II-081 PÓS-TRATAMENTO DO EFLUENTE DE LAGOA FACULTATIVA PRIMARIA ATRAVÉS DA UTILIZAÇÃO DE COAGULANTES METÁLICOS E POLÍMEROS

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1 II-81 PÓS-TRATAMENTO DO EFLUENTE DE LAGOA FACULTATIVA PRIMARIA ATRAVÉS DA UTILIZAÇÃO DE COAGULANTES METÁLICOS E POLÍMEROS Giovana Fanti Ferrari Engenheira Civil pela Universidade Federal do Espírito Santo (UFES) (18). MSc. Engenharia Ambiental pela UFES (24). Analista Ambiental da Companhia Vale do Rio Doce. Alexandre Severino Pereira Tecnólogo em Saneamento Ambiental pelo CEFETES (24). Eric Thiago Chaves de Souza Tecnólogo em Saneamento Ambiental pelo CEFETES (24). Márcia Regina Pereira Lima Engenheira Civil pela UFES (18). Pós-graduada em Saneamento pelo CEFET-MG (15). MSc. Engenharia Ambiental pela UFES (16). Professora do Curso de Tecnologia em Saneamento Ambiental no CEFETES. Ricardo Franci Gonçalves (1) Engenheiro Civil e Sanitarista UERJ (184), Pós-Graduado em Engenharia de Saúde Pública ENSP/RJ (185), DEA Ciências do Meio Ambiente Universidade Paris XII, ENGREF, ENPC, Paris (1), Doutor em Engenharia do Tratamento e Depuração de Águas INSA de Toulouse, França (), Professor Adjunto do Departamento de Engenharia Ambiental da UFES. Endereço (1) : DEA-CT-UFES. C.P. 1-. CEP -, Vitória-ES. Fax/fone: (+55 2) franci@npd.ufes.br. RESUMO Este trabalho de pesquisa avaliou a eficiência de diferentes coagulantes e polímeros no pós-tratamento do efluente de uma lagoa facultativa primária tratando esgoto sanitário através da realização de testes de coagulação-floculação-decantação. A pesquisa foi realizada em um sistema de lagoas de estabilização composto por duas lagoas facultativas primárias operando em paralelo, seguidas por uma lagoa de maturação, localizado na Companhia Vale do Rio Doce (CVRD), em Vitória. O sistema recebe a contribuição de cerca de 6.33 trabalhadores e carga orgânica aplicada de 8 kg DBO/dia, sendo 1,5 l/s destinados para cada uma das duas lagoas facultativas primárias. O efluente da lagoa facultativa estudada apresenta valores médios de 25 mg/l de DQO, 36 mg/l de SS,, mg/l de N total, 2,3 mg/l de P total e 216 μg/l de clorofila a. Para a realização dos testes de jarros em bancada foram coletadas amostras do efluente da lagoa facultativa primária no início da tarde, entre março de 22 e setembro de 23, e as mesmas foram levadas ao laboratório para realização dos ensaios com os coagulantes Cloreto Férrico e Sulfato de Alumínio, com o polímero Tanfloc SS e com os polímeros catiônico, aniônico e não iônico atuando como auxiliares na floculação, associados à aplicação dos sais de ferro e de alumínio. Amostras das fases líquida e sólida de cada jarro foram coletadas para as análises laboratoriais. Buscou-se atingir para o efluente tratado um padrão de qualidade que visa à preservação da integridade de lagoas e reservatórios utilizados como corpos receptores: DQO < mg/l, SS < 3 mg/l, DBO 5 < 3 mg/l e P total < 1, mg/l. Dentre todos os produtos testados a aplicação da concentração de 4 mg/l de Sulfato de Alumínio resultou no efluente de melhor qualidade. A taxa de acúmulo de lodo total na facultativa primária, considerando-se a recirculação do lodo físico-químico na lagoa facultativa foi de,4 m³/dia (,18 l/hab.dia). A recirculação do lodo físico-químico representaria um acréscimo de 1% na produção de lodo na lagoa facultativa primária, significando, porém, apenas,88 cm/ano a mais na espessura da camada de lodo. PALAVRAS-CHAVE: Tratamento físico-químico, coagulantes metálicos, polímeros, testes de jarros, efluente de lagoas de estabilização INTRODUÇÃO As lagoas de estabilização assumem posição de destaque no tratamento biológico de efluentes em função do seu baixo custo de implantação, clima favorável, disponibilidade de área no país e, principalmente, da grande simplicidade operacional. O efluente final de lagoas facultativas apresenta concentrações elevadas de algas ABES - Associação Brasileira de Engenharia Sanitária e Ambiental 1

