I AVALIAÇÃO DO SISTEMA REATOR UASB E FILTRO BIOLÓGICO PARA O TRATAMENTO DE ESGOTO SANITÁRIO

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1 I AVALIAÇÃO DO SISTEMA REATOR UASB E FILTRO BIOLÓGICO PARA O TRATAMENTO DE ESGOTO SANITÁRIO Miguel Mansur Aisse (1) Engenheiro Civil (1976). Doutorado em Engenharia pela Escola Politécnica da USP, com bolsa do CNPq. Professor e pesquisador do ISAM/PUCPR, desde Professor da UFPR, desde FOTOGRAFIA Marllon Boamorte Lobato NÃO Engenheiro Civil pela PUCPR (1999). Bolsista AP/CNPq junto ao ISAM/PUCPR, desde DISPONÍVEL janeiro de Alexsandro Bona Acadêmico de Engenharia Química pela PUCPR. Bolsista IC/CNPq junto ao ISAM/PUCPR, desde março de Luis H. Pospissil Garbossa Acadêmico de Engenharia Civil pela PUCPR. Bolsista IC/CNPq junto ao ISAM/PUCPR, desde fevereiro de Décio Jurgensen Engenheiro Civil (1977). Gerente da Unidade de Serviço de Projetos de Grande Porte - USGP da SANEPAR. Pedro Além Sobrinho Engenheiro Civil (1976). Doutor em Engenharia pela Escola Politécnica da USP (1981). Professor titular do Departamento de Engenharia Hidráulica e Sanitária da Escola Politécnica da USP (1981), desde Endereço (1) : Rua Imaculada Conceição, Instituto de Saneamento Ambiental - ISAM/PUCPR - Bairro Prado Velho - Curitiba - PR - CEP: Brasil - Tel: (41) Fax: (41) aissemig@rla01.pucpr.br RESUMO Os reatores anaeróbios tipo UASB tornaram-se consagrados no Paraná e no Brasil, ao serem utilizados de maneira extensiva no tratamento de esgotos para populações de 200 a habitantes. Receberam junto a SANEPAR o nome de RALF, com a introdução de modificações construtivas. O pós-tratamento de efluentes provenientes de reatores anaeróbios está sendo estudado, em instalações piloto e mesmo em escala real, através de um Convênio entre SANEPAR e a PUCPR. Busca-se atender a legislação brasileira para o lançamento dos efluentes nos corpos d'água receptores, cujos padrões não são atendidos totalmente pelos reatores tipo UASB. O presente trabalho apresenta resultados da operação do sistema piloto UASB + FB, operando com esgoto sanitário, por um período de 8 meses. O efluente apresentou concentração de 136 ± 110 mg/l, medida como DQO, representando uma eficiência de 71,6% para o esgoto afluente (bruto), com 479 ± 160 mg/l. Para os SST a eficiência observada foi de 64,3%. A otimização da operação do sistema pode conduzir a efluentes de melhor qualidade, portanto devendo serem consideradas adequadamente a vazão de retorno do lodo biológico secundário ao fundo do UASB e o descarte periódico de lodo digerido. Também estão apresentados os resultados do monitoramento da ETE Caçadores (Cambé-PR), instalação construída pela SANEPAR para uma população de habitantes. A eficiência média de remoção, no ano de 1999, foi de 84% para a DQO e 93% para a DBO. PALAVRAS CHAVE: Esgoto Sanitário, Reator UASB, Pós-Tratamento, Filtro Biológico. INTRODUÇÃO/OBJETIVOS Segundo Além Sobrinho, 1997, os leitos percoladores, indevidamente denominados filtros biológicos, consistem de um leito de material altamente permeável, nas quais se aderem os microrganismos e através dos quais o líquido a ser tratado é percolado (fluxo descendente). O material de enchimento normalmente consiste de pedras, com diâmetro variado entre 25 e 100mm. Os filtros são construídos com um dreno inferior para coleta do líquido tratado e dos sólidos biológicos que se desprendem do material do leito. Esse sistema de drenagem é importante, tanto para coletar os líquidos já percolados, como para permitir a circulação do ar através do leito. Os líquidos coletados são encaminhados a ABES - Associação Brasileira de Engenharia Sanitária e Ambiental 1

