REMOÇÃO DE SURFACTANTES NO PÓS-TRATAMENTO DE EFLUENTE DE REATOR UASB UTILIZANDO FILTRO BIOLÓGICO PERCOLADOR

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1 REMOÇÃO DE SURFACTANTES NO PÓS-TRATAMENTO DE EFLUENTE DE REATOR UASB UTILIZANDO FILTRO BIOLÓGICO PERCOLADOR Renato Giani Ramos (*) Ondeo-Degremont Brasil Universidade Camilo Castelo Branco. Graduação em Engenharia Civil pela Universidade de Campinas em 199, Mestre em Hidráulica e Saneamento pela Escola Politécnica da Universidade de São Paulo 02. Docente pela Universidade Camilo Castelo Branco e engenheiro pela Ondeo-Degremont Brasil. Pedro Alem Sobrinho Departamento de Engenharia Hidráulica e Sanitária da Escola Politécnica da Universidade de São Paulo. Endereço do autor principal (*) : Rua Maris e Barros, 54 São Paulo SP CEP: Brasil Tel.: 55(11) Fax 55(11) renatogiani@ig.com.br RESUMO Este trabalho apresenta os resultados de avaliação de um sistema de pós-tratamento de efluente de reator UASB utilizando um filtro biológico percolador seguido por decantador secundário, destacando-se a remoção de surfactantes. O reator UASB, com volume útil de 24,54 m 3, foi operado com um tempo de detenção hidráulica de 8 horas. O filtro biológico percolador uma altura de enchimento de pedras (5 a 9 cm) de 1,80 m, e volume de enchimento 1,15 m 3, foi operado com taxas de aplicação hidráulica (TAH) de 30 (Etapa I), (Etapa II) e 10 (Etapa III) m 3 /m 2.dia, por um período total de meses. Para a Etapa I, o efluente final apresentou valores médios de DQO = 40 mgo 2 /L e MBAS = 2,25 mg MBAS/L, com eficiências respectivas de 30% e 2% para o filtro biológico percolador. Para a Etapa II, o efluente final apresentou valores médios de DQO = 52 mgo 2 /L e MBAS = 1,02 mg MBAS/L, com eficiências respectivas de 42% e 55% para o filtro biológico percolador. Para a Etapa III, o efluente final apresentou valores médios de DQO = 21 mgo 2 /L e MBAS = 0,1 mg MBAS/L, com eficiências respectivas de 48% e 80% para o filtro biológico percolador. Constatou-se que as eficiências de remoção de DQO, SST e surfactantes aumentaram com o decréscimo da TAH e que a eficiência de remoção de surfactantes esteve intimamente relacionada com a eficiência de remoção de DQO, em todas as etapas. Palavras-chaves: Surfactantes; Pós-tratamento; Filtro Biológico INTRODUÇÃO O desenvolvimento de pesquisas que tratem conjuntamente a questão do tratamento anaeróbio e do pós-tratamento de seus efluentes tem adquirido crescente importância, visando uma correta adequabilidade junto às diversas legislações ambientais. A combinação desses sistemas tende a atingir, entre outras vantagens, uma remoção de vários dos poluentes presentes nos esgotos. Entre os poluentes no esgoto, estão os detergentes sintéticos, que em sua formulação são compostos basicamente de surfactantes e aditivos. Os detergentes sintéticos, atualmente têm se apresentado como grande empecilho em muitos sistemas de tratamento, já que em condições anaeróbias os surfactantes não são biodegradados, dificultam a transferência de oxigênio, modificam as características de sedimentação dos sólidos em suspensão, além de, na baixa eficiência de sua remoção, provocarem a formação de espuma em corpos d água que mais do que o efeito estético, pode ocasionar problemas à saúde. Tendo em vista suas facilidades de operação, manutenção, baixo custo e baixo consumo de energia, os filtros biológicos percoladores encaixam-se perfeitamente como mais uma alternativa para o pós-tratamento de efluentes anaeróbios, podendo encontrar uma elevada adequabilidade no Brasil. Essa pesquisa visa avaliar a funcionalidade, em especial a remoção de surfactantes, de um sistema aeróbio de póstratamento de efluente de reator tipo UASB, constituído por filtro biológico com leito percolador de pedras e decantador 1

