22º Congresso Brasileiro de Engenharia Sanitária e Ambiental 14 a 19 de Setembro 2003 - Joinville - Santa Catarina II-146 - TRATAMENTO ECOEFICIÊNTE DE ESGOTO SANITÁRIO PARA PEQUENAS COMUNIDADES Ederaldo Godoy Júnior(1) Departamento de Energia UNESP - Campus de Guaratinguetá, Departamento de Engenharia Mecânica da UNITAU, Doutorando em Energia UNESP Campus de Guaratinguetá SP, Mestre em Ciências Ambientais pela UNITAU - Universidade de Taubaté SP, Engenheiro Mecânico pela UNITAU - Universidade de Taubaté SP José Luz Silveira Departamento de Energia UNESP - Campus de Guaratinguetá, Doutor em Engenharia Mecânica UNICAMP, Mestre em Engenharia Mecânica UNICAMP, Engenheiro Mecânico - EFEI Giorgio Eugênio Oscare Giacaglia Departamento de Engenharia Mecânica da UNITAU, PhD - Yale University EUA, Doutor em Engenharia Mecânica EPUSP, Engenheiro Metalurgista - EPUSP Endereço(1): Av. Juscelino K. de Oliveira, 193, Jd. Eulália, Taubaté - SP - CEP: 12010-600 - Brasil - Tel: +55 (0xx12) 221-2325 /91159451 - Fax: +55 (0xx12) 2224005 - e-mail: godoyjr@feg.unesp.br ou godoyjr@unitau.br RESUMO O trabalho apresenta um modelo de tratamento de esgoto sanitário, que inicia-se na própria casa do cidadão, onde primeiramente o efluente é tratado anaerobiamente por meio de um sistema compacto de tratamento de esgoto na versão residencial, em seguida é pós-tratado aerobiamente e anóxicamente por meio de um sistema coletivo de tratamento aeróbio e
anóxico. O sistema residencial de biodigestão anaeróbia é composto por três Reatores Anaeróbios de Fluxo Ascendente (RAFAs) em leito de lodo, dispostos em série formando cascata, com separador de fases sólida-líquida-gasosa em formato helicoidal. O sistema de pós-tratamento coletivo é composto por um sistemas biodigestor aeróbio e anóxico tubular de aeração por bolha fina. Quando o esgoto sanitário é tratado por meio de RAFAs é possível uma remoção média de cerca de 80% da demanda bioquímica de oxigênio (DBO), restando apenas 20% da DBO original do afluente para ser pós-tratada. O tratamento anaeróbio residencial gera biogás, que pode ser aproveitado energeticamente por sistema gerador elétrico para o acionamento do soprador de ar da parte aeróbia coletiva. O processo apresentado promove o tratamento de esgoto a baixo custo, reduz o tamanho da área requerida para construção de estações de tratamento de esgoto (ETE), reduzir consumo de energia elétrica consumida nas grandes ETEs e aproveita energia do biogás gerado. PALAVRAS-CHAVE: ecoeficiência, biodigestores, esgoto sanitário, biogás INTRODUÇÃO No Brasil de todo o esgoto gerado, apenas cerca de 50% é devidamente coletado, e menos de 10% recebe tratamento adequado antes de chegar aos corpos d água, causando assim a propagação de doenças hidrotransmissíveis e o grande número de mortalidade infantil. Uma solução, seria o tratamento anaeróbio residencial de esgoto, seguido de pós-tratamento aeróbio coletivo. Devido ao tratamento anaeróbio, o sistema também produz biogás, o qual pode ser aproveitado de várias maneiras quando produzido em grande quantidade, no caso de condomínios. Este trabalho proporciona um sistema que visa a redução de cerca de 80% da DQO (Demanda Química de Oxigênio) do esgoto sanitário na própria residência onde é gerado, a partir da instalação de sistema biodigestor anaeróbio residencial utilizando produtos disponíveis no mercado. Com essa redução da DQO (dado obtido experimentalmente pelos autores e teoricamente em bibliografias) do esgoto sanitário na residência, restam apenas cerca de 20% da DQO para ser tratado em uma estação de tratamento aeróbio comunitária, que dessa forma terá suas dimensões significativamente reduzidas, assim como o consumo de energia elétrica para sua operação. Por ser uma proposta ecologicamente correta, ela trás significantes benefícios ao meio ambiente, e é muito interessante para os cidadãos preocupados com a conservação da natureza e para toda a sociedade, pois o sistema proposto beneficia diretamente os corpos d águas da localidade onde for utilizado, e conseqüentemente, a natureza e os consumidores dessas águas a jusante. Isso porque, o sistema trata anaerobiamente o esgoto in situ, reduzindo significativamente os custos do tratamento coletivo de esgoto, sendo ainda possível o aproveitamento do biogás produzido no caso de um condomínio.
