VI Simpósio Ítalo Brasileiro de Engenharia Sanitária e Ambiental

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1 II PROJETO DE IMPLANTAÇÃO DE UM SISTEMA DE BAIO CUSTO PARA TRATAMENTO DE ÁGUAS RESIDUÁRIAS: REATOR ANAERÓBIO COMPARTIMENTADO SEGUIDO DE LEITOS CULTIVADOS DE FLUO VERTICAL Marcelo Mazzola (1) Engenheiro Agrícola pela FEAGRI/UNICAMP. Mestrando FEAGRI/UNICAMP. Bolsista FAPESP. Desenvolve pesquisas nas áreas de Saneamento Rural e Sistemas Naturais de Tratamento de Águas Residuárias Denis Miguel Roston Professor Assistente Doutor e Chefe do Departamento de Água e Solo da FEAGRI/UNICAMP. Desenvolve atividades de ensino e pesquisa na graduação e pós-graduação nas áreas de Saneamento Rural e Sistemas Naturais de Tratamento de Águas Residuárias. Marcelus Alexander Acorinte Valentim Mestre em Engenharia Agrícola e Engenheiro Agrícola pela Faculdade de Engenharia Agrícola da Universidade Estadual de Campinas, FEAGRI/UNICAMP. Doutorando FEAGRI/UNICAMP. Bolsista FAPESP. Desenvolve pesquisas nas áreas de Saneamento Rural e Sistemas Naturais de Tratamento de Águas Residuárias. Endereço (1) : Cid. Univ. Zeferino Vaz, FEAGRI-UNICAMP, Caixa Postal 6011 Barão Geraldo Campinas - SP - CEP: Brasil - Tel: (19) mailto:mazzola@agr.unicamp.br RESUMO O presente trabalho visa avaliar o desempenho de um Reator Anaeróbio Compartimentado (RAC) de duas câmaras em série e de três leitos cultivados ( contructed wetlands ) de fluxo vertical por batelada no tratamento das águas residuárias da Faculdade de Engenharia Agrícola - FEAGRI /UNICAMP, Campinas/SP, Brasil. A água residuária bruta desta Faculdade é composta de uma mistura de dejetos sanitários com águas de lavagem de vidrarias dos laboratórios e de equipamentos da oficina mecânica. O volume total do reator é de 2300L, sendo projetado para operar com vazão afluente diária de 4600L (TDH de 12h), representado 25% do total gerado na Faculdade. O efluente do RAC está sendo tratado por três leitos cultivados de fluxo vertical por batelada, construídos no formato cilíndrico, utilizando a técnica de ferrocimento, semi enterrados, com 2,0 m 3 cada. Um leito não foi cultivado (controle) e os outros dois foram cultivados com as macrófitas dos gêneros Typha sp. e Eleocharis sp. O meio suporte utilizado é brita #2 e o fornecimento do efluente é feito por batelada. Os tempos de reação para cada ciclo (enchimento reação drenagem) dos leitos foram de 24 e 48 horas. O desempenho do reator anaeróbio está sendo avaliado para a vazão de projeto citada anteriormente (4600 L.dia -1 ) com remoções médias de 80% para os sólidos suspensos totais (SS), 90% para os sólidos sedimentáveis (SSed) e 30% para a demanda química de oxigênio (DQO). Para os leitos foram obtidos, respectivamente, os seguintes índices de remoção para os ciclos de 24 e 48h: 07% e 08% para Nitrogênio Amoniacal e - 10% (aumento) e 50% para Nitrato. Pode-se concluir até o momento que houve uma tendência de estabilização dos parâmetros analisados para o RAC, porém os índices de remoção de DQO encontram-se muito baixos. Já as amostragens para os Leitos indicaram a ocorrência do processo de nitrificação desnitrificação. No entanto, é necessário a complementação do restante das amostras para uma análise completa dos processos. PALAVRAS-CHAVE: Leitos Cultivados de fluxo vertical, Constructed Wetland, Reator Anaeróbio Compartimentado, Saneamento Rural. INTRODUÇÃO Nos últimos anos observa-se um grande desenvolvimento no setor de saneamento, com avanços tecnológicos que possibilitaram o surgimento de projetos de sistemas com grande eficiência para o tratamento águas residuárias. No entanto, estas tecnologias são voltadas, em grande parte, para o tratamento de grandes volumes de resíduos principalmente em grandes centros urbanos. São poucas as iniciativas que propõem o ABES - Associação Brasileira de Engenharia Sanitária e Ambiental 1

