AVALIAÇÃO DO SISTEMA RALF E FILTRO BIOLÓGICO PARA O TRATAMENTO DE ESGOTO SANITÁRIO
Resumo
A tecnologia de tratamento anaeróbio de esgotos sanitário através de Reatores Anaeróbios de Lodo Fluidizado (Ralf), teve grande ênfase na década de 1970, em função da crise de energia. As tecnologias que necessitavam de energia para seu funcionamento, principalmente os tratamentos com a eração artificial, preferencialmente foram sendo substituídas na Sanepar por tratamentos anaeróbios que além de não necessitarem de energia para o processo, geram gás metano, gás este que pode ser utilizado como combustível. O tratamento com reatores anaeróbios tem uma limitação quanto à eficiência de tratamento, sendo necessário um tratamento complementar ou pós-tratamento, que pode ser de diversos tipos. Porém a tecnologia de tratamento complementar de preferência deve seguir a mesma linha de não ser um processo potencial consumidor de energia e sim uma tecnologia que busque a conservação de energia. Um dos processos que vem sendo implementado, visando este objetivo, é a combinação dos Reatores Anaeróbios de Lodo Fluidizado (Ralf) com Filtros Biológicos Aeróbios Convencionas (FBA). Este trabalho apresenta resultados do monitoramento do sistema piloto Uasb + FB de alta taxa, operando com esgoto sanitário, onde aplicaram-se no FB taxas hidráulicas de 20 m
3/m2.dia (Fase I), que foi otimizada na fase seguinte, com 30 m3/m2.dia (Fase II). Na Fase II, o efluente do decantador secundário apresentou valores de 81 ± 18 mg/L, 18 ± 11 mg/L e 24 ± 9 mg/L, respectivamente para a DQO, DBO e SST. Estes valores representam eficiências de remoção do sistema de 78%, 88% e 84% para os citados parâmetros. Também estão apresentados os resultados do monitoramento da ETE Caçadores (Cambé – PR), instalação construída pela Sanepar para uma população de 57.618 habitantes. A eficiência média de remoção, observada no ano de 1999, foi de 84% para a DQO e 93% para a DBO.Palavras-chave: esgoto sanitário, reator Uasb, pós-tratamento, filtro biológico de alta taxa
Abstract
The UASB technology for anaerobic treatment of sewage sludge using fluidized sludge anaerobic reactors (known as RALF at Sanepar) was much used in the ‘70s due to the energy crisis. At Sanepar, energy-consuming technologies, mainly treatments requiring artificial airing, were gradually replaced by anaerobic processes that, not only require no energy but also generate methane gas which can be used as fuel. However, the efficiency of a treatment with anaerobic reactors is limited, and requires supplementary or post-treatment which may be of several types. Nevertheless, this additional treatment should preferably be based on the same energy sparing principle. One of the processes that is being implemented for this purpose, is a combination of Fluidized Sludge Blanquet Anaerobic Reactors (UASB) and Conventional Aerobic Biological Filters (BF). This paper shows the results of monitoring the high rate UASB + BF pilot-system operating with sanitary sludge. For the BF phase the hydraulic rates were 20 m
3/m2.day (Phase I), optimized for the next phase with 30 m3/m2.day (Phase II). In Phase II, the effluent of the secondary decanter showed the following values: 81 ± 18 mg/L; 18 ± 11 mg/L; and 24 ± 9 mg/L, respectively for COD, BOD and SST. Those amounts represent the system’s efficiency in removing 78%, 88% and 84% for the mentioned parameters. Also shown are the results of monitoring the ETE Caçadores (Sewage Treatment Unit) in Cambé, PR facilities built by Sanepar for a population of 57,618 inhabitants. The average removal efficiency, observed in 1999, was 84% for the COD and 93% for the BOD.Key words: sanitary sludge, UASB reactor, post-treatment, high rate biological filter
Introdução
Filtros Biológicos
Os leitos percoladores, indevidamente denominados filtros biológicos, consistem de um leito de material altamente permeável, nos quais se aderem os microrganismos e através dos quais o líquido a ser tratado é percolado (fluxo descendente). O material de enchimento normalmente consiste de pedras, com diâmetro variado entre 25 e 100mm. São construídos com um dreno inferior para coleta do líquido tratado e dos sólidos biológicos que se desprendem do material do leito. Esse sistema de drenagem é importante, tanto para coletar os líquidos já percolados, como para permitir a circulação do ar através do leito. Os líquidos coletados são encaminhados a um decantador, onde os sólidos são separados do efluente final. É comum, na prática, uma parte dos líquidos coletados no sistema de drenagem, ou do efluente final, retornar ao filtro para diluir o esgoto afluente ou ainda manter as taxas de aplicação superficial mínimas, adequadas à boa operação do sistema (ALÉM SOBRINHO, 1997).
