AVALIAÇÃO DE DESEMPENHO DE UM PROTÓTIPO DE REATORES ANAERÓBIOS PARA O TRATAMENTO DE ESGOTOS DOMICILIARES

AVALIAÇÃO DE DESEMPENHO DE UM PROTÓTIPO DE REATORES ANAERÓBIOS PARA O TRATAMENTO DE ESGOTOS DOMICILIARES Adriane Dias da Silva Lisboa 1 *; Lucas Achaval Silva 2 ; Yovanka Pérez Ginoris 3 ; Marco Antonio Almeida de Souza 4 Resumo O presente trabalho apresenta os resultados da avaliação de um protótipo de reatores anaeróbios, que foi concebido, construído e instalado em uma residência de uma família com cinco pessoas, localizada em Vicente Pires, Distrito Federal. O propósito principal desse protótipo foi remover matéria orgânica e sólidos do esgoto, utilizando um processo de tratamento biológico essencialmente anaeróbio, composto de reator hidrobiolítico seguido de filtro anaeróbio, ambos coadjuvados por sedimentação laminar. O protótipo foi monitorado por dezenove meses, com início em julho de 2013 e término em janeiro de 2015. O protótipo apresentou melhores resultados de eficiências de remoção (acima de 70%) quanto aos parâmetros DQO, DBO, sólidos suspensos totais, e sólidos sedimentáveis, que foram de 81%, 83%, 87% e 100%, respectivamente. Quanto ao atendimento do padrão de lançamento de efluentes de sistemas de tratamento, o efluente final do protótipo apresentou resultados de temperatura, ph, DBO e sólidos sedimentáveis que respeitam a Resolução do CONAMA n 430/2011. Esse protótipo de reatores anaeróbios mostrou-se uma alternativa adequada para tratamento descentralizado de esgotos domésticos e poderia ser utilizado em unidades compactas para residências unifamiliares em diferentes situações reais. Palavras-Chave protótipo, esgotos domiciliares, tratamento descentralizado. PERFORMANCE EVALUATION OF A PROTOTYPE OF ANAEROBIC REACTORS FOR TREATING DOMESTIC SEWAGE Abstract This paper presents the evaluation results of a prototype of anaerobic reactors, which was designed, constructed and installed in a residence of a family with five people, located in Vicente Pires, Distrito Federal. The main purpose of this prototype was to remove organic and solid matter from sewage using a biological treatment process essentially anaerobic, consisting of hydrobiolytic reactor followed by anaerobic filter, both assisted by laminar sedimentation. The prototype was monitored for nineteen months, starting in July 2013 and ending in January 2015. The prototype showed better results removal efficiencies (over 70%) for COD, BOD, total suspended solids, and settleable solids, that were 81%, 83%, 87% and 100%, respectively. In relation to discharge standards for wastewater treatment systems into receiving bodies, the final effluent of the prototype presented results of temperature, ph, BOD, and settling solids complying with the CONAMA Resolution No. 430/2011. This prototype of anaerobic reactors proved to be a suitable alternative for decentralized wastewater treatment and could be used in compact units for single-family residences in different real situations. Keywords prototype, household sewage, decentralized treatment. 1 Discente no Doutorado em Tecnologia Ambiental e Recursos Hídricos na Universidade de Brasília - UnB. Email: adrianedias19@gmail.com 2 Mestre em Tecnologia Ambiental e Recursos Hídricos pela UnB. Email: lucas_achaval@hotmail.com 3 Docente no Programa de Pós-Graduação em Tecnologia Ambiental e Recursos Hídricos na UnB. Email: yovanka.perez@gmail.com 4 Docente no Programa de Pós-Graduação em Tecnologia Ambiental e Recursos Hídricos na UnB. Email: marcantoniosouza@gmail.com XXI Simpósio Brasileiro de Recursos Hídricos 1

