PROF FÁBIO ORSSATTO

Tratamento de efluentes com Reatores Anaeróbios

Histórico no tratamento de esgotos

1905 – Desenvolvimento do Tanque Imhoff(bicompartimentado);

1970 – Lettinga e seus seguidores começam a pesquisar o tratamento anaeróbio para despejos concentrados industriais e esgoto sanitário na Universidade de Wagenigen na Holanda;

1981 – Projeto de Tratamento de esgoto de Piraí do Sul utilizando tanques imhoff e reator de manto de lodo – Eng. Celso Saveli Gomes;

Histórico no tratamento de esgotos

1982 – Projeto de um reator anaeróbio de manto de lodo para tratamento primário(tdh = 2 horas) para núcleo habitacional Caiçaras/Curitiba – Eng. Arvid Ericson.

1983 – Projeto da Ete Sul e Norte de Londrina utilizando decantadores primários e digestores seguido de reatores anaeróbios de manto de lodo Eng. Luis C. Baréa.

1985 – Projeto de módulos de Ralfs para várias cidades do Paraná – Eng. Arvid Ericson/Celso Savelli/Décio Jurgensen/LuisC. Baréa.

1986 – A partir desta data os Engenheiros Projetistas da Sanepar começaram a utilizar os reatores Ralf em quase todas as Etes no Paraná

Disseminação da tecnologia anaeróbia

No Brasil, existem atualmente mais de 400 reatores anaeróbios tipo UASB tratando esgotos domésticos;

No Paraná, a Sanepar utiliza mais de 135 reatores anaeróbios.

Sistemas anaeróbios de tratamento

Sistemas convencionais

Digestores de lodo

Tanques sépticos

Lagoas Anaeróbias

Sistemas de alta taxa

Com crescimento aderido

Com crescimento disperso

Sistemas de alta taxa

Com crescimento aderido

Reatores de leito fixo

Reatores de leito rotatório

Reatores de leito expandido/fluidificado

Com crescimento disperso

Reatores de dois estágios

Reatores de chicanas

Reatores de manta de lodo

Reatores com leito granular expandido

Reatores com recirculacao interna

Lagoa anaeróbia

Tanques sépticos

Reator de leito fixo

Reatores de manta de lodo

Reatores de manta de lodo

Reatores de manta de lodo

Nomenclaturas dos reatores de manta de lodo

Na Holanda, Lettingag chamou os reatores anaeróbios de manta de lodo como UASB, UpflowAnaerobic Sludge Blanket Reactors (Reatores aneróbios de Fluxo Ascendente e Manta de Lodo);

DAFA (Digestor anaeróbio de fluxo ascendente);

RAFA (Reator anaeróbio de fluxo ascendente);

RALF (Reator anaeróbio de leito fluidificado);

RAFAALL (Reator anaeróbio de fluxo ascendente através de leito de lodo).

Despejos passíveis de serem tratados pela via anaeróbia

A princípio, todos os compostos orgânicos podem ser degradados pela via anaeróbia;

Tratamento de resíduos sólidos, dejetos animais, lodos de ETEs e lixo urbano;

Tratamento de efluentes de industrias agrícolas, alimentícias e de bebidas;

Tratamento de esgotos domésticos de países com clima subtropical e tropical.

Abatedouros e frigoríficos

Produção de álcool Processamento de Batatas

Cervejarias Produção de amido Processamento de café

Curtumes Produção de fermento Processamento de frutas

Laticínios Produção de refrigerantes

Processamento de peixes

Produção de açúcar Produção de vinho Processamento de vegetais

Abatedouros e frigoríficos

Produção de álcool Processamento de Batatas

Despejos passíveis de serem tratados pela via anaeróbia

Problema com enxofre

Vantagens Desvantagens

Baixa produção de sólidos, cerca de 2 a 8 vezes inferior à que ocorre nos processos aeróbios;

Remoção de nitrogênio, fósforo e patógenos insatisfatória;

Baixo consumo de energia; Produção de efluente com aspecto desagradável e usualmente com qualidade insuficiente para atender os padrões de lançamento;

Baixa demanda de área; Possibilidade de distúrbios devido a choques de carga orgânica e hidráulica, presença de composto tóxicos ou ausência de nutrientes;

Baixos custos de implantação; A partida do processo pode ser lenta, na ausência de lodo de semeadura adaptado;

Produção de metano; Possibilidade de geração de maus odores e de problemas de corrosão.

Possibilidade de preservação da biomassa, sem alimentação do reator;

Tolerância a elevadas cargas orgânicas;

Aplicabilidade em pequena e grande escala;

Baixo consumo de nutrientes.

