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LUCIANO FARIAS DE NOVAES
ESTUDO DA INFLUÊNCIA DA AGITAÇÃO E DA ESTRATÉGIA DE
ALIMENTAÇÃO SOBRE O DESEMPENHO DE UM ASBR EM ESCALA PILOTO
APLICADO AO TRATAMENTO DE ESGOTO SANITÁRIO
Tese apresentada à Escola de Engenharia
de São Carlos , da Universidade de São
Paulo , como parte dos requisitos
necessários para obtenção do Título de
Doutor em Hidráulica e Saneamento
Orientador: PROF. DR. JOSÉ ALBERTO DOMINGUES RODRIGUES
São Carlos, SP
2008
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ÍNDICE
DEDICATÓRIA............................................................................................................................................... i
AGRADECIMENTOS..................................................................................................................................... ii
LISTA DE SÍMBOLOS, ABREVIATURAS E SIGLAS................................................................................ iv
LISTA DE FIGURAS....................................................................................................................................... v
LISTA DE TABELAS..................................................................................................................................... xi
LISTA DE QUADROS................................................................................................................................... xiv
RESUMO........................................................................................................................................................ xv
ABSTRACT.................................................................................................................................................... xvi
1. INTRODUÇÃO............................................................................................................................................ 1
2. OBJETIVOS................................................................................................................................................. 3
3. REVISÃO BIBLIOGRÁFICA..................................................................................................................... 4
3.1. Reator Anaeróbio Operado em Bateladas Seqüenciais (ASBR).......................................................... 4
3.2. Formas de Imobilização da Biomassa no ASBR................................................................................. 7
3.2.1. Reator Anaeróbio Operado em Bateladas Seqüenciais com Leito Fixo (ASBBR).................... 8
3.3.Variáveis de Influência no Desempenho do ASBR.............................................................................. 11
3.3.1.Agitação....................................................................................................................................... 11
3.3.1.1. Impelidores......................................................................................................................... 13
3.3.1.2. Intensidade de Agitação...................................................................................................... 15
3.3.2. Alimentação................................................................................................................................ 18
3.4.Considerações Finais............................................................................................................................ 22
4. MATERIAIS E MÉTODOS......................................................................................................................... 23
4.1. Descrição Geral do Experimento......................................................................................................... 23
4.2. Configuração dos Reatores.................................................................................................................. 24
4.3. Inóculo................................................................................................................................................. 28
4.4. Água Residuária.................................................................................................................................. 30
4.5. Métodos Analíticos.............................................................................................................................. 30
4.5.1. Análises Físico-Químicas........................................................................................................... 30
4.5.2. Exames Microbiológicos............................................................................................................ 31
4.5.3. Composição do Biogás............................................................................................................... 31
4.6. Partida dos reatores............................................................................................................................. 32
4.7. Operação dos Reatores – Batelada Típica........................................................................................... 32
4.7.1. Batelada Típica – Draft Tube...................................................................................................... 35
4.8. Operação dos Reatores – Batelada Alimentada.................................................................................. 36
4.9. Avaliação Cinética........................................................................................................
...................... 37
5. RESULTADOS E DISCUSSÃO.................................................................................................................. 41
5.1. Etapa: Partida dos Reatores................................................................................................................ 41
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2
5.1.1. Perda do sistema devido ao lançamento de material tóxico na rede.......................................... 46
5.2. Influência da Intensidade de Agitação e Tipo de Impelidor............................................................... 47
5.2.1. Análise do desempenho no ASBBR......................................................................................... 47
5.2.1.1. Perfis Temporais no ASBBR......................................................................................... 53
5.2.1.2. Influência do Tipo de Impelidor no ASBBR................................................................. 59
5.2.1.3. Análise do desempenho no ASBBR – Draft Tube......................................................... 62
5.2.2. Análise do desempenho no ASBR........................................................................................... 66
5.2.2.1. Perfis Temporais no ASBR............................................................................................ 75
5.2.2.2. Influência do Tipo de Impelidor no ASBR.................................................................... 80
5.2.2.3. Análise do desempenho no ASBR – Intensidade de Agitação igual a 20 rpm............... 81
5.2.3. Comparação do ASBR e ASBBR Operados em Batelada Típica............................................ 83
5.3. Influência da Estratégia de Alimentação............................................................................................ 85
5.3.1. Análise do desempenho no ASBBR operado em Batelada Alimentada ................................. 86
5.3.1.1. Perfis temporais no ASBBR............................................................................................ 92
5.3.2. Análise do desempenho no ASBR operado em Batelada Alimentada .................................... 98
5.3.2.1. Perfis temporais no ASBR............................................................................................... 103
5.3.3. Comparação do ASBR e ASBBR – Batelada Alimentada durante 25% do ciclo.................... 109
5.3.4. Comparação do ASBR e ASBBR – Batelada Alimentada durante 50% do ciclo.................... 110
5.3.5. Comparação do ASBR e ASBBR – Batelada Alimentada durante 75% do ciclo.................... 111
5.3.6. Comparação do ASBR e ASBBR – Batelada Alimentada Típica............................................ 112
5.4. Comparação das Estratégias de Alimentação (Batelada Típica x Batelada Alimentada) no reator
ASBBR...............................................................................................................................................
113
5.5. Comparação das Estratégias de Alimentação (Batelada Típica x Batelada Alimentada) no reator
ASBR.................................................................................................................................................
115
5.6. Análise Microbiana............................................................................................................................ 117
6. CONCLUSÕES............................................................................................................................................ 123
7. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS....................................................................................................... 125
APÊNCICES.................................................................................................................................................... 132
i
DEDICATÓRIA
Papai,
ofereço-lhe hoje o sorriso que trago em minha face.
Sorriso triste pela sua ausência, mas um sorriso que
traduz toda a emoção deste momento. Se sua falta diz
um silêncio que cruza em minha vida, é porque sua
existência me é essencial. Hoje, mais do que nunca, a
sua presença se faz sentir, pois sou a continuidade de
seu brilho!
ii
AGRADECIMENTOS
Em primeiro lugar, à Deus, pela saúde, pela paz, e por mais esta vitória.
À minha mãe, que nunca deixou de incentivar-me e de fazer o possível e o
impossível para ajudar-me. A minha dívida com você é inesgotável e agradeço todos
os dias por ter tido você como mãe. Eu amo muito você.
A minha maravilhosa esposa que sempre com carinho fez com que as
dificuldades se transformassem em simples obstáculos. Saiba que grande parte desta
vitória é de sua responsabilidade. Te amo muito.
A minha querida filha Ana Carolina, pelo carinho, companheirismo e alegria
que me proporciona. Papai te ama muito!
À minha irmã Juliana (segunda mãe) pelo incentivo, confiança e amor ao longo
de toda minha vida.
À minha querida vovó pelas palavras positivas, pelo carinho e pelas orações.
Muito obrigado!
Ao professor José Alberto Domingues Rodrigues pela amizade, orientação,
incentivo e dedicação, principalmente pelo exemplo de honestidade, comprometimento
e competência.
Aos professores Marcelo Zaiat e Eugênio Foresti pela amizade, incentivo,
sugestões e apoio.
À toda minha família pelo auxílio constante e em especial a minha sogra (Maria
Helena), pelo carinho e afeto, fazendo com que as noites sem dormir ficassem mais
agradáveis. Sempre serei grato a senhora.
Aos amigos da Pós Graduação do Departamento Hidráulica e Saneamento da
EESC/USP pelo apoio, incentivo e amizade quando eu mais precisei.
iii
Aos meus queridos amigos de infância por sempre me apoiarem e torcerem pela
concretização dos meus sonhos.
À professora Maria Lúcia Calijuri pela atenção, apoio e competência. Obrigado
por tudo e com certeza, a senhora exerceu um papel essencial na minha formação
profissional.
À FAPESP, pela concessão da bolsa de estudo e auxílio financeiro no projeto.
Aos funcionários do Departamento de Hidráulica e Saneamento pela ajuda e
torcida em horas de dificuldades.
À Escola de Engenharia de São Carlos, pelos excepcionais anos de estudo
durante o doutorado nesta instituição de excelência, a qual me orgulho muito de ter
tido a oportunidade de ser aluno e eterno aprendiz.
iv
LISTA DE SÍMBOLOS, ABREVIATURAS E SIGLAS
ASBR = Reator Anaeróbio Operado em Bateladas Seqüenciais (Anaerobic
Seqüencing Batch Reactor);;
ASBBR = Reator Anaeróbio Operado em Bateladas Seqüenciais com Leito Fixo
(Anaerobic Sequencing Batch Biofilm Reactor);
AP = alcalinidade parcial;
AI = alcalinidade intermediária;
AT = alcalinidade total;
AB = alcalinidade à bicarbonato;
AVT = ácidos voláteis totais;
C
S
= concentração de matéria orgânica (expressa como DQO);
C
SR
= concentração residual de matéria orgânica (expressa como DQO);
C
S0
= concentração inicial de matéria orgânica (expressa como DQO);
DQO
X%
= demanda química de oxigênio associada a permanência de X%;
DQO = demanda química de oxigênio;
K
1
app
= constante cinética aparente de primeira ordem;
Q
x%
= vazão associada a permanência de X%;
ST = sólidos totais;
STV = sólidos totais voláteis;
SST = sólidos suspensos totais;
SSV = sólidos suspensos voláteis;
TRC = tempo de Retenção Celular;
TDH = tempo de Detenção Hidráulica;
t
f
= tempo de enchimento; e
t
c
= tempo de ciclo.
v
LISTA DE FIGURAS
Figura 4.1. Reatores anaeróbios operados em bateladas seqüenciais com biomassa
granulada – ASBR (a) e com biomassa imobilizada – ASBBR (b)
utilizados no estudo.
23
Figura 4.2. Configuração dos reatores (a) ASBR e (b) ASBBR. 24
Figura 4.3. Cesto compartimentado com meio suporte espuma de poliuretano para
imobilização da biomassa.
25
Figura 4.4. Colocação do primeiro compartimento do cesto no reator com biomassa
imobilizada (ASBBR).
25
Figura 4.5. Reator ASBR vazio 26
Figura 4.6. Impelidores do tipo turbina com seis lâminas planas retas (a), turbina com
seis lâminas inclinadas 45º (b) e hélice com três lâminas (c) utilizados na
agitação dos reatores.
27
Figura 4.7. Impelidores do tipo turbina com seis lâminas inclinadas 45º (a), turbina
com seis lâminas planas retas (b) e hélice com três lâminas (c) utilizados
na agitação dos reatores.
28
Figura 4.8. Inoculação da biomassa na espuma de poliuretano (a) e comparação da
espuma de poriuretano com e sem inoculação (b).
29
Figura 4.9. Montagem do primeiro compartimento do cesto para contenção da espuma
de poliuretano já imobilizada no reator ASBBR.
29
Figura 4.10. Variação, ao longo do dia, da concentração de matéria orgânica (na
forma de DQO) da água residuária utilizada no estudo.
33
Figura 4.11. Compartimento acrílico de seção quadrada utilizado para o ensaio de
sedimentação.
34
Figura 4.12. Tubo de PVC utilizado no sistema Draft-Tube. 35
Figura 5.1. Variação da Demanda Química de Oxigênio (DQO) bruta do afluente e do
efluente do ASBR e do ASBBR, correspondente ao ciclo de 03h 30min
às 11 h 30 min, ao longo de 60 dias de operação.
44
Figura 5.2. Variação da Demanda Química de Oxigênio (DQO) filtrada do afluente e
do efluente do ASBR e do ASBBR, correspondente ao ciclo de
03h 30 min às 11 h 30 min, ao longo de 60 dias de operação.
44
Figura 5.3. Variação da Demanda Química de Oxigênio (DQO) bruta do afluente e do
efluente do ASBR e do ASBBR, sendo que tanto o afluente como o
efluente de ambos reatores foram amostrados no horário 03h30min.
45
vi
Figura 5.4. Variação da Demanda Química de Oxigênio (DQO) filtrada do afluente e
do efluente do ASBR e do ASBBR, sendo que tanto o afluente como o
efluente de ambos reatores foram amostrados no horário 03h30min.
46
Figura 5.5. Concentração de matéria orgânica (em DQO bruta) para o afluente e o
efluente do reator ASBBR e eficiência de remoção nas condições de
impelidor turbina de pás inclinadas 45º e com intensidades de agitação
de 40 e 80 rpm.
50
Figura 5.6. Concentração de matéria orgânica (em DQO bruta) para o afluente e o
efluente do reator ASBBR e eficiência de remoção nas condições de
impelidor tipo turbina de pás planas e intensidades de agitação de 40 e
80 rpm.
51
Figura 5.7. Concentração de matéria orgânica (em DQO bruta) para o afluente e o
efluente do reator ASBBR e eficiência de remoção nas condições de
impelidor tipo hélice e intensidade de agitação de 40 e 80 rpm.
51
Figura 5.8. Concentração de matéria orgânica (em DQO filtrada) para o afluente e o
efluente do reator ASBBR e eficiência de remoção nas condições de
impelidor turbina de pás inclinadas 45º e com intensidades de agitação
de 40 e 80 rpm.
52
Figura 5.9. Concentração de matéria orgânica (em DQO filtrada) para o afluente e o
efluente do reator ASBBR e eficiência de remoção nas condições de
impelidor tipo turbina de pás planas e intensidades de agitação de 40 e
80 rpm.
52
Figura 5.10. Concentração de matéria orgânica (em DQO filtrada) para o afluente e o
efluente do reator ASBBR e eficiência de remoção nas condições de
impelidor tipo hélice e intensidade de agitação de 40 e 80 rpm.
53
Figura 5.11. Variação da alcalinidade à bicarbonato e ácidos voláteis afluente e
efluente do reator ASBBR operado nas condições de impelidor tipo
turbina de pás inclinadas 45º e com intensidades de agitação de 40 e
80 rpm.
54
Figura 5.12. Variação da alcalinidade à bicarbonato e ácidos voláteis afluente e
efluente do reator ASBBR operado com impelidor tipo turbina de pás
planas e intensidades de agitação de 40 e 80 rpm.
54
Figura 5.13. Variação da alcalinidade à bicarbonato e ácidos voláteis afluente e
efluente do reator ASBBR operado nas condições de impelidor tipo
hélice e intensidade de agitação de 40 e 80 rpm.
55
Figura 5.14. Perfil da concentração de matéria orgânica (DQO
bruta
) e os respectivos
perfis de eficiências de remoção ao longo do ciclo de operação do reator
ASBBR nas condições de impelidor tipo turbina de pás inclinadas 45º e
intensidades de agitação iguais a 40 rpm (a) e 80 rpm (b).
55
vii
Figura 5.15. Perfil da concentração de matéria orgânica (DQO
bruta
) e os respectivos
perfis de eficiências de remoção ao longo do ciclo de operação do reator
ASBBR operado nas condições de impelidor tipo turbina de pás planas e
intensidades de agitação iguais a 40 rpm (a) e 80 rpm (b).
56
Figura 5.16. Perfil da concentração de matéria orgânica (DQO
bruta
) e os respectivos
perfis de eficiências de remoção ao longo do ciclo de operação do reator
ASBBR nas condições de impelidor tipo hélice e intensidade de agitação
40 rpm (a) e 80 rpm (b).
57
Figura 5.17. Perfil da concentração de ácidos voláteis por cromatografia ao longo do
ciclo de operação do reator ASBBR nas condições de impelidor tipo
turbina de pás inclinadas 45º e intensidades de agitação iguais a 40 rpm
(a) e 80 rpm (b).
60
Figura 5.18. Perfil da concentração de ácidos voláteis por cromatografia ao longo do
ciclo de operação do reator ASBBR nas condições de impelidor tipo
turbina de pás planas e intensidades de agitação iguais a 40 rpm (a) e
80 rpm (b).
60
Figura 5.19. Perfil da concentração de ácidos voláteis por cromatografia ao longo do
ciclo de operação do reator ASBBR nas condições de impelidor tipo
hélice e intensidades de agitação iguais a 40 rpm (a) e 80 rpm (b).
60
Figura 5.20. Perfil da concentração de matéria orgânica (DQO
bruta
) e os respectivos
perfis de eficiências de remoção ao longo do ciclo de operação do reator
ASBBR nas condições de impelidor tipo hélice e intensidade de agitação
80 rpm (a) e 120 rpm (b).
64
Figura 5.21. Perfil da concentração de matéria orgânica (DQO
bruta
) e os respectivos
perfis de eficiências de remoção ao longo do ciclo de operação do reator
ASBBR com Draft Tube nas condições de impelidor tipo hélice e
intensidade de agitação 80 rpm (a) e 120 rpm (b).
65
Figura 5.22. Camada espessa formada na parte superior do ASBR devido a ruptura
dos grânulos ocorrida com o aumento da intensidade de agitação.
69
Figura 5.23. Concentração de matéria orgânica (em DQO bruta) para o afluente e o
efluente do reator ASBR e eficiência de remoção nas condições de
impelidor tipo turbina de pás planas e intensidades de agitação de 40 e
80 rpm.
71
Figura 5.24. Concentração de matéria orgânica (em DQO bruta) para o afluente e o
efluente do reator ASBR e eficiência de remoção nas condições com
impelidor tipo hélice e intensidades de agitação de 40 e 80 rpm.
71
Figura 5.25. Concentração de matéria orgânica (em DQO bruta) para o afluente e o
efluente do reator ASBR e eficiência de remoção nas condições com
impelidor tipo turbina de pá inclinada 45º e intensidades de agitação de
40 e 80 rpm.
72
viii
Figura 5.26. Concentração de matéria orgânica (em DQO filtrada) para o afluente e o
efluente do reator ASBR e eficiência de remoção nas condições de
impelidor tipo turbina de pás planas e intensidades de agitação de 40 e
80 rpm.
72
Figura 5.27. Concentração de matéria orgânica (em DQO filtrada) para o afluente e o
efluente do reator ASBR e eficiência de remoção nas condições com
impelidor tipo hélice e intensidades de agitação de 40 e 80 rpm.
73
Figura 5.28. Concentração de matéria orgânica (em DQO filtrada) para o afluente e o
efluente do reator ASBR e eficiência de remoção nas condições com
impelidor tipo turbina de pá inclinada 45º e intensidades de agitação de
40 e 80 rpm.
73
Figura 5.29. Variação da alcalinidade à bicarbonato e ácidos voláteis afluente e
efluente do reator ASBR operado nas condições de impelidor tipo
turbina de pás planas e intensidades de agitação de 40 e 80 rpm.
74
Figura 5.30. Variação da alcalinidade à bicarbonato e ácidos voláteis afluente e
efluente do reator ASBR operado nas condições com impelidor tipo
hélice e intensidades de agitação iguais a 40 e 80 rpm..
74
Figura 5.31. Variação da alcalinidade à bicarbonato e ácidos voláteis afluente e
efluente do reator ASBR operado nas condições com impelidor tipo
turbina de pá inclinada 45º e intensidades de agitação de 40 e 80 rpm.
75
Figura 5.32. Perfil da concentração de matéria orgânica (DQO
bruta
) e os respectivos
perfis de eficiências de remoção ao longo do ciclo de operação do reator
ASBR nas condições de impelidor tipo turbina de pás planas e
intensidades de agitação 40 rpm (a) e 80 rpm (b).
76
Figura 5.33. Perfil da concentração de matéria orgânica (DQO
bruta
) e os respectivos
perfis de eficiências de remoção ao longo do ciclo de operação do reator
ASBR nas condições com impelidor tipo hélice e intensidades de
agitação 40 rpm (a) e 80 rpm (b).
77
Figura 5.34. Perfil da concentração de matéria orgânica (DQO
bruta
) e os respectivos
perfis de eficiências de remoção ao longo do ciclo de operação do reator
ASBR nas condições com impelidor do tipo turbina de pá inclinada 45º e
intensidades de agitação 40 rpm (a) e 80 rpm (b).
78
Figura 5.35. Perfil da concentração de ácidos voláteis por cromatografia ao longo do
ciclo de operação do reator ASBR nas condições de impelidor tipo
turbina de pás planas e intensidades de agitação iguais a 40 rpm (a) e
80 rpm (b).
79
Figura 5.36. Perfil da concentração de ácidos voláteis por cromatografia ao longo do
ciclo de operação do reator ASBR nas condições de impelidor tipo hélice
e intensidades de agitação iguais a 40 rpm (a) e 80 rpm (b).
80
ix
Figura 5.37. Perfil da concentração de ácidos voláteis por cromatografia ao longo do
ciclo de operação do reator ASBR nas condições de impelidor tipo
turbina de pás inclinadas 45º e intensidades de agitação iguais a 40 rpm
(a) e 80 rpm (b).
80
Figura 5.38. Perfil da concentração de matéria orgânica (DQO
bruta
) e os respectivos
perfis de eficiências de remoção ao longo do ciclo de operação do reator
ASBR nas condições de impelidor tipo turbina de pás planas e
intensidades de agitação 20 rpm (a) e 40 rpm (b).
83
Figura 5.39. Espumas de poliuretano retiradas da parte superior do cesto de retenção
da biomassa do reator ASBBR no final do experimento.
88
Figura 5.40. Variação da DQO bruta do afluente e efluente do sistema ASBBR, bem
como a eficiência de remoção para as quatro estratégias de alimentação
avaliadas.
90
Figura 5.41. Variação da DQO filtrada do afluente e efluente do sistema ASBBR, bem
como a eficiência de remoção para as quatro estratégias de alimentação
avaliadas.
90
Figura 5.42. Variação da concentração dos ácidos voláteis no afluente e efluente do
sistema ASBBR para as quatro estratégias de alimentação avaliadas.
91
Figura 5.43. Variação da alcalinidade a bicarbonato no afluente e efluente do sistema
ASBBR para as quatro estratégias de alimentação avaliadas
92
Figura 5.44. Perfis da concentração de matéria orgânica (DQO
Bruta
) e eficiência de
remoção ao longo do ciclo de operação do reator ASBBR operado nas
seguintes estratégia de alimentação: batelada alimentada durante 25% do
ciclo (a); batelada alimentada durante 50% do ciclo (b); batelada
alimentada durante 75% do cilco (c); e batelada alimentada típica (d).
93
Figura 5.45. Avaliação cinética do perfil da concentração de matéria orgânica
(DQO
bruta
) ao longo do ciclo de operação do reator ASBBR operado na
estratégia de alimentação batelada alimentada durante 25% do ciclo.
95
Figura 5.46. Avaliação cinética do perfil da concentração de matéria orgânica
(DQO
bruta
) ao longo do ciclo de operação do reator ASBBR operado na
estratégia de alimentação batelada alimentada durante 50% do ciclo.
96
Figura 5.47. Avaliação cinética do perfil da concentração de matéria orgânica
(DQO
bruta
) ao longo do ciclo de operação do reator ASBBR operado na
estratégia de alimentação batelada alimentada durante 75% do ciclo.
97
Figura 5.48. Avaliação cinética do perfil da concentração de matéria orgânica
(DQO
bruta
) ao longo do ciclo de operação do reator ASBBR operado na
estratégia de alimentação batelada alimentada típica.
97
x
Figura 5.49. Variação da DQO bruta do afluente e efluente do sistema ASBR, bem
como a eficiência de remoção para as quatro estratégias de alimentação
avaliadas.
101
Figura 5.50. Variação da DQO filtrada do afluente e efluente do sistema ASBR, bem
como a eficiência de remoção para as quatro estratégias de alimentação
avaliadas.
101
Figura 5.51. Variação da concentração dos ácidos voláteis no afluente e efluente do
sistema ASBR para as quatro estratégias de alimentação avaliadas.
102
Figura 5.52. Variação da alcalinidade a bicarbonato no afluente e efluente do sistema
ASBR para as quatro estratégias de alimentação avaliadas.
103
Figura 5.53. Perfis da concentração de matéria orgânica (DQO
Bruta
) e eficiência de
remoção ao longo do ciclo de operação do reator ASBR operado nas
seguintes estratégia de alimentação: batelada alimentada durante 25% do
ciclo (a); batelada alimentada durante 50% do ciclo (b); batelada
alimentada durante 75% do cilco (c); e batelada alimentada típica (d).
105
Figura 5.54. Avaliação cinética do perfil da concentração de matéria orgânica
(DQO
bruta
) ao longo do ciclo de operação do reator ASBR operado na
estratégia de alimentação batelada alimentada durante 25% do ciclo.
107
Figura 5.55. Avaliação cinética do perfil da concentração de matéria orgânica
(DQO
bruta
) ao longo do ciclo de operação do reator ASBR operado na
estratégia de alimentação batelada alimentada durante 50% do ciclo.
107
Figura 5.56. Avaliação cinética do perfil da concentração de matéria orgânica
(DQO
bruta
) ao longo do ciclo de operação do reator ASBR operado na
estratégia de alimentação batelada alimentada durante 75% do ciclo.
108
Figura 5.57. Avaliação cinética do perfil da concentração de matéria orgânica
(DQO
bruta
) ao longo do ciclo de operação do reator ASBR operado na
estratégia de alimentação batelada alimentada típica.
108
Figura 5.58. Imagens obtidas do inóculo utilizado nos reatores. 117
Figura 5.59. Imagens obtidas do lodo proveniente do ASBR correspondente ao final
da condição batelada típica.
118
Figura 5.60. Imagens obtidas da biomassa presente na espuma de poliuretano do
ASBBR pertinente ao final da condição batelada típica.
119
Figura 5.61. Imagens obtidas do lodo proveniente do ASBR correspondente ao final
da condição batelada alimentada.
121
Figura 5.62. Imagens obtidas da biomassa presente na espuma de poliuretano do
ASBBR pertinente ao final da condição batelada alimentada
122
xi
LISTA DE TABELAS
Tabela 4.1. Características construtivas dos reatores ASBBR e ASBR. 24
Tabela 4.2. Parâmetros de construção dos impelidores. 27
Tabela 4.3. Impelidor e intensidade de agitação utilizado para cada condição
experimental avaliada nos reatores.
35
Tabela 4.4. Vazão de alimentação (Qalim.), tempo de enchimento (tF), tempo de
alcance da biomassa no ASBBR (tbiomassa) e tempo de alcance do
imeplidor (timpelidor) no ASBBR para as quatro estratégias de
alimentação avaliadas.
37
Tabela 5.1. Valores médios das variáveis monitoradas durante a etapa de partida (60
dias) dos reatores ASBR e ASBBR, com intensidade de agitação igual a
60 rpm, para os três ciclos diários
42
Tabela 5.2. Sólidos totais (ST) e sólidos totais voláteis (STV) na espuma de
poliuretano do ASBBR.
50
Tabela 5.3. Parâmetros cinéticos ajustados pelo modelo cinético de primeira ordem
com concentração residual de substrato aos perfis temporais
monitorados.
57
Tabela 5.4. Concentração residual de substrato experimental (C
SR-exp
) e obtido pelo
modelo cinético (C
SR-mod
), bem como o erro relativo (ER).
58
Tabela 5.5. Parâmetros obtidos nas análises do ASBBR com intensidade de agitação
igual a 80 rpm.
61
Tabela 5.6. Valores médios (9 amostras) das variáveis monitoradas durante a operação
do reator ASBBR nas seguintes condições: batelada típica (80rpm),
batelada típica com draft tube (80rpm) e batelada típica com draft tube
(120 rpm).
63
Tabela 5.7. Parâmetros cinéticos ajustados pelo modelo cinético de primeira ordem
com concentração residual de substrato aos perfis temporais monitorados
65
Tabela 5.8. Sólidos totais (ST) e sólidos totais voláteis (STV) na massa de lodo do
ASBR.
70
Tabela 5.9. Parâmetros cinéticos ajustados pelo modelo cinético de primeira ordem
com concentração residual de substrato aos perfis temporais
monitorados.
77
xii
Tabela 5.10. Concentração residual de substrato experimental (C
SR-exp
) e obtido pelo
modelo cinético (C
SR-mod
), bem como o erro relativo (ER).
78
Tabela 5.11. Valores médios (9 amostras) das variáveis monitoradas durante a
operação do ASBR nas seguintes condições: batelada típica com
intensidade de agitação igual a 40 rpm e batelada típica com intensidade
de agitação igual a 20rpm.
82
Tabela 5.12. Parâmetros cinéticos ajustados pelo modelo cinético de primeira ordem
com concentração residual de substrato aos perfis temporais
monitorados.
83
Tabela 5.13. Parâmetros comparativos dos sistema ASBR e ASBBR. 84
Tabela 5.14. Sólidos totais (ST) e sólidos totais voláteis (STV) existentes na biomassa
imobilizada no ASBBR e no lodo existente do ASBR, nas diversas
condições de operações avaliadas.
85
Tabela 5.15. Valores médios (09 amostras) das variáveis monitoradas durante a
operação do reator ASBBR nas seguintes estratégias de alimentação:
batelada alimentada durante 25% do ciclo, batelada alimentada durante
50 % do ciclo, batelada alimentada durante 75% do ciclo e batelada
alimentada típica (alimentada durante 100% do ciclo).
87
Tabela 5.16. Concentrações de sólidos totais (ST) e sólidos totais voláteis (STV) na
espuma de poliuretano do ASBBR.
89
Tabela 5.17. Valores de DQO
bruta
no afluente inicial e na amostra retirada após 2
minutos de reação no ABSBR.
95
Tabela 5.18. Valores médios (09 amostras) das variáveis monitoradas durante a
operação do reator ASBR nas seguintes estratégias de alimentação:
batelada alimentada durante 25% do ciclo, batelada alimentada durante
50 % do ciclo, batelada alimentada durante 75% do ciclo e batelada
alimentada típica (alimentada durante 100% do ciclo).
99
Tabela 5.19. Concentrações de sólidos totais (ST) e sólidos totais voláteis (STV) na
massa de lodo do ASBR.
100
Tabela 5.20. Valores de DQO
bruta
no afluente inicial e na amostra retirada após 2
minutos de reação no ASBR.
106
Tabela 5.21. Parâmetros comparativos dos sistemas ASBR e ASBBR (batelada
alimentada durante 25% do ciclo).
109
Tabela 5.22. Parâmetros comparativos dos sistemas ASBR e ASBBR (batelada
alimentada durante 50% do ciclo).
110
Tabela 5.23. Parâmetros comparativos dos sistemas ASBR e ASBBR (batelada
alimentada durante 75% do ciclo).
111
xiii
Tabela 5.24. Parâmetros comparativos dos sistemas ASBR e ASBBR (batelada
alimentada típica).
112
Tabela 5.25. Parâmetros comparativos do sistema ASBBR operado nas condições de
alimentação batela típica, batelada alimentada durante 50% e 75% do
ciclo.
113
Tabela 5.26. Parâmetros comparativos do sistema ASBR operado nas condições de
alimentação batela típica, batelada alimentada durante 50% e 75% do
ciclo.
116
xiv
LISTA DE QUADROS
Quadro 5.1. Valores médios (9 amostras para cada condição) das variáveis
monitoradas durante a operação do ASBBR em batelada típica.
48
Quadro 5.2. Valores médios (9 amostras para cada condição) das variáveis
monitoradas durante a operação do ASBR em batelada típica
67
xv
RESUMO
NOVAES, L. F. (2008). Estudo da Influência da Agitação e da Estratégia de Alimentação
sobre o Desempenho de um ASBR em Escala Piloto Aplicado ao Tratamento de Esgoto
Sanitário. 143 p. Tese (Doutorado) – Escola de Engenharia de São Carlos, Universidade de
São Paulo, São Carlos, 2008.
O presente trabalho teve como objetivo avaliar a influência da intensidade de agitação e tipo
de impelidor, bem como a estratégia de alimentação, em reator anaeróbio operado em
batelada seqüencial, escala piloto (≈ 1 m
3
), com agitação mecânica e em duas configurações:
uma com biomassa granulada (ASBR) e outra com biomassa imobilizada em suporte inerte de
espuma de poliuretano (ASBBR), aplicadas ao tratamento de esgoto doméstico. No estudo da
intensidade de agitação e tipo de impelidor, para cada reator foram avaliadas três tipos de
impelidores (turbina de pás planas, turbina de pás inclinadas 45º e hélice) associados a duas
intensidades de agitação (40 e 80 rpm), obtendo uma combinação de 6 (seis) condições
experimentais. A combinação da intensidade de agitação e tipo de impelidor que apresentou
melhor desempenho no processo foi utilizado no estudo da estratégia de alimentação, na qual
foi avaliada as seguintes condições: batelada alimentada durante 25%, 50%, 75% e 100% do
ciclo. Os resultados obtidos permitiram concluir que: no ASBBR o aumento da intensidade de
agitação de 40 rpm para 80 rpm permitiu uma melhoria nos fluxos de transferência de massa
e, portanto, aumentou a velocidade de consumo de substrato; no ASBR o aumento da
intensidade de agitação de 40 rpm para 80 rpm proporcinou uma desestabilização do sistema,
provavelmente por causa da ruptura dos grânulos provocada pela maior agitação; os sistemas
operados com impelidor do tipo hélice apresentaram vantagens, tais como: melhor eficiência
de remoção de sólidos, maior valor da constante cinética de primeira ordem (melhor fluxo de
transferência de massa e conseqüentemente maior consumo de substrato) e maior produção de
alcalinidade, ou seja, maior estabilidade para o sistema; tanto o sistema ASBR como o
ASBBR quando operados nas condições de batelada típica, batelada alimentada durante 50%
e 75% do ciclo apresentaram melhores desempenhos no processo de tratamento, mostrando a
flexibilidade operacional dos reatores anaeróbios operados em bateladas seqüenciais; e
comparando os sistemas ASBBR e ASBR verificou-se que estes apresentaram
comportamentos similares em todas as condições de operação de batelada alimentada
avaliadas, não sendo possível, estatisticamente apontar um sistema com melhor desempenho.
xvi
ABSTRACT
The objective of this work was to assess the effect of the stirring speed, the type of impeller
and the feed strategy in a mechanically stirred pilot-scale (≈ 1 m
3
) anaerobic sequencing batch
reactor to two configurations: a containing granulated biomass (ASBR) and the other
containing immobilized biomass (AnSBBR). Domestic wastewater was treated in 8-h cycles.
Three impeller types (turbine with six-flat blades, turbine with six 45º-inclined blades and
helix with three blades) were assessed at two different stirring speeds (40 and 80 rpm),
totaling six experimental conditions. The stirring speed and the impeller that resulted in the
best combination was used in work of the feed strategy . The reactors were operated at room
temperature at four different feed strategies (fed batch during 25%, 50% and 75% of the
cycle, and conventional fed-batch). The results allowed conclude that: in the AnSBBR
increasing the stirring speed from 40 rpm to 80 rpm showed to improve mass transfer, with
consequent increase in substrate consumption; in the ASBR increasing the stirring speed from
40 rpm to 80 rpm showed desestabilization in system , because of the disruption caused in the
granules witth greater agitation; operation with the helix impeller showed some advantages
over the turbine impellers, such as: improved efficiency in solids removal, higher value of the
first order kinetic constant and higher alkalinity production; both for the ASBR as for the
ASBBR the best performance in wastewater treatment was obtained when the reactors were
operated at conventional batch, fed-batch during 50% and 75% of the cycle; no significant
difference in performance was observed among these three conditions. Despite poor
performance of the conventional fed-batch and fed-batch during 25% of the cycle compared
to the other conditions, both these conditions presented operational stability. Hence, the
anaerobic sequencing batch reactors presented operational flexibility as far as feed strategy is
concerned.
1
1. INTRODUÇÃO
Nos dias atuais, devido a maiores preocupações ambientais, há uma tendência de
preservar os mananciais e o solo. Para pleitear esta meta, o entendimento de processos e
novas propostas de tratamentos de águas residuárias têm sido estudados e testados. Vários
estudos vêm buscando mudanças na concepção dos sistemas existentes de tratamento de
águas residuárias, sendo estudadas configurações inovadoras com o objetivo de se obter
sistemas mais simplificados e eficientes.