INTRODUÇÃO Mesmo com os avanços em saneamento básico, o levantamento realizado pelo Instituto Brasileiro de Geografia e Estatística (IBGE, 2010) consubstanciado nos resultados da Pesquisa Nacional de Saneamento Básico (PNSB) referente ao ano de 2008, mostrou que pouco mais da metade dos municípios brasileiros (55,2%) possuíam serviço de esgotamento sanitário por rede coletora. Outro dado importante constatado é que apenas 28,52% dos municípios tratam o esgoto coletado. No Brasil, a utilização de fossas sépticas é muito difundida em locais onde a população não é atendida por rede coletora de esgotos, porém, muitas vezes são dimensionados e/ou construídos sem qualquer critério técnico resultando em baixa eficiência da carga poluidora. Um protótipo de reatores anaeróbios foi concebido, construído e instalado em uma residência unifamiliar, com o propósito de verificar a possibilidade de produzir um sistema compacto para tratar as águas residuárias que são geradas em residências situadas em regiões que não são atendidas por rede coletora de esgotos. Esse sistema deverá ser eficiente, mas ao mesmo tempo ser leve, para poder ser transportado e ocupar o menor espaço possível. Sabe-se que o tratamento anaeróbio de esgotos vem se destacando no País, já que possui um clima favorável para esse tipo de tecnologia, e também pelo fato de ser de fácil manutenção e operação, possuir baixos custos de instalação e simplicidade de construção, se comparado com outras tecnologias. O protótipo de reatores anaeróbios foi concebido, construído e instalado em uma residência familiar localizada em Vicente Pires, Distrito Federal. Na concepção do sistema pretendeu-se associar os conceitos de reatores anaeróbios de fluxo ascendente e manta de lodos, de reatores anaeróbios de meio fixo (filtros anaeróbios), de lodos ativados com e sem nitrificação e desnitrificação, de decantação laminar, e de placas coalescentes e sedimentação laminar. Essa associação de conceitos visou ao desenvolvimento de um protótipo que fosse capaz de tratar de forma eficiente o esgoto gerado por uma unidade unifamiliar (Achaval, 2014). O protótipo de reatores anaeróbios foi construído em fibra de vidro em uma indústria especializada em produtos fabricados para o tratamento de esgotos. A fibra de vidro é um material leve, transportável e acessível, e que pode ser aplicável a sistemas compactos. Houve duas fases diferentes de operação e monitoramento do protótipo. A primeira fase teve a duração de sete meses e constou do monitoramento da fase de estabilização e inicialização do sistema. A segunda fase teve a duração de 12 meses e, além do monitoramento, constou de observações quanto aos aspectos operacionais e de manutenção. O presente trabalho apresenta a eficiência do protótipo por trimestre de monitoramento quanto à remoção de matéria orgânica e inorgânica e de sólidos suspensos totais e sedimentáveis. MATERIAIS E MÉTODOS O protótipo de reatores anaeróbios foi instalado em uma residência unifamiliar em Vicente Pires, Distrito Federal e foi monitorado ao longo de 19 meses, com início em Julho de 2013 e término em Janeiro de 2015. Foram quatro os pontos de coleta de amostras no protótipo: ponto A entrada do protótipo na câmara 1, sendo um tanque hidrobiolítico composto de um Tanque Imhoff modificado (T.I.M); ponto B saída da câmara 1; ponto C saída da câmara 2, referente ao filtro anaeróbio de fluxo ascendente (F.A1); e ponto D saída da câmara 3 ou efluente final, referente ao XXI Simpósio Brasileiro de Recursos Hídricos 2