2 secundário. A combinação desses dois sistemas anaeróbio e aeróbio - pode contribuir de maneira significativa para uma redução de custos operacionais e energéticos de sistemas de tratamento de esgotos. MATERIAL E MÉTODOS Alimentação do sistema O estudo foi desenvolvido em um sistema piloto implantado em área do Centro Tecnológico de Hidráulica (CTH) localizado dentro da Cidade Universitária da USP, situada na cidade de São Paulo. Para alimentação desse sistema piloto utilizou-se um sistema de recalque composto por bomba submersível e tubulação de ferro fundido, onde o esgoto, de características bem mais fracas que as de um esgoto sanitário típico, foi bombeado do poço de sucção de uma Estação Elevatória da SABESP, situada nas proximidades do Centro Tecnológico de Hidráulica, até o local do experimento. A estação de tratamento em escala piloto foi, basicamente, constituída por: pré-tratamento (gradeamento e caixa de areia), tratamento anaeróbio (UASB) e tratamento aeróbio complementar (Filtro biológico percolador (FB) + Decantador Secundário(DS)). A vazão afluente ao Reator UASB permaneceu constante, enquanto que para alimentação do filtro percolador, apenas uma parcela do efluente do Reator UASB era utilizada, de modo a se ter taxas de aplicação hidráulica superficial no filtro biológico com diferentes valores. Características principais da unidade piloto As características principais do sistema UASB/FB/DS, em escala piloto, são apresentados na Tabela 1. TABELA 1: Características principais da unidade piloto Característica Reator UASB Filtro Biológico Decantador Secundário Material Aço Aço Alvenaria Seção interna (mm) Ø 2500 Ø x 900 Altura Total (m) 5,00 2,10 1,50 Altura do leito (m) - 1,80 - Volume útil (m 3 ) 24,54 1,15 1,14 Área Superficial (m 2 ) 4,91 0,64 0,81 Leito Percolador O enchimento do filtro biológico foi composto por Brita 4, com diâmetros variando de 5 a 8 cm, com área superficial específica de cerca de 65 m 2 /m 3, com índice de vazios de ~49 % e peso unitário de 1,39 g/cm 3. Funcionamento do Filtro Biológico Percolador O filtro biológico apresentou um sistema de distribuição fixo (aspersores) de onde o afluente foi distribuído homogeneamente pela área superficial e por conseguinte em fluxo descendente pelo leito de meio suporte, sendo coletado em sua camada inferior por um sistema de drenagem e encaminhado por gravidade até o decantador secundário. No decantador, os sólidos suspensos efluentes do filtro percolador foram removidos do efluente final, sendo esse coletado por sistema de canaletas na parte superior do decantador. Condições Operacionais da planta piloto Foram impostas três etapas de operação, a fim de avaliar o comportamento do sistema: Etapa I : ajuste do sistema e aplicação de taxa hidráulica de 30 m 3 /m 2.dia; Etapa II : aplicação de taxa hidráulica m 3 /m 2.dia; Etapa III: aplicação de taxa hidráulica de 10 m 3 /m 2.dia. 2

