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Tratamento de efluentes – David Charles Meissner – A Importância de Monitorar e Controlar as Cargas de DBO5 e DQO – Parte 3

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Tratamento de efluentes – David Charles Meissner – A Importância de Monitorar e Controlar as Cargas de DBO5 e DQO – Parte 3

Introdução

25/12/2015 – Em continuação a análise relacionada às cargas de DQO e DBO5, no presente trabalho examina-se alguns aspectos em relação a variável A/M (relação alimentação com a biomassa), ou comumente chamadas em inglês de F/M. Analisa-se, também como essa variável pode ser controlada em uma estação de tratamento de efluentes de lodo ativado.

Especificamente, serão tratados os seguintes itens:

  • Algumas definições e conceitos básicos;
  • A faixa ideal para o controle da variável A/M;
  • Variações na relação A/M e suas implicações biológicas na biomassa.

1.       Algumas Definições e Conceitos Básicos

Algumas definições e conceitos em relação às cargas da DQO, DBO5 e A/M já foram apresentados anteriormente, como, também já foram analisados aspectos relacionados à importância de oxigênio no tratamento de efluentes.[i] Entretanto, entende-se que vale a pena repetir o que já foi descrito anteriormente, bem como acrescentar alguns comentários adicionais, sobre esses conceitos.

  • Cargas: O cálculo das cargas da DQO ou da DBO5 é relativamente simples. Ele implica na multiplicação da vazão do efluente pelas respectivas concentrações da DQO ou da DBO5, como se demonstra no exemplo a seguir:

[X m³ de efluente/hora * Y mg DQO/litro de efluente] / 1000 = Z Kg DQO/hora

Neste caso, devemos enfatizar que para esse cálculo, é necessário que se tenha uma correta quantificação da vazão do efluente, a fim de se evitar eventuais distorções nos resultados.

  • Relação de Alimentação com Massa – A/M (ou F/M em inglês): O valor da A/M é representado pela relação da quantidade diária de alimentação para os micro-organismos com a massa de microrganismos mantidos sob aeração. Esse conceito parte da premissa de que a quantidade de alimento ou substrato disponível por unidade de massa dos micro-organismos encontra-se relacionado com a eficiência do sistema de tratamento biológico. Especificamente, trata-se da quantidade de BOD5 entrando no tanque de aeração (kg/dia) dividida pela quantidade (kg) de sólidos suspensos voláteis existentes no tanque de aeração (SSVTA). Observação: Algumas referências utilizam a variável MLSS (SST, sólidos em suspensão mista ou totais) para representar a quantidade da massa de microrganismos. Entretanto, a variável SSVTA é considerada mais precisa. Também, o resultado do método analítico para a DQOt pode substituir o resultado do método analítico para a DBO Tal fato acontece porque o método analítico da DQOt ser mais rápido e preciso. É preciso lembrar que o método analítico para a determinação do valor da BOD5 demora cinco dias para que se obtenha resultado. Entretanto, mesmo assim o resultado obtido por esse método apresenta erro muito maior do que encontrado no valor da DQOt.[ii] Neste trabalho, mesmo não sendo mais preciso e rápido, serão expressos os valores de A/M nas unidades de kg BOD5 / (kg SST.d).

A seguir destaca-se uma citação do professor Foelkel sobre o conceito A/M:

“A relação F/M (como mais comumente é conhecida) nos dá uma indicação da quantidade de alimento que está sendo oferecido ou disponibilizado para uma determinada quantidade de massa de microrganismos no reator ou no seletor. Com a rápida biodegradação dessa massa alimentícia, formam-se novas células e corpos de microrganismos no reator. Com isso, a relação F/M diminui rapidamente no início do tratamento, seja no seletor, ou direto no reator (na falta de seletor), como é lógico de se esperar. Essa redução rápida pode variar entre 65 a 80%, principalmente em função da carga de oxigênio e da presença de material orgânico facilmente metabolizável na composição de F. “ [iii]

