II PÓS-TRATAMENTO DE EFLUENTES DE REATOR ANAERÓBIO EM SISTEMA COMBINADO CONSTITUÍDO DE OZONIZAÇÃO E FILTRO- BIOLÓGICO AERÓBIO SUBMERSO

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1 II PÓS-TRATAMENTO DE EFLUENTES DE REATOR ANAERÓBIO EM SISTEMA COMBINADO CONSTITUÍDO DE OZONIZAÇÃO E FILTRO- BIOLÓGICO AERÓBIO SUBMERSO Ana Beatriz Barbosa Vinci Lima (1) Programa de Pós-Graduação em Hidráulica e Saneamento da Escola de Engenharia de São Carlos-EESC/USP. Bolsista de mestrado-fapesp Romeu Francisco Gadotti Doutor em Hidráulica e Saneamento pela Escola de Engenharia de São Carlos-EESC/USP. Luiz Antonio Daniel Professor Doutor do Departamento de Hidráulica e Saneamento da EESC-USP. Endereço (1) : Av. Trabalhador São Carlense, 4 - Centro São Carlos, São Paulo Brasil CEP País - Tel. (16) anabeatrizvinci@yahoo.com.br RESUMO Para atender a legislação brasileira de qualidade das águas superficiais há necessidade de submeter o efluente de processos anaeróbios a pós-tratamento para remoção de carga orgânica remanescente e redução de toxicidade. Entretanto, alguns compostos dependendo do processo de tratamento, poderão não ser removidos. Por esse motivo propõe-se oxidação dos efluentes de processos anaeróbios e posterior tratamento em reator aeróbio de leito fixo. Espera-se que o ozônio decomponha as moléculas orgânicas mais complexas, tornandoas subprodutos disponíveis para utilização pela comunidade de bactérias que se desenvolverá no leito destes reatores. O trabalho foi desenvolvido com a finalidade de avaliar a viabilidade técnica da utilização do processo de ozonização quando utilizado em sistema combinado composto por reator anaeróbio compartimentado seguido por biofiltro aerado submerso, com leito preenchido por material granular. No sistema foi avaliado a operação de dois biofiltros, um preenchido por carvão ativado e outro preenchido por cubos de espuma de poliuretano. Os dois biofiltros apresentaram efluente com excelente qualidade final. O biofiltro com meio suporte de carvão ativado granular demonstrou ser o mais eficiente, teve estabilização mais rápida e produziu efluente final com DQO da ordem de 14,3 mg/l e SST de 6,8 mg/l. PALAVRAS-CHAVE: Esgoto Sanitário, Sistema combinado, Ozônio, Biofiltro aerado submerso. INTRODUÇÃO As diversas características favoráveis dos processos anaeróbios, aliadas às condições ambientais no Brasil, contribuíram para o sucesso deste processo. Entretanto, os reatores anaeróbios apresentam limitações para produzir efluente que se enquadre nos padrões estabelecidos pela legislação ambiental. O pós-tratamento apresenta-se como forma de adequar o efluente tratado aos requisitos da legislação ambiental e propiciar a proteção dos corpos receptores. O sistema combinado anaeróbio/aeróbio mostrou ser uma opção viável quanto aos aspectos econômico e técnico, pois esse sistema promove oxidação carbonácea, nitrificação, desnitrificação e, algumas vezes, remoção de fósforo. Essa combinação torna possível aproveitar as vantagens de cada processo e minimizar seus aspectos negativos. No entanto, alguns compostos remanescentes de processos anaeróbios poderão não ser removidos em tratamento seqüencial biológico aeróbio. Por este motivo, propõe-se a oxidação dos efluentes de processos anaeróbios e posterior tratamento em processo biológico aeróbio. Espera-se que o ozônio decomponha as moléculas orgânicas mais complexas, tornando-as subprodutos disponíveis para utilização pela comunidade de bactérias que se desenvolvem no leito dos reatores, ou seja, promova o aumento da biodegrabilidade de substâncias orgânicas persistentes. Esta pesquisa centra-se na avaliação da viabilidade técnica da utilização do processo de ozonização quando utilizado em sistema combinado composto por reator anaeróbio compartimentado seguido por biofiltro aerado ABES - Associação Brasileira de Engenharia Sanitária e Ambiental 1

