22º Congresso Brasileiro de Engenharia Sanitária e Ambiental 14 a 19 de Setembro 2003 - Joinville - Santa Catarina X-009 - EMPREGO DE AUTOMAÇÃO NA OPERAÇÃO DE REATORES ANAERÓBIOS EM BATELADA UTILIZADOS NO TRATAMENTO DE ESGOTO SANITÁRIO Arnaldo Sarti(1) Doutorando do Departamento de Hidráulica e Saneamento da EESC/USP, Mestre em Engenharia Civil na EESC/USP - Departamento de Hidráulica e Saneamento, Graduação: Engenharia Química na Universidade Federal de São Carlos. Antonio Wagner Lamon Curso Técnico em Eletrônica pela EESP Paulino Botelho de São Carlos, Técnico de Laboratório da EESC/USP - Departamento de Hidráulica e Saneamento, Graduação: Administração de Empresas - Associação de Escolas Reunidas (São Carlos) Paulo Eduardo Silveira Professor da Engenharia Mecânica (Automação e Sistemas) - Universidade São Francisco (Itatiba – SP), Mestre em Engenharia Civil na EESC/USP - Departamento de Hidráulica e Saneamento, Graduação: Engenharia Elétrica na EESC/USP Marcelo Zaiat Doutor em Engenharia Civil na EESC/USP- Departamento de Hidráulica e Saneamento , Mestre em Engenharia Química na Universidade Federal de São Carlos, Graduação: Engenharia Química na Universidade Federal de São Carlos., Professor do Departamento de Hidráulica e Saneamento da EESC/USP. Eugenio Foresti

Membro da Comissão de Legislação e Recursos do Conselho Universitário da USP., Representante da Área Engenharias I/CAPES., Membro coordenador do Comitê Assessor do CNPq – Engenharia Ambiental., Professor Titular do Departamento de Hidráulica e Saneamento da EESC/USP. Endereço(1): Av. Trabalhador Sãocarlense, 400-Bairro: Centro-Cidade: São Carlos – Estado: São Paulo - CEP: 13566-590-País:Brasil-Tel:021(16)273-9560-Fax:021(16) 273-9550- e-mail: arnaldosarti@bol.com.br RESUMO O presente trabalho visou analisar a viabilidade da automação na operação em paralelo e em série, de quatro reatores anaeróbios em batelada seqüencial (volume: 1,2 m3), em diferentes configurações, no tratamento de esgoto sanitário do Campus da Universidade de São Paulo (USP) em São Carlos (SP). Os reatores, com mesma capacidade de tratamento de 0,65 m3 (volume tratado) foram operados com ciclo total de 8 horas, considerando as etapas de enchimento, reação com agitação, sedimentação, descarga e repouso. Os tempos de duração, de cada etapa, do ciclo total foram agendados como ações de acionamento em software específico, instalado em computador PENTHIUM 100, para atuação de forma temporal (minutos) em válvulas automatizadas acopladas na entrada e saída dos reatores, motores dos agitadores e bombas de recirculação de líquido, bem como bomba de alimentação de esgoto bruto para as unidades de tratamento. Os resultados obtidos demonstram a potencialidade de utilização do sistema de automação e controle, partindo-se da necessidade inequívoca de aparatos eletromecânicos para operacionalidade dessa configuração de reator anaeróbio (escala piloto). Portanto, a aplicação de sistema automatizado possibilitou, efetivamente, a operação de reatores de batelada de forma simultânea. PALAVRAS-CHAVE automação, controle, reator batelada, anaeróbio, esgoto sanitário INTRODUÇÃO O desenvolvimento e o estudo de reatores anaeróbios operados em batelada seqüencial é muito recente e os resultados obtidos, até o momento, podem ser considerados indicativos e pouco conclusivos. A aplicação deste tipo de tecnologia parece estar distante, pois muitos fenômenos fundamentais e aspectos tecnológicos ainda devem ser elucidados. A sua aplicação no tratamento anaeróbio de águas residuárias pode ser ampla, como qualquer sistema contínuo, além de poder ser justificada em certos casos específicos. Por exemplo,

