ESTAÇÃO DE TRATAMENTO DE ESGOTO POR FLOTAÇÃO

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1 ISSN ESTAÇÃO DE TRATAMENTO DE ESGOTO POR FLOTAÇÃO Área temática: Gestão Ambiental & Sustentabilidade João Batista Christófori Patrycia Pansini de Oliveira Resumo: The anaerobic reactors tipe UASB became used in Paraná and in Brazil been used in an extensive way in the sewers treatment for populations from 200 to in habitants. The powder-treatment of coming effluents of anaerobic reactors is being studied in facilities pilot and even in read scale, by an argument among Sanepar and to PUC-PR, it is looked for to assist to the Brazilian legislation law n. 9605, of February 12, 1998 law of environmental crimes, decry n. 3179, of September 21, For the release of effluents in the bodies of receiving water, whose patterns are not totally assisted by the reactors tippe UASB. This work was based in ETE of Cambuí (Campo Largo PR), installations that uses the system RALF + FAD, Built by Sanepar, for a flow of 360m³/h. Palavras-chaves: Coagulation: Sewage, FAD, Post- treatment, Ralf reactor.

2 1. INTRODUÇÃO A flotação é uma operação unitária utilizada para separar partículas líquidas ou sólidas da fase líquida (ANDREOLI, VON SPERLING, FERNANDES, 2001). A separação é obtida introduzindo-se bolhas finas de ar na fase líquida, provocando a ascensão de partículas para a superfície, mesmo as que têm maior densidade que o líquido (BRATBY, 1999). Uma vez na superfície, podem ser coletadas e removidas por escumadeiras. No sistema de flotação por ar dissolvido - FAD, o ar é dissolvido no esgoto, sob pressão de algumas atmosferas, seguido pela liberação à pressão atmosférica (REALI, PENETRA, CARVALHO, 2000). Este trabalho visa apresentar um estudo sobre o sistema de tratamento de esgoto sanitário pelo tipo flotação por ar dissolvido, isto é, por injeção de ar dissolvido nos tanques de armazenamento do esgoto bruto. Os esgotos são transportados para a estação através de um sistema de esgotamento constituído por interceptores, sifões e emissários (AISSE et al., 2001). Há grandes vantagens dentro dos parâmetros de fatores econômicos como: baixo custo de implantação, elevada sustentabilidade do sistema, simplicidade operacional, baixo custo operacional, adequada eficiência na remoção das diversas categorias de poluentes organicos, pouco problema com disposição do lodo gerado, flexibilidade em relação às expansões futuras, fluxograma simplificado e elevada vida útil (DT ENGENHARIA, 2002). Metodologia Os dados necessários para o levantamento do estudo, para a avaliação de desempenho do sistema de flotação por ar dissolvido - FAD -, foram disponibilizados pela Petrobrás - Reduque/ RJ, onde foram realizados levantamentos de elementos importantes 2

3 no estudo de uma estação de tratamento de esgoto pelo sistema de flotação por ar dissolvido. RESULTADOS E DISCURSÕES A flotação é uma operação unitária utilizada para separar partículas líquidas ou sólidas da fase líquida (AYOUB, 2006). A separação é obtida introduzindo-se bolhas finas de ar na fase líquida, provocando ascensão de partículas para a superfície, mesmo as que têm densidade maior do que o líquido. Uma vez na superfície podem ser coletadas e removidas por escumadeiras (DI BERNARDO et. al., 1982). No sistema de flotação por ar dissolvido - FAD, o ar é dissolvido no esgoto sob pressão de algumas atmosferas (ATM), seguido pela liberação à pressão atmosférica (SILVA, 2001). Em unidades de certo porte, uma porção do efluente do flotador, (15 a 120%) é recirculada, pressurizada e semi - saturada com ar. Esta porção é então misturada com o efluente, antes de sua admissão ao tanque de flotação e o ar libera-se da solução, quando em contato com o material particulado, na entrada do tanque (JÜRGENSEN et. al., 2001). Segundo Reali (REALI, PENETRA, CARVALHO, 2000), as primeiras experiências de aplicação da flotação foram iniciadas em 1907 na área de processamento de minérios, passando, por volta de 1920, a ser empregada também na indústria de papel e celulose. Posteriormente, após a segunda guerra mundial, com o desenvolvimento industrial, a aplicação da flotação foi ampliada para a recuperação de óleos e gorduras na indústria petroquímica e de óleos vegetais (SUDECAP, 2002). Nas últimas décadas a flotação tem sido aplicada com sucesso na área industrial (refinarias, curtumes, mecânicas, papel e celulose, etc.), no tratamento de água para abastecimento e no tratamento do lodo, e como tem sido demonstrado em vários casos, é o mais econômico meio de separação de sólidolíquido para uma larga faixa de aplicações (SILVA, 2001). 3

