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TRATAMENTO AERÓBIO DE EFLUENTES DA INDÚSTRIA DE
CELULOSE E PAPEL VISANDO UMA MENOR PRODUÇÃO DE
LODO BIOLÓGICO
Marcelo A. Nolasco (1)
Aluno do Programa de Doutorado em Hidráulica e Saneamento - EESCUSP.
Eduardo Cleto Pires
Professor Associado junto ao Departamento de Hidráulica e Saneamento EESC-USP.
Allan M. Springer
Professor junto ao Pulp and Paper Science Dept - Miami University EUA.

FOTO

Endereço(1): Departamento de Hidráulica e Saneamento - Escola de Engenharia de São Carlos
- Universidade de São Paulo. Av. Dr. Carlos Botelho, 1465 - São Carlos - SP - CEP: 13560970 - Brasil - Tel: (016) 274-3444 (PABX) - e-mail: [email protected]
RESUMO
O sistema de Lodos Ativados é um dos processos biológicos mais amplamente utilizados para
o tratamento de águas residuárias e tem sido a principal forma de tratamento na industria de
Papel e Celulose. O manuseio e acondicionamento final do lodo gerado neste sistema é um
problema ambiental e econômico. Em muitos casos as plantas de tratamento direcionam de
50% a 60% do orçamento anual dos custos de operação somente com o desaguamento,
transporte e disposição final do lodo produzido.
O propósito deste trabalho é o de verificar a aplicabilidade de um processo de Lodos Ativados
com recirculação completa do excesso do lodo gerado, após desintegração mecânica do
mesmo. O processo proposto deverá eliminar o volume de sólidos biológicos associados com
o tratamento secundário, mantendo níveis aceitáveis de eficiência na remoção de DQO e de
organoclorados. Os benefícios econômicos e ambientais com a implantação desse sistema são
de grande importância.
Um modelo de efluente de Industria Papel e Celulose Kraft foi utilizado com este processo para
uma possível aplicação em escala real dentro da Industria do setor Papele iro. Um equipamento
denominado KADY MILL, o qual utiliza elevada força de cisalhamento e calor foi utilizada
para a lise do lodo a ser recirculado de volta ao reator. O desempenho deste processo foi
comparado a um sistema convencional, em laboratório.

PALAVRAS -CHAVE: Tratamento Aeróbio, Resíduos Sólidos, Tratamento de Efluentes.

