TRATAMENTO TERCIÁRIO DE EFLUENTE DE LAGOA FACULTATIVA EM BIOFILTROS AERADOS. Fafá de Oliveira Fabrícia, Franci Gonçalves Ricardo

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1 TRATAMENTO TERCIÁRIO DE EFLUENTE DE LAGOA FACULTATIVA EM BIOFILTROS AERADOS Fafá de Oliveira Fabrícia, Franci Gonçalves Ricardo Departamento de Hidráulica e Saneamento - Universidade Federal do Espírito Santo Ag. Correios FCAA, C.P , Vitória, ES - Brasil tel. (+5527) / Fx. (+5527) RESUMO Um Biofiltro Aerado Submerso (BF) foi testado no polimento final de efluentes de Lagoas de Estabilização Facultativas (LF), com o objetivo de remover algas e realizar a nitrificação terciária. A carga hidráulica imposta ao reator foi de 1,9 m 3 /m 2.h, sendo mantida constante durante toda a pesquisa. Os resultados mostraram uma eficiência média de 54 % na remoção de SS, para uma carga volumétrica média aplicada de 1,4 Kg SS/m 3.d. As taxas volumétricas médias de nitrificação situaram-se em torno de,47 KgN- NH 4 + /m 3.d (25 o C), com as concentrações médias de 2 mg N-NH 4 + /l de entrada sendo reduzidas para valores abaixo de 1 mgn-nh 4 + /l na sua saída. Problemas de inibição da nitrificação por carência de alcalinidade foram observados para concentrações superiores a 27 mg N-NH 4 + /l na entrada. A grande vantagem apresentada pela tecnologia foi que, além de remover SS (algas), o reator foi capaz de atingir compostos solúveis como a DQO e o N-NH4+. Palabras clave: lagoas de estabilização, polimento, remoção de algas, nitrificação terciária, biofiltro submerso INTRODUÇÃO A velocidade com que algumas cidades cresceram e se desenvolveram nas últimas décadas não foi acompanhado por um planejamento adequado. Há muita coisa a se fazer, e o saneamento básico se destaca como uma das principais falhas. Somente 8 % dos municípios brasileiros apresentavam sistemas de tratamento segundo o último censo do IBGE, em 1991 ( Costa e Barros, 1995). Na maioria das vezes, os sistemas adotados são aqueles simplificados, de custos de implantação, operação e manutenção mais baratos, e de fácil operação. Nesse sentido, as lagoas de estabilização podem ser consideradas maioria. Esse processo tem por objetivo maior a degradação da matéria orgânica e a remoção de sólidos, apresentando um efluente final com elevados teores de nutrientes como o nitrogênio e o fósforo, além de uma considerável quantidade de algas que constituem-se em significativa fonte de nitrogênio e fósforo sob formas orgânicas. Recentes estatísticas sobre a eutrofização de corpos receptores no Brasil, muitos deles servindo como manancial de água para abastecimento público, apontam para a necessidade de reavaliação do uso sem critérios deste tipo de processo de depuração. Diversas tecnologias foram desenvolvidas e testadas no polimento final de efluentes de Lagoas Facultativas. Os processos mais conhecidos, tais como os filtros de pedra e as micropeneiras, visam justamente a remoção de algas. Recentemente, novos processos com capacidade de atingir também as formas solúveis de nitrogênio no efluente da lagoa vêm sendo testados (Middlebrooks, 1995; Meiring et al., 1995 e Oliveira e Gonçalves, 1995) Este trabalho apresenta um estudo sobre o polimento do efluente de lagoas de estabilização facultativas em um reator dotado de um meio granular flutuante totalmente submerso e aerado. O reator baseia-se na

