II-25 SISTEMA COMPACTO DE TRATAMENTO DE ESGOTOS DOMICILIARES COMPOSTO DE TANQUE SÉPTICO MODIFICADO E REATORES ANAERÓBIOS HÍBRIDOS OPERANDO EM SÉRIE Vanessa Pereira de Sousa (1) Engenheira Civil e Sanitarista. Mestre em Saneamento, Meio Ambiente e Recursos Hídricos pela UFMG. Carlos Augusto de Lemos Chernicharo Engenheiro Civil e Sanitarista. Doutor em Engenharia Ambiental pela Universidade de Newcastle upon Tyne UK, Professor Adjunto do Departamento de Engenharia Sanitária e Ambiental da UFMG. Endereço (1) : Rua Bom Despacho, nº-12 - Bairro Santa Tereza- Cidade Belo Horizonte- Estado Minas Gerais- CEP: 311-39 - País Brasil- Tel: +55 (31) 3482-618- e-mail: sousavanessa@yahoo.com.br. RESUMO O objetivo específico desta pesquisa foi o de desenvolver, em escala de demonstração, uma nova configuração para o sistema compacto para tratamento de esgotos domiciliares (SISCOTE), conforme tratado inicialmente por Sousa & Chernicharo (23). No presente trabalho, apresentam-se os avanços conseguidos em relação à otimização dos protótipos desenvolvidos anteriormente. A unidade de tratamento era constituída de um tanque cilíndrico em fibra de vidro, onde metade do volume é destinada a um tanque séptico modificado e a outra metade dividida entre dois reatores anaeróbios híbridos operando em série. Foram construídas duas unidades experimentais, em escala de demonstração. As configurações possuíam o mesmo volume, mas as alturas e áreas eram diferentes, o que possibilitou a imposição de diferentes taxas de aplicação superficial. O sistema de alimentação foi automatizado, de forma a possibilitar a variação das vazões de bombeamento, de acordo com um hidrograma que simulava vazões de peças sanitárias, ocorrendo vazões mínimas, médias e máximas (Q mín =,25 L/s, Q méd =,5 L/s e Q máx = 1, L/s), de modo a aproximar da realidade de um sistema de tratamento domiciliar. As duas unidades apresentaram elevadas eficiências de remoção e baixas concentrações de DBO, DQO e SST no efluente final, mesmo quando submetidas a picos de carga hidráulica. As eficiências alcançadas foram suficientes para garantir um efluente com concentrações médias, para as três vazões testadas, variando entre 123 e 23 mgdqo/l, 48 e 51 mgdbo/l e 28 e 11mgSST/L. PALAVRAS-CHAVE: Filtro anaeróbio, reator anaeróbio híbrido, tanque séptico, tratamento unifamiliar de esgotos. INTRODUÇÃO Diante do enorme déficit sanitário, aliado ao quadro epidemiológico e ao perfil sócio-econômico das comunidades brasileiras, constata-se a necessidade por sistemas simplificados de coleta e tratamento dos esgotos, que conjuguem baixos custos de implantação e operação, simplicidade operacional e sustentabilidade do sistema como um todo. Nas áreas rurais, onde predominam populações dispersas e comunidades de pequeno porte, tem sido prática comum o emprego de sistemas individuais de tratamento de esgotos, usualmente com a aplicação de tanques sépticos, seguidos ou não de alguma unidade de pós-tratamento e/ou de disposição final. No entanto, têm sido freqüentes os relatos de problemas de funcionamento destes sistemas, redundando, na maioria das vezes, em baixas eficiências de remoção de matéria orgânica. O filtro anaeróbio é muito utilizado, no Brasil, como pós-tratamento de tanques sépticos em sistemas descentralizados. Esta associação em série de um reator eficiente na remoção de sólidos sedimentáveis (tanque séptico), com um reator eficiente também sobre a parcela dissolvida da matéria orgânica (filtro anaeróbio), pode trazer bons resultados. Dentre os reatores com fluxo através do lodo ativo, os de biomassa aderida a um leito fixo são, logicamente, menos susceptíveis à perda de sólidos biológicos e, além disso, são mais estáveis e menos dependentes das variações do efluente (Andrade Neto et al., 1999), características muito importantes para os sistemas individuais de tratamento de esgoto. Nos últimos anos, esforços têm sido feitos no sentido de desenvolver novos sistemas para o tratamento descentralizado de esgotos. Estes novos sistemas usualmente incorporam os princípios dos reatores anaeróbios de alta taxa, notadamente dos reatores UASB e dos reatores híbridos (Tilche & Vieira,1991). ABES - Associação Brasileira de Engenharia Sanitária e Ambiental 1
