Produo de biogs e possibilidades de uso em uma ETE do tipo UASB + biofiltros aerados submersos

Balano energtico e produo de lodo em uma ETE do tipo UASB + biofiltros aerados submersos

Ricardo Franci Gonalves(1)Engo Civil e Sanitarista - UERJ (1984), Ps-graduado em Enga de Sade Pblica - ENSP / RJ (1985), DEA - Cincias do Meio Ambiente - Univ. Paris XII, ENGREF, ENPC, Paris (1990), Doutor em Engenharia do Tratamento e Depurao de guas - INSA de Toulouse, Frana (1993), Professor Adjunto I do Departamento de de Hidrulica e Saneamento e Coordenador do Programa de Mestrado Engenharia Ambiental da Universidade Federal do Esprito Santo.

Vancleide Soeiro BofEngenhaira civil - UFES (1995), aluna do Programa de Mestrado em Engenharia Ambiental da UFES desde 1996.

Vera de Lcia ArajoEngenheira civil pelo Instituto de Tecnologia de Governador Valadares / MG (1984), Mestre pelo Programa de Mestrado em Enga Ambiental da Universidade Federal do Esprito Santo (1997). Engenheira consultora da TECNOSAN (desde 1997).

RESUMO

O balano energtico de uma ETE associando reatores UASB e biofiltros aerados submersos apresentado com base em resultados experimentais obtidos durante 11 meses de operao de uma unidade piloto. Uma comparao da disponibilidade de biogs em uma ETE convencional, dotada de decantao primria e digestores anaerbios, realizada. A produo de biogs na ETE UASB + BF corresponde a quase que o dobro daquela relativa ETE convencional. O reator UASB atua na totalidade da DQO afluente ETE (DQO solvel + DQO particulada), o que no acontece na ETE convencional (somente a DQO particulada retida no decantador primrio e no lodo biolgico metanizada). A produo de lodo, a demanda de energia para a aerao e o volume necessrio aos reatores componentes das duas configuraes so avaliados.

PALAVRAS-CHAVE

Reator UASB, biofiltros aerados submersos, biogs, energia, esgoto sanitrio

INTRODUO

A utilizao do biogs produzido em estaes de tratamento de esgoto uma prtica antiga, quase sempre buscando a manuteno de temperaturas adequadas nas unidades de digesto de lodos (Jordo e Pessoa, 1995). Entretanto, a utilizao do biogs em plantas convencionais tem interesse limitado devido insuficincia da produo frente demanda energtica. Nesses casos, a produo limitada de biogs decorre da matria prima constituda basicamente pelo lodo primrio e pelo lodo biolgico, de reduzida biodegradabilidade (Haandel et Letinga, 1994). Somente a demanda energtica da aerao artificial na etapa aerbia do tratamento j suplanta a disponibilidade de energia no biogs produzido nos digestores.

Recentemente, novas propostas de associao de reatores UASB com processos aerbios mecanizados ampliam as perspectivas de reuso do biogs na prpria ETE (Collivignarelli et al., 1990; Gonalves et al., 1994, Haandel et Letinga, 1994; Chernicharo et al., 1996; Coletti et al., 1996; Gonalves et al., 1997). Em todas as associaes propostas, a atividade do reator UASB incide sobre a totalidade da matria orgnica afluente ao processo (DQO particulada + DQO solvel).

Gonalves et al. (1997) propem uma ETE associando reatores UASB e biofiltros aerados submersos (BF). Uma comparao com uma ETE com decantadores primrios e BFs (configurao originalmente adotada na Europa) apresentada na figura 1. Na configurao convencional, os decantadores primrios tm atuao praticamente nula sobre o compartimento solvel do substrato carbonceo do esgoto. O lodo misto neles formado ainda banstante instvel, requerendo estabilizao complementar. Na configurao proposta, pelo menos 70% do material carbonceo afluente ao conjunto metabolizado anaerbicamente no UASB. Consequentemente, baixa produo de lodo e uma significativa economia de energia so vantagens da associao UASB + BF com relao configurao original dos Bfs.

Outro aspecto importante a ser salientado so as concentraes de slidos no lodo descartado a partir do fundo UASB (> 100 SST/l), muito superiores ao lodo descartado de um decantador primrio. Tais concentraes eliminam a necessidade de uma unidade complementar de adensamento do lodo. Prope-se que a digesto anaerbia do lodo de lavagem dos BFs seja realizada diretamente nos reatores UASB, atravs da sua recirculao para a entrada da ETE. Espera-se, dessa maneira, reduzir as fontes de emisso de lodo a apenas uma (UASB), produzindo-se lodo altamente concentrado e mineralizado. Esta possibilidade foi originalmente proposta por Haandel e Lettinga (1994) e testada com sucesso por Ortega et al. (1996). Nenhum efeito negativo sobre o desempenho do UASB foi detectado, resultando mesmo no aumento da atividade metanognica (de 0,27 a 0,40 gCH4-DQO/gSSV(d) e na velocidade de sedimentao (de 16 a 18 m/h) do lodo granular.

