ANA CARLA DE CARVALHO NOGUEIRA

AVALIAO DE UM SISTEMA COMBINADO ANAERBIO AERBIO PARA TRATAMENTO DA VINHAA

LAVRAS - MG

2014

ANA CARLA DE CARVALHO NOGUEIRA

AVALIAO DE UM SISTEMA COMBINADO ANAERBIO

AERBIO PARA TRATAMENTO DA VINHAA

Dissertao apresentada Universidade Federal de Lavras, como parte das exigncias do Programa de Ps-Graduao em Recursos Hdricos em Sistemas Agrcolas, rea de concentrao em Irrigao e Saneamento Ambiental, para a obteno do ttulo de Mestre.

Orientador

Dr. Cludio Milton Montenegro Campos

Coorientadores

Dra. Ftima Rezende Luiz Fia

Dr. Ronaldo Fia

LAVRAS - MG

2014

Ficha Catalogrfica Elaborada pela Coordenadoria de Produtos e Servios da Biblioteca Universitria da UFLA

Nogueira, Ana Carla de Carvalho. Avaliao de um sistema combinado anaerbio-aerbio para tratamento da vinhaa / Ana Carla de Carvalho Nogueira. Lavras : UFLA, 2014.

151 p. : il. Dissertao (mestrado) Universidade Federal de Lavras, 2014. Orientador: Cludio Milton Montenegro Campos. Bibliografia. 1. Vinhaa. 2. Sistema combinado anaerbio-aerbio. 3. Ensaio

hidrodinmico. 4. UASB. 5. FBS. I. Universidade Federal de Lavras. II. Ttulo.

CDD 628.746

ANA CARLA DE CARVALHO NOGUEIRA

AVALIAO DE UM SISTEMA COMBINADO ANAERBIO

AERBIO PARA TRATAMENTO DA VINHAA

Dissertao apresentada Universidade Federal de Lavras, como parte das exigncias do Programa de Ps-Graduao em Recursos Hdricos em Sistemas Agrcolas, rea de concentrao em Irrigao e Saneamento Ambiental, para a obteno do ttulo de Mestre.

APROVADA em 28 de Fevereiro de 2014.

Dr. Alisson Carraro Borges UFV

Dr. Luiz Fernando Coutinho de Oliveira UFLA

Dr. Ronaldo Fia UFLA

Dr. Cludio Milton Montenegro Campos Orientador

LAVRAS - MG

2014

Aos meus pais Jos Celso e Alessandra.

DEDICO

AGRADECIMENTOS

Primeiramente agradeo a Deus pelo dom da vida!

Aos meus amados pais, Jos Celso e Alessandra, pelo apoio e incentivo

de sempre, pelas palavras amigas, por sempre acreditarem em meu potencial e

nunca me deixarem desistir dos meus sonhos.

Aos meus irmos, Alexandre e Alice, e aos meus cunhados Mariana e

Joo Guilherme, pela amizade e carinho nos momentos que mais foram precisos.

minha pequena princesa, minha afilhada Maria Fernanda, pelo sorriso

inocente e amor sem medidas.

Aos meus avs queridos, David, Geralda e Tereza, que sempre torceram

pelo meu sucesso e com suas oraes sempre me abenoaram.

s minhas tias Claret, Carla e Mal, pelas palavras amigas, conselhos e

oraes.

Aos meus tios e primos pelos momentos de alegria e diverso nas

reunies de famlia.

Ao meu namorado Douglas, pelo amor, companheirismo, pacincia e

colo de sempre. Por ser meu porto seguro nas horas que mais preciso e por no

me deixar desistir dos meus objetivos.

Aos meus sogros, Antnio e Raquel, aos cunhados Daniel, Nayara e

Elizandra, pelo carinho, amizade e oraes. Por se tornarem minha segunda

famlia.

Aos amigos de longa data, que mesmo nos vendo pouqussimas vezes ao

ano, sempre tiveram uma palavra amiga e um incentivo para me colocar para

frente.

Aos amigos conquistados durante a graduao, no citarei nomes para

no esquecer ningum, pelos momentos inesquecveis que passamos durante os

cinco anos de UFLA.

Aos amigos da ps-graduao, pelos momentos de dificuldades que

passamos juntos, pelo apoio mtuo e pela amizade que ficar para o resto da

vida.

s amigas de repblica durante esses dezoito meses de mestrado, Karen

e Raquel, pela amizade e apoio.

Em especial, gostaria de agradecer s pessoas que me ajudaram a

concluir este trabalho com grande satisfao:

Ao meu orientador, professor Cludio Montenegro, por sempre acreditar

em meu potencial, pela orientao, pelo incentivo, pelas palavras amigas e

ensinamentos valiosos que levarei para minha vida profissional.

Aos meus coorientadores, professores Ronaldo Fia e Ftima Fia, por

contriburem grandiosamente para que meu experimento desse certo, pelas

orientaes, intervenes necessrias e amizade.

Aos bolsistas de iniciao cientfica: Dbora, Tatyanna, Jaza e

Emanuel, pela ajuda e esforo para que todas as anlises fossem feitas e que o

experimento sasse conforme o planejado. Aos alunos da Engenharia Ambiental

que me ajudaram voluntariamente no multiro para monitorar o ensaio

hidrodinmico.

Aos tcnicos do LAADEG: Wesley, Alex e Isael, pelo suporte dado para

que as anlises dessem certo.

Waina, colega e amiga de ps-graduao, que virou a mezona de

todos no LAADEG, pelo apoio, ajuda e disponibilidade sempre que necessitei.

empresa Sistemaq Sistemas de Irrigao, pela oportunidade de

exercer meu trabalho, aplicando todos os conhecimentos adquiridos durantes

esses anos de estudos, pelo apoio e compreenso para que conclusse essa etapa

com xito.

coordenao, aos funcionrios e a todo corpo docente do Programa de

Ps-Graduao em Recursos Hdricos em Sistemas Agrcolas do Departamento

de Engenharia, pelos ensinamentos, ajuda e convivncia.

Ao Conselho Nacional de Desenvolvimento Cientfico e Tecnolgico

(CNPq) e Fundao de Amparo Pesquisa do Estado de Minas Gerais

(FAPEMIG), pelas bolsas concedidas e pelo financiamento do projeto.

Universidade Federal de Lavras (UFLA) e ao Departamento de

Engenharia (DEG), pela oportunidade de realizar esse curso.

Por vezes sentimos que aquilo que fazemos

no seno uma gota de gua no mar.

Mas o mar seria menor se lhe faltasse uma gota...

(Madre Teresa de Calcut)

RESUMO

O trabalho teve como objetivo a avaliao de um sistema combinado anaerbio-aerbio em escala laboratorial no tratamento da vinhaa. O sistema monitorado teve duas fases: a Fase I teve 77 dias de monitoramento e trabalhou com um TDH de 0,95 d-1 e a Fase II teve 123 dias de monitoramento e trabalhou com um TDH de 1,85 d-1. Para avaliao do sistema, foram monitoradas, nos afluentes e efluentes de cada reator, as seguintes variveis: demanda biolgica de oxignio (DBO), demanda qumica de oxignio (DQO), slidos totais (ST), slidos totais volteis (STV), slidos totais fixos (STF), nitrognio total Kjeldahl (NTK), nitrato, fsforo total, pH, temperatura, alcalinidade, acidez e compostos fenlicos. Todas as anlises foram feitas no LAADEG/UFLA, seguindo metodologia descrita em American Public Health Association - APHA (2005). Para o estudo hidrodinmico das unidades, foram realizados ensaios empregando cloreto de ltio (LiCl) como traador. Quanto ao desempenho do sistema, as eficincias de remoo para: ST, SFT, SV, compostos fenlicos, NTK, fsforo, DBO5, DQObruta e DQOfiltrada, foram baixas e apresentaram variaes consideradas, podendo observar que o sistema no entrou em steady-state. As variveis pH e temperatura apresentaram valores de 6,1 e 24,3 C, respectivamente, enquadrando nos valores adequados para o bom funcionamento do sistema. A produo terica de gs metano para o UASB 1 foi de 19,4 LCH4 d-1 na Fase I e de 10,9 LCH4 d

-1 na Fase II; para o UASB 2 foi de 6,9 LCH4 d-1 na

Fase I e de 5,7 LCH4 d-1 na Fase II. Os valores mdios encontrados para

alcalinidade parcial (AP), alcalinidade intermediria (AI) e alcalinidade total em ambas as fases de monitoramento do sistema estavam abaixo da faixa recomendada para o processo de anaerobiose. Atravs do ensaio hidrodinmico, os reatores UASB 1 e UASB 2 apresentaram fluxo tendendo a pistonado com moderada intensidade de disperso e o reator FBS apresentou fluxo tendendo mistura completa com grande intensidade de disperso.

Palavras-chave: Vinhaa. Eficincia na remoo de matria orgnica. Reator UASB. FBS. Ensaio hidrodinmico.

ABSTRACT

The purpose of this study was to assess a combined aerobic-anaerobic system used for vinasse treatment. The experiment was performed in the laboratory scale during two different stages, namely, the stages I and II, which lasted respectively 77 and 123 monitoring days for a Hydraulic Retention Time of around 0.95 d-1 and of 1.85 d-1. On the affluents and effluents of each reactor were monitored the following parameters: biological oxygen demand (BOD), chemical oxygen demand (COD), total solids (TS), total volatile solids (TVS), total fixed solids (TFS), total Kjeldahl nitrogen (TKN), nitrate, total phosphorus, pH, temperature, alkalinity, acidity, and phenolic compounds. Analyses were carried out as outlined in American Public Health Association (2005), in the Laboratory of Effluent and Water Analysis of the Department of Engineering, at Federal University of Lavras. For the hydrodynamic study were performed experiments using lithium chloride as tracer. The system performance did not reach the steady-state, as result of low removal efficiency for TS, TFS, VS, phenolic compounds, NKT, phosphorus, BOD5, crude COD, and filtered COD, which showed significant variations. The pH of 6.1 and temperatures of 24.3oC were suitable for the best system working. The theoretical production of methane gas from the UASB 1 and UASB 2 were respectively of 19.4 LCH4 d-1 and 6.9 LCH4 d-1 at the stage I, and of 10.9 LCH4 d-1 and 5.7 LCH4 d-1 at the stage II. The averages of partial, intermediate and total alkalinity of both system monitoring stages were under the range recommended for the anaerobic process. Therefore, the reactors UASB 1 and UASB 2 showed a plug-flow tendency, with moderate dispersion. Besides, the Biological and Submerged Aerated Filter (BSAF) showed a tendency for complete mixing flow with intensive dispersion.

Keys-words: Vinasse. Efficiency in the organic matter removal. UASB reactor. BSAF. Hydrodynamic testing.

