Reatores UASB: Funcionamento, Vantagens e Desvantagens desses Reatores

POR Pedro Coelho

Publicado: terça-feira, 16 de maio de 2017

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Os reatores UASB (Upflow Anaerobic Sludge Blanket; em português, Cobertura de Lodo Anaeróbio de Fluxo Ascendente) são reatores que são usados para o tratamento biológico de águas residuais, que basicamente reduzem a concentração de poluentes através da coagulação microbiana e da remoção de sólidos coloidais orgânicos não sedimentáveis.

Reatores UASB

Nesse tipo de reator, a matéria orgânica é estabilizada biologicamente de modo que não haja demanda de oxigênio por ela, ou seja, este processo é anaeróbico. Resumidamente, após a estabilização da matéria orgânica, ocorre a decomposição da mesma e a geração de metano.

Esse tipo de reator lembra um pouco os biodigestores que são utilizados no meio rural, mas apesar de ser bem parecido, o reator UASB é utilizado apenas para resíduos industriais.

Início da História dos Reatores UASB

Embora os sistemas anaeróbios para tratamento de resíduos tenham sido utilizados desde o final do século XIX, eles foram considerados como sistemas com eficiências de tratamento limitadas e eram muito lentos para atender às necessidades de um volume de águas residuais em rápida expansão, especialmente em áreas industrializadas e densamente povoadas.

A história dos reatores UASB começa em 1963, quando James C. Young e Perry L. McCarty começaram um trabalho que acabou levando ao desenvolvimento do processo anaeróbio de fluxo ascendente. Na época, descobriu-se que os filtros anaeróbios representavam um avanço significativo no tratamento de resíduos anaeróbicos, uma vez que o filtro pode capturar e manter uma alta concentração de sólidos biológicos.

A captura desses sólidos e o tempo longo de retenção desse reator faz com que ele possa ser usado para grandes fluxos de resíduos, porém esses resíduos que passam por esse reator anaeróbico precisam ter baixa resistência a temperaturas nominais econômicas.

No início da década de 1970, Gatze Lettinga e seus colaboradores na Holanda desenvolveram os primeiros reatores UASB. Atualmente, o tratamento aeróbio é o processo mais utilizado para reduzir o nível de poluição orgânica das águas residuais domésticas e industriais.

Processo de funcionamento dos Reatores UASB

O processo UASB é uma combinação de processos físicos e biológicos, que basicamente requer o contato da biomassa com o substrato em um meio anaeróbico, onde as bactérias presentes na biomassa realizam o processo de digestão.

Esquema do processo de funcionamento de um Reator UASB

Sua principal característica no processo físico é a separação dos sólidos e dos gases do líquido, e no processo biológico, é a degradação da matéria orgânica decomponível em condições anaeróbias.

O contato necessário entre a matéria orgânica (chamada de lodo) e as águas residuais baseia-se basicamente em uma leve agitação que é provocada pela produção de gás natural e pela distribuição da entrada de alimentação uniforme no fundo do reator. Os resíduos concentrados de lodo de esgoto também podem ser adicionados continuamente ou periodicamente, sendo os mesmos misturados com o conteúdo do reator.

O lodo em condições anaeróbias possui boas características de floculação e sedimentação, desde que as condições físicas e químicas para a floculação do lodo seja favorável.

A degradação anaeróbia de matéria orgânica tem sido descrita na literatura como um processo de múltiplas etapas de reações em série e paralelas, envolvendo a decomposição de matéria orgânica e inorgânica na ausência de oxigênio molecular.

Os principais desenvolvimentos desse reator foram feitos no que se refere ao metabolismo anaeróbio, às interações fisiológicas entre diferentes espécies microbianas, aos efeitos de compostos tóxicos e ao acúmulo de biomassa.

Os materiais poliméricos complexos como polissacarídeos, proteínas e lipídeos (óleos e graxas), são hidrolisados em produtos solúveis por enzimas extracelulares, segregadas por microorganismos, de modo a facilitar o seu transporte ou difusão através da membrana celular.

Estes compostos relativamente simples e solúveis são fermentados ou anaerobicamente oxidados, para além de ácidos graxos de cadeia curta, álcoois, dióxido de carbono, hidrogênio e amoníaco.

Os ácidos graxos de cadeia curta e alguns outros compostos são convertidos em acetato, hidrogênio gasoso e dióxido de carbono. A metanogênese (degradação anaeróbia da matéria orgânica) finalmente ocorre a partir da redução de dióxido de carbono e do acetato pelo hidrogênio. Essa primeira fase do processo é composta pelo estágio inicial de degradação anaeróbia, isto é, a fermentação ácida; ela é essencialmente um estágio de DBO (Demanda Bioquímica de Oxigênio) constante, pois as moléculas orgânicas são apenas rearranjadas.