Outros benefícios da proposta são: facilidade de execução, beneficiando-se das vantagens dos materiais hoje disponíveis no mercado; melhora no saneamento ambiental em relação a outros sistemas como a fossa séptica, e por ser em material plástico é estanque e não sofre corrosão, ao passo que a fossa séptica reduz em média apenas 40% e, quando construída utilizando pré-fabricados de concreto ou em alvenaria, devido a trincas e a porosidade do material, acaba contaminando o lençol freático; não requer a utilização de cimento nem mesmo de mão de obra especializada, somente de serviços de hidráulica; possibilidade de aproveitamento do biogás quando instalado em condomínios; e a possibilidade de aproveitamento do lodo residual gerado como adubo orgânico, depois de desinfetado. BIODIGESTOR RESIDENCIAL PARA TRATAMENTO DE ESGOTO O biodigestor residencial pode ser considerado como uma microete (microestação de tratamento de esgoto) e, sua instalação visa, prioritariamente, o saneame nto, atuante como um sistema de esgoto para atender à demanda de uma família padrão com 5 pessoas, ou cerca de 1 m³/dia (adotando uma produção de cerca de 0,2 m³/dia de esgoto por indivíduo) em volume de esgoto produzido com uma DQO média de 1500 mg / L. Segundo GODOY JÚNIOR (2001) essa versão residencial tem capacidade de reduzir em média 82% da DQO, no subsolo da residência por tratamento anaeróbio, e a rede coletora urbana, com suas quedas e declives, fica responsável por parte do tratamento aeróbio e/o u de conduzir o efluente até uma ETE coletiva aeróbia, para a completa estabilização química do esgoto sanitário. A Figura 01 (a) mostra a foto do protótipo e a (b) mostra a disposição da microete em uma residência. (a) (b) Figura 01 - (a) Foto do protótipo do biodigestor residencial (b) Disposição da instalação do sistema biodigestor residencial. Figura 02 - Ilustração do protótipo do biodigestor residencial em corte.
Os principais poluentes domésticos são as excretas humanas. No sistema em questão, somente o esgoto oriundo dos vasos sanitários é tratado pelo biodigestor residencial. As demais águas servidas oriundas dos banhos, lavatórios, pia de cozinha e tanque de lavagem de roupas, antes de entrar na rede coletora residencial passam por caixa retentora de gordura, conforme mostra a Figura 01 (b). CARACTERÍSTICAS DO SISTEMA Como se pode observar na Figura 02, o esgoto oriundo do vaso sanitário é tratado por meio de um sistema de três reatores anaeróbios de fluxo ascendente em manto de lodo, dispostos em série formando cascata, operado exclusivamente pela força da gravidade, sem a utilização de qualquer elemento eletromecânico. Os reatores são interligados na parte superior de alimentação e montados utilizando exclusivamente: Caixas Múltiplas, Prolongadores das Caixas Múltiplas, Tubos e Conexões da TIGRE S.A.. O sistema biodigestor é composto por três módulos de tratamento anaeróbio de fluxo ascendente, dispostos em forma de cascata. Os módulos são montados com as Caixas Múltiplas Tigre e interligados através de tubos e conexões Tigre. O biogás produzido no interior dos módulos biodigestores, é encaminhado para uma saída instalada na parte superior de cada módulo, de onde é direcionado para uma tubulação de ventilação (no caso de uma residência isolada, não seria viável a possibilidade de aproveitamento do biogás por seu pequeno volume produzido). A manutenção do sistema é feita por duas vias: pelo TIL, instalado na extremidade da tubulação de entrada do esgoto (Æ =100mm), e pelos mangotes (tubos corrugados de 100mm de diâmetro) conectados a base de cada um dos 3 módulos de onde são ligados a uma junção dupla que fornece acesso a uma saída para retirada do lodo acumulado, com frequência anual; A montagem e as características descritas acima estão ilustradas na Figura 03. Figura 03 Desenho esquemático detalhando o sistema biodigestor anaeróbio para tratamento de esgoto sanitário VARIANTES PARA O APROVEITAMENTO DO BIOGÁS
