TESE Desempenho de caixa gordura empregada no...
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WAINA BELLA DE CASTRO JUNQUEIRA
DESEMPENHO DE CAIXA DE GORDURA
EMPREGADA NO TRATAMENTO
PRELIMINAR DOS EFLUENTES DE
RESTAURANTE UNIVERSITRIO
LAVRAS - MG
2014
WAINA BELLA DE CASTRO JUNQUEIRA
DESEMPENHO DE CAIXA DE GORDURA EMPREGADA NO
TRATAMENTO PRELIMINAR DOS EFLUENTES DE RESTAURANTE
UNIVERSITRIO
Tese apresentada Universidade Federal de Lavras, como parte das exigncias do Programa de Ps-Graduaao em Recursos Hdricos em Sistemas Agrcolas, rea de concentrao em Saneamento Ambiental, para a obteno do ttulo de Doutora.
Orientador
Dr. Claudio Milton Montenegro Campos
Coorientadora
Dra. Ftima Resende Luiz Fia
LAVRAS - MG
2014
WAINA BELLA DE CASTRO JUNQUEIRA
Junqueira, Waina Bella de Castro. Desempenho de caixa de gordura empregada no tratamento preliminar dos efluentes de restaurante universitrio / Waina Bella de Castro Junqueira. Lavras : UFLA, 2014.
218 p. : il. Tese (doutorado) Universidade Federal de Lavras, 2014. Orientador: Claudio Milton Montenegro Campos. Bibliografia. 1. Caixa de gordura. 2. gua residuria. 3. leos e graxas. 4.
Flotao. 5. Hidrodinmica. 6. Biodiesel. I. Universidade Federal de Lavras. II. Ttulo.
CDD 628.1
Ficha Catalogrfica Elaborada pela Coordenadoria de Produtos e Servios da Biblioteca Universitria da UFLA
DESEMPENHO DE CAIXA DE GORDURA EMPREGADA NO
TRATAMENTO PRELIMINAR DOS EFLUENTES DE RESTAURANTE
UNIVERSITRIO
Tese apresentada Universidade Federal de Lavras, como parte das exigncias do Programa de Ps-Graduao em Recursos Hdricos em Sistemas Agrcolas, rea de concentrao em Saneamento Ambiental, para a obteno do ttulo de Doutora.
Aprovada em 21 de fevereiro de 2014.
Dra. Ftima Resende Luiz Fia (Coorientadora) UFLA
Dr. Marcos Von Sperling UFMG
Dr. Luiz Fernando Coutinho de Oliveira UFLA
Dr. Ronaldo Fia UFLA
Dr. Claudio Milton Montenegro Campos
Orientador
LAVRAS - MG
2014
A Deus, por estar presente em todos os momentos da minha vida,
iluminando meu caminho em direo verdade, f e confiana.
OFEREO
Com todo meu amor, aos meus filhos
Hugo, Bruno e Felipe e ao meu marido Ricardo.
Aos meus pais, Wilson (in memoriam) e Edina, pelo amor,
exemplo de vida e principalmente, pela formao do meu carter.
E a meu Irmo, Weldson (in memoriam) pelo amor, carinho,
exemplo de vida e coragem.
DEDICO
AGRADECIMENTOS
Universidade Federal de Lavras e ao Programa de Ps-Graduao
Recursos Hdricos em Sistemas Agrcolas, pela oportunidade e infraestrutura.
Universidade Federal de Juiz de Fora pela ajuda concedida e em
especial ao Magnfico Reitor - Henrique Duque, por toda a confiana,
oportunidade e amizade.
Capes, CNPq e FAPEMIG, pela concesso das bolsas de estudos aos
bolsistas que participaram deste trabalho. Ao MEC pelo financiamento da Caixa
de Gordura instalada no Restaurante Universitrio da UFLA.
Ao meu orientador, Claudio Milton Montenegro Campos, meu
agradecimento especial pela oportunidade, orientao e pelos inmeros
ensinamentos.
A minha coorientadora, Ftima Resende Luiz Fia e ao professor Ronaldo
Fia, pelo carinho, disponibilidade, conversas e ensinamentos.
Aos professores e membros da banca Marcos von Sperling e Luiz
Fernando Coutinho de Oliveira, pelas contibuies enriquecedoras.
Ao grupo do Laadeg, Alexsander Teodoro Teixeira (Alex) sempre ao
meu lado me ajudando, ao Wesley Machado e aos amigos bolsistas, Fabiana
Amorim, Hederson Ferreira, Ana Augusta Damasceno, Ana Flvia Melo, Raquel
Costa e Diego Domingues pela amizade, grande apoio e empenho na conduo
do meu experimento.
Aos que me ajudaram voluntariamente, Brbara Lemes, Kaio Olmpio,
Gabriel Matias, Bruna Amaral, Karen Paiva, Pedro Sodr, Hugo, Bruno e Felipe
Junqueira.
Ao amigo Erlon Lopes pela amizade e conselhos iniciais.
Aos amigos do doutorado Camila, Lidiane, Lucas de Paula, Lucas Alves,
Maurcio, Wellington, Rosngela, Daniel, Joo, Matheus e outros pela
convivncia e amizade, especialmente a voc Michael, pela ateno,
disponibilidade em ajudar e carinho.
s amigas, Maria Jos Berti, Regina Vilas Boas, Francine Sousa e Ana
Carla Nogueira, pela amizade e pelas prosas agradveis.
Ao professor Renato, pela disponibilidade e ateno na realizao das
anlises estatsticas.
Ao Silvio da estatstica pela ajuda fundamental ao meu etendimento do
contedo.
Aos professores do programa Recursos Hdricos em Sistemas
Agrcolas, pelos ensinamentos e convivncia durante o curso de doutorado.
Ao professor Eduardo Alves e a tcnica Elosa (El) pela
disponibilidade, a ajuda e os ensinamentos e ao professor Jos Aldo pelas aulas
agradveis e muito especiais.
Aos professores Pedro Castro Neto (Pedro) e Antnio Carlos Fraga na
disponibilizao do Laboratrio de Pesquisa em leos, Gorduras e Biodiesel (G-
leo).
Aos funcionrios do programa de Ps-Graduao em Recursos Hdricos
em Sistemas Agrcolas e aos do Departamento de Engenharia.
Aos funcionrios tanto do Laboratrio de Anlise Foliar como os da
Qumica e aqueles do RU/UFLA, especialmente ao Wilson Ferreira, a tcnica
Maria Aparecida Junqueira pela confiana no emprstimo de material por tempo
indeterminado e a nutricionista Emlia Cristina Moes.
professora Zuy Magriotis pelos esclarecimentos e ao Hugo da qumica
pela cooperao e convivncia.
Aos funcionrios da prefeitura em especial ao Sebastio, rique e
Marquinho pelos servios prestados quanto parte eletro-mecnica da CG.
Ao grupo da Repblica Farol Aceso, Dona Lade pela amizade e
acolhimento.
s amigas Carla e Cida, pelas conversas e ateno.
Adriana de Assis, Michele Paravidino e Juliana Simili pela amizade e
apoio.
amiga e irm de corao Marta Esteves que, de modo particular,
sempre me apoia nas horas difceis.
E a todos que contribuiram direta ou indiretamente para a realizao
deste trabalho.
RESUMO Neste estudo foi avaliada uma Caixa de Gordura (CG) em escala real, no
pr-tratamento de gua residuria proveniente da cozinha industrial do restaurante universitrio da Universidade Federal de Lavras (RU/UFLA), com condies operacionais distintas: funcionando por flotao gravitacional (Primeira etapa); e utilizando flotao forada auxiliada por meio de difusores de ar (Segunda etapa). Para avaliao do desempenho da CG foram monitoradas as variveis: leos e graxas (O&G), slidos totais (ST), slidos totais fixos (STF), slidos totais volteis (STV), slidos suspensos (SS), slidos dissolvidos (SD), demanda bioqumica de oxignio (DBO), demanda qumica de oxignio (DQO), fsforo total (P total), nitrognio total Kjeldahl (NTK) e detergentes. A primeira etapa ocorreu entre os dias 11 de abril a 16 de maio e entre 03 e 31 de outubro de 2012 e a segunda etapa, entre os dias 28 de novembro e 19 de dezembro de 2012, e de 22 de janeiro a 21de maro de 2013. Foram realizados quatro ensaios hidrodinmicos nessas condies operacionais empregando cloreto de potssio (KCl) como traador: 1 e 2 testes com gua limpa e 3 e 4 testes com a gua residuria do RU. A CG trabalhou com vazo mdia de 0,9 e 0,79 L s-1, mnima de 0,63 e 0,49 L s-1 e mxima de 1,19 e 1,22 L s-1, respectivamente na primeira e segunda etapas, em que seu desempenho na eficincia de remoo foi de 57 e 52% para O&G; 56 e 61% para ST; 63 e 65% para STV; 19 e 25% para STF; 73 e 63% para SS; 41 e 54% para SD; 50 e 44% para DBO total; 35 e 39% para DBO filtrada; 49 e 32% para DQO total; 27 e 35% para DQO filtrada; 38 e 25% para P total; 30 e 24% para NTK; e, 34 e 10% para detergentes. Houve diferenas significativas (p>0,05) entre os tratamentos, somente para STF, SD, DQO total e detergentes. Os resultados hidrodinmicos, na primeira condio operacional, apontaram para a tendncia de escoamento pistonado com pequena moderada intensidade de disperso no 1 teste e, escoamento entre pistonado e dispersivo com moderada intensidade de disperso e certa mistura, no 3 teste. Sob aerao os resultados mostram o modelo de disperso de grande intensidade, com tendncia ao escoamento em mistura completa no 2 e 4 testes este ltimo com grande intensidade de disperso. Conclui-se que o processo de flotao gravitacional se mostrou como a melhor opo. Alm da reduo das cargas poluidoras, ofereceu menor custo de implantao e maior quantidade de gordura acumulada superficialmente, com maior potencial de reteno, podendo atingir valores anuais de 3,2 toneladas de gordura e ser utilizada para fins de produo de biodiesel, com a CG operando por 6h30min/dia, perodo de funcionamento do RU. A gordura apresentou inviabilidade para uso no processo de transesterificao alcalina, principalmente devido umidade e acidez que extrapolaram os valores considerados ideais. No entanto, o emprego de processos cidos e hbridos parece ser a melhor alternativa com a hidroesterificao como um processo vivel em ambos os tratamentos.
Palavras-chave: Caixa de gordura. gua residuria. leos e graxas. Flotao. Hidrodinmica. Biodiesel.