para indústrias que lançam efluentes líquidos de forma intermitente, ou para atividades que geram efluentes em épocas específicas do mês ou ano. Segundo Dague et al. (1992), essa configuração de reator anaeróbio surgiu como alternativa ao processo anaeróbio de contato (sistema contínuo com agitação), devido a flotação da biomassa causada pelo biogás gerado, tornando necessário à presença de decantador secundário para a remoção dos sólidos. A operação intermitente de reator batelada seqüencial resulta em altas relações entre a concentração de substrato e a concentração de biomassa (S/X) no inicio da operação e, conseqüentemente, em alta produção de biogás. A baixa relação S/X, no final do ciclo, resulta em baixa produção de biogás, favorecendo a sedimentação adequada da biomassa, na ausência de decantador secundário. Na operação dos reatores em batelada, que compreende as etapas de alimentação, reação sedimentação e descarga, os maiores problemas detectados são: existência de zonas mortas; altos tempos de sedimentação em relação ao tempo total de ciclo; arraste considerável de sólidos na descarga e partida lenta. Muitos fatores podem afetar o desempenho destes reatores, dentre os quais podem ser destacadas a agitação, a forma de alimentação (batelada ou batelada alimentada) e a característica geométrica. Portanto, surge como alternativa, para resolução de certos problemas operacionais, a aplicação de automação nos reatores para permitir maior flexibilidade nessas unidades de tratamento. Na Figura 1 visualiza-se as etapas ao longo do ciclo de operação do reator anaeróbio de batelada seqüencial no tratamento de águas residuárias. Figura 1: Etapas de operação do reator anaeróbio de batelada no tratamento de águas residuárias. Novas configurações de reatores anaeróbios operados em batelada são alternativas para solução de alguns dos problemas citados. Por exemplo, a utilização de suportes inertes permitiria melhor retenção de biomassa (lodo), assim como a eliminação da fase de sedimentação, visando a redução de tempo dos ciclos e as incertezas quanto ao processo de granulação da biomassa mantida no interior da unidade. Novas soluções operacionais e de controle com supervisão automática para os processos são estudadas. Em qualquer processo físico dinâmico, a determinação das melhores condições operacionais é fundamental para uma boa operação do sistema, uma vez que tais condições podem ser mantidas por meio de sistema de controle automático adequado. O projeto é multidisciplinar e complexo requerendo forte interação entre a engenharia de processo e a engenharia de controle (Pena, 1999). Nos reatores, operados em batelada, em escala-piloto ou grande escala, torna-se necessária à utilização de sistemas específicos de automação, devido à complexidade de operação, principalmente, quando se empregam vários reatores. Tal metodologia envolve a presença de aparatos eletromecânicos, computadores e softwares específicos para execução de todas as etapas envolvidas no processo de operação dessa configuração de reator.