PESSOA e VILELA (1992) apresentam vários fluxogramas com o uso dos filtros biológicos, sempre precedidos de decantadores primários. Assim o processo predominante seria a oxidação biológica. A matéria orgânica é absorvida na camada biológica, de modo a sofrer a degradação aeróbica nas camadas exteriores. À medida que os organismos crescem a espessura da camada biológica aumenta e o oxigênio não consegue penetrar em todas as camadas, sendo consumido antes de atingir as faces interiores que se comportam anaerobicamente.
O esgoto percolando entre o meio filtrante lava a camada de limo que o recobre e arrasta consigo os excessos de sólidos e limo, de modo a haver sempre a substituição de novas camadas biológicas. A maior ou menor retirada de sólidos e formação de novos organismos são funções das cargas hidráulica e orgânica que se aplica. De acordo com estas cargas se classificam os filtros em dois tipos principais: de alta e baixa capacidade. (PESSOA; VILELA, 1992). METCALF e EDDY (1991) ampliam a classificação anteriormente citada, da seguinte maneira: baixa taxa (convencional), taxa intermediária, alta taxa e taxa superalta (grosseiro).
O enchimento dos filtros biológicos (ou meio suporte) é de fundamental importância no desempenho do processo. O enchimento do filtro biológico convencional pode ser brita, pedregulho, coque ou carvão, que têm capacidade limitada de proporcionar grande área superficial por volume unitário do filtro, devido à sua configuração geométrica. Os materiais plásticos são aqueles que no momento possuem as características de um material de enchimento ideal (ALÉM SOBRINHO, 1997).
A filtração biológica como
pós-tratamento de efluentes anaeróbios
BELÉM (1996) operou um filtro biológico piloto (hleito = 1,86 m), com aeração e leito de brita, como pós-tratamento de efluente sanitário de um reator anaeróbio compartimentado. As eficiências médias na remoção de DQO e DBO foram: 70% e 73%, para taxa de aplicação hidráulica de 1,5 m3/m2.dia, 55% e 59% para 7,5 m3/m2.dia e 40% e 48% para 13 m3/m2.dia. Para a remoção de SSV as eficiências foram de 64%, 47% e 28% nas taxas já citadas. O filtro apresentou razoável eficiência na conversão de nitrogênio amoniacal, de 75%, 42% e 33%. No entanto deve-se destacar que ao filtro não estava acoplado o decantador secundário, para adequada remoção dos sólidos suspensos arrastados ao fundo do filtro.
NASCIMENTO et al. (2000) estudaram também a aplicação do reator tipo Uasb seguido de filtro biológico, em escala piloto (htotal de 1,35 m) cujo leito era constituído de escória de alto-forno, operando com esgoto doméstico. Foram utilizadas taxas de aplicação hidráulica de 3,4 a 30,6 m3/m2.dia (0,3 a 3,9 kg DBO/m2.dia), sendo que para esta última obteve-se no efluente final 113 mg/L como DQO, 53 mg/L como DBO e 29 mg/L como SST. Vale citar que o regime hidráulico aplicado na primeira taxa foi o permanente e após o transiente, considerando um hidrograma típico de vazão, cuja vazão máxima era 62% superior a média.