O objetivo específico desta pesquisa foi o de desenvolver, em escala de demonstração, uma nova configuração para o sistema compacto para tratamento de esgotos domiciliares (SISCOTE), conforme tratado inicialmente por Sousa & Chernicharo (23). No presente trabalho, apresentam-se os avanços conseguidos em relação à otimização dos protótipos desenvolvidos anteriormente. MATERIAL E MÉTODOS Aparato Experimental Os experimentos com o sistema compacto para tratamento de esgotos domiciliares SISCOTE foram desenvolvidos na ETE Experimental Arrudas, existente junto à Estação de Tratamento de Esgotos Arrudas, em Belo Horizonte. A Figura 1 mostra o fluxograma do sistema. Figura 1 Fluxograma do aparato experimental A unidade de tratamento era constituída de um tanque cilíndrico em fibra de vidro, onde metade do volume destinava-se a um tanque séptico modificado e a outra metade dividida entre dois reatores anaeróbios híbridos, em série. Foram construídas duas unidades experimentais, em escala de demonstração, de acordo com os dados da Tabela 1. As configurações possuíam o mesmo volume, mas as alturas e áreas eram diferentes, o que possibilitou a imposição de diferentes taxas de aplicação superficial. Numa primeira fase da pesquisa, Souza & Chernicharo (23) trabalharam com duas unidades experimentais, denominadas protótipos 1 e 2, com as mesmas dimensões das atuais, todavia incorporando um filtro biológico percolador como última unidade do sistema compacto. Na atual fase da pesquisa, os protótipos originais foram modificados, com a substituição do filtro biológico percolador por uma segunda unidade anaeróbia híbrida, passando a ser denominados de protótipos 3 e 4, conforme Tabela 1 e Figura 2. Tabela 1 Dados básicos das unidades experimentais Configuração D (m) H (m) V total Câmara 1 Câmara 2 Câmara 3 (m³) A (m²) V(m³) A (m²) V (m³) A (m²) V (m³) 3 1,5 2, 1,73,433,86,216,43,216,43 4 1,21 1,5 1,73,575,86,287,43,287,43 D = diâmetro, H = altura, V = volume, A = área O esgoto bruto afluía ao sistema pela parte inferior da câmara 1 (tanque séptico modificado). O líquido era encaminhado para um decantador lamelar, localizado na parte superior da câmara 1. O esgoto parcialmente tratado era encaminhado para a parte inferior da câmara 2, constituída por um reator anaeróbio híbrido (reator UASB + filtro anaeróbio). A saída se dava por uma tubulação lateral em Y. O efluente passava, então, por um segundo reator híbrido na câmara 3, com as mesmas configurações do anterior (Figura 2). ABES - Associação Brasileira de Engenharia Sanitária e Ambiental 2
Figura 2 Configuração esquemática das unidades experimentais (SISCOTE) Condições operacionais do SISCOTE Os modelos experimentais pesquisados foram operados em regime intermitente. O sistema de alimentação era automatizado, de forma a possibilitar a variação das vazões de bombeamento, de acordo com um hidrograma que simulava vazões de peças sanitárias, ocorrendo vazões mínimas, médias e máximas (Qmín=,25 L/s, Qméd=,5 L/s e Qmáx= 1, L/s), de modo a aproximar da realidade de um sistema de tratamento domiciliar. Monitoramento das unidades experimentais As unidades foram monitoradas com a avaliação dos seguintes parâmetros físico-químicos: temperatura, ph, sólidos sedimentáveis, DQO, DBO, sólidos suspensos e sólidos totais. Todas as análises foram realizadas de acordo com os procedimentos descritos no Standard