2 (1 4 a 1 6 organismos por ml), constituindo uma fonte de matéria orgânica, nitrogênio e fósforo (von Sperling, 16). A diversidade e biomassa algais sofrem grande influência da carga orgânica da lagoa e variam em função da estação do ano, do clima, da latitude e da qualidade do esgoto. O aumento da demanda de água para suprimento das necessidades da população é a principal preocupação com os processos de eutrofização dos corpos d água, reforçando a necessidade de reavaliação dos sistemas de tratamento de efluentes por lagoas de estabilização. A exigência de padrões de qualidade de efluentes cada vez mais restritivos em vários locais no mundo impõe a necessidade de pós-tratamento no efluente de lagoas de estabilização facultativas, principalmente no que diz respeito à remoção de nutrientes e de algas (Middlebrooks, apud Oliveira, 16). O pós-tratamento deste tipo de efluente via tratamento físico-químico, composto pelas etapas de mistura rápida, floculação e decantação ou flotação, é uma das alternativas de tratamento para remoção de algas e nutrientes, cujas principais vantagens são a excelente qualidade do efluente produzido e o baixo custo de implantação das unidades de tratamento. A principal desvantagem é o custo operacional relativamente elevado, em função dos gastos com produtos químicos e do grande volume de lodo gerado. Esta pesquisa teve como objetivo obter um efluente de alta qualidade em lagoa facultativa primária, por meio da seleção das melhores concentrações de coagulantes e de polímeros em função dos resultados em testes de jarros de bancada. O estudo foi realizado com o efluente da lagoa facultativa primária da CVRD tratando esgoto sanitário. O desempenho dos coagulantes isoladamente e comparados uns aos outros foi avaliado em função dos parâmetros SS, DQO, DBO 5 e P total, avaliando-se a remoção destes parâmetros após a adição dos coagulantes e polímeros e o atendimento aos limites desejados. OBJETIVO Obter um efluente de alta qualidade em lagoa facultativa primária, atingindo um padrão de DQO < mg/l, SS < 3 mg/l, P total < 1, mg/l e DBO 5 < 3 mg/l, por meio da seleção das melhores concentrações de coagulantes e de polímeros, em função dos resultados em testes de jarros de bancada. METODOLOGIA O sistema de lagoas de estabilização estudado (Figura 1) é composto de três lagoas, sendo duas facultativas primárias, operando em paralelo, seguidas de uma lagoa de maturação. O sistema recebe a contribuição de cerca de 6.33 pessoas, correspondendo a uma vazão de 3, l/s. Cada lagoa facultativa recebe uma vazão média de 1,5 l/s e a carga orgânica é de 8 kg DBO 5 /dia. Figura 1 Sistema de lagoas de estabilização. A lagoa facultativa (formato quadrado) à esquerda foi a abordada neste estudo. O estudo consistiu na realização de uma campanha de 24 horas para caracterização do efluente das lagoas, cujos parâmetros analisados foram SS, turbidez, N total, P total, clorofila a, DQO, DBO 5 e OD; na realização de testes de jarros com o efluente da lagoa facultativa primária utilizando os coagulantes e polímeros e na estimativa da taxa média de acúmulo de lodo na lagoa facultativa primária. ABES - Associação Brasileira de Engenharia Sanitária e Ambiental 2