ABSTRACT This work evaluated a fat trapper device (FT) in real scale, used as pre-
treatment of industrial kitchen effluent originated from the university restaurant at the Federal University of Lavras (UR/UFLA), with different operating conditions: working by gravitational flotation (First step); and using forced flotation aided by air diffusers (Second stage). In order to evaluating the FT performance, the following variables were monitored: oils and greases (O&G), total solids (TS), total fixed solids (TFS), total volatile solids (TVS), suspended solids (SS), dissolved solids (DS), biochemical oxygen demand (BOD), chemical oxygen demand (COD), total phosphorus (P), total Kjeldahl nitrogen (TKN) and detergents. The first stage took place between April 11 and May 16 and between October 03 and 31, 2012 and the second stage, between November 28 and December 19, 2012; and between January 22 and March 21, 2013. Four hydrodynamic tests were performed on these operating conditions using potassium chloride (KCl) as a tracer: 1st and 2nd tests with clean water and 3rd and 4th tests with wastewater from the UR. The FT worked with average flow of 0.9 and 0.79 L s-1, and minimum 0.63 and 0.49 L s-1 and maximum 1.19 and 1.22 L s-1, respectively in the first and second stages, where their performance in removal efficiency was 57 and 52% O & G; 56 and 61% TS; 63 and 65% TVS; 19 and 25% TFS; 73 and 63% SS; 41 and 54% DS; 50 and 44% total BOD; 35 and 39% BOD filtered; 49 and 32% total COD; 27 and 35% COD filtered; 38 and 25% P total; 30 and 24% TKN ; 34 and 10% detergents.There were significant differences (p> 0.05) among treatments, only for TFS, DS, total COD and detergents. The hydrodynamic results, in the first operating condition, pointed to the trend of plug flow with small to moderate dispersion intensity in the 1st test and flow between dispersive and slug with moderate dispersion intensity and mix in the 3rd test. Under aeration the results show the dispersion model of great intensity, with a tendency to flow at complete mixing in the 2ndand 4thtests, this latter with intensive dispersion. It can be concluded that the flotation gravitational process showed as the best option. Besides the reduction of pollutant loads, offered lower cost of deployment and greater amount of fat accumulated superficially, with greater potential of retention, reaching values of 3.2 tons of fat annual and be used for biodiesel production, with FT operated during 6h30min/day, the same operating period of UR. The fat presented infeasibility for use in alkaline transesterification process, mainly due to moisture and acidity that extrapolated the values considered ideal. However, the use of acids and hybrid processes appears to be the best alternative with hydroesterification as a viable process in both treatments. Keywords: Fat trapper. Waste water. Oils and greases. Flotation. Hydrodynamics. Biodiesel.
LISTA DE FIGURAS
Figura 1 Vista frontal da caixa de gordura (CG) ........................................ 72
Figura 2 Planta Baixa da CG (medidas em centmetro)............................. 74
Figura 3 Corte A-A da CG (medidas em centmetro) ................................ 75
Figura 4 Corte B-B da CG (medidas em centmetro) ................................ 75
Figura 5 Pontos de coleta de gua residuria, escuma e lodo na CG. ........ 81
Figura 6 Coleta de lodo com amostrador desenvolvido na UFLA ............ 83
Figura 7 Croqui do medidor de lodo desenvolvido na UFLA ................... 84
Figura 8 Pontos de coleta de gordura (A) e coleta de gordura na 1 etapa (B)
................................................................................................. 92
Figura 9 Pontos de coleta de gordura na 2 etapa (A) e (B) ....................... 92
Figura 10 Valores da vazo afluente CG durante a primeira etapa (11/04 a
16/05/2012, 36 dias e 03 a 31/10/2012, 29 dias) ................... 102
Figura 11 Valores da vazo afluente CG durante a segunda etapa (28/11 a
19/12/2012, 22 dias e 22/01 a 21/03/2013, 59 dias) .............. 102
Figura 12 Mdia das vazes dirias afluente CG em intervalos de 30 min
(1 etapa) ................................................................................ 103
Figura 13 Mdia das vazes dirias afluente CG em intervalos de 30 min
2 etapa ................................................................................... 104
Figura 14 Detalhe da pequena quantidade de escuma flotada na CG em
condies aerbias e temperatura afluente de 39C - dia
05/12/2013 s 13 h (A e B) .................................................... 107
Figura 15 Variao do OD afluente, efluente e no interior da CG durante a
primeira etapa (27/04 a 16/05/2012, 19 dias e 03 a 31/10/2012,
29 dias) .................................................................................... 112
Figura 16 Variao do OD afluente, efluente e no interior da CG na segunda
etapa (28/11 a 19/12/2012, 22 dias e 22/01 a 21/03/2013, 59 dias)
................................................................................................ 112
Figura 17 gua residuria (A) e lodo (B) na segunda etapa ..................... 114
Figura 18 Variao na concentrao do lodo em termos ST, STF e STV
durante a primeira etapa (25/04 a 16/05/2012, 19 dias e 03 a
31/10/2012, 29 dias) ............................................................... 115
Figura 19 Observaes do lodo anaerbio por microscopia eletrnica de
varredura (Primeira etapa - 16/05/2012) ................................. 116
Figura 20 Visualizao das bactrias: 1- presena de bactrias na superfcie
dos grnulos; 2-bacilos; 3-cocos; e, 4-filamentosas (Primeira
etapa - 16/05/2012) ................................................................. 116
Figura 21 Perfil do lodo na primeira etapa, dos 15 aos 36 dias e dos 133 aos
161 dias em que corresponde concentrao mdia de 77.665 mg
L-1 de STV e altura mdia de 65 cm de lodo ......................... 117
Figura 22 Volume mdio de lodo (Primeira etapa) de 0 aos 36 dias e dos 133
aos 161 dias ............................................................................. 118
Figura 23 Concentrao do lodo em termos ST, STF e STV na segunda etapa
................................................................................................ 119
Figura 24 Observaes do lodo aerbio por microscopia eletrnica de
varredura e visualizao das bactrias: 1-presena de bactrias na
superfcie do grnulo, 2-bacilos e 3-cocos (Segunda etapa -
05/02/2013) ............................................................................. 119
Figura 25 Perfil do lodo na segunda etapa (flotao forada), dos 84 aos 114
dias, em que corresponde concentrao mdia de 3.256 mg L-
1 de STV e altura mdia de 11 cm de lodo ............................ 120
Figura 26 Volume mdio de lodo na CG na segunda etapa ..................... 120
Figura 27 Concentraes afluentes de ST, STF, STV (Primeira etapa) ... 129
Figura 28 Concentraes efluentes de ST, STF, STV (Primeira etapa) ... 129
Figura 29 Concentraes afluentes de ST, STF, STV (Segunda etapa) ... 130
Figura 30 Concentraes efluentes de ST, STF, STV (Segunda etapa) ... 130
Figura 31 Concentraes afluente e efluente DBO total e filtrada (Primeira
etapa) ...................................................................................... 135
Figura 32 Concentraes afluente e efluente DBO total e filtrada (Segunda
etapa) ...................................................................................... 136
Figura 33 Concentraes afluente e efluente DQO totais e filtradas (Primeira
etapa) ...................................................................................... 139
Figura 34 Concentraes afluente e efluente DQO totais e filtradas (Segunda
etapa) ...................................................................................... 139
Figura 35 Concentraes afluente e efluente de P total (Primeira etapa) 142
Figura 36 Concentraes afluente e efluente de P total (Segunda etapa) 143
Figura 37 Concentraes afluente e efluente NTK total (Primeira etapa) 145
Figura 38 Concentraes afluente e efluente NTK (Segunda etapa) ....... 145
Figura 39 Concentraes afluente e efluente de detergente (Primeira
etapa) ...................................................................................... 148
Figura 40 Concentraes afluente e efluente detergente (Segunda etapa) 148
Figura 41 Curva de distribuio do tempo de residncia (DTR) e ajuste da
curva conforme metodologia descrita por Kadlec e Wallace
(2008) no 1 teste com o sistema de aerao desligado totalizando
32h (1920 min) de ensaio ....................................................... 153
Figura 42 Tubulao de entrada - afluente (A) e tubulao de sada - efluente
(B) .......................................................................................... 153
Figura 43 Curva de distribuio do tempo de residncia (DTR): diferenas
entre o tempo de residncia hidrulica real (TRHreal) e terico
(TRHterico) .............................................................................. 154
Figura 44 Curva de distribuio do tempo de residncia (DTR) e ajuste da
curva conforme metodologia descrita por Kadlec e Wallace
(2008) no 2 teste, simulao (A), com a CG por 6h30min
dirias sob alimentao e aerao no perodo de 26h30min (1.590
min). ....................................................................................... 157
Figura 45 Curva de distribuio do tempo de residncia (DTR) e ajuste da
curva conforme metodologia descrita por Kadlec e Wallace
(2008) no 2 teste, simulao (B), com a CG por 6h30min
dirias sob alimentao e aerao somadas s 17h30min sem
aerao, vazo e concentrao de sada no perodo de 78h30min
(4.710 min) ............................................................................ 158
Figura 46 Curva de distribuio do tempo de residncia (DTR): diferenas
entre os tempos de residncia hidrulica real (TRHreal) e terico
(TRHterico), na simulao (A) ................................................ 159
Figura 47 Curva de distribuio do tempo de residncia (DTR): diferenas
entre os tempos de residncia hidrulica real (TRHreal) e terico
(TRHterico) na condio real observada (B) ........................... 160
Figura 48 Curva de distribuio do tempo de residncia (DTR) e ajuste da
curva conforme metodologia descrita por Kadlec e Wallace
(2008) no 3 teste, simulao (A), com gua residuria do RU e
sistema de aerao desligado totalizando 46h (2.760 min) de teste
............................................................................................... 165
Figura 49 Curva de distribuio do tempo de residncia (DTR) e ajuste da
curva conforme metodologia descrita por Kadlec e Wallace
(2008) no 3 teste, simulao (A), com gua residuria do RU e
sistema de aerao desligado totalizando 149,67 h (8.980 min) de
teste ........................................................................................ 166
Figura 50 Amostragem estratificada do lquido residente na CG em que se
verifica no fundo o lodo sedimentado, na parte superior a escuma
