PROJETO DA ESTAÇÃO DE TRATAMENTO DE ESGOTOS DO RIACHO FUNDO. REMOÇÃO BIOLÓGICA DE NUTRIENTES PELO PROCESSO DE LODOS ATIVADOS POR BATELADA

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1 PROJETO DA ESTAÇÃO DE TRATAMENTO DE ESGOTOS DO RIACHO FUNDO. REMOÇÃO BIOLÓGICA DE NUTRIENTES PELO PROCESSO DE LODOS ATIVADOS POR BATELADA Klaus Dieter Neder (1) Engenheiro Civil Universidade de Brasília, Especialização em Engenharia Sanitária /1988, Aachen, Alemanha, Atualmente é Superintendente de projetos e obras de esgotos da Caesb. Antônio Luis Harada - Engenheiro Civil Universidade De Brasília, Especialização em Engenharia Sanitária , Loughbourogh, Inglaterra. Atualmente é Coordenador de apoio técnico da Superintendência de projetos de esgotos da Caesb. Endereço (1) : S.C.S. - Ed. Caesb - Quadra 04 - Bloco. A - 67/97 - Brasília - DF - CEP: Brasil - Tel: (061) Fax: (061) RESUMO É apresentada a concepção de projeto e dimensionamento da estação de tratamento de esgotos da localidade do Riacho Fundo em Brasília, com população prevista para Hab. Por se situar na bacia de drenagem do lago Paranoá, esta estação foi projetada para promover a remoção de fósforo e nitrogênio dos esgotos, de forma a prevenir a eutrofização do lago. Baseando-se na bem sucedida experiência de Brasília com a remoção de nutrientes por via biológica, foi adotado o mesmo processo de lodos ativados já em operação na cidade, utilizando-se entretanto o processo por batelada, notadamente em função da maior flexibilidade operacional e menor custo de instalação que o mesmo proporciona. PALAVRAS-CHAVE: Tratamento de Esgotos, Lodos Ativados, Lodos Ativados por Batelada, Remoção de Nutrientes. INTRODUÇÃO A localidade do Riacho Fundo foi implantada em Brasília no início da década de 90, fazendo parte de um programa de assentamento de populações de baixa renda, que em um curto período de tempo, criou uma série de novos núcleos urbanos no Distrito Federal. A cidade satélite de Riacho Fundo está localizada na bacia de drenagem do lago Paranoá, já dispondo atualmente de cerca de Habitantes. A disposição da cidade na bacia do lago determinou a necessidade da remoção dos nutrientes dos esgotos, a exemplo do adotado nas demais ETE`s existentes na bacia. Além da necessidade da remoção de fósforo e nitrogênio, a baixa capacidade de diluição do corpo receptor também implicou na necessidade de alto grau de remoção de matéria orgânica. 19 o Congresso Brasileiro de Engenharia Sanitária e Ambiental 710

