PÓS-TRATAMENTO DE EFLUENTES DE LAGOAS ANAERÓBIAS POR MEIO DE PROCESSO FÍSICO-QUÍMICO UTILIZANDO SULFATO DE ALUMÍNIO COMO COAGULANTE

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1 PÓS-TRATAMENTO DE EFLUENTES DE LAGOAS ANAERÓBIAS PÓS-TRATAMENTO DE EFLUENTES DE LAGOAS ANAERÓBIAS POR MEIO DE PROCESSO FÍSICO-QUÍMICO UTILIZANDO SULFATO DE ALUMÍNIO COMO COAGULANTE Aline Akabochi Fabreti Engenheira Civil Universidade Estadual de Londrina, Mestranda do Departamento de Engenharia Hidráulica e Sanitária Escola Politécnica Universidade de São Paulo PHD/EP/USP Luís Fernando Rossi Léo Engenheiro Civil Escola de Engenharia de Lins, Doutorando do Departamento de Engenharia Hidráulica e Sanitária Escola Politécnica Universidade de São Paulo PHD/EP/USP Roque Passos Piveli Engenheiro Civil Escola de Engenharia de São Carlos da USP, Mestre em Hidráulica e Saneamento EESC/USP, Doutor em Engenharia Hidráulica e Sanitária Escola Politécnica da USP, Professor do Departamento de Engenharia Hidráulica e Sanitária EP/USP Resumo Neste trabalho estudou-se o pós-tratamento de efluente de lagoa anaeróbia por processo físico-químico à base de coagulação e floculação. Comparou-se a decantação acelerada com a flotação com ar dissolvido como etapas de separação de sólidos. A motivação principal para o desenvolvimento da pesquisa foi a dificuldade desse tipo de sistema de lagoas de estabilização para atender aos limites de qualidade da água impostos pela Resolução 357/2005 do CONAMA para os corpos receptores de despejos. A hipótese formulada foi a de que o pós-tratamento do efluente de lagoa anaeróbia pode produzir resultados iguais ou superiores a quando aplicado ao efluente de lagoa facultativa, levando à reflexão sobre a utilização destas quando se necessita de eficiência elevada na remoção de fósforo do esgoto. Utilizou-se um sistema de fluxo contínuo de coagulação, floculação e decantação laminar ou flotação com ar dissolvido para a separação de sólidos, determinando-se dosagens prévias de sulfato de alumínio em ensaios em escala de laboratório. Ambos os processos de separação de sólidos se monstraram eficientes, obtendo-se residuais de 0,1 e 0,2 mgp/l com a decantação laminar e com a flotação com ar dissolvido, respectivamente. Nos dois casos, obteve-se aumento substancial na redução da DQO do efluente da lagoa anaeróbia (70% com flotação e 57% com decantação) e de sólidos em suspensão (75% com flotação e 85% com decantação). Com isso, demonstrou-se ser possível garantir com segurança os padrões de emissão estabelecidos para a DBO 5,20 em alguns Estados brasileiros e um bom nível de clarificação do esgoto tratado. O tratamento físico-químico tem por principal obstáculo seu custo operacional, estimado em R$ 0,10/m 3 de esgoto, considerando-se apenas o consumo de coagulante. A utilização agrícola do efluente da lagoa pode ser alternativa interessante, eliminando a necessidade do tratamento físico-químico enquanto o efluente estiver sendo usado na irrigação. Atenção também deve ser dada à necessidade de enquadramento dos esgotos ao padrão de emissão imposto para o nitrogênio amoniacal de 20 mg N/L, não enfocado neste estudo. O encaminhamento do lodo produzido no tratamento físico-químico e a presença de alumínio no esgoto tratado são questões adicionais a serem consideradas. Palavras-chave: lagoa anaeróbia, pós-tratamento, flotação com ar dissolvido, decantação acelerada, sulfato de alumínio.

