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PROF FÁBIO ORSSATTO
Tratamento de efluentes com Reatores Anaeróbios
Histórico no tratamento de esgotos
1905 – Desenvolvimento do Tanque Imhoff(bicompartimentado);
1970 – Lettinga e seus seguidores começam a pesquisar o tratamento anaeróbio para despejos concentrados industriais e esgoto sanitário na Universidade de Wagenigen na Holanda;
1981 – Projeto de Tratamento de esgoto de Piraí do Sul utilizando tanques imhoff e reator de manto de lodo – Eng. Celso Saveli Gomes;
Histórico no tratamento de esgotos
1982 – Projeto de um reator anaeróbio de manto de lodo para tratamento primário(tdh = 2 horas) para núcleo habitacional Caiçaras/Curitiba – Eng. Arvid Ericson.
1983 – Projeto da Ete Sul e Norte de Londrina utilizando decantadores primários e digestores seguido de reatores anaeróbios de manto de lodo Eng. Luis C. Baréa.
1985 – Projeto de módulos de Ralfs para várias cidades do Paraná – Eng. Arvid Ericson/Celso Savelli/Décio Jurgensen/LuisC. Baréa.
1986 – A partir desta data os Engenheiros Projetistas da Sanepar começaram a utilizar os reatores Ralf em quase todas as Etes no Paraná
Disseminação da tecnologia anaeróbia
No Brasil, existem atualmente mais de 400 reatores anaeróbios tipo UASB tratando esgotos domésticos;
No Paraná, a Sanepar utiliza mais de 135 reatores anaeróbios.
Sistemas anaeróbios de tratamento
Sistemas convencionais
Digestores de lodo
Tanques sépticos
Lagoas Anaeróbias
Sistemas de alta taxa
Com crescimento aderido
Com crescimento disperso
Sistemas de alta taxa
Com crescimento aderido
Reatores de leito fixo
Reatores de leito rotatório
Reatores de leito expandido/fluidificado
Com crescimento disperso
Reatores de dois estágios
Reatores de chicanas
Reatores de manta de lodo
Reatores com leito granular expandido
Reatores com recirculacao interna
Lagoa anaeróbia
Tanques sépticos
Reator de leito fixo
Reatores de manta de lodo
Reatores de manta de lodo
Reatores de manta de lodo
Nomenclaturas dos reatores de manta de lodo
Na Holanda, Lettingag chamou os reatores anaeróbios de manta de lodo como UASB, UpflowAnaerobic Sludge Blanket Reactors (Reatores aneróbios de Fluxo Ascendente e Manta de Lodo);
DAFA (Digestor anaeróbio de fluxo ascendente);
RAFA (Reator anaeróbio de fluxo ascendente);
RALF (Reator anaeróbio de leito fluidificado);
RAFAALL (Reator anaeróbio de fluxo ascendente através de leito de lodo).
Despejos passíveis de serem tratados pela via anaeróbia
A princípio, todos os compostos orgânicos podem ser degradados pela via anaeróbia;
Tratamento de resíduos sólidos, dejetos animais, lodos de ETEs e lixo urbano;
Tratamento de efluentes de industrias agrícolas, alimentícias e de bebidas;
Tratamento de esgotos domésticos de países com clima subtropical e tropical.
Abatedouros e frigoríficos
Produção de álcool Processamento de Batatas
Cervejarias Produção de amido Processamento de café
Curtumes Produção de fermento Processamento de frutas
Laticínios Produção de refrigerantes
Processamento de peixes
Produção de açúcar Produção de vinho Processamento de vegetais
Abatedouros e frigoríficos
Produção de álcool Processamento de Batatas
Despejos passíveis de serem tratados pela via anaeróbia
Problema com enxofre
Vantagens Desvantagens
Baixa produção de sólidos, cerca de 2 a 8 vezes inferior à que ocorre nos processos aeróbios;
Remoção de nitrogênio, fósforo e patógenos insatisfatória;
Baixo consumo de energia; Produção de efluente com aspecto desagradável e usualmente com qualidade insuficiente para atender os padrões de lançamento;
Baixa demanda de área; Possibilidade de distúrbios devido a choques de carga orgânica e hidráulica, presença de composto tóxicos ou ausência de nutrientes;
Baixos custos de implantação; A partida do processo pode ser lenta, na ausência de lodo de semeadura adaptado;
Produção de metano; Possibilidade de geração de maus odores e de problemas de corrosão.
Possibilidade de preservação da biomassa, sem alimentação do reator;
Tolerância a elevadas cargas orgânicas;
Aplicabilidade em pequena e grande escala;
Baixo consumo de nutrientes.