superfial e, na parte central, o volume ativo que participa
efetivamente do escoamento (A) e amostra do lodo do fundo da
caixa de gordura (B) em meio anaerbio ............................... 167
Figura 51 Gordura acumulada na superfcie da CG referente primeira etapa
(A) e (B) ................................................................................. 167
Figura 52 Curva de distribuio do tempo de residncia (DTR) e ajuste da
curva conforme metodologia descrita por Kadlec e Wallace
(2008) no 4 teste com gua residuria do RU e sistema de
aerao em funcionamento totalizando 46h (2.760 min) de
teste ........................................................................................ 171
Figura 53 Curva de distribuio do tempo de residncia (DTR) e ajuste da
curva conforme metodologia descrita por Kadlec e Wallace
(2008) no 4 teste com gua residuria do RU e sistema de
aeraoem funcionamentototalizando 150,5 h (9.030 min) de
teste ........................................................................................ 171
LISTA DE TABELAS
Tabela 1 Forma de avaliao da intensidade de disperso (METCALF &
EDDY, INC, 3003). ....................................................................... 57
Tabela 2 Parmetros aplicados Caixa de Gordura (CG) do RU/UFLA. .... 76
Tabela 3 Valores mdios de potencial hidrogeninico (pH), slidos totais (ST),
slidos totais fixos (STF), slidos totais volteis (STV), leos e
graxas (O&G), demanda bioqumica de oxignio (DBO), demanda
qumica de oxignio (DQO) e detergente com respectivos desvios
padres (DP) e coeficientes de variaes (CV). ............................ 79
Tabela 4 Parmetros analisados, pontos e mtodos utilizados. ..................... 82
Tabela 5 Caractersticas de operao do ensaio hidrodinmico nos 1 e 2 testes
com gua limpa. ............................................................................ 88
Tabela 6 Caractersticas de operao e do ensaio hidrodinmico nos 3 e 4
testes com gua residuria do RU. ................................................ 90
Tabela 7 Parmetros analisados e mtodos utilizados para caracterizao da
gordura para produo de biodiesel. .............................................. 93
Tabela 8 Valores mdios e desvio padro (DP) dos parmetros que afetaram o
desempenho da CG durante a primeira e segunda etapas de
funcionamento, no afluente (Aflu.), no efluente (Eflu.) e na caixa
de gordura (CG)............................................................................. 99
Tabela 9 Valores mdios da concentrao, carga afluente (Aflu.) e efluente
(Eflu.), carga mssica volumtrica (CMV) e eficincia (Ef.) da CG
durante a primeira e segunda etapas de funcionamento, relativos aos
parmetros leos e graxas (O&G), slidos totais (ST), slidos totais
fixos (STF), slidos totais volteis (STV), slidos suspensos (SS),
slidos dissolvidos (SD), demanda bioqumica de oxignio total e
filtrada (DBO total e DBO filtrada), demanda qumica de oxignio
total e filtrada (DQO total e DQO filtrada), Fsforo total (P total),
Nitrognio total Kjeldahl (NTK) e detergente. ............................ 100
Tabela 10 Valores mdios, desvio padro (DP) e coeficiente de variao (CV)
da vazo afluente CG durante a primeira e segunda etapas. ..... 101
Tabela 11 Valores mdios, desvio padro (DP) e coeficiente de variao (CV)
da temperatura ambiente na primeira e segunda etapas. ............. 104
Tabela 12 Valores mdios, desvio padro (DP) e coeficiente de variao (CV)
da temperatura da gua residuria durante a primeira etapa. ...... 105
Tabela 13 Valores mdios, desvio padro (DP) e coeficiente de variao (CV)
da temperatura da gua residuria durante a segunda etapa. ....... 106
Tabela 14 Valores mdios, desvio padro (DP) e coeficiente de variao (CV)
do pH durante a primeira e segunda etapas. ................................ 107
Tabela 15 Valores mdios, desvio padro (DP) e coeficiente de variao (CV)
de alcalinidade durante a primeira e segunda etapas. .................. 108
Tabela 16 Valores mdios, desvio padro (DP) e coeficiente de variao (CV)
da acidez durante a primeira e segunda etapas. ........................... 109
Tabela 17 Valores mdios, desvio padro (DP) e coeficiente de variao (CV)
da condutividade eltrica durante a primeira e segunda etapas. .. 110
Tabela 18 Valores mdios, desvio padro (DP) e coeficiente de variao (CV)
do oxignio afluente, no interior da CG e efluente na primeira etapa.
(Titulao) ................................................................................... 111
Tabela 19 Valores mdios, desvio padro (DP) e coeficiente de variao (CV)
do OD afluente, efluente e no interior da CG, na segunda etapa. 112
Tabela 20 Valores mdios, desvio padro (DP) e coeficiente de variao (CV)
do potencial de oxirreduo (mV) afluente, efluente e no interior da
CG na segunda etapa. .................................................................. 113
Tabela 21 Anlise de varincia para a eficincia de remoo de O&G com
respectivas fontes de variao (FV), quadrados mdios (QM),
coeficiente de variao (CV) e eficincia mdia nos tratamentos da
primeira e segunda etapas em funo das variveis aleatrias. ... 122
Tabela 22 Valores mdios da concentrao e carga, afluente (Aflu.) e efluente
(Eflu.), eficincia (Efic.) da CG e carga mssica volumtrica (CMV)
de O&G na primeira e segunda etapas. ....................................... 123
Tabela 23 Anlise de varincia para a eficincia de remoo de slidos com
respectivas fontes de variao (FV), quadrados mdios (QM),
coeficiente de variao (CV) e eficincia mdia nos tratamentos da
primeira e segunda etapas em funo das variveis aleatrias. ... 126
Tabela 24 Valores mdios da concentrao e carga, afluente (Aflu.) e efluente
(Eflu.), eficincia (Efic.) da CG e carga mssica volumtrica (CMV)
de slidos, na primeira e segunda etapas. .................................... 127
Tabela 25 Comparao entre slidos orgnicos e minerais na primeira e
segunda etapas. ............................................................................ 132
Tabela 26 Anlise de varincia para a eficincia de remoo de DBO e DQO,
com respectivas fontes de variao (FV), quadrados mdios (QM),
coeficiente de variao (CV) e eficincia mdia nos tratamentos da
primeira e segunda etapas em funo das variveis aleatrias. ... 133
Tabela 27 Valores mdios da concentrao e carga, afluente (Aflu.) e efluente
(Eflu.), eficincia (Efic.) da CG e carga mssica volumtrica (CMV)
de DBO total e filtrada na primeira e segunda etapas. ................ 134
Tabela 28 Valores mdios da concentrao e carga, afluente (Aflu.) e efluente
(Eflu.), eficincia (Efic.) da CG e carga mssica volumtrica (CMV)
de DQO total e filtrada na primeira e segunda etapas. ................ 137
Tabela 29 Anlise de varincia para a eficincia de remoo de NTK e P total
com respectivas fontes de variao (FV), quadrados mdios (QM),
coeficiente de variao (CV) e eficincia mdia nos tratamentos da
primeira e segunda etapas em funo das variveis aleatrias. ....... 141
Tabela 30 Valores mdios da concentrao e carga, afluente (Aflu.) e efluente
(Eflu.), eficincia (Efic.) da CG e carga mssica volumtrica (CMV)
de P total na primeira e segunda etapas. ...................................... 141
Tabela 31 Valores mdios da concentrao e carga, afluente (Aflu.) e efluente
(Eflu.), eficincia (Efic.) da CG e carga mssica volumtrica (CMV)
de NTK na primeira e segunda etapas ......................................... 144
Tabela 32 Anlise de varincia para a eficincia de remoo de detergente com
respectivas fontes de variao (FV), quadrados mdios (QM),
coeficiente de variao (CV) e eficincia mdia nos tratamentos da
primeira e segunda etapas em funo das variveis aleatrias. ... 147
Tabela 33 Valores mdios da concentrao e carga, afluente (Aflu.) e efluente
(Eflu.), eficincia (Efic.) da CG e carga mssica volumtrica (CMV)
de detergente na primeira e segunda etapas. ................................ 147
Tabela 34 Caractersticas de operao e resultados do 1 teste hidrodinmico
com gua limpa com o sistema de aerao desligado. ................ 150
Tabela 35 Resumo dos resultados dos ndices utilizados para complementao
da avaliao hidrodinmica da CG com interpretao dos resultados
do 1 teste com gua limpa com o sistema de aerao
desligado. ..................................................................................... 152
Tabela 36 Caractersticas de operao e resultados do 2 teste hidrodinmico
da simulao (A) e da condio real (B). .................................... 155
Tabela 37 Resumo dos resultados dos ndices utilizados para complementao
da avaliao hidrodinmica da CG com interpretao dos resultados
do 2 teste, simulao (A) e da condio real (B). ...................... 156
Tabela 38 Caractersticas de operao do 3 teste hidrodinmico com gua
residuria do RU e com o sistema de aerao desligado e resumo dos
resultados. .................................................................................... 162
Tabela 39 Resumo dos resultados dos ndices utilizados para complementao
da avaliao hidrodinmica da CG com interpretao dos resultados
do 3 teste com gua residuria do RU e com o sistema de aerao
desligado. ..................................................................................... 164
Tabela 40 Caractersticas de operao do 4 teste hidrodinmico com gua
residuria do RU e com o sistema de aerao em funcionamento e
resumo dos resultados. ................................................................ 168
Tabela 41 Resumo dos resultados dos ndices utilizados para complementao
da avaliao hidrodinmica da CG com interpretao dos resultados
do 4 teste com gua residuria do RU e com o sistema de aerao
em funcionamento. ...................................................................... 169
Tabela 42 Resultados das anlises dos parmetros teor de impurezas (TI) em
(%), teor de gua (TA) em (%), potencial hidrogrninioco (ph),
ndice de acidez (IA) em (mg de NaOH g-1de leo), ndice de iodo
(II2) em (g I2 100 g-1de leo), ndice de perxido (IP) em (meq kg
1), ndice de refrao em (% Brix) e ndice de saponificao (IS) em
(mg de KOH g-1de leo), avaliados para caracterizao dos O&G
nos tratamentos da primeira (flotao gravitacional) e segunda
etapas (flotao auxiliada por ar difuso). .................................... 175
Tabela 43 Anlise de varincia com as fontes de variao (FV); grau de
liberdade (GL); quadrados mdios (QM); probabilidade acima do F
calculado (Pr>Fc), coeficiente de variao (CV) para a varivel teor
de impureza. ................................................................................ 176
Tabela 44 Anlise de varincia com as fontes de variao (FV); grau de
liberdade (GL); quadrados mdios (QM); probabilidade acima do F
calculado (Pr>Fc), coeficiente de variao (CV) para a varivel teor
de gua. ........................................................................................ 177
Tabela 45 Anlise de varincia com as fontes de variao (FV); grau de
liberdade (GL); quadrados mdios (QM); probabilidade acima do F
calculado (Pr>Fc), coeficiente de variao (CV) para a varivel pH.