2 tecnologia dos biofiltros aerados submersos, tendo sido testado com vistas à remoção de algas e oxidação do nitrogênio amoniacal. O objetivo final é o desenvolvimento de um processo de tratamento terciário compacto e de simples operação, passível de inserção dentro do volume reacional de lagoas existentes sem maiores transtornos. MATERIAIS E MÉTODOS A pesquisa foi realizada em um BF, em escala piloto, inserido na ETE da indústria SAMARCO MINERAÇÃO S.A., composta por um pré-tratamento (gradeamento e caixa de areia), seguido de duas lagoas facultativas (931 m 2 / 2,5 m e 152 m 2 / 2,8 m de profundidade) operando em série. O esgoto gerado era proveniente dos sanitários e restaurantes da empresa. A alimentação se deu segundo duas etapas (Tabela 1): a primeira com efluente das lagoas (EL -tratamento terciário), e a segunda com uma mistura de 67 % de efluente das lagoas, e 33 % de esgoto bruto (EL + EB - tratamentos secundário e terciário). Na segunda etapa foi realizada dosagem suplementar em amônia. O piloto (Figura 1) foi posicionada a jusante das lagoas de estabilização, e era constituído por duas colunas de polipropileno. A primeira com 1 mm de diâmetro 4,5 m de altura, com função de receber a carga de esgoto afluente, manter a alimentação do BF com vazão constante, e permitir uma evolução de perda de carga de no máximo 15 mm. A segunda constituía o reator biológico, e possuía 2 mm de diâmetro e 3,5 m de altura. oas e o A Efluente Biofiltro Lodo de lavagem Figura 1 - O piloto biofiltro aerado submerso B Lavag O esgoto era introduzido a 2 mm a partir da base, e atravessava em fluxo ascendente um leito filtrante de 2,5 m de altura, totalmente aerado e mantido flutuante no interior do reator por uma placa perfurada situada na sua parte alta. O leito filtrante era composto por pequenas bilhas de poliestireno com diâmetro específico de 3,2 mm, superfície específica de 12 m 2 /m 3, peso específico 4 Kg/m 3, e porosidade 33 %. Lavagens do meio filtrante eram realizadas periodicamente, para remover o excesso de lodo retido no processo. Esta operação consistia de vários períodos curtos de fortes descargas hidráulicas a contra-corrente seguidos de intensa aeração do leito. O próprio efluente do tratamento biológico era utilizado como água de lavagem do BF, sendo estocado préviamente numa caixa d'água de 1. litros equipada com uma bomba submersível. O desempenho do processo foi monitorado através de amostras compostas, coletadas no período entre 8: e 16: h de um mesmo dia. Alíquotas de 5 ml eram coletadas a cada 6 minutos e imediatamente preservadas com este objetivo. Tabela 1 - Condições operacionais a que o BF foi submetido Alimentação mista Parâmetro Unidade Alimentação efluente lagoas Sem dosagem Com dosagem Duração meses Q efl. lagoa l / h Q esgoto bruto l / h Q ar l / h Carga Hidráulica em água m 3 / m 2 / h 1,9 1,9 1,9 Carga Hidráulica em ar m 3 / m 2 / h 5,7 5,7 11,5 Temp. da água oc 28,7 28,7 25,8 Temp. do ar oc 27,4 26,4 23,6 Altura do leito m 2,23 2,41 2,34

3 Para melhor caracterizar a retenção das algas e a nitrificação no seio do leito filtrante, foram coletadas amostras pontuais ao longo do leito em intervalos de tempo pré-definidos. Com relação à remoção de algas, a eficiência do BF nas diferentes condições operacionais foi avaliada em função da remoção de SS e da DQO. A nitrificação, foi avaliada através da oxidação do nitrogênio amoniacal. Os métodos analíticos de laboratório foram realizados segundo o "Standard Methods". O comportamento hidráulico do reator foi monitorado através da evolução temporal da perda de carga através do leito filtrante. RESULTADOS E DISCUSSÃO Remoção de algas e matéria orgânica A retenção de sólidos (SS) e a oxidação terciária da matéria orgânica (DQO) podem ser visualizadas nas figuras 2 e 3. SS (mg/l) EL EL + EB Tempo (dias) Figura 2 - Concentrações de SS na entrada e saída do BF (EL = efluente lagoas, EB = esgoto bruto) DQO (mg/l) EL EL + EB Tempo (dias) Figura 3 - Teores de DQO na entrada e saída do BF (EL = efluente lagoas, EB = esgoto bruto) As concentrações de SS na entrada do reator oscilaram muito, entre 2 e 315 mg/l, devido à variação característica de efluente de LF s. Ao longo da pesquisa as concentrações de SS na saída do BF oscilaram de forma semelhante às da entrada, e variaram entre 1 