2 um decantador, onde os sólidos são separados do efluente final. É comum, na prática, uma parte dos líquidos coletados no sistema de drenagem, ou do efluente final, retornar ao filtro para diluir o esgoto afluente ou ainda manter as taxas de aplicação superficial mínimas, adequadas à boa operação do sistema (Além Sobrinho, 1997). Pessoa e Vilela, 1992, apresentam vários fluxogramas com o uso dos filtros biológicos, sempre precedidos de decantadores primários. Assim o processo predominante seria a oxidação biológica. A matéria orgânica é absorvida na camada biológica, de modo a sofrer a degradação aeróbica nas camadas exteriores. A medida que os organismos crescem a espessura da camada biológica aumenta e o oxigênio não consegue penetrar em todas as camadas, sendo consumido antes de atingir as faces interiores que se comportam anaerobicamente. O esgoto percolando entre o meio filtrante lava a camada de limo que o recobre e arrasta consigo os excessos de sólidos e limo, de modo a haver sempre substituição de novas camadas biológicas. A maior ou menor retirada de sólidos e formação de novos organismos são funções das cargas hidráulica e orgânicas que se aplica. De acordo com estas cargas se classificam os filtros em dois tipos principais: de alta e baixa capacidade. (Pessoa e Vilela, 1992). Metcalf e Eddy, 1991, ampliam a classificação anteriormente citada, da seguinte maneira: baixa taxa (convencional), taxa intermediária, alta taxa e taxa super alta (grosseiro). O enchimento dos filtros biológicos (ou meio suporte) é de fundamental importância no desempenho do processo. O enchimento do filtro biológico convencional pode ser brita, pedregulho, coque ou carvão, que têm capacidade limitada de proporcionar grande área superficial por volume unitário do filtro, devido a sua configuração geométrica. Os materiais plásticos são aqueles que no momento possuem as características de um material de enchimento ideal (Além Sobrinho, 1997). Belém, 1996, operou um filtro biológico piloto (h leito = 1,86m), com aeração e leito de brita, como póstratamento de efluente sanitário de um reator anaeróbio compartimentado. As eficiências médias na remoção de DQO e DBO foram: 70% e 73%, para taxa de aplicação hidráulica de 1,5m 3 /m 2.dia, 55% e 59% para 7,5m 3 /m 2.dia e 40% e 48% para 13m 3 /m 2.dia. Para a remoção de SSV as eficiências foram de 64%, 47% e 28% nas taxas já citadas. O filtro apresentou razoável eficiência na conversação de nitrogênio amoniacal, de 75%, 42% e 33%. No entanto deve-se destacar que ao filtro não estava acoplado o decatador secundário, para adequada remoção dos sólidos suspensos arrastados ao fundo do filtro. Nascimento et al., 2000, estudaram também a aplicação do reator tipo UASB seguido de filtro biológico, em escala piloto (h total de 1,35m) cujo leito era constituído de escória de alto forno. Operando com esgoto doméstico, o compartimento de decantação estava localizado na parte inferior do filtro biológico. As eficiências médias (filtro biológico), na remoção de DQO e DBO foram: 25% e 56% para taxa de aplicação superficial de 3,4m 3 /m 2.dia, 39% e 63% para 6,8m 3 /m 2.dia e 34% e 66% para 10,2 m 3 /m 2.dia. Para a remoção de SST as eficiências foram de 62%, 66% e 39% nas taxas já citadas. Vale citar que o regime hidráulico aplicado na primeira taxa foi o permanente e após o transiente, considerando um hidrograma típico de vazão, cuja vazão máxima era 62% superior a média. A avaliação do sistema reator UASB e filtro biológico (FB) para o tratamento de esgoto sanitário afigura-se como interessante alternativa para as condições brasileiras e o seu estudo, objeto deste trabalho. METODOLOGIA A realização das pesquisa relativas ao sistema UASB + FB está sendo cumprida junto a ETE Belém (Curitiba - PR) e inclui o projeto, construção (concluídos), operação e monitoramento de instalação piloto. A instalação está situada em área contígua ao desarenador e receberá esgoto sanitário gradeado e desarenado, oriundo das unidades responsáveis pelo tratamento preliminar da ETE Belém. A vazão de dimensionamento de cada processo foi de 250 L/h (ver Figura 1). O esgoto é enviado ao fundo do reservatório elevado (caixa de distribuição), através de um conjunto motor-bomba submersível, do tipo triturador. No reservatório o esgoto é distribuído aos processos de tratamento, através de vertedores situados na superfície. Através de luva roscável (vertedor) é obtida a vazão desejada e um extravasor mantém o nível de esgoto constante. ABES - Associação Brasileira de Engenharia Sanitária e Ambiental 2