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INTRODUÇÃO
A produção de celulose e produtos de papel é considerado um setor industrial importante na
economia de muitos países. Este segmento da indústria produz uma variedade de produtos para
atender as necessidades humanas, emprega um número considerável de funcionários e
movimenta volumes elevados de recursos financeiros. Entretanto, o setor de papel e celulose é
um grande consumidor de recursos naturais, especialmente fibras vegetais, energia e água, e têm
sido considerado uma importante fonte de poluentes do ar, água e solo.
Desde a década de 40, nos países desenvolvidos, as indústrias do setor papeleiro,
pesquisadores e consultores têm procurado identificar alternativas ao gerenciamento de resíduos
sólidos no setor. Estes esforços resultaram em um volume considerável de pesquisas e
experiências em escala real sobre técnicas de gerenciamento de resíduos sólidos. A maioria
destes esforços têm sido relacionadas às opções convencionais de aplicação em aterros
sanitário e industrial, queima ou incineração e aplicação no solo (Wiegand P.S. e Unwin J.P.,
1994).
Geralmente, grandes quantidades de lodo biológico são formados nos processos biológicos de
tratamento de águas residuárias e a separação, desaguamento e acondicionamento final deste
lodo representa investimentos e custos elevados para o seu tratamento. Dados fornecidos pela
US-EPA (Agência de Proteção Ambiental dos EUA), indicam que é gerado em média 0.1 kg
de lodo seco/habitante/dia. Este número é equivalente 9.6 milhões de toneladas métricas de
lodo seco por ano nos Estados Unidos (não levando em consideração o volume gerado no
setor industrial).
Desta forma, é interessante encontrar alternativas de projeto e operação de estações de
tratamento de águas residuárias, de tal forma que a quantidade de lodo produzido seja cada vez
menor. No tratamento anaeróbio de águas residuárias, uma menor quantidade de lodo biológico
é formado comparado ao tratamento aeróbio, no entanto, o uso do tratamento anaeróbio é mais
ou menos restrito aos efluentes não tóxicos. Portanto, o tratamento anaeróbio de despejos
líquidos não é uma solução para o problema de grandes quantidades de lodo que são gerados
nos tratamentos biológicos (Lee, 1996).
Alguns pesquisadores têm estudado o processo de pirólise ou gaseificação e oxidação
supercrítica da água (SCWO) como formas de redução dos volumes de lodos produzidos. A
pirólise é a gaseificação da matéria orgânica por calor na ausência de oxigênio ou na presença
de uma quantidade controlada deste gás. Os subprodutos gerados neste processo podem ainda
serem utilizados como combustível (Boucher, F.B., 1977). O processo SCWO implica no
tratamento de águas residuárias com elevadas temperatura e pressão onde o material orgânico é
oxidado acima do ponto crítico da água (374o C e 22 X 10 3 KPa). Neste estado, o material
orgânico se torna mais solúvel na água e é oxidado rapidamente (Anon., 1992).
Uma abordagem alternativa ao problema de disposição do lodo, consiste na modificação da
planta de tratamento biológico das águas residuárias visando minimizar a geração de lodos
secundários, que requerem disposição final, tal como o processo de aeração estendida (Gaudy
et al., 1976).
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O conceito de aeração estendida como um processo para minimizar a geração de lodo, baseiase na teoria que a taxa de produção da biomassa, pode ser balanceada por taxas de destruição
devido a eventos digestivo e de autodigestão, em tempos de detenção celular elevados, de tal
forma que a taxa de crescimento da biomassa aproxima-se de zero (Lowe et al. 1992).
Em pesquisa realizada por Bush e Myrick no início da década de 60, foi estudado o processo
de oxidação total em experimentos de laboratório, concluindo-se que a recirculação total de
lodo em um sistema de lodos ativados era inviável, devido ao aumento crescente de sólidos no
sistema, a menos que o transporte de sólidos no efluente fosse suficiente para manter o
equilíbrio.
Washington e outros (Obayashi e Gaudy, 1973), reportaram que houve adaptação dos
microrganismos a uma massa de lodo acumulada bastante alta, onde a relação alimento por
microrganismos é extremamente baixa. Nesse estudo, reatores de batelada foram operados
durante um ano sem descarte de lodo. Sob essas condições, os sólidos biológicos mostraram
uma tendência cíclica de aumento de sólidos, seguido por um decréscimo. Os autores afirmaram
que não houve perda substancial de sólidos voláteis no efluente, e portanto, a redução na
quantidade de sólidos não poderia ser atribuída a perda de sólidos pelo efluente tratado.
Tratamentos por ultra-som e digestão físico-químico foram usados como tentativa de destruição
de lodo biológico antes do retorno deste ao reator, como opção visando melhorar a aeração
estendida. As modificações mostraram bons resultados e, em ambos os experimentos, os
reatores tiveram bom desempenho, mas os custos elevados no processo físico-químico e
elevado consumo de energia, os tornaram economicamente proibitivos. Em recente publicação,
Springer e colaboradores (1996) fizeram estudos comparativos entre a KADY MILL e outros
dispositivos também causadores de lise celular, e concluíram ser a KADY MILL adequada
tecnicamente para provocar a desintegração do lodo. Os autores mostraram também que o
equipamento apresenta custos competitivos de operação em relação a outros métodos.
O propósito de utilização da KADY MILL para lise celular é o de avaliar a viabilidade de
reciclar todo o lodo biológico gerado em um sistema de lodos ativados após lise do mesmo, de
volta ao reator. Desta forma, esse processo deveria produzir zero sólidos biológicos eliminando,
desse modo, a disposição de sólidos associada ao tratamento biológico secundário.
O processo KADY MILL emprega um dispositivo para romper as células microbianas e
transforma-las em lodo residuário líquido. Este equipamento provoca lise celular quando
submete o material orgânico particulado a um violento cisalhamento e colisão, onde há
desintegração da parede celular dos microrganismos e redução do tamanho das partículas
sólidas. Ao quebrar a parede celular o conteúdo citoplasmático se torna disponível em forma de
alimento para a biomassa presente no tanque de aeração.
Este artigo é baseado em um estudo sobre um método não convencional de minimização de
resíduos sólidos em estações de tratamento de despejos através de uma modificação do sistema
convencional de Lodos Ativados.