Methods for the Examination of Water and Wastewater, 2ª. ed. (AWWA/APHA/WEF,1998). Para o monitoramento das unidades, procedia-se a coleta semanal de amostras pontuais de esgoto bruto, efluente do tanque séptico e efluente dos reatores híbridos, para as duas unidades, nas vazões mínima, média e máxima. RESULTADOS Embora os dois sistemas tenham sido monitorados para as vazões mínima, média e máxima, apresentam-se, neste trabalho, apenas os resultados obtidos para a vazão média. Os resultados para as outras condições operacionais é apresentado em SOUZA (24). Ao longo do período operacional das unidades foram monitorados os parâmetros de ph e temperatura com o intuito de avaliar o comportamento operacional das mesmas. Os resultados mostraram uma variação muito pequena, sendo os valores médios de 6,8 para ph e 24º de temperatura. Estes resultados refletem as condições operacionais das unidades experimentais e mostram uma grande estabilidade destes sistemas São mostrados, nas Figuras 3 a 5, as séries temporais e Box-Plot dos resultados relativos a DBO, DQO e SST para esgoto bruto (EB), efluente do tanque séptico modificado (TSM), reator híbrido A (RHA) e reator híbrido B (RHB), referentes às duas unidades experimentais (protótipos 3 e 4). ABES - Associação Brasileira de Engenharia Sanitária e Ambiental 3
DBO (mg/l) 8 72 64 56 48 4 32 24 16 8 1 2 3 4 5 6 7 8 9 1 11 12 2 por. Méd. Móv. (TSM 3) 2 por. Méd. Móv. (RH 3A) 2 por. Méd. Móv. (RH 3B) DBO (mg/l) 8 72 64 56 48 4 32 24 16 8 2 por. Méd. Móv. (TSM 4) 2 por. Méd. Móv. (RH 4A) 2 por. Méd. Móv. (RH 4B) 1 2 3 4 5 6 7 8 9 1 11 12 Figura 3 - Variação da concentração de DBO, para os protótipos 3 e 4, ao longo do período operacional para Qméd (média móvel de 2 pontos DQO (mg/l) 24 22 2 18 16 14 12 1 8 6 4 2 1 2 3 4 5 6 7 8 9 1 11 12 2 por. Méd. Móv. (TSM 3) 2 por. Méd. Móv. (RH 3A) 2 por. Méd. Móv. (RH 3B) Figura 4 - Variação da concentração de DQO, para os protótipos 3 e 4, ao longo do período operacional para Q (média móvel de 2 pontos) méd DQO (mg/l) 24 22 2 18 16 14 12 1 8 6 4 2 2 por. Méd. Móv. (TSM 4) 2 por. Méd. Móv. (RH 4A) 2 por. Méd. Móv. (RH 4B) 1 2 3 4 5 6 7 8 9 1 11 12 SST (mg/l) 16 14 12 1 8 6 4 2 1 2 3 4 5 6 7 8 9 1 11 12 2 por. Méd. Móv. (TSM 3) 2 por. Méd. Móv. (RH 3A) 2 por. Méd. Móv. (RH 3B) Figura 5 - Variação da concentração de SST, para os protótipos 3 e 4, ao longo do período operacional para Q (média móvel de 2 pontos) méd SST (mg/l) 16 14 12 1 8 6 4 2 2 por. Méd. Móv. (TSM 4) 2 por. Méd. Móv. (RH 4A) 2 por. Méd. Móv. (RH 4B) 1 2 3 4 5 6 7 8 9 1 11 12 Os gráficos de séries temporais apresentados para as unidades 3 e 4 mostram uma grande variação na concentração de esgoto bruto e do efluente dos tanques sépticos modificados. Para os efluentes dos reatores híbridos pode-se notar uma estabilidade ao longo do período operacional. São mostrados, nas Figuras 6 a 8, os gráficos de Box-Plot dos resultados relativos a DBO, DQO e SST para esgoto bruto (EB), efluente do tanque séptico modificado (TSM), reator híbrido A (RHA) e reator híbrido B (RHB), referentes às duas unidades experimentais. ABES - Associação Brasileira de Engenharia Sanitária e Ambiental 4
DBO (mg/l) 65 6 55 5 45 4 35 3 25 2 15 1 5 EB TSM3 RH3A RH3B DBO (mg/l) 11 1 9 8 7 6 5 4 3 2 1 EB TSM4 RH4A RH4B Legenda: EB: Esgoto Bruto, TSM: Tanque Séptico Modificado, RH: Reator Híbrido Figura 6- Box Plot dos resultados de DBO para os protótipos 3 e 4, ao longo do período operacional para Q méd. DQO (mg/l) 28 26 24 22 2 18 16 14 12 1 8 6 4 2 EB TSM3 RH3A RH3B DQO (mg/l) 3 28 26 24 22 2 18 16 14 12 1 8 6 4 2 EB TSM4 RH4A RH4B Legenda: EB: Esgoto Bruto, TSM: Tanque Séptico Modificado, RH: Reator Híbrido Figura 7 - Box Plot dos resultados de DQO para os protótipos 3 e 4, ao longo do período operacional para Q méd. SST (mg/l) 22 2 18 16 14 