..................................................................................................... 179
Tabela 46 Anlise de varincia com as fontes de variao (FV); grau de
liberdade (GL); quadrados mdios (QM); probabilidade acima do F
calculado (Pr>Fc), coeficiente de variao (CV) para a varivel
ndice de acidez. .......................................................................... 180
Tabela 47 Anlise de varincia com as fontes de variao (FV); grau de
liberdade (GL); quadrados mdios (QM); probabilidade acima do F
calculado (Pr>Fc), coeficiente de variao (CV) para a varivel
ndice de iodo. ............................................................................. 182
Tabela 48 Anlise de varincia com as fontes de variao (FV); grau de
liberdade (GL); quadrados mdios (QM); probabilidade acima do F
calculado (Pr>Fc), coeficiente de variao (CV) para a varivel
ndice de perxido. ...................................................................... 184
Tabela 49 Anlise de varincia com as fontes de variao (FV); grau de
liberdade (GL); quadrados mdios (QM); probabilidade acima do F
calculado (Pr>Fc), coeficiente de variao (CV) para a varivel
ndice de refrao. ....................................................................... 185
Tabela 50 Anlise de varincia com as fontes de variao (FV); grau de
liberdade (GL); quadrados mdios (QM); probabilidade acima do F
calculado (Pr>Fc), coeficiente de variao (CV) para a varivel
ndice de saponificao. .............................................................. 186
LISTA DE ABREVIATURAS E SMBOLOS
A rea
AGCL cidos graxos de cadeia longa
AGL cidos graxos livres
ANP Agencia Nacional de Petrleo
AOCS American Oil Chemists Society
APHA American Public Health Association
ATP Adenosina trifosfato
C Concentrao
CaCO3 Carbonato de Clcio
CE Condutividade eltrica
CG Caixa de gordura
cis configurao de cido graxo que do latim significa aqum de
COPPE Instituto Alberto Luiz Coimbra de Ps-Graduao e Pesquisa de
Engenharia
COV Carga orgnica volumtrica
CRE Caixa Retentora de Escuma
C soluto Concentrao do soluto (mg L-1)
CV Coeficiente de variao
d Dia
d Nmero de disperso
D Coeficiente de disperso (m2. hora-1);
DBC Delineamento em blocos casualizados
DBO Demanda bioqumica de oxignio
DQO Demanda qumica de oxignio
dt Variao de tempo
DTR Distribuio do tempo de residncia
E Distribuio de idade de sada do fluido
ECP Estao climatolgica principal
EPDM Borracha de etileno-propileno-dieno
ETA Estao de Tratamento de gua
ETE Estao de Tratamento de Esgoto
f Fator de correo
FAD Flotao por ar dissolvido
FAI Flotao por ar induzido
FBS Filtro biolgico submerso
Fc Valor calculado da estatstica F de Fisher
F Estatstica F de Fisher
FV Fontes de variao
G-leo Laboratrio de Pesquisa em leos, Gorduras e Biodiesel
GL Grau de liberdade
h Hora
H+ ons de hidrognio
HCl Cloreto de hidrognio
HCO3- Bicarbonatos
H2SO4 cido sulfrico
IA ndice de acidez
I2 Iodo
II2 ndice de ido
IDM ndice de Disperso de Morrill
INMET Instituto Nacional de Meteorologia
IP ndice de perxido
IR ndice de refrao
IS ndice de saponificao
IVIG Instituto Virtual Internacional de Mudanas Globais
KCl Cloreto de potssio
K+ on de potssio
KOH Hidrxido de potssio
L Comprimento do percurso longitudinal na unidade tratamento
LAADEG Laboratrio de Anlise de gua do Departamento de Engenharia
LAS Sulfonato de alquilbenzeno linear
LiCl Cloreto de ltio
LME Laboratrio de Microscopia Eletrnica e Anlise Ultraestrutural
M Molaridade
MEV Microscopia Eletrnica de Varredura
min Minutos
minjetada Massa injetada
mK+ Massa de K+ (mg);
mrecuperada Massa recuperada
msoluto Massa do soluto (m)
n Nmero de refeies servidas.
N Nmero de clulas
NaCl Cloreto de sdio
NaOH Hidrxido de sdio
Na2S2O3 Tiossulfato de sdio
NH4+ Amnia ionizada (on amnio)
NTK Nitrognio total Kjeldhal
OD Oxignio dissolvido
O&G leos e graxas
P Fsforo
p Peso da amostra
ps Peso da amostra seca
pH Potencial hidrogeninico
Pr>Fc Probabilidade acima do F calculado
Q Vazo
QM Quadrados mdios
R2 Coeficiente de determinao
RAC Reator anaerbio compartimentado
RU Restaurante universitrio
SAS Statistical Analysis System
SD Slidos dissolvidos
SS Slidos suspensos
ST Slidos totais
STF Slidos totais fixos
STV Slidos totais volteis
t Tempo decorrido durante a anlise com traador
t Tempo mdio de residncia
TA Teor de gua
ct Tempo mdio de residncia do fluido no interior da unidade
Temp. Temperatura ambiente
Tmaxamb Temperatura mxima
Tempmaxcx Temperatura mxima dentro da caixa de gordura
Tempmedaf Temperatura mdia afluente caixa de gordura
Tempmedcx Temperatura mdia dentro da caixa de gordura
Tempminamb Temperatura mnima ambiente
Tempmincx Temperatura mnima dentro da caixa de gordura
Tempminef Temperatura mnima efluente caixa de gordura
TI Teor de impurezas
Trat*Card Interao tratamentos e cardpio
TRH Tempo de residncia hidrulica
TRHi Tempo de residncia hidrulica inicial
TRHpico Tempo de residncia hidrulica modal
TRHreal Tempo de residncia hidrulica real
TRHterico Tempo de residncia hidrulica terico
u Velocidade mdia de escoamento do fluido
UASB Upflow anaerobic sludge blanket (reator anaerbio de fluxo
ascendente e manta de lodo)
UFLA Universidade Federal de Lavras
UFRJ Universidade Federal do Rio de Janeiro
V Volume
VB Volume do branco
VA Volume da amostra
Vsolvente Volume do solvente (L)
Desvio padro
Varincia
2qs Varincia normalizada
Infinito
Eficincia volumtrica
Densidade
Tempo mdio normalizado de residncia do fluido
SUMRIO
1 INTRODUO .................................................................................... 30
2 REFERENCIAL TERICO ............................................................... 33
2.1 Caracterizao de leos e gorduras e impactos causados ao meio ambiente ..... 33
2.1.1 Impactos causados em unidades e sistemas de tratamento .............. 35
2.2 Unidades e processos para o tratamento de efluentes com teores de O&G ........ 39
2.2.1 Caixa de gordura .................................................................................. 40
2.2.2 Flotao via aerao ............................................................................. 43
2.3 Influncia da presena de detergentes na remoo de gordura ....... 45
2.4 Hidrodinmica das unidades e sistemas de tratamento .................... 47
2.4.1 O uso de traadores em ensaios hidrodinmicos ............................... 49
2.4.2 Distribuio do tempo de residncia em escoamento hidrodinmico ................... 52
2.4.3 Modelos para escoamento hidrodinmico no ideal ......................... 54
2.4.3.1 Modelo de disperso ........................................................................... 55
2.4.3.2 Modelo de clulas agitadas em srie .................................................. 57
2.4.4 Medidas de desempenho hidrulico das unidades de tratamento ... 59
2.5 leos e gorduras como fontes alternativas na produo de biodiesel ................... 61
2.5.1 Caracterizao fsico-qumica dos leos e gorduras ......................... 63
2.5.2 Tecnologias de produo de biodiesel ................................................. 67
3 MATERIAL E MTODOS ................................................................. 72
3.1 Unidade e caracterizao experimental ............................................. 72
3.2 Configurao da Caixa de Gordura (CG).......................................... 73
3.3 Caracterizao do afluente .................................................................. 78
3.4 Conduo do experimento e monitoramento da CG ......................... 79
3.5 Testes hidrodinmicos .......................................................................... 84
3.5.1 Testes hidrodinmicos com gua limpa .............................................. 87
3.5.1.1 Primeiro teste: CG com o sistema de aerao desligado ................. 88
3.5.1.2 Segundo teste: CG com sistema de aerao em funcionamento ..... 89
3.5.2 Testes hidrodinmicos com gua residuria do RU .......................... 89
3.5.2.1 Terceiro teste: CG com sistema de aerao desligado ..................... 90
3.5.2.2 Quarto teste: CG com sistema de aerao em funcionamento ........ 91
3.6 Avaliao da gordura para produo de biodiesel ............................ 91
3.7 Anlise estatstica ................................................................................. 96
4 RESULTADOS E DISCUSSO .......................................................... 99
4.1 Parmetros que afetaram o desempenho da caixa de gordura (CG) ................. 101
4.1.1 Vazo ................................................................................................... 101
4.1.2 Temperatura ambiente ...................................................................... 104
4.1.3 Temperatura da gua residuria ...................................................... 105
4.1.4 Potencial hidrogeninico pH .......................................................... 107
4.1.5 Alcalinidade Total .............................................................................. 108
4.1.6 Acidez total ......................................................................................... 108
4.1.7 Condutividade eltrica ....................................................................... 110
4.1.8 Oxignio dissolvido ............................................................................ 110
4.1.9 Determinao da concentrao de ST, STF e STV presentes no lodo ........... 114
4.2 Avaliao do desempenho da caixa de gordura (CG) .................... 121
4.2.1 Eficincia na remoo de O&G ......................................................... 121
4.2.2 Eficincia na remoo de slidos ....................................................... 126
4.2.3 Eficincia na remoo de matria orgnica ..................................... 132
4.2.4 Eficincia na remoo de fsforo e nitrognio ................................. 140
4.2.4.1 Fsforo total (P total) ........................................................................ 141
4.2.4.2 Nitrognio total Kjeldahl (NTK)...................................................... 144
4.2.5 Eficincia na remoo de detergente ................................................ 146
4.3 Hidrodinmica da caixa de gordura (CG) ....................................... 149
4.3.1 Testes hidrodinmicos com gua limpa ............................................ 149
4.3.1.1 Primeiro teste: CG com o sistema de aerao desligado ............... 150
4.3.1.2 Segundo teste: CG com sistema de aerao em funcionamento ... 155
4.3.2 Testes hidrodinmicos com gua residuria do RU ........................ 161
4.3.2.1 Terceiro teste: CG com sistema de aerao desligado ................... 161
4.3.2.2 Quarto teste: CG com sistema de aerao em funcionamento ...... 168
4.3.3 Comparao entre os testes hidrodinmicos .................................... 172
4.4 Qualidade dos leos e gorduras na produo de biodiesel ............. 173
4.4.1 Teor de impurezas (TI) ...................................................................... 176
4.4.2 Teor de gua (TA) ............................................................................... 177
4.4.3 Potencial hidrogeninico (pH)........................................................... 178
4.4.4 Densidade ............................................................................................ 179
4.4.5 ndice de acidez (IA) .......................................................................... 180
4.4.6 ndice de iodo (II2) ............................................................................. 182
4.4.7 ndice de perxido (IP) ...................................................................... 183
4.4.8 ndice de refrao (IR) ....................................................................... 185
4.4.9 ndice de saponificao (IS)............................................................... 186
5 CONCLUSES .................................................................................. 188
6 CONSIDERAES FINAIS E RECOMENDAES .................. 191
REFERNCIAS ................................................................................. 193
APNDICE I ...................................................................................... 213
30
1 INTRODUO
A crescente demanda por gua, a inviabilidade de seu uso in natura
somado s exigncias legais quanto ao seu descarte tm contribudo para o
desenvolvimento de novas tecnologias focadas no tratamento de efluentes.