  • Bactérias filamentosas: “As bactérias filamentosas estão presentes no processo de lodos ativados no interior ou no entorno dos flocos bacterianos formando a sua macroestrutura. A presença destes organismos contribui para uma boa eficiência do processo, já que também possuem capacidade de consumir matéria orgânica e, consequentemente de produzir um efluente industrial final de boa qualidade. ”[iv]
  • Bulking filamentoso: “Quando encontrados em quantidade excessiva em lodos ativados formando o bulking filamentoso, as bactérias filamentosas formam uma macroestrutura semelhante a uma rede, que interfere na sedimentação e compactação do floco bacteriano pela produção de um floco com estrutura difusa ou por crescimento em profusão dos filamentos em solução e formando ponte entre eles. “[v]
  • Seletores: “Os seletores têm a finalidade de causar forte turbilhonamento e altas taxas de injeção de oxigênio, para com isso, promover e estimular o crescimento das bactérias formadoras de flocos e reduzir em grande proporção a quantidade de alimento (redução rápida e drástica de DBO – ou alimento). ….. Os seletores favorecem muito o crescimento microbiológico e de forma controlada em relação às espécies que estimula crescer. “ [vi]
  • Taxa de crescimento: “A taxa de crescimento bacteriano é função do seu número, massa ou concentração em um dado instante. Matematicamente, tal relação pode ser expressa como: dt/dX = µX; Onde: X = concentração de micro-organismos (mg/L); µ = taxa de crescimento específica (dias-1); t = tempo (dias). ” [vii]
  • Idade do Lodo – IL ou Θc: Este conceito é muito importante na operação de uma ETE, e seu controle é fundamental para manter a qualidade do lodo e o seu IVL reduzido. A idade do lodo é expressa pela razão entre a massa de sólidos no sistema e a massa de sólidos retirada do sistema por unidade de tempo. Normalmente o valor é expresso em número de dias que o lodo permanece dentro da ETE. A idade do lodo tem o mesmo sentido do tempo de retenção de lodo, Θc, (ou SRT – sludge retention time em inglês) como também a média de tempo de residência celular, MTCR, (ou MCRT – mean celular retention time em inglês). Para obter mais detalhes sobre a questão pode-se consultar a referência[viii] onde o autor descreve a: “sludge age, SRT, and MCRT all mean the same thing and are calculated in the exact same way”.

2.       A faixa ideal de controle da variável A/M

No trabalho anterior (parte 2) discutiram-se aspectos relacionados ao valor A na relação A/M, analisando-se a seguinte questão: Qual é a faixa ideal de controle das cargas de DQO e DBO5? Na série de estudos sobre Sólidos discutiram-se os aspectos relacionados ao valor M na relação A/M. Particularmente apresentou-se uma análise sobre a importância de controlar as concentrações e quantidades de sólidos e biomassa em uma estação de tratamento de efluentes de lodo ativado[ix]. Agora, será analisada a relação destes dois valores (A e M) e algumas das implicações em relação aos valores utilizados em estações de tratamento de efluente do tipo de aeração prolongada com seletores aeróbicos no início da fase do tratamento biológico.

  • Em termos gerais pode-se observar em relação ao valor de A/M que:
  • Quanto mais baixo for o valor A/M, mais estável será o sistema de tratamento biológico;
  • Quando o valor de A/M for muito elevado, a população biótica faminta será reduzida e sobrará comida;
  • Quando o valor de A/M for muito baixo, a população biótica faminta será excessiva e faltará comida;
  • Em forma numérica e para projetar estações de tratamento de efluente com boa eficiência na remoção das cargas orgânicas, Marcus Von Sperling apresenta alguns valores de A/M no seu trabalho de referência[x]:
  • Lodos ativados convencionais: A/M = 0,3 a 0,8 kg DBO5/kg SSV.d
  • Aeração prolongada: A/M = 0,08 a 0,15 kg DBO5/kg SSV.d

Para expressar os valores acima em kg BOD5 / (kg SST.d), pode-se utilizar um valor de correção normalmente encontrado em estações de tratamento de efluentes de 0,8 de kg SSV/kg SST.  Efetuando essa correção se obtém os seguintes resultados:

  • Lodos ativados convencionais: A/M = 0,38 a 1,0 kgDBO5/kg SST.d
  • Aeração prolongada: A/M = 0,10 a 0,19 kgDBO5/kg SST.
  • Analisando de forma mais detalhada a relação A/M apresenta-se a seguir, a tabela n° 1 referente a três projetos de estações de tratamento de efluentes do tipo aeração prolongada e com seletores que foram utilizados em indústrias de celulose.

parte 3 - tabela 1

Tabela N° 1.

É interessante observar nos valores grifados em azul, que os seletores do sistema de tratamento biológico têm a relação A/M projetada no topo do limite dos valores indicados para os projetos de lodos ativados convencionais, como referenciados por Von Sperling. Porém os valores da A/M TOTAL são coerentes com os valores da mesma referência. A explicação para essa diferença será discutida no item 3 abaixo.