Necessidade de pós-
tratamento
Fundamentos da digestão anaeróbia
A digestão anaeróbia ocorre em 4 fases principais:
Hidrólise;
Acidogênese;
Acetogênese;
Metanogênese.
Hidrólise
Rompimento das cadeias polímeras, em compostos mais simples, a nível de monômeros, cujo tamanho permite a passagem do mesmo através da membrana celular.
Acidogênese
Os monômeros que são os produtos da hidrólise são então reduzidos a ácidos graxos voláteis, CO2e H2 mediante um processo intracelular de oxidação e redução.
Estas reduções são possíveis por ação catalizadora de um grupo de bactérias chamadas de acidogênicas.
Acetogênese
Na continuação outro grupo de bactérias denominadas acetogênicas transformam os compostos anteriores em acetato. De forma similar a etapa anterior neste passo se produz CO2 e H2.
Metanogênese
Finalmente, outro grupo de bactérias, as metanogênicas, cumprem a função de transformar o acetato em metano.
Além do metano (70%) e CO2 (30%) o biogás contém outros gases como nitrogênio, hidrogênio e ácido sulfidrico (H2S) com concentrações inferiores a 1%.
“Quinta fase” Sulfetogênese
A produção de sulfetos é um processo no qual o sulfato e outros compostos à base de enxofre são utilizados como aceptores de elétrons, durante a oxidação de compostos orgânicos;
Neste processo, bactérias anaeróbias estritas, denominadas bactérias redutoras de sulfato são utilizadas;
Produto final: Sulfeto de hidrogênio (H2S).
Estimativa da produção de metano a partir da DQO degradada
CH4 + 2O2 -> CO2 + 2H2O
(16g)+(64g)->(44g)+(36g)
Um mol de metano requer dois moles de oxigênio para sua oxidação.
Portanto, cada 16 gramas de CH4 produzido e retirado da fase líquida correspondem à remoção de 64 gramas
de DQO do despejo.
A expressão geral que determina a produção teórica de metano por grama removida de DQO
𝑄𝐶𝐻4= 𝐷𝑄𝑂𝐶𝐻4
𝑓(𝑇)
QCH4: Produção volumétrica de metano (m3/d)
DQOCH4 : carga de DQO removida no reator e convertida em metano (gDQO)
f(t): fator de correção para a temperatura operacional do reator (KgDQO/m3)
𝑓(𝑇) = 𝑃 𝑥 𝐾𝐷𝑄𝑂𝑅 𝑥 (273+𝑇)
P: Pressão atmosférica (1atm);
KDQO: DQO correspondente a um mol de CH4 (64 gDQO/mol)
R: constante dos gases (0,08206 atm.L/mol.K);
T: temperatura operacional do reator (oC).
Considerando que a produção de metano pode ser facilmente determinada em um reator anaeróbio, esta se constitui numa medida rápida e direta do grau de conversão do despejo e da eficiência do
sistema de tratamento.
Exemplo
Considerando o tratamento de um despejo com as seguintes características:
Temperatura: 26oC;
Carga de DQO removida no sistema de tratamento: 263,6 KgDQO/d
Coeficiente de produção celular para as bactérias acidogênicas: Yacid = 0,15
Coeficiente de produção celular para as bactérias metanogênicas: Ymetan = 0,03
Carga de DQO convertida em biomassa acidogênica:
DQOacid = Yacid x 263,6 = 39,5 KgDQO/d
Carga de DQO convertida em biomassa metanogênica:
DQOmetan = Ymetan x (263,6 - 39,5) = 0,03 x 224,1 = 6,7 KgDQO/d
Carga de DQO convertida em metano:
DQOCH4 = (carga total de DQO) – (carga de DQO convertida em biomassa) = 263,6 – 39,5 – 6,7 = 217,4 KgDQO/d
Estimativa da produção de metano:
f(t) = (P x K DQO) / [R x (273 + T)]
= (1 atm x 64gDQO/mol) / [0,08206atm.L/mol.K x (273 + 26oC)]
= 2,61 gDQO/L
Q CH4 = DQO CH4 /f(T) = (217,4 KgDQO/d) / (2,61 KgDQO/m3)
= 83,3 m3/d
Exercício
Considerando o tratamento de um despejo com as seguintes características:
Temperatura: 25oC;
Carga de DQO removida no sistema de tratamento: 300 KgDQO/d
Coeficiente de produção celular para as bactérias acidogênicas: Yacid = 0,15
Coeficiente de produção celular para as bactérias metanogênicas: Ymetan = 0,03
Resposta: 94,51 m3/d
Requisitos ambientais
Nutrientes;
Temperatura;
pH, alcalinidade e ácidos voláteis;
Materiais tóxicos.
