Tae IV

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Escola de Química / UFRJ

EQB-482 Engenharia do Meio Ambiente Notas de Aula – Tratamento de Efluentes Líquidos - Profa. Magali Christe Cammarota

A transformação bioquímica dos substratos orgânicos se dá em etapas. Primeiramente, os poluentes solúveis ou coloidais são adsorvidos à superfície dos flocos e filmes microbianos. Esta remoção é puramente físico-química e tem cinética muito rápida, sendo denominada biossorção. A seguir, dependendo da natureza das moléculas dos poluentes, estes são absorvidos diretamente ou hidrolisados por enzimas excretadas pelos microrganismos presentes nos flocos e filmes microbianos, gerando moléculas menores que podem então ser absorvidas. Uma vez no interior das células, as moléculas passam a ser metabolizadas, se inserindo nas rotas metabólicas de processos catabólicos (geradores de energia) e anabólicos (consumidores de energia para síntese de material celular ou novas células). Na ausência de uma fonte externa de energia (substrato presente no efluente a ser tratado), as células entram em respiração éndogena, sobrevivendo às custas de suas reservas internas de energia durante algum tempo. Ao se esgotarem estas reservas internas, as células lisam (autólise) e liberam material intracelular no meio, o qual é utilizado como substrato por outras células ainda íntegras.

bactérias
CxHyOzN + O2 → CO2 + H2O + NH3 + energia

(1) Catabolismo:

bactérias
CxHyOzN + energia → C5H7NO2
células bacterianas

(2) Anabolismo:

bactérias
C5H7NO2 + 5O2→ 5CO2 + NH3 + 2H2O + energia

(3) Autólise (respiração endógena):

Segundo a reação (2) parte da energia liberada na reação (1) é direcionada para a produção de novas células. Portanto, quanto maior a quantidade de energia produzida a partir do substrato, maior será a produção de células (o chamado lodo de excesso). Por exemplo, na degradação de glicose, uma substância facilmente assimilável pelos microrganismos, a energia liberada sob condições aeróbias é de 649 cal/mol de glicose, enquanto que sob condições anaeróbias é de 34 cal/mol de glicose.

C6H12O6 + 6O2→ 6CO2 + 6H2O + 649 cal/mol
C6H12O6→ 3CO2 + 3CH4 + 34 cal/mol

Portanto, em ambientes aeróbios a quantidade de energia produzida é maior que nos anaeróbios, levando a uma maior taxa de crescimento das bactérias aeróbias em relação às anaeróbias, o que leva a uma maior geração de lodo e a menores tempos de retenção hidráulica (TRH) nos processos aeróbios.

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No quadro a seguir são apresentadas as condições ambientais favoráveis aos processos biológicos aeróbios e anaeróbios.

Processo biológico Condição aeróbio anaeróbio

Temperatura 10 – 40oC Faixa psicrofílica – 0 -20oC

Faixa mesofílica – 20 – 42oC Faixa termofílica – 50 – 65oC pH 6 - 8 Etapa de produção de ácidos – 5,5 – 6,0 Etapa de produção de metano – 6,8 – 7,2

Nutrientes (DBOU:N:P) 100:5:1 350:5:1

O.D. > 0,5 mg/L (adota-se ≥ 2 mg/L) Ausente

Os processos aeróbios estão bem estabelecidos e há muito conhecimento acumulado sobre seu funcionamento. São robustos, pois suportam variações de carga orgânica e pequenas variações de pH e temperatura. Elevadas eficiências de remoção de DBO (de até 95%) podem ser atingidas se os sistemas forem bem monitorados e operados. A elevada produção de biomassa é uma grande desvantagem desses processos, atingindo 0,5 kgSVS/kgDBO removida. Os custos de investimento e operação, em particular de aeração, são elevados.

