Prosab Stulio, Notas de estudo de Engenharia Ambiental
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Prosab Stulio, Notas de estudo de Engenharia Ambiental

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Produção de Biogas em sistemas anaerobios de tratamento de residuos solidos organicos RSO
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Esta publicação é um dos produtos da Rede de Pesquisas sobre o tema Digestão de Resíduos Sólidos Orgânicos e Aproveitamento do Biogás, do Programa de Pesquisas em Saneamento Básico – PROSAB – Edital 03, coordenada pelo Prof. Sérvio Túlio Cassini do Departamento de Saneamento Ambiental da UFES.

O objetivo geral do Programa é desenvolver e aperfeiçoar tecnologias nas áreas de águas de abastecimento, águas residuárias e resíduos sólidos que sejam de fácil aplicabilidade, baixo custo de implantação, operação e manutenção e que resultem na melhoria da qualidade de vida da população brasileira, especialmente as camadas menos favorecidas.

Operacionalizado através de redes cooperativas e gerenciado pela FINEP, o PROSAB já lançou 3 editais para a seleção de instituições capacitadas para desenvolver projetos em temas prioritários (1996, 1998 e 2000). Contando com o apoio da ABES, o financiamento do PROSAB é compartilhado pela FINEP, CNPq e CAIXA que alocam recursos para projetos, bolsas de pesquisa e ações de avaliação e divulgação, respectivamente.

A execução das pesquisas de forma cooperada tem permitido a abordagem integrada das ações dentro de cada tema, otimizando a aplicação dos recursos e evitando a duplicidade e a pul- verização de iniciativas. As redes integram os pesquisadores das diversas instituições, homogeneizam a informação entre seus integrantes e possibilitam a capacitação permanente de instituições emer- gentes. No âmbito de cada rede, os projetos das diversas instituições têm interfaces e enquadram-se em uma proposta global de estudos, garantindo a geração de resultados de pesquisa efetivos e prontamente aplicáveis no cenário nacional. A atuação em rede permite, ainda, a padronização de metodologias de análises, a constante difusão e circulação de informações entre as instituições, o estímulo ao desenvolvimento de parcerias e a maximização dos resultados.

As redes de pesquisas são acompanhadas e permanentemente avaliadas por consultores, pelas agências financiadoras e pelo Grupo Coordenador, através de reuniões periódicas, visitas técnicas e seminários anuais.

O PROSAB tem sido divulgado na sua home page (www.finep.gov.br/prosab), e através de diversas publicações em revistas especializadas e da apresentação de trabalhos e participação em mesas redondas nos principais eventos da área de Saneamento Básico. Ao término de cada edital são elaborados livros, manuais e coletânea de artigos versando sobre as tecnologias desenvolvidas, distribuídos gratuitamente para as prefeituras, concessionárias de serviços de saneamento e bibliotecas. Também, são ministrados cursos sobre essas tecnologias em diversas localidades do país.

Ao longo dos últimos 7 anos, o PROSAB vem se destacando na área de Saneamento como modelo de gestão de programa cooperativo e financiamento compartilhado, em função dos resultados já obtidos, quais sejam: desenvolvimento e aperfeiçoamento de diversas tecnologias, produtividade científica, formação e capacitação de recursos humanos especializados, modernização da infra-estrutura de pesquisa e desenvolvimento, consolidação de grupos de pesquisa emergentes, dentre outros.

 

Jurandyr Povinelli – EESC jpovinel@sc.usp.br

Cícero O. de Andrade Neto – UFRN cicero@ct.ufrn.br

Deíza Lara Pinto – CNPq dlara@cnpq.br

Marcos Helano Montenegro – Ministério das Cidades marcos.montenegro@cidades.gov.br

Anna Virgínia Machado – ABES annav@ax.apc.org

Sandra Helena Bondarovsky – CAIXA sandra.bondarovsky@caixa.gov.br

Jeanine Ribeiro Claper – CAIXA jeanine.claper@caixa.gov.br

Célia Maria Poppe de Figueiredo – FINEP cmfigue@finep.gov.br

O PROSAB – Edital 3 foi parcialmente financiado com recursos do Fundo de Recursos Hídricos.

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Vitória - ES 2003

Copyright © 2003 ABES - RJ

1a Edição – tiragem: 1300 exemplares

Projeto gráfico, editoração eletrônica e fotolitos RiMa Artes e Textos Rua Conselheiro João Alfredo, 175 CEP 13561-110 – Jardim Paraíso – São Carlos-SP Fone: (0xx16) 272-5269 Fax: (0xx16) 272-3264 www.rimaeditora.com.br rmartes@terra.com.br

Coordenador Sérvio Túlio Cassini

Digestão de resíduos sólidos orgânicos e aproveitamento do biogás / Sérvio Túlio Cassini (coordenador). – Rio de Janeiro : ABES, RiMa, 2003 210 p. : Il. Projeto PROSAB ISBN 85-86552-68-2

1. Resíduo orgânico. 2. Lodo. 3. Digestão anaeróbia. 4. Lodo. I. Cassini, Sérvio Túlio.

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Andréia C. Ferreira – Bolsista CNPq/SANEPAR Armando Borges de Castilhos Jr. – UFSC Carlos Augusto de Lemos Chernicharo – UFMG Cleverson Vitório Andreoli – FAE-Business School/UFPr/SANEPAR Durval Rodrigues de Paula Junior – FEAGRI-UNICAMP Eduardo Sales Machado Borges – Doutorando – UFMG Hugo Moreira Soares – UFSC José Tavares de Sousa – UEPb Luciana de Mattos Moraes – FEAGRI-UNICAMP Marcelo Teixeira Pinto – CAESB Milene França – Bolsista CNPq/SANEPAR Patrícia Procópio Pontes – Doutoranda-UFMG Paulo Augusto Cunha Libânio – Doutorando – UFMG Paulo Belli Filho – UFSC Rafael de Oliveira Pinto – UFSC Ricardo Franci Gonçalves – UFES Rosana Filomena Vazoller – USP Servio Tulio Cassini – UFES Valderi Duarte Leite – UEPb Wilton Silva Lopes –UEPb

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Aldre Jorge de Morais – UEPb Ana Lycia Barreira da Silva – UFES Bruno Maio Pyramo Costa – Bolsista UFMG Denis Miguel Roston – FEAGRI-UNICAMP Edson Aparecido Nour – FEC-UNICAMP Eduardo Baldessin Barbosa – UFES Emerson Cristiano Frade – UFMG Flavia Andrea Cabral – UFSC Ilka Soares Cintra – Doutoranda-UFMG Maria Luciana Dias de Luna – UEPb Sandra Aparecida Rozon Camargo – FEC-UNICAMP Tercio Almeida Abreu – UFES Valéria Martins Godinho – Bolsista-UFMG William Gerson Mathias – UFSC

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Prefácio .................................................................................................... XIII

Capítulo 1 – Introdução ............................................................................... 1 Resíduos Sólidos Orgânicos Gerados no Saneamento: Problemas e Tendências ... 1 Lodos de Estações Coletivas e Individuais de Tratamento de Esgotos ................ 3 Resíduos Sólidos Urbanos ..................................................................................... 5 A Rede de Pesquisa PROSAB 3 – LODO .............................................................. 8 Referências Bibliográficas ...................................................................................... 9

Capítulo 2 – Hidrólise e Atividade Anaeróbia em Lodos ........................... 11 Introdução ............................................................................................................ 11

Alternativas para minimizar a produção de lodos de esgotos ....................... 12 Processos Hidrolíticos para Minimizar a Produção de Lodos de Esgoto ........... 15

Fundamentos da digestão anaeróbia .............................................................. 15 Fundamentos dos processos hidrolíticos de lodos ......................................... 18 Processos hidrolíticos ...................................................................................... 20 Aspectos Complementares .............................................................................. 26

Tecnologias PROSAB ........................................................................................... 28 Respirômetro anaeróbio automatizado (RANA) – UFES .............................. 29 Emprego do Biogás para Hidrólise Térmica ................................................... 31 Reator de hidrólise alcalina no sistema UASB + BFs (UFES) ...................... 39

Exemplo de aplicação e dimensionamento (Hidrólise química e térmica) ........ 42 Sistema para hidrólise química de lodo úmido .............................................. 43 Sistema para hidrólise térmica de lodo úmido .............................................. 45

