Lodo heterotrfico

23º Congresso Brasileiro de Engenharia Sanitária e Ambiental
II-393 - CARACTERIZAÇÃO DAS BACTÉRIAS HETEROTRÓFICAS DE
SISTEMAS DE LODO ATIVADO, GERADAS A PARTIR DE ESGOTO BRUTO
E ESGOTO DIGERIDO
Alana Queiroz Rodrigues(1)
Graduada em Engenharia Civil pela Universidade Federal de Campina Grande. Mestre em Engenharia Civil,
Área de Concentração em Saneamento pela Universidade Federal de Campina Grande.
Adrianus van Haandel
Ph.D em Engenharia Civil pela Universidade da Cidade do Cabo, África do Sul. Pós-doutor em Ciências
Ambientais pela Universidade Agrícola de Wageningem, Holanda. Professor do Curso de Pós-graduação em
Engenharia Civil e Ambiental e do Curso de Doutorado em Recursos Naturais da UFCG em Campina Grande.
Paula Frassinetti Feitosa Cavalcanti
Mestre em Engenharia Civil pela Universidade Federal da Paraíba. Doutora em Ciências Ambientais pela
Universidade Agrícola de Wageningen. Professora Adjunta do Departamento de Engenharia civil do Centro
de Ciências e Tecnologia da UFCG.
Endereço(1): Rua José Alves Sobrinho, 637 – Alto Branco – Campina Grande – Paraíba – CEP:58103-005 –
Brasil – Tel: (083) 3322 7792 e (083) 9921 8044 – Fax: (83) 3321 9775 – e-mail: [email protected]
RESUMO
Neste trabalho são apresentados os resultados obtidos numa investigação experimental sobre a caracterização
das bactérias heterotrófico geradas em dois sistemas de lodo ativado do tipo RBS, um tratando esgoto bruto e
o outro esgoto digerido. O sistema RBS-1 recebia esgoto bruto, enquanto o sistema RBS-2 recebia esgoto
digerido proveniente de um reator anaeróbio de fluxo ascendente e manta de lodo (reator UASB). Para
caracterização do desempenho dos sistemas quanto à remoção de matéria orgânica, sólidos suspensos e
amônia, foram aplicados métodos analíticos padronizados. Para caracterizar a atividade biológica e
decaimento das bactérias heterotróficas foram realizados ensaios respirométricos para determinar a Taxa de
Consumo de Oxigênio - TCO. Os resultados desses testes permitiram determinar a taxa de utilização máxima
do material carbonáceo (rmc), o crescimento máximo específico (μmc), e o coeficiente de decaimento do lodo.
A sedimentabilidade do lodo foi avaliada através do teste de Índice Volumétrico de Lodo (IVL). Ambos os
sistemas foram eficientes na remoção de matéria orgânica e de sólidos suspensos. No sistema RBS-2 não
houve nitrificação, enquanto que no RBS-1 o processo de nitrificação não foi expressivo. Os resultados da
investigação experimental mostraram que as bactérias heterotróficos geradas em cada sistema apresentavam
capacidade metabólica bastante diferente: no sistema RBS-1 as bactérias heterotróficas conseguiram o dobro
da atividade metabólica que as do sistema RBS-2. Quanto à sedimentabilidade, o lodo gerado no sistema
RBS-1 apresentou melhores características de sedimentação que o gerado no sistema RBS-2: IVL médio de 83
mL/g para o sistema RBS-1 e 190 mL/g para o RBS-2.
PALAVRAS-CHAVE: Sistema de lodo ativado, reator de batelada seqüencial, bactérias heterotróficas,
caracterização, respirometria.
INTRODUÇÃO
A remoção do material orgânico em sistemas biológicos de tratamento é feita por microorganismos, em
particular as bactérias heterotróficas, que utilizam a matéria orgânica para síntese de novo material celular ou
como fonte de energia. Os processos que se desenvolvem nos sistemas biológicos de tratamento podem ser de
natureza aeróbia e anaeróbia.
Sistemas de tratamento biológicos aeróbios produzem um efluente de boa qualidade com baixas concentrações
de matéria orgânica e sólidos suspensos, além de possibilitarem a remoção de nutrientes quando
adequadamente projetados. Entretanto, esses sistemas apresentam como desvantagens um alto custo de
implantação, operação, manutenção e a grande quantidade de lodo gerado. Na tentativa de uma redução de
custos, novas alternativas têm sido propostas como, por exemplo, um pré-tratamento anaeróbio. Uma
combinação pesquisada (SILVA et al.(1995), COLLETI et al. (1997), FREIRE (1999) MIRANDA et al.
