DECANTO-DIGESTOR SEGUIDO DE FILTROS ANAERÓBIOS DE FLUXO ASCENDENTE E DESCENDENTE AFOGADOS

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1 DECANTO-DIGESTOR SEGUIDO DE FILTROS ANAERÓBIOS DE FLUXO ASCENDENTE E DESCENDENTE AFOGADOS Cícero Onofre de Andrade Neto (1) Eng o Civil. Mestre em Engenharia Civil com concentração em Saneamento. Professor da Universidade Federal do Rio Grande do Norte. Membro do Grupo Coordenador do PROSAB Programa de Pesquisa em Saneamento Básico (FINEP/CNPq/CEF). Patrícia Guimarães Engenheira Química. Mestre em Engenharia Química. Bolsista do PROSAB - Programa de Pesquisas em Saneamento Básico. Maria Gorete Pereira Eng a Civil. Mestre em Engenharia Química com concentração em Meio Ambiente. Bolsista do PROSAB-RN. Henio Normando de Souza Melo Eng o Químico. Doutor em Engenharia Ambiental. Professor da Universidade Federal do Rio Grande do Norte. Coordenador do PROSAB-RN. Endereço (1) : Av. Miguel Alcides Araújo, Capim Macio - Natal - RN - CEP: Brasil - Tel: (084) Fax: (084) cicero@ct.ufrn.br RESUMO Decanto-digestor seguido de filtros anaeróbios compõe um sistema que pode ser muito vantajoso para tratamento de esgotos sanitários: associa, em série, um reator resistente às variações do afluente com um reator eficiente também sobre a parcela dissolvida dos esgotos; dispensa pré-tratamento; tem operação esporádica, e não requer operador especializado; tem partida imediata, com bom funcionamento desde o início; absorve choques tóxicos e de sobrecarga com rápida recuperação; e não perde eficiência a longo prazo. Um sistema constituído de um tanque séptico de duas câmaras em série com um pequeno filtro de pedras de fluxo ascendente, acoplado à segunda câmara em comunicação direta, e seguido de filtros anaeróbios de fluxo descendente afogado, vem sendo aplicado e desenvolvido tecnologicamente no Rio Grande do Norte, mas é ainda pouco conhecido e não tem aplicação fora daquele Estado. Este trabalho apresenta dados de pesquisa que comprovam a eficiência deste modelo de sistema, em escala piloto e em escala real de operação. Mostra as funções dos reatores associados no sistema e demonstra que o mesmo pode operar com eficiência da ordem de 80% na remoção de DQO total, 70% na remoção da DQO solúvel e 90% na remoção de Sólidos Suspensos. PALAVRAS-CHAVE: Sistema Anaeróbio, Decanto-Digestor, Filtros Descendentes. ABES - Associação Brasileira de Engenharia Sanitária e Ambiental 37

2 INTRODUÇÃO Em climas quentes, processos anaeróbios são bastante eficientes na remoção de matéria orgânica e sólidos suspensos. Ademais apresentam grandes vantagens: ocupam pequenas áreas; produzem pouco lodo, estabilizado; não consomem energia; não necessitam de equipamentos eletromecânicos; e requerem construção e operação muito simples. O decanto-digestor distingue-se entre os reatores anaeróbios por ser de lodo passivo sobre a fase líquida (lodo separado da fase líquida por sedimentação e flotação). Em relação aos reatores anaeróbios de lodo ativo sobre a fase líquida (fluxo através do lodo, disperso na massa líquida em flocos ou grânulos ou aderido a um material suporte), apresenta a vantagem de ser mais resistente às variações quantitativas e qualitativas do afluente. Portanto, no que pese a desvantagem, comparativamente a reatores de lodo ativo sobre a fase líquida, quanto a eficiência na remoção da parcela dissolvida dos esgotos, apresenta vantagens operacionais devido a sua maior resistência a perturbações funcionais. Os modelos, de câmara única, de câmaras em série e de câmaras sobrepostas, são funcionalmente muito diferentes. Nos de câmara única, todos os fenômenos ocorrem em um único ambiente. Nos de câmaras em série, embora ocorra decantação e digestão nas duas câmaras, a primeira favorece a digestão e a segunda favorece a