3 A caracterização da qualidade do afluente e do efluente das lagoas de estabilização ao longo de 24 horas foi realizada com amostras simples, superficiais e não filtradas, coletadas na região de entrada e de saída da lagoa facultativa primária e na saída da lagoa de maturação, a cada hora, durante 24 horas. Também foram coletadas alíquotas horárias proporcionais à vazão para composição de amostras compostas (não filtradas). Os principais parâmetros analisados foram SS, P total, DQO e DBO5, além de clorofila a e OD, especificamente para o afluente. Foram testados os coagulantes Tanfloc SS, Sulfato de Alumínio (Figura 2) e Cloreto Férrico (Figura 3) e os polímeros catiônico P1, aniônico P215 e não iônico P3. As faixas de dosagens testadas foram obtidas de recomendações dos fabricantes e da literatura, em especial os estudos realizados por Rocha (2) e Silva (2). As concentrações dos polímeros foram variadas em, 3, 5,, 1 e 15 mg/l, mantendo-se fixas as concentrações de 6, e 8 mg/l de Cloreto Férrico e de 2, 3 e 4 mg/l de Sulfato de Alumínio. Figura 2 Teste de jarros de bancada com Sulfato de Alumínio. Figura 3 Teste de jarros de bancada com Cloreto Férrico. A coleta das amostras utilizadas para os testes de jarros foi realizada por amostragem simples, na superfície da lagoa, nos mesmos dias dos ensaios, por volta das horas, horário cuja atividade algal é mais intensa, ABES - Associação Brasileira de Engenharia Sanitária e Ambiental 3

4 resultando em um efluente de pior qualidade. Os testes de jarros foram realizados sempre com o mesmo procedimento, conforme método recomendado pela CETESB, na obra intitulada Técnicas de Abastecimento e Tratamento de Água Volume 2 Tratamento de Água (18). Os parâmetros de controle estabelecidos para avaliação da fase líquida do teste são coliformes fecais, DBO 5, DQO, P total, SST e ph, enquanto que para avaliação da fase sólida foi mensurado o volume de SSed produzido após o ensaio. Em 22 foram realizadas 4 campanhas com coagulantes e em 23 foram outras 6 campanhas com coagulantes. Em cada campanha foram realizadas 3 bateladas de testes e amostras do líquido de cada jarro foram coletadas para análise, bem como o lodo gerado. Os testes de associação de coagulantes e polímeros foram todos realizados em 23. Para seleção das concentrações mínimas dos coagulantes necessárias para atendimento aos padrões estabelecidos levou-se em consideração a seguinte condição: a soma do valor médio obtido ( Χ ) mais o seu respectivo desvio padrão (SD) deveria ser inferior ao valor do limite de lançamento do parâmetro considerado. Também foi avaliado o volume de lodo gerado pela aplicação dos produtos testados, indicado pelo teor de SSed. RESULTADOS Como resultado da campanha de caracterização da lagoa facultativa estudada foram obtidos os seguintes valores médios: 25 mg/l de DQO, 36 mg/l de SS,, mg/l de N total, 2,3 mg/l de P total e 216 μg/l de clorofila a. Todos os resultados apresentados corroboram para a necessidade de pós-tratamento deste tipo de efluente. Figura 4: Gráficos da caracterização do efluente das lagoas de estabilização em campanha de 24 h em três pontos do sistema: afluente à lagoa facultativa primária (A1), efluente da lagoa facultativa primária (E1) e efluente da lagoa de maturação (EM) Sólidos Suspensos (mg/l) SÓL SUSP A1 SOL SUSP A1 COMP SÓL SUSP E1 SOL SUSP E1 COMP Turbidez (UNT) TURBIDEZ A1 2 SÓL SUSP EM TURBIDEZ E1 (a) SOL SUSP EM COMP (b) TURBIDEZ EM ABES - Associação Brasileira de Engenharia Sanitária e Ambiental 4