Necessidade de pós-

tratamento

Fundamentos da digestão anaeróbia

A digestão anaeróbia ocorre em 4 fases principais:

Hidrólise;

Acidogênese;

Acetogênese;

Metanogênese.

Hidrólise

Rompimento das cadeias polímeras, em compostos mais simples, a nível de monômeros, cujo tamanho permite a passagem do mesmo através da membrana celular.

Acidogênese

Os monômeros que são os produtos da hidrólise são então reduzidos a ácidos graxos voláteis, CO2e H2 mediante um processo intracelular de oxidação e redução.

Estas reduções são possíveis por ação catalizadora de um grupo de bactérias chamadas de acidogênicas.

Acetogênese

Na continuação outro grupo de bactérias denominadas acetogênicas transformam os compostos anteriores em acetato. De forma similar a etapa anterior neste passo se produz CO2 e H2.

Metanogênese

Finalmente, outro grupo de bactérias, as metanogênicas, cumprem a função de transformar o acetato em metano.

Além do metano (70%) e CO2 (30%) o biogás contém outros gases como nitrogênio, hidrogênio e ácido sulfidrico (H2S) com concentrações inferiores a 1%.

“Quinta fase” Sulfetogênese

A produção de sulfetos é um processo no qual o sulfato e outros compostos à base de enxofre são utilizados como aceptores de elétrons, durante a oxidação de compostos orgânicos;

Neste processo, bactérias anaeróbias estritas, denominadas bactérias redutoras de sulfato são utilizadas;

Produto final: Sulfeto de hidrogênio (H2S).

Estimativa da produção de metano a partir da DQO degradada

CH4 + 2O2 -> CO2 + 2H2O

(16g)+(64g)->(44g)+(36g)

Um mol de metano requer dois moles de oxigênio para sua oxidação.

Portanto, cada 16 gramas de CH4 produzido e retirado da fase líquida correspondem à remoção de 64 gramas

de DQO do despejo.

A expressão geral que determina a produção teórica de metano por grama removida de DQO

𝑄𝐶𝐻4= 𝐷𝑄𝑂𝐶𝐻4

𝑓(𝑇)

QCH4: Produção volumétrica de metano (m3/d)

DQOCH4 : carga de DQO removida no reator e convertida em metano (gDQO)

f(t): fator de correção para a temperatura operacional do reator (KgDQO/m3)

𝑓(𝑇) = 𝑃 𝑥 𝐾𝐷𝑄𝑂𝑅 𝑥 (273+𝑇)

P: Pressão atmosférica (1atm);

KDQO: DQO correspondente a um mol de CH4 (64 gDQO/mol)

R: constante dos gases (0,08206 atm.L/mol.K);

T: temperatura operacional do reator (oC).

Considerando que a produção de metano pode ser facilmente determinada em um reator anaeróbio, esta se constitui numa medida rápida e direta do grau de conversão do despejo e da eficiência do

sistema de tratamento.

Exemplo

Considerando o tratamento de um despejo com as seguintes características:

Temperatura: 26oC;

Carga de DQO removida no sistema de tratamento: 263,6 KgDQO/d

Coeficiente de produção celular para as bactérias acidogênicas: Yacid = 0,15

Coeficiente de produção celular para as bactérias metanogênicas: Ymetan = 0,03

Carga de DQO convertida em biomassa acidogênica:

DQOacid = Yacid x 263,6 = 39,5 KgDQO/d

Carga de DQO convertida em biomassa metanogênica:

DQOmetan = Ymetan x (263,6 - 39,5) = 0,03 x 224,1 = 6,7 KgDQO/d

Carga de DQO convertida em metano:

DQOCH4 = (carga total de DQO) – (carga de DQO convertida em biomassa) = 263,6 – 39,5 – 6,7 = 217,4 KgDQO/d

Estimativa da produção de metano:

f(t) = (P x K DQO) / [R x (273 + T)]

= (1 atm x 64gDQO/mol) / [0,08206atm.L/mol.K x (273 + 26oC)]

= 2,61 gDQO/L

Q CH4 = DQO CH4 /f(T) = (217,4 KgDQO/d) / (2,61 KgDQO/m3)

= 83,3 m3/d

Exercício

Considerando o tratamento de um despejo com as seguintes características:

Temperatura: 25oC;

Carga de DQO removida no sistema de tratamento: 300 KgDQO/d

Coeficiente de produção celular para as bactérias acidogênicas: Yacid = 0,15

Coeficiente de produção celular para as bactérias metanogênicas: Ymetan = 0,03

Resposta: 94,51 m3/d

Requisitos ambientais

Nutrientes;

Temperatura;

pH, alcalinidade e ácidos voláteis;

Materiais tóxicos.

