mediana

SS

T (m

g/L

)

0

50

100

150

200

250

300

350

P1 P2 P3 P1 P2 P3

Fase 3 Fase 4


79

A partir da análise preliminar dos resultados foi possível realizar uma avaliação inicial das

unidades de tratamento, durante as quatro fases operacionais. Entretanto, para uma melhor

avaliação da comparação entre as fases, com e sem retorno de lodo, foi realizada uma análise

estatística das concentrações médias afluentes, testando-se a hipótese nula de que as médias

afluentes poderiam ser consideradas iguais. Os resultados obtidos indicaram uma diferença

estatisticamente significativa nas concentrações afluentes tanto da fase 1 para a fase 2 quanto

da fase 3 para a fase 4 (Tabela 5.5 e Anexos VI e VII). Essa diferença nas concentrações

afluentes dificultou a comparação entre as fases com e sem retorno de lodo.

Tabela 5.5 - Resultados da análise estatística utilizando-se o método “t de student” para as concentrações afluentes - Análise preliminar

Sistema Parâmetro Concentrações mg.L-1

Diferença da média entre as fases

Fase 1 = 534 Significativo DQO Fase 2 = 420 Fase 1 = 320 Significativo DBO Fase 2 = 254 Fase 1 = 250 Significativo

Escala piloto

SST Fase 2 = 158 Fase 3 = 492 Significativo DQO Fase 4 = 361 Fase 3 = 346 Não significativo DBO Fase 4 = 204 Fase 3 = 209 Significativo

Escala de demonstração

SST Fase 4 = 138

Dessa maneira, para uma melhor comparação entre as fases e um melhor entendimento de

como o retorno de lodo poderia influenciar o processo de tratamento, procurou-se selecionar

os dias operacionais que apresentaram cargas orgânicas afluentes semelhantes, para então

realizar-se uma nova comparação entre as fases com e sem retorno de lodo. Nos próximos

itens, a análise da eficiência do sistema de tratamento, da estabilidade do reator UASB e dos

parâmetros de caracterização do lodo é apresentada considerando-se os dias operacionais em

que o sistema operou com cargas orgânicas próximas, cujas médias poderiam ser consideradas

iguais ao nível de significância de 5%.

5.1.3 – Análise dos resultados consolidados

Devido à dificuldade em se obter concentrações médias afluentes de DQO, DBO e SST

semelhantes, no esgoto bruto, durante as fases com e sem retorno de lodo, e devido à

dificuldade em se analisar os resultados obtidos para o sistema de tratamento operando com


80

cargas orgânicas inferiores durante a fase com retorno de lodo, foram selecionados os dias

operacionais que apresentavam concentrações de DQO, DBO e SST próximas, durante as

fases, e somente esses dias operacionais foram considerados para uma comparação mais

detalhada do efeito do retorno de lodo no sistema reator UASB/FBP. O conjunto de resultados

operacionais selecionados, a partir de testes estatísticos que comprovaram a igualdade dos

valores médios, são apresentados no Anexo II (Tabelas A2.3 a A2.5 e A2.10 a A2.12) e o

resultado dos testes estatísticos na Tabela 5.6 e nos Anexos VI e VII. Deve-se salientar que os

dias operacionais selecionados foram, em sua maioria, dias seqüenciais, de tal maneira que as

cargas orgânicas dos dias operacionais descartados não influenciassem residualmente os

resultados dos dias operacionais selecionados.

Tabela 5.6 - Resultados da análise estatística utilizando-se o método “t de student” para as concentrações afluentes

Sistema Parâmetro Concentrações (mg.L-1)


Fase 1 = 524 Não significativo DQO Fase 2 = 513 Fase 1 = 315 Não significativo DBO Fase 2 = 301 Fase 1 = 206 Não significativo

Escala piloto

SST Fase 2 = 212 Fase 3 = 492 Não significativo DQO Fase 4 = 453 Fase 3 = 346 Não significativo DBO Fase 4 = 299 Fase 3 = 218 Não significativo


SST Fase 4 = 178

Os dados estatísticos básicos para esses dias operacionais são apresentados nas Tabelas 5.6 e

5.7, enquanto o resumo dos resultados é apresentado na Tabela 5.9.


81

Tabela 5.7 - Dados estatísticos básicos - Sistema em escala piloto FASE 1 FASE 2 Parâmetro Ponto

Esgoto Bruto

Efluente UASB

Efluente FBP

Esgoto Bruto

Efluente UASB

Efluente FBP


DQO

(mg.L-1)



DQOf

(mg.L-1)



DBO

(mg.L-1)



DBOf

(mg.L-1)



SST

(mg.L-1)



pH



T ( oC )



Carboi-dratos Totais

(mg.L-1) Desvio Padrão 39,6 7,0 4,3 38,0 4,9 4,1 No de dados 15 15 15 16 16 16


Proteínas

Totais (mg.L-1)



Lipídios Totais

(mg.L-1) Desvio Padrão 7,5 1,4 2,0 4,0 1,3 1,3


82

Tabela 5.8 - Dados estatísticos básicos Sistema em escala de demonstração FASE 3 FASE 4 Parâmetro Ponto

Esgoto Bruto

Efluente UASB

Efluente FBP

Esgoto Bruto

Efluente UASB

Efluente FBP


DQO

(mg.L-1)



DQOf

(mg.L-1)



DBO

(mg.L-1)



DBOf

(mg.L-1)



SST

(mg.L-1)



pH



T ( oC )



Carboi-dratos Totais

(mg.L-1) Desvio Padrão 16,8 1,9 3,3 11,6 4,8 3,3 No de dados 6 6 6 8 8 8


Proteínas Totais

(mg.L-1)



Lipídios Totais

(mg.L-1)

Desvio Padrão 2,3 1,8 0,2 3,2 2,9 1,2


83

Tabela 5.9 - Resumo dos resultados médios de pH, T, DBO, DQO e SST

Eficiência de remoção (%)

Fase

Parâmetro

L R

E B Afluente UASB

(LR+ E B)

Efluente UASB

Efluente FBP Reator

UASB

FBP

Sistema UASB/ FBP

pH - 6,8 - 6,8 7,4 - - - T (OC ) - 24,8 - 24,7 24,8 - - -

DQO (mg.L-1) - 524 - 139 89 73 36 83 DBO (mg.L-1) - 315 - 63 29 81 51 91

1

SST (mg.L-1) - 206 - 32 25 - - - pH - 7,1 7,0 7,5 - - -

T (OC ) - 22,4 - 22,1 22,8 - - - DQO (mg.L-1) 1825 513 522 119 95 77 20 81 DBO (mg.L-1) - 301 - 74 38 75 48 87

2

SST (mg.L-1) 2714 212 226 25 22 - - - pH - 7,0 - 6,7 7,6 - - -

T ( OC) - 23,1 - 22,4 22,1 - - - DQO (mg.L-1) - 492 - 202 107 59 47 78 DBO (mg.L-1) - 346 - 96 42 72 57 88

3

SST (mg.L-1) - 218 - 80 37 - - - pH - 6,2 - 6,2 7,0 - - -

T ( OC) - 24,9 - 24,6 24,3 - - - DQO (mg.L-1) 5863 453 497 164 88 65 46 81 DBO (mg.L-1) - 299 - 88 31 71 65 90

4

SST (mg.L-1) 5603 178 223 42 19 - - - Onde: EB = Esgoto Bruto LR = Lodo de retorno

5.1.3.1- Reator UASB

Analisando-se os resultados obtidos para o sistema em escala piloto (fases 1 e 2), pode-se

observar que, durante a fase 1, o reator UASB foi capaz de produzir um efluente com

concentrações médias de 139 mgDQO.L-1, 63 mgDBO.L-1 e 32 mgSST.L-1, apresentando uma

eficiência de 73% de remoção de DQO e 81% de remoção de DBO, tendo sido operado com

cargas orgânicas volumétricas médias de 2,3 KgDQO.m-3.d-1 e 1,4 kgDBO.m-3.d-1

Durante a fase 2, o decréscimo na DQO afluente foi de, apenas, 2%, enquanto para DBO foi

de 5%. A análise estatística não indicou uma diferença estatisticamente significativa entre os

valores médios das concentrações afluentes de DQO, DBO e SST, entre as fases com e sem

retorno de lodo, podendo-se realizar a comparação entre as fases considerando-se as cargas

orgânicas médias afluentes como iguais. O retorno de lodo provocou um aumento nas

concentrações médias afluentes, de 2 % para DQO e 6 % para SST, durante a fase 2, em

relação à fase 1.


84

As cargas orgânicas volumétricas no reator UASB, durante a fase 2, foram de 2,3

KgDQO.m-3.d-1 e 1,3 kgDBO.m-3.d-1. O efluente produzido no reator UASB apresentou

concentrações médias de 119 mgDQO.L-1, 74 mgDBO.L-1 e 25 mgSST.L-1, sendo as

eficiências médias do reator UASB iguais a 77% de remoção de DQO e 75% de remoção de

DBO. Observa-se uma maior eficiência média de remoção de DQO e uma menor

concentração média de DQO no efluente do reator UASB, durante essa fase, enquanto a

eficiência média de remoção de DBO diminuiu um pouco, durante a fase 2, e as

concentrações médias de DBO no efluente do reator UASB foram um pouco mais elevadas.

Entretanto, apesar dessa aparente alteração nas concentrações médias efluentes no reator

UASB, a análise estatística não indicou diferença significativa entre elas (Tabela 5.10).

Para o sistema em escala de demonstração, as cargas orgânicas volumétricas no reator

UASB, durante a fase 3, foram de 1,4 KgDQO.m-3.d-1 e 1,1 kgDBO.m-3.d-1 enquanto durante

a fase 4 os valores foram de 1,4 KgDQO.m-3.d-1 e 0,9 kgDBO.m-3.d-1. Durante a fase 3, as

eficiências de remoção de DQO e DBO foram de 59 e 72%, respectivamente. Durante a fase

4, a eficiência de remoção de DQO aumentou para 65% e a eficiência de remoção de DBO

permaneceu praticamente a mesma. Esses resultados são semelhantes ao observado para o

sistema em escala piloto, tendo-se obtido valores médios mais elevados para a eficiência de

remoção de DQO durante a fase com retorno de lodo. Deve-se ressaltar que a DBO do lodo de

retorno não foi avaliada, o que poderia justificar os valores obtidos para a eficiência. A análise

estatística indicou uma diferença significativa nas concentrações efluentes médias de DQO,

da fase 3 para a fase 4. Foi possível observar, ainda, uma diferença significativa na

concentração de sólidos suspensos totais no efluente do reator UASB, indicando seu melhor

desempenho durante a fase com retorno de lodo (Tabela 5.10 e Anexos VI e VI).

Tabela 5.10 - Resultados da análise estatística utilizando-se o método “t de student” para as concentrações do efluente do reator UASB



Fase 1 = 139 Não significativo DQO Fase 2 = 119 Fase 1 = 63 Não significativo DBO Fase 2 = 74 Fase 1 = 32 Não significativo

Escala piloto

SST Fase 2 = 25 Fase 3 = 202 Significativo DQO Fase 4 = 164 Fase 3 = 96 Não significativo DBO Fase 4 = 88 Fase 3 = 80 Significativo


SST Fase 4 = 42


85

5.1.3.2 -Sistema reator UASB/FBP

Para o sistema em escala piloto, durante a fase 1, o efluente final apresentou concentrações

médias de 89 mgDQO.L-1 , 29 mgDBO.L-1 e 25 mgSST.L-1, e o FBP trabalhou com cargas

orgânicas volumétricas de 4,1 KgDQO.m-3.d-1 e 1,9 kgDBO.m-3.d-1 . Durante a fase 2, o

FBP produziu um efluente final com concentrações médias de 95 mgDQO.L-1, 38 mgDBO.L-1

e 22 mgSST.L-1. Observou-se, portanto, que durante a fase 2, as concentrações médias de

DBO do efluente do FBP foram ligeiramente superiores àquelas da fase 1, provavelmente,

devido às menores eficiências de remoção de DBO no reator UASB, tendo o FBP operado

com cargas orgânicas volumétricas de 3,5 KgDQO.m-3.d-1 e 2,2 kgDBO.m-3.d-1 .

As eficiências de remoção de DBO e DQO no sistema reator UASB/FBP obtidas durante as

fases operacionais foram de 91 e 83% para a fase 1, 87 e 81% para a fase 2. A análise

estatística só indicou diferença significativa entre as concentrações médias de DBO no

efluente do FBP, da fase 1 para a fase 2 (Tabela 5.11 e Anexos VI e VII).

Tabela 5.11 - Resultados da análise estatística utilizando-se o método “t de student” para as concentrações do efluente do FBP



Fase 1 = 89 Não significativo DQO Fase 2 = 95 Fase 1 = 29 Significativo DBO Fase 2 = 38 Fase 1 = 25 Não significativo

Escala piloto

SST Fase 2 = 22 Fase 3 = 107 Não significativo DQO Fase 4 = 88 Fase 3 = 42 Não significativo DBO Fase 4 = 31 Fase 3 = 37 Significativo


SST Fase 4 = 19

Para o sistema em escala de demonstração, o FBP trabalhou com cargas orgânicas

volumétricas de 1,2 Kg DQO.m-3.d-1 e 0,6 kg DBO.m-3.d-1 durante a fase 3 e 0,8 Kg

DQO.m-3.d-1 e 0,5 kgDBO.m-3.d-1 durante a fase 4. As eficiências do sistema de tratamento

praticamente não se modificaram nas fases operacionais, tendo-se obtido eficiências de

remoção de DBO e DQO ligeiramente superiores para a fase com retorno de lodo. Observou-

se que, nesse sistema, as menores eficiências de remoção de DBO do reator UASB foram

compensadas pelas maiores eficiências do FBP, que operou com uma menor taxa de aplicação

superficial de 13,6 m³.m-2.d-1. A análise estatística não indicou diferença significativa nas

concentrações médias de DBO e DQO no efluente do reator FBP da fase 3 para a fase 4,


86

entretanto, foi observada uma diferença estatisticamente significativa para os resultados de

SST do efluente do FBP, que foram inferiores, durante a fase 4 em relação à fase 3 (Tabela

5.11 e Anexos VI e VII).

5.1.3.3 - Diagramas de Box-Whisker

Para uma melhor análise das diferentes fases operacionais, são apresentados diagramas de

Box-Whisker, para os parâmetros de DQO, DBO e SST, nas Figuras 5.10 a 5.12.


Figura 5.10 - Diagrama de Box-Whisker para DQO no Sistema reator UASB/FBP

A análise da Figura 5.10 indica que, para o sistema em escala piloto, as concentrações de

DQO nos efluentes do reator UASB e do FBP, durante a fase 2, apresentaram uma maior

variabilidade em relação ao observado para a fase 1, indicando que o retorno de lodo possa ter

provocado essa maior variabilidade nas concentrações do efluente.

Para o sistema em escala de demonstração, foi observada uma menor amplitude de variação

na DQO afluente, durante a fase com retorno de lodo. Entretanto, a DQO efluente do reator

UASB e do FBP apresentou maior amplitude de variação, durante a fase 4, em relação ao

observado, durante a fase 3, indicando uma maior instabilidade ocorrida durante a fase com

retorno de lodo, que também pode ser observada para o sistema em escala piloto .

MáximoMínimo

75%25%

Mediana

DQ

O (

mg

/L)

0

100

200

300

400

500

600

P1 P2 P3 P1 P2 P3

Fase 1 Fase 2

MáximoMínimo

75%25%

Mediana

DQ

O (m

g/L

)

0

100

200

300

400

500

600

700

800

P1 P2 P3 P1 P2 P3

Fase 3 Fase 4


87


Figura 5.11 - Diagrama de Box-Whisker para DBO no Sistema reator UASB/FBP

Para a DBO (Figura 5.11), a variabilidade das concentrações afluentes foi ligeiramente

superior para o sistema operando com retorno de lodo (fases 2 e 4) em relação ao sistema

sem retorno de lodo (fases 1 e 3). Ocorreu, entretanto, uma maior variação nas concentrações

do efluente do reator UASB durante as fases 1 e 3 (fases sem retorno de lodo). Durante as

fases 2 e 4 (com retorno de lodo), o reator UASB foi mais eficiente em minimizar a dispersão

nas concentrações do efluente.

O FBP foi capaz de minimizar a variabilidade nas concentrações do efluente do reator UASB,

durante as fases 1, 2 e 3. Entretanto, durante a fase 4, ocorreu uma maior variabilidade de

concentrações, bem como concentrações mais elevadas para o efluente do FBP.

As amplitudes de variação das concentrações afluentes foram reduzidas gradativamente ao

longo das etapas de tratamento, mas, para o sistema em escala de demonstração, embora o

efluente final do processo de tratamento tenha apresentado menores concentrações, durante a

fase 4 (com retorno de lodo), a menor variação nas concentrações do efluente ocorreu durante

a fase 3 (sem retorno de lodo).

MáximoMínimo

75%25%

Mediana

DB

O (

mg

/L)

0

100

200

300

400

500

P1 P2 P3 P1 P2 P3

Fase 1 Fase 2

MáximoMínimo

75%25%

Mediana

DB

O (m

g/L)

0

50

100

150

200

250

300

350

400

P1 P2 P3 P1 P2 P3

Fase 3 Fase 4


88


Figura 5.12 – Diagrama de Box-Whisker para SST no Sistema reator UASB/FBP

Para o parâmetro SST, apesar da seleção dos resultados de dias operacionais com

concentrações afluentes próximas, ocorreu uma menor variabilidade nas concentrações

afluentes do reator UASB durante a fase 4 em relação a fase 3. O reator UASB foi capaz de

assimilar as concentrações de sólidos das fases 1 e 2, produzindo um efluente com pequenas

variações de concentrações. O FBP foi capaz de reduzir a concentração média de sólidos mas

teve pouco efeito na redução da dispersão dos resultados.

Para o sistema em escala de demonstração, o reator UASB foi capaz de reduzir a variabilidade

de concentrações, durante as fases 3 e 4, embora o efluente com menor dispersão de

resultados tenha sido o da fase 4. O FBP apresentou uma ação complementar de diminuição

da variabilidade de concentrações de SST e de redução das concentrações médias do efluente

do reator UASB.

5.1.3.4 - Percentual de atendimento à legislação

Para uma melhor avaliação do desempenho do sistema reator UASB/FBP, durante as fases

operacionais, procedeu-se uma análise estatística do percentual de resultados que se

enquadraram aos padrões de lançamento de efluentes em corpos d’água receptores do Estado

de Minas Gerais (DN 010/86 COPAM). A título de comparação, considerando-se que o

padrão de lançamento de efluentes da legislação mineira de 90 mgDQO.L-1 é bastante

restritivo, analisou-se também o atendimento à legislação da Comunidade Européia (125

mgDQO.L-1) para efluentes urbanos.

MáximoMínimo

75%25%

Mediana

SS

T (m

g/L

)

0

50

100

150

200

250

300

350

400

P1 P2 P3 P1 P2 P3

Fase 1 Fase 2

MáximoMínimo

75%25%

Mediana

SS

T (m

g/L

)

0

50

100

150

200

250

300

350

P1 P2 P3 P1 P2 P3

Fase 3 Fase 4


89

No sistema em escala piloto, observa-se que, durante as fases 1 e 2, cerca de 60% dos

resultados de DQO estiveram abaixo do padrão de lançamento de 90 mgDQO.L-1 (DN 010/86

COPAM), enquanto em relação à legislação européia (125 mgDQO.L-1), 100% dos resultados

estiveram abaixo do valor máximo permitido, durante a fase 1, e, durante a fase 2, cerca de 90

% dos resultados estiveram abaixo desse valor. Durante a fase 2, o sistema apresentou uma

menor estabilidade, com uma maior variação nas concentrações do efluente (Figura 5.13).

Em relação ao reator UASB, observa-se que, durante a fase 2, sua estabilidade foi maior em

relação à DQO pois 60% dos resultados estiveram abaixo de 125 mg/L enquanto, durante a

fase 1, 30% dos resultados estiveram abaixo desse valor.

A totalidade dos resultados de DBO atendeu ao padrão de lançamento de 60 mg.L-1 (DN

010/86 COPAM), durante a fase 1, e 98% dos resultados atenderam esse padrão, durante a

fase 2, que apresentou uma maior instabilidade para esse parâmetro. Analisando-se o reator

UASB, observa-se que cerca de 60% dos resultados de DBO estiveram abaixo de 60mg. L-1,

no efluente do reator UASB, durante a fase 1, e 40%, durante a fase 2 (Figura 5.14). Esses

resultados indicam que, embora a remoção de DQO tenha sido favorecida no reator UASB,

durante a fase com retorno de lodo, o mesmo não ocorreu para a DBO.

Para o parâmetro de SST, as concentrações finais do FBP foram mantidas abaixo do padrão

de lançamento de 60 mg.L-1 (DN 010/86 COPAM), durante as duas fases operacionais (Figura

5.15). Observa-se, entretanto, que as concentrações no efluente do reator UASB e do FBP se

tornaram muito próximos na fase 2, quando o reator UASB foi o principal responsável pela

remoção de sólidos no sistema de tratamento. Pode-se observar, ainda, que o efluente do

reator UASB apresentou um percentual de aproximadamente 98% dos resultados abaixo do

valor estabelecido pela legislação.