filtro anaeóbio composto de um decantador laminar secundário (F.A2+D.L.S). Os pontos de coleta são representados na Figura 1. Figura 1 - (a) Desenho da vista do topo do protótipo (b) Vista da câmara 1 T.I.M. Tanque Imhoff Modificado (c) Vista câmara 2 - F.A.1 - Filtro Anaeróbio 1 (d) Vista da câmara 3 F.A.2 + D.L.S - Filtro anaeróbio 2 e Decantador Laminar Secundário (Achaval, 2014). As amostras coletadas foram caracterizadas quanto aos parâmetros físicos e químicos apresentados na Tabela 1. As coletas e procedimentos de pré-tratamento, bem como as análises foram realizadas de acordo com os procedimentos descritos no Standard Methods for the Examination of Water and Wastewater (APHA, 2005). Tabela 1 - Ensaios para a caracterização físico-química das amostras coletadas no protótipo de reatores anaeróbios. PARÂMETRO MÉTODO ph Potenciométrico (Medidor PHTEK, com eletrodo para Temperatura medir temperatura). Alcalinidade total Titulação potenciométrica Sólidos totais Gravimétrico (103-105ºC) Sólidos totais fixos e voláteis Gravimétrico (550ºC) Sólidos suspensos totais Gravimétrico (103-105ºC) Sólidos Sedimentáveis Visualização em Cone Imhoff DQO Colorimétrico DBO Manométrico Nitrito Colorimétrico Nitrato Colorimétrico Fósforo total Colorimétrico XXI Simpósio Brasileiro de Recursos Hídricos 3

RESULTADOS As amostras coletadas no protótipo de reatores anaeróbios foram caracterizadas quanto aos parâmetros temperatura, ph, alcalinidade, DQO, DBO, nitrito, nitrato, fósforo total, sólidos totais e totais voláteis, sólidos suspensos totais e sólidos sedimentáveis. Além da caracterização das amostras, a Tabela 2 mostra a eficiência de remoção do protótipo em relação a alguns parâmetros. Tabela 2 - Caracterização físico-química das amostras coletadas no protótipo de reatores anaeróbios e sua eficiência. Protótipo de reatores anaeróbios Entrada do sistema (1) Saída do sistema (4) ph Alcalinidade (mgcaco3/l) DQO (mg/l) DBO (mg/l) Nitrito (mg/l) Nitrato(mg/L) Fósforo total (mgp/l) Nº de dados 96 96 83 59 75 76 76 95 95 93 97 Mínimo NO (5) 6,05 150 564 422 0,02 4 30 210 136 31 1 Máximo NO 7,30 470 1546 1032 0,15 68 70 1672 805 640 50 Média 6,72 315 1339 730 0,10 24 45 1216 724 362 23 Quartil (75%) 6,90 350 1452 835 0,11 38 51 1133 539 368 25 Mediana 6,70 300 1356 697 0,08 17 44 787 421 243 8 Quartil (25%) 6,55 270 1168 647 0,06 10 38 657 339 184 3 Desvio Padrão 0,26 80 467 170 0,10 16 14 1480 1134 522 45 CV (%) (6) 4 26 35 23 96 69 32 122 157 144 198 Nº de dados 96 96 96 58 75 69 75 94 94 93 97 Mínimo NO 6,30 180 154 9 0,02 0 24,0 205 33 10 0,0 Máximo NO 7,41 417 345 161 0,13 41 47 537 408 70 0 Média 6,86 296 309 152 0,07 12 36 420 217 34 0 Quartil (75%) 6,98 335 343 149 0,09 22 40 438 259 44 0 Mediana 6,83 295 254 122 0,07 6 36 389 189 32 0 Quartil (25%) 6,69 272 222 86 0,05 2 32 330 158 20 0 Desvio Padrão 0,26 62 153 102 0,05 13 12 229 184 16 0 CV (%) 4 21 50 67 63 104 33 55 85 48 - ST (1) (mg/l) STV (2) (mg/l) SST (3) (mg/l) Ssed (4) (ml/l) Eficiência de remoção (%) - - 81 83 13 64 18 51 55 87 100 Saída do Tanque Imhoff Modificado (2) Saída do Filtro Anaeróbio 1 (3) Nº de dados 96 96 96 58 74 75 77 95 92 95 97 Mínimo NO 6,30 180 435 326 0,01 0,0 20,6 359 70 10 0,0 Máximo NO 7,26 365 958 661 0,14 46 52 714 504 240 2,1 Média 6,77 272 828 463 0,09 16 38 573 279 110 1,0 Quartil (75%) 6,91 300 926 542 0,10 31 42 592 354 157 1,0 Mediana 6,77 280 834 468 0,08 8 38 531 259 131 0,3 Quartil (25%) 6,61 247 761 435 0,06 5 32 476 212 56 0,1 Desvio Padrão 0,27 59 190 125 0,06 14 12 363 87 60 1,5 CV (%) 4 22 23 27 71 93 32 63 31 54 154 Nº de dados 96 96 96 59 75 74 