Conclusões ............................................................................................................ 46 Referências Bibliográficas .................................................................................... 47

Capítulo 3 – Estabilização Anaeróbia de Lodos ......................................... 53 Introdução ............................................................................................................ 53 Fundamentos Tecnológicos e Reatores ................................................................ 55

Digestão anaeróbia de lodos descartados de tanques sépticos ...................... 56 Digestão anaeróbia de lodos primários e secundários gerados em sistemas

convencionais de tratamento de esgotos ................................................... 61 Sistemas de tratamento combinado de esgotos e lodo excedente ................. 67

Tecnologias Pesquisadas no Âmbito do PROSAB ............................................... 71

           

Tratamento de lodo de tanques sépticos ........................................................ 71 Tratamento de lodo excedente de filtros percoladores em reatores UASB ... 74 Tratamento de lodo de esgoto em reatores anaeróbios seqüenciais .............. 85

Exemplo de Dimensionamento............................................................................ 90 Dimensionamento de reatores anaeróbios seqüenciais (sistema RAS) ......... 90

Referências Bibliográficas .................................................................................... 91

Capítulo 4 – Bioestabilização de Resíduos Sólidos Orgânicos ................... 95 Introdução ............................................................................................................ 95 Bioestabilização Anaeróbia de Resíduos Sólidos Orgânicos ............................... 97

Aspectos gerais da digestão de resíduos sólidos urbanos em aterros ............ 97 Tipos de reatores aplicados à digestão anaeróbia de resíduos

sólidos orgânicos .......................................................................................100 Co-digestão anaeróbia de resíduos sólidos orgânicos ..................................103 Aplicação do processo de bioestabilização anaeróbia de resíduos

sólidos orgânicos .......................................................................................104 Tecnologias Pesquisadas no âmbito do PROSAB..............................................106

Tratamento anaeróbio de resíduos sólidos orgânicos com alta concentração de sólidos ...........................................................................106

Tratamento anaeróbio de resíduos sólidos orgânicos com baixa concentração de sólidos ..................................................................110

Exemplo de Dimensionamento..........................................................................113 Referências Bibliográficas ..................................................................................116

Capítulo 5 – Secagem e Higienização de Lodos com Aproveitamento do Biogás .................................................. 121

Introdução ..........................................................................................................121 Produção de Biogás em Estações de Tratamento de Esgoto .............................122

Geração de biogás ..........................................................................................122 Características do biogás ...............................................................................123 Biogás como fonte de energia calorífica .......................................................126 Aproveitamento de biogás.............................................................................129

Desaguamento de Lodo de Esgoto ....................................................................130 Caracterização do processo de desaguamento .............................................130 Principais processos utilizados no desaguamento do lodo ..........................131

Higienização do Lodo de Esgoto .......................................................................133 Caracterização do processo de higienização.................................................133 Agentes patogênicos encontrados no lodo de esgoto ...................................133 Processos de higienização de lodo ................................................................136 Efeito da temperatura na higienização do lodo ...........................................137

Tecnologias Pesquisadas no âmbito do PROSAB..............................................139

 

Higienização térmica de lodo úmido (UFMG) ............................................139 Secagem e higienização térmica do lodo utilizando energia solar e

biogás em leito de secagem ......................................................................142 Higienização térmica de lodo úmido e desaguamento em

leito de secagem ........................................................................................150 Exemplo de Aplicação e Dimensionamento ......................................................154

Sistema para higienização térmica de lodo úmido ......................................154 Sistema térmico para secagem e higienização de lodo em

leito de secagem ........................................................................................158 Referências Bibliográficas ..................................................................................161

Capítulo 6 – Tratamento e Recirculação de Lixiviados ............................. 167 Introdução ..........................................................................................................167 Carga Poluente de Líquidos Lixiviados de Aterros Sanitários ..........................169

Fatores determinantes da vazão de lixiviado................................................169 Fatores Determinantes das Características Físico-químicas de Lixiviado ........171 Descrição dos Processos de Tratamento de Lixiviados de

Aterros Sanitários ..........................................................................................172 Alternativas para tratamento ........................................................................172 Recirculação de líquidos lixiviados ...............................................................176 Recirculação e tratamento de lixiviados na digestão de RSU......................179

Tecnologias Pesquisadas no âmbito do PROSAB..............................................184 Recirculação e inoculação de digestores anaeróbios de RSU ......................184 Tratamento combinado de lixiviados com esgotos domésticos ...................188

Exemplo de Dimensionamento..........................................................................190 Recirculação e inoculação de digestores anaeróbios de RSU ......................190

Referências Bibliográficas ..................................................................................195

A gestão dos resíduos sólidos orgânicos gerados nos processos de esgotamento sanitário e coleta de resíduos sólidos urbanos é uma atividade relativamente recente em todo o mundo, resultante das pressões ambientais em curso nas últimas 3 décadas. Neste período, a maioria dos países denominados desenvolvidos avançou no conceito de apenas remover os resíduos do local de geração e depositá-los em locais nem sempre apropriados, para um novo status, no qual se busca a redução da geração, eficientes processos de tratamento, maximização da reciclagem e recuperação energética, além de procurar alternativas de disposição final que sejam seguras em termos de saúde pública, economicamente viáveis e ambientalmente aceitáveis. Estes objetivos constituem ainda um dos maiores desafios da humanidade para o século XXI.

Nos países em desenvolvimento, como o Brasil, o problema dos resíduos sólidos orgânicos só começou a ser sentido nas duas últimas décadas, quando alguns municípios passaram a se preocupar com a poluição dos seus cursos d’água, investindo no tratamento dos seus esgotos e na coleta e disposição dos seus resíduos urbanos. Este movimento foi fruto das pressões sociais e ambientais, resultante de uma evolução, embora ainda pequena, do nível de percepção e de educação da população brasileira em relação aos seus padrões de qualidade de vida, bem como da legislação ambiental atualmente vigente e ao sistema de gestão dos recursos hídricos por bacias hidrográficas. Assim, soluções para os resíduos gerados nos processos de tratamento fazem hoje parte da pauta de algumas autoridades governamentais e de profissionais do setor do saneamento básico e ambiental.

Para tentar responder a estas e outras questões nasceu o PROSAB – Programa de Pesquisa em Saneamento Básico, gerenciado pela FINEP em conjunto com a CAIXA, ABES, as Universidades Brasileiras e as Concessionárias de Saneamento, que buscam desenvolver tecnologias no setor que sejam adaptadas à realidade brasileira. Finalizando o sétimo ano de pesquisas, o PROSAB tem procurado transferir e disseminar o conhecimento desenvolvido, por meio de publicações técnicas, manuais e livros de fácil acesso aos interessados.

Este volume, resultante de 3 anos de pesquisas em Digestão Anaeróbia de Resíduos Orgânicos e Aproveitamento do Biogás, retrata o novo estado da arte do conhecimento no tema, já incorporando as novas contribuições do programa. Participaram da rede LODO, seis instituições, sendo cinco universidades: Universidade Estadual de Campinas, Universidade Federal do Espírito Santo, Universidade Federal de Minas Gerais, Universidade Estadual da Paraíba, Universidade Federal Santa Catarina e uma empresa de saneamento, a Companhia de Saneamento do Paraná, a SANEPAR.

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Em termos de fundamentos do processo biológico, as pesquisas avançaram nos aspectos sobre a biodegradabilidade de resíduos e formas de medição da atividade anaeróbia de lodos, aspecto básico para entender e representar a suscetibilidade da transformação de substratos pelos microrganismos anaeróbios. Além da definição de metodologias, foi também desenvolvido um equipamento específico para este fim.

O processo de estabilização de lodos ganhou novas contribuições com os estudos de digestão anaeróbia dos lodos retirados de tanques sépticos por caminhões limpa- fossas, a digestão dos lodos secundários nos próprios reatores UASB com avaliação das novas potencialidades na produção de energia e os estudos de digestão de lodos em reatores seqüenciais. Da mesma forma, buscando aumentar a disponibilidade do substrato para os microrganismos, foi estudado o processo de hidrólise pelas vias térmica e química, ainda sem resultados conclusivos, porém com grande potencial de desenvolvimento.