Fase 1 Fase 2 Figura 5.13 - Distribuição percentual dos resultados de DQO para o sistema em escala

piloto

0

50

100

150

200

250

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100Percentil (%)

DQ

O (

mg

/L)

Efl. UASB Efl. FBPPadrão Europeu Padrão=90mg/L

0

50

100

150

200

250

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100

Percentil (%)

DQ

O (

mg

/L)



90

Fase 1 Fase 2 Figura 5.14 - Distribuição percentual dos resultados de DBO para o sistema em escala

piloto

Fase 1 Fase 2

Figura 5.15 - Distribuição percentual dos resultados de SST para o sistema em escala piloto

No sistema em escala de demonstração, durante a fase 3, cerca de 20% dos resultados de

DQO estiveram abaixo do padrão de lançamento de 90 mgDQO.L-1 (DN 010/86 COPAM)

enquanto cerca de 70 % dos resultados obtidos na fase 4, estiveram abaixo do padrão de

lançamento. Comparando-se com o padrão europeu para lançamento de efluentes domésticos

de 125 mg. L-1, o percentual de atendimento passa a ser de 70 e 90% para as fases 3 e 4,

respectivamente. Analisando-se o efluente do reator UASB, observa-se que 40% dos

resultados estiveram abaixo do padrão de 125 mg. L-1, durante a fase 4, enquanto, durante a

fase 3, nenhum resultado esteve abaixo desse valor (Figura 5.16). Esse resultado indica

novamente a maior estabilidade do reator UASB para a remoção de DQO, durante a fase com

retorno de lodo.

Em relação ao parâmetro de DBO, a totalidade dos resultados atendeu ao padrão de

lançamento de 60 mg.L-1 (DN 010/86 COPAM), durante a fase 3, e 90% dos resultados

0

20

4060

80

100

120140

160

180

0 20 40 60 80 100Percentil (%)

DB

O (

mg

/L)

Efl.UASB Efl. FBPPadrão=60mg/L

0

20

40

60

80

100

120

140

160180

0 20 40 60 80 100Percentil (%)

DB

O (m

g/L)


0

10

20

30

40

50

60

70

80

0 20 40 60 80 100Percentil (%)

SS

T (m

g/L

)


0

10

20

30

40

50

60

70

80

0 20 40 60 80 100Percentil (%)

SS

T (

mg

/L)



91

estiveram de acordo com o padrão, durante a fase 4 (Figura 5.17). Pode-se observar uma

maior estabilidade na fase 1, com uma menor variação nas concentrações do efluente do FBP.

Para o parâmetro de SST, as concentrações finais do FBP foram mantidas abaixo do padrão

de lançamento de 60 mg.L-1 (DN 010/86 COPAM), durante todo o período operacional (Fig.

5.24). Observa-se, ainda, uma maior estabilidade para a fase 4 da pesquisa, em relação a esse

parâmetro, com quase 100% dos resultados permanecendo abaixo de 40 mg.L-1. A análise do

efluente do reator UASB, indica um percentual de atendimento à legislação de 90% para a

fase 4 (com retorno de lodo) e de 20% para a fase 3 (sem retorno de lodo), demonstrando a

melhor performance do reator, para a fase com retorno de lodo, para esse parâmetro (Figura

5.18).

Fase 3 Fase 4

Figura 5.16 - Distribuição percentual dos resultados de DQO para o sistema em escala de demonstração

Fase 3 Fase 4

Figura 5.17 - Distribuição percentual dos resultados de DBO para o sistema em escala de demonstração

0

50

100

150

200

250

300

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100Percentil (%)

DQ

O (m

g/L

)


0

50

100

150

200

250

300

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100Percentil (%)

DQ

O (m

g/L

)


0

20

40

60

80

100

120

140

0 20 40 60 80 100Percentil (%)

DB

O (m

g/L

)

Efl. UASB Efl. FBPPadrão=60mg/L

0

20

40

60

80

100

120

140

0 20 40 60 80 100Percentil (%)

DB

O (m

g/L

)



92

Fase 3 Fase 4

Figura 5.18- Distribuição percentual dos resultados de SST para o sistema em escala de demonstração

5.1.4 – Carboidratos, proteínas e lipídios As eficiências médias de remoção de carboidratos, proteínas e lipídios e os valores médios

obtidos para as concentrações no esgoto bruto e nos efluentes tratados, para os sistemas em

escala piloto e em escala de demonstração, são apresentados na Tabela 5.12, enquanto os

dados estatísticos básicos para esses parâmetros são apresentados nas Tabelas 5.7 e 5.8 e os

resultados dos diferentes dias operacionais no Anexo II (Tabelas A2.6 a A2.8 e A2.13 a

A2.15). Para essa análise, foram utilizados os resultados obtidos para os mesmos dias

operacionais utilizados no item 5.1.3 para os parâmetros de DQO, DBO e SST.

0

20

40

60

80

100

120

140

0 20 40 60 80 100Percentil (%)

SS

T(m

g/L

)Efl. UASB Efl. FBPPadrão=60mg/L

0

20

40

60

80

100

120

140

0 20 40 60 80 100Percentil (%)

SS

T(m

g/L

)



93

Tabela 5.12- Resumo dos resultados médios para remoção de carboidratos, proteínas e lipídios

Concentrações (mg.L-1) Eficiência de remoção

(%)

Fase

Parâmetros

LR E B

Afluente UASB (LR +

EB)

Efluente UASB

Efluente FBP

Reator UASB

FBP

Sistema UASB/ FBP

Carboidratos - 80,8 - 17,6 11,7 78 33 86 Proteínas - 102,5 - 77,8 60,5 24 22 41

1

Lipídios - 15,6 - 4,5 2,9 71 36 81 Carboidratos 156,6 78,1 78,6 14,1 13,4 74 5 82 Proteínas 151,0 130,4 130,5 82,1 59,5 37 28 54 2 Lipídios 33,4 9,3 9,5 3,6 2,5 62 30 73 Carboidratos - 68,9 - 19,7 17 72 14 75 Proteínas - 131,9 - 88,6 68,7 29 32 51

3 Lipídios - 11,3 - 5,7 1,4 50 76 88

Carboidratos 456,7 46,9 51,6 12,2 11,5 73 1,9 74 Proteínas 176,2 63,6 64,9 45,4 31,1 35 25 51

4 Lipídios 46,1 8,1 8,5 4,5 1,8 44 59 77

Onde: LR = Lodo de retorno EB = Esgoto Bruto


As concentrações médias do esgoto bruto foram muito próximas as fases 1 e 2 (80,8

mgCarboidratos.L-1, 102,5 mgProteínas.L-1 e 15,6 mgLipídios.L-1, durante a fase 1, e 78,1

mgCarboidratos.L-1, 130,4 mgProteínas.L-1 e 9,3 mgLipídios.L-1, durante a fase 2). O retorno

de lodo (fase 2) não provocou um aumento significativo nas concentrações de carboidratos,

proteínas e lipídios afluentes ao reator UASB, tendo sido observadas concentrações médias de

78,6 mgCarboidratos.L-1, 130,5 mgProteínas.L-1 e 9,5 mgLipídios. L-1, durante a fase 2. As

eficiências médias de remoção de carboidratos e lipídios apresentaram uma pequena redução

da fase 1 para a fase 2 (de 78 para 74%, para carboidratos, e de 71 para 62%, para lipídios),

entretanto, a eficiência média de remoção de proteínas aumentou de 24 para 37%.

Para o sistema em escala de demonstração, ocorreu um pequeno aumento na eficiência de

remoção de proteínas (de 29 para 35%), da fase 3 para a fase 4, enquanto a eficiência de

remoção de lipídios reduziu de 50 para 44 %. Para carboidratos, as eficiências foram

praticamente as mesmas durante as duas fases. As concentrações afluentes de carboidratos,

proteínas e lipídios, foram inferiores, durante a fase 4, tendo ocorrido uma redução de 32, 54 e

28% nas concentrações de carboidratos, proteínas e lipídios, respectivamente, da fase 3 para a

fase 4.


94

5.1.4.2- Sistema reator UASB/FBP

As eficiências globais de remoção de carboidratos e lipídios no sistema reator UASB/FBP

apresentaram uma pequena diminuição, durante a fase 2. Para carboidratos, as eficiências de

remoção foram de 86 e 82 %, para as fases 1 e 2, respectivamente, enquanto, para lipídios, a

eficiência média de remoção reduziu de 81 para 73%. A eficiência de remoção de proteínas

apresentou um efeito contrário, tendo ocorrido uma maior eficiência média de remoção,

durante a fase com retorno de lodo, com valores médios de 54%, para a fase 2 (com retorno

de lodo), e 41%, para a fase 1 (sem retorno de lodo). Entretanto, as proteínas foram os

compostos que apresentaram a menor eficiência de remoção durante o processo de tratamento,

para as duas fases operacionais.

Para o sistema em escala de demonstração, ocorreu uma diminuição na eficiência de remoção

de lipídios de 88 para 77%, da fase 3 para a fase 4, enquanto as eficiências de remoção de

carboidratos e proteínas praticamente não se modificaram. Essa menor eficiência do sistema

na remoção de lipídios se deve às menores eficiências tanto do reator UASB quanto do FBP,

durante a fase 4, para esse composto.

O reator UASB foi o mais importante para a remoção de carboidratos, enquanto, para

proteínas, as eficiências de remoção foram próximas para o reator UASB e para o FBP, nos

sistemas em escala piloto e em escala de demonstração. O principal responsável pela remoção

de lipídios, no sistema em escala piloto, foi o reator UASB, com eficiências de remoção

variando de 71 a 62 %, enquanto, para o sistema em escala de demonstração, o FBP

apresentou maiores eficiências de remoção de lipídios em relação ao reator UASB,

provavelmente devido à ausência de retenção de escuma no reator UASB em escala de

demonstração.

A menor eficiência na remoção de proteínas, que pode ser verificada a partir da análise dos

resultados, foi observada, também, por Miron et al. (2000) para lodos provenientes de

tratamento primário, quando o aumento da idade do lodo não foi suficiente para a remoção de

proteínas, embora tenha sido suficiente para a remoção de carboidratos e lipídios. Os

pesquisadores observaram uma porcentagem de hidrólise de 90% para carboidratos, 33% para

proteínas e 65% para lipídios, para uma idade de lodo de 15 dias.

Uma outra explicação para menor eficiência de remoção de proteínas seria a liberação de

compostos protéicos, pelos microrganismos, ou de compostos nitrogenados que possam ser


95

identificados como proteínas. De acordo com Aquino e Stuckey (2002), que caracterizaram

efluentes de reatores CSTR de bancada alimentados com glicose, os compostos identificados

foram produzidos pelo sistema de tratamento uma vez que não foram identificados no

afluente, e até o momento não é claro os fatores que levaram a sua produção.

5.1.4 .3 - Diagramas de Box-whisker

Nas Figuras 5.19 a 5.21 são apresentados os diagramas de Box-Whisker para os resultados

obtidos para carboidratos, proteínas e lipídios, para os sistemas em escala piloto e em escala

de demonstração.


Figura 5.19 Concentração de carboidratos no afluente e efluentes do sistema reator UASB/FBP

Os resultados apresentados na Figura 5.19 indicam que o reator UASB foi responsável por

uma grande diminuição na concentração afluente (P1) e na variação da concentração de

carboidratos, durante todas as fases operacionais. A diminuição na variação dessas

concentrações pode ser observada principalmente para a fase 2, com a concentração de

carboidratos do afluente apresentando valor médio de 78,1 mgCarboidratos.L-1 e desvio

padrão de 38 mg L-1 (Tabela 5.7). Essas concentrações foram reduzidas no reator UASB,

cujo efluente (P2) apresentou uma concentração média de 14,1 mgCarboidratos.L-1 e desvio

padrão de 4,9 mg L-1.

O FBP promoveu uma remoção adicional de carboidratos, entretanto, os efluentes do reator

UASB (P2) e do FBP (P3) apresentaram concentrações médias muito próximas,

especialmente durante as fases 2, 3 e 4, sendo maior a contribuição do reator UASB para a

remoção de carboidratos. As eficiências médias de remoção de carboidratos no FBP variaram

de 2 a 33%, durante as diferentes fases operacionais.

MáximoMínimo

75%25%

Mediana

Ca

rbo

idra

tos

(mg

/L)

0

20

40

60

80

100

120

140

160

P1 P2 P3 P1 P2 P3

Fase 1 Fase 2

MáximoMínimo

75%25%

Mediana

Ca

rbo

idra

tos

(mg

/L)

0

20

40

60

80

100

120

140

160

P1 P2 P3 P1 P2 P3

Fase 3 Fase 4


96


Figura 5.20 Concentração de proteínas no afluente e efluentes do sistema reator UASB/FBP

A análise da Figura 5.20 indica que as concentrações de proteínas apresentaram uma

dispersão muito alta no afluente (P1), durante as fases operacionais. Durante as fases 1, 2 e 3,

embora a concentração média de proteínas tenha sido reduzida no reator UASB, observa-se

que o efluente do reator (P2) apresentava uma variabilidade de concentrações próxima

àquelas observadas no esgoto bruto. Apenas durante a fase 4, ocorre uma menor variabilidade

nas concentrações do efluente do reator UASB em relação ao esgoto bruto.

Durante as fases operacionais, o FBP foi responsável por uma diminuição adicional na

variação da concentração de proteínas, produzindo um efluente (P3) com concentrações

médias finais variando de 68,2 a 31,1 mgProteínas.L-1 e com desvios padrão de 10,9 a 43,1

mg.L-1 (Tabela 5.7 e 5.8).


Figura 5.21 Concentração de lipídios no afluente e efluentes do sistema reator UASB/FBP

Em relação aos lipídios, observa-se uma maior variação nas concentrações do afluente (P1),

para o sistema em escala piloto, especialmente durante a fase 1. Durante essa fase, o esgoto

MáximoMínimo

75%25%

Mediana

Pro

teín

as (

mg

/L)

0

40

80

120

160

200

P1 P2 P3 P1 P2 P3

Fase 1 Fase 2

MáximoMínimo

75%25%

Mediana

Pro

teín

as (

mg

/L)

0

40

80

120

160

200

P1 P2 P3 P1 P2 P3

Fase 3 Fase 4

MáximoMínimo

75%25%

Mediana

Lipí

dios

(m

g/L

)

0

6

12

18

24

30

P1 P2 P3 P1 P2 P3

Fase 1 Fase 2

MáximoMínimo

75%25%

Mediana

Lipí

dios

(m

g/L

)

0

6

12

18

24

30

P1 P2 P3 P1 P2 P3

Fase 3 Fase 4


97

bruto apresentou uma concentração média de 15,6 mg.L-1 e um desvio padrão de 7,5 mg.L-1

(Tabela 5.7). O reator UASB foi o principal responsável pela redução da variabilidade nas

concentrações de lipídios. Apenas para a fase 3, o FBP provocou uma grande redução nessa

variabilidade.

5.1.5 - Proporção de compostos orgânicos específico s no afluente e nos efluentes tratados A composição do afluente ao reator UASB apresentou modificações, durante as fases

operacionais, em termos da concentração de carboidratos, proteínas, lipídios e ácido acético.

Apresenta-se, na Tabela 5.13, a comparação das composições médias afluentes durante as

fases operacionais. Para tal comparação, foi realizado o cálculo da DQOequivalente de ácido

acético, carboidratos, proteínas e lipídios utilizando-se os fatores de conversão de 1,1

mgDQO.mgCarboidratos-1, 1,5 mgDQO.mgProteínas–1 e 2,9 mgDQO.mgLipídios-1, conforme

apresentado na metodolologia (item 4.4.2.6).

Tabela 5.13 - Composição média do afluente durante as fases operacionais Fase Parâmetros Concentração Média

(mg.L-1) % da DQOequivalente

total % da DQO total

Ácido acético 51,0 15,1 9,7 Carboidratos 80,8 26,2 17,0

Proteínas 102,5 45,4 29,3

1

Lipídios 15,6 13,4 8,6 Ácido acético 53,0 14,6 10,3 Carboidratos 78,6 23,8 16,9

Proteínas 130,5 54,0 38,2

2


Proteínas 137,9 56,3 44,3

3


Proteínas 64,9 47,6 22,0

4

Lipídios 8,5 11,7 5,4 Onde: DQO equivalente total = DQOcarboidratos+ DQOproteínas+ DQOlipídios +DQOácido acético DQO total= DQO medida

Comparando-se as fases 1 e 2 (sistema em escala piloto), observa-se que as concentrações de

carboidratos e lipídios diminuíram 3 e 39%, respectivamente, da fase 1 para a fase 2, tendo

ocorrido um aumento de 27% na porcentagem de proteínas. Para o sistema em escala de

demonstração, ocorreu uma diminuição na concentração de carboidratos, proteínas e lipídios

no esgoto bruto, em proporções de 32, 52 e 28 %, respectivamente, da fase 3 para a fase 4. As

concentrações de ácido acético foram muito próximas durante todas as fases operacionais,

com porcentagens que variaram de 13 a 15 % da DQO equivalente total.


98

O cálculo da DQOequivalente para os compostos orgânicos específicos (Tabela 5.13) permite

uma melhor comparação da modificação na proporção de compostos orgânicos durante as

fases operacionais. Observa-se que os carboidratos corresponderam a 26,2 e 23,8 % da

DQOequivalente total nas fases 1 e 2, respectivamente. A DQOequivalente de lipídios, entretanto,

apresentou redução de 13,4 para 7,6 %, da fase 1 para a fase 2, enquanto a DQOequivalente de

proteínas aumentou de 45,4 para 54,0 %. Esse pode ter sido um fator a dificultar a remoção de

DBO durante a fase 2 da pesquisa, uma vez que as proteínas são compostos menos

biodegradáveis que os carboidratos e sua proporção aumentou durante essa fase. Além disso,

compostos protéicos podem ter sido liberados pelos microrganismos (AQUINO E

STUCKEY, 2002) contribuindo para o menor valor obtido para a eficiência de remoção de

DBO e de proteínas.

No sistema em escala de demonstração (fases 3 e 4), ocorreu um aumento na DQOequivalente de

carboidratos, lipídios e ácido acético, durante a fase 4 (com retorno de lodo). A proporção de

compostos orgânicos afluente pode ter sido um fator a favorecer a performance do sistema,

durante a fase 4, com um grande aumento na produção de gás (item 5.4), uma vez que os

carboidratos e o ácido acético são compostos de fácil degradação e sua proporção aumentou

durante essa fase, enquanto a proporção de proteínas diminuiu.

A contribuição da DQOequivalente de carboidratos, proteínas, lipídios e ácido acético em relação

à DQO total afluente, nas diferentes fases operacionais é apresentada nas Figuras 5.22 e 5.23

e na Tabela 5.9.

Figura 5.22 - Contribuição da DQO equivalente de matéria orgânica específica para a DQO total afluente ao sistema em escala piloto

Figura 5.23 - Contribuição da DQO equivalente de matéria orgânica específica para a DQO

total afluente ao sistema em escala de demonstração

A contribuição de carboidratos, proteínas, lipídios e ácido acético, para a DQO total,

apresentou mudanças, durante as fases operacionais, tendo-se obtido valores médios de 65,

71, 79 e 46 % da DQO total, para as fases 1, 2, 3 e 4, respectivamente. Esses resultados são

0

20

40

60

80

100

Fase 1 Fase 2

Po

rce

nta

ge

m (

%)

Restante

DQO equiv0

20

40

60

80

100

Fase 3 Fase 4

Por

cen

tag

em

(%

)

Restante

DQO equiv


99

semelhantes aos obtidos por Raunkjaer et al. (1994), que realizaram a caraterização do esgoto

bruto proveniente de 4 estações de tratamento de esgoto em termos de carboidratos, proteínas

e lipídios e observaram que a contribuição desses compostos para a DQO total do esgoto

bruto era de cerca de 77% da DQO total, podendo variar em função do horário da amostragem

e da composição do esgoto bruto, tendo-se observado um valor mínimo de cerca 50 % e um

valor máximo de cerca de 92%.

Raunkjaer et al. (1994) observaram, ainda, porcentagens de 18% de carboidratos, 28% de

proteínas e 31 % de lipídios no esgoto bruto. Observa-se, portanto, a obtenção de resultados

semelhantes, na presente pesquisa, para carboidratos e proteínas, que apresentara teores

médios de 16 e 33 %, respectivamente, durante as 4 fases operacionais. Todavia os resultados

obtidos para lipídios foram inferiores na presente pesquisa, possivelmente devido às

diferenças de composição das águas residuárias.

Cerca de 16 a 52 % da DQO do esgoto bruto permaneceu não identificada e alguns possíveis

compostos que poderiam ser responsáveis pela DQO restante seriam álcoois, aminoácidos,

detergentes, uréia, fenóis, dentre outros (RAUNKJAER, 1994; VON SPERLING, 1996). De

acordo com Raunkjaer et al. (1994), cerca de 23 a 49% da DQO total do esgoto bruto não se

origina de carboidratos, proteínas ou lipídios. Dignac et al. (2000), observaram que a análise

de aminoácidos, carboidratos, lipídios e compostos fenólicos no esgoto bruto contribui para a

identificação de 46% do carbono orgânico presente

Foi possível observar, ainda, que a porcentagem média de ácido acético no esgoto bruto

variou de 5 a 9 % da DQO total, sendo próxima aos resultados apresentados na literatura que

são da ordem de 9 a 19% da DQO total (RAUNKJAER et al., 1994).

5.1.5.1 - Comparação da proporção de carboidratos, proteínas e lipídios após as etapas de tratamento

Foi realizada a determinação do teor de compostos orgânicos específicos no esgoto bruto e

após as etapas de tratamento (efluentes do reator UASB e do FBP). Os resultados obtidos e a

DQOequivalente dos compostos orgânicos específicos são apresentados nas Tabelas 5.14 e 5.15 e

a modificação na proporção de compostos orgânicos específicos ao longo das etapas de

tratamento é apresentada nas Figuras 5.24 a 5.27.