(2001), COURA (2002)), e aplicada na prática do tratamento de esgoto é a do reator anaeróbio do tipo UASB
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seguido de sistemas de lodo ativado. De acordo com VAN HAANDEL E LETTINGA (1994) nos reatores
UASB a matéria orgânica (MO) é removida com boa eficiência e a uma taxa bastante elevada, com um tempo
de permanência de apenas algumas horas, produzindo um lodo estabilizado. Os custos de construção e
operação desse sistema são muito baixos. O sistema de lodo ativado recebendo efluente digerido irá gerar uma
massa de lodo bem menor que aquela gerada num sistema tratando esgoto bruto, além do que, o lodo
produzido poderá ter características mecânicas e biológicas diferentes.
A determinação da Taxa de Consumo de Oxigênio (TCO), num teste de respirometria, permite estimar qual é
a taxa de metabolismo do material orgânico pelo lodo (Van Haandel e Marais, 1999). O teste pode ser
realizado em pequena escala e os valores da TCO em função do tempo possibilitam a determinação das
principais constantes cinéticas relativas à capacidade metabólica e ao decaimento do lodo heterotrófico. As
características de sedimentação do lodo gerado em cada um dos sistemas podem ser avaliadas através do
Índice Volumétrico de Lodo (IVL).
Dentro deste contexto e visando a caracterização das bactérias heterotróficas presentes no lodo, foram
operados dois sistemas: um sistema de lodo ativado do tipo RBS (reator de batelada seqüencial), e um sistema
combinado reator UASB seguido de sistema de lodo ativado do tipo RBS.
MATERIAL E MÉTODOS
A investigação experimental foi realizada no período de abril a outubro de 2004. Foram operados dois
sistemas de lodo ativado do tipo reatores de bateladas seqüenciais (RBS), denominados de sistema RBS-1 e
sistema RBS-2, sendo o primeiro do tipo convencional, alimentado com esgoto bruto e com volume útil de 60
litros, e o segundo um sistema combinado UASB-RBS, onde o reator UASB fazia o tratamento do esgoto
bruto, alimentando o reator RBS com esgoto digerido. O reator UASB e o RBS do sistema RBS-2 tinham
ambos um volume útil 20 litros. O reator UASB foi operado com um tempo de detenção hidráulica (TDH) de
4 horas. As Figuras 1a e 1b são fotos dos sistemas operados, destacando-se o tanque de armazenamento de
esgoto bruto (TAEB) e esgoto digerido (TAED), o reator UASB, os reatores RBS, os tanques de
armazenamento dos efluentes clarificados (TAEC). Destaca-se, ainda nessas figuras a unidade de automação
da operação dos reatores RBS, o Controlador Lógico Programável (CLP), desenvolvido no Departamento de
Engenharia Elétrica da UFCG.
Como os dois sistemas de lodo ativado eram do tipo RBS, a alimentação, aeração, agitação, sedimentação e
descarte eram feitos no próprio reator aerado, de forma automatizada. O ciclo diário de operação foi de 10
bateladas seqüenciais, com duração de 144 minutos, cada batelada. No início da operação dos sistemas a
duração de cada fase da batelada era: alimentação – 12 minutos; aeração e agitação – 60 minutos;
sedimentação – 60 minutos e descarte – 12 minutos. Para diminuir o tempo sem aeração numa batelada,
visando melhorar o desempenho dos sistemas, o tempo de cada fase da batelada foi modificado para:
alimentação – 12 minutos; aeração e agitação – 94 minutos; sedimentação – 30 minutos e descarte – 8
minutos. Esse novo ciclo de operação teve uma duração de 3 meses.
A vazão de alimentação dos dois sistemas era de 120 L/dia.Os reatores aerados dos sistemas RBS-1 e RBS-2
foram operados com idade de lodo de 10 e 20 dias, respectivamente. Os parâmetros analisados foram: pH,
alcalinidade total (Alctot), DQO, NTK, N-NH4+, N-NO-2, N-NO-3, SST, SSV e IVL30 (AWWA/APA/WEF,
1995). O lodo obtido dos descartes diários era utilizado para fazer os testes respirométricos para avaliação da
capacidade metabólica e sedimentabilidade.