4 Ainda no campo industrial a FAD vem sendo usada como pré-tratamento de efluentes de indústrias com grande concentração de substâncias insolúveis como gorduras, óleos e graxas (AYOUB, 2006). No tratamento de águas para abastecimento, a FAD vem sendo utilizada principalmente como uma alternativa ao processo convencional de sedimentação, nos casos em que os mananciais de captação são ricos em nutrientes orgânicos ou possuem concentrações elevadas de algas cianofíceas (cianobactérias), e, ainda, para as águas com baixa turbidez, baixa alcalinidade e cor elevada, pois águas com essas características são difíceis de serem tratadas com a decantação, devido às baixas velocidades de sedimentação dos flocos formados (DI BERNARDO et. al., 1982). Uma das modalidades mais comuns de uso da FAD para tratamento de água para consumo humano é a sua conjugação com a filtração, denominada flotofiltração (ANDREOLI., VON SPERLING, FERNANDES, 2001). A principal vantagem dessa conjugação está na possibilidade de concepção de uma ETA (estação de tratamento de água) extremamente compacta, embora a taxa de aplicação superficial da flotação fique condicionada pela capacidade do filtro rápido associado, ou seja, pela taxa de filtração (AYOUB, 2006). No Brasil, ainda são poucas as estações de tratamento de água que utilizam a FAD, merecendo destaque a estação da cidade de Manaus implantada em 2001 com capacidade para uma vazão de cerca de 6,0 m3 /s, que trata as águas escuras do Rio Negro, onde a flotação foi considerada a melhor alternativa sob o ponto de vista técnico e econômico para a remoção da cor (AISSE et. al., 2001). A flotação como pós-tratamento de efluentes anaeróbios Com o desenvolvimento das pesquisas, os parâmetros para o processo de flotação a ar dissolvido vêm sendo consolidados, tornando esse processo ambientalmente confiável e técnico-economicamente viável, se comparado com outras alternativas de separação de 4

5 Programa de Pós-graduação em Saneamento, Meio Ambiente e Recursos Hídricos da UFMG 8 sólidos e líquidos, e largamente empregado em vários campos do tratamento de águas e de efluentes em todo o mundo (PENETRA, 1998). Os princípios básicos de funcionamento do processo de flotação a ar dissolvido, embora simples, pois se resumem no contato das partículas sólidas com as bolhas de ar dissolvidas no líquido e no seu conseqüente arraste para a superfície do líquido, dependem de um cuidadoso controle dos parâmetros de projeto, determinados em função das características do afluente a ser tratado (SUDECAP, 2002). Dentre esses parâmetros destacam-se a taxa de aplicação superficial de flotação, o tempo de detenção no tanque de flotação, o tamanho das bolhas, a taxa de recirculação do líquido pressurizado com ar, a pressão na câmara de saturação e, conseqüentemente, a quantidade de ar fornecida em relação à massa de sólidos em suspensão no líquido (REALI, PENETRA, CARVALHO, 2000). Ainda assim, como a flotação é sempre precedida da etapa de coagulação-floculação, os parâmetros dessa fase também devem ser cuidadosamente controlados, com destaque para o ph, gradiente de velocidade, tempo de detenção e, ainda, as dosagens de coagulantes (DI BERNARDO et. al., 1982). Dentre os fatores que podem auxiliar o processo de flotação estão a otimização da coagulação, a adequação do tempo e do grau de agitação da floculação e a quantidade de ar na água pressurizada, cujo valor deve levar em consideração a concentração de sólidos na água bruta (VON SPERLING, 2005). JÜRGENSEN e RICHTER (2001), estudaram a coagulação e flotação como póstratamento de efluentes de reatores tipo Uasb. Segundo os autores, procurou-se aproveitar as características favoráveis à coagulação química que apresenta o efluente dos reatores de digestão anaeróbia (JÜRGENSEN et. al., 2001). Essas características incluem concentração de sólidos totais suficientemente baixas, ph entre 6,5 e 7,5 e alcalinidade suficiente para as reações com coagulantes metálicos (sulfato de alumínio, cloreto férrico, etc.) (JÜRGENSEN et. al., 2001). 5

