TECNOLOGIAS AVANÇADAS DE TRATAMENTO DE EFLUENTES UTILIZANDO LAGOAS. Antonio Celso Rossini WasserLink Soluções Ambientais Ltda

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1 Página1 TECNOLOGIAS AVANÇADAS DE TRATAMENTO DE EFLUENTES UTILIZANDO LAGOAS Antonio Celso Rossini WasserLink Soluções Ambientais Ltda Sistemas de tratamento de águas residuarias à base de lagoa são populares em todo o mundo pela sua simplicidade e baixo custo. No entanto, estes sistemas não são capazes de remover de forma confiável a demanda bioquímica de oxigênio (DBO) e sólidos suspensos totais (SST) para menos de 30 mg /l ou conseguir nitrificação durante os meses de inverno em climas frios. Várias modificações inovadoras têm sido desenvolvidas, que têm o potencial para superar essas limitações, aumentando a biomassa ativa nas lagoas e gestão das pressões do crescimento associados aos microrganismos no sistema. Essas tecnologias foram concebidas para suportar atualizações diretas de sistemas baseados em lagoas existentes sem interromper o tratamento regular. Artigo desenvolvido pela Brinjac Engineering Inc e EDI Environmental Dynamics Inc, representada no Brasil pela WasserLink Soluções Ambientais Ltda. PALAVRAS CHAVE Atualização de lagoas, tratamento avançado, nitrificação durante todo o ano, controle de algas, retrofit em operação. INTRODUÇÃO Sistemas de tratamento de águas residuais à base de lagoa têm sido usados em todo o mundo, tanto para aplicações municipais e industriais. Estes sistemas são atraentes devido ao seu baixo custo operacional, capacidades de armazenamento in-situ de sólidos e requisitos de baixa atenção operacional. Onde a disponibilidade de terra e topografia adequada permitirem, sistemas baseados em lagoa são a solução de processo preferido para tratamento secundário, o que reduz tanto a demanda bioquímica de oxigênio (DBO) e sólidos suspensos totais (SST) de águas residuais para mg / L. Sistemas baseados em lagoas convencionais utilizam múltiplas celulas ou múltiplos reatores em terra, que normalmente proporcionam relativamente longo (vários dias) tempos de retenção hidráulica (HRTs). Estes sistemas são uma alternativa dos sistemas sem reciclo de sólidos biológicos. Sistemas baseados em lagoas convencionais têm as seguintes limitações: o Grandes exigências de área de terra; o Controle limitado do processo pelo operador; o Redução do desempenho no tempo frio; o Capacidade deficiente para controlar algas e sólidos em suspensão no tempo quente; o Limitação na redução da DBO e sólidos em suspensão abaixo de mg / L; o Limitação na capacidade de nitrificação e remoção denutrientes (N e P).

2 Página2 As limitações do processo de sistemas baseados em lagoa derivam principalmente de duas causas: (a) incapacidade para reter biomassa suficiente para níveis mais elevados de tratamento, e (b) temperatura de operação, especialmente em climas frios. Este artigo apresenta diversas tecnologias avançadas que superar essas limitações, mantendo as vantagens inerentes de sistemas baseados em lagoa. Na sequência da avaliação das tecnologias disponíveis, são apresentados estudos de casos representativos. TECNOLOGIAS DE TRATAMENTO AVANÇADO COM LAGOA Para superar as limitações de sistemas baseados em lagoa convencionais e para oferecer melhor tratamento, várias tecnologias avançadas de tratamento de lagoa têm sido desenvolvidas. Estas, permitem obter um desempenho comparável ao processo de lodos ativados, com vários benefícios em um único processo operacional, tais como: o Níveis de tratamento avançados para DBO e SST com controle de amônia e nutrientes o Desempenho adequado durante todo o ano em climas quentes ou frios o Baixa exigências de atenção do operador, no monitoramento e manutenção o Gestão simples e confiável por longo prazo do lodo através da estabilização e armazenagem in-situ o Redução das necessidades de área de terra o Atualização on-line de lagoas existentes ou uso com nova construção o Baixo custo operacional o Sustentabilidade do sistema de longo prazo com adição de tecnologias O AUMENTO DA BIOMASSA Várias opções de configuração de processos estão disponíveis para aumentar a biomassa em lagoas. Estas configurações utilizam técnicas inovadoras de separação sólidoslíquidos para aumentar e manter a concentração desejada da massa de lodo no reator biológico, ou proporcionar um meio suporte fixo para o crescimento e retenção da biomassa. TECNOLOGIAS DE SEPARAÇÃO SÓLIDO-LÍQUIDO Clarificador Externo - Esta configuração utiliza um reator biológico em terra e um clarificador convencional, com retorno do lodo ativado (RAS) e remoção do excesso de lodos (WAS) para manter a biomassa na zona aerada da lagoa (Figura 1). Este sistema é uma opção econômica para projetos convencionais de lodos ativados quando houver lagoa existente ou houver área de terra para novas construções. Este sistema tem sido aplicado em grandes instalações com rigorosos requisitos de lançamento. O sistema também exige a instalação de gestão dedicada de sólidos e descarte da parcela excedente para manter o inventario desejado de biomassa de sólidos no sistema. O sistema de ar difuso com ramais flutuantes é utilizado para permitir a aeração e mistura. Este tipo aeração opera flutuante na superfície da água do reator. Os elementos de difusão do ar geralmente estão suspensos a partir da tubulação de ar flutuante. Os difusores de membrana com micro poros são normalmente utilizados para máxima eficiência operacional.