e 73 mg/l. Esse mesmo comportamento foi observado por Middlebrooks (1988) em filtros de pedra operando na Califórnia, e Harrelson e Cravens (1982) em micropeneiras instaladas na Carolina do Sul, ambos operando como unidade de polimento de efluente de lagoas. Os teores de DQO também variaram muito na saída das lagoas, entre 73 e 438 mgo2/l, de maneira semelhante às concentrações de SS. A variação da DQO no efluente final do BF acompanhou a da entrada, mas de uma forma mais amena, e oscilou entre 19 e 32 mgo2/l. Os resultados médios obtidos no monitoramento do BF durante os dois períodos de testes estão apresentados na tabela 2. Tabela 2 - Teores de SS e DQO na entrada e saída do BF SS ( mg/l ) DQO ( mg/l ) Parâmetro entrada saída entrada saída n 9 7 Al. com efluente lagoas média (tratamento terciário) dp 25,6 17, n Al. com esgoto bruto e efluente lagoas média (tratamentos secundário e terciário) dp 4,4 16, O efluente produzido pelo reator operando como tratamento terciário apresentou uma concentração média de 33 mg/l em SS, e um teor de 116 mgo 2 /l em DQO. Operando simultaneamente como tratamentos

4 secundário e terciário, o efluente final produzido apresentou uma concentração média de 31 mgss/l, e os teores médios de DQO estiveram em torno de 85 mgo2/l. Os resultados obtidos na remoção de SS e DQO apresentaram desvios padrões elevados. Atribui-se essa variação ao fato das coletas terem sido realizadas em diferentes estágios de funcionamento do BF após as lavagens. Isso pôde ser melhor visualizado através do perfil de concentrações ao longo do leito filtrante em diferentes estágios de uma corrida de filtração (Figuras 4 e 5). 31:3h ap.lav. 55:h ap.lav 77:h ap.lav. 31:3h ap.lav. 55:h ap.lav 77:h ap.lav SS (mg/l) mgss/l DQO (mg/l) mgo2/l Altura do leito (cm) Figura 4 - Variação temporal das concentrações de SS ao longo do leito filtrante Altura do leito ( cm ) Figura 5 - Variação temporal dos teores de DQO ao longo do leito filtrante A retenção de SS e o abatimento da DQO ao longo do leito filtrante ocorrem, na sua maior parte nos primeiros 5 cm. Ao longo da filtração (curva de 55 h), a base do leito começa a perder sua capacidade de estocagem, causando uma queda na qualidade do efluente gerado. 77 h de funcionamento foi o suficiente para que ocorresse o processo de transpasse do leito filtrante, provavelmente devido à elevada espessura atingida pelo biofilme depois de um tão longo período de operação do BF. Isso se refletiu no aumento dos teores de SS e DQO no efluente gerado pelo reator, não mais atendendo aos padrões mais rigorosos do tipo 3 mgss/l, 3 mgo2/l em DBO e 9 mgo2/l em DQO, ultimamente estabelecidos pelos órgãos fiscalizadores em todo o mundo. A figura 6 ilustra a relação entre as cargas volumétricas aplicadas e as concentrações de SS na saída do BF. O aumento da carga aplicada no leito do reator, implica no aumento das concentrações de SS na sua saída, que variaram entre 1 e 73 mg/l para cargas volumétricas aplicadas entre,5 e 5, KgSS/m 3.d. Se o objetivo do polimento fosse atender aos padrões de lançamento mais rigorosos, a carga máxima aplicada deveria estar em torno de 1, KgSS/m 3.d. SSsai (mg/l) Padrão = 3 mgss/l, 1, 2, 3, 4, 5, Cvapl (KgSS/m3.d) Figura 6 - Concentrações de SS na saída do BF em função da carga volumétrica aplicada rv (KgSS/m3.d) 5, 4,5 4, 3,5 3, 2,5 2, 1,5 1,,5 Ef. = 1 % Ef. = 5 %,, 1, 2, 3, 4, 5, Cvapl. (KgSS/m3.d) Figura 7 - Taxas volumétricas de remoção de SS em função da carga volumétrica aplicada As taxas de remoção (Figura 7) observadas variaram entre,1 e 4, KgSS/m 3.d, para cargas volumétricas aplicadas entre,5 e 5, KgSS/m 3.d, sendo que as eficiências foram quase sempre superiores a 5 %, ficando numa média de 54 %. Para uma carga máxima aplicada de 1, KgSS/m 3.d, a taxa volumétrica de remoção média seria próxima de,5 KgSS/m 3.d.