2 152 FABRETI, LÉO & PIVELI Introdução Este trabalho teve por origem estudos similares de pós-tratamento de efluente de lagoa facultativa por processo físico-químico, visando principalmente à remoção de fósforo. Como as concentrações de sólidos em suspensão e de matéria orgânica biodegradável no efluente da lagoa facultativa são ainda um pouco elevadas, não muito distantes das respectivas concentrações no efluente da lagoa anaeróbia, decidiu-se estender os estudos a esta. Caso os resultados sejam semelhantes em termos de eficiência e de consumo de coagulante, as lagoas facultativas tornam-se dispensáveis quando se pretende complementar o tratamento por processo físico-químico. O lançamento de efluente contendo nitrogênio e fósforo é bastante prejudicial, principalmente em lagos e lagoas, pois são os nutrientes essenciais ao desenvolvimento de algas, ou seja, estes são, dentre outras substâncias, os responsáveis pela eutrofização das águas naturais. O fator limitante para a eutrofização desses corpos d água é a quantidade de fósforo, pois certas algas são capazes de fixar o nitrogênio atmosférico, caso este não esteja disponível no meio aquático, já a única fonte de fósforo seria através do lançamento do mesmo juntamente com os despejos de esgoto doméstico e/ou industrial. Grande parte dos problemas de qualidade dos efluentes das lagoas fotossintéticas está relacionada com o crescimento da biomassa algal. Em decorrência disso, é comum que o esgoto tratado possua maior concentração de sólidos em suspensão que à sua entrada, caso seja precedida por uma lagoa anaeróbia. A inclusão de novos critérios de qualidade na Resolução n o 357, como as concentrações de cianobactérias e de clorofila a, trará maiores dificuldades para o enquadramento dos efluentes de lagoas. Também a Portaria n o 518 do Ministério da Saúde, implantada no ano 2000 e que estabelece os padrões de potabilidade vigentes, faz restrição à quantidade de microcistinas em águas naturais, o que também traz implicações para os efluentes das lagoas de tratamento de esgoto. Para que o efluente de lagoa de estabilização seja capaz de atingir esses valores é necessário pós-tratamento. Embora haja diferenças na configuração e nos aspectos operacionais entre reatores UASB e lagoas anaeróbias, o tratamento dos efluentes dessas lagoas por processo físico-químico torna o sistema comparável ao processo UASB Flotação, porém, com um reator anaeróbio de primeiro estágio mais simples, que pode ser empregado onde não haja maior restrição de área para a implantação do sistema de tratamento nem problemas com a geração de odores ofensivos. Além disso, a lagoa anaeróbia pode ser utilizada também para armazenar, adensar e digerir o lodo flotado. Em experiência realizada por Penetra (1999), utilizando coagulação, floculação e flotação com ar dissolvido como pós-tratamento de UASB, foi possível atingir valores de fósforo total abaixo de 1 mg P/L com dosagens de 20 a 40 mg Fe/L. Utilizando o processo físico-químico (coagulação/ floculação/sedimentação lamelar) como pós-tratamento de UASB, Yoshida (2005) concluiu que a melhor faixa para o funcionamento do processo em relação à remoção de fósforo total ficou entre as dosagens cuja relação ferro/ fósforo total de entrada variou de 1,2 a 2,8, com eficiência média de remoção de 90% e desvio-padrão de 7% produzindo efluente com média de 0,46 mg P/L. As dosagens de ferro adotadas variou de 10 a 20 mg Fe/L. Deve ser lembrado que ambas as concepções não são orientadas para a remoção de nitrogênio amoniacal, ficando esta necessidade pendente. Aliás, o principal objetivo deste estudo não é propor tal concepção de tratamento e, sim, subsidiar a reflexão sobre os destinos dos sistemas de lagoas de estabilização, quando se antevê a necessidade de complementação do tratamento para a remoção de fósforo. A Resolução 357/2005 do CONAMA impõe limites restritivos para esse constituinte em águas naturais, e muitos municípios dos Estados do Paraná e de São Paulo têm os seus esgotos inevitavelmente lançados em corpos receptores de baixa capacidade diluidora. Mesmo