SISTEMA COMPACTO DECANTO-DIGESTOR E FILTROS ANAERÓBIOS ASCENDENTE E DESCENDENTE

SISTEMA COMPACTO DECANTO-DIGESTOR E FILTROS ANAERÓBIOS ASCENDENTE E DESCENDENTE Patrícia Guimarães (1) Engenheira Química, Mestre em Engenharia Química, Bolsista do PROSAB - Programa de Pesquisas em Saneamento Básico. Cícero Onofre de Andrade Neto Engenheiro Civil, Mestre em Eng. Civil com concentração em Saneamento. Professor da Universidade Federal do Rio Grande do Norte. Membro do Grupo Coordenador do PROSAB - Programa de Pesquisas em Saneamento Básico (FINEP/CNPq/CEF). Henio Normando de Souza Melo Engenheiro Químico, Doutor em Engenharia Ambiental. Professor da Universidade Federal do Rio Grande do Norte. Coordenador do PROSAB-RN. Endereço (1) : Rua Águas Formosas, 5.034 - Neópolis - Natal - Rio Grande do Norte - CEP: 50084-030 - Brasil - Tel: (084) 217-0717 - Fax: (084) 215-3770 - e-mail: prosab-rn@digi.com.br RESUMO Este trabalho apresenta a avaliação do desempenho de um Sistema Compacto Decanto- Digestor seguido de Filtros Anaeróbios Ascendente e Descendente, implantado na Estação de Tratamento da UFRN. Esta pesquisa é parte do projeto desenvolvido por esta Universidade, como um dos integrantes da Rede de Pesquisa sobre Tratamento de Esgotos Sanitários por Processos Anaeróbios e por Disposição Controlada no Solo do Programa de Pesquisa em Saneamento Básico - PROSAB. O sistema é constituído de um tanque séptico prismático retangular com 2 câmaras em série separadas por uma parede janelada, um filtro de pedras de fluxo ascendente e 4 filtros de fluxo descendente que ladeiam o tanque séptico. O reator está em operação desde o dia 1 o de agosto de 1997, e é alimentado com vazão constante de 10 m 3 /dia, do esgoto, essencialmente doméstico, proveniente de uma derivação da rede coletora de esgotos do Campus Central da UFRN. Os parâmetros analisados foram: ph, temperatura, AGV, Alcalinidade, DQO, COT e Sólidos. Os resultados mostram uma eficiência média de 81% para DQO total, 67% para a DQO solúvel e 74% de remoção de COT, para temperatura de trabalho em torno de 29ºC. O conjunto tanque séptico seguido de filtro ascendente destaca-se como unidade fundamental na remoção de DQO total (71%) e sólidos suspensos (80%). O filtro de fluxo descendente atuou concretamente na remoção de DQO solúvel e conferiu ao sistema um efluente mais estável. Desta forma, o sistema cumpre seu papel com o decanto-digestor apresentando boa eficiência na remoção de DQO total e o filtro descendente na remoção de DQO solúvel. PALAVRAS-CHAVE: Tratamento de Esgotos, Decanto-Digestor, Filtros Anaeróbios. ABES - Associação Brasileira de Engenharia Sanitária e Ambiental 17

INTRODUÇÃO O decanto-digestor, usualmente conhecido por tanque séptico, é geralmente utilizado para tratamento de esgotos de residências, mas presta-se também para tratamento de maiores vazões, principalmente quando são construídos conjugados, com paredes comuns. Existem no Brasil tanques de grandes dimensões em funcionamento. O sucesso do decanto-digestor deve-se, certamente, à construção e operação muito simples. Não exige técnicas construtivas especiais nem equipamentos, e a operação, de alcance geral, não requer a presença constante de operador qualificado. É uma tecnologia simples, compacta e de baixo custo. Como outros processos anaeróbios não apresenta alta eficiência, principalmente na remoção de patogênicos, mas produz um efluente razoável, que pode mais facilmente ser encaminhado a um pós-tratamento ou ao destino final. Dentre os modelos de tanque séptico, os de câmara em série propiciam maior eficiência que os de câmara única, com as mesmas facilidades de construção e operação. Em relação aos de câmaras sobrepostas, além