Desempenho de reatores anaeróbios de manto de lodo (UASB) operando sob condições de temperaturas típicas de regiões de clima temperado

Abstract

A pesquisa teve por objetivo avaliar o desempenho de reatores anaeróbios de manto de lodo (UASB) operando sob condições de temperaturas típicas de regiões de clima temperado. Para tanto, foi utilizada uma unidade piloto constituída por três reatores anaeróbios de manto de lodo (UASB), cada um com um volume de 19,2 L. Uma quantidade equivalente de lodo foi disposta nos três reatores para obter uma carga biológica de 0,11 kgDQOkgSVT-1d-1, sendo a origem da biomassa o lodo de um reator UASB tratando efluente de uma indústria de gelatina. Os reatores trataram um esgoto sintético constituído por glicose, acetato, micro e macronutrientes, com concentração de DQO compatível com a de esgotos domésticos. A operação dos reatores foi dividida em duas etapas. Na primeira, aclimatação, os três reatores operaram a temperatura de 35ºC. Na segunda etapa, os reatores operaram com temperaturas de 15, 20, 25, 30 e 35°C Na etapa de aclimatação, os reatores funcionaram muito bem, com remoções de DQO em torno de 90%. Na segunda etapa, observou-se um pequeno decréscimo da remoção de DQO total com a redução da temperatura (95,7, 91,0, 94,2, 90,6 e 87,2% de remoção para 35, 30, 25, 20 e 15ºC, respectivamente). Entretanto, a temperatura não influenciou a remoção de DQO solúvel, o que foi confirmado pela análise estatística aplicada. O volume diário de metano, calculado pelos métodos de balanço de DQO e bioenergética foram semelhantes. Durante os experimentos, devido a interrupções no sistema de energia elétrica, os reatores sofreram choques não intencionais de temperatura, de 5 e 10ºC. Os reatores que apresentaram choques de 5ºC conseguiram se recuperar tão logo houve o restabelecimento das condições iniciais, voltando a apresentar os mesmos graus de remoção de matéria orgânica medidos antes dos choques. Porém, o reator que sofreu um choque da ordem de 10ºC não se recuperou em relação às condições iniciais. Os índices de remoção de matéria orgânica e produção de biogás foram reduzidos, com o concomitante acréscimo na concentração efluente de ácidos graxos voláteis. Em paralelo ao experimento de laboratório, foi monitorado um reator UASB em escala real, construído em Caxias do Sul, cidade que apresenta invernos rigorosos. Neste caso, a influência de outras variáveis na composição dos esgotos domésticos mascararam o possível efeito da temperatura na eficiência do reator. Os reatores protótipos operando com condições controladas de temperatura e concentrações de substrato e vazão estáveis apresentam eficiências de remoção de matéria orgânica significativamente superiores aquelas atingidas no reator UASB de escala real. Os resultados dos experimentos de laboratório conduzidos nesta pesquisa indicaram que houve influência da temperatura na remoção de matéria orgânica de reatores UASB. Contudo, esta influência não causou perda significativa na qualidade do efluente, o que sugere que reatores UASB, operados de maneira cuidadosa, podem ser utilizados como parte de processos de tratamento de esgotos em cidades de clima temperado.

This research assessed the efficiency of Upflow Anaerobic Sludge Blanket (UASB) reactor operating under typical temperatures found in regions with temperate climate. A pilot plant constituted by three 19.2 L anaerobic reactors was operated. Sludge from an UASB reactor treating residuals from a gelatin industrial plant was introduced in each prototype. The initial biological load in each reactor was 0.11 kg CODkg TVS-1.d-1. The reactors treated a synthetic wastewater formed by glucose, acetate, micro and macronutrients, with COD concentration compatible with urban sewage. Reactor’s operation was divided in two phases. In the first, start-up, reactors operated at 35°C. In the second phase, temperatures within reactors were 15, 20, 25, 30, and 35°C. During the start-up and acclimatizing period, COD removal efficiencies were high, around 90%. In the second phase, it was observed that organic matter removal was slightly affected by temperature. Generally, there was a decrease in COD efficiency with temperature reduction (95,7, 91,0, 94,2, 90,6 and 87,2% removal for 35, 30, 25, 20, and 15°C, respectively). However, soluble COD removal was unaffected by temperature, an observation confirmed by statistical analysis. Methane gas volume, calculated by COD mass balances and bioenergetics, was similar. Electric power shortages occurred in some small periods during the experiments. As a consequence, the reactors endured unintentional 5°C and 10°C temperature shocks. Reactors that suffered 5°C shocks recovered very well as soon as they returned to their initial operational temperature. However, the reactor that had a 10°C temperature reduction didn’t recover to its initial efficiency upon return to the original operating temperature. Organic matter removal and biogas production dropped significantly, with a corresponding increase in the volatile organic acids concentration in the reactor effluent. In parallel with the laboratory experiments, it was monitored a full scale UASB reactor operating in Caxias do Sul, a city characterized by cold winters. For the full scale reactor, it was not possible to verify the effect of temperature on efficiency. This was due to the interference of variables other than temperature on the quality of the effluent. The COD removals obtained in the prototype reactors were significantly higher than those measured at the full scale reactor. It has to be considered that the prototypes operated under controlled temperature and constants concentrations and flowrates. On the contrary, the full scale reactor received complex substrates (domestic wastewater), with variations in concentrations, flowrates and temperatures. The results of the research suggest that is feasible to operate UASB reactors in regions where temperature varies significantly around the year, with cold winters and warm summers. Although the experiment showed a small decrease in organic matter removal with temperature, the efficiencies were still high to warrant the application of UASB at lower temperatures. In full scale reactors, a careful operation of the reactor will probably compensate for a small decrease in organic matter removal due to lower temperatures.