Assim, devido à proposição de novas configurações de sistemas de tratamento de
águas residuárias, os processos anaeróbios têm se desenvolvido de modo acentuado nos
últimos anos. Dentre essas novas configurações, estão os reatores anaeróbios operados em
bateladas seqüenciais (ASBR), os quais têm sido estudados desde o início da década de 90
por grupos de pesquisa nos Estados Unidos e no Canadá, que apresentam vantagens em
relação a alguns sistemas operados de modo contínuo e, portanto, possuem grande
potencial de utilização em escala industrial para alguns casos.
Os ASBRs têm sido estudados pelos grupos de pesquisa da Escola de Engenharia
de São Carlos (EESC) da Universidade de São Paulo (USP) e da Escola de Engenharia
Mauá (EEM) do Instituto Mauá de Tecnologia (IMT). Estes grupos trabalham em conjunto
desde 1998, com convênio de pesquisa firmado e com o apoio da FAPESP, sendo uma das
linhas de pesquisa o desenvolvimento de configurações inovadoras de reatores anaeróbios
em batelada, com o objetivo de otimização do processo e viabilização de sua aplicação
prática. Neste contexto, o ASBR contendo biomassa imobilizada em partículas de espuma
de poliuretano é um dos resultados positivos dessa parceria em pesquisa, com resultados
promissores obtidos em escala de bancada, mas ainda com alguns problemas a serem
investigados por se tratar de tecnologia recente.
Dentre os temas importantes a serem investigados está a avaliação de ampliação de
escala, enfocando o comportamento da estabilidade e da eficiência de um reator anaeróbio
com agitação mecânica e operado em bateladas seqüenciais, aplicado ao tratamento de
esgoto sanitário, comparando-se os sistemas contendo biomassa granulada e imobilizada
2
em suporte inerte de espuma de poliuretano.
A fim de prover bases racionais para projetos precisos desses reatores, tais
investigações (estudos) têm que ser voltados não apenas a aspectos tecnológicos, mas
também a aspectos fundamentais, tais como transferência de massa, intensidade de
agitação, forma de alimentação, cinética e hidrodinâmica os quais são critérios de extrema
importância para o projeto, construção, modelagem, simulação e otimização deste tipo de
processo.
Nesse sentido, este projeto será dividido em dois subprojetos, no intuito de se
avaliar a influência da intensidade de agitação e do tipo de impelidor (denominado de
subprojeto 1) e da estratégia de alimentação a partir da relação entre os tempos de
enchimento e de ciclo (denominado de subprojeto 2), sobre a estabilidade e a eficiência do
reator. Além disso, em ambos subprojetos, serão avaliadas também as características
microbiológicas do lodo desenvolvido no reator.
Desta forma, estando o sistema em estudo em escala piloto (≈ 1 m
3
), será possível
avaliar o comportamento quanto à ampliação de escala, comparando-se com os resultados
já obtidos pelos grupos de pesquisa em trabalhos com reatores em escala de laboratório
(≈10 L).
Com isso, o presente trabalho visa dar continuidade ao desenvolvimento
metodológico que vêm sendo realizado, incorporando novas informações aos modelos já
desenvolvidos a fim de facilitar o seu uso por pesquisadores e extensionistas.
Busca-se, portanto, com a realização deste trabalho, não só contribuir para o
desenvolvimento científico e tecnológico nacional, mas, sobretudo, oferecer tecnologias
com um efetivo alcance sócio-econômico, visando o entendimento de processos que serão
de grande valia para profissionais envolvidos com o meio ambiente e, desta forma,
contribuir para o progresso social e econômico de São Paulo e do país.
3
2. OBJETIVOS
Esse trabalho tem como objetivo principal a avaliação da influência da intensidade
de agitação e tipo de impelidor (subprojeto 1) e da estratégia de alimentação
(subprojeto 2), em reator anaeróbio operado em batelada seqüencial (ASBR), escala piloto
(≈ 1 m
3
), com agitação mecânica e em duas configurações: uma com biomassa granulada e
outra com biomassa imobilizada em suporte inerte de espuma de poliuretano, aplicadas ao
tratamento de esgoto doméstico. Foram estabelecidos, ainda, os seguintes objetivos
específicos:
• Avaliar a eficiência do reator, levando-se em consideração a remoção de
matéria orgânica;
• Monitorar a estabilidade do sistema, quando submetido a diferentes
intensidades de agitação e tipo de impelidor;
• Monitorar a estabilidade do sistema, quando submetido a diferentes estratégias
de alimentação a partir da relação entre os tempos de enchimento e de ciclo;
• Estimar as constantes cinéticas aparentes para os experimentos realizados; e
• Proceder a caracterização microbiológica da biomassa desenvolvida no reator.
4
3. REVISÃO BIBLIOGRÁFICA
3.1. Reator Anaeróbio Operado em Bateladas Seqüenciais (ASBR)
Os reatores anaeróbios operados em bateladas seqüenciais (ASBR) têm sido
estudados desde o início da década de 90 por grupos de pesquisa no Estados Unidos e no
Canadá (Fernandes et al., 1993; Sung & Dague, 1995; Brito et al., 1997, e Timur &
Östurk, 1999). Embora ainda em estágio de desenvolvimento, seu uso se revela promissor,
uma vez que os resultados têm demonstrado que esse tipo de reator é adequado para
tratamento tanto de águas residuárias de elevada concentração (laticínios, suinocultura e
chorume) quanto para águas residuárias de baixa concentração (esgoto doméstico), bem
como para operação em temperaturas mais baixas (a queda da temperatura pode ser
compensada com o aumento da concentração da biomassa – Dague et al., 1992).
A característica básica do ASBR é ser preenchido com esgoto no início e esvaziado
ao final do tratamento, repetindo-se a operação com nova batelada. O conteúdo do reator é
misturado, permitindo um bom contato esgoto/biomassa. O tratamento é efetuado em
tanque único, em uma seqüência operacional que compreende basicamente as seguintes
etapas: (a) alimentação, enchimento com água residuária; (b) reação, tratamento
propriamente dito, por meio das bio-transformações dos constituintes do esgoto pelos
microrganismos; (c) sedimentação final do lodo biológico, após a finalização das reações;
e (d) esvaziamento do tanque, com a retirada do líquido tratado e clarificado. Assim, o
tempo de ciclo do reator é o somatório dos tempos de enchimento, de reação, de
sedimentação e de esvaziamento.
A etapa de alimentação envolve a adição de um volume pré-determinado de água
residuária no reator, sendo que o tempo de enchimento depende da operação do reator,
podendo encher totalmente no início do ciclo ou ter enchimento contínuo (batelada
alimentada). Neste último caso, o período de enchimento pode se estender até o final do
período de reação. Segundo Angenent & Dague (1995) o ASBR não necessita de sistemas
5
de alimentação complexos devido à configuração do reator que permite a disposição
uniforme da biomassa no reator, minimizando as possibilidades de ocorrência de caminhos
preferenciais, curtos-circuitos e zonas estagnadas.
Na etapa de reação ocorre a conversão da matéria orgânica a biogás, sendo,
portanto a etapa mais importante do processo. Nesta etapa a água residuária dentro do
reator é misturada por um período de tempo pré-determinado, sendo que esta mistura
assume papel importante, pois permite um contato mais efetivo entre o substrato e a
biomassa. As características (composição e concentração) do afluente, qualidade do
efluente que se deseja obter, concentração da biomassa no reator e temperatura da água
residuária são os principais parâmetros para a definição do tempo necessário de reação.
Na etapa de sedimentação a mistura é interrompida para permitir a separação da
biomassa, sendo que o próprio reator atua como decantador (clarificador). O tempo
necessário para clarificação depende das características de sedimentabilidade da biomassa.
Angenent & Dague (1995) descrevem que este tempo tem de ser baixo o suficiente de
modo a promover o arraste pelo efluente da biomassa inativa de baixa sedimentabilidade, e
alto o suficiente de maneira a manter a biomassa granular ativa, responsável pela remoção
da matéria orgânica, no interior do reator. Esta etapa é importante no processo, pois
permite que a biomassa seja retida no reator e conseqüentemente continue a sua formação,
resultando em maiores tempos de retenção celular e melhorando a eficiência de remoção
de matéria orgânica. Segundo Zhang et al. (1996) a biomassa rapidamente sedimentável no
reator é continuamente selecionada em todos os ciclos do processo, fazendo com que os
microrganismos mais competitivos sejam mantidos no reator e o desempenho do reator
seja otimizado.
A etapa de esvaziamento ocorre após ter havido uma separação suficiente de
sólidos, evitando assim, o arraste de material sólido no efluente. Ocorre, portanto, o
descarte do sobrenadante e permanência da manta de lodo no fundo do reator, sendo que o
volume descartado é normalmente igual ao volume alimentado na etapa de alimentação.
Uma vez completada a etapa de esvaziamento, o reator está pronto para ser alimentado
novamente com outra batelada de água residuária, iniciando um novo ciclo.
Comparado com um reator semelhante de alimentação contínua, no reator
descontínuo não há necessidade da existência de sedimentador em separado e de
recirculação externa de lodo biológico. Nesse tipo de reator é possível conseguir uma baixa
razão substrato/microrganismos na condição final de ciclo (favorecendo a floculação
biológica e a sedimentação) e, ao mesmo tempo, processar esgoto com altas velocidades de
6
reação. A alta concentração de substrato, imediatamente após o enchimento, resulta em
grande força de direcionamento para a atividade metabólica e aumenta a velocidade de
remoção de substrato. A baixa concentração perto do fim do ciclo resulta em baixa
produção de gás e condições ideais para floculação e sedimentação da biomassa. Estas
condições alternadas de “alta” e “baixa” concentração de substrato no ASBR são os fatores
que proporcionam a elevada velocidade de conversão de substrato para metano, durante a
alta concentração de substrato, e eficiente floculação/granulação e sedimentação da
biomassa, durante a baixa concentração de substrato (Ndon & Dague, 1994 e Sung &
Dague, 1992).
Os processos descontínuos em tratamento anaeróbio de águas residuárias, devido as
condições operacionais, podem ser empregados apropriadamente nos seguintes casos
(Zaiat et al., 2001): industrias que lançam efluentes de forma intermitente; industrias que
trabalham com padrões de lançamento muito restritivos ou com compostos de difícil
degradação (a qualidade do efluente pode ser controlada lançando-o no ambiente apenas
quando os padrões forem atingidos); em sistemas que visam o reuso de águas residuárias
ou de substâncias nelas dissolvidas (o controle sobre a reutilização das águas pode ser
maior e melhor do que em sistemas contínuos); e em trabalhos fundamentais que visem a
elucidação de alguns fenômenos da degradação anaeróbia, devido à facilidade de
instrumentação e controle.
O reator anaeróbio operado de modo descontínuo apresenta algumas vantagens em
relação ao contínuo: (a) em situações nas quais a disponibilidade do efluente a ser tratado
seja intermitente e gradual; (b) quando existe o interesse em manter a concentração do
substrato no reator em valores baixos, tanto devido ao efluente possuir uma elevada carga
orgânica, como devido à presença de alguma substância tóxica na água residuária; ou (c)
por alguma restrição operacional inerente ao processo. Nestes casos, a alternativa que pode
ser empregada é variar a estratégia de enchimento do reator de modo que a etapa de
alimentação tenha um período maior que aquele convencionalmente utilizado,
caracterizando a operação em batelada alimentada.
Segundo Sung & Dague (1995), os ASBRs apresentam também as seguintes
vantagens em relação às configurações já existentes: não ocorrência de curtos-circuitos
devido ao reator ser alimentado em batelada; e não necessidade de mecanismos de
distribuição no fundo do sistema, já que o afluente é introduzido e agitado na seqüência, o
que não ocorre nos reatores UASB e nos Filtros Anaeróbios de Fluxo Ascendente.
7
Embora os ASBRs apresentam muitas vantagens, o desenvolvimento e o estudo
deste sistema é muito recente e os resultados obtidos até o momento podem ser
considerados apenas indicativos e não conclusivos. A aplicação em escala industrial deste
tipo de tecnologia ainda está distante, pois diversos fenômenos fundamentais e aspectos
tecnológicos ainda devem ser elucidados. Assim, devem-se proceder estudos que visam
atenuar os problemas detectados na operação dos reatores tipo batelada, como por
exemplo: existência de zonas mortas; altos tempos de sedimentação em relação à reação;
arraste considerável de sólidos na descarga; partida lenta em função da granulação da
biomassa; influência da agitação; influência da forma de alimentação (batelada ou batelada
alimentada); e inibição devido a variações das cargas orgânicas aplicadas (Zaiat et al.,
2001).
3.2. Formas de Imobilização da Biomassa no ASBR
As formas de retenção dos microrganismos no reator ASBR são pela imobilização
na forma de agregados (grânulos ou flocos) com boa característica de sedimentação e pela
imobilização na forma de agregação em suporte inerte formando os biofilmes. Estas
formas de retenção de microrganismos propiciam a operação do reator ASBR com tempos
de residência celular elevados, mesmo quando operados com baixos tempos de residência
hidráulico, resultando em diminuição do volume reacional, tornando-os economicamente
viáveis (Siman, 2003).
A aplicação de tecnologias que empregam a biomassa granular e aderida (biofilme)
vêm sendo muito estudadas atualmente, mas parâmetros fundamentais para projeto,
otimização e aumento de escala de tais reatores (com biomassa granulada e imobilizada em
suporte inerte) são ainda raros na literatura. Na verdade, a maior parte dos reatores
biológicos tem sido projetada com base em critérios empíricos. Desta forma, a aplicação de
tais critérios resulta, na maior parte dos casos, em unidades não-otimizadas, e até mesmo
inadequadas para se atingir o objetivo proposto.
A existência de condições favoráveis para a imobilização de biomassa ativa e a sua
necessária retenção no reator anaeróbio é um dos mais importantes aspectos que controlam
o sucesso e o insucesso de desempenho do tratamento (Kato et al., 1999). Assim, a
utilização de reatores contendo biomassa imobilizada é uma alternativa à biotecnologia de
processos anaeróbios para tratamento de águas residuárias, sendo essa imobilização
decorrente da formação de um biofilme aderido a um material suporte. As principais
8
vantagens desses reatores em relação aos convencionais (com biomassa granular) são o de
eliminar as incertezas quanto a granulação e o de propiciar uma operação com elevados
tempos de residência celular, mesmo quando operando com baixos tempos de residência
hidráulico, resultando em diminuição do volume reacional e tornando-os economicamente
mais vantajosos (Speece, 1996). Assim, considerando os reatores descontínuos, a utilização
de suportes inertes permite melhor retenção de biomassa e a eliminação da fase de
sedimentação, proporcionando redução de tempo no ciclo total.
3.2.1. Reator Anaeróbio Operado em Bateladas Seqüenciais com Leito Fixo (ASBBR)
Os reatores anaeróbios operados em bateladas seqüenciais com leito fixo (ASBBR)
foram propostos com o intuito de controlar a perda de biomassa na etapa de esvaziamento,
aumentar o tempo de retenção celular (TRC) e eliminar a etapa de sedimentação, pois nesta
configuração a biomassa é imobilizada em um meio suporte no interior do reator.
Para o sucesso deste tipo de reator é de fundamental importância a escolha do tipo de
suporte para a imobilização das células, pois é o suporte que determina a capacidade de
retenção da biomassa, sendo desejável que a aderência microbiana ocorra de forma rápida,
forte e homogênea (Camargo, 2000). O fenômeno de aderência, que depende das
características físico-químicas do suporte, é determinante para o desempenho do sistema,
sendo que as superfícies porosas e rugosas são mais propícias do que as superfícies lisas, e
ainda, o tamanho e o número de poros também influencia no resultado final (Huysman et
al., 1983).
Huysman et al. (1983) testaram diferentes tipos de suporte, materiais porosos e não
porosos, para imobilização de lodo metanogênico. Os materiais não porosos testados
foram: sepiolita, zeolita, argex, e esfera de vidro, enquanto que os materiais porosos
avaliados foram: esponja natural, carvão ativado, espuma de poliuretano não reticulada,
espuma de poliuretano recoberta por PVC e espuma de poliuretano reticulada com três
diferentes porosidades, T
10
, T
40
e T
80
, sendo que quanto maior o tamanho de poros, menor
o número dos mesmos. Assim, o número de poros é crescente de T
10
a T
80
. O
desenvolvimento do biofilme nos suportes foi acompanhado através do aumento da
produção diária de gás no reator. Os melhores resultados foram obtidos para a espuma de
poliuretano reticulada T
40
e T
80
as quais apresentam maior porosidade, sendo que a T
40
teve melhor performance. Assim, de acordo com os resultados obtidos, os autores
concluíram que a porosidade é de primordial importância para a aderência, sendo que o
9
tamanho dos poros também exerce influencia, uma vez que a T
40
apresentou-se mais
adequada que a T
80
.
Ratusznei et al. (2000) utilizaram espuma de poliuretano (5 mm de aresta) como
suporte inerte para biomassa anaeróbia em reator ASBBR (2 L) com agitação mecânica
para o tratamento de esgoto sintético (≈500 mgDQO L
-1
). Os resultados obtidos permitiram
concluir que a imobilização da biomassa em espuma de poliuretano promoveu boa
retenção de sólidos no reator, garantindo desempenho satisfatório na remoção de matéria
orgânica (eficiência de 86%), e permitindo a eliminação da etapa de sedimentação,
reduzindo o tempo de operação necessário para o tratamento.
Lapa et al. (2005-a) avaliaram a influência de diferentes materiais suportes no
desempenho de um reator anaeróbio operado em bateladas seqüenciais (ASBBR) com
volume de 7,6 L, aplicado ao tratamento de esgoto sanitário. Os meios suportes avaliados
foram: espuma de poliuretano, carvão vegetal, pedra pome sintética e poliuretano reciclado
de baixa densidade. Os autores concluíram que: o reator operado com espuma de
poliuretano foi o que apresentou melhores valores de remoção de matéria orgânica, com
eficiência média de 60%, seguido da pedra pome sintética (48%), do carvão vegetal (40%)
e do poliuretano reciclado de baixa densidade (33%); e a pedra pome sintética não
apresentou estabilidade química necessária para seu uso como material suporte da
biomassa em reatores anaeróbios, pois ocorreu a perda contínua de cálcio (constituinte
importante da pedra pome sintética) do leito que resultou na perda da estabilidade
estrutural das matrizes.
Garcia et al. (2005) avaliaram três suportes (espuma de poliuretano, carvão vegetal
e polietileno de baixa densidade) no desempenho do reator anaeróbio operado em bateladas
seqüenciais (7,2 L) e com agitação no tratamento de esgoto sanitário. A avaliação global da
escolha do melhor suporte foi realizada sob análise de três variáveis sendo estas:
desempenho na remoção de matéria orgânica, análise cinética e exames microbiológicos.
Os autores constataram que a espuma de poliuretano pôde ser considerada como sendo o
material mais adequado, pois com o uso desta o sistema apresentou maiores eficiências de
remoção de DQO, maior coeficiente cinético aparente de primeira ordem e uma biomassa
predominantemente caracterizada por arqueas metanogênicas e bactérias fototróficas.
Outro fator que deve ser avaliado no material suporte é a dimensão destes, pois a
dimensão das partículas a serem utilizadas como meio suporte pode melhorar os fluxos de
transferência de massa, melhorando assim, o desempenho do reator. Neste sentido
Cubas et al. (2002) avaliaram diferentes tamanhos de cubos de espuma de poliuretano (0,5;
10
1,0; 2,0; e 3,0 cm de aresta) como material suporte em reator ASBBR (6 L), com agitação
mecânica (500 rpm) no tratamento de esgoto doméstico sintético (500 mgDQO L
-1
), com o
intuito de avaliar os efeitos da transferência de massa na fase sólida no desempenho do
reator. De posse dos resultados os autores concluíram que: a transferência de massa na fase
sólida pouco afetou a concentração de matéria orgânica efluente; a concentração residual
do substrato aumentou quando o tamanho das biopartículas foi aumentado; e o tempo de
ciclo não foi afetado quando o tamanho das biopartículas foi aumentado de 0,5 a 2,0 cm,
entretanto, o tempo de ciclo no reator com partículas cúbicas de 3,0 cm foi maior do que
no requerido em sistemas com partículas menores.
Pinho (2004) também variou diferentes tamanhos de biopartículas de espuma de
poliuretano (0,5; 1,0; 2,0 e 3,0 cm de aresta) como material suporte em um ASBBR
(5,5 L), com agitação mecânica no tratamento de água residuária parcialmente solúvel
visando selecionar o tamanho de biopartícula que minimizasse a resistência à transferência
de massa. O autor concluiu que o tamanho da biopartícula teve influência decisiva no
desempenho do sistema, sendo constatado que o valor máximo da constante cinética para o
consumo da fração filtrada da DQO ocorreu para partículas de 2 cm de aresta enquanto
que, no caso da fração em suspensão, este máximo ocorreu para partículas de 1 cm de
aresta.
Castro et al. (2005) observaram gradual diminuição de massa e volume nos cubos
de espuma de poliuretano utilizados como meio suporte para a biomassa
nitrificante/desnitrificante em reator em batelada com aeração intermitente. Inicialmente os
cubos de espuma preenchiam todo o volume do cesto do reator, porém, durante o período
de operação (aproximadamente 800 dias) os autores notaram diminuição gradual do
volume da espuma no cesto. Este fato, segundo os autores, poderia ser resultado da
compressão do leito, devido ao peso da biomassa aderida e da água retida, entretanto, os
valores decrescentes de massa seca da amostra de espuma indicaram que tal hipótese não
era satisfatória. Além da alteração na massa das amostras de espuma observou-se também
mudança quanto à forma das mesmas, com o arredondamento das arestas dos cubos e, até
mesmo, transformando-os em esferas. Segundo os autores esta alteração pode ser
considerada, principalmente, devido a um desgaste por cisalhamento (ação física), porém
não descarta a hipótese da ocorrência de processos biológicos de algumas bactérias que são
capazes de utilizarem polímeros como fonte de carbono e energia. Os autores concluíram
que pelas perdas de massa e volume fica evidente a necessidade de reposição de espuma do
11
meio suporte, para com isto, evitar redução da biomassa no reator que pode levar a
diminuição da eficiência do sistema.
Os avanços conseguidos com a utilização de reatores em batelada contendo
biomassa imobilizada em matrizes de espuma de poliuretano (Ratusznei et al., 2001;
Ratusznei et al., 2003-a; Ratusznei et al., 2003-b; Cubas et al., 2004) permitem vislumbrar
sua aplicação para vários tipos de águas residuárias. Entretanto, estudos mais aprofundados
devem ser realizados com a finalidade de avaliar a real aplicabilidade desse tipo de
sistema. Dentre os temas mais importantes está a avaliação do comportamento de tais
sistemas quando submetidos a diferentes intensidades de agitação e tipos de impelidores
bem como de diferentes estratégias de alimentação a partir da relação entre os tempos de
enchimento e de ciclo a fim de se estabelecer os limites para aplicação do sistema.
3.3. Variáveis de Influência no Desempenho do ASBR
Diversas são as variáveis que influenciam no desempenho do ASBR, tais como a
intensidade e freqüência de agitação do meio reacional, a carga orgânica volumétrica e
específica aplicada, o tempo de granulação, a temperatura, a relação tempo de alimentação
/ tempo de ciclo e a diluição inicial do afluente. Dentro dos aspectos tecnológicos e
fundamentais este trabalho está direcionado à avaliação da influência da intensidade de
agitação e tipo de impelidor, bem como da estratégia de alimentação (relação tempo de
alimentação / tempo de ciclo) em reator ASBR, sendo, portanto enfatizado na seqüência a
influência destas variáveis no desempenho do reator ASBR.
3.3.1. Agitação
A agitação pode ser definida como o processo que diminui a heterogeneidade de
um sistema, sendo considerado um sistema completamente misturado quando a chance de
se encontrar um dado componente em um dado local é a mesma em qualquer ponto do
tanque (van’t Riet & Tranper, 1997).
A agitação é um parâmetro de extrema importância, especialmente em larga escala,
pois em um biorreator onde ocorrem falhas no processo de mistura podem surgir condições
não homogêneas de temperatura e concentração de substrato, o que pode levar a um
decréscimo no desempenho do sistema (Vrábel et al., 1998).
12
De acordo com Ratusznei et al. (2001), a agitação em reatores operados em
bateladas seqüências durante a etapa de reação melhora os fluxos de transferência de
massa, e, portanto, aumenta a velocidade de consumo de substrato. Com isso, pode ser
possível a diminuição do tempo total de ciclo. Além do mais, a agitação em reatores
operados em bateladas seqüências não é somente importante para fornecer ao sistema boas
condições de mistura (homogeneização, melhor contato da biomassa com o meio líquido)
ou melhorar a transferência de massa, mas também melhorar a solubilização da matéria
orgânica particulada, o que pode refletir em aumento das velocidades globais de conversão
(Pinho, 2004).
A agitação do ASBR é realizada normalmente por agitação mecânica ou por reciclo
do biogás gerado no processo. No entanto, Brito et al. (1997) afirmam que para o
tratamento de águas residuárias de baixa carga, a produção de biogás é insuficiente para
promover a turbulência necessária para minimizar a ocorrência de possíveis zonas de
estagnação e resistência à transferência de massa. Atentados para este fato, estes
pesquisadores desenvolveram um ASBR para tratamento de águas residuárias de baixa
concentração (1.000 mgDQO L
-1
) na qual a agitação era promovida pela recirculação do
efluente por uma bomba tipo diafragma, obtendo eficiências de remoção de DQO de 60 a
70% e qualificando a possibilidade do uso da recirculação do efluente para agitação do
reator.
Camargo et al. (2002), tratando água residuária sintética a base de glicose
(500 mgDQO L
-1
) obtiveram um incremento no desempenho de um ASBR com biomassa
imobilizada através da implantação de recirculação da fase aquosa. A eficiência de
remoção de matéria orgânica não filtrada (em termos de DQO) aumentou de 83% para
95% como conseqüência do melhor contato substrato/biomassa.
Ratusznei et al. (2000) foram os primeiros a propor a utilização de agitação
contínua, fornecida por agitador magnético, em ASBBR (2,5 L) com biomassa imobilizada
em matrizes de espuma de poliuretano. O reator foi alimentado com água residuária
sintética (485 mgDQO L
-1
) e operado com velocidade de agitação de 500 rpm e ciclos de
operação de 8 h, sendo observadas remoções de DQO maiores que 80%.
Cubas et al. (2001) propuseram uma mudança no tipo de agitação empregado por
Ratusznei et al. (2000), tendo utilizado agitadores mecânicos tipo hélice no ASBBR. A
biomassa foi imobilizada em matrizes cúbicas de espuma de poliuretano de 0,5 cm de
aresta, o tempo de ciclo utilizado foi 8 horas e a intensidade de agitação foi variada de 300
a 1100 rpm. Tratando água residuária sintética com DQO média afluente de 560 mg L
-1
, os
13
autores verificaram eficiência de remoção média igual a 78%. Além disto, os autores
concluíram que os fenômenos de transferência de massa na fase liquida afetaram
sensivelmente o desempenho total do reator e determinaram o tempo de ciclo requerido
para fornecer a máxima eficiência.
A viabilidade do aumento de escala no reator ASBBR com agitador mecânico foi
objeto de estudo de Sarti et al. (2002). Os autores avaliaram o desempenho de um reator
anaeróbio em batelada com presença de biomassa imobilizada em suporte inerte (cubos de
espuma de poliuretano) e agitação mecânica (40 rpm) no tratamento de esgoto sanitário. O
reator (volume total: 1,2 m
3
) com capacidade de tratamento de 650 L, foi operado com
ciclo total de 8 h, sendo esse ciclo correspondente aos processos de enchimento (2 h),
reação (5 h), descarga (0,5 h) e repouso (0,5 h). Os autores constataram que um curto
tempo de partida, aproximadamente 20 dias, aliado ao desempenho por meio dos
resultados obtidos demonstraram potencialidade de utilização de tal configuração no
tratamento de águas residuárias complexas, devido aos valores atingidos de baixas
concentrações de matéria orgânica efluente presente como 50 mgDQO L
-1
e de altas
eficiências de remoção de DQO (88%).
Sarti el al. (2005) analisaram o desempenho de quatro reatores anaeróbios operados
em bateladas seqüenciais em escala piloto (1,2 m
3
) no tratamento de esgoto sanitário. Cada
reator apresentava concepções geométricas (relação altura (L)/diâmetro (D)), mecânicas
(agitação mecânica ou recirculação de líquido) e tipo de retenção de biomassa diferentes.
Três unidades eram do tipo ASBR convencional e outro do tipo ASBBR com suporte
inerte de espuma de poliuretano e relação L/D igual a 1,5. Dos reatores ASBR dois tinham
como forma de agitação a recirculação de líquido, mas com relação L/D distintas, sendo
estas iguais a 1,5 e 3,0. O outro reator ASBR possuía agitação mecânica e relação L/D
igual a 1,5. Os autores concluíram que: o sistema com meio suporte (ASBBR) apresentou a
melhor eficiência no tratamento de esgoto sanitário quando comparado com os outros
sistemas avaliados; e a agitação mecânica mostrou ser a mais indicada para utilização nos
reatores ASBR, pois apresentou melhores eficiências de remoção de DQO quando
comparado aos sistemas que continham agitação por recirculação de líquido.
3.3.1.1. Impelidores
Os agitadores (impelidores) são escolhidos de maneira a fazer com que o liquido
percorra determinados caminhos dentro do recipiente (Brunello & Concone, 1986). O tipo
14
de agitador deve permitir que as velocidades desejadas para vencer as resistências à
transferência de massa sejam alcançadas com o gasto mínimo de energia. O conceito de
densidade de potencia (energia introduzida no sistema por unidade de volume de líquido)
pode fornecer um grande auxílio na escolha do impelidor mais adequado ao processo em
estudo (Pinho, 2004).
Os agitadores são classificados de acordo com o tipo de movimento que imprimem
ao fluido em agitação. Assim, tem-se agitadores que provocam um escoamento
longitudinal, isto é, em que o líquido percorre um caminho paralelo ao eixo do agitador,
agitadores que provocam um escoamento radial, em que o fluido se desloca
perpendicularmente à direção do eixo do agitador, e agitadores que provocam um
escoamento tangencial ou rotacional, em que atua tangencialmente a um percurso circular
em torno do eixo. O caminho percorrido pelo fluido dentro do tanque resulta da variação
dessas três componentes de velocidades. Quanto a forma, eles podem ser classificados, de
um modo geral, em tipo hélice, tipo palheta e tipo turbina (Brunello & Concone, 1986).
Nos casos em que o eixo está colocado no centro do tanque e perpendicular a seu
fundo, o movimento tangencial pode não ser benéfico, pois ele provoca o aparecimento de
um vórtice na superfície do líquido e tende a perpetuar um movimento circulatório
estratificado em diversos níveis, impedindo desse modo que haja uma circulação
longitudinal e, portanto, homogeneização do meio. Além do mais, quando existem
partículas sólidas, elas entram no movimento circulatório e são lançadas contra a parede do
recipiente, de onde, por gravidade, vão se acumular no fundo (Brunello & Concone, 1986).
Os agitadores tipo hélice provocam escoamento longitudinal do fluido e são usados
para colocar e manter em suspensão partículas relativamente pesadas. Já os agitadores tipo
palheta e turbina produzem movimento radial e tangencial no liquido, sendo que no
primeiro não se nota um movimento longitudinal pronunciado, enquanto que no segundo o
liquido é empurrado contra as paredes do tanque e, ao se chocar contra estas, divide-se,
indo uma parte para cima e outra para baixo (movimento longitudinal) para, em seguida,
retornarem em direção ao eixo e novamente para a turbina (Brunello & Concone, 1986).
Pinho (2004) avaliou a influência do tipo de impelidor e da freqüência de agitação
sobre a degradação anaeróbia de água residuária parcialmente solúvel, em reator anaeróbio
em batelada (5,5 L) contendo biomassa imobilizada em espuma de poliuretano, agitado
mecanicamente. Foram empregados quatro tipos de impelidores, sendo estes do tipo:
hélice, turbinas de lâmina plana, lâmina plana inclinada e lâmina curva, com intensidades
de agitação variando de 200 a 1100 rpm. O autor constatou que o comportamento dos
15
parâmetros cinéticos aparentes e da concentração residual de substrato foi bem distinto
para cada tipo de impelidor, provavelmente devido à inter-relação de diversos fatores que
influenciam o comportamento de sistemas sólido-líquido agitados, como: tipo de fluxo
hidrodinâmico (longitudinal, radial ou misto), que influencia os processos de transferência
de massa e cinéticos; velocidade mínima para suspensão das partículas, que afeta o regime
de suspensão; e eficiência de dissolução de particulado.
Damasceno et al. (2004) analisaram dois impelidores (turbina de pá plana e hélice)
em um ASBBR (6,3 L) com espuma de poliuretano, variando as rotações (100 a 500 rpm)
no tratamento de soro de queijo. O autor conclui que a utilização do impelidor do tipo
hélice ocasionou maiores eficiências de conversão, possivelmente devido às suas
características de fluxo longitudinal, que proporcionou maior movimentação do líquido
através do leito e conseqüentemente melhores condições de transferência de massa.
Michelan (2006) avaliou a influência da intensidade de agitação e do tipo de
impelidor sobre o desempenho de sistema ASBR (5 L) operado com biomassa granulada
tratando esgoto sintético (800 mgDQO L
-1
). Os impelidores avaliados foram turbina e pá
de seis pás planas verticais, turbina e pá de seis pás planas inclinadas 45º e hélice. Os
resultados obtidos pelo autor mostraram que: o aumento da velocidade rotacional melhorou
a transferência de massa sólido-líquido; e o escoamento axial em reatores agitados
mecanicamente é preferível ao escoamento radial.
A quantidade de impelidores é um parâmetro de projeto que também afeta o
desempenho do sistema. Biorreatores com múltiplos impelidors têm ganhado importância
devido à sua grande capacidade de distribuição de gases, características mais eficientes de
escoamento de líquido e menor consumo de energia por impelidor, quando comparado com
sistemas de impelidor único. Em todos os tipos de reatores nos quais a transferência de
massa é o objetivo principal, os sistemas com múltiplos impelidores são vantajosos e
podem ser mais econômicos em escala industrial, especialmente em biorreatores nos quais
os períodos de reação são longos e o consumo de energia é um componente significativo
nos custos totais de produção (Gogate et al., 2000).
3.3.1.2. Intensidade de Agitação
O aumento da intensidade de agitação melhora os fluxos de transferência de massa,
e, portanto, aumenta a velocidade de consumo de substrato. Entretanto, a agitação
excessiva pode causar a ruptura dos grânulos, resultando em baixa eficiência de separação
16
de sólidos (Angenent & Dague, 1995). Assim, as investigações da influência da agitação
sobre a estabilidade e a eficiência do reator ASBR indicam a existência de um valor ótimo
de agitação, abaixo do qual ocorre uma queda na eficiência devido à limitação por
transferência de massa, e acima do qual ocorre uma redução na eficiência pela formação
excessiva de biomassa dispersa seguida por perda da mesma (Rodrigues et al., 2003-a).
Em relação à energia introduzida no sistema, sua necessidade aumenta de forma
diretamente proporcional à intensidade de agitação. Logo, é importante saber a intensidade
além da qual não é mais possível melhorar os fluxos de transferência de massa, com a
finalidade de se evitar, ao máximo, gastos energéticos desnecessários (Pinho, 2004).
Ratusznei et al. (2001) avaliaram a influência da velocidade de agitação magnética
no desempenho do ASBR com biomassa imobilizada em espuma de poliuretano. Os
resultados obtidos pela variação da intensidade de agitação de 0, 50, 100, 200, 350, 500 e
750 rpm permitiram concluir que o aumento da agitação resultou em diminuição de
resistência à transferência de massa e, conseqüentemente, em aumento do valor do
parâmetro cinético.
Rodrigues et al. (2003-a), ao estudarem as condições de agitação, observaram que o
melhoramento no fluxo de transferência de massa está ligado ao contato eficiente entre
substrato e biomassa. Os autores estudaram o efeito da velocidade de agitação (0, 25, 50 e
75 rpm) no ASBR (5 L), inoculado com biomassa granulada para tratamento de água
residuária sintética de baixa concentração. A agitação foi promovida por agitador mecânico
tipo turbina, com seis pás planas verticais. À temperatura controlada a 30ºC e para ciclos
com duração de 8 horas, o reator apresentou melhores eficiências quando submetido à
agitação de 50 rpm. Concluíram que a agitação tendeu a aumentar a eficiência do reator,
permitindo a redução do tempo total de ciclo.