3 Monitoramento do sistema A unidade piloto foi monitorada por um período de meses, de junho a dezembro de 01, tendo sido avaliados os seguintes parâmetros físico-químicos: DQO, SST, SSV, ph, alcalinidade, surfactantes, nitrato e nitrito. Todas as determinações analíticas foram realizadas de acordo com o Standard Methods for Examination of Water and Wastewater, a ed. (AWWA/APHA/WPCF, 1998). As amostras foram coletadas em frascos de 1 litro, na entrada (distribuição sobre o filtro) e na saída (canaletas do decantador secundário) do sistema de pós-tratamento e imediatamente encaminhadas ao laboratório. Principalmente devido ao alto grau de biodegradação dos surfactantes, todas as amostras eram coletadas e analisadas no mesmo dia. Durante a mudança de etapas, deixaram de ser coletadas amostras, tendo em vista a necessidade de aclimatação dos microrganismos às novas taxas. Este período variou de a 10 dias, entre etapas. É importante destacar que o afluente apresentou grandes variações em sua composição, tendo predominado concentrações de poluentes bem inferiores às verificadas em esgoto sanitário tipicamente doméstico. Entretanto, em muitas vezes, o sistema foi capaz de apresentar índices de remoção relativamente significativos. APRESENTAÇÃO E DISCUSSÃO DOS RESULTADOS Os resultados apresentados na tabela 2, correspondem às análises efetuadas após o esgoto já ter passado pelo sistema de pré-tratamento e pelo reator UASB. O estudo conteve-se na verificação do sistema de pós-tratamento (FB/DS), uma vez que o intuito desta pesquisa a remoção de surfactantes não ocorre em condições anaeróbias. (SWISHER, 195) TABELA 2: Resumo dos Resultados Médios Fases Parâmetro Afluente do FB/DS Efluente do FB/DS Eficiência FB/DS 1 DQO (mg/l) % SST (mg/l) 12 40% SSV (mg/l) % ph 6,92,50 - alcalinidade (mg CaCO 3 /L) 124,5 115,6 - surfactantes (mg MBAS/L) 3,09 2,25 2 % nitrato zero zero - nitrito zero zero - 2 DQO (mg/l) % SST (mg/l) % SSV (mg/l) % ph,14,39 - alcalinidade (mg CaCO 3 /L) 12,9 122,3 - surfactantes (mg MBAS/L) 2,36 1,02 55 % nitrato zero zero - nitrito zero zero - 3 DQO (mg/l) % SST (mg/l) % SSV (mg/l) % ph 6,84,25 - alcalinidade (mg CaCO 3 /L) 95,3 66,0 - surfactantes (mg MBAS/L) 0,83 0,1 80 % nitrato zero 6,11 - nitrito zero 0,56-3

4 Analisando-se a Tabela 2, verifica-se a grande variabilidade na concentração de matéria orgânica nas diferentes etapas em estudo. Na etapa II, onde o afluente apresentou um maior valor médio de DQO (90 mg/l), o sistema de póstratamento apresentou razoavelmente boa remoção (42 %), proporcionando um efluente com 52 mg/l. Para a etapa III, embora o afluente ao filtro percolador apresentasse baixa concentração de matéria orgânica, o sistema de pós-tratamento apresentou uma muito boa remoção complementar de matéria carbonácea. Analisando-se os sólidos em suspensão, embora a concentração no efluente do sistema FB/DS tenha se apresentado sistematicamente baixa, uma boa remoção complementar também pode ser considerada com eficiências variando de 40% a 68%, entre SST e SSV. Nota-se que ocorreu uma variação de ph muito pequena nas diferentes etapas entre o afluente e o efluente do sistema de pós-tratamento, estando os mesmos sempre muito próximos a, mesmo quando na etapa III já se teve uma nitrificação parcial. Em relação aos surfactantes, na etapa III especialmente, obteve-se valores médios de MBAS (Substâncias Ativas ao Azul de Metileno) bem inferiores ao normalmente encontrados em esgotos sanitários comuns (aprox. 3 mg MBAS/L ). (GADELHA, 1986). Estudos Estatísticos sobre surfactantes Visando correlacionar os valores obtidos analítica e operacionalmente, convencionou-se associá-los estatisticamente aos surfactantes a fim de promover conclusões mais objetivas. a) Eficiência na remoção de surfactantes x Taxa de aplicação hidráulica Considerou-se avaliar as mudanças na eficiência na remoção de surfactantes segundo a taxa de aplicação hidráulica (TAH). A figura 1 apresenta, mediante o uso de gráficos Box Plot, a distribuição dessa eficiência nas diferentes taxas de aplicação hidráulica. Observou-se que valores maiores de eficiência ocorreram quando a taxa de aplicação hidráulica foi menor e vice-versa. TABELA 3: Médias observadas da eficiência nas diferentes TAH Taxa de aplicação Eficiência média Intervalo de confiança de ρ hidráulica (TAH) remoção de SURF de 95% 30 m / m dia 28 % (0,21; 0,36) m / m dia 55 % (0,35; 0,6) 10 m / m dia 80 % (0,66; 0,94) 4

