AVALIAÇÃO DO SISTEMA REATOR UASB E FILTRO BIOLÓGICO PERCOLADOR OPERANDO SOB DIFERENTES CONDIÇÕES HIDRÁULICAS

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1 AVALIAÇÃO DO SISTEMA REATOR UASB E FILTRO BIOLÓGICO PERCOLADOR OPERANDO SOB DIFERENTES CONDIÇÕES HIDRÁULICAS Marco Túlio Rocha Porto* Engenheiro Civil, Mestrando em Saneamento, Meio Ambiente e Recursos Hídricos pela Universidade Federal de Minas Gerais Carlos Augusto de Lemos Chernicharo Professor adjunto do Departamento de Engenharia Sanitária e Ambiental da Universidade Federal de Minas Gerais Patrícia Procópio Pontes Professora da Coordenação de Química do Centro Federal de Educação Tecnológica de Minas Gerais Deneb O. Bejar Graduanda em Engenharia Civil pela Universidade Federal de Minas Gerais Endereço(*): Av. Contorno 842/ Belo Horizonte Brasil, Tel: (31) Fax : (31) desa.ufmg.br RESUMO O presente trabalho buscou avaliar a influência da taxa de aplicação superficial na eficiência de um filtro biológico percolador (FBP), com volume de 135 L, utilizado como unidade de pós-tratamento dos efluentes de um reator UASB (volume = 4 L). A pesquisa foi desenvolvida em duas fases distintas, nas quais o FBP foi operado com diferentes taxas de aplicação superficial (3,6 e 25,1 m³.m -2.d -1 ). O sistema reator UASB/FBP foi alimentado com esgoto sanitário, bombeado diretamente do interceptor do ribeirão Arrudas, em Belo Horizonte - Brasil. Os resultados obtidos indicaram elevadas eficiências de remoção complementar de matéria orgânica e baixas concentrações de DQO, DBO e SST no efluente final. Apesar o baixo percentual de atendimento ao padrão de lançamento de 9 mgdqo.l -1, as concentrações de DQO do efluente final do FBP atenderam ao padrão europeu de lançamento (125 mgdqo.l -1 ) em 87% e 1% dos resultados, durante as fases 1 e 2, respectivamente. Quanto aos parâmetros DBO e SST, foi observado o completo atendimento aos padrões de lançamento de mgdbo.l -1 e mgsst.l -1, durante as duas fases da pesquisa. No entanto, melhores resultados foram obtidos durante a fase 2, quando 1% dos resultados de DBO e de SST estiveram abaixo de mg.l -1. Palavras-chave: Esgoto sanitário, filtro biológico percolador, pós-tratamento, reator UASB, taxa de aplicação superficial INTRODUÇÃO Verifica-se atualmente no Brasil a nítida tendência de utilização de sistemas anaeróbios como primeira etapa do tratamento de águas residuárias, decorrentes das grandes vantagens inerentes a estes sistemas. Entretanto, a dificuldade dos reatores anaeróbios em produzir um efluente que atenda aos padrões estabelecidos pela legislação ambiental brasileira, impõe, quase sempre, a necessidade de pós-tratamento de seus efluentes (Chernicharo, 1).

2 A utilização de FBP, como unidade de pós-tratamento de efluentes de reatores anaeróbios, encontra-se ainda em fase de pesquisa, sendo que a produção de dados e parâmetros para seu dimensionamento e operação são relativamente recentes e ainda relativamente incipientes. Estudos realizados por Nascimento et al. () e Chernicharo & Nascimento (1) atestaram que o FBP pode promover uma importante remoção adicional de DQO e DBO, além de produzir um efluente com baixos teores de SST. Na presente pesquisa, teve-se como objetivo a avaliação da influência das taxas de aplicação superficial sobre a eficiência de um sistema reator UASB/Filtro Biológico Percolador. MATERIAL E MÉTODOS CARACTERÍSTICAS DA PLANTA PILOTO Os experimentos foram desenvolvidos no Laboratório de Instalações Piloto LIP do Departamento de Engenharia Sanitária da Escola de Engenharia da Universidade Federal de Minas Gerais. O FBP foi alimentado a partir do efluente de um reator UASB, em escala piloto com volume de 4 L, que se encontrava em operação há mais de 7 anos, tratando esgoto sanitário da cidade de Belo Horizonte. O sistema reator UASB/FPB foi alimentado com esgotos retirados diretamente do interceptor da margem direita do ribeirão Arrudas. Os esgotos passavam, inicialmente, por unidades de tratamento preliminar (cesto perfurado e caixa de areia) e por um tanque de acumulação/distribuição, localizados a montante do reator UASB (Figura 1). O sistema possuía automação controlada por um software próprio, que permitia a operação da planta em regime hidráulico transiente, gerando um hidrograma típico de vazões. EFLUENTE FINAL Figura 1: Fluxograma do aparato experimental As características principais do reator UASB e do FBP utilizados nos experimentos são apresentadas na TABELA 1, enquanto na Figura 2 é mostrada uma vista geral das unidades de tratamento. 2