Já os processos anaeróbios geram menor quantidade de biomassa e apresentam custos de investimento e operacionais mais baixos. Entretanto, são mais suscetíveis à variações de carga orgânica, pH e temperatura. Além disso, apresentam menores eficiências de remoção de DBO e DQO do que nos processos aeróbios, sendo muitas vezes necessário um tratamento posterior do efluente (polimento). No tratamento de efluentes concentrados a geração de metano é significativa e o biogás pode ser utilizado com relativa facilidade. Nos últimos anos, constatou-se uma grande difusão dos processos anaeróbios em alguns setores industriais (refrigerantes, cerveja, processamento de legumes e frutas, fecularias, açúcar e álcool).

As tecnologias aeróbias e anaeróbias ampliaram suas faixas de aplicação ao longo dos anos no que se refere à concentração do efluente a ser tratado. Os processos aeróbios, tradicionalmente voltados para efluentes pouco concentrados (DQO na faixa de 100 a 1000 mg/L), também estão sendo usados para o tratamento de efluentes mais concentrados (com DQO até 3000-4000 mg/L), em geral com utilização de oxigênio puro. Enquanto os processos anaeróbios, anteriormente aplicados a efluentes com DQO elevada (10000 a 50000 mg/L), tiverma sua faixa de aplicação ampliada para efluentes pouco concentrados (DQO < 500 mg/L).

Na escolha do processo biológico, a primeira questão a ser respondida é o que se espera do tratamento. As informações básicas sobre o efluente (levantadas na etapa de amostragem e caracterização) podem ser complementadas com um estudo de tratabilidade. Outras informações a serem consideradas são a disponibilidade de espaço, o “lay-out” da indústria (o consumo de água está diretamente ligado ao lay-out da indústria), a localização da indústria (que deve considerar o zoneamento local, a classe do corpo receptor, a proximidade da população e riscos de poluição acidental), o custo de investimento e de operação do sistema, entre outras. Deve-se considerar também a necessidade de

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EQB-482 Engenharia do Meio Ambiente Notas de Aula – Tratamento de Efluentes Líquidos - Profa. Magali Christe Cammarota preservação dos mananciais através do controle de lançamento de cargas poluidoras, cujo objetivo é manter o padrão de qualidade dos corpos hídricos (Res. 357/2005, CONAMA). As cargas poluidoras podem ser reduzidas através de modificações do processo ou da implementação de sistemas de tratamento de efluentes e sistemas de tratamento mais eficientes permitem a reutilização dos efluentes tratados.

Capítulo VIII - Processos biológicos aeróbios

VIII.1. O processo de Lodos ativados

Dentre os processos aeróbios, o de lodos ativados é um dos mais aplicados e também de maior eficiência. O termo lodos ativados designa a massa microbiana floculenta que se forma quando esgotos e outros efluentes biodegradáveis são submetidos à aeração. O processo de lodos ativados é em geral um tratamento contínuo constituído de tanques de seção retangular ou quadrada, com agitação mecânica ou por ar difuso. Os componentes físicos do sistema são: um tanque de aeração, um decantador secundário e um sistema de reciclo dos flocos sedimentados para o tanque de aeração.

A Figura VIII.1 a seguir mostra os componentes do sistema de lodos ativados, bem como as correntes de efluente bruto e tratado, licor misto (efluente + lodo – linha de reciclo) e lodo de excesso. No tanque de aeração é onde ocorre a metabolização dos compostos biodegradáveis, presentes na corrente de alimentação. Neste tanque é essencial uma boa mistura e aeração. No decantador secundário ocorre a separação do lodo (biomassa) do efluente tratado. Parte do lodo sedimentado é enviada, através de bombas e uma linha de reciclo, para o tanque de aeração, assegurando elevada concentração de biomassa no interior do reator. O lodo de excesso é purgado do fundo sedimentador e enviado para tratamento e descarte adequados. O sobrenadante clarificado pode ser descartado ou seguir para um tratamento complementar.