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(a)
(b)
Figura 1 – Fotos dos sistemas: (a) RBS-1 (direita) e RBS-2 (esquerda), vendo-se o tanque de
armazenamento de esgoto bruto (TAEB), o tanque de armazenamento de efluente digerido
(TAED), o reator aerado (RBS), o reator UASB, o tanque de armazenamento de efluente
clarificado (TAEC) e o Controlador Lógico Programável (CLP).
O teste respirométrico para determinação da capacidade metabólica das bactérias heterotróficas foi realizado
da seguinte maneira: uma amostra de 1 litro de licor misto era coletada e submetida a agitação e aeração
controlada por um respirômetro, afim de que todo substrato eventualmente presente fosse utilizado,
estabelecendo-se uma TCO mínima correspondente à respiração endógena. Logo em seguida era adicionado
substrato orgânico em abundância, sendo então registrada a TCO máxima (respiração exógena)
correspondente à utilização desse substrato. Como substrato orgânico foi adicionado 140mg/L (como DQO)
de acetato de sódio e a proporção entre a TCO máxima (com substrato abundante) e a TCO mínima (sem
substrato) dá a informação sobre a capacidade metabólica do lodo heterotrófico.
Para se determinar o Índice Volumétrico de Lodo (IVL) uma amostra de 1 litro da suspensão de lodo, com
concentração de sólidos suspensos determinada, era deixada decantar por 30 minutos, numa proveta
transparente e graduada, anotando-se o volume dos sólidos sedimentados.
APRESENTAÇÃO E DISCUSSÃO DOS RESULTADOS
Desempenho dos sistemas
A Tabela 1 apresenta a media dos valores que caracterizaram os afluentes e efluentes dos sistemas, durante
todo período de operação. Observando-se a Tabela 1, vê-se que os valores da DQO do esgoto bruto variaram
entre 124 e 962 mg/L, enquanto a DQO do efluente do sistema RBS-1 variou de 18 a 173mg/L e do sistema
RBS-2 de 27 a 181mg/L. Devido às chuvas, que resultou numa diluição do esgoto bruto, os sistemas RBS-1 e
RBS-2 foram operados sob condições variáveis de carga orgânica, mas, no entanto, conseguiram apresentar
bom desempenho quanto à eficiência de remoção de matéria orgânica e sólidos suspensos, com uma eficiência
de remoção de DQO e de SST superior a 80% e 90%, respectivamente. Deve-se ressaltar o bom desempenho
do sistema anaeróbio de pré-tratamento, o reator UASB, que apresentou uma eficiência média de remoção
desses dois parâmetros de 70% para DQO e 84% para SST.
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Tabela 1: Caracterização do afluente e efluente dos sistemas durante o período de operação.
Parâmetros
DQO (mg/L)
NTK (mg/L)
N-NH+4
(mg/L)
N-NO-3 (mg/L)
N-NO-2 (mg/L)
Alctot (mg/L)
pH
SST (mg/L)
SSV (mg/L)
EB
Méd
Máx
Mín
483
962
124
44
35
329
7,2
151
118
Sistema RBS-1
Reator
Efluente
RBS
RBS
74
173
18
24
23
1466
1214
Efluente
UASB
141
249
76
42
38
1,2
2,86
256
7,6
11
11
0,50
0,03
393
7,4
23
22
Sistema RBS-2
Reator
Efluente
RBS
RBS
82
181
27
39
37
1091
938
0,80
0,06
349
7,7
13
12
O processo de nitrificação não foi satisfatório nos sistemas RBS-1 e RBS-2,: enquanto que no sistema RBS-1
o processo de nitrificarão se desenvolveu com baixa eficiência e de maneira instável, no sistema RBS-2, que
recebia esgoto digerido, não houve nitrificação, mesmo sendo a idade de lodo de 20 dias e operando sob
condições próximas as ideais de pH (próximo a neutralidade), temperatura (±26°C) e concentração de
oxigênio dissolvido (3 a 4,5mg/L). A remoção de nitrogênio do sistema RBS-1 foi de 45% para NTK e de
34% para nitrogênio amoniacal, apresentando ainda concentrações elevadas no efluente final de 24mg/L e
23mg/L, respectivamente.