da maior simplicidade construtiva, apresentam a vantagem de propiciar menor profundidade. Os reatores de menor altura são vantajosos pelo fato do custo aumentar muito em função da profundidade. O efluente de um tanque séptico, contém ainda elevadas concentrações de sólidos, matéria orgânica solúvel e nutrientes inorgânicos. Dependendo do destino ou da capacidade de autodepuração do corpo receptor, pode ser necessário um pós-tratamento. Alguns dos processos utilizados para pós-tratamento do efluente de tanque séptico associam-se a este de tal forma que passam a constituir, em conjunto, um só sistema. Atualmente, é comum a associação de filtros biológicos anaeróbios, de leito de pedras, constituindo o popular sistema TS-FAN (tanque séptico-filtro anaeróbio). Os filtros anaeróbios consistem, inicialmente, de um leito espesso de material suporte, confinado em um tanque fechado. Podem ter fluxo ascendente ou descendente. Na superfície de cada peça do material de enchimento (suporte) ocorre a fixação e o desenvolvimento de microrganismos na forma de biofilme e, nos filtros afogados, principalmente nos de fluxo ascendente, também agrupam-se microrganismos na forma de flocos ou grânulos, nos interstícios do material de enchimento. No Brasil, apenas os filtros anaeróbios de fluxo ascendente têm sido significativamente aplicados e pesquisados, para tratamento de esgotos sanitários. Sobre os filtros de fluxo descendentes, praticamente não se tem realizado estudos e pesquisas. O modelo usual do sistema TS-FAN apresenta custo relativamente alto e alguns problemas operacionais, mas pode, e deve, ser facilmente aprimorado. Verifica-se que os custos relativamente altos e os problemas operacionais dos sistemas TS-FAN mais usualmente empregados devem-se a falhas de concepção e de projeto, à má execução e à operação negligente ou mesmo equivocada. Contudo, o sistema guarda grande potencialidade, em sua essência. ABES - Associação Brasileira de Engenharia Sanitária e Ambiental 18

Sistemas compostos por decanto-digestor seguido de filtros anaeróbios, podem propiciar arranjos muito vantajosos. Constituem a associação, em série, de um reator de lodo passivo sobre a fase líquida, menos sensível às variações do afluente e eficiente na remoção de sólidos sedimentáveis, com um reator de lodo ativo sobre a fase líquida, eficiente também sobre a parcela dissolvida dos esgotos. Com o tempo, entre duas operações de esgotamento, o TS tem eficiência decrescente, enquanto o FAN tem eficiência crescente, oferecendo, em qualquer tempo, desde a partida, bons resultados. Na concepção de novas alternativas tecnológicas para sistemas TS-FAN, além de uma maior preocupação com a facilidade de operação e com o custo de execução, alguns conhecimentos básicos funcionais atualizados devem ser melhor aproveitados. No Rio Grande do Norte, um sistema compacto inovador que associa tanque séptico e filtros anaeróbios de fluxo ascendente e descendente afogado, vem sendo estudado no âmbito do PROSAB - Programa de Pesquisas em Saneamento Básico (FINEP-CNPq). Este trabalho apresenta dados e conclusões de parte destas pesquisas obtidos em um sistema piloto. METODOLOGIA O sistema piloto estudado é constituído de tanque séptico e filtros anaeróbios de fluxo ascendente e descendentes, construído em alvenaria de tijolos revestida. O tanque séptico é do tipo prismático retangular de câmaras em série, com volume total de 8,82 m 3 e inclui, no último compartimento, acoplado ao decanto-digestor, um filtro de pedras (brita nº 4) de fluxo ascendente com 0,60 m de espessura da camada suporte e volume total de 0,84 m 3. Este tipo de sistema tem, normalmente, dois filtros ladeando o tanque séptico. Neste