2 submerso, com leito preenchido por material granular. Foi avaliada a operação de dois biofiltros, um preenchido por carvão ativado e um preenchido por espuma de poliuretano. O ozônio, além de ser um poderoso agente desinfetante e oxidante, concomitantemente, remove nutrientes, algumas substâncias orgânicas não biodegradáveis e fenóis, reduz os teores de ferro e manganês, possui tempo de reação muito pequeno, não produz sabor nem odor, oxigena o efluente tratado e apresenta rápida decomposição após sua aplicação. MATERIAS E MÉTODOS Para a avaliação do pós-tratamento proposto, foi utilizado como afluente ao sistema o efluente de um reator anaeróbio compartimentado, instalado no Laboratório de Tratamento de Resíduos Sólidos, localizado no Campus da EESC-USP São Carlos - SP. Este reator funciona com vazão de esgoto afluente de 45 L/h e tempo de detenção hidráulico de 24 horas. Os ensaios em sistema contínuo constituíram-se em passar o efluente do sistema de tratamento secundário por uma coluna piloto para a introdução de ozônio. Após a ozonização, este passou por uma caixa de passagem de onde foi bombeado para dois biofiltros: um preenchido com carvão ativado granular e outro com espuma de poliuretano, como esquematizado na figura 1. Figura 1: Esquema do sistema experimental de pós-tratamento de efluente anaeróbio em processo constituído de ozonização e biofiltro aerado submerso. Os biofiltros foram construídos em PVC, com diâmetro de 5 mm e altura de 9 cm. O tempo de detenção hidráulica nesses biofiltros foi de 1,5 horas, com taxa de aplicação superficial de 4 m 3 /m 2.dia e carga orgânica volumétrica de,68 kg DBO/m 3.dia. Para a determinação da concentração de ozônio aplicado e do tempo de contato, utilizou-se os valores obtidos por Gadotti (23). Os biofiltros aerados submersos foram inoculados com lodo proveniente da estação de tratamento de efluentes da indústria Faber-Castell, situada na cidade de São Carlos SP. Esta estação utiliza como tratamento o processo de lodos ativados. Os reatores foram inoculados com a adição de lodo equivalente a 5% de seus volumes e o restante deste completado pelo efluente do reator anaeróbio compartimentado. Após a inoculação, os filtros foram ABES - Associação Brasileira de Engenharia Sanitária e Ambiental 2

3 alimentados por uma semana com o efluente não ozonizado, para aclimatação mais rápida do lodo, visto que esse tem quantidade maior de matéria orgânica, o que facilita o crescimento dos microrganismos. Para o fornecimento de oxigênio utilizou-se aeradores de aquário. No monitoramento do sistema de tratamento combinado foram analisadas as características físicas e químicas dos efluentes e a periodicidade das coletas foi semanal. Foram coletadas amostras do efluente do reator anaeróbio (P 1 ), do efluente ozonizado (P 2 ) e das saídas dos biofiltros (P 3 e P 4 ) e as seguintes variáveis foram quantificadas: ph, temperatura, alcalinidade, Sólidos Totais, Sólidos Totais Voláteis, Sólidos Suspensos Totais, Sólidos Suspensos Voláteis, Oxigênio Dissolvido, DQO, Carbono Orgânico Total, Sulfeto, Nitrogênio Amoniacal, Nitrogênio Kjeldahl, Nitrato e Nitrito. As análises realizadas seguiram as metodologias do Standard Methods for Examination of Water and Wastewater (1995) e foram realizadas no Laboratório de Saneamento do Departamento de Hidráulica e Saneamento da EESC - USP. RESULTADOS Os valores médios dos parâmetros analisados estão apresentados na tabela 1. Tabela 1: Características físicas e químicas do afluente e do efluente do sistema de tratamento. Afluente Efluente Parâmetros Não ozonizado (P1) Ozonizado (P2) Carvão Ativado (P3) Espuma de Poliuretano (P4) Alcalinidade (mg/l) 17, 169,2 89,6 18,2 ph 7, 7,3 7,1 7, Temperatura (ºC) 24,7 24,7 25,1 24,9 Oxigênio Dissolvido (mg/l),2 5, 3,6 3,3 Carbono Orgânico Total (mg/l) 83,6 79,1 27, 57,1 Carbono Inorgânico Total (mg/l) 42,9 42,4 22,1 2,1 DQO (mg/l) 123,2 97,5 35,5 69,4 Sólidos Totais (mg/l) 368, 42,4 462,2 48,2 Sólidos Totais Voláteis (mg/l) 21,8 243,8 245,6 255,4 Sólidos Totais Fixos (mg/l) 157,2 158,6 216,6 224,8 Sólidos Suspensos (mg/l) 46,9 38,9 6,7 8,5 Sólidos Suspensos Voláteis 42,5 34,5 5,9 7,3 Sólidos Suspensos Fixos (mg/l) 4,4 4,4,7 1,2 Sólidos Dissolvidos Totais (mg/l) 321,1 363,5 455,6 471,7 Sólidos Dissolvidos Voláteis 168,3 29,3 239,7 248,1 Sólidos Dissolvidos Fixos (mg/l) 152,8 154,2 215,9 223,7 Pode-se observar que a alcalinidade, tanto para o filtro com meio suporte de espuma quanto para o de carvão, foi decrescendo com o passar do tempo, até chegar a valores muito baixos no 21 o dia. Esse consumo de alcalinidade foi ocasionado pela nitrificação, que oxidou o nitrogênio amoniacal a nitrato. Esse processo consome alcalinidade e abaixa o ph, como pode ser observado nas figuras 2 e 3. ABES - Associação Brasileira de Engenharia Sanitária e Ambiental 3