LISTA DE FIGURAS

Figura 1 Desenho esquemtico de um reator UASB ...................................... 38

Figura 2 Diferentes formas de injeo do traador ......................................... 57

Figura 3 Principais anomalias existentes em escoamentos no ideais ............ 59

Figura 4 Configuraes dos reatores UASB 1, UASB 2 e FBS ..................... 62

Figura 5 Configuraes do separador trifsico ............................................... 63

Figura 6 Configuraes do equalizador de presso ........................................ 64

Figura 7 Gasmetros para o monitoramento do biogs .................................. 65

Figura 8 Condutes utilizados como material suporte do FBS ....................... 66

Figura 9 Sistema de aerao do FBS composto por quatro unidades

perfuradas ligadas a um compressor para injeo de ar na base do

FBS ................................................................................................... 67

Figura 10 Tanque de acidificao e equalizao (TAE) para alimentao

dos reatores ....................................................................................... 68

Figura 11 Efluente gerado pelo FBS sendo descartado em galo de 20 litros

para o monitoramento dirio da vazo do sistema ........................... 69

Figura 12 Sistema de tratamento em escala laboratorial compreendendo

associao em srie dos reatores UASB com o FBS instalado no

LAADEG ......................................................................................... 70

Figura 13 Intervalo entre as duas fases quando se realizou o teste de

estanqueidade para verificao de vazamentos ................................ 71

Figura 14 Estruturao para realizao do ensaio hidrodinmico nos

reatores UASB 1, UASB 2 e FBS .................................................... 79

Figura 15 Variao nos valores de temperatura observados no afluente e a

mdia encontrada nas duas fases do experimento ............................ 82

Figura 16 Variao nos valores de temperatura observados no reator UASB

1 e a mdia encontrada nas duas fases do experimento .................... 83

Figura 17 Variao nos valores de temperatura observados no reator UASB

2 e a mdia encontrada nas duas fases do experimento .................... 83

Figura 18 Variao nos valores de temperatura observados no FBS e a

mdia encontrada nas duas fases do experimento ............................ 84

Figura 19 Condutividade eltrica medida no afluente e nos reatores UASB

1, UASB 2 e FBS durante a ltima semana de monitoramento do

experimento ...................................................................................... 85

Figura 20 Variao nos valores de pH observados no afluente e a mdia

encontrada nas duas fases do experimento ....................................... 87

Figura 21 Variao nos valores de pH observados no UASB1 e a mdia

encontrada nas duas fases do experimento ....................................... 87

Figura 22 Variao nos valores de pH observados no UASB 2 e a mdia

encontrada nas duas fases do experimento ....................................... 88

Figura 23 Variao nos valores de pH observados no FBS e a mdia

encontrada nas duas fases do experimento ....................................... 88

Figura 24 Variao dos valores encontrados para alcalinidade total o

afluente e nos reatores UASB 1 e UASB 2. Mdia geral do

sistema na Fase I (632 mgCaCO3 L-1) e na Fase II (751

mgCaCO3 L-1) ................................................................................... 90

Figura 25 Variao dos valores encontrados para o Coeficiente de Ripley

(AI/AP) no afluente e nos reatores UASB1 e UASB2. Mdia

geral do sistema na Fase I (3,9) e na fase II(1,9) .............................. 91

Figura 26 Variao dos valores encontrados para alcalinidade parcial (AP)

no afluente e nos reatores UASB1 e UASB2. Mdia geral do

sistema na Fase I (219 mgCaCO3 L-1) e na Fase II (455

mgCaCO3 L-1) ................................................................................... 93

Figura 27 Variao dos valores encontrados para alcalinidade intermediria

(AI) no afluente e nos reatores UASB1 e UASB2. Mdia geral

do sistema na Fase I (444 mgCaCO3 L-1) e na Fase II (434

mgCaCO3 L-1) ................................................................................... 93

Figura 28 Variao dos valores encontrados para alcalinidade bicarbonato

no afluente e nos reatores UASB1 e UASB2. Mdia geral do

sistema na Fase I (-233 mgCaCO3 L-1) e na Fase II (-

239mgCaCO3 L-1) ............................................................................. 94

Figura 29 Variao dos valores encontrados para cidos volteis totais no

afluente e nos reatores UASB1 e UASB2. Mdia geral do

sistema na Fase I (1138 mgCaCO3 L-1) e na Fase II (1353

mgCaCO3 L-1) .................................................................................. 96

Figura 30 Variao nos valores de concentrao de oxignio dissolvido no

FBS somente na Fase II do experimento. Valores medidos por

titulao e pelo oxmetro .................................................................. 97

Figura 31 Slidos totais (ST) presentes no sistema combinado anaerbio -

aerbio ............................................................................................ 101

Figura 32 Slidos fixos totais presentes no sistema combinado anaerbio -

aerbio ............................................................................................ 101

Figura 33 Slidos volteis totais presentes no sistema combinado anaerbio

aerbio ......................................................................................... 102

Figura 34 Perfil dos slidos atravs da concentrao de SVT para o ao

longo do monitoramento do sistema. A Reator UASB 1 / B

Reator UASB 2 / C Reator FBS / D Mdia do perfil dos

slidos nos reatores UASB 1, UASB 2 e FBS ............................... 104

Figura 35 Valores mdios de concentrao de DBO5, DQO bruta e DQO

filtrada, encontrados no afluente e nos reatores UASB 1, UASB

2 e FBS durante o monitoramento do sistema ................................ 108

Figura 36 Produo de biogs nos reatores UASB 1 e UASB 2 atravs do

deslocamento de gua nos gasmetros ........................................... 110

Figura 37 Concentraes mdias de NTK no afluente e nos reatores UASB

1, UASB 2 e FBS durante o monitoramento do sistema ................ 115

Figura 38 Concentraes mdias de nitrato (NO3-) no afluente e nos

reatores UASB 1, UASB 2 e FBS durante o monitoramento do

sistema ............................................................................................ 116

Figura 39 Concentraes de fsforo no afluente e nos reatores UASB 1,

UASB 2 e FBS durante o monitoramento do sistema .................... 119

Figura 40 Concentraes dos compostos fenlicos no afluente e nos

reatores UASB 1, UASB 2 e FBS durante o monitoramento do

sistema ............................................................................................ 122

Figura 41 Curva de DTR para o UASB 1 ....................................................... 126

Figura 42 Curva de DTR para o UASB 2 ....................................................... 127

Figura 43 Curva de DTR para o FBS ............................................................. 127

LISTA DE TABELAS

Tabela 1 Composio da vinhaa de cana-de-acar segundo vrios

autores .............................................................................................. 31

Tabela 2 Evoluo da legislao brasileira sobre a disposio da vinhaa ..... 33

Tabela 3 Vantagens e desvantagens de um reator UASB ............................... 39

Tabela 4 Parmetros da vinhaa por diversos autores ..................................... 42

Tabela 5 Carga orgnica volumtrica (COV), carga orgnica biolgica

(COB), tempo de deteno hidrulica (TDH) e vazo (Q)

utilizados durante as duas fases do experimento .............................. 73

Tabela 6 Frequncia e mtodos de anlises .................................................... 75

Tabela 7 Caractersticas operacionais dos reatores UASB 1, UASB 2 e

FBS para realizao do ensaio hidrodinmico ................................. 80

Tabela 8 Temperaturas mdias no afluente e nos reatores UASB 1, UASB

2 e FBS ao longo das duas fases de monitoramento do sistema....... 82

Tabela 9 Valores mdios do pH no afluente e nos reatores UASB 1,

UASB 2 e FBS ao longo das duas fases de monitoramento do

sistema .............................................................................................. 86

Tabela 10 Valores mdios da alcalinidade parcial, alcalinidade

intermediria e alcalinidade total (mgCaCO3 L-1) e do coeficiente

de Ripley para o afluente e para os reatores UASB 1 e UASB 2 ..... 92

Tabela 11 Valores mdios da alcalinidade bicarbonato (mgCaCO3 L-1) para

o afluente e para os reatores UASB 1 e UASB 2 ............................. 94

Tabela 12 Valores mdios dos cidos volteis totais (mgCaCO3 L-1) no

afluente e nos reatores UASB1 e UASB2 ........................................ 95

Tabela 13 Eficincia de remoo dos ST, SFT e SV no sistema anaerbio-

aerbio em estudo ............................................................................. 99

Tabela 14 Valores mdios dos ST, SFT e SVT presentes nos reatores

UASB 1, UASB 2 e FBS ................................................................ 100

Tabela 15 Valores mdios das eficincias na remoo de DBO5, DQO bruta

e DQO filtrada durante o monitoramento do sistema ..................... 109

Tabela 16 Valores encontrados para a produo terica de metano ............... 111

Tabela 17 Valores mdios de NTK no afluente e nos reatores UASB 1,

UASB 2 e FBS durante o monitoramento do sistema .................... 114

Tabela 18 Eficincia mdia de remoo de NTK nos reatores UASB 1,

UASB 2 e FBS durante o monitoramento do sistema .................... 114

Tabela 19 Concentraes mdias de nitrato no afluente e nos reatores

UASB 1, UASB 2 e FBS durante o monitoramento do sistema..... 117

Tabela 20 Eficincia de remoo do nitrato nos reatores UASB 1, UASB 2

e FBS durante o monitoramento do sistema ................................... 117

Tabela 21 Valores mdios de fsforo no afluente e nos reatores UASB 1,

UASB 2 e FBS o monitoramento do sistema ................................. 118

Tabela 22 Eficincia mdia de remoo de fsforo nos reatores UASB 1,

UASB 2 e FBS, durante as duas fases de monitoramento do

sistema ............................................................................................ 118

Tabela 23 Valores mdios dos compostos fenlicos no afluente e nos

reatores UASB 1, UASB 2 e FBS durante o monitoramento do

sistema ............................................................................................ 121

Tabela 24 Eficincia mdia de remoo dos compostos fenlicos nos

reatores UASB 1, UASB 2 e FBS durante o monitoramento do

sistema ............................................................................................ 121

Tabela 25 Resultados do ensaio hidrodinmico realizado no sistema

combinado anaerbio-aerbio em estudo ....................................... 123

Tabela 26 Interpretao do resultado para a disperso (d) quanto

intensidade ...................................................................................... 123

Tabela 27 Interpretao do resultado para a disperso (d) quanto ao

escoamento ..................................................................................... 123

Tabela 28 Interpretao do resultado para o nmero de sries (N) quanto ao

escoamento ..................................................................................... 124