O presente trabalho avalia a disponibilidade terica de energia e a produo de lodo em uma ETE do tipo UASB + BFs com base em resultados experimentais obtidos durante 11 meses de operao de uma unidade piloto.

INCORPORAR Word.Picture.6 ETE de Perpignan (Frana) - 160.000 EH

Figura 1 - Configuraes convencional e proposta de ETEs com BFs

MATERIAL E MTODOS

O aparato experimental foi composto por um reator UASB com 46 litros de volume total (altura = 5,4 m e dimetro = 100 mm) e um BF com 7,9 litros (altura = 1,00 m e dimetro = 100 mm). O meio granular do BF era flutuante e totalmente submerso, sendo composto por esferas de poliestireno do tipo S5 com dimetro efetivo de 3 mm, superfcie especfica de 1200 m2/m3 e densidade de 0,04. O suprimento de ar era assegurado por um compressor marca SCHULZ modelo NISI - 26 VL/60 (1/2 cv) .O ar era injetado na base do BF e atravessava o leito em fluxo ascendente, em sentido co-corrente com o esgoto. A vazo de ar no BF foi controlada atravs de um rotmetro de marca Cole Parmer, com escala de leitura de 2550 a 42650 ml/min.

A alimentao com esgoto bruto de caractersticas mdias, coletado a jusante do pr-tratamento da ETE de Camburi (160.000 E.H.) - Vitria, foi realizada diretamente no reator UASB, cujo efluente era submetido continuamente a polimento no BF a jusante (figura 2).

As operaes de manuteno do aparato experimental compreendiam o descarte de lodo do UASB, quando a altura da manta de lodo assim o exigiu, bem como a rotineira lavagem do BF para remoo do biofilme em excesso. As lavagens do BF foram realizadas com frequncia de pelo menos 1 lavagem / 72 horas, sendo constituda por diversas descargas intensas da fase lquida seguidas de injees de ar e gua sob cargas hidrulicas bastante elevadas (> 45 m3/m2.h).

O perodo de experimentos teve durao total de 322 dias, durante o qual a carga hidrulica (e orgnica) foi paulatinamente incrementada sobre o conjunto dos dois reatores (Tabela 1).

Tabela 1 - Condies Operacionais Adotadas

EtapasTDH (h)QCarga hidrulica*DuraoUASBBF(l/h)(m3/m2.h)1160,462,80,36642100,284,60,5874380,235,70,7339460,177,60,9777540,1111,51,4568(*) UASB e BF

O desempenho do conjunto foi monitorado atravs de amostras compostas durante 24 horas, realizadas 3 vezes por semana sobre a entrada e a sada do UASB e a sada do BF. Os parmetros de monitoramento de rotina, determinados segundo o Standard Methods - AWWA, foram DQO, DBO5, SS, pH, alcalinidade, NTK, N-NH4+, N-NOx e O.D.

INCORPORAR Word.Picture.6 Figura 2 - Esquema da planta piloto - associao em srie do reator UASB com o BF

Os balanos de massa sobre o substrato carbonceo, disponibilidade energtica e de produo de lodo foram realizados com base nos resultados apresentados na tabela 2 e em coeficientes tericos extrados da literatura especializada.

resultados e discusso

Desempenho do conjunto UASB + BF na remoo de SS, DBO e DQO

O desempenho do reator UASB na remoo de matria orgnica estabilizou por volta do 130o dia aps a partida (figuras 3 e 4). Nesta ocasio, a carga hidrulica aplicada era de 0,8 m3/m2.h (( = 8 h) e o efluente anaerbio apresentou as seguintes caractersticas mdias: SS = 37 mg/l, DQO = 112 mg/l e DBO = 36 mg/l (tabela 2). A eficincia de clarificao do UASB (73%) concentrou a atuao do BF quase que exclusivamente na remoo de compostos solveis do efluente anaerbio. As cargas orgnicas atingiram valores da ordem de 4,0 Kg DQO/m3.dia ou 1,2 Kg DBO5/m3.dia no BF, que apresentou eficincias de remoo de 56 % (DQO) e 72% (DBO5). As caractersticas mdias do efluente do BF, correspondendo ao efluente final do conjunto UASB + BF, foram: 10 mg SS/l, 10 mg O2/l (DBO) e 49 mg O2/l (DQO).