anteparando-se na premissa filosófica de estabelecimento de metas progressivas na implantação de estações de tratamento de esgotos, estaria decretado o fim dos sistemas tradicionais de lagoas de estabilização? Seria inviável a implantação de um novo sistema de lagoas de estabilização, incluindose o pós-tratamento por processo físico-químico? As lagoas facultativas tornam-se dispensáveis? Buscando-se respostas a essas indagações, foram realizados estudos de pós-tratamento de efluente da lagoa anaeróbia do sistema de tratamento de esgotos de Lins, SP, pertencente à SABESP, constituído de três módulos paralelos de lagoas anaeróbias seguidas de lagoas facultativas. Testaram-se o sulfato de alumínio e o cloreto férrico como coagulantes e a flotação com ar dissolvido e a decantação lamelar como processos de separação de sólidos. Apesar do menor custo da aplicação de cloreto férrico em relação ao sulfato de alumínio, considerando-se os resultados obtidos de dosagens necessárias de cada coagulante, optou-se por apresentar e discutir os resultados do emprego do sulfato de alumínio, em virtude da excelência dos resultados obtidos. Talvez seja a única forma de conseguir atender aos padrões do CONAMA em inúmeras situações de lançamento sob baixo grau de diluição, apontando-se com clareza os esforços econômicos e operacionais necessários e embasando-se a avaliação da viabilidade atual da implantação de tais sistemas. Objetivo O objetivo deste trabalho é avaliar comparativamente as características técnicas e econômicas do pós-tratamento de efluente de lagoa anaeróbia por processo de coagulação

3 PÓS-TRATAMENTO DE EFLUENTES DE LAGOAS ANAERÓBIAS... e floculação com sulfato de alumínio, com separação de sólidos por sedimentação e por flotação por ar dissolvido. Mais especificamente, pretende-se associar as dosagens necessárias com as eficiências na remoção de DQO, fósforo e sólidos em suspensão, além de outras características consideradas secundárias, avaliando-se as possibilidades de atendimento à Resolução 357/2005 do CONAMA. Metodologia A Estação de Tratamento de Esgoto de Lins, SP (Figura 1), é composta por três módulos em paralelo de lagoas anaeróbias seguidas de lagoas facultativas. O sistema opera recebendo a carga plena considerada no projeto, desde o ano de 1997, sem remoção de lodo acumulado no fundo das lagoas. O sistema de tratamento em escala piloto possui um tanque de mistura rápida (coagulação), seguido de um tanque de mistura lenta com três compartimentos em série (floculação) e dois sistemas de separação sólidolíquido alternativos: decantador lamelar e flotador por ar dissolvido. Esses processos de pós-tratamento foram 153 projetados para atender a uma vazão de 200 L/h proveniente de um dos módulos de lagoa de estabilização da ETE Lins-SP. Os estudos tiveram como principal variável de controle a dosagem dos coagulantes, associada à remoção de DQO, sólidos em suspensão e fósforo. Foram feitos ensaios exploratórios em escala de laboratório utilizando-se aparelhos de Jar Test e Flotateste, sendo testadas dosagens de 12 a 28 mg Al/L, com o objetivo de orientar os testes definitivos no sistema piloto de fluxo contínuo (Figuras 2 a 5), que operou com vazão de 200 L/h. A mistura rápida tem duração de 1,5 min, sendo o gradiente de velocidade utilizado de 1000 s 1, e a mistura lenta, cujo tanque era subdividido em três câmaras, tem tempo de detenção de 15 min e gradiente de velocidade de 60 s 1, 45 s 1 e 30 s 1. O tanque de decantação lamelar possui tempo de detenção de 15 min, já o tanque de flotação tem tempo de detenção de 24 min. A câmara de saturação de ar possui tempo de detenção de 30 min (a câmara de saturação foi superdimensinada), sendo a pressão de saturação de 5 bar e a vazão de recirculação de 50 L/h, ou seja, 25% da vazão de alimentação com o efluente da lagoa anaeróbia. Figura 1 Sistema de lagoa de estabilização, ETE Lins-SP. Figura 2 Tanque de coagulação e de floculação.

4 154 FABRETI, LÉO & PIVELI Figura 3 Decantador lamelar. Figura 4 Tanque de flotação por ar dissolvido. Figura 5 Câmara de saturação.