Tabela 29 Resultados dos ndices utilizados para a avaliao mais precisa

do ensaio hidrodinmico do sistema anaerbio-aerbio,

juntamente com a interpretao dos resultados .............................. 125

LISTA DE SIGLAS E ABREVIATURAS

Bx - Grau Brix

ABNT Associao Brasileira de Normas Tcnicas

AI Alcalinidade Intermediria

ANOVA Anlises de varincias

AP Alcalinidade Parcial

AT Alcalinidade Total

ATP Trifosfato de adenosina

AVT cidos Volteis Totais

CE Condutividade Eltrica

CERH Conselho Estadual de Recursos Hdricos

CNPq - Conselho Nacional de Desenvolvimento Cientfico e Tecnolgico

COB Carga Orgnica Biolgica

CONAMA Conselho Nacional do Meio Ambiente

COPAM Conselho Poltico Ambiental

COV Carga Orgnica Volumtrica

CV Coeficiente de Variao

DBO Demanda Bioqumica de Oxignio

DEG Departamento de Engenharia da UFLA

DQO Demanda Qumica de Oxignio

DTR Tempo de residncia

EPDM Ethylene Propylene Diene Monomer (M- class rubber)

FAPEMIG - Fundao de Amparo Pesquisa do Estado de Minas Gerais

FBS Filtro Biolgico Aerado Submerso

IDM ndice de Disperso de Morril

K(t) Fator de correo

L/B Relao altura / dimetro

LAADEG - Laboratrio de Anlise de gua e Efluentes do Departamento de

Engenharia

NBR Normas Brasileiras

NPK Nitrognio / Fsforo / Potssio

NTK Nitrognio Total Kjeldahl

OD Oxignio Dissolvido

P Presso atmosfrica

pH Potencial Hidrogeninico

PVC Cloreto de polivinila

Q Vazo

R2 Coeficiente de correlao

RAC Reator Anaerbio Compartimentado

SFT Slidos Fixos Totais

SST Slidos totais em suspenso

ST Slidos Totais

SVT Slidos Volteis Totais

TAE Tanque de Acidificao e Equalizao

TDH Tempo de Deteno Hidrulica

UASB Reator anaerbio de manta de lodo (Upflow Anaerobic Sludge Blanket)

UFLA Universidade Federal de Lavras

UFV Universidade Federal de Viosa

V Volume

Y Crescimento bacteriano

LISTA DE SMBOLOS E UNIDADES

% - Porcentagem

C Graus Celsius

atm Presso atmosfrica

Ca Clcio

Ca(OH) Hidrxido de clcio

CaCO3 Carbonato de clcio

Cd Cdmio

CH4 Metano

cm Centmetro

CO2 Gs carbnico

Cr Cromo

d Dia

g L-1 Grama por litro

g m-3 Grama por metro cbico

g mol-1 Grama por mol

h Hora

K Potssio

kg m-3 d-1 Quilograma por metro cbico por dia

kg m-3 Quilograma por metro cbico

kg mol-1 Quilograma por mol

kPa Quilo Pascal

L Litro

L d-1 Litro por dia

L h-1 Litro por hora

L mol-1 K-1 Litro por mol por Kelvin

Li+ - Ltio

LiCl Cloreto de ltio

m Metro

m h-1 Metro por hora

m m-1 Metro por metro

m s-2 - Metro por segundo a cada segundo

m2 m-2 h-1 Metro quadrado por metro quadrado por dia

m3 m-3 d-1 Metro cbico por metro cbico por dia

mg L-1 Miligrama por litro

Mg Magnsio

mg mg-1 Miligrama por miligrama

mL Mililitro

mL d-1 Mililitros por dia

mm Milmetro

mS cm-1 Mili Siemens por centmetro

N Nitrognio

N2 Nitrognio

NaOH Hidrxido de sdio

NH3 Amnio

NH4+ - Amnia

Ni Nquel

NO2- Nitrito

NO3- Nitrato

Dimetro

K Graus Kelvin

O2 Oxignio

P Fsforo

Pb Chumbo

SO4 Dixido de enxofre

Comprimento de onda

Sigma

SUMRIO

1 INTRODUO ............................................................................... 25 2 OBJETIVOS .................................................................................... 27 2.1 Objetivo geral .................................................................................. 27 2.2 Objetivos especficos ....................................................................... 27 3 REVISO DE LITERATURA ...................................................... 28 3.1 A vinhaa ......................................................................................... 28 3.1.1 Composio da vinhaa .................................................................. 29 3.1.2 Alternativas de tratamento da vinhaa e disposio final ........... 32 3.1.3 A vinhaa utilizada na fertirrigao e seus impactos .................. 35 3.2 Reatores anaerbios de manta de lodo UASB ........................... 37 3.3 Biofiltros aerados submersos (FBS) .............................................. 46 3.3.1 Nitrificao em filtro biolgico aerado submerso (FBS) ............. 50 3.4 Sistema combinado anaerbio aerbio....................................... 52 3.5 Hidrodinmica dos sistemas de tratamento .................................. 53 3.5.1 Utilizao de traadores nos estudos hidrodinmicos ................. 55 4 MATERIAL E MTODOS............................................................ 61 4.1 Localizao do experimento ........................................................... 61 4.2 Configurao do experimento ........................................................ 61 4.3 gua residuria ............................................................................... 67 4.4 Alimentao do sistema .................................................................. 68 4.5 Amostragem ..................................................................................... 69 4.6 Monitoramento do sistema ............................................................. 70 4.7 Produo terica de biogs............................................................. 76 4.8 Ensaio hidrodinmico do sistema .................................................. 78 5 RESULTADOS E DISCUSSES .................................................. 81 5.1 Temperatura .................................................................................... 81 5.2 Condutividade Eltrica ................................................................... 84 5.3 Potencial hidrogeninico (pH) ....................................................... 86 5.4 Alcalinidade e acidez ....................................................................... 89 5.5 Oxignio Dissolvido ......................................................................... 96 5.6 Slidos totais (ST), fixos (SFT) e volteis (SVT)........................... 97 5.7 Avaliao do perfil de slidos nos reatores ................................... 102 5.8 Eficincia na remoo de matria orgnica no sistema ............... 105 5.9 Produo de biogs ......................................................................... 109 5.9.1 Medio do biogs feita por deslocamento de gua ..................... 109 5.9.2 Produo terica de biogs............................................................. 110 5.10 Remoo de nitrognio e fsforo .................................................... 112 5.10.1 Remoo de nitrognio ................................................................... 112 5.10.2 Remoo de fsforo ......................................................................... 117

5.11 Compostos fenlicos ........................................................................ 119 5.12 Ensaio hidrodinmico do sistema .................................................. 122 6 CONCLUSES ............................................................................... 130 7 CONSIDERAES FINAIS E SUGESTES ............................. 132 REFERNCIAS .............................................................................. 134 ANEXO ............................................................................................ 148

25

1 INTRODUO

Para as indstrias que utilizam grandes quantidades de gua, tais como

as do setor sucroalcooleiro, fundamental tratar e reutilizar seus efluentes. Desta

forma, tem sido sugerida a aplicao da vinhaa no solo, como fonte de

nutrientes para as culturas. Porm, a disposio inapropriada pode levar

contaminao dos solos e das guas subterrneas. Associado a este fato, verifica-

se que os padres de descarga aplicados s agroindstrias so muitas vezes

rigorosos e abaixo dos nveis que podem ser alcanados com tecnologias de

tratamento biolgico convencional.

No Brasil, os processos anaerbios empregados em sistemas de

tratamento de efluentes so comumente utilizados devido s diversas vantagens

que apresentam, quando comparados aos aerbios. Porm, esses sistemas

quando utilizados individualmente para tratamento de guas residurias

agroindustriais produzem efluentes com concentraes de nutrientes (N e P)

acima do valor permitido pela legislao. O uso combinado dos processos

anaerbio e aerbio apresenta grande potencial para tratamento dessas guas

residurias. A combinao desses processos possibilita a construo de modelos

mais compactos (menor rea de implantao da estao), com menor consumo

de energia com aeradores, devido a menor demanda de oxignio dissolvido (OD)

e menor produo de biomassa (lodo).

O sistema combinado anaerbio/aerbio mostra ser uma opo vivel

quanto aos aspectos econmico e tcnico, pois esse sistema promove oxidao

carboncea, nitrificao, desnitrificao e, algumas vezes, remoo de fsforo.

Portanto, essa combinao torna possvel aproveitar as vantagens de cada um

deles e minimiza seus aspectos negativos.

Sendo assim, o projeto de pesquisa justifica-se medida que se constata

a importncia, para a economia brasileira, da produo de derivados da cana-de-

26

acar, como o acar e o etanol. Ultimamente, o governo federal imps um

estmulo relevante produo de lcool como combustvel; em vista disto, as

reas de produo de cana-de-acar e consequentemente a produo da vinhaa

tm aumentado continuamente. Alm disso, o aumento na produo artesanal de

cachaa no estado de Minas Gerais tem demandado solues tcnicas viveis e

simplificadas para o tratamento de seus efluentes. Ressalta-se que nas regies

produtoras, o despejo da vinhaa em corpos de gua tem se tornado um grande

problema ambiental. O aprofundamento do conhecimento de sistemas

anaerbios e aerbios, quando operados de forma combinada, contribuir para

futuras aplicaes que estaro ao alcance dos produtores, com consequente

disseminao de tecnologia e incentivo a prticas sustentveis de produo.

27

2 OBJETIVOS

2.1 Objetivo geral

O objetivo geral desse trabalho foi avaliar o desempenho de dois

reatores anaerbios de manta de lodo (UASB) em srie, seguidos por um filtro

biolgico aerado submerso (FBS) no tratamento da vinhaa, em escala

laboratorial.

2.2 Objetivos especficos

Os objetivos especficos da pesquisa foram:

a) Analisar a remoo de matria orgnica dos reatores UASB e FBS,

por meio da avaliao das concentraes de DQO, DBO, ST, SVT,

SFT nos afluentes e efluentes dessas unidades de tratamento.

b) Avaliar o potencial de remoo de nitrognio e fsforo dos reatores

UASB e FBS.

c) Quantificar e tambm estimar teoricamente o biogs produzido pelos

reatores UASB.

d) Quantificar a eficincia na remoo de fenis.

e) Determinar o perfil dos slidos ao longo dos reatores UASB e FBS.

f) Avaliar o comportamento hidrodinmico dos reatores UASB e FBS.

28

3 REVISO DE LITERATURA

3.1 A vinhaa

O setor agroindustrial no reconhecido pela sociedade como um setor

que afeta o meio ambiente. De acordo com Abarca (1999), talvez tal fato seja

devido sociedade valorizar mais a contribuio da atividade agroindustrial na

produo de alimentos sendo, entretanto, desconhecido, para a maior parte dela,

a complexidade dos processos tecnolgicos existentes neste tipo de atividade,

bem como o montante de subprodutos poluidores que so gerados e depositados

no meio ambiente.

Dentre as diversas atividades agroindustriais com elevado potencial

poluidor, destaca-se o processamento da cana-de-acar. O processo clssico da

produo de lcool, a partir de acares por fermentao e destilao, gera um

efluente chamado vinhaa, tambm conhecido por restilo e vinhoto.