3 TABELA 1: Características principais da planta piloto Descrição Unidade Reator FBP UASB Compartimento de reação Decantador Secundário (DS) Material - Acrílico Polipropileno Polipropileno Meio suporte - - Escória de alto forno - Altura total m 4, 2, 1,35 Altura do fundo falso m -, - Altura do meio suporte m - 1,9 - Diâmetro mm Volume útil L FBP Reator UASB DS Figura 2: Reator UASB e FBP FASES E CARACTERÍSTICAS OPERACIONAIS FBP Para se alcançar os objetivos do trabalho, o sistema reator UASB/FBP foi operado sob diferentes condições hidráulicas, configurando duas fases operacionais distintas. Em função das diferentes vazões aplicadas, foram obtidos diferentes tempos de detenção hidráulica, taxas de aplicação superficial e cargas orgânicas volumétricas, conforme mostrado nas TABELAS 2 e 3. TABELA 2: Características operacionais do reator UASB (1) Fase θ h Velocidade Carga orgânica volumétrica (Cv) ascensional (h) (m.h -1 ) (KgDBO.m -3.d -1 ) (kg DQO.m -3.d -1 ) 1 4,2 1,42 1,2 1,6 2 5,6 1,6 1,5 2,3 (1) θ h : tempo de detenção hidráulica 3

4 TABELA 3: Características operacionais do FBP Compartimento de reação Compartimento de decantação Fase Altura do leito TAS (1) Carga orgânica volumétrica (Cv) TAS (1) (2) θ h (m) (m³.m -2.d -1 ) (kgdbo.m -3.d -1 ) (kgdqo.m -3.d -1 ) (m³.m -2.d -1 ) (h) 1 1,9 3,6 1,1 2,5 3,6 1, 2 1,9 25,1,9 2,1 25,1 1,22 (1) TAS: taxa de aplicação superficial (2) θ h : tempo de detenção hidráulica MONITORAMENTO DO SISTEMA DE TRATAMENTO Durante o monitoramento das unidades piloto, foram realizadas análises do esgoto bruto, do efluente do reator UASB e do efluente final do decantador secundário. Os parâmetros analisados foram: DBO (total e filtrada), DQO (total e filtrada), Sólidos Suspensos Totais, alcalinidade, ácidos graxos, ph, temperatura. Para a maioria das coletas, foram realizadas amostragens compostas, sendo as análises desenvolvidas segundo o Standard Methods for the Examination of Water and Wastewater (AWWA/APHA/WEF, 1998). Adicionalmente, durante a fase 2 da pesquisa, foram realizadas análises de caracterização do lodo do reator UASB. Para tal, foram coletadas amostras de lodo em diferentes alturas do reator (25, 125 e 175 cm de altura) e feita a caracterização em termos de Sólidos Totais e Voláteis, Índice Volumétrico do Lodo e Distribuição Granulométrica (Laguna et al, 1999). RESULTADOS E DISCUSSÃO O resumo dos resultados médios de cada fase operacional do sistema reator UASB/FBP é apresentado na TABELA 4. TABELA 4: Resumo dos resultados médios Concentrações (mg.l -1 ) Eficiências de remoção (%) Fase Parâmetro Afluente UASB Efluente UASB Efluente FBP+DS (1) Reator UASB FBP+DS(1) Sistema UASB/FBP DQO DBO SST DQO DBO SST (1) DS: Decantador Secundário 4