2 CONCEPÇÃO DO SISTEMA Brasília já conta com duas estações de tratamento de esgotos que utilizam o processo de lodos ativados adaptado para permitir a remoção biológica de nutrientes, através do processo UCT. Estas estações encontram-se em operação a cerca de cinco anos, apresentando bons resultados em termos de remoção de nutrientes, principalmente quanto a fósforo, atendendo plenamente as expectativas da Caesb. A utilização da mesma concepção utilizada nas ETE`s Sul e Norte em outras estações de tratamento da bacia do lago Paranoá tem se colocado como difícil, principalmente em função do alto custo representado pela sua implantação. A duas unidades tiveram um custo de construção médio de cerca de 200,00 dólares por habitante atendido, valor atualmente considerado como muito elevado para a realidade econômica do DF. A estação do Riacho Fundo foi concebida de forma a possibilitar o uso do processo de lodos ativados em patamares de custo significativamente mais reduzidos, visando a manutenção deste processo como viável sob o ponto de vista de custo de implantação. Avaliando-se as estações existentes, pode-se facilmente identificar os principais itens que foram os responsáveis pelo seu elevado custo de implantação, cabendo ser destacado: - Grandes estruturas de concreto, com destaque ao número e tamanho dos decantadores. - Alto grau de mecanização, com uso de equipamentos sofisticados, principalmente nos equipamentos de aeração e polimento final. Para se obter uma estação de tratamento de custo mais reduzido, tornou-se óbvio que estes itens teriam de sofrer uma profunda alteração, fato que foi vislumbrado através do uso do sistema por batelada, levando a adoção deste processo como ponto de partida para a definição do tratamento a ser adotado para o Riacho Fundo. A opção pela utilização do regime por batelada proporcionou o uso de uma série de alternativas ao processo convencional de lodos ativados em fluxo contínuo, podendo ser destacado: - A possibilidade de se prescindir de decantação secundária, implicando em grande economia de custo. Além da significativa redução do volume de obras civis, a eliminação dos decantadores secundários permite também grande economia em termos de instalação e operação de equipamentos, sendo o caso da ponte raspadora de lodo dos decantadores e a unidade de recirculação de lodo e respectivas tubulações. - Como o processo por batelada não utiliza decantadores secundários, optou-se também pela não utilização dos decantadores primários, já que no processo de remoção de nutrientes por via biológica a falta do decantador primário é de certa forma benéfica para o processo, já que aumenta a disponibilidade de matéria orgânica para se promover a desnitrificação e a liberação do fósforo na fase anaeróbia. - Com a ausência de decantadores, a única unidade de porte que resta na estação passa a ser o reator ou tanque de aeração. Este tanque, neste tipo de processo, não necessita de 19 o Congresso Brasileiro de Engenharia Sanitária e Ambiental 711

3 qualquer configuração especial, tratando-se apenas de um tanque de reação. Optou-se portanto pelo uso de tanques estruturados no solo, prescindindo de estruturas de concreto armado convencionais. Os tanques foram construídos então como mini lagoas de estabilização. Para a impermeabilização foi utilizada geomembrana de laminado vinílico, recebendo ainda uma camada de concreto para proteção mecânica. - Para a aeração foram utilizados aeradores mecânicos flutuantes, com custo de instalação bastante inferior ao sistema de ar difuso utilizado nas ETE`s existentes. Além de ter proporcionado o uso das alternativas descritas, aplicadas com o objetivo principal de redução do custo de implantação, o sistema por batelada apresenta uma característica muito vantajosa em relação ao processo por fluxo contínuo, que é a possibilidade de se variar as diversas fases operacionais relacionadas à remoção biológica de nutrientes. Com o processo se dá ao longo do tempo e não do espaço como no sistema por fluxo contínuo, torna-se possível estabelecer, e variar, as condições de funcionamento do processo, sendo possível a otimização das diversas etapas, anaeróbia, anóxica e aeróbia, às condições específicas do esgoto que vai ser tratado. LAY-OUT DA ESTAÇÃO Com as características citadas, conforme Fig. 1, a estação foi então concebida com as seguintes unidades: - Caixa de entrada com medidor de vazão através de sonda por ultra-som. - Gradeamento. O tradicional gradeamento foi substituído por um conjunto de peneiras hidrodinâmicas, com abertura de 1,5 mm. Esta opção foi diretamente relacionada com a decisão de não utilização do decantador primário, de forma a evitar a presença de detritos indesejáveis nos tanques de lodo ativado. Ë de se esperar que se verifique também certa remoção de matéria orgânica na peneira, uma vez que a maioria dos sólidos grosseiros orgânicos serão retidos na mesma. Pelo fato do material retido possuir um elevado teor de matéria orgânica, foi previsto o confinamento da caçamba que recolhe os detritos retirados pela peneira e posterior tratamento dos gases produzidos, através do uso de um bio-filtro. Deve ser ressaltado que o uso de peneiras hidrodinâmicas depende da disponibilidade de carga hidráulica, o que de certa forma limita o seu uso. Uma característica vantajosa deste tipo de equipamento é o fato das mesmas não disporem de qualquer equipamento mecânico para seu funcionamento. 19 o Congresso Brasileiro de Engenharia Sanitária e Ambiental 712

