SISTEMA INTEGRADO PARA TRATAMENTO BIOLÓGICO E DESINFECÇÃO DE ESGOTOS SANITÁRIOS: UMA ALTERNATIVA PARA ATENDIMENTO A PEQUENAS POPULAÇÕES

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1 SISTEMA INTEGRADO PARA TRATAMENTO BIOLÓGICO E DESINFECÇÃO DE ESGOTOS SANITÁRIOS: UMA ALTERNATIVA PARA ATENDIMENTO A PEQUENAS POPULAÇÕES Carlota Virgínia Pereira Alves, Carlos Augusto de Lemos Chernicharo, Marcos von Sperling, Emerson Cristiano Frade Universidade Federal de Minas Gerais, Departamento de Engenharia Sanitária e Ambiental, Av. Contorno, 842/ , Belo Horizonte - MG, capialves@hotmail.com INTRODUÇÃO A tendência geral das novas estações de tratamento de esgotos é de serem compactas e de baixo impacto ambiental (Upton & Green, 1995). Os sistemas de alta taxa são sistemas compactos de tratamento, por necessitarem de um menor tempo de detenção hidráulica. A combinação de reatores, em substituição ao decantador primário, com outros reatores de alta taxa reduz as cargas aplicadas e os volumes dos sistemas posteriores. A combinação do processo de tratamento anaeróbio de águas residuárias e da digestão do lodo de descarte de unidades aeróbias utilizadas para o pós-tratamento do anaeróbio, como, por exemplo, através da combinação de reatores e de filtros biológicos percoladores (), confere maior viabilidade econômica ao sistema de tratamento. O uso desse sistema de tratamento tem como grandes vantagens a minimização da produção de lodo, reduzida apenas ao reator, que passa a operar, também, como digestor anaeróbio do lodo de descarte do, sendo produzido um lodo já estabilizado e de elevada concentração (Frade, 2003). Bof et al. (2001) ressaltam que as estações compactas possuem baixos custos de implantação, operação e manutenção, não exigindo mão de obra qualificada, além de apresentarem baixo consumo de energia e produção de lodo, devendo, portanto, serem consideradas, também, para aplicação em ETE s de maior porte. No entanto, é sabido que a maioria dos processos biológicos utilizados no tratamento de esgotos não apresenta uma eficiência de remoção de patógenos que possibilite o enquadramento dos corpos receptores, após o recebimento dos esgotos tratados, aos padrões estabelecidos pela legislação ambiental. Dessa forma, a desinfecção apresenta-se como alternativa para o pós-tratamento desses s, podendo alcançar elevadas eficiências na inativação de microorganismos patogênicos, reduzindo ou até eliminando danos à saúde pública. Uma das alternativas para a desinfecção de esgotos é a radiação ultravioleta (UV), que apresenta como maiores vantagens a simplicidade operacional, a ausência de geração de subprodutos, e os requerimentos mínimos de área (Alves, 2003). O presente trabalho objetiva apresentar a concepção e avaliação de desempenho de um sistema integrado para tratamento biológico e desinfecção de esgotos, contribuindo com a disseminação de uma tecnologia simplificada e de baixo custo no país.