Ainda para a Fábrica A apresentada acima, cujo projeto conta com duas linhas de fluxo na fase do tratamento biológico, destaca-se na tabela N° 2 os valores calculados reais e efetivamente praticados ao longo de um ano:

parte 3 - tabela 2

Ainda na tabela N° 2 é possível observar em relação aos reatores 1 e 2 e com base na relação A/M em sua forma total, que os valores médios da relação A/M são menores dos projetados, e os valores máximos encontram-se acima da faixa utilizada no projeto da estação de tratamento de efluente. Para os valores da relação A/M dos seletores 1 e 2, os valores médios são maiores do que a faixa utilizada no projeto, apresentando valores máximos bem superiores ao projeto. Algumas das possíveis implicações de se operar uma estação de tratamento de efluente que funcione nesta situação serão discutidas no item 3.

  • Na tabela N°3 abaixo se apresenta algumas informações relacionadas a um determinado tipo de estação de tratamento de efluentes que é diferente das estações do tipo de aeração prolongado. A tabela contém somente um resumo dos dados de um projeto para a primeiro estágio de aeração, calculado para uma estação de tratamento de efluentes do tipo Attisholz.

parte 3 - tabela 3

Uma estação de tratamento de efluentes do tipo Attisholz é projetada e operada mais ou menos como se fossem duas estações “normais” de lodos ativados colocada em série. Porém, o primeiro estágio é mais compacto do que em uma estação de lodos ativados convencional e, normalmente remove cerca de 80% da carga da DBO5 no efluente. O segundo estágio, é maior do que seria em uma estação de lodos ativados convencional. Esse segundo estágio é também projetado para remover cerca de 80% da carga remanescente da DBO5. Na tabela N° 3, acima, pode se ver que o valor de A/M para o primeiro estágio encontra-se dentro da faixa da referência apontada por Von Sperling, A/M = 0,38 a 1,0 kgDBO5/kg SST.d. Porém, devido à grande redução na carga no primeiro estágio, a relação A/M no segundo estágio ficará bem menor, aproximando-se da faixa utilizada para estações de aeração prolongadas onde A/M é igual a 0,10 a 0,19 kgDBO5/kg SST.d.

3.       Variações na relação A/M e suas implicações biológicas na biomassa

  • Pode se definir na fase de tratamento biológico das estações de tratamento de efluentes do tipo aeração prolongada e com um seletor, três grandes volumes de depuração existentes dentro dos tanques de aeração. O primeiro volume é denominado como o “seletor” propriamente dito. O segundo volume pode ser denominado como “depuração”. Finalmente, o terceiro volume pode ser denominado de “polimento” e, embora ele seja fisicamente integrado ao segundo, conceitualmente ele pode considerado separado.
  • Antes de tratar estes três volumes, vale a pena considerar a figura a seguir:

parte 3 - tabela 4

Figura N° 1: Sequência da predominância relativa dos micro-organismos no tratamento de esgotos, modificado do original de METCALF & EDDY, 1990 e que pode ser encontrado nas referências bibliográficas [i] [ii]. Para ler uma discussão geral da microbiologia dos lodos ativados pode-se consultar a referência do autor da PUC – Rio,[iii] bem como outras disponíveis na internet.

 Observando o gráfico acima se destaca as três regiões indicadas no eixo X do Tempo, que são: alta carga, carga convencional, e de baixa carga. Essas regiões podem se relacionar com os três volumes definidos no item 3.1, acima.

  • Volume de “Seletor”. Como funciona um “Seletor” numa estação de tratamento de lodos ativados? No futuro, este blog poderá entrar em mais detalhes para tentar responder esta pergunta. Por ora, é suficiente dizer que no seletor dos tanques de aeração as bactérias são “selecionadas” pelas condições de excesso de alimentação, e outras condições como a respeito do pH, OD, temperatura, etc. que também tem que ser adequadas. Essas condições permitem um crescimento rápido das bactérias e, consequentemente uma redução significativa do alimento e da carga poluidora. Como evidenciado no gráfico acima, no seletor o valor (A/M) é alto, o que permite um favorecimento da formação de protozoários flagelados. Também nestas condições, o crescimento da bactéria filamentosa encontra-se mais limitado, permitindo a formação do lodo de melhor qualidade. Neste primeiro volume ocorre um crescimento rápido das bactérias do tipo “formadores de flocos”, que vão ajudar na aglutinação de todas as bactérias existentes dentro do tanque de aeração, particularmente no segundo volume. [iv] Devido à situação de crescimento rápido das bactérias, a fase de tratamento biológico se torna menos sujeita a choques e fica mais estável, em relação a qualidade do lodo.
  • Volume de “depuração”: Neste segundo volume do tanque de aeração, a relação A/M é bem menor do que no seletor, e encontra-se num valor convencional. Aqui existem condições para a formação dos flocos com a presença de bactérias diversas e ciladas de vida livre.
  • Volume de “polimento”: No terceiro volume do tanque de aeração, a relação A/M é bem baixa. Essa situação possibilita o crescimento de rotíferos e micro–organismos mais desenvolvidos. Estes micro-organismos são capazes de “comer” os sólidos suspensos em geral, e em particular as bactérias que não se fixaram nos flocos.
  • Alguns problemas com o descontrole da relação A/M.
    • No volume do seletor: Revendo a tabela 2 no item 2.3, foi apontado que os valores da relação A/M ficaram acima dos valores do projeto, e com grandes variações. Pode-se imaginar que nestas condições poderiam acontecer diversas coisas, como: uma falta de oxigênio, menor tempo de residência dos sólidos no seletor, etc. Todas essas falhas dificultam que um lodo de boa qualidade seja formado no segundo volume do tanque de aeração. Neste caso, não é possível determinar as razões que levaram a um valor médio excessivo de A/M no seletor, sem que se avaliem as variações individualmente, nas quantidades das “cargas orgânicas”, A, e das quantidades de “massa”, M. Algumas sugestões de para controlar as “cargas orgânicas” foram apresentadas no item 3 da parte 2 deste mesmo trabalho. Algumas sugestões de como controlar os sólidos foram apresentadas no item 3 do trabalho anterior.