3 Página3 Este sistema de aeração pode ser instalado em lagoas novas ou existentes, uma vez que os seus componentes são simplesmente flutuantes na posição e mantidos por cabos de tração. Figura 1 - Configuração típica com clarificação externa (EC) Clarificador Interno - Esta configuração usa um reator biológico em terra e um sistema clarificador interno que é construído dentro da lagoa como reator biológico. O clarificador é configurado com paredes laterais inclinadas e um sistema de canaleta para coleta de lodo. Isto elimina a necessidade de um sistema convencional de remoção mecânica de lodo. O sistema de clarificação interna oferece acentuada economia em relação aos sistemas de tratamento que utilizam clarificador convencional. Economia nos custos de construção, bombeamento para RAS e WAS e equipamento de coleta de lodo estão disponíveis nesta opção. Os componentes da clarificação precisam ser dimensionados de forma conservadora para evitar que os sólidos sejam lavados durante as condições de pico de vazão, devido ao reduzido volume disponível para o acumulo de sólidos depositados com a construção de parede lateral inclinada. Este sistema é ideal para pequenas e médias instalações, uso em novas construções com instalação independente para gestão de sólidos. Figura 2 - Configuração típica com clarificação interna (IC)

4 Página4 Separador Interno - A avançada tecnologia patenteada Advanced Technology Lagoon Activated Sludge Internal Separator (ATLAS-IS) consiste em uma série de lagoas ou zonas hidraulicamente separadas e módulos de separação internos (Figura 3). Figura 3 - Layout típico ATLAS-IS A primeira zona / lagoa é uma zona de mistura completa (CM), normalmente operado com 1 a 4 dias de tempo de retenção hidráulica (TRH), 30 a 80 dias de tempo de retenção de sólidos (SRT), elevada concentração de sólidos suspensos (MLSS) e baixa relação alimentomicrorganismos (F: M). Os módulos de Separador Interno (IS) são colocados nesta zona / lagoa para reter a biomassa. O efluente proveniente dos módulos contendo baixo teor de sólidos suspensos totais (SST) é liberado na sequência para o processo. Zonas/lagoas a jusante são de mistura parcial (PM) para coletar e digerir os sólidos provenientes da lagoa de mistura completa. As zonas/lagoas PM são seguidas por uma zona/lagoa de repouso para polimento final antes da descarga do efluente. O mecanismo de separação de sólidos é a autorregulado, que resulta numa gestão equilibrada dos sólidos biológicos. Os resíduos sólidos do reator biológico primário são tratados a jusante na zona de mistura parcial e de repouso. O processo ATLAS-IS é particularmente adequado para atualizações em lagoas existentes, a fim de obter a oxidação carbonácea completa com nitrificação, mesmo em climas frios. O sistema ATLAS-IS é uma solução econômica para atualização de sistema com lagoas existentes com poucas modificações frente ao que é requerido para sistemas de lagoa convencional. Lagoa Reator Sequencial por Batelada (SBR) - O sistema lagoa-sbr aproveita o reator biológico para proporcionar um processo sequencial de lodos ativados (Figura 4). Tratamento biológico, separação de sólidos, efluente decantado e ciclos no processo mantem o inventario da biomassa. O processo requer a atenção limitada do operador, para inexistência de bombeamento do retorno ou descarte de sólidos.