2 desenvolvimento ou adaptação de tecnologias voltadas às condições reais de uma grande parte da população brasileira que vive em comunidades rurais, com poucos recursos e difícil acesso à informação. Neste sentido tem-se a necessidade de sistemas simplificados e de baixo custo, tais como: tanques sépticos, lagoas de estabilização, reatores anaeróbios, reuso e disposição no solo, leitos cultivados e outros. Tanto na implantação como na manutenção estes sistemas se sobressaem pela simplicidade conceitual, pela pouca mecanização, pela economia e por tratarem de processos naturais (VALENTIM, 1999). Diante desta problemática acrescida também da poluição causada aos recursos hídricos pela produção zootécnica e agrícola, destaca-se a linha de pesquisa em desenvolvimento na FEAGRI/UNICAMP, com estudos leitos cultivados ( contructed wetlands ) de fluxo horizontal e de reator anaeróbio compartimentado (RAC). Estes sistemas mostraram-se muito promissores no tratamento da água residuária desta mesma Faculdade, pois apresentaram boa remoção de matéria orgânica, fácil implantação e baixo custo. Seguindo a mesma linha de pesquisa, porém objetivando uma melhoria nos índices de remoção de poluentes, em especial o nitrogênio, propõe-se neste trabalho a utilização de um RAC de duas câmaras seguido de leitos cultivados de fluxo vertical, nos quais uma maior oxigenação do meio suporte é esperada, potencializando assim os processos de nitrificação desnitrificação e um conseqüente aumentando os índices de remoção de nitrogênio. MATERIAIS E MÉTODOS Sistema Piloto O sistema de tratamento de água residuária implantado na Faculdade de Engenharia Agrícola FEAGRI/UNICAMP, Campinas/SP, Brasil, foi projetado para uma escala comum no meio rural, considerando a geração de efluente equivalente a uma comunidade de aproximadamente 23 pessoas. O volume estimado para uma geração de 200L hab -1 dia -1 foi de 4600L dia -1, o que corresponde a 25% da volume total de água residuária da Faculdade. O afluente é coletado de uma caixa de derivação por um tubo de PVC de 100,0 mm, partindo para um tratamento preliminar (desanerador). Após esta fase, a água residuária segue para o Reator Anaeróbio Compartimentado (RAC). O projeto do RAC é baseado nas indicações de Povinelli(1994), Nour (1996) e Valentim (1999). O reator é composto de duas câmaras em série construídas de ferrocimento (a primeira de 1400L e a segunda de 900L) interligadas por tubulação de 50,0 mm. O afluente de cada câmara é introduzido por uma tubulação de 50 mm prolongada até o centro dos compartimentos e redirecionada por um T para o fundo do reator por uma segunda tubulação até a 15 cm do fundo. A introdução do afluente junto ao fundo dos compartimentos possibilita um aumento do contato entre o substrato e a manta de lodo formada na camada inferior. Optou-se por este tipo de configuração porque se pretende testar a utilização de materiais alternativos, de fácil aquisição no meio rural e de baixo custo, além de ter caráter modular. Em seguida ao reator foram construídos três leitos cultivados com a técnica de ferrocimento. Cada leito tem o volume total de 2000L, sendo preenchidos com brita #2 (meio suporte). É cultivada a macrófita Typha sp. em um leito e Eleocharis sp. em outro. Um leito não é cultivado, permanecendo como controle. Os leitos cultivados operam com fluxo descontinuo, sendo necessário o desenvolvimento de um sistema de automação que possibilitasse esta operação. Um Controlador Lógico Programável (CLP) para automação industrial, com temporizador, foi utilizado para gerenciar