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METODOLOGIA DE ESTUDO
?

OBJETIVO

O estudo aqui descrito examina os efeitos de compostos clorofenólicos em um processo de
lodos ativados com desintegração do lodo e completa recirculação do mesmo após a lise
celular. O processo proposto deve reduzir ou eliminar a disposição dos sólidos biológicos,
assim reduzindo os custos de disposição associados ao tratamento biológico secundário.
Figura 1: Processo experimental proposto com desintegração do
lodo e retorno do mesmo ao tanque de aeração.

Efluente sintético de uma indústria integrada de papel e celulose do tipo kraft, foi preparada
com compostos orgânicos clorados para avaliar uma futura aplicação deste sistema na indústria
do setor papeleiro. O equipamento utilizado neste experimento para provocar a lise do lodo é a
KADY MILL, que utiliza colisão de partículas em alta velocidade, cisalhamento e calor para
promover a quebra do lodo biológico, anterior ao seu retorno ao reator. O desempenho deste
processo foi comparado a um sistema convencional, em duas unidades de bio-oxidação, em
escala de bancada.
DISCRIMINAÇÃO DO EQUIPAMENTO
O equipamento denominado KADY MILL, que foi utilizado neste trabalho consiste de um
modelo para uso em laboratórios, com um motor de 3 HP. É um equipamento muito utilizado
como dispersor em estudos e projetos relacionados a revestimentos e pigmentação de papel,
devido a sua propriedade de gerar cisalhamento e mistura ao fluído. O KADY MILL opera
pelo princípio de impacto e atrito mais propriamente do que o de cisalhamento. Evitando o
cisalhamento e utilizando colisão em alta velocidade, pode-se operar materiais com baixa
viscosidade, como aqueles cuja viscosidade é próxima à da água. A cabeça de dispersão da
KADY MILL consiste de um rotor com fendas e um estator girando no seu interior, isto é, são
duas peças de metal cilíndricas e anulares, uma estacionária e a outra giratória. O rotor atua
como uma bomba centrífuga e força o fluido a atravessar as fendas do rotor radial lançando-o
para fora das fendas a 16000 rpm contra a face perpendicular das fendas do estator. Portanto
essas forças mecânicas atuando junto ao calor gerado no sistema, que atinge temperaturas ao
redor de 700 C, atuam de forma sinérgica para a desintegração das células dos microrganismos,
solubilizando o lodo biológico para o seu retorno ao tanque de aeração.
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CONFIGURAÇÃO DO BIO-REATOR E CONDIÇÕES DE OPERAÇÃO
Duas unidades de bio -oxidação da marca Horizon EcologyTM de 6,5 litros cada foram
utilizados como sistema de tratamento biológico com regime de operação contínuo, com Tempo
de Retenção Hidráulica de 8,7 horas e uma média de 7,0 dias para o Tempo de Detenção
Celular, que era mantido retirando-se diariamente 0,9L de Sólidos Suspensos do Tanque de
Aeração. Um volume de 18L de efluente, era preparado diariamente em batelada e bombeado
para cada reator em um período de 24 horas, fornecendo portanto uma vazão de 0,75 L/hr.
Figura 2: Planta de tratamento biológico utilizada neste estudo. 1-Unidade de biooxidação; 2-Tanque com efluente bruto; 3-Tanque com efluente tratado; 4Fornecimento de ar; 5-Clarificador.

Para simular o efluente, foi utilizado licor preto trazido de uma indústria integrada de papel e
celulose em tanque de 100 litros antes dos experimentos terem início, e mantido até o final dos
estudos em refrigerador a 40C para melhor conservar suas propriedades originais. Um pequeno
volume deste licor preto era então utilizado diariamente com o amido solúvel, nutrientes e água
para a preparação do efluente simulado. O licor preto foi, portanto, a principal fonte de
carbono fornecida durante o estudo. O amido foi adicionado para simular perdas durante as
operações na fabricação do papel. O pH do efluente bruto foi ajustado para 7,0-8,0 com ácido
sulfúrico e hidróxido de sódio (quando necessário). Por último era adicionado um coquetel com
compostos clorofenólicos selecionados para fornecer a concentração desejada de
organoclorados.
A tabela I apresenta os compostos clorofenólicos utilizados. A preparação era feita em um
único tanque para ambos os reatores (controle e tratamento), e em seguida separado em dois
tanques. Na unidade tratamento, onde foi utilizada a KADY MILL para lise celular, era
adicionado o lodo desintegrado e completado com água até atingir 18 litros. Na unidade
controle, o volume de 18 litros era completado somente com água, uma vez que nesta unidade
o lodo não era retornado.

