Universidade da Beira Interior

Universidade da Beira Interior DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA CIVIL CONTRIBUIÇÃO PARA O ESTUDO DA REMOÇÃO DE RESIDUAIS DE CARBONO EM FILTROS BIOLÓGICOS DE LEITO IMERSO E FLUXO DESCENDENTE António João Carvalho de Albuquerque Dissertação apresentada para obtenção do Grau de Doutor em Engenharia Civil pela Universidade da Beira Interior Covilhã Novembro 2003

CONTRIBUIÇÃO PARA O ESTUDO DA REMOÇÃO DE RESIDUAIS DE CARBONO EM FILTROS BIOLÓGICOS DE LEITO IMERSO E FLUXO DESCENDENTE RESUMO Os sistemas de tratamento biológicos convencionais não removem a totalidade dos constituintes presentes nas águas residuais domésticas, sendo frequente a presença nos seus efluentes de residuais (e.g. matéria orgânica solúvel, biodegradável ou refractária, produtos resultantes da actividade microbiológica e compostos inorgânicos solúveis) que podem causar impactes ambientais significativos nas massas hídricas e no solo, nomeadamente nos seus potenciais usos. Quando o meio receptor é sensível à descarga destes constituintes remanescentes ou, a jusante é utilizado para determinados usos, é necessário efectuar a sua remoção, podendo ser utilizados sistemas de tratamento avançados ou de afinação como é o caso dos filtros biológicos de leito imerso. Apesar de existirem vários estudos sobre a aplicabilidade destes sistemas na eliminação de nutrientes, a sua utilização para a remoção de residuais de carbono não tem sido, contudo, avaliada. Nestes termos, o objectivo principal deste trabalho centrou-se no estudo da biodegradação de residuais de carbono, comuns em efluentes de tratamento secundário de águas residuais urbanas e água bruta de origem superficial, através da utilização de um filtro biológico de leito imerso, tendo, complementarmente, sido estudada a remoção de azoto (amónio e formas oxidadas de azoto). Realizaram-se ensaios complementares para o estudo das condições hidrodinâmicas no filtro e ensaios para avaliar as condições básicas de operação, tendo em atenção a estabilidade do processo e a evolução da perda de carga no leito ao longo do tempo. Nos ensaios de biodegradação foram utilizados substratos simples (acetato) e complexos (água residual doméstica e água de origem superficial), tendo-se testado diferentes condições de carga (carga orgânica aplicada e razão C/NH + 4 -N) e de operação (arejamento, ciclo de lavagem e número de passagens pelo leito). Os resultados permitiram concluir, para a gama de cargas orgânicas (5,2 g C m -3 h -1 a 77,3 g C m -3 h -1 ) e de azoto amoniacal (0,2 g NH + 4 -N m -3 h -1 e 38,7 g NH + 4 -N m -3 h -1 ) aplicadas, que o filtro utilizado permitia obter remoção carbonada, nitrificação e desnitrificação, a taxas de eliminação satisfatórias. Não se observou, contudo, remoção de qualquer dos compostos para cargas inferiores a 5,2 g C m -3 h -1 e 1,5 g NH + 4 -N m -3 h -1.

A remoção mais importante, quer de carbono, quer de azoto amoniacal, foi observada no intervalo de cargas orgânicas médias entre 25,7 g C m -3 h -1 e 77,3 g C m -3 h -1, em particular na parte superior do leito (8,0 cm iniciais) onde ocorreu forte dispersão, o oxigénio dissolvido apresentou as concentrações mais elevadas, foram observadas maiores produções de biomassa e uma camada de biofilme mais densa. A adopção de uma segunda passagem pelo leito contribuiu para o aumento da remoção de ambos os compostos, apenas para cargas orgânicas médias superiores a 25,7 g C m -3 h -1. Os resultados permitiram, ainda, constatar que a remoção de formas oxidadas de azoto, essencialmente constituídas por nitratos, independentemente do tipo de substrato e das condições de carga e de operação utilizadas, ocorreu, principalmente, por desnitrificação. Nestes termos, a utilização de filtros biológicos de leito imerso para a remoção de residuais de carbono, poderá constituir alternativa económica e tecnicamente vantajosa tendo em vista, quer a redução de impactes ambientais de descargas em meios hídricos e no solo, quer a produção de efluentes com potencial de reutilização, podendo, complementarmente, ser obtida a remoção de azoto.

ÍNDICE DE MATÉRIAS AGRADECIMENTOS. RESUMO. ABSTRACT ÍNDICE DE FIGURAS ÍNDICE DE QUADROS. NOMENCLATURA iii v vii xiii xxi xxvii 1. INTRODUÇÃO 1 1.1. CONSIDERAÇÕES GERAIS 1 1.2. FILTROS BIOLÓGICOS... 7 1.3. CARACTERÍSTICAS HIDRODINÂMICAS DE FILTROS BIOLÓGICOS.. 15 1.3.1. Aspectos gerais 15 1.3.2. Transporte de massa por advecção. 17 1.3.3. Transporte de massa por difusão e dispersão 18 1.3.4. Transporte de massa por reacção 21 1.3.5. Avaliação das características hidrodinâmicas 24 1.4. PROCESSOS MICROBIOLÓGICOS EM MEIOS POROSOS 29 1.4.1. Formação de biofilmes 29 1.4.2. Aspectos cinéticos 31 1.4.3. Transformação de substrato.. 38 1.4.4. Modelação em filtros biológicos 48 1.5. PRINCIPAIS FACTORES QUE INFLUENCIAM A REMOÇÃO CARBONADA.. 52 1.5.1. Aspectos gerais 52 1.5.2. Tipo de substrato orgânico 53 1.5.3. Nutrientes e relação C/N 62