decantação, sequenciadamente. Nos de câmaras sobrepostas, a câmara superior, que é a primeira e também a última em relação ao fluxo, favorece apenas a decantação e a câmara inferior funciona como digestor e acumulador de resíduos. Nos decanto-digestores de câmaras em série, a primeira câmara acumula a maior quantidade de lodo, porque tem maior volume e recebe sólidos de mais fácil decantação, e, apesar da eficiência na sedimentação ser prejudicada por bolhas de gases ascendentes e por mistura natural, propicia, também, significativa remoção da matéria orgânica dissolvida nos esgotos, justamente devido à maior concentração de lodo ativo e à mistura. A segunda câmara, contendo pouco lodo, permite uma sedimentação mais tranqüila e mais eficiente na remoção de sólidos suspensos, devido a menor interferência das bolhas de gases resultantes da digestão do lodo, propiciando eficiência global bem maior do que uma única câmara de igual volume. Os decanto-digestores produzem um efluente razoável que, no entanto, pode necessitar um pós-tratamento, dependendo do destino. Atualmente, é comum a associação com filtros biológicos anaeróbios de leito de pedras. Os filtros anaeróbios são reatores biológicos de lodo ativo sobre a fase líquida, com biomassa aderida a um leito fixo. O fluxo dos esgotos através do lodo ativo, retido no biofilme e nos interstícios do material suporte, propicia maior eficiência na remoção da matéria orgânica dissolvida nos esgotos. Tanto podem ser aplicados para tratamento de esgotos concentrados como de baixa carga orgânica. Contudo, são mais indicados para esgotos diluídos, porque os riscos de entupimento do meio filtrante aumenta com a concentração de sólidos suspensos. Portanto, embora possam ser utilizados como unidade principal do tratamento dos esgotos, são mais adequados para pós-tratamento (polimento). Certamente estarão mais bem associados quando precedidos de um reator que retenha sólidos decantáveis, como o decanto-digestor, promovendo eficiência complementar. ABES - Associação Brasileira de Engenharia Sanitária e Ambiental 38

3 Os filtros com fluxo descendente afogado assemelham-se funcionalmente aos de fluxo ascendente, com menor risco de entupimento. Têm eficiência bem distribuída em todo o leito, com participação tanto do biofilme aderido ao suporte como do lodo acumulado nos interstícios. Os de fluxo descendente não afogado têm baixa eficiência. Decanto-digestor seguido de filtros anaeróbios compõe um sistema que pode ser muito vantajoso para tratamento de esgotos sanitários: associa, em série, um reator resistente às variações do afluente com um reator eficiente também sobre a parcela dissolvida dos esgotos; é muito adequado para tratamento de esgotos jovens, que chegam na unidade de tratamento com grande parcela de sólidos decantáveis, não hidrolisados; dispensa prétratamento; tem operação esporádica, a cada seis meses, e não requer operador especializado; tem partida imediata, sem inóculo, com bom funcionamento desde o início, sendo o decanto-digestor com eficiência decrescente enquanto os filtros têm eficiência crescente, entre duas operações esporádicas; absorve choques tóxicos e de sobrecarga com rápida recuperação; e não perde eficiência a longo prazo, com o envelhecimento do lodo, porque nele os sólidos inorgânicos e resíduos metabólicos inertes não causam maiores interferências no processo e são facilmente removidos sem traumas para o sistema. Embora tenha sido mais aplicado para pequenas vazões, presta-se, também, para tratar vazões médias e grandes, principalmente quando construído em módulos. Nada impede que exceda o atendimento de pessoas, mantendo-se ainda economicamente vantajoso e com alta eficiência na remoção de DQO e sólidos suspensos. Um sistema que associa decanto-digestor e filtros anaeróbios de fluxo