a abertura e fechamento da válvula elétro mecânica, bem como a funcionamento da bomba hidráulica, sendo todas essas funções determinadas pelos diversos sensores de nível instalados nas extremidades superior e inferior de cada leito cultivado. Cada ciclo de funcionamento do leito por batelada é composto de três etapas, a saber: Enchimento: etapa em que os leitos estão sendo enchidos pelo efluente acumulado no reservatório. Uma bomba hidráulica é utilizado para encher totalmente os leitos em 30 minutos; ABES - Associação Brasileira de Engenharia Sanitária e Ambiental 2

3 Reação: período que será avaliado, respectivamente, para os tempos de 24h, 48h, 72h e 96h. Nesta etapa destaca-se a importância dos processos de oxidação de compostos orgânicos e minerais, além da absorção de nutrientes pela planta; Drenagem: período de 20 minutos em que com abertura da válvula de saída todos os leitos são drenados simultaneamente. O esquema geral da disposição do sistema construído é apresentado na Figura 1. Figura 1: Esquema geral da planta piloto (Sem Escala) Método construtivo (Ferrocimento) Visando a avaliação de um método construtivo alternativo e de fácil implantação para sistemas de pequeno e médio porte, foi adotado a técnica de ferrocimento (argamassa armada) para confecção do RAC e dos Leitos Cultivados. A armadura é feita utilizando barras de ferro de 6,0 e 4,6 mm cruzadas entre si. É utilizado também para aumento da resistência e fixação da massa de cimento um aramado de aço galvanizado com aberturas hexagonais de 30 mm (conhecido comercialmente como tela de galinheiro ). O traço da massa utilizada foi de uma parte de cimento para duas de areia, oferendo assim uma grande resistência a toda estrutura. A Figura 2 apresenta detalhes do aramado para construção da caixa de areia e das caixas de passagem, após esta etapa são colocadas as camadas de cimento externa e interna. A Figura 3 apresenta os detalhes do revestimento externo e interno das câmaras do RAC. ABES - Associação Brasileira de Engenharia Sanitária e Ambiental 3

4 Figura 2: Vista geral do aramado do desanerador Figura 3: Detalhes do revestimento do RAC. Programação dos ensaios Os parâmetros utilizados para avaliação do sistema e os respectivos pontos de amostragem são apresentados na Tabela 1. Tabela 1. Parâmetros a serem analisados em cada ponto de coleta de amostra. Parâmetros de Controle Entrada e Saída das câmaras do RAC Entrada e Saída do leito Vazão (L/s) Sólidos Suspensos (SS) (mg/l) Sólidos Sedimentáveis (Ssed) (mg/l) Ácidos Voláteis (mg/l) Alcalinidade Total (mg/l) Alcalinidade bicarbonato (mg/l) DQO (mg/l) Coliformes Totais (NMP/100mL) E. coli (NMP/100mL) Nitrogênio Amoniacal -NH 3 -N(mg/L) Nitrato - NO 3 -N(mg/L) Fósforo - PO -3 4 (mg/l) ph Turbidez Para análise dos parâmetros do RAC foi adotado periodicidade quinzenal de amostragem. Para os Leitos Cultivados foi adotado um modelamento estatístico com cinco repetições para análise de cada ciclo. A adaptação e desenvolvimento das macrófitas também serão avaliadas pela análise do número de novos brotos e quantificação da biomassa produzida. Todas as análises serão realizadas no Laboratório de Saneamento da Faculdade de Engenharia Agrícola da UNICAMP. As análises de demanda química de oxigênio (DQO), nitrogênio total Kjedahl (NTK), nitrogênio amoniacal (NH 3 -N), nitrato (NO 3 -N), fósforo total (PO 4-3 ) serão realizadas no espectrofotômetro DR/2010 (Hach). Para a análise dos coliformes totais e E. coli será utilizado o método Colilert - IDE. ABES - Associação Brasileira de Engenharia Sanitária e Ambiental 4