sistema experimental, optou-se por construir quatro filtros descendentes de igual volume (3,36m 3 ), com o propósito de realizar experimentos com várias vazões e diferentes tipos de enchimento. Nesta fase da pesquisa o sistema foi alimentado com vazão constante de 10m 3 /dia e foram utilizados os seguintes materiais suporte: brita comercial (38 mm), seixo rolado nº4 e brita granítica nº4 (50 a 75 mm). O outro filtro foi mantido sem enchimento para permitir comparações. A alimentação do sistema é mantida com vazão constante de 10 m 3 /dia de esgoto real, retirados de uma derivação do sistema de coleta de esgotos do Campus Central da UFRN, (essencialmente esgoto doméstico) estando em operação desde 1º de agosto de 1997. As coletas foram efetuadas três vezes por semana às 8:30h nos seguintes pontos: Afluente (E), 1 a Câmara do tanque séptico (C1), 2 a Câmara do tanque séptico (C2), saída do Filtro Ascendente (FA), Saídas dos Filtros descendentes - Efluente tratado (S1), (S2), (S3) e (S4). Os parâmetros analisados foram: ph, temperatura, Ácidos Graxos Voláteis (AGV), Alcalinidade, COT, DQO total, DQO solúvel, Sólidos totais, Sólidos Suspensos, Sólidos Dissolvidos e Sólidos Sedimentáveis. As determinações seguiram as metodologias ABES - Associação Brasileira de Engenharia Sanitária e Ambiental 19

descritas no Standard Methods for the Examination of Water and Wastewater (1995), com exceção da análise de AGV que seguiu o Método Di llalo (1961). Figura 1: Desenho Esquemático do Sistema. Tanque Séptico - Câmara 1 Tanque Séptico - Câmara 2 Filtro Anaeróbio Ascendente Filtro Anaeróbio Descendente sem enchimento Filtro Anaeróbio Descendente - Brita Comercial Filtro Anaeróbio Descendente - Seixo Rolado nº4 Filtro Anaeróbio descendente - Brita nº 4,11- tanque de efluente tratado dos filtros RESULTADOS E DISCUSSÃO Neste trabalho, apresentam-se os resultados obtidos nos 5 primeiros meses de operação, em duas fases distintas: a primeira fase de 1º de agosto a 12 de setembro e a segunda de 13 de setembro a 22 de dezembro de 1997. Na primeira fase (43 dias), observaram-se grandes oscilações nos resultados dos diversos parâmetros decorrentes de ajustes nos procedimentos de coleta de amostras e de técnicas de análises laboratoriais e também porque este foi o período de adaptação dos reatores. A segunda fase (101 dias), a mais longa, é a mais representativa para a análise e avaliação do sistema em condições normais de operação. Assim sendo o enfoque mais aprofundado refere-se a segunda fase, embora sejam apresentados resultados que permitem analisar o comportamento do sistema em todo o período pesquisado. Os filtros descendentes com enchimento, apresentaram resultados semelhantes. Em decorrência deste fato, e com intuito de simplificar a discussão de resultados, são apresentados, neste trabalho, apenas os dados do filtro descendente com enchimento de brita nº 4 (S4), por ser o tipo de material suporte mais utilizado em outras pesquisas e em aplicações práticas. ABES - Associação Brasileira de Engenharia Sanitária e Ambiental 20

A figura 2 apresenta as concentrações de DQO total no afluente e no efluente do sistema. Observa-se que o afluente apresenta baixa concentração orgânica. Este fato, no entanto, não impede a atividade metabólica dos microrganismos. Percebe-se, também, a potencialidade deste sistema em absorver as variações de matéria orgânica, uma vez que o efluente gerado mostrou-se muito estável desde o início do seu funcionamento. Figura 2: Concentração de DQO total no Afluente (E) e Efluente (S4). 