(Parte 5 de 6)

Outro fator importante no controle do processo de hidrólise enzimática é o estado físico e estrutura do substrato e sua acessibilidade a enzimas hidrolíticas. É óbvio que as taxas de hidrólise para substrato particulado são significativamente menores quando comparadas com as de substratos dissolvidos e mais acessíveis às enzimas.

Para efeito comparativo, relacionamos na Tabela 2.4 os diversos processos hidrolíticos apresentados, com algumas ponderações relativas a cada um deles.

Tabela 2.4Comparação relativa dos diversos processos hidrolíticos de lodos de esgoto.

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A conversão microbiológica anaeróbia de resíduos orgânicos, como o lodo de esgoto, por exemplo, tem o potencial de suprir significativa porção da atual demanda por gás natural. A mistura de gases produzidos por meio do processo fermentativo da biomassa é denominada de biogás, que tem por constituinte principal o metano, além de outros gases como o gás carbônico e o gás sulfídrico, presentes em proporções variáveis em função da composição do resíduo tratado e das condições do reator. O biogás é composto por 65% a 70% de CH4, 25% a 30% de CO2 e pequena quantidade de outros elementos, como N2, H2, H2S e NH3. Segundo Azevedo Neto (1961), pode haver variação de 5% a 65% de metano, 35% a 45% de gás carbônico, 0% a 3% de nitrogênio, 0% a 1% de hidrogênio, 0% a 1% de oxigênio e 0% a 1% de gás sulfídrico, sendo este último responsável pela corrosão que é verificada nos componentes do sistema e pelo odor pútrido característico do biogás.

O biogás será mais energético quanto maior for seu teor de metano, uma vez que esse gás é o combustível por excelência do biogás. Considerando-se o potencial calorífico do biogás ou metano, pode-se propor sua utilização na ETE em processos de secagem, higienização e hidrólise de lodos de esgoto gerados em sistemas de tratamento. O detalhamento do potencial de produção do biogás em sistemas de tratamento bem como a aplicação em reatores para secagem e higienização de lodos estão descritos no Capítulo 6. Desse modo, além de incentivar a racionalização do uso dos recursos naturais, minimizando o consumo de matérias-primas e desenvolvendo mecanismos de redução da geração de resíduos, o aproveitamento de biogás ou metano visa a otimizar a matriz energética disponível para ETEs.

O conceito de Biodegradabilidade tem várias conotações, especialmente quando se trata de processos ambientais. Geralmente, o termo biodegradabilidade é utilizado para representar a tendência ou susceptibilidade de transformação de determinados substratos, substâncias ou compostos pela microbiota ambiental. Assim faz-se referência aos termos de digestão, decomposição, biotransformação e biodisponibilidade, quando estamos nos referindo à modificações substanciais na estrutura e composição molecular de substratos orgânicos. Estas modificações são catalisadas por enzimas específicas, produzida pela microbiota presente nesse ambiente, capazes de transformar substratos complexos em substratos disponíveis para a assimilação pela microbiota.ou biomassa microbiana no lodo. No caso de substratos orgânicos, genericamente tratados como matéria orgânica, a assimilação dessa fração orgânica pela microbiota ou biomassa depende de um processamento prévio caracterizado como digestão ou biodegradação promovida por enzimas extracelulares específicas.

Esse processamento molecular “gratuito” de moléculas orgânicas na natureza se deve ao metabolismo heterotrófico, ou seja, o funcionamento e a sobrevivência das células são dependentes da presença de substratos orgânicos como fonte alimentar. Os alimentos orgânicos são processados de forma similar por todos os seres vivos por meio da utilização de substratos orgânicos poliméricos, tais como proteínas, polissacarídeos e lipídeos, presentes no meio e processados para gerar energia metabólica e reprodução celular. Além desse processamento celular, há um processamento extracelular resultante do acúmulo de substratos recalcitrantes, ou seja, substratos com menor potencial de biodegradabilidade que tendem a se acumular no meio. Nos processos de tratamento biológico de esgotos sucede-se o mesmo mecanismo, com a particularidade de produção de sólidos em suspensão que se acumulam nesse ambiente de processamento.

Segundo Vazoller (1981), para os reatores anaeróbios o objetivo a ser atingido é a minimização da geração de biomassa através de um sistema equilibrado e com o melhor desempenho possível. Assim, conhecer o comportamento da biomassa microbiana é essencial não só para o controle do processo como também para sua otimização. Neste caso, devem ser considerados parâmetros ambientais do sistema, como, por exemplo, a temperatura e o pH, que influenciam a microbiota, bem como a configuração do reator, o substrato a ser tratado e o inóculo a ser utilizado.

Contudo, a manutenção, dentro dos reatores, de uma biomassa adaptada, com elevada atividade microbiológica e resistente a estresses, é um dos principais requisitos da digestão anaeróbia, a qual, juntamente com outros fatores, é a responsável pela conversão dos produtos finais da etapa fermentativa (acetato e H2/CO2) em metano

(CH4). A eficiência do processo depende, portanto, da atividade metanogênica específica (AME) do lodo, isto é, de sua capacidade de transformar os substratos intermediários da digestão anaeróbia, tais como acetato e H2/CO2, em CH4. Essa transformação envolve uma relação estequiométrica entre a quantidade de metano formada e a fração de matéria orgânica removida que pode ser calculada tanto em termos de sólidos voláteis quanto em termos de DQO (mg/L) removida.