3 Figura 1: Pós Tratamento de Efluentes Provenientes de Reatores Anaeróbios Fluxograma da Instalação Piloto. O reator UASB foi construído em tubulação de concreto, de diâmetro 80 cm e altura 4,0 m, possuindo no topo um separador gás - sólido (decantador) em fibra de vidro. O filtro biológico tipo percolador está sendo testado também em um piloto. Assim, utilizando-se de distribuidor rotativo sobre o filtro, aplica-se o esgoto anaeróbio sobre o reator, construído em tubos de concreto, de diâmetro de 60 cm e altura de 4,0 m. O material de enchimento é a pedra brita, tendo sido previsto ainda um tanque de pré - aeração do afluente ao filtro. O lodo biológico sedimentado também é encaminhado do decantador secundário (DS) ao fundo do reator UASB, para seu adensamento e digestão (ver Figura 2). As amostras de esgoto bruto foram coletadas por meio de um amostrador ISCO, a cada 30 minutos e compostas em alíquotas iguais, totalizando 24 horas. Os efluentes anaeróbio e do DS foram coletados através de bombas peristálticas, de maneira contínua, no mesmo período de tempo. Registros de gaveta colocados espaçadamente ao longo da altura do reator anaeróbio permitem a coleta de lodo, para determinação da concentração de sólidos no manto de lodos. O reator UASB foi inoculado previamente, em setembro de 1999, com lodo anaeróbio de reatores RALF (UASB) da SANEPAR. As determinações e ensaios estão sendo conduzidos no Laboratório de Análises Ambientais do ISAM/PUCPR e observam as rotinas expressas no Standard Methods, Figura 2: Vista geral da Instalação Piloto junto ao Desarenador da ETE Belém (SANEPAR). ETE s, com reator RALF (UASB) seguido de filtro biológico, foram projetadas e construídas pela SANEPAR no sistema de esgotos sanitários de Londrina e Cambé (PR) e iniciaram recentemente sua operação. Neste trabalho está apresentada a ETE Caçadores, localizada em Cambé - PR, cujo fluxograma inclui o reator RALF, o filtro biológico e a desinfecção (ver Figura 3). Para uma vazão de final de plano (ano 2018) de 134,8 L/s, em ABES - Associação Brasileira de Engenharia Sanitária e Ambiental 3

4 tempo seco, e população atendida de habitantes, o filtro biológico foi dimensionado observando as condições operacionais descritas na Tabela 1. O monitoramento, conduzido durante o ano de 1999, foi realizado no âmbito da SANEPAR. Tabela 1: ETE Caçadores - Principais Condições Operacionais dos Filtros Biológicos. PARÂMETRO ANO INÍCIO ANO ª ETAPA ANO 2018-FINAL DE DE PLANO PLANO Nº UNID. IMPLANT ÁREA SUPERFICIAL 314 m m m 2 TOTAL VOLUME ÚTIL TOTAL 628 m m m 3 TAXA APLIC. DBO 0,87 kgdbo/m 3.dia 0,59 kgdbo/m 3.dia 0,81 kgdbo/m 3.dia TAXAS APLIC. HIDRAUL.: -PARA Q TEMPO SECO 24,4 m 3 /m 2.dia 14,8 m 3 /m 2.dia 18,6 m 3 /m 2.dia -PARA Q MÁX. TEMPO SECO 37,2 m 3 /m 2.dia 23,4 m 3 /m 2.dia 30,5 m 3 /m 2.dia -PARA Q COM CHUVAS 36,0 m 3 /m 2.dia 21,1 m 3 /m 2.dia 25,4 m 3 /m 2.dia -PARA Q MÁX. MÁX. COM CHUVAS 48,9 m 3 /m 2.dia 29,7 m 3 /m 2.dia 37,2 m 3 /m 2.dia Fonte: SANEPAR, 1996 Figura 3: ETE Caçadores (Cambé-PR) - Fluxograma do Sistema de Tratamento Fonte: SANEPAR. ABES - Associação Brasileira de Engenharia Sanitária e Ambiental 4