Dos resduos da indstria sucroalcooleira, a vinhaa , sem dvida, o

mais importante, no s em termos de volume gerado, mas tambm em potencial

poluidor. Aproximadamente de 6 a 15 litros de vinhaa so obtidos para cada

litro de lcool produzido e sua composio varia de acordo com a matria prima

e os equipamentos utilizados no processo de obteno do lcool, representando

um srio problema ambiental (CHAUDHARI; MISHRA; CHAND, 2007;

JIMNEZ; BORJA; MARTN, 2004).

O efluente caracterizado por ser um resduo com alto contedo de

matria orgnica, elementos minerais (K, Ca e Mg), pH cido, cor marrom-

escura devido presena de polmeros de alto peso molecular chamados

melanoidinas e compostos fenlicos (cido tnico e hmico). Geralmente, o teor

de matria orgnica na forma de demanda biolgica de oxignio (DBO) e

demanda qumica de oxignio (DQO) varia de 25.000 a 45.000 mg L-1 e de

29

50.000 a 120.000 mg L-1, respectivamente. J o contedo de nitrognio e sulfato

varia de 4.000 a 6.000 mg L-1 e de 7.000 a 9.000 mg L-1, respectivamente

(JIMENEZ; BORJA; MARTN, 2004; MADEJN et al., 2001).

A disposio da vinhaa no ambiente perigosa e tem elevado potencial

de poluio. A alta concentrao de matria orgnica (DQO e DBO) e de

nutrientes (N e P) pode resultar em eutrofizao dos cursos dgua naturais. A

aplicao desses efluentes no solo, sem acompanhamento adequado, afeta

perigosamente a qualidade das guas subterrneas, alterando suas propriedades

fsico-qumicas, tais como cor, pH, condutividade eltrica (CE), etc., devido

lixiviao dos ons orgnicos e inorgnicos (JAIN et al., 2005).

Normas ambientais, cada vez mais rgidas, tm colocado presso nas

cachaarias e nos produtores tradicionais de acar e lcool a partir da cana-de-

acar, o que resulta num interesse crescente para o desenvolvimento de novas

tecnologias e procedimentos para o tratamento da vinhaa.

3.1.1 Composio da vinhaa

Sua composio qumica bastante varivel e depende, principalmente,

de fatores como a natureza e a composio da matria prima, do sistema usado

no preparo do mosto, do mtodo de fermentao adotado e do sistema de

conduo da fermentao alcolica, do tipo de levedura utilizada, do tipo de

aparelho destilatrio empregado, da maneira de destilao e do tipo de flegma

separado (GLRIA; ORLANDO FILHO, 1984; LELIS NETO, 2008).

Consiste em um efluente lquido rico em matria orgnica e potssio,

com significativos teores de clcio, magnsio e enxofre e outros minerais em

pequena quantidade. Devido a sua composio, amplamente utilizada in natura

como adubo, na fertirrigao (BORDIGNON, 2011; CABELLO et al., 2009;

CORAZZA, 2006).

30

Segundo Barros (2013) e Giachini e Ferraz (2009), a vinhaa pode ser

formada a partir de trs mostos diferentes, o que lhe confere nveis variveis

para cada elemento mineral. O mosto de melao o mais rico, apresenta em

mdia nveis de nitrognio - fsforo potssio (NPK) com cerca de 0,57; 0,10;

3,95 kg m-3 de vinhaa, respectivamente. O mosto misto, que produzido em

usinas como destilarias, apresenta nveis com cerca de 0,48 kg m-3 de N, 0,09 kg

m-3 de P, 3,34 kg m-3 de K e o mosto de caldo, produzido em destilarias isoladas,

apresenta os nveis de NPK em kg m-3 de vinhaa, 0,28; 0,09; 1,29

respectivamente.

A vinhaa apresenta elevadas concentraes de matria orgnica, por

isso seu uso pode alterar caractersticas do solo, modificando o mesmo

quimicamente, aumentando alguns elementos para as plantas e tambm pode

alterar o solo, como aumentar a lixiviao de seus compostos e contaminar o

lenol fretico, problemas de eutrofizao, entre outros (PREVITALI, 2011).

Outras caractersticas da vinhaa que causam impacto ambiental

negativo so: a cor, presena de metais pesados e poluentes orgnicos, como

clorofrmio, pentaclorofenol, fenol e cloreto de metileno. Compostos fenlicos

da matria prima, melanoidinas de reao Maillard de acares com protenas,

caramelos de acares superaquecidos e resduos de hidrlise cida podem

contribuir com a colorao do efluente. Estes compostos podem inibir a

fermentao microbiana no rmen, assim como no tratamento biolgico da

vinhaa, quando presentes em determinadas concentraes (VIANA, 2006).

Rocha (2012), analisando a Tabela 1, observou uma relao mdia de

46% de DBO/DQO, ou seja, quase metade de toda a DQO presente na vinhaa

constituda de matria orgnica biodegradvel. Este um dado importante, pois

indica o potencial poluidor deste resduo e uma possibilidade de tratamento

biolgico para a remoo desta parcela, em especial o tratamento anaerbio.

31

Tabela 1 Composio da vinhaa de cana-de-acar segundo vrios autores

Referncia Tipo de

mosto de vinhaa

pH DBO (g L-1)

DQO (g L-1)

N(total) (g L-1)

SO4 (g L-1)

P(total) (g L-1)

K (K2O3) (g L-1)

Haandel e Catunda (1994)

Caldo 3,5 12,0 25,0 0,40 0,20 0,80 -

Driessen et al. (1994)

Caldo 3,5 15,0 22,0 0,40 0,06 - 0,40

Costa et al. (1986)

Caldo 4,2 16,5 33,0 0,70 0,09 1,74 0,76

Callander e Badford (1983)

Caldo 3,9 - 26,0 1,19 0,32 2,10 1,47

Lampoglin e Rossel (1997)

Caldo 4,1 11,0 24,0 0,45 0,65 0,11 1,65

Costa et al. (1986)

Misto 4,5 19,8 45,0 0,71 0,09 3,82 3,73

Souza, Fuzaro e Polegato (1992)

Misto 3,9 - 31,5 0,37 0,03 1,30 0,42

Costa et al. (1986)

Melao 4,6 25,0 65,0 1,61 0,13 6,50 6,40

Menezes (1989)

Melao 4,1 25,8 48,0 0,82 0,16 - -

Haranda et al. (1996)

Melao 4,1 30,0 120 1,60 0,06 1,92 4,60

Sheehan e Greenfield

(1980)

Melao 4,2 35,7 77,7 1,78 0,17 8,90 4,36

Driessen et al. (1994)

Melao 3,9 39,0 100 1,03 0,03 7,00 9,5

Goyal et al. (1996)

Melao 4,1 60,0 98,0 1,20 1,50 1,20 5,00

32

Tabela 1, concluso

Referncia Tipo de

mosto de vinhaa

pH DBO (g L-1)

DQO (g L-1)

N(total) (g L-1)

SO4 (g L-1)

P(total) (g L-1)

K (K2O3) (g L-1)

Sanchez Riera et al.

(1985)

Melao 4,8 - 100,0 2,5 0,30 1,75 0,70

Casarini et al. (1987)

Melao 4,2 - 24,6 0,81 0,03 1,98 0,61

Lampogha e Rossel (1997)

Melao 4,6 25,0 65,0 1,03 6,40 0,20 5,60

Bazua et al. (1991)

Melao 5,0 27,5 64,0 1,30 - - 2,80

Fonte: Rocha (2012)

3.1.2 Alternativas de tratamento da vinhaa e disposio final

Com a perspectiva do aumento substancial da produo de vinhaa e

tendo em vista o aumento do controle sobre a disposio do resduo, surgiram

diversas iniciativas de busca de tecnologias para solucionar o problema. Neste

sentido, observa-se que a poltica ambiental (neste caso via legislao ambiental)

pode ter um papel ativo na seleo de possibilidades tecnolgicas (CORAZZA;

SALLES-FILHO, 2000; ROCHA, 2012).

A partir da dcada de 1970 ficou limitado o lanamento da vinhaa nos

mananciais superficiais, gerando multa usina que violasse essa proibio. A

Tabela 2 apresenta o avano da legislao brasileira no que diz respeito ao

lanamento indevido da vinhaa nos mananciais superficiais.

33

Tabela 2 Evoluo da legislao brasileira sobre a disposio da vinhaa

Legislao Descrio

Portaria MINTER n 323, de 29/11/1978

(HASSUDA, 1989)

Probe o lanamento da vinhaa nos mananciais superficiais.

Lei n 6.134, de 02/06/1988, art. 5, do Estado de So Paulo (HASSUDA, 1989)

Os resduos lquidos, slidos ou gasosos, provenientes de atividades agropecurias, industriais, comerciais ou de qualquer outra natureza, s podero ser conduzidos ou lanados de forma a no polurem as guas subterrneas.

Lei n 13.494, de 11/07/2001, do Estado de

Minas Gerais (MINAS GERAIS, 2001).

Trata do padro de identidade e caractersticas do processo de elaborao da Cachaa Artesanal de Minas, condicionam a obteno e a manuteno do Certificado de Controle de Origem ao cumprimento das obrigaes inerentes legislao ambiental, dentre outras.

Deliberao Normativa COPAM n 164, de

30/03/2011 (CONSELHO ESTADUAL DE

POLTICA AMBIENTAL DO ESTADO DE MINAS

GERAIS - COPAM, 2011).

Elaborao de proposta de deliberao normativa especfica para aplicao de vinhaa e guas residurias provenientes da fabricao de aguardente em solo agrcola. Considerando que a aplicao de vinhaa, guas residurias ou sua mistura em solo agrcola benfica para a recomposio de nutrientes no solo, desde que observadas as taxas adequadas e as exigncias de controle ambiental.

Norma Tcnica CETESB

P4.321 (COMPANHIA DE TECNOLOGIA DE

SANEAMENTO AMBIENTAL - CETESB,

2006).

Dispe sobre os critrios e procedimentos para a aplicao da vinhaa, gerada pela atividade sucroalcooleira no processamento de cana-de-acar, no solo do Estado de So Paulo.

Deliberao Normativa COPAM n 184, de 13/06/2013, art. 4 (COPAM, 2013)

A aplicao de vinhaa, guas residurias ou sua mistura em solo agrcola s pode ser feita em rea de empreendimento do setor agrossilvipastoril para a qual tenha sido elaborado o Plano de Aplicao, cujo formulrio encontra-se no Anexo III desta Deliberao Normativa.

Deliberao Normativa COPAM n 184, de 13/06/2013, art. 9 (COPAM, 2013)

A vinhaa e as guas residurias produzidas durante a safra e que no forem utilizadas para aplicao em solo agrcola devem ter destinao ambientalmente adequada.