A avaliação do sistema reator Uasb e filtro biológico (FB) para o tratamento de esgoto sanitário afigura-se como interessante alternativa para as condições brasileiras e o seu estudo, objeto deste trabalho.
Materiais e métodos
A realização das pesquisas relativas ao sistema Uasb + FB está sendo cumprida junto a ETE Belém (Curitiba – PR) e inclui o projeto, construção (concluídos), operação e monitoramento de instalação piloto. A instalação está situada em área contígua ao desarenador e receberá esgoto sanitário gradeado e desarenado, oriundo das unidades responsáveis pelo tratamento preliminar da ETE Belém. A vazão de dimensionamento de cada processo foi de 250 L/h (figura 1), representando uma PE de 44 habitantes. O esgoto é enviado ao fundo do reservatório elevado (caixa de distribuição), através de um conjunto moto-bomba submersível, do tipo triturador. No reservatório o esgoto é distribuído aos processos de tratamento, através de vertedores situados na superfície. Através de luva roscável (vertedor) é obtida a vazão desejada e um extravasor mantém o nível de esgoto constante.
O reator Uasb foi construído em tubulação de concreto, de diâmetro 80 cm e altura 4,0 m, possuindo no topo um separador gás - sólido (decantador) em fibra de vidro. O filtro biológico tipo percolador está sendo testado também em um piloto. Assim, utilizando-se de distribuidor fixo sobre o filtro, aplica-se o esgoto anaeróbio sobre o reator, construído em tubos de concreto, de diâmetro de 60 cm e altura de 4,0 m. O material de enchimento é a pedra brita (hútil = 3,0 m). O lodo biológico aeróbio sedimentado é encaminhado do decantador secundário (DS), projetado com uma taxa de aplicação hidráulica de 22 m
3/m2.dia, ao fundo do reator Uasb, para seu adensamento e digestão.
As amostras de esgoto bruto foram coletadas por meio de um amostrador ISCO, a cada 30 minutos e compostas em alíquotas iguais, totalizando 24 horas. Os efluentes anaeróbio e do DS foram coletados através de bombas peristálticas, de maneira contínua, no mesmo período de tempo. Para as determinações da Alcalinidade, AGV, pH, OD e coliformes, bem como do perfil de sólidos no manto de lodos, foram tomadas amostras pontuais em horários e dias fixados aleatoriamente.
Registros de gaveta, colocados espaçadamente ao longo da altura do reator anaeróbio, permitem a coleta de lodo, para determinação da concentração de sólidos no manto de lodos. O reator Uasb foi inoculado previamente, em setembro de 1999, com lodo anaeróbio de reatores Ralf (Uasb) da Sanepar. A remoção do excesso de lodo misto era efetuada regularmente, observando-se principalmente a qualidade do efluente anaeróbio, em termos de sólidos suspensos.
As determinações e ensaios estão sendo conduzidos no Laboratório de Análises Ambientais do Isam/PUC-PR e observam as rotinas expressas no Standard Methods, 1998.
ETEs, com reator Ralf (Uasb) seguido de filtro biológico, foram projetadas (ano de 1994), e construídas pela Sanepar no sistema de esgotos sanitários de Londrina e Cambé (PR) e entraram em operação em abril de 1998. Neste trabalho está apresentada a ETE Caçadores, localizada em Cambé - PR, cujo fluxograma inclui o reator Ralf, o filtro biológico e a desinfecção (figura 2). O filtro biológico foi dimensionado para uma vazão de final de plano (ano 2018) de 134,8 L/s (taxa aplicação hidráulica de 18,6 m
3/m2.dia), em tempo seco, e população atendida de 57.618 habitantes. O monitoramento, conduzido durante o ano de 1999, foi realizado no âmbito da Sanepar, (JÜRGENSEN, 2000).