2 MATERIAL E MÉTODOS Características do sistema integrado O sistema integrado, concebido e implantado em escala de demonstração para um equivalente populacional de 500 habitantes, é composto de uma unidade biológica de tratamento dos esgotos e de uma unidade de desinfecção por radiação UV. Os trabalhos foram desenvolvidos junto à ETE Experimental Arrudas, em Belo Horizonte, em cooperação com a COPASA/MG. A unidade biológica de tratamento de esgotos é composta por um reator na parte interna e um filtro biológico percolador () na parte externa. Um corte esquemático e uma vista geral da unidade são apresentados na Figura 1. A entrada do esgoto no sistema se dá pela parte inferior do reator (1), seguindo um fluxo ascendente dentro do mesmo. A estabilização da matéria orgânica ocorre em todas as zonas de reação, sendo a mistura promovida pelo fluxo ascensional do esgoto e das bolhas de gás. Um dispositivo trifásico (2) de separação de sólidos, líquidos e gases se localiza na parte superior do reator e garante a separação do gás contido na mistura líquida, propiciando a manutenção de condições ótimas de sedimentação no compartimento de decantação (3). No decantador, o lodo mais pesado é removido da massa líquida retornando ao compartimento de digestão, enquanto as partículas mais leves são perdidas do sistema junto com o. O deixa o reator por meio canaletas (4) localizadas na parte superior do decantador. O do reator é distribuído, uniformemente, na parte superior do (5), sendo que o fluxo de esgotos passa a ter uma trajetória descendente. O é dividido em dois compartimentos, um de reação (6), na parte superior, onde se encontra o meio suporte, e um inferior, de decantação (7), onde a biomassa e os sólidos que se desgarram do meio suporte ficam retidos. O compartimento de reação (6) consiste de um tanque preenchido com material de alta permeabilidade (brita, escória de alto forno ou material sintético), sobre o qual os esgotos são aplicados. Após a aplicação, os esgotos percolam em direção ao fundo, através do meio suporte, permitindo o crescimento bacteriano na superfície do material de enchimento, na forma de uma película fixa denominada biofilme. A matéria orgânica contida nos esgotos é adsorvida pela película microbiana, ficando retida um tempo suficiente para a sua estabilização. O fundo do compartimento de reação é vazado, de maneira a permitir a passagem do líquido e reter a camada suporte, além de possibilitar a ventilação do filtro, necessária para manter as condições aeróbias e o efetivo tratamento dos despejos pela via aeróbia. Após passar pelo meio suporte e ser drenado no fundo do, o líquido é encaminhado a um decantador lamelar (7), localizado na parte inferior do filtro. Esta configuração de decantador permite que sejam aplicadas maiores taxas hidráulicas superficiais, diminuindo a distância vertical que as partículas devem percorrer na sedimentação e, conseqüentemente, o tamanho do decantador. Os sólidos desgarrados do biofilme, ou não retidos no meio suporte pelos mecanismos de filtração e adsorsão, sedimentam no fundo do decantador, sendo removidos do final, que é finalmente coletado pela superior do decantador (8). O lodo sedimentado no fundo do decantador é descartado para um pequeno tanque de acumulação (9) e bombeado de volta ao reator por meio de uma pequena bomba (10), possibilitando a adoção de um sistema único de digestão do lodo aeróbio e anaeróbio, mais econômico e compacto. 2