34

Rocha (2012) e Viana (2006) mostram vrias possibilidades de

tratamento e aproveitamento da vinhaa, tais como:

a) Tratamentos fsico-qumicos: coagulao, floculao e

sedimentao com baixo consumo de energia e remoo de DQO de

at 50%, havendo inclusive remoo de cor.

b) Osmose reversa: a vinhaa passada por presso por uma

membrana seletiva, no permeado h reduo na DQO de 90%. um

processo caro com grande consumo energtico e dificuldade em

encontrar uma membrana adequada.

c) Evaporao: para atingir cerca de 60 Bx deixando a vinhaa com

consistncia pastosa.

d) Incinerao: sistema de reao em leito fluidizado. Apesar de

reaproveitar os sais minerais nas cinzas, economicamente invivel.

e) Reciclagem industrial: A vinhaa gerada usada at 15 vezes para

diluir o melao antes da fermentao, isto reduz o volume de vinhaa

para 1 a 2 litros por litro de lcool destilado.

f) Lagoas aerbias de jacinto: a planta aqutica, conhecida

vulgarmente como Jacinto (aguap), a biomassa vegetal produzida

a partir da remoo da matria orgnica e nutriente da vinhaa,

podendo ser aproveitada na rao animal ou para produo de

biogs.

g) Lagoas de estabilizao: o resduo pode ser estabilizado com prazo

de at nove meses por ao fermentativa natural, em que h o

desprendimento de gases com odor desagradvel, infiltrao e

contaminao do lenol fretico.

h) Filtros biolgicos: biodegradao anaerbia.

35

i) Produo de biomassa proteica fngica ou unicelular:

necessidade de tratamento posterior.

j) Digesto anaerbia: produo de gs metano durante a degradao

anaerbia da vinhaa.

k) Fertirrigao: a vinhaa in natura utilizada na lavoura para

reaproveitamento do nitrognio, fsforo e potssio.

De todos os itens citados acima, a fertirrigao a mais difundida e

utilizada, devido a sua viabilidade tcnica e econmica. amplamente utilizada

em reas agrcolas, prximas das usinas de cana-de-acar, por conter elementos

em quantidades significativas, substituindo assim, o uso de fertilizantes

qumicos.

3.1.3 A vinhaa utilizada na fertirrigao e seus impactos

A fertirrigao com vinhaa uma prtica muito utilizada nas usinas e

destilarias do Brasil. Com o aumento na produo de lcool, acarretou aumento

tambm na produo de vinhaa, causando uma srie de problemas no meio

ambiente pelo seu destino com despejo em rios (PREVITALI, 2011).

A constituio da vinhaa, rica em gua e minerais, e as dificuldades

tcnicas e econmicas envolvidas em seu tratamento, aparecem como as razes

arroladas com maior frequncia para justificar a adoo e a ampla difuso da

prtica vigente para o destino da vinhaa, a fertirrigao (VIANA, 2006).

A fertirrigao empregada como expediente substituto ao uso da

fertilizao qumica, constituindo uma fonte de nutrientes minerais,

principalmente de potssio (CORAZZA; SALLES-FILHO, 2000); contribuindo

tambm com a economia, pois diminui os gastos com a adubao qumica.

36

A vinhaa um resduo que no contm reconhecidamente metais

pesados, porm, foram encontrados j em amostras de vinhaa teores baixos de

metais pesados como Pb, Cd, Cr e Ni, sugerindo que aplicaes elevadas de

vinhaa por um longo perodo poderiam aumentar estes no solo (CAMILOTTI

et al., 2009).

A aplicao desse resduo em doses compatveis com as caractersticas

fsico-qumicas do solo, devido ao incremento de produtividade agrcola,

aumenta tambm a produo de acar por hectare, tornando-se assim, um

importante fator econmico principalmente para a agroindstria sucroalcooleira

(PENHABEL, 2010).

Segundo Viana (2006), as principais razes da ampla difuso da

fertirrigao so:

a) Baixo investimento inicial requerido (tanques de decantao,

caminhes, e atualmente bombas e dutos).

b) Baixo custo de manuteno (pouco pessoal, diesel e eletricidade

gerada localmente).

c) Rpida disposio da vinhaa no solo (sem necessidade de grandes

reservatrios reguladores).

d) Ganhos compatveis com o investimento (h lucros com a

reciclagem do potssio no solo e o retorno do investimento

bastante rpido).

e) Fecha o ciclo interno que envolve a parte agrcola e a industrial no

mesmo setor, diminuindo a dependncia de insumos externos

(fertilizante).

f) No envolve uso de tecnologia complexa.

g) Aumento da produtividade da safra e da produtividade na fabricao

do acar.

37

Mesmo diante das vantagens proporcionadas pela adoo da

fertirrigao, restam ainda dvidas quanto adequao da prtica do ponto de

vista da proteo dos recursos naturais, principalmente no que diz respeito a seus

efeitos de longo prazo. O uso de volumes elevados de vinhaa pode aumentar o

nvel de potssio no caldo da cana. Alm disso, h controvrsias sobre

salinizao do solo e contaminao de aquferos subterrneos. Se os efeitos da

descarga da vinhaa sobre os mananciais de superfcie so bastante conhecidos a

ponto de no mais suscitarem disputas, o mesmo parece no ocorrer com os

impactos ambientais de sua disposio no solo (CORAZZA; SALLES-FILHO,

2000; VIANA, 2006).

3.2 Reatores anaerbios de manta de lodo UASB

O tratamento anaerbio de efluentes bastante atrativo para pases de

clima tropical, uma vez que a aplicabilidade dessa tecnologia depende de fatores

ambientais que neles so favorveis. Em pases como Mxico, Equador,

Colmbia, Indonsia, Venezuela e Brasil j se encontram em operao diversas

estaes de tratamento com tecnologia anaerbia (HAMERSKI, 2012).

O UASB foi desenvolvido e aplicado na Holanda na dcada de 1970 e

vem sendo utilizado para tratamento de esgotos domsticos e industriais, assim

como no tratamento de lodo, atuando, como um decantador primrio, um reator

biolgico, um decantador e um digestor de lodo (ROSRIO, 2007).

Segundo Chernicharo (1997), Lettinga et al. (1991) e Passeggi et al.

(2012), o reator UASB (Figura 1) um dos sistemas biolgicos no qual o

efluente tratado na ausncia de oxignio livre, ocorrendo a formao de uma

biomassa anaerbia, denominada lodo anaerbio. Um dos principais subprodutos

da degradao anaerbia da matria orgnica o biogs (CH4 e CO2). E um dos

aspectos mais importantes nos reatores UASB sua habilidade em desenvolver e

38

manter um lodo de elevada atividade e excelentes caractersticas de

sedimentao.

Figura 1 Desenho esquemtico de um reator UASB

Fonte: Silva, J. (2007)

Rosrio (2007) apresentou na Tabela 3 as principais vantagens e

desvantagens da utilizao do UASB no tratamento de esgotos.

39

Tabela 3 Vantagens e desvantagens de um reator UASB

VANTAGENS DESVANTAGENS

- Baixo consumo de energia eltrica, devido a no utilizao de equipamentos

eletromecnicos.

- A partida do UASB lenta, pois as bactrias anaerbias tm uma velocidade

de crescimento pequena.

- Sistema compacto, no necessitando de grandes reas.

- Pequena remoo de organismos patognicos.

- Este tratamento suporta variao de cargas orgnicas e hidrulicas, quando o

sistema estiver estabilizado e o lodo ativo.

- Este sistema tem baixa capacidade de tolerar cargas txicas.

- Eficincia de DQO e DBO na ordem de 65% a 75%.

- Gerao de odor desagradvel por causa da degradao de compostos contendo

enxofre e gs sulfdrico.

- Produo de energia na forma de metano.

- Necessidade de ps-tratamento para remoo de DQO remanescente, amnia e

outros compostos.

- Pequena produo de lodo. Tal lodo no precisa de tratamento, pois j vem

estabilizado, havendo apenas a necessidade de desidratao.

- Baixo requerimento de nutrientes.

- Baixo custo de implantao e operao.

- Em caso de necessidade a alimentao do reator pode ser parada por vrios

meses, sem perdas significativas para a biomassa.

Nos ltimos anos, a tecnologia UASB tem sido utilizada com sucesso

para o tratamento de vrios tipos de guas residurias. Reatores UASB

pertencem categoria de alta taxa de tratamento anaerbio de efluentes e,

portanto, um dos reatores mais populares e amplamente utilizados no

tratamento de efluentes de destilaria (AKUNNA; CLARK, 2000).

O processo anaerbio se constitui em uma tecnologia adequada para a

estabilizao das altas concentraes de matria orgnica presente na vinhaa,

40

possibilitando produzir dois produtos finais de valor econmico: o gs metano

como fonte de energia e o efluente que pode ser usado com maior segurana

como fertilizante de solos devido reduo de matria orgnica pelo processo

anaerbio, mas ainda com concentraes considerveis de nutrientes

(MADEJN et al., 2001; RIBAS, 2007).

A tecnologia UASB adequada para guas residurias de destilaria de

alta carga somente quando o processo for iniciado com sucesso e estiver em

funcionamento estvel. Sendo assim, para alcanar partidas bem sucedidas, os

reatores devem ser operados a uma baixa carga de 4 a 8 kg m-3 d-1 de DQO e a

eficincia de remoo de DQO deve ser monitorada cuidadosamente

(WOLMARANS; VILLIERS, 2002).

Segundo Ribas (2007), vrios autores avaliaram o reator UASB para

tratamento anaerbio termoflico da vinhaa por apresentar melhor desempenho

(DRIESSEN; TIELBAARD; VEREIJKEN, 1994; HARADA et al., 1996;

SOUZA; FUZARO; POLEGATO, 1992; VLISSIDIS; ZOUBOULIS, 1993;

WIEGANT; CLAASSEN; LETTINGA, 1986). Alguns dos estudos mais

significativos sobre o tratamento anaerbio de vinhaa so apresentados na

Tabela 4 com relao s taxas mximas obtidas de carregamento orgnico.

Harada et al. (1996) analisaram a viabilidade de reatores UASB em

temperaturas termoflicas. Um reator UASB de 140 litros foi estudado por um

perodo de 430 dias. A carga orgnica de at 28 kg m-3 d-1 de DQO foi aplicada

por meio da reduo do tempo de deteno hidrulica (TDH). A remoo de

DQO foi de 67%, enquanto a remoo de DBO foi mais significativa (mais de

80%).

Driessen, Tielbaard e Vereijken (1994) estudaram o tratamento

anaerbio da vinhaa, em condies termoflicas, utilizando reator UASB. Os

pesquisadores verificaram a tratabilidade da vinhaa por esse mtodo.

Obtiveram eficincias de remoo de DQO na faixa entre 65 e 95%, dependendo

41

das condies do tratamento. Obtiveram carregamentos da ordem de

22 kg m-3d-1, com eficincia de remoo de DQO de 88%, alm de formao de

lodo bem granulado. Os autores preveem que carregamentos orgnicos maiores

podem ser aplicados com alta eficincia de remoo de DQO se as condies de

operao forem otimizadas.