77 95 94 95 97 Mínimo NO 6,85 232 220 69 0,01 0,0 28 260 55 8 0,0 Máximo NO 7,26 368 666 477 0,14 42 45 671 391 199 1,0 Média 6,85 292 466 225 0,08 14 37 485 235 79 0,7 Quartil (75%) 6,94 317 544 279 0,09 23 40 525 297 107 0,5 Mediana 6,84 296 429 183 0,07 7 37 467 218 78 0,2 Quartil (25%) 6,72 280 341 136 0,06 3 35 406 199 40 0,0 Desvio Padrão 0,22 59 185 126 0,05 14 9 139 115 48 1,5 CV (%) 3 20 40 56 64 100 24 29 49 61 215 (1) Sólidos totais; (2) Sólidos totais voláteis; (3) Sólidos suspensos totais; (4) Sólidos sedimentáveis; (5) Não Outlier; (6) Coeficiente de Variação. XXI Simpósio Brasileiro de Recursos Hídricos 4

Os resultados foram tratados a partir de estatística descritiva com medidas de tendência central e de dispersão dos dados. Como os dados englobam a fase de estabilização do sistema e considerando que houve uma limpeza no protótipo no seu 12 mês de funcionamento, a medida de tendência central que representa melhor os dados de caracterização é a mediana, pois ela não é afetada por valores extremos como a média. A temperatura do esgoto no sistema manteve-se praticamente constante. A temperatura mediana na entrada do sistema foi de 23,5 C, 23,8 C na saída do Tanque Imhoff Modificado (T.I.M), 23,6 C na saída do filtro anaeróbio 1 e de 23,5 C na saída do sistema. As coletas das amostras foram realizadas no início da manhã, dessa forma, a temperatura era inferior nesse horário em comparação com o restante do dia. De acordo com Chernicharo (2007), para que haja um bom desempenho dos reatores anaeróbios de manta de lodo é adequado que o esgoto possua temperatura superior a 20 C, o desempenho dos reatores fica comprometido com temperaturas inferiores a 16ºC. Assim, as temperaturas obtidas nos quatro pontos coletados foram consideradas satisfatórias para manutenção das atividades microbianas do protótipo concebido. Dos resultados obtidos na medição de ph do esgoto domiciliar, observou-se que 50% dos dados encontram-se entre 6,55 e 6,90, com mediana de 6,70 na entrada do protótipo. O ph das amostras na saída do protótipo foi em mediana de 6,83, com 50% dos dados concentrados entre 6,69 e 6,98. As medianas dos pontos de coletas intermediários do protótipo de reatores anaeróbios foi de 6,77 no ponto de coleta 2, ou seja, na saída do T.I.M e de 6,84 no ponto de coleta 3, ou seja, na saída do filtro anaeróbio 1. Os resultados de ph próximos a neutralidade, favoreceram para o desenvolvimento da atividade dos microrganismos necessários para o tratamento anaeróbios de esgotos. Em relação à alcalinidade total, a concentração mediana foi de 300 mgcaco3/l, 280 mgcaco3/l, 296 mgcaco3/l e 295 mgcaco3/l, nos quatro pontos de coletas, respectivamente. Com os resultados de alcalinidade total, foi possível observar que o esgoto que passou pelo protótipo possui elevada capacidade de tamponamento. Assim, é provável que a manutenção do ph próximo a neutralidade pode estar associada às altas concentrações de alcalinidade dos efluentes. As concentrações medianas da Demanda Química de Oxigênio (DQO) nos quatro pontos de coletas foram de 1168 mg/l, 834 mg/l, 544 mg/l e 254 mg/l, respectivamente, com eficiência de remoção de 81% de DQO no protótipo. As concentrações medianas da Demanda Bioquímica de Oxigênio (DBO) foram de 697 mg/l, 468 m/l, 183 mg/l e 122 mg/l, nos quatros pontos de coleta, respectivamente, com o protótipo apresentando em mediana uma eficiência de remoção de 83% de DBO. Para confirmar a indicação do esgoto doméstico bruto para o tratamento biológico foi calculada a relação DQO/DBO média do protótipo que deve ser menor que 2,5, o valor médio calculado foi de 1,68. Os resultados de DQO e DBO também foram analisados por trimestres de monitoramento, e os resultados são apresentados na Figura 2. XXI Simpósio Brasileiro de Recursos Hídricos 5

