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Libânio, P. A. C. Avaliação da eficiência e aplicabilidade de um sistema integrado de tratamento de resíduos sólidos urbanos e de chorume. 2002. 155 f. Dissertação (Mestrado) – Departamento de Engenharia Sanitária e Ambiental, Universidade Federal de Minas Gerais.

O tratamento de esgotos gera quantidade significativa de subprodutos sólidos, cujo gerenciamento é uma das etapas mais trabalhosas do funcionamento de uma estação de tratamento. Os principais subprodutos do tratamento são os sólidos grosseiros retidos no gradeamento, a areia, a escuma e o lodo. O lodo é o principal subproduto sólido, em razão dos maiores volumes e massas produzidos na ETE. A quantidade de lodo produzida por/em uma ETE depende do tipo de sistema de tratamento utilizado para a fase líquida.

Os sólidos removidos por sedimentação nos decantadores primários constituem o lodo primário. O lodo primário pode exalar forte odor, principalmente se ficar retido por muito tempo nos decantadores primários em condições de elevada temperatura. O lodo primário removido em tanques sépticos permanece tempo suficiente para proporcionar sua digestão anaeróbia, em condições controladas (tanques fechados). O lodo secundário ou biológico excedente compreende a biomassa de microrganismos aeróbios gerada às custas da remoção da matéria orgânica (alimento) dos esgotos. Essa biomassa está em constante crescimento, em virtude da entrada contínua de matéria orgânica nos reatores biológicos. Para manter o sistema em equilíbrio, aproximadamente a mesma massa de sólidos biológicos gerada deve ser removida do sistema. A mistura do lodo primário com o lodo secundário gera o lodo misto, que deve ser submetido a uma etapa de estabilização previamente à disposição. Os processos físico-químicos produzem lodo químico, usualmente resultante da precipitação com sais metálicos ou com cal.

Em todos os casos, é necessário o descarte do lodo, ou seja, sua retirada da fase líquida. Esse lodo excedente é um material que deve ter destinação final segura e adequada em razão das implicações sanitárias e possíveis impactos ambientais negativos. Nesse sentido, tem-se investido em técnicas de minimização da produção de lodos em sistemas de tratamento. Geralmente esse processamento é realizado por meio das seguintes etapas:

•Adensamento: remoção de umidade (redução de volume) •Estabilização: remoção da matéria orgânica (redução de sólidos voláteis)

•Condicionamento: preparação para a desidratação (principalmente mecânica)

•Desidratação: remoção de umidade (redução de volume)

•Higienização: remoção de organismos patogênicos

•Disposição final: destinação final dos subprodutos

A produção de lodo de esgoto pode ser minimizada na fase líquida do tratamento, por intermédio da seleção, quando possível, de processos que produzam pouco lodo. Para a produção de efluentes em nível secundário, por exemplo, os novos projetos de ETEs no Brasil têm considerado a utilização de processos biológicos aeróbios, processos combinados físico-químico/aeróbios e processos combinados anaeróbio/aeróbio. Ampla discussão sobre as vantagens da associação de processos anaeróbio/aeróbio sobre as demais é apresentada por van Haandel & Lettinga (1994), Campos (1999) e Chernicharo et al. (2001). Estranhamente, observa-se a seleção de processos físicoquímicos do tipo coagulação e floculação-decantação em projetos recentes e de grande porte no País, em que pesem a elevada produção de lodo e o consumo excessivo de produtos químicos.

Considerando-se as possibilidades de tratamento de esgotos pela via aeróbia, a via anaeróbia e a via físico-química, observa-se que a menor produção de lodos é obtida por meio do tratamento anaeróbio, equivalendo a cerca de 20% da produção relativa ao processo aeróbio (Tabela 2.1). Sendo a etapa aeróbia complementar ao tratamento anaeróbio, necessária para a garantia de um efluente com o mesmo padrão de qualidade, a massa total de lodo digerido produzido na associação anaeróbio + aeróbia corresponde a cerca de 60% da produzida no aeróbio simples.

A utilização do TPA (tratamento primário avançado ) no tratamento de esgotos só faz sentido se associada à estabilização do lodo produzido, caso contrário a eficiência na remoção de DBO é nula. Mesmo com a digestão anaeróbia do lodo, a produção específica de lodo é 20% maior do que a dos processos aeróbios e quase o dobro dos processos combinando anaeróbio + aeróbio.

Tabela 2.1Produção de lodo em diferentes tipos de processos de tratamento.

Do ponto de vista energético, a utilização de reatores anaeróbios resulta em disponibilidade de energia considerável na estação de tratamento em decorrência da produção de biogás. Estudos prévios apontam para a viabilidade de operação de processos anaeróbio/aeróbio somente com o uso do biogás (van Haandel & Lettinga, 1994; Gonçalves et al., 1998). Um suprimento favorável de biogás também pode ser obtido nos processos envolvendo TPA + aeróbio, caso a estabilização do lodo primário seja realizada por digestão anaeróbia. O tratamento aeróbio convencional é muito desfavorável do ponto de vista energético quando comparado com as demais opções.