700 600 Ent.T S4 T 500 400 300 200 100 0 06/Ago 15/Ago 25/Ago 08/Set DQO (m g/l) 15/Set 01/Out 10/Out 17/Out 24/Out 31/Out 07/Nov 17/Nov 28/Nov 10/Dez 22/Dez Data As tabelas 1 e 2 apresentam as eficiências médias de remoção em cada fase da pesquisa. Os resultados ilustram a boa qualidade do efluente tratado: 68 mg/l de DQO total e 44mg/l de DQO solúvel. As concentrações médias nos outros dois filtros descendentes foram de 62 mg/l e 45 mg/l, respectivamente para DQO total e solúvel. Analisando apenas o conjunto tanque séptico seguido de filtro anaeróbio ascendente, verifica-se uma eficiência de 71% em relação a DQO total, o que constitui um excelente resultado para este tipo de arranjo. Já no tanque séptico, 63% da DQO total e 47% da DQO solúvel são removidas. Este desempenho do tanque séptico revela, a ação biológica tanto nos sólidos sedimentados quanto na parcela solúvel do afluente. A maior parcela de remoção de DQO solúvel é propiciada pela 1 a câmara (C1) enquanto que a 2 a câmara (C2) foi a maior responsável pela remoção de DQO total, uma vez que esta possui tranqüilidade hidráulica suficiente para melhor sedimentação de sólidos (tabela 1). Conclui-se portanto que a 1 a câmara é o principal reator biológico do tanque séptico. Além dos aspectos mencionados, nota-se remoção de DQO total e solúvel no pequeno filtro ascendente (FA) o que também demonstra uma ação biológica, apesar do baixo tempo de detenção nesta unidade. ABES - Associação Brasileira de Engenharia Sanitária e Ambiental 21

Tabela 1: Eficiências Médias de Remoção de DQO a cada etapa da pesquisa. Fase Em relação a DQO Total Em relação a DQO Solúvel C1 C2 FA S4 C1 C2 FA S4 1 a Fase 61% 70% 63% 67% 59% 63% 46% 47% 2 a Fase 28% 63% 71% 81% 40% 47% 52% 67% Tabela 2: Valores Médios de DQO em cada etapa da pesquisa. Fase DQO Total (mg/l) DQO Solúvel (mg/l) E C1 C2 FA S4 E C1 C2 FA S4 1 a Fase 312 121 95 117 103 121 50 42 65 64 2 a Fase 363 261 135 107 68 135 81 72 65 44 Não foi possível analisar a formação de biofilme no enchimento do filtro descendente (brita n o 4); porém, na 2 a fase, ao contrário do que se observa na 1 a, ocorreu queda na DQO solúvel de 65 mg/l no filtro ascendente para 44 mg/l na saída do filtro descendente. Estes resultados indicam o crescimento de biomassa ativa, certamente aderida ao suporte, como é mais freqüente em filtros de fluxo descendentes, já no segundo mês após a partida dos reatores. A figura 3 mostra os resultados de Carbono Orgânico Total (COT). Estes valores confirmam a existência de bioconversão no filtro descendente, uma vez que a eficiência de remoção de COT no período estudado aumenta de 56% no filtro ascendente para 74% de remoção na saída do filtro descendente. As pequenas amplitudes de variação no efluente tratado demonstram que o filtro descendente confere maior estabilidade ao sistema, que desde o tanque séptico já apresenta menores variações. Figura 3: Concentração de COT no Afluente (E), Filtro Ascendente (FA) e no Efluente 80 70 60 E FA S4 COT (mg/l) 50 40 30 20 10 0 20/Out 03/Nov 07/Nov 12/Nov 24/Nov 28/Nov 03/Dez 10/Dez 17/Dez Data (S4). ABES - Associação Brasileira de Engenharia Sanitária e Ambiental 22

As tabelas 3 e 4 e na figura 4 apresentam-se os resultados referentes aos sólidos. Observe a baixa concentração de sólidos suspensos no efluente (13 mg/l). O melhor desempenho do sistema relaciona-se com a remoção de sólidos voláteis. Em valores médios, obteve-se 72% para os sólidos totais voláteis e 91% para os sólidos suspensos voláteis. No entanto, apenas 47% de sólidos dissolvidos voláteis são removidos pois o biofilme formado sobre os suportes ainda não estava plenamente desenvolvido (Figura 5). O conjunto tanque séptico-filtro anaeróbio de fluxo ascendente merece destaque no que se refere a eficiência de remoção de sólidos suspensos. A eficiência após o filtro