Figura 2 Concentração mediana de DQO por trimestre de monitoramento (à esquerda) e concentração mediana de DBO por trimestre de monitoramento (à direita), e seus respectivos pontos de coletas. Observa-se uma variação irregular dos valores medianos de DQO nos quatro pontos de coletas, sendo que a variação menor dos valores medianos ocorreu no efluente de saída do sistema. Apesar disso, houve remoção significativa de DQO em todos os trimestres avaliados. Quanto às concentrações medianas de DBO, observa-se que, apesar de na entrada do sistema as concentrações medianas terem sido crescentes, as concentrações nos demais pontos de coletas foram decrescentes, mostrando que o sistema de tratamento anaeróbio remove melhor matéria orgânica ao longo do tempo. Verificou-se que grande parte da DQO e DBO eram removidas no primeiro filtro anaeróbio (câmara 2), porém, o sistema de tratamento do segundo filtro anaeróbio juntamente com o sistema de decantação laminar (câmara 3 saída do sistema) proporcionou remoção adicional, mesmo que pequena. Quanto aos resultados de nitrito, as concentrações medianas foram de 0,08 mgno2 - -N/L na entrada do sistema e na saída do T.I.M, e de 0,07 mgno2 - -N/L nos efluentes de saída do filtro anaeróbio 1 e da saída do sistema, sendo que o protótipo apresentou eficiência de remoção de 13% de nitrito. Enfatiza-se que a tecnologia de tratamento do protótipo não é destinada a remover nutrientes. As concentrações medianas de nitrato nos esgotos normalmente são muito baixas, porém, os resultados encontrados na caracterização das amostras coletadas no protótipo foram maiores. Possivelmente, a alta concentração de nitrato está relacionada à rápida nitrificação da amônia, e, como o nitrato é instável no esgoto, a passagem para nitrato é mais rápida. As concentrações medianas foram de 17 mgno3 - -N/L, 8 mgno3 - -N/L, 7 mgno3 - -N/L e 6 mgno3 - -N/L, nos quatro pontos de coletas, respectivamente. A eficiência de remoção mediana foi de 64%. Os resultados medianos de fósforo total também estiveram acima dos valores encontrados na literatura para esgotos sanitários, que giram em torno de 7 mg/l (Von Sperling, 2005). O protótipo concebido removeu pouco fósforo total, apenas 13%, com concentração mediana de 44 mg/l na entrada do sistema e de 36 mg/l na saída do sistema. XXI Simpósio Brasileiro de Recursos Hídricos 6

Quanto à eficiência do protótipo na série de sólidos analisadas na presente pesquisa, ele apresentou uma eficiência de remoção de 51% de sólidos totais e de 55% para sólidos totais voláteis, mas os maiores resultados de eficiência no protótipo foram na remoção de sólidos suspensos totais, 87%, e de sólidos sedimentáveis, 100%. Observou-se que o decantador laminar instalado no T.I.M (câmara 1) removia, aproximadamente, 96% dos sólidos sedimentáveis presentes no esgoto, a concentração remanescente de sólidos sedimentáveis era removida no segundo decantador laminar localizado após o segundo filtro anaeróbio, ou seja, na câmara 3 do protótipo, alcançando a eficiência de 100%. Os resultados de sólidos suspensos totais e sólidos sedimentáveis foram analisados por trimestre de monitoramento, e as concentrações medianas por trimestre são apresentadas na Figura 3. Figura 3 Concentração mediana de Sólidos Suspensos Totais (SST) por trimestre de monitoramento (à esquerda) e