Resultados e discussão
Instalação piloto junto à ETE Belém
O sistema de tratamento está operando desde dezembro de 1999, tendo sido impostas três fases de operação: a partida sem inoculação do FB e o ajuste da operação, a aplicação de taxa hidráulica de 20 m3/m2.dia (Fase I) e aplicação de taxa de 30 m3/m2.dia (Fase II). Como resultado da Fase I obteve-se efluente do decantador secundário com 69 ± 18 mg/L, 37 ± 47 mg/L e 26 ± 13 mg/L, respectivamente para a DQO, DBO e SST. Estes valores representaram eficiências de remoção do sistema de 81%, 78% e 83% para os citados parâmetros. A tabela 1 e a figura 3 apresentam com maiores detalhes os demais parâmetros analisados. Na Fase II, o efluente do decantador secundário apresentou valores de 81 ± 18 mg/L, 18 ± 11 mg/L e 24 ± 9 mg/L, respectivamente para a DQO, DBO e SST. Assim, apesar do aumento da taxade aplicação hidráulica e conseqüentemente taxa de aplicação orgânica, obteve-se eficiências de remoção do sistema de 78%, 88% e 84% para os citados parâmetros. A tabela 2 e a figura 4 apresentam com maiores detalhes os demais parâmetros analisados.
Apesar de previsto no projeto e implantado na instalação piloto, não foram utilizadas a recirculação do efluente final ao topo do filtro, bem como a pré-aeração do efluente anaeróbio. Com a ventilação natural, favorecida pelas aberturas laterais, construídas no fundo do filtro, o efluente do DS apresentou uma concentração de OD de 2,79 mg/L.
Em ambas as fases, o descarte de lodo misto de excesso, efetuado de maneira regular pela drenagem do reator Uasb, foi um procedimento operacional importante para garantir a eficiência do sistema. Em certos dias, como pode ser observado nas figuras 3 e 4, o efluente do reator Uasb pode alcançar valores de DQO (e de SST) tão elevados quanto o do esgoto afluente. Também, o descarte do lodo biológico aeróbio, do DS ao fundo do reator Uasb deverá ser processado o mais freqüentemente possível, até de maneira contínua. Procura-se desta maneira minimizar a deterioração da qualidade do efluente final, observada por exemplo na diminuição do OD.
ETE Caçadores (Sanepar)
Durante o ano de 1999, a Sanepar conduziu o monitoramento da ETE Caçadores. Novamente as eficiências demonstraram a viabilidade da utilização do sistema Ralf + FB, no atendimento da legislação ambiental quanto aos parâmetros DQO e DBO. Assim as eficiências médias de remoção obtidas foram de 84% para a DQO e de 93% para a DBO. A Tabela 3 apresenta com maior detalhamento os valores observados ao longo do ano, inclusive para o esgoto bruto e o efluente do reator Ralf.
Ao se compararem os dados da instalação piloto, com a ETE em escala real, observaram-se vários resultados convergentes, quanto aos parâmetros DQO e DBO. A instalação piloto, operando com o FB nas duas taxas de aplicação hidráulica, e a ETE Caçadores forneceram valores de eficiência muito próximos.
Conclusões
Foram conduzidos estudos utilizando esgoto sanitário afluente à ETE Belém, na alimentação de um sistema piloto Uasb + FB de alta taxa, onde aplicaram-se no FB taxas hidráulicas no FB de 20 m
3/m2.dia (Fase I) e 30 m3/m2.dia (Fase II). Na Fase II, o efluente do decantador secundário apresentou valores de 81 ± 18 mg/L, 18 ± 11 mg/L e 24 ± 9 mg/L, respectivamente para a DQO, DBO e SST. Estes valores representam eficiências de remoção do sistema de 78%, 88% e 84% para os citados parâmetros.A ETE Caçadores (Cambé - PR), instalação construída pela Sanepar, para uma população de 57.618 habitantes, apresentou uma eficiência média de remoção, observada no ano de 1999, de 84% para a DQO e 93% para a DBO.