Atualmente, tem se dado considervel ateno e apresenta-se como um
grande desafio, o tratamento de guas residurias ricas em gorduras, tais como as
provenientes de cozinhas e restaurantes, assim como das diversas indstrias de
alimentos.
A elevada demanda por produtos alimentcios tem requerido um aumento
significativo na produtividade das indstrias que trabalham nesse segmento. Em
pases em que os hbitos alimentares resultam em uma grande quantidade de leos
e gorduras, torna-se cada vez mais difcil cumprir os requisitos legais de descarte
(CAMMAROTA; FREIRE, 2006).
Os leos e gorduras, especialmente os emulsionados, com pequena
solubilidade e alta resistncia degradao, so muito estveis, e talvez sejam os
constituintes mais complexos em termos de tratamento. Esses compostos, quando
presentes no ambinte, podem causar diversos problemas, tais como:
impermeabilizam e contaminam o solo; se acumulam em superfcies aquticas
formando filmes que impedem a difuso de oxignio do ar no meio lquido;
provocam inibio da vida aqutica nesses ecossistemas; e, alm disso, podem
prejudicar o tratamento biolgico quando presente no afluente das estaes de
tratamento de efluentes (ETEs).
Pela consistncia, o tratamento por meios convencionais no simples
(BECKER et al., 1999; SOUZA, 2006). Nesse contexto, os processos por flotao
convencional (gravitacional) em caixa de gordura, assim como os por flotao por
ar nas unidades de fotao, vm ganhando fundamental importncia como
31
alternativa para o tratamento de guas residurias provenientes de cozinhas e
restaurantes.
O processso de flotao por ar dissolvido, em relao ao processo
convencional (sem aerao) apresenta algumas vantagens: agitao, mistura e
equalizao dos resduos; auxilia na flotao; melhora a qualidade do tratamento
e, consequentemente, a eficincia do processo; diminui as dimenses das unidades
de tratamento; minimiza a sedimentao do lodo, assim como o volume de lodo
produzido, e diminui a produo de maus odores devido a no liberao de gs
sulfdrico.
As caixas de gordura so unidades de tratamento preliminar e funcionam
retendo partculas menos densas que as do meio para posterior remoo. Operam
de maneira eficiente, evitam uma srie de problemas causados por esses poluentes
em sistemas de rede e tratamento de esgoto e, consequentemente, melhoram a
tratabilidade afluente.
Entretanto, o destino ou condicionamento do resduo proveniente das
caixas de gordura merece especial ateno, visto que se pode utiliz-lo como
matria-prima para processos industriais. O aproveitamento desse passivo
ambiental, que na maioria das vezes, disposto inadequadamente no meio
ambiente, vem ganhando grande interesse para produo de biodiesel. Alguns
pesquisadores passaram a estudar o assunto, j que so possuidores de um elevado
potencial de energia (BARROS; WUST; MEIER, 2008; CHAKRABARTI et al.,
2008; OLIVEIRA, 2012; PEDROSO et al., 2012; WILTSEE, 1998; WUST,
2004).
O uso desse resduo torna-se uma opo sustentvel, com melhor
destinao final, alm de economicamente vivel por reduzir custos de produo,
pela utilizao de matria-prima menos dispendiosa e, alm disso, se mostra como
um potencial promissor no abastecimento da matriz energtica brasileira.
32
Nesse contexto, o objetivo geral com o experimento constitudo por uma
caixa de gordura (CG) em escala real foi avaliar o desempenho da unidade no
tratamento da gua residuria proveniente da cozinha industrial do restaurante
universitrio (RU) da Universidade Federal de Lavras (UFLA), bem como obter
e comparar as caractersticas hidrodinmicas em duas condies operacionais: (1)
convencional por flotao gravitacional (Primeira etapa) e (2) flotao auxiliada
por difusores de ar, acionados por soprador (Segunda etapa). Os objetivos
especficos foram:
avaliar o desempenho da CG em relao eficincia de remoo de
matria orgnica, nutrientes e dos compostos orgnicos hidrofbicos por meio da
anlise das concentraes de leos e graxas (O&G), demanda bioqumica de
oxignio (DBO), demanda qumica de oxignio (DQO), slidos totais (ST),
slidos totais fixos (STF), slidos totais volteis (STV), slidos suspensos (SS),
slidos dissolvidos (SD), nitrognio total Kjeldahl (NTK), fsforo total (P total) e
detergente no afluente e efluente;
determinar e comparar o padro de escoamento (pistonado, mistura
completa ou dispersivo); o tempo de residncia hidrulica real (TRHreal); a
existncia de anomalias, como zonas mortas e curtos-circuitos; e, a disperso das
partculas;
caracterizar e quantificar os resduos de leos e gorduras a fim de
comprovar a viabilidade do seu emprego na obteno de biodiesel;
conhecer o potencial de produo, e ainda, identificar o processo mais
eficaz no aproveitamento dos resduos de leos e gorduras na transformao de
biodiesel.
33
2 REFERENCIAL TERICO
2.1 Caracterizao de leos e gorduras e impactos causados ao meio ambiente
Os leos se apresentam no estado lquido e as gorduras em estado slido
temperatura ambiente. Os leos vegetais so ricos em cidos graxos insaturados
com duplas ou triplas ligaes de carbono-carbono, enquanto as gorduras animais
possuem maior contedo de cidos graxos saturados com apenas ligaes simples
de carbono-carbono, o que ocasiona seu estado slido (GNIPPER, 2008; GOMES,
M. M. R., 2009; SEMIONATO, 2006; VEIGA, 2003).
Os leos e gorduras tm como caracterstica a apolaridade. So altamente
solveis em solventes orgnicos, como o hexano, sendo apenas levemente
solveis em gua, o que os torna de degradao difcil. So identificados
analiticamente por meio do parmetro de qualidade intitulado leos e graxas
(O&G), em que o termo graxa inclui tambm as ceras e outros componentes
encontrados em guas residurias (HAMMER, 1979; NUVOLARI, 2003;
SEMIONATO, 2006).
Alm dos restaurantes em geral, os leos e gorduras possuem as mais
diversas origens: indstrias de sorvetes, leos comestveis e enlatados, indstrias
de bebidas (refrigerantes e cervejas), pescado, abatedouros de aves, de bovinos
e/ou, sunos, laticnios e ainda, curtumes, processamento de cosmticos. Porm,
as indstrias alimentcias so as que mais contribuem com significativa carga de
O&G (MENDES et al., 2005; VEIGA, 2003).
Notadamente, em cozinhas e restaurantes, a gerao dos resduos
gordurosos ocorre em fases distintas: na preparao de alimentos, pela lavagem e
desinfeco de equipamentos e utenslios de cozinha, pisos, quebra de embalagens
e lubrificao de equipamentos somam-se aos restos de alimentos segregados; na
limpeza, se inclui a remoo de resduos orgnicos e minerais aderidos s
34
superfcies; e, na sanitizao, pela aplicao de solues alcalinas e agentes cidos
para remover resduos gordurosos e proteicos das superfcies e incrustaes
minerais (RIGO, 2004; RIGO et al., 2008; VEIGA, 2003).
As guas residurias oriundas dos estabelecimentos supracitados, por
apresentarem na composio significantes nveis de gorduras, protenas ou
particulados, so consideradas complexas (BATSTONE et al., 2000). Quando
descartadas sem tratamento nas redes de esgoto, contribuem para o aumento da
carga orgnica lanada no ambiente. Consequentemente so as principais
responsveis por alteraes dos parmetros de controle ambiental como: pH,
slidos totais, DBO e DQO (DORS, 2006). Em abatedouro de aves os lipdeos
so responsveis por mais de 67% da DQO efluente (DAMASCENO;
CAMMAROTA; FREIRE, 2012).
Os compostos gordurosos, se dispostos de forma inadequada,
impermeabilizam e contaminam os solos, podendo causar grandes danos fauna
e flora. Em corpos hdricos podem se acumular nas suas superfcies, formando um
filme sobrenadante que impede a difuso de oxignio do ar para esse meio e ao
mesmo tempo prejudica a iluminao natural. Assim, a base da cadeia alimentar
fica comprometida e causa mortandade da vida aqutica. Em processos de
decomposio, reduzem o oxignio dissolvido, pelo elevado valor de DBO e
DQO, produzindo maus odores e aspectos desagradveis (JORDO; PESSOA,
2005; MENDES et al., 2005; ROSA, 2008; ROSA et al., 2009; VEIGA, 2003).
O descarte de O&G em guas residurias na forma livre, dispersa ou
emulsificada, juntamente com os slidos em suspenso, s permitido depois que
removidos (SCHULZ, 2005). So altamente fermentveis e representam uma
fonte principal da poluio, j que 1 kg dos mesmos representa aproximadamente
2,4 a 2,8 kg da DQO (CHIABAI; REBOUAS; GONALVES, 2005). Em
indstrias e estabelecimentos alimentcios, sua concentrao pode variar dentro
de amplos limites (MENDES et al., 2005). Porm, na legislao brasileira, as
35
condies e padres para lanamento direto de efluentes em corpo receptor, de
qualquer fonte poluidora, so limitados em at 20 e 50 mg L-1 para leos minerais
e para leos vegetais e gorduras animais, respectivamente, e para o lanamento
direto quando provenientes de Sistemas de Tratamento de Esgotos Sanitrios em
at 100 mg L-1. Em ambos os casos, os materiais flutuantes devero estar ausentes
(BRASIL, 2005, 2011). Todavia, acredita-se que a concentrao limite dessas
substncias, despejadas em cursos- dgua, deva ficar na faixa de 15 e 20 mg L-1
(JORDO; PESSOA, 2005). Em unidades de tratamento biolgico,
concentraes acima de 150 mg L-1 podem prejudicar o desempenho do processo,
levando a colmatao de filtros em reatores anaerbios e aerbios, alm da
inibio do metabolismo microbiano (DURLI, 2007; SPEECE, 1996).