5 PÓS-TRATAMENTO DE EFLUENTES DE LAGOAS ANAERÓBIAS Os ensaios foram feitos à temperatura ambiente e realizados no verão, quando a temperatura ficou em torno de 28 C. As dosagens que resultaram em eficiência superior à mínima desejável foram reproduzidas nos estudos em escala piloto. Nestes, os efluentes em que foram aplicadas as dosagens ótimas de coagulantes, indicadas pela remoção de DQO e fósforo, foram utilizados para análises completas, incluindo diversos indicadores biológicos. A dosagem escolhida foi de para ambos os processos de separação sólido-líquido, sedimentação e flotação. Resultados e Discussão Durante os ensaios de fluxo contínuo, não se exerceu a correção de ph, e o valor médio de 7,1 do efluente da lagoa anaeróbia reduziu-se para 6,4 em conseqüência da adição do sulfato de alumínio. A adição do coagulante provocou o consumo de cerca de 50% da alcalinidade do efluente, que era da ordem de 330 mg CaCO 3 /L. Na Tabela 1 são apresentados os dados estatísticos da concentração de fósforo no efluente da lagoa anaeróbia antes e depois dos tratamentos físico-químicos. Os resultados das determinações laboratoriais são lançados em diagramas do tipo box-plot na Figura 6. Podem ser observados excelentes resultados na remoção de fósforo do efluente da lagoa anaeróbia, com ligeira vantagem da decantação lamelar (98% de eficiência, em média) em relação à flotação com ar dissolvido (96%, em média). Concentrações de fósforo residuais tão baixas quanto 0,1 mg P/L foram obtidas e, ainda assim, seria necessária diluição de cinco vezes para o enquadramento ao rigoroso limite de 0,02 mg P/L para águas classe 1 de ambientes lênticos, imposto pela Resolução 357/2005 do CONAMA. Na Tabela 2 apresenta-se o resumo dos dados estatísticos da DQO do efluente da lagoa anaeróbia, antes e depois do tratamento físico-químico. Os resultados das análises laboratoriais são lançados em diagramas do tipo box-plot na Figura 7. Também a eficiência na remoção de DQO do efluente da lagoa anaeróbia pelo processo físico-químico pode ser considerada substancial, porém, em relação a essa variável, ocorreu nítida vantagem da separação de sólidos por flotação com ar dissolvido (70% contra 57%). A concentração média de DQO de 59 mg/l obtida com a flotação permite, com segurança, o enquadramento no padrão de emissão de 60 mg/l para a DBO 5,20 estabelecido em alguns Estados brasileiros. Tabela 1 Análise estatística dos resultados de fósforo total (mg P/L). P total (mg P/L) Lagoa anaeróbia Flotação com Decantação com Média 5,06 0,20 0,11 Desvio-padrão 0,58 0,11 0,06 Coef. variância 0,12 0,53 0,49 Máximo 6,15 0,32 0,21 Mínimo 4,04 0,09 0,05 Eficiência 96% 98% Fósforo total (mg/l) Anaeróbia Flotação com Decantação com 25% 50% 90% 10% Mín Máx 75% Figura 6 Resultados de fósforo total (mg P/L).