Agenent et al. (2001) estudaram o efeito da duração e da intensidade de agitação
sobre o desempenho de um reator ASBR (5 L de volume útil) no tratamento de resíduo
suíno. Os autores verificaram que o uso de agitação suave e intermitente permitiu um
maior desempenho do reator quando comparada à agitação suave e contínua, resultando em
maiores eficiências de remoção de sólidos voláteis e maior produção de metano. Segundo
os autores, o emprego da agitação contínua resultou no desenvolvimento de uma biomassa
com más características de sedimentação, a qual foi carreada mais facilmente com o
efluente durante a descarga diminuindo, assim, o desempenho do reator. Os pesquisadores
observaram também que o aumento da intensidade de agitação diminuiu o desempenho do
reator e a quantidade total de biomassa metanogênica.
17
Pinho (2004) avaliou a influência da velocidade de agitação no tratamento de água
residuária parcialmente solúvel. Foi utilizado ASBR com volume de 5,5 L e biomassa
imobilizada em matrizes cúbicas de espuma de poliuretano, com 3 cm de aresta e agitação
mecânica promovida por impelidores tipo hélice. Os ciclos foram de 8 horas, sendo
variado a agitação de 500 a 1.100 rpm. Em 20 dias, o sistema entrou em equilíbrio
dinâmico, com eficiência na remoção de substrato de 75%, expresso como DQO. O autor
concluiu que com o aumento da agitação melhorou a transferência de massa na fase líquida
e influenciou positivamente a solubilização de particulados, o que provocou efeitos
positivos nas velocidades de consumo da matéria orgânica.
Ratusznei et al. (2002) avaliaram a possibilidade de operação do ASBR no
tratamento de soro de queijo sendo utilizado reator com volume total de 2,0 L. O reator foi
operado em ciclos de 8 horas, sob agitação magnética de 200 rpm e à temperatura
controlada à 30ºC. A DQO variou gradativamente, de um ensaio para outro, de 500 a
4.000 mg L
-1
. Os autores concluíram que o aumento da intensidade de agitação foi
considerado indispensável, de maneira a permitir a homogeneização da fase líquida no
reator, principalmente se forem aplicados maiores valores de carga orgânica volumétrica.
Vela (2006) avaliaram dois reatores anaeróbios (1,2 m
3
), operados em batelada
seqüencial, com agitação mecânica para tratamento de esgoto sanitário, sendo que um dos
reatores continha biomassa imobilizada em espuma de poliuretano e o outro foi operado
com biomassa suspensa, portanto sem utilização de suporte inerte. Os autores concluíram
que: quando a rotação aplicada passou de 5 rpm para 50 rpm no reator ASBBR e de 5 rpm
para 25 rpm no reator ASBR as velocidades de reação aumentaram para ambos os
sistemas, porém quando foi aplicada uma rotação de 100 rpm ocorreu arraste de sólidos no
reator ASBBR; e o sistema ASBBR apresentou melhores eficiências de remoção de
matéria orgânica (69,7%) quando comparado com o sistema ASBR (57,6%).
Ramos et al. (2003) utilizando um ASBR (1,2 L) com biomassa imobilizada em
espuma de poliuretano e recirculação da fase aquosa no tratamento de água residuária
sintética (500 mgDQO L
-1
) obtiveram modelo cinético de primeira ordem com uma
concentração de substrato residual, que permitiu avaliar a influência da velocidade de
circulação no desempenho do reator durante o tempo do ciclo. Os autores constataram
aumento no parâmetro de primeira ordem, de 1,19 para 2,00 h
-1
, com o aumento da
velocidade superficial, de 0,032 até 0,191 cm s
-1
. Para valores de velocidades superficiais
maiores, de 0,191 até 0,467 cm s
-1
, este parâmetro permaneceu aproximadamente constante
com valor de 1,90 h
-1
.
18
Lapa et al. (2005-b) avaliaram a influência do regime de recirculação da fase
aquosa no ASBBR, em escala piloto (1,2 m
3
), utilizando como meio suporte espuma de
poliuretano no tratamento de esgoto sanitário. Os autores avaliaram três diferentes vazões
de recirculação e, portanto, três velocidades ascensionais (1,27; 3,82 e 7,64 m h
-1
),
constatando que os melhores valores de remoção de matéria orgânica foram evidenciados
na condição de velocidade ascensional igual a 7,64 m h
-1
, com eficiência média total de
67%, seguida das velocidades ascensionais de 3,82 e 1,27 m h
-1
, com eficiências de 48 e
47%, respectivamente.
3.3.2. Alimentação
O tempo de duração da etapa de alimentação do reator operado em batelada
seqüencial pode ser variável e, dessa forma, o sistema pode operar no modo batelada,
quando este tempo for muito reduzido em relação ao tempo total do ciclo, ou batelada
alimentada, quando a duração da etapa de alimentação for significativa em relação ao
tempo total de processo. O aumento deste tempo de alimentação geralmente é decorrente
da disponibilidade da água residuária, resultando em menores concentrações de substrato
dentro do reator ao longo de todo o ciclo, o que acarreta uma velocidade média de reação
menor comparada com àquela obtida para o sistema em batelada, podendo diminuir a
eficiência global do processo (Zaiat el al., 2001). Entretanto, a utilização de uma etapa de
alimentação mais longa faz com que a concentração de ácidos voláteis, intermediários do
metabolismo anaeróbio, não alcance valores elevados, o que poderia ser prejudicial à
biomassa (cargas de choque iniciais), conferindo ao sistema maior estabilidade e
flexibilidade operacional (Bagley & Brodkorb, 1999).
Assim, o tempo de alimentação é um parâmetro operacional (está diretamente
ligado a relação substrato / microrganismos) e de projeto (define o número de reatores a
serem utilizados na operação), sendo, portanto de grande interesse o entendimento do
processo no desempenho do reator sobre a influência da estratégia de alimentação a partir
da relação entre os tempos de enchimento (t
F
) e de ciclo (t
C
).
Kennedy et al. (1991) estudaram a influência da razão tempo de alimetação / tempo
de ciclo no desempenho de um ASBR tratando água residuária sintética
(7.000 mgDQO L
-1
). Os autores verificaram que o processo não foi afetado em cargas
orgânicas volumétricas inferiores a 9.000 mg L
-1
d
-1
, porém para valores superiores de
carga orgânica, foi detectada redução superior a 25% nos valores médios de eficiência de
19
remoção para baixos valores de t
F
/ t
C
.
Shizas & Bagley (2002) trabalhando com um ASBR tratando substrato à base de
glicose avaliaram a influência da concentração afluente, tempo total de ciclo e razão t
F
/ t
C
no desempenho do reator. O sistema estava operando com uma carga orgânica volumétrica
de 2,1 g DQO L
-1
d
-1
quando sofreu uma sobrecarga para 3,2 g DQO L
-1
d
-1
. Os autores
evidenciaram que valores elevados da relação t
F
/ t
C
e menores concentrações iniciais de
substrato resultaram em um aumento da performance do reator, sugerindo que a operação
pode ser otimizada pela alteração dos parâmetros operacionais.
Rodrigues et al. (2003-b) avaliaram a influência da estratégia de alimentação em
um reator ASBR (5 L) com biomassa imobilizada granulada e agitação de 50 rpm tratando
água residuária sintética (500 mg DQO L
-1
). Três estratégias de alimentação com um
tempo de ciclo de 6 h, incluindo o tempo de sedimentação de 30 minutos, foram adotadas:
batelada com tempo de enchimento de 6 min, batelada alimentada seguida de batelada com
tempo de enchimento de 60, 120 e 240 min e batelada alimentada com tempo de
enchimento de 320 min. A eficiência de remoção da matéria orgânica filtrada foi de 87, 83,
84, 84 e 84% para os tempos de enchimento de 6, 60, 120, 240 e 320 min, respectivamente,
mostrando que a utilização de tempos de enchimentos longos (razão de t
F
/ t
C
maiores que
0,5) não influenciou significativamente o desempenho do sistema.
Ratusznei et al. (2003-a) também avaliaram a influência da estratégia de
alimentação no desempenho de um ASBR (2,5 L) com biomassa imobilizada em espuma
de poliuretano e agitação de 200 rpm no tratamento de água residuária sintética
(500 mg L
-1
). O reator foi operado com tempo de ciclo de 180 min nas seguintes
condições: batelada com tempo de enchimento de 3 min e batelada alimentada seguida de
batelada com tempo de enchimento de 30, 60 e 180 min. Os autores observaram que nas
condições de batelada alimentada ocorreu queda na eficiência do sistema, principalmente
para maiores períodos de alimentação. Segundo os autores, foi levantada a hipótese de que
esta diminuição foi causada pela exposição ao ar da biomassa imobilizada sem líquido
durante o período de enchimento. Assim, em períodos menores de alimentação, o leito era
rapidamente preenchido com o substrato, fato que não ocorria nos maiores tempos de
enchimento.
Orra et al. (2003) estudaram a influência da estratégia de alimentação em um reator
anaeróbio operado em batelada e batelada alimentada seqüenciais, homogeneizado por
recirculação externa da fase líquida, contendo biomassa imobilizada em espuma de
poliuretano. O reator foi operado com água residuária sintética (500 mgDQO L
-1
), tratando
20
um volume médio de 890 ml de água residuária, com tempo de ciclo de 6 horas e vazão de
recirculação de 6 L h
-1
. Nas condições de operação em batelada alimentada foram
avaliadas as durações de alimentação de 60, 120, 240 e 360 minutos. Comparando os
resultados obtidos para as etapas de operação em batelada alimentada com a operação em
batelada, os autores observaram que o sistema atingiu valores de eficiência muito próximos
(> 80%), o que flexibiliza o processo para os casos onde não se disponha de despejos
continuamente, ou seja, a disponibilidade do efluente a ser tratado seja intermitente. Nestes
casos mesmo que o tempo de alimentação do reator ocorra em um período maior que
aquele convencionalmente utilizado no processo em batelada, não haverá diminuição
significativa da eficiência do processo. Além disso, a utilização de uma etapa de
alimentação mais longa garante menores concentrações de substrato no reator ao longo de
todo o ciclo operacional, ocasionando valores menores de concentração de ácido voláteis,
favorecendo a estabilidade do reator.
Borges et al. (2004) analisaram a influência da etapa de enchimento no
comportamento de um reator anaeróbio com agitação mecânica (500 rpm) operado em
batelada alimentada seqüencial com biomassa imobilizada em espuma de poliuretano,
tratando água residuária sintética (500 mg DQO L
-1
). O reator foi construído em acrílico e
com capacidade de 6,3 L, tratando um volume de água residuária de 2,5 L por ciclo, com
ciclos de 8 h de duração (t
C
). A operação do sistema constou do carregamento no início de
cada ciclo de 60% do volume de esgoto tratado, quantidade suficiente para o total
encobrimento do leito, sendo o volume restante adicionado em diferentes tempos de
enchimento (t
F
). Os autores concluíram que: para razões t
F
/ t
C
≤ 0,5 o sistema atingiu
remoção de matéria orgânica acima de 75% e 70% para amostras filtradas e não-filtradas,
respectivamente; nos ensaios em que t
F
/ t
C
> 0,5, registrou-se perda na eficiência e
formação de material viscoso, semelhante a polímeros de provável origem microbiológica,
apesar da estabilidade observada; o aumento do tempo de enchimento não provocou
mudanças significativas na fauna microbiana; e a morfologia dos microrganismos
presentes no sistema se mostrou diversificada.
Damasceno (2004) avaliou o desempenho de um ASBBR (6,3 L) com bioparticulas
de espuma de poliuretano (5 mm de aresta), agitação mecânica com impelidores tipo hélice
e 500 rpm, tempo de ciclo de 8 h no tratamento de soro de queijo em diferentes estratégias
de alimentação e cargas orgânicas volumétricas. Foi avaliada a operação em batelada,
batelada alimentada de 2 h e batelada alimentada de 4 h. As cargas orgânicas, em DQO,
aplicadas foram de 2, 4, 8 e 12 g L
-1
d
-1
. O autor evidenciou que: os melhores resultados
21
foram da condição de batelada alimentada de 4 h, com conversão da matéria orgânica de
91, 93, 86 e 81%, respectivamente para as cargas orgânicas de 2, 4, 8 e 12 g DQO L
-1
d
-1
; e
não foram detectadas diferenças nas concentrações máximas de ácidos voláteis totais com
o aumento do tempo de alimentação, entretanto, houve a tendência de redução dos picos de
ácido propiônico com o aumento do tempo de alimentação.
Zimmer (2006) analisou a influência da carga orgânica aplicada e do tempo de
enchimento sobre a estabilidade e a eficiência do ASBR (6 L) com biomassa granulada
tratando soro de queijo diluído. O autor concluiu que para uma concentração afluente de
4.000 mgDQO L
-1
o aumento do tempo de alimentação resultou em diminuição da
eficiência na remoção de matéria orgânica solúvel. Já para uma concentração afluente de
8.000 mgDQO L
-1
o aumento do tempo de alimentação resultou em menores valores de
DQO total no efluente. Também foi constatado que maiores tempos de enchimento levam à
redução dos picos de concentração de matéria orgânica, ácidos voláteis e alcalinidade ao
longo do ciclo.
Bezerra Junior et al. (2006) avaliaram a influência de diferentes tempos de
alimentação e cargas orgânicas volumétricas sobre o desempenho de um ASBR (3,8 L)
contendo biomassa imobilizada em espuma de poliuretano, com recirculação no tratamento
de soro de queijo. Os autores constataram que quando o sistema era alimentado com carga
orgânica igual a 3 gDQO L
-1
d
-1
a alteração do tempo de enchimento não influenciou na
eficiência de remoção de matéria orgânica. Já quando o sistema era alimentado com carga
orgânica igual a 6 gDQO L
-1
d
-1
foi verificado tendência de queda na eficiência com
maiores tempos de enchimento.
Cavalhero e Zaiat (2006) avaliaram a influência da estratégia de alimentação sobre
o desempenho de um ASBBR (10 L), com biomassa imobilizada em espuma de
poliuretano no tratamento de esgoto sanitário. O sistema foi monitorado em batelada típica,
batelada alimentada com tempo de alimentação igual a 4 h e batelada alimentada típica
(8 h). Os autores concluiram que o sistema em batelada alimentada com tempo de
alimentação igual a 4 h foi o mais eficiente na remoção de material orgânico (eficiência de
88%), seguido do batelada alimentada típica (71%) e batelada típica (60%).
22
3.4. Considerações Finais
As informações reunidas e expostas no item Revisão Bibliográfica permitem
afirmar que os reatores anaeróbios operados em bateladas seqüenciais (ASBR) mostram-se
altamente promissores no tratamento de águas residuárias. No entanto, ainda faltam
estudos objetivando analisar mais profundamente aspectos fundamentais nestes tipos de
reatores em maiores escalas, como por exemplo as condições de transferência de massa, as
quais estão diretamente relacionadas com as condições de mistura no reator, bem como as
condições de estratégia de alimentação, a qual permite maior flexibilidade para o processo.
Assim, com o desenvolvimento deste trabalho pretende-se avançar no
conhecimento sobre a influência da agitação e da estratégia de alimentação no desempenho
dos ASBRs, contribuindo para a apresentação de alternativa que viabilizam o menor custo
para o tratamento de esgoto sanitário.
23
4. MATERIAIS E MÉTODOS
4.1. Descrição Geral do Experimento
No experimento foram utilizados dois reatores anaeróbios operados em bateladas
seqüenciais com agitação mecânica construídos em polietileno e montados nas seguintes
configurações: (a) um reator com biomassa granulada (ASBR) e (b) um reator com
biomassa imobilizada (ASBBR). Assim, no decorrer deste trabalho o reator com leito
granulado será denominado ASBR e o reator com biomassa imobilizada será denominado
ASBBR. Na Figura 4.1 são apresentadas fotografias dos reatores utilizados no estudo.
(a)
(b)
Figura 4.1. Reatores anaeróbios operados em bateladas seqüenciais com biomassa granulada –
ASBR (a) e com biomassa imobilizada – ASBBR (b) utilizados no estudo.
Ambos reatores foram instalados na Estação de Tratamento de Esgoto (ETE)
24
situada na Escola de Engenharia de São Carlos (EESC) da Universidade de São Paulo
(USP) e foram operados no período de fevereiro de 2006 a dezembro de 2007.
4.2. Configuração dos Reatores
Na Tabela 4.1 e na Figura 4.2 são apresentadas as características construtivas dos
reatores anaeróbios operados em bateladas seqüenciais.
Tabela 4.1. Características construtivas dos reatores ASBBR e ASBR.
Configuração ASBBR ASBR
Volume total (m
3
) 1,18 1,18
Volume útil (m
3
) 1,02 1,02
Volume de lodo (m
3
) - 0,35
Volume do suporte inerte (m
3
) 0,58 -
Massa do material suporte (kg) 7,20 -
Volume de líquido (m
3
) 0,65 0,65
Volume de gás (m
3
) 0,16 0,16
Altura (m) 1,50 1,50
Diâmetro (m) 1,00 1,00
Figura 4.2. Configuração dos reatores (a) ASBR e (b) ASBBR.
[Notação: (1) Sistema de agitação mecânica com motor de rotação variável e impelidor, (2)
Válvula de descarga, (3) Válvula de alimentação, (4) dreno (ladrão), (5) biogás, (6) cesto contendo
biomassa imobilizada].
1,5m
1,0 m
0,45m
0,10m
1,20
m
1
2
3
4
5
1
0,51m
0,33
m
1,0 m
0,15m
2
3
4
5
0,10m
1,20m
0,30m
6
(a)
(b)
0,40m
0,51m
0,33m
0,30m
25
No reator ASBBR, o suporte utilizado para imobilização da biomassa foi espuma
de poliuretano (cubos de 5 cm de aresta) com densidade de 23 kg m
-3
. Este suporte foi
confinado em um cesto cilíndrico (altura 1,20 m), confeccionado com chapa de inox 304
perfurada tipo moeda (abertura de 1,5 cm), alocado ao redor da barra de agitação e com
uma folga de 3,5 cm da parede do cesto em relação ao impelidor. O cesto foi
compartimentado em 4 estágios de 30 cm de altura (Figura 4.3), para evitar a compactação
do meio suporte. Na Figura 4.4 é apresentado fotografia do primeiro compartimento do
cesto colocado dentro do reator (verifique a existência de um mancal no centro do cesto
para apoio da haste de agitação).
Figura 4.3. Cesto compartimentado com meio suporte espuma de poliuretano para
imobilização da biomassa.
Figura 4.4. Colocação do primeiro compartimento do cesto no reator com biomassa
imobilizada (ASBBR).
26
No reator ASBR foi colocado 4 chicanas (largura de 10 cm e espaçada 90º uma da
outra) de aço inox 304 para aumentar a turbulência e conseqüentemente aumentar o
contato substrato – microrganismos. Na Figura 4.5 é apresentado fotografia do reator
ASBR vazio, sendo mostrado as chicanas utilizadas no processo.
Figura 4.5. Reator ASBR vazio.
A alimentação dos reatores foi feita utilizando-se bombas centrífugas (tipo auto-
escorvantes de rotor aberto, marca Jacuzzi, modelo 5JL15-1/2CV). Estas bombas são,
segundo o fabricante, ideais para o bombeamento de líquidos sujos, por possuírem rotor
aberto de fácil ajuste e à prova de obstrução. A descarga foi feita por gravidade, na lateral
inferior do reator, com utilização de válvula solenóide.
Foi instalado um motoredutor (3 cv) com capacidade de 250 rpm com eixo vertical
e impelidores para promover a mistura do licor misto, e inversor de freqüência para
viabilizar o controle das rotações requeridas. No interior do reator, foram instaladas bóias
do tipo física para controle de nível.
Os impelidores utilizados e avaliados no estudo foram: (i) turbina com seis lâminas
planas retas; (ii) turbina com seis lâminas inclinadas (45º); e (iii) hélice com três lâminas.
Foram instalados dois impelidores do mesmo tipo em cada um dos reatores. Todos os
impelidores foram construídos com material inox 304 de 2 mm de espessura. Os
parâmetros de construção dos três tipos de impelidores são apresentados na Tabela 4.2,
sendo estas dimensões iguais a do padrão Rushton (Thiemann, 2001).
Chicana
Impelidor
27
Tabela 4.2. Parâmetros de construção dos impelidores.
Tipo de Impelidor Ci/Di hi/Di Dr/Di Hi/Di Dr/Hi nº lâminas Diâmetro (cm)
Turbina plana 0,25 0,20 3 1 3 6 33
Turbina inclinada (45º) 0,25 0,20 3 1 3 6 33
Hélice (passo = 1) - - 3 1 3 3 33
Sendo: Ci = comprimento da lâmina do impelidor; Di = diâmetro do impelidor; hi = altura da
lâmina do impelidor; Dr = diâmetro do reator; Hi = altura do impelidor em relação ao
fundo do reator.
Nas Figuras 4.6 e 4.7 são apresentados fotos dos impelidores do tipo turbina com
seis lâminas planas retas, turbina com seis lâminas inclinadas 45º e hélice com três lâminas
utilizados na agitação dos reatores.
(a) (b)
(c)
Figura 4.6. Impelidores do tipo turbina com seis lâminas planas retas (a), turbina com seis
lâminas inclinadas 45º (b) e hélice com três lâminas (c) utilizados na agitação
dos reatores.
28
Figura 4.7. Impelidores do tipo turbina com seis lâminas inclinadas 45º (a), turbina com
seis lâminas planas retas (b) e hélice com três lâminas (c) utilizados na agitação
dos reatores.
Sistema de automação constituído por temporizadores foi utilizado para o
acionamento e o desligamento dos seguintes equipamentos: bombas de alimentação,
válvulas solenóide (utilizada na descarga) e sistema de agitação (conjunto moto-redutor).
No APÊNDICE A são apresentados os detalhes do custo de implementação do
sistema utilizado neste trabalho, bem como a população atendida por este sistema.
4.3. Inóculo
Inicialmente, o inóculo utilizado neste estudo, tanto para o reator ASBR como para
o reator ASBBR, foi o lodo proveniente do reator UASB o qual trata água residuária de
abatedouros de aves (Avícola Dacar – Tietê – SP). Porém, no terceiro mês de operação dos
reatores ocorreu uma carga tóxica no afluente, proveniente de descarte indevido do
laboratório de Resíduos da Química (Instituto de Química de São Carlos), o que ocasionou
(a)
(b)
(c)
29
perda dos microrganismos do sistema, sendo, portanto, necessário re-inocular o sistema.
Assim, o inóculo utilizado nesta segunda etapa foi o lodo proveniente do reator UASB
utilizado em tratamento de águas residuárias de esgoto sanitário da Escola de Engenharia
de São Carlos.
Na Figura 4.8 são apresentados fotografias da inoculação da biomassa na espuma
de poliuretano e a comparação da espuma de poriuretano com e sem inoculação.
Na Figura 4.9 é apresentado fotografia da montagem do primeiro compartimento do
cesto para contenção da espuma de poliuretano já imobilizada no reator ASBBR.
(a)
(b)
Figura 4.8. Inoculação da biomassa na espuma de poliuretano (a) e comparação da espuma
de poriuretano com e sem inoculação (b).
Figura 4.9. Montagem do primeiro compartimento do cesto para contenção da espuma de
poliuretano já imobilizada no reator ASBBR.
30
4.4. Água Residuária
A água residuária utilizada no estudo foi o esgoto sanitário, proveniente da rede
coletora que abrange alguns bairros da cidade de São Carlos e o Campus Universitário da
USP em São Carlos.
4.5. Métodos Analíticos
4.5.1. Análises Físico-Químicas
O monitoramento do reator foi efetuado medindo-se, em amostras do afluente e do
efluente, as concentrações de matéria orgânica nas formas não filtrada e filtrada (como
demanda química de oxigênio – DQO), de alcalinidade parcial (AP), alcalinidade
intermediária (AI), alcalinidade total (AT), alcalinidade à bicarbonato (AB), ácidos
voláteis totais (AVT), sólidos totais (ST), sólidos totais voláteis (STV), sólidos suspensos
totais (SST) e sólidos suspensos voláteis (SSV), além da medida do pH. As análises foram
realizadas segundo o Standard Methods for the Examination of Water and Wastewater
(1998). A freqüência das análises foi de 3 vezes por semana.
Na fase de estabilidade operacional do sistema, foram realizados perfis ao longo de
um ciclo para avaliação do comportamento do reator relativo ao objetivo da investigação
em operação. Neste perfil foi monitorado as concentrações de matéria orgânica nas formas
não filtrada e filtrada (como demanda química de oxigênio – DQO), de alcalinidade parcial
(AP), alcalinidade intermediária (AI), alcalinidade total (AT), alcalinidade à bicarbonato
(AB), ácidos voláteis totais (AVT), além da medida do pH e temperatura. Também foi
medido as concentrações de ácidos intermediários através de cromatografia em fase
gasosa.
Ao final de cada condição estudada, quantificou-se a biomassa aderida ao meio
suporte inerte utilizado no reator ASBBR. Para tanto coletou-se uma espuma de
poliuretano situada no ponto intermediário do ASBBR e cortou-se esta em oito partes,
sendo que cada parte foi lavada com água destilada e esta água utilizada na lavagem das
partes da espuma foi coletada em cápsulas de porcelana de 150 mL. Assim, estas cápsulas
que foram previamente pesadas (P
0
) continham água destilada mais biomassa que estava
aderida na espuma. As espumas que foram lavadas também foram colocadas em cápsulas
31
de 150 mL. Assim, tanto as cápsulas com espuma como as com biomassa foram levadas
para estufa em temperatura controlada de 105º, durante 24 horas. Após este período as
espumas (P
E
) e as cápsulas com biomassa (P
1
) foram pesadas, e em seguida foram
colocadas em mufla, à temperatura de 550°C, onde permaneceram por 2 horas. Novamente
as cápsulas foram pesadas e obteve-se o P
2
. Com estes dados foi possível calcular os
valores de ST e SV por grama de espuma através das Equações 4.1 e 4.2:
⎥
⎦
⎤
⎢
⎣
⎡
−
=
E
P
PP
ST
01
(gST/g
espuma
)
(4.1)
⎥
⎦
⎤
⎢
⎣
⎡
−
=
E
21
P
PP
SV
(gSVT/g
espuma
)
(4.2)
Para quantificar a concentração de sólidos totais e sólidos voláteis no ASBR, foram
coletados 100 mL do licor misto e avaliados segundo o Standard Methods for the
Examination of Water and Wastewater (1998).
4.5.2. Exames Microbiológicos
Foi utilizado microscopia óptica comum e de contraste de fase para a caracterização
da biomassa anaeróbia presente nos reatores. Para o ASBBR, a espuma de poliuretano foi
retirada no ponto intermediário do reator e pressionada para se extrair o lodo. No ASBR foi
coletado 100 mL do licor misto, retirado na tubulação de saída e agitado com esferas de
vidro em frasco sorológico para formação de lodo homogêneo. Posteriormente, ambos os
lodos foram colocados entre a lâmina e a lamínula e analisados através do microscópio
OLIMPUS DX-60 (objetiva 100, ocular 10, zoom 1,25), com as imagens capturadas por
câmera (OPTRONICS) acoplada ao software “Image Pro Plus” (versão 4.1).
4.5.3. Composição do Biogás
Não foi possível coletar o gás com concentrações de metano, pois este enquanto é
produzido ao longo do ciclo escapa por diversas passagens, como por exemplo pelos
registros e entrada no reator do eixo do agitador. Assim, não foi possível concentrar a saída
do gás para uma só passagem, e portanto não foi possível realizar a sua coleta. Ressalta-se
32
que foram realizadas várias amostragens, porém estas apresentavam valores
insignificativos de concentração de metano.
4.6. Partida dos reatores
Os reatores foram operados à temperatura ambiente em ciclos de 8 horas, ou seja,
três ciclos diários. Na etapa de partida dos reatores foram analisadas amostras do afluente e
efluente nos três ciclos diários (11:30hs às 19:30hs; 19:30hs às 03:30hs; e 03:30hs às
11:30hs), durante 60 dias, avaliando assim o desempenho do sistema nos diferentes ciclos.
Nesta etapa os reatores foram operados com intensidade de agitação igual a 60 rpm. O
reator ASBR foi operado com impelidor do tipo turbina de pás planas enquanto que o
reator ASBBR foi operado com impelidor do tipo turbina de pás inclinadas 45º.
Para o estudo da influência da intensidade de agitação, tipo de impelidor e
estratégia de alimentação foi adotado o ciclo referente à 12h 30 min às 20h 30 min como
base para as análises do desempenho do sistema. A escolha do horário para o início do
ciclo foi baseada no critério da hora em que a água residuária apresentasse maior carga
orgânica. Para tanto foi monitorado de hora em hora o valor da DQO da água residuária
afluente dos reatores durante 10 dias. Na Figura 4.10 é apresentado a variação, ao longo do
dia, da concentração média de matéria orgânica (na forma de DQO bruta) da água
residuária usada no estudo. Verifica-se que os maiores picos de DQO são no horário do
almoço e da janta, pois o restaurante universitário não possui sistema de coleta de resíduos
sólidos e toda sobra de comida do restaurante vai direto para o ralo (possui um triturador
elétrico) do esgoto sanitário. Assim, como as maiores concentrações de matéria orgânica
estão no horário entre 11:30 hs a 13:30 hs, optou-se por iniciar o ciclo no horário de
12h 30 min.
4.7. Operação dos Reatores – Batelada Típica
Os reatores foram operados à temperatura ambiente em ciclos de 8 horas, ou seja,
três ciclos diários. Nesta condição, batelada típica, no início dos ciclos, os reatores foram
alimentados com um volume igual a 0,65 m
3
de esgoto sanitário cada um, em um período
aproximado de 0,5 hora (ressalta-se que ambos reatores foram alimentados no mesmo
tempo e com a mesma vazão, apresentando portanto o mesmo afluente). Em seguida,
iniciou-se a agitação do meio, com rotação fixa cujos valores foram objetos de estudo
33
(40 rpm e 80 rpm). A descarga também foi realizada em um período aproximado de
0,5 hora, finalizando o ciclo operacional e, em seguida, iniciando-se o novo ciclo.
0
100
200
300
400
500
600
700
800
900
0 4 8 12162024
Tempo (h)
DQO
Bruta
(mg
l
-1
)
Figura 4.10. Variação, ao longo do dia, da concentração de matéria orgânica (na forma de
DQO) da água residuária utilizada no estudo.
O período da etapa de reação foi diferente para as duas configurações. Para a
configuração com biomassa granulada, o tempo foi de 6,0 horas com o acionamento da
agitação, seguida de uma etapa de sedimentação de 1,0 hora, durante a qual a agitação foi
interrompida, para então ser efetuada a descarga. Para a configuração com biomassa
imobilizada, a etapa de reação foi de 7,0 horas, uma vez que a etapa de sedimentação não
foi necessária.
Verifica-se que o tempo de sedimentação utilizado no estudo foi igual a 1 hora, pois
foi realizado ensaio de sedimentação em um compartimento acrílico (seção quadrada de
25 cm), no qual foi inserido o líquido misturado (esgoto afluente e lodo), monitorado
visualmente e por análise de sólido na altura de descarte (45 cm) igual ao do reator, sendo
concluído que o tempo de 1 hora é o ideal para a sedimentação, pois acima deste valor a
biomassa tende a flotar e uma parte dela fica na região sobrenadante do reator. Na
Figura 4.11 é apresentado o compartimento acrílico de seção quadrada no qual foi
34
realizado o ensaio de sedimentação. No APÊNDICE B estão apresentados os dados da
análise de sólidos do ensaio de sedimentação.
Figura 4.11. Compartimento acrílico de seção quadrada utilizado para o ensaio de
sedimentação.
Foram avaliadas três tipos de impelidores associados a duas intensidades de
agitação, obtendo uma combinação de 6 (seis) condições experimentais para cada reator.
Na Tabela 4.3 são apresentados o impelidor e a intensidade de agitação para cada condição
experimental avaliada nos reatores. O tempo de duração de cada condição experimental foi
de 21 dias, sendo avaliado neste período 09 (nove) amostras para cada reator (freqüência
de 3 amostras por semana).
Tabela 4.3. Impelidor e intensidade de agitação utilizado para cada condição experimental
avaliada nos reatores.
ASBR ASBBR
Condição
Impelidor Agitação (rpm) Impelidor Agitação (rpm)
01 Turbina Pá plana 40 Turbina Pá Inclinada 40
02 Turbina Pá plana 80 Turbina Pá Inclinada 80
03 Hélice 40 Turbina Pá plana 40
04 Hélice 80 Turbina Pá plana 80
05 Turbina Pá Inclinada 40 Hélice 40
06 Turbina Pá Inclinada 80 Hélice 80
35
Após a verificação das seis (06) condições experimentais avaliadas para os dois
reatores, também foram realizados ensaios (média 21 dias) com intensidade de agitação
igual a 120 rpm para o reator ASBBR e 20 rpm para o reator ASBR. Porém estes ensaios
foram realizados somente para um impelidor, sendo adotado o impelidor que apresentou
melhor desempenho no sistema quando avaliado na primeira etapa.
4.7.1. Batelada Típica – Draft-tube
Após a avaliação das diversas condições de intensidade de agitação e tipo de
impelidor, o reator ASBBR foi operado 42 dias com Draft-Tube e impelidor do tipo hélice.
Nesta condição foram avaliadas duas intensidades de agitação, sendo estas 80 e 120 rpm.
Como sistema de Draft-Tube foi utilizado um tubo de PVC branco (espessura de parede
igual a 4 mm), diâmetro nominal 400 mm, inserido na parte central do ASBBR e distante
20 cm do fundo e 20 cm da lâmina d’água residuária. Ressalta-se que quando o sistema foi
projetado, o cesto de inox para retenção da biomassa foi fabricado com um compartimento
central vazado de diâmetro de 410 mm de abertura para entrar o tubo de PVC, o qual não
precisava ser fabricado e sim existente no mercado, reduzindo o custo do sistema Draft-
Tube. Na Figura 4.12 são apresentadas fotografias do tubo de PVC utilizado no sistema
Draft-Tube.
Figura 4.12. Tubo de PVC utilizado no sistema Draft-Tube.
36
Ressalta-se que o reator ASBR não foi operado na condição de Draft-Tube, em
virtude da dificuldade de fixar o tubo de PVC no reator. Para tanto seria necessário a
implantação de tirantes para fixação do tubo, sendo necessário fazer furos em diversas
alturas do reator. Assim, optou-se por não realizar este teste no ASBR.
4.8. Operação dos Reatores – Batelada Alimentada
Nesta etapa os reatores foram operados de modo análogo ao sistema com batelada
típica que estava em andamento quanto à sedimentação (configuração com biomassa
granulada) e à descarga, havendo uma mudança quanto à estratégia de alimentação e,
conseqüentemente, à etapa de reação. O tempo de ciclo também foi igual a 8 horas.
O impelidor e a intensidade de agitação utilizado nesta etapa para cada reator foi a
que apresentou melhores resultados na etapa de avaliação da intensidade de agitação e tipo
de impelidor na condição de batelada típica.
Foram avaliadas quatro (04) estratégias de alimentação, ou seja, o reator foi
operado com quatro tempos de enchimentos (t
F
) distintos, sendo estes: alimentação durante
25% do ciclo, alimentação durante 50% do ciclo, alimentação durante 75% do ciclo e
alimentação durante 100% do ciclo (batelada alimentada típica).
O tempo de alimentação dos reatores ASBR e ASBBR foram diferentes para uma
mesma condição de estratégia de alimentação, pois como o ASBR necessita de 1 hora para
sedimentação e como o tempo de enchimento (t
F
) é uma porcentagem do tempo possível de
alimentação, têm-se valores distintos do tempo de alimentação para as duas condições
avaliadas. Na tabela 4.4 é apresentado o tempo de enchimento (t
F
) para os reatores ASBR e
ASBBR para as quatro estratégias de alimentação avaliadas.