ascendente e descendente afogados, em um arranjo compacto, vem sendo aplicado e desenvolvido tecnologicamente no Rio Grande do Norte. O sistema é constituído de um tanque séptico prismático retangular, com duas câmaras em série separadas por uma parede janelada, um filtro de pedras de fluxo ascendente acoplado ao tanque séptico com comunicação direta, e dois filtros anaeróbios descendentes, afogados, que ladeiam o tanque séptico (figura 1). O filtro ascendente comunica-se com o tanque séptico através de um fundo inclinado, abaixo do fundo falso do filtro. Este fundo inclinado propicia o retorno de lodo ao tanque e evita a colmatação do leito. O objetivo deste pequeno filtro (± 60 cm de altura), é, principalmente, complementar a retenção de sólidos suspensos, encaminhando para os filtros descendentes um esgoto com maior parcela dissolvida. O efluente do conjunto, tanque séptico mais filtro ascendente, aflui imediatamente aos filtros descendentes que o ladeiam. Nestas unidades os esgotos são distribuídos sobre o meio suporte, através de tubos perfurados, e são coletados, no fundo, também através de tubos perfurados. O objetivo destes filtros é a remoção da matéria dissolvida, por ação biológica anaeróbia. No final do filtro descendente, encontra-se um compartimento que tem várias finalidades: permite a drenagem do excesso de lodo; dá acesso aos tubos drenantes; serve, eventualmente, para tratamento complementar; e mantém o filtro afogado. ABES - Associação Brasileira de Engenharia Sanitária e Ambiental 39

4 Figura 1: O sistema modelo, decanto-digestor com filtro ascendente seguido de filtro descendente afogado. As idéias, do fundo falso sobre o fundo inclinado, no filtro ascendente, e do compartimento à jusante do filtro descendente, objetivam, principalmente, simplificar a operação do sistema. Quando se remove o lodo da segunda câmara do tanque séptico, também remove-se o lodo de excesso do filtro ascendente, que automaticamente retorna àquela câmara, devido ao fundo inclinado. O lodo em excesso dos filtros descendentes, é removido automaticamente, através dos tubos perfurados que drenam os líquidos. Note que, quando se esgota o compartimento a jusante do filtro descendente, provoca-se velocidades de fluxo bastante elevadas nos interstícios do leito filtrante e nos tubos drenantes, suficiente para carrear o lodo em excesso. Toda a operação pode ser executada, periodicamente, com auxílio de um carro limpa-fossa. Duas unidades desse modelo de sistema, uma em escala real e outra em escala piloto, vêm sendo estudadas na Universidade Federal do Rio Grande do Norte, no âmbito do PROSAB Programa de Pesquisa em Saneamento Básico (FINEP CNPq CEF). ABES - Associação Brasileira de Engenharia Sanitária e Ambiental 40

5 METODOLOGIA A unidade em escala real que foi monitorada (Figura 2) encontra-se implantada no Hotel Pirâmide em Natal/RN. Trata-se de dois sistemas paralelos conjugados, com 88m 3 de volume útil de decanto-digestor e 89m 3 de volume útil de filtro descendente afogado. Foram projetados para uma vazão máxima de 166m 3 /dia, sendo a mesma função da taxa de ocupação do hotel. A unidade piloto, instalada na Estação de Tratamento de Esgotos do Campus da UFRN, compõe-se de tanque séptico e filtros anaeróbios de fluxos ascendente e descendentes construídos em alvenaria de tijolo revestida (Figura 3). O tanque séptico é do tipo prismático retangular de câmaras em série, com volume total de 8,82 m 3 e inclui no último compartimento, acoplado ao decanto-digestor, um filtro de pedras (brita nº 4) de fluxo ascendente com 0,60 m de espessura da camada suporte e volume total de 0,84 m 3. No sistema piloto optou-se por construir quatro filtros descendentes, de igual volume (3,36 m 3 ), com o propósito de experimentar diversos tipos de enchimento e