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MONITORAMENTO DO CONTROLE DO PROCESSO
Para documentar as condições dos bio-reatores várias medidas de controle do processo foram
efetuadas diariamente, a saber: pH, temperatura, Oxigênio Dissolvido, Sólidos Suspensos
Totais e Voláteis no Tanque de Aeração e efluente tratado. Os compostos clorofenólicos foram
analisados por Cromatografia Gasosa e Espectrometria de Massa no laboratório
Environmental Enterprises Inc. nos EUA, pelo método 625, desenvolvido pela US-EPA. A
Demanda Química de Oxigênio foi determinada utilizando os procedimentos e kits da Hach.
Amostras compostas de 24 horas dos efluentes brutos e tratados eram coletadas a cada 15 dias. As amostras
eram então mantidas em vidros âmbar à 40 C e pH 2 com ácido sulfúrico até o momento da análise
cromatográfica. Para as outras análises, as amostras eram coletadas diariamente.
RESULTADOS E DISCUSSÃO
Os reatores foram operados por um período superior a seis meses, porém os resultados aqui descritos englobam
o período aproximado de três meses, cujo principal objetivo foi o de avaliar a capacidade dos reatores em se
manterem estáveis à concentrações crescentes de organoclorados.
EFICIÊNCIA DE REMOÇÃO
É definido aqui como eficiência de remoção a relação entre a diferença de concentração do
efluente bruto e a concentração do efluente tratado, incluído aqui todas possíveis formas de
remoção sem distinção entre elas (biodegradação, volatilização, adsorsão ao lodo biológico e
fotólise), válidos para os parâmetros DQO e compostos clorofenólicos.
As variações de DQO de entrada e saída dos reatores durante o decorrer do experimento
pode ser observado na figura 3. As correlações entre os valores obtidos para os efluentes
tratados, para os afluentes e eficiências de remoção podem ser visualizados nas figuras 4, 5 e 6
respectivamente.
Figura 3: Valores de DQO em mg/L, obtidos na entrada e saída dos reatores. Afluente
1 e Efluente 1: unidade controle; Afluente 2 e Efluente 2: unidade tratamento.
1200

DQO mg/L

1000
800

afluente 1
afluente 2

600

Efluente 1
400

Efluente 2

200
0
1

6 11 16 21 26 31 36 41 46 51 56 61 66 71 76 81 86

Tempo (Dias)

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Observa-se que ambos os reatores se comportaram de forma semelhante quanto à remoção DQO (Figura 6). A
unidade tratamento, com recirculação total de lodo, após o mesmo ter sido desintegrado na KADY MILL,
apresentou índices de remoção próximos aos da unidade controle.
Figura 4: Correlação dos valores obtidos para
DQO (mg/L) para os efluentes das unidades
controle (E-1) e tratamento (E-2).

E-2

300
200
100
Seqüência
1

0
0

100 E-1 200

300

Afluente 2

Figura 5: Correlação dos valores obtidos para
DQO (mg/L) para os afluentes das unidades
controle (E-1) e tratamento (E-2).
1000
750
500
250
0

Seqüência1

0 250 500 750 100
0
Afluente 1

Figura 6: Correlação dos valores percentuais obtidos para
eficiência de remoção de DQO em mg/L.
Unid. Tratam

100
75
50
25
0
0

25

50
75
Unid. Contr.