O processo de secagem de lodos em leitos favoreceu-se das novas alternativas estudadas, com a aceleração do processo utilizando o biogás e a energia solar como fonte de calor e higienização do lodo, incluindo uma proposta de adaptação dos convencionais leitos de secagem para leitos de secagem e higienização.

A degradação de frações orgânicas dos resíduos sólidos urbanos também foi abordada, através das pesquisas sobre a digestão anaeróbia contínua e em batelada de substrato com altas e baixas concentrações de sólidos, a digestão consorciada com lodos de estações de tratamento de esgotos e, particularmente, o tratamento anaeróbio de resíduos sólidos urbanos (RSU) com recirculação de lixiviados.

Finalmente, apresentam-se resultados da aplicação de remoção dos odores gerados no processo anaeróbio de estabilização de resíduos orgânicos de lodo de tanque séptico por meio de biofiltração, tecnologia anteriormente desenvolvida no âmbito do PROSAB – tema Pós-Tratamento de efluentes de reatores anaeróbios.

Por intermédio deste livro, espera-se que os 3 anos de pesquisa da rede LODO possam auxiliar a formação de estudantes e profissionais do setor de saneamento básico e ambiental, na construção de um País socialmente mais justo e sustentável.

Marcelo Teixeira Rosana Filomena Vazoller

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Resíduos sólidos orgânicos (RSO) podem ser entendidos como aqueles resíduos provenientes ou gerados de sistemas de tratamento de esgotos (fossas sépticas, ETEs), coletas e processamento de materiais recolhidos das áreas urbanas (lixo, podas de árvores, corte de gramados), que possuem significativa fração orgânica, superior a 30%.

A gestão adequada desses resíduos vem se tornando preocupação crescente na sociedade moderna. Embora significativo avanço tenha ocorrido nas últimas décadas, principalmente nos países mais desenvolvidos, com respeito à redução da geração dos RSO e à reciclagem de materiais, na busca de sistemas de tratamento mais eficientes, bem como na disposição segura dos RSO em termos ambientais e de saúde pública, a solução para os problemas advindos desses rejeitos constitui ainda um dos maiores desafios da humanidade para o século XXI.

Nos países em desenvolvimento como o Brasil, a precariedade da prestação dos serviços de saneamento reflete diretamente na gestão dos resíduos sólidos gerados. Segundo o IBGE (2000), o País produz 230 mil toneladas de lixo por dia, das quais aproximadamente 70% são coletados. O restante é depositado nos terrenos próximos às aglomerações urbanas, sem qualquer preocupação com seu destino, chegando aos cursos d’água carreados pelas chuvas. Mesmo do lixo coletado, apenas pequena quantidade é disposta adequadamente em aterros sanitários. A maior parte do lixo é lançada em vazadouros públicos, sem qualquer cuidado com sua destinação. Coleta seletiva e reciclagem são processos muito pouco conhecidos pela maioria dos municípios brasileiros.

Quanto ao lodo produzido em estações de tratamento de esgotos, a situação não é tão diferente. Segundo a Associação Brasileira de Engenharia Sanitária e Ambiental – ABES (2003), o índice de cobertura de coleta de esgotos do País é da ordem de 50%, e apenas 25% é destinado a algum tipo de tratamento. O restante é

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lançado diretamente nos cursos d’água, ou dispostos em sistemas individuais, que, por sua precariedade, acabam contaminando o lençol freático e as águas superficiais.

Os sistemas de tratamento de águas residuárias resultam, sem dúvida, em aspectos relevantes para o aumento de qualidade de vida da população, mas é fundamental para essa avaliação promissora a inclusão da gestão adequada dos resíduos gerados na estação. Atualmente, estima-se que sejam produzidas cerca de 270 mil toneladas de lodo por ano (expresso em matéria seca) nas estações de tratamento, das quais apenas cerca de 5% são reutilizadas de forma adequada. Essa situação tende a piorar, uma vez que, fruto das pressões ambientais e sociais, vislumbra-se a perspectiva de ocorrer aumento significativo do nível de cobertura da coleta e tratamento das águas residuárias na próxima década, e sua inevitável conseqüência será o aumento da produção de lodos.

Para reverter o significativo déficit de atendimento à população, o setor de saneamento precisa ser reestruturado e modernizado. Segundo Camargo (2002), pesquisas realizadas pela Organização Européia de Cooperação e Desenvolvimento (OCDE) mostram que o serviço de saneamento no Brasil não é universalizado em decorrência da baixa renda da população e da má gestão dos poucos recursos disponibilizados para o setor. As condições econômicas da população limitam o repasse integral dos custos dos serviços para a tarifa, principalmente nos municípios mais carentes, o que inviabiliza os investimentos necessários à universalização dos serviços de saneamento. Portanto, a reestruturação do setor de saneamento deve ser acompanhada pela abertura de novas fontes de financiamento que permitam o acesso aos serviços ao elevado número de municípios privados de atendimento. Certamente, o desenvolvimento de tecnologias de mais baixo custo poderá impulsionar significativamente o crescimento dos índices de cobertura, possibilitando utilizar os escassos recursos financeiros disponíveis para atender a um maior número de habitantes.

Neste contexto, o Programa de Pesquisa em Saneamento Básico (PROSAB) vem realizando diversos estudos com vistas a identificar e desenvolver alternativas de minimização, tratamento e disposição dos resíduos sólidos gerados no saneamento. O programa busca contribuir com a promoção e adoção de práticas sanitárias que empregam tecnologias simplificadas, de baixo custo e de fácil aprendizado pelos municípios. Esta opção pela simplicidade tem ligação efetiva com os fatos anteriormente expostos, na medida em que grande parcela da população ainda não atendida pelas ações de saneamento está localizada nas periferias das grandes cidades ou em comunidades de pequeno e médio porte.

A publicação deste volume, denominado Digestão anaeróbia de resíduos sólidos orgânicos e aproveitamento do biogás, possibilitará o reconhecimento, por parte do leitor, dos resultados inovadores sobre as tecnologias atuais e as estratégias para a estabilização

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anaeróbia da fração orgânica dos resíduos sólidos, cuja contribuição é inegável ao saneamento básico e ambiental do País.

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Os processos de tratamento de esgotos são, em última instância, mecanismos de separação dos sólidos da água. Enquanto a última retorna para os rios, agora virtualmente isenta das impurezas que carregava, os sólidos retirados precisam ser estabilizados e dispostos de forma a não causar impactos significativos ao meio ambiente ou à saúde da população.

Da mesma forma, os sistemas individuais de tratamento (tanques sépticos) também produzem sólidos que precisam ser dispostos adequadamente. De maneira geral, pouca atenção é dada no Brasil ao destino desses sólidos, que, ao serem recolhidos pelo conhecidos “caminhões limpa-fossa”, acabam sendo lançados, sem nenhum controle, em terrenos nos limites da cidade ou nas redes coletoras de esgotos ou águas pluviais, causando impactos nos cursos d’água, quando estas redes não estão ligadas a estações de tratamento.

Estima-se que o País gere 10.200 toneladas de sólidos por dia, que são descarregados nos esgotos domiciliares. Com os níveis de cobertura e tratamento mencionados anteriormente, pode-se imaginar o retrato da disposição de lodos, conforme mostrado na Figura 1.1.

Da quantidade gerada, metade é recebida pelos sistemas individuais de tratamento, digerida e reduzida para cerca de 2.040 toneladas/dia, que são destinadas a terrenos nos limites da cidade, rios ou redes coletoras. A outra metade é recolhida pelo sistema de esgotamento sanitário, em que aproximadamente 3.825 toneladas/ dia são lançadas diretamente nos cursos d’água. Outras 1.275 toneladas/dia são encaminhadas para as estações de tratamento, nas quais cerca de 255 tonelada/dia são despejadas com o efluente. Os sólidos restantes, acrescidos daqueles gerados no próprio processo pela reprodução microbiana (± 320 toneladas/dia), são digeridos, reduzindo-se a aproximadamente 803 toneladas/dia, as quais também necessitam ser dispostas de forma segura e ambientalmente aceitável. Ou seja, atualmente, a geração de lodo é da ordem de 2.843 toneladas/dia (em massa seca). Se todos os esgotos fossem coletados e tratados, este número seria 3 vezes maior que o atual.