1.5.4. ph 64 1.5.5. Temperatura. 65 1.5.6. Oxigénio dissolvido. 66 1.5.7. Cargas hidráulica e orgânica. 69 2. OBJECTIVOS. 73 3. PLANO EXPERIMENTAL 75 3.1. APRESENTAÇÃO.. 75 3.2. DESCRIÇÃO.. 77 3.2.1. Fase experimental I - ensaios preliminares 77 3.2.2. Fase experimental II - ensaios de traçagem 78 3.2.3. Fases experimentais III e IV - ensaios de carga 79 4. MATERIAIS E MÉTODOS 83 4.1. INSTALAÇÃO PILOTO. 83 4.2. INÓCULO E MEIO DE CULTURA.. 88 4.3. ADAPTAÇÃO E CONSERVAÇÃO DA BIOMASSA.. 89 4.4. MODO DE OPERAÇÃO 93 4.4.1. Introdução. 93 4.4.2. Colonização do leito 93 4.4.3. Fase experimental I - ensaios preliminares 96 4.4.4. Fase experimental II - ensaios de traçagem 105 4.4.5. Fases experimentais III e IV - ensaios de carga 109 4.4.6. Avaliação da recuperação do filtro após lavagem 115 4.5. AMOSTRAGEM E PROCEDIMENTOS ANALÍTICOS. 119 4.5.1. Amostragem 119 4.5.2. Procedimentos analíticos.. 121

5. RESULTADOS.. 123 5.1. INTRODUÇÃO 123 5.2. FASE EXPERIMENTAL II ENSAIOS DE TRAÇAGEM (SÉRIES 1 E 2) 123 5.2.1. Determinação das curvas DTR. 123 5.2.2. Avaliação dos volumes efectivo e morto. 124 5.2.3. Ajustamento de modelos matemáticos 129 5.3. ACLIMATAÇÃO DE BIOMASSA 137 5.4. FASE EXPERIMENTAL III ENSAIOS DE CARGA 139 5.4.1. Séries de ensaios 1 a 5.. 139 5.4.2. Séries de ensaios 6 a 10 158 5.5. FASE EXPERIMENTAL IV ENSAIOS DE CARGA... 175 5.5.1. Séries de ensaios 1, 2, 5 e 6. 175 5.5.2. Séries de ensaios 3,4, 7 e 8.. 186 5.6. ANÁLISE DA VARIAÇÃO DA PERDA DE CARGA.. 193 5.7. AVALIAÇÃO DA CINÉTICA DE REMOÇÃO 194 5.7.1. Desenvolvimento de um modelo cinético,,, 194 5.7.2. Aplicação do modelo cinético 197 6. ANÁLISE E DISCUSSÃO 201 6.1. FASE EXPERIMETAL II ENSAIOS DE TRAÇAGEM 201 6.2. FASES EXPERIMETAIS III E IV ENSAIOS DE CARGA.. 214 7. CONCLUSÕES E PERSPECTIVAS DE TRABALHO FUTURO.. 279 BIBLIOGRAFIA.. 283 LISTA DE COMUNICAÇÕES EM ENCONTROS TÉCNICO-CIENTÍFICOS 297

ANEXOS 351 ANEXO I RESULTADOS DE ENSAIOS DE ADSORÇÃO PARA O SISTEMA SÓLIDO-LÍQUIDO, CURVAS DE CALIBRAÇÃO PARA O AZUL DEXTRAN E AVALIAÇÃO DO REGIME DE ESCOAMENTO NO FILTRO 353 ANEXO II EXPRESSÕES PARA O CÁLCULO DE MOMENTOS DA DISTRIBUIÇÃO NAS CURVAS DTR, LEIS DE RESPOSTA PARA MODELOS TEÓRICOS, TRATAMENTO DE RESÍDUOS E ERRO DE AJUSTAMENTO. 359 ANEXO III RESULTADOS DE ENSAIOS DE TRAÇAGEM (FASE EXPERIMETAL II) E GRÁFICOS DO AJUSTAMENTO PARAMÉTRICO ÀS CURVAS DTR 371 ANEXO IV CARACTERÍSTICAS FÍSICO-QUÍMICAS DE LAMAS, DE ÁGUA RESIDUAL DOMÉSTICA E DE ÁGUAS SUPERFICIAIS.. 385 ANEXO V RESULTADOS DA ACLIMATAÇÃO DE BIOMASSA 389 ANEXO VI RESULTADOS DE ENSAIOS PRELIMINARES (FASE EXPERIMENTAL I) E DE RECUPERAÇÃO DO FILTRO APÓS LAVAGEM E CÁLCULO DAS PERDAS DE CARGA... 393 ANEXO VII RELAÇÕES ESTEQUIOMÉTRICAS.. 413 ANEXO VIII RESULTADOS DE ENSAIOS DE CARGA FASE EXPERIMENTAL III (SÉRIES 1 A 5).. 419 ANEXO IX RESULTADOS DE ENSAIOS DE CARGA FASE EXPERIMENTAL III (SÉRIES 6 A 10). 439 ANEXO X RESULTADOS DE ENSAIOS DE CARGA FASE EXPERIMENTAL IV (SÉRIES 1 A 8). 459