Chernicharo & Campos (1990) explicitaram a necessidade do controle operacional dos reatores anaeróbios. O teste de atividade metanogênica específica (AME), além de ser um dos parâmetros de monitoramento da qualidade do lodo, apresenta os parâmetros de eficiência e estabilidade do digestor, procurando estabelecer o comportamento histórico da unidade e se seu desempenho está de acordo com as especificações do projeto.

A AME de um lodo é um parâmetro de controle importante no processo de digestão anaeróbia, possibilitando determinar as condições de partida de um reator, bem como a evolução e possíveis alterações na qualidade desse lodo (Pena, 1994). Por intermédio de análise periódica de AME em sistemas anaeróbios é possível detectar deteriorações do lodo em razão da toxicidade, deficiência de nutrientes, acumulação de sólidos em suspensão, entre outras. Segundo Campos & Chernicharo (1990), James et al. (1990) e Anderson et al. (1991), o teste de AME, além de ser utilizado como uma análise de rotina para quantificar a atividade metanogênica de lodos anaeróbios, objetivando garantir a estabilidade do processo, pode, ainda, ser utilizado numa série de outras aplicações, referenciadas a seguir:

Avaliar o comportamento de biomassa sob o efeito de compostos potencialmente inibidores

Determinar a toxicidade relativa de compostos químicos presentes em efluentes líquidos e resíduos sólidos

Estabelecer o grau de degradabilidade de diversos substratos

Monitorar as mudanças de atividade do lodo, em razão de possível acumulação de materiais inertes, após longos períodos de operação de reatores

Determinar a carga orgânica máxima que pode ser aplicada a um determinado tipo de lodo, proporcionando aceleração do processo de partida de sistemas de tratamento

Avaliar parâmetros cinéticos

A determinação da AME é usualmente realizada por um teste de laboratório em batelada. Os testes de AME fornecem a taxa de produção de metano ou a taxa de consumo de substrato metanogênico por unidade de biomassa microbiana. São realizados em ambiente anaeróbio, o qual deve conter as condições ambientais necessárias e os nutrientes para a obtenção da atividade biológica máxima. A população de microrganismos deve estar presente em quantidade adequada e o alimento, acima de concentrações limitantes, para a obtenção da taxa máxima de remoção de substrato, além do uso de um equipamento capaz de monitorar as mudanças da atividade metabólica ou o consumo do substrato durante o período do teste (Monteggia, 1991). O substrato aplicado varia de uma mistura de ácidos voláteis, normalmente acético, propiônico e butírico, a um substrato simples, geralmente o acetato (James et al., 1990). O resultado é calculado a partir da medição direta da taxa de produção de metano ou consumo de um substrato por unidade de biomassa e unidade de tempo, podendo ser expressa em mlCH4/gSVT.d–1 ou gDQOCH4/gSVT.d–1. A biomassa é expressa como concentração de sólidos voláteis totais ou como volume de biomassa, quando se avalia a capacidade de conversão de ácidos voláteis em lodos de digestores anaeróbios (Monteggia, 1991).

O Programa de Pesquisas em Saneamento Básico (PROSAB) da Financiadora de

Estudos e Projetos (FINEP-MCT) está estruturado sob quatro redes temáticas: (1) Água, (2) Esgoto, (3) Lixo (RSU) e (4) Lodo (RSO). A rede Lodo no edital 3 (2000 a 2002) foi representada por seis instituições de pesquisa, a saber: UFMG (Universidade Federal de Minas Gerais), UFES (Universidade Federal do Espírito Santo), UEPb (Universidade Estadual de Campina Grande), SANEPAR (Companhia de Saneamento do Paraná), UNICAMP ( Universidade Estadual de Campinas ) e UFSC (Universidade Federal de Santa Catarina). O processo de avaliação da rede foi realizado pelo consultor Eng. Marcelo Pinto Teixeira (CAESB) e pela Profa. Dra. Rosana Filomena Vazoller (USP), com acompanhamento da FINEP, representada por Célia Maria Poppe de Figueiredo.

Os processos anaeróbios têm se destacado no tratamento de efluentes, independente de sua origem, porém, sua utilização em muitos tipos de efluentes ainda não apresenta a eficiência esperada em razão do desconhecimento de muitas reações, rotas de degradação e efeitos de inibição. Para possibilitar estudo mais detalhado desse processo de tratamento biológico em efluentes que contenham compostos de baixa taxa de biodegradabilidade ou compostos tóxicos ao processo inicialmente proposto, faz-se necessário realizar testes em batelada para analisar o comportamento cinético do processo.