Alguns pesquisadores restringem ainda mais esse limite, sendo que a
partir de 65 mg L-1 seriam suficientes para ocasionar problemas digesto
anaerbia, acarretando acmulo de escumas nos digestores e inviabilizando o uso
do lodo na prtica da fertilizao (GUIMARES et al., 2002; ORSSATO;
HERMES; VILAS BOAS, 2010); e, acima de 20 mg L-1 acreditam que podem
causar a morte dos micro-organismos responsveis pelo tratamento, pois
costumam envolver os flocos biolgicos, ocasionando a morte das clulas
bacterianas por asfixia (NUVOLARI, 2003).
2.1.1 Impactos causados em unidades e sistemas de tratamento
As guas residurias ricas em O&G trazem graves consequncias,
especialmente em processos mesoflicos convencionais. Por ser tratar de
compostos muito estveis, a decomposio por bactrias em geral difcil
(CAMMAROTA; FREIRE, 2006; CHIABAI; REBOUAS; GONALVES,
2005; ORSSATO; HERMES; VILAS BOAS, 2010; ROSA, 2008; SEMIONATO,
2006; ROSA, 2008; ORSSATO et al., 2010). Assim, a reduo desses compostos
36
em unidades e sistemas de tratamento de fundamental importncia, para no
sobrecarreg-las (DURLI, 2007).
Os O&G em guas residurias de cozinhas e restaurantes, quando
descartados em elevadas temperaturas, devido aos processos de lavagem e
desinfeco, ao percorrerem as tubulaes perdem calor e se solidificam se
aglomerando nesses dutos. Como consequncia diminuem suas sees teis
causando vrios problemas de manuteno (JORDO; PESSOA, 2005;
SEMIONATO, 2006; VEIGA, 2003). Quando acima de 40C provocam a
destruio da microbiota presente nas unidades e sistemas de tratamento (VEIGA,
2003).
A escuma, considerada matria graxa e slidos em mistura com gases,
que flutuam no lquido em tratamento (ASSOCIAO BRASILEIRA DE
NORMAS TCNICAS - ABNT, 1993) uma camada grossa composta de
materiais flutuantes, principalmente de gordura (CHERNICHARO, 2007). Sua
espessura depende mais da composio do substrato do que das alteraes na
biomassa e desempenho do reator (LAUBSCHER et al., 2001). A escuma gerada
durante o tratamento de guas residurias constituda de materiais flotveis, de
baixa solubilidade, baixo coeficiente de biodegradabilidade e elevada carga
orgnica. A escuma produzida medida que a camada formada excede a
decomposio, em um determinado tempo de referncia (JORDO; PESSOA,
2005; SEMIONATO, 2006). A elevada concentrao de micro-organismos
filamentosos tambm participa da sua formao, alm do lodo granular e
substncias mortas (LAUBSCHER et al., 2001; SOUZA, 2006).
Gorduras, leos, ceras, sabes, restos de comida, cascas de frutas e
vegetais, cabelos, papel e algodo, pontas de cigarros, materiais plsticos e
materiais similares que apresentam massa especfica menor que 1,0 g cm-3 e
usualmente perto de 0,95 g cm-3 tambm podem fazer parte da escuma
(METCALF & EDDY INC, 2003). Porm, os lipdeos so considerados os
37
causadores de ocorrncias, potencialmente graves devido ao seu baixo peso
especfico (ZEEMAN; SANDERS, 2001).
Resumidamente, a constituio e formao da escuma depende
fundamentalmente das caractersticas do esgoto bruto (SOUZA et al., 2005).
Quando acumulada em grande quantidade necessrio sua remoo fsica
imediata (LAUBSCHER et al., 2001), pois provoca a diminuio do volume til
de unidades e sistemas de tratamento de efluentes comprometendo o seu
funcionamento e os subsequentes (CHERNICHARO, 2007).
Assim, os O&G causam vrias interferncias na eficincia do tratamento,
com gerao de compostos intermedirios durante sua biodegradao, produo e
acmulo de escuma; flotao e lavagem do lodo; diminuio da carga ativa
(biomassa); toxicidade e efeitos inibitrios aos micro-organismos. Esses
problemas sero relacionados na sequncia, separadamente dentro do processo
anaerbio e o aerbio.
Em anaerobiose a escuma pode se acumular em intensidade caso no haja
uma mistura satisfatria e escapar no efluente final prejudicando sua qualidade
(SOUZA, 2006). Quando desprendida pode atingir os dispositivos de coleta de
efluente com possveis entupimentos das tubulaes de sada. A falta de controle
na sua formao, mesmo em taxas muito baixas, pode causar efeitos danosos sobre
a produo de gases (RAMAN; RANGA RAO; KISHORE, 1989).
Em relao aos problemas envolvendo o lodo, a biomassa ativa pode vir
a se incorporar na zona de digesto por flotao. No momento em que os gases
so formados com a velocidade de subida mais intensa, devido aos escoamentos
ascensionais das correntes biolgicas ou correntes hidrulicas, pode ser arrastada
para fora no efluente (HALALSHEH et al., 2005; HWU; VAN LIER;
LETTINGA, 1998; SOUZA, 2006). Essas perdas podem ocasionar reduo na
eficincia de tratamento (ROSA, 2008; VALENTE, 2010).
38
Em trabalho utilizando reator UASB, tratando gua residuria de
abatedouros de bovinos e sunos com elevados nveis de O&G (452 a 957 mg L-
1) foi observado que grnulos de lodo e blocos de biomassa tenderam a flotar
formando uma camada superficial de escuma e foram varridos para fora. Isso foi
associado inibio das bactrias metanognicas e acetognicas devido
toxicidade aguda aos cidos graxos de cadeia longa (AGCL) e adsoro
excessiva de O&G. Ambos formam uma camada hidrofbica ocasionando,
provavelmente, perda de densidade do lodo, reduo da difuso do substrato nos
grnulos e baixa acumulao de biogs. Esses efeitos so capazes de causar
problemas hidrulicos e incompleta mistura de substrato e biomassa, reduzindo
assim a produo de biogs e a taxa de converso de DQO (MIRANDA;
HENRIQUES; MONTEGGIA, 2005).
Especificamente em relao aos AGCL, produtos intermedirios gerados
na degradao de O&G, quando em maiores concentraes provocam decrscimo
da concentrao das molculas de adenosina trifosfato (ATP), utilizada como
fonte de energia pelas clulas microbianas. A atividade metanognica fica inibida
e por consequncia ocorre reduo na formao de gs metano (CAMMAROTA;
FREIRE, 2006; MENDES et al., 2005).
Nesse contexto substncias oleosas, assim como os AGCL formados,
adsorvidos na superfcie do lodo podem prejudicar a formao de gases, e o
decrscimo desses. Dentre outras consequncias provocam: limitao do
transporte dos substratos solveis biomassa, levando queda da taxa de
converso de poluentes e o seu arraste para fora do biorreator; reduo da
velocidade de transferncia de oxignio para as clulas do consrcio microbiano,
restringindo as atividades hidrolticas (CAMMAROTA; FREIRE, 2006; DORS,
2006; DURLI, 2007; HATAMOTO et al., 2007; JEGANATHAN; NAKHLA;
BASSI, 2006; OMIL et al., 2003; ROSA, 2008; RIGO, 2004; RIGO et al., 2008;
VALENTE, 2010; VIDAL et al., 2000).
39
No entanto, com maior tempo de residncia hidrulica (TRH) pode haver
menor flotao do lodo j que a adsoro excessiva dos AGCL diminuda e so
mais bem biodegradados. Nesses termos, h melhor remoo de lipdeos e menor
produo de escuma (HALALSHEH et al., 2005; HWU; VAN LIER;
LETTINGA, 1998).
Em processo de tratamento aerbio a presena de O&G contribui com
30% a 40% da matria orgnica presente nos efluentes e interfere negativamente
em alguns aspectos, tais como: flotao da biomassa; aumento do tempo de
residncia hidrulica; reduo da capacidade de aeradores; desempenho das
bombas; e, ainda aumenta a demanda por produtos floculantes. Igualmente
estimulam o crescimento excessivo de micro-organismos filamentosos que, com
caractersticas fsicas ruins, intensificam a formao de escuma na superfcie da
unidade de aerao, impedindo a floculao e interferindo na sedimentao e
compactao do lodo biolgico. A escuma e o lodo quando presentes no efluente
do sistema de tratamento causam progressiva perda de eficincia de remoo da
matria orgnica (BECKER et al., 1999; CAMMAROTA; FREIRE, 2006;
MENDES et al., 2005; ROSA, 2008; TSANG; SIN; CHUA, 2008; YANG;
CHEN; CHEN, 2012).
2.2 Unidades e processos para o tratamento de efluentes com teores de O&G
Os O&G no podem ser facilmente decompostos biologicamente nem
simplesmente tratados por processos biolgicos convencionais. Por esse motivo
se torna fundamental o pr-tratamento para melhorar a tratabilidade afluente
(BECKER et al., 1999; YANG; CHEN; CHEN, 2012). Essa etapa previne uma
40
srie de problemas que, consequentemente, reduziriam a eficincia do tratamento
secundrio das estaes de tratamento (CAMMAROTA; FREIRE, 2006).
2.2.1 Caixa de gordura
A caixa de gordura definida pela ABNT (1999) como uma unidade
destinada a reter, na sua parte superior, camadas de gorduras, graxas e leos
contidos nas guas residurias. E devem ser removidas periodicamente, evitando
que escoem livremente pela rede causando sua obstruo. A sua instalao
obrigatria em todos os estabelecimentos que gerem efluentes que possam conter
leos e gorduras (VEIGA, 2003).
Em cozinhas e restaurantes, Veiga (2003) salienta ainda que a deficincia
na segregao de restos alimentares, assim como a utilizao atual de trituradores
de alimentos em pias, contribui para a reduo do tempo de residncia do efluente
em tratamento. Como consequncia direta, h o aumento da carga orgnica
lanada nas estaes de tratamento biolgico e/ou nas redes de esgotos e da a
necessidade da caixa de gordura (JORDO; PESSOA, 2005; SEMIONATO,
2006; SEMIONATO et. al., 2005).
Assim, as caixas de gordura, alm de controle peridico em termos de
manuteno, devem apresentar algumas caractersticas fsicas, tais como: boas
condies de ventilao; vedao adequada para evitar a penetrao de insetos,
pequenos animais, gua de lavagem de pisos ou de guas pluviais; capacidade de
acumulao da gordura entre cada operao de limpeza; dispositivos de entrada e
de sada convenientemente projetados possibilitando o escoamento normal do
afluente e efluente; distncias mnimas respeitadas, inclusive altura entre a entrada
e a sada suficiente para reter a gordura; e, condies de tranquilidade para
permitir a flutuao do material (ABNT, 1999; JORDO; PESSOA, 2005). Para
Borges (2009) significativa esta ltima condio, sendo a caixa de gordura do
41
tipo convencional a mais utilizada e mais simples de ser construda. Entretanto,
de acordo com a ABNT (1999), para escolas, hospitais, quartis, e tambm
cozinhas de restaurantes, elas devem ser especiais, assim como se faz essencial
um tratamento complementar quando h grande concentrao de O&G no esgoto.