várias vazões. Nesta etapa das pesquisas foram comparados: brita comercial com diâmetro médio de 38mm, em F2; seixo rolado nº 4, em F3; e brita granítica nº 4 (50 a 75 mm), em F4. O outro filtro (F1) ficou sem enchimento. A alimentação do sistema piloto foi mantida com vazão constante de 10 m 3 /dia de esgoto doméstico, retirado de um coletor do sistema de coleta do Campus Central da UFRN, que atende às Residências Universitárias, o Restaurante e o Departamento de Educação Física. Os filtros receberam vazões iguais. As coletas foram efetuadas três vezes por semana na unidade piloto, às 8:30h, nos seguintes pontos: Afluente (E), 1 a Câmara do tanque séptico (C1), 2 a Câmara do tanque séptico (C2), saída do Filtro Ascendente (FA), Saída dos Filtros Descendentes - Efluente tratado (F1), (F2), (F3) e (F4). No sistema em escala real, realizou-se coletas, duas vezes por semana, no afluente (E), na saída do filtro ascendente (FA) e no efluente final (S). Os parâmetros analisados foram: ph, Temperatura, Ácidos Graxos Voláteis (AGV), Alcalinidade, Carbono Orgânico Total (COT), DQO total, DQO solúvel, Sólidos Totais, Sólidos Suspensos, Sólidos Dissolvidos e Sólidos Sedimentáveis. As determinações seguiram os métodos descritos no Standard Methods for the Examination of Water and Wastewater (1995), com exceção da análise de AGV, que seguiu o método Di Llalo (1961). ABES - Associação Brasileira de Engenharia Sanitária e Ambiental 41

6 Figura 2 Sistema do Hotel Pirâmide em construção. Figura 3 Sistema Piloto da UFRN. RESULTADOS O sistema do Hotel Pirâmide, apesar de construído em abril de 1997, entrou de fato em operação em setembro desse mesmo ano. Neste trabalho, apresentam-se resultados do monitoramento no período de outubro/97 a março/98, incluindo os meses de maior ocupação do Hotel. ABES - Associação Brasileira de Engenharia Sanitária e Ambiental 42

7 Neste período, a temperatura do ar situou-se entre a mínima de 26ºC e a máxima de 32ºC, com média de 30ºC. Nos reatores, as temperaturas dos esgotos, na hora das coletas de amostras, foram mínima de 29,5ºC e máxima de 33ºC, com média de 31ºC. O ph médio do afluente foi de 5,8, variando de 5,2 a 8,3. Na saída do filtro ascendente a média de 6,8, variando de 6,3 a 7,3, e no efluente a média de 7,0, variando de 6,3 a 7,4. Devido as limitações deste trabalho, vamos restringir a análise aos resultados de DQO e sólidos. Os valores médios das concentrações de DQO total e solúvel, no afluente (E), na saída do filtro ascendente (FA) e no efluente final (S) do sistema em escala real, bem como as respectivas eficiências de remoção, são apresentados na Tabela 1. Tabela 1 - Concentrações médias de DQO e eficiência no reator em escala real. DQO TOTAL DQO SOLÚVEL E FA S E FA S Conc.(mg/l) Rem.(%) Os valores médios de sólidos totais e suspensos, no afluente, na saída do filtro ascendente e no efluente final do sistema em escala real, com respectivas eficiências de remoção, são apresentados na Tabela 2. Tabela 2 - Concentrações médias de Sólidos e eficiência no reator em escala real. SÓLIDOS TOTAIS SÓLIDOS SUSPENSOS E FA S E FA S Conc.(mg/l) Rem.(%) O sistema piloto da UFRN, está em operação desde agosto/97. A primeira etapa das pesquisas desenvolveu-se no período de agosto/97 a março/98, com o sistema recebendo vazão constante de 10 m 3 /dia e cada filtro 2,5 m 3 /dia. Nesta etapa distingue-se três fases: a primeira de 1º de agosto a 12 de setembro (43 dias), a segunda de 13 de setembro a 22 de dezembro (101 dias) e a terceira de 23 de dezembro a 31 de março (99 dias). Na segunda etapa, em desenvolvimento desde abril/98, o sistema recebe vazão constante de 15 m 3 /dia, com dois dos filtros recebendo vazões de 7,5 m 3 /dia cada um, alimentados com o efluente do tanque séptico com filtro ascendente. Os outros dois filtros são alimentados com o efluente de outro reator anaeróbio. Houveram mudanças nos enchimentos dos filtros na segunda etapa. Uma terceira etapa está programada para iniciar em abril de 1999, com vazões e enchimentos dos filtros diferentes, e se prevê ainda uma quarta etapa das pesquisas nesse sistema. ABES - Associação Brasileira de Engenharia Sanitária e Ambiental 43