5 RESULTADOS/DISCUSSÃO Instalação piloto O sistema de tratamento está operando desde dezembro de 1999, tendo sido impostas quatro fases de operação: a partida sem inoculação do FB, o retorno intermitente de lodo biológico do decantador secundário (DS) ao UASB, com vazão de 240 L/h, retorno intermitente com vazão de 97 L/h e retorno contínuo com vazão de aproximadamente 20 L/h. Os resultados estão sumarizados nas Tabela 2 e Figuras 4 e 5 apresentadas a seguir. Tabela 2: Monitoramento do Sistema UASB + FB. Figura 4 - Gráfico dos Valores de DQOt afluente e efluente do Sistema UASB + FB. ABES - Associação Brasileira de Engenharia Sanitária e Ambiental 5

6 Figura 5 - Gráfico dos Valores de SST afluente e efluente do Sistema UASB + FB. O efluente final apresentou concentração de 136 ± 110 mg/l, medida como DQO, representando uma eficiência de 71,6% para o esgoto afluente (bruto), com 479 ± 160 mg/l. Para os SST a eficiência observada foi de 64,3%. Quanto a evolução dos resultados, observou-se uma grande variação de qualidade, influenciando os resultados do efluente. Foram expurgados da Tabela 2 os dados cujos valores de DQO e sólidos extrapolaram o intervalo x ± σ. A recirculação de 240 L/h ocasionou, no UASB, uma velocidade ascensional de 1 m/h, o que provocou um grande arraste de sólidos no efluente. Assim reduziu-se a vazão para 97 L/h, fato que gerou uma melhora no efluente do UASB e também do DS, mas durante o retorno (cerca de 1 hora, 3 vezes ao dia) ainda se observou "lavagem" do reator. Este fato não permitiu uma observação adequada da perda de lodo (sólidos) por excesso de acumulação no reator. Assim, apesar da avaliação regular do perfil de lodo anaeróbio no reator UASB (Tabela 2) não procedeu-se a descarga do excesso de lodo, efetuada somente no início do mês de agosto. A Tabela 3 apresenta a evolução da massa de sólidos voláteis no manto de lodo dos reatores anaeróbios. Novamente observou-se uma perda de massa no mês de março e após uma perda contínua, mesmo com a diminuição da vazão de retorno de lodo biológico aeróbio. Foi introduzido na Tabela o resultado de outro reator UASB, o qual não operou com retorno de lodo. Este pode servir como referência na avaliação do FB, tanto na evolução da massa de lodo, quanto na eficiência de remoção. A remoção da DQO no UASB foi de 70%, para um efluente com 144 ± 48 mg/l. Observou-se uma perda de massa no mês de março em ambos os reatores anaeróbios, coincidindo com uma deterioração da qualidade do afluente, cujos valores foram expurgados das Figuras 4 e 5, por motivos já esclarecidos. Após este período, continuou-se observando uma perda contínua de sólidos, mesmo com a diminuição da vazão de retorno de lodo biológico aeróbio. As Figuras 6 e 7 apresentam os perfis de sólidos obtidos no manto de lodo dos reatores anaeróbios. ABES - Associação Brasileira de Engenharia Sanitária e Ambiental 6

7 Tabela 3: Quantidade (massa) do Lodo Anaeróbio nos Reatores (kgstv). Data UASB UASB/FB OBS 11/11/99 28,51 15,60 Inoculação 04/01/00 42,25 30,09 Q retorno lodo biológico aeróbio = 240 L/h 09/03/00 50,56 31,46 Q retorno lodo biológico aeróbio = 240 L/h 08/05/00 31,29 26,58 Q retorno lodo biológico aeróbio = 97 L/h 30/06/00 32,34 28,44 Q retorno lodo biológico aeróbio = 97 L/h Figura 6 - Gráfico do Perfil de Sólidos do Reator UASB/FB (ST). Figura 7 - Gráfico do Perfil de Sólidos do Reator UASB (ST). ABES - Associação Brasileira de Engenharia Sanitária e Ambiental 7