Os sólidos contêm todos os poluentes oriundos das atividades, dos hábitos alimentares e do nível de saúde da população atendida pelas redes coletoras de esgotos ou por sistemas individuais, retratando exatamente as características dessa comunidade.

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Produção 10.200 tonSS/d

Coletado 5.100 ton SS/d

Sistemas individuais de tratamento 5.100 ton SS/d

Para disposição 2.040 ton SS/d

Tratamento 1.275 ton SS/d

Efluente 255 ton SS/d

Lançado “in natura” 3.825 ton SS/d

Para disposição 803 ton SS/d

Reciclagem agrícola

Aterro

Figura 1.1 Simulação do balanço do lodo (em massa seca) gerado no País e sua atual destinação final.

Basicamente, três aspectos do lodo precisam ser considerados para sua disposição segura:

• O nível de estabilização da matéria orgânica

• A quantidade de metais pesados

• O grau de patogenicidade

A estabilização da matéria orgânica e a redução do nível de patogenicidade do lodo podem ser feitas por três mecanismos. No primeiro, pela via biológica, os microrganismos estabilizam a matéria orgânica biodegradável presente no lodo utilizando oxigênio com aceptor final de elétrons (digestão aeróbia) ou na ausência de oxigênio (digestão anaeróbia). A redução da patogenicidade pode se dar pelo estabelecimento de competição entre os diversos microrganismos. No segundo mecanismo, pela via química, a estabilização e a higienização são atingidas mediante a oxidação química da matéria orgânica e dos microrganismos. Finalmente, o terceiro mecanismo, via térmica, utiliza o calor para estabilizar termicamente a matéria orgânica e eliminar os microrganismos presentes no lodo.

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Dos três mecanismos mencionados, a digestão anaeróbia, processo estudado no âmbito da rede Lodo – PROSAB 3, apresenta vantagens significativas em relação às outras alternativas, principalmente nos seguintes aspectos:

• Menor custo de operação

• Menor custo de implantação

• Processo gerador de biogás, podendo ser utilizado como fonte de energia.

• Maior facilidade operacional

Por outro lado, a digestão anaeróbia por si não atinge a completa estabilização da matéria orgânica nem níveis suficientes de eliminação de microrganismos para que o lodo possa ser reciclado sem restrições, o que obriga a adoção de processos térmicos ou químicos complementares, que também foram objeto de estudo nessa rede. Porém, em razão do baixo custo do processo biológico anaeróbio, é sempre uma alternativa a ser adotada na primeira etapa de estabilização da matéria orgânica e de redução de patógenos.

Ainda, em relação ao tema lodos de esgoto, as publicações Lodo de esgotos: tratamento e disposição final (coordenador: Marcos von Sperling e outros), volume 6 da série Princípios do tratamento biológico de águas residuárias – UFMG, e Resíduos sólidos do saneamento: processamento, reciclagem e disposição final (coordenador: Cleverson Vitório Andreoli), da série PROSAB, oferecem informações complementares e úteis ao melhor aproveitamento dos capítulos apresentados neste volume.

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A problemática dos resíduos sólidos orgânicos do saneamento deve ser também analisada na vertente lixo, ou da geração dos resíduos sólidos urbanos (RSU). Como anteriormente apontado, a geração diária de RSU é da ordem de 230 mil toneladas (IBGE, 2000). Segundo essa mesma fonte, do total de resíduos sólidos urbanos coletados, aproximadamente 21% (porcentagem em peso) é destinado a vazadouros a céu aberto, os denominados Lixões. Esses locais não possuem qualquer infra-estrutura para a contenção dos poluentes contidos nos resíduos sólidos e nos líquidos, bem como para o destino dos gases gerados; não apresentam procedimentos operacionais capazes de impedir a proliferação de vetores transmissores de enfermidades ou de restringir o acesso de pessoas, sendo, portanto, condenáveis sob os aspectos técnico e social.Cerca de37% são lançados em aterros controlados, 36%, em aterros sanitários, enquanto 2,8% desses resíduos são tratados em usina de compostagem. O restante (3,2%) é classificado para reciclagem em estações de triagem, tratado por incineração e/ou destinado a outros fins.

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Os resíduos sólidos urbanos são constituídos basicamente por matéria orgânica putrescível, papel/papelão, podas de árvores e gramados, plástico, vidro, material metálico ferroso e não ferroso, ossos e demais tipos de resíduos muitas vezes denominados de material inerte, dependendo dos critérios de caracterização física ou gravimétrica.

Pode-se afirmar que a origem e as características dos RSU estão condicionadas a uma série de fatores, desde as condiçõesclimáticas da região, que influenciam diretamente a qualidade e a quantidade dos resíduos sólidos, até a densidade populacional e suas condições sociais e econômicas. O poder aquisitivo da população, por exemplo, pode ser um dos fatores que influencia a composição gravimétrica dos RSU, bem como sua produção per capita.

Os últimos dados divulgados pela Pesquisa Nacional de Saneamento Básico (IBGE, 2002), ainda que não tenham sido considerados aptos a retratar com rigor a realidade mais preocupante da limpeza pública no Brasil, revelam um quadro atual bastante deficitário. O equacionamento da questão dos RSU não é de solução rápida e fácil, pois passa certamente pela educação da população em seu sentido pleno, uma vez que é ilusória a idéia da simples conscientização quanto aos aspectos de saúde pública, saneamento e meio ambiente, sem o entendimento da ampla condição humana e de cidadania, bem como pelo desenvolvimento e ampliação de programas sustentáveis e duradouros para recuperação de vários de seus materiais constituintes potencialmente recicláveis (Libânio, 2002).

Apesar das inúmeras experiências bem-sucedidas na recuperação de materiais dos RSU, o montante total reaproveitado ainda não faz frente ao volume de lixo gerado. Deve-se reconhecer que, por mais antipática e casual que possa parecer a idéia de aterrar os resíduos sólidos, é sempre necessário considerá-la para a destinação final de significativas quantidades de materiais não recuperáveis.

Desta forma, tendo em vista a inadequação de outras técnicas para tratamento e disposição final desses resíduos, pelas restrições de ordem técnica ou econômica, o aterramento do lixo urbano responde, e certamente responderá ainda por bastante tempo, pela destinação final de quase a totalidade dos resíduos coletados no País.

Mesmo em países desenvolvidos como os Estados Unidos, detentores de tecnologias avançadas e consideráveis somas de recursos financeiros para investimento em infra-estrutura, equipamentos e programas de minimização de geração de resíduos, os aterros sanitários constituem a solução preferencial para a destino final dos RSU coletados. Valores comparativos da destinação dos RSU entre Brasil e Estados Unidos são apresentados na Figura 2.2 (IBGE, 2002, adaptada porLibânio, 2002).

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Figura 2.2 Comparação entre a destinação final dos resíduos sólidos urbanos coletados no Brasil e nos Estados Unidos (IBGE, 2002, adaptada porLibânio, 2002).

Tal constatação pode ser explicada uma vez que, independentemente da forma de gestão dos resíduos sólidos, a técnica de aterramento ainda se mostra imprescindível, seja para dispor do volume de resíduos excedente à capacidade instalada de tratamento (incineração, compostagem, por exemplo) ou recuperação (triagem, reuso, etc.), seja para dispor dos rejeitos gerados nesses processos, como mostra o esquema da Figura 2.3 (Libânio, 2002).

O processo anaeróbio, responsável pela estabilização da fração orgânica nos aterros, é ainda alvo de pesquisas direcionadas à melhor compreensão das reações biológicas de hidrólise e fermentação de polímeros de diferentes origens presentes nos RSU, bem como do metabolismo intermediário e conseqüente metanogênese do sistema de reação como um todo. As respostas oriundas das descobertas experimentais têm procurado auxiliar o manejo e otimização dos aterros, notadamente na solução do líquido lixiviado nesses sistemas, ou chorume, originado durante a etapa hidrolítico- fermentativa de compostos orgânicos como a celulose, as hemiceluloses, proteínas e lipídeos. No âmbito da rede Lodo – PROSAB 3, buscou-se avaliar os efeitos do chorume na estabilização dos RSU ou apenas em sua fração orgânica, optando-se por diferentes estratégias.

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Figura 2.3 Esquema sobre a relevância da técnica de aterramento, no atual quadro de alternativas de tratamento e disposição final dos resíduos sólidos (Fonte: Libânio, 2002).