Nos testes realizados com o reator UASB operando com um tempo de deteno hidrulica (() de 6 horas, o desempenho desse reator foi muito semelhante ao observado na etapa anterior, com as eficincias de remoo atingindo 78% (SS), 76% (DQO) e 87% (DBO5). O BF recebeu cargas orgnicas mdias de 4,9 kg DQO/m3.dia e 1,35 kg DBO5/m3.dia, produzindo um efluente com rigoroso estado de mineralizao: SS = 10 mg/l, DBO5 = 9 mg/l e DQO = 38 mg/l. As eficincias mdias de remoo de SS, DBO5 e DQO do conjunto foram respectivamente 94%, 96% e 91% nessa etapa.

Tabela 2 - Caractersticas mdias do esgoto bruto e do efluente dos dois reatores durante as etapas experimentais 3, 4 e 5EtapaPar-metronEsgotobrutoUASBBFGlobalMdiaD.P.MdiaD.P.%MdiaDP%%3SS14174923714,873103,46992DQO1446318311223,3734913,55688DBO514214803610829,73,372954SS1217159356,5789,84,77294DQO124599510514,47637,89,06492DBO51222958,4292,5879,42,168965SS1812746309,37410,34,66692DQO18297998823684913,54482DBO51812543217839,63,45492Finalmente, os testes realizados com as cargas hidrulicas de 1,45 m3/m2.h (( = 4h) sobre o UASB objetivaram averiguar o comportamento do conjunto em uma situao de colapso da etapa anaerbia. Tomou-se como parmetro balizador um ( < 5 horas, apontado por vrios pesquisadores como o mnimo recomendvel para que se mantenha uma atividade de metanizao adequada no UASB (Vieira et Garcia Jr.,1992; Van Haandel et Lettinga, 1994). Entretanto, o comportamento do reator UASB permaneceu estvel e muito semelhante aos apresentados nas etapas 3 e 4. Mesmo com as cargas orgnicas mdias sobre o BF atingindo 6,15 kg DQO/m3.dia e 1,47 kg DBO5/m3.dia, as eficincias de remoo mantiveram-se bastante elevadas e o efluente final apresentou concentraes de 10,3 mg SS/l, 49 mg O2/l (DQO) e 9,6 mg O2/l (DBO5).

As lavagens do BF foram realizadas com frequncia de pelo menos 1 lavagem / 72 horas, atravs de diversas descargas intensas da fase lquida seguidas de injees de ar e gua sob cargas hidrulicas bastante elevadas (> 45 m3/m2.h). A taxa de evoluo da perda de carga foi de 1,5 cm/dia, valor muito inferior aos caractersticos em ETEs com decantadores primrios e Bfs (5 cm/h) (Gonalves et al., 1992).

Figura 3 - Concentraes de SS no esgoto bruto, no efluente do UASB e no do BFFigura 4 - Concentraes de DQO no esgoto bruto, nos efluentes do UASB e do BF

Estimativa da produo de biogs / produo de lodo / demanda energtica

O balano de massa sobre o substrato carbonceo foi realizado nas duas configuraes de ETE apresentados na figura 1, com o objetivo de comparar a produo de lodo, de biogs e a demanda energtica. Os resultados mdios de desempenho dos processos e de qualidade de afluente e efluente obtidos na fase 3 desta pesquisa foram utilizados nesse intuito. Para melhor relacionar com a realidade, todos os clculos foram feitos para uma ETE com capacidade de 25.000 Eq. Hab. As premissas de base utilizadas nos clculos foram as seguintes:

Dados em comum s duas configuraes:- Capacidade da ETE:Populao = 25.000 E.H.,Qmed = 46,3 l/s- Carga volumtrica nominal de dimensionamento dos Bfs = 3,0 kg DBO5/m3.dia (20 oC)- Produo de lodo no BF: Yobs = 0,4 kg ST/ kg DQO removido.- Relao entre DQO e slidos totais no lodo dos BFs = 1,15 mg DQO/mgSS.- Produo relativa de metano = 0,25 kg CH4/ kg DQO removido.- Demanda especfica de ar nos Bfs = 30 Nm3 / kg DBO5 removido.- Eficincia de um motor a combusto = 20%

ETE - Configurao original: Decantao primria + BFs- Tempo de deteno hidrulica nos decantadores: ( = 2 h- Eficincia da decantao primria: DQO = 30%, DBO5 = 30% e SS = 60%- Lodo do BF digerido em digestores anaerbios juntamente com o lodo primrio.- Eficincia do digestor anaerbio na remoo de SV do lodo dos BFS = 50%.- Tempo de deteno hidrulica nos digestores anaerbios: ( = 25 dias- Relao entre DQO e slidos totais no lodo primrio = 1,25 mg DQO/mgSS.- Qualidade do efluente dos Bfs idntica descrita na tabela 2 (fase 3)- Eficincia do digestor anaerbio na remoo de SV do lodo primrio = 70%.