3 Legenda 1. tubo de distribuição do esgoto bruto 2. separador trifásico 3. compartimento de decantação 4. coleta do do reator 5. distribuição do do 6. meio suporte 7. decantadores lamelares 8. saída do do 9. caixa de acumulação de lodo do 10. bomba de recirculação do lodo Figura 1 - Vista geral e corte esquemático da unidade de tratamento biológico A unidade de desinfecção compreende um fotorreator de radiação UV (FR) que consiste de uma unidade tubular, construída em alumínio (DN200). No interior da tubulação foram instaladas quatro lâmpadas de vapor de mercúrio de baixa pressão, potência unitária nominal de 30 W. O esgoto proveniente do é introduzido pela parte inferior (1), saindo pela parte superior (4). Os sólidos acumulados são descartados pelo fundo do FR (5), quando necessário. Por meio do dispositivo de limpeza (3) as lâmpadas UV (2) são mantidas limpas. O sistema de limpeza das lâmpadas se movimenta junto a essas lâmpadas, porém com a vantagem e a simplicidade de um acionamento manual externo ao fotorreator. Um corte esquemático e uma vista frontal da unidade de desinfecção são apresentados na Figura 2. As principais características do sistema integrado encontram-se na Tabela 1. Legenda: 1. entrada do 2. lâmpadas UV 3. dispositivo de limpeza 4. saída do 5. descarga de fundo Figura 2 - Vista geral e corte esquemático da unidade de desinfecção Tabela 1 - Características principais das unidades do sistema integrado Característica Filtro Biológico Percolador Reator Compartimento Compartimento de reação de decantação Fotorreator Altura útil 4,50 m 1,90 m 1,55 m 0,9 m Volume útil 22,1 m 3 9,7 m 3 4,2 m 3 20,7 L Área superficial (m 2 ) 4,91 5,10 m 2 4,25 m 2 0,03 m 2 3

4 Fases e condições operacionais As Tabelas 2 e 3 apresentam as características operacionais das unidades de tratamento biológico e desinfecção. Tabela 2 Características operacionais da unidade de tratamento biológico Reator Tempo de detenção hidráulica: 7,7 h Taxa de aplicação superficial: 13,6 m³/m 2.d Velocidade ascensional: 0,59 m/h Taxa de aplicação superficial (decantador): 16,45 m³/m 2.d Tempo de detenção hidráulica (decantador): 1,46 h. Tabela 3 Características operacionais da unidade de desinfecção Fase Dose aplicada (mw.s/cm 2 ) TDH (s) 1 3, , ,6 30 As doses aplicadas foram calculadas a partir do tempo de detenção na unidade de desinfecção e da intensidade de radiação. A intensidade de radiação UV foi medida através de um radiômetro e corrigida por meio de testes actinométricos. Monitoramento das unidades No monitoramento das unidades foram realizadas, dentre outras, análises de: DBO, DQO, SST, ph e temperatura. Na unidade de desinfecção foram monitoradas também as concentrações de coliformes totais e E. coli. Para a maioria das coletas, foram realizadas amostragens compostas, sendo as análises realizadas de acordo com os procedimentos descritos no Standard Methods for the Examination of Water and Wastewater (AWWA/APHA/WEF, 1998). Para as análises de coliformes totais e E. coli, foi empregada a técnica do substrato cromogênico (Colilert). RESULTADOS E DISCUSSÃO Unidade de tratamento biológico A série temporal dos resultados operacionais da unidade biológica de tratamento de esgotos, em relação aos parâmetros DQO, DBO e SST, é apresentada nas Figuras 3 a 5, enquanto o resumo dos resultados médios é mostrado na Tabela 4. DQO (mg/l) Dia operacional E. Bruto Ef l.ua SB Ef l. DBO (mg/l) Dia operacional E.Bruto Ef l. Ef l. SST (mg/l) Dia operacional E. Bruto Ef l. Ef l. Figura 3 - Resultados de DQO Figura 4 - Resultados de DBO Figura 5 - Resultados de SST 4