5 Eficiência na remoção de surf (%) N = 10,00, ,00 Taxa de aplicação hidráulica (m3/m2.dia) Figura 1: Distribuição da eficiência na remoção de surfactantes (%) segundo a Taxa de Aplicação Hidráulica (m 3 /m 2.dia) Embora descritivamente seja observada uma maior variabilidade na eficiência de remoção de surfactantes quando a TAH é m 3 / m 2. dia, notou-se que essa diferença não foi estatisticamente significativa através do Teste de Igualdade de Variâncias, onde encontrou-se P=0,10. Em situações em que a variável sob estudo tem distribuição contínua, este teste avalia se existem diferenças nas variâncias da variável sob os diferentes tratamentos. Valores de P inferiores a 0,05 indicam que existe ao menos dois tratamentos cujas verdadeiras variâncias diferem significativamente. Para análise estatística da eficiência sob as diferentes taxas de aplicação hidráulica utilizou-se o Teste de Kruskal e Wallis (K-W), encontrando-se neste caso diferenças significativas para P=0,0013. Em situações em que a variável sob estudo tem distribuição contínua, este teste avalia se a distribuição da variável é a mesma sob os diferentes tratamentos (compara as distribuições). Valores de P inferiores a 0,05 indicam que existe ao menos dois tratamentos, onde um deles tende a apresentar valores da variável maiores aos valores do outro tratamento. Na Tabela 3 foram apresentadas as médias da eficiência observadas nas diferentes etapas conjuntamente com os respectivos intervalos de confiança. Fazendo comparações múltiplas, pôde-se afirmar que existe uma tendência significativa a apresentar valores de eficiência menores quando a TAH é 30 m 3 / m 2. dia e maiores quando é 10 m 3 / m 2. dia. 5

6 b) Eficiência na remoção de DQO X Eficiência na remoção de surfactantes Eficiência na remoção de DQO (%) TAH Eficiência na remoção de surf (%) Figura 2: Diagrama de dispersão da eficiência na remoção de DQO (%) pela eficiência de remoção de surfactantes A variação na eficiência na remoção de DQO pode ser explicada em função da eficiência na remoção de surfactantes. No gráfico da figura 2 observou-se que valores altos na eficiência na remoção de DQO aconteceram com valores altos na eficiência na remoção de surfactantes, sendo que esta direção na associação foi a mesma para as diferentes TAH consideradas, como pode ser observado também na Tabela 4, através da análise do coeficiente de correlação de Pearson. Tabela 4: Coeficiente de Correlação de Pearson entre eficiências na remoção de DQO e surfactantes, nas diversas taxas de aplicação hidráulicas Taxa de aplicação hidráulica (TAH) Coeficiente de correlação de Pearson ( ρ ) Intervalo do 95% de confiança de ρ 30 m / m dia 0,96* (0,; 0,99) m / m dia 0,69 (-0,13; 0,95) 10 m / m dia 0,21 (-0,64; 0,83) *significativamente não nula ao nível dos 5% Observou-se que nas três etapas a correlação observada foi positiva, embora só no caso em que a TAH foi de 30 m 3 / m 2. dia, ela foi significativamente não nula. Baseado nestes dados, é possível prever a partir dos valores da eficiência na remoção de surfactantes quais serão os valores da eficiência na remoção do DQO, usando uma regressão linear comum às três etapas, os resultados são apresentados na Tabela 5. Não foram detectadas mudanças significativas na regressão linear segundo a taxa de aplicação hidráulica. 6