4 25 2 Alcalinidade (mg CaCO3/L) Figura 2: Variação da alcalinidade total durante a operação do sistema de pós-tratamento. 8 7,5 7 ph 6,5 6 5,5 Figura 3: Variação ph durante a operação do sistema de pós-tratamento. Para a confirmação da hipótese foi realizada uma análise um ensaio no 21 o dia, que determinou a concentração de nitrogênio amoniacal e nitrato, para avaliar a ocorrência de nitrificação. Os valores obtidos podem ser vistos na tabela 2. Tabela 2: Concentração de nitrogênio amoniacal e nitrato no sistema de pós-tratamento. Amostra N amoniacal (mg/l) N nitrato (mg/l) Afluente 35, 2,7 Ozonizado 38, 3, Carvão 4, 12, Espuma 1, 26, De acordo com os valores de nitrogênio amoniacal e nitrato, pode-se concluir que ocorreu nitrificação nos dois biofiltros aerados submersos e, por isso, a partir do 21 dia de testes passou-se a acrescentar bicarbonato ABES - Associação Brasileira de Engenharia Sanitária e Ambiental 4

5 de cálcio para suprir a necessidade de alcalinidade e manter o ph do meio adequado para o crescimento das bactérias. A ozonização aumentou a concentração de oxigênio dissolvido por dois motivos: decomposição do ozônio e dissolução do oxigênio que não foi convertido a O 3 (a geração de ozônio foi feita a partir de oxigênio puro). No entanto, como o efluente ozonizado permanecia por 24 horas no recipiente até ser bombeado para os biofiltros aerados submersos, foi necessária a aeração das duas colunas para manter-se concentração de oxigênio suficiente para o processo biológico aeróbio. Esta introdução de oxigênio foi feita por aeradores de aquário sendo que cada um foi ligado a uma coluna diferente. Pode-se observar na figura 4 que a quantidade de ar introduzida nos filtros foi suficiente, visto que, os biofiltros aerados submersos apresentaram concentrações de oxigênio dissolvido na saída do filtro da ordem de 3mg O 2 /L. As concentrações de oxigênio dissolvido observadas no efluente anaeróbio e no efluente ozonizado se mantiveram constante durante o decorrer do tempo. A concentração de oxigênio dissolvido no efluente anaeróbio esteve em torno de,2 mg O 2 /L, valor coerente com o efluente que durante a transferência do reator compartimentado para a instalação piloto foi, involuntariamente, aerado. A concentração de oxigênio dissolvido no efluente ozonizado se manteve em torno de 5, mg O 2 /L, o que leva a presumir que num sistema contínuo haverá a necessidade da introdução de uma quantidade menor de oxigênio no biofiltro aerado submerso. 6 5 Oxigênio dissolvido (mgo 2 /L) Figura 4: Variação da concentração de oxigênio dissolvido durante a operação do sistema de póstratamento. O biofiltro aerado submerso, que tinha espuma de poliuretano como meio suporte, apresentou concentração de oxigênio dissolvido um pouco menor do que a observada com carvão ativado granular. O pós-tratamento de efluente anaeróbio por ozonização seguida de biofiltro aerado submerso apresentou bons resultados em relação à remoção de DQO, com valores de até 14,3 mg/l, o que evidencia a eficiência desta remoção e a produção de efluente de boa qualidade (Figura 5). ABES - Associação Brasileira de Engenharia Sanitária e Ambiental 5