5 Parâmetro Tabela 4 - Resultados médios da operação da unidade de tratamento biológico Esgoto Bruto Pontos de amostragem e valores médios Eficiência de remoção (%) Afluente ao reator (EB+ recirc.) Efluente Efluente Reator Sistema / DQO (mg/l) DBO (mg/l) SST (mg/l) Os resultados obtidos indicaram um excelente desempenho do sistema, apesar do reator ter funcionado, também, para adensamento e digestão anaeróbia do lodo de descarte do. O sistema foi capaz de produzir um final com as seguintes concentrações médias: 80 mgdqo/l, 27 mgdbo/l e 17 mgsst/l. Também as eficiências médias de remoção podem ser consideradas excelentes, 78% para DQO e 87% para DBO. Unidade de desinfecção A distribuição dos resultados de coliformes totais e Escherichia coli nas três fases operacionais, com indicação dos valores mínimo, máximo, quartil inferior (25%), quartil superior (75%) e mediana, é apresentada na Figura 6, enquanto o resumo dos resultados médios é apresentado na Tabela 5. 10^9 10^9 Concentração de Coliformes totais (NMP/100mL) 10^8 10^7 10^6 10^5 10^4 10^3 10^2 10^1 10^0 Fase 1 Fase 2 Fase 3 Concentração de Escherichia coli (NMP/100mL) 10^8 10^7 10^6 10^5 10^4 10^3 10^2 10^1 10^0 Min-Max 25%-75% Median value Fase 1 Fase 2 Fase 3 Min-Max 25%-75% Median value Figura 6 - Concentração de coliformes totais e E. coli no e no da unidade de desinfecção Fase Tabela 5 - Resultados médios de inativação de coliformes totais e E. coli na unidade de desinfecção Concentração de C. totais Concentração de E. coli (NMP/100mL) (NMP/100mL) Dose aplicada (mw.s/cm 2 ) EB Afluente Efluente SST (mg/l) Abs. (ua/cm) Efic. Efic. EB Afluente Efluente (log) (log) 1 3,7 6,3x10 9 1,7x10 7 7,7x10 3 3,3 2,7x10 9 3,3x10 6 1,3x10 3 3,3 19 0, ,3 3,6x10 9 2,3x10 7 1,9x10 3 4,1 1,3x10 9 7,6x10 6 3,7x10 2 4,3 18 0, ,6 5,3x10 9 4,4x10 6 1,1x10 3 3,6 5,9x10 8 1,6x10 6 2,1x10 2 3,9 11 0,202 As eficiências de inativação obtidas na Fase 1 foram iguais a 3,3 unidades logarítmicas tanto para coliformes totais quanto para E. coli (dose média aplicada de 3,7 mw.s/cm 2 ). Na Fase 2 (dose média aplicada de 10,3 mw.s/cm 2 e SST médio de 18 mg/l) foram obtidas 4,1 unidades logarítmicas inativadas de coliformes totais e 4,3 unidades logarítmicas de E. coli. Na Fase 3, apesar de uma maior dose média aplicada (11,6 mw.s/cm 2 ) as eficiências médias de inativação de coliformes totais e E. coli foram menores, apresentando valores de 3,6 e 3,9 unidades logarítmicas. Ressalta-se os bons resultados encontrados, devidos aos baixos teores de SST no do (entre 11 e 19 mg/l). Os baixos valores de absorbância contribuíram para as elevadas eficiências no FR. 5

6 Custos de implantação, operação e manutenção A Tabela 6 apresenta os custos de implantação global e por habitante do sistema integrado. Tabela 6 - Custo de implantação global e por habitante do sistema integrado Unidade de Unidade de Total desinfecção tratamento biológico R$ 7.530, , ,00 Custo R$/hab. 15,00 100,00 115,00 US$* 2.600, , ,00 US$/hab. 5,20 34,50 39,70 * Cotação média do dólar: R$ 2,90. Em relação à unidade de tratamento biológico deve-se ressaltar que esses valores foram encontrados para a fabricação do sistema em fibra de vidro e com diversos dispositivos necessários à pesquisa. A utilização de outros materiais, como o concreto e o aço, bem como o projeto mais simplificado podem levar a custos menores. Cabe ressaltar ainda, que para populações maiores, os custos per capita devem ser menores, devido a ganhos de escala. A manutenção do sistema de tratamento biológico consiste no descarte de lodo excedente do reator que, de acordo com testes experimentais, deve ser realizado, aproximadamente, uma vez a cada 20 a 30 dias. Além disso, deve-se atentar para a retirada de escuma acumulada no interior do separador trifásico e nos vertedores das calhas de distribuição do. A manutenção da unidade de desinfecção consiste, basicamente, na limpeza das lâmpadas. De acordo com o fabricante, a vida útil das lâmpadas germicidas utilizadas no experimento é de aproximadamente horas, o que representaria funcionamento contínuo por seis meses ou mais. Assim, supondo-se que haveria a troca das lâmpadas duas vezes no ano e que o custo com a reposição de cada lâmpada