A produção de lodo em ETEs também pode ser minimizada na fase sólida do tratamento por intermédio das seguintes possibilidades:

•Incremento da biodegradabilidade do lodo em excesso, antes da etapa de digestão

•Estabilização avançada do lodo de descarte por meio de processos físicoquímicos

•Utilização de processos de estabilização ou de higienização que não agreguem massa ou volume ao lodo

No que diz respeito aos processos de estabilização avançada, processos físicos e químicos combinados são utilizados para reduzir ou, até mesmo, eliminar a fração de sólidos voláteis do lodo. Como exemplo pode ser citada a oxidação em fase aquosa (heat/air oxidation process), que transforma a matéria orgânica originalmente presente no lodo em dióxido de carbono, água e ácidos orgânicos com cadeia molecular curta (WEF, 1995). Um esquema típico desse processo é representado na Figura 2.1, correspondente ao processo Zimpro. Sua eficiência na redução de ST varia de 75% a 85% e de SVT, de 95% a 97%. Os 3% a 5% de SVT residuais são refratários e completamente esterilizados, podendo ser reciclado de diferentes maneiras, inclusive na fabricação de tijolos. O lodo é introduzido no reator com teores de ST variando de 2% a 7%. As condições operacionais típicas no reator de oxidação são: temperatura = 160 a 300°C, pressão = 20-120 bar, tempo de detenção hidráulica = 0,25 a 2 h e remoção de DQO = 50% a 95%. A energia liberada durante o processo de oxidação pode ser recuperada na forma de água quente, vapor ou eletricidade.

Válvula controle de pressão

Lodo bruto

Tanque Bomba de alta pressão

Trocador de calor Sólidos para desidratação

Reator (280 C) Ar comprimido

Retorno do sobrenadante para a planta

Separador Tratamento de gases

Figura 2.1Esquema do processo de oxidação do lodo por via úmida (processo Zimpro).

No que se refere ao incremento da biodegradabilidade do lodo em excesso, seu objetivo é a melhoria do desempenho da fase metanogênica da digestão anaeróbia, considerada a etapa limitante de todo o processo. No entanto, quando substratos particulados como lodo são considerados, a hidrólise normalmente é a etapa que limita e regula toda a cinética do processo. Desse modo, em tais situações é necessário aumentar a biodegradabilidade do lodo sob digestão, o que pode ser realizado por intermédio de uma etapa de rompimento celular ou de agregados de partículas, lançandose mão de métodos biológicos, químicos ou físicos. O aumento da biodegradabilidade do lodo resulta no incremento de sua taxa de degradação, reduzindo o tamanho dos digestores e a massa residual de lodo estabilizado. A estratégia se concentra no aumento da taxa de hidrólise, que se constitui na etapa limitante da digestão anaeróbia (Malina & Pohland, 1992).

Para atingir esse objetivo, o lodo pode ser tratado com um agente físico (calor, agitação mecânica, ultra-som, microondas) ou químico, de modo a quebrar ou romper as células da biomassa existente no lodo e liberar o material para o meio. Esse material liberado pela biomassa hidrolisada é mais solúvel e pode ser assimilado ou utilizado nos processos subseqüentes de oxidação biológica para geração de CO2 e CH4 por meio da microbiota consorciada. Assim, o emprego de qualquer um desses processos pode ter impacto significativo no custo de processamento ou minimização do lodo gerado. Para os tratamentos mecânicos, físicos e biológicos, o custo provém da demanda de eletricidade ou algum combustível para funcionamento de equipamentos ou geração de calor, enquanto para os tratamentos químicos os custos são originários do emprego de produtos químicos. Todos esses processos, no entanto, em maior ou menor grau, apresentam uma característica comum, que é melhorar as características microbiológicas de desidratação e de degradação do lodo. Desse modo, dentre outros fatores, é necessário que se atente para os custos de instalação, operação e manutenção potenciais na escolha da tecnologia a ser implementada.

Adicionalmente, para efeito de higienização do lodo, com vistas à eliminação de patógenos que comprometam sua valorização agronômica, a pasteurização surge como opção bastante interessante. Trata-se de umas das tecnologias classificadas pela norma americana para uso e disposição de lodos de esgotos (US EPA 40 CFR Part 503) como “processos para redução adicional de patógenos” (PFRPs – US EPA, 1994). A pasteurização consiste na manutenção do lodo sob temperatura igual ou superior a 70oC durante pelo menos 30 minutos.

Em comparação com a caleagem, que se constitui no processo mais difundido no

Brasil para higienização de lodos, a pasteurização não agrega massa ao lodo, melhora suas características no tocante à desidratação e não demanda produtos químicos. Em contrapartida, a caleagem requer a adição de no mínimo 35% do peso seco do lodo em cal para manutenção do pH = 12 no lodo durante período de tempo prolongado. Necessita-se, ainda, de uma mistura eficiente para assegurar tratamento homogêneo do lodo, o que é relativamente difícil de ser realizado quando o lodo encontra-se bastante desidratado (ST > 30%). Outros aspectos negativos da caleagem são: perda de nitrogênio por volatização de NH3, desprendimento de odores e limitações do lodo como insumo agrícola no caso de solos com pH elevado.