100

Tabela 5.14 - Composição média do efluente do reator UASB durante as fases operacionais

Fase Parâmetros Concentração Média (mg.L-1)

DQOequivalente

(mg.L-1) % da DQO equivalente

total Carboidratos 17,6 19,4 13,0

Proteínas 77,8 116,7 78,3 1

Lipídios 4,5 13,1 8,8 Carboidratos 14,1 15,5 10,4

Proteínas 82,1 123,2 82,6 2


Proteínas 88,6 132,9 77,7 3


Proteínas 45,4 62,4 70,2 4

Lipídios 4,5 13,1 14,7

Tabela 5.15 - Composição média do efluente do FBP durante as fases operacionais

Fase Parâmetros Concentração Média (mg.L-1)

DQOequivalente

(mg.L-1) % da DQO equivalente

total Carboidratos 11,7 12,9 11,5

Proteínas 60,5 90,8 81,0 1


Proteínas 59,5 89,3 80,2 2

Lipídios 2,5 7,3 6,5 Carboidratos 17 18,7 14,9

Proteínas 68,7 103,1 81,9 3


Proteínas 31,1 46,7 72,3 4

Lipídios 1,8 5,2 8,1

Figura 5.24 – Modificação na proporção média de carboidratos, proteínas e lipídios

durante a Fase 1


durante a Fase 2

0%

20%

40%

60%

80%

100%

Afluente Ef l. UASB Efl.FBP

Po

rcen

tag

em

LipídiosCarboidratosProteínas

0%

20%

40%

60%

80%

100%

Afluente Ef l. UASB Efl.FBP

Por

cen

tag

em



101


durante a Fase 3


durante a Fase 4

Observa-se um aumento na proporção de proteínas e uma diminuição na proporção de

carboidratos e lipídios no efluente do reator UASB (Tabela 5.14), em relação ao observado no

esgoto bruto. Enquanto, no esgoto bruto, a DQO equivalente de carboidratos correspondia a cerca

de 25 a 31 % da DQOequivalente total, após o reator UASB passou a corresponder a cerca de 10

a 15% da DQOequivalente total. A DQOequivalente de proteínas passou de 53 a 65%, no afluente,

para 70 a 83 %, após o tratamento no reator UASB.

Após o FBP (Tabela 5.15), a DQOequivalente de carboidratos passou a apresentar valores na

faixa de 11 a 20 %, enquanto a DQOequivalente de proteínas passou a apresentar uma proporção

de 72 a 81% da DQOequivalente total.

A análise dos resultados indica o aumento na proporção de proteínas ao longo das etapas de

tratamento, principalmente após a primeira etapa de tratamento (reator UASB). Essa mudança

na proporção de compostos orgânicos específicos, com aumento na proporção de proteínas, se

deve, provavelmente, à maior eficiência de remoção de carboidratos e lipídios do sistema de

tratamento ou à liberação de compostos protéicos, pelos microrganismos, durante o processo

de tratamento. De acordo com Aquino e Stuckey (2002), que caracterizaram efluentes de

reatores CSTR de bancada alimentados com glicose, usando extração líquido-líquido seguida

de cromatografia a gás (CG), os compostos identificados (compostos fenólicos, ftalatos e

outros aromáticos) foram produzidos pelo sistema de tratamento, uma vez que não foram

identificados no afluente. Até o momento, não são claros os fatores que levaram a sua

produção.

0%

20%

40%

60%

80%

100%

Afluente Efl. UASB Efl.FBP

Po

rce

nta

gem

LipídiosCarboidratosProteínas 0%

20%

40%

60%

80%

100%

Afluente Efl. UASB Efl.FBP

Po

rce

nta

gem



102

Apesar do sistema de tratamento (reator UASB/FBP) ter proporcionado uma redução

substancial das proporções de carboidratos e lipídios, em relação à DQOequivalente total, o

mesmo não se pode dizer em relação à contribuição de carboidratos, proteínas e lipídios para

a DQO total. Neste aspecto, os resultados obtidos na presente pesquisa foram muito diferentes

dos obtidos por Dignac et al. (2000), que apontam que carboidratos, proteínas e lipídios

compõem menos que 50% da DQO residual. Já, nesse estudo, carboidratos, proteínas e

lipídios corresponderam a cerca de 62 a 100% da DQO total no efluente do reator UASB

(com valores de 102, 118, 83 e 62%, para as fases 1, 2, 3 e 4 , respectivamente) e a cerca 75 a

100 % da DQO total no efluente do FBP (com valores de 119, 120,108 e 75%, para as fases 1,

2, 3 e 4 , respectivamente). Portanto, os percentuais obtidos no presente estudo foram bem

mais elevados que os reportados por Dignac et al. (2000). Deve-se salientar que a

contribuição de proteínas equivale a cerca de 50 a 87 % da DQO total nos efluentes, sendo,

portanto, o principal composto responsável pela DQO residual nos efluentes do reator UASB

e do FBP. Deve-se considerar, ainda, que os fatores de conversão de carboidratos, proteínas e

lipídios, em DQOequivalente, podem também influenciar os resultados obtidos e ser diferentes

em função do padrão de conversão utilizado, resultando inclusive em valores superiores a 100

% da DQO total. Na presente pesquisa, os padrões utilizados para o cálculo dos fatores de

conversão foram lactose (para carboidratos), caseína (para proteínas) e óleo de soja (para

lipídios).

O retorno de lodo não pareceu alterar a proporção de compostos orgânicos nos efluentes do

processo de tratamento, uma vez que foram obtidos valores de 100 a 83 %, durante as fases 1

e 3, respectivamente (fases sem retorno de lodo), e de 100 a 62 %, durante as fases 2 e 4,

respectivamente (fases com retorno de lodo), no efluente do reator UASB. Entretanto,

menores proporções de carboidratos, proteínas e lipídios foram observadas nos efluentes do

processo de tratamento no sistema em escala demonstração, durante a fase 4, provavelmente

devido às menores proporções desses compostos no esgoto bruto.

Deve-se, ainda, considerar a diferença nos métodos analíticos empregados e a possibilidade

de parte do nitrogênio orgânico identificado pelo método Kjeldahl ser constituído por outros

compostos nitrogenados, tais como peptídeos, ácidos nucléicos, uréia, e numerosos compostos

orgânicos sintéticos (AWWA/APHA/WEF, 1998). Observa-se, ainda, que a predominância de

proteínas nos efluentes do processo de tratamento foi observada tanto para o efluente filtrado

quanto para o efluente bruto.


103

5.2- Estabilidade do processo de digestão anaeróbia

O efeito do tratamento combinado de esgotos e de lodo excedente de filtro biológico

percolador, sobre a estabilidade do processo de digestão anaeróbia, foi avaliado através da

realização de análises de carboidratos, proteínas, lipídios e ácidos graxos voláteis em

diferentes pontos de amostragem ao longo da altura no reator UASB. Através dessas análises,

foram obtidos os perfis de decaimento das concentrações de matéria orgânica específica e

ácidos graxos voláteis no reator anaeróbio, procurando-se avaliar as diferenças entre a fase 1

(fase sem retorno de lodo) e a fase 2 (fase com retorno de lodo).

5.2.1 - Verificação do ajuste dos dados à distribuição normal

Para se comparar as médias das concentrações entre as fases operacionais e verificar se

ocorreu uma diferença estatisticamente significativa devido ao retorno de lodo, foi necessário

identificar, inicialmente, o ajuste dos resultados à distribuição normal, utilizando-se o método

de “Kolmogorov-Smirnov” (Anexo VI).

Os resultados obtidos para carboidratos, proteínas e lipídios indicaram que a maioria dos

resultados apresentou distribuição normal, somente os resultados obtidos para carboidratos,

no ponto de amostragem 2, durante a fase 1, e lipídios nos pontos de amostragem 1 e 2,

durante a fase 2, não apresentaram distribuição normal. Para esses resultados, entretanto,

observou-se o ajuste à distribuição lognormal.

Os resultados obtidos para ácidos graxos voláteis indicaram que a maioria dos resultados

obtidos para a concentração de ácido acético não apresentou distribuição normal, com

exceção dos resultados obtidos na fase 2, nos pontos de amostragem 1, 6 e 10, durante a fase

2, tendo sido possível, entretanto, observar o ajuste dos dados à distribuição lognormal. Para o

ácido butírico, os resultados também se ajustaram à distribuição lognormal.

5.2.2- Perfil de decaimento de matéria orgânica específica no reator UASB

A partir da análise de carboidratos, proteínas e lipídios solúveis, em diferentes alturas do

reator UASB, foi possível comparar a concentração desses compostos, durante as fases

operacionais. Os dados estatísticos básicos para o perfil de decaimento de matéria orgânica

específica no reator UASB são apresentados na Tabela. 5.16 e os resultados obtidos no Anexo

III (Tabelas A3.1 a A3.2).


104

Tabela 5.16 - Dados Estatísticas Básicos para carboidratos, proteínas e lipídios solúveis Fase 1 Fase 2

Parâmetro

mg.L-1

E. Bruto

0 cm

25 cm

125 cm

225 cm

Efl. UASB

E. Bruto

0 cm

25 cm

125 cm

225 cm

Efl. UASB

N 15 15 15 15 15 15 18 18 18 18 18 18 Média 15,6 43,2 47,1 17,1 13,8 8,5 16,5 61,2 61,6 17,9 14,3 9,3 Mínimo 9,6 17,5 16,4 2,8 1,4 4,1 8,9 18,2 19,2 9,4 8,2 0,8 Máximo 27,9 96,4 124,8 34,9 24,9 13,1 32,6 118,2 101,2 27,1 22,4 15,0

Carboi-drato

DP 4,3 24,6 29,8 7,0 5,0 2,3 5,1 25,7 22,1 5,3 3,7 3,8 N 15 15 15 15 15 15 18 18 18 18 18 18

Média 79,7 168,0 196,6 52,6 50,6 44,7 71,1 264,1 233,1 60,4 43,9 43,6 Mínimo 41,7 40,7 68,5 9,5 9,9 26,4 40,4 137,8 99,0 4,1 7,8 16,5 Máximo 188,5 393,5 498,6 99,8 119,6 69,8 89,1 522,6 448,3 94,0 65,6 57,7

Proteína

DP 39,1 96,6 119,1 24,8 28,8 13,0 13,0 102,4 93,8 19,8 12,6 11,5 N 15 15 15 15 15 15 18 18 18 18 18 18


Lipídio

DP 2,4 2,0 4,6 2,4 1,2 1,1 1,8 8,3 10,2 1,8 2,2 1,0 Obs: as amostras do esgoto bruto e do efluente do reator UASB foram obtidas por amostragens compostas, enquanto as amostras em diferentes alturas do reator foram obtidas por amostragens pontuais

5.2.2.1 - Carboidratos

Os perfis de decaimento das concentrações de carboidratos no reator UASB, nas fases 1 e 2,

ao longo da altura do reator (0 a 225 cm) são apresentados através de diagramas de Box-

Whisker na Figura 5.28.

Fase 1 Fase 2

Figura 5.28 - Perfil de decaimento da concentração de carboidratos no reator UASB

As concentrações médias de carboidratos solúveis no afluente do reator UASB foram

semelhantes durante as duas fases operacionais com valores médios de 15,6 e 16,5 mg.L-1,

para as fases 1 e 2, respectivamente. A análise da Figura 5.28 indica, ainda, que o decaimento

de concentrações de carboidratos no reator UASB começa a ocorrer a partir de 25 cm de

altura (quando as concentrações apresentam os valores mais elevados) para as duas fases

operacionais, tendo sido observadas concentrações médias de carboidratos mais elevadas,

MáximoMínimo

75%25%

Mediana

Ca

rbo

idra

tos

(mg/

L)

0

20

40

60

80

100

0cm 25cm 125cm 225cm

MáximoMínimo

75%25%

Mediana

Car

boid

rato

s (m

g/L)

0

20

40

60

80

100



105

durante a fase 2, nas alturas de 0 e 25 cm, embora a concentração solúvel afluente de

carboidratos tenha sido praticamente a mesma durante as duas fases.

A fim de se comparar as fases 1 e 2 em relação ao perfil de decaimento da concentração de

carboidratos no reator UASB, foram desenvolvidas análises estatísticas, com a realização de

uma avaliação inicial do ajuste dos resultados à distribuição normal, e, em seguida, com a

verificação da hipótese nula de que as médias das concentrações durante as duas fases tenham

sido iguais (ao nível de significância de 5%), utilizando-se a distribuição “t de Student”.

Quando o valor absoluto do t calculado for inferior ao tabelado, deve-se aceitar a hipótese

nula, caso contrário deve-se rejeitá-la. Os resultados dos testes estatísticos são apresentados

na Tabela 5.17 e no Anexo VII.

Tabela 5.17 - Resultados da análise estatística para a comparação da concentração média de carboidratos, ao longo da altura do reator UASB, durante as fases 1 e 2

Ponto de amostragem

Concentrações Médias(mg.L-1)

Diferença entre as fases

Fase 1 = 43,2 Significativa 0 cm Fase 2 = 61,2

Fase 1 = 47,1 Não significativa 25cm Fase 2 = 61,6



Os resultados da análise estatística só indicaram uma diferença estatisticamente significativa

nas concentrações médias de carboidratos entre as fases, para o lodo coletado no ponto de

amostragem 1 (0 cm de altura). Nos demais pontos de amostragem, não ocorreu diferença

significativa entre as fases, apesar do aparente aumento nas concentrações médias de

carboidratos a 25 cm de altura, durante a fase 2. Esses resultados indicam um maior

decaimento das concentrações de carboidratos, durante a fase 2 da pesquisa, uma vez que as

concentrações iniciais foram superiores no ponto de amostragem 1 e foi possível atingir

concentrações finais praticamente iguais nos demais pontos de amostragem.

5.2.2.2 – Proteínas

Os perfis de decaimento das concentrações de proteínas ao longo da altura do reator UASB (0

a 225cm), para as fases 1 e 2, são apresentados na Figura 5.29, através de diagramas de Box-

Whisker.


106

Fase 1 Fase 2

Figura 5.29 - Perfil de decaimento da concentração de proteínas no reator UASB

As concentrações médias de proteínas solúveis no afluente ao reator UASB foram

ligeiramente inferiores na fase 2, em relação à fase 1 (com valores médios de 79,7 mg. L-1, na

fase 1, e 71,1 mg. L-1, na fase 2). Observa-se, entretanto, concentrações médias aparentemente

mais elevadas de proteínas no ponto de amostragem 1 (0 cm de altura). Nos demais pontos de

amostragem as concentrações médias permaneceram próximas, durante as duas fases. Pode-se

observar, ainda, que, durante a fase 2, ocorreu uma menor variabilidade nas concentrações de

proteínas a 125 e 225 cm de altura no reator UASB, embora as concentrações médias tenham

ficado bem próximas, durante as duas fases.

A fim de se comparar as fases 1 e 2 em relação ao perfil de decaimento da concentração de

proteínas no reator UASB foi realizada a análise estatística, utilizando-se o método “t de

student”, conforme já apresentado para a análise de carboidratos. Os resultados da análise

estatística são apresentados na Tabela 5.18 e no Anexo VII.

Tabela 5.18 - Resultados da análise estatística para a comparação da concentração média de proteínas, ao longo da altura do reator UASB, durante as fases 1 e 2

Ponto de amostragem

Concentrações Médias (mg.L-1)




Fase 1 = 52,6 Não siginicativa 125cm Fase 2 = 60,4


MáximoMínimo

75%25%

Mediana

Pro

teín

as (

mg

/L)

0

100

200

300

400


MáximoMínimo

75%25%

Mediana

Pro

teín

as (

mg

/L)

0

100

200

300

400



107

Os resultados da análise estatística indicaram um aumento estatisticamente significativo na

concentração média de proteínas a 0 cm de altura (ao nível de significância de 5%), da fase 1

para a fase 2, embora a concentração média afluente de proteínas tenha sido ligeiramente

inferior durante a fase 2 (79,7 mg. L-1, na fase 1, e 71,1 mg. L-1, na fase 2). Para os demais

pontos de amostragem, não foi verificada uma diferença estatisticamente significativa na

concentração média de proteínas, de uma fase para outra.

5.2.2.3 – Lipídios

Os perfis de decaimento das concentrações de lipídios, ao longo da altura do reator (0 a

225cm), para as fases 1 e 2, são apresentados na Figura 5.30, através de diagramas de Box

Whisker.

Fase 1 Fase 2

Figura 5.30 Perfil de decaimento da concentração de lipídios

Observa-se na Figura 5.30 e na Tabela 5.12 que, durante a fase 2, a concentração média de

lipídios praticamente não se modificou da altura de 0 a 25cm. Entretanto, ocorreu uma grande

variabilidade das concentrações a 25 cm de altura, durante essa fase, com desvio padrão de

10,2. Nos pontos mais elevados do reator, as concentrações de lipídios foram muito próximas

durante as duas fases, mas, durante a fase 1, as concentrações a 225 cm de altura foram mais

baixas e apresentaram menor dispersão nas concentrações.

Os resultados da análise estatística para o decaimento da concentração de lipídios no reator

UASB são apresentados na Tabela 5.19 e no Anexo VII.

MáximoMínimo

75%25%

Mediana

Lip

ídio

s (m

g/L

)

0

5

10

15

20

25

30

35


MáximoMínimo

75%25%

Mediana

Lip

ídio

s (m

g/L

)

0

5

10

15

20

25

30

35



108

Tabela 5.19 - Resultados da análise estatística para a comparação da concentração média de lipídios, ao longo da altura do reator UASB, durante as fases 1 e 2

Ponto de amostragem







Esses resultados são semelhantes aos obtidos para as concentrações de carboidratos e

proteínas, tendo-se observado, novamente, um aumento estatisticamente significativo nas

concentrações a 0 cm de altura no reator UASB, durante a fase 2. Para os demais pontos, não

ocorreu diferença significativa entre as fases.

Esses resultados parecem indicar que uma maior conversão de substratos deve ter ocorrido

durante a fase 2, uma vez que a diferença de concentrações entre as alturas de 0 cm e 225 cm

foi superior, durante essa fase. Essa maior conversão de substratos pode ter sido favorecida

por alguns fatores que se modificaram, durante a fase com retorno de lodo, tais como a

modificação no tamanho de partículas do lodo e maior produção de gás (que pode provocar

um maior efeito de mistura no reator). Esses aspectos serão discutidos nos itens 5.3.6, 5.3.7 e

5.4 deste capítulo.

5.2.2.4 – Equações de decaimento de matéria orgânica específica no reator UASB

A partir dos resultados obtidos para as concentrações de carboidratos, proteínas e lipídios em

diferentes alturas do reator, procurou-se determinar a cinética das reações de degradação e a

constante de reação paras esses compostos orgânicos, durante as duas fases operacionais. Para

a determinação da cinética das reações, considerou-se que o reator UASB em escala piloto

seria constituído de 13 células de mistura completa em série, de volumes iguais, sendo que

cada um deles correspondia a um volume de 17,2 litros e uma altura de 25 cm, totalizando o

volume de 224 litros do compartimento de digestão do reator UASB. O tempo de detenção em

cada célula foi de 0,23 horas (14 minutos). Para esse número de células em série ocorreu um

melhor ajuste dos dados às equações de decaimento de concentrações no reator UASB.


109

Foram testadas as cinéticas de remoção de ordem zero e de primeira ordem, sendo que a

cinética de primeira ordem foi a que melhor se ajustou aos resultados obtidos. A equação que

descreve a reação de remoção de matéria orgânica, para sistemas com células de mistura

completa em série, para a cinética de remoção de primeira ordem, é:

(5.1)

Na qual: Cn = concentração efluente da célula n (g.m-3) θh = tempo de detenção em uma célula (d) Co = concentração inicial (g.m-3) n = número de células de igual volume k = constante aparente de reação (d-1 )

Os resultados obtidos para o sistema em escala piloto são apresentados na Tabela 5.20 e nas

Figuras 5.31 a 5.36 apresenta-se o decaimento de concentrações no reator, calculado a partir

das equações obtidas.

Tabela 5.20 – Valores da constante aparente K e do coeficiente de determinação

para as equações de remoção de primeira ordem

Parâmetro Fase K (d -1 ) R2

Carboidratos 1 19,0 0,85 2 23,3 0,86 Proteínas 1 20,8 0,77 2 27,5 0,94 Lipídios 1 11,8 0,38 2 26,6 0,61

Onde: Temperatura média da fase 1 =24,7 OC e temperatura média da fase 2 = 22,1 OC

Figura 5.31 – Decaimento de concentração de carboidratos para os diferentes valores de concentrações

iniciais em mg.L-1 (fase 1)

Figura 5.32 – Decaimento de concentração de carboidratos para os diferentes valores de concentrações

iniciais em mg.L-1 (fase 2)

Cn = Co (1 + k x θh)

n

0

20

40

60

80

100

0,0 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0Tempo de detenção (h)

Ca

rbo

idra

tos

(mg/

L) Co=18 Co=24

Co=27 Co=23Co=40 Co=34 Co=64

0

20

40

60

80

100


Ca

rbo

idra

tos

(m

g/L

) Co=33 Co=24 Co=53 Co=65 Co=73 Co=59


110

Figura 5.33 – Decaimento de concentração de proteínas para os

diferentes valores de concentrações iniciais em mg.L-1 (fase 1)

Figura 5.34 – Decaimento de concentração de proteínas para os


Figura 5.35 – Decaimento de concentração de lipídios para os


Figura 5.36 – Decaimento de concentração de lipídios para os


A análise da Tabela 5.20 indica que as constantes aparentes de reação foram mais elevadas,

durante a fase 2, para carboidratos, proteínas e lipídios, apesar da menor temperatura média

observada, durante essa fase. O retorno de lodo, através de bombeamento semi-contínuo,

poderia ser um fator a influenciar o maior valor da constante durante a fase 2, devido à

modificação na velocidade ascensional, que apresentou oscilações de 1 a 1,4 m.h-1, e,

consequentemente, à maior transferência de massa no reator. Deve-se salientar que os

resultados obtidos para as constantes cinéticas aparentes são apenas para comparação entre as

fases e são específicas para o reator UASB alimentado com esgoto sanitário, com composição

semelhante ao utilizado e condições operacionais iguais às da pesquisa. Mudanças nessas

condições podem originar diferentes valores para essa constante.