Como o reator ASBBR possui um cesto de aço para retenção da biomassa e existe
uma distânica de 15 cm entre o fundo do reator e a base deste cesto, existe um tempo de
enchimento em que a lâmina d´água residuária não alcançou a biomassa, denominado
t
biomassa
, e um tempo ainda maior para alcançar o impelidor, denominado t
impelidor
, pois o
impelidor mais baixo encontra-se a uma altura igual a 33 cm do fundo do reator. Como a
vazão de alimentação para as quatro estratégias de alimentação são diferentes, têm-se um
t
biomassa
e um t
impelidor
para cada condição avaliada. Na Tabela 4.4 é apresentado a vazão de
alimentação (Q
alim.
), tempo de enchimento (t
F
), tempo de alcance da biomassa no ASBBR
(t
biomassa
) e tempo de alcance do imeplidor (t
impelidor
) no ASBBR para as quatro estratégias
de alimentação avaliadas.
37
Tabela 4.4. Vazão de alimentação (Q
alim.
), tempo de enchimento (t
F
), tempo de alcance da
biomassa no ASBBR (t
biomassa
) e tempo de alcance do imeplidor (t
impelidor
) no
ASBBR para as quatro estratégias de alimentação avaliadas.
Batelada alimentada durante:
Reator
25% 50% 75% 100%
Q
alim.
(L/min) 6,63 3,33 2,22 1,67
t
F
(min) 98,0 195,0 293,0 390,0
t
biomassa
(min) - - - -
ASBR
t
impelidor
(min) - - - -
Q
alim.
(L/min) 5,78 2,89 1,93 1,44
t
F
(min) 112,5 225,0 337,5 450,0
t
biomassa
(min) 20,4 40,0 60,0 82,0
ASBBR
t
impelidor
(min) 33,0 66,0 100,0 134,0
Quanto as amostras do afluente, na condição de batelada alimentada, estas foram
obtidas de forma composta, ou seja, para cada condição de estratégia de alimentação
avaliada foi monitorado quatro (04) pontos de forma intercalada de 30 em 30% do tempo
total de enchimento do sistema. Assim, por exemplo, para a condição de batelada
alimentada durante 25% do ciclo no reator ASBR, foi monitorado amostras do afluente do
sistema no tempo igual a zero (0), 30% de 98 min (29,4 min), 60% de 98min (58,8 min) e
90% de 98 min (88,2 min).
Da mesma forma que o sistema vinha sendo operado (batelada típica), atingido a
estabilidade operacional, foi levantado o perfil ao longo do ciclo de operação de algumas
das variáveis monitoradas, conforme já mencionado no Item 4.5.1.
4.9. Avaliação Cinética
Aos perfis temporais de remoção de matéria orgânica foram ajustados modelo
cinético de primeira ordem, considerando-se a concentração residual de matéria orgânica.
Este modelo cinético de primeira ordem é obtido pelo balanço de massa em um reator
operado em batelada típica, ou seja, quando os tempos de enchimento e de descarte podem
ser desprezados. Na equação 4.3 é apresentado o balanço de massa, admitindo o volume de
38
líquido tratado constante (já que o sistema enche num tempo desprezível) e a reação de
degradação da matéria orgânica de primeira ordem.
V
d
t
dCa
VCak
app
...
1
=−
(4.3)
em que:
C
a
= concentração de matéria orgânica (expressa como DQO);
V = volume de líquido tratado; e
k
1
app
= constante cinética aparente de primeira ordem.
Desenvolvendo e organizando as variáveis da equação 4.3, tem-se:
Ca
dCa
dtk
app
=− .
1
(4.4)
Integrando-se a equação 4.4 com os limites de integração conhecidos, tem-se:
∫∫
=−
Ca
Cao
t
to
app
Ca
dCa
dtk .
1
(4.5)
⎟
⎠
⎞
⎜
⎝
⎛
=−
Ca
Cao
totk
app
ln).(
1
(4.6)
Ca
Cao
e
totk
app
=
− )(
1
(4.7)
)(
.
totk
app
eCaoCa
−−
=
1
(4.8)
em que:
C
a0
= concentração de matéria orgânica afluente ao sistema (expressa como
DQO);
t = tempo de reação durante o ciclo; e
39
t
0
= tempo inicial de reação.
A equação 4.8 representa o balanço de massa para o reator operado em batelada
típica. Porém, apenas a modelagem cinética não demonstra a degradação de matéria
orgânica que, de fato, ocorre no sistema de tratamento. Assim, um modelo adaptado da
equação 4.8 que considera a ocorrência de uma fração residual de material orgânico no
final do ciclo de tratamento, o que pode ser confirmada na análise dos dados do perfil
temporal da DQO efluente efetuado, vem sendo usado para modelação da degradação em
sistemas de tratamento, sendo este expresso como:
)(
1
).(
totk
SR
app
eCeCaoCCa
−−
−+=
(4.9)
em que:
C
a
= concentração de matéria orgânica (expressa como DQO);
C
SR
= concentração residual de matéria orgânica (expressa como DQO);
C
a0
= concentração inicial de matéria orgânica (expressa como DQO); e
k
1
app
= constante cinética aparente de primeira ordem.
Assim, a equação 4.9 considera que a matéria orgânica presente em solução será a
soma do total efluente (residual) e a reação/degradação da parcela até o momento do ciclo
analisado (diferença entre a concentração inicial e residual de matéria orgânica).
O modelo da equação 4.9, portanto, foi utilizado para modelagem do comportamento
cinético do reator estudado na estratégia de alimentação batelada típica. Os dados de
concentração do substrato ao longo do tempo, obtidos pelo perfil temporal realizado, foram
plotados no programa Excel e através da ferramenta solver foram ajustados no modelo não
linear correspondente à equação 4.9.
Para as condições de batelada alimentada o balanço de massa é diferente do que o
utilizado para batelada típica, pois o tempo de enchimento não pode mais ser desprezado
(quando comparado ao tempo total do ciclo). Também deve-se considerar a variação do
volume do reator em função do tempo de enchimento. Assim, o balanço de massa para os
sistemas operados em bateladas alimentadas são definidos como:
40
Q
dt
dV
=
(4.10)
VCCakCQ
dt
VCad
SR
app
aF
⋅−−−⋅=
⋅
))((
)(
1
(4.11)
)()(
1 SR
app
aF
CCakCaC
V
Q
dt
dCa
−⋅−−⋅=
(4.12)
em que:
Q = vazão de alimentação, L h
-1
; e
C
aF
= concentração de matéria orgânica na vazão de alimentação (expressa
como DQO).
Assim, o modelo da equação 4.12 foi utilizado para modelagem do comportamento
cinético do reator estudado na estratégia de alimentação batelada alimentada. Os dados de
concentração do substrato ao longo do tempo, obtidos pelo perfil temporal realizado, bem
como os outros prarâmetros necessários, foram plotados no programa Excel e através da
ferramenta solver foram ajustados no modelo não linear correspondente à equação 4.12.
41
5. RESULTADOS E DISCUSSÃO
5.1. Etapa: Partida dos Reatores
Na etapa de partida dos reatores, tanto o ASBR como o ASBBR foram monitorados
durante um período de 60 dias nos três ciclos diários (8 h cada), ou seja, no ciclo das
11h 30min às 19h 30min, no ciclo das 19h 30min às 03h 30min e no ciclo das 03h 30 min
às 11h 30min. A intensidade de agitação adotada nesta etapa foi de 60 rpm. O reator ASBR
foi operado com impelidor do tipo turbina de pás planas enquanto que o reator ASBBR foi
operado com impelidor do tipo turbina de pás inclinadas 45º.
Na Tabela 5.1 são apresentados os valores médios das variáveis monitoradas
durante a etapa de partida dos reatores ASBR e ASBBR, com intensidade de agitação igual
a 60 rpm, para os três ciclos diários. Verifica-se que, para todos os ciclos avaliados, em
média o pH efluente de ambos reatores não variaram significativamente, permanecendo
dentro da faixa ótima de estabilidade para formação de metano, ou seja, entre 6,0 e 8,0
(Chernicaro, 1996). Também é evidenciado, em ambos reatores e para todos os ciclos
avaliados, produção de alcalinidade a bicarbonato em relação ao afluente, mostrando a
existência de estabilidade no sistema, mesmo ocorrendo uma pequena produção de ácido
no reator ASBBR.
Quanto a concentração de matéria orgânica (DQO
Bruta
) do afluente, verifica-se que
esta apresenta um desvio padrão considerável, evidenciando que ocorre uma variação
expressiva da concentração de matéria orgânica do esgoto sanitário durante o período de
operação. Esta concentração de matéria orgânica está diretamente correlacionada com a
presença de sólidos no afluente, sendo também constatados valores altos de sólidos no
afluente. Constata-se que mesmo após o tratamento a concentração de sólidos no efluente
continuou alta, sendo observado que o sistema com biomassa imobilizada em suporte
inerte apresentou melhor capacidade de retenção de sólidos totais quando comparado com
o sistema com biomassa granular.
42
Tabela 5.1. Valores médios das variáveis monitoradas durante a etapa de partida (60 dias) dos reatores ASBR e ASBBR, com intensidade de
agitação igual a 60 rpm, para os três ciclos diários.
Ciclo das 11 h 30min às 19h 30min Ciclo das19 h 30min às 03h 30min Ciclo das 03 h 30min às 11h 30min
Parâmetro
Afluente
Efluente
ASBR
Efluente
ASBBR
Afluente
Efluente
ASBR
Efluente
ASBBR
Afluente
Efluente
ASBR
Efluente
ASBBR
pH 7,20 ± 0,70 7,07 ± 0,26 6,80 ± 0,19 7,05 ± 0,18 7,03 ± 0,32 6,79 ± 0,27 6,96 ± 0,20 7,12 ± 0,28 6,86 ± 0,22
DQO
Bruta
, mg L
1
590 ± 196 376 ± 133 362 ± 149 518 ± 205 413± 179 296 ± 95 133 ± 41 268 ± 135 183 ± 76
Efic. DQO
Bruta
(%) 35,4 38,6 24,4 40,0 -116,0 -42,0
DQO
Filtrada
, mg L
-1
273 ± 92 115 ± 58 197 ± 111 253 ± 116 119 ± 49 191 ± 94 55 ± 28 81 ± 50 97 ± 54
Efic. DQO
Filtrada
(%) 81,1 68,1 76,5 63,9 38,5 24,7
Alcalinidade, mgCaCO
3
/L 120 ± 19 161 ± 30 143 ± 25 115 ± 26 159 ± 24 133 ± 39 86 ± 24 162 ± 32 127 ± 34
Ácidos Voláteis, mgHAc /L 54 ± 15 44 ± 15 72 ± 26 51 ± 15 43 ± 20 72 ± 31 21 ± 6 33 ± 12 36 ± 6
ST, mg L
-1
744 ± 207 595 ± 129 561 ± 168 642 ± 152 574 ± 115 508 ± 146 400 ± 126 461 ± 119 384 ± 120
SST, mg L
-1
252 ± 121 186 ± 118 142 ± 68 163 ± 67 198 ± 133 113 ± 73 91 ± 61 169 ± 141 80 ± 51
SSV, mg L
-1
221 ± 114 166 ± 111 130 ± 60 145 ± 52 181 ± 124 100 ± 64 82 ± 60 160 ± 134 72 ± 45
43
Também é observado a grande variação da concentração de matéria orgânica no
afluente de ciclo para ciclo, sendo constatado 133 mgDQO
Bruta
/L no afluente das
03h30min, valor este igual a 22,5% da concentração de matéria orgânica na forma de DQO
no afluente do horário de 11h30min (590 mgDQO
Bruta
/L).
Comparando os dois reatores nos três ciclos avaliados verifica-se que o reator
ASBR apresentou pior eficiência de remoção de matéria orgânica bruta quando comparado
com o reator ASBBR. Porém, este comportamento se inverte quando se trata da eficiência
de remoção da matéria orgânica filtrada, sendo este fato devido a maiores concentrações de
sólidos suspensos evidenciado no efluente do ASBR, ocasionando maior concentração de
matéria orgânica na forma de DQO
Bruta
.
Comparando os três ciclos observa-se que os efluentes dos reatores nos ciclos de
11 h 30min às 19h 30min e de 19 h 30min às 03h 30min apresentaram comportamentos
similares, pois o afluente em ambos os ciclos são semelhantes, tanto nas suas
características físicas como nas químicas. Já os sistemas, ASBR e ASBBR, operados no
horário das 03h 30min às 11 h 30 min não apresentaram remoção de matéria orgânica, pois
a concentração de matéria orgânica da água residuária afluente do sistema no horário das
03h 30min é pequena. Assim, o sistema neste ciclo, ao invés de estar tratando a água
residuária, está poluindo ela ainda mais.
Na Figura 5.1 é apresentada a variação da Demanda Química de Oxigênio (DQO)
bruta do afluente e do efluente do ASBR e do ASBBR, correspondente ao ciclo de
03h 30 min às 11 h 30 min, ao longo de 60 dias de operação. Verifica-se que a
concentração de matéria orgânica do afluente tende a ser sempre inferior às concentrações
dos efluentes do ASBR e do ASBBR. Também se evidencia que a primeira e a segunda
amostra do efluente do ASBR apresentaram valores de DQO bem superiores, sendo
justificado pelo fato que nesta etapa o reator tinha acabado de iniciar a partida, momento
em que o lodo menos denso flotava e ficava na parte sobrenadante do reator, ou seja, este
lodo estava saindo junto com o efluente.
Comportamento similar ao discutido na Figura 5.1 é evidenciado na Figura 5.2, na
qual é apresentado a variação da Demanda Química de Oxigênio (DQO) filtrada do
afluente e do efluente do ASBR e do ASBBR, correspondente ao ciclo de 03h 30min a
11 h 30 min, ao longo de 60 dias de operação.
44
0
100
200
300
400
500
600
700
0 20 40 60 80 100 120 140 160 180
Número de Ciclos
DQO
Bruta
(mg
l
-1
)
Afluente Efluente (ASBR) Efluente (ASBBR)
Figura 5.1. Variação da Demanda Química de Oxigênio (DQO) bruta do afluente e do
efluente do ASBR e do ASBBR, correspondente ao ciclo de 03h 30min às
11 h 30 min, ao longo de 60 dias de operação.
0
50
100
150
200
250
300
0 20 40 60 80 100 120 140 160 180
Número de Ciclos
DQO
Filtrada
(mg
l
-1
)
Afluente Efluente (ASBR) Efluente (ASBBR)
Figura 5.2. Variação da Demanda Química de Oxigênio (DQO) filtrada do afluente e do
efluente do ASBR e do ASBBR, correspondente ao ciclo de 03h 30 min às
11 h 30 min, ao longo de 60 dias de operação.
Na Figura 5.3 é apresentada a variação da Demanda Química de Oxigênio (DQO)
bruta do afluente e do efluente do ASBR e do ASBBR, sendo que tanto o afluente como o
efluente de ambos reatores foram amostrados no mesmo horário (03h30min), ou seja,
comparou-se os valores de concentração de matéria orgânica que estava entrando e saindo
45
dos reatores no mesmo momento. Verifica-se que no horário 03h 30min o afluente tendeu
a apresentar menores concentrações de matéria orgânica quando comparado às
concentrações dos efluentes dos reatores no mesmo horário, mostrando que a concentração
de matéria orgânica que entra nos reatores é inferior à que sai dos mesmos neste horário,
pois a concentração de matéria orgânica do esgoto doméstico durante a madrugada é muito
baixa.
0
100
200
300
400
500
600
700
800
0 20 40 60 80 100 120 140 160 180
Número de Ciclos
DQO
Bruta
(mg
l
-1
)
Efluente (ASBR) Afluente Efluente (ASBBR)
Figura 5.3. Variação da Demanda Química de Oxigênio (DQO) bruta do afluente e do
efluente do ASBR e do ASBBR, sendo que tanto o afluente como o efluente de
ambos reatores foram amostrados no horário 03h30min.
Comportamento similar é evidenciado na Figura 5.4, na qual é apresentado a
variação da Demanda Química de Oxigênio (DQO) filtrada do afluente e do efluente do
ASBR e do ASBBR, sendo que tanto o afluente como o efluente de ambos reatores foram
amostrados no horário 03h30min.
Como a concentração de matéria orgânica do afluente de ambos reatores no horário
03 h 30 min tende a ser inferior à concentração de matéria orgânica do efluente do reator
no mesmo horário e como o ciclo de operação de 03 h 30 min às 11 h 30 min tende a não
remover matéria orgânica, pode-se constatar que este ciclo não apresenta benefícios ao
sistema de tratamento empregado, sendo, portanto recomendado a sua exclusão do sistema.
Assim, como recomendação, o sistema poderia ser operado por dois ciclos, sendo um de 8
horas (alimentado às 11h 30 min e descarregado às 19h 30 min) e um de 16 horas
(alimentado às 19h 30min e descarregado às 11h 30min). Estes horários de alimentação
46
dos reatores (11h 30min e 19h 30min) são recomendados devido nestes horários ocorrerem
o almoço e janta no restaurante universitário que conseqüentemente aumenta a
concentração de matéria orgânica no esgoto sanitário.
0
50
100
150
200
250
300
350
400
0 20 40 60 80 100 120 140 160 180
Número de Ciclos
DQO
Filtrada
(mg
l
-1
)
Efluente (ASBR) Afluente Efluente (ASBBR)
Figura 5.4. Variação da Demanda Química de Oxigênio (DQO) filtrada do afluente e do
efluente do ASBR e do ASBBR, sendo que tanto o afluente como o efluente de
ambos reatores foram amostrados no horário 03h30min.
5.1.1. Perda do sistema devido ao lançamento de material tóxico na rede de esgoto
Logo após transcorrido 60 dias de operação dos reator, o Laboratório de Resíduos
da Química, situado no campus da USP/EESC, despejou uma sobrecarga de material
tóxico (provavelmente cloreto férrico utilizado no tratamento de seus resíduos) que
coincidiu com o período de alimentação de ambos os reatores. O tóxico presente no
afluente desestabilizou ambos reatores (diminuiu consideravelmente a alcalinidade a
bicarbonato, produção elevada de ácidos voláteis e a não remoção de matéria orgânica),
sendo, portanto necessário a reinoculação do sistema. Vale ressaltar, que se tentou por um
período de 30 dias observar se os reatores conseguiriam recuperar a sua estabilidade,
porém foi nítida a perda de lodo no sistema e, portanto não foi possível a sua recuperação
ou esta demoraria muito. Assim, ambos reatores foram reinoculados com lodo proveniente
do reator UASB utilizado em tratamento de águas residuárias de esgoto sanitário da ETE –
USP/EESC – São Carlos, SP.
47
Outros reatores existentes na Estação de Tratamento de Esgoto da USP/EESC
também foram alimentados por este afluente contaminado. Porém, os danos não foram
fatais para estes sistemas, pois os reatores eram de fluxo contínuo. Este ocorrido mostra
uma desvantagem do sistema em batelada, pois uma vez que existe material tóxico no
afluente este fica por um período de tempo maior no sistema batelada, ocasionando
maiores danos quando comparado com o sistema de fluxo contínuo.
5.2. Influência da Intensidade de Agitação e Tipo de Impelidor
Após transcorrido o incidente da contaminação da água residuária os reatores foram
reinoculados e permaneceram 20 dias na condição de partida, para então ser iniciado o
estudo da influência da intensidade de agitação e tipo de impelidor sobre o desempenho do
ASBR e ASBBR.
5.2.1. Análise do desempenho no ASBBR
Os resultados apresentados neste item são referentes as análises do monitoramento
do reator anaeróbio operado em bateladas seqüências com biomassa imobilizada em
espuma de poliuretano (ASBBR) no ciclo de 12h30min às 20h30min e com intensidade de
agitação igual a 40 e 80 rpm.
No Quadro 5.1 são apresentados os valores médios das variáveis monitoradas
durante a operação do reator ASBBR com os três impelidores avaliados associados as duas
intensidades de agitação estudadas. Estes valores médios correspondem aos ensaios
realizados durante 21 dias para cada condição avaliada. Verifica-se que, para todas as
condições avaliadas, em média, o pH efluente não variou significativamente e, portanto,
não comprometeu o desempenho do sistema. Também, observa-se que ocorreu produção
de alcalinidade a bicarbonato em relação ao afluente, mostrando a estabilidade no sistema,
mesmo ocorrendo uma pequena produção de ácidos no ASBBR na condição com
impelidor tipo turbina de pás inclinadas.
48
Quadro 5.1. Valores médios (9 amostras para cada condição) das variáveis monitoradas durante a operação do ASBBR em batelada típica.
ASBBR
Impelidor Tipo Turbina de Pás Inclin. 45º Impelidor Tipo Turbina de Pás Planas Impelidor Hélice
40 rpm 80 rpm 40 rpm 80 rpm 40 rpm 80 rpm
Parâmetro
Afluente Efluente Afluente Efluente Afluente Efluente Afluente Efluente Afluente Efluente Afluente Efluente
pH
7,16 6,62 7,35 6,67 7,06 6,88 6,91 6,74 7,14 6,86 7,16 6,88
T (ºC)
26,7 24,9 27,8 25,9 26,1 25,2 25,8 24,6 28,4 26,5 28,9 27,2
DQO
Bruta
(mg L
-1
)
730 333 828 247 690 285 724 232 593 233 703 207
Efic. DQO
Bruta
(%)
- 53,8 - 68,5 - 56,8 - 67,4 - 59,4 - 70,2
DQO
Filtrada
(mg L
-1
)
380 201 385 165 290 156 304 144 309 144 322 156
Efic. DQO
Filtrada
(%)
- 72,2 - 79,6 - 76,5 - 80,2 - 75,0 - 77,6
AB (mgCaCO
3
L
-1
)
103 128 127 146 89 153 88 142 102 163 95 163
AVT (mgHAc L
-1
)
62,4 79,5 63,0 77,0 75,3 67,8 70,0 67,9 61,5 52,7 64,5 33,9
ST (mg L
-1
)
851 697 963 702 955 707 896 641 893 665 808 495
SST (mg L
-1
)
253 183 303 90 345 199 331 127 212 100 203 132
SSV (mg L
-1
)
208 137 269 75 273 186 278 113 167 87 158 105
49
Constata-se no Quadro 5.1 altas concentrações de sólidos no afluente e que, mesmo
após o tratamento, estas concentrações continuam altas, sendo observado que o sistema na
condição de impelidor hélice e intensidade de agitação igual a 80 rpm apresentou melhor
eficiência de remoção de sólidos totais (38,7%) quando comparado às outras condições
avaliadas.
Quanto a remoção de matéria orgânica verifica-se que em média o ASBBR
apresentou melhores eficiências com intensidade de agitação 80 rpm quando comparada
com a 40 rpm. O aumento de eficiência na remoção de DQO
Bruta
com o aoumento da
intensidade de agitação de 40 para 80 rpm foi de 14,7% para a condição de impelidor tipo
turbina de pás inclinadas 45º, 10,6% para a condição de impelidor tipo turbina de pás
planas e 10,8% para a condição de impelidor hélice. Assim, constata-se que o incremento
da intensidade de agitação de 40 para 80 rpm proporcionou uma melhoria significativa na
remoção de matéria orgânica no reator ASBBR devido a melhoria nos fluxos de
transferência de massa e, portanto, aumentou a velocidade de consumo de substrato. O
aumento da intensidade de agitação também melhorou a solubilização da matéria orgânica
particulada, o que refletiu em aumento das velocidades globais de consumo de substrato.
Vale mencionar que no momento em que ocorreu o aumento da intensidade de
agitação foi visualmente detectado no ASBBR a saída de um caldo preto das espumas,
sendo que provavelmente este líquido estava em uma zona morta do reator.
Outros parâmetros analisados no sistema foram as concentrações de sólidos totais
(ST) e sólidos totais voláteis (STV) na espuma de poliuretano do reator ASBBR, as quais
estão apresentadas na Tabela 5.2. Constata-se que as concentrações de sólidos na espuma
não apresentaram diferenças significativas com as mudanças de condições, mostrando que
não ocorreu arraste da biomassa com o aumento da intensidade de agitação.
Nas Figuras 5.5 a 5.7 são apresentadas as variações da concentração de matéria
orgânica na forma de DQO bruta ao longo do período analisado para o afluente e o efluente
do reator ASBBR, bem como a eficiência de remoção nas condições de intensidade de
agitação igual a 40 e 80 rpm e para as condições com impelidor tipo turbina de pás
inclinadas 45º, impelidor tipo turbina de pás planas e impelidor do tipo hélice,
respectivamente. Conforme já descrito, verifica-se uma tendência de aumento na eficiência
de remoção de matéria orgânica quando se aumenta a intensidade de agitação no ASBBR,
para todos os impelidores avaliados. Também é constatado a grande variação de amostra
para amostra da carga orgânica do alfuente do sistema.
50
Tabela 5.2. Sólidos totais (ST) e sólidos totais voláteis (STV) na espuma de poliuretano do
ASBBR.
Condição de operação kg ST kg suporte
-1
kgSTV kgsuporte
-1
Turbina Inc. 45º - 40 rpm 0,598 0,452
Turbina Inc. 45º - 80 rpm 0,581 0,461
Turbina Plana - 40 rpm 0,598 0,444
Turbina Plana - 80 rpm 0,575 0,466
Hélice - 40 rpm 0,591 0,455
Hélice - 80 rpm 0,602 0,448
0
100
200
300
400
500
600
700
800
900
1000
010203040
Tempo (dias)
DQO bruta (mg l
-1
)
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
Eficiência de remoção (%)
DQO bruta efluente DQO bruta afluente Eficiência de remoção
40 rpm 80 rpm
Figura 5.5. Concentração de matéria orgânica (em DQO bruta) para o afluente e o efluente
do reator ASBBR e eficiência de remoção nas condições de impelidor turbina
de pás inclinadas 45º e com intensidades de agitação de 40 e 80 rpm.
Nas Figuras 5.8 a 5.10 são apresentadas as variações da concentração de matéria
orgânica na forma de DQO filtrada ao longo do período analisado para o afluente e o
efluente do reator ASBBR, bem como a eficiência de remoção nas condições de
intensidade de agitação igual a 40 e 80 rpm e para as condições com impelidor tipo turbina
de pás inclinadas 45º, impelidor tipo turbina de pás planas e impelidor do tipo hélice,
respectivamente . Verifica-se comportamento similar ao evidenciado para a variação da
concentração de matéria orgânica na forma de DQO bruta.
51
0
200
400
600
800
1000
1200
0 10203040
Tempo (dias)
DQO bruta (mg l
-1
)
0
10
20
30
40
50
60
70
80
Eficiência de remoção (%)
DQO bruta efluente DQO bruta afluente Eficiência de remoção
40 rpm 80 rpm
Figura 5.6. Concentração de matéria orgânica (em DQO bruta) para o afluente e o efluente
do reator ASBBR e eficiência de remoção nas condições de impelidor tipo
turbina de pás planas e intensidades de agitação de 40 e 80 rpm.
0
100
200
300
400
500
600
700
800
900
010203040
Tempo (dias)
DQO bruta (mg l
-1
)
0
10
20
30
40
50
60
70
80
Eficiência de remoção (%)
DQO bruta efluente DQO bruta afluente Eficiência de remoção
40 rpm 80 rpm
Figura 5.7. Concentração de matéria orgânica (em DQO bruta) para o afluente e o efluente
do reator ASBBR e eficiência de remoção nas condições de impelidor tipo
hélice e intensidade de agitação de 40 e 80 rpm.
52
0,0
100,0
200,0
300,0
400,0
500,0
600,0
700,0
800,0
0 10203040
Tempo (dias)
DQO filtrada (mg l
-1
)
0,0
10,0
20,0
30,0
40,0
50,0
60,0
70,0
80,0
90,0
Eficiência de remoção (%)
DQO filtrada efluente DQO filtrada afluente Eficiênica de remoção
40 rpm 80 rpm
Figura 5.8. Concentração de matéria orgânica (em DQO filtrada) para o afluente e o
efluente do reator ASBBR e eficiência de remoção nas condições de
impelidor turbina de pás inclinadas 45º e com intensidades de agitação de 40
e 80 rpm.
0,0
50,0
100,0
150,0
200,0
250,0
300,0
350,0
400,0
010203040
Tempo (dias)
DQO filtrada (mg l
-1
)
0,0
10,0
20,0
30,0
40,0
50,0
60,0
70,0
80,0
90,0
100,0
Eficiência de remoção (%)
DQO filtrada efluente DQO filtrada afluente Eficiência de remoção
40 rpm 80 rpm
Figura 5.9. Concentração de matéria orgânica (em DQO filtrada) para o afluente e o
efluente do reator ASBBR e eficiência de remoção nas condições de
impelidor tipo turbina de pás planas e intensidades de agitação de 40 e
80 rpm.
53
0,0
50,0
100,0
150,0
200,0
250,0
300,0
350,0
400,0
450,0
500,0
0 10203040
Tempo (dias)
DQO filtrada (mg l
-1
)
0,0
10,0
20,0
30,0
40,0
50,0
60,0
70,0
80,0
90,0
Eficiência de remoção (%)
DQO filtrada efluente DQO filtrada afluente Eficiência de remoção
40 rpm 80 rpm
Figura 5.10. Concentração de matéria orgânica (em DQO filtrada) para o afluente e o
efluente do reator ASBBR e eficiência de remoção nas condições de
impelidor tipo hélice e intensidade de agitação de 40 e 80 rpm.
Nas Figuras 5.11 a 5.13 são apresentadas as distribuições ao longo do período de
análise da alcalinidade a bicarbonato e dos ácidos voláteis do afluente e do efluente do
reator ASBBR nas condições de intensidade de agitação igual a 40 e 80 rpm e para as
condições com impelidor tipo turbina de pás inclinadas 45º, impelidor tipo turbina de pás
planas e impelidor do tipo hélice, respectivamente . De forma geral é observado que em
todas as condições avaliadas o sistema operou de forma estável, pois ocorreu produção de
alcalinidade a bicarbonato e redução de ácidos voláteis. Apenas na condição com
impelidor tipo turbina de pás planas 45º as concentrações de ácidos no efluente tenderam a
ser superior à do afluente, porém, mesmo nesta situação ocorreu produção de alcalinidade
a bicarbonato, mostrando estabilidade operacional.
5.2.1.1. Perfis Temporais no ASBBR
Nas Figuras 5.14 a 5.16 são apresentados os perfis da concentração de matéria
orgânica (DQO
bruta
) e os respectivos perfis de eficiências de remoção ao longo do ciclo de
operação do reator ASBBR operado nas condições de intensidades de agitação iguais a 40
e 80 rpm e para as condições com impelidor tipo turbina de pás inclinadas 45º, impelidor
tipo turbina de pás planas e impelidor do tipo hélice, respectivamente .
54
0
20
40
60
80
100
120
140
160
180
200
0 10203040
Tempo (dias)
Alcalinidade (mgCaCO
3
l
-1
)
0
20
40
60
80
100
120
140
160
Ácidos Voláteis (mg l
-1
)
Alcalinidade Afluente Alcalinidade Efluente
Ácidos Afluente Ácidos Efluente
40 rpm 80 rpm
Figura 5.11. Variação da alcalinidade à bicarbonato e ácidos voláteis afluente e efluente do
reator ASBBR operado nas condições de impelidor tipo turbina de pás
inclinadas 45º e com intensidades de agitação de 40 e 80 rpm.
0
20
40
60
80
100
120
140
160
180
200
010203040
Tempo (dias)
Alcalinidade (mgCaCO
3
l
-1
)
0
20
40
60
80
100
120
140
Ácidos Voláteis (mg l
-1
)
Alcalinidade Afluente Alcalinidade Efluente
Ácidos Afluente Ácidos Efluente
40 rpm 80 rpm
Figura 5.12. Variação da alcalinidade à bicarbonato e ácidos voláteis afluente e efluente do
reator ASBBR operado com impelidor tipo turbina de pás planas e
intensidades de agitação de 40 e 80 rpm.
55
0
20
40
60
80
100
120
140
160
180
200
0 10203040
Tempo (dias)
Alcalinidade (mgCaCO
3
l
-1
)
0
10
20
30
40
50
60
70
80
Ácidos Voláteis (mg l
-1
)
Alcalinidade Afluente Alcalinidade Efluente
Ácidos Afluente Ácidos Efluente
40 rpm 80 rpm
Figura 5.13. Variação da alcalinidade à bicarbonato e ácidos voláteis afluente e efluente do
reator ASBBR operado nas condições de impelidor tipo hélice e intensidade de
agitação de 40 e 80 rpm.
(a)
0
100
200
300
400
500
600
700
01234567
Tempo (horas)
DQO
bruta
(mg l
-1
)
40 rpm
0
10
20
30
40
50
60
70
01234567
Tempo (h)
Eficiência (%)
40 rpm
(b)
0
100
200
300
400
500
600
700
800
01234567
Tempo (horas)
DQO
bruta
(mg l
-1
)
80 rpm
0
10
20
30
40
50
60
70
80
01234567
Tempo (h)
Eficiência (%)
80 rpm
Figura 5.14. Perfil da concentração de matéria orgânica (DQO
bruta
) e os respectivos perfis
de eficiências de remoção ao longo do ciclo de operação do reator ASBBR nas
condições de impelidor tipo turbina de pás inclinadas 45º e intensidades de
agitação iguais a 40 rpm (a) e 80 rpm (b).
56
(a)
0
50
100
150
200
250
300
350
400
450
500
01234567
Tempo (h)
DQO
Bruta
(mg
l
-1
)
40 rpm
0
10
20
30
40
50
60
70
01234567
Tempo (h)
Eficiência (%)
40 rpm
(b)
0
100
200
300
400
500
600
01234567
Tempo (h)
DQO
Bruta
(mg
l
-1
)
80 rpm
0
10
20
30
40
50
60
70
80
01234567
Tempo (h)
Eficiência (%)
80 rpm
Figura 5.15. Perfil da concentração de matéria orgânica (DQO
bruta
) e os respectivos perfis
de eficiências de remoção ao longo do ciclo de operação do reator ASBBR
operado nas condições de impelidor tipo turbina de pás planas e intensidades
de agitação iguais a 40 rpm (a) e 80 rpm (b).
Analisando as Figuras 5.14 a 5.16 constata-se que quando o sistema estava sendo
operado com intensidade de agitação igual a 80 rpm o incremento da eficiência de remoção
ao longo do tempo, principalmente nas duas primeira horas, foi nitidamente superior
quando comparado a intensidade de agitação igual a 40 rpm. Comparando verifica-se que
para a condição com impelidor tipo turbina de pás inclinadas 45º na terceira hora do ciclo o
sistema com 80 rpm já tinha alcançado eficiência de remoção igual a 62% enquanto no
mesmo momento o sistema com 40 rpm apresentava eficiência de remoção de 47%.
Comportamento similar é evidenciado para a condição do impelidor tipo turbina de pá
plana, em que na terceira hora do ciclo o sistema com 80 rpm apresentava eficiência de
remoção igual a 70% enquanto que na condição de 40 rpm a eficiência estava igual a 49%.
Este fato também pode ser observado no perfil da concentração de matéria orgânica
(DQO
Bruta
), onde é constatado visualmente uma velocidade de consumo de substrato bem
superior nas condições de intensidade de agitação igual a 80 rpm quando comparado com a
de 40 rpm. Tal comportamento pode ser confirmado com o ajuste cinético, conforme é
57
apresentado na Tabela 5.3. Observa-se que o aumento da intensidade de agitação
ocasionou em maiores valores da constante cinética de primeira ordem (K
1
app
), mostrando
que o aumento da intensidade de agitação ocasionou melhoria nos fluxos de transferência
de massa e, portanto, aumentou a velocidade de consumo de substrato.