8 Neste trabalho, apresenta-se resultados da primeira etapa das pesquisas no reator piloto, destacando a segunda fase (101 dias) como a mais representativa. Na primeira fase (43 dias) observaram-se grandes oscilações nos resultados dos diversos parâmetros decorrentes de ajustes nos procedimentos de coleta de amostras e de técnicas de análises laboratoriais e também porque este foi o período de adaptação dos reatores. Na terceira fase ocorreram problemas em consequência da paralisação das aulas na UFRN, do que resultou grande queda na concentração do afluente. No período da pesquisa, a temperatura do ar na hora da coleta de amostras apresentou valor médio de 29,7ºC, variando entre 24,4 e 33,0ºC. A temperatura dos esgotos pouco variou, nas diversas unidades, ao longo do experimento. A média do afluente (E) foi de 30ºC. A análise dos parâmetros ph, AGV e alcalinidade nos permitiu concluir que o sistema apresentou boa capacidade de tamponamento e de remoção de ácidos voláteis, pois em nenhum momento verificou-se risco de azedamento. Apresenta-se apenas resultados referentes à DQO e aos Sólidos Suspensos. Outros dois trabalhos, apresentados nesse mesmo Congresso (ver referências bibliográficas), trazem uma análise mais detalhada dos vários parâmetros pesquisados no sistema piloto. O principal objetivo deste trabalho, em face da limitação de páginas, é explicitar o modelo do sistema inovador e mostrar sua eficiência e funcionalidade, comprovadas em escala real de operação e em escala piloto. As Tabelas 3 e 4 mostram os valores médios das concentrações de DQO total e solúvel no afluente (E) nas câmaras do tanque séptico (C1 e C2), na saída do filtro ascendente (FA) e nas saída dos filtros descendentes (F1, F2, F3 e F4) com respectivas eficiências de remoção acumuladas no sistema piloto, em toda a 1ª etapa das pesquisas (Global) e na sua fase mais representativa (2ª fase). Tabela 3 - Concentrações médias e eficiências de remoção de DQO total no sistema piloto. E C1 C2 FA F1 F2 F3 F4 Global Conc.(mg/l) Rem.(%) ª Fase Conc.(mg/l) Rem.(%) Tabela 4 - Concentrações médias e eficiências de remoção de DQO solúvel no sistema piloto. E C1 C2 FA F1 F2 F3 F4 Global Conc.(mg/l) Rem.(%) ª Fase Conc.(mg/l) Rem.(%) ABES - Associação Brasileira de Engenharia Sanitária e Ambiental 44

9 A figura 4 apresenta as concentrações da DQO total (mg/l) no sistema piloto, em toda a 1ª etapa, mostrando a variação da DQO ao longo do tempo e da seqüência de reatores. Note que a 2ª fase é a mais representativa porém os filtros apresentam concentrações mais estáveis em toda primeira etapa. Figura 4: Concentrações da DQO total (mg/l) em toda a 1ª etapa Ent.T FA T F1 T F2 T F4 T /Ago 15/Ago 25/Ago 08/Set 15/Set 01/Out 10/Out 17/Out 24/Out 31/Out 07/Nov 17/Nov 28/Nov 10/Dez 22/Dez 07/Jan 28/Jan 04/Fev 13/Fev 27/Fev 06/Mar 18/Mar 27/Mar A tabela 5 mostra os valores médios das concentrações de sólidos suspensos nos vários pontos amostrados do sistema piloto, com respectivas eficiências de remoção acumuladas. Tabela 5 - Concentrações médias e eficiências de remoção de Sólidos Suspensos no piloto. E C1 C2 FA F1 F2 F3 F4 Global Conc.(mg/l) Rem.(%) ª Fase Conc.(mg/l) Rem.(%) Quando realizou-se o esgotamento do sistema piloto, pode ser observado que o lodo em excesso do filtro ascendente realmente retorna ao tanque séptico e que ao succionar o tanque a jusante do filtro descendente remove-se parte do lodo em excesso deste filtro, entre outras facilidades operacionais comprovadas. A operação do sistema do Hotel Pirâmide foi muito irregular e descuidada. Observou-se também, em teste com corante, que as calhas para coleta do efluente do filtro ascendente não são necessárias, porque o fluxo do mesmo é bem distribuído. CONCLUSÕES O arranjo, com decanto-digestor seguido de filtros anaeróbios de fluxo ascendente e descendente afogado, mostrou-se bastante eficiente na remoção da DQO e dos Sólidos ABES - Associação Brasileira de Engenharia Sanitária e Ambiental 45

