Resumo

Avaliou-se o desempenho de sistemas MBBR sujeitos a variações tanto na fração de recheio quanto na vazão
afluente em relação à dinâmica de sólidos nos biorreatores. Para tanto, foram construídos e operados dois
reatores, comparando-se os resultados obtidos nas diferentes escalas: um piloto (920 L), tratando esgoto
sanitário real, e outro em escala de bancada (1 L), alimentado com afluente sintético. Em paralelo, diversos
métodos de quantificação de sólidos aderidos foram aplicados a dois suportes comerciais de dimensões
distintas, preenchendo a lacuna ainda existente na literatura quanto à padronização e limitações de cada
metodologia. As técnicas testadas levaram a resultados distintos, com o método por pesagem direta
descontando o valor do suporte limpo mostrando-se mais indicado para a quantificação dos sólidos aderidos
totais. A fração de recheio (FR) pareceu ser o parâmetro de maior influência sobre o armazenamento de
biomassa por suporte, havendo aumento desta na passagem de 70 para 50% de recheio em ambos os reatores.
O padrão de crescimento da biomassa em resposta à carga orgânica afluente também foi mediado pela FR. No
sistema de bancada, a movimentação dos suportes foi deficitária e houve produção excessiva de EPS,
sobretudo nos altos valores de recheio e carga afluente, prejudicando o funcionamento do reator. Além de
superior ao preconizado por norma brasileira (NBR 12.209/2011), o armazenamento de biomassa por metro
quadrado de suporte indicado pelo fabricante mostrou-se acima do obtido nas condições operacionais testadas.

Introdução

O rápido crescimento e densificação de muitas cidades tornam imperativa a busca por soluções eficientes e
compactas para o tratamento de efluentes, que sejam de fácil adaptação a estações existentes e respondam a
evoluções da legislação ambiental, não só de abatimento da carga orgânica, como também de nutrientes, como
o nitrogênio amoniacal. Nessa concepção, o emprego de reatores de leito móvel com biofilme (MBBR) ganha
cada vez mais destaque, permitindo flexibilidade operacional e boa qualidade do efluente final. Concebido ao
final dos anos 80 como parte da estratégia norueguesa de tratamento de efluentes por meio de soluções
econômicas, compactas e de elevada eficiência, alia as melhores características do clássico processo de lodos
ativados com o emprego de crescimento bacteriano imobilizado, descartando inconvenientes, tais como reciclo
de lodo, entupimentos e falhas mecânicas (RUSTEN et al., 2006).

Seu funcionamento geral é baseado na introdução de suportes móveis (biomídias) de elevada área específica
(m2/m3) no tanque de aeração, favorecendo o crescimento de biomassa aderida e sua manutenção no reator
(RUSTEN et al., 1995b). Dentre as vantagens da tecnologia MBBR, destacam-se o aumento da concentração
de biomassa sem sobrecarga dos decantadores, a retenção de bactérias de crescimento lento, como as
nitrificantes, menor requisito de área e operação estável e maior robustez frente a choques de carga
(MARTÍN-PASCUAL et al., 2012; RUSTEN et al., 1995a).

Grandes nichos de aplicação desta tecnologia encontram-se na melhoria do desempenho nitrificante e no aumento de carga e atualização (retrofit) de ETEs já saturadas e com pouca área disponível para ampliação. Embora venha se consolidando como um sucesso comercial, com centenas de plantas de grande porte ao redor do mundo e inúmeras aplicações industriais (RUSTEN et al., 2006), o emprego da tecnologia MBBR em estações municipais brasileiras ainda é restrito, havendo apenas seis estações utilizando tal tecnologia até o início de 2016 (ANA & MCIDADES, 2016; GRUPO ÁGUAS DO BRASIL, 2016).

Um dos principais parâmetros operacionais em sistemas em MBBR é a fração de recheio (FR) (ou de enchimento), definida como a razão do volume empolado ocupado pelas biomídias, consideradas como blocos sólidos, e o volume total do reator (OLIVEIRA, 2008). Em termos brasileiros, a NBR 12.209/2011 admite como MBBR sistemas com FR entre 30 e 70% (ABNT, 2011). Esse mesmo limite máximo de enchimento também é preconizado na literatura internacional (RUSTEN et al., 2006).

A maioria dos estudos relacionados a sistemas MBBR adota uma dada FR e avalia o desempenho do reator, frente a variações de carga, TDH, remoção de poluentes específicos entre outras configurações operacionais, sendo poucos os trabalhos que exploraram o impacto de variações da FR no funcionamento e nas características do sistema. Além disso, em geral, o impacto da mudança da FR na eficiência do reator é estudado de forma isolada, dificilmente considerando a alteração combinada da fração de enchimento com outros parâmetros operacionais.

Assim como em qualquer reator biológico, a concentração de biomassa em sistemas MBBR é um parâmetro fundamental, com reflexos diretos no desempenho do reator, estimação de parâmetros cinéticos, projeto, controle e modelagem dos processos. Além dos sólidos em suspensão, a fração majoritária da biomassa encontra-se aderida aos suportes plásticos e, portanto, é fundamental sua consideração e correta mensuração.