4 FIG. 1 - LAY-OUT DA ESTAÇÃO - Desarenadores. Depois da peneira foi colocada uma caixa de areia mecanizada com sistema de retirada de areia por parafuso. Por medida de economia o canal reserva foi previsto com limpeza manual. - Fermentador. Está comprovado que para uma boa liberação de fósforo na fase anaeróbia, é necessária a presença de matéria orgânica facilmente degradáveis junto ao lodo ativado. Este tipo de matéria orgânica é formada a partir da quebra das moléculas maiores presentes no esgoto fresco, verificando-se em maior quantidade quando o esgoto encontra-se séptico. Como o sistema coletor do Riacho Fundo é relativamente pequeno e de declividade acentuada, a juzante do tratamento preliminar foi previsto um tanque fermentador para permitir um início de geração de matéria orgânica rapidamente biodegradável. Este tanque a montante dos reatores de processo trata-se basicamente de um tanque de retenção dos esgotos, onde se inicia o processo de acidificação da matéria orgânica. Neste tanque existe a opção de se permitir ou não o acumulo de lodo no fundo, através do acionamento de equipamento de mistura. Com o início da degradação da matéria orgânica no tanque fermentador, acelera-se o processo de liberação de fósforo na fase anaeróbia do processo principal. Quanto maior a liberação, maior a posterior assimilação na fase aeróbia. - Reatores de lodo ativado, onde ocorre o processo principal de tratamento. Em número de três, os reatores incluem: o sistema de retirada de lodo, através de tomadas de fundo; o sistema de coleta de efluente, através de coletores flutuantes; sondas de controle de nível de oxigênio, em número de duas por tanque, uma na zona aerada e uma na zona anóxica; 19 o Congresso Brasileiro de Engenharia Sanitária e Ambiental 713

5 medidor de nível por ultra-som; aeradores mecânicos flutuantes e propulsores para movimentação da massa líquida. No reator estão previstas todas fases relacionadas ao processo de lodos ativados convencional e aquelas complementares relacionadas à remoção biológica de nutrientes. No mesmo tanque ocorre a degradação da matéria orgânica, a liberação e retenção de fósforo no lodo, a nitrificação e desnitrificação do nitrogênio, bem como a sedimentação do lodo e coleta do líquido clarificado como efluente. A dimensão e número dos tanques reatores foi determinada de forma a cobrir o hidrograma de vazão afluente, respeitando todas as etapas do ciclo de tratamento. Todas operações de enchimento e esvaziamento do reator são efetivadas através de válvulas motorizadas, que atuam através de comando efetuado pela central de controle operacional da ETE. - Digestor de lodo, com a finalidade de estabilizar aerobicamente o lodo em excesso produzido pela estação. Neste tanque foram utilizados aeradores mecânicos flutuantes, uma sonda de oxigênio e um medidor de nível por ultra som. - Central de desidratação de lodos, com a finalidade de desidratar o lodo digerido produzido pela estação. Na ausência de decantadores, todo lodo da estação se resume ao lodo de descarte dos reatores. Mesmo com a decantação do lodo nos reatores não se espera que o lodo que chega à central de desidratação tenha concentração superior a 0,8%. Desta forma na central foram utilizadas três centrífugas, onde duas em paralelo tem a função de adensamento e a terceira em série com as duas primeiras tem a função da desidratação propriamente dita. Espera-se uma concentração final da ordem de 25% de sólidos. - Central de controle operacional, com a finalidade de automatizar o funcionamento da estação. Esta central controla todos os equipamentos da estação, efetuando o gerenciamento de todas as etapas de funcionamento da estação, tanto a nível hidráulico como a nível de processo. Este gerenciamento permite o controle da seqüência de bateladas, em função do regime hidráulico afluente à estação, efetuando a alternância de uso dos três tanques reatores e preservando todos os parâmetros estabelecidos para a rotina operacional. O PROCESSO DE REMOÇÃO BIOLÓGICA DE NUTRIENTES POR BATELADA. No regime por batelada, todas as fases do processo de lodos ativados com remoção biológica de nutrientes ocorrem no tempo, durante um ciclo de operação. Na ETE Riacho Fundo, em um ciclo completo, são previstas as seguintes fases de processo: 1 a fase - Enchimento anaeróbio. Caracteriza-se pelo enchimento do tanque com esgoto, sem a utilização de qualquer mecanismo de aeração. Os misturadores permanecem ligados para permitir a mistura do lodo com o esgoto afluente. Ocorre a liberação do fósforo mediante a assimilação de matéria orgânica facilmente biodegradável por parcela das bactérias presentes no lodo ativado. Tem a duração prevista em 1 hora. 19 o Congresso Brasileiro de Engenharia Sanitária e Ambiental 714