42

Tabela 4 Parmetros da vinhaa por diversos autores

Temperatura Configurao (volume til)

Tempo operao(d)

Origem vinhaa

DQO afluente (g L-1)

1COVmx. (kg m-3 d-1)

2TDH (d) 3DQO (%) Rendimento

CH4 (m3 m-3 d-1)

Referncia

Mesoflico (32-37 C)

Filme fixo (0,8 L)

90 Vincola 61 20 3 37 3,8

Lalov, Krysteva e Phelouzat

(2001)

Fluidificado com pedra

pome (0,63 L) 66 Vincola 18 36 0,5 76 8,2

Balaguer, Vicent e Pars

(1997)

Fluidificado com carvo

granular ativado( 1,5 L)

250 Acar de beterraba

1,7 5,3 8 87 2,3 Fdz-Polanco et al. (2001)

Fluidificado com zeolita

(1,0 L) 120

lcool de cana

66 10 0,6 80 1,2 Fernandez et

al. (2001)

UASB (0,5 L) n.d. Vincola 31 9,1 3,4 90 0,72 Moosbrugger et al. (1993)

Batelada sequencial

(5,0 L) 147

Acar de cana

16 2,4 6,6* 96 n.d. Ruiz (2002)

43

Tabela 4, concluso

Temperatura Configurao (volume til)

Tempo operao(d)

Origem vinhaa

DQO afluente (g L-1)

1COVmx. (kg m-3 d-1)

2TDH (d) 3DQO (%) Rendimento

CH4 (m3 m-3 d-1)

Referncia

Termoflico (53-55C)

UASB (2,0 L) 200 Acar de Beterraba

60 6,0 10 86 1,9 Vlissidis e Zouboulis

(1993)

UASB (5,75 L) 120 lcool

beterraba 15,4 86,4 0,2 60 26

Wiegant, Claassen e

Lettinga (1986)

Fluidificado (n.d) 90 Vincola 15 40,5 2,55 82 7,5 Prez, Romero e Sales (1999)

UASB (140 L) 430 lcool de

cana 10 24 0,42 45 n.d.

Harada et al. (1996)

UASB(70 m3) 280 lcool de

cana 31,5 25 2 72 10

Souza, Fuzaro e Polegato (1992)

4RAHLF(2 L) 90 lcool de

cana 10 9,1 1,1 70 n.d. Telh (2001)

UASB (10 L) 200 lcool de

cana 5-6,5 5-6,5 1 45 n.d. Viana (2006)

n.d.: dado no disponvel; *Tempo de ciclo de cada batela. 1COVmx: carga orgnica volumtrica mxima; 2 TDH: tempo de deteno hidrulica; 3DQO: eficincia de remoo;

4RAHLF: reator anaerbio horizontal de leito fixo.

44

O conceito de reator UASB convencional mostrou srias limitaes,

principalmente devido aos problemas relacionados resistncia de transferncia

de massa ou o aparecimento de gradientes de concentrao dentro do sistema

(LIER et al., 2001).

Sistemas anaerbios podem ser operados como fase nica ou sistemas de

duas fases. Sistemas monofsicos envolvem apenas um reator, no qual os

microrganismos degradam a matria orgnica, enquanto nos sistemas de duas

fases, os organismos acidognicos e os metanognicos encontram-se em dois

reatores distintos.

O processo anaerbio de dois estgios, segundo Haandel e Lettinga

(1994), consiste em dois reatores em srie, um para hidrlise parcial da matria

orgnica particulada e o outro para digerir os compostos solveis formados no

primeiro reator. O primeiro reator hidroltico, com velocidade ascensional

relativamente baixa, conter lodo floculento. A matria orgnica particulada do

afluente poder ser adsorvida e parcialmente hidrolisada nos flocos e

reintroduzida como compostos solveis na fase lquida, os quais sero tratados

no segundo reator. A eficincia de remoo de slidos suspensos no primeiro

reator ser maior do que a remoo da matria orgnica solvel e ser necessrio

a descarga peridica do excesso de lodo (PEREIRA, 2004).

Segundo Mohana, Acharya e Madamwar (2009), um sistema bifsico

capaz de otimizar cada etapa de fermentao em fermentadores separados.

Como resultado, a eficincia do processo e a cintica so superiores aos dos

processos convencionais de estgio nico em que todos os organismos primrios

e secundrios e impurezas associadas so conduzidos sob condies ambientais

idnticas.

Na fase preliminar da fermentao, os produtos finais so formiato,

acetato, lactato, etanol, dixido de carbono, hidrognio e maior teor de cidos

graxos volteis. basicamente a fase de fermentao cida. A fase secundria

45

constitui na fermentao do metano, na qual os produtos finais sero o metano e

dixido de carbono.

A biometanizao utilizando sistema bifsico o mtodo de tratamento

mais adequado para as guas residurias de alta carga devido as suas mltiplas

vantagens, tais como: possibilidade de manter condies ideais para o

tamponamento de desequilbrios entre a produo e consumo de cidos

orgnicos; desempenho estvel e maior concentrao de metano no biogs

produzido (SETH; GOYAL; HANDA, 1995).

Uma das maiores limitaes do tratamento anaerbio de guas

residurias, com concentraes elevadas de slidos orgnicos biodegradveis,

como a vinhaa, em sistemas de um nico estgio a hidrlise lenta, em virtude

da produo de grandes quantidades de cidos graxos volteis no reator, os quais

podem diminuir e inibir a atividade dos microrganismos metanognicos.

Sabendo disso, Akunna e Clark (2000) propuseram um reator hbrido,

que uma combinao de reatores UASB e um reator anaerbio

compartimentado para o tratamento de efluentes de alta carga, conhecido como

reator anaerbio de leito granular. Eficincias de remoo de at 80% de DQO e

90% de DBO foram observadas para uma taxa de carga orgnica de 4,75 kg m-3

d-1 de DQO. A produo de biogs aumentou de 10 a 22 L d-1 para taxas de

carregamento de 0,99 e 4,75 kg m-3 d-1 de DQO, com teor de metano de 60 a

70%. A eficcia do reator resultou na estabilidade do processo criada pela

separao das fases previstas na configurao do reator. O sistema tambm

mostrou maior reteno de slidos com concentrao de slidos suspensos no

efluente de 80 mg L-1 para todas as condies orgnicas e hidrulicas.

Uzal, Gokay e Demirer (2003) investigaram o tratamento anaerbio de

resduos de destilaria de usque em reatores UASB de duas fases e concluram

que o sistema funcionou de forma eficiente, mesmo em carga orgnica to alta

quanto 39 kg m-3 d-1, resultando em reduo da DQO de 95%.

46

Sayed e Fergala (1995), utilizando o processo em dois estgios com

reatores UASB (o primeiro com lodo floculento e o segundo com lodo

granulado), para tratamento de esgoto sanitrio bruto (DQO de 200 a 700 mg L-1

com 55% correspondendo DQO), com temperatura de 18 C a 20 C,

verificaram eficincias de remoo de DBO e DQO de 90 a 80%,

respectivamente, com COV de 2 e 6 kg DQO m-3 d-1 no primeiro e segundo

reatores, respectivamente.

3.3 Biofiltros aerados submersos (FBS)

O Biofiltro Aerado Submerso, ou Filtro Aerbio Submerso, conforme

designado pela NBR 13.969/97, um processo de tratamento que utiliza um

meio suporte, imerso no reator, para fixao dos microrganismos responsveis

pela depurao do esgoto (biofilme), sendo o oxignio necessrio fornecido por

meio de equipamentos de aerao (ASSOCIAO BRASILEIRA DE

NORMAS TCNICAS - ABNT, 1997). Embora o volume de ar introduzido seja

expressivo, no interior do meio filtrante prevalece um escoamento de fluxo

pisto (ORTIGARA, 2009).

So tambm conhecidos como sistemas de aerao por contato e tm

sido utilizados por mais de 50 anos. Pedra, coque, ripas de madeiras e material

cermico so alguns dos materiais suportes utilizados no passado. Ar

comprimido era introduzido atravs de tubos perfurados sob o meio de contato.

Com o desenvolvimento dos difusores de ar, atualmente fabricados com

membrana de borracha EPDM (Ethylene Propylene Diene Monomer) (M-class

rubber) e montados em PVC (cloreto de polivinila); e com os vrios materiais de

contato, (meio suporte) este tipo de filtro continua atraindo o interesse dos

pesquisadores. Assim, os filtros submersos parecem ser uma boa alternativa a

outros processos de tratamento (AISSE et al., 2001).

47

Os FBS so reatores de biomassa aderida nos quais so utilizados

materiais de empacotamento com uma elevada rea especfica para o tratamento

secundrio e tercirio de guas residurias. O efluente a ser tratado introduzido

na parte inferior do biofiltro, juntamente com o ar necessrio para a atividade

microbiana. A maioria dos FBS dispe de sistema de aerao artificial, no qual

uma bomba succiona o afluente e injeta ar dissolvido na base dos biofiltros.

Podem tambm ser utilizados compressores convencionais, mas o mais

adequado em escala plena so os denominados sopradores, capazes de aplicar ar

a elevadas presses manomtricas. gua residuria e ar percolam no meio

suporte.

Durante todo o trajeto, microrganismos aerbios aderidos ao suporte de

imobilizao celular e em suspenso no lquido em tratamento utilizam a matria

orgnica presente, estabilizando-a e produzindo, como subprodutos, gs

carbnico, gua e energia armazenada nos microrganismos sob a forma de ATP.

Esta configurao diferenciada de reator foi desenvolvida na Europa no

final dos anos 80, sendo o FBS largamente difundido devido s suas vantagens,

como a pequena necessidade de rea e cargas orgnicas aplicveis muito

superiores aos processos biolgicos convencionais, alcanando altas eficincias

de remoo de compostos orgnicos, nitrognio total e slidos suspensos

(WANG et al., 2006).

Em geral, reatores submersos de biomassa fixa alcanam uma elevada

concentrao de microrganismos, o que permite menores tempos de deteno

hidrulica (TDH) para os mesmos tempos de reteno de slidos, em

comparao com sistemas em que a biomassa cresce suspensa. Isso resulta em

um sistema compacto, que pode ser vantajoso quando no se dispe de grandes

reas para construir o sistema de tratamento (ORTIGARA, 2009).

48

Os biofiltros aerados so capazes de atingir diferentes objetivos de

qualidade: oxidao de matria orgnica, nitrificao secundria ou terciria,

desnitrificao e a desfosfatao fsico-qumica (LACAMP et al., 1992).