O mesmo biodigestor, quando implantado num condomínio residencial, onde todas as moradias possuam esse sistema interligado, por meio de rede coletora do biogás produzido, pode-se efetivar o aproveitamento energético do biogás através da sua conversão por meio de um gerador elétrico em energia elétrica, para assim acionar um sistema coletivo de tratamento aeróbio para o pós-tratamento do esgoto tratado anaeróbiamente. Segundo VAN HAANDEL & LETTINGA (1994) e VON SPERLING (1997), no sistema integrado anaeróbio-aeróbio, o efluente é tratado, primeiramente, por reatores anaeróbios de fluxo ascendente; em seguida passa por reator aeróbio para pós-tratamento. Esse processo gera um volume de lodo residual cerca de 75% menor daquela quantidade gerada pelo lodo ativado, pois grande parte desse lodo volatiliza na forma de biogás combustível, que pode ser seguramente aproveitado por sistemas geradores elétricos, para diminuir os custos operacionais no tocante à compra de eletricidade. A Figura 04 mostra o desenho esquemático de uma quadra residencial com tratamento anaeróbico individual do esgoto em cada moradia, rede coletora do biogás gerado, sistema gerador elétrico a biogás e central de tratamento aeróbio para pós-tratamento do efluente tratado. Figura 04 Desenho esquemático do aproveitamento energético do biogás gerado nos reatores residenciais para acionamento de tratamento aeróbio coletivo. Considerando um condomínio popular com cerca de 50 residências; cada residência habitada por 5 pessoas, cada uma produzindo cerca de 0,16 m³/dia de esgoto; o esgoto gerado por cada ser humano quando tratado anaerobiamente de forma adequada é capaz de gerar 0,017 m³/dia de biogás; para cada 1m³ de biogás (70% de CH4 e 30% de CO2) podem ser produzidos 6,0 kwh de energia elétrica. Para uma população de cerca de 250 habitantes, chega-se aos seguintes valores: uma vazão de cerca de 40m³/dia de biogás; uma produção de cerca de 4,25m³/dia de biogás; uma produção de cerca de 25,5 kwh/dia de eletricidade, ou uma capacidade pouco inferior a 1kw. Dessa forma é possível sanear o esgoto e gerar energia elétrica para o tratamento aeróbio do condomínio.
REATOR AERÓBIO CILÍNDRICO VERTICAL COM AERAÇÃO TIPO BOLHA FINA Contitui um sistema para tratamento de águas residuárias, pelo processo de lodo ativado, com aeração do tipo bolha fina, utilizando reator cilíndrico vertical, confeccionado em tubos termoplásticos de PVC do tipo RIB LOC TIGRE. O sistema serve para o tratamento aeróbio (na presença de ar) de esgoto sanitário ou industrial, por meio de oxidação forçada que ativa microorganismos aeróbios degradadores da carga orgânica presente nas águas residuárias. O sistema também serve para a promoção do pós-tratamento de esgoto já tratado anaerobiamente (sem a presença de ar), com a finalidade de polimento do efluente, para redução da DQO remanescente. O benefício principal do sistema é a diminuição significativa dos custos de implantação de miniestações aeróbias de tratamento de esgoto, quando comparado com os sistemas existentes atualmente no mercado. Para fins de comparação a tabela 01 mostra a relação entre os valores de sistemas modulares compactos de tratamento aeróbio de esgotos existentes nos mercado brasileiro, para uma população média de 250 habitantes, adotando uma produção média de 150 litros (PINI,1987) de esgoto por pessoa, ocasionando um volume total de cerca de 40m³ e operando com um tempo de retenção hidráulico de 24horas. Tabela 01 Comparação entre miniestações aeróbias de tratamento de esgoto Tipo de sistema Material de construção Sistema de injeção de ar Valor (R$) Tecnologia Japonesa (desenvolvido para países de clima temperado) Tanques cilíndricos horizontais em fibra de vidro Por soprador, 2CV, com difusor de ar do tipo bolha média. (Tanque mais dispositivos)...35.000,00 (Soprador)...2.200,00 Total...37.200,00