Atividade metabólica do lodo heterotrófico
A atividade metabólica do lodo heterotrófico é dada pela taxa máxima de crescimento especifico das bactérias
heterotróficas e foi calculada utilizando-se as equações básicas do metabolismo bacteriano:
1) crescimento das bactérias heterotróficas DOLD et al (1980):
⎛ dX a ⎞ = μ ⋅ X = μ ⋅ S ⋅ X / (S + K )
⎜
c
a
mc
b
a
b
sc
dt ⎟⎠ c
⎝
onde:
(dXa/dt)c: taxa de crescimento das bactérias heterotróficas;
μc: taxa de crescimento específico das bactérias heterotróficas;
Xa: concentração de bactérias heterotróficas;
μmc: taxa de crescimento específico máximo das bactérias heterotróficas;
Sb: concentração do substrato material orgânico biodegradável;
Ksc: constante de meia saturação do uso do material orgânico.
(1)
De acordo com VAN HAANDEL E MARAIS (1999) a essência do modelo de Monod se resume em dois
pontos: (1) a taxa de crescimento de microorganismos é proporcional à taxa de metabolismo ou utilização do
substrato pelos microorganismos; (2) a taxa de utilização do substrato depende da concentração desse
substrato. Então, a expressão básica que relaciona a taxa de utilização do substrato orgânico biodegradável
com a taxa de crescimento das bactérias heterotróficas é:
⎛ dX a ⎞ = Y ⎛ dSb ⎞ = Y ⋅ r
⎜
h⎜
h uc
dt ⎟⎠ c
dt ⎟⎠u
⎝
⎝
(2)
onde:
(dSb/dt)u: taxa de utilização do material orgânico;
ruc: taxa de utilização do material orgânico;
Yh: coeficiente de rendimento das heterotróficas – 0,45 mgXa/mgDQO (MARAIS E EKAMA, 1976).
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A taxa de crescimento das bactérias heterotróficas é máxima quando a concentração do substrato material
orgânico é muito alta fazendo com que Sb/(Sb+Ksc)≈ 1. Neste caso pode-se escrever:
μ mc = Yh ⋅ rmc / X a
(3)
onde:
rmc: taxa de utilização máxima do material orgânico.
A constante μmc representa numericamente o crescimento máximo das bactérias heterotróficas e é a constante
cinética mais importante que caracteriza á massa. Para se calcular o seu valor, é necessário que se determine,
além da taxa máxima de utilização do substrato, a concentração de lodo ativo (concentração das bactérias
heterotróficas). Para se obter a taxa de utilização do substrato, pode-se determinar a TCO máxima relacionada
com essa utilização. Como o material orgânico é o substrato das bactérias heterotróficas, utiliza-se um afluente
com abundância de material orgânico para proporcionar grande quantidade de alimento para as bactérias.
Sabe-se que no metabolismo do material orgânico 2/3 deste é usado para síntese de nov massa bacteriana e 1/3
é oxidado (Marais e Ekama, 1976). Como para a oxidação de 1/3 kg DQO é necessário por definição 1/3 kg
de oxigênio, a taxa de utilização máxima do material orgânico é três vezes o valor da TCO máxima, tem-se:
rmc = 3 ⋅ TCOmc
(4)
A concentração de lodo ativo Xa pode ser determinada pela expressão da taxa de respiração endógena (VAN
HAANDEL E MARAIS, 1999):
TCOend = fcv(1-f)bhXa
TCOend
fcv
f
bh
Xa
(5)
taxa de respiração endógena
proporção entre DQO e massa de lodo volátil (1,5 mgDQOP/mgSVS)
fração que permanece como resíduo endógeno depois do decaimento (0,8)
constante de decaimento das bactérias heterotróficas (0,4*1,04(t-20))
concentração das bactérias heterotróficas (mgSVS/L)
Com a determinação da TCO máxima e da concentração das bactérias heterotróficas é possível calcular a taxa
máxima de crescimento específico para a população bacteriana heterotrófica. Como se tinha duas populações
de lodo geradas com características diferentes, onde um dos sistemas recebia um pré-tratamento anaeróbio e o
outro não, pôde-se avaliar alguma interferência sobre a capacidade metabólica através do valor de μmc.
Nos respirogramas da Figura 2, observa-se a variação da TCO com o tempo, quando era adicionada uma
determinada quantidade do substrato específico para as bactérias heterotróficas – acetato de sódio, quando a
TCO registrada era mínima (TCO endógena – TCOend). No respirograma, vê-se que, após a adição do
substrato houve aumento da TCO que atingia o seu valor máximo (TCOmax = 116 mg/L/h). A partir daí e, a
medida que o substrato ia sendo utilizado, a TCO diminuía até atingir o seu valor mínimo (TCOend = 16
mg/L/h) novamente. Já no sistema RBS-2, que recebia como afluente esgoto digerido, a resposta ao mesmo
estímulo de acetato de sódio era bem menor, sendo que a TCO só aumentou de 18 para 59 mg/L/h. Conclui-se
que a capacidade metabólica das bactérias heterotróficas no lodo do sistema RBS-1 era bem maior que a das
bactérias no sistema RBS-2.