5 Remoção de matéria carbonácea e Sólidos Suspensos Durante a fase 1, quando a planta piloto foi operada com maiores cargas hidráulicas, o reator UASB produziu um efluente com concentrações médias de 27 mgsst.l -1, 7 mgdbo.l -1 e 156 mgdqo.l -1, enquanto as concentrações no efluente final do FBP foram 22 mgsst.l -1, 33 mgdbo.l -1 e 14 mgdqo.l -1. Já na fase 2, apesar da planta piloto ter sido operada com menores cargas hidráulicas, o reator UASB foi exposto a cargas orgânicas volumétrica mais elevadas que às da fase 1, em função das maiores concentrações de DQO e DBO no esgoto bruto (TAB. 2). Ainda assim, o reator UASB foi capaz de produzir um efluente com características muito semelhantes às da fase 1, com valores médios de 34 mgsst.l -1, 68 mgdbo.l -1 e 1 mgdqo.l -1. Com a completa assimilação do aumento de carga orgânica, no reator UASB, o FBP pôde ser operado, concomitantemente, com menores taxa de aplicação superficial e carga orgânica volumétrica (TAB. 3). Apesar disso, não se observou um melhor desempenho do FBP durante a fase 2, sendo que tanto as eficiências de remoção de DQO e DBO como as concentrações médias do efluente final (23 mgsst.l -1, 33 mgdbo.l -1 e 12 mgdqo.l -1 ) ficaram muito próximas das obtidas na fase 1 (TAB. 4). Uma vez que, numa primeira análise, não foi possível inferir um melhor desempenho do FBP durante a fase 2 (em função das menores taxa de aplicação superficial e carga orgânica aplicadas), procedeu-se uma análise estatística do percentual de resultados de DQO, DBO e SST que se enquadraram aos padrões de lançamento da legislação ambiental do estado de Minas Gerais, conforme mostrado nas Figuras 3 a 5. Pela Figura 3, observa-se que os percentuais de atendimento ao padrão de DQO (9 mgdqo.l -1 ) foram muito baixos, tanto na fase 1 quanto na fase 2 (16 e %, respectivamente). No entanto, estes baixos percentuais de atendimento ao padrão de lançamento devem ser vistos com ressalvas, uma vez que a legislação ambiental do estado de Minas Gerais é bastante restritiva para o parâmetro DQO, já que, por exemplo, o padrão europeu fixa o valor de 125 mgdqo.l -1 para lançamento de efluentes domésticos. Apesar do baixo percentual de atendimento ao padrão de 9 mgdqo.l -1, o sistema apresentou uma maior estabilidade durante a fase 2, quando 1% dos resultados de DQO ficassem abaixo de 125 mg DQO.L -1, atendendo, portanto, ao padrão europeu. DQO ( mg/l) Padrao (9 mg/l) Fase 1 Fase 2 Figura 3: Distribuição percentual dos resultados de DQO DQO ( mg/l) Padrao (9 mg/l) Em relação ao parâmetro DBO (Figura 4), a totalidade dos resultados atendeu ao padrão de lançamento de mgdbo.l -1, nas duas fases da pesquisa. Novamente, observou-se uma maior estabilidade do sistema durante a fase 2, quando praticamente 1% dos resultados estiveram abaixo de mgdbo.l -1, enquanto na Fase 1 esse percentual foi da ordem de 8%. 5

6 Padrao ( mg/l) Padrao ( mg/l) DBO ( mg/l) DBO ( mg/l) Fase 1 Fase 2 Figura 4: Distribuição percentual dos resultados de DBO Resultados semelhantes aos de DBO foram obtidos para o parâmetro de SST, cujas concentrações finais no efluente do FBP foram mantidas abaixo de mg.l -1, na totalidade do período operacional da fase 2 e em 9% dos resultados da fase 1 (Figura 5) SST ( mg/l) Padrao ( mg/l) SST ( mg/l) Padrao ( mg/l) Fase 1 Fase 2 Figura 5: Distribuição percentual dos resultados de SST CARACTERIZAÇÃO DA BIOMASSA DO REATOR UASB Conforme mencionado anteriormente, procedeu-se a caracterização do lodo do reator UASB, durante a fase 2 da pesquisa, em termos de concentração de sólidos, IVL e distribuição granulométrica, conforme tratado a seguir. Concentração e teor de sólidos voláteis Uma análise do perfil de sólidos no reator UASB indicou uma concentração média de sólidos totais da ordem de 8% para o ponto 2 (T2-25cm de altura) enquanto que para os pontos 6 (T6-125cm de altura) e 8 (T8-175cm de altura) a concentração foi da ordem de 2%. Avaliou-se, também, a porcentagem de sólidos voláteis em relação ao teor de sólidos totais ao longo das diferentes alturas no reator. Os resultados obtidos indicaram uma porcentagem média de % para o ponto 2 e 62% para os pontos 6 e 8. Esse resultado está próximo do obtido 6