Embora os primeiros trabalhos sobre a tecnologia MBBR se apoiassem no fato de que a concentração de biomassa poderia ser aumentada com o incremento da fração de recheio (RUSTEN et al., 1995b), parece ainda não haver consenso na literatura quanto ao impacto das condições de enchimento na dinâmica e características da biomassa. WANG et al. (2005) constataram diminuição da concentração da biomassa em suspensão com o aumento do recheio, sendo a fração aderida predominante após 20% e apresentando máxima concentração a 50%. Já em outro estudo, tal concentração máxima ocorreu na FR de 35% (LOPEZ-LOPEZ et al., 2012).

Além disso, a comparação de resultados de diferentes estudos é prejudicada pela ausência de normatização das técnicas de quantificação da biomassa aderida aos suportes, principal fração encontrada nos sistemas MBBR. Os distintos métodos aplicados levam muitas vezes a resultados diferentes (JORDÃO & PESSÔA, 2011), podendo sub ou sobrestimar a biomassa, além de determinadas metodologias apresentarem desempenho atrelado à forma ou material do suporte analisado.

Se em reatores com biomassa em suspensão como o Lodos Ativados, técnicas de quantificação de sólidos (totais, dissolvidos e em suspensão) encontram-se bastante difundidas e padronizadas (APHA, 2005), são diversos os métodos e formas para extração, quantificação e notação de sólidos aderidos em sistemas MBBR puros. O mais comum na determinação da biomassa aderida são técnicas baseadas na remoção do biofilme do meio suporte antes de sua quantificação (DONLAN & COSTERTON, 2002). Mesmo para uma dada força motriz de separação do biofilme do meio suporte, são diversas as variações quanto ao tempo de exposição à força motriz, quantidade de biomídias, eventual concentração e volume de produto químico, entre outras.

Mesmo sendo clara a importância da metodologia de quantificação da biomassa aderida na qualidade dos dados obtidos, é comum não encontrar relatos na literatura sobre a metodologia empregada para sua quantificação de maneira geral (DUAN et al., 2013) ou, na maioria das vezes, especificamente sobre o método usado na separação do biofilme do meio suporte (PLATTES et al., 2006; RUSTEN et al., 1995a). Já quando o método utilizado é explicitado, de fato, variadas são as técnicas empregadas na literatura. Percebe-se que diversos são as técnicas que se apoiam na extração do biofilme para sua quantificação. Em alguns, forças mecânicas são usadas, como ultrassom, agitação ou raspagem manual (MAHENDRAN et al., 2012). Já outros utilizam agentes químicos, tais como ácido sulfúrico ou hidróxido de sódio para viabilizar a limpeza do suporte (LEVSTEK & PLAZL, 2009). Alguns métodos analisam diretamente o caldo da extração (contendo biofilme e o meio utilizado – água destilada, ácido, base etc.) (WANG et al., 2005), enquanto outros se baseiam na diferença entre a massa da biomídia antes e depois da extração (MARTÍN-PASCUAL et al., 2012).

Como forma de agilizar o último processo, alguns autores preferem contabilizar apenas a massa seca da biomídia antes da extração, descontando desta o valor teórico da massa de uma biomídia limpa (LEVSTEK & PLAZL, 2009).

Somado às diferenças relativas aos métodos de extração, é comum encontrar na literatura resultados para sólidos aderidos expressos de formas distintas, tais como sólidos totais aderidos, sólidos em suspensão aderidos (resíduos totais não filtráveis do produto da extração do biofilme) e sólidos em suspensão voláteis. Tais notações comprometem a comparação entre resultados oriundos de metodologias distintas, visto que alguns métodos não possibilitam a filtragem do produto da extração do biofilme, já que não contemplam a remoção da biomassa do meio suporte ou provocam lise celular, por exemplo.

Considerando todos os fatores apresentados, este trabalho objetivou estudar o impacto de diferentes condições operacionais em relação ao par fração de recheio e vazão afluente (por conseguinte, do tempo de detenção hidráulica) na dinâmica da biomassa (em suspensão e aderida) em sistemas MBBR, tanto em escala piloto quanto laboratorial, de modo a evidenciar possíveis diferenças nos resultados obtidos nas duas escalas. Ainda, como forma de aproximar o estudo à realidade brasileira, empregou-se um suporte plástico de fabricação nacional, já utilizado em algumas estações municipais.

Além disso, com base nas dificuldades enfrentadas para a quantificação de sólidos aderidos aos suportes e a carência de normatização a respeito, realizou-se também um estudo comparativo entre diversas metodologias de extração e quantificação dessa fração da biomassa, buscando-se elucidar os métodos mais adaptados e obter maior confiabilidade nas análises de sólidos aderidos realizadas. De modo a verificar se o sucesso de cada técnica era dependente da forma da biomídia utilizada, os diversos métodos testados foram aplicados a dois suportes plásticos de dimensões distintas.

Autores: Diego Luiz Fonseca e João Paulo Bassin.