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Figura 2: Respirogramas típicos dos testes de TCO para determinação da atividade metabólica das
bactérias heterotróficas dos sistemas RBS-1 (esquerda)e RBS-2 (direita).
Tabela 2: Valores TCO endógena e a TCO máxima e valores derivadas da concentração de lodo ativo,
da taxa máxima de utilização de material orgânico (acetato) e da constante de crescimento específico
máxima μmc dos sistemas RBS-1 e RBS-2.
Parâmetro
TCOend
TCOmax
TCOmax-TCOend
Xa = TCOend/(fcv(1-f)bh)
rmc = 3(TCOmax-TCOend)
µmc=Yhrmc/Xa
Unidade
mg/L/dia
mg/L/dia
mg/L/dia
mgSVS/L
mgDQO/L/dia
/dia
RBS-1
384
2928
2544
1053
7632
3,3
RBS-2
432
1416
984
1185
2952
1,1
Na Tabela 2 observa-se a seqüência de cálculos que se fez para determinar a constante de crescimento
específico máximo a partir das taxas mínima e máxima de consumo de oxigênio: calculou-se a taxa máxima de
utilização do substrato acetato, rmc e da concentração de lodo ativo Xa e subseqüentemente a constante, µmc. O
valor numérico encontrado para µmc do lodo de RBS-1 era em torno de 3 vezes maior que a de RCS-2, o que
indica que a capacidade metabólica do primeiro era bem maior que do segundo. Em termos absolutos, um
valor µmc = 3,3 /dia é um valor baixo para um substrato bom como acetato e uma temperatura de 26 oC, que
era a média durante a pesquisa.
Sedimentabilidade do lodo
A Tabela 3 contém os valores do Índice Volumétrico de Lodo (IVL em mL/g). O sistema que recebia esgoto
digerido (RBS-2) apresentou melhores resultados de sedimentabilidade, com IVL médio de 83mL/g, enquanto
que o sistema RBS-1 apresentou IVL médio de 190mL/g. Enquanto o valor de IVL em RBS 1 seria aceitável
na prática o IVL de RBS-1 levaria a grandes problemas operacionais por causa da sedimentabilidade sofrível.
Tabela 3: Valores da concentração do Índice Volumétrico de Lodo dos sistemas RBS-1 e RBS-2.
Parâmetro
Afluente
IVL (mL/g)
Unidade
Máx
RBS-2
Esgoto digerido
143
RBS-1
Esgoto bruto
341
Mín
38
126
Méd
83
190
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CONCLUSÕES
Os sistemas RBS-2 e RBS-1 apresentaram bom desempenho na remoção de matéria orgânica e sólidos
suspensos, com eficiência de remoção superior a 80% e 90%, respectivamente.
O sistema combinado RBS-2 demonstrou ser uma alternativa tecnicamente viável e mais econômica para
tratamento de esgotos, visto que o reator UASB se destacou como unidade principal de remoção de matéria
orgânica (70%) e sólidos em suspensão (84%), característica fundamental para minimização do custo de
aeração no reator aerado (reator RBS).
O lodo do sistema RBS-1 apresentou uma sedimentabilidade mediana (IVL de 83mL/g), mas o lodo de RBS-2
apresentou características de sedimentação sofrível (IVL de 190mL/g).
As bactérias heterotróficas do sistema RBS-1 apresentaram o triplo da atividade metabólica daquelas do
sistema RBS-2. Enquanto as bactérias heterotróficas do sistema RBS-1 apresentaram crescimento específico
(μmc) de 3,3 dia-1, as bactérias heterotróficas geradas no sistema RBS-2 tiveram um valor de (μmc) de 1,1 dia-1.
A respirometria demonstrou ser uma ferramenta confiável e prática para avaliar a atividade metabólica e o
decaimento do lodo heterotrófico.
AGRADECIMENTOS
A obtenção dos resultados experimentais foi possível graças ao apoio financeiro da CAPES através do
programa PROSAB. A investigação experimental foi realizada nas dependências da Cia de Águas e Esgotos
da Paraíba - CAGEPA.
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