A análise da Tabela 5.20 e das Figuras 5.31 a 5.36 indica que os resultados que apresentaram

um melhor ajuste à equação de 1a ordem foram aqueles obtidos para carboidratos e proteínas,

sendo que os resultados obtidos para proteínas, durante a fase 2, apresentaram o melhor

0

50

100

150

200

250

300


Pro

teín

as (

mg/

L)

Co=41 Co=113 Co=104 Co=158Co=123 Co=155 Co=284

0

50

100

150

200

250

300


Pro

teín

as (

mg

/L)

Co=158 Co=138 Co=205 Co=320 Co=273 Co=254

0

2

4

6

8

10

12

14


Lip

ídio

s (

mg

/L)

Co=5,2 Co=8,3 Co=10,6 Co=9,2Co=6,9 Co=8,1 Co=8,2

0

2

4

6

8

10

12

14


Lip

ídio

s (

mg

/L)

Co=10,0 Co=12,7 Co=8,2 Co=8,3 Co=9,7 Co=7,2


111

coeficiente de determinação (0,94). Para lipídios, foram obtidos baixos coeficientes de

determinação indicando que algum outro fator, além do tempo de detenção, influencia o seu

decaimento de concentrações no reator. A comparação dos resultados previstos pela equação e

dos resultados observados é apresentada nas Figuras 5.37 a 5.42.

Figura 5.37 – Resultados previstos e observados para Carboidratos – fase 1

Figura 5.38 - Resultados previstos e observados para Carboidratos – fase 2

Figura 5.39 - Resultados previstos e observados para Proteínas – fase 1

Figura 5.40 - Resultados previstos e observados para Proteínas – fase 2

Figura 5.41 - Resultados previstos e observados para Lipídios – fase 1

Figura 5.42 - Resultados previstos e observados para Lipídios – fase 2

Valores Previstos pelo modelo

Val

ores

Obs

erva

dos

para

lipí

dios

0

5

10

15

20

25

30

35

40

0 5 10 15 20 25 30 35 40


Val

ores

obs

erva

dos

para

lipí

dio

s

0

2

4

6

8

10

12

0 2 4 6 8 10 12


Va

lore

s ob

serv

ados

par

a P

rote

ína

s

0

100

200

300

400

500

600

0 100 200 300 400 500 600


Va

lore

s O

bser

vado

s pa

ra P

rote

ínas

0

100

200

300

400

0 100 200 300 400

Valores Previstos pelo modeloVal

ore

s ob

serv

ados

pa

ra c

arbo

idra

tos

0

20

40

60

80

100

0 20 40 60 80 100

Valores Previstos pelo modeloVal

ore

s ob

serv

ados

pa

ra c

arbo

idra

tos

0

20

40

60

80

100

120

140

0 20 40 60 80 100 120 140


112

5.2.3- Perfil de decaimento de ácidos graxos voláteis no reator UASB

Os dados estatísticos básicos obtidos para as concentrações de ácidos graxos voláteis são

apresentados na Tabela. 5.21 e os resultados em diferentes dias operacionais no Anexo III

(Tabelas A3.2 e A3.3) . Esses resultados indicaram a predominância do ácido acético em

todo o reator, durante as fases operacionais. O ácido butírico esteve presente em

concentrações maiores que os outros ácidos, mas bem inferiores às de ácido acético. Ambos

os ácidos estiveram presentes no esgoto bruto em concentrações médias de 50,6 (fase 1) e

53,2 mg.L-1 (fase 2), para o ácido acético, e 4,0 (fase 1) e 2,9 mg.L-1 (fase 2), para o ácido

butírico (Tabela 5.21). Os ácidos propiônico, iso-butírico, valérico e iso-valérico foram

detectados em todas as fases operacionais, porém em concentrações abaixo de 1mg.L-1, tanto

no esgoto bruto quanto no reator UASB.

Tabela 5.21 - Dados Estatísticas Básicos para ácidos graxos voláteis

Fase 1 Fase 2 Ácido mg.L-1

E. Bruto 0cm 25cm 125

cm 225 cm

Efl. UASB

E. Bruto 0cm 25cm 125 cm

225 cm

Efl. UASB

N 16 16 16 16 16 16 16 16 16 16 16 16 Média 50,6 22,1 11,9 9,0 4,8 3,1 53,2 11,6 6,7 6,8 3,4 3,3 Mínimo 16,6 0,2 0,2 0,0 0,0 0,0 40,4 0,1 0,0 0,7 0,6 1,4 Máximo 79,2 78,7 34,5 56,9 19,4 7,8 66,1 28,7 19,9 16,6 8,7 5,9

Acético

DP 18,3 28,0 12,5 14,3 5,1 2,5 7,2 8,2 7,4 5,6 2,3 1,3 N 16 16 16 16 16 16 16 16 16 16 16 16


Butírico

DP 2,7 2,5 2,0 0,8 1,1 0,7 1,3 0,5 0,1 0,8 0,2 0,3 N 16 16 16 16 16 16 16 16 16 16 16 16


Propiô-nico

DP 0,35 0,34 0,25 0,22 0,05 0,09 0,25 0,09 0,07 0,07 0,04 0,05 Onde: Limite de detecção do ácido acético = 4 mg.L-1 Limite de detecção do ácido butírico e propiônico = 1 mg.L-1

5.2.3.1- Ácido acético

Os perfis de decaimento das concentrações de ácido acético no reator UASB, nas fases 1 e 2,

são apresentados na Figura 5.43. Ocorreu uma aparente diminuição nas concentrações médias

de ácido acético nos pontos de amostragem do reator, da fase 1 para a fase 2, podendo-se

observar, ainda, uma maior variabilidade nas concentrações de ácido acético, durante a fase 1,

para todos os pontos de amostragem.


113

Fase 1 Fase 2

Figura 5.43 - Perfil de decaimento da concentração de ácido acético no reator

UASB

A análise estatística dos resultados obtidos para o perfil de decaimento das concentrações de

ácido acético é apresentada na Tabela 5.22.

Tabela 5.22 - - Resultados da análise estatística para a comparação da concentração média de ácido acético, ao longo da altura do reator UASB, durante as fases 1 e 2

Ponto de amostragem







Os resultados obtidos para a análise estatística das concentração de ácido acético não

indicaram diferença estatisticamente significativa para as concentrações de ácido acético no

reator UASB, embora as concentrações médias no reator tenham apresentado uma aparente

diminuição da fase 1 para a fase 2.

A manutenção de concentrações de ácido acético próximas, durante as fases operacionais,

indica que o retorno de lodo não provocou um acúmulo de ácido acético no reator e que, uma

vez formado, esse ácido foi rapidamente convertido em metano.

MáximoMínimo

75%25%

Mediana

Áci

do A

cétic

o (m

g/L)

0

20

40

60

80


MáximoMínimo

75%25%

Mediana

Áci

do A

cétic

o (m

g/L)

0

20

40

60

80



114

5.2.3.2 – Ácido butírico

Os perfis de decaimento das concentrações de ácido butírico no reator UASB, nas fases 1 e 2,

são apresentados na Figura 5.44.

Fase 1 Fase 2

Figura 5.44 - Perfil de decaimento da concentração de ácido butírico no reator UASB

A análise da Figura 5.44 indica que o ácido butírico não apresentou decaimento

aparentemente exponencial de concentrações, como havia sido observado para os demais

compostos orgânicos, provavelmente devido às baixas concentrações encontradas em ambas

as fases.

A análise estatística dos resultados obtidos para o perfil de decaimento das concentrações de

ácido butírico é apresentada na Tabela 5.23.

Tabela 5.23 - Resultados da análise estatística para a comparação da concentração média de ácido butírico, ao longo da altura do reator UASB, durante as fases 1 e 2

Ponto de amostragem

Concentrações Médias (mg/L)



Fase 1 = 1,6 Significativa 25cm Fase 2 = 0,1


Fase 1 = 1,1 Significativa 225cm Fase 2 = 0,1

Os resultados obtidos para a análise estatística das concentração de ácido butírico indicaram

diferença estatisticamente significativa para as concentrações de ácido nas alturas de 25 e

225 cm. Ocorreu uma grande diminuição nas concentrações de ácido butírico, durante a fase

2 em relação à fase 1, e as concentrações desse ácido se tornaram mais próximas dos demais

MáximoMínimo

75%25%

Mediana

Áci

do B

utíri

co (m

g/L)

0

1

2

3

4

5

6

7


MáximoMínimo

75%25%

Mediana

Áci

do B

utíri

co (m

g/L)

0

1

2

3

4

5

6

7



115

ácidos. Entretanto, a 125 cm de altura a concentração de ácido butírico permaneceu próxima

ao observado na fase 1.

As menores concentrações de ácido butírico podem indicar uma menor formação desse ácido

durante a fase com retorno de lodo ou uma conversão mais rápida em ácido acético, devido à

maior mistura no reator UASB provocada pelo bombeamento semi-contínuo do lodo que

provocou um aumento de 40% na velocidade ascencional no reator UASB, quando o lodo de

retorno era bombeado, tendo-se obtido uma oscilação na velocidade de 1 a 1,4 m.h-1.

A análise estatística dos ácidos propiônico, iso-butírico, valérico e iso-valérico não foi

realizada devido às baixas concentrações desses ácidos no reator.

5.2.3.3 – Equações de decaimento de ácidos graxos voláteis no reator UASB

Para a determinação das equações de decaimento de ácidos graxos voláteis, foi considerado

que o reator UASB seria constituído de 13 células de mistura completa, em série, de volumes

iguais, observou-se que a cinética de primeira ordem foi a que melhor se ajustou aos

resultados obtidos para ácido acético. Entretanto, os coeficientes de determinação foram

muito baixos, com valores de 0,51 para as fases 1 e 2, enquanto os valores obtidos para as

constantes aparentes de reação foram de 106,2 d-1, durante a fase 1, e 21,9 d-1, durante a fase

2. Observa-se que a constante aparente de reação foi inferior para o ácido acético, durante a

fase com retorno de lodo, diferente do ocorrido para carboidratos, proteínas e lipídios que

apresentaram um aumento na constante aparente de reação durante essa fase. Os valores

baixos obtidos para os coeficientes de determinação se justificam devido ao fato dos ácidos

graxos voláteis serem intermediários das reações que ocorrem durante a digestão anaeróbia.

Dessa maneira, suas concentrações não apresentam um decaimento semelhante ao de DQO,

como observado anteriormente por Miqueleto et al. (2003). Para o ácido butírico, os

coeficientes de determinação obtidos foram inferiores a 0,50, não sendo possível estimar o

tipo de decaimento de concentrações no reator.

5.2.4 - Perfil de decaimento de DQO no reator UASB

Para uma melhor avaliação do decaimento de concentrações de compostos orgânicos no reator

UASB, foi feita a determinação da DQO equivalente dos compostos orgânicos específicos,

nas diferentes alturas do reator (0 a 225cm). Os resultados obtidos, para as fases 1 e 2, são

apresentados na Figura 5.45.


116

Fase 1 Fase 2

Figura 5.45 Perfil de decaimento da DQO

O perfil de decaimento de DQO foi semelhante ao observado para carboidratos e proteínas,

sendo possível observar a menor variabilidade nas concentrações de DQO a 125 e 225 cm de

altura, durante a fase 2, como havia sido observado para proteínas, indicando a maior

estabilidade do reator UASB, em relação ao decaimento de concentrações, durante essa fase.

Os resultados da análise estatística para o decaimento da concentração de DQO no reator

UASB são apresentados na Tabela 5.24.

Tabela 5.24 - Resultados da análise estatística para a comparação da concentração média de DQO, ao longo da altura do reator UASB, durante as fases 1 e 2

Ponto de amostragem



Fase 1 = 315,1 Significativa 0 cm Fase 2 = 503,4 Fase 1 = 370,2 Não significativa 25cm Fase 2 = 464,7 Fase 1 = 109,7 Não significativa 125cm Fase 2 = 120,7 Fase 1 = 97,7 Não significativa 225cm Fase 2 = 91,0

As diferenças nas concentrações médias de DQO, a 0 cm de altura, foram consideradas

estatisticamente significativas da fase 1 para a fase 2, enquanto para os demais pontos de

amostragem as diferenças nas concentrações médias não foram estatisticamente significativas.

Esses resultados são semelhantes aos observados para carboidratos, proteínas e lipídios e

parecem indicar uma maior conversão de substratos durante a fase 2, uma vez que a partir de

MáximoMínimo

75%25%

Mediana

DQ

O e

qui

vale

nte

(mg/

L)

0

100

200

300

400

500

600

700


MáximoMínimo

75%25%

Mediana

DQ

O e

qui

vale

nte

(mg/

L)

0

100

200

300

400

500

600

700



117

concentrações iniciais mais elevadas presentes no ponto de amostragem 1 (0 cm de altura) foi

possível atingir as mesmas concentrações nos pontos mais elevados do reator.

Uma possível explicação para a maior conversão de substratos, durante a fase 2, seria o efeito

da pulsação provocada pelo bombeamento semi-contínuo do lodo de retorno no reator UASB,

que teria provocado uma maior transferência de massa no reator. De acordo com Franco et al.

(2002), que estudaram reatores operando com pulsação e sem pulsação, pode ocorrer um

aumento na capacidade de remoção e na estabilidade do reator UASB devido à pulsação do

afluente, podendo ocorrer formação de partículas de lodo de menor tamanho e maior

porosidade, aumentando a área superficial do leito de lodo e a atividade metanogênica

específica.

A análise do perfil de decaimento de DQO foi semelhante ao de carboidratos, proteínas e

lipídios, tendo sido possível identificar regiões no reator semelhantes às observadas por

Laubscher et al. (2001), que estudaram o perfil de decaimento de DQO em dois reatores

UASB tratando efluentes com diferentes características. Os pesquisadores observaram a

formação de três diferentes regiões no reator UASB: (1) zona ativa inferior, onde a

concentração inicial de DQO se reduzia a metade da concentração inicial; (2) zona ativa

superior, onde a concentração de DQO se aproximava do valor mínimo e (3) zona inativa

superior, onde não se observava atividade.

Na presente pesquisa, foi possível identificar a zona 1, até a altura de 25 cm, e a zona 3, a

partir da altura de 125 cm. Entretanto, devido ao pequeno número de pontos de coleta entre as

alturas de 25 e 125 cm, não foi possível identificar claramente o final da zona 1 e o início da

zona 2.

5.2.4.1 – Equações de decaimento de DQO no reator UASB

Para a determinação das equações de decaimento de DQO, foram feitas as mesmas

considerações definidas para o decaimento de concentrações de matéria orgânica específica,

tendo-se considerado o que o reator UASB seria constituído de 13 células de mistura

completa, em série, de volumes iguais.

A cinética de primeira ordem foi a que melhor se ajustou aos resultados obtidos para o

sistema em escala piloto que são apresentados nas Figuras 5.46 e 5.47. Foram obtidas


118

constantes aparentes de reação de 19,6 d-1 , durante a fase 1, e 26,7 d-1, durante a fase 2, e

coeficientes de determinação de 0,78 e 0,94, para as fases 1 e 2, respectivamente.

Figura 5.46 – Equação de decaimento de DQO para os diferentes valores de concentrações iniciais da fase 1 em

mg.L -1

Figura 5.47 – Equação de decaimento de DQO para os diferentes valores de concentrações iniciais da fase 2 em

mg.L -1 A análise das Figuras 5.46 e 5.47 e dos coeficientes de determinação obtidos indica que os

resultados de DQO que mais se ajustaram à equação de 1a ordem foram aqueles obtidos

durante a fase 2 (R2 = 0,94). A constante de reação foi superior durante essa fase, da mesma

maneira que havia sido observado para carboidratos, proteínas e lipídios, podendo ter sido

influenciada pelo maior efeito de mistura provocado pelo bombeamento semi-contínuo, que

foi realizado na fase com retorno de lodo. A comparação dos resultados previstos e

observados para a DQO é apresentada nas Figuras 5.48 a 5.49.

Figura 5.48 - Resultados previstos e observados para DQO–fase 1

Figura 5.49 - Resultados previstos e observados para DQO –fase 2

Os resultados obtidos para as constantes aparentes de reação para a DQO variaram de 19,6 d-1

(0,82 h-1) a 26,7 d-1 (1,11 h-1), sendo próximos aos apresentados por Barbosa et al. (2002),

que variaram de 0,200 a 1,128 h-1 e foram obtidos para simulação de um modelo empírico-


Val

ores

obs

erva

dos

para

DQ

O

0

200

400

600

800

1000

0 200 400 600 800 1000


Val

ores

obs

erva

dos

para

DQ

O

0

100

200

300

400

500

600

700

800

900

0 100 200 300 400 500 600 700 800 900

0

100

200

300

400

500

600


DQ

O (

mg

/L)

Co=95 Co=220 Co=210 Co=217Co=289 Co=520 Co=398

0

100

200

300

400

500

600


DQ

O (

mg

/L)

Co=302 Co=270 Co=390 Co=575Co=496 Co=482 Co=348 Co=510


119

estatístico para simulação de desempenho de reatores do tipo RAHLF (Reator Anaeróbio

Horizontal de Leito Fixo) no tratamento de esgoto sanitário sintético. Os pesquisadores

observaram, ainda, a influência da velocidade no valor da constante cinética, que variou de

10,4 cm.h-1 a 52,0 cm.h-1, para temperaturas de 15 a 35 OC.


120

5.3-Caracterização da biomassa no reator UASB

O efeito do tratamento combinado de esgotos e de lodo excedente de filtro biológico

percolador, sobre as características da biomassa, foi avaliado nos sistemas reator UASB/FBP

em escala piloto e em escala de demonstração, operando com e sem o retorno de lodo.

Realizou-se o monitoramento da biomassa no reator UASB com amostragem em diferentes

pontos ao longo da altura do reator e com realização das seguintes análises:

• sólidos totais e voláteis;

• polímeros extra-celulares;

• distribuição granulométrica;

• atividade metanogênica específica;

• estabilidade e índice volumétrico do lodo.

São apresentados os resultados obtidos para as fases 1 e 2 (sistema em escala piloto, operando

sem e com retorno de lodo excedente do FBP para o reator UASB), e para as fases 3 e 4

(sistema em escala de demonstração, operando sem e com o retorno do lodo excedente do

FBP para o reator UASB).

Os dados estatísticos básicos para as análises de sólidos totais e voláteis, em diferentes pontos

de amostragem (PA) no reator UASB, são apresentados nas Tabelas 5.25 a 5.28. Para as

análises de polímeros extra-celulares, índice volumétrico do lodo e distribuição

granulométrica, os resultados são apresentados nas Tabelas 5.29 e 5.30 . Os resultados

obtidos para os diferentes dias operacionais são apresentados no Anexo IV (Tabelas A4.1 a

A4.8).


121

Tabela 5.25 - Dados estatísticos básicos para o teor de sólidos totais em

diferentes alturas no reator UASB em escala piloto

ST (g/L) FASE 1 FASE 2 Ponto de

amostragem N Média Mínimo Máximo DP N Média Mínimo Máximo DP PA 1 9 87,4 84,0 94,2 3,4 10 72,2 49,1 89,3 12,4 PA 2 9 86,9 81,3 97,6 5,4 10 85,8 72,8 112,8 12,1 PA 3 9 69,1 49,5 84,5 10,6 10 73,9 28,5 121,8 25,3 PA 4 9 30,2 22,0 35,6 5,1 10 31,2 19,8 39,4 6,6 PA 5 9 20,9 14,6 29,7 4,3 10 23,1 17,9 30,8 3,3 PA 6 9 17,9 13,2 28,6 4,4 10 21,5 16,2 29,9 3,8 PA 7 9 18,7 12,9 27,2 4,5 10 20,1 16,4 25,1 2,8 PA 8 9 15,5 11,0 23,1 3,6 10 18,7 15,6 21,1 1,9 PA 10 9 16,0 10,8 24,0 4,2 10 18,3 13,7 22,6 2,3 PA 12 9 14,1 9,2 17,3 2,5 10 16,6 13,4 18,9 1,7 PA 14 9 15,7 0,9 31,8 11,6 10 16,2 12,5 19,3 2,5

Onde N= número de dados; DP = Desvio Padrão PA1=0 cm; PA2=25 cm; PA3=50 cm; PA4=75 cm; PA5=100 cm; PA6=125 cm; PA7=150 cm; PA8=175 cm; PA9=200 cm; PA10=225 cm; PA12=275 cm; PA14=325 cm de altura.