5 Nitrificação Terciária A figura 8 mostra a evolução das concentrações de N-NH4+ na entrada e saída do BF. O monitoramento só foi realizado no período em que o reator operou como tratamentos secundário e terciário, ou seja, efluente lagoas e esgoto bruto. N-NH4+ ( mg/l ) Sem dosagem em amônia Com dosagem em amônia Tempo ( dias ) Figura 8 - Concentrações de N-NH4+ na entrada e saída do BF No período em que operou sem dosagem artificial de amônia, as concentrações de entrada variaram entre 1,3 e 11, mgn-nh + 4 /l, valores esses considerados baixos para efluentes de LF s. Na saída do BF, os teores de amônia estiveram, consistentemente, abaixo de 1 mg/l. Com a introdução da dosagem artificial, as concentrações de entrada oscilaram entre 13,1 e 38,3 mgn-nh + 4 /l, e na saída estiveram entre,4 e 4,7 mgn-nh + 4 /l, ficando acima de 1 mg/l nos casos em que a concentração do nitrogênio amoniacal superou 27 mg/l na entrada do reator. Nesses casos, houve limitação da nitrificação devido à insuficiência de alcalinidade total. Teoricamente, a concentração média de 192,6 mgcaco 3 /l (Tabela 4) disponível na entrada do BF seria suficiente para nitrificar, aproximadamente, 27 mgn-nh + 4 /l (demanda teórica = 7,1 mgcaco 3 /l / mgn-nh + 4 /l). Os resultados médios obtidos na operação do BF estão apresentados na Tabela 4. No período sem dosagem em amônia, as concentrações médias de entrada e saída foram de 4,2 e,6 mgn-nh 4 + /l, respectivamente. Com a dosagem artificial essas concentrações foram elevadas para 23,7 mgn-nh 4 + /l e 3, mgn-nh 4 + /l. As concentrações médias das formas oxidadas (N-NOx = N-NO2 + N-NO3) observadas na saída do reator atingiram valores da ordem de 16 mg/l, confirmando a capacidade de nitrificação do BF. As concentrações de NTK observadas nas diferentes condições de alimentação mostram uma significativa redução por nitrificação e por remoção do nitrogênio orgânico contido nas células das algas retidas no leito filtrante. O mesmo pode ser observado com relação ao Ptotal que apresentou uma redução no seu teor médio devido à retenção das algas (fósforo orgânico). A zona de maior atividade de nitrificação no leito do BF esteve situada entre 5 e 15 cm de altura, onde já havia ocorrido a maior parte da eliminação dos sólidos e do substrato carbonáceo (Figura 9). Nas primeiras 31,5 h após a lavagem, a nitrificação ocorre principalmente até os primeiros 15 cm. Com o passar da filtração, o último metro do leito é utilizado. Concentrações de amônia entre 7 e 24 mgn/l na entrada foram reduzidas a menos de 1 mgn/l na saída. Tabela 4 - Resultados médios obtidos no monitoramento do BF Período sem dosagem Período com dosagem Parâmetro entrada saída entrada saída n 5 8 NTK ( mg/l ) média 12,6 5,2 36,7 1, dp,9 2,5 7,9 5,2 n N-NH + 4 ( mg/l ) média 4,2,6 23,7 3, dp 2,6,5 8,2 3,3 n N-NO 3 ( mg/l ) média,7 2,,6 16,1 dp,1,9,14 4,4 n 11 1 N-NO - 2 ( mg/l ) média,3,3,2,2 dp,6,3,2,15 n 1 17 Alcalinidade (mgcaco 3 /l) média 187,4 163,6 192,6 71,5 dp 35,4 34,5 29,7 42,5 n 5 1 P total ( mgp/l ) média 1,9 1,1 2,3 1,5 dp,6,5,3,6