concentração mediana de Sólidos Sedimentáveis (Ssed) por trimestre de monitoramento (à direita), e seus respectivos pontos de coletas. Observa-se que no sexto trimestre de monitoramento houve um aumento brusco da concentração mediana de SST e Ssed nas amostras coletadas na entrada do protótipo. O aumento brusco da concentração no sexto trimestre na amostra coletada na entrada do sistema, pode ter ocorrido devido à troca do sistema de amostragem, pois essa é a câmara com maior acúmulo das frações sólidas do lodo, ou seja, a nova configuração do amostrador pode ter interferido na amostragem do sexto trimestre de monitoramento. De qualquer forma, o protótipo manteve a eficiência de remoção de SST acima de 80% e de Ssed de 100%. Ao avaliar o efluente final do protótipo de reatores anaeróbios em relação à Resolução n 430 (CONAMA, 2011) que trata dos padrões para o lançamento de efluentes sanitários, verifica-se que ele atende aos padrões preconizados para Temperatura, ph e DBO e Sólidos sedimentáveis. A Resolução recomenda que a temperatura seja inferior a 40 C, a temperatura do efluente final do protótipo foi de 23,5 C, o ph deve-se concentrar entre 5 a 9, o ph do efluente final do protótipo foi de 6,83, quanto aos sólidos sedimentáveis a Resolução limita ao máximo 1 ml/l, o efluente final apresentou Ssed igual a 0mL/L. Quanto ao parâmetro DBO, a Resolução do CONAMA n 430/11, preconiza uma remoção mínima de 60%, o protótipo apresentou remoção de 83% de DBO. XXI Simpósio Brasileiro de Recursos Hídricos 7

De acordo com as características avaliadas, o protótipo atendeu ao que determina a Resolução do CONAMA 430/2011 para lançamento de efluentes sanitários. CONCLUSÕES O protótipo de reatores anaeróbios mostrou-se uma alternativa adequada para tratamento de esgoto doméstico in situ, podendo evitar a contaminação dos corpos d água e melhorar a qualidade de vida da população beneficiada ao evitar o lançamento de esgotos em locais inadequados. Com a concepção de um sistema compacto e de baixo custo, o protótipo poderia ser utilizado em residências unifamiliares. AGRADECIMENTOS A presente pesquisa teve o apoio financeiro da FINEP Financiadora de Estudos e projetos, por meio do Convênio 01.12.0112.00 Rede Nacional de Tratamento de Esgotos Descentralizados. Ao Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico CNPq, pelo apoio financeiro por meio de bolsas de estudos. REFERÊNCIAS ACHAVAL, L. S. (2014). Desenvolvimento e avaliação de um protótipo de estação compacta para tratamento de esgoto em unidades residenciais unifamiliares. Dissertação de Mestrado em Tecnologia Ambiental e Recursos Hídricos. Publicação PTARH.DM- 162/2014, Departamento de Engenharia Civil e Ambiental, Universidade de Brasília, Brasília, DF, 173p. APHA, AWWA; WPCF (2005). Standard methods for examination of water and wastewater. American Public Health Association, American Water Works Association, Water Pollution Control Federation, Washington DC, USA. 21ed. CHERNICHARO, C. A. L. (2007). Reatores anaeróbios: Princípios do tratamento biológico de águas residuárias. 2ª Edição. UFMG Vol.5. Belo Horizonte, MG, Brasil. INSTITUTO BRASILEIRO DE GEOGRAFIA E ESTATÍSTICA - IBGE (2010). Pesquisa Nacional de Saneamento Básico- PNSB 2008. Disponível em http://www.ibge.gov.br. Acesso em 20/03/2015. VON SPERLING, M. (2005). Introdução à qualidade das águas e ao tratamento de esgotos. Princípios do Tratamento Biológico de Águas Residuárias. Belo Horizonte: Departamento de Engenharia Sanitária e Ambiental UFMG, Vol. 1, 452p. XXI Simpósio Brasileiro de Recursos Hídricos 8