Tabela 5.26 - Dados estatísticos básicos para a porcentagem de só lidos

voláteis em diferentes alturas no reator UASB em es cala piloto

%SVT FASE 1 FASE 2 Ponto de

amostragem N Média Mínimo Máximo DP N Média Mínimo Máximo DP PA 1 9 55,8 46,4 59,9 4,4 10 60,2 58,5 62,1 1,5 PA 2 9 58,6 50,6 67,3 4,9 10 61,6 57,1 67,0 3,0 PA 3 9 61,5 58,9 65,2 2,3 10 64,1 55,7 75,0 6,5 PA 4 9 64,5 59,2 72,0 4,0 10 63,4 59,1 71,0 3,3 PA 5 9 62,6 59,0 74,0 4,5 10 65,2 53,3 77,6 5,9 PA 6 9 63,5 58,4 77,6 5,9 10 66,4 58,5 78,7 6,1 PA 7 9 66,3 55,4 80,4 7,8 10 66,9 63,2 73,8 3,9 PA 8 9 62,6 60,5 70,0 3,0 10 65,6 62,5 70,5 2,9 PA 10 9 64,6 59,6 77,0 5,2 10 65,8 62,2 73,3 3,9 PA 12 9 62,5 58,1 66,8 2,8 10 64,8 62,4 70,9 2,4 PA 14 9 59,9 21,6 85,8 18,0 10 64,8 62,6 68,9 2,0

Onde N= número de dados; DP = Desvio Padrão PA1=0 cm; PA2=25 cm; PA3=50 cm; PA4=75 cm; PA5=100 cm; PA6=125 cm; PA7=150 cm; PA8=175 cm; PA9=200 cm; PA10=225 cm; PA12=275 cm; PA14=325 cm de altura.


122

Tabela 5.27 - Dados estatísticos básicos para o teor de sólidos totais em

diferentes alturas no reator UASB em escala de demo nstração

ST (g/L) FASE 3 FASE 4 Ponto de

amostragem N Média Mínimo Máximo DP N Média Mínimo Máximo DP PA 1A 4 53,6 19,6 71,0 23,3 6 45,6 35,5 54,3 6,2 PA 2A 4 40,1 22,2 61,9 17,8 6 27,7 21,7 37,9 6,0 PA 3A 4 17,9 1,8 33,3 15,8 6 20,8 17,2 22,7 2,1 PA 4A 4 8,1 0,7 23,7 10,8 6 16,5 12,6 18,8 2,6 PA 5A 4 1,6 0,6 4,3 1,8 6 3,2 0,6 12,7 4,7 PA 1B 4 64,2 56,2 69,2 5,8 6 53,6 41,9 60,0 6,4 PA 2B 4 49,8 33,7 63,2 14,0 6 27,7 22,0 31,4 3,2 PA 3B 4 19,5 11,2 35,5 10,9 6 23,3 14,5 43,2 10,2 PA 4B 4 7,8 0,9 26,3 12,4 6 12,2 2,3 24,9 9,4 PA 5B 4 1,5 0,8 2,3 0,8 6 1,1 0,6 1,5 0,3 PA 1C 4 67,7 55,4 94,4 18,1 6 49,2 42,1 58,1 6,3 PA 2C 4 48,2 30,9 59,5 12,2 6 33,4 27,6 42,6 5,3 PA 3C 4 32,1 20,4 43,6 9,7 6 21,2 18,9 26,0 2,6 PA 4C 4 7,1 1,1 24,1 11,4 6 14,5 5,7 19,4 5,4 PA 5C 4 1,2 0,9 1,7 0,5 6 1,1 0,6 1,5 0,3

Onde N= número de dados; DP = Desvio Padrão PA 1A=20 cm; PA 2A=50 cm; PA 3A=120 cm; PA 4A=170 cm; PA 5A=220 cm de altura (na câmara A). PA 1B=20 cm; PA 2B=50 cm; PA 3B=120 cm; PA 4B=170 cm; PA 5B=220 cm de altura (na câmara B). PA 1C=20 cm; PA 2C=50 cm; PA 3C=120 cm; PA 4C=170 cm; PA 5C=220 cm de altura (na câmara C). Tabela 5.28 - Dados estatísticos básicos para a porcentagem de sólidos

voláteis em diferentes alturas no reator UASB em es cala de demonstração

%SVT

FASE 3 FASE 4 Ponto de amostragem N Média Mínimo Máximo DP N Média Mínimo Máximo DP

PA 1A 4 65,2 63,6 68,8 2,4 6 60,2 57,6 69,0 4,4 PA 2A 4 63,0 58,4 71,9 6,1 6 61,7 57,0 76,1 7,2 PA 3A 4 69,5 53,8 91,7 16,6 6 63,7 57,1 89,4 12,7 PA 4A 4 63,4 41,1 92,2 21,2 6 59,4 56,0 61,3 2,1 PA 5A 4 55,5 45,5 71,0 11,9 6 50,6 41,9 58,8 5,7 PA 1B 4 64,4 60,2 67,7 3,1 6 57,4 54,6 60,9 2,4 PA 2B 4 68,2 65,8 70,0 1,7 6 58,5 56,5 60,6 1,6 PA 3B 4 76,7 57,5 95,4 20,4 6 62,6 56,6 83,4 10,4 PA 4B 4 62,6 50,2 87,9 17,4 6 58,5 55,6 61,4 1,9 PA 5B 4 59,2 48,5 83,2 16,3 6 48,5 31,2 56,6 9,3 PA 1C 4 67,1 62,2 73,6 4,8 6 59,2 54,9 67,8 4,5 PA 2C 4 67,0 58,7 75,3 7,2 6 60,5 56,4 71,8 5,7 PA 3C 4 63,6 56,4 78,5 10,1 6 60,0 56,3 69,8 4,9 PA 4C 4 52,7 45,6 59,8 5,9 6 58,2 52,6 62,4 3,3 PA 5C 4 53,5 52,6 55,3 1,3 6 49,5 37,3 53,2 6,0

Onde: N= número de dados; DP = Desvio Padrão PA 1A=20 cm; PA 2A=50 cm; PA 3A=120 cm; PA 4A=170 cm; PA 5A=220 cm de altura (na câmara A). PA 1B=20 cm; PA 2B=50 cm; PA 3B=120 cm; PA 4B=170 cm; PA 5B=220 cm de altura (na câmara B). PA 1C=20 cm; PA 2C=50 cm; PA 3C=120 cm; PA 4C=170 cm; PA 5C=220 cm de altura (na câmara C).


123

Tabela 5.29 -Dados Estatísticos Básicos para o lodo coletado no reator UASB no sistema

em escala piloto Pontos de amostragem

Fase 1 Fase 2 Parâmetro

PA 2 PA 6 PA 2 PA 6 No de dados - -

Média - 71,8 - 75,8 Mínimo - 4,6 - 63,8 Máximo - 96,9 - 94,6

Distribuição granulométrica (%) <0,30 mm

Desvio Padrão - 4,6 - 5,5 No de dados - -


Distribuição granulométrica (%) 0,30 a 0,71 mm

Desvio Padrão - 4,1 - 4,4 No de dados - -


Distribuição granulométrica (%) >0,71 mm

Desvio Padrão - 4,0 - 1,9 No de dados 12 - 24 -

Média 83,4 - 73,3 - Mínimo 6,7 - 45,4 - Máximo 93,1 - 94,5 -

Distribuição granulométrica (%) <0,71 mm

Desvio Padrão 6,7 - 13,8 - No de dados 12 - 24 -


Distribuição granulométrica (%) 0,71 a 2,38 mm

Desvio Padrão 6,1 - 11,1 - No de dados 12 - 24 -


Distribuição granulométrica (%) >2,38mm

Desvio Padrão 1,4 - 4,2 - No de dados 11 11 11 11

Média 13,2 19,9 16,6 29,1 Mínimo 2,8 9,6 10,6 11,3 Máximo 19,5 39,1 22,0 45,1

Carboidratos extra-celulares mg.gSVT--1

Desvio Padrão 4,3 9,7 3,7 9,2 No de dados 12 11 11 11


Proteínas extra-celulares mg.gSVT--1



Lipídios extra-celulares mg.gSVT--1



IVL mL.gST--1

Desvio Padrão 1,6 13,4 3,8 19,5


124

Tabela 5.30 -Dados Estatísticos Básicos para o lodo coletado no reator UASB

no sistema em escala de demonstração

Pontos de amostragem Fase 3 Fase 4

Parâmetro

PA 1 PA 3 PA 1 PA 3 No de dados - 6 - 6


Distribuição granulométrica (%)

<0,30 mm

Desvio Padrão - 6,8 - 5,8 No de dados 6 - 6 -



<0,71 mm

Desvio Padrão 12,1 - 2,0 - No de dados - 6 - 6



0,30 a 0,71 mm

Desvio Padrão - 3,4 - 3,1 No de dados 6 6 6 6



>0,71mm



Carboidratos extra-celulares mg.gSVT--1



Proteínas extra-celulares mg.gSVT--1



Lipídios extra-celulares mg.gSVT--1



IVL mL.gST--1

Desvio Padrão 16,3 9,2 2,1 5,2


125

5.3.1 - Verificação do ajuste dos dados à distribui ção normal Para se comparar os valores médios dos diferentes parâmetros de caracterização do lodo (IVL,

distribuição granulométrica e polímeros extra-celulares) entre as fases, e verificar se ocorreu

uma diferença estatisticamente significativa devido ao retorno de lodo, foi necessário avaliar,

inicialmente, o ajuste dos resultados à distribuição normal, utilizando-se o método de

“Kolmogorov-Smirnov”. Os resultados obtidos indicaram que os resultados de IVL,

distribuição granulométrica e polímeros extra-celulares apresentavam distribuição normal ou

lognormal, sendo possível utilizar o método “t de student” para comparação dos resultados

das fases operacionais.

5.3.2- Perfil de sólidos no reator UASB

5.3.2.1 - Sistema em escala piloto

A análise do perfil de sólidos no reator UASB, durante as fases 1 e 2, indicou uma

concentração média de sólidos totais de 8,7 e 8,6%, respectivamente, para o lodo coletado no

ponto de amostragem 2 (25cm de altura), enquanto que, para o lodo coletado no ponto de

amostragem 6 (125cm de altura) a concentração média de sólidos totais foi de 1,8 e 2,2 %,

para as fases 1 e 2, respectivamente. Avaliou-se, também, a porcentagem de sólidos voláteis

em relação ao teor de sólidos totais ao longo das diferentes alturas no reator. A porcentagem

média de SVT no reator foi de 62%, para a fase 1, e 64%, para a fase 2 (Tabela. 5.26 e

Figuras 5.50 e 5.51). Ocorreu um pequeno aumento na porcentagem de sólidos voláteis no

reator UASB, durante a fase 2, entretanto, a análise estatística não indicou uma diferença

estatisticamente significativa entre as fases.

O perfil de sólidos no reator UASB, para as concentrações médias obtidas, durante as fases 1

e 2, é apresentado nas Figuras 5.50 e 5.51 e os resultados em diferentes dias operacionais no

Anexo IV, enquanto a porcentagem média de SVT é apresentada nas Figuras 5.52 e 5.53.


126

Figura 5.50 - Perfil de sólidos para as

concentrações médias da Fase 1

Figura 5.51- Perfil de sólidos para as


Figura 5.52 – Porcentagem média de

sólidos voláteis em diferentes pontos

de amostragem para a Fase 1




5.3.2.2 - Sistema em escala de demonstração

Para o sistema em escala de demonstração, a análise do perfil de sólidos no reator UASB

indicou uma concentração média de sólidos totais da ordem de 5,4 e 4,6 % para o lodo

coletado no ponto de amostragem 1A (20 cm de altura), durante as fases 3 e 4,

respectivamente, enquanto que, para o lodo coletado no ponto de amostragem 3A (120 cm de

altura), a concentração média de sólidos totais foi de 1,8 e 2,1 %, para as fases 3 e 4,

respectivamente. Avaliou-se, também, a porcentagem de sólidos voláteis em relação ao teor

de sólidos totais ao longo das diferentes alturas no reator. A porcentagem média de SVT no

reator UASB foi de 67%, para a fase 3, e 60%, para a fase 4 (Tabela. 5.28). Observa-se,

0 20 40 60 80

1

4

7

10

13

Po

nto

de

am

os

tra

gem

Porcentagem de Sólidos Voláteis0 20 40 60 80

1

4

7

10

13P

onto

de

amos

trag

em

Porcentagem de Sólidos Voláteis

0 20 40 60 80 100 120 140 160

1

5

9

13Po

nto

de a

mos

trag

em

Concentração (g/L)

ST STV

0 20 40 60 80 100 120 140 160

1

5

9

13

Po

nto

de

am

os

trag

em

Concentração (g/L)

ST STV


127

portanto, que o retorno de lodo não provocou um aumento na porcentagem de sólidos voláteis

no reator UASB.

O perfil de sólidos no reator UASB (câmaras A, B e C), para as concentrações médias obtidas,

durante as fases 3 e 4, é apresentado nas Figuras 5.54 a 5.55 e os resultados em diferentes dias

operacionais no Anexo IV, enquanto a porcentagem média de SVT é apresentada nas Figuras

5.56 e 5.57.








Figura 5.57– Porcentagem média de



5.3.3- Descarte de sólidos no reator UASB Para se estabelecer a melhor rotina de descarte de lodo no reator UASB, que garantisse a

qualidade do efluente do reator UASB e condições operacionais semelhantes, de forma a

facilitar a comparação entre as fases, foram definidos dois parâmetros principais de controle:

0 20 40 60 80

T1A

T4A

T2B

T5B

T3C

Po

nto

de

am

os

tra

gem

Porcentagem de Sólidos Voláteis0 20 40 60 80

T1A

T4A

T2B

T5B

T3C

Po

nto

de

am

os

trag

em

Porcentagem de Sólidos Voláteis

0 20 40 60 80 100 120

T1A

T4A

T2B

T5B

T3C

Pont

o de

am

ostr

agem

Concentração de sólidos (g/L)

ST STV

0 20 40 60 80 100 120

T1A

T4A

T2B

T5B

T3C

Pont

o de

am

ostr

agem

Concentração de sólidos (g/L)

ST STV


128

• Massa mínima de sólidos voláteis necessária no reator: a fim de se garantir a capacidade

de conversão de matéria orgânica, sem risco de sobrecarga no reator.

• Massa máxima de sólidos aceitável no reator: a fim de se evitar a perda de sólidos no

efluente.

5.3.3.1 - Determinação da massa mínima necessária

A massa mínima necessária no reator UASB foi calculada a partir da carga média de DQO

aplicada e da atividade metanogênica específica do lodo (AME). A AME indica a capacidade

das bactérias metanogênicas em converter substrato orgânico em metano e gás carbônico. A

partir de quantidades conhecidas de biomassa (kgSVT) e de substrato (kg DQO) avalia-se a

produção de metano (kg DQOCH4) no período de teste da AME. Dessa forma, conhecendo-se a

AME (kgDQOCH4.kgSVT-1.dia-1 ) do lodo pode-se determinar a massa mínima de sólidos

voláteis necessária no reator para converter a carga orgânica aplicada em metano e gás

carbônico (Equação 5.2). O produto da AME pela massa mínima representa a capacidade de

conversão da biomassa contida no reator. Qualquer carga de DQO aplicada no reator superior

à sua capacidade de conversão poderá comprometer o desempenho do mesmo devido à

sobrecarga biológica.

(5.2)

na qual:

DQOapl = Carga de DQO aplicada (kg. dia-1)

AME = (kgDQOCH4.kgSVT-1.dia-1 )

Para a atividade metanogênica específica (AME), foi adotado o valor de 0,4 kgDQO-

CH4.kgSVT-1.dia-1, que é o resultado médio dos testes realizados (item 5.3.11).

Os valores médios obtidos para as massas mínimas no reator UASB, no sistema em escala

piloto, foram de 2,3 Kg SVT, para a fase 1, e 1,5 kg SVT, para a fase 2, enquanto para o

sistema em escala de demonstração, os valores médios obtidos para as massas mínimas no

reator UASB foram de 54,2 Kg SVT, para a fase 3, e 54,1 kg SVT, para a fase 4.

Massa mínima = DQOapl AME


129

5.3.3.2 - Determinação da massa máxima aceitável

A partir da avaliação da concentração de sólidos suspensos totais no efluente do reator UASB,

em função da massa total de sólidos no reator, determinou-se a massa máxima aceitável no

reator, de tal maneira que não ocorresse perda de biomassa no efluente (Figuras 5.58 e 5.59).

Figura 5.58 – Concentração de sólidos

suspensos totais no efluente do reator

UASB em função da massa de sólidos

totais presentes no reator, durante as

fases 1 e 2

Figura 5.59 – Concentração de sólidos

suspensos totais no efluente do reator

UASB em função da massa de sólidos

totais presentes no reator, durante as

fases 3 e 4

Para o sistema em escala piloto (Figura 5.58), os resultados obtidos indicaram que a partir da

massa de 4,5 kg SVT (6,7kg ST) o reator passava a apresentar perda de biomassa, com

deterioração da qualidade do efluente, ou seja, teores de SST superiores a 35 mg.L-1. Essa foi

considerada a massa máxima crítica do reator. A realização de descartes passou a ser feita

com a manutenção de uma massa máxima aceitável, abaixo da massa máxima crítica,

permitindo uma melhoria nas características do efluente do reator anaeróbio. Adotou-se como

massa máxima aceitável o valor de 3,6 Kg SVT (5,4 Kg ST), que equivale a 80% da massa

máxima crítica, a qual possibilita o bom funcionamento do reator, com perda mínima de

biomassa.

Os mesmos procedimentos adotados para o sistema em escala piloto foram realizados para o

sistema em escala de demonstração, tendo-se obtido uma massa máxima crítica de 260 kg

SVT (411 kg ST), como pode ser observado na Figura 5.59. Adotou-se como massa máxima

aceitável o valor de 170 Kg SVT (260 Kg ST), que equivale a 80% da massa máxima crítica,

a qual possibilitou o bom funcionamento do reator.

y = 11,805x - 18,534R2 = 0,5341

0

5

10

15

20

25

30

35

40

0 1 2 3 4 5Massa de sólidos no reator (kg STV)

SS

T (m

g/L)

y = 0,5532x - 32,297R2 = 0,468

0

20

40

60

80

100

120

140

0 50 100 150 200 250 300

Massa de sólidos no reator (Kg SVT)

SS

T(m

g/L)


130

5.3.4- Massa de sólidos no reator UASB Procurou-se manter a massa de sólidos no reator UASB entre os valores de massa mínima e

massa máxima, conforme estabelecido no item 5.3.3. Os resultados obtidos para a massa total

de sólidos nos reatores em escala piloto e em escala de demonstração são apresentados nas

Figuras 5.60 a 5.63.

Figura 5.60 - Massa de sólidos voláteis

no reator UASB para o sistema em

escala piloto

Figura 5.61 - Massa de sólidos totais


escala piloto



escala de demonstração

Figura 5.63 - Massa de sólidos totais



No sistema em escala piloto, foi possível manter a massa de sólidos no reator UASB com

valores próximos, durante as fases 1 e 2 (Figuras 5.60 e 5.61). Entretanto, no sistema em

escala de demonstração, devido ao menor período operacional, durante a fase sem retorno de

lodo, foi possível manter a massa de sólidos com valores mais próximos do desejável apenas

durante a fase com retorno de lodo (Figuras 5.62 e 5.63). Os resultados obtidos para o teor de

sólidos no efluente, em função da massa de sólidos no reator, são apresentados nas Figuras

5.64 a 5.67, para os sistemas em escala piloto e em escala de demonstração.

MáximoMínimo

Mediana

Mas

sa d

e só

lidos

(KgS

VT)

0

1

2

3

4

5

Fase 1 Fase 2

MáximoMínimo

Mediana

Ma

ssa

de

sól

ido

s (K

g S

T)

0

1

2

3

4

5

6

7

8

Fase 1 Fase 2

MáximoMínimo

Mediana

Ma

ssa

de s

ólid

os (k

gSV

T)

0

50

100

150

200

250

300

Fase 3 Fase 4

MáximoMínimo

Mediana

Mas

sa d

e s

ólid

os

(kg

ST)

0

50

100

150

200

250

300

350

400

450

Fase 3 Fase 4


131

Figura 5.64 - Massa de sólidos totais no

reator UASB e concentração de SST no

efluente, durante a fase 1


no reator UASB e concentração de SST

no efluente, durante a fase 2

Figura 5.66 - - Massa de sólidos totais no

reator UASB e concentração de SST no

efluente, durante a fase 3


no reator UASB e concentração de SST

no efluente, durante a fase 4

A partir da análise das Figuras 5.64 a 5.67, pode-se observar a vantagem de se manter a massa

de sólidos abaixo dos limites máximos aceitáveis, uma vez que possibilita a manutenção de

teores mais baixos de sólidos suspensos no efluente do reator UASB. Adicionalmente,

também repercute em uma menor sobrecarga no FBP, proporcionando a produção de um

efluente final do sistema de tratamento com menores concentrações de SST e menores

oscilações em suas concentrações.

5.3.5 - Balanço e coeficiente de produção de sólido s (Y) A partir do balanço de sólidos no reator, determinou-se o coeficiente de produção de sólidos.

Os coeficientes de produção total de sólidos relacionam-se ao lodo descartado do sistema e

aos sólidos perdidos com o efluente e foram calculados por meio das equações 4.2 a 4.6.

0

1

2

3

4

5

6

7

8

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10Número de dados

Ma

ss

a d

e s

ólid

os

no

re

ato

r (K

g S

T)

0

5

10

15

20

25

30

35

40

SS

T (

mg

/L)

ST SST

0

1

2

3

4

5

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

Número de dados

Ma

ss

a d

e s

ólid

os

no

re

ato

r (k

gS

VT

)

0

5

10

15

20

25

30

35

40

SS

T (

mg

/L)

SVT SST

0

50

100

150

200

250

300

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10Número de dados

Ma

ss

a d

e s

ólid

os

no

re

ato

r (K

g S

VT)

0

50

100

150

200

250

300

350

SS

T (

mg

/L)

STV SST

050

100150200250300350400450

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

Número de dados

Ma

ss

a d

e s

ólid

os

no

re

ato

r (k

g S

T)

0

50

100

150

200

250

300

350S

ST

(m

g/L

)ST SST


132

5.3.5.1- Sistema em escala piloto

A produção específica de sólidos, em relação à DQO aplicada, para o sistema em escala

piloto, é apresentada nas Figuras 5.68 e 5.69. A média da produção específica de sólidos foi

de 0,06 gSVT.gDQOaplicada-1 (0,13 gST.gDQOaplicada

-1), durante a fase 1, e de 0,11

gSVT.gDQOaplicada-1 (0,16 gST.gDQOaplicada

-1), durante a fase 2.