ascendente atinge 80%, com concentração média de sólidos suspensos neste ponto de 28 mg/l (tabelas 3 e 4). Com relação aos sólidos sedimentáveis, o tanque séptico apresenta uma excelente performance, pois na 2 a câmara a remoção é de 96%. O filtro ascendente é suficiente para remover totalmente os sólidos sedimentáveis. Tabela 3: Concentrações Médias de Sólidos Totais, Suspensos e Dissolvidos (mg/l) na 2 a Fase. TOTAIS SUSPENSOS DISSOLVIDOS ST STV STF SS SSV SSF SD SDV SDF E 428 239 189 143 134 9 279 101 178 C1 336 171 167 95 87 8 239 84 157 C2 267 111 156 41 37 4 225 74 152 FA 241 92 149 28 25 3 207 62 144 S4 233 67 166 13 12 1 218 54 164 Tabela 4: Eficiências Médias de Remoção de Sólidos Totais, Suspensos e Dissolvidos (mg/l) na 2 a Fase TOTAIS SUSPENSOS DISSOLVIDOS ST STV STF SS SSV SSF SD SDV SDF C1 21% 28% 12% 34% 35% 11% 14% 17% 12% C2 38% 53% 18% 71% 72% 56% 19% 27% 15% FA 44% 62% 21% 80% 81% 67% 26% 39% 19% S4 46% 72% 12% 91% 91% 89% 22% 47% 8% Figura 4: Eficiência de remoção de Sólidos totais, suspensos e dissolvidos no sistema. 100% 90% 80% 70% Totais Voláteis Fixos 60% 50% 40% 30% 20% 10% 0% ST SS SD ABES - Associação Brasileira de Engenharia Sanitária e Ambiental 23

As temperaturas no afluente e no interior do reator mantiveram-se na faixa favorável ao crescimento microbiano (tabela 5). A temperatura do ar apresentou valor médio de 29,1ºC, com variações entre 25,8 e 31,8ºC. Tabela 5: Valores médios e faixa de variação da temperatura no sistema. TEMPERATURA (ºC) AR E C1 C2 FA S4 Valor 29,1 29,5 29,2 29,5 29,3 28,3 Faixa 25,8-31,8 28,5-30,5 27,5-31,0 27,5-31,5 27,5-31,0 26,5-30,0 O comportamento do ph no sistema é apresentado na figura 5. O ph médio do afluente foi de 7,2 apresentando amplitude de variação de 1,4. Uma sensível queda foi observada na saída do filtro ascendente, porém os valores apresentaram menor amplitude de variação, o que implica em maior estabilidade dos mesmo. O ph volta a subir na saída dos filtros descendentes, apresentando um valor médio de 7, Figura 5: Valores de ph no Afluente (E), Filtro Ascendente (FA) e Efluente (S4). 8 7,8 7,6 7,4 E FA S4 7,2 ph 7 6,8 6,6 6,4 6,2 6 6-Ago 20-Ago 3-Set 17-Set 1-Out 15-Out 29-Out 12-Nov 26-Nov 10-Dez A redução de ácidos graxos voláteis durante as etapas do sistema, nos leva a crer que as populações de bactérias acidogênicas e metanogênicas interagem em equilíbrio neste sistema. A tabela 6 nos mostra que o sistema tanque séptico seguido de filtro ascendente apresentou maior capacidade em remover os ácidos voláteis. A redução observada nesta fase é de 31%, enquanto nos filtros descendentes a concentração média permanece praticamente a mesma. Tabela 6: Valores médios de Ácidos Graxos Voláteis. ÁCIDOS GRAXOS VOLÁTEIS (mg/l) E C1 C2 FA S4 2 a Fase 47 39 37 32 31 ABES - Associação Brasileira de Engenharia Sanitária e Ambiental 24

A alcalinidade total apresenta um crescimento gradativo ao longo do sistema. De acordo com a figura 6, este aumento está diretamente relacionado com o aumento de alcalinidade de bicarbonato, que constitui a alcalinidade útil para controlar a operação do reator, impedindo quedas bruscas no ph. A relação de alcalinidade (alcalinidade total/alcalinidade de bicarbonato) manteve valor médio acima de 0,7, constituindo um indicativo de que o sistema admite receber incremento de carga orgânica. Figura 7: Comportamento da Alcalinidade de bicarbonato no sistema. 