6 156 FABRETI, LÉO & PIVELI Na Tabela 3 apresenta-se o resumo dos dados estatísticos de sólidos em suspensão no efluente da lagoa anaeróbia e do tratamento físico-químico. Os resultados das análises laboratoriais são lançados em diagramas do tipo box-plot na Figura 8. Observa-se que a clarificação do efluente da lagoa anaeróbia é bastante acentuada, com reduções na concentração de sólidos em suspensão de 75% para a flotação com ar dissolvido e de 85% para a sedimentação laminar. As concentrações de SST no efluente pós-tratado reduziram-se para valores abaixo de 20 mg/l, atingindo em média apenas 10 mg/l no caso do efluente decantado, inferiores a efluentes de sistemas de lodos ativados convencionais. Paralelamente, a turbidez do efluente reduziuse de valores acima de 100 UNT para abaixo de 30 UNT, assumindo características bastante favoráveis para o recebimento de desinfecção final por cloração ou aplicação de radiação ultravioleta. Foi testada também a dosagem de 15 mg Al/L para os dois processos e os resultados obtidos são apresentados na Tabela % 50% DQO (mg/l) % 10% Mín 50 Máx 75% 0 Anaeróbia Flotação com Decantação com Figura 7 Resultados de DQO (mg O 2 /L). Tabela 2 Análise estatística dos resultados de DQO (mg O 2 /L). DQO (mg O 2 /L) Lagoa anaeróbia Flotação com Decantação com Média Desvio-padrão 22,19 14,38 36,79 Coef. variância 0,11 0,25 0,38 Máximo Mínimo Eficiência 70% 57% Tabela 3 Análise estatística dos resultados de sólidos em suspensão total (mg/l). SST (mg/l) Lagoa anaeróbia Flotação com Decantação com Média Desvio-padrão 8,96 9,63 6,32 Coef. variância 0,14 0,58 0,63 Máximo Mínimo Eficiência 75% 85%

7 PÓS-TRATAMENTO DE EFLUENTES DE LAGOAS ANAERÓBIAS Verifica-se que dosagens mais econômicas podem ser aplicadas, selecionadas pelo nível de concentração de fósforo a ser atingido ou de outra característica do efluente tomada por referência. As diferenças de resultados entre os dois processos de separação de sólidos são pequenas; na dosagem de 15 mg Al/L, confirma-se o rendimento ligeiramente superior do processo de decantação que, além disso, é operacionalmente mais simples. Nos ensaios com, alguns indicadores biológicos foram utilizados. A remoção de ovos de helmintos foi praticamente completa; a redução na densidade de E. coli manteve-se na faixa surpreendente de três a quatro unidades logarítmicas. Paralelamente, a redução na contagem de cistos de protozoários, Cryptosporidium e Giardia, resultou em níveis superiores a 80%. Os resultados de colimetria são apresentados na Tabela 5. A produção média de lodo resultou em 0,10 kg ST/ m³ de efluente tratado, com separação de sólidos por flotação, e em 0,10 kg ST/m 3, quando se empregou a sedimentação, ou seja, resultados bastante semelhantes. Atenção deve ser dada à destinação do lodo produzido nessa etapa, recomendando-se a realização de ensaios de desidratação. Outra possibilidade é o retorno desse lodo para a entrada da lagoa anaeróbia, que terá por conseqüência redução no intervalo necessário entre remoções de lodo depositado no fundo desta, mas que eliminará a necessidade contínua de operações de adensamento e desidratação de lodo. Outra preocupação relevante refere-se à presença de alumínio no lodo a ser disposto, que, dependendo da concentração final resultante, poderá inviabilizar determinadas práticas de disposição ou utilização. Também o residual de alumínio no efluente final tratado deve ser observado, em vista da existência de padrões para alumínio solúvel na Resolução 357/2005 do CONAMA. No entanto, a concentração de cerca de 1,0 a 2,0 mg/l de alumínio detectado no efluente tratado associa-se a pequenos flocos formados e não separados nas unidades piloto, mas que muito provavelmente são removíveis por filtração e, desta forma, não acusarão alumínio solúvel. A concentração de Al na solução de sulfato de alumínio comercial, Al 2 (SO 4 ).14H 2 O líquido 48% (d = 1320 g/l), foi determinada em laboratório, utilizando espectrofotômetro de absorção atômica, resultando em 50,4 g Al/L. O sulfato de alumínio comercial custa aproximadamente R$ 525,00/ton de Al 2 (SO 4 ).14H 2 O, assim, utilizando dosagem de, o custo seria de R$ 0,12/m³ de esgoto tratado ou ainda R$ 0,56/hab.mês. Caso a dosagem seja de 15 mg Al/L, este preço será de R$ 0,09/m³ de esgoto tratado ou R$ 0,42/hab.mês. Esses custos podem ser considerados significativos, e o uso agrícola dos efluentes de lagoas, quando esta prática estiver regulamentada no Brasil, pode ser a solução para a redução substancial dos custos, aplicando-se o tratamento físico-químico ao efluente da lagoa apenas quando não puder ser aplicado na agricultura % 50% SST (mg/l) % 10% Mín Máx 75% 20 0 Anaeróbia Flotação com Decantação com Figura 8 Resultados de sólidos em suspensão total (mg/l). Tabela 4 Resultados dos testes com dosagem de 15 mg Al/L. P total (mgp/l) DQO (mg O 2 /L) SST (mg/l) Lagoa anaeróbia 5, Flotação com 15 mg Al/L 0, Decantação com 15 mg Al/L 0,