A produção específica de sólidos em relação à DQO removida é apresentada nas Figuras 5.70

e 5.71. A média da produção específica de sólidos foi de 0,11 gSVT.gDQOremovida-1 (0,17

gST.gDQOremovida-1), durante a fase 1, e de 0,14 gSVT.gDQOremovida

-1 (0,21 gST.gDQO

removida-1), durante a fase 2.

Figura 5.68 - Produção específica de

sólidos, em termos de sólidos totais

voláteis por DQO aplicada, para o



sólidos, em termos de sólidos totais por

DQO aplicada, para o sistema em escala

piloto



voláteis por DQO removida, para o




DQO removida, para o sistema em

escala piloto

MáximoMínimo

Mediana

Y (g

ST/

gDQ

Oap

l)

0,0

0,1

0,2

0,3

0,4

Fase 1 Fase 2

MáximoMínimo

Mediana

Y (g

ST/

gDQ

Ore

m)

0,0

0,1

0,2

0,3

0,4

Fase 1 Fase 2

MáximoMínimo

Mediana

Y (g

SV

T/gD

QO

apl)

0,0

0,1

0,2

0,3

Fase 1 Fase 2

MáximoMínimo

Mediana

Y (g

SV

T/gD

QO

rem

)

0,0

0,1

0,2

0,3

0,4

Fase 1 Fase 2


133

5.3.5.2 - Sistema em escala de demonstração

A produção específica de sólidos, em relação à DQO aplicada, para o sistema em escala de

demonstração, é apresentada nas Figuras 5.72 e 5.73. A média da produção específica de

sólidos foi de 0,17 gSVT.gDQOaplicada-1 (0,21 gST.gDQOaplicada

-1), durante a fase 3, e de 0,14

gSVT.gDQOaplicada-1 (0,23 gST.gDQOaplicada

-1), durante a fase 4.

A produção específica de sólidos em relação à DQO removida é apresentada nas Figuras 5.74

e 5.75. A média da produção específica de sólidos foi de 0,22 gSVT.gDQOremovida-1 (0,27

gST.gDQOremovida-1), durante a fase 3, e de 0,18 gSVT.gDQOremovida

-1 (0,27

gST.gDQOremovida-1), durante a fase 4.



voláteis por DQO aplicada, para o sistema

em escala de demonstração



DQO aplicada, para o sistema em




voláteis por DQO removida, para o

sistema em escala de demonstração



DQO removida, para o sistema em


MáximoMínimo

Mediana

Y (g

SV

T/g

DQ

Oap

l)

0,00

0,05

0,10

0,15

0,20

0,25

0,30

Fase 3 Fase 4

MáximoMínimo

Mediana

Y(gS

VT/

gDQ

Ore

m)

0,0

0,1

0,2

0,3

0,4

Fase 3 Fase 4

MáximoMínimo

Mediana

y (g

ST/

gDQ

Oap

l)

0,0

0,1

0,2

0,3

0,4

Fase 3 Fase 4

MáximoMínimo

Mediana

Y (g

ST/

gDQ

Ore

m)

0,0

0,1

0,2

0,3

0,4

0,5

Fase 3 Fase 4


134

Os resultados obtidos, para o sistema em escala piloto, são próximos aos obtidos por

Gonçalves et al. (1999), que observaram uma produção específica de sólidos de 0,14 a 0,16

kgST. KgDQOremovida-1, para um reator UASB utilizado para tratamento combinado de esgotos

domésticos e lodo excedente de um biofiltro aerado submerso. Para o sistema em escala de

demonstração, foram observados valores mais elevados para a produção específica de sólidos

que se devem, provavelmente, à ausência de retentor de escuma no reator anaeróbio e,

consequentemente, a uma maior perda de sólidos no efluente. Deve-se salientar que foram

encontrados valores muito próximos para a produção específica de sólidos, durante as fases

3 e 4 da pesquisa. Esses resultados se justificam devido à alimentação do sistema de

tratamento com esgoto que apresentava alta concentração de sólidos (esgoto sanitário + lodo

de adensadores) durante os 30 dias anteriores à fase 3 da pesquisa, ocasionando maiores

valores para a produção de sólidos durante a fase 3.

A proporção de sólidos perdidos no efluente e descartados no reator UASB é apresentada na

Tabela 5.31.

Tabela 5.31 - Produção específica média de sólidos no reator U ASB

Y gST.gDQOremovida

-1 Y

gSVT.gDQOremovida-1

Y gST.gDQOaplicada

-1 Y

SVT.gDQOaplicada-1

Fase

reator efluente reator efluente reator efluente reator efluente

1 0,09 0,08 0,05 0,06 0,06 0,05 0,03 0,03

2 0,14 0,07 0,08 0,06 0,11 0,05 0,07 0,04

3 0,14 0,13 0,12 0,10 0,11 0,10 0,09 0,08

4 0,15 0,12 0,09 0,09 0,13 0,10 0,08 0,06

5.3.6- Índice volumétrico do lodo A determinação do índice volumétrico do lodo indicou a presença de um lodo com valores de

IVL, de uma maneira geral, inferiores a 50mL.g-1. Para lodos provenientes de processo de

lodos ativados, esses valores indicariam um lodo com ótimas características de sedimentação

(VON SPERLING, 2000). Entretanto, deve-se considerar que a alta concentração de sólidos

no lodo do reator anaeróbio pode limitar o valor do IVL (VON SPERLING, 2000). Portanto,

os resultados obtidos serão considerados apenas para efeito comparativo entre lodos na

mesma faixa de concentração de sólidos.


135

5.3.6.1- Diagramas de Box-Whisker

Os valores de IVL obtidos para as fases operacionais são apresentados nas Figuras 5.76 a

5.79. Para o sistema em escala piloto, foi possível observar o aumento no IVL médio do lodo

coletado no ponto de amostragem 2, de 12,4 para 17,5 mL.g-1, enquanto para o lodo coletado

no ponto de amostragem 6, o IVL médio variou de 43,3 para 62,7 mL.g-1. Para o sistema em

escala de demonstração, o IVL médio variou de 38,5 para 44,8 mL.g-1, no ponto de

amostragem 1A, e de 46,0 para 58,6 mL.g-1, no ponto de amostragem 3A, tendo ocorrido

também um aparente aumento no seu valor.

Para o sistema em escala piloto, observou-se uma maior variação do IVL, durante a fase 2,

para o lodo coletado nos pontos de amostragem 2 e 6, enquanto, para o sistema em escala de

demonstração, observou-se uma maior dispersão nos resultados , durante a fase 3.

Figura 5.76 - IVL para o lodo em

diferentes alturas do reator UASB – Fase

1


diferentes alturas do reator UASB - Fase

2


diferentes alturas do reator UASB – Fase

3


diferentes alturas do reator UASB - Fase

4

MáximoMínimo

Mediana

IVL

(mL/

g)

0

20

40

60

80

100

T2 T6

MáximoMínimo

Mediana

IVL

(mL/

g)

0

20

40

60

80

100

T2 T6

MáximoMínimo

Mediana

IVL

(mL

/g)

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

T1 T3

MáximoMínimo

Mediana

IVL

(mL

/g)

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

T1 T3

PA 2 PA 6 PA 2 PA 6

PA 1A PA 3A PA 1A PA 3A


136

5.3.6.2 - Comparação do IVL durante as fases operacionais

Os resultados da análise estatística para o IVL são apresentados na Tabela 5.32 e no Anexo

VII .

Tabela 5.32 - Resultados da análise estatística para o IVL

Sistema Ponto de amostragem

IVL Médio (mLg-1)

Diferença do valor médio entre as fases

Fase 1 = 12,4 Significativa 2 Fase 2 = 17,5 Fase 1 = 43,3 Significativa

Escala Piloto

6 Fase 2 = 62,7 Fase 3 = 38,5 Não significativa 1A Fase 4 = 44,8 Fase 3 = 46,0 Não significativa


3A Fase 4 = 58,6

A análise estatística dos resultados indicou um aumento no valor médio do IVL (ao nível de

significância de 5%), durante a fase 2 da pesquisa, para o lodo coletado nos pontos de

amostragem 2 e 6 (sistema em escala piloto). Os maiores valores de IVL, encontrados durante

a fase 2, podem ser indicadores de uma pior sedimentabilidade do lodo, durante essa fase da

pesquisa.

Para o sistema em escala de demonstração, entretanto, não foi observada uma diferença

estatisticamente significativa entre as fases, embora o valor médio do IVL tenha sido superior,

durante a fase 4.

5.3.7- Distribuição granulométrica

Os dados estatísticos básicos para a distribuição granulométrica do lodo, para os sistemas em

escala piloto e em escala de demonstração, são apresentados nas Tabelas 5.29 e 5.30.

Observa-se que, durante todas as fases operacionais, predominaram, no reator anaeróbio, as

partículas de lodo menores que 0,71 mm. Partículas maiores que 2,38 mm estiveram presentes

apenas no reator UASB em escala piloto, no ponto de amostragem 2 (25cm de altura).

5.3.7.1 - Diagramas de Box-whisker

Os resultados obtidos para a distribuição granulométrica do lodo coletado no reator UASB em

escala piloto são apresentados, através de diagramas de Box-whisker, nas Figuras 5.80 e 5.81.


137

Fase 1 Fase 2

Figura 5.80 - Distribuição granulométrica do lodo coletado no ponto de

amostragem 2

Para o pontos de amostragem 2 (25 cm de altura no sistema em escala piloto), foi observado

um aumento na porcentagem média de partícula maiores que 2,38mm, de 3,1 para 6,1 %, da

fase 1 para a fase 2, enquanto a porcentagem média de partículas menores que 0,71 mm

apresentou uma diminuição de 83,4 para 73,3%. Já a porcentagem média de partículas com

dimensões entre 2,38 e 0,71mm aumentou de 12,3 para 20,6% da fase 1 para a fase 2.

Fase 1 Fase 2

Figura 5.81 - Distribuição granulométrica do lodo coletado no ponto de

amostragem 6

Para o lodo coletado no ponto de amostragem 6 (125 cm de altura no sistema em escala

piloto), a porcentagem média de partículas menores que 0,30 mm aumentou de 71,8 para

75,8%, da fase 1 para a fase 2, enquanto a porcentagem média de partícula maiores que 0,71

mm diminuiu de 12,4 para 7,3 %. Portanto, pode-se observar que ocorreu um pequeno

MáximoMínimo

Mediana

# (mm)

Po

rce

nta

gem

(%)

0

20

40

60

80

100

<0,71 0,71 a 2,38 >2,38

MáximoMínimo

Mediana

# (mm)

Po

rce

nta

gem

(%)

0

20

40

60

80

100

<0,71 0,71 a 2,38 >2,38

MáximoMínimo

Mediana

# (mm)

Por

cent

age

m (

%)

0

20

40

60

80

100

<0,30 0,30 a 0,71 >0,71

MáximoMínimo

Mediana

# (mm)

Por

cent

age

m (

%)

0

20

40

60

80

100

<0,30 0,30 a 0,71 >0,71


138

aumento na porcentagem média de partículas finas nos pontos mais elevados do reator,

durante a fase com retorno de lodo.

Os resultados obtidos para a distribuição granulométrica do lodo coletado no reator UASB em

escala de demonstração são apresentados, através de diagramas de Box-whisker, nas Figuras

5.82 e 5.83.

Fase 3 Fase 4

Figura 5.82 - Distribuição granulométrica para o lodo coletado no ponto de

amostragem 1A

Fase 3 Fase 4

Figura 5.83 - Distribuição granulométrica para o lodo coletado no ponto de

amostragem 3A

Para o sistema em escala de demonstração, foi observado um aumento na porcentagem média

de partícula menores que 0,71mm de 89,4 para 92,8 %, no lodo coletado no ponto de

amostragem 1A.

MáximoMínimo

Mediana

# (mm)

Por

cent

age

m (

%)

0

20

40

60

80

100

<0,71 >0,71

MáximoMínimo

Mediana

# (mm)

Por

cent

age

m (

%)

0

20

40

60

80

100

<0,71 >0,71

MáximoMínimo

Mediana

# (mm)

Po

rcen

tage

m (%

)

0

20

40

60

80

100

<0,30 0,30 a 0,71 >0,71

MáximoMínimo

Mediana

# (mm)

Por

cent

age

m (

%)

0

20

40

60

80

100

<0,30 0,30 a 0,71 >0,71


139

Para o lodo coletado no ponto de amostragem 3A, a porcentagem média de partículas

menores que 0,30 mm aumentou de 75,6 para 85,1 %, da fase 3 para a fase 4, enquanto a

porcentagem média de partículas maiores que 0,71mm diminuiu de 10,0 para 6,6 %. Portanto,

novamente, observou-se que ocorreu um pequeno aumento na porcentagem média de

partículas finas no reator UASB nos pontos mais elevados do reator, durante a fase com

retorno de lodo (fase 4).

5.3.7.2 - Comparação da distribuição granulométrica do lodo coletado a 25 e 20 cm de altura durante as fases operacionais

Os resultados obtidos para a análise estatística do lodo coletado a 25 cm (sistema em escala

piloto) e 20 cm de altura ( sistema em escala de demonstração) são apresentados na Tabela

5.33 e no Anexo VII.

Tabela 5.33 - Resultados da análise estatística para a Distribuição Granulométrica

para o lodo coletado a 25 e 20 cm de altura

Sistema Distribuição graulométrica

Médias (%) Diferença da média entre as fases

Fase 1 = 83,4 Significativo grânulo < 0,71 mm Fase 2 = 73,3 Fase 1 = 13,0 Significativo 0,71 ≤ grânulo <

2,38 mm Fase 2 = 20,6 Fase 1 = 3,1 Significativo

Escala piloto

grânulo ≥ 2,38 mm Fase 2 = 6,1 Fase 3 = 89,4 Não significativo grânulo < 0,71 mm Fase 4 = 92,8 Fase 3 = 10,6 Não significativo


grânulo ≥ 0,71 mm Fase 4 = 7,2

A análise do sistema em escala piloto indicou um aumento estatisticamente significativo na

porcentagem média de partículas com dimensões maiores que 2,38 mm e com dimensões

entre 0,71 e 2,38 mm, da fase 1 para a fase 2, para o lodo coletado a 25cm de altura, tendo

ocorrido uma diminuição na porcentagem média de partículas menores que 0,71mm.

No sistema em escala de demonstração, o lodo coletado a 20 cm de altura apresentou de 10 a

7% das partículas com dimensões acima de 0,71mm. Entretanto, não foi observada uma

diferença estatisticamente significativa entre as fases com e sem retorno de lodo, para os

valores médios obtidos.

5.3.7.3 - Comparação da distribuição granulométrica do lodo coletado a 125 e 120 cm de

altura durante as fases operacionais


140

Os resultados da análise estatística para a distribuição granulométrica para o lodo a 125 cm

de altura (sistema em escala piloto) e 120 cm de altura (sistema em escala de demonstração)

são apresentados na Tabela 5.34 e no Anexo VII.

Tabela 5.34 - Resultados da análise estatística para a Distri buição

Granulométrica para o lodo coletado a 125 e 120 cm de altura

Sistema Distribuição graulométrica

Médias (%)

Diferença das médias entre as fases

Fase 1 =71,8 Não significativo grânulo < 0,30 mm Fase 2 = 75,8

0,30 ≤ grânulo < 0,71 mm

Fase 1 =15,7 Fase 2 = 15,4

Não significativo

Fase 1 = 12,4 Significativo

Escala piloto

grânulo ≥ 0,71 mm Fase 2 = 7,3 Fase 3 = 75,6 Significativo grânulo < 0,30 mm Fase 4 = 85,1 Fase 3 = 14,4 Significativo 0,30 ≤ grânulo < 0,71

mm Fase 4 = 8,4 Fase 3 = 10,0 Não significativo


grânulo ≥ 0,71 mm Fase 4 = 6,6

Para o lodo coletado a 125 e 120 cm de altura, ocorreu uma diminuição no tamanho das

partículas, durante as fases com retorno de lodo (fases 2 e 4). Foi possível observar uma

diminuição na porcentagem média de partículas maiores que 0,71 mm, para o sistema em

escala piloto, enquanto que para o sistema em escala de demonstração ocorreu um aumento na

porcentagem média de partículas menores que 0,30 mm e uma redução na porcentagem média

de partículas com dimensões entre 0,30 e 0,71 mm.

5.3.7.4 - Comparação da distribuição granulométrica do lodo nos reatores UASB

Os resultados obtidos indicam uma aumento na porcentagem de partículas de lodo com

dimensões entre 0,71 e 2,38 mm e acima de 2,38 mm, no sistema em escala piloto, nos pontos

mais baixos do reator, indicando um aumento no tamanho das partículas para esse ponto de

amostragem. Para o sistema em escala de demonstração esse efeito não foi observado.

Nos pontos mais elevados do reator, ocorreu um efeito contrário, com diminuição no tamanho

das partículas, das fases sem retorno de lodo para as fases com retorno de lodo, tanto para o

sistema em escala piloto quanto para o sistema em escala de demonstração.

Essas modificações no tamanho das partículas podem estar associadas às modificações nas

características do despejo, pois os mecanismos de formação de grânulos estão relacionados,


141

dentre outros fatores, às características do substrato (concentração e composição), que se

modificou nas diferentes fases operacionais. A granulação do lodo pode, ainda, ter sido

influenciada pela presença e composição de polímeros extra-celulares (carboidratos e

proteínas), que apresentou modificações durante as fases 2 e 4, o que pode ter influenciado a

agregação e estabilidade do lodo anaeróbio (EL-MAMOUNI et al., 1999). No item 5.3.8 é

apresentada uma discussão sobre as concentrações de polímeros extra-celulares, durante as

duas fases operacionais.

Um outro fator que poderia ter afetado o tamanho das partículas seria o bombeamento semi-

contínuo do lodo realizado, durante as fases 2 e 4, pois devido a esse bombeamento, a

velocidade ascensional no reator era alterada a cada 15 minutos, apresentando uma oscilação

de 1 a 1,4 m.h-1, no sistema em escala piloto, e de 0,5 a 0,6 m.h-1, no sistema em escala de

demonstração. Esse tipo de bombeamento pode ter provocado um efeito de pulsação no

reator, que, de acordo com Franco et al. (2002), poderia ocasionar a presença de um lodo com

uma maior porcentagem de partículas finas, como ocorreu nos pontos mais elevados do reator.

Foi possível observar, ainda, a presença de partículas com maiores dimensões nos pontos mais

baixos do reator, no sistema em escala piloto, que deve ter ocorrido devido às oscilações de

velocidade durante a fase com retorno de lodo que pode ter proporcionado uma maior pressão

seletiva sobre os microrganismos, que passaram a aderir-se uns aos outros, com formação de

grânulos maiores.

5.3.8- Polímeros Extra-celulares O teor de polímeros extra-celulares, de uma maneira geral, apresentou um aumento, no

sistema em escala piloto, da fase 1 para a fase 2. Os resultados obtidos, na fase 1 e na fase 2,

são apresentados nas Figuras. 5.84 a 5.86.

Figura 5.84 - Concentrações médias de carboidratos

extra-celulares, durante as Fases 1 e 2

MáximoMínimo

Mediana

Con

c. (m

g c

arb

oid

rato

s/g S

VT)

0

10

20

30

40

50

T2 T6 T2 T6

Fase 1 Fase 2

PA2 PA6 PA2 PA6


142

Figura 5.85 - Concentrações médias de proteínas


Figura 5.86 - Concentrações médias de lipídios


Durante a fase 1, as concentrações médias de proteínas do lodo coletado nos pontos de

amostragem 2 e 6 foram de 50,9 e 62,4 mg.gSVT-1, respectivamente. Já as concentrações

médias de carboidratos, para o lodo dos pontos de amostragem 2 e 6, foram de 13,2 e 19,9

mg.gSVT-1, respectivamente. Para a fase 2, os valores médios obtidos para as concentrações

de proteínas nesses pontos de amostragem, foram de 62,6 e 93,2 mg.gSVT-1 e para as

concentrações de carboidratos foram de 16,6 e 29,1 mg.gSVT-1, nos pontos de amostragem 2

e 6, respectivamente. Observa-se, portanto, um aumento na concentração média de

carboidratos e proteínas extra-celulares na fase 2. Em relação à concentração de lipídios

foram observadas concentrações médias de 3,0 e 6,3 mg.gSVT-1, nos pontos de amostragem 2

e 6, durante a fase 1, e 2,1 e 5,1 mg.gSVT-1, durante a fase 2, tendo-se observado, portanto, o

MáximoMínimo

Mediana

Conc

. (m

g pro

teín

as/

g S

VT)

0

20

40

60

80

100

120

140

160

180

T2 T6 T2 T6

Fase 1 Fase 2

PA2 PA6 PA2 PA6

MáximoMínimo

Mediana

Conc.

(m

g li

píd

ios/

g S

VT)

0

2

4

6

8

10

12

14

16

18

T2 T6 T2 T6

Fase 1 Fase 2

PA2 PA6 PA2 PA6


143

efeito inverso em relação aos lipídios, com uma diminuição de sua concentração média,

durante a fase com retorno de lodo.