ETE - Configurao proposta: UASB + Bfs- Lodo dos BFs digerido no UASB.- Eficincia do digestor anaerbio na remoo de SV do lodo dos BFS = 50%.- Produo de lodo no UASB: Yobs = 0,15 kg ST / kg DQO removido.- Tempo de deteno hidrulica: ( = 8 h

Os resultados obtidos so resumidos na tabela 3. Os resultados do balano de massa indicam que a produo de lodo (ST) aproximadamente 50% superior na configurao convencional com relao configurao proposta. Tal fato decorre da maior importncia dos biofiltros na oxidao do material carbonceo na primeira configurao. O crescimento das bactrias aerbias muito maior do que os das bactrias anaerbias. Em decorrncia da menor eficincia dos decantadores primrios sobre o substrato carbonceo, a demanda de aerao nos Bfs quase 4 vezes maior do que na configurao proposta. Tambm o volume de Bfs muito menor na configurao proposta, devido ao importante desempenho do reator UASB na remoo de DQO.

A produo de metano 54% superior na configurao proposta, tambm em decorrncia da atuao do UASB sobre a totalidade da DQO afluente ao processo (DQO total = DQO particulada + DQO solvel). Na configurao original, o decantador primrio s atua sobre a DQO particulada sedimentvel no perodo de 2 horas.

Tabela 3 - Comparao entre a configuraoes original e proposta (fig.1): Produo de lodo, de biogs, demanda de aerao e volume dos reatores para ETE - Pop = 25.000 EH.

Configurao originalConfigurao propostaOriginal / Proposta (%)VolumesDecantador =300UASB =1200(m3)BFs =233BFs =90Adensador =96Digestores =550Vol. total =1180129091Produo lodo310237129(Kg ST/dia)Potncia necess.4914361aerao (kW)Demanda de 13.9433080453ar (Nm3/dia)Produo de17432054metano (kg/d)A grande disponibilidade de metano na configurao proposta supre com fartura a demanda de energia devido aerao nos biofiltros. Considerando que a aerao ser realizada por sopradores movidos a motores de combusto, adaptados ao biogs, estimou-se uma eficincia de converso de energia de 20% nos motores. Ainda assim, a potncia disponvel (31,1 kW) mais do que o dobro da demanda energtica da aerao (13,7 kW). No caso da configurao original, a potncia disponvel devido ao gs metano(16,9 kW) atende a apenas 34% da demanda de energia na aerao dos BFs (49,4 kW).

A disponibilidade de biogs na configurao proposta abre opes para reduo do consumo de energia externa ETE (sobretudo na aerao). Outra possibilidade interessante a ser avaliada em 1998, nas pesquisas realizadas pela UFES, a utilizao do biogs na secagem e higienizao via pasteurizao do lodo excedente do tratamento.

CONCLUSO

Os balanos energtico e de produo de lodo de uma ETE associando reatores UASB e biofiltros aerados submersos foram apresentados com base em resultados experimentais obtidos durante 11 meses de operao de uma unidade piloto.

Tendo como referncia o UASB, as seguintes cargas hidrulicas foram testadas: 0,4 m3/m2.h (( = 16 h); 0,6 m3/m2.h (( = 10 h); 0,8 m3/m2.h (( = 8 h); 1,0 m3/m2.h (( = 6 h) e 1,45 m3/m2.h (( = 4h). Nos testes realizados com o reator UASB operando com um tempo de deteno hidrulica (() de 6 horas, correspondendo a um ( < 11 minutos no meio granular do BF, as eficincias mdias de remoo de SS, DBO5 e DQO do conjunto foram respectivamente 94%, 96% e 91%. O efluente final , correspondendo ao efluente do BF, apresentou rigoroso estado de mineralizao, com as seguintes caractersticas mdias: SS = 10 mg/l, DBO5 = 9 mg/l e DQO = 38 mg/l.

Uma comparao da disponibilidade de biogs em uma ETE convencional, dotada de decantao primria e digestores anaerbios, foi realizada. A produo de biogs na ETE UASB + BF corresponde a quase que o dobro daquela relativa ETE convencional. O reator UASB atua na totalidade da DQO afluente ETE (DQO solvel + DQO particulada), o que no acontece na ETE convencional (somente a DQO particulada retida no decantador primrio e no lodo biolgico metanizada).

A grande disponibilidade de metano na configurao proposta abre opes para reduo do consumo de energia externa ETE (sobretudo na aerao). Outra possibilidade interessante a ser avaliada em 1998, na ETE experimental da UFES, a utilizao do biogs na secagem e higienizao via pasteurizao do lodo excedente do tratamento.

AGRADECIMENTOS

Os autores agradecem o apoio operacional e laboratorial prestado pela CESAN durante toda a pesquisa.

REFERNCIAS BIBLIOGRFICAS

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