Em relação ao tema resíduos sólidos, sugere-se a leitura das publicações Resíduos sólidos provenientes de coletas especiais: eliminação e valoração (coordenador: Francisco R. A. Bidone), Metodologias e técnicas de minimização, reciclagem e reutilização de resíduos sólidos urbanos e Alternativas de disposição de resíduos sólidos urbanos para pequenas comunidades (organizadores: Armando B. de Castilho Jr. e outros), da série PROSAB. Os volumes oferecem informações complementares e úteis ao melhor aproveitamento dos capítulos apresentados neste volume.

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Os projetos de pesquisa envolvendo o tratamento anaeróbio de resíduos orgânicos foram agrupados em três temas – lodo, resíduos sólidos orgânicos e biogás. A organização dos trabalhos foi conduzida como apresentado na Figura 2.4, focalizando inicialmente os processos de estabilização do lodo de estação de tratamento, de sistemas individuais de fossas sépticas e de resíduos sólidos urbanos. Esses processos foram estudados tanto no tocante à produção de biogás como buscando a melhor configuração dos reatores, avaliando-se os impactos causados pelo retorno dos lodos secundários descartados (esgotos) e dos lixiviados (lixo) na operação dos reatores anaeróbios, bem como a atividade microbiana metanogênica específica.

Para aumentar a biodisponibilidade da matéria orgânica contida nos lodos, foram pesquisados os processo de hidrólise térmica e química. Embora as pesquisas não

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tenham chegado a conclusões definitivas, resultaram em avanços significativos a respeito dos limites e potencialidades desses processos.

A higienização térmica do lodo, utilizando o biogás ou a energia solar como fonte energética, mostrou excelentes perspectivas, passíveis de utilização imediata para pequenos e médios sistemas de tratamento de esgotos. Da mesma forma, avanços foram observados na solução dos problemas de geração e tratamento dos odores gerados nos processos anaeróbios de tratamento.

Todos os estudos apresentaram contribuições significativas ao estado da arte do tema e contribuíram para o desenvolvimento da tecnologia nacional da digestão anaeróbia de resíduos sólidos orgânicos.

Lodo de ETEs

Lodo de fossas

Estabilização

Hidrólise

Secagem e higienização

térmica usando biogás

Secagem e higienização

solar

Resíduos sólidos urbanos

Estabilização Percolado

Produção de biogás

Odor

Figura 2.4 Representação esquemática da rede de pesquisa digestão anaeróbia de resíduos sólidos orgânicos e aproveitamento do biogás.

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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.

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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

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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

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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 físico- químicos 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.

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

   

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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 físico- químicos

• 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

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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) o

Ar comprimido

Retorno do sobrenadante para a planta

Separador

Tratamento de gases

Figura 2.1 Esquema 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, lançando- se 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

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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.

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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,

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distinguem-se três etapas principais no processo global da conversão da matéria orgânica: I) hidrólise, II)acidogênese e acetogênese e III) 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

CO + H2 2

CH + CO4 2 Biomassa (2)

I II III

Figura 2.2 Resumo esquemático do processamento anaeróbio de lodos. I – hidrólise; II – acidogênese e acetogênese; III – 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.

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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.

Como resultado do processo de digestão anaeróbia, o lodo oriundo de ETE adquire melhor estabilização, que é atingida principalmente pela redução de 50% a 60% do teor de sólidos orgânicos. Além disso, a composição do lodo pode ser muito alterada, como demonstra a Tabela 2.2. Em decorrência dessas alterações, o lodo digerido é menos susceptível a mudanças putrefativas em comparação com o lodo cru e apresenta melhor capacidade de desaguamento. Nessas condições e obedecidos os critérios de higienização, esse lodo pode ser utilizado como fertilizante ou com outras opções de disposição final.

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Tabela 2.2 Comparação das frações de lodo doméstico com e sem tratamento anaeróbio, expressa como % do total (valores médios).

      

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Assim, segundo Moergenroth et al. (2002), o processo da digestão anaeróbia cumpre as seguintes funções:

 Redução substancial nos sólidos voláteis  Redução significativa do número de organismos patogênicos (com termofilia)  Estabilização das substâncias orgânicas presentes no lodo  Redução do volume do lodo por meio de sua liquefação, gaseificação e

adensamento.

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Os lodos gerados em sistemas de tratamento de esgotos sanitários são constituídos, fundamentalmente, de 2 frações: água e sólidos totais (ST) em concentrações variando de 2% a 6%. A fração sólida do material orgânico resultante das ações de tratamento do esgoto doméstico é representado pelos sólidos voláteis (SV) ou biomassa microbiana e complexa gama de polímeros extracelulares (EPS) que se acumulam nesse meio.

Todas as ações de processamento visando à estabilização ou minimização de lodos de esgoto referem-se à possibilidade de mobilização dessa fração orgânica para ser degradada e assimilada por microrganismos diversificados presentes na massa de lodos. Além disso, completo entendimento da disponibilidade dessa matéria orgânica particulada é essencial para uma predição de desempenho da ETE, avaliação dos níveis de oxigenação (DBO) e até mesmo sua utilização para processos de remoção de N e P dos efluentes finais da ETE.

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A hidrólise, em um contexto geral, refere-se ao processo de ruptura ou quebra de moléculas orgânicas complexas, caracterizadas pelos polímeros de carboidratos, proteínas, lipídeos e suas combinações, convertendo-os em moléculas menores passíveis de assimilação e utilização pelas células microbianas. Nos sistemas de tratamento de esgotos, o principal objetivo dos processos hidrolíticos é a conversão de substratos lentamente biodegradáveis em substratos disponíveis para o metabolismo celular, processo este denominado de biodisponibilização

Durante o processo de digestão anaeróbia de componentes complexos como água residuárias e lodos orgânicos, o processo hidrolítico é o primeiro passo, geralmente limitante, de todo o processo. Na prática, o termo hidrólise pode ter várias conotações físicas, químicas e biológicas. O aspecto químico envolve a quebra de ligações moleculares com adição ou consumo de água. Na biologia e engenharia sanitária, os processos hidrolíticos envolvem quase sempre o conceito de “quebra de substratos” ou “destruição de sólidos”, geralmente orgânicos, até cadeias de menor tamanho, mais solúveis, que podem ser subseqüentemente utilizados e degradados pelos microrganismos presentes no meio (Morgenroth et al., 2002).

Podemos, assim, reconhecer dois mecanismos de atuação dos agentes hidrolíticos:

a) Hidrólise primária correspondente à desintegração e hidrólise de substratos complexos, geralmente de natureza orgânica, como complexos fibrosos de lignina e celulose, ceras, óleos, gorduras e lipídios combinados.

b) Hidrólise secundária correspondente à morte ou decaimento da biomassa presente no lodo, liberando moléculas prontamente assimiláveis (SV) e frações de moléculas como produtos internos de estocagem.

Assim, geralmente, os produtos do processamento hidrolítico refere-se à soma dos produtos de a + b, que podem ser utilizados pela microbiota do lodo para construção de nova biomassa ou geração de energia metabólica, conforme ilustrado no diagrama da Figura 2.3.

Alguns autores (Chynoveth & Pullamman, 1996) preferem falar em “despolimerização” como a primeira etapa do processo digestão anaeróbia, reservando o termo “hidrólise” para as reações de ataque à fração orgânica envolvendo enzimas denominadas “hidrolases ou liases”. A fração extracelular, representada principalmente pelo polímeros extracelulares (EPS), tende a se acumular no meio e pode representar possível indicação de estabilização do lodo. Tanto a fração biomassa quanto a fração extracelular constituem parte integrante do lodo orgânico. Assim, no balanço de carbono do sistema, a remoção de carbono orgânico do lodo é representada pelos processos de respiração aeróbia e anaeróbia (metanogênese).

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Lodo orgânico

Produtos hidrólise

Biomassa

Energia

Fração extracelular

CO , CH2 4

I II

III

Figura 2.3 Resumo das principais rotas de bioprocessamento de lodos. I – processamento hidrolítico; II – utilização e destinação dos produtos de hidrólise; III – respiração aeróbia ou anaeróbia (metanogênese).