Os resultados obtidos para o sistema em escala de demonstração (fases 3 e 4) são

apresentados nas Figuras 5.87 a 5.89.

Figura 5.87 - Concentrações médias de

carboidratos extra-celulares, durante as Fases 3 e

4

Figura 5.88 - Concentrações médias de

proteínas extra-celulares, durante as Fases 3 e 4

MáximoMínimo

Mediana

Co

nc.

(m

g c

arb

oid

rato

s/g

SV

T)

0

10

20

30

40

50

60

T1 T3 T1 T3

Fase 3 Fase 4


MáximoMínimo

Mediana

Co

nc.

(m

g p

rote

ína

s/g

SV

T)

0

20

40

60

80

100

120

T1 T3 T1 T3

Fase 3 Fase 4



144

Figura 5.89 - Concentrações médias de lipídios


Para o sistema em escala de demonstração, durante a fase 3, as concentrações médias de

proteínas do lodo coletado nos pontos de amostragem 1A e 3A foram de 41,5 e 60,8

mg.gSVT-1, respectivamente. Já as concentrações médias de carboidratos foram de 13,9 e 28,2

mg.gSVT-1, para os pontos 1A e 3A, respectivamente. Para a fase 4, os valores médios

obtidos para as concentrações médias de proteínas nos pontos 1A e 3A, foram de 66,0 e 86,1

mg.gSVT-1 e para as concentrações de carboidratos foram de 17,8 e 20,3 mg.gSVT-1, nos

pontos 1A e 3A, respectivamente. Observa-se, portanto, um aumento na concentração média

de proteínas extra-celulares na fase 4. Em relação à concentração de lipídios, foram

observadas concentrações médias de 2,6 e 5,3 mg.gSVT-1, nos pontos de amostragem 1A e

3A, durante a fase 3, e 1,2 e 2,9 mg.gSVT-1, durante a fase 4. Pode-se observar, novamente,

o efeito inverso em relação aos lipídios, tendo ocorrido uma diminuição de sua concentração

durante a fase com retorno de lodo, semelhante ao observado no sistema em escala piloto.

5.3.8.1 Comparação da concentração de polímeros extra-celulares

A análise estatística para a concentração de polímeros extra-celulares no lodo é apresentada

nas Tabelas 5.35 e 5.36 e no Anexo VII.

MáximoMínimo

Mediana

Co

nc.

(m

g li

píd

ios/

g S

VT

)

0

1

2

3

4

5

6

7

T1 T3 T1 T3

Fase 3 Fase 4



145

Tabela 5.35 -Resultados da análise estatística para a concentra ção de

polímeros extra-celulares no lodo coletado a 25 e 2 0 cm de altura

Sistema Parâmetro Médias (mg/gSVT)


Carboidratos Fase 1 = 13,2 Não significativa Fase 2 = 16,6

Proteínas Fase 1 = 50,9 Não significativa Fase 2 = 62,6

Lipídios Fase 1 = 3,0 Não significativa

Escala Piloto

Fase 2 = 2,1 Carboidratos Fase 3 = 13,9 Não significativa

Fase 4 = 17,8 Proteínas Fase 3 = 41,5 Significativa

Fase 4 = 66,0 Lipídios Fase 3 = 2,6 Significativa

Escala de Demonstração

Fase 4 = 1,2

Para o lodo coletado no sistema em escala piloto, não foi observada uma diferença

estatisticamente significativa entre as fases, para o teor de polímeros extra-celulares no lodo

coletado a 25 cm de altura. Entretanto, no sistema em escala de demonstração, foi observado

um aumento estatisticamente significativo para a concentração de proteínas extra-celulares e

uma diminuição para lipídios extra-celulares.

Na presente pesquisa, observou-se um decréscimo na carga afluente de lipídios no reator,

durante a fase 4, bem como uma diminuição na adsorção de gordura, no lodo coletado no

ponto de amostragem 1A, durante essa fase. De acordo com Vidal et al. (2000), a adsorção de

gordura no lodo pode limitar o transporte de substratos solúveis até a biomassa e causar um

decréscimo na taxa de conversão de substratos. A menor concentração afluente de lipídios,

pode, portanto, ter provocado uma diminuição na sua adsorção no lodo e um aumento na

conversão de substratos, durante essa fase.

Para sistema em escala piloto também foi observada essa menor carga afluente de lipídios

durante a fase com retorno de lodo (fase 2), entretanto a menor adsorção de lipídios não foi

considerada estatisticamente significativa em relação à fase sem retorno de lodo (fase 1).


146

Tabela 5.36 - Resultados da análise estatística para a concentração de polímeros

extra-celulares no lodo coletado a 125 e 120 cm de altura

Sistema Parâmetro Médias (mg/gSVT)


Carboidratos Fase 1 = 19,9 Significativa Fase 2 = 29,1

Proteínas Fase 1 = 62,4 Significativa Fase 2 = 93,2

Lipídios Fase 1 = 6,3 Não significativa

Escala Piloto

Fase 2 = 5,1 Carboidratos Fase 3 = 28,2 Não significativa

Fase 4 = 20,3 Proteínas Fase 3 = 60,8 Não significativa

Fase 4 = 86,1 Lipídios Fase 3 = 5,3 Não significativa


Fase 4 = 2,9

Os resultados obtidos para o lodo coletado a 125 cm de altura, no reator em escala piloto,

indicaram uma diferença estatisticamente significativa para as concentrações de carboidratos

e proteínas, enquanto, no sistema em escala de demonstração, não ocorreu uma diferença

significativa para a concentração de polímeros extra-celulares na altura de 120 cm (Tabela

5.36).

5.3.8.2 Comparação da DQO equivalente de polímeros extra-celulares durante as fases operacionais

Foi determinada a DQO equivalente dos polímeros extra-celulares presentes no lodo coletado

no reator UASB, durante as diferentes fases operacionais. Os resultados obtidos são

apresentados nas Figuras 5.90 e 5.91 e a análise estatística dos resultados na Tabela. 5.37 .

Figura 5.90 - DQO equivalente de polímeros extra-

celulares para o sistema em escala piloto

MáximoMáximo

Mediana

DQ

O e

quiv

ale

nte

(mg

/gS

VT

)

0

50

100

150

200

250

300

350

T2 T6 T2 T6

Fase 1 Fase 2

PA 2 PA 6 PA 2 PA 6


147

Figura 5.91 - DQO equivalente de polímeros extra-

celulares para o sistema em escala de

demonstração

Os resultados indicaram a obtenção de concentrações médias mais elevadas para o sistema

com retorno de lodo (fases 2 e 4) . Observa-se, ainda, que o aumento na DQO equivalente

para o sistema com retorno de lodo é maior a 125 cm de altura. Os resultados da análise

estatística dos resultados são apresentados na Tabela 5.37.

Tabela 5.37 - Resultados da análise estatística para a DQO equivalente de

polímeros extra-celulares

Sistema Pontos de amostragem

Médias (mg/gSVT)

Diferença entre as médias

2 Fase 1 = 97,2 Não significativo Fase 2 = 116,5 6 Fase 1 = 130,8 Significativo

Escala Piloto

Fase 2 = 183,6 1A Fase 3 = 83,8 Significativo

Fase 4 = 120,4 3A Fase 3 = 134,8 Não Significativo


Fase 4 = 157,7 Os resultados da análise estatística para a DQO equivalente de polímeros extra-celulares

indicaram que, no sistema em escala piloto, ocorreu um aumento estatisticamente

significativo na DQO equivalente do lodo coletado a 125 cm de altura para o sistema

operando com retorno de lodo (fase 2). Esse resultado pode estar relacionado com a presença

de partículas mais finas nesse ponto de amostragem na fase 2 (sistema em escala piloto). Para

o sistema em escala de demonstração, não foi observado um aumento estatisticamente

significativo na DQO equivalente total para o ponto de amostragem 3A .

MáximoMáximo

Mediana

DQ

O e

quiv

ale

nte

(mg

/gS

VT

)

0

20

40

60

80

100

120

140

160

180

200

T1 T3 T1 T3

Fase 3 Fase 4



148

5.3.9- Relação entre IVL e Polímeros Extra-celulare s

No sistema em escala piloto, pode-se observar uma tendência de aumento do IVL com o

aumento da concentração de polímeros extra-celulares, durante as fases 1 e 2 da pesquisa.

Entretanto, o aumento ocorrido no IVL foi maior para o lodo na altura de 125cm (ponto de

amostragem 6). Na altura de 25 cm (ponto de amostragem 2), o IVL se modificou pouco de

uma fase para outra.

Observou-se, ainda, maiores concentrações de polímeros extra-celulares para o lodo coletado

a 125cm de altura que também apresenta maior IVL em relação ao lodo coletado a 25 cm de

altura. Para uma melhor avaliação da existência de correlação entre esses parâmetros, foram

obtidas equações relacionando IVL e concentração de polímeros extra-celulares. A

comparação entre o aumento de polímeros extra-celulares e o aumento do IVL é apresentada

nas Figuras 5.92 a 5.97.

Figura 5.92 - Concentração de

carboidratos extra-celulares e IVL para

o lodo do ponto de amostragem 2


carboidratos extra-celulares e IVL para o

lodo do ponto de amostragem 6


proteínas extra-celulares e IVL para o

lodo do ponto de amostragem 2

Figura 5.95 - Concentração de proteínas

extra-celulares e IVL para o lodo do ponto

de amostragem 6

y = 0,3611x + 8,5708R2 = 0,2051

0

5

10

15

20

25

0 5 10 15 20 25Carboidratos (mg/gSVT)

IVL

(m

L/g

)

y = 0,9998x + 32,887R2 = 0,3881

0

20

40

60

80

100

0 20 40 60Carboidratos (mg/gSVT)

IVL

(m

L/g

)

y = 0,0787x + 9,4907R2 = 0,2033

0

5

10

15

20

25

0 30 60 90 120 150Proteínas (mg/gSVT)

IVL

(m

L/g

)

y = 0,4144x + 27,384R2 = 0,6356

0

20

40

60

80

100


IVL

(m

L/g

)


149

Figura 5.96 - Concentração de lipídios

extra-celulares e IVL para o lodo do

ponto de amostragem 2

Figura 5.97 - Concentração de lipídios

extra-celulares e IVL para o lodo do

ponto de amostragem 6

A análise das Figuras 5.92 a 5.97 indica a obtenção de melhores coeficientes de determinação

para as equações que relacionam carboidratos e proteínas extra-celulares com IVL, para o

lodo coletado no ponto de amostragem 6.

A análise das Figuras 5.92 a 5.97 indica, ainda, a obtenção de um melhor coeficiente de

determinação para a relação entre proteínas extra-celulres e IVL, para o lodo coletado a 125

cm de altura (ponto de amostragem 6). As equações obtidas para carboidratos extra-celulares

e IVL, para o lodo coletado nos pontos de amostragem 2 e 6, apresentaram coeficientes de

determinação de 0,21 e 0,39, enquanto para proteínas extra-celulares e IVL, os coeficientes de

determinação foram de 0,20 (ponto de amostragem 2) e 0,64 (ponto de amostragem 6).

As equações obtidas para lipídios extra-celulares e IVL, para o lodo coletado nos pontos de

amostragem 2 e 6, apresentaram baixos coeficientes de determinação, com valores de 0,0273,

para o lodo coletado no ponto de amostragem 2, e 0,0042, para o lodo coletado no ponto de

amostragem 6 (Figuras 5.96 e 5.97).

Esses resultados são semelhantes aos observados por Urbain et al. (1993) para o estudo de

flocos de lodos ativados. De acordo com esses pesquisadores, o aumento na concentração de

polímeros extra-celulares no lodo aeróbio, em processos de lodos ativados, provoca piores

condições de sedimentação do lodo.

Não foi observado, entretanto, o aumento da relação entre proteínas e carboidratos extra-

celulares para o lodo com piores características de sedimentação, como apresentado por

Cuervo-Lopez et al. (1999), que estudaram a sedimentabilidade do lodo em reatores UASB e

y = -0,2793x + 14,895R2 = 0,0273

0

5

10

15

20

25

0 2 4 6 8 10Lipídios (mg/gSVT)

IVL

(mL

/g)

y = 0,241x + 55,035R2 = 0,0042

0

20

40

60

80

100

0 5 10 15 20Lipídios (mg/gSVT)

IVL

(mL

/g)


150

constataram que a relação proteínas/carboidratos (P/C) poderia ser um melhor indicador da

estabilidade do reator que o índice volumétrico do lodo, pois o aumento na relação P/C foi

observado durante a flotação do lodo em um reator UASB e o mesmo não ocorreu com o IVL.

Esses resultados foram diferentes do obtido no presente trabalho, provavelmente, devido às

diferentes características do lodo estudado pelos pesquisadores, cujo IVL era da ordem de

100 a 150mL.g-1.

Os resultados obtidos para o lodo coletado no sistema em escala de demonstração foram

semelhantes aos obtidos para o sistema em escala piloto e são apresentados nas Figuras 5.98 a

5.103 .

Figura 5.98 - Concentração de carboidratos extra-celulares e IVL) para o lodo do ponto

de amostragem 1A

Figura 5.99 - Concentração de carboidratos extra-celulares e IVL para o lodo do ponto

de amostragem 3A

Figura 5.100 - Concentração de proteínas extra-celulares e IVL para o lodo do ponto

de amostragem 1A

Figura 5.101 - Concentração de proteínas extra-celulares e IVLpara o lodo do ponto de

amostragem 3A

y = 0,0752x + 19,471R2 = 0,0177

0

5

10

15

20

25

30

0 10 20 30 40Carboidratos (mg/gSVT)

IVL

(mL

/g)

y = 0,4216x + 20,994R2 = 0,1562

05

10

15202530

354045

0 10 20 30 40Carboidratos (mg/gSVT)

IVL

(mL

/g)

y = 0,1338x + 12,908R2 = 0,3327

0

5

10

15

20

25

30


IVL

(mL/

g)

y = 0,183x + 11,042R2 = 0,2593

0

5

10

1520

25

30

35

40

0 20 40 60 80 100 120 140Proteínas (mg/gSVT)

IVL

(mL/

g)


151

Figura 5.102 - Concentração de proteínas extra-celulares e IVL para o lodo do ponto

de amostragem 1A

Figura 5.103 - Concentração de lipídios extra-celulares e IVL para o lodo do ponto de

amostragem 3A Os coeficientes de determinação obtidos para as equações que relacionam IVL e polímeros

extra-celulares indicaram melhores coeficientes de determinação para proteínas extra-

celulares e IVL, entretanto os resultados obtidos para o sistema em escala de demonstração

apresentaram piores coeficientes de determinação em relação ao observado para o sistema em

escala piloto. Esses piores coeficientes de determinação podem ter ocorrido devido ao menor

número de resultados obtidos para o sistema em escala de demonstração.

5.3.10- Estabilidade

A estabilidade do lodo para o sistema em escala piloto foi avaliada durante cinco dias

operacionais na fase 1 (sem retorno de lodo) e na fase 2 (com retorno de lodo). Devido ao

pequeno número de resultados, não foi realizada a análise estatística dos mesmos. Os

resultados obtidos , para as fases 1 e 2, são apresentados na Figura 5.104.

y = -0,1398x + 23,378R2 = 0,0003

0

10

20

30

40

50

60

0,0 1,0 2,0 3,0 4,0Lipídios (mg/gSVT)

IVL

(m

L/g

)

y = 0,2557x + 25,289R2 = 0,0051

05

1015202530354045

0,0 2,0 4,0 6,0 8,0 10,0Lipídios (mg/gSVT)

IVL

(m

L/g

)


152

Figura 5.104 - Estabilidade do lodo do ponto de amostragem

2, durante as fases 1 e 2

Os resultados obtidos indicaram um lodo com biodegradabilidade residual média de 27 %, no

ponto de amostragem 2, durante as fases 1 e 2. Esses resultados indicam que o retorno de

lodo não prejudicou a estabilidade do lodo no reator UASB e que cerca de 27 % dos sólidos

orgânicos presentes na amostra ainda eram biodegradáveis no ambiente anaeróbio, durante as

duas fases operacionais. Entretanto, observa-se uma maior variabilidade dos resultados e um

valor máximo mais elevado durante a fase 2 da pesquisa.

Os resultados obtidos para a estabilidade do lodo, no sistema em escala de demonstração,

indicaram uma biodegradabilidade residual média de 27 e 32 %, para as fases 3 e 4,

respectivamente. Esses valores foram próximos aos observados para o sistema em escala

piloto, entretanto são superiores aos valores obtidos por Van Haandel e Lettinga (1994) que

foram de 7 % para o reator operando com TDH=5,6 h e 19% para o reator operando com

TDH=2,6 h.

5.3.11- Atividade metanogênica específica

As atividades metanogênicas específicas médias obtidas, para o lodo do ponto de amostragem

2 (sistema em escala piloto), foram de 0,4 e 0,5 gDQOCH4.gSVT-1.d-1, para as fases 1 e 2,

respectivamente. Os resultados obtidos são apresentados na Figura 5.105.

MáximoMínimo

Mediana

Est

abili

dade

(%)

0

10

20

30

40

50

60

Fase 1 Fase 2


153

Figura 5.105 - AME do lodo do ponto de amostragem 2, no

sistema em escala piloto, durante as fases sem e com retorno

de lodo

Os resultados obtidos indicam que não houve impacto negativo do lodo aeróbio sobre a

atividade do lodo no reator UASB, como havia sido observado por Jenícek et al. (1999) para o

retorno de lodo aeróbio para um reator anaeróbio compartimentado de fluxo ascendente. Isto

se deve, provavelmente, a alta taxa de diluição do lodo aeróbio ao ser incorporado ao esgoto

afluente no reator UASB (0,5 L. h-1 de lodo aeróbio/ para 74 L. h-1 de esgoto doméstico).

Pode-se observar, ainda, que ocorreu uma aparente melhoria da atividade do lodo, durante a

fase 2 da pesquisa, embora essa melhoria não tenha sido estatisticamente significativa. Ortega

et al. (1996) observaram a mesma tendência de melhoria da atividade do lodo durante a fase

com retorno de lodo aeróbio para o reator anaeróbio em seus experimentos, tendo ocorrido um

aumento na atividade metanogênica específica, de 0,27 para 0,40 gDQOCH4. gSV-1.dia-1.

Os resultados obtidos para o sistema em escala de demonstração indicaram baixos valores

para a atividade metanogênica específica para o lodo coletado no reator UASB, tendo-se

obtido valores da ordem de 0,1 gDQOCH4.gSVT-1.d-1, para as fases 3 e 4. Não foi observada

uma modificação no valor da atividade metanogênica devido ao retorno de lodo.

MáximoMínimo

Mediana

AM

E (g

DQ

O/g

SV

T.di

a)

0,0

0,1

0,2

0,3

0,4

0,5

0,6

0,7

Fase 1 Fase 2


154

5.4- Produção e composição do biogás

A produção de biogás, durante a digestão anaeróbia, pode variar em função das condições

ambientais presentes no reator e a proporção de gás carbônico em relação ao metano pode

variar devido às características do composto orgânico a ser degradado e ao equilíbrio de

dióxido de carbono no meio. Para a digestão anaeróbia de esgotos domésticos, a proporção

típica de metano e dióxido de carbono no biogás varia de 70 a 80% de metano e 20 a 30 % de

dióxido de carbono (CHERNICHARO, 1997).

Os dados estatísticos básicos para a composição e produção do biogás são apresentados na

Tabela 5.38 e os resultados para os dias operacionais no Anexo V. Todos os resultados de

produção e composição de biogás apresentaram distribuição normal (Anexo VI).

Tabela 5.38 – Dados estatísticos básicos para a produção e composição do biogás

Porcentagem Média (%) Fase Produção média Outros* CH4 CO2

Média (L . h-1) 7,4 12 78 10

Mínimo 3,6 10 75 7 Máximo 10,9 15 81 15

1

DP 2,1 2 2 2

Média (L . h-1) 8,2 15 76 9

Mínimo 4,0 9 70 5 Máximo 11,0 23 79 14

2

DP 2,0 4 2 3

Média (L . h-1) 195,8 17 77 6

Mínimo 133,3 4 71 5 Máximo 241,7 25 90 10

3

DP 33,3 7 6 2

Média (L . h-1) 250,0 18 76 6

Mínimo 116,7 10 71 4 Máximo 325,0 25 84 13

4

DP 50,0 5 4 2 Onde: Outros* = demais gases presentes, principalmente N2

5.4.1 - Comparação da composição do biogás durante as fases operacionais

Os resultados obtidos, durante as fases operacionais, para a composição do biogás são

apresentados nas Figuras 5.106 a 5.107.


155

Figura 5.106 – Composição do biogás no sistema em escala piloto

Figura 5.107 – Composição do biogás no sistema em escala de demonstração

A composição média do biogás foi de 78 e 76 % de metano, nas fases 1 e 2, respectivamente,

enquanto, nas fases 3 e 4, a composição média do biogás foi de 77,0 e 76,1 % de metano,

respectivamente.

Os resultados da análise estatística das porcentagens dos gases, durante as fases operacionais

(Tabelas 5.39 e 5.40 e Anexo VII) indicaram uma diminuição na porcentagem média de

metano, da fase 1 para a fase 2 (ao nível de significância de 5%). Essa diminuição deve ter

sido causada por uma maior contaminação de nitrogênio, pois não foi observada uma

modificação na porcentagem média de dióxido de carbono (ao nível de significância de 5%).