6 2 a fase - Enchimento aeróbio. Trata-se da continuação do enchimento dos tanques, com o acionamento dos equipamentos de aeração. Nesta fase inicia-se a degradação aeróbia da matéria orgânica, a nitrificação e a acumulação de fósforo no lodo ativado. Tem duração variável em função da vazão afluente. 3 a fase - Reação aeróbia com nitrificação e desnitrificação simultânea. Com o tanque cheio, os aeradores são mantidos ligados, até que se obtenha a degradação desejada da matéria orgânica, incluindo ainda a nitrificação da amônia e a acumulação em excesso do fósforo no lodo ativado. Nesta fase uma parcela do tanque é mantida sem aeração visando obter na mesma uma condição anóxica, de forma a possibilitar a desnitrificação. A desnitrificação é dita simultânea por ocorrer na própria fase aeróbia do ciclo. O principal motivo de se utilizar a desnitrificação simultânea é a presença de matéria orgânica disponível no reator, que pode ser utilizada para efetuar a desnitrificação. A circulação do esgoto entre as zonas aeróbias e anóxicas é feita pelos próprios aeradores em um esquema semelhante ao sistema carrossel. Tem duração prevista entre 3 a 4 horas, dependendo do tempo gasto no enchimento aeróbio. O número de aeradores ligados vai ser função da demanda de oxigênio que se verificar, já que a central de controle operacional terá as informações de oxigênio dissolvido presente no tanque, podendo comparar as mesmas com os set-points estabelecidos e atuar em decorrência nos aeradores. A desnitrificação pode ser complementada pela inclusão de fases anóxicas no período de aeração, com se segue. 4 a fase - Reação anóxica. É uma fase optativa e visa reduzir o nível de nitratos no reator, através do desligamento de todo o sistema de aeração, mantendo-se a mistura. Pode ter a duração de até 1 hora. Esta fase pode ser estabelecida durante o período de aeração, com pequenos intervalos anóxicos, ou depois da fase aeróbia, quando não tem mais muito efeito em função da falta de matéria orgânica. 5 a fase - Decantação. São desligados todos os equipamentos de aeração e mistura de forma a se obter a decantação do lodo ativado. Tem duração prevista em 1 hora. 6 a fase - Descarte de lodo. Ocorre após a decantação do lodo. O volume de lodo a ser descartado é estabelecido para uma idade de lodo de 10 dias. O lodo de descarte é rico em fósforo e deve ser estabilizado aeróbicamente de forma a impedir a reliberação do fósforo acumulado. A operação dura apenas alguns minutos. 7 a fase - Descarte do efluente. Após a decantação do lodo é efetuado o descarte do efluente através de coletores flutuantes que acompanham o nível do tanque. Tem duração prevista em 1 hora. Todo o ciclo tem uma duração total prevista em cerca de 8 horas. Com a operação da estação será possível a otimização do tempo de cada fase de acordo com as características reais do esgotos afluente e de funcionamento do processo. 19 o Congresso Brasileiro de Engenharia Sanitária e Ambiental 715

7 DIMENSIONAMENTO A unidade foi projetada para atender a uma população de Hab, com vazão afluente média e máxima de 93 l/s e 167 l/s, respectivamente, e carga orgânica média resultante de 2160 kg DBO5/dia. O dimensionamento da estação teve a seguinte seqüência: - Tamanho e número de tanques de reação: Baseou-se nos tempos de duração do ciclo estabelecido para uma batelada. Para isto, foram simuladas diversas seqüências de enchimento de tanques, até otimizar o volume de forma a cobrir todo o hidrograma de vazões afluentes. Feitas as simulações chegou-se a um volume total de m3 em cada um dos três reatores. - Equipamentos de aeração: Procurou suprir a necessidade decorrente da degradação da matéria orgânica e da nitrificação. - Equipamentos de mistura: Foi determinado de forma a fornecer a potência necessária para manter os sólidos em suspensão e permitir a recirculação entre as zonas aeróbia e anóxica. Os principais parâmetros de dimensionamento do reator, considerando uma batelada na vazão média estão condensados na Tabela 1 a seguir. 19 o Congresso Brasileiro de Engenharia Sanitária e Ambiental 716