Os produtos da despolimerização ou hidrólise são, geralmente, moléculas menores e solúveis, de modo a permitir sua assimilação microbiana e diminuição da fração suspensa de sólidos voláteis, comumente referida como destruição de sólidos. Assim, todo processo hidrolítico deve imitar essa reação no sentido de fracionar macromoléculas em moléculas menores (oligômeros), aumentando seu grau de solubilização ou biodisponibilidade para o metabolismo microbiano. No processo de digestão anaeróbia, as etapas 1 e 2 do processo hidrolítico são as mais lentas e, assim, limitantes do processo de metanogênese. Em escala real, os digestores anaeróbios conseguem hidrolisar ou tornar assimilável apenas 50% da matéria orgânica na forma de sólidos voláteis (SV). O restante permanece na fase insolúvel, não degradada e inacessível ao ataque microbiano.

A hidrólise pode ser uma tecnologia promissora na minimização dos lodos descartados das estações de tratamento de esgoto, particularmente nos processos com altas taxas de produção de lodo. Segundo Müller (2001), as tecnologias hidrolíticas podem ser aplicadas com os seguintes objetivos: aumentar a solubilização dos sólidos presentes no lodo; melhorar a eficiência de um processo subseqüente de degradação biológica ou para a remoção/reciclagem de nutrientes como o fósforo e o nitrogênio; promover a desidratação do lodo; reduzir patógenos; ou suprimir a formação de escuma. A maior disponibilidade de produtos solubilizados pode ser, desta maneira, utilizada pelos microrganismos anaeróbios para a realização de processos diversos, inclusive com o aumento do potencial de geração de metano.

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Nos físicos e químicos da hidrólise dos substratos complexos da matéria orgânica presente em lodos orgânicos podemos reconhecer, fundamentalmente, dois mecanismos dos agentes hidrolíticos atuando nos seguintes “compartimentos”:

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a) Atuação direta sobre biomassa (SV). b) Fracionamento dos compostos orgânicos macromoleculares (polímeros

complexos).

O processamento de lodos por meio de agentes físicos ou químicos promove, em uma primeira fase, a morte e o rompimento celular da fração de biomassa por meio da destruição de paredes e membranas celulares. Após a morte ou lise (rompimento) celular, o conteúdo protoplasmático é liberado para o meio. Esse conteúdo celular é, geralmente, representado por moléculas menores e de maior degradabilidade, como proteínas, oligossacarídeos, ácidos graxos e ácidos nucléicos. Essas moléculas liberadas do conteúdo protoplasmático são muito suscetíveis ao ataque de agentes hidrolíticos, como ácidos, álcalis e óxidos. Desse modo, a principal diferença entre a hidrólise “natural” por enzimas microbianas e a hidrólise induzida por agentes hidrolíticos fortes é o ataque preferencial à biomassa (fração SV) de lodos que, em geral, ocorre de modo natural bem mais lentamente quando depende exclusivamente de ação enzimática.

O aumento da biodegradabilidade pode ser atingido por meio de mecanismos físicos, químicos ou combinados, conforme a relação a seguir:

Mecanismos físicos:

• Tratamento térmico (Karlsson et al., 1992)

• Ultra-som (Tiehm et al., 1997)

• Desintegração mecânica (Kopp et al., 1997)

Processos químicos:

• Hidrólise ácida (Karlsson et al., 1989),

• Hidrólise alcalina (Mukherjee & Levine, 1992),

Processos biológicos:

• A combinação de processos também oferece possibilidades interessantes de incremento da biodegradabilidade de lodos, notadamente a hidrólise ácida sob temperaturas superiores a 50oC.

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Tratamento térmico: O tratamento térmico de lodos, geralmente efetuado na faixa de 60 a 180oC, promove redução da fase líquida pela retirada de água, concentração e desnaturação de polímeros e rompimento celular. Os carboidratos, lipídios e proteínas são as moléculas mais afetadas pelo calor, que pode promover sua desnaturação ou

                

rompimento de cadeias em moléculas menores, sendo, portanto, mais facilmente assimiláveis. Temperaturas mais elevadas também destroem paredes e membranas celulares, promovendo a liberação do conteúdo celular e facilitando, assim, sua subseqüente assimilação e oxidação biológica.

Além de promover esse aumento na biodisponibilidade dos componentes do lodo, o tratamento térmico pela efetiva desintegração celular ou desnaturação de proteínas pode promover efetiva redução de patógenos, além de supressão na formação de escuma no processamento de lodos. Em todos esses casos, os tratamentos térmicos alteram sensivelmente as propriedades físico-químicas dos lodos, incluindo a aptidão ao desaguamento e à secagem (Neyens & Baeyens, 2003).

Ultra-som: A utilização do ultrassom entre freqüências variando de 20 kHz a 40 kHz produz cavitação, quando a pressão local na fase líquida cai abaixo do valor da pressão de evaporação. O resultado é a formação explosiva de microbolhas, que aumentam de tamanho e entram em colapso de forma não linear, produzindo elevadíssimas temperaturas dentro e nas imediações das bolhas. Dessa forma, a cavitação produz forças mecânicas consideráveis que resultam na desintegração do lodo. Em testes realizados com digestores semicontínuos de lodo, a redução dos teores de sólidos voláteis variaram de 45,8% para lodos não tratados até 50,3% para lodos tratados previamente com ultra-som (Tiehn et al., 1997).

Desintegração mecânica: O objetivo da desintegração mecânica é a ruptura das células da biomassa para aumentar os compostos solúveis disponíveis para biodegradação. Essa carga orgânica adicional no tanque de aeração resulta no aumento da demanda de oxigênio, bem como da quantidade de biomassa necessária para oxidação do substrato adicional. Um exemplo de fluxograma de uma ETE convencional, com desintegração mecânica de lodo, é apresentado por Kopp et al. (1997) (Figura 2.4).

A desintegração é realizada, no exemplo em questão, por um moinho de bolas associado a um homogeneizador de alta pressão. Taxas de desintegração do lodo superiores a 60% podem ser atingidas, para um teor de ST inicial de 5% e um aporte específico de energia de 2000 kJ/kg ST. A digestão anaeróbia pode ser realizada em digestores com tempo de detenção hidráulica bastante curtos (< 4 dias), por meio de dispositivos que impeçam a lavagem dos microrganismos anaeróbios com baixa taxa de crescimento. Segundo os autores, a demanda de energia na etapa de desintegração mecânica corresponde à produção adicional resultante da ruptura das células no lodo. A demanda energética da desintegração mecânica pode ser estimada em 1,0 a 1,25 kW/m3 de lodo por dia.

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Figura 2.4 Esquema de uma ETE com sistema de desintegração mecânica do lodo.

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Usualmente, os efeitos de ácidos e bases combinados com calor podem promover a liberação de produtos de separação molecular e aumentar o grau de matéria orgânica solúvel, que pode ser avaliada em termos de DQO solúvel ou filtrada em relação à DQO total. Assim, se for observado um aumento nessa relação, após tratamento com determinado agente hidrolisante, pode-se inferir que há, possivelmente, aumento na disponibilidade de assimilação molecular e, conseqüentemente, maior atividade metabólica.

A hidrólise química de lodos orgânicos inclui principalmente os tratamentos ácido e alcalino. Esse tipo de tratamento age primariamente sobre a biomassa (SV/ST), promovendo a desintegração de partículas e complexos e atacando principalmente as proteínas, enquanto carboidratos e lipídeos são pouco afetados (Mõnnich, 1988). Alguns estudos mostram que os tratamentos ácido e alcalino promovem a solubilização da matéria orgânica (DQO), acelerando, conseqüentemente, o processo de estabilização e aumentando a biodisponibilização de substratos assimiláveis no meio.

A Tabela 2.3 resume os resultados de solubilização da DQO de vários estudos de tratamento alcalino de lodos, todos com 1% ST. Pode-se notar que a hidrólise alcalina dos lodos tem o potencial de solubilizar a fração DQO, evidenciado pelo incremento da relação DQOfilt/DQO total variando de 25 a 89%. As melhores relações de incremento da relação DQOfilt/DQO total foram obtidas por Abreu et al. (2003) utilizando lodo anaeróbio com 1% de ST e 20 a 60 meq/L de NaOH por 8 horas. Estes vaores foram equivalentes aos processos hidrolíticos utilizando desintegração mecânica com ultra-som além da hidrólise alcalina. Apesar de grande parte desses estudos de

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hidrólise ser realizado com lodos ativados o que dificulta as comparações entre processos, fica evidente o elevado potencial de solubiização de matéria orgânica por meio do processamento alcalino de lodo anaeróbio.