Sendo assim, destaca-se a importncia da flotao (BORGES, 2009).
Na caixa de gordura, o efluente sob condies de escoamento laminar
(tranquilidade hidrulica) permite que as partculas de gordura e leo subam para
a superfcie e aproximem da extremidade de sada. Opera com base na diferena
entre a densidade da fase dispersa (substncia a ser eliminada) e contnua (meio
lquido). Quando a primeira menor a substncia flota naturalmente
(CAMMAROTA, 2011; CAMMAROTA; FREIRE, 2006).
Tais unidades, condicionadas s leis gravitacionais que regem os
fenmenos de sedimentao de slidos, em sentido equivalente, porm inverso
funcionam por flotao (IMHOFF, 1998; JORDO; PESSOA, 2005;
SEMIONATO, 2006). A principal diferena que nesse processo pequenas ou
finas partculas podem ser removidas completamente, por flotao, em menor
espao de tempo (METCALF & EDDY, INC, 2003).
O processo de flotao envolve trs fases: lquida, slida e gasosa. A
flotao ocorre devido ao desprendimento de pequenas bolhas de gs, produzidas
na digesto anaerbia (BORGES, 2009) ou pela induo de ar em processos
aerbios. As partculas slidas ou lquidas (suspensas ou materiais graxos ou
oleosos) so separadas da fase lquida pela combinao das bolhas, resultando
num agregado maior e mais leve, que ascende e flutua na superfcie (IMHOFF,
1998; JORDO; PESSOA, 2005; METCALF & EDDY, INC, 2003).
A condio hidrodinmica mais favorvel flotao est condicionada ao
ambiente, no momento em que propicia a coleta da partcula que foi seletivamente
hidrofobizada pela bolha. Num determinado perodo, trs eventos sequenciais
devem ocorrer: (1) coliso das partculas suspensas com bolhas de ar (2) adeso
42
das partculas s bolhas de ar, formando agregados estveis; (3) e, estabilizao,
em que o agregado formado (partcula-bolha) flutuar. Caso um dos eventos no
ocorra, o desempenho do processo ser retardado e a partcula no flotar
(RODRIGUES, 2010; RODRIGUES; LEAL, 2012).
Resumidamente, as bolhas ou microbolhas formadas ou inseridas no
lquido colidem e aderem aos flocos previamente formados, aumentando o seu
empuxo e provocando o seu deslocamento em direo superfcie em que
formada uma camada sobrenadante de material flotado (JORDO; PESSOA,
2005; PIOLTINE; REALI, 2011). Alm do escoamento vertical ascendente h,
coincidentemente, outro tipo de escoamento, o horizontal, o qual arrasta as
partculas para a sada, acompanhando o escoamento lquido. Ao penetrar na caixa
de gordura a velocidade horizontal do lquido diminuda devido ao instantneo
aumento da rea transversal. Igualmente, a gotcula de leo lentamente arrastada
e tambm impelida para cima por uma fora ascensional (GNIPPER, 2008).
Por flotao convencional (gravitacional), a caixa de gordura permite a
dissociao de parte das gorduras, leos e graxas presentes no meio lquido
quando tais substncias apresentarem densidades inferiores. Entretanto, remove
prioritariamente a frao livre e dispersa em gua (partculas grandes que flotam
rapidamente superfcie), ou seja, j estratificado da gua. medida que o
tamanho das gotas diminui essa tcnica no mais apropriada (MENDES et al.,
2005; SCHULZ, 2005; ZAWADZKI, 2011). Para emulsificados e dissolvidos, o
processo estimulado por injeo de ar no lquido pode ser mais eficiente.
Partculas mais densas tambm podem ser removidas, pois as bolhas de ar ajudam
na formao de agregados menos densos que o meio circundante, provocando um
deslocamento mais acentuado (BORGES, 2009; JORDO; PESSOA, 2005;
METCALF & EDDY, INC, 2003).
43
2.2.2 Flotao via aerao
As unidades de flotao via aerao, normalmente utilizadas em pases
mais desenvolvidos, tm como finalidade minimizar a quantidade de O&G que
adentram ao sistema de tratamento de esgoto e so alocadas antes do tratamento
biolgico nas ETE(s). Algumas podem ser ainda mais sofisticadas, com uso de
presso e descompresso sobre o lquido e o ar, capazes de melhorar a flotao
significantemente (METCALF & EDDY, INC, 2003), sendo fundamentais em
agroindstrias, como por exemplo, no caso de laticnios e outras que processam
efluentes ricos em leos e gorduras.
A flotao via aerao tem-se apresentado promissora como pr-
tratamento de efluentes contendo O&G (PALMEIRA et al., 2009; RUBIO;
SOUZA; SMITH, 2002). Porm, a opo adotada vai depender das caractersticas
da gua residuria, da qualidade requerida para o efluente, do custo e facilidade
de operao, disponibilidade de rea a ser utilizada (ROSA, 2002; RUBIO;
SOUZA; SMITH, 2002).
Existem diversos processos de flotao auxiliados por ar com diferentes
maneiras de gerar bolhas dentre as quais esto: flotao por ar induzido (FAI) ou
disperso; flotao por ar dissolvido (FAD); flotao via bocais; eletroflotao; e,
flotao por cavitao.
Os processos usuais de ar ejetado so por ar disperso ou induzido; e o por
via ar dissolvido, pressurizado ou a vcuo (RUBIO; SOUZA; SMITH, 2002).
Diferenciam-se pelo mecanismo de gerao de bolhas de ar (METCALF &
EDDY, INC, 2003).
As caractersticas referentes primeira opo na modalidade por ar
difuso, a entrada das bolhas introduzindo ar ou oxignio no lquido, se faz por
ejetores ou difusores submersos ao longo e prximos ao fundo do volume a ser
tratado. Os difusores de membrana recebem o ar e inflamam-se permitindo o
44
alargamento de minsculas aberturas para a sada do ar que transferido ao meio
lquido medida que a bolha se eleva superfcie. O sistema de tubulaes
distribuidoras e de transporte de ar, mais os sopradores, tambm so componentes
da instalao (CAMMAROTA, 2011; METCALF & EDDY, INC, 2003;
SPERLING, 1996).
J o princpio da FAD difere do FAI somente pela forma de obteno do
sistema partcula-bolha que consiste na saturao de ar solvel no lquido por
meio do aumento de presso. O ar previamente dissolvido no efluente bruto ou
numa corrente recirculada, numa cmara de presso, por meio de uma presso de
vrias atmosferas, seguido pela liberao da presso ao nvel atmosfrico. Com a
reduo da presso, o ar que se encontrava dissolvido, tende a desprender do
lquido, formando microbolhas com grande rea interfacial para coleta das
partculas em suspenso (gotculas de leo) (CAMMAROTA, 2011; METCALF
& EDDY, INC, 2003). A gua supersaturada com ar forada atravs de um
orifcio e na sua descompresso forma nuvens de microbolhas com dimetros
entre 30 e 100 m (VILAR, 2009; WAELKENS, 2010). Tambm pode ser
conduzido a vcuo, ocorrendo primeiro a saturao do efluente por ar. Aps, o
efluente conduzido a um tanque sob vcuo parcial, o que faz com que o ar
dissolvido no efluente seja instantaneamente liberado sob a forma de microbolhas.
No processo via bocais, um bocal utilizado para aspirar o gs para dentro
do tanque de flotao de uma forma similar s mquinas de flotao via ar
dissolvido. As bolhas possuem um dimetro entre 400 e 800 m.
Na eletroflotao, as microbolhas so geradas por eletrlise de solues
aquosas com a produo de gs nos dois eletrodos. Aplica-se no tratamento de
remoo em sistemas coloidais leves, como exemplo, emulsificao de leo em
gua, ons, pigmentos, tintas e fibras (VILAR, 2009).
A flotao por cavitao funciona por meio de um aerador que extrai ar
do ambiente e injeta microbolhas diretamente na gua residuria. Esse tipo de
45
flotao utilizado em indstrias alimentcias, especialmente na indstria de
laticnios, tintas e em curtumes, para remover slidos suspensos, gorduras, leos
e graxas (VILAR, 2009).
A eficincia do processo de flotao pode ser melhorada com aumento da
vazo de ar, que contribui com a maior agitao e turbulncia do sistema,
resultando no s na maior quantidade de bolhas disponveis, como tambm na
reduo do dimetro das bolhas com consequente aumento da rea superficial
disponvel para transferncia de ar (VILAR, 2009; WAELKENS, 2010). Porm,
de modo inverso, um sistema muito turbulento pode prejudicar o processo,
principalmente quando a partcula no apresenta uma boa caracterstica de
hidrofobicidade. Assim, altas taxas de aerao devem ser evitadas para prevenir a
destruio de agregados frgeis (VILAR, 2009).
O regime hidrulico predominante no recipiente tambm tem grande
influncia na transferncia de ar e consequentemente na taxa de transferncia
(SPERLING, 1996). Alm disso, outros fatores devem ser considerados no
projeto de unidades de flotao, como concentrao do material particulado,
velocidade de ascenso das partculas e a taxa de alimentao de slidos
(CAMMAROTA, 2011).
Inmeros fatores afetam a eficincia do processo de flotao, dentre os
principais esto: coliso, aderncia e reteno entre as partculas e as bolhas de
gs. Entretanto, a aerao deve ser compatvel com as caractersticas do efluente
que est sendo tratado, tanto em termos da quantidade de ar quanto em tamanho
das bolhas (SCHULZ, 2005).
2.3 Influncia da presena de detergentes na remoo de gordura
Reconhecidos como agentes ativos de superfcie, os detergentes esto
presentes em gua residuria industrial e esgoto domstico (DELFORNO, 2011).
46
Possuem propriedades que alteram a tenso interfacial quando dissolvidos em um
solvente (HENRIQUE, 2008). Como outros produtos de limpeza contm uma
participao potencial de tensoativos aninicos nas suas formulaes, como os
conhecidos sulfonatos de alquilbenzeno linear (LAS). Estes, quando adsorvidos
sobre o particulado e material orgnico do lodo so removidos como o lodo
primrio (GANIDI; TYRREL; CARTMELL, 2009; JENSEN, 1999).