A digestão anaeróbia de lodos é um processo de estabilização biológica complexo no qual um consórcio de diferentes tipos de microrganismos, na ausência de oxigênio molecular, promove a transformação de compostos orgânicos complexos em produtos mais simples como metano e gás carbônico. Para que essa transformação ocorra, distinguem-se três etapas principais no processo global da conversão da matéria orgânica: I) hidrólise, I)acidogênese e acetogênese e II) metanogênese (Figura 2.2).

No caso de substratos particulados como os lodos orgânicos o passo limitante do processo é representado pela hidrólise, em que a maioria dos compostos orgânicos complexos e polimerizados devem ser degradados em produtos mais simples. Na acidogênese, os compostos orgânicos mais simples são convertidos, por meio das bactérias acidogênicas, em ácidos graxos voláteis de cadeia curta (acético, butírico e propiônico), ácido lático e compostos minerais. Na etapa seguinte, a acetogênese, ocorre a conversão dos produtos da acidogênese em compostos que formam os substratos para a produção de metano: acetato, dióxido de carbono e hidrogênio. Finalmente, na última etapa, a metanogênese, considerada a mais importante e sensível, os ácidos voláteis são consumidos como alimento pelas bactérias metanogênicas e são produzidos metano e dióxido de carbono. Algum metano extra é produzido da conversão do dióxido de carbono e hidrogênio produzidos na acetogênese.

Lodo (fração orgânica)

Fração solúvel Biomassa (1)

Ac. voláteis Outros compostos

CH + CO Biomassa (2) I I II

Figura 2.2Resumo esquemático do processamento anaeróbio de lodos. I – hidrólise; I – acidogênese e acetogênese; I – metanogênese. Biomassa (1): crescimento consorciado de bactérias hidrolíticas e acidogênicas. Biomassa (2): microrganismos metanogênicos.

Cada uma dessas etapas deve ser mantida em equilíbrio dinâmico a fim de que a metanogênese ocorra à taxa máxima. A manutenção desse equilíbrio está relacionada à natureza do afluente e à intensidade e disponibilidade de H2 (hidrogênio), pois este deve ser continuamente removido do meio para assegurar que a produção de ácido acético não seja interrompida ou diminua drasticamente. Essa condição é essencial para que a fermentação metanogênica prevaleça, sendo H2 e ácido acético, os mais importantes, responsáveis por cerca de 70% do gás metano gerado em reatores anaeróbios.

Todos os microrganismos envolvidos na digestão anaeróbia são muito especializados e cada grupo atua em reações específicas. Nos reatores anaeróbios, a formação de metano é altamente desejável, uma vez que a matéria orgânica, geralmente medida como DQO, é efetivamente removida da fase líquida, pois o metano apresenta baixa solubilidade em água. Logo, procura-se acelerar o processo de digestão anaeróbia nos reatores, criando condições favoráveis, e estas se referem tanto ao próprio projeto do sistema de tratamento como às condições operacionais nele existentes.

A fase metanogênica do processo de digestão anaeróbia realizado pelos microrganismos metanogênicos é considerada a fase crítica, uma vez que esses microrganismos são muito mais sensíveis que os hidrolíticos ou acidogênicos às condições desfavoráveis do meio. Portanto, as condições ao bom funcionamento do processo devem favorecer especialmente o desenvolvimento dos microrganismos metanogênicos. Esses microrganismos são anaeróbios estritos que compartilham uma bioquímica complexa para síntese de metano como parte de seu metabolismo para geração de energia. São microrganismos de crescimento lento e que apresentam grande sensibilidade às condições externas, sendo o primeiro grupo a sofrer os efeitos de situações de estresse ambiental.

Em digestores anaeróbios operados na faixa mesofílica (30 a 35oC), os microrganismos metanogênicos predominantes são os dos gêneros Methanobacterium, Methanobrevibacter e Methanospirillum, utilizando como substrato o hidrogênio e o

CO2, e os dos gêneros Methanosarcina e Methanothrix, gerando metano a partir de acetato principalmente. O crescimento dos microrganismos metanogênicos é ótimo na faixa de pH de 6,8 a 7,4, sendo os metanogênicos acetotróficos os mais susceptíveis a níveis reduzidos de pH, em que sua taxa de crescimento é máxima por volta do pH neutro, caindo consideravelmente para valores de pH abaixo de 6,6. Quanto a agentes tóxicos, os compostos que podem exercer influência sobre os metanogênicos não se encontram no esgoto doméstico. O sulfeto, gerado no reator a partir da redução de sulfato ou da mineralização de proteínas, não atinge concentrações suficientemente altas para causar problemas de toxicidade. O que pode a vir constituir um problema é a presença do oxigênio dissolvido, caso o projeto do reator seja inadequado, permitindo intensa aeração do esgoto antes de entrar no sistema de tratamento.

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