(a)
0
100
200
300
400
500
600
01234567
Tempo (h)
DQO
Bruta
(mg
l
-1
)
40 rpm
0
10
20
30
40
50
60
70
80
01234567
Tempo (h)
Eficiência (%)
40 rpm
(b)
0
100
200
300
400
500
600
700
01234567
Tempo (h)
DQO
Bruta
(mg
l
-1
)
80 rpm
0
10
20
30
40
50
60
70
80
01234567
Tempo (h)
Eficiência (%)
80 rpm
Figura 5.16. Perfil da concentração de matéria orgânica (DQO
bruta
) e os respectivos perfis
de eficiências de remoção ao longo do ciclo de operação do reator ASBBR
nas condições de impelidor tipo hélice e intensidade de agitação 40 rpm (a) e
80 rpm (b).
Tabela 5.3. Parâmetros cinéticos ajustados pelo modelo cinético de primeira ordem com
concentração residual de substrato aos perfis temporais monitorados.
Condição de operação K
1
app
(h
-1
) C
SR
(mg/L) r
2
Turb. Inc. 45º - 40rpm 0,412 296,3 0,968
Turb. Inc. 45º - 80rpm 0,456 244,0 0,971
Turb. Plana - 40rpm 0,314 207,8 0,992
Turb. Plana - 80rpm 1,020 258,9 0,983
Hélice – 40 rpm 0,632 227,2 0,913
Hélice – 80 rpm 1,053 257,4 0,968
58
Também é constatado que os modelos cinéticos apresentaram um bom ajuste
(coeficientes de correlação – r
2
– superior a 0,90) para todas as condições avaliadas no
ASBBR, sendo também constatado que a concentração residual (C
SR
) estimada do modelo
foi próxima da obtida experimentalmente (conforme apresentado na Tabela 5.4),
mostrando, novamente o bom ajuste do modelo.
Tabela 5.4. Concentração residual de substrato experimental (C
SR-exp
) e obtido pelo modelo
cinético (C
SR-mod
), bem como o erro relativo (ER).
Condição de operação C
SR-exp
(mg/L) C
SR-mod
(mg/L) ER (%)
Turb. Inc. 45º - 40rpm 305,4 296,3 3,0
Turb. Inc. 45º - 80rpm 271,5 244,0 10,1
Turb. Plana - 40rpm 248,2 207,8 16,2
Turb. Plana - 80rpm 248,6 258,9 4,1
Hélice – 40 rpm 209,2 227,2 8,6
Hélice – 80 rpm 251,3 257,4 2,4
Vela (2006) avaliou reator anaeróbio (1,2 m
3
), operado em batelada seqüencial,
com agitação mecânica para tratamento de esgoto sanitário (mesmo utilizado no presente
trabalho), sendo que reator continha biomassa imobilizada em espuma de poliuretano
(ASBBR). O ajuste cinético apresentou constante cinética de primeira ordem (K
1
app
) igual
a 0,467 h
-1
para o ASBBR quando aplicado com intensidade de agitação igual a 50 rpm.
Repare que o valor obtido por Vela (2006) se aproxima dos obtidos para a condição de
intensidade de agitação igual a 40 rpm.
Cavalhero (2006), em trabalho realizado para a mesma água residuária do presente
trabalho, porém com reator ASBBR em escala de bancada (10 L) obteve os parâmetros
concentração residual (C
SR
) igual a 165,34 mg/L e constante cinética de primeira ordem
(K
1
app
) igual a 1,32 h
-1
, ou seja, o sistema em bancada apresentou uma tendência de taxa de
consumo de substrato superior ao da escala piloto, pois a constante K
1
app
foi superior e o
parâmetro C
SR
foi menor ao obtido no presente trabalho. Já Garcia (2006), também
utilizando ASBBR em escala de bancada e água residuária esgoto sanitário, obteve o
coeficiente cinético aparente de primeira ordem para degradação da matéria orgânica total
de 0,52 h
-1
(intensidade de agitação igual a 300rpm).
Nas Figuras 5.17 a 5.19 são apresentados os perfis da concentração de ácidos
voláteis por cromatografia ao longo do ciclo de operação do reator ASBBR nas condições
59
de intensidades de agitação iguais a 40 e 80 rpm e para as condições com impelidor tipo
turbina de pás inclinadas 45º, impelidor tipo turbina de pás planas e impelidor do tipo
hélice, respectivamente. Observa-se que apenas os ácidos acético e propiônico foram
diagnosticado na amostra, sendo constatado que o ácido acético apresentou maiores
concentrações e que este tende a aumentar até aproximadamente 50% do ciclo e declinar
após este período.
5.2.1.2. Influência do Tipo de Impelidor no ASBBR
Conforme descrito no item 5.2.1 a intensidade de agitação igual a 80 rpm
proporcionou melhor desempenho no reator ASBBR quando comparado com a intensidade
de agitação igual a 40 rpm. Assim, a análise da influência do tipo de impelidor no
desempenho do reator ASBBR será baseada nos dados que apresentaram melhores
desempenho no sistema, ou seja, com intensidade de agitação igual a 80 rpm.
Ressalta-se que a avaliação da influência do tipo de impelidor fica prejudicada pelo
fato das características do afluente variarem de ciclo para ciclo. Assim, quando um tipo de
impelidor foi substituído por outro, não só esta condição foi modificada, pois a água
residuária afluente também apresentou características físicas e químicas diferentes.
Na Tabela 5.5 é apresentado alguns parâmetros escolhidos para auxiliar na análise
da influência do tipo de impelidor no desempenho do ASBBR para as condições de
intensidade de agitação igual a 80 rpm. O parâmetro produção de alcalinidade a
bicarbonato representa a diferença da alcalinidade do efluente em relação ao afluente,
sendo seguido o mesmo raciocínio para o parâmetro produção de ácidos voláteis. Assim,
caso o parâmetro produção de ácidos voláteis for igual a 0 (zero) significa que o efluente
apresentou concentração de ácidos voláteis inferior à do afluente.
Observa-se na Tabela 5.5 que as eficiências de remoção de matéria orgânica, tanto
na forma de DQO bruta como na filtrada, não apresentaram diferenças significativas com a
mudança do tipo de impelidor. Porém, a eficiência de remoção de sólidos totais foi
superior na condição com impelidor do tipo hélice (38,7%), seguida dos impelidores do
tipo turbina de pá plana (28,4%) e pá inclinada (27,1%).
Quanto a alcalinidade observa-se que ocorreu produção de alcalinidade a
bicarbonato no sistema nas três condições avaliadas, sendo evidenciado que a maior
produção ocorreu na condição operada com impelidor hélice. Já para a produção de ácidos
voláteis somente a condição operada com impelidor do tipo turbina de pá inclinada
60
(a)
0
10
20
30
40
50
60
70
01234567
Tempo (h)
Ácidos Voláteis (mg
l
-1
)
Acético Propiônico
40 rpm
(b)
0
10
20
30
40
50
60
70
80
01234567
Tempo (h)
Ácidos Voláteis (mg
l
-1
)
Acético Propiônico
80 rpm
Figura 5.17. Perfil da concentração de ácidos voláteis por cromatografia ao longo do ciclo
de operação do reator ASBBR nas condições de impelidor tipo turbina de pás
inclinadas 45º e intensidades de agitação iguais a 40 rpm (a) e 80 rpm (b).
(a)
0
10
20
30
40
50
60
01234567
Tempo (h)
Ácidos Voláteis (mg
l
-1
)
Acético Propiônico
40 rpm
(b)
0
10
20
30
40
50
60
70
01234567
Tempo (h)
Ácidos Voláteis (mg
l
-1
)
Acético Propiônico
80 rpm
Figura 5.18. Perfil da concentração de ácidos voláteis por cromatografia ao longo do ciclo
de operação do reator ASBBR nas condições de impelidor tipo turbina de pás
planas e intensidades de agitação iguais a 40 rpm (a) e 80 rpm (b).
(a)
0
5
10
15
20
25
30
35
40
01234567
Tempo (h)
Ácidos Voláteis (mg
l
-1
)
Acético Propiônico
40 rpm
(b)
0
10
20
30
40
50
60
01234567
Tempo (h)
Ácidos Voláteis (mg
l
-1
)
Acético Propiônico
80 rpm
Figura 5.19. Perfil da concentração de ácidos voláteis por cromatografia ao longo do ciclo
de operação do reator ASBBR nas condições de impelidor tipo hélice e
intensidades de agitação iguais a 40 rpm (a) e 80 rpm (b).
61
apresentou ganho de concentração de ácidos voláteis no efluente em relação ao afluente,
porém esta produção de ácidos é considerada pequena. Assim, pode-se concluir que para as
três condições analisadas ocorreu estabilidade do sistema.
Tabela 5.5. Parâmetros obtidos nas análises do ASBBR com intensidade de agitação igual
a 80 rpm.
Impelidor
Parâmetro
Turbina de Pá Inclinada Turbina de Pá Plana Hélice
Efic. DQO
Bruta
(%) 68,5 67,4 70,2
Efic. DQO
Filtrada
(%)
1
79,6 80,2 77,6
Produção de Alcalinidade, mgCaCO
3
L
-1
18,9 54,3 68,1
Produção de Ácidos Voláteis,mgHAc L
-1
14,0 0 0
Efic. ST (%) 27,1 28,4 38,7
K
1
app
(h
-1
) 0,456 1,020 1,053
Na análise da constante cinética (
K
1
app
) verifica-se que os impelidores do tipo hélice
e turbina de pás planas apresentaram valores de
K
1
app
superiores ao evidenciado para a
condição com impelidor do tipo turbina de pá inclinada, mostrando que o impelidor do tipo
turbina de pá inclinada não apresentou boas condições de fluxo de transferência de massa
quando comparado com os outros tipos de impelidores. Porém, estes resultados não
indicaram tendência em relação ao fluxo de escoamento, pois os impelidores que possuem
fluxo axial (hélice e turbina de pá inclinada) apresentaram comportamento oposto. Já os
impelidores que apresentam fluxos de escoamento diferentes (hélice e turbina de pá plana),
sendo um de fluxo axial e o outro radial, apresentaram comportamentos cinéticos
semelhantes.
Portanto, a partir dos dados apresentados na Tabela 5.5 evidencia-se que o
impelidor do tipo hélice apresentou algumas vantagens em relação aos outros impelidores
quando operados no ASBBR, tais como: melhor eficiência de remoção de sólidos, maior
valor da constante cinética de primeira ordem (melhor fluxo de transferência de massa e
consequentemente maior consumo de substrato); e maior produção de alcalinidade, ou seja,
maior estabilidade para o sistema. Este fato pode ser justificado pelo fato do impelidor tipo
hélice promover escoamento axial no sistema.
62
5.2.1.3. Análise do desempenho no ASBBR – Draft Tube
Após avaliar as seis condições experimentais, chegou-se a conclusão de que a
combinação que apresentou melhor desempenho no sistema ASBBR foi a intensidade de
agitação igual a 80 rpm e impelidor do tipo hélice. Assim, como o aumento da intensidade
de agitação de 40 para 80 rpm proporcionou uma melhora significativa no desempenho do
sistema decidiu-se realizar análise com intensidade de agitação superior a 80 rpm para
verificar o comportamento do ASBBR. Logo, optou-se por estudar o ASBBR nas seguintes
condições: intensidade de agitação igual a 120 rpm e impelidor do tipo hélice, sendo
também inserido na configuração do reator o sistema draft tube.
Na Tabela 5.6 são apresentados os valores médios das variáveis monitoradas
durante a operação do reator ASBBR nas condições de batelada comum e draft tube, com
impelidor tipo hélice e intensidades de agitação iguais a 80 e 120 rpm. Verifica-se que,
para todas as condições, inclusive para a intensidade de agitação igual a 120 rpm, em
média, o pH efluente não variou significativamente e, portanto, não comprometeu o
desempenho do sistema. Também, observa-se que ocorreu produção de alcalinidade a
bicarbonato em relação ao afluente, e redução da concentração de ácidos, mostrando a
estabilidade no sistema em todas as condições estudadas.
Quanto as concentrações de sólidos totais (ST) e sólidos totais voláteis (STV) na
espuma de poliuretano do reator ASBBR na condição batelada comum e intensidade de
agitação igual a 120 rpm foi constatado 0,576 kg ST kg suporte
-1
e
0,411 kgSTV kgsuporte
-1
, mostrando que não ocorreu arraste da biomassa com o aumento
da intensidade de agitação, pois estes valores estão próximos aos obtidos nas outras
condições avaliadas (Tabela 5.2). Este comportamento foi oposto ao evidenciado por Vela
(2006), onde foi constatado arraste da biomassa quando o sistema ASBBR (configuração
similar ao utilizado neste trabalho) passou a ser operado com intensidade de agitação igual
a 100 rpm.
Comparando o sistema quando operado em batelada comum e batelada com draft
tube com a mesma intensidade de agitação (80 rpm) constata-se que o incremento do draft
tube não melhorou a eficiência de remoção de matéria orgânica, sendo este fato justificado
pelo incremento da perda de carga no sistema com a colocação do draft-tube, dificultando
a homogeneização do líquido em todo o reator. Porém, quando a intensidade de agitação é
aumentada para 120 rpm, constata-se uma pequena melhora na eficiência de remoção de
63
Tabela 5.6. Valores médios (9 amostras) das variáveis monitoradas durante a operação do reator ASBBR nas seguintes condições: batelada típica
(80rpm), batelada típica com draft tube (80rpm) e batelada típica com draft tube (120 rpm).
ASBBR
Batelada Típica (80 rpm) Batelada Típica (120 rpm) Draft tube (80rpm) Draft tube (120rpm)
Parâmetro
Afluente Efluente Afluente Efluente Afluente Efluente Afluente Efluente
pH 7,16 ± 0,08 6,88 ± 0,05 7,01 ± 0,15 6,89 ± 0,19 7,25 ± 0,09 7,03 ± 0,09 7,07 ± 0,17 6,94 ± 0,08
T (ºC) 24,3 ± 1,1 23,4 ± 1,9 25,2 ± 1,4 24,4 ± 1,3 27,2 ± 1,4 26,4 ± 1,3 29,3 ± 1,60 28,4 ± 1,06
DQO
Bruta
, mg L
-1
703 ± 97 207 ± 13 715 ± 161 184 ± 104 815 ± 183 339 ± 104 794 ± 16 214 ± 34
Efic. DQO
Bruta
(%) - 70,2 - 73,9 - 56,3 - 74,5
DQO
Filtrada
, mg L
-1
322 ± 23 156 ± 22 352 ± 119 141 ± 91 361 ± 108 205 ± 87 396 ± 93 155 ± 29
Efic. DQO
Filtrada
(%) - 77,6 - 80,5 - 71,0 - 81,2
Alcalinidade, mgCaCO
3
L
-1
95,3 ± 9,0 163,4 ± 10,1 154,6 ± 7,1 205,1 ± 18,1 174,6 ± 9,2 185,1 ± 8,1 161,2 ± 18,3 210,4 ± 18,1
Ácidos Voláteis, mgHAc L
-1
64,5 ± 5,1 33,9 ± 7,7 59,2 ± 8,3 34,3 ± 17,0 51,6 ± 9,3 36,1 ± 19,0 59,3 ± 7,7 33,5 ± 8,9
ST, mg L
-1
808 ± 54 495 ± 56 793 ± 352 394 ± 191 654 ± 252 324 ± 212 898 ± 134 598 ± 151
SST, mg L
-1
203 ± 31 132 ± 21 257 ± 132 108 ± 81 355 ± 145 114 ± 85 395 ± 104 301 ± 51
SSV, mg L
-1
158 ± 29 105 ± 21 194 ± 94 91 ± 36 274 ± 101 101 ± 54 245 ± 88 198 ± 47
64
matéria orgânica na forma de DQO em virtude de uma maior homogeneização do líquido
no reator. Ressalta-se que como o cesto de retenção da biomassa está próximo do
impelidor e como as espumas ocupam o espaço todo do cesto, considera-se que este vão no
centro do cesto se assemelha a um draft tube, pois o caminho preferencial do liquido será ir
para o fundo do reator devido a grande barreira encontrada nas espumas.
Quanto a remoção de matéria orgânica, verifica-se que o aumento da intensidade de
agitação de 80 para 120 rpm, tanto na batelada comum como no draft tube, melhorou a
eficiência de remoção de matéria orgânica na forma de DQO
Bruta
, porém este incremento
não foi muito significativo. Assim, conclui-se que o aumento do custo de energia para
passar da intensidade de agitação de 80 para 120 rpm não é justificado pelo pequeno
aumento da eficiência de remoção.
Nas Figuras 5.20 e 5.21 são apresentados os perfis da concentração de matéria
orgânica (DQO
bruta
) e os respectivos perfis de eficiências de remoção ao longo do ciclo de
operação do reator ASBBR operado nas condições de intensidades de agitação iguais a 80
e 120 rpm com e sem o sistema Draft Tube, respectivamente.
(a)
0
100
200
300
400
500
600
700
01234567
Tempo (h)
DQO
Bruta
(mg
l
-1
)
80 rpm
0
10
20
30
40
50
60
70
80
01234567
Tempo (h)
Eficiência (%)
80 rpm
(b)
0
100
200
300
400
500
600
700
800
01234567
Tempo (h)
DQO
Bruta
(mg l
-1
)
120 rpm
0
10
20
30
40
50
60
70
80
01234567
Tempo (h)
Eficiência (%)
120 rpm
Figura 5.20. Perfil da concentração de matéria orgânica (DQO
bruta
) e os respectivos perfis
de eficiências de remoção ao longo do ciclo de operação do reator ASBBR
nas condições de impelidor tipo hélice e intensidade de agitação 80 rpm (a) e
120 rpm (b).
65
(a)
0
100
200
300
400
500
600
700
01234567
Tempo (h)
DQO
Bruta
(mg l
-1
)
80 rpm - Draft Tube
0
10
20
30
40
50
60
01234567
Tempo (h)
Eficiência (%)
80 rpm - Draft Tube
(b)
0
100
200
300
400
500
600
700
800
01234567
Tempo (h)
DQO
Bruta
(mg l
-1
)
120 rpm - Draft Tube
0
10
20
30
40
50
60
70
80
01234567
Tempo (h)
Eficiência (%)
120 rpm - Draft Tube
Figura 5.21. Perfil da concentração de matéria orgânica (DQO
bruta
) e os respectivos perfis
de eficiências de remoção ao longo do ciclo de operação do reator ASBBR
com Draft Tube nas condições de impelidor tipo hélice e intensidade de
agitação 80 rpm (a) e 120 rpm (b).
Na Tabela 5.7 é apresentado os parâmetros do modelo cinético ajustado aos perfis
temporais de concentração de matéria orgânica (DQO
Bruta
) nas condições de intensidades
de agitação 80 e 120 rpm com e sem o sistema Draft Tube. Observe que o aumento da
intensidade de agitação melhorou os fluxos de transferência de massa, ou seja, aumentou a
velocidade de consumo de substrato, pois o parâmetro cinético K
1
app
aumentou com o
aumento da intensidade de agitação. Este comportamento está evidenciado na forma de
gráficos apresentado nos perfis temporais (Figuras 5.20 e 5.21).
Tabela 5.7. Parâmetros cinéticos ajustados pelo modelo cinético de primeira ordem com
concentração residual de substrato aos perfis temporais monitorados.
Condição de operação K
1
app
(h
-1
) C
SR
(mg/L) r
2
Hélice – 80 rpm 1,053 257,4 0,968
Hélice – 120 rpm 1,147 249,6 0,986
Hélice – 80 rpm (Draft Tube) 0,983 382,0 0,978
Hélice – 120 rpm (Draft Tube) 1,156 236,5 0,989
66
Observe nos perfis temporais que o aumento da intensidade de agitação de 80 para
120 rpm no sistema Draft Tube proporcionou uma melhora significatica no desempenho do
tratamento, pois com três horas de ciclo a eficiência do tratamento no sistema com
intensidade de agitação igual a 120 rpm já atingido 68%, enquanto que no mesmo
momento o sistema com intensidade de agitação igual a 80 rpm a eficiência estava igual a
53%.
Comparando os sistemas, batelada típica com intensidade de agitação igual a
120 rpm, com e sem Draft Tube, constata-se que não houve diferença estatística
considerável, sendo, portanto, concluído que o Draft Tube não trouxe melhoria no
desempenho do sistema para estas intensidades de agitação avaliadas. Já, conforme já
descrito, comparando o sistema sem Draft Tube com intensidade de agitação de 80 e
120 rpm, conclui-se que aumento do custo de energia para passar da intensidade de
agitação de 80 para 120 rpm não é justificado pelo pequeno aumento da eficiência de
remoção.
5.2.2. Análise do desempenho no ASBR
Neste item será apresentado as variáveis monitoradas no reator anaeróbio operado
em bateladas seqüências com biomassa granular (ASBR), durante o ciclo das 12h 30min às
20h 30min, e com intensidades de agitação iguais a 40 e 80 rpm.
No Quadro 5.2 são apresentados os valores médios das variáveis monitoradas
durante a operação do reator ASBR com os três impelidores avaliados associados as duas
intensidades de agitação estudadas. Estes valores médios correspondem aos ensaios
realizados durante 21 dias para cada condição avaliada. Verifica-se que, na primeira
condição de intensidade de agitação igual a 80 rpm (impelidor tipo turbina de pás planas) o
valor médio do pH do efluente apresentou uma pequena queda, devido a redução da
alcalinidade a bicarbonato em relação ao afluente e o aumento da concentração de ácidos
voláteis, mostrando uma desestabilização do sistema, proporcinada por um aumento da
intensidade de agitação de 40 para 80 rpm.
Ainda na condição com impelidor tipo turbina de pás planas, porém com
intensidade de agitação igual a 40 rpm, verifica-se que o sistema apresentou produção de
alcalinidade e redução da concentração de ácidos, o que mostra que o reator ASBR estava
operando de forma estável. Quanto a eficiência de remoção também evidencia-se um valor
67
Quadro 5.2. Valores médios (9 amostras para cada condição) das variáveis monitoradas durante a operação do ASBR em batelada típica.
ASBR
Impelidor Tipo Turbina de Pás Planas Impelidor Hélice Impelidor Tipo Turbina de Pás Inclin. 45º
40 rpm 80 rpm 40 rpm 80 rpm 40 rpm 80 rpm
Parâmetro
Afluente Efluente Afluente Efluente Afluente Efluente Afluente Efluente Afluente Efluente Afluente Efluente
pH
7,16 6,77 7,35 6,49 7,06 6,61 6,91 6,71 7,14 6,79 7,16 6,84
T (ºC)
26,7 25,2 27,8 25,4 26,1 25,6 25,8 24,9 28,4 27,1 28,9 27,6
DQO
Bruta
(mg L
-1
)
730 221 829 345 690 336 724 347 593 323 703 400
Efic. DQO
Bruta
(%)
- 69,0 - 57,1 - 49,7 - 51,5 - 44,5 - 42,6
DQO
Filtrada
(mg L
-1
)
380 143 385 214 290 214 304 184 310 192 322 225
Efic. DQO
Filtrada
(%)
- 80,1 - 73,6 - 67,9 - 74,6 - 66,5 - 67,7
AB (mgCaCO
3
L
-1
)
103 128 127 92 89 104 88 118 102 127 95 105
AVT (mgHAc L
-1
)
62,4 58,7 63,0 108,7 75,3 104,9 70,0 88,5 61,5 77,7 64,5 83,4
ST (mg L
-1
)
852 596 964 706 955 630 896 588 893 757 808 667
SST (mg L
-1
)
253 128 303 147 345 155 331 252 212 166 203 165
SSV (mg L
-1
)
207 104 269 126 273 145 278 228 167 131 158 129
68
considerado bom (comparado ao máximo alcançado no ASBBR) e que após o aumento da
intensidade de agitação esta eficiência de remoção caiu consideravelmente.
Assim, comparando o sistema quando operado com impelidor tipo turbina de pás
planas e submetido a diferentes intensidades de agitação constata-se que quando ocorre o
incremento da intensidade de agitação de 40 para 80 rpm o reator ASBR tende a certa
desestabilização, pois o pH do seu sistema diminuiu, ocorreu redução da alcalinidade à
bicarbonato em relação ao afluente, ocorreu produção de ácidos voláteis e ocorreu redução
de remoção de matéria orgânica. Este fato ocorreu, provavelmente, por causa da ruptura
dos grânulos provocada pela maior agitação.
Ressalta-se que a operação na condição de intensidade de 40 rpm e impelidor do
tipo hélice foi realizada logo após a operação na condição com impelidor tipo turbina de
pás planas e com intensidade de agitação igual a 80 rpm, a qual ocasionou uma
desestabilização no sistema. Porém, ressalta-se que nesta condição (hélice e 40rpm) voltou
a ocorrer produção de alcalinidade a bicarbonato em relação ao afluente, fato este
favorável ao equilíbrio do sistema. No entanto, ocorreu considerável produção de ácidos
voláteis e a eficiência do sistema ficou significativamente inferior ao obtido na primeira
condição experimental.
Uma análise visual da parte superior do sistema durante a etapa para a condição
impelidor tipo hélice e com intensidade de agitação igual a 40 rpm mostra a formação de
uma camada espessa de material sólido na parte superior do reator. Esta camada surgiu
após o término da condição anterior a esta, ou seja, após a ruptura dos grânulos e como a
nova condição utilizava baixa rotação, os grânulos destruídos flotaram formando uma
camada na parte superior do reator. Na Figura 5.22 é apresentado fotografia da camada
espessa formada na parte superior do reator ASBR devido a ruptura dos grânulos ocorrida
com o aumento da intensidade de agitação na condição experimental para 80 rpm.
Analisando a condição experimental subseqüente, ou seja, impelidor tipo hélice e
intensidade de agitação igual a 80rpm, verifica-se que em média ocorreu produção de
alcalinidade a bicarbonato em relação ao afluente, fato este favorável ao equilíbrio do
sistema. Quanto a produção de ácidos voláteis observa-se que houve produção, porém
menor que na condição com intensidade de agitação igual a 40 rpm e impelidor tipo hélice,
mostrando que o sistema está tendendo a uma recuperação.
69
Figura 5.22. Camada espessa formada na parte superior do ASBR devido a ruptura dos
grânulos ocorrida com o aumento da intensidade de agitação.
Comparando as condições de intensidades de agitação iguais a 40 e 80 rpm para o
impelidor tipo hélice, constata-se que com o aumento da intensidade de agitação ocorreu
melhoria na eficiência de remoção de matéria orgânica, sendo evidenciadas eficiências
para a condição de 80 rpm de 51,5% para a DQO
Bruta
e 74,6% para a DQO
Filtrada
.O fator
que pode ter contribuído neste ganho de eficiência é que com o aumento da intensidade de
agitação a camada espessa formada na parte superior do reator foi desfeita com a força de
arraste provocada pela agitação e estes microrganismos presentes nesta camada voltaram a
interagir com o sistema.
Já para as duas últimas condições avaliadas (impelidor do tipo turbina de pás
inclinadas 45º) constata-se que em média ocorreu produção de alcalinidade a bicarbonato
em relação ao afluente, porém o sistema continuou apresentando um aumento na
concentração de ácidos voláteis. Comparando as condições de intensidades de agitação
iguais a 40 e 80 rpm, constata-se que com o aumento da intensidade de agitação não
proporcionou diferenças significativas na eficiência de remoção de matéria orgânica.
Porém, com o aumento da intensidade de agitação para 80 rpm ocorreu, em média, menor
produção de alcalinidade e maior produção de ácidos voláteis. Assim, o aumento da
intensidade de agitação de 40 para 80 rpm na condição de impelidor tipo turbina de pás
inclinadas 45º tendeu a desestabilizar o sistema.
70
Outros parâmetros analisados no sistema ASBR foram as concentrações de sólidos
totais (ST) e sólidos totais voláteis (STV) na massa de lodo do reator ASBR no final das
condições com intensidades de agitação iguais a 40 e 80 rpm, as quais estão apresentadas
na Tabela 5.8. Constata-se que o aumento da intensidade de agitação de 40 para 80 rpm foi
excessiva para o ASBR, causando ruptura dos grânulos e resultando perda de biomassa do
sistema.
Tabela 5.8. Sólidos totais (ST) e sólidos totais voláteis (STV) na massa de lodo do ASBR.
Condição de operação g ST L
-1
g STV L
-1
Turbina Plana - 40 rpm 12,6 9,8
Turbina Plana - 80 rpm 10,1 7,9
Hélice - 40 rpm 10,4 7,8
Hélice - 80 rpm 10,2 8,2
Turbina Inc. 45º - 40 rpm 9,8 8,0
Turbina Inc. 45º - 80 rpm 8,9 7,3
Nas Figuras 5.23 a 5.25 são apresentadas as variações da concentração de matéria
orgânica na forma de DQO bruta ao longo do período analisado para o afluente e o efluente
do reator ASBR, bem como a eficiência de remoção nas condições de intensidade de
agitação igual a 40 e 80 rpm e para as condições com impelidor tipo turbina de pás planas,
impelidor do tipo hélice e impelidor tipo turbina de pás inclinadas 45º, respectivamente .
Conforme já descrito, novamente verifica-se uma tendência de perda de eficiência na
remoção de matéria orgânica quando foi aumentada a intensidade de agitação no ASBR.
Nas Figuras 5.26 a 5.28 são apresentadas as variações da concentração de matéria
orgânica na forma de DQO filtrada ao longo do período analisado para o afluente e o
efluente do reator ASBR, bem como a eficiência de remoção nas condições de intensidade
de agitação igual a 40 e 80 rpm e para as condições com impelidor tipo turbina de pás
planas, impelidor do tipo hélice e impelidor tipo turbina de pás inclinadas 45º,
respectivamente. Verifica-se comportamento similar ao evidenciado para a variação da
concentração de matéria orgânica na forma de DQO bruta.
Nas Figuras 5.29 a 5.31 são apresentadas as distribuições ao longo do período de
análise da alcalinidade a bicarbonato e dos ácidos voláteis do afluente e do efluente do
reator ASBR nas condições de intensidade de agitação igual a 40 e 80 rpm e para as
condições com impelidor tipo turbina de pás planas, impelidor do tipo hélice e impelidor
71
tipo turbina de pás inclinadas 45º, respectivamente. Verifica-se que após o aumento da
intensidade de agitação a alcalinidade do sistema decresce e os ácidos aumentam,
mostrando uma certa desestabilidade no sistema, provavelmente por causa da ruptura dos
grânulos provocada pela maior agitação.
0
200
400
600
800
1000
1200
0 10203040
Tempo (dias)
DQO bruta (mg l
-1
)
0
10
20
30
40
50
60
70
80
Eficiência de remoção (%)
DQO bruta efluente DQO bruta afluente Eficiência de remoção
40 rpm 80 rpm
Figura 5.23. Concentração de matéria orgânica (em DQO bruta) para o afluente e o
efluente do reator ASBR e eficiência de remoção nas condições de impelidor
tipo turbina de pás planas e intensidades de agitação de 40 e 80 rpm.
0
200
400
600
800
1000
1200
0 10203040
Tempo (dias)
DQO bruta (mg l
-1
)
0
10
20
30
40
50
60
70
Eficiência de remoção (%)
DQO bruta efluente DQO bruta afluente Eficiência de remoção
40 rpm 80 rpm
Figura 5.24. Concentração de matéria orgânica (em DQO bruta) para o afluente e o
efluente do reator ASBR e eficiência de remoção nas condições com
impelidor tipo hélice e intensidades de agitação de 40 e 80 rpm.
72
0
100
200
300
400
500
600
700
800
900
010203040
Tempo (dias)
DQO bruta (mg l
-1
)
0
10
20
30
40
50
60
70
80
Eficiência de remoção (%)
DQO bruta efluente DQO bruta afluente Eficiência de remoção
40 rpm 80 rpm
Figura 5.25. Concentração de matéria orgânica (em DQO bruta) para o afluente e o
efluente do reator ASBR e eficiência de remoção nas condições com
impelidor tipo turbina de pá inclinada 45º e intensidades de agitação de 40 e
80 rpm.
0,0
100,0
200,0
300,0
400,0
500,0
600,0
700,0
800,0
0 10203040
Tempo (dias)
DQO filtrada (mg l
-1
)
0,0
10,0
20,0
30,0
40,0
50,0
60,0
70,0
80,0
90,0
Eficiência de remoção (%)
DQO filtrada efluente DQO filtrada afluente Eficiência de remoção
40 rpm 80 rpm
Figura 5.26. Concentração de matéria orgânica (em DQO filtrada) para o afluente e o
efluente do reator ASBR e eficiência de remoção nas condições de impelidor
tipo turbina de pás planas e intensidades de agitação de 40 e 80 rpm.
73
0,0
50,0
100,0
150,0
200,0
250,0
300,0
350,0
400,0
0 10203040
Tempo (dias)
DQO filtrada (mg l
-1
)
0,0
10,0
20,0
30,0
40,0
50,0
60,0
70,0
80,0
90,0
Eficiência de remoção (%)
DQO filtrada efluente DQO filtrada afluente Eficiência de remoção
40 rpm 80 rpm
Figura 5.27. Concentração de matéria orgânica (em DQO filtrada) para o afluente e o
efluente do reator ASBR e eficiência de remoção nas condições com
impelidor tipo hélice e intensidades de agitação de 40 e 80 rpm.
0,0
50,0
100,0
150,0
200,0
250,0
300,0
350,0
400,0
450,0
500,0
0 10203040
Tempo (dias)
DQO filtrada (mg l
-1
)
0,0
10,0
20,0
30,0
40,0
50,0
60,0
70,0
80,0
90,0
Eficiência de remoção (%)
DQO filtrada efluente DQO filtrada afluente Eficiência de remoção
40 rpm 80 rpm
Figura 5.28. Concentração de matéria orgânica (em DQO filtrada) para o afluente e o
efluente do reator ASBR e eficiência de remoção nas condições com
impelidor tipo turbina de pá inclinada 45º e intensidades de agitação de 40 e
80 rpm.
74
0
20
40
60
80
100
120
140
160
180
0 10203040
Tempo (dias)
Alcalinidade (mgCaCO
3
l
-1
)
0
20
40
60
80
100
120
140
160
180
Ácidos Voláteis (mg l
-1
)
Alcalinidade Afluente Alcalinidade Efluente
Ácidos Afluente Ácidos Efluente
40 rpm 80 rpm
Figura 5.29. Variação da alcalinidade à bicarbonato e ácidos voláteis afluente e efluente do
reator ASBR operado nas condições de impelidor tipo turbina de pás planas e
intensidades de agitação de 40 e 80 rpm.
0
20
40
60
80
100
120
140
160
180
0 10203040
Tempo (dias)
Alcalinidade (mgCaCO
3
l
-1
)
0
20
40
60
80
100
120
140
Ácidos Voláteis (mg l
-1
)
Alcalinidade Afluente Alcalinidade Efluente
Ácidos Afluente Ácidos Efluente
40 rpm 80 rpm
Figura 5.30. Variação da alcalinidade à bicarbonato e ácidos voláteis afluente e efluente do
reator ASBR operado nas condições com impelidor tipo hélice e intensidades
de agitação iguais a 40 e 80 rpm..
75
0
20
40
60
80
100
120
140
160
180
010203040
Tempo (dias)
Alcalinidade (mgCaCO
3
l
-1
)
0
20
40
60
80
100
120
Ácidos Voláteis (mg l
-1
)
Alcalinidade Afluente Alcalinidade Efluente
Ácidos Afluente Ácidos Efluente
40 rpm 80 rpm
Figura 5.31. Variação da alcalinidade à bicarbonato e ácidos voláteis afluente e efluente do
reator ASBR operado nas condições com impelidor tipo turbina de pá
inclinada 45º e intensidades de agitação de 40 e 80 rpm.
5.2.2.1. Perfis Temporais no ASBR
Nas Figuras 5.32 a 5.34 são apresentados os perfis da concentração de matéria
orgânica (DQO
bruta
) e os respectivos perfis de eficiências de remoção ao longo do ciclo de
operação do reator ASBR operado nas condições de intensidades de agitação iguais a 40 e
80 rpm e para as condições com impelidor tipo turbina de pás planas, impelidor do tipo
hélice e impelidor tipo turbina de pás inclinadas 45º, respectivamente.