O sistema Uasb + FB de alta taxa não apresentou no período de estudo problemas operacionais relevantes e pode fornecer um efluente que atende a legislação ambiental do Estado do Paraná (DQO < 150 mg/L e DBO < 60 mg/L), para o lançamento em corpos d’água receptores.
Referências
ALÉM SOBRINHO. Filtros biológicos de alta taxa. Buenos Aires: AIDIS, 1997.p. 30-98. (Série Apuntes Técnicos).
APHA. Standard methods for examination of water and wastewate. 20th ed. Washington, 1998.
BELEM, B. D. Pós-tratamento de efluentes de esgoto sanitário através de filtro biológico com taxas variáveis. São Paulo, 1996. 101 f. Dissertação (Mestrado em)-Escola de Engenharia de São Carlos, Universidade de São Paulo.
CHERNICHARO, C. A. L.; NASCIMENTO, M. C. P. A new configuration of trickling filter applied to the post-treatment of effluents from Uasb reactores. In: OFICINA E SEMINÁRIO LATINO AMERICANO DE DIGESTÃO ANAERÓBIA, 4., 2000, Recife. Anais... Recife: 2000. p. 336-343.
JÜRGENSEN, D.; A aplicação da tecnologia aeróbia utilizando filtros aeróbios convencionais como solução para pós tratamento de reatores anaeróbios (Ralf). Curitiba, 2000 Monografia (Especialização em Espaço, Sociedade e Meio Ambiente) Instituto Brasileiro de Pós Graduação, IBEPEX.
METCALF; EDDY. Wastewater engineering: treatment, disposal, reuse3rd ed. New York: McGraw Hill, 1991. 1334 p.
NASCIMENTO, M. C. P. et al. Avaliação de filtros biológicos aeróbios com pós-tratamento de efluentes de reatoresUasb. In: SILUBESA, 9., 2000, Porto Seguro. Anais... Rio de Janeiro: ABES, 2000. p. 1089-1097.
PESSOA, C. A.; VILLELA, C. H. de C. Filtros biológicos aeróbios. Rio de Janeiro: ABES, 1992. (Manual de Curso)
Sanepar. Sistema de esgoto sanitário. Cambé: Sanepar-ETE Caçadores, Gerência de Projetos, jul.1996. Projeto básico.
Agradecimentos
Os autores agradecem à Sanepar e ao Prosab, por meio da Finep, CNPq e CEF, todo o apoio demonstrado ao longo do desenvolvimento dos trabalhos, desde a construção da instalação piloto, o acesso à ETE Belém e o financiamento da operação e monitoramento.
Autores
Alexsandro Bona,
acadêmico de Engenharia Química pela PUC-PR e bolsista IC/CNPq junto ao Isam - PUC-PR
Décio Jürgensen,
engenheiro civil pela UFPR e gerente da Unidade de Serviço de Projetos de Grande Porte (USGP) da Sanepar
Luís H. Pospissil Garbossa,
acadêmico de Engenharia Civil pela PUC-PR e bolsista IC/CNPq junto ao Isam - PUC-PR
Marllon Boamorte Lobato,
engenheiro civil pela PUC-PR e bolsista AP/CNPq junto ao Isam - PUC-PR
Miguel Mansur Aisse,
engenheiro civil pela UFPR, doutorando em Engenharia Civil pela Escola Politécnica da USP, com bolsa do CNPq, professor e pesquisador do Isam - PUC-PR, professor da UFPR
Pedro Além Sobrinho,
engenheiro civil e doutor em Engenharia Civil pela Escola Politécnica da USP, professor titular do Departamento de Engenharia Hidráulica e Sanitária da Escola Politécnica da USP.