8 158 FABRETI, LÉO & PIVELI Tabela 5 Resultados de colimetria. Coliformes totais Flotação Escherichia coli Coliformes totais Sedimentação Escherichia coli Efluente da lagoa anaeróbia , , Efluente do tratamento físico-químico 4. 10² 2. 10² 3. 10³ 2,3. 10³ Conclusões Resultados bastante positivos podem ser esperados quando se aplica pós-tratamento físico-químico ao efluente de lagoa anaeróbia empregando-se sulfato de alumínio como coagulante. No presente estudo, residuais de fósforo tão baixos quanto 0,1 mgp/l ou 0,2 mgp/l foram obtidos quando se separaram sólidos em decantadores laminares ou flotadores com ar dissolvido, respectivamente. Além disso, a remoção adicional de DQO promovida por essa etapa de tratamento foi de 70% quando se empregou a flotação e 57% com decantação laminar. Obteve-se também 85% de remoção de sólidos em suspensão totais com decantação e 75% com flotação. Com base nesses resultados globais, o uso de decantadores laminares pode ser mais aconselhável em função da maior simplicidade operacional e da razoável semelhança entre os resultados, porém deve ser dada atenção especial à quantidade de oxigênio dissolvido no efluente do processo físico-químico. Geralmente, após um processo anaeróbio aplica-se um processo aeróbio a fim de elevar a concentração de oxigênio dissolvido; tendo em vista este parâmetro, a flotação pode ser mais vantajosa do que a decantação. Objetivos paralelos importantes foram alcançados, sobretudo sob a ótica dos indicadores biológicos, tendo ocorrido: redução de mais de três unidades logarítmicas na densidade de E. coli do efluente, eliminação de ovos viáveis de helmintos e remoção de cistos de protozoários acima de 80%. Em estudo paralelo desenvolvido com efluente de lagoa facultativa, surpreendentemente, obteve-se efluente final de qualidade inferior, mesmo empregando-se maior dosagem de coagulante. Esses resultados remetem à necessidade de reflexão sobre a concepção e a utilização de sistemas de lagoas de estabilização, ante as novas exigências do CONAMA. Encaminhamento também deve ser dado à questão da redução de nitrogênio amoniacal, o que pode ser feito por meio da nitrificação biológica, seja em reatores de crescimento em suspensão complementares ou em reatores com biomassa aderida. A cloração final pode ser uma medida para a redução parcial da concentração de amônia no efluente, contribuindo também para a desinfecção. E são exatamente essas necessidades adicionais que induzem a idéia de que, em concepção original, o emprego de lagoas fica praticamente descartado em função das exigências da Resolução 357/2005 do CONAMA, e mesmo para as centenas de sistemas existentes no Brasil não é fácil propor adaptações viáveis operacional e economicamente. O custo do tratamento físico-químico pode ser considerado elevado e a alternância com o uso agrícola do efluente da lagoa anaeróbia pode constituir solução bastante atrativa futuramente. O encaminhamento do lodo do processo físico-químico é outra questão a ser encaminhada, sugerindo-se a avaliação da viabilidade de descarga na própria lagoa anaeróbia. A avaliação da concentração residual de alumínio solúvel no efluente tratado também deve ser realizada. Referências Bibliográficas APHA, AWWA, WEF. Standard methods for the examination of water and wastewater. 20. ed. CD-ROM, CONSELHO NACIONAL DE MEIO AMBIENTE. Resolução CONAMA n. 357/2005. MINISTÉRIO DA SAÚDE. Portaria n. 518, 25 de março de PENETRA, R. G.; REALI, M. A. P.; FORESTI, E.; CAMPOS, J. R. Post-treatment of effluents from anaerobic reactor treating domestic sewage by dissolved-air flotation. Water Science and Technology, v. 40, n. 8, p , IWA Publishing. YOSHIDA, F. Remoção de matéria orgânica e fósforo de efluente de tratamento anaeróbio por processo físicoquímico Dissertação (Mestrado) Escola Politécnica, Universidade de São Paulo, São Paulo.