6 DQO (mg/l) Figura 5: Variação da DQO durante a operação do sistema de pós-tratamento. O biofiltro preenchido com carvão ativado atingiu melhor eficiência em menor tempo na remoção de DQO que o preenchido com espuma de poliuretano. Esse resultado não pode ser atribuído somente à adsorção, visto que os filtros foram inoculados com lodo e operados por uma semana com o efluente não ozonizado, tempo suficiente para atingir a saturação do carvão ativado, caso não existisse a atividade biológica. A remoção de sólidos suspensos nos biofiltros aerados submersos apresentou pequenas variações, com comportamento semelhante para os dois meios suporte utilizados. O aumento da concentração dos sólidos suspensos no afluente não provocou grandes variações dessa concentração no efluente, como mostra a figura Sólidos suspensos totais (mg/l) Tempo (dias) Figura 6: Variação da concentração de sólidos suspensos totais durante a operação do sistema de póstratamento. ABES - Associação Brasileira de Engenharia Sanitária e Ambiental 6

7 CONCLUSÕES O processo de pós-tratamento de efluente anaeróbio por ozonização seguida de biofiltro aerado submerso, apresentou bons resultados, visto que, a DQO no efluente foi de até 14,3 mg/l, com eficiência de remoção da ordem de 9%, evidenciando com isso uma boa eficiência e produzindo efluente de excelente qualidade. Com relação ao meio suporte, pode-se observar que os dois meios apresentaram bons resultados, mas o carvão ativado granular apresentou resposta mais rápida e com resultados significativamente melhores, demonstrando com isso que o carvão ativado granular é melhor meio suporte para o biofiltro aerado submerso em comparação com a espuma de poliuretano. O processo de pós-tratamento de efluente anaeróbio constituído por ozonização seguido de biofiltro aerado submerso, não só reduz a matéria orgânica bem como diminui a concentração de sólidos suspensos, produz pouco lodo e ainda nitrifica o efluente. Comparando o efluente do sistema de pós-tratamento composto por ozônio biofiltro aerado submerso com o composto só por biofiltro aerado submerso - resultados obtidos por SOARES (23), SITÔNIO (21), HIRAKAWA et al. (21) e SILVA et al. (22) - pode-se afirmar que a ozonização precedendo o biofiltro melhora a qualidade do efluente final. AGRADECIEMNTOS Os autores agradecem a Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo-FAPESP pelo auxílio financeiro concedido (processo 2/64-5). REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS 1. APHA, AWWA, WPFC, (1995). Standard Methods for the Examination of Water and Wastewater. 2ª ed., Washington, D. C., 1268 p. 2. HIRAKAWA, C., PIVELI, R.P., ALEM SOBRINHO, P. (21). Biofiltro aerado submerso aplicado ao pós-tratamento de efluentes de reator UASB Estudo em escala piloto com esgoto sanitário. Anais do XXI Congresso Brasileiro de Engenharia Sanitária e Ambiental ABES, João Pessoa PB. 3. SILVA, G.M. da, WANKE, R., SANT ANA, T.D., PEGORETTI, J.M., GONÇALVES, R.F. (22). Pequenas estações anaeróbio-aeróbio de alta taxa para tratamento secundário de esgoto sanitário no Brasil. In: Anais do XXVIII Congresso Interamericano de Ingeniería Sanitaria Y Ambiental. AIDIS, Cancun, México. 4. SITÔNIO, Camila P. (21). Pós-tratamento de efluentes de reatores anaeróbios utilizando biofiltro aerado submerso. Dissertação, Escola de Engenharia de São Carlos, USP. São Carlos. 5. SOARES, Leonardo V. (23). Pós-tratamento de esgoto sanitário tratado em reator anaeróbio compartimentado utilizando biofiltro aerado submerso. Dissertação, Escola de Engenharia de São Carlos, USP. São Carlos. ABES - Associação Brasileira de Engenharia Sanitária e Ambiental 7