6 No tratamento de água a finalidade da coagulação e floculação é transformar impurezas que se encontram em suspensão fina, em estado coloidal ou em solução, bactérias, protozoários, e/ ou plâncton, em partículas maiores (flocos) para que possam ser removidas por sedimentação e/ou filtração ou, em alguns casos, por flotação (DT ENGENHARIA, 2002). Este mesmo conceito pode também ser aplicado no tratamento de esgotos sanitários. Tratamento A Estação de Flotação e Remoção de Flutuantes baseiam-se numa tecnologia de tratamento não convencional, que aplica de forma direta, seqüencial e em fluxo as técnicas de floculação (AYOUB, 2006). O sistema de tratamento constitui tecnologia 100% nacional de aplicação inédita e inusitada em escala mundial (AISSE et. al., 2001). Este tratamento tem apresentado uma alta eficiência na remoção de poluentes, através da redução da concentração de substâncias e bactérias como: os coliformes fecais, que apresentam reduções médias de 99,9%; o Fosfato, com reduções médias de 98%; e os Sólidos Suspensos, com redução de 94% (BRATBY, 1999). A redução dessas substâncias reflete-se em parâmetros visualmente perceptíveis de melhoria da qualidade como a Cor e a Turbidez, que chegam a apresentar reduções superiores a 95% em relação às águas que entram nas unidades de tratamento (DI BERNARDO et. al., 1982). Outro importante indicador de melhoria da qualidade das águas observado com a aplicação do processo de flotação em fluxo é o incremento na concentração de oxigênio dissolvido (OD) no efluente pós-tratamento. Como regra geral, a concentração de OD em 6

7 corpos hídricos é um indicador representativo do grau de poluição relacionado à quantidade de matéria orgânico presente (JÜRGENSEN et. al., 2001). Remoção de nutrientes de efluentes de reator anaeróbico utilizando processo microaeróbio seguidos de flotação por ar dissolvido A realização da pesquisa relativa a floculação - flotação por ar dissolvido aplicada ao pós tratamento de reatores anaeróbios- em escala real, está sendo cumprido já em algumas estações de tratamento de esgoto (E.T.E) no País (SILVA, 2001). No processo de coagulação química, o coagulante metálico (cloreto férrico) hidrolisável é aplicado ao efluente do reator UASB, em uma câmara de mistura rápida. Em seguida o esgoto é enviado ao floculador e posteriormente ao flotador (VON SPERLING, 2005). No tanque de flotação o efluente floculado é misturado à água clarificada e supersaturado de ar (pressão 4 a 6 BAR). Ao ser exposta à pressão atmosférica, a água libera o ar (ANDREOLI, VON SPERLING, FERNANDES, 2001). O efluente deverá ser de excelente qualidade, inclusive pela desinfecção final com dióxido de cloro (AISSE et. al., 2001). A seguir são descritos os parâmetros do dimensionamento hidráulico - sanitário dos principais reatores integrantes da ETE: Reator Ralf: volume total de 4000 m3, altura total de 6 m, TDH de 11,1 horas, vazão de 360m³/h (100 l/s) e número de unidades de 2 em paralelo; Misturador Rápido: volume total de 1,2 m3, cloreto férrico (30 a 90 mg/l) como produto químico, Gm>700s-1 (mecanizado) e TDH de 12 s; 7