é de aproximadamente R$ 78,00 (US$ 27,00), ao final de um ano, o gasto por habitante seria de aproximadamente R$2,49 (US$ 0,86). A pesquisa mostrou que a operação e a manutenção desse tipo de sistema é bem simples, geralmente relacionada apenas à troca de lâmpadas e circuito elétrico e à limpeza física das mesmas. Testes experimentais mostram que intervalos de limpeza de 8 horas são necessários para manutenção da eficiência do sistema. O consumo de energia elétrica do fotorreator operando 24 horas, com tempo de detenção de 30 segundos é apresentado na Tabela 7. Tabela 7 - Consumo energético dos fotorreatores Vazão (m 3 /d) 120 Equivalente populacional (hab) 500 Potência (W) 240 Consumo energético (kwh.ano) 2102 Consumo energético (kwh/hab.ano) 4,2 Consumo energético (kwh/m 3.ano) 0,048 Considerando-se uma tarifa de R$ 0,15/kWh, atendendo uma população de 500 habitantes, ao final de um ano o gasto com energia por habitante seria de aproximadamente R$ 0,63. 6

7 CONCLUSÕES A conjugação de dois processos (anaeróbio e aeróbio) em uma mesma unidade reúne as principais vantagens dos sistemas convencionais já existentes no mercado, acrescendo aspectos inovadores como o adensamento e a digestão do lodo aeróbio, produzido no e retido no decantador, no próprio reator, sem qualquer prejuízo ao funcionamento e à eficiência do sistema de tratamento. Esta configuração possibilita uma enorme redução de custos de implantação e de operação do sistema de tratamento, uma vez que o fluxograma geral da estação não mais necessita de unidades separadas para o adensamento e a digestão do lodo aeróbio, como ocorre nas estações de tratamento convencionais. Em relação à unidade de desinfecção, os resultados demonstraram a aplicabilidade dos fotorreatores para a desinfecção de s de filtros biológicos percoladores. Foram obtidas elevadas eficiências de inativação de coliformes totais e de E. coli para as três fases de operação do fotorreator. Os resultados obtidos indicaram um excelente desempenho do sistema integrado. A unidade de tratamento biológico produziu um final com concentrações médias de 80 mgdqo/l, 27 mgdbo/l e 17 mgsst/l. As eficiências médias de remoção foram de 87% de DBO e de 78% para DQO. A unidade de desinfecção, operando com um equivalente populacional de 500 habitantes, produziu um final com baixas concentrações de coliformes totais e E. coli, com médias de 1,9 x 10 3 e 3,7 x 10 2 NMP/100mL, respectivamente. As eficiências de inativação variaram entre 3,3 e 4,3 unidade logarítmicas. AGRADECIMENTOS Os autores agradecem à FINEP, à CAPES, ao CNPq e à FAPEMIG pelo financiamento da pesquisa, e à COPASA/MG pelo apoio na realização dos trabalhos. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS AWWA/APHA/WEF. Standard methods for the examination of water and wastewater. 20ed. Washington ALVES, C.V.P. Ampliação de escala e avaliação de um fotorreator simplificado de radiação ultravioleta na desinfecção de esgotos tratados. Dissertação de mestrado. Escola de Engenharia, Universidade Federal de Minas Gerais, BOF, V.S., SANT ANA, T.D.C., WANKE, R., SILVA, G.M., SALIM, F.P.C., NARDOTTO, J.I.O., NETTO, E.S., PEGORETTI, J.M. ETE`s compactas associando reatores anaeróbios e aeróbios ampliam a cobertura do saneamento no estado do Espirito Santo. In: CONGRESSO BRASILEIRO DE ENGENHARIA SANITÁRIA E AMBIENTAL, 21, 2001, Rio de Janeiro. Anais... Rio de Janeiro: [s.n.], FRADE, E.C. Concepção e avaliação de desempenho de um sistema compacto reator /filtro biológico percolador utilizado para o tratamento de esgotos sanitário. Dissertação de mestrado. Escola de Engenharia, Universidade Federal de Minas Gerais, UPTON, J., GREEN, B. A successful strategy for small treatment plants. Water Quality International, n.4, p