Introdução

O tratamento biológico anaeróbico é um processo amplamente utilizado para a degradação de poluentes orgânicos na ausência de oxigênio, produzindo metano (CH₄) e dióxido de carbono (CO₂) como subprodutos. Este método é altamente eficiente para a estabilização de águas residuais e lodo de alta concentração, oferecendo vantagens como baixo consumo de energia e produção mínima de lodo. No entanto, seu desempenho depende de vários fatores críticos:

(1) temperatura, (2) pH, (3) taxa de carga orgânica (OLR), (4) balanço de nutrientes, (5) potencial de oxidação-redução (ORP), (6) alcalinidade, (7) substâncias tóxicas e (8) tempo de retenção hidráulica (HRT).

Entender esses fatores é essencial para otimizar a estabilidade do processo e a eficiência do tratamento.

Tempo de Retenção Hidráulica (HRT)

É essencial garantir tanto o tempo de retenção hidráulica (TRH) quanto o tempo de retenção de sólidos (TRS) no tratamento biológico anaeróbio. O TRH está relacionado à natureza dos poluentes orgânicos presentes nas águas residuais a serem tratadas — compostos orgânicos simples de baixo peso molecular requerem um THR mais curto, enquanto compostos orgânicos macromoleculares complexos exigem um THR mais longo. O TSR em processos de tratamento biológico anaeróbio é geralmente prolongado para garantir biomassa suficiente no reator.

Carga hidráulica excessiva, levando a um THR excessivamente curto, pode resultar na eliminação de microrganismos do reator. Portanto, tentar tratar águas residuais de baixa concentração usando processos de crescimento suspenso como o UASB em condições de THR curto é frequentemente impraticável. Para aplicar economicamente a tecnologia anaeróbica para baixa concentração Tratamento de águas residuais, é necessário aumentar a relação SRT-HRT, ou seja, aumentando a biomassa dentro do reator.

A influência da TRH em processos anaeróbicos se reflete principalmente na velocidade de fluxo ascendente. Por um lado, uma velocidade de fluxo mais alta pode melhorar a turbulência na zona afluente do sistema de águas residuais, melhorando assim o contato entre o lodo biológico e a matéria orgânica no afluente e aumentando a eficiência de remoção orgânica. Ao utilizar UASB convencional para tratamento de águas residuais, uma velocidade de fluxo ascendente de pelo menos 0,5 m/h é geralmente necessária para promover a formação de lodo granular. Por outro lado, para manter lodo suficiente no sistema, a velocidade de fluxo ascendente não deve exceder um determinado limite; caso contrário, a altura do reator anaeróbico se tornaria impraticavelmente alta. Particularmente no tratamento anaeróbico de águas residuais de baixa concentração, a TRH é um parâmetro de controle de processo mais crítico do que a carga orgânica.

Tratamento Biológico Anaeróbico de Efluentes

Taxa de Carga Orgânica

1. A taxa de carga orgânica (VCO) de um biorreator anaeróbio normalmente se refere à taxa de carga volumétrica, que afeta diretamente a eficiência do tratamento e a produção de biogás. Dentro de uma determinada faixa, à medida que a VCO aumenta, a produção de biogás aumenta. No entanto, um aumento na VCO inevitavelmente encurta o tempo de retenção, reduzindo a taxa de decomposição da matéria orgânica influente e, consequentemente, diminuindo a produção de biogás por unidade de massa de matéria orgânica.

2. A operação estável de um sistema de tratamento anaeróbico depende do equilíbrio entre as taxas de acidogênese e metanogênese. Se a taxa de oxidação total (ROL) for muito alta, a taxa de produção de ácido pode exceder a taxa de consumo de ácido pelos metanogênicos, levando ao acúmulo de ácidos graxos voláteis (AGV) e a uma rápida queda do pH, o que inibe a metanogênese. Em casos graves, a produção de metano pode cessar, causando o colapso de todo o sistema, tornando a recuperação e o ajuste extremamente difíceis.

3. Se o aumento no OLR for devido a uma maior vazão de entrada, a carga hidráulica excessiva pode fazer com que a taxa de lavagem do lodo exceda sua taxa de crescimento, reduzindo ainda mais a eficiência do tratamento do sistema.

4. Se o OLR do influente for muito baixo, embora o rendimento do biogás e a eficiência de remoção orgânica possam melhorar, a taxa de utilização do equipamento diminui, levando a maiores custos de investimento e operação.