8 Floculador: volume total de 60 m3, gradiente (Gf) com os valores de 90, 60 e 30 s-1 (mecanizado) e número de unidades de 3 em série, TDH de 10 minutos; Flotador (FAD): área total de 46 m2, taxa de escoamento superficial de 7,8 m³/m². h, velocidade ascensional de 7,8 m/h (13 cm/min), taxa de recirculação de 10% (Qrec/Q), raspador de lodo superficial mecanizado, tanque de água para saturação com pressão de 5 BAR (anéis de PVC) e numero de unidades de 02 em paralelo (VON SPERLING, 2005). Acredita-se que o sistema, obtém condições satisfatórias de nitrificação e desnitrificação na mesma unidade, mediante, principalmente, o controle adequado do teor de OD no interior do reator e a promoção de aeração intermitente (AYOUB, 2006). Seqüencialmente, com a passagem por uma unidade de flotação, responsável pela separação de sólidos suspensos, é possível a obtenção de efluente clarificado com elevado grau de tratamento quanto a remoção de matéria orgânica e de nutrientes (Nitrogênio e Fósforo) (REALI, PENETRA, CARVALHO, 2000). Estudos recentes têm demonstrado que a técnica de flotação por ar dissolvido (FAD Flotação por Ar Dissolvido) constitui alternativa para o tratamento complementar do efluente dos reatores anaeróbios alimentados com esgoto sanitário (ANDREOLI, VON SPERLING, FERNANDES, 2001). A EESC (Escola de Engenharia de São Carlos), está estudando os principais parâmetros relacionados à coagulação química e á floculação visando a maximização da eficiência do tratamento e a minimização da geração de lodo (PENETRA, 1998). A realização do presente trabalho pode fornecer subsídios valiosos para o projeto e operação de sistemas de tratamento de esgotos sanitários contendo reatores anaeróbios seguidos de unidades de flotação por ar dissolvido (SILVA, 2001). A Escola de Engenharia de São Carlos EESC/USP, desenvolveu vários estudos referentes à Flotação de efluentes anaeróbios, em escala de laboratório, utilizando equipamento (flotateste), desenvolvido por Reali (REALI, PENETRA, CARVALHO, 2000), Santos e Penetra et al.(1998) citam os resultados e conclusões de investigação realizada visando estudar o efeito da dosagem de cloreto férrico e da variação de ph na 8

9 eficiência de um equipamento de flotação, em escala de laboratório, alimentado com efluente de reator UASB, tratando esgoto doméstico (PENETRA, 1998), (REALI, PENETRA, CARVALHO, 2000). O tempo de detenção hidráulica no reator UASB era de 8 horas (PENETRA, 1998), (REALI, PENETRA, CARVALHO, 2000). Os ensaios foram conduzidos com variação da dosagem do cloreto férrico de 30 a 110 mg/l, e da variação do ph de 5,1 a 7,6 com a aplicação de cal. O tempo de floculação (60 minutos), o gradiente de velocidade (60s-1), a pressão de saturação (450 kpa) e a fração de recirculação (20%) foram mantidos constantes ao longo dos ensaios (PENETRA, 1998), (REALI, PENETRA, CARVALHO, 2000). A velocidade de flotação foi feita variar entre 5 a 25 cm/min 8 (REALI, PENETRA, CARVALHO, 2000).Os melhores resultados na remoção da DQO (91%) foram obtidos com dosagem de 65 mg/l de cloreto férrico e ph de 5,3 (PENETRA, 1998), (REALI, PENETRA, CARVALHO, 2000). Nesta dosagem a remoção de fosfato total, SST, turbidez e cor foram de 95%, 95%, 97% e 92% respectivamente (PENETRA, 1998), (REALI, PENETRA, CARVALHO, 2000). A dosagem citada foi também a menor que permitiu uma aparente estabilidade do sistema de flotação para diferentes velocidades de flotação (PENETRA, 1998), (REALI, PENETRA, CARVALHO, 2000). Maiores dosagens podem aparentemente não significar aumento na remoção da turbidez a ponto de justificar custos adicionais associados a aquisição de produtos químicos e a disposição do excesso de lodo (PENETRA, 1998), (REALI, PENETRA, CARVALHO, 2000). Segundo Reali (REALI, PENETRA, CARVALHO, 2000), as primeiras experiências de aplicação da flotação foram iniciadas em 1907 na área de processamento de minérios, passando, por volta de 1920, a ser empregada também na indústria de papel e celulose (REALI, PENETRA, CARVALHO, 2000). Posteriormente, após a segunda guerra mundial, com o desenvolvimento industrial, a aplicação da flotação foi ampliada para a recuperação de óleos e gorduras na indústria petroquímica e de óleos vegetais (REALI, PENETRA, CARVALHO, 2000). Nas últimas décadas a flotação tem sido aplicada com sucesso na área industrial (refinarias, curtumes, mecânicas, papel e celulose, etc.), no tratamento de água para abastecimento e no tratamento do lodo, e como tem sido 9