Nutrientes

Composição química dos microrganismos metanogênicos

Elemento Concentração (g/Kg SST)

Nitrogênio 65

Fósforo 15

Potássio 10

Enxofre 10

Cálcio 4

Magnésio 3

Relação DQO : N : P

Biomassa com baixo coeficiente de produção celular (~0,05 gSSV/gDQO)

Ex.: degradação de ácidos orgânicos voláteis

DQO:N:P = 1000:5:1

Biomassa com elevado coeficiente de produção celular (~0,05 gSSV/gDQO)

Ex.: degradação de carboidratos

DQO:N:P = 350:5:1

Temperatura

Dos fatores físicos que afetam o crescimento microbiano, a temperatura é um dos mais importantes na seleção das espécies.

Dois níveis ótimos de temperatura têm sido associados à digestão anaeróbia, um na faixa mesófila (20 a 40oC) e o outro na faixa termófila (45 a 70oC)

pH, alcalinidade e ácidos voláteis

Estes três fatores ambientais estão intimamente relacionados entre si, sendo igualmente importantes para o controle e a operação adequada dos processos anaeróbios.

pH

O efeito do pH sobre o processo se manifesta através de duas formas principais: Diretamente: afetando a atividade de enzimas que pode

ocorrer de maneira drástica;

Indiretamente: afetando a toxicidade de um número de compostos.

Crescimento ótimo de microrganismos produtores de metano: pH entre 6,6 a 7,4, embora se possa conseguir estabilidade na formação de metano numa faixa entre 6,0 a 8,0.

Alcalinidade e capacidade de tamponamento

Tamponamento: capacidade de uma solução em evitar mudanças no pH;

Solução tampão: mistura de um ácido fraco com o seu sal correspondente, possibilitando o agrupamento dos íons H+ e OH - evitando o aumento ou o abaixamento do pH.

Interação alcalinidade e ácidos voláteis

A interação da alcalinidade com os ácidos voláteis, durante a digestão anaeróbia, fundamenta-se na capacidade da alcalinidade do sistema em neutralizar os ácidos formados no processo e também em tamponar o pH, na eventualidade de acumulação de ácidos voláteis.

Materiais tóxicos

Existem diversos compostos orgânicos e inorgânicos que podem ser tóxicos ou inibidores, embora o efeito geral, resultante da adição da maioria destes possa variar de estimulante a tóxico;

A estimulação da atividade microbiana é usualmente conseguida a baixas concentrações;

Conforme a concentração é aumentada, a inibição pode se tornar pronunciada e a taxa de atividade microbiana pode cair a zero.

Princípios de funcionamento do reator anaeróbio de manta de lodo

Inoculação do reator com quantidades suficientes de lodo anaeróbio, iniciando-se a sua alimentação em baixa taxa, no modo ascendente (start up);

Desenvolvimento do leito de lodo junto ao fundo do reator.

O lodo é muito denso e com excelentes características de sedimentação.

Princípios de funcionamento do reator anaeróbio de manta de lodo

Acima do leito de lodo desenvolve-se a manta de lodo, uma zona de crescimento bacteriano mais disperso;

O sistema é auto misturado pelo movimento ascendente das bolhas do biogás e do fluxo de esgotos através do reator;

A remoção do substrato ocorre através de todo o leito e da manta de lodo.

Princípios de funcionamento do reator anaeróbio de manta de lodo

Com o movimento ascendente das bolhas de gás ocorre o carreamento de lodo, sendo necessária a instalação de um separador trifásico na parte superior do reator;

No entorno e acima do separador trifásico há uma câmara de sedimentação;

Através desses dispositivos os reatores UASB apresentam elevados tempos de residência celular (idade do lodo).

Problemas usuais associados ao processo

Obstrução dos dispositivos de entrada e de saída do reator;

Geração de odores e ocorrência de corrosão;

Formação e acumulação de escuma;

Geração de espuma.

Controle operacional de Reatores Anaeróbios

Controle de vazão de entrada do reator;

Funcionamento e controle de manta de lodo;

Retirada do excesso de lodo;

Escuma acumulada no reator;

Monitoramento do processo e análises de rotina

Parâmetro Afluente Reator

Produção de biogás - Por hora

Composição do biogás - Quinzenal

Temperatura Diária Diária

pH Diária Diária

Sólidos sedimentáveis Diária Diária

Sólidos voláteis Semanal Semanal

DQO Semanal Semanal

DBO Mensal Mensal

Atividade metanogênica(DQO/SV)

- Mensal

Vazão do efluente Por hora Por hora