6 31:3h ap.lav. 55:h ap.lav 77:h ap.lav.,8 25 1% N-NH4+ ( mg/l ) rv (KgN-NH4+/m3.d),6,4,2 5% Altura do leito (cm) Figura 9 - Variação temporal das concentrações de N-NH4+ ao longo do leito filtrante,,,2,4,6,8 Cv apl (KgN-NH4+/m3.d) Figura 1 - Taxas de remoção do N amoniacal em função das cargas volumétricas aplicadas A figura 1 mostra as taxas volumétricas de remoção em função das cargas volumétricas aplicadas em N amoniacal. Para uma carga volumétrica máxima próxima a,8 KgN-NH 4 + /m 3.d, a taxa de remoção foi superior a,6 KgN-NH 4 + /m 3.d. Percebe-se que quando as concentrações de N-NH 4 + foram superiores a 27 mg/l (>,44 KgN-NH 4 + /m 3.d), houve uma certa dispersão dos resultados, que foi devido à limitação da taxa de nitrificação pela carência de alcalinidade. Operando com cargas volumétricas médias fracas, em torno de,8 KgN-NH 4 + /m 3.d (dp =,5), a nitrificação foi quase total. Nesse período, a temperatura média do esgoto foi de 29 o C, e a eficiência média na nitrificação terciária foi de 83 % (dp = 13). Quando da dosagem em amônia, a carga volumétrica média aplicada foi elevada para,47 KgN-NH 4 + /m 3.d (dp =,16), e a eficiência média foi de 88 % (dp = 11), para um esgoto com temperatura média de 25 o C. Comparação entre o BF aerado e as outras tecnologias aplicadas no polimento do efluente de lagoas A tabela 5 apresenta uma comparação entre o BF e os principais processos aplicados no polimento de efluente de lagoas. Tabela 5 - Principais processos aplicadas no polimento de efluentes de lagoas Carga Processo Hidrául. (m 3 /m 2 d) Características do Efluente Eficiência Nitrifica Referência Coagulação/ Floculação/ Decantação - SS = 29 mg/l Coagulação/ Floculação/ - - Flotação Filtração Intermitente em Areia,37 a,56 Filtro de Pedras,4 a,6 Gramíneas,2 a,5 Micropeneiras 6 a 12 Processo PETRO (filtro percolador) - DBO5 = 22 mg/l SS = 29 mg/l N-NH3=1,2 mg/ l DBO5 < 3 mg/l Al : SSent = 5 mg/l : 95 % Mg: SSent=12 mg/l : 95 % LR*:SSent=179mg/l : 84 % Friedman et al (1977) Piotto (1995) Não Al : Ssent = 77 mg/l : 72 % Mg: SSent = 6 mg/l : 69 % Não Friedman et al (1977) 94 % Possível Rich e Wahlberg (199) Caldwell et al (1973) SS = 37 mg/l 7 % Não Middlebrooks (1988) SS < 2 mg/l DBO5 < 2 mg/l 5 a 6 % Possível Mara (1992) SS = 3 mg/l 73% DBO5 = 3 mg/l (25 corridas ) Não Harrelson (1982) DQO= 8 a 96 mg/l SS= 23 a 28 mg/l SS = 33 a 45 % Meiring et al (1994) N-NH3= 3,8 a 4, N-NH3 = 79 % Sim mg/l N-NO3 = 26 a 31 mg/l DQO = 85 mg/l

7 Biofiltro Aerado Submerso 46 SS = 31 mg/l N-NH4 < 1 mg/l N-NO3 = 16 mg/l 54 % Sim Oliveira (1996) A concentração média de 31 mgss/l no efluente gerado pelo reator é ligeiramente superior às observadas na saída de alguns dos processos citados. A eficiência do BF na remoção de SS é equivalente àquelas obtidas nos outros processos, mas as cargas hidráulicas por ele suportadas são muito superiores, com exceção das micropeneiras. Elas se constituem na única tecnologia que suporta cargas hidráulicas superiores aos BF s, mas além do seu alto custo, apresentam o inconveniente de não realizarem a nitrificação. Quando o corpo receptor demandar um padrão melhor para o efluente nele lançado, e a remoção da amônia se fizer necessária, os BF s constituem-se na opção preferencial. CONCLUSÕES Este trabalho mostrou que o BF se constitui num excelente processo de polimento de efluentes de LF s, pois além de ser capaz de remover algas, também realiza a nitrificação num mesmo reator (Oliveira e Gonçalves, 1995). Sob