180 160 140 E FA S4 120 100 80 60 40 20 0 11-Ago 18-Ago 25-Ago 1-Set 8-Set 15-Set Alc. Bic. (m g/l) 22-Set 29-Set 6-Out 13-Out 20-Out 27-Out 3-Nov 10-Nov 17-Nov 24-Nov 1-Dez 8-Dez 15-Dez 22-Dez Data Tabela 8: Concentrações Médias de Alcalinidade Total e de Bicarbonato no Sistema. Fase Alcalinidade Total (mg/l) Alcalinidade Bicarbonato (mg/l) E C1 C2 FA S4 E C1 C2 FA S4 1 a Fase 100 80 84 87 106 66 56 58 58 72 2 a Fase 136 130 132 137 154 91 90 92 99 116 A análise comparativa destes parâmetros (ph, AGV, alcalinidade e relação de alcalinidade) nos permite concluir que o sistema operou em condições estáveis, apresentando boa capacidade de tamponamento, pois em nenhum momento verificou-se risco de azedamento. CONCLUSÕES O Sistema inovador desempenhou suas várias funções: o tanque séptico com o filtro ascendente acoplado removendo eficientemente sólidos e DQO total e os filtros descendentes afogados complementando o tratamento, sobretudo na remoção da matéria orgânica dissolvida. ABES - Associação Brasileira de Engenharia Sanitária e Ambiental 25

A análise comparativa de ph, AGV, alcalinidade e relação de alcalinidade, nos permite concluir que o sistema operou em condições estáveis, apresentando boa capacidade de tamponamento, pois em nenhum momento verificou-se risco de azedamento, e que admite receber incremento de carga orgânica. O conjunto Tanque Séptico e Filtro Ascendente é o principal responsável pelas remoções de DQO total e sólidos suspensos. A 1 a Câmara destacou-se como principal reator biológico, demonstrando as distintas funções das câmaras de um decanto-digestor de câmaras em série, e o Filtro Ascendente contribuiu na remoção de DQO e, sobretudo, na remoção de sólidos suspensos e sedimentáveis. Os Filtros Descendentes, apesar da baixa carga orgânica do afluente, revelaram a formação de biofilme já no 2º mês após a partida, proporcionando menor concentração orgânica no efluente tratado, em tempo inferior ao normalmente registrado na bibliografia. O efluente tratado manteve pequenas amplitudes de variação dos parâmetros estudados, independentemente das reais flutuações do afluente. Este fato foi decorrente da estabilidade proporcionada gradativamente em cada unidade do sistema. Isto demonstra a importância dos filtros descendentes não apenas pelo tratamento complementar (polimento), mas também porque contribuem para propiciar uma qualidade mais uniforme ao efluente final. Integrantes da Equipe PROSAB/UFRN Professores: Henio Normando de Souza Melo (Coordenador); Cícero Onofre de Andrade Neto; Manoel Lucas Filho; Dinarte Aeda da Silva; Josette Lourdes de Sousa Melo; Nadja Maria Nobre de Farias. Bolsistas: (DCR): Maria Gorete Pereira, Patrícia Guimarães; (AT-NM): Ana Cristina da Costa Januário, Wíldima Ferreira de Mendonça; (AT-NS): Emília Margareth de Melo Silva (Out/96- Dez/97); (AP): Ana Cláudia Gondim Filgueira, Ana Lúcia Silva de Sousa Dantas, Sandra Cristina de Santana; Hélio Rodrigues dos Santos (Out/96- Fev/98); George Guilherme Santiago da Costa (Jan/98); (IC): Diana Sampaio da Costa (Out/96-Dez/97); Kátia Bakker Batista (Out/96- Ago/97); Magna Angélica dos Santos Bezerra (Set/97). REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS 1. ANDRADE NETO, C. O. (1997). Sistemas Simples para Tratamento de Esgotos Sanitários - Experiência Brasileira. Rio de Janeiro, ABES, 301 pp. 2. APHA (1995). Standard Methods for Examination Water and Wastewater, 19 a ed. 3. CHERNICHARO, C. A. L. (1997). Reatores Anaeróbios. Belo Horizonte: DESA/UFMG, 246 pp. 4. DI LLALO, R. & ALBERTISON, O. E. (1961). Volatile Acids by direct filtration. Journal Water Control Federation, 33(4), 356-365 p 5. VAN HAANDEL, A. & LETTINGA, G. (1994). Tratamento Anaeróbio de Esgotos - Um Manual para Regiões de Climas Quentes, Produção independente, Campina Grande, 240 pp. 6. NOYOLA, A. R. (1997). Tratamento Anaeróbio de Águas Residuárias. Curso Internacional de Extensão, UFRN Natal/RN Brasil, 131p. ABES - Associação Brasileira de Engenharia Sanitária e Ambiental 26