Nessa fase não ocorre estabilização dos orgânicos nos resíduos. Contudo, este passo é essencial para o início da segunda fase, onde ocorre a fermentação e a geração do metano, uma vez que converte o material orgânico em uma forma utilizável que é usada pelas bactérias do processo para a geração de metano.

Na segunda fase do processo, a produção de metano é iniciada quando as bactérias anaeróbicas formadoras de metano atuam sobre os ácidos orgânicos de cadeia curta produzidos na primeira fase. Esses ácidos sofrem fermentação de metano com dióxido de carbono que faz com que eles se tornem aceitadores de hidrogênio e sejam reduzidos a metano.

O metano (também chamado de biogás) produzido pelo sistema é insolúvel em água, e pode ser aproveitado e usado como uma fonte de energia. O metano que é gerado posteriormente, acaba escapando do reator, provocando a estabilização do material orgânico.

A eficiência do processo está basicamente relacionada com o tempo de retenção do lodo, logo, com um tempo maior, resultaria em uma população satisfatória de microorganismos para estabilização de resíduos adicionais.

Cuidados com o processo anaeróbico

As bactérias produtoras de metano consistem em vários grupos diferentes de bactérias. Esses grupos bacterianos têm a capacidade de fermentar apenas compostos específicos, logo um sistema deve ter presença desses vários grupos. Além disso, a taxa de crescimento bacteriano e o tempo de retenção dos sólidos são fatores muito importantes do processo.

Outro cuidado que tem que ser observado é a fase de fermentação ácida, pois ela é mais rápida em comparação com a fase de fermentação de metano. Isto significa que um aumento súbito nos orgânicos facilmente degradáveis resultará em aumento da produção de ácido com subsequente acúmulo de ácidos orgânicos, dificultando a conversão em metano.

Isto inibe o passo de metanogênese. A aclimatização dos microorganismos a um substrato tem sido relatada como tendo um tempo de mais de cinco semanas. As bactérias suficientemente aclimatadas possuem maior estabilidade em relação aos eventos indutores de estresse, como sobrecargas hidráulicas, flutuações de temperatura, flutuações nas concentrações de ácido volátil e amoníaco, etc.

Os microorganismos anaeróbios, especialmente as Arqueobactérias metanogênicas, têm uma taxa de crescimento lenta, logo o tempo de retenção hidráulico (TRH) deve ser maior para manter um número eficaz de microorganismos no sistema.

Além disso, o processo precisa de um reator que tenha um grande volume ou que possua um TRH elevado. Isso pode, em última instância, proporcionar um tempo de retenção de sólidos de no máximo 20 dias para sistemas que tenham uma alta taxa de geração de metano.

Fatores ambientais e as vantagens e desvantagens do reator UASB

O processo tem vários fatores ambientais (como temperatura, pH e concentração de substâncias tóxicas) que podem afetar a digestão anaeróbia, alterando os parâmetros como taxa de crescimento específico, taxa de decaimento, produção de gás, utilização do substrato, início e resposta às mudanças na entrada. Reconhece-se há muito tempo que um processo anaeróbio é, em muitos aspectos, ideal para o tratamento de águas residuais e tem as seguintes vantagens:

• Um alto grau de estabilização de resíduos;
• Uma baixa produção de excessos;
• Uma baixa necessidade de nutrientes;
• Nenhuma necessidade de oxigênio;
• Produção de gás metano.

Os desenvolvimentos recentes demonstraram que os processos anaeróbios podem ser uma alternativa economicamente atraente para o tratamento de diferentes tipos de águas residuais industriais e em áreas (semi-) tropicais também para águas residuais domésticas.

Porém, o grande volume e o longo tempo de retenção hidráulico pode tornar o processo caro. Entre as desvantagens notáveis, o processo pode ter uma baixa taxa de síntese / reação, que pode causar uma demora nos períodos de inicialização e dificuldade na recuperação de condições de perturbação.

Referências

• https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/12397675 (acessado em 11/04/2017 as 15:22)
• Tratamento de Efluentes e Recuperação de Recursos - 5ed, Leonard Metcalf, Harrison P. Eddy, McGraw Hill Brasil, 1º de novembro de 2015.
• http://www.ctec.ufal.br/professor/elca/Reatores%20UASB%20v2.pdf (acessado em 21/04/2017 as 18:43)

Sobre o autor

Olá meu nome é Pedro Coelho, eu sou engenheiro químico, engenheiro de segurança do trabalho e Green Belt em Lean Six Sigma. Além disso, também sou estudante de engenharia civil, e em parte de minhas horas vagas me dedico a escrever artigos aqui no ENGQUIMICASANTOSSP, para ajudar estudantes de Engenharia Química e de áreas correlatas. Se você está curtindo essa postagem, siga-nos através de nossas paginas nas redes sociais e compartilhe com seus amigos para eles curtirem também :)