As flexibilidades operacionais, visando otimização de desempenho e o menor emprego de mão de obra, são as vantagens principais na utilização de automação nos sistemas de tratamento, sendo necessário, no caso do processo em batelada, permitir o tratamento da água residuária de forma contínua, empregando maior numero de reatores alimentados paralelamente ou em série. Nesse sentido viabilizou-se sistema de automação para reatores anaeróbios em batelada para operação em paralelo, e também em série no tratamento de esgoto sanitário. MATERIAIS E MÉTODOS Instalação Experimental Nesse trabalho foram projetados e construídos quatro reatores anaeróbios de batelada seqüencial com volume total de 1,2 m3 cada, sendo alocados na Estação de Tratamento (USP), para o tratamento de esgoto sanitário do Campus da Universidade de São Paulo em São Carlos. A capacidade de tratamento foi de 0,65 m3 de esgoto em cada sistema, perfazendo no total o volume de esgoto tratado de 1,95 m3.dia-1. Os reatores operaram com tempo do ciclo total de oito horas (3 ciclos totais/dia), correspondente aos tempos de duração das etapas de enchimento, reação com agitação, sedimentação, descarga e repouso.. Os reatores projetados do tipo batelada seqüencial convencional (SBR) diferenciam-se pelo tipo de mistura e forma geométrica (L/D). Sendo assim, dois reatores eram providos de recirculação de líquido (bomba centrífuga-Jacuzzi:modelo 5JL15), mas com relação L/D distintas, e o outro, provido de agitação mecânica, mas com relação L/D igual a uma das unidades com recirculação de líquido. As características dimensionais dos reatores são apresentadas na Tabela 1, bem como o material construtivo empregado. A concepção do reator SBBR difere daquela em que se baseia o reator de batelada seqüencial convencional (SBR) por possuir meio suporte inerte para permitir a retenção da biomassa anaeróbia no interior do reator. Nessa configuração, provida de agitação mecânica, as biopartículas ficam confinadas em um "cesto cilíndrico", composto de tela de inox perfurada (Inox 316 - f 15mm), alocado ao redor do eixo do agitador. Os suportes de imobilização da biomassa foram cubos de espuma de poliuretano (5 cm de lado) com densidade de 23 kg/m3, conforme utilizado por Foresti et al. (1995). Reator 1 (R1): SBR - polietileno Volume útil: 1,06 m3 (VR +VL) Volume lodo (VR): 0,41 m3 Volume líquido (VL): 0,65 m3 Altura (L): 1,5 m

Diâmetro (D): 1,0 m L/D: 1,5 Agitação: Recirculação (bomba centrífuga) Reator 2 (R2): SBR - polietileno Volume útil: 1,06 m3 (VR +VL) Volume lodo (VR): 0,41 m3 Volume líquido (VL): 0,65 m3 Altura (L): 1,5 m Diâmetro (D): 1,0 m L/D: 1,5 Agitação: Mecânica (30 rpm) Reator 3 (R3): SBR - fibra de vidro Volume útil: 1,06 m3 (VR +VL) Volume lodo (VR): 0,41 m3 Volume líquido (VL): 0,65 m3 Altura (L): 2,4 m Diâmetro (D): 0,8 m L/D: 3,0 Agitação: Recirculação (bomba centrífuga) Reator 4 (R4): SBBR - polietileno Volume útil: 1,04 m3 (VS +VL) Volume suporte (VS): 0,39 m3 Volume líquido (VL): 0,65 m3

Altura (L): 1,5 m Diâmetro (D):1,0 m L/D: 1,5 Agitação: Mecânica (40 rpm) Tabela 1: Características dos reatores anaeróbios de batelada seqüencial. As ações seqüe nciais das etapas (enchimento, reação com agitação, sedimentação, descarga e repouso) a cada ciclo total nos reatores foram agendadas na forma temporal (minutos) por meio de software específico desenvolvido em DELPHI 3 operando em ambiente MS-Windows que viabiliza a utilização de outros aplicativos do Windows, sem a interrupção do processo. Para esta tarefa, empregou-se uma placa para aquisição de dados (com entradas e saídas digitais e analógicas) instalada em computador Pentium 100 MHz acoplado às unidades de tratamento (reatores SBR e SBBR) por intermédio de uma interface de comando. Essas ações seqüenciais de acionamentos envolveram abertura/fechamento de válvulas automatizadas nas etapas de alimentação e descarte, bem como na etapa de reação com agitação (bombas de recirculação e agitadores mecânicos). A rotação dos agitadores foi controlada por meio regulador eletrônico do tipo PWM, sendo efetivamente monitorados utilizando tacômetros acoplados aos reatores 2 e 4. O fluxograma esquemático de operação dos reatores está apresentado na Figura 2. Todas as válvulas automatizadas possuíam acoplamento a moto-redutor (24 Vdc-1/3CV) para maior rapidez e segurança de fechamento por se tratar de esgoto sanitário. Nelas foram adaptadas micro chaves do tipo "fim de curso" a fim de limitar-se o ângulo de abertura e fechamento das mesmas, sendo essas, válvulas de esfera. Tais válvulas foram acopladas as tubulações (PVC-1") de entrada e saída dos reatores. Os pressostatos (1 e 2) nos reatores 1 e 3 operam com sensores de nível e tiveram a função de proteção, para que as bombas de recirculação não atuem com volume menor que 1,0 m3 no caso de eventual falta de energia durante a operação de enchimento dos reatores. Nesse sentido, para manter o sistema de automação atuando nas válvulas automatizadas, instalou-se um sistema "No-Break" para dar prosseguimento às ações agendadas no software do computador, mesmo sem a presença de energia elétrica por um período de até 3 horas. Na parte superior dos reatores colocaram-se drenos para não haver transbordamento de esgoto, bem como tubulação de coleta de gases. Na Figura 3 pode-se observar o diagrama de blocos da do sistema de automação empregado nos reatores.