MáximoMínimo

Mediana

Com

posi

ção

do

biog

ás (%

)

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

Outros Metano CO2 Outros Metano CO2

Fase 1 Fase 2

MáximoMínimo

Mediana

Com

posi

ção

do b

iogá

s (%

)

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

Outros Metano CO2 Outros Metano CO2

Fase 3 Fase 4


156

Para o sistema em escala de demonstração, não foi observada diferença estatisticamente

significativa das porcentagens dos gases entre as fases operacionais, embora a porcentagem

média de metano tenha apresentado uma aparente diminuição no seu valor médio, durante a

fase 4.

Tabela 5.39 - Análise estatística para a porcentagem de gases durante as fases 1 e 2 Parâmetro N Médias (%) Diferença entre as fases

Fase 1 = 77,6 CH4 15 15 Fase 2 =75,9

Siginificativa

Fase 1 = 10,1 CO2 15 15 Fase 2 =9,1

Não significativa

Fase 1 =12,2 Outros 15 15 Fase 2 =15,0

Significativa

Tabela 5.40 - Análise estatística para a porcentagem de gases durante as fases 3 e 4 Parâmetro N Médias (%) Diferença entre as fases

Fase 3 = 77,1 CH4 10 13 Fase 4 =76,1

Não significativa

Fase 3 = 6,2 CO2 10 13 Fase 4 =5,2

Não significativa

Fase 3 = 16,7 Outros 10 13 Fase 4 =18,7

Não significativa

5.4.2 - Comparação da taxa de produção de metano du rante as fases operacionais

Os resultados obtidos para a produção de biogás e metano, durante as fases operacionais, são

apresentados nas Figuras 5.108 e 5.109.


157

Figura 108 – Produçao de biogás e metano no sistema em escala piloto

Figura 109 – Produçao de biogás e metano no sistema em escala de demonstração

Na presente pesquisa, a produção média de gás no sistema em escala piloto foi de 7,4 L.h-1, na

fase 1 da pesquisa, quando não foi realizado o retorno de lodo para o reator UASB e 8,2 L.h-1,

na fase 2, quando se realizou o retorno de lodo. Observou-se um aumento de 11% na

produção de gás com o retorno de lodo para o reator UASB, apesar das concentração médias

de DQO estarem muito próximas, durante as duas fases.

Para o sistema em escala de demonstração, foi observada uma produção média de gás de 4,7

m3 .d-1, na fase 3, quando não foi realizado o retorno de lodo para o reator UASB, e 6,0m3.d-1,

MáximoMínimo

Mediana

Pro

duçã

o (L

/h)

0

2

4

6

8

10

12

14

Biogás Metano Biogás Metano

Fase 1 Fase 2

MáximoMínimo

Mediana

Pro

duçã

o (m

3/d)

0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

Biogás Metano Biogás Metano

Fase 3 Fase 4


158

na fase 4, quando se realizou o retorno de lodo, indicando um aumento de 28% na produção

de gás.

A partir dos resultados da produção de biogás, foi determinada a taxa de produção de metano

para as diferentes cargas de DQO removida no reator UASB:

DQO total removida/dia: (DQOt afluente – DQOt efluente) x vazão afluente

A produção teórica de metano, determinada a partir da estequiometria da digestão anaeróbia, é

de 0,38L de metano.gDQO removida-1, para a temperatura de 25 OC. Observou-se uma taxa

de produção de gás metano de 0,24 LCH4.gDQOremovida-1, durante a fase 2, e de 0,22

LCH4.gDQOremovida-1 , durante a fase 1. Observa-se que a taxa de produção obtida, durante a

fase 2, foi cerca de 37% menor que a produção teórica, enquanto, durante a fase 1, foi 42%

menor que a produção teórica (0,38 LCH4.gDQO-1, para T = 25 oC).

No sistema em escala de demonstração, foi observada a mesma tendência do sistema em

escala piloto com um aumento de 28% na produção de gás, com taxas de produção de metano

de 0,19 e 0,21 LCH4.gDQOremovida-1, para as fase 3 e 4, respectivamente.

Essa maior produção de metano, durante as fases 2 e 4, pode estar relacionada ao retorno de

lodo, devido à maior mistura ocorrida no reator UASB (devido ao bombeamento semi-

contínuo do lodo de retorno) ou a problemas de vazamento na linha de gases ocorridos,

principalmente, durante a fase 1, que podem ter contribuído para as menores taxas de

produção calculadas.


159

5.5- Balanço de DQO

As Figuras 5.110 e 5.111 apresentam as cargas de DQO afluente e efluente do reator UASB e

o balanço da produção média de metano e lodo, em termos de DQO, durante o período

experimental, enquanto as concentrações afluentes e efluentes são apresentadas na Tabela

5.41 e a taxa de produção de metano na Tabela 5.42. Os coeficientes de produção de sólidos

no FBP são apresentados nas Tabelas 5.43 e 5.44. A partir dos dados de DQO particulada no

efluente do reator UASB e do teor de sólidos suspensos voláteis nesse efluente, determinou-se

a relação entre DQO do lodo e SSV, tendo-se obtido um valor de 1,6 kg DQO.kg SSV-1.

Dessa maneira, sabendo-se a produção diária de lodo no reator UASB, determinou-se a DQO

do lodo.

Com base na análise estequiométrica, a taxa de produção teórica de metano nas condições

normais de temperatura e pressão é de 0,38 L. gDQOremovida-1. Observa-se que os resultados

encontrados para a DQO do metano, considerando-se uma hidrólise de 100% no esgoto bruto,

variaram de 48 a 70%, aproximadamente, 60% da produção teórica, sendo que percentuais de

metano medido foram ligeiramente superiores para o sistema em escala piloto (Fases 1 e 2).


160

�

�

�

�

�

�

�

Figura 5.110- Esquema do balanço de conversão de DQO para o sistema em escala piloto

Figura 5.111 - Esquema do balanço de conversão de DQO para o sistema em escala de demonstração

Entrada de esgoto e lodo de retorno

Saída de efluente

Saída de biogás Biogás

Fase DQOCH4

(g/d)

%

% teórica Ho=1

1 361 39 71 2 393 42 67

�

Efluente

Fase DQOf (g/d) % 1 124 14 2 120 13

Sólidos produzidos

Fase DQO (g/d)

%

1 141 15 2 181 19

Esgoto Bruto (g/d)

Fase DQOf DQOp

1 345 586 2 302 610

Lodo de retorno (g/d)

Fase DQOf DQOp

2 1,4 20

Descarte de Lodo

�

�

�

�

Efluente

Fase DQOf. (g/d)

%

3 8640 25 4 6083 19

�

�

�

�

�

�

�

Esgoto Bruto (g/d)

Fase DQOf DQOp

3 12.303 21704 4 12.925 18386

Lodo de retorno (g/d)

Fase DQOf DQOp

4 83 3264

Saída de biogás

Entrada de esgoto e lodo de retorno

Descarte de Lodo

Saída de efluente

Biogás

Fase DQOCH4(g/d) %

% teorica Ho=1

3 9.532 28 48 4 12.009 35 56

Sólidos produzidos

Fase DQO (g/d)

%

3 9111 27 4 8179 26


161

Tabela 5.41 - Balanço de DQO nos reatores UASB

Concentração de DQO (mg/L)

Fase Vazão Esgoto Bruto (L/d)

Vazão Lodo (L/d)

DQOf no esgoto

bruto

DQOf no lodo de

retorno

DQOf no efluente

DQOp no esgoto

bruto

DQOp no lodo de

retorno

1 0 194 0 70 330 0 2

1776 12 170 118 67 343 1707

3 0 178 0 125 314 0 4

69120 571 187 146 88 266 5717

Tabela 5.42 - Produção de metano e sólidos nos reatores UASB Coef. de produção de sólidos

(Yobs) Fase gST/gDQOrem gSVT/gDQOrem

Produção de CH4

(L.h-1) Taxa de produção de CH4

(LCH4.gDQOf rem-1)

1 0,17 0,11 7,4 0,22 2 0,21 0,14 8,2 0,24 3 0,27 0,22 150 0,19 4 0,27 0,18 191 0,21

Tabela 5.43 - Produção específica média de sólidos no FBP em função da DQO

Y gST.gDQOremovida

-1 Y

gSVT.gDQOremovida-1

Y gST.gDQOaplicada

-1 Y

SVT.gDQOaplicada-1

Fase


1 0,38 0,28 0,28 0,27 0,23 0,17 0,17 0,17

2 0,49 0,33 0,38 0,31 0,27 0,18 0,21 0,17

3 - - - - - - - -

4 0,96 0,18 0,76 0,14 0,65 0,12 0,51 0,09

Obs: Não foi realizada a medida de lodo descartado na fase 3 da pesquisa. A DQO removida foi calculada a partir da DQO total no afluente e da DQO filtrada no efluente.

Tabela 5.44 - Produção específica média de sólidos no FBP em função da DBO

Y gST.gDBOremovida

-1 Y

gSVT.gDBOremovida-1

Y gST.gDBOaplicada

-1 Y

SVT.gDBOaplicada-1

Fase


1 0,51 0,38 0,38 0,37 0,45 0,34 0,34 0,32

2 0,53 0,35 0,41 0,33 0,43 0,29 0,33 0,27

3 - - - - - - - -

4 1,57 0,33 1,14 0,31 1,32 0,27 0,95 0,26

Obs: Não foi realizada a medida de lodo descartado na fase 3 da pesquisa. A DBO removida foi calculada a partir da DBO total no afluente e da DBO filtrada no efluente.


162

A análise das Figuras 5.110 e 5.111 indica um aumento na porcentagem de DQO convertida

em metano e uma diminuição da porcentagem de DQO no efluente, para os sistemas em

escala piloto e em escala de demonstração operando com retorno de lodo, em relação aos

mesmos sistemas operando sem retorno de lodo. Acredita-se que esse aumento possa ter

ocorrido devido a uma maior hidrólise no reator UASB, possivelmente devido ao efeito do

bombeamento semi-contínuo, que pode ter favorecido o melhor desempenho do reator em

função de alterações hidrodinâmicas no compartimento de digestão. Estas alterações podem

ter propiciado uma melhor mistura, além de uma diminuição no tamanho das partículas do

lodo, com aumento da área superficial e da atividade metanogênica específica (FRANCO et

al., 2002). A porcentagem de DQO no lodo apresentou um pequeno aumento no sistema em

escala piloto e praticamente não se modificou no sistema em escala de demonstração, das

fases sem retorno de lodo para as fases com retorno de lodo.

Para a determinação do grau de hidrólise do lodo aeróbio, foram utilizadas as equações 4.7 a

4.15. Através das equações 4.9 e 4.14, verificou-se o balanço de DQO para um grau de

hidrólise de 100% para o esgoto bruto (Ho = 1), no sistema operando sem retorno de lodo. Ao

se igualar a DQO filtrada removida com a DQO convertida em sólidos e metano, utilizando-se

esse grau de hidrólise, foi observado que a DQO filtrada removida era superior às medições

de DQO convertida em sólidos e em metano, indicando uma perda de 32% no sistema em

escala piloto e de 20% no sistema em escala de demonstração, que pode ter ocorrido devido a

deficiências na captura e medição de gás, bem como da não avaliação da produção de escuma.

Para as fases 2 e 4, em que o sistema operou com retorno de lodo, utilizou-se as equações 4.9

e 4.15 para determinação do grau de hidrólise do lodo de retorno (Hr), considerando-se a

mesma perda observada no sistema sem retorno de lodo. Os resultados obtidos são

apresentados na Tabela 5.45 e no Anexo VIII.

Tabela 5.45 – Grau de hidrólise no esgoto bruto e no lodo de retorno Sistema Ho Hr

Escala Piloto 0,9 0,65 Escala de demonstração 1,0 0,45

Para o sistema em escala de demonstração, foi obtido um grau de hidrólise de 45% para o

lodo de retorno e, para o sistema em escala piloto, o grau de hidrólise foi de 65%,

considerando-se as perdas iguais às do sistema em escala de demonstração uma vez que as

perdas de primeira fase do sistema em escala piloto foram muito elevadas (devido a

vazamentos no coletor de gases).


163

Considerando-se que o grau de hidrólise seja equivalente ao grau de estabilização da DQO

particulada ou dos sólidos voláteis presentes no lodo de retorno, foi possível observar um grau

de estabilização de aproximadamente 40 a 60% dos sólidos voláteis presentes no lodo aeróbio

na presente pesquisa. Esses valores são superiores aos apresentados por Gonçalves et

al.(2001), que observou uma digestão de lodo aeróbio de 21% no interior do reator UASB.

Possíveis explicações para essa diferença nos resultados seriam as diferentes condições

operacionais da presente pesquisa e as diferentes considerações utilizadas para o balanço de

DQO. Deve-se salientar que, para o sistema em escala piloto, que apresentou um grau de

estabilização de 65% para o lodo aeróbio, considerou-se um grau de hidrólise de 90% para a

DQO particulada no esgoto bruto, uma vez que o grau de estabilização de 100% resultaria em

perdas muito elevadas de biogás e escuma para o reator UASB.

6 - CONCLUSÕES

O processo de tratamento combinado de esgoto sanitário e de lodo excedente de filtro

biológico percolador, em reatores UASB, apresentou uma boa performance, sendo as

eficiências de remoção de DQO, DBO, equivalentes àquelas observadas para o sistema

operando sem retorno de lodo. Além do adensamento do lodo aeróbio, o reator UASB

proporcionou um grau de estabilização de, aproximadamente, 40 a 60%, para os graus de

hidrólise assumidos. Esses valores são próximos ao observado em digestores anaeróbios de

lodo, indicando a eficiência do reator para o tratamento combinado de esgotos sanitários e

lodo aeróbio.

Conclusões específicas sobre os diferentes parâmetros utilizados para se avaliar a eficiência

do sistema de tratamento, a estabilidade do reator UASB, a caracterização da biomassa e a

produção de biogás no reator anaeróbio são apresentadas a seguir:

6.1- Eficiência do sistema de tratamento

• As eficiências médias de remoção de DQO no sistema de tratamento operando com

retorno de lodo foram de 81 %, para os sistemas em escala piloto e em escala de

demonstração. Cerca de 90% dos resultados de DQO ficaram abaixo do padrão de 125

mg.L-1, estabelecido pela legislação européia, durante as fases em que o sistema operou

com retorno de lodo, tanto para o sistema em escala piloto como para o sistema em escala

de demonstração.


164

• Para o parâmetro DBO, durante as fases em que o sistema operou com retorno de lodo, as

eficiências médias de remoção foram de 87 e 90 %, nos sistemas em escala piloto e em

escala de demonstração, respectivamente, sendo que o percentual de atendimento ao

padrão de lançamento de 60 mg.L-1, foi de 98 e 90 %, nos sistemas em escala piloto e em

escala de demonstração, respectivamente. Já o teor de SST no efluente final do sistema de

tratamento atendeu ao padrão de lançamento de 60 mg.L-1 durante todas as fases

operacionais.

• A contribuição média de matéria orgânica específica (carboidratos, proteínas, lipídios e

ácido acético) para a DQO total do esgoto bruto variou de 46 a 79%, durante as fases

operacionais.

• A eficiência média de remoção de carboidratos não se modificou substancialmente

durante as fases operacionais sem e com retorno de lodo, tendo sido obtidas eficiências

médias de 86, 82, 75 e 74%, durante as fases 1, 2, 3 e 4, respectivamente.

• As proteínas foram os compostos predominantes no esgoto bruto e apresentaram

eficiências médias de remoção de 41, 54, 51 e 51 % no sistema UASB/FBP, durante as

fases 1, 2, 3 e 4, respectivamente. Ocorreu, ainda, um aumento na sua proporção nos

efluentes do processo de tratamento, em relação ao esgoto bruto. Esse aumento se deve,

provavelmente, à maior eficiência de remoção de carboidratos e lipídios do sistema de

tratamento, à presença de SSV no efluente e à liberação de compostos protéicos pelos

microrganismos durante o processo de tratamento.

• As eficiências médias de remoção de lipídios foram ligeiramente superiores durante as

fases sem retorno de lodo, com eficiências médias de 81 e 88%, nos sistemas em escala

piloto e em escala de demonstração, respectivamente. Para o sistema operando com

retorno de lodo, as eficiências médias foram de 73 e 77%, para os sistemas em escala

piloto e em escala de demonstração, respectivamente.

6.2- Estabilidade do reator UASB

• A cinética de primeira ordem foi a que melhor se ajustou ao decaimento de concentrações

de carboidratos, proteínas, lipídios e DQO no reator UASB, sendo que os compostos com

melhor ajuste à cinética de primeira ordem foram as proteínas e a DQO, durante a fase


165

com retorno de lodo. Observou-se, ainda, a ocorrência de constantes aparentes de reação

mais elevadas durante a fase com retorno de lodo.

• As concentrações de ácidos graxos voláteis no reator UASB foram muito baixas durante

todo o período operacional, indicando a sua rápida conversão em gás metano. Ocorreu,

ainda, um predomínio de formação de ácido acético em relação aos demais ácidos, sendo

que o ácido butírico apresentou a segunda maior concentração no reator UASB e no

esgoto bruto, entretanto, mesmo assim, sua formação foi muito baixa.

6.3- Caracterização da biomassa

• A porcentagem média de SVT no lodo do reator UASB operando com retorno de lodo foi

de 64 e 60%, para os sistemas em escala piloto e em escala de demonstração,

respectivamente, indicando que o retorno de lodo não provocou um aumento na

concentração de sólidos voláteis no reator. Ocorreu, entretanto, um aumento na produção

específica de sólidos em relação à DQO removida durante a fase com retorno de lodo, no

sistema em escala piloto, tendo-se obtido valores de 0,17 gST.gDQOremovida-1 e 0,21

gST.gDQOremovida-1, para as fases sem e com retorno de lodo, respectivamente. Para o

sistema em escala de demonstração, o valor médio obtido para o sistema operando com

retorno de lodo foi de 0,27 gST.gDQOremovida-1.

• A produção de sólidos no FBP no sistema em escala piloto foi de 0,66 gST.gDQOremovida-1

e 0,82 gST.gDQOremovida-1, para as fases sem e com retorno de lodo, respectivamente. Para

o sistema em escala de demonstração, o valor médio obtido para o sistema operando com

retorno de lodo foi de 1,14 gST.gDQOremovida-1.

• Ocorreu um pequeno aumento na porcentagem média de partículas finas nos pontos mais

elevados do reator UASB, durante as fases com retorno de lodo (sistema em escala piloto

e em escala de demonstração). As modificações no tamanho das partículas podem estar

associadas às modificações nas características do despejo, à presença e composição de

polímeros extra-celulares (carboidratos e proteínas) e ao bombeamento semi-contínuo do

lodo de retorno.

• Observou-se um aumento estatisticamente significativo na DQOequivalente de polímeros

extra-celulares do lodo coletado a 125 e 120 cm de altura, nos sistemas em escala piloto e

em escala de demonstração, respectivamente. Para o sistema em escala piloto observou-


166

se, ainda, um aumento estatisticamente significativo no teor de carboidratos e proteínas

extra-celulares, para o sistema operando com retorno de lodo, no lodo coletado a 125 cm

de altura.

• A presença de partículas mais finas no lodo nos pontos mais elevados do reator e a maior

produção específica de sólidos, durante as fases com retorno de lodo, nos sistemas em

escala piloto e de demonstração, tornaram necessária a realização de descartes mais

freqüentes de lodo para evitar a deterioração da qualidade do efluente do reator anaeróbio,

durante essas fases.

• Para o sistema em escala piloto, a biodegradabilidade residual média do lodo anaeróbio

foi de 27 % durante as duas fases operacionais enquanto a atividade metanogênica

específica (AME) média foi de 0,4 e 0,5 gDQOCH4.gSVT-1.d-1, para as fases sem e com

retorno de lodo, respectivamente. Para o sistema em escala de demonstração, os valores

obtidos para a biodegradabilidade residual média foram de 27 e 32 %, para as fases sem e

com retorno de lodo, respectivamente, e foi obtida uma atividade metanogênica específica

média de 0,1 gDQOCH4.gSVT-1.d-1, durante as duas fases operacionais.

6.4- Produção de gás

• Observou-se um aumento na produção de biogás nas fases em que os sistemas operaram

com retorno de lodo em relação às fases em que os sistemas foram operados sem retorno

de lodo, .apesar das concentração médias de DQO estarem muito próximas, durante as

fases operacionais com e sem retorno de lodo. Esse aumento de produção de gás pode

estar relacionado ao retorno do lodo, à maior mistura no reator devido ao bombeamento

semi-contínuo, à modificação no tamanho de partículas do lodo que favoreceram a

ocorrência de uma maior área de contato com o susbtrato e uma maior produção de gás.

Podem ter ocorrido, ainda, problemas de vazamento na linha de gases durante as fases

sem retorno de lodo, contribuindo para as menores taxas de produção calculadas.


167

7 - RECOMENDAÇÕES

Face aos resultados obtidos na presente pesquisa, recomenda-se:

• O estudo de diferentes rotinas de retorno de lodo, objetivando-se comparar o efeito do tipo

de bombeamento utilizado para o lodo de retorno na conversão de substratos e nas

características da biomassa no reator UASB.

• A continuidade das pesquisas de caracterização dos efluentes de processos de tratamento

biológico para melhor conhecimento dos compostos responsáveis pela DQO residual,

procurando-se subsidiar a escolha de sistemas de pós-tratamento, contribuir para maior

compreensão dos processos biológicos e identificar maneiras de aumentar a eficiência dos

mesmos.

• Um estudo mais detalhado sobre metodologias de determinação de IVL em lodos

anaeróbios, uma vez que as metodologias existentes se referem a lodos aeróbios.


168

8 - REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS

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