A remoo de matria orgnica e de slidos, bem como a nitrificao

podem ser obtidas em uma nica unidade (MANN; MENDOZA-ESPINOSA;

STEPHENSON, 1999). Como um processo de crescimento em leito fixo, as

condies timas para os microrganismos relevantes ao processo podem ser

mantidas independentes do tempo de deteno hidrulica (MOORE;

QUARMBY; STEPHENSON, 2001), permitindo o desenvolvimento de

organismos com baixas velocidades de crescimento, tais como as bactrias

nitrificantes.

Alm de compactos, os biofiltros podem ser construdos em concreto,

fibra de vidro ou ao revestido com epxi, podendo ser constitudos de unidades

pr-fabricadas, possveis de serem transportadas e montadas no local da

instalao. Essa peculiaridade facilita a instalao destes sistemas em locais

onde a infraestrutura tende a ser precria, como pequenas localidades

(CHERNICHARO, 2001).

No Brasil, os FBS tm sido amplamente utilizados para o ps-tratamento

de esgoto sanitrio de reatores anaerbios, tais como reatores UASB

(HIRAKAWA; PIVELI; ALM SOBRINHO, 2002; NASCENTES; ROQUE,

2003), tanque sptico (MAGRI et al., 2013) e filtros anaerbios (DOMINGUES;

SECO; NOUR, 2005).

Na configurao de UASB seguido por FBS, nas condies em que foi

testado por Hirakawa, Piveli e Alm Sobrinho (2002), com taxas de aplicao de

0,74 a 4,02 kg m-3 d-1 de DQO, o FBS apresentou bons resultados na remoo de

matria orgnica (DQO e DBO) do esgoto domstico. No perodo em que a

eficincia mdia de remoo de DQO no UASB foi de 59%, a do FBS foi de

64%, sendo que a eficincia global do sistema foi de 85%.

49

Biofiltros como ps-tratamento de tanques spticos e preenchidos com

materiais alternativos (tampas de polietileno e cascas de ostras) foram estudados

por Magri et al. (2013) para o tratamento de esgoto domstico. Para valores

mdios de DQO afluente de 309 mg L-1 e carga orgnica volumtrica de 0,8 kg

m-3 d-1 de DQO, as eficincias de remoo foram de 62% para o biofiltro

preenchido com tampas PET e 94% para o preenchido com casca de ostras.

Alm da eficincia de remoo de DQO mais elevada, o FBS preenchido com

casca de ostra apresentou-se mais eficiente na aderncia de microrganismos,

com menor desprendimento de biofilme e elevada estabilidade em todos os

processos de transformaes bioqumicas (ORTIGARA, 2009).

Gonalves et al. (2001) conduziram outros trabalhos, com a associao

UASB + FBS, utilizando meios minerais, com quatro formulaes de brita (4,2 e

0), areia (2,5 e 1,1 mm) e cinazita (mdia e fina). O FBS, agora dividido em

quatro, operou com cargas hidrulicas de 1,2, 3m2 m-2 h-1 (secundrio) e 2,4 m2

m-2 h-1 (tercirio). A eficincia de remoo de ST foi de 80% e 90% e o efluente

final apresentou concentrao mdia de 30 e 17 mg L-1, respectivamente para o

FBS secundrio e tercirio. Quanto a DQO, a associao foi capaz de produzir

um efluente com menos de 90 mg L-1.

As principais caratersticas dos biofiltros so: compacidade, alta

concentrao de biomassa ativa no volume reacional, idade do lodo elevada,

pequena produo de lodo, resistncia aos choques (hidrulicos e de carga

orgnica) e possibilidade de cobertura evitando problemas com odores e impacto

visual. E podem ser utilizados como polimento de um sistema anaerbio de

tratamentos de esgotos ou como a unidade principal de tratamento (YENDO,

2003).

50

3.3.1 Nitrificao em filtro biolgico aerado submerso (FBS)

As guas residurias podem apresentar diversos contaminantes

biodegradveis com: compostos orgnicos, compostos orgnicos volteis, metais

txicos, slidos suspensos, nutrientes, patgenos microbianos e parasitas

(BITTON, 2005). Dentre eles encontra-se o nitrognio, que em altas

concentraes, causam eutrofizao nos corpos de gua receptores dos efluentes

podendo, dependendo da sua espcie, ser txicos biota presente (JACOBS,

2013).

No ciclo do nitrognio, o nitrognio amoniacal (NH3/NH4+) oxidado a

nitrato (NO3-), mas, antes oxidado em nitrito (NO2

-). Esse processo

denominado nitrificao conforme segue:

NH3/NH4+ NO2

- NO3

-

A nitrificao pode ser considerada um processo vulnervel no

tratamento de efluentes, uma vez que, o crescimento das bactrias nitrificantes

apresenta velocidade baixa por serem microrganismos autotrficos e a

sensibilidade com as condies do meio como o pH, temperatura e oxignio

dissolvido (CAMPOS et al., 2006).

Segundo Jacobs (2013), os microrganismos nitrificantes apresentam uma

tendncia a liberar polmero extracelular facilitando sua fixao na matriz de

lodo. A presena de materiais suportes facilita a adeso dos microrganismos,

evitando sua sada (lavagem) do sistema.

A faixa de temperatura em que a nitrificao pode ocorrer est situada

entre 5 C a 50 C, sendo que a temperatura tima apresenta valores entre 28 C

a 36 C (HENZE, 1997; MELO FILHO, 2013).

51

A reao de nitrificao encontra suas condies timas em um pH em

torno de 7,5 (HENZE, 1997). No entanto, alguns autores afirmam ainda que o

pH timo para este processo gira em torno de 7,2 a 8,5 (BARNES; BLISS,

1983). Segundo Environmental Protection Agency - EPA (1975), valores de pH

abaixo de 7,0 e acima de 9,8 reduzem a velocidade de nitrificao em cerca de

50%. Os microrganismos nitrificantes so suscetveis a uma srie de inibidores

orgnicos e inorgnicos (MELO FILHO, 2013).

O processo de nitrificao em seu primeiro estgio produz cidos (ons

de hidrognio), o que pode provocar uma diminuio do pH se a alcalinidade

no for suficiente para proporcionar o tamponamento do sistema (MAGRI et al.,

2013).

Segundo Magri et al. (2013) uma prtica adotada em estaes de

tratamento de esgotos a dosagem de NaOH ou Ca (OH) na tentativa de reduzir

o problema de diminuio do pH em funo do consumo de alcalinidade. Em

alternativa adio de produtos qumicos, surge a avaliao de novos materiais

de preenchimento e adeso de biofilme, os quais podem suprir o sistema com

alcalinidade necessria estabilidade do processo. Todos os materiais que

interagem com o meio lquido fornecendo alcalinidade caracterizam-se como

no inertes, podendo assim sofrer um processo de degradao dentro dos

reatores.

Yu et al. (2008) utilizaram gros de escria de alto forno como material

suporte. Morgan-Sagastume et al. (2008) usaram a escria vulcnica. Han et al.

(2009) operaram um biofiltro aerado com um material suporte fabricado

especificamente para este fim (escala somente exploratria), composto por lodo

de esgoto desaguado mais argila e cinza leve. Qiu et al. (2010) avaliaram a

eficincia de trs filtros biolgicos aerados que utilizavam como materiais de

preenchimento a cermica, a zelita e um base de carbonato. Magri et al.

(2013) avaliaram a eficincia do processo de nitrificao utilizando conchas de

52

ostras como material suporte em reatores aerbios com biomassa fixa. Todos os

autores citados obtiveram resultados satisfatrios no tamponamento de seus

reatores atravs dos materiais suportes que utilizaram, resultando assim, em uma

elevao da taxa de nitrificao e mantendo-a mais estvel.

3.4 Sistema combinado anaerbio aerbio

Os reatores anaerbios apresentam muitas vantagens, porm seus

efluentes geralmente precisam de ps-tratamento para complementar a remoo

de materiais orgnicos e poluentes remanescentes. O emprego de reator

anaerbio seguido de reator aerbio vantajoso, por exemplo, para o processo

de nitrificao, pois, grande parte da matria orgnica retirada na etapa

anaerbia e, portanto, oferece maior disponibilidade de oxignio dissolvido para

os microrganismos auttrofos nitrificantes completarem o processo de

nitrificao. A remoo completa de nitrognio via nitrito exige uma etapa de

desnitrificao, que pode ser prejudicada se no houver fonte de carbono para

doar eltrons s bactrias hetertrofas desnitrificantes (SILVA JNIOR, 2011).

De acordo com Chernicharo (2006), a utilizao de processos

combinados anaerbio-aerbio propicia uma srie de vantagens perante as

estaes de tratamento aerbias convencionais, tais como baixa potncia de

aerao requerida na fase aerbia, menor produo de lodo biolgico e baixo

custo de implantao e operao. Em sistemas combinados UASB/lodos

ativados ou UASB/reator de biofilme aerado o excesso de lodo gerado no reator

aerbio pode ser direcionado para o reator UASB, onde digerido e adensado

juntamente com o lodo anaerbio, dispensando unidades de digesto e

adensamento adicionais.

Em que se pesem as suas grandes vantagens, os reatores anaerbios

dificilmente produzem efluentes que atendam aos padres estabelecidos pela

53

legislao ambiental brasileira. Portanto, torna-se de grande importncia o ps-

tratamento desses efluentes como uma forma de atender aos requisitos legais e

propiciar a proteo dos corpos dgua receptores. Alm da complementao na

remoo de matria orgnica, o ps-tratamento tem por objetivo a remoo de

constituintes pouco afetados nos processos anaerbios, tais como nutrientes (N e

P) e organismos patognicos (ARAUJO JNIOR, 2006).

Araujo Jnior (2006) cita que estudos conduzidos por Gonalves et al.

(2001) mostraram que o sistema combinado UASB/reator de biofiltro aerado

submerso capaz de manter condies estveis de operao apesar das variaes

de carga afluente e do reciclo de lodo descartado do reator aerbio para o reator

anaerbio. Segundo o autor, os valores mdios de DQO (Demanda Qumica de

Oxignio) e SST (Slidos em Suspenso Totais) no efluente final para esse

sistema so usualmente mantidos abaixo de 90 mg L-1 de DQO e 30 mg L-1 de

SST.

3.5 Hidrodinmica dos sistemas de tratamento

O estudo hidrodinmico tem fundamental importncia na avaliao do

desempenho dos reatores biolgicos, principalmente para se conhecer o tipo de

mistura predominante e assim auxiliar no modelamento e consequentemente no

escalonamento destas unidades.

Salienta-se ainda que a cintica bacteriana est diretamente associada ao

tipo de mistura, portanto, sem o conhecimento hidrodinmico no h como

simular o desempenho de uma determinada unidade de tratamento.

Este estudo permite um maior conhecimento dos mecanismos

hidrulicos e pode detectar problemas associados s falhas operacionais e de

projeto, podendo causar deficincias como caminhos preferenciais (curtos-

circuitos), zonas mortas (estagnadas), as quais podem prejudicar a eficincia no

54

tratamento, uma vez que causa diminuio do tempo de deteno hidrulica

(CARVALHO et al., 2008; CASTRO, 2010).