A biomassa é composta de bactérias, fungos, protozoários, rotíferos e alguns metazoários (vermes nematóides) (componente biológico) e de partículas orgânicas e inorgânicas e polímeros microbianos extracelulares (polissacarídeos e proteínas) (componente não biológico). A agitação constante no tanque de aeração e a recirculação do lodo prejudicam o crescimento de organismos superiores. As espécies microbianas dominantes no sistema dependerão das condições ambientais, do projeto do processo, do modo de operação da planta e das características do afluente.

O sucesso do processo de lodos ativados depende do estabelecimento de uma comunidade mista de microrganismos que consumirão e removerão a matéria orgânica, se agregarão (biofloculação) e sedimentarão de forma a produzir um lodo concentrado para reciclo. Qualquer problema de separação de sólidos indica um desbalanceamento no componente biológico do processo. Portanto, o processo tem como ponto crítico a sedimentabilidade do lodo. Se esta não for adequada, não se atinge a concentração de biomassa necessária no tanque de aeração e, se os sólidos não sedimentados saem com o sobrenadante, prejudicase a qualidade do efluente tratado.

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Sendo: Q = vazão da corrente de alimentação V = volume últil do reator

So = concentração de substrato na corrente de alimentação Se = concentração de substrato na corrente de efluente tratado Xe = concentração de biomassa no reator

Xu = concentração de biomassa no fundo do sedimentador W = vazão de purga de lodo r = razão de reciclo = rQ/Q

Fig. VIII.1 – O processo de Lodos Ativados.

Qualquer problema de separação de sólidos indica um desbalanceamento no componente biológico do processo. Num sistema “saudável” ideal, organismos filamentosos crescem dentro do floco (agregado de microrganismos formadores de floco - bactérias), conferindo a este boas características de compactação e sedimentação. Bactérias filamentosas servem como esqueleto para formação do floco e este não se forma apropriadamente se existem poucos filamentos. No entanto, o floco não sedimenta bem se existem muitos filamentos, sendo ideal um número moderado de filamentos.

Em função das condições de sedimentabilidade do lodo, o processo pode ser operado em três faixas de carga (kg DBO/kgSVS.dia), correspondendo às variantes forte carga (1 – 5 kgDBO/kgSVS.dia), convencional (0,2 – 0,5 kgDBO/kgSVS.dia) e aeração prolongada (0,02 – 0,1 kgDBO/kgSVS.dia). A carga, também denominada relação A/M

(alimento/microrganismo) ou F/M (food/mass), é a quantidade de DBO5 alimentada diariamente ao sistema dividida pela concentração de biomassa no tanque de aeração

(medida como SVS). Esses valores, a maioria levantados em estudos com esgotos domésticos, devem ser vistos com prudência, pois não apenas o parâmetro F/M afeta a sedimentabilidade dos lodos. Efluentes industriais podem apresentar na sua composição substâncias que afetam a formação e as características dos flocos microbianos.

O quadro a seguir apresenta os parâmetros operacionais das três variantes principais dos processos de Lodos Ativados. Mais uma vez, deve-se ressaltar que os dados apresentados são valores de referência e apresentam-se mais consolidados para o tratamento de esgotos domésticos.

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Idade do lodo (dias)5 – 10 5 – 15 20 – 30

* reúne melhores condições econômicas e eficiência.

Parâmetros do processo de Lodos Ativados a) Carga mássica (F/M = Food/Mass) Relaciona a carga orgânica afluente (diariamente) e a massa de microrganismos contida no reator (sólidos em suspensão voláteis).

Cm = Q SoKg DBO/kg SVS.dia
V Xe
V (m3) SVS (mg/L)

Cm = Q (m3/d) DBO (mg O2/L)

Sendo: Q = vazão de efluente a ser tratado

So = DBO5 ou DQO do afluente ao processo V = capacidade do tanque de aeração

Xe = concentração de biomassa no tanque de aeração (SVS)

COV = QSoKg DBO/m3.dia

b) Carga orgânica volumétrica (COV ou Cv) V

Parâmetro Forte carga Convencional *Oxidação total r (razão de reciclo) 0,5 – 3,0 0,1 – 0,8 0,5 – 1,0

Consumo de O2 (kgO2/kgDBO

removida)

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