7 Tabela 5: Valores previsíveis da eficiência média na remoção do DQO Eficiência na remoção Eficiência média na Intervalo do 95% de de surfactante remoção do DQO confiança da média % 25% (0,16; 0,33) 40% 33% (0,2; 0,38) 60% 41% (0,35; 0,46) 80% 49% (0,41; 0,56) A reta de regressão estimada resulta na equação 1: Eficiência remoção de DQO = 0,1 + 0,40 x Eficiência remoção de SURF R 2 = 0.46 Equação (1) c) Taxa específica de remoção x Taxa de aplicação Hidráulica Analisando-se a Taxa Específica de Remoção de surfactantes pela Taxa de Aplicação hidráulica, pode-se notar pela figura 3 que nas etapas I e II as taxas específicas de remoção média foram praticamente as mesmas, o que permite concluir que para valore de TAH maiores do que esses não obter-se-ia melhores remoções. 30 Taxa espec ifica de remoção de surf (g MBAS/m3.dia) 10 0 N = Taxa de aplicação hidráulica (m3/m2.dia) Figura 3: Diagrama de distribuição da taxa específica de remoção (m3/m2.dia) pela taxa de aplicação hidráulica (m3/m2.dia)

8 CONCLUSÕES Do trabalho apresentado pode-se concluir: Em geral, as eficiências de remoção de surfactantes, decresceram com o aumento das taxas de aplicação hidráulica. Isto se justifica devido a possibilidade do esgoto estar em maior tempo de contato com o biofilme para Taxa de Aplicações Hidráulicas menores. Conforme já era esperado, a eficiência de remoção de surfactantes está intimamente ligada a eficiência de remoção de DQO. A utilização de TAH maiores do que m 3 /m 2.dia não leva a boas remoções de surfactantes. Uma boa nitrificação se mostrou possível apenas com TAH inferiores a 10 m 3 /m 2.dia, mesmo comtaxas de aplicação orgânica no filtro percolador bastante baixas. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS Aisse, M.M., et al. (01) Avaliação do Sistema Reator UASB e Filtro Biológico para Tratamento de Esgoto Sanitário, in: Congresso Brasileiro de Engenharia Sanitária e Ambiental, 21. João Pessoa, 01, Anais, RJ, ABES. APHA, AWWA, WPCF, (1998) Standard Methods for the Examination of Water and Wastewater, th ed., American Public Health Association, Washignton, D.C., EUA. Além Sobrinho, P. (1998) Fundamentos Teóricos dos Reatores Biológicos e sua Aplicação no Tratamento de Águas Residuárias, in: IV Curso Internacional Sobre Controle Da Poluição Da Águas, CETESB. Berna, J.L., Moreno, A., Ferrer, J. (1993) The behaviour of LAS in the environment. Journal of Chemical Technology and Biotechnology, V.50, Brenner, T.E. (1968) The impact of biodegradable surfactants on water quality. Journal Aim Oil Chemical Society, V.45, Brunner, P.H, Capri, S., Marcomini, A., Giger, W. (1988) Occurrence and behaviour of linear alkylbenzene sulphonates, nonylphenol diethoxylates in sewage and sewage sludge treatment, Water Research, V. 22, Gadelha, C.L.M (1986) Efeito dos detergentes sintéticos biodegradáveis no processo de digestão anaeróbia de lodos de esgotos predominantemente domésticos, Tese de doutorado, Escola Politécnica, Universidade de São Paulo, São Paulo, 216 pp. Ramos, R.G. (02) Remoção de surfactantes no pós-tratamento de efluente de reator UASB utilizando filtro biológico percolador, Dissertação de Mestrado, EPUSP, São Paulo Shreve, N.R., (196) Soap and Detergents Chemical Process Industries, McGraw Hill, NY, Swisher, R.D. (195) Surfactants Biodegradation, V.3, Marcel Dekker, NY, 496 p. Waters, J. (196) The contribution of linear alkylbenzene sulphonate to the MBAS level of some UK and Dutch surface waters, Vom Wasser, V. 4,