Os detergentes, mesmo que biodegradveis, quando em excesso, podem
causar vrios problemas: prejudicam a eficincia de separao dos O&G da gua
formando gotculas de menor tamanho, com menor velocidade ascensional
(MENDES et al., 2005); os emulsificados podem ser carreados no efluente sem
ser tratado (CHAN, 2010; GANIDI; TYRREL; CARTMELL, 2009; JENSEN,
1999); modificam as caractersticas de sedimentao dos slidos em suspenso
(CHAN, 2010; LIMA, 2008); dependendo da frao adsorvida e do tempo de
exposio dos micro-organismos, podem inibir os processos de tratamento
biolgico, pois ao aumentar a permeabilidade celular eliminam os constituintes
essenciais das clulas (CAMMAROTA, 2011; JENSEN, 1999; LEITO et al.,
2006; MSCHE; MEYER, 2002); na interface ar-gua afeta a troca gasosa entre
meios e pode tambm gerar espuma abundante (CAMMAROTA, 2011). Uma das
formas de remoo dessas sustncias so os processos fsico-qumicos, porm a
degradao microbiana a principal via de eliminao. Entretanto, em relao aos
detergentes sintticos, nenhum organismo vivo possui necessariamente uma carga
enzimtica capaz de decomp-los (VEIGA, 2003).
A remoo aerbia considerada, por vrios pesquisadores, como a que
mais facilmente degrada os detergentes, ou por oxidao, ou adsoro no lodo e
nos slidos suspensos. Em processos anaerbios, a degradao bastante
limitada, podendo ocorrer somente em determinadas condies, ou seja, com a
limitao de enxofre, temperaturas termoflicas e, por meio de um consrcio de
bactrias especficas (DUARTE et al., 2010; GANIDI; TYRREL; CARTMELL,
47
2009; LEITO et al., 2006; MSCHE; MEYER, 2002; SCOTT; JONES, 2000).
Todavia, estudos tm sido realizados em reatores anaerbios considerando a
degradao satisfatria (DELFORNO, 2011), podendo melhorar a
biodegradabilidade com reduo de DBO5 total e solvel e minorar o problema
de gerao de resduos slidos (CAMMAROTA; FREIRE, 2006; DAMASCENO;
CAMMAROTA; FREIRE, 2012).
Cabe destacar que os padres para lanamento de efluentes lquidos, de
forma direta ou indireta, nos cursos-d'gua do estado de Minas Gerais contendo
substancias tensoativas que reagem com azul de metileno de 2 mg L-1 de LAS,
exceto para sistemas pblicos de tratamento de esgotos sanitrios (CONSELHO
ESTADUAL DE POLTICA AMBIENTAL - COPAM/ CONSELHO
ESTADUAL DE RECURSOS HDRICOS DE MINAS GERAIS - CERH-MG,
2008).
2.4 Hidrodinmica das unidades e sistemas de tratamento
Estudos hidrodinmicos so essenciais para avaliar o potencial de
desempenho, e assim, garantir a melhoria dos processos e deteco de problemas
em unidades ou sistemas de tratamento de gua residuria. Em projetos permitem
definir se os critrios adotados no dimensionamento so de fato adequados e se
cumprem na realidade (FERREIRA, 2012).
Dentre as caractersticas hidrodinmicas esto o transporte hidrulico de
materiais e a velocidade das reaes ocorrentes internamente no volume de
tratamento durante a permanncia da gua residuria. Esses so responsveis
pelas mudanas na composio e concentrao de compostos. Entretanto, a
maneira e a eficincia com que tais mudanas acontecem so em funo do tipo
de escoamento e do padro de mistura (SPERLING, 1996).
48
O tipo de escoamento pode admitir como condies: a aplicao
intermitente (batelada) ou contnua; e o padro de mistura se caracteriza por meio
de dois modelos de escoamento ideais conhecidos como, pistonado e mistura
completa. Esses servem para configurar os extremos de uma ampla faixa, dentro
da qual, na prtica, as unidades reais de tratamento de gua residuria se
enquadram (LOURENO, 2006; LOURENO; CAMPOS, 2009).
Na prtica, os escoamentos reais (no ideais) geralmente se comportam
de maneira diferente desses dois modelos idealizados de escoamento, pois
apresentam desvios, devido disperso de partculas e fenmenos atpicos
(anomalias) de escoamento, ocorrentes dentro do volume de tratamento e
decorrentes de uma mistura ruim (CARVALHO et al., 2008).
O curto-circuito hidrulico resultante da estratificao das partculas do
fluido e ocorre quando essas escoam sem percorrer todo o volume da unidade de
tratamento, podendo indicar deficincia de projeto. Como consequncia o tempo
de residncia real diminuido. J a zona morta ou regio estagnada se relaciona
s caractersticas fsicas da unidade, com ocorrncia em cantos, abaixo de
vertedores e no lado interno de curvas. Equivale a regies isoladas ou inacessveis,
em que o fluido fica aprisionado sem interagir com as regies ativas. Ambos os
fenmenos contribuem com a reduo do tempo de residncia efetivo
(GUTIERREZ, 2008; LEVENSPIEL, 2000; SASSAKI, 2005; SPERLING,
1996).
O caminho preferencial, anomalia de escoamento que pode causar curtos-
circuitos hidrulicos d-se quando grandes quantidades de partculas do fluido
escoam em tempo menor que outras; o reciclo, por exemplo, est relacionado com
a recirculao de parte do fluido para a entrada da unidade de tratamento. A
retromistura, outra irregularidade que representa o movimento de parcelas do
fluido na direo contrria ao escoamento principal (COTA, 2011; GUTIERREZ,
49
2008; SASSAKI, 2005); e, por fim a disperso, o transporte longitudinal do
material devido turbulncia e a difuso molecular (SPERLING, 1996).
Cabe ressaltar que estudos cientficos mostram que a condio de mistura
interfere na eficincia do tratamento. Para tanto, uma mistura adequada promove
um bom transporte de massa ou substrato, calor aos micro-organismos, mantm a
uniformidade, alm de outros fatores ambientais, e assegura o uso efetivo de todo
volume da unidade de tratamento (CAPELA et al., 2009; MATANGUE, 2011).
De forma geral, os modelos reais so de difcil modelagem hidrulica,
sendo frequentemente realizadas aproximaes na determinao de dois atributos
importantes: coeficiente de remoo de substrato; e, o nmero de disperso
(SPERLING, 1996). Na maioria das vezes um grau intermedirio com
escoamento disperso parece o mais adequado para representar o regime real de
escoamento (CAMPOS, 1990; LEVENSPIEL, 2000; SPERLING, 1996).
Por meio da modelagem hidrodinmica pode-se estabelecer os regimes de
escoamento e o tipo de mistura predominante, obtendo-se meios de se quantificar
possveis problemas decorrentes de falhas operacionais, de concepo de projeto
relacionadas aos aspectos construtivos (geometria) da unidade. Por conseguinte,
a determinao do tempo de residncia real (TRHreal), parmetro fundamental para
o correto entendimento do comportamento das unidades de um sistema de
tratamento deve ser realizado por meio de estudos com traador, auxiliando de
forma significativa a determinao do modelo cintico a ser estabelecido
(DANTAS; MELO; NETO, 2000; FERREIRA, 2012; LOURENO; CAMPOS,
2009; MENDONA, 2002; MOTERANI, 2010).
2.4.1 O uso de traadores em ensaios hidrodinmicos
A condio necessria para estabelecer o comportamento hidrodinmico
de partculas durante o seu escoamento o conhecimento da distribuio do tempo
50
de residncia. Tal avaliao baseia-se no mtodo de estmulo e resposta, com
injeo de traador no afluente (entrada) e, na imediata determinao de sua
concentrao no efluente (sada). A injeo pelo mtodo em pulso ou aplicao
instantnea, habitualmente utilizada, ocorre de uma s vez e no menor intervalo
de tempo possvel. Verifica-se como o fluido na unidade responde ao estmulo, e,
por meio da anlise da resposta obtm-se a informao desejada (LEVENSPIEL,
2000; METCAF; EDDY, INC, 2003).
Segundo Loureno e Campos (2009) o uso de traador pode ser aplicado
a qualquer tipo de volume de controle, qumico, fsico-qumico ou biolgico,
desde que seja compatvel e inerte ao meio sob investigao, evitando a soro.
Consideram esse estudo fundamental na obteno do tempo de residncia
hidrulica real (TRHreal), especialmente em sistemas de tratamento de guas
residurias. Todavia, o traador deve possuir caractersticas especficas, ou seja,
concentrao conhecida; estabilidade e compatibilidade ao meio no qual ser
injetado; apresentar densidade prxima ao meio; deteco precisa e quantificao
em concentraes mnimas; ser se possvel atxico; no deve interagir com as
substncias a serem tratadas e to pouco com os componentes da unidade; deixar
resduo; e, no pode modificar ou desvirtuar a hidrodinmica do fluido avaliado
(LEVENSPIEL, 2000; METCAF; EDDY, INC, 2003).
Usualmente as pesquisas sobre o tema fornecem informaes sobre a
teoria de traadores e alguma discusso dos resultados. Entretanto, quanto aos
tipos de substncias a serem empregadas, apenas algumas sugestes so
fornecidas, tais como: fluorescena, rodamina, rodamina WT, cloreto de sdio
(NaCl), cloreto de ltio (LiCl), cloreto de hidrognio (HCl) e o cido benzoico
(DANTAS; MELO; NETO, 2000). Esses autores comentam sobre resultados
satisfatrios com o uso de sais de metais alcalinos como, por exemplo, o NaCl.
No caso do LiCl, mesmo sendo indicado como traador ideal, concentraes
51
superiores a 2 g L-1, mesmo com exposies temporrias, podem causar inibio
da atividade metanognica (CHERNICHARO, 2007; SILVA et al., 2009).
Loureno (2006) e Loureno e Campos (2009) utilizaram o LiCl em reator
anaerbio de manta de lodo (Upflow Anaerobic Sludge Blanket UASB), em
escala laboratorial, alimentado continuamente por gua residuria de suinocultura.
O preparo do traador seguiu a metodologia de Campos (1990) e foi aplicado em
pulso, quando o reator apresentava condies permanentes (estabilidade). A
concentrao utilizada foi de 100 mg L-1 do on Li+. A coleta das amostras (3 mL)
foi realizada na sada do reator em intervalos constantes de 12 minutos e durante
124 horas, de forma ininterrupta. No foi mencionado qualquer problema com
relao ao tipo de traador empregado.
Matangue (2011) determinou os parmetros hidrodinmicos em reator
anaerbio compartimentado (RAC) e de manta de lodo (UASB) operados em
srie. Utilizou como traadores o KCl e o LiCL com gua limpa e, em gua
residuria da suinocultura, respectivamente.