Verifica-se na Figura 5.32, que quando o sistema estava sendo operado com
intensidade de agitação igual a 40 rpm, com três horas de ciclo a eficiêcia de remoção de
matéria orgânica era igual a 55%, enquanto que para o mesmo tempo na condição de
intensidade de agitação igual a 80 rpm a eficiência era igual a 39%. Este comportamento
novamente mostra que a eficiência de remoção da matéria orgânica no ASBR diminuiu
com o aumento da intensidade de agitação, devido a ruptura dos grânulos.
Porém, tal comportamento não foi evidenciado na condição do impelidor tipo
hélice, sendo observado justamente o oposto, ou seja, o aumento da intensidade de agitação
proporcionou melhoria na eficiência de remoção de matéria orgânica. Novamente
conforme descrito anteriormente, a justificativa para este fato é que com o aumento da
intensidade de agitação a camada espessa formada na parte superior do reator foi desfeita
com a força de arraste provocada pela agitação e estes microrganismos presentes nesta
camada voltaram a interagir com o sistema. Tal comportamento pode ser confirmado com
76
o ajuste cinético, conforme é apresentado na Tabela 5.9. Verifica-se que, na condição com
impelidor tipo turbina de pás planas, o aumento da intensidade de agitação ocasionou
redução da constante cinética K
1
app
, devido a ruptura dos grânulos provocada pela maior
agitação. Já para a condição com impelidor tipo hélice, o comportamento foi oposto,
devido o aumento da intensidade de agitação ter recolocado os microrganismos presentes
na camada espessa novamente no sistema.
(a)
0
100
200
300
400
500
600
01234567
Tempo (h)
DQO
bruta
(mg l
-1
)
40 rpm
0
10
20
30
40
50
60
70
01234567
Tempo (h)
Eficiência (%)
40 rpm
(b)
0
100
200
300
400
500
600
700
01234567
Tempo (h)
DQO
bruta
(mg l
-1
)
80 rpm
0
10
20
30
40
50
60
01234567
Tempo (h)
Eficiência (%)
80 rpm
Figura 5.32. Perfil da concentração de matéria orgânica (DQO
bruta
) e os respectivos perfis
de eficiências de remoção ao longo do ciclo de operação do reator ASBR nas
condições de impelidor tipo turbina de pás planas e intensidades de agitação
40 rpm (a) e 80 rpm (b).
Tabela 5.9. Parâmetros cinéticos ajustados pelo modelo cinético de primeira ordem com
concentração residual de substrato aos perfis temporais monitorados.
Condição de operação K
1
app
(h
-1
) C
SR
(mg/L) r
2
Turb. Plana - 40rpm
1,091 316,9 0,921
Turb. Plana - 80rpm
0,686 370,2 0,947
Hélice – 40 rpm
0,841 337,4 0,948
Hélice – 80 rpm
1,143 351,1 0,978
Turb. Inc. 45º - 40rpm
0,240 428,4 0,692
Turb. Inc. 45º - 80rpm
0,137 471,4 0,801
77
(a)
0
100
200
300
400
500
600
01234567
Tempo (h)
DQO
Bruta
(mg
l
-1
)
40 rpm
0
10
20
30
40
50
60
01234567
Tempo (h)
Eficiência (%)
40 rpm
(b)
0
100
200
300
400
500
600
01234567
Tempo (h)
DQO
Bruta
(mg
l
-1
)
80 rpm
0
10
20
30
40
50
60
70
01234567
Tempo (h)
Eficiência (%)
80 rpm
Figura 5.33. Perfil da concentração de matéria orgânica (DQO
bruta
) e os respectivos perfis
de eficiências de remoção ao longo do ciclo de operação do reator ASBR nas
condições com impelidor tipo hélice e intensidades de agitação 40 rpm (a) e
80 rpm (b).
Também é constatado que os modelos cinéticos apresentaram um bom ajuste
(coeficientes de correlação – r
2
– superior a 0,92), exceto para a condição com impelidor
tipo turbina de pás inclinadas em que não foi possível realizar um bom ajuste cinético.
Também é constatado que a concentração residual (C
SR
) estimada do modelo foi próxima
da obtida experimentalmente (conforme apresentado na Tabela 5.10), mostrando,
novamente o bom ajuste do modelo.
Vela (2006) avaliou reator anaeróbio (1,2 m
3
), operado em batelada seqüencial,
com agitação mecânica para tratamento de esgoto sanitário (mesmo utilizado no presente
trabalho), sendo operado com biomassa suspensa (ASBR), portanto sem utilização de
suporte inerte. O ajuste cinético apresentou constante cinética de primeira ordem (K
1
app
)
igual a 0,8132 h
-1
para o ASBR quando aplicado com intensidade de agitação igual a 25
rpm e 1,235 h
-1
quando aplicado com intensidade de agitação igual a 5 rpm. Verfica-se que
a menor intensidade de agitação proporcionou uma constante cinética de primeira
78
(a)
0
100
200
300
400
500
600
700
01234567
Tempo (h)
DQO
Bruta
(mg
l
-1
)
40 rpm
0
5
10
15
20
25
30
35
40
01234567
Tempo (h)
Eficiência (%)
40 rpm
(b)
0
100
200
300
400
500
600
01234567
Tempo (h)
DQO
Bruta
(mg
l
-1
)
80 rpm
0
5
10
15
20
25
30
35
40
45
01234567
Tempo (h)
Eficiência (%)
80 rpm
Figura 5.34. Perfil da concentração de matéria orgânica (DQO
bruta
) e os respectivos perfis
de eficiências de remoção ao longo do ciclo de operação do reator ASBR nas
condições com impelidor do tipo turbina de pá inclinada 45º e intensidades de
agitação 40 rpm (a) e 80 rpm (b).
Tabela 5.10. Concentração residual de substrato experimental (C
SR-exp
) e obtido pelo
modelo cinético (C
SR-mod
), bem como o erro relativo (ER).
Condição de operação C
SR-exp
(mg/L) C
SR-mod
(mg/L) ER (%)
Turb. Plana - 40rpm 298,4
316,9
6,2
Turb. Plana - 80rpm 333,4
370,2
11,0
Hélice – 40 rpm 315,2
337,4
7,0
Hélice – 80 rpm 324,3
351,1
8,2
Turb. Inc. 45º - 40rpm 442,4
428,4
3,2
Turb. Inc. 45º - 80rpm 491,3
471,4
4,1
ordem maior. Porém, tem-se que considerar que o sistema quando foi operado com
intensidade de agitação de 25rpm a água residuária afluente possuía uma carga orgânica
muito baixa quando comparada com a carga orgânica do afluente do sistema quando
79
operado com intensidade de agitação igual a 5 rpm. Este fato é novamente enfatizado pela
concentração residual das duas condições, sendo para a condição de 5 rpm o valor da C
SR
foi igual a 225 mg/L e da condição de 25rpm o valor da C
SR
foi igual a 115 mg/L.
Michelam (2006), operando ASBR em escala de bancada com impelidor pá plana
com seis lâminas, obteve constante cinética (K
1
app
) igual a 0,51 h
-1
para condição de
intensidade de agitação de 50 rpm e 0,52 h
-1
para condição de intensidade de agitação de
75 rpm. Verifica-se que a constante K
1
app
obtida no presente trabalho (impelidor tipo
turbina de pás planas e intensidade de agitação igual a 40rpm) apresentou um valor
superior ao encontrado por Michelam (2006), constantando que para estas condições o
sistema tendeu a apresentar uma maior taxa de consumo de substrato.
Nas Figuras 5.35 a 5.37 são apresentados os perfis da concentração de ácidos
voláteis por cromatografia ao longo do ciclo de operação do reator ASBR nas condições de
intensidades de agitação iguais a 40 e 80 rpm e para as condições com impelidor tipo
turbina de pás planas, impelidor do tipo hélice e impelidor tipo turbina de pás inclinadas
45º, respectivamente. Observa-se que, conforme evidenciado para o ASBBR, apenas os
ácidos acético e propiônico foram diagnosticado na amostra, sendo constatado que o ácido
acético apresentou maiores concentrações e que este tende a aumentar até
aproximadamente 50% do ciclo e declinar após este período.
(a)
0
5
10
15
20
25
30
35
01234567
Tempo (h)
Ácido Voláteis (mg
l
-1
)
Acético Propiônico
40 rpm
(b)
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
01234567
Tempo (h)
Ácido Voláteis (mg
l
-1
)
Acético Propiônico
80 rpm
Figura 5.35. Perfil da concentração de ácidos voláteis por cromatografia ao longo do ciclo
de operação do reator ASBR nas condições de impelidor tipo turbina de pás
planas e intensidades de agitação iguais a 40 rpm (a) e 80 rpm (b).
80
(a)
0
20
40
60
80
100
120
01234567
Tempo (h)
Ácido Voláteis (mg
l
-1
)
Acético Propiônico
40 rpm
(b)
0
10
20
30
40
50
60
70
01234567
Tempo (h)
Ácido Voláteis (mg
l
-1
)
Acético Propiônico
80 rpm
Figura 5.36. Perfil da concentração de ácidos voláteis por cromatografia ao longo do ciclo
de operação do reator ASBR nas condições de impelidor tipo hélice e
intensidades de agitação iguais a 40 rpm (a) e 80 rpm (b).
(a)
0
10
20
30
40
50
60
01234567
Tempo (h)
Ácido Voláteis (mg
l
-1
)
Acético Propiônico
40 rpm
(b)
0
10
20
30
40
50
60
01234567
Tempo (h)
Ácido Voláteis (mg
l
-1
)
Acético Propiônico
80 rpm
Figura 5.37. Perfil da concentração de ácidos voláteis por cromatografia ao longo do ciclo
de operação do reator ASBR nas condições de impelidor tipo turbina de pás
inclinadas 45º e intensidades de agitação iguais a 40 rpm (a) e 80 rpm (b).
5.2.2.2. Influência do Tipo de Impelidor no ASBR
Os resultados apresentados neste item são referentes as análise do monitoramento
do reator anaeróbio operado em bateladas seqüências com biomassa granular (ASBR).
Muitos dos dados que serão discutidos neste item já foram apresentados no item
5.2.2 (Análise do desempenho no ASBR).
A análise da influência do tipo do impelidor no desempenho do ASBR ficou
prejudicada pela destruição dos grânulos ocasionada pelo aumento da intensidade de
agitação logo no início da operação do reator (42 dias). Porém, pode-se concluir que os
impelidores do tipo turbina tanto de pá plana como de pá inclinada, quando submetidos a
81
rotação de 80 rpm causam ruptura dos grânulos. Já o impelidor tipo hélice não demonstrou
que rompe os grânulos com o aumento da intensidade de agitação, pois no momento em
que a agitação aumenta as análises para este impelidor mostraram favorável ao
desempenho do sistema. Porém, não se pode ser conclusivo pois quando iniciou-se operar
o reator com o impelidor do tipo hélice os grânulos já haviam sido destruídos.
Comparando os ensaios cinéticos para intensidade de agitação igual a 40 rpm é
observado que a constante cinética aparente de primeira ordem (K
1
app
) que representa a
taxa de decremento da matéria orgânica ao longo do ciclo foi maior no impelidor tipo
turbina de pás planas (1,091 h
-1
) quando comparado com os impelidores hélice (0,841 h
-1
)
e turbina de pás inclinadas 45º (0,240 h
-1
). Estes resultados novamente são em virtude dos
grânulos terem sido rompidos após ter aumentado a intensidade de agitação para 80 rpm na
primeira condição de impelidor avaliada.
Em uma análise visual, verifica-se que o impelidor tipo hélice quando operado com
rotação 40 rpm não proporciona uma boa homogeneização do líquido. Enquanto que os
impelidores do tipo turbina, tanto de pás planas como de pás inclinadas proporcionam uma
boa mistura no sistema quando submetido a rotação de 40 rpm.
5.2.2.3. Análise do desempenho no ASBR – Intensidade de Agitação igual a 20 rpm
Após avaliar as seis condições experimentais no ASBR, chegou-se a conclusão de
que a combinação que apresentou melhor desempenho no sistema ASBR foi a intensidade
de agitação igual a 40 rpm e impelidor do tipo turbina de pás planas. Assim, como o
aumento da intensidade de agitação de 40 para 80 rpm proporcionou uma piora
significativa no desempenho do sistema decidiu-se realizar análise com intensidade de
agitação inferior a 40 rpm para verificar o comportamento do ASBR. Logo, optou-se por
estudar o ASBBR nas seguintes condições: intensidade de agitação igual a 20 rpm e
impelidor do tipo turbina de pás planas.
Na Tabela 5.11 são apresentados os valores médios das variáveis monitoradas
durante a operação do ASBR nas seguintes estratégias de alimentação: batelada típica com
intensidade de agitação igual a 40 rpm e batelada típica com intensidade de agitação igual
a 20rpm. Verifica-se que mesmo diminuindo a intensidade de agitação o pH efluente não
variou significativamente e, portanto, não comprometeu o desempenho do sistema.
Também, observa-se que ocorreu produção de alcalinidade a bicarbonato em relação ao
afluente, e redução da concentração de ácidos, mostrando a estabilidade no sistema.
82
Tabela 5.11. Valores médios (9 amostras) das variáveis monitoradas durante a operação do
ASBR nas seguintes condições: batelada típica com intensidade de agitação
igual a 40 rpm e batelada típica com intensidade de agitação igual a 20rpm.
Batelada Típica (40rpm) Batelada Típica (20rpm)
Parâmetro
Afluente Efluente Afluente Efluente
pH 7,16 ± 0,06 6,77 ± 0,15 6,91 ± 0,15 6,75 ± 0,09
T (ºC) 25,9 ± 1,5 22,9 ± 0,9 29,2 ± 1,1 28,1 ± 1,2
DQO
Bruta
, mg L
-1
730 ± 138 221 ± 45 781 ± 136 257 ± 65
Efic. DQO
Bruta
(%) - 69,0 - 67,1
DQO
Filtrada
, mg L
-1
380 ± 126 143 ± 27 253 ± 98 159 ± 74
Efic. DQO
Filtrada
(%) - 80,1 - 78,8
Alcalinidade, mgCaCO
3
L
-1
103 ± 11,0 128 ± 16,9 107 ± 8,2 174 ± 18,3
Ácidos Voláteis, mgHAc L
-1
62,4 ± 7,0 58,7 ± 13,6 44,1 ± 9,4 36,1 ± 9,2
ST, mg L
-1
852 ± 166 596 ± 100 831 ± 198 514 ± 264
SST, mg L
-1
253 ± 109 128 ± 55 354 ± 154 181 ± 94
SSV, mg L
-1
208 ± 96 104 ± 48 231 ± 121 115 ± 89
Quanto a remoção de matéria orgânica na forma de DQO constata-se que a
diminuição da intensidade de agitação de 40 para 20 rpm acarretou em uma pequena perda
na eficiência de remoção do processo, porém pode-se considerar esta redução
estatisticamente insignificante. Assim, conclui-se que o sistema ASBR quando operado
com impelidor tipo turbina de pás planas e intensidade de agitação igual a 20 rpm
apresenta comportamento similar quando operado com intensidade de agitação igual a
40 rpm, favorecendo o uso da intensidade de agitação de 20 rpm em virtude do menor
gasto energético. Esta conclusão já não é válida para o sistema operado com impelidor tipo
hélice, uma vez que já foi diagnosticado que este impelidor quando operado com
intensidade de agitação igual a 40 rpm, não apresentou uma homogenização satisfatória no
sistema.
Na Figura 5.38 são apresentados os perfis da concentração de matéria orgânica
(DQO
bruta
) e os respectivos perfis de eficiências de remoção ao longo do ciclo de operação
do reator ASBR operado nas condições de intensidades de agitação iguais a 20 e 40 rpm e
impelidor tipo turbina de pás planas. Já na Tabela 5.12 são apresentados os parâmetros
cinéticos do modelo ajustado para os perfis de concentração de matéria orgânica no reator
ASBR operado com intensidades de agitação iguais a 20 e 40 rpm. Verifique que os
sistemas apresentaram comportamentos similares, justificando, assim o emprego da
intensidade de agitação 20 rpm pelo menor custo de energia.
83
(a)
0
100
200
300
400
500
600
700
01234567
Tempo (h)
DQO
bruta
(mg l
-1
)
20 rpm
0
10
20
30
40
50
60
70
01234567
Tempo (h)
Eficiência (%)
20 rpm
(b)
0
100
200
300
400
500
600
01234567
Tempo (h)
DQO
bruta
(mg l
-1
)
40 rpm
0
10
20
30
40
50
60
70
01234567
Tempo (h)
Eficiência (%)
40 rpm
Figura 5.38. Perfil da concentração de matéria orgânica (DQO
bruta
) e os respectivos perfis
de eficiências de remoção ao longo do ciclo de operação do reator ASBR nas
condições de impelidor tipo turbina de pás planas e intensidades de agitação
20 rpm (a) e 40 rpm (b).
Tabela 5.12. Parâmetros cinéticos ajustados pelo modelo cinético de primeira ordem com
concentração residual de substrato aos perfis temporais monitorados.
Condição de operação K
1
app
(h
-1
) C
SR
(mg/L) r
2
Turbina de pá plana – 20 rpm 1,151 307,3 0,968
Turbina de pá plana - 40rpm
1,091 316,9 0,921
5.2.3. Comparação do ASBR e ASBBR Operados em Batelada Típica
Para a comparação entre o desempenho do ASBR e do ASBBR optou-se por
comparar as melhores condições obtidas para cada sistema, uma vez que outros fatores (ex.
carga orgânica do afluente variava de ciclo para ciclo) influenciaram no desempenho do
sistema.
Assim, conforme descrito no item 5.2 a condição que apresentou melhor
desempenho do sistema ASBR foi impelidor do tipo turbina de pás planas e intensidade de
agitação igual a 40 rpm. Já para o sistema ASBBR a condição que apresentou melhor
desempenho foi impelidor do tipo hélice e intensidade de agitação igual a 80 rpm.
84
Na Tabela 5.13 é apresentado alguns parâmetros escolhidos para auxiliar na análise
da comparação dos sistemas ASBR e ASBBR. O parâmetro produção de alcalinidade a
bicarbonato representa a diferença da alcalinidade do efluente em relação ao afluente,
sendo seguido o mesmo raciocínio para o parâmetro produção de ácidos voláteis. Assim,
caso o parâmetro produção de ácidos voláteis for igual a 0 (zero) significa que o efluente
apresentou concentração de ácidos voláteis inferior à do afluente.
Observa-se na Tabela 5.13 que as eficiências de remoção de matéria orgânica, tanto
na forma de DQO bruta como na filtrada, não apresentaram diferenças significativas entre
os dois sistemas. Porém, a eficiência de remoção de sólidos totais foi superior no ASBBR
(38,7%) quando comparado com a do ASBR (30,0%).
Tabela 5.13. Parâmetros comparativos dos sistema ASBR e ASBBR.
Parâmetro Efluente ASBR* Efluente ASBBR**
Efic. DQO
Bruta
(%) 69,0 70,2
Efic. DQO
Filtrada
(%) 80,1 77,6
Produção de Alcalinidade, mgCaCO
3
L
-1
24,7 68,1
Produção de Ácidos Voláteis, mgHAc L
-1
0 0
Efic. ST (%) 30,0 38,7
K
1
app
(h
-1
) 1,091 1,053
* - condição de operação: impelidor tipo turbina de pás planas e intensidade de agitação igual a 40 rpm; e
** - condição de operação: impelidor tipo hélice e intensidade de agitação igual a 80 rpm.
Quanto a alcalinidade observa-se que ocorreu, em média, produção de alcalinidade
a bicarbonato em ambos sistemas, sendo evidenciado que no ASBBR esta produção foi
maior. Já para a produção de ácidos voláteis observa-se que em ambos os sistemas a
concentração média de ácidos voláteis do efluente foi menor que a do afluente. Assim,
conclui-se que tanto no ASBR como no ASBBR ocorreu estabilidade no sistema.
Na análise da constante cinética (
K
1
app
) verifica-se que este parâmetro foi similar nos
reatores ASBBR e ASBR. Portanto, a partir dos dados apresentados na Tabela 5.8 não é
possível diagnosticar uma diferença expressiva no desempenho do sistema ASBR e
ASBBR quando operados nas suas melhores condições de intensidade de agitação e tipo de
impelidor. Porém, o reator ASBBR apresenta vantagens em relação ao ASBR quanto a
sensibilidade da biomassa no sistema, pois esta no sistema ASBR fica mais exposta aos
agentes externos, tendo assim uma maior facilidade de desestabilizar. Outro fato que limita
o uso do ASBR é caso ocorra um descuido no sistema de automação como, por exemplo, o
85
momento de iniciar e parar a agitação ou abrir ou fechar uma válvula de descarga pode
comprometer na perda da biomassa do sistema. Este fato já não ocorre no ASBBR, pois a
biomassa está aderida no meio suporte. Porém, em contrapartida, no ASBBR se necessita
de uma maior intensidade de agitação o que acarreta em um maior custo de energia.
Na Tabela 5.14 são apresentados a quantidade em quilos (kg) de sólidos totais e
sólidos totais voláteis existentes na biomassa imobilizada do ASBBR e no lodo existente
do ASBR, nas diversas condições de operações avaliadas. Observe que a condição
utilizada para comparação do ASBBR e ASBR, ou seja, impelidor hélice e intensidade de
agitação igual a 80 rpm para o ASBBR e turbina de pás planas e intensidade de agitação
igual a 40 rpm, possuem quantidades similares de sólidos presentes na biomassa do
sistema, sendo, portanto a comparação realizada de forma coerente. Também é possível ver
como o sistema do ASBR perdeu biomassa a partir do momento em que se aumentou a
intensidade de agitação para 80 rpm.
Tabela 5.14. Sólidos totais (ST) e sólidos totais voláteis (STV) existentes na biomassa
imobilizada no ASBBR e no lodo existente do ASBR, nas diversas condições
de operações avaliadas.
Reator Condição de operação kg ST kg STV
Turbina Inc. 45º - 40 rpm 4,31 3,25
Turbina Inc. 45º - 80 rpm 4,18 3,32
Turbina Plana - 40 rpm 4,31 3,20
Turbina Plana - 80 rpm 4,14 3,36
Hélice - 40 rpm 4,26 3,28
ASBBR
Hélice - 80 rpm 4,33 3,23
Turbina Plana - 40 rpm 4,41 3,43
Turbina Plana - 80 rpm 3,53 2,77
Hélice - 40 rpm 3,64 2,73
Hélice - 80 rpm 3,57 2,87
Turbina Inc. 45º - 40 rpm 3,43 2,80
ASBR
Turbina Inc. 45º - 80 rpm 3,11 2,56
5.3. Influência da Estratégia de Alimentação
Conforme descrito anteriormente a condição que apresentou melhor desempenho
no sistema ASBR foi impelidor do tipo turbina de pás planas e intensidade de agitação
igual a 40 rpm. Já para o sistema ASBBR a condição que apresentou melhor desempenho
foi impelidor do tipo hélice e intensidade de agitação igual a 80 rpm. Assim, no estudo da
influência da estratégia de alimentação foram utilizadas estas condições operacionais.
86
5.3.1. Análise do desempenho no ASBBR operado em Batelada Alimentada
Na Tabela 5.15 são apresentados os valores médios das variáveis monitoradas
durante a operação do reator ASBBR com impelidor tipo hélice e com intensidade de
agitação igual a 80 rpm nas seguintes estratégias de alimentação: batelada alimentada
durante 25% do ciclo, batelada alimentada durante 50 % do ciclo, batelada alimentada
durante 75% do ciclo e batelada alimentada típica (alimentada durante 100% do ciclo).
Estes valores médios correspondem aos ensaios realizados durante 21 dias para cada
condição de operação avaliada.
Verifica-se que os valores de pH efluente para todas as condições de operação em
análise não variaram significativamente, permanecendo dentro da faixa ótima de
estabilidade para formação de metano, ou seja, entre 6,0 e 8,0 (Chernicharo, 1996).
Também é verificado que em média ocorreu produção de alcalinidade a bicarbonato
e redução da concentração de ácidos voláteis em relação ao afluente mostrando a
existência de estabilidade no sistema para todas as condições de operação analisadas.
Novamente é constatado que a concentração de matéria orgânica (DQO
Bruta
) do
afluente apresenta um desvio padrão considerável, sendo ainda evidenciado nestas
amostras altas concentrações de sólidos que também possuem valores de desvio padrão
elevados. Como evidenciado para o sistema operado em batelada típica, o ASBBR operado
em batelada alimentada também não apresentou bom desempenho na remoção de sólidos,
sendo constatado eficiências de remoção de sólidos totais iguais a: 31,2% para o sistema
operado em batelada alimentada durante 25% do ciclo, 24,5% para o sistema operado em
batelada alimentada durante 50 % do ciclo, 35,2% para o sistema operado em batelada
alimentada durante 75% do ciclo e 33,2% para o sistema operado em batelada alimentada
típica.
Analisando os dados para as quatro estratégias de alimentação, verifica-se que o
sistema ASBBR, quando operado em batelada alimentada típica, apresentou eficiências de
remoção de matéria orgânica (DQO) menores quando comparado às outras estratégias de
alimentação. Já o sistema operado em batelada alimentada durante 75% do ciclo tendeu a
apresentar eficiências de remoção de matéria orgânica maiores em relação as outras
condições de alimentação avaliadas. Ressalta-se que não foi evidenciada diferenças
significativas entre os sistemas operados em batelada alimentada durante 50% e 75% do
ciclo, mostrando a flexibilidade que o sistema apresenta quanto à forma de operação da
87
Tabela 5.15. Valores médios (09 amostras) das variáveis monitoradas durante a operação do reator ASBBR nas seguintes estratégias de
alimentação: batelada alimentada durante 25% do ciclo, batelada alimentada durante 50 % do ciclo, batelada alimentada durante
75% do ciclo e batelada alimentada típica (alimentada durante 100% do ciclo).
ASBBR
Batelada Alimentada
25% do ciclo
Batelada Alimentada
50% do ciclo
Batelada Alimentada
75% do ciclo
Batelada Alimentada Típica
Parâmetro
Afluente Efluente Afluente Efluente Afluente Efluente Afluente Efluente
pH 7,41 ± 0,09 7,03 ± 0,09 7,20 ± 0,17 6,94 ± 0,08 6,91 ± 0,14 6,89 ± 0,07 6,70 ± 0,20 6,64± 0,15
T (ºC) 23,2 ± 1,4 21,2 ± 1,3 26,3 ± 1,60 24,4 ± 1,06 28,5 ± 2,68 27,2 ± 2,37 27,24 ± 1,01 25,58 ± 0,98
DQO
Bruta
, mg L
-1
609 ± 153 239 ± 104 775 ± 16 244 ± 34 650 ± 53,2 194 ± 43,4 518,4 ± 91,5 237 ± 32,9
Efic. DQO
Bruta
(%) - 61,59 - 67,5 - 69,92 - 53,6
DQO
Filtrada
, mg L
-1
274 ± 103 153 ± 87 336 ± 80 145 ± 22 294 ± 19,2 115 ± 32,9 238 ± 42,9 147 ± 33,5
Efic. DQO
Filtrada
(%) - 75,8 - 80,2 - 82,2 - 71,5
Alcalinidade, mgCaCO
3
L
-1
158 ± 8,2 193 ± 20,0 157 ± 11,6 201 ± 10,8 142 ± 13,2 202 ± 23,9 136 ± 19,0 179 ± 11,1
Ácidos Voláteis, mgHAc L
-1
40,6 ± 8,5 30,1 ± 17,0 56,1 ± 11,7 36,1 ± 11,9 53,8 ± 4,35 32,3 ± 5,02 44,5 ± 10,76 31,3 ± 7,9
ST, mg L
-1
634 ± 251 436 ± 253 902 ± 236 681 ± 25 739 ± 109 479 ± 118 59 ± 125 395 ± 142
SST, mg L
-1
332 ± 233 228 ± 174 372 ± 98 301 ± 75 262 ± 381 201± 167 190 ± 98 155± 104
SSV, mg L
-1
273 ± 171 95 ± 144 298 ± 77 227 ± 56 226 ± 318 159 ± 261 107 ± 65 84 ± 51
88
alimentação, favorecendo a sua aplicação para locais onde a água residuária não é gerada
de forma contínua.
Também é evidenciado que na condição de batelada alimentada típica o valor da
DQO bruta afluente foi inferior aos das outras condições analisadas, pois conforme
descrito na metodologia da caracterização da DQO afluente do sistema, foi realizado uma
amostragem composta ao longo do período de enchimento, sendo constatado que no
período entre as 16:00 hs e 18:00 hs ocorre uma redução considerável na carga orgânica do
afluente.
Outros parâmetros analisados no sistema foram as concentrações de sólidos totais
(ST) e sólidos totais voláteis (STV) na espuma de poliuretano do reator ASBBR, as quais
estão apresentadas na Tabela 5.16. Constata-se que as concentrações de sólidos na espuma
não apresentaram diferenças significativas com as mudanças de condições, bem como
quando comparado com a concenração do sistema na condição de batelada típica.
Também, não foi observado (visualmente) nenhuma formação de material viscoso nas
espumas, como por exemplo, polímeros. Na Figura 5.39 é apresentado foto de duas
espumas retiradas do compartimento superior do cesto de retenção de biomassa do reator
ASBBR, na qual pode ser constatado que não ocorreu produção de material viscoso como,
por exemplo, polímeros.
Figura 5.39. Espumas de poliuretano retiradas da parte superior do cesto de retenção da
biomassa do reator ASBBR no final do experimento.
89
Tabela 5.16. Concentrações de sólidos totais (ST) e sólidos totais voláteis (STV) na
espuma de poliuretano do ASBBR.
Condição de operação kg ST kg suporte
-1
kg STV kg suporte
-1
Batelada alimentada durante 25% do ciclo 0,629 0,426
Batelada alimentada durante 50% do ciclo 0,651 0,481
Batelada alimentada durante 75% do ciclo 0,617 0,415
Batelada alimentada típica 0,640 0,425
Comportamento oposto ao evidenciado neste trabalho foi diagnosticado por
Ratusznei et al. (2003-a) e Borges et al. (2004) onde em estudos com ASBBR em escala de
bancada foi constatado que nas condições de batelada alimentada ocorreu queda na
eficiência do sistema, principalmente para maiores períodos de alimentação, fato este
ocasionado pela exposição ao ar da biomassa imobilizada sem líquido durante o período de
enchimento ocasionando a formação de polimeros. Porém, no presente estudo tal
comportamento não foi observado, pois a biomassa imobilizada no ASBBR foi exposta ao
ar durante os diversos períodos de enchimento avaliados e não foi contatado redução do
desempenho do sistema quanto a remoção de matéria orgânica (melhores resultados
obtidos com batelada alimentada durante 50 e 75% do ciclo), sendo que também não foi
constatado aparecimento de material viscoso nas espumas.
Nas Figuras 5.40 e 5.41 são apresentadas as variações da concentração de matéria
orgânica (na forma de DQO bruta e filtrada) ao longo do período analisado para o afluente
e o efluente do reator ASBBR, bem como a eficiência de remoção, para as quatro
estratégias de alimentação avaliadas. Verifica-se que no gráfico existe uma região em que
não foram realizadas as análises, pois neste período a Universidade de São Paulo entrou de
greve e por conseqüência as atividades do refeitório foram interrompidas. Assim, conforme
já descrito anteriormente, o desempenho das análises fica limitado devido a redução da
carga orgânica ocosionada pelo fechamento do restaurante universitário.
Analisando o gráfico apresentado na Figura 5.41, constata-se que o sistema ASBBR
quando operado nas condições de batelada alimentada durante 50% e 75% do ciclo
apresentaram melhores eficiêcias de remoção de matério orgânica, mesmo tendo sido
evidenciado neste período altos valores de DQO bruta afluente do sistema, mostrando que
o sistema estava em equilíbrio.
90
0
100
200
300
400
500
600
700
800
900
1000
350 450 550 650 750 850
Ciclo
DQO (mg L
-1
)
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
Eficiência de remoção (%)
DQO bruta efluente DQO bruta afluente Eficiência de remoção
25% do ciclo Greve 50% do ciclo 75% do ciclo 100% ciclo
Figura 5.40. Variação da DQO bruta do afluente e efluente do sistema ASBBR, bem como
a eficiência de remoção para as quatro estratégias de alimentação avaliadas.
0
100
200
300
400
500
600
700
800
900
1000
350 450 550 650 750 850
Ciclo
DQO (mg L
-1
)
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
Eficiência de remoção (%)
DQO filtrada efluente DQO filtrada afluente Eficiência de remoção
25% do ciclo Greve 50% do ciclo 75% do ciclo 100% ciclo
Figura 5.41. Variação da DQO filtrada do afluente e efluente do sistema ASBBR, bem
como a eficiência de remoção para as quatro estratégias de alimentação
avaliadas.
91
Na Figura 5.42 é apresentado a variação da concentração de ácidos voláteis ao
longo do período analisado para o afluente e o efluente do reator ASBBR para as quatro
estratégias de alimentação avaliadas. Constata-se, com algumas exceções, que a
concentração de ácidos voláteis no afluente tendeu a ser sempre superior ao do efluente em
todas as condições de operação analisadas. Este fato mostra que o sistema apresentou
estabilidade operacional para todas as situações submetidas.
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
350 450 550 650 750 850
Ciclo
mgHAc. L
-1
Ácidos Voláteis efluente Ácidos Voláteis afluente
25% do ciclo Greve 50% do ciclo 75% do ciclo 100% do ciclo
Figura 5.42. Variação da concentração dos ácidos voláteis no afluente e efluente do
sistema ASBBR para as quatro estratégias de alimentação avaliadas.
Na Figura 5.43 é apresentado a variação da alcalinidade a bicarbonato ao longo do
período analisado para o afluente e o efluente do reator ASBBR para as quatro estratégias
de alimentação avaliadas. Constata-se que para todas as condições de operação analisadas
a alcalinidade a bicarbonato no efluente sempre foi superior a do afluente. Este fato
associado ao constatado com a concentração de ácidos voláteis descrito anteriormente,
reforça a conclusão de que o ASBBR operou de forma estável em todas as estratégias de
alimentação submetidas ao sistema.
92
0
50
100
150
200
250
300
350 450 550 650 750 850
Ciclo
mgCaCO
3
L
-1
Alcalinidade efluente Alcalinidade afluente
25% do ciclo Greve 50% do ciclo 75% do ciclo 100% do ciclo
Figura 5.43. Variação da alcalinidade a bicarbonato no afluente e efluente do sistema
ASBBR para as quatro estratégias de alimentação avaliadas.
5.3.1.1. Perfil temporal – ASBBR
Na Figura 5.44 são apresentados os perfis temporais da concentração de matéria
orgânica (DQO
Bruta
) e eficiência de remoção ao longo do ciclo do reator ASBBR operado
nas quatro estratégias de alimentação avaliadas.
Quanto ao sistema ASBBR operado na estratégia de alimentação batelada
alimentada durante 25% do ciclo, constata-se que, após dois minutos de reação, a
concentração de matéria orgânica na forma de DQO
Bruta
é igual a 700,3 mg L
-1
, valor bem
próximo da DQO
Bruta
do afluente (721,0 mg L
-1
) no tempo igual a zero, pois o volume
preenchido no reator após dois minutos de alimentação ainda não havia alcançado o meio
suporte (existe uma camada livre de 15 cm de altura entre o fundo e o cesto do meio
suporte contendo a biomassa). Assim, a amostra coletada no reator aos dois minutos de
alimentação é similar à própria amostra do afluente. Conforme já descrito no item material
e métodos, para a condição de batelada alimentada durante 25% do ciclo, a lâmina d´água
demora 20 minutos para atingir o meio suporte e 33 minutos para atingir o impelidor.