Figura 2: Representação esquemática dos reatores anaeróbios de batelada seqüencial (SBR e SBBR). Figura 3: Diagrama em blocos do circuito eletro-eletrônico empregado na automação dos reatores. As unidades, como já citado, foram operadas com ciclos totais de 8 horas, perfazendo 3 ciclos por dia, distribuídos nos tempos das etapas de alimentação, reação com agitação, sedimentação, descarte e repouso para todos os tipos de configuração, sendo que a distribuição dos tempos de duração de cada etapa está descrito na Tabela 2. A etapa de sedimentação do reator SBBR foi excluída, em razão da biomassa, ficar aderida ao suporte de espuma de poliuretano, mas manteve-se o mesmo tempo de ciclo total para operação simultânea dos sistemas de tratamento, alterando o tempo da etapa de reação com agitação para 5 horas. A implantação de etapa de repouso surgiu como alternativa para a flexibilidade de operação na aplicação tanto do processo de enchimento em paralelo, como em série. Tanto em paralelo ou em série, as ações seqüenciais, obviamente, foram alteradas para permitir aos reatores adequarem-se as novas condições de enchimento aplicadas. Os dois tipos de agendamento de ações seqüenciais em função de cada etapa do ciclo total, nas configurações utilizadas, podem ser observados nas Tabelas 3 e 4. Reatores 1,2 e 3 (SBR) Reator 4 (SBBR) Alimentação (afluente) - 2h Alimentação (afluente) - 2h Reação (agitação) - 3h Reação (agitação) - 5h Sedimentação - 2h Não há fase de Sedimentação Descarga (efluente) - 0,5h

Descarga (efluente) - 0,5h Repouso - 0,5h Repouso - 0,5h Tabela 2: Tempos de execução das etapas relativas ao ciclo total dos reatores. Reator 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17

18 19 20 21 22 23 24 Reator 1 E E R R S S S D E E R R S S S D

E E R R S S S D Reator 2 S D E E R R S S S D E E R R

S S S D E E R R S S Reator 3 S S S D E E R R S S S D E

E R R S S S D E E R R Reator 4 R R R R R D E E R R R

R R D E E R R R R R D E E Legenda: E - enchimento, R - reação, S - sedimentação e D - descarga+repouso. Tabela 3: Etapas de operação para enchimento em série no período de 24 horas. Reator 1 2 3 4 5 6 7