Para esses estudos foi desenvolvido na Universidade Federal do Espírito Santo

(UFES), mais precisamente no Laboratório de Saneamento, em parceria com o Laboratório de Engenharia Elétrica, um equipamento que consiste em um respirômetro automatizado anaeróbio (RANA) destinado inicialmente a avaliar a AME de lodo em condições estritamente anaeróbia, podendo também ser adaptado para outros fins, como avaliar a toxicidade e biodegradabilidade de resíduos orgânicos em condições anaeróbias.

O equipamento é constituído basicamente por oito reatores e sistema de mistura, de aquecimento, de aquisição de dados e controle, oferecendo precisão e reprodutibilidade na medição da produção de gases no interior de frascos reatores, minimizando principalmente a influência de fatores externos, como, por exemplo, a temperatura, e possibilitando ainda a aquisição e armazenamento automático dos dados coletados.

O respirômetro automatizado anaeróbio (Figura 2.5 e Tabela 2.6) tem sua estrutura em aço e acrílico transparente, o que lhe garante resistência, isolamento térmico e fácil visualização do sistema. O equipamento possui capacidade para oito frascos reatores de até 1000 ml, mantidos sob agitação constante, à temperatura de 30oC, os quais são monitorados continuamente com auxílio de interface digital acoplada a um computador pessoal com software adequado para processamento e visualização contínuos da produção de biogás.

Figura 2.5Visão geral do respirômetro automatizado (RANA).

Tabela 2.6Descrição das características técnicas do aparelho RANA.

O sistema de comunicação e monitoramento dos testes é realizado por meio de um programa aplicativo responsável pela comunicação com o sistema de controle localizado no respirômetro com um microcomputador. A comunicação entre o respirômetro e o computador é implementada por meio da porta serial do computador, ou seja, não há necessidade de nenhuma placa de aquisição de dados. Essa comunicação se faz necessária na preparação do sistema para o início do teste, acompanhamento do andamento do mesmo e geração de relatórios com os dados finais.

Os procedimentos foram adaptados para o protocolo experimental segundo

Chernicharo (1997), com as seguintes modificações: (1) frascos reatores com volume conhecido e volume fixo de lodo (g SVT/L) previamente aclimatado sob temperatura (30ºC) e agitação constantes por 12 horas. Para essa aclimatação os frascos são, também, submetidos a atmosfera de N2. (2) Adicionar os substrato (acetato) nas concentrações desejadas (So/Xo), aferindo os valores de pH, ST, SVT e AGV das amostras de lodo no início do experimento. (3) Recolher continuamente amostras do biogás expelido para avaliação de teores de CH4, CO2 e H2S. (4) Acompanhar possíveis vazamentos no sistema. Os principais resultados observados permitiram construir curvas de produção e determinação da atividade metanogênica em lodos provenientes do sistema UASB, recebendo retorno de lodo aeróbio de biofiltros aerados submersos (BFS) do sistema ETE-UFES.

Os sistemas anaeróbios de tratamento de esgotos, embora tratem as águas residuárias, geram dois “subprodutos”, o biogás e o lodo de descarte. A tecnologia aqui proposta objetiva associar esses dois “subprodutos”, almejando como produto final um lodo totalmente higienizado, a partir do emprego do biogás como fonte de energia calorífica para tratamento térmico do lodo de descarte.

Todo o trabalho experimental foi desenvolvido a partir de dois aparatos experimentais, em escalas piloto e de demonstração, montados, respectivamente, no Laboratório de Instalações Piloto Professor Ysnard Machado Ennes, situado à Rua Guaicurus, no 187, e no Campus Experimental, implantado na ETE Arrudas, em Belo Horizonte, ambas instalações do Departamento de Engenharia Sanitária e Ambiental da Escola de Engenharia da UFMG.

Cada aparato experimental foi constituído de reator UASB, reservatório de biogás e reator térmico, conforme apresentado esquematicamente na Figura 2.6. Fotos dos reservatórios de biogás e dos reatores térmicos, em escala piloto e de demonstração, são mostradas nas Figuras 2.7 e 2.8.

Figura 2.6Disposição esquemática dos aparatos experimentais, em escalas piloto e de demonstração.

Figura 2.7Vista do reservatório de biogás e do reator térmico em escala piloto.

Figura 2.8Vista do reservatório de biogás e do reator térmico em escala de demonstração.

Na Tabela 2.7 são apresentadas as principais características das duas unidades experimentais.

Tabela 2.7Características físicas das unidades experimentais.

Como o biogás é produzido continuamente e o descarte do lodo é realizado em bateladas, para atingir as condições de trabalho desejadas, armazenou-se o biogás produzido para posterior queima no momento do tratamento térmico do lodo. Esse armazenamento permitiu a aplicação de pressão no biogás no decorrer do processo de queima, o que permitiu alcançar temperaturas mais elevadas em espaços de tempo mais curtos, tendo por conseqüência menores períodos de tratamento do lodo. As pressões empregadas no decorrer dos ensaios situaram-se entre 5,5 e 6,5 cm de coluna d’água na escala piloto e entre 2 e 2,5 cm de coluna d’água na escala de demonstração, tendo o tratamento térmico se desenvolvido no período de 7 horas.

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