5 1, 4, Nitrogênio Total (mg/l),5, 8,5 8,,5, NIT TOTAL A1 NIT TOTAL A1 COMP NIT TOTAL E1 NIT TOTAL E1 COMP NIT TOTAL EM Fósforo total (mg/l) 3,5 3, 2,5 2, FÓSFORO TOT A1 FOSFORO TOT A1 COM FÓSFORO TOT E1 FOSFORO TOT E1 COM FÓSFORO TOT EM 6, NIT TOTAL EM COMP 1, FOSFORO TOT EM COM (c) (d) 4 8 Clorofila a (1-6g/L) CLOROFILA A A1 CLOROFILA A A1 COM CLOROFILA A E1 CLOROFILA A E1 COM CLOROFILA A EM DQO (mg/l) DQO A1 DQO A1 COMP DQO E1 DQO E1 COMP (e) CLOROFILA A EM COM (f) DQO EM DQO EM COMP DBO5 (mg/l) DBO A1 DBO A1 COMP DBO E1 DBO E1 COMP DBO EM OD (mg/l) OD A1 OD E1 (g) DBO EM COMP (h) OD EM Para SS observa-se que a qualidade do efluente é pior no início da tarde, o mesmo ocorrendo para os parâmetros DQO, OD, clorofila a e turbidez. A coleta de amostras foi, então, estipulada para este horário, uma vez que representa o efluente de pior qualidade. A partir de uma análise geral destes resultado verifica-se que a presença de algas influencia na flutuação de outros parâmetros, portanto a remoção das algas produz uma redução significativa de SS, DQO, P total, DBO. Os resultados de caracterização do efluente utilizado nos testes de jarros são apresentados na Tabela 1 com indicação do ano em que os ensaios ocorreram. ABES - Associação Brasileira de Engenharia Sanitária e Ambiental 5

6 Tabela 1: Caracterização físico-química do efluente da lagoa facultativa primária estudada. Parâmetros SST (mg/l) (n) DQO (mg/l) (n) DBO 5 (mg/l) (n) P total (mg/l) (n) média Desvio media Desvio média desvio media desvio (4) 12 2 (3) 4 2 (4) 2,6 (4), (6) (6) 1 62 (6) 4,4 (6),62 (n): nº de amostras avaliadas. Os resultados médios dos parâmetros de controle foram maiores em 22, pois a lagoa facultativa estudada passou a receber, em 23, a maior parte da vazão afluente ao sistema com aumento da carga orgânica que provocou uma redução da biomassa algal, influenciando os teores de SST, DQO, DBO 5 e P total do efluente no referido ano. Os resultados da caracterização 24 h das lagoas de estabilização mostraram que a qualidade dos efluentes finais destas lagoas varia consideravelmente ao longo do dia. Os valores mínimos geralmente ocorreram no período do início da manhã e nos horários noturnos, enquanto que os máximos para determinados parâmetros ocorreram no período da tarde. O desempenho dos coagulantes foi avaliado com base na eficiência de remoção do poluente considerado e na dosagem necessária para o atendimento aos padrões estabelecidos para preservação de corpos d água sensíveis à eutrofização. Em 22 o Cloreto Férrico foi aplicado em duas faixas de dosagens distintas e, portanto, seus resultados foram apresentados separadamente, distinguindo-se os valores relativos à primeira variação (5 a 8 mg/l do coagulante) como 22A e aqueles relativos à segunda variação (5 a 1 mg/l do coagulante) como 22B e em 23 os resultados são apresentados normalmente, pois foi testada somente uma variação de dosagens (4 a mg/l de Cloreto Férrico). A variação A de testes com Tanfloc SS corresponde às concentrações de 14, 16, 18, 2 e 22 mg/l do coagulante, enquanto que a variação B refere-se aos resultados obtidos com as concentrações de 14, 16, 18, 2, 22 e 24 mg/l de Tanfloc SS. As concentrações mínimas dos coagulantes necessárias para atendimento aos padrões de lançamento de SS, DQO, DBO 5 e P total e seus respectivos percentuais de remoção obtidos nos dois períodos testados são apresentados na Tabela 2. Tabela 2: entrações mínimas para atendimento aos padrões de lançamento e seus percentuais de remoção SS DQO DBO 5 P total SS DQO DBO 5 P total Sulfato de Alumínio Cloreto Férrico entração Mínima (mg/l) > 4 2 > 6 NA % remoção entração Mínima (mg/l) > NA var A % remoção Cloreto entração > 1 NT NT NT NT Férrico Mínima (mg/l) var B % remoção NT NT NT NT entração NT NT NT NT 14 > NA Tanfloc SS Mínima (mg/l) var