Nutrientes

Em comparação com os processos aeróbicos, os processos anaeróbicos reduzem significativamente a síntese de biomassa microbiana, diminuindo proporcionalmente a demanda por outros nutrientes além do nitrogênio. Além do nitrogênio (N) e do fósforo (P), certos compostos contendo enxofre (por exemplo, sulfatos) e alguns metais traço desempenham um papel crucial na ativação de metanogênicos. Embora os metanogênicos tenham necessidades específicas de enxofre e fósforo, concentrações muito baixas desses elementos no reator geralmente são suficientes. No entanto, as concentrações de nitrogênio geralmente devem ser mantidas entre 40 e 70 mg/L para sustentar a atividade metanogênica.

Todos os microrganismos necessitam de metais traço, mas seus níveis no tratamento biológico anaeróbico podem impactar significativamente o desempenho operacional. Ferro (Fe), cobalto (Co), níquel (Ni) e zinco (Zn) são os metais traço mais comumente relatados com efeitos ativadores, enquanto alguns estudos sugerem que tungstênio (W), manganês (Mn), molibdênio (Mo), selênio (Se) e boro (B) também podem estimular o metabolismo do metanogênio.

O metano é produzido por diferentes espécies de metanógenos, cada uma com requisitos ambientais e de metais-traço específicos. A experiência operacional demonstra que a deficiência de um único metal-traço pode prejudicar gravemente todo o processo de tratamento biológico. Embora os metais-traço por si só não resolvam todos os desafios operacionais no tratamento anaeróbico, sua presença é um pré-requisito fundamental. Muitos sistemas anaeróbicos de tratamento de efluentes industriais não atingem o desempenho esperado devido à deficiência de um ou mais metais-traço. Portanto, a suplementação com metais-traço deve ser considerada um ajuste operacional necessário.

Microrganismos anaeróbios requerem uma proporção específica de carbono (C), nitrogênio (N), fósforo (P) e outros oligoelementos para crescimento e reprodução. No entanto, como os microrganismos anaeróbios utilizam o carbono de forma menos eficiente do que os microrganismos aeróbios, a proporção C:N:P recomendada em sistemas anaeróbios é tipicamente DQO _Cr :N:P = (200–300):5:1). Além disso, dependendo das condições específicas, oligoelementos essenciais como sulfetos, ferro, níquel, zinco, cobalto e molibdênio podem precisar ser suplementados.

O fornecimento de fontes de nitrogênio no tratamento anaeróbico não apenas auxilia na síntese de biomassa microbiana, como também aumenta a capacidade de tamponamento do reator. A insuficiência de nitrogênio (ou seja, uma alta relação C/N) pode levar à lenta proliferação de microrganismos anaeróbicos e à redução da capacidade de tamponamento, causando queda do pH. Por outro lado, o excesso de nitrogênio (baixa relação C/N) resulta no acúmulo de nitrogênio, elevando o pH. Se o pH exceder 8, a atividade metanogênica é inibida, reduzindo a eficiência da digestão.

Potencial de Oxirredução (ORP)

Um ambiente anaeróbico é uma das condições fundamentais para o crescimento e a reprodução de metanogênicos estritamente anaeróbicos. Ao contrário das bactérias aeróbicas, os metanogênicos não possuem catalase, o que os torna altamente sensíveis ao oxigênio e aos agentes oxidantes. A concentração de oxigênio dissolvido na água pode ser indiretamente representada pelo potencial de oxirredução (ORP).

Na digestão anaeróbica, a fase não metanogênica pode prosseguir em condições facultativas com uma faixa de ORP de +100 mV a -100 mV. No entanto, o ORP crítico para a fase metanogênica é de -200 mV. Para digestão mesofílica ou à temperatura ambiente, o ORP deve ser mantido entre -300 mV e -350 mV, enquanto para digestão termofílica, deve ser controlado entre -560 mV e -600 mV.

Embora o teor de oxigênio dissolvido no licor misto seja um fator importante que afeta o ORP em reatores anaeróbicos, não é o único. Outros fatores, como a concentração de ácidos graxos voláteis (AGV), flutuações de pH e concentração de íons amônio, também podem influenciar as alterações no ORP. Por exemplo, um pH mais baixo corresponde a um ORP mais alto, enquanto um pH mais alto resulta em um ORP mais baixo.