7 por van Haandel & Lettinga (1994), que observaram concentrações de 45 a 55% de SV/ST nesta região do reator para tempos de detenção hidráulica de 6 a 8 horas. Índice volumétrico do lodo (IVL) A determinação do índice volumétrico do lodo indicou a presença de um lodo com uma boa sedimentabilidade para todos os pontos de amostragem, tendo-se obtidos valores de IVL inferiores a 5 ml.g -1. Observou-se, como esperado, uma melhor sedimentabilidade do lodo localizado nos pontos mais baixos do reator e pouca diferença de sedimentabilidade entre o lodo coletado nos pontos 6 e 8, provavelmente pelo fato dos pontos de amostragem serem muito próximos (Fig. 6). 5 IVL (ml/g) 3 1 T2 T6 T8 Figura 6 - IVL para diferentes alturas do reator UASB Distribuição granulométrica Os resultados obtidos para a distribuição granulométrica para os pontos 2 e 6 são apresentados nas Figuras 7 e 8. Observa-se uma predominância de partículas menores que,79 mm para todos os pontos de amostragem. Grânulos maiores que 2,38 mm estavam presentes apenas no ponto 2 (25cm de altura), em uma proporção de 5 a 3% % % <,79,79-2,38 >2,38 Figura 7- Distribuição granulométrica para o ponto 2 <,79,79-2,38 >2,38 Figura 8- Distribuição granulométrica para o ponto 6 7

8 CONCLUSÕES Este trabalho vem confirmar que os filtros biológicos percoladores (FBP) constituem uma alternativa viável e bastante promissora para o pós-tratamento de efluentes de reatores anaeróbios. Os resultados obtidos indicam elevadas eficiências de remoção complementar de matéria orgânica e baixas concentrações de DQO, DBO e SST no efluente final. Apesar o baixo percentual de atendimento ao padrão de lançamento de 9 mgdqo.l -1, as concentrações de DQO do efluente final do FBP atenderam ao padrão europeu de lançamento (125 mgdqo.l -1 ) em 87% e 1% dos resultados, durante as fases 1 e 2, respectivamente. Quanto aos parâmetros DBO e SST, foi observado o completo atendimento aos padrões de lançamento de mgdbo.l -1 e mgsst.l -1, durante as duas fases da pesquisa. No entanto, melhores resultados foram obtidos durante a fase 2, quando 1% dos resultados de DBO e de SST estiveram abaixo de mg.l -1. A caracterização do lodo do reator UASB indicou uma concentração média de sólidos totais da ordem de 8% para o ponto 2 (25cm de altura) e de 2% os pontos 6 (125cm de altura) e 8 (175cm de altura). O lodo do reator apresentou uma boa sedimentabilidade para todos os pontos de amostragem, tendo-se obtido valores de IVL inferiores a 5mL/g. Partículas menores que,79 mm predominam no reator, sendo que grânulos maiores que 2,38 mm estiveram presentes apenas no ponto 2 (25cm de altura), em uma proporção de 5 a 3%. Agradecimentos: Os autores agradecem ao CNPq, pelas bolsas concedidas, e à FAPEMIG e à FINEP, através do PROSAB, pelo financiamento da pesquisa. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS AWWA/APHA/WEF.(1998) Standard methods for the examination of water and wastewater. th edition. Washington. Chernicharo, C.A.L. (1997) Princípios do tratamento biológico das águas residuárias. Vol. 5: Reatores anaeróbios. DESA/UFMG, 247 pp. Chernicharo, C.A.L. (1) Pós-tratamento de efluentes de reatores anaeróbiosa. FINEP/PROSAB, 544 pp. Chernicharo C.A.L., Nascimento M.C.P. (1). Feasibility of a pilot scale UASB/trickling filter system for domestic sewage treatment. Water Science and Technology, v. 44, n. 4, p Laguna, A, Ouattara, A, Gonzalez, R. O, Baron, O, Famá, G, EL Mamouni, R. Guiot, S., Monroy, O, Macarie, H. (1999) A simple and low cost technique for determining the granulometry of upflow anaerobic sludge blanket reactor sludge, Water Science and Technology, (8), 1-8. Nascimento, M.C.P, Chernicharo, C.A.L., Garcia, P.B.S. () Avaliação de filtros biológicos aeróbios como póstratamento de efluente de reatores UASB. In: Anais do IX SILUBESA, Porto Seguro, BA, 9-14 de abril. van Haandel, A.C., Lettinga, G. (1994) Tratamento anaeróbio de esgotos. Um manual para países de clima quente. 8

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