5 RESULTADOS PRELIMINARES E DISCUSSÃO Reator Anaeróbio Compartimentado - RAC Na partida do RAC foi utilizado como inóculo o lodo proveniente de outro RAC de três compartimentos, em operação a três anos na FEAGRI/UNICAMP. Utilizou-se um volume de 0,12 m 3 do lodo da primeira câmara do RAC antigo para inocular a primeira câmara do novo RAC, sendo este volume corresponde a 10% da câmara inoculada. O volume de 0,90 m 3 de lodo da segunda + terceira câmara do RAC antigo foi utilizado para inocular a segunda câmara do novo RAC. O volume também representa 10% do volume da câmara inoculada. A inoculação foi realizada no dia 11/12/2001 e a vazão do afluente mantida baixa, e sendo aumentada gradativamente até 50% da sua capacidade projetada (2,3 m 3.d -1 ou TDH de 24h) no final do primeiro mês de funcionamento. As análises dos parâmetros de controle indicaram inicialmente grande variação e a medida que identificou-se estabilização destes a vazão de entrada era aumentada gradativamente até atingir o a capacidade projetada (4,6 m 3.dia -1 ou TDH de 12h) no final de dois meses de operação. A Figura 4 apresenta a variação de Sólidos Sedimentáveis (SSed), na qual verifica-se que ocorreu grandes concentrações (20 40 mg.l -1 ) no afluente do RAC devido instabilidade na remoção sólidos no tratamento preliminar realizado pela caixa de areia. Nas semanas seguintes observa-se que as concentrações permaneceram em patamares muito menores (< 5 mg.l -1 ) indicando grande retenção de sólidos na caixa de areia. Apesar de elevadas concentrações na fase de partida do RAC nota-se que a remoção ocorreu predominantemente na primeira câmara sendo complementada na segunda. A partir da quinta semana analisada com redução da concentração de SSed do afluente observou-se uma manutenção das variação entre a primeira e segunda câmara, sendo observado inclusive um pequeno aumento da concentração de SSed no efluente. VAN HAANDEL & LETTINGA (1992), citado por POVINELLI (1994), também observaram grandes remoções de SSed no inicio da operação e atribuiram ao fato do reator funcionar inicialmente como um decantador. Os mesmos autores também indicaram que este processo foi sucedido pelo aparecimento de maiores quantidade se SSed no efluente. Variação da concentração de Sólidos Sedimentáveis mg/l Jan 8-Feb 28-Feb 20-Mar 9-Apr 29-Apr 19-May 8-Jun Data Afluente R1 R2 Figura 4: Variação da concentração de Sólidos Sedimentáveis (mg/l) Os sólidos suspensos totais também foram avaliados como mostra a Figura 5. Observa-se uma grande variação do afluente com valores entre 0,45 0,04 mg.l -1. O efluente do primeiro compartimento apresentou grande variação nas três primeiras semanas, indicando que a massa de lodo ainda não estava estabilizada. Na quarta e quinta semanas foram observados valores muito baixos (< 0,04 mg.l -1 ) o que demonstra o desenvolvimento da camada de lodo. No entanto, na sexta, sétima e décima semanas altos valores foram observados novamente no efluente da primeira câmara podendo indicar neste caso ocorrência de arraste do lodo. Para o efluente do ABES - Associação Brasileira de Engenharia Sanitária e Ambiental 5

6 segundo compartimento os valores permaneceram estáveis (< 1,0 mg.l -1 ) o que demonstra para análise das primeiras semanas uma rápida estabilização do lodo. Variação da Concentração de Sólidos Suspensos mg/l Jan 8-Feb 28-Feb 20-Mar 9-Apr 29-Apr 19-May 8-Jun Data Afluente R1 R2 Figura 5: Variação da concentração de Sólidos Suspensos (mg.l -1 ). A Figura 6 apresenta a variação dos valores de DQO. Pode-se observar uma grande variação da concentração do afluente ( mg.l -1 ) que refletiu diretamente na concentração do efluente da primeira câmara nas primeiras três semanas. A partir da quinta semana observa-se uma diminuição dos valores do afluente e a manutenção dos valores em torno de 200 mg.l -1. Os efluentes da primeira e