10 Suspensos, recebendo afluente concentrado (DQO de 846 mg/l e 521 mg/l de SS, em média) ou mais diluído (DQO de 279 mg/l e 107 mg/l de SS, em média), comprovando ser uma boa alternativa para tratamento de esgotos sanitários, pelo menos para vazões médias. O tanque séptico com o pequeno filtro ascendente é responsável pela maior parcela de remoção de DQO e Sólidos Suspensos, podendo ser suficiente para o tratamento dos esgotos (efluente com menos de 100 mg/l de DQO Total e 20 mg/l de Sólidos Suspensos) em algumas situações. A primeira câmara do tanque séptico é o principal reator biológico (40% de remoção de DQO Solúvel, no piloto, na 2ª fase). A segunda câmara é muito eficiente na remoção de Sólidos Suspensos e DQO Total, devido à tranqüilidade hidráulica. O pequeno filtro ascendente acoplado ao tanque séptico mostrou-se muito vantajoso em face da elevada relação benefício/custo. Além de complementar a remoção da DQO Total e de Sólidos Suspensos, desempenha função importante na proteção dos filtros descendentes porque amortece as sobrecargas esporádicas (menor amplitude de variações). O filtro descendente, com enchimento de pedras, promove de fato o tratamento complementar (polimento), sobretudo na remoção da DQO Solúvel, e, ademais, confere grande estabilidade ao sistema, propiciando um efluente mais uniforme ao longo do tempo. Evidentemente mostrou-se mais necessário para remoção da parcela dissolvida dos esgotos quando o sistema recebe esgoto mais concentrado (44% na remoção da DQO Solúvel em escala real). Submetido a um afluente mais diluído (sistema piloto), propiciou um efluente final com concentrações médias tão baixas como 50 mg/l de DQO Solúvel e 10 mg/l de Sólidos Suspensos, com pequena amplitude de variação. Quanto ao material suporte, os vários tipos de pedras utilizados apresentaram eficiências muito próximas, com o melhor desempenho da brita comercial (38mm), certamente porque acumula mais lodo nos interstícios, o que aumenta a eficiência mas também aumenta o risco de obstrução do leito filtrante. Funcionalmente ficaram comprovadas as facilidades da operação. O fundo inclinado sob o filtro ascendente realmente faz retornar o excesso de lodo ao tanque séptico e os filtros descendentes permitem esgotar parte do lodo em excesso através dos tubos drenantes. Ademais, o péssimo procedimento operacional no sistema do Hotel Pirâmide demonstrou que o modelo suporta bem esta prática da nossa realidade. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS 1. ANDRADE NETO, C. O. (1997). Sistemas Simples para Tratamento de Esgotos Sanitários - Experiência Brasileira. Rio de Janeiro, ABES, 301 pp. 2. ANDRADE NETO, C. O., PEREIRA, M. G., SANTOS, H. R. & MELO, H. N. S. (1999). Filtros Anaeróbios de Fluxo Descendente Afogados, com Diferentes Enchimentos. 20º Congresso Brasileiro de Engenharia Sanitária e Ambiental. Rio de Janeiro/RJ. 3. APHA (1995). Standard Methods for Examination Water and Wastewater, 19 a ed. 4. GUIMARÃES, P., ANDRADE NETO, C.O. & MELO, H.N.S. (1999). Sistema Compacto Decanto- Digestor e Filtros Anaeróbios Ascendente e Descendente. 20º Congresso Brasileiro de Engenharia Sanitária e Ambiental. Rio de Janeiro/RJ. ABES - Associação Brasileira de Engenharia Sanitária e Ambiental 46