100

A Tabela I mostra os valores de remoção para os compostos clorofenólicos, que foram
utilizados neste experimento, para representar os organoclorados gerados no processo
industrial. Os valores obtidos entre as unidades controle e tratamento, apresentam-se dentro da
faixa de valores de remoção reportados por outros autores, alguns deles inclusive maiores (Tabela
I). Os compostos clorofenólicos utilizados são de baixo peso molecular, isto é, menores que 1.000 DA, e

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portanto, são moléculas de tamanho relativamente pequeno, que possivelmente são transportadas para o interior
das células dos microrganismos.
Tabela I: Comparação entre as eficiências de remoção de organoclorados em valores
percentuais médios) deste estudo com os de outros autores.
Composto LeuenbergerRempel
(85)
Mohamed Rantala Barton
2-CF
2-4-DCF
2-6-DCF
2-4-6-TCF
4-5-6-TCG
TeCC

27
28 60 a 69
35 93 a 97
90 a 90

Yin

Presente estudo
U. Contr. U. Trat.
78 a >99 84 a >99
39 a 46 64 a 82
44 a >99 56 a >99
51 a >88 56 a >89
33
7 a 54
44 a 90 45 a 91
46 41 a 79
57 a 100 76 a >97 83 a >98
62 50 a 63
95 a 100 79 a >97 55 a >95

Abreviações
2-CF: 2 Clorofenol
2-4 DCF: 2-4 Diclorofenol
2-6 DCF: 2-6 Diclorofenol
2-4-6 TCF: 2-4-6 Triclorofenol
4-5-6 TCG: 4-5-6 Tricloroguaiacol
TeCC: Tetraclorocatecol
U.Contr.: Unidade Controle (sistema convencional)
U.Trat.: Unidade Tratamento (sistema modificado)
Esperava-se que os organoclorados presentes nos efluentes brutos pudessem provocar reações
adversas em ambas os reatores, possivelmente levando as reatores a se tornarem instáveis,
principalmente a unidade tratamento, que tem o lodo recirculado de volta ao tanque de aeração,
sem ser descartado como no caso da unidade controle (sistema convencional). Devido a
hidrodinâmica dos reatores utilizados, foi necessário fornecer uma vazão elevada de ar à ambas
as unidades para que houvesse uma melhor mistura no tanque de aeração. Esse fator pôde de
alguma forma ter contribuído para aumentar a remoção dos compostos organoclorados e
também a DQO, por exemplo através do mecanismo de volatilização.
O que observou-se em relação à remoção dos compostos clorofenólicos, foram valores de
remoção mais baixos, durante a primeira dosagem, mesmo sendo esta, a dosagem com a menor
concentração destes compostos. Cabe dizer que as amostras desta primeira dosagem foram
coletadas durante o período de 10 a 15 horas para ambos os reatores quando começaram a
receber o efluente bruto com o coquetel de compostos clorofenólicos. É importante salientar
que as amostras seguintes, coletadas dos efluentes tratados em ambos os reatores eram
realizadas após um período de duas idades de lodo (15 dias) a cada vez que uma nova
dosagem era acrescentada aos afluentes.
Os resultados levam a concluir que a biomassa microbiana pôde ser aclimatada a estas
dosagens crescentes de organoclorados a que os reatores eram submetidos. É importante citar
que, a primeira dosagem (~0,45 mg/L para cada composto) causou uma menor eficiência de
remoção destes compostos, devido provavelmente ao fato de os microrganismos não estarem
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aclimatados a estes compostos. As dosagens mais elevadas (~3,35 mg/L para cada composto),
não provocaram reações adversas nos sistemas. Mesmo os valores de eficiência de remoção de
DQO se mantiveram elevados na presença destes compostos.
CONCLUSÕES
Este estudo teve como objetivo avaliar a possibilidade de utilização de um sistema de
tratamento aeróbio de águas residuárias na indústria de celulose e papel, com recirculação do
total do lodo após desintegração do mesmo. Os efeitos dos compostos clorofenólicos durante o
tratamento biológico foram examinados em duas unidades de bio-oxidação, simulando o
sistema de Lodos Ativados. Uma das unidades (controle), foi operada de modo convencional,
enquanto que a outra unidade (tratamento), foi operada com recirculação total do lodo após
desintegração termo-mecânica do mesmo no equipamento KADY MILL.
Ambos os sistemas operaram sem problemas de bulking (perda de lodo pelo efluente) durante
esta fase do experimento, mesmo com concentrações elevadas de organoclorados.
Nenhuma diferença significante nos desempenhos das unidades de bio-oxidação foi observada,
para os valores obtidos com a remoção de DQO e a remoção de organoclorados. A unidade
controle e a unidade tratamento apresentaram efluentes de qualidades semelhantes.
Em uma próxima etapa, será analisado os aspectos econômicos de instalação e operação deste
sistema em escala real, comparando-se os custos de outros processos já existentes e em
operação.

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