8 Apesar de previstos no projeto da Instalação Piloto, pré-aeração do afluente ao FB ou mesmo recirculação do efluente do DS ao topo do filtro, estes procedimentos não foram utilizados. Mesmo assim o efluente do FB logrou manter uma concentração de OD sempre superior a 2,0 mg/l. Estes comentários sugerem que a otimização do sistema UASB + FB pode conduzir a efluente com qualidade, em termos de DQO o efluente do sistema atende as exigências da legislação ambiental do Estado do Paraná (DQO < 125 mg/l), para o lançamento em corpos d'água receptores. ETE Caçadores (SANEPAR) Durante o ano de 1999, a SANEPAR conduziu o monitoramento da ETE Caçadores e os resultados estão sumarizados na Tabela 4. Novamente as eficiências demonstraram a viabilidade da utilização do sistema RALF + FB, no atendimento da legislação ambiental quanto aos parâmetros DQO e DBO. Tabela 4: Monitoramento da ETE Caçadores (Cambé-PR). CONCLUSÃO O projeto do decantador secundário e a vazão de retorno do lodo biológico secundário ao fundo do UASB, para adensamento e digestão, são aspectos que não podem ser desconsiderados na análise da avaliação do sistema UASB e FB; Na Instalação Piloto, operando com vazão de 250 L/h, o FB apresentou efluente com concentração de 136 ± 110 mg/l, medida como DQO, representando uma eficiência de 71,6 % para o esgoto afluente (bruto), com 479 ± 160 mg/l. Para os SST a eficiência observada foi de 64,3%. Importante aspecto a ser destacado foi a obtenção de um efluente do FB com boas concentrações de oxigênio dissolvido, geralmente maiores que 2,0 mg/l; A ETE Caçadores (Cambé-PR), instalação constituída pela SANEPAR, para uma população de habitantes, apresentou uma eficiência média de remoção, no ano de 1999, de 84% para a DQO e 93% para a DBO; ABES - Associação Brasileira de Engenharia Sanitária e Ambiental 8

9 O sistema UASB + FB não apresentou no período problemas operacionais relevantes e pode fornecer uma DQO efluente que atende a legislação ambiental do Estado do Paraná, para o lançamento em corpos d'água receptores. AGRADECIMENTOS Os autores autores agradecem à SANEPAR e ao PROSAB, através da FINEP, CNPq/RHAE e CEF, todo o apoio demonstrado ao longo do desenvolvimento dos trabalhos, desde a construção da instalação piloto, o acesso à ETE Belém e o financiamento da operação e monitoramento. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS 1. ALÉM SOBRINHO. Filtros Biológicos de Alta Taxa. In: Série Apuntes Técnicos. AIDIS Argentina, Buenos Aires p APHA; AWWA; WEF. Standard Methods for Examination of Water and Wastewater. 20 edição. Washington, D.C., APHA BELEM, B. D. Pós-Tratamento de Efluentes de Esgoto Sanitário Através de Filtro Biológico com Taxas Variáveis. Dissertação apresentada à EESC/USP. Novembro p. 4. METCALF e EDDY. Wastewater Engineering: Treatment, Disposal, Reuse. 3 rd ed. New York, Mc Graw Hill, p. 5. NASCIMENTO, M. C. P. ; CHERNICHARO, C. A. L. ; GARCIA, P. B. S. Avaliação de Filtros Biológicos Aeróbios com Pós-Tratamento de Efluentes de Reatores UASB. In: SILUBESA, IX, Porto Seguro-BA, Anais. Rio de Janeiro, ABES, p PESSOA, C. A. e VILLELA, C. H de C. Filtros Biológicos Aeróbios (Manual de Curso). ABES. Abril S.p. 7. SANEPAR. Sistema de esgoto sanitário; Projeto básico; Cambé-ETE Caçadores. SANEPAR, Gerência de Projetos. Julho ABES - Associação Brasileira de Engenharia Sanitária e Ambiental 9

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