10 demonstrado em vários casos, é o mais econômico meio de separação de sólido-líquido para uma larga faixa de aplicações (REALI, PENETRA, CARVALHO, 2000). Considerações Finais O sistema de tratamento de esgoto sanitário pelo tipo flotação por ar dissolvido, tem sido vantajoso por ser tratar de investimento relativamente baixo quanto à relação custo beneficio e na aplicabilidade da tecnologia para o tratamento de esgoto doméstico. Referências Bibliografica AISSE, M. M.; et. al. Pós-tratamento de Efluentes de Reatores Anaeróbios por Sistemas de Aeração. In: CHERNICHARO, C. A. L.; Pós-tratamento de Efluentes de Reatores Anaeróbios. FINEP/PROSAB, p. ANDREOLI, C. V., VON SPERLING, M., FERNANDES, F. Princípios do Tratamento Biológico de Águas Residuárias. Vol. 6. Lodos de Esgotos. Tratamento e Disposição Final. Departamento de Engenharia Sanitária e Ambiental UFMG. Companhia de Saneamento do Paraná SANEPAR p. AYOUB, G.M.A. A model for flocculation in a gravel reactor: Development and assessment. Journal Water SRT-Aqua. V. 45,n. 2, p apud SCHOENHALS, M. Avaliação da Eficiência do Processo de Flotação Aplicado ao Tratamento Primário de Efluentes de Abatedouro Avícola. Florianópolis, 87p. Dissertação (mestrado) Escola de Engenharia Química da Universidade Federal de Santa Catarina, BRATBY, J. R. Aplicação de Flotação a Ar Dissolvido no Tratamento de Água e Esgoto. In: 12º Congresso Brasileiro de Engenharia Sanitária e Ambiental, 1983, 10

11 Camboriú. Anais, CAMPOS, J.R. (Coordenador). Tratamento de Esgotos Sanitários por Processo Anaeróbio e Disposição Controlada no Solo. PROSAB/FINEP. Rio de Janeiro. ABES, p. DI BERNARDO, L. et al. Emprego da Flotação por Ar Dissolvido para Tratamento de Despejos Líquidos Industriais Provenientes de Laticínios. XVII Congreso Interamericano de Ingenieria Sanitaria y Ambiental. Panama. Ago DT ENGENHARIA S/C. Projeto da Estação de Tratamento de Efluentes do Complexo Sarandi e Ressaca. Lagoa da Pampulha. São Paulo, EDZWALD, J.K. (1993). Algae, Bubbles, Coagulants, and Dissolved Air Flotation. Water Science and Technology, 27(10), JÜRGENSEN, D. ; REALI, M. A. P.; PENETRA, R.; FLORÊNCIO, L. e SOBRINHO, P. A. Pós-tratamento de Efluentes de Reatores Anaeróbios por Sistemas de Aeração. In: CHERNICHARO, C. A. L.;. Pós-tratamento de Efluentes de Reatores Anaeróbios. FINEP/PROSAB, p. PENETRA, R. G. Pós-tratamento Físico-químico por flotação de Efluentes de Reatores Anaeróbios de Manta de Lodo. São Carlos. 140 p. EESC, USP. São Carlos, 1998 apud. REALI, M.A.P.; PENETRA, R.G. & CARVALHO, M.E. Flotation Technique with Coagulant and Polymer Application Applied to the Pos-treatment of Effluents from Anaerobic Reactor Treating Sewage. In: VI Latinamerican Workshop-Seminar on Anaerobic Digestion. Recife, novembro. Anais. 2000b apud. SILVA, S.M.C.P. et al. Princípios Contaminantes do Lodo. In: ANDREOLI, C. V., VON SPERLING, M., FERNANDES, F. Princípios do Tratamento Biológico de Águas 11

12 Residuárias. Vol. 6. Lodos de Esgotos. Tratamento e Disposição Final. Departamento de Engenharia Sanitária e Ambiental UFMG. Companhia de Saneamento do Paraná SANEPAR p. SUDECAP. Plano de Controle Ambiental da Estação de Tratamento dos Córregos Ressaca e Sarandi na Pampulha. Belo Horizonte VON SPERLING, M. Introdução à Qualidade das Águas e ao Tratamento de Esgotos. 3ª ed. Belo Horizonte: DESA; UFMG, p 12