Assim, conforme é evidenciado no gráfico do perfil temporal, as reações de
93
(a)
0
100
200
300
400
500
600
700
800
012345678
Tempo (horas)
DQO
Bruta
(mg l
-1
)
0
10
20
30
40
50
60
70
012345678
Tempo (horas)
Eficiência (%)
(b)
0
100
200
300
400
500
600
700
800
900
01234567
Tempo (horas)
DQO
Bruta
(mg l
-1
)
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
01234567
Tempo (horas)
Eficiência (%)
(c)
0
100
200
300
400
500
600
700
800
900
012345678
Tempo (horas)
DQO
Bruta
(mg L
-1
)
0
10
20
30
40
50
60
70
80
012345678
Tempo (horas)
Eficiência (%)
(d)
0
100
200
300
400
500
600
700
012345678
Tempo (horas)
DQO
Bruta
(mg L
-1
)
0
10
20
30
40
50
60
70
012345678
Tempo (horas)
Eficiência (%)
Figura 5.44. Perfis da concentração de matéria orgânica (DQO
Bruta
) e eficiência de remoção
ao longo do ciclo de operação do reator ASBBR operado nas seguintes
estratégia de alimentação: batelada alimentada durante 25% do ciclo (a);
batelada alimentada durante 50% do ciclo (b); batelada alimentada durante
75% do cilco (c); e batelada alimentada típica (d).
94
consumo de substrato do sistema iniciaram em torno de 20 a 30 minutos, instante em que a
água residuária entrou em contato com os microrganismos.
Comportamento similar ao descrito acima foram evidenciados para as condições de
batelada alimentada durante 50%, 75% e 100% do ciclo, ou seja: para a condição de
batelada alimentada durante 50% do ciclo as reações de consumo de substrato iniciou-se a
partir de aproximadamente 40 minutos de enchimento do sistema, sendo antes deste
período a mudança dos valores da concentração de DQO justificada pela variação da
concentração de matéria orgânica do afluente; para a condição de batelada alimentada
durante 75% do ciclo as reações de consumo de substrato iniciou-se a partir de
aproximamente 100 minutos de enchimento do sistema; e para a condição de batelada
alimentada típica as reações de consumo de substrato iniciou-se a partir de
aproximadamente 2 horas de enchimento do sistema.
Como a alimentação do ASBBR ocorreu pela parte inferior do reator e como a
vazão de entrada pela tubulação provoca um certo turbilhonamento dentro do reator na
parte inferior, conclui-se que antes da lâmina d´água atingir o impelidor não ocorreu
sedimentação dos sólidos no sistema por falta de mistura, devido a esta turbulência causada
na entrada do reator.
Na Tabela 5.17 é apresentado os valores de DQO
bruta
no afluente incial e na amostra
retirada após 2 minutos de reação nos perfis temporais realizados para as quatro condições
de operação analisadas no reator ASBBR. Verifica-se que não existe o efeito da diluitção
da concentração da matéria orgânica devido neste tempo de coleta da amostra (2 minutos)
a lâmina d´água ainda não ter atingido o cesto de espuma de biomassa. Porém, evidencia-
se que houve uma pequena redução da concentração de matéria orgânica após dois minutos
de enchimento, sendo justificado pelo fato do fundo do reator ser cônico (válvula de
limpeza) e a saída do reator estar um pouco acima deste fundo cônico, o que fica retido um
certo residuo de água residuária do ciclo anterior, diluinto assim, a amostra inicial.
Na Figura 5.45 é apresentado a avaliação cinética do perfil da concentração de
matéria orgânica (DQO
bruta
) ao longo do ciclo de operação do reator ASBBR operado na
estratégia de alimentação batelada alimentada durante 25% do ciclo. Como a lâmina
d´água residuária não atingiu a biomassa nos primeiros dez minutos do ciclo,
desconsiderou-se este período na modelagem cinética. Assim, o tempo inicial zero foi para
o modelo o ponto de amostragem de 30 minutos de ciclo Verifica-se que o modelo
apresentou um bom ajuste aos dados experimentais (r
2
= 0,9908). Também é constatado
que a concentração residual (C
SR
) estimada do modelo foi próxima da obtida
95
experimentalmente, mostrando, novamente o bom ajuste do modelo.
Tabela 5.17. Valores de DQO
bruta
no afluente inicial e na amostra retirada após 2 minutos
de reação no ABSBR.
Condição de operação
batelada alimentada duratnte:
DQO
bruta
(mg L
1
)do
afluente inicial
DQO
bruta
(mg L
-1
) da amostra
retirada após 2 minutos de reação no
ASBBR
25% do ciclo 721,0 700,3
50% do ciclo 868,3 850,2
75% do ciclo 807,3 788,9
100% do ciclo 618,9 597,9
0
50
100
150
200
250
300
350
400
450
500
550
600
650
700
0 100 200 300 400 500
Tempo (min)
C
S
(mgDQO/L)
CS-Exp
CS-Mod
C
SR
=225,9 mgDQO/L
K
1
=0,394 h
-1
r
2
= 0,9908
Figura 5.45. Avaliação cinética do perfil da concentração de matéria orgânica (DQO
bruta
)
ao longo do ciclo de operação do reator ASBBR operado na estratégia de
alimentação batelada alimentada durante 25% do ciclo.
Na Figura 5.46 é apresentado a avaliação cinética do perfil da concentração de
matéria orgânica (DQO
bruta
) ao longo do ciclo de operação do reator ASBBR operado na
estratégia de alimentação batelada alimentada durante 50% do ciclo. Como a lâmina
d´água residuária não atingiu a biomassa nos primeiros 40 minutos do ciclo,
desconsiderou-se este período na modelagem cinética. Assim, o tempo inicial zero foi para
o modelo o ponto de amostragem de 40 minutos de ciclo Verifica-se que o modelo
apresentou um bom ajuste aos dados experimentais (r
2
= 0,954). Também é constatado que
a concentração residual (C
SR
) estimada do modelo foi próxima da obtida
96
experimentalmente, mostrando, novamente o bom ajuste do modelo.
0
50
100
150
200
250
300
350
400
450
500
550
600
650
700
750
0 100 200 300 400 500
Tempo (min)
C
S
(mgDQO/L)
CS-Exp
CS-Mod
C
SR
=304,3 mgDQO/L
K
1
=0,954 h
-1
r
2
= 0,9829
Figura 5.46. Avaliação cinética do perfil da concentração de matéria orgânica (DQO
bruta
)
ao longo do ciclo de operação do reator ASBBR operado na estratégia de
alimentação batelada alimentada durante 50% do ciclo.
Na Figura 5.47 é apresentado a avaliação cinética do perfil da concentração de
matéria orgânica (DQO
bruta
) ao longo do ciclo de operação do reator ASBBR operado na
estratégia de alimentação batelada alimentada durante 75% do ciclo. Como a lâmina
d´água residuária não atingiu a biomassa nos primeiros 100 minutos do ciclo,
desconsiderou-se este período na modelagem cinética. Assim, o tempo inicial zero foi para
o modelo o ponto de amostragem de 100 minutos de ciclo Verifica-se que o modelo
apresentou um bom ajuste aos dados experimentais (r
2
= 0,9954). Também é constatado
que a concentração residual (C
SR
) estimada do modelo foi próxima da obtida
experimentalmente, mostrando, novamente o bom ajuste do modelo.
Na Figura 5.48 é apresentado a avaliação cinética do perfil da concentração de
matéria orgânica (DQO
bruta
) ao longo do ciclo de operação do reator ASBBR operado na
estratégia de alimentação batelada alimentada típica. Como a lâmina d´água residuária não
atingiu a biomassa nos primeiros 120 minutos do ciclo, desconsiderou-se este período na
modelagem cinética. Assim, o tempo inicial zero foi para o modelo o ponto de amostragem
de 120 minutos de ciclo Verifica-se que o modelo apresentou um bom ajuste aos dados
experimentais (r
2
= 0,9928). Também é constatado que a concentração residual (C
SR
)
97
estimada do modelo foi próxima da obtida experimentalmente, mostrando, novamente o
bom ajuste do modelo.
0
50
100
150
200
250
300
350
400
450
500
550
600
650
700
750
800
850
0 100 200 300 400 500
Tempo (min)
C
S
(mgDQO/L)
CS-Exp
CS-Mod
Figura 5.47. Avaliação cinética do perfil da concentração de matéria orgânica (DQO
bruta
)
ao longo do ciclo de operação do reator ASBBR operado na estratégia de
alimentação batelada alimentada durante 75% do ciclo.
0
50
100
150
200
250
300
350
400
450
500
550
600
650
700
750
0 100 200 300 400 500
Tempo (min)
C
S
(mgDQO/L)
CS-Exp
CS-Mod
Figura 5.48. Avaliação cinética do perfil da concentração de matéria orgânica (DQO
bruta
)
ao longo do ciclo de operação do reator ASBBR operado na estratégia de
alimentação batelada alimentada típica.
C
SR
= 138,8 mgDQO/L
r
2
= 0,9954
k
1
= 0,867 h
-1
C
SR
=216,9 mgDQO/L
K
1
=2,40 h
-1
r
2
= 0,9928
98
5.3.2. Análise do desempenho no ASBR operado em Batelada Alimentada
Na Tabela 5.18 são apresentados os valores médios das variáveis monitoradas
durante a operação do reator ASBR com impelidor tipo turbina de pás planas e com
intensidade de agitação igual a 40 rpm nas seguintes estratégias de alimentação: batelada
alimentada durante 25% do ciclo, batelada alimentada durante 50 % do ciclo, batelada
alimentada durante 75% do ciclo e batelada alimentada típica (alimentada durante 100% do
ciclo). Estes valores médios correspondem aos ensaios realizados durante 21 dias para cada
condição de operação avaliada.
Verifica-se que, conforme evidenciado para o reator ASBBR, os valores de pH
efluente para todas as condições de operação em análise não variaram significativamente,
permanecendo dentro da faixa ótima de estabilidade para formação de metano, ou seja,
entre 6,0 e 8,0 (Chernicharo, 1996). Também é verificado que em média ocorreu produção
de alcalinidade a bicarbonato e redução da concentração de ácidos voláteis em relação ao
afluente mostrando a existência de estabilidade no sistema para todas as condições de
operação analisadas.
Novamente é constatado que a concentração de matéria orgânica (DQO
Bruta
) do
afluente apresentou um desvio padrão considerável, sendo ainda evidenciado nestas
amostras altas concentrações de sólidos que também possuem valores de desvio padrão
elevados. Como evidenciado para o sistema operado em batelada típica, o ASBR operado
em batelada alimentada também não apresentou bom desempenho na remoção de sólidos,
sendo constatado eficiências de remoção de sólidos totais iguais a: 30,0% para o sistema
operado em batelada alimentada durante 25% do ciclo, 28,7% para o sistema operado em
batelada alimentada durante 50 % do ciclo, 28,1% para o sistema operado em batelada
alimentada durante 75% do ciclo e 24,2% para o sistema operado em batelada alimentada
típica.
Analisando os dados para as quatro estratégias de alimentação, verifica-se que o
sistema ASBR, quando operado em batelada alimentada típica, apresentou eficiências de
remoção de matéria orgânica (DQO) menores quando comparado às outras estratégias de
alimentação. Já o sistema operado em batelada alimentada durante 75% do ciclo tendeu a
apresentar eficiências de remoção de matéria orgânica maiores em relação as outras
condições de alimentação avaliadas. Ressalta-se que não foi evidenciada diferenças
significativas entre os sistemas operados em batelada alimentada durante 50% e 75% do
99
Tabela 5.18. Valores médios (09 amostras) das variáveis monitoradas durante a operação do reator ASBR nas seguintes estratégias de
alimentação: batelada alimentada durante 25% do ciclo, batelada alimentada durante 50 % do ciclo, batelada alimentada durante
75% do ciclo e batelada alimentada típica (alimentada durante 100% do ciclo).
ASBBR
Batelada Alimentada
25% do ciclo
Batelada Alimentada
50% do ciclo
Batelada Alimentada
75% do ciclo
Batelada Alimentada Típica
Parâmetro
Afluente Efluente Afluente Efluente Afluente Efluente Afluente Efluente
pH 7,41 ± 0,09 6,98 ± 0,07 7,20 ± 0,17 6,92 ± 0,26 6,91 ± 0,14 6,73 ± 0,08 6,70 ± 0,20 6,46 ± 0,15
T (ºC) 23,2 ± 1,4 20,9 ± 1,8 26,3 ± 1,6 24,7 ± 1,1 28,5 ± 2,7 27,1 ± 2,3 27,24 ± 1,01 25,67 ± 1,03
DQO
Bruta
, mg L
-1
609 ± 153 268 ± 77 775 ± 16 221 ± 22 650 ± 53 191 ± 31 518 ± 92 250 ± 29
Efic. DQO
Bruta
(%) - 56,8 - 70,3 - 70,3 - 50,9
DQO
Filtrada
, mg L
-1
274 ± 103 147 ± 66 336 ± 80 113 ± 29 294 ± 19 93 ± 14 238 ± 43 147 ± 22
Efic. DQO
Filtrada
(%) - 76,3 - 84,4 - 85,4 - 71,4
Alcalinidade, mgCaCO
3
L
-1
158 ± 8 183 ± 28 157 ± 12 199 ± 20 142 ± 13 206 ± 10 136 ± 19 179 ± 12
Ácidos Voláteis, mgHAc L
-1
41 ± 8 34 ± 10 56 ± 12 34 ± 14 54 ± 4 28 ± 10 45 ± 10 39 ± 12
ST, mg L
-1
634 ± 251 501 ± 217 902 ± 236 643 ± 192 739 ± 109 531 ± 212 591 ± 125 448 ± 123
SST, mg L
-1
332 ± 233 18 ± 192 372 ± 98 211 ± 58 262 ± 381 185 ± 95 190 ± 98 137 ± 101
SSV, mg L
-1
273 ± 171 150 ± 153 298 ± 77 159 ± 47 226 ± 318 133 ± 87 107 ± 65 81 ± 55
100
ciclo, mostrando a flexibilidade que o sistema apresenta quanto à forma de operação da
alimentação, favorecendo a sua aplicação para locais onde a água residuária não é gerada
de forma contínua. Comportamento similar foi evidenciado no ASBBR.
Também é evidenciado que na condição de batelada alimentada típica o valor da
DQO bruta afluente foi inferior aos das outras condições analisadas, pois conforme
descrito na metodologia da caracterização da DQO afluente do sistema, foi realizado uma
amostragem composta ao longo do período de enchimento, sendo constatado que no
período entre as 16:00 hs e 18:00 hs ocorreu uma redução considerável na carga orgânica
do afluente.
Outros parâmetros analisados no sistema foram as concentrações de sólidos totais
(ST) e sólidos totais voláteis (STV) na massa de lodo do reator ASBR, as quais estão
apresentadas na Tabela 5.19. Constata-se que as concentrações de sólidos na massa do lodo
não apresentaram diferenças significativas com as mudanças de condições, bem como
quando comparado com a concenração do sistema na condição de batelada típica.
Também, não foi observado (visualmente) nenhuma formação de uma camada grossa na
superfície do meio liquido do reator, conforme foi evidenciado na etapa da batelada típica
quando ocorreu a ruptura dos grânulos com o aumento da intensidade de agitação.
Tabela 5.19. Concentrações de sólidos totais (ST) e sólidos totais voláteis (STV) na massa
de lodo do ASBR.
Condição de operação g ST L
-1
g STV L
-1
Batelada alimentada durante 25% do ciclo 11,7 10,4
Batelada alimentada durante 50% do ciclo 12,1 10,7
Batelada alimentada durante 75% do ciclo 11,3 10,5
Batelada alimentada típica 11,6 10,9
Nas Figuras 5.49 e 5.50 são apresentadas as variações da concentração de matéria
orgânica (na forma de DQO bruta e filtrada) ao longo do período analisado para o afluente
e o efluente do reator ASBR, bem como a eficiência de remoção, para as quatro estratégias
de alimentação avaliadas. Verifica-se que no gráfico existe uma região em que não foram
realizadas as análises, pois neste período a Universidade de São Paulo entrou de greve e
por conseqüência as atividades do refeitório foram interrompidas. Assim, conforme já
descrito anteriormente, o desempenho das análises fica limitado devido a redução da carga
orgânica ocosionada pelo fechamento do restaurante universitário.
101
0
100
200
300
400
500
600
700
800
900
1000
350 450 550 650 750 850
Ciclo
DQO (mg L
-1
)
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
Eficiência de remoção (%)
DQO bruta efluente DQO bruta afluente Eficiência de remoção
25% do ciclo Greve 50% do ciclo 75% do ciclo 100% ciclo
Figura 5.49. Variação da DQO bruta do afluente e efluente do sistema ASBR, bem como a
eficiência de remoção para as quatro estratégias de alimentação avaliadas.
0
100
200
300
400
500
600
700
800
900
1000
350 450 550 650 750 850
Ciclo
DQO (mg L
-1
)
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
Eficiência de remoção (%)
DQO filtrada efluente DQO filtrada afluente Eficiência de remoção
25% do ciclo Greve 50% do ciclo 75% do ciclo 100% ciclo
Figura 5.50. Variação da DQO filtrada do afluente e efluente do sistema ASBR, bem como
a eficiência de remoção para as quatro estratégias de alimentação avaliadas.
102
Analisando o gráfico apresentado na Figura 5.49, constata-se que o sistema ASBR
quando operado nas condições de batelada alimentada durante 50% e 75% do ciclo
apresentaram melhores eficiêcias de remoção de matério orgânica, mesmo tendo sido
evidenciado neste período altos valores de DQO bruta afluente do sistema, mostrando que
o sistema estava em equilíbrio.
Na Figura 5.51 é apresentado a variação da concentração de ácidos voláteis ao
longo do período analisado para o afluente e o efluente do reator ASBR para as quatro
estratégias de alimentação avaliadas. Constata-se, com algumas exceções, que a
concentração de ácidos voláteis no afluente tendeu a ser sempre superior ao do efluente em
todas as condições de operação analisadas, exceto na condição batelada alimentada típica
em que foi verificado maior freqüência de ocorrência de maiores concentrações de ácidos
voláteis no efluente em relação ao afluente. Porém, nos valores médios a condição batelada
alimentada típica apresentou menor concentração de ácidos no efluente em relação ao
alfuente. Este fato mostra que o sistema apresentou estabilidade operacional para todas as
situações submetidas, tendendo a uma mudança de comportamento somente na condição
de batelada alimentada típica.
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
350 450 550 650 750 850
Ciclo
mgHAc. L
-1
Ácidos Voláteis efluente Ácidos Voláteis afluente
25% do ciclo Greve 50% do ciclo 75% do ciclo 100% do ciclo
Figura 5.51. Variação da concentração dos ácidos voláteis no afluente e efluente do
sistema ASBR para as quatro estratégias de alimentação avaliadas.
103
Na Figura 5.52 é apresentado a variação da alcalinidade a bicarbonato ao longo do
período analisado para o afluente e o efluente do reator ASBR para as quatro estratégias de
alimentação avaliadas. Constata-se que para todas as condições de operação analisadas a
alcalinidade a bicarbonato no efluente sempre foi superior a do afluente. Este fato
associado ao constatado com a concentração de ácidos voláteis descrito anteriormente,
reforça a conclusão de que o ASBR operou de forma estável em todas as estratégias de
alimentação submetidas ao sistema.
0
50
100
150
200
250
300
350 450 550 650 750 850
Ciclo
mgCaCO
3
L
-1
Alcalinidade efluente Alcalinidade afluente
25% do ciclo Greve 50% do ciclo 75% do ciclo 100% do ciclo
Figura 5.52. Variação da alcalinidade a bicarbonato no afluente e efluente do sistema
ASBR para as quatro estratégias de alimentação avaliadas.
5.3.2.1. Perfil temporal – ASBR
Na Figura 5.53, são apresentados os perfis temporais da concentração de matéria
orgânica (DQO
Bruta
) e eficiência de remoção ao longo do ciclo do reator ASBR operado
nas quatro estratégias de alimentação avaliadas.
Verifica-se que, para a condição de estratégia de alimentação batelada alimentada
durante 25% do ciclo, com dois minutos de reação, a concentração de matéria orgânica na
forma de DQO
Bruta
foi igual a 416 mg L
-1
. Porém, a DQO
Bruta
do afluente foi igual a
104
721 mg L
-1
, o que mostra o efeito da diluição inicial da matéria orgânica no reator devido
ao volume de liquido armazenado junto ao lodo granulado. Também é constatado que a
DQO aumenta até 30 minutos do ciclo, pois neste período está havendo alimentação do
sistema por um afluente com concentração de matéria orgânica superior à existente no
reator. Assim, existe um ponto no qual a taxa de degradação da matéria orgânica pelos
microrganismos supera a taxa de aumento da matéria orgânica ocasionado pela entrada do
afluente e a DQO do sistema começa a decrescer. Para a condição de batelada alimentada
durante 25% do ciclo, este ponto de deflexão está entre o período de 30 a 60 minutos de
reação.
Já para o sistema ASBR operado na condição de batelada alimentada durante 50%
do ciclo, constata-se o mesmo comportamento da operação em batelada alimentada durante
25% do ciclo, sendo observado que a DQO aumenta até 60 minutos do ciclo e, a partir de
então, a taxa de degradação da matéria orgânica pelos microrganismos supera o incremento
de matéria orgânica ocasionado pela entrada do afluente e a DQO do sistema começa a
decrescer.
Quanto ao sistema operado em batelada alimentada durante 75% do ciclo verifica-
se que não ocorreu um aumento nos valores de DQO bruta no início do perfil, como foi
observado para as condições de batelada alimentada durante 25% e 50% do ciclo. Este fato
é justificado pela vazão de entrada do sistema operado em batelada durante 75% do ciclo
ser inferior as de 25% e 50% e consequentemente menor foi a carga orgânica inicial,
fazendo com que a taxa de degradação da matéria orgânica pelos microrganismos tende-se
a igualar a taxa de aumento de matéria orgânica ocasionada pela entrada do alfuente.
Assim, veriifica-se que a partir de 1 hora e 40 minutos a taxa de degradação de matéria
orgânica pelos microrganismos superou a taxa de aumento de matéria orgânica,
apresentando assim, a partir deste momento, aumento na eficiência de remoção de matéria
orgânica.
Comportamento similar ao sistema operado em batelada alimentada durante 75%
do ciclo foi evidenciado na condição de batelada alimentada típica, onde foi constatado
que, devido as baixas vazões de entrada no sistema, a taxa de degradação de matéria
orgânica pelos microrganismos superou a taxa de aumento de matéria orgânica ocasionada
pela entrada do afluente. Assim, logo no início do perfil o sistema já apresentou uma
redução da concentração de matéria orgânica devido ao consumo de substrato pelos
microrganismos.
105
(a)
0
50
100
150
200
250
300
350
400
450
500
012345678
Tempo (horas)
DQO
Bruta
mg L
-1
0
10
20
30
40
50
60
70
012345678
Tempo (horas)
Eficiência (%)
(b)
0
50
100
150
200
250
300
350
400
012345678
Tempo (horas)
DQO
Bruta
mg L
-1
0
10
20
30
40
50
60
70
80
012345678
Tempo (horas)
Eficiência (%)
(c)
0
50
100
150
200
250
300
350
400
012345678
Tempo (horas)
DQO
Bruta
mg L
-1
0
10
20
30
40
50
60
70
80
012345678
Tempo (horas)
Eficiência (%)
(d)
0
50
100
150
200
250
300
350
012345678
Tempo (horas)
DQO
Bruta
mgL
1
0
10
20
30
40
50
60
012345678
Tempo (horas)
Eficiência (%)
Figura 5.53. Perfis da concentração de matéria orgânica (DQO
Bruta
) e eficiência de remoção
ao longo do ciclo de operação do reator ASBR operado nas seguintes estratégia
de alimentação: batelada alimentada durante 25% do ciclo (a); batelada
alimentada durante 50% do ciclo (b); batelada alimentada durante 75% do
cilco (c); e batelada alimentada típica (d).
106
Na Tabela 5.20 é apresentado os valores de DQO
bruta
no afluente incial e na amostra
retirada após 2 minutos de reação nos perfis temporais realizados para as quatro condições
de operação analisadas no reator ASBR. Verifica-se o efeito da diluição da carga orgânica,
porém deve-se também ser considerado que as vazões de entrada em cada condição de
operação analisada foram diferentes e consequentemente as cargas orgânicas iniciais
também foram distintas.
Tabela 5.20. Valores de DQO
bruta
no afluente inicial e na amostra retirada após 2 minutos
de reação no ASBR.
Condição de operação
batelada alimentada duratnte:
DQO
bruta
(mg L
1
)do
afluente inicial
DQO
bruta
(mg L
-1
) da amostra
retirada após 2 minutos de reação no
ASBR
25% do ciclo 721,00 416,00
50% do ciclo 868,30 302,3
75% do ciclo 807,30 375,6
100% do ciclo 618,9 312,8
Nas Figura 5.54 a 5.57 são apresentados a avaliação cinética do perfil da
concentração de matéria orgânica (DQO
bruta
) ao longo do ciclo de operação do reator
ASBR operado nas estratégias de alimentação batelada alimentada durante 25% do ciclo,
batelada alimentada durante 50% do ciclo, batelada alimentada durante 75% do ciclo e
batelada alimentada típica, respectivamente. Verifica-se que o modelo apresentou um bom
ajuste para as quatro condições experimentais, pois o coeficiente de correlação (r
2
) foi
superior a 0,90 em todas as situações. Também é constatado que a concentração residual
(C
SR-mod.
– 25% do ciclo 322,4mg/L; 50% do ciclo 240,3mg/L; 75% do ciclo 184mg/L;
100% do ciclo 271,6mg/L) estimada do modelo foi próxima da obtida experimentalmente
(C
SR-exp
- 25% do ciclo 302,3mg/L; 50% do ciclo 227,4mg/L; 75% do ciclo 205,5mg/L;
100% do ciclo 273,5mg/L), mostrando, novamente o bom ajuste do modelo.
107
0
50
100
150
200
250
300
350
400
450
500
0 100 200 300 400 500
Tempo (min)
C
S
(mgDQO/L)
CS-Exp
CS-Mod
C
SR
=322,4 mgDQO/L
K
1
=1,001 h
-1
r
2
= 0,9035
Figura 5.54. Avaliação cinética do perfil da concentração de matéria orgânica (DQO
bruta
)
ao longo do ciclo de operação do reator ASBR operado na estratégia de
alimentação batelada alimentada durante 25% do ciclo.
0
50
100
150
200
250
300
350
400
0 100 200 300 400 500
Tempo (min)
C
S
(mgDQO/L)
CS-Exp
CS-Mod
C
SR
=240,3 mgDQO/L
K
1
=1,967 h
-1
r
2
= 0,9380
Figura 5.55. Avaliação cinética do perfil da concentração de matéria orgânica (DQO
bruta
)
ao longo do ciclo de operação do reator ASBR operado na estratégia de
alimentação batelada alimentada durante 50% do ciclo.
108
0
50
100
150
200
250
300
350
400
0 100 200 300 400 500
Tempo (min)
C
S
(mgDQO/L)
CS-Exp
CS-Mod
C
SR
=184,0 mgDQO/L
K
1
=1,035 h
-1
r
2
= 0,9693
Figura 5.56. Avaliação cinética do perfil da concentração de matéria orgânica (DQO
bruta
)
ao longo do ciclo de operação do reator ASBR operado na estratégia de
alimentação batelada alimentada durante 75% do ciclo.
0
50
100
150
200
250
300
350
0 100 200 300 400 500
Tempo (min)
C
S
(mgDQO/L)
CS-Exp
CS-Mod
C
SR
=271,6 mgDQO/L
K
1
=3,296 h
-1
r
2
= 0,9419
Figura 5.57. Avaliação cinética do perfil da concentração de matéria orgânica (DQO
bruta
)
ao longo do ciclo de operação do reator ASBR operado na estratégia de
alimentação batelada alimentada típica.
109
5.3.3. Comparação do ASBR e ASBBR – Batelada Alimentada durante 25% do ciclo
Na Tabela 5.21 é apresentado alguns parâmetros escolhidos para auxiliar na análise
da comparação dos sistemas ASBR e ASBBR operados na estratégia de alimentação
batelada alimentada durante 25% do ciclo. O parâmetro produção de alcalinidade a
bicarbonato representa a diferença da alcalinidade do efluente em relação ao afluente,
sendo seguido o mesmo raciocínio para o parâmetro produção de ácidos voláteis. Assim,
caso o parâmetro produção de ácidos voláteis for igual a 0 (zero) significa que o efluente
apresentou concentração de ácidos voláteis inferior à do afluente.
Observa-se na Tabela 5.21 que o reator ASBBR apresentou melhores eficiências de
remoção de matéria orgânica na forma de DQO bruta quando comparado com o ASBR,
devido, provavelmente, pela maior eficiência do ASBBR na remoção de sólidos totais. Já
para DQO filtrada não foi evidenciado diferenças significativas entre os dois sistemas.
Quanto a constante cinética de primeira ordem (K
1
app
), não tem como fazer uma
comparação, pois o substrato existente na vazão de alimentação entra em contato com toda
a biomassa do ASBR no primeiro momento do ciclo, enquanto que no ASBBR o substrato
vai entrando em contato com a biomassa ao longo do ciclo. Este fato acarreta em maiores
valores da constante. K
1
app
no ASBR.
Tabela 5.21. Parâmetros comparativos dos sistemas ASBR e ASBBR (batelada alimentada
durante 25% do ciclo).
Parâmetro Efluente ASBR Efluente ASBBR
Efic. DQO
Bruta
(%) 56,8 61,5
Efic. DQO
Filtrada
(%) 76,3 75,9
Produção de Alcalinidade, mgCaCO
3
L
-1
24,9 35,4
Produção de Ácidos Voláteis, mgHAc L
-1
0 0
Efic. ST (%) 21,0 47,1
K
1
app
(h
-1
) 1,001 0,394
Quanto a alcalinidade observa-se que ocorreu, em média, produção de alcalinidade
a bicarbonato em ambos sistemas, sendo evidenciado que no ASBBR esta produção foi
maior. Já para a produção de ácidos voláteis observa-se que em ambos os sistemas a
110
concentração média de ácidos voláteis do efluente foi menor que a do afluente. Assim,
conclui-se que tanto no ASBR como no ASBBR ocorreu estabilidade operacional.
Logo, a partir dos dados apresentados na Tabela 5.21 conclui-se que os sistemas
ASBBR e ASBR operados na estratégia de alimentação batelada alimentada durante 25%
do ciclo apresentaram comportamentos similares, não sendo possível, estatisticamente
apontar um sistema com melhor desempenho.
5.3.4. Comparação do ASBR e ASBBR – Batelada Alimentada durante 50% do ciclo
Na Tabela 5.22 é apresentado alguns parâmetros escolhidos para auxiliar na análise
da comparação dos sistemas ASBR e ASBBR operados na estratégia de alimentação
batelada alimentada durante 50% do ciclo. Observa-se que o reator ASBR apresentou
melhores eficiências de remoção de matéria orgânica na forma de DQO bruta e filtrada
quando comparado com o ASBBR, devido, provavelmente, pela maior eficiência do ASBR
na remoção de sólidos totais. Este comportamento foi oposto ao evidenciado para a
condição de batelada alimentada durante 25% do ciclo.
Tabela 5.22. Parâmetros comparativos dos sistemas ASBR e ASBBR (batelada alimentada
durante 50% do ciclo).
Parâmetro Efluente ASBR Efluente ASBBR
Efic. DQO
Bruta
(%) 70,3 67,5
Efic. DQO
Filtrada
(%) 84,4 80,2
Produção de Alcalinidade, mgCaCO
3
L
-1
42,2 43,9
Produção de Ácidos Voláteis, mgHAc L
-1
0 0
Efic. ST (%) 28,7 24,5
K
1
app
(h
-1
) 1,967 0,954
Quanto a constante cinética de primeira ordem (K
1
app
), não tem como fazer uma
comparação, pois o substrato existente na vazão de alimentação entra em contato com toda
a biomassa do ASBR no primeiro momento do ciclo, enquanto que no ASBBR o substrato
vai entrando em contato com a biomassa ao longo do ciclo. Este fato acarreta em maiores
valores da constante. K
1
app
no ASBR.
Quanto a alcalinidade observa-se que ocorreu, em média, produção de alcalinidade
a bicarbonato em ambos sistemas. Já para a produção de ácidos voláteis observa-se que em
111
ambos reatores a concentração média de ácidos voláteis do efluente foi menor que a do
afluente. Assim, conclui-se que tanto no ASBR como no ASBBR ocorreu operacional.
Portanto, a partir dos dados apresentados na Tabela 5.22 evidencia-se que o ASBR
tendeu a apresentar algumas pequenas vantagens em relação ao ASBBR na condição
batelada alimentada durante 50% do ciclo, tais como melhores eficiências de remoção de
sólidos e matéria orgânica (tanto na forma de DQO bruta como na filtrada).
5.3.5. Comparação do ASBR e ASBBR – Batelada Alimentada durante 75% do ciclo
Na Tabela 5.23 é apresentado alguns parâmetros escolhidos para auxiliar na análise
da comparação dos sistemas ASBR e ASBBR operados na estratégia de alimentação
batelada alimentada durante 75% do ciclo. Observa-se que os reatores ASBR e ASBBR
apresentaram comportamentos semelhantes, sendo evidenciado um pequeno melhor
desempenho na remoção de matéria orgânica na forma de DQO filtrada no reator ASBR,
mesmo tendo o reator ASBBR apresentado melhor eficiência de remoção de sólidos totais.
Tabela 5.23. Parâmetros comparativos dos sistemas ASBR e ASBBR (batelada alimentada
durante 75% do ciclo).
Parâmetro Efluente ASBR Efluente ASBBR
Efic. DQO
Bruta
(%) 70,3 69,9
Efic. DQO
Filtrada
(%) 85,4 82,2
Produção de Alcalinidade, mgCaCO
3
L
-1
64,0 60,1
Produção de Ácidos Voláteis, mgHAc L
-1
0 0
Efic. ST (%) 28,1 35,2
K
1
app
(h
-1
) 1,035 0,867
Quanto a constante cinética de primeira ordem (K
1
app
), não tem como fazer uma
comparação, pois o substrato existente na vazão de alimentação entra em contato com toda
a biomassa do ASBR no primeiro momento do ciclo, enquanto que no ASBBR o substrato
vai entrando em contato com a biomassa ao longo do ciclo. Este fato acarreta em maiores
valores da constante. K
1
app
no ASBR.
Quanto a alcalinidade observa-se que ocorreu, em média, produção de alcalinidade
a bicarbonato em ambos sistemas. Já para a produção de ácidos voláteis observa-se que em
ambos reatores a concentração média de ácidos voláteis do efluente foi menor que a do
112
afluente. Assim, conclui-se que tanto no ASBR como no ASBBR ocorreu estabilidade no
sistema.
Portanto, a partir dos dados apresentados na Tabela 5.23 não é possível diagnosticar
uma diferença expressiva no desempenho dos dois sistemas avaliados, pois ambos
apresentaram comportamentos similares para a condição de batelada alimentada durante
75% do tempo.
5.3.6. Comparação do ASBR e ASBBR – Batelada Alimentada Típica
Na Tabela 5.24 é apresentado alguns parâmetros escolhidos para auxiliar na análise
da comparação dos sistemas ASBR e ASBBR operados na estratégia de alimentação
batelada alimentada típica. Observa- que os reatores ASBR e ASBBR apresentaram
comportamentos semelhantes, sendo evidenciado um pequeno melhor desempenho na
remoção de matéria orgânica na forma de DQO bruta no reator ASBBR, em virtude,
provavelmente, pela maior eficiência de remoção de sólidos totais.
Tabela 5.24. Parâmetros comparativos dos sistemas ASBR e ASBBR (batelada alimentada
típica).
Parâmetro Efluente ASBR Efluente ASBBR
Efic. DQO
Bruta
(%) 50,9 53,6
Efic. DQO
Filtrada
(%) 71,4 71,5
Produção de Alcalinidade, mgCaCO
3
L
-1
43,5 43,6
Produção de Ácidos Voláteis, mgHAc L
-1
0 0
Efic. ST (%) 24,2 33,1
K
1
app
(h
-1
) 3,296 2,400
Quanto a constante cinética de primeira ordem (K
1
app
), não tem como fazer uma
comparação, pois o substrato existente na vazão de alimentação entra em contato com toda
a biomassa do ASBR no primeiro momento do ciclo, enquanto que no ASBBR o substrato
vai entrando em contato com a biomassa ao longo do ciclo. Este fato acarreta em maiores
valores da constante. K
1
app
no ASBR.