Tecnologia Norte-Americana (desenvolvido para países de clima temperado) Tanques retangulares horizontais em aço tratado anti corrosão Por aerador submersível, 2 CV, protegida contra corrosão, adaptada pa ra injeção de ar por sistema venturi, com difusor de ar do tipo bolha fina. (Tanque mais dispositivos)...56.000,00 (Aerador Sumersível)...10.400,00 Total...66.400,00 Sistema Proposto com tecnologia Nacional (desenvolvido para países de clima tropical) Tanques cilíndricos verticais em tubo RIB LOC TIGRE Por soprador, 2CV, com difusor de ar do tipo bolha fina. (Tanque mais dispositivos)...5.517,28 (Soprador)...2.200,00 Total...7.717,28 CARACTERISTICAS DO SISTEMA AERÓBIO PROPOSTO O sistema de lodo ativado compacto de fluxo misto descendente-ascendente e em cascata para tratamento de esgoto in natura, ou pré-tratados anaerobicamente é constituído, basicamente, com tubos de PVC de diâmetro de até 2500 mm, ambos de fácil montagem e operação. Sua capacidade é de 43 m3 de volume útil, sendo capaz de tratar o esgoto gerado por cerca de 25 famílias padrão com 5 pessoas.
Figura 05 Desenho esquemático do reator aeróbio cilíndrico vertical com aerador tipo bolha fina mostrado em corte de perfil. Esse sistema opera mecanicamente por sistema de Air Lift na recirculação do lodo do decantador e no descarte do lodo excedente, necessitando para essa operação que um operador que acione o registro de entrada de ar do decantador durante cinco minutos por dia, e a cada 15 dias acione o registro de entrada de ar no Air Lift do cilindro central por cinco minutos para descarte do lodo excedente estabilizado. As Figuras 05 e 06 mostram o sistema proposto através de desenhos esquemáticos Figura 6 - Desenho esquemático do reator aeróbio cilíndrico vertical com aerador tipo bolha fina mostrado em corte de perfil em 3D. RESULTADOS OBTIDOS Até o momento somente o sistema residencial anaeróbio foi operado e obteve uma redução na DQO de cerca de 82%, para uma DQO do afluente de cerca de 1500 ml / L de DQO. O sistema aeróbio coletivo encontra-se em fase de testes e sua eficiência ainda deve ser analisada. CONCLUSÕES Concluí-se que o modelo proposto de tratamento pode ser bastante interessante em áreas urbanas sem tratamento de esgoto e que não possua área para a instalação de uma ETE convencional. Com a introdução desse sistema ecoeficiente é possível simultaneamente promover saneamento de esgoto e geração de energia elétrica visando tornar auto-suficiente energeticamente o tratamento aeróbio, e conseqüentemente reduzir seu custo operacional. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS
GODOY JÚNIOR, E., Sistema Otimizado de Reator Anaeróbio de Flu xo Ascendente Para Tratamento de Efluente de Suinocultura, Dissertação de Mestrado em Ciências Ambientais - Concentração em Saneamento Ambiental, Universidade de Taubaté, Taubaté SP, 52 p., jul. 2001. VAN HAANDEL, A.C., LETTINGA, G., Tratamento Anaeróbio de Esgoto Um Manual Para Regiões de Clima Quente, Vol.1, Campina Grande, PB, Universidade Federal da Paraíba, 253p., 1991. VON SPERLING, M., Princípios do Tratamento Biológico de Águas Residuárias Lodos Ativados, Vol.4, Belo Horizonte, MG, Departamento de Engenharia Sanitária e Ambiental da Universidade Federal de Minas Gerais, 416p., 1997.