5 Página5 O processo corretamente projetado permite a completa oxidação carbonácea, mais o controle total de nitrogênio. É mais adequado para grandes vazões e onde várias lagoas estão disponíveis. O sistema é usado tipicamente em série com lagoas de mistura parcial para o gerenciamento simplificado e econômico de sólidos. Figura 4 - Lagoa típica-sbr Tecnologias de Filme Fixo Sistema de Filme Fixo Flexível - A implantação de um meio suporte fixo no reator biológico pode aumentar os sólidos biológicos que são retidos no sistema. Ao manter um inventário de biomassa apropriado, a DBO e a remoção de amônia são melhoradas. O biofilme fixo flexível é montado em cabos flutuantes que estendem na porção aerada do reator. Isto proporciona um fluxo em 3-dimensões através de um meio suporte com alta relação área/volume. A biomassa aderida no meio fixo e permite maior remoção da DBO, TSS e nitrogênio. O meio suporte fixo é não-confinado e com autolimpeza, resiste ao entupimento, e não requer nenhuma manutenção para o desempenho de longo prazo. Este sistema é idealmente adequado para melhorar o desempenho de lagoas aeradas convencionais e para o polimento do efluente, quando utilizado em combinação com os sistemas descritos anteriormente. A Figura 5 mostra a configuração do sistema com película fixa e a Figura 6 mostra uma fotografia do filme fixo flexível instalado num cabo flutuante.

6 Página6 Figura 5 - Configuração típica de sistema com filme-fixo Controle da Temperatura Figura 6 - Meio fixo flexível instalado em cabo flutuante Um sistema de cobertura flutuante melhora o desempenho de todos os processos biológicos em ambientes muito frios. Ao cobrir uma porção da lagoa com uma manta de isolamento do ar, há uma redução substancial da perda de calor para a atmosfera, mantendo assim um efluente com temperatura mais elevada através do processo (Figura 7).

7 Página7 O sistema de cobertura flutuante também favorece o controle dos sólidos suspensos no efluente. Pode ser usado em lagoas de estabilização aeradas convencionais e em todos os sistemas que usam lagoa de polimento para a gestão de sólidos. É eficaz na redução da presença de ambos: as algas e os sólidos biológicos na corrente efluente, limitando a penetração da luz solar que desencadeia o crescimento de algas. A aplicação do sistema pode ajudar a reduzir a concentração de sólidos em suspensão no efluentes para valores menores de 30 mg / L. Os sistemas de cobertura são projetados para serem facilmente instaladas sem necessidade de cabeamento externo ou ancoragem. A instalação é simples e não é necessário ajuste com níveis diferentes de água. Os sistemas permitem acesso total a equipamentos instalados na lagoa sem remoção da cobertura. ESTUDO DE CASOS ATLAS - IC Demonstração de projeto em Washburn, Wisconsin Um sistema ATLAS - IC com um clarificador interno foi comissionado em Washburn, WI no verão de 1997, e foi monitorado para DBO e nitrificação. O projeto apresenta vazão de m³ / d, com DBO variando entre 100 e 250 mg / L. Antes da instalação do sistema as concentrações de DBO na saída eram de 40 mg / L, e após a instalação os níveis de DBO manteve-se abaixo de 15 mg / L (Figura 8). Os níveis de amônia foram consistentemente baixos (Figura 9), com exceção de um par de observações (Primavera de 2000) de mais de 8 mg / L de efluente amônia-n, o que poderia ser atribuída a problemas operacionais com picos de vazão.

8 Página8 Figura 8 - Variação da DBO em Washburn, Wisconsin Figura 9 - Variação da Amônia em Washburn, Wisconsin Para demonstrar as capacidades do sistema ATLAS - IS, um projeto de demonstração em grande escala foi realizado em Ashland, Missouri. A instalação da lagoa em Ashland foi concebida para tratar a 1098 m³ / d contendo 200 mg / l de DBO, com uma zona CM (mistura completa) frontal a duas zonas de MP (mistura parcial) e uma zona de polimento, como mostrado na Figura 3. Em dezembro de 2002, o sistema ATLAS-IS foi instalado online. O volume total de projeto das lagoas de m³, com profundidade útil de 3,96m e com paredes laterais inclinadas. Os volumes e HRTs das várias zonas do sistema foram como apresentados na Tabela 1.