segunda câmara também mantiveram-se constantes a partir da quinta semana, no entanto apresentarem baixos índices de remoção. Variação da Concentração de DQO mg/l Jan 24-Jan 13-Feb 5-Mar 25-Mar 14-Apr 4-May 24-May 13-Jun 3-Jul Data Afluente R1 R2 Figura 6: Variação da concentração de DQO (mg.l -1 ) A Figura 7 apresenta a variação dos valores de ph ao longo do período, pode-se observar uma estabilidade do afluente e do efluente dos dois compartimentos nas três primeiras semanas, com valores próximos da neutralidade. No entanto, para quinta semana analisada tem-se um aumento do ph do efluente do primeiro ABES - Associação Brasileira de Engenharia Sanitária e Ambiental 6

7 compartimento, atingindo o valor de 9,92. Outra aumento semelhante do valor de ph pode ser observado no efluente da segunda câmara na última semana de funcionamento. 11 Variação do ph 10 9 ph Jan 24-Jan 13-Feb 5-Mar 25-Mar 14-Apr 4-May 24-May 13-Jun 3-Jul Data Afluente R1 R2 Figura 7: Variação dos valores de ph. Leitos Cultivados de Fluxo Vertical por Batelada Os Leitos encontram-se na fase de avaliação. Até o momento foram analisados os tempos de reação de 24 e 48 horas com quatro repetições. A Tabela 2 apresenta os valores médios de concentração e remoção dos afluentes e efluentes dos Leitos para Nitrogênio Amoniacal e Nitrato. Nota-se que as concentrações de Nitrogênio Amonical apresentaram quedas em todos os leitos com valores de remoção entre 5,8% e 9,9%. Já as concentrações de Nitrato indicam aumento nas primeiras 24h para os leitos vegetados, este fato pode ser explicado pela ocorrência do processo de nitrificação. Para o tempo de 48h nota-se uma grande diminuição das concentrações de Nitrato sendo um indicativo da ocorrência do processo de desnitrificação e absorção pela planta. Tabela 2: Valores médios do afluente e efluente dos três leitos para Nitrogênio Amoniacal e Nitrato. Afluente Thypha sp. Eleocharis sp Controle 24 h Remoção % Nitrogênio h Amoniacal Remoção % (mg.l -1 ) h Remoção % Nitrato h (mg.l -1 ) Remoção % O adaptação da planta também foi considerada excelente pois não houve morte de nenhuma muda e para Typha sp. o número de plantas passou de 20 inicialmente para 40 plantas em dois meses de desenvolvimento. Para uma análise dos outros parâmetros faz-se necessário um maior número de dados que indiquem o comportamento para os tempos de ciclo de 72 e 96 horas. ABES - Associação Brasileira de Engenharia Sanitária e Ambiental 7

8 CONCLUSÕES E RESULTADOS ESPERADOS As análises preliminares indicaram uma tendência de estabilização dos parâmetros analisados para o RAC. Porém os índices de remoção de DQO encontram-se muito baixo até o momento. As primeiras amostragens para os Leitos indicaram a ocorrência do processo de nitrificação denitrificação. No entanto, é necessário a complementação do restante das amostras para uma análise completa dos processos. A pesquisa encontra-se na fase inicial de monitoramento sendo necessário um maior número de dados para melhor avaliação do sistema proposto. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS 1. NOUR, E. A. A. Tratamento de esgoto sanitário empregando-se reator anaeróbio compartimentado. EESC Escola de Engenharia de São Carlos - USP, São Carlos/SP, p. (Tese de Doutorado) 2. POVINELLI, S. C. C. Estudo da hidrodinâmica e partida de reator anaeróbio com chicanas tratando esgoto sanitário. EESC Escola de Engenharia de São Carlos - USP, São Carlos/SP, p. (Dissertação de Mestrado) 3. VALENTIM, M. A. A. Uso de leitos cultivados no tratamento de efluente de tanque séptico modificado. FEAGRI Faculdade de Engenharia Agrícola UNICAMP, Campinas/SP, p. (Dissertação de Mestrado). ABES - Associação Brasileira de Engenharia Sanitária e Ambiental 8