8 TABELA 1 - PARÂMETROS DE PROJETO DO REATOR POR BATELADA. ETE RIACHO FUNDO Parâmetro unid. Qtd. Observação Vazão afluente m3/h 335,88 DBO afluente kg/m3 0,25 NH4 afluente kg/m3 0,04 PT afluente kg/m3 0,006 Carga DBO kg/h 83,97 Carga NH4 kg/h 13,44 Carga de PT kg/h 2,01 Volume 1 batelada m ,00 Tempo médio de enchimento h 4,85 Tempo para Q médio Carga DBO/Batelada kg 407,50 Carga NH4/Batelada kg 65,20 Carga PT/Batelada kg 9,77 Relação DBO/PT afluente - 41,7 Volume reator m ,00 Parcela anóxica % 25,00 Parcela sem aeração no reator Concentração lodo kg/m3 2,50 Nível operacional Massa lodo kg 6.225,00 Tempo aeração h 4,00 Consumo O2 degrad. DBO kg.o2/bat 290,24 Massa de descarte kg/batelada 125,87 Idade de lodo de 10 dias PT incorporado no descarte % 6,9 Valor dentro da faixa usual que pode chegar a 10% Nitrogênio descartado kg/batelada 11,33 Incorporado no lodo Nitrogênio efluente kg/batelada 7,99 Perda de sólidos no efluente Nitrato efluente kg/batelada 6,52 Perda de sólidos no efluente Massa lodo aeróbio kg 4.668,75 Lodo na zona aeróbia Nitrogênio kg/batelada 45,88 Com 90% de nitrificação nitrificável/batelada Vel. Nitrif. Potencial g/kg.h 4,49 Valor corrigido para 20 ºC Vel nitrifcação g/kg.h 3,51 Valor efetivo esperado Consumo O2 Nitrificação kg.o2/bat. 211,07 Massa lodo naóxico kg 1.556,25 Lodo na zona anóxica Nitrogênio Desnitrificável kg/batelada 39,36 Com 90% de desnitrificação Vel. Desnitrif. Potencial g/kg.h 2,81 Valor corrigido para 20 ºC Desnitrificação zona anóxima g/batelada 17,46 Tempo anóxico h 1,25 Período anóxico complementar Oxigênio da Desnitrificação kg O2/bat. 114,16 Oxigênio devolvido pela desnitrificação DBO consumido kg.dbo/bat. 136,99 Desnitrificação Consumo O2 Total kg.o2/bat. 501,31 Consumo O2/hora kg.o2/hora 125,33 Potência instalada KW 153,52 19 o Congresso Brasileiro de Engenharia Sanitária e Ambiental 717

9 Conforme dados da Tabela 1, o ciclo de batelada projetado, tem potencial de, não só remover a matéria orgânica do esgoto, como também atingir um elevado grau de nitrificação, desnitrificação e eliminação de fósforo, com remoção da ordem de 90 % destes parâmetros. CONCLUSÕES As características construtivas e de processo utilizadas na ETE Riacho Fundo em Brasília, permitiram construir um sistema completo de tratamento a nível terciário, com custo de implantação da ordem de 90 Reais por habitante atendido. No Distrito Federal, a utilização do processo de lodos ativados com fluxo por batelada, com a concepção apresentada, tornou-se uma alternativa mais atraente nos aspectos de custo e flexibilidade operacional, do que o processo por fluxo contínuo, no caso de estações de médio porte. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS 1. Conversion of small municipal wastewater treatment plants to sequencing batch reactors. Canada Environmental Protection Service (1987). 2. Sequencing Batch Reactors - Summary Report. US - EPA (1986). 3. Kayser, Rolf (1983). Ein Ansatz zur Bemessung einstufiger Belebungs-anlagen fur Nitrifikation-DenitrifiKation. GWF - Das Gas-und Wasserfach. Heft o Congresso Brasileiro de Engenharia Sanitária e Ambiental 718