Tabela 2.3 Resultados de solubilização da DQO em vários estudos de hidrólise alcalina de lodo.

  

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A degradação da fração orgânica de lodos gerada em conseqüência de tratamentos biológicos é realizada naturalmente e principalmente pela via enzimática, por meio de enzimas extracelulares da própria biomassa microbiana presente no lodo. Essa fração orgânica de esgotos, representada pelos sólidos suspensos, tem distribuição física e composição química variada. Partículas variam de 0,01 a 100 µm, sendo formadas principalmente por proteínas, lipídios, carboidratos e outros complexos moleculares em suspensão não identificáveis. As enzimas extracelulares com atividade de quebra de cadeias orgânicas são genericamente denominadas de hidrolases e liases. As hidrolases promovem quebras de ligações diversas e geralmente tem seu nome ligado ao substrato ou processo de quebra.

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A atividade enzimática pode ser largamente influenciada pela temperatura e pelo pH do meio. Geralmente, a temperatura ótima de atividade situa-se em torno de 25 a 30oC, com efeitos negativos sobre a atividade de enzimas hidrolíticas em temperaturas abaixo de 15ºC. O efeito do pH é mais complexo, tendo em vista que a atividade é o somatório de várias enzimas com diferentes particularidades quanto aos valores de pH, carga e solubilidade do substrato hidrolisado, especialmente no caso de digestão de substratos protéicos. Outro fato que merece avaliação é a possibilidade da atividade enzimática ser auto-regulada pelos produtos gerados no processo de hidrólise. A produção de proteinases bacterianas pode ser inibida pela maior disponibilidade de aminoácidos e pelas altas concentrações de fosfato e glicose no meio e, assim, regular a atividade de degradação protéica. Resultados similares foram encontrados para a atividade celulolítica, com a produção de celulases inibida pela elevação dos teores de glicose e NH4

+ (Sanders, 2002).

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 2.4 Comparação 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 55% 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.

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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.

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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).

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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

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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.

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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.

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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

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computador pessoal com software adequado para processamento e visualização contínuos da produção de biogás.

Figura 2.5 Visão geral do respirômetro automatizado (RANA).

Tabela 2.6 Descrição das características técnicas do aparelho RANA.

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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

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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.

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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.

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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.

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

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

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Figura 2.8 Vista 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 2.7 Características físicas das unidades experimentais.

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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.

No decorrer dos ensaios, o lodo foi mantido em constante agitação, objetivando- se minimizar a sedimentação de sólidos e a formação de gradiente de temperatura ao

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longo da altura do volume de lodo aquecido, uma vez que o queimador do biogás foi instalado sob o reator térmico. Após início da agitação, coletava-se a primeira amostra (tempo zero de aquecimento – temperatura ambiente), iniciando-se assim a queima do biogás, sendo as demais amostras coletadas a 1,5, 3, 5 e 7 horas de aquecimento.

Sendo assim, a rotina operacional desenvolveu-se da seguinte maneira:

1. Armazenou-se o volume de biogás produzido em 24 horas. 2. Descartou-se para o reator térmico o volume de lodo a ser tratado, também

equivalente à produção de um dia. 3. Aplicou-se pressão no reservatório de biogás, colocando-se pesos sobre este,

no decorrer do processo de queima do biogás. 4. No decorrer do tratamento térmico, foram coletadas amostras de lodo para

realização das análises de interesse.

Os parâmetros sólidos, DQO, proteínas, carboidratos e lipídeos foram avaliados, objetivando-se analisar o efeito do tratamento térmico sobre as características de biodisponibilidade do lodo, enquanto as análises de DBO, realizadas a partir de duas metodologias distintas, e o teste de biodegradabilidade anaeróbia, almejaram analisar os efeitos do procedimento de ensaio sobre as características de biodegradabilidade do lodo.

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Os resultados obtidos demonstraram aumentos significativos da biodisponibilidade dos parâmetros avaliados (DQO, proteínas, carboidratos e lipídeos), conforme pode ser visualizado nas Figuras 2.9 e 2.10, que apresentam os resultados médios dos diversos ensaios realizados.

Pode-se observar expressiva variação nas concentrações de cada um dos parâmetros, com o aumento do tempo e da temperatura de ensaio, tendo sempre por base os valores referentes às amostras que não sofreram aquecimento, coletadas em temperatura ambiente.

Analisando-se, por exemplo, os resultados referentes à quantificação de proteínas no aparato em escala piloto, percebe-se que, após 7 horas de aquecimento, a concentração quantificada de proteínas foi cerca de 35 vezes maior que a concentração medida na amostra coletada sem aquecimento. Já no aparato em escala de demonstração, esse aumento foi de cerca de 12 vezes.

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Figura 2.9 Aumento dos parâmetros avaliados com o aumento da temperatura (escala piloto).

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Figura 2.10 Aumento dos parâmetros avaliados com o aumento da temperatura (escala de demonstração).

Após ser submetido ao tratamento térmico, o lodo excedente passa a ser visto como substrato, uma vez que contém mais material orgânico biodisponível para os microrganismos, podendo assim ser destinado a processos aeróbios ou anaeróbios de digestão, almejando aumentar a estabilização desse material. Nesse sentido, para avaliar a biodegradabilidade do lodo tratado termicamente, foram realizados ensaios de DBO

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(conhecidamente um teste aeróbio), além de testes anaeróbios, utilizando-se o aparelho Oxitop® Control.

Os principais resultados dos testes de biodegradabilidade aeróbia e anaeróbia são mostrados nas Figuras 2.11 e 2.12.

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Figura 2.11 Variação da DBO, com o tempo e a temperatura de ensaio.

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Figura 2.12 Variação da produção de biogás, em diferentes tempo e temperatura de aquecimento.

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Os resultados apresentados na Figura 2.11 mostram uma variação crescente da concentração de DBO, confirmando a melhora da biodegradabilidade do lodo à medida que aumentam os parâmetros tempo e temperatura de aquecimento. Para as amostras de lodo aquecidas durante 7 horas, a DBO aumentou em cerca de 5 vezes em relação ao lodo não tratado termicamente (tempo 0,0 de aquecimento).

Em relação aos testes anaeróbios, percebe-se, a partir dos resultados mostrados na Figura 2.12, que a produção volumétrica média de biogás, para a amostra de lodo coletada após 7 horas de aquecimento, depois de 5 dias de ensaio, foi cerca de 50% superior à produção verificada na amostra coletada antes do início do tratamento térmico. Como também aqui as amostras foram submetidas à mesma metodologia de ensaio, tendo variado somente os fatores tempo e temperatura de aquecimento, conclui-se que tais resultados indicam relação direta entre esses parâmetros e a melhora das características de biodegradabilidade do lodo tratado termicamente. Tais resultados, que são originários de um teste anaeróbio, confirmam os resultados obtidos nos testes de DBO.

Por último, foi avaliado o efeito do retorno do lodo tratado termicamente para o reator UASB, tendo-se constatado que esse procedimento não afetou negativamente a eficiência do reator. Observou-se aumento na taxa de produção de biogás, o que indica maior eficiência na estabilização da matéria orgânica presente no sistema de tratamento de esgotos em questão.

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A tecnologia consistiu no desenvolvimento de processos para o aproveitamento do biogás gerado no reator tipo RALF (reator anaeróbio de leito fluidificado) como fonte de energia. O principal objetivo é a captação do biogás e sua utilização no processo de higienização e secagem do lodo, detalhado no Capítulo 6 deste livro.

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Foi construída uma estrutura de concreto denominada termo-hidrolisador, com as medidas externas de 2,70 x 2,70 x 2,30 m, totalizando um volume interno de 15 m3. Em suas paredes internas foram fixadas tubulações de cobre para a passagem de óleo térmico aquecido pelo biogás. Foi instalado, também, um misturador para homogeneização do lodo durante seu aquecimento. O termo-hidrolisador, as tubulações internas de cobre e o misturador podem ser visualizados na Figura 2.13.