Quanto a alcalinidade observa-se que ocorreu, em média, produção de alcalinidade
a bicarbonato em ambos sistemas. Já para a produção de ácidos voláteis observa-se que em
ambos reatores a concentração média de ácidos voláteis do efluente foi menor que a do
113
afluente. Assim, conclui-se que tanto no ASBR como no ASBBR ocorreu estabilidade no
sistema.
Portanto, a partir dos dados apresentados na Tabela 5.24 não é possível diagnosticar
uma diferença expressiva no desempenho dos dois sistemas avaliados, pois ambos
apresentaram comportamentos similares para a condição de batelada alimentada típica.
5.4. Comparação das Estratégias de Alimentação (Batelada Típica x Batelada
Alimentada) no reator ASBBR
Conforme descrito anteriormente as condições de alimentação batelada típica,
batelada alimentada durante 50% e 75% do ciclo apresentaram melhores desempenhos
quando comparadas as outras condições avaliadas. Assim, na Tabela 5.25 é apresentado
alguns parâmetros escolhidos para auxiliar na análise da comparação do sistema ASBBR
operado nas estratégias de alimentação batelada típica e batelada alimentada durante 50% e
75% do ciclo.
Tabela 5.25. Parâmetros comparativos do sistema ASBBR operado nas condições de
alimentação batela típica, batelada alimentada durante 50% e 75% do ciclo.
ASBBR
Batela alimentada durante:
Parâmetro Batela Típica
50% do ciclo 75% do ciclo
Efic. DQO
Bruta
(%) 70,2 67,5 69,9
Efic. DQO
Filtrada
(%) 77,6 80,2 82,2
Produção de Alcalinidade, mgCaCO
3
L
-1
68,1 43,9 60,1
Produção de Ácidos Voláteis, mgHAc L
-1
0 0 0
Efic. ST (%) 38,7 24,5 35,2
K
1
app
(h
-1
) 1,041 0,954 0,867
Observa-se na Tabela 5.25 que o sistema ASBBR quando operado nas três
condições de alimentação apresentou comportamentos semelhantes, sendo evidenciado um
pequeno melhor desempenho na remoção de matéria orgânica na forma de DQO filtrada na
condição de batelada alimentada durante 75% do ciclo. Também é constatado que a
constante cinética de primeira ordem (K
1
app
) apresentou valores semelhantes para as três
condições avaliadas.
114
Quanto a alcalinidade observa-se que ocorreu, em média, produção de alcalinidade
a bicarbonato em ambos sistemas. Já para a produção de ácidos voláteis observa-se que em
ambas condições a concentração média de ácidos voláteis do efluente foi menor que a do
afluente. Assim, conclui-se que o sistema ASBBR apresentou estabilidade para estas três
condições avaliadas.
Portanto, a partir dos dados apresentados na Tabela 5.25 não é possível diagnosticar
uma diferença expressiva no desempenho do sistema ASBBR quando operado nas três
condições avaliadas, pois estas apresentaram comportamentos similares, mostrando a
flexibilidade operacional que o sistema possui.
Orra et al. (2003) estudaram a influência da estratégia de alimentação em um reator
ASBBR (2 L), homogeneizado por recirculação externa da fase líquida, e alimentado com
água residuária sintética (500 mgDQO L
-1
) e tempo de ciclo igual a 6 horas. Nas condições
de operação em batelada alimentada foram avaliadas as durações de alimentação de 60,
120, 240 e 360 minutos. Comparando os resultados obtidos para as etapas de operação em
batelada alimentada com a operação em batelada, os autores observaram que o sistema
atingiu valores de eficiência muito próximos (> 80%), o que flexibiliza o processo para os
casos onde não se disponha de despejos continuamente, ou seja, a disponibilidade do
efluente a ser tratado seja intermitente. Nestes casos mesmo que o tempo de alimentação
do reator ocorra em um período maior que aquele convencionalmente utilizado no processo
em batelada, não haverá diminuição significativa da eficiência do processo. Além disso, a
utilização de uma etapa de alimentação mais longa garante menores concentrações de
substrato no reator ao longo de todo o ciclo operacional, ocasionando valores menores de
concentração de ácido voláteis, favorecendo a estabilidade do reator.
Assim, o comportamento obtido por Orras et al. (2003) foi similar ao obtido no
presente trabalho, mostrando, novamente, a flexibilidade que o ASBBR apresenta quanto a
forma de alimentação. Vale ressaltar que os valores de DQO de entrada no presente
trabalho não eram fixos, como no trabalho apresentado por Orras et al. (2003), mostrando
que mesmo assim o sistema apresentou estabilidade.
Cavalhero e Zaiat (2006) avaliaram a influência da estratégia de alimentação sobre
o desempenho de um ASBBR (10 L), no tratamento de esgoto sanitário (mesmo utilizado
no presente trabalho) com tempo de ciclo igual a 8 horas. O sistema foi monitorado em
batelada típica, batelada alimentada com tempo de alimentação durante 50% do ciclo e
batelada alimentada típica, sendo constatado que o sistema em batelada alimentada durante
50% do ciclo foi o mais eficiente na remoção de material orgânico na forma de DQO
115
filtrada (eficiência de 88%), seguido do batelada alimentada típica (71%) e batelada típica
(60%). Verifica-se comportamento um pouco distinto do obtido no presente trabalho,
apesar da água residuária ser a mesma (em síntese a água residuaria do trabalho de
Cavalhero e Zaiat (2006), apesar de ser da mesma origem do afluente do presente estudo,
elas apresentam composição um pouco diferente, em virtude do trabalho dos referidos
autores a água residurária ser armazenada em um reservatório, denominado tanque pulmão,
o que proporciona a sedimentação dos sólidos, enquanto que no presente trabalho a água
residuária era captada antes da entrada deste tanque pulmão, apresentando assim maiores
concentrações de sólidos), pois o sistema operado em batelada típica apresentou
desempenho significatico pior na remoção de matéria orgânica no trabalho de Cavalhero e
Zaiat (2006). Porém, comportamento similar nos dois trabalhos foi observado na redução
do desempenho do sistema quando operado em batelada alimentada típica, em relação ao
sistema operado em batelada alimentada durante 50% do ciclo.
Cavalhero e Zaiat (2006) também observaram que o ASBBR apresentava
sedimentação de sólidos na alimentação do sistema antes que a lâmina d´água atingisse o
impelidor. Como, no presente trabalho, a alimentação do ASBBR ocorreu pela parte
inferior do reator e como a vazão de entrada pela tubulação provoca um turbilhonamento
dentro do reator na parte inferior, conclui-se que antes da lâmina d´água atingir o impelidor
não ocorreu sedimentação dos sólidos no sistema por falta de mistura, devido a esta
turbulência causada na entrada do reator.
5.5. Comparação das Estratégias de Alimentação (Batelada Típica x Batelada
Alimentada) no reator ASBR
Conforme descrito anteriormente as condições de alimentação batelada típica,
batelada alimentada durante 50% e 75% do ciclo apresentaram melhores desempenhos
quando comparadas as outras condições avaliadas. Assim, na Tabela 5.26 é apresentado
alguns parâmetros escolhidos para auxiliar na análise da comparação do sistema ASBR
operado nas estratégias de alimentação batelada típica e batelada alimentada durante 50% e
75% do ciclo.
Observa-se na Tabela 5.26 que o sistema ASBR quando operado nas três condições
de alimentação apresentou comportamentos semelhantes, sendo evidenciado um pequeno
melhor desempenho na remoção de matéria orgânica na forma de DQO filtrada na
condição de batelada alimentada durante 75% do ciclo.
116
Tabela 5.26. Parâmetros comparativos do sistema ASBR operado nas condições de
alimentação batela típica, batelada alimentada durante 50% e 75% do ciclo.
ASBR
Batela alimentada durante:
Parâmetro Batela Típica
50% do ciclo 75% do ciclo
Efic. DQO
Bruta
(%) 69,0 70,3 70,3
Efic. DQO
Filtrada
(%) 80,1 84,4 85,4
Produção de Alcalinidade, mgCaCO
3
L
-1
27,7 42,2 64,0
Produção de Ácidos Voláteis, mgHAc L
-1
0 0 0
Efic. ST (%) 30,0 28,7 28,1
K
1
app
(h
-1
) 1,391 1,967 1,035
Quanto a alcalinidade observa-se que ocorreu, em média, produção de alcalinidade
a bicarbonato em ambos sistemas. Já para a produção de ácidos voláteis observa-se que em
ambas condições a concentração média de ácidos voláteis do efluente foi menor que a do
afluente. Assim, conclui-se que o sistema ASBR apresentou estabilidade para estas três
condições avaliadas.
Portanto, a partir dos dados apresentados na Tabela 5.26 não é possível diagnosticar
uma diferença expressiva no desempenho do sistema ASBR quando operado nas três
condições avaliadas, pois estas apresentaram comportamentos similares, mostrando a
flexibilidade operacional que o sistema possui. Porém, ressatla-se que o processo de
batelada alimentada apresenta uma grande vantagem, pois flexibiliza o processo para os
casos onde não se disponha de despejos continuamente, ou seja, a disponibilidade do
efluente a ser tratado seja intermitente. Nestes casos mesmo que o tempo de alimentação
do reator ocorra em um período maior que aquele convencionalmente utilizado no processo
em batelada, não haverá diminuição significativa da eficiência do processo. Além disso, a
utilização de uma etapa de alimentação mais longa garante menores concentrações de
substrato no reator ao longo de todo o ciclo operacional, ocasionando valores menores de
concentração de ácido voláteis, favorecendo a estabilidade do reator.
117
5.6. Análise Microbiana
Na Figura 5.58 são apresentados imagens obtidas por microscopia óptica da
amostra de lodo proveniente de UASB (ETE/EESC) utilizado como inóculo dos reatores.
Verifica-se presença de Methanosaeta e bacilos de bordas arredondadas. Não foram
detectados bacilos florescentes.
Figura 5.58. Imagens obtidas do inóculo utilizado nos reatores.
Na Figura 5.59 são apresentados imagens obtidas por microscopia óptica da
amostra do lodo do reator granulado (ASBR) pertinente ao final da condição batelada
típica. Verifica-se a presença de bacilos com morfologias diversas (curvos, com inclusões,
etc.), bacilos coloniais semelhantes a zoogléia, protozoários flagelados e cocos. Também
foi detectado presença em grande quantidade de microrganismos não típicos de sistemas
anaeróbios (microrganismos característicos de microaerofilia), e portanto, não sendo
evidenciado uma microbiota especificamente metanogênica (pouca quantidade de
Methanosaeta). Não foi detectado bacilos florescentes.
Na Figura 5.60 são apresentados imagens obtidas por microscopia óptica da
amostra da biomassa presente na espuma de poliuretano do reator ASBBR pertinente ao
final da condição batelada típica. Verifica-se a presença, em grande maioria, de
fototróficas anoxigênicas. Também foi evidenciado presença de bacilos diversos,
filamentos formados por uma cadeia de bacilos e Methanosaeta. Não foi detectado bacilos
florescentes.
118
Figura 5.59. Imagens obtidas do lodo proveniente do ASBR correspondente ao final da
condição batelada típica.
119
Figura 5.60. Imagens obtidas da biomassa presente na espuma de poliuretano do ASBBR
pertinente ao final da condição batelada típica.
A probabilidade de existência de crescimento das bactérias fototróficas
anoxigênicas no ambiente anaeróbio e na ausência de luz é baixa. Porém, SARTI et al.
(2005b) em estudo com ASBBR (1,2 m
3
) também observaram a colonização destas
bactérias e sugeriram que o aparecimento dessa morfologia é devido ao metabolismo
associado ao aprisionamento dos gases resultantes da degradação anaeróbia (contendo
H
2
S) nos cubos de espumas de poliuretano.
120
Na Figura 5.61 são apresentados imagens obtidas por microscopia óptica da
amostra do lodo do reator granulado (ASBR) pertinente ao final da condição batelada
alimentada. Verifica-se a presença de bacilos com morfologias diversas (curvos, com
inclusões, etc.), bacilos coloniais semelhantes a zoogléia, protozoários flagelados e cocos.
Também foi detectado presença em grande quantidade de microrganismos não típicos de
sistemas anaeróbios (microrganismos característicos de microaerofilia). Foi evidenciado
pouca quantidade de Methanosaeta, e, portanto, não sendo uma microbiota
especificamente metanogênica. Também foi detectado cocos florescentes
(Methanobrevibacter) e Beggiatoa. Constata-se que as morfologias obtidas no final da
condição batelada típica são semelhantes as obtidas na batelada alimentada, ou seja, a
mudança de condição de alimentação não variou a morfologia da biomassa do sistema.
Na Figura 5.62 são apresentados imagens obtidas por microscopia óptica da
amostra da biomassa presente na espuma de poliuretano do reator ASBBR pertinente ao
final da condição batelada alimentada. Verifica-se a presença, em grande maioria, de
fototróficas anoxigênicas. Também foi evidenciado presença de bacilos diversos,
filamentos formados por uma cadeia de bacilos e Methanosaeta (estas em poucas
quantidades). Foi detectado cocos fluorescentes (Methanobrevibacter). Constata-se que as
morfologias obtidas no final da condição batelada típica são semelhantes as obtidas na
batelada alimentada, ou seja, a mudança de condição de alimentação não variou a
morfologia da biomassa do sistema.
121
Figura 5.61. Imagens obtidas do lodo proveniente do ASBR correspondente ao final da
condição batelada alimentada.
122
Figura 5.62. Imagens obtidas da biomassa presente na espuma de poliuretano do ASBBR
pertinente ao final da condição batelada alimentada.
123
6. CONCLUSÕES
De posse dos resultados pode-se concluir que:
- no reator anaeróbio operado em bateladas seqüências com biomassa imobilizada
(ASBBR) o aumento da intensidade de agitação de 40 rpm para 80 rpm permitiu uma
melhoria nos fluxos de transferência de massa e portanto, aumentou a velocidade de
consumo de substrato;
- no reator anaeróbio operado em bateladas seqüências com biomassa granulada
(ASBR) o aumento da intensidade de agitação de 40 rpm para 80 rpm proporcinou uma
desestabilização do sistema, provavelmente por causa da ruptura dos grânulos provocada
pela maior agitação;
- os sistemas operados com impelidor do tipo hélice apresentaram algumas
vantagens em relação aos sistemas operados com os outros impelidores, tais como: melhor
eficiência de remoção de sólidos, maior valor da constante cinética de primeira ordem
(melhor fluxo de transferência de massa e consequentemente maior consumo de substrato);
e maior produção de alcalinidade, ou seja, maior estabilidade para o sistema;
- a condição que apresentou melhor desempenho no sistema ASBR foi impelidor do
tipo turbina de pás planas e intensidade de agitação igual a 40 rpm. Já para o sistema
ASBBR a condição que apresentou melhor desempenho foi impelidor do tipo hélice e
intensidade de agitação igual a 80 rpm;
- não foi possível diagnosticar uma diferença expressiva no desempenho do sistema
ASBR e ASBBR, operados em batelada típica e nas suas melhores condições de
intensidade de agitação e tipo de impelidor, mostrando comportamentos no desempenho
dos sistemas semelhantes;
- tanto o sistema ASBR como o ASBBR quando operados nas condições de
batelada típica, batelada alimentada durante 50% e 75% do ciclo apresentaram melhores
eficiências de remoção de matéria orgânica, ou seja, os sistemas quando operados nas
condições de batelada alimentada durante 25% do ciclo e batelada alimentada típica
124
apresentaram piores desempenhos de remoção de matéria orgânica, porém, ressalta-se que
para estas condições de operação o sistema apresentou estabilidade operacional;
- não é possível diagnosticar uma diferença expressiva no desempenho dos sistemas
ASBR e ASBBR quando operados nas condições de batelada típica, batelada alimentada
durante 50% e 75% do ciclo, pois estas apresentaram comportamentos similares,
mostrando a flexibilidade operacional que o sistema possui. Porém, ressatla-se que o
processo de batelada alimentada apresenta uma grande vantagem, pois flexibiliza o
processo para os casos onde não se disponha de despejos continuamente, ou seja, a
disponibilidade do efluente a ser tratado seja intermitente. Nestes casos mesmo que o
tempo de alimentação do reator ocorra em um período maior que aquele
convencionalmente utilizado no processo em batelada, o presente estudo mostrou que não
haverá diminuição significativa da eficiência do processo; e
- comparando os sistemas ASBBR e ASBR verificou-se que estes apresentaram
comportamentos similares em todas as condições de operação de batelada alimentada
avaliadas, não sendo possível, estatisticamente apontar um sistema com melhor
desempenho. Porém, uma vantagem do reator ASBBR em relação ao ASBR é quanto a
sensibilidade da biomassa no sistema, pois esta no sistema ASBR fica mais exposta aos
agentes externos (ex: compostos tóxicos), tendo assim uma maior facilidade de
desestabilizar. Outro fato que limita o uso do ASBR é caso ocorra um descuido no sistema
de automação como, por exemplo, o momento de iniciar e parar a agitação ou abrir ou
fechar uma válvula de descarga pode comprometer na perda da biomassa do sistema. Este
fato já não ocorre no ASBBR, pois a biomassa está aderida no meio suporte.
125
7. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS
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São Carlos. Universidade de São Paulo.
132
APÊNDICE A
(CUSTO DE IMPLANTAÇÃO DO SISTEMA E POPULAÇÃO ATENDIDA)
Na Tabela A1 são apresentados os materiais necessários para montagem do
experimento, bem como os respectivos preço unitário e total. Ressalta-se que este montante
é referente a montagem dos dois reatores anaeróbios operados em bateladas seqüenciais.
Tabela A1. Matérias necessários para a montagem do experimento
Descrição Unid. Quant
Valor
Unitário
(R$)
Valor
Total
(R$)
Bomba hidráulica (auto-escorvante de rotor aberto,
1/2CV)
un. 4 900,00 3.600,00
Motor (4 polos, 3 cv) com redutor de velocidade
(MR5, redução 8)
un. 2 1.100.00 2.200,00
Válvula solenóide (ar comprimido – 50 mm) un. 2 1.200,00 2.400,00
Inversor de freqüência un. 2 1.200,00 2.400,00
Espuma (5 cm de aresta, densidade 23 kg m
-3
) para
retenção da biomassa
m
3
0,8 960,00 768,00
Temporizadores (“timers”) un.
8
50,00 400,00
Bóia para desligamento da bomba un.
2
60,00 120,00
Material hidráulico (tubulação, registro, válvula,
adaptadores, peças especiais, etc.)
un.
1 3.000,00 3.000,00
Material de aço inox 304 un.
1
5.000,00 5.000,00
Material férrico para suporte do conjunto moto-
redutor
un.
2 50,00 100,00
Material elétrico (tomada, fio, contator, rele,
dijuntor)
un.
1 500,00 500,00
Tanque cilíndrico de polietileno (1,2 m
3
) un. 2 2.000,00 4.000,00
TOTAL GERAL 24.488,00
133
Na Tabela A2 é apresentado a descrição da mão de obra necessária para a
instalação e montagem do experimento.
Tabela A2. Mão de obra necessária para a instalação e montagem do experimento
Descrição Unid. Quant
Valor
Unitário
(R$)
Valor
Total
(R$)
Mão de obra hidráulica un.
1
700,00 700,00
Mão de obra metalúrgica (torneiro) un.
1
1.000,00 1.000,00
Mão de obra elétrica un.
1
900,00 900,00
Manutenção un.
1
500,00 500,00
TOTAL GERAL
3.100,00
Assim, o montante total necessário para a implantação do experimento é:
TOTAL: R$ 24.488,00 + R$ 3.100,00
TOTAL: R$ 27.588,00
Considerando que um reator trata por ciclo um volume de água residuária igual a
0,65 m
3
, e que são 3 (três) ciclos diários, têm-se um volume tratado por dia igual a 1,95 m
3
.
Como são dois reatores o volume tratado por dia é igual a 3,9 m
3
.
Assim, o investimento inicial para este sistema tratar 1 m
3
por dia é igual a:
Investimento inicial para tratar 1 m
3
dia
-1
=
7.073,8 R$
3,9
27.588,00
=
Considerando o consumo per capta igual a 150 l hab
-1
dia
-1
e que o coeficiente de
retorno seja igual a 0,8 (NBR 9649 – ABNT) têm-se que:
diahab
l
120 0,8150 líquido resíduo de Volume
⋅
=⋅=
Como um reator possui capacidade para tratar 1,95 m
3
dia
-1
, têm-se que:
134
habitantes 16
dhab
l
120
dia
l
1.950
atende reator um que habitantes de Número =
⋅
=
Como são dois reatores, pode-se dizer que o experimento é uma escala piloto que
atende o tratamento do resíduo líquido de 32 pessoas.
Supondo que a projeção para fazer um sistema deste para atender uma população de
100.000 habitantes fosse linear, o montante gasto para implementar o tratamento seria:
dia
m
12.000 ret.) (coef. 0,8hab 100.000
diahab
l
150 líquido resíduo de Volume
3
=⋅⋅
⋅
=
Como o investimento inicial para tratar 1m
3
dia
-1
é igual a R$ 7.073,8, seria
necessário um investimento igual a R$ 84.885.600,00 (oitenta e quatro milhões, oitocentos
e oitenta e cinco mil e seiscentos reais).
135
APÊNDICE B
(ENSAIO DE SEDIMENTAÇÃO DO LODO)
Na Figura B1 é apresentado a variação da concentração de sólidos totais em um
período de 2 horas pertinente ao ensaio de sedimentação. Para a realização deste ensaio
coletou-se um volume (lodo + água residuária) de dentro do ASBR em um momento em
que a mistura do lodo e da água residuária já tinha ocorrido e colocou-se este volume em
um reator acrílico de seção quadrada até atingir a altura de líquido igual a 1,5 m (mesma
altura do ASBR). Após colocado o líquido misto no reator acrílico iniciou-se o teste, sendo
para tanto monitorado a concentração de sólidos (através de amostras coletadas em um
registro) a uma altura de 45 cm em relação a base do reator acrílico. Esta altura foi adotada
por ser a mesma altura de descarga do efluente no reator ASBR.
Observa-se que transcorrido uma hora a concentração de sólidos começa a
aumentar, pois o lodo já sedimentado começa a flotar e fica na região sobrenadante do
reator. Como o reator utilizado neste ensaio era acrílico, também foi possível visualmente
concluir este ocorrido.
0
100
200
300
400
500
600
700
800
900
1.000
0 102030405060708090100110120
Tempo (min)
Sólidos totais (mg
l
-1
)
Figura B1. Ensaio de sedimentação.
136
ANEXO C
(CURVA DE PERMANÊNCIA NO SANEAMENTO)
A curva de permanência é um método estatístico bastante utilizado em estudos
hidrológicos, principalmente nos estudos de vazões dos mananciais. Tal curva representa a
parcela de tempo (em porcentagem) que uma determinada vazão é igualada ou superada
durante um período analisado. Assim, quando descreve uma vazão de permanência igual a
80% (Q
80%
) significa que 80% do tempo vão ocorrer vazões no manancial igual ou
superiores a este valor (Q
80%
) .
As vazões mínimas obtidas da curva de permanência são índices muito utilizados
em estudos de disponibilidade hídrica, principalmente em processos de concessão de
outorga, sendo as vazões associadas às permanências de 90 (Q
90%
) e 95% (Q
95%
) as mais
utilizadas nestes processos, pois representam que 90 ou 95% do tempo vão ocorrer vazões
iguais ou superiores a estes valores. A legislação relativa à outorga, na União e em alguns
Estados do Brasil, para utilização dos recursos hídricos superficiais em cursos d’água
estabelece critérios diferenciados das vazões utilizadas como referência para a concessão
de outorga, sendo que a União adota 70% da Q
95%
, enquanto que o Distrito Federal, a
Bahia e Pernambuco adotam 80% da Q
90%
como limites máximos das vazões a serem
outorgadas (GARRIDO, 2003).
Na Figura C1 é apresentado uma curva de permanência de vazões, onde observa-se
que a maior vazão evidenciada no manancial foi igual a 3.070 m
3
s
-1
. Porém tal vazão não
possui uma permanência considerável no manancial, sendo constatado que esta vazão é
igualada ou superada em 0,11% do tempo. Já a menor vazão evidenciada no manancial foi
igual a 31 m
3
s
-1
, sendo constatado que em 100% do tempo vai ocorrer uma vazão maior ou
igual a esta no manancial. Continuando a analisar a curva de permanência verifica-se que a
vazão associada a permanência de 90% (Q
90%
) é igual a 105 m
3
s
-1
, enquanto que a vazão
associada a permanência de 50% (Q
50%
) é igual a 252 m
3
s
-1
.
As vazões mínimas obtidas da curva de permanência são muito utilizadas pelos
órgãos gestores de recursos hídricos, pois na prática a vazão mínima ocorrida em um dia
tem pouca importância, pois normalmente durações maiores apresentam maior interesse ao
usuário, já que a permanência de magnitudes reduzidas é que representam uma situação
desfavorável para a demanda ou para as condições de conservação ambiental. Assim, a
vazão mínima é caracterizada tanto pela sua magnitude com pela sua duração.
137
0
200
400
600
800
1000
1200
1400
1600
1800
2000
2200
2400
2600
2800
3000
3200
0 102030405060708090100
Permanência (%)
Vazão (m
3
s
-1
)
Figura C1. Curva de permanência de vazões.
Baseado na curva de permanência de vazões em estudos hidrológicos, o presente
trabalho tem como objetivo elaborar curva de permanência para os dados obtidos no
tratamento de águas residuárias. Tais dados podem ser Demanda Química de Oxigênio
(DQO), Sólidos Suspensos Voláteis (SSV), pH, Oxigênio Dissolvido, Nitrogênio, etc.
Assim, tem-se como intuito gerar curva de permanência para uma dada variável do
sistema de tratamento de águas residuárias para proporcionar ao responsável pelo
tratamento maior sensibilidade do processo. Porém, ao contrário da hidrologia (vazões), o
objetivo da curva de permanência para os dados de saneamento é representar a parcela de
tempo (em porcentagem) que uma determinada variável é igualada ou
não superada
durante um período analisado. Assim, quando descreve uma DQO de permanência igual a
80% (DQO
80%
) significa que 80% do tempo vão ocorrer valores de DQO no efluente
menor ou igual a este valor (DQO
80%
) .
Como os padrões de lançamento de efluentes líquidos nos mananciais estabelecidos
pela deliberação normativa dos órgãos gestores são baseados em valores únicos
estabelecidos, faz-se como sugestão adotar valores baseados em uma dada permanência,
dando maior flexibilidade ao responsável pelo tratamento. Como exemplo, cita-se uma
descarga no afluente vinda de uma rede clandestina que descaracteriza o afluente, fazendo
com que naquele momento o tratamento não satisfaça as condições de lançamento pré-
138
estabelecido pelos órgãos gestores. Porém, este foi um fato isolado não caracterizando que
o tratamento não satisfaça as condições pré-estabelecidas, pois a permanência em que o
efluente ficou com qualidade ruim não foi significativa.
Na seqüência é apresentada a metodologia para estimar a curva de permanência
para dados do saneamento, especificamente para a DQO
bruta
, bem como a curva de
permanência da DQO
bruta
obtida para os afluentes e efluentes dos sistemas de tratamento
ASBR e ASBBR do presente trabalho.
1.C. Metodologia para estimativa da curva de permanência da DQO
Para o traçado da curva de permanência da DQO deve-se organizar os dados em
uma distribuição de freqüência, bastando, para isso, definir os intervalos de classe em
função da amplitude dos valores de DQO obtidos nas análises e pela associação de cada
uma destas classes ao número de registros observados de valores de DQO em cada
intervalo. Assim, o primeiro passo para a estimativa da curva de permanência é definir o
intervalo das classes de freqüências. Como sugestão recomenda-se 50 classes de freqüência
para a estimativa da curva. Como existe no banco de dados uma grande variação na
magnitude dos valores de DQO é recomendado o uso da escala logarítmica no calculo de
cada intervalo, o qual pode ser calculado pela seguinte equação:
[
]
n
DQODQO
X
mínmáx
)ln()ln( −
=Δ
(C.1)
em que:
ΔX = intervalo de classe;
DQO
máx
= DQO máxima do banco de dados;
DQO
mín
= DQO mínima do banco de dados; e
N = número de intervalos escolhidos (recomenda-se 50).
Os limites dos intervalos de classe é calculado a partir da menor DQO (DQO
mín
),
adicionando-se a esta o intervalo calculado anteriormente, o que resulta na DQO do limite
superior do intervalo i, e assim por diante.
139
[]
xDQODQO
ii
Δ
+
=
+
)ln(exp
1
(C.2)
Após o cálculo dos limites correspondentes a cada classe de freqüência deve ser
procedida, utilizando os valores da DQO do banco de dados, a determinação do número de
registros observados de valores de DQO que se enquadra na classe de freqüência obtida. A
freqüência (fi) associada a cada classe é calculada pela equação:
100⋅=
NT
Nq
fi
i
(C.3)
em que:
Nqi = número de registros de valores de DQO em cada intervalo; e
NT = número total de dados de DQO.
De posse da freqüência associada a cada classe é calculada a freqüência acumulada,
ou seja, acumula-se as freqüências de cada classe no sentido de menor DQO para maior.
Para plotar a curva de permanência utiliza-se as freqüências acumuladas como abscissa e
os valores de DQO correspondente aos limites inferiores do intervalo de classe como
ordenadas.
Para a obtenção da curva de permanência das outras variáveis de interesse no
saneamento deve-se proceder a mesma metodologia, porém com os dados da variável de
interesse no lugar da DQO.
2.C. Curva de permanência da DQO bruta afluente
Na Figura C2 é apresentado a curva de permanência da DQO bruta afluente dos
reatores ASBR e ASBBR para o período de julho a dezembro de 2006, totalizando um
número de amostras igual a 50. Enfatiza-se que o afluente para ambos os reatores foi o
mesmo, sendo por isso apresentado uma única curva de permanência. Verifica-se que o
maior valor observado de DQO bruta afluente foi igual a 955 mg l
-1
, correspondendo a
DQO
100%
, ou seja, 100% do tempo vão ocorrer valores de DQO bruta afluente menores que
955 mg l
-1
. Também é contatado que 90% do tempo os valores de DQO bruta afluente dos
sistemas de tratamento são inferiores a 890 mg l
-1
(DQO
90%
), ou então, 10% do tempo vão
ocorrer valores de DQO bruta afluente dos sistemas de tratamentos superiores a 890 mg l
-1
.
140
0
100
200
300
400
500
600
700
800
900
1000
0 102030405060708090100
Permanência (%)
DQO
bruta
(mg l
-1
)
AFLUENTE
Figura C2. Curva de permanência da DQO bruta afluente dos sistemas ASBR e ASBBR
(50 amostras).
Caso o usuário deseja saber a permanência de concentração de matéria orgânica no
afluente dos sistemas de tratamento na forma de DQO bruta, pode-se utilizar a curva de
permanência e verificar que 7% do tempo vão ocorrer valores de DQO bruta afluente
inferiores a 500 mg l
-1
(DQO
7%
), ou seja, 93% do tempo as concentrações de matéria
orgânica no afluente dos sistemas de tratamento, na forma de DQO bruta, são superiores a
500 mg l
-1
.
Esta curva de permanência da DQO afluente dos sistemas de tratamento mostra a
grande variedade da concentração de matéria orgânica afluente do sistema, sendo
evidenciado variação de 350 a 955 mg DQO
bruta
l
-1
. Porém estes valores situados nos
extremos apresentam pouca permanência, sendo verificado que a faixa de concentração de
matéria orgânica na forma de DQO bruta de maior permanência foi de 600 a 800 mg l
-1
,
representando 55% de permanência no tempo.
3.C. Curva de permanência da DQO bruta efluente do sistema ASBR
Na Figura C3 é apresentado a curva de permanência da DQO bruta efluente do reator
ASBR para o período de julho a dezembro de 2006, totalizando um número de amostras
141
igual a 50. Enfatiza-se que as concentrações de matéria orgânica na forma de DQO bruta
nos efluente do ASBR variaram consideravelmente, pois neste período foi verificado a
influência da intensidade de agitação e do tipo de impelidor, fazendo com que o
desempenho do sistema piorasse ou melhorasse. Verifica-se que o maior valor observado
de DQO bruta efluente foi igual a 590 mg l
-1
, correspondendo a DQO
100%
, ou seja, 100%
do tempo vão ocorrer valores de DQO bruta efluente menores que 590 mg l
-1
.
Também é contatado que 90% do tempo os valores de DQO bruta efluente do ASBR
são inferiores a 396 mg l
-1
(DQO
90%
), ou então, 10% do tempo vão ocorrer valores de DQO
bruta efluente do sistema de tratamento ASBR superiores a 396 mg l
-1
. Assim é constatado
que o sistema apresentou efluentes com concentrações de matéria orgânica superiores a
400mg DQO
bruta
l
-1
, porém, foi em apenas 10% do tempo, mostrando que estes valores
ocorreram devido a alguma intervenção externa do processo (neste caso o aumento da
intensidade de agitação).
0
50
100
150
200
250
300
350
400
450
500
550
600
0 102030405060708090100
Permanência (%)
DQO
bruta
(mg l
-1
)
A
SBR
Figura C3. Curva de permanência da DQO bruta efluente do sistema ASBR (50 amostras).
Caso o usuário deseja saber a permanência de concentração de matéria orgânica no
efluente do sistema de tratamento ASBR na forma de DQO bruta, pode-se utilizar a curva
de permanência e verificar que 5% do tempo vão ocorrer valores de DQO bruta efluente
inferiores a 179 mg l
-1
(DQO
7%
), porém superiores a 148 mg l
-1
(menor valor evidenciado
de DQO efluente do sistema ASBR), ou seja, 95% do tempo as concentrações de matéria
142
orgânica no efluente do sistema de tratamento ASBR, na forma de DQO bruta, são
superiores a 179 mg l
-1
.
4.C. Curva de permanência da DQO bruta efluente do sistema ASBBR
Na Figura C4 é apresentado a curva de permanência da DQO bruta efluente do reator
ASBBR para o período de julho a dezembro de 2006, totalizando um número de amostras
igual a 50. Enfatiza-se que as concentrações de matéria orgânica na forma de DQO bruta
nos efluente do ASBBR variaram consideravelmente, pois neste período foi verificado a
influência da intensidade de agitação e do tipo de impelidor, fazendo com que o
desempenho do sistema piorasse ou melhorasse. Verifica-se que o maior valor observado
de DQO bruta efluente foi igual a 478 mg l
-1
, correspondendo a DQO
100%
, ou seja, 100%
do tempo vão ocorrer valores de DQO bruta efluente menores que 478 mg l
-1
.
0
50
100
150
200
250
300
350
400
450
500
0 102030405060708090100
Permanência (%)
DQO
bruta
(mg l
-1
)
A
SBBR
Figura C4. Curva de permanência da DQO bruta efluente do sistema ASBBR
(50 amostras).
Também é contatado que 90% do tempo os valores de DQO bruta afluente dos
sistemas de tratamento são inferiores a 321 mg l
-1
(DQO
90%
), ou então, 10% do tempo vão
ocorrer valores de DQO bruta efluente do sistema de tratamento ASBBR superiores a
143
321 mg l
-1
. Assim é constatado que o sistema apresentou efluentes com concentrações de
matéria orgânica superiores a 320mg DQO
bruta
l
-1
, porém, foi em apenas 10% do tempo,
mostrando que estes valores ocorreram devido a alguma intervenção externa do processo
(neste caso o decréscimo da intensidade de agitação).
Caso o usuário deseja saber a permanência de concentração de matéria orgânica no
efluente do sistema de tratamento ASBBR na forma de DQO bruta, pode-se utilizar a curva
de permanência e verificar que 99% do tempo vão ocorrer valores de DQO bruta efluente
superiores a 183 mg l
-1
(DQO
1%
).
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