A % remoção NT NT NT NT entração NT NT NT NT NA Tanfloc SS Mínima (mg/l) Var B % remoção NT NT NT NT NOTA: NT não testado. NA não avaliada, pois o teor de P total foi inferior a 1, mg/l. Embora os resultados obtidos pela aplicação das dosagens mínimas de Tanfloc SS tenham produzido menores volumes de lodo, as remoções dos parâmetros de controle foram inferiores aos dos coagulantes metálicos. Em relação a Sulfato de Alumínio e Cloreto Férrico, verifica-se que, em 22, as remoções percentuais alcançadas pelo primeiro foram superiores aos resultados obtidos pelo coagulante férrico, exceto para SS. Em 23, as remoções percentuais de DBO 5 indicam o melhor desempenho do Cloreto Férrico, mas o melhor resultado de ABES - Associação Brasileira de Engenharia Sanitária e Ambiental 6

7 SS foi obtido pelo Sulfato de Alumínio. E ainda, as dosagens de Sulfato de Alumínio necessárias para promoção destes resultados foram inferiores às dosagens de Cloreto Férrico, e a maior produção de volume de lodo (SSed) pelo coagulante de alumínio é conseqüência de sua maior eficácia. Deve-se ressaltar também o fato de o Sulfato de Alumínio ter obtido melhores resultados de remoção de DQO e DBO 5 em 22 e de SS em 23 e em todos os três parâmetros quando os resultados dos dois anos são comparados conjuntamente. Para seleção da dosagem ótima dos coagulantes foram considerados os resultados dos dois períodos testados e optou-se pela dosagem mínima que melhor atendeu aos padrões de lançamento de SS, DQO, DBO 5 e P total, tanto em 22 quanto em 23. A partir destas condições selecionaram-se as concentrações de 4 mg/l de Sulfato de Alumínio, 8 mg/l de Cloreto Férrico e 22 mg/l de Tanfloc SS. Os resultados da aplicação dos polímeros são apresentados na Tabela 3. Tabela 3: entrações Mínimas de Polímeros aplicados em associação com coagulantes metálicos, requeridas para atendimento aos padrões estabelecidos Cloreto Férrico Sulfato de Alumínio Polímero SS Catiônico Aniônico Não-iônico DQO Catiônico Aniônico Não-ionico >15-1 DBO5 Catiônico Aniônico Não-ionico P total Catiônico Aniônico Não-ionico Nota:. entração Mínima de Polímero; %rem Percentual de remoção do parâmetro de controle. Para as associações dos sais metálicos com os polímeros, metade das melhores concentrações foi para a dosagem de polímero de mg/l, porém as dosagens dos sais metálicos nessas associações foram dosagens que em alguns testes de jarros produziram um efluente atendendo aos limites desejados quando os sais metálicos foram testados isoladamente. Neste caso, para confirmar as melhores concentrações tanto dos sais metálicos quanto dos polímeros, é necessário realizar mais repetições e uma análise estatística apropriada. O Sulfato de Alumínio e o Cloreto Férrico geraram praticamente o mesmo volume de lodo, da ordem de 18 ml/l. Já o Tanfloc SS foi o que gerou menor volume de lodo, de 154 ml/l, porém foi o que gerou um efluente de pior qualidade quando comparado ao Sulfato de Alumínio e ao Cloreto Férrico. O menor volume de lodo acumulado para os polímeros testados foi para a concentração de 2 mg/l de Sulfato de Alumínio com mg/l de Polímero Catiônico, correspondendo a 6 ml/l, enquanto que o maior volume de lodo acumulado foi de 185 ml/l para a associação do Sulfato de Alumínio com o Polímero Não Iônico. ABES - Associação Brasileira de Engenharia Sanitária e Ambiental