Nutrientes
Composição química dos microrganismos metanogênicos
Elemento Concentração (g/Kg SST)
Nitrogênio 65
Fósforo 15
Potássio 10
Enxofre 10
Cálcio 4
Magnésio 3
Relação DQO : N : P
Biomassa com baixo coeficiente de produção celular (~0,05 gSSV/gDQO)
Ex.: degradação de ácidos orgânicos voláteis
DQO:N:P = 1000:5:1
Biomassa com elevado coeficiente de produção celular (~0,05 gSSV/gDQO)
Ex.: degradação de carboidratos
DQO:N:P = 350:5:1
Temperatura
Dos fatores físicos que afetam o crescimento microbiano, a temperatura é um dos mais importantes na seleção das espécies.
Dois níveis ótimos de temperatura têm sido associados à digestão anaeróbia, um na faixa mesófila (20 a 40oC) e o outro na faixa termófila (45 a 70oC)
pH, alcalinidade e ácidos voláteis
Estes três fatores ambientais estão intimamente relacionados entre si, sendo igualmente importantes para o controle e a operação adequada dos processos anaeróbios.
pH
O efeito do pH sobre o processo se manifesta através de duas formas principais: Diretamente: afetando a atividade de enzimas que pode
ocorrer de maneira drástica;
Indiretamente: afetando a toxicidade de um número de compostos.
Crescimento ótimo de microrganismos produtores de metano: pH entre 6,6 a 7,4, embora se possa conseguir estabilidade na formação de metano numa faixa entre 6,0 a 8,0.
Alcalinidade e capacidade de tamponamento
Tamponamento: capacidade de uma solução em evitar mudanças no pH;
Solução tampão: mistura de um ácido fraco com o seu sal correspondente, possibilitando o agrupamento dos íons H+ e OH - evitando o aumento ou o abaixamento do pH.
Interação alcalinidade e ácidos voláteis
A interação da alcalinidade com os ácidos voláteis, durante a digestão anaeróbia, fundamenta-se na capacidade da alcalinidade do sistema em neutralizar os ácidos formados no processo e também em tamponar o pH, na eventualidade de acumulação de ácidos voláteis.
Materiais tóxicos
Existem diversos compostos orgânicos e inorgânicos que podem ser tóxicos ou inibidores, embora o efeito geral, resultante da adição da maioria destes possa variar de estimulante a tóxico;
A estimulação da atividade microbiana é usualmente conseguida a baixas concentrações;
Conforme a concentração é aumentada, a inibição pode se tornar pronunciada e a taxa de atividade microbiana pode cair a zero.
Princípios de funcionamento do reator anaeróbio de manta de lodo
Inoculação do reator com quantidades suficientes de lodo anaeróbio, iniciando-se a sua alimentação em baixa taxa, no modo ascendente (start up);
Desenvolvimento do leito de lodo junto ao fundo do reator.
O lodo é muito denso e com excelentes características de sedimentação.
Princípios de funcionamento do reator anaeróbio de manta de lodo
Acima do leito de lodo desenvolve-se a manta de lodo, uma zona de crescimento bacteriano mais disperso;
O sistema é auto misturado pelo movimento ascendente das bolhas do biogás e do fluxo de esgotos através do reator;
A remoção do substrato ocorre através de todo o leito e da manta de lodo.
Princípios de funcionamento do reator anaeróbio de manta de lodo
Com o movimento ascendente das bolhas de gás ocorre o carreamento de lodo, sendo necessária a instalação de um separador trifásico na parte superior do reator;
No entorno e acima do separador trifásico há uma câmara de sedimentação;
Através desses dispositivos os reatores UASB apresentam elevados tempos de residência celular (idade do lodo).
Problemas usuais associados ao processo
Obstrução dos dispositivos de entrada e de saída do reator;
Geração de odores e ocorrência de corrosão;
Formação e acumulação de escuma;
Geração de espuma.
Controle operacional de Reatores Anaeróbios
Controle de vazão de entrada do reator;
Funcionamento e controle de manta de lodo;
Retirada do excesso de lodo;
Escuma acumulada no reator;
Monitoramento do processo e análises de rotina
Parâmetro Afluente Reator
Produção de biogás - Por hora
Composição do biogás - Quinzenal
Temperatura Diária Diária
pH Diária Diária
Sólidos sedimentáveis Diária Diária
Sólidos voláteis Semanal Semanal
DQO Semanal Semanal
DBO Mensal Mensal
Atividade metanogênica(DQO/SV)
- Mensal
Vazão do efluente Por hora Por hora