Segundo Capela et al. (2009) e Matangue (2011), a necessidade de uma

mistura eficiente dentro dos reatores anaerbios tem sido reconhecida e

reforada por muitos autores. Uma mistura apropriada promove um bom

transporte de massa ou substrato, calor aos microrganismos, mantm a

uniformidade e outros fatores ambientais e assegura o uso efetivo de todo

volume do reator evitando estratificao e zonas mortas.

A eficincia dos reatores UASB depende, principalmente, da biomassa

ativa e da carga afluente ao reator. medida que o reator vai atingindo as

condies de estabilidade, conhecidas como permanentes (steady-state), um leito

denso de lodo formado no fundo do reator, consistindo normalmente de

grnulos, acima do qual formada uma zona de manta de lodo e desta outra

zona clarificada que constitui a zona de decantao (SMITH; ELLIOT; JAMES,

1996).

Com o uso crescente de reatores UASB, tornou-se necessrio tambm

um melhor entendimento dos aspectos hidrodinmicos dos reatores utilizados,

pois na maioria, os trabalhos realizados abordam o problema sob o ponto de

vista da eficincia de remoo de matria orgnica, slidos e outros parmetros

(CASTRO, 2010).

O comportamento hidrodinmico analisado a partir de estudo com

traadores. Este estudo consiste em obter informaes sobre a distribuio do

tempo de residncia do fluido que est escoando dentro da unidade de

tratamento. O estudo hidrodinmico das unidades de tratamento permite

verificar a existncia e quantificao dos volumes de zonas mortas, curtos-

circuitos e exibir o tipo de mistura predominante na unidade examinada

(CAPELA et al., 2009; LOURENO; CAMPOS, 2009; MATANGUE, 2011;

SMITH; ELLIOT; JAMES, 1996; SPERLING, 2006).

55

Castro (2010) citou diversos trabalhos de autores sobre a avaliao do

comportamento hidrodinmico de reatores, dentre os quais os de Brito e Melo

(1997) que avaliaram o comportamento hidrodinmico de um reator UASB em

escala de laboratrio, com volume de 480 mL e mantido temperatura de 30 C.

O substrato era composto por mistura de cidos actico e propinico, na

proporo de 4,5:1,0. O reator foi operado com tempo de deteno hidrulica

(TDH) de 1,7h e velocidade ascensional de 0,22 m h-1. A inoculao do reator

foi realizada com lodo com concentrao de 21 kg m-3 de slidos volteis. Este

lodo aplicado na partida era anaerbio e granulado, proveniente de reator UASB

em escala real tratando gua residuria de indstria de farinha de trigo. Os

ensaios de estmulo-resposta, tipo pulso foram realizados com injeo de 2 mL

de cloreto de ltio e concentrao de 5 g L-1 na linha de alimentao do reator

UASB. Os autores verificaram um comportamento hidrodinmico semelhante ao

reator tipo tubular ideal, denominado escoamento pistonado. Isso ocorreu devido

baixa velocidade ascensional de operao aplicada ao reator e pouca

produo de biogs no provendo turbulncia necessria mistura do fluido

interno. Os autores destacaram o surgimento de efeito de cauda nas amostras do

efluente, indicando a presena de zonas estagnadas (zonas mortas) no reator. O

efeito de cauda corresponde em um atraso na sada de parte do traador aplicado

no sistema em estudo. Este fenmeno ocorre porque o traador fica retido em

zonas mortas ou possveis recirculaes internas.

3.5.1 Utilizao de traadores nos estudos hidrodinmicos

Um traador pode ser qualquer substncia ou partcula (qumica ou

biolgica) que possui propriedades adequadas capazes de seguir pontualmente

ou de forma contnua um determinado escoamento em um sistema aberto ou

fechado (LOURENO; CAMPOS, 2009).

56

Em geral, o traador ideal possui as seguintes propriedades:

a) Ser facilmente miscvel, no alterando as caractersticas do

escoamento, nem suas propriedades, tais como: densidade,

viscosidade e temperatura.

b) No afetam a velocidade das reaes qumicas que ocorrem na

unidade, nem provocar inibio ou toxicidade na biomassa presente

em unidades de tratamento biolgico, no alterando a velocidade ou

as taxas das reaes bioqumicas.

c) Em reatores heterogneos e multifsicos, como a maioria dos

reatores biolgicos, o traador no muda de fase durante o ensaio.

Segundo Levenspiel (1999), quando o traador injetado num

determinado reator ou unidade delimitada fisicamente, participa do fluxo

inerente ao reator, sendo por fim arrastado at a sua sada. Com isso a

informao do traador pode ser utilizada diretamente ou em conjunto com os

modelos de escoamento para prever o desempenho dos mesmos. O mapeamento

total da distribuio de velocidades do fluido feito por meio da distribuio do

tempo de residncia (DTR) ou curva E (curva de distribuio de idade ou tempo

de sada), sendo estes parmetros necessrios para o completo entendimento do

comportamento hidrulico do reator.

A escolha do traador apropriado no tarefa fcil, principalmente para

uma unidade de tratamento biolgico, sendo, a adsoro pela biomassa, um dos

problemas srios a ser enfrentado durante os ensaios. Em reatores UASB, a

difuso do traador no lodo pode alterar as respostas, modificando as curvas de

DTR (CASTRO, 2010).

Apesar de serem usados vrios tipos de corantes fluorescentes, tais

como: fluorescena, isotiocianato de fluorescena, rodamina-B, rodamina-WT e

57

eosina, nos sistemas anaerbios de tratamento de guas residurias (UASB), o

cloreto de ltio (LiCl) tem sido indicado como traador ideal, apesar de ter sido

verificado que, para concentraes superiores a 2 g L-1, mesmo com exposies

temporrias a esta substncia, pode ocorrer inibio da atividade metanognica

(ANDERSON et al., 1991).

Segundo Castro (2010), os ensaios com traadores do tipo estmulo-

resposta, equivale a adicionar uma quantidade conhecida de traador no lquido

afluente, no incio do ensaio, e concomitantemente medir, a intervalos de tempo

regular, a concentrao do traador no efluente. Determina-se ento a massa

total de traador adicionado em relao ao tempo. Em funo do tipo de curva

permanente do traador, tem-se o comportamento hidrodinmico do referido

reator.

As injees de traador podem ser feitas de diferentes formas, tais como:

aleatria, degrau, pulso e peridica (LEVENSPIEL, 2000). Estas formas esto

apresentadas na Figura 2.

Figura 2 Diferentes formas de injeo do traador

Fonte: Levenspiel (2000)

58

A aplicao pode ser:

a) Instantnea (pulso): consiste em injetar, na entrada da unidade, um

pequeno volume da soluo de traador, em um intervalo de tempo

muito curto, passando-se a medir sua concentrao na sada.

b) Contnua: consiste em alimentar a unidade durante um perodo de

tempo pelo menos trs vezes maior que o tempo de deteno

hidrulica terico (TDH), com o afluente contendo concentrao

conhecida do traador, medindo-se sua concentrao na sada a partir

do incio do teste.

Uma informao importante na prtica em reatores o conhecimento da

distribuio de tempos de residncia (DTR). Trata-se de um fator importante

para se avaliar o comportamento geral de um reator, juntamente com a cintica

da reao, a determinao da DTR permite diagnosticar problemas de

escoamento no reator (SOUZA, 2012).

Segundo Souza (2012), as principais anomalias so: existncia de zonas

de estagnao do fluido ou zonas mortas; curto-circuito extremo e subpassagem

do fluido; existncia de canalizao, especialmente em operaes em

contracorrente; disperso axial em reatores tubulares; segregao, resultante das

condies de mistura. A Figura 3 apresenta as principais anomalias existentes

em escoamentos no ideais.

59

Figura 3 Principais anomalias existentes em escoamentos no ideais

Fonte: Levenspiel (1999)

Segundo Castro (2010), experimentos de laboratrio demonstram que

problemas com a DTR surgem dependendo do traador utilizado. Em face disto,

os reatores biolgicos devem ser estudados e, de acordo com suas condies

operacionais e, ou, fsicas, obedecer aos seguintes critrios:

a) Evitar ou minimizar o fenmeno da cauda na curva DTR;

b) No ser adsorvido em biomassa ou ter qualquer biodegradabilidade

em curto prazo;

c) No ser adsorvido em bolhas de gs, tais como: CO2, O2, CH4 ou N2;

60

d) Apresentar estabilidade sob condies de processo (pH e redox);

e) Apresentar estabilidade com o tempo;

f) Apresentar alta solubilidade em gua/gua residuria;

g) Apresentar faixa de concentrao com uma resposta linear e boa

sensibilidade.

61

4 MATERIAL E MTODOS

4.1 Localizao do experimento

O experimento, composto por dois reatores anaerbios de manta de lodo

(UASB) em srie seguidos por um biofiltro aerado submerso (FBS) como ps-

tratamento, foi desenvolvido no Laboratrio de Anlise de gua do

Departamento de Engenharia (LAADEG) da Universidade Federal de Lavras

(UFLA), em Lavras, Minas Gerais (latitude 2114S, longitude 4200W,

altitude mdia de 918 m).

4.2 Configurao do experimento

Os dois reatores UASB foram construdos idnticos, em acrlico, com

dimetro interno de 0,18 m, altura total de 0,8 m e volume til de 16 litros, tendo

uma relao altura/dimetro (L/B) de 4,44 m m-1. Ao longo da altura dos

reatores, foram instalados espaadamente (9,5 cm) quatro prticos

(amostradores), que permitiram a coleta de lodo para determinao das

concentraes de slidos ao longo dos reatores. A Figura 4 apresenta as

configuraes dos reatores UASB 1, UASB 2 e FBS.

O afluente a ser tratado entrava pelo fundo dos reatores UASB em

escoamento ascendente, formando uma biomassa contribuindo para a

degradao do afluente. O efluente gerado em cada reator era liberado pela

lateral, na altura do quarto prtico, servindo de afluente ao prximo reator

interligado.

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Figura 4 Configuraes dos reatores UASB 1, UASB 2 e FBS

No topo de cada reator UASB, foi instalado um separador de fases

(separador trifsico), de forma cnica, permitindo a sada do efluente, a

coleta do biogs gerado e a reteno dos slidos dentro do sistema. A

Figura 5 apresenta as configuraes do separador trifsico.

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Figura 5 Configuraes do separador trifsico

Para regular o nvel de biogs produzido nos reatores UASB, foi

instalado um equalizador de presso em cada um desses reatores (Figura 6).

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Figura 6 Configuraes do equalizador de presso

Para o monitoramento da produo do biogs foram instalados

gasmetros (Figura 7) nos reatores UASB. O biogs produzido e armazenado era

medido por deslo