as condições operacionais testadas, o piloto BF apresentou eficiência média de 54 % na remoção de SS, para uma carga volumétrica média de 1,4 KgSS/m3.d. Concentrações médias na entrada da ordem de 71 mgss/l foram reduzidas a 31 mgss/l na sua saída. Um efluente final com 85 mgo2/l em DQO foi produzido para teores médios de entrada da ordem de 27 mgo2/l. No tocante à nitrificação, o BF apresentou uma eficiência média de 88 % para uma carga volumétrica média de,47 KgN-NH4+/m3.d (Tmédia = 25 oc). Concentrações superiores a 2 mgn-nh4+/l na entrada do BF podem ser facilmente reduzidas a menos de 1 mgn-nh4+/l na sua saída, caso não haja carência de alcalinidade. A eficiência média apresentada pelo BF, com relação à remoção de algas, foi equivalente àquelas obtidas nos outros processos de polimento, mas a carga hidráulica por ele suportada é muito superior. Isto se reflete numa demanda de terreno muito menor, sendo que em locais onde as lagoas de estabilização necessitando melhorar a qualidade do seu efluente estiver inserida em áreas urbanizadas, a disponibilidade e custo do terreno se tornam fatores relevantes. O único processo que suporta cargas hidráulicas superiores aos BF s são é o das micropeneiras, que além de ser uma tecnologia de alto custo, apresenta o inconveniente de não realizar a nitrificação. AGRADECIMENTOS Os autores agradecem à empresa SAMARCO MINERAÇÃO S.A. pelo apoio financeiro, e por ter permitido a realização desta pesquisa nas instalações da indústria, localizada no município de Anchieta no estado do Espírito Santo ( Brasil ). BIBLIOGRAFIA EPA (1973) - Upgrading lagoons. EPA/625/4-73/1b. Technology Transfer Seminar Publication, Environmental Protection Agengy, USA Gonçalves, R.F. e Oliveira, F.F. (1995) - Improving the effluent quality of facultative ponds by means of submerged aerated biofilters - Trabalho apresentado no International Symposium on Transference Technology: Achieving high performance at low cost in environmental and sanitation control systems, IAWQ/ABES, Salvador, Bahia

8 Harrelson, M.E. e Cravens,J.B. (1982) - Use of microscreens to polish lagoons effluents. Journal WPCF, Vol. 54, N o 1, pp Meiring, P.G.J. e Oellermann, R.A. (1995) - Biological removal of algae in an integrated pond system. Wat. Sci. Tech., Vol. 31, N o 12, pp Meiring, P.G.J., Shipin, O.V e Rose, P.D. (1995) - Removal of algal biomass and final treatment of oxidation pond effluents by PETRO process. Preprint volume of the 3rd IAWQ Intern. Specialist Confer. on Waste Stabilization Ponds Technology and Applications, João Pessoa, Brasil Middlebrooks, E.J. (1988) - Review of rock filters for the upgrade of lagoon effluents. Journal WPCF, Vol 6, N o 9, pp Middlebrooks, E.J. (1995) - Upgrading pond effluents: an overview. Wat. Sci. Tech., Vol. 31, N o 12, pp Oliveira, F.F. e Gonçalves, R.F. (1995) - Readaptação de lagoas de estabilização facultativas a padrões rigorosos de qualidade através de biofiltros aerados submersos. Revista BIO, Ano IV, N o 3, Out/Dez, pp Oliveira, F.F. (1996) - Remoção de algas e nitrificação terciária de efluente de lagoa de estabilização facultativa através de biofiltros aerados submersos. Vitória, Dissertação submetida ao Mestrado em Engenharia Ambiental da Universidade Federal do Espírito Santo