8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 Reator 1 E E R R R

S S D E E R R R S S D E E R R R S S D Reator 2 E E

R R R S S D E E R R R S S D E E R R R S S D Reator 3

E E R R R S S D E E R R R S S D E E R R R S S

D Reator 4 E E R R R R R D E E R R R R R D E E R R R

R R D Legenda: E - enchimento, R - reação, S - sedimentação e D – descarga+repouso. Tabela 4: Etapas de operação para enchimento em paralelo no período de 24 horas. RESULTADOS E DISCUSSÃO Os resultados obtidos foram satisfatórios no uso de automação para operação de reatores anaeróbios de batelada no tratamento de esgoto sanitário. Neste caso específico, a automação empregada viabilizou perfeito controle do processo de tratamento proposto, vantagem esta, que conferiu alta eficiência e confiabilidade ao sistema. Além disso, o sistema de automação permitiu a variação de parâmetros operacionais importantes como: tempo de enchimento (batelada ou batelada-alimentada), tempo de reação, tipo de agitação (contínua ou intermitente) e tempo de descarga visando otimização dos mesmos no tratamento de águas residuárias. Foi possível, neste estudo, fazer alterações no tipo de agitação utilizada nos reatores com recirculação SBR1 e 3, passando de agitação contínua (750, 1.500 e 3.000 l/h) para intermitente (1.500 l/h a cada 5 min e 1.500 l/h a cada 10 min) ou mantido até sem agitação. Poderiam ser experimentadas outras alterações na operação dos reatores, como, variar o tempo de ciclo total, reduzir a etapa de reação, por exemplo. Entretanto, não foi possível, devido ao fato das unidades não terem sido inoculadas (lodo) e alterações nos parâmetros físicos e físico-químicos de monitoramento, durante a fase de inicial de operação, dificultaram a análise do desempenho ao longo do tempo de operação de 227 dias. Como se sabe, os reatores anaeróbios, sem a presença de inóculo biológico, demandam elevado tempo de operação para atingir regime dinâmico aparente (estabilidade operacional). No entanto, aproveitando-se da alta flexibilidade que o sistema de automação proporcionou, novos estudos serão viabilizados na expectativa de otimização a operação, a fim de obter maior desempenho do no tratamento biológico por processo anaeróbio, utilizando estas configurações de reatore s em batelada. Na Figura 4 e 5, apresenta-se vista parcial do aparato experimental, bem como detalhes da automação utilizada nos reatores.

Figura 4: Telas de apresentação do software específico da automação para atuação (A) e agendamento de ações dos equipamentos e válvulas automatizadas (B). Figura 4: Vista parcial do aparato experimental (A), válvula automatizada acoplada (B) e computador com tacômetros e regulador eletrônico de rotação (C). CONCLUSÕES A automação aplicada nos reatores anaeróbios de batelada foi efetiva no desempenho operacional no tratamento de esgoto sanitário. Não foram detectados problemas mecânicos ou eletrônicos, no período de 227 dias, que colocassem em risco o trabalho e, desta forma, pode-se comprovar a confiabilidade do sistema de automação, garantindo, assim, o bom desempenho operacional ocorrido nas unidades de tratamento. Nos reatores SBR2 e SBBR, principalmente, as eficiências de remoção foram satisfatórias atingindo 80% e efluentes com concentração de 60mgDQO.l-1, tendo o esgoto sanitário na ordem de 470mgDQO.l-1. Tal tecnologia empregada veio facilitar na operação deste tipo de configuração de reator e contribuir para o avanço na utilização deste tipo de sistema operacionalizado de forma simultânea usando várias unidades de tratamento. AGRADECIMENTOS À Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo (FAPESP), ao PRONEX (Programa de Núcleo de Excelência: projeto no 664093/1997-3) pelo apoio financeiro na execução do trabalho e ao programa de pós-graduação do Departamento de Hidráulica e Saneamento da Escola de Engenharia de São Carlos (USP-São Carlos) REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS DAGUE R.R.; HABBEN C.E.; PIDAPARTI S.R. (1992). Initial Studies on the Anaerobic Sequencing Batch Reactor. Water Science and Technology, 26(9-11), 2429-2432.

FORESTI, E., ZAIAT, M.; CABRAL, A.K.A. AND DEL NERY, V. (1995). Horizontal-Flow Anaerobic Immobilized Sludge (HAIS) Reactor for Paper Industry Wastewater Treatment. Brazilian Journal of Chemical Engineering, 12, p. 235-239. PENA, R. T. (1999). Desenvolvimento e Controle de Sistema de Tratamento de Esgotos por Processos Anaeróbios. STEPAA- Relatório Final do Projeto FAPEMIG-TEC 1277/95.