9 Página9 ZONA VOLUME m³ MG HRT (d) CM ,74 2,55 PM ,75 6,03 PM ,62 2,14 QUIESCENT ,58 2,00 Tabela 1 - Volumes and HRTs of various zones of ATLAS-IS system at Ashland, Missouri Os módulos é foram instaladas em Ashland em dezembro de Depois de algumas semanas de estabilização do processo, a concentração MLSS na zona CM aumentou de forma constante, estabilizando na faixa de mg / L (Figura 10). O aumento no MLSS na zona CM resultou em excelente remoção de DBO (Figura 11). A DBO total média no afluente foi de cerca de 91 mg / L, e a DBO solúvel na zona CM foi ligeiramente inferior a 9 mg / L. Assim, mais de 90% de remoção de BOD foi obtida na zona de CM. A nitrificação foi também realizada durante todo o ano, como mostrado na Figura 12. O sistema foi mantido com nitrificação através de três invernos. Os módulos é foram instaladas em Ashland em dezembro de Depois de algumas semanas de estabilização do processo, a concentração MLSS na zona CM aumentou de forma constante, estabilizando na faixa de mg / L (Figura 10). O aumento no MLSS na zona CM resultou em excelente remoção de DBO (Figura 11). A DBO total média no afluente foi de cerca de 91 mg / L, e a DBO solúvel na zona CM foi ligeiramente inferior a 9 mg / L. Assim, mais de 90% de remoção de BOD foi obtida na zona de CM. A nitrificação foi também realizada durante todo o ano, como mostrado na Figura 12. O sistema foi mantido com nitrificação através de três invernos. Figura 10 - SS na zona CM e zona de efluente em Ashland, Missouri

10 Página10 Figura 11 - Variação da DBO em Ashland, Missouri Figura 12 - Variação da amônia em Ashland, Misouri Embora o funcionamento do sistema não foi especificamente otimizado para a remoção de nitrogênio através de desnitrificação, uma redução substancial foi observada (Figura 13).

11 Página11 Considerando-se uma pequena quantidade de nitrogênio assimilado pela biomassa, a maior parte do nitrogênio remanescente poderia ser esperado ser nitrificado. A concentração de nitrato-n solúvel na zona, no entanto, foi significativamente mais baixa do que as concentrações afluentes de TKN. Foi observado cerca de 50% de remoção de nitrogênio nesta zona, sugerindo nitrificação-desnitrificação simultânea. Aplicação de Filme Fixo em Kingdom City, Missouri A aplicação de película fixa foi comissionada em Kingdom City, Missouri no final de Este projeto era originalmente um sistema de lagoas com mistura parcial projetado para tratar 910 m3 / d, atualmente tratando cerca de 379 m3 / d. A ETE foi modificada com instalação de meio fixo flexível suspensa por cabos flutuantes (Figura 6). O sistema iniciou a operação durante o inverno de , com a biomassa iniciando adesão sobre o meio suporte. O sistema apresentou nitrificação durante os meses de verão (Figura 14). Em operação normal, a baixas temperaturas (inferiores a 10º C), a nitrificação seria de esperar que cesse totalmente. Este não era o caso, visto que cerca de 50% de nitrificação foi realizada pelo sistema durante a época do inverno de funcionamento inicial.

12 Página12 Figura 14 - Variação da amônia em Kingdom City, Missouri Aplicação de Cobertura em Wardsville, Missouri Um sistema de cobertura com painéis flutuantes foi instalado na área de repouso de uma lagoa aerada de mistura parcial no verão de O valor de projeto do tempo de residência hidráulico é de 4,4 dias. O valor nas condições atuais é superior a 20 dias. Valores de SST no efluente reportados variou de 8 mg / L em março de 2006 a 12 mg / L em maio de Os valores de efluentes de DBO foram inferiores a 6 mg / L ao longo do período. CONSIDERAÇÕES FINAIS Enquanto sistemas de lagos são simples de operar e proporcionar um tratamento eficaz em termos de custos, eles são limitados em sua capacidade de nitrificar em condições de inverno rigoroso. Para ultrapassar isto e melhorar o tratamento, vários processos inovadores têm sido desenvolvidos, os quais proporcionam um desempenho comparável ao processo de lodos ativados, com o seguinte processo e os benefícios operacionais: o Níveis de tratamento avançadas para DBO e SST com controle de amônia e de nutrientes; o Desempenho durante todo o ano em climas quentes ou frios; o Baixa exigência de atenção do operador para monitoramento e manutenção; o Gestão de lodo simples e confiável a longo prazo através de estabilização e de armazenagem; o Requisitos de espaço reduzidos; o Atualização on-line de lagoas existentes ou para usar para construção de nova lagoa; o Baixo custo operacional.

13 Página13 Algumas dessas tecnologias foram demonstradas com sucesso e representam opções econômicas para atender as necessidades de tratamento das águas residuais de pequenas comunidades. AGRADECIMENTOS Monitoramento para projetos de Ashland e Kingdom City foi realizado pelo Departamento de engenharia civil e ambiental, da Universidade de Missouri-Columbia. Artigo desenvolvido por Vikram M Pattarkine, Randall C Channm, Charles E Tharp.