CONCLUSÕES

Neste trabalho foram tratados os assuntos referentes ao conceito da Relação de Alimentação com Massa (A/M ou em inglês F/M), onde as cargas de DQO e DBO5 foram relacionadas com as concentrações de sólidos nos tanques de aeração. Foram analisadas, também as implicações biológicas das variações desta relação.

Especificamente, foram tratados os seguintes itens:

  • Algumas Definições e Conceitos Básicos;
  • A faixa ideal de controle da variável A/M;
  • Variações na relação A/M e as implicações biológicas.

[i] http://www.ctec.ufal.br/professor/elca/Fundamentos%20de%20Microbiologia%20do%20Tratamento%20de%20Esgotos.pdf, – Acessado 24/09/2015

[ii] http://www.comitepcj.sp.gov.br/download/Curso-Trat-Esgoto_Capitulo-4.pdf, pagina 13 – Acessado 24/09/2015

[iii] http://www.maxwell.vrac.puc-rio.br/15510/15510_3.PDF, – Acessado 24/09/2015.

[iv] http://www.ecpconsulting.in/docs/selectors_wastewater_treatment.pdf, – Acessado 24/09/2015.

[v] https://www.celuloseonline.com.br/tratamento-de-efluentes-david-meissner-importancia-de-oxigenio-parte-2/. – Acessado 26/08/2015.

[vi] https://en.wikipedia.org/wiki/Activated_sludge#Activated_sludge_control, – Acessado 28/08/2015. Tradução do autor.

[vii] http://eucalyptus.com.br/eucaliptos/PT34_Lodos_Ativados.pdf, – pagina 32, – Acessado 14/09/2015.

[viii] http://aplysia.com.br/log/13-08-2010/saiba-como-as-bacterias-filamentosas-ajudam-a-aumentar-a-performance-das-estacoes-de-tratamento-dos-efluentes-industriais, – Acessado 14/09/2015.

[ix] http://aplysia.com.br/blog/13-08-2010/saiba-como-as-bacterias-filamentosas-ajudam-a-aumentar-a-performance-das-estacoes-de-tratamento-dos-efluentes-industriais, – Acessado 14/09/2015.

[x] http://eucalyptus.com.br/eucaliptos/PT34_Lodos_Ativados.pdf, – pagina 31, – Acessado 14/09/2015.

[xi] http://www.geotecnia.unb.br/downloads/teses/038-2006.pdf, – pagina 37, – Acessado 14/09/2015.

[xii]http://www.wastewaterinfo.com/Formulas/MCRT/mcrt.html, – Acessado 23/09/2015.

[xiii] https://www.celuloseonline.com.br/tratamento-de-efluentes-david-charles-meissner-a-importancia-de-controlar-as-concentracoes-e-quantidades-de-solidos-e-biomassa-em-uma-estacao-de-tratamento-de-efluentes-de-lodo-ativado-p/

[xiv] https://www.scribd.com/doc/19590008/Lodos-Ativados-Von-Sperling, slide n° 40, – Acessado 23/09/2015.

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Sobre o Autor
David Meissner - Trat. Efluentes
David Meissner - Trat. Efluentes
É dono da empresa DCMEvergreen Environmental Consulting Services. É formado em Química na Michigan State University, East Lansing, (Mi USA) e Mestrado em Química Orgânica pelo ITA-CTA, São José dos Campos (SP Brasil).

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