8 CONCLUSÕES Neste estudo, bem como já havia sido comprovado por Rocha (2) e Silva (2), o tratamento físicoquímico foi eficiente quanto à remoção de SS, DQO, P total e DBO 5, atendendo a padrões de lançamento bastante restritivos visando à preservação de corpos receptores sensíveis à eutrofização. A caracterização do efluente ao longo de 24 horas demonstrou a expressiva influência da presença de algas no efluente sobre diversos outros parâmetros, como SS, DQO, turbidez, DBO 5, OD, P total e N total. Com base nas concentrações dos parâmetros avaliados e nas remoções percentuais alcançadas, verificou-se que os melhores resultados foram obtidos pelo Sulfato de Alumínio, embora tenha produzido maior volume de lodo (SSed). A aplicação da concentração de 4 mg/l de Sulfato de Alumínio resultou no efluente de melhor qualidade, com mg/l e remoção de 1% de SS, 45 mg/l e 2% de remoção de DQO, 14 mg/l e remoção de 1% de DBO 5 e,3 mg/l e remoção de 5% de P total. O volume de lodo gerado foi de 182 ml/l. O Tanfloc SS produziu o menor volume de lodo, porém obteve resultados piores quando comparado aos coagulantes metálicos. Os resultados de Cloreto Férrico foram bastante próximos aos obtidos pelo Sulfato de Alumínio e ainda produziu menor volume de lodo, sendo necessária uma avaliação, não só técnica, mas também financeira, para seleção do coagulante a ser aplicado em escala real neste caso. Já entre as associações de sais metálicos com os polímeros, a associação de 6 mg/l de Cloreto Férrico com 1 mg/l de Polímero Aniônico foi a que gerou os melhores resultados, promovendo uma remoção de 85% de SS, 1% de DQO, 8% de DBO 5 e 88% de P total. A taxa de acúmulo de lodo úmido na lagoa facultativa primária referente ao esgoto bruto foi de,5 m³/dia (,83 l/hab.dia) e a taxa de lodo úmido acumulado na lagoa facultativa primária referente ao lodo a ser descartado na lagoa facultativa proveniente do tratamento físico-químico foi de,666 m³/dia (,15 l/hab.dia), totalizando uma taxa de acúmulo de lodo na lagoa facultativa primária de,4 m³/dia (,18 l/hab.dia). A recirculação do lodo físico-químico representaria um acréscimo de 1% na produção de lodo na lagoa facultativa primária, significando, porém, apenas,88 cm/ano a mais na espessura da camada de lodo, conforme estimativa realizada. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS 1. Guidance Manual for Polymer Selection in Wastewater Treatment Plants. Water Environment Research Foundation.. 2. METCALF & EDDY. Wastewater Engineering: Treatment, disposal and reuse, 3rd ed.: Mc Graw- Hill, MIDDLEBROOKS, E. J. Upgrading pond effluents: an overview. Water Science and Technology, Vol. 31, N o 12, pp , OLIVEIRA, Fabrícia Fafá. Remoção de algas e nitrificação terciária de lagoas de estabilização facultativas através de biofitros aerados de leito submerso f. Dissertação submetida ao Programa de Mestrado em Engenharia Ambiental da Universidade Federal do Espírito Santo, Vitória, ROCHA, Maria Letícia de Abreu Faria. Remoção de Algas, nutrientes e coliformes de efluentes de lagoas de estabilização facultativas em operação no Espírito Santo através de coagulação floculação decantação em escala de laboratório f. Dissertação submetida ao Programa de Mestrado em Engenharia Ambiental da Universidade Federal do Espírito Santo, Vitória, SILVA, Virgínia Venturim. Polimento do efluente final de um sistema australiano de lagoas de estabilização através de processo físico-químico do tipo coagulação/floculação/decantação. 2. f. Dissertação submetida ao Programa de Mestrado em Engenharia Ambiental da Universidade Federal do Espírito Santo, Vitória, 2.. VON SPERLING, M. Princípios do tratamento biológico de águas residuárias: lagoas de estabilização, volume 3, 3ª edição, Belo Horizonte: Departamento de Engenharia Sanitária e Ambiental. Universidade Federal de Minas Gerais, 16. ABES - Associação Brasileira de Engenharia Sanitária e Ambiental 8