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Figura 2.13 Termo-hidrolisador, tubulações internas de cobre e misturador do lodo.

O termo-hidrolisador foi monitorado com o desempenho da temperatura, umidade, DQO, biodegradabilidade anaeróbia e microscopia ótica. Entre os principais resultados obtidos dos parâmetros analisados, durante 720 horas de monitoramento, destaca-se o incremento significativo da DQO solúvel, de 1,93 g/L no lodo original para 36,98 g/L no lodo termo-hidrolisado após o período de monitoramento. Nesse período, o lodo manteve- se sob temperatura superior a 70ºC em 39% do tempo, o que representa 283 horas acima de 70ºC com uma média de 64,58ºC durante os 30 dias de monitoramento. Não houve influência da temperatura externa no aumento ou diminuição das temperaturas do lodo no termo-hidrolisador. A conservação da umidade do lodo é explicada pelo fato de o sistema ser totalmente fechado e estar em constante revolvimento. O objetivo da conservação da umidade do lodo é preservar sua característica fluida para facilitar o retorno ao reator. A Figura 2.14 ilustra alguns aspectos da microscopia ótica do lodo termo-hidrolisado (100x), percebendo-se ruptura das estruturas floculentas do lodo após o tratamento térmico, evidência de que a temperatura tem efeito destrutivo nesses flocos. Foram realizados, também, os ensaios de biodegradabilidade anaeróbia do lodo termo- hidrolisado, utilizando a metodologia desenvolvida no Laboratório de Desenvolvimento de Processos Tecnológicos do Departamento de Engenharia Química e Engenharia de Alimentos da Universidade Federal de Santa Catarina (LDPT/ENQ/UFSC) e que foi descrita por Weiss et al. (2003). Para realização dos testes, a concentração de sólidos voláteis da amostra foi ajustada para 20 gSV/L e posteriormente foram adicionados 8,0 gSV/L de inóculo. Nessa concentração, a proporção de inóculo em relação à concentração de substrato foi de 40%. O inóculo utilizado foi o lodo proveniente do reator RALF, tratando esgoto bruto.

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Figura 2.14 Microscopia ótica do lodo de esgoto sem efeito da temperatura e lodos termo- hidrolisados durante o tempo indicado abaixo de cada figura.

Os custos para o sistema de aquecimento é realizado por módulos atendendo a cerca de 10.000 habitantes. Para esse caso, o custo total do sistema de aquecimento gira em torno de R$ 12.800,00 e, para a construção do termo-hidrolisador, está em torno de R$ 5.000,00, portanto, uma relação de investimento da ordem de R$ 1,78/habitante.

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A maioria dos estudos de hidrólise química de lodos utiliza amostras de lodo aeróbio resultante do processamento por lodos ativados, e poucos trabalhos estão relacionados com hidrólise química de lodo anaeróbio para processamento em reatores UASB. Os estudos de hidrólise na UFES têm por objetivo a comparação de processos hidrolíticos, por via ácida e alcalina, de lodo anaeróbio de reator UASB recebendo lodo de retorno de biofiltros aerados submersos (BFS). Essa comparação foi realizada por meio de ensaios com diferentes dosagens de ácido (HCl) e álcali (NaOH) em lodos com várias concentrações de sólido totais (ST). A tecnologia proposta objetiva reduzir a produção de lodos por meio da destruição de sólidos voláteis (SV), além de contribuir para a produção de lodo com menor carga de agentes patogênicos.

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O sistema de tratamento de esgotos tipo UASB seguido de biofiltros aerados submersos (UASB + BFS) utiliza um retorno de lodo aeróbio proveniente da lavagem

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dos biofiltros aerados para o interior do reator UASB, tentando aproveitar o potencial de digestão desse lodo aeróbio no interior do reator UASB. Entretanto, a maioria dos estudos nesse sistema tem demonstrado que o lodo aeróbio, quando retornado para o reator UASB, não apresenta digestão satisfatória, tendendo promover o efeito de adensamento nas diversas mantas de lodo do reator. A Figura 2.15a ilustra a configuração básica de uma ETE operando na configuração UASB seguida de biofiltros aerados submersos (BFS) com retorno de lodo aeróbio e a Figura 2.15b ilustra possível adequação desse sistema com um processo hidrolítico associado.

Figura 2.15 a)Esquema do sistema ETE-UFES evidenciando o reator UASB, biofiltros aerados submersos (BFS) e o esquema operacional de retorno de lodo aeróbio para o reator UASB.b) Esquema da modificação do sistema de gerenciamento de lodo na ETE- UFES, evidenciando o reator de hidrólise introduzido na linha de processamento do reator UASB.

O reator consiste em um reservatório de polietileno com 1000 L de capacidade. No decorrer do tratamento alcalino, o lodo deverá ser mantido em constante agitação, empregando-se um agitador mecânico, a fim de propiciar maior homogeneização e evitar a sedimentação de sólidos.

O lodo a ser hidrolisado é coletado no fundo do reator UASB. A hidrólise é realizada semanalmente, em batelada, e o volume de lodo hidrolisado corresponde a 20% do lodo produzido no UASB. Após a hidrólise, o lodo recircula para a entrada da estação (elevatória). O lodo é fornecido ao reator com um teor de sólidos totais de aproximadamente 4%. Os estudos indicam que a dosagem ótima para hidrolisar o lodo anaeróbio é de 60 meq/L de NaOH para um lodo com 1% ST (equivalente a 6,0 meq de NaOH/g ST) e que o tempo de duas horas é suficiente para que a reação ocorra. Esses parâmetros são utilizados no processo de hidrólise alcalina em escala real da ETE-UFES.

Previamente, Abreu et al. (2003) realizou estudos de avaliação em escala de bancada do processo de hidrólise química, visando à solubilização da matéria orgânica

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e à higienização de lodos aeróbio e anaeróbio da ETE-UFES, verificando que os melhores resultados de solubilização de DQO foram conseguidos com hidrólise alcalina (NaOH 40 meq/L) de lodo aeróbio ou anaeróbio a 1% ST, atingindo valores da relação DQO filtrada/DQO total da ordem de 81%.

De acordo com os resultados dessas pesquisas, a hidrólise alcalina é um eficiente mecanismo de solubilização da matéria orgânica do lodo. Sendo assim, quando esse lodo for recirculado no reator, poderá ser prontamente utilizado pelas bactérias anaeróbias, aumentando o potencial de produção de biogás. Além do mais, a adição no NaOH promoveu redução de aproximadamente 12% de SSV do lodo anaeróbio, indicando a possibilidade de redução da produção de lodo da ETE. Por último, essa metodologia também se mostrou eficiente na higienização do lodo. Com base nesses resultados observados do processamento hidrolítico de lodo aeróbio e anaeróbio do sistema UASB + BFS, em que foi constatada maior eficiência de hidrólise alcalina de lodo anaeróbio a 1% ST tratado com NaOH (40 meq/L), foi projetado e construído um reator de hidrólise (RH) em escala real para atender à demanda do sistema de tratamento da ETE-UFES. As Tabelas 2.8 e 2.9 podem oferecer as estimativas de custos associadas à construção e manutenção do sistema hidrolítico para a ETE-UFES.

Tabela 2.8 Custos associados à construção do reator de hidrólise.

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(  ; )78999:99

Tabela 2.9 Custos associados à manutenção do sistema (gastos mensais, R$).

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Apresenta-se a seguir um exemplo de dimensionamento para uma população de 10.000 habitantes, sendo conhecido os seguintes parâmetros:

• População de projeto = 10.000 habitantes

• Temperatura média do esgoto = 230C

• DQO afluente (S0) = 550 mg/L

• DQO efluente (S) = 165 mg/L • Coeficiente de produção de sólidos, em termos de DQO (Yobs) =

aDQOaplicad

DQOlodo

kg

kg 16,0

• Coeficiente de produção de sólidos (Y) = aDQOaplicad

SST

kg

kg 15,0

• Teor de SV no lodo = 60% (SV/ST) • Quota per capita = 150 L/hab. dia • Vazão afluente média (Qmed) = 10.000 hab. x 150 L/hab. dia = 1.500 m

3/dia

Avaliação da produção de lodo

L S Q L 0,550 kg m

1500 m d

L 825 kg diao o med. o 3

3

o= × ∴ = × ∴ =

Em que: Lo