12 1 8 6 4 2 EB TSM3 RH3A RH3B SST (mg/l) 3 28 26 24 22 2 18 16 14 12 1 8 6 4 2 EB TSM4 RH4A RH4B Legenda: EB: Esgoto Bruto, TSM: Tanque Séptico Modificado, RH: Reator Híbrido Figura 8 - Box Plot dos resultados de SST para os protótipos 3 e 4, ao longo do período operacional para Q méd. Quando os protótipos 3 e 4 operaram com a vazão média, não foram observadas diferenças significativas de eficiência entre os dois protótipos, tendo sido obtidas excelentes remoções médias de DQO e DBO da ordem de 9%, e de SST ligeiramente acima de 95%. As eficiências alcançadas foram suficientes para garantir um efluente com concentrações médias para os protótipos 3 e 4, nas três vazões, variando entre 123 e 23 mgdqo/l, 48 e 51 mgdbo/l e 28 e 11mgSST/L. ABES - Associação Brasileira de Engenharia Sanitária e Ambiental 5
Apresentam-se nas Tabelas 2 a 4, para a vazão média, os dados estatísticos e eficiências médias de remoção de DQO, DBO e SST para esgoto bruto (EB), efluente do tanque séptico modificado (TSM), reator híbrido A (RHA) e reator híbrido B (RHB), referentes às duas unidades experimentais. Analisando os gráficos e as Tabelas, nota-se a ocorrência de grandes concentrações de DQO, DBO e SST para o esgoto bruto. As eficiências dos protótipos 3 e 4 foram muito elevadas, garantindo um efluente final com características para atendimento aos padrões de lançamento. O efluente manteve moderadas variações nos parâmetros estudados, independentemente das flutuações do afluente. Este fato foi decorrente de uma estabilidade proporcionada pelo sistema. Os reatores híbridos tiveram um excelente desempenho, conferindo esta estabilidade para o sistema. Fase 1 Dados estatísticos Tabela 2 - Estatísticas básicas dos resultados de DQO para Q méd Resultados DQO (mg/l) EB TSM RHa RHb TSM RHa RHb nº de dados 13 13 13 13 13 13 13 média 1293 665 298 129 1624 337 13 mediana 1164 49 27 124 1556 268 133 máximo 25 1325 544 21 284 91 187 mínimo 753 367 194 83 798 25 86 des. padrão 463 319 1 32 55 19 31 Fase 1 Dados estatísticos Tabela 3- Estatísticas básicas dos resultados de SST para Q méd Resultados SST (mg/l) EB TSM RHa RHb TSM RHa RHb nº de dados 13 13 13 13 13 13 13 média 833 356 127 26 1171 159 32 mediana 764 269 11 23 148 114 32 máximo 1989 88 27 53 282 624 46 mínimo 315 51 33 11 359 63 19 des. padrão 394 233 7 11 579 147 8 Fase 1 Dados estatísticos Tabela 4 - Estatísticas básicas dos resultados de DBO para Q méd Resultados DBO (mg/l) EB TSM RHa RHb TSM RHa RHb nº de dados 13 13 13 13 13 13 13 média 446 231 17 48 517 119 51 mediana 488 21 111 46 495 19 52 máximo 594 43 156 91 911 37 78 mínimo 22 123 49 29 229 47 3 des. padrão 18 78 31 15 179 66 12 A Figura 9 apresenta a relação das concentrações de DQO filtrada /DQO total para o esgoto bruto e para o efluente dos tanques sépticos dos protótipos 3 e 4, para as vazões mínima, média e máxima. ABES - Associação Brasileira de Engenharia Sanitária e Ambiental 6
DQO Filtrada / DQO total (mg/l),35,3,25,2,15,1,5, E. Bruto TSM Qmín Qméd Qmáx DQO Filtrada / DQO total (mg/l),35,3,25,2,15,1,5, E. Bruto TSM Qmín Qméd Qmáx Figura 9 - Relação DQO filtrada /DQO total para o esgoto bruto e tanque séptico dos protótipos 3 e 4 Os resultados mostram um aumento da relação DQO filtrada /DQO total no efluente dos tanques sépticos, indicando a ocorrência de hidrólise. Observa-se uma maior hidrólise no tanque séptico do protótipo 3, em relação ao protótipo 4. Nota-se, através dos gráficos (Figura 9), que a relação DQO filtrada/dqo total do efluente do tanque séptico decresceu entre as vazões mínima, média e máxima. Este fato pode ser devido a uma perda de sólidos quando se aumentou a vazão. A Figura 1 apresenta o gráfico de barras com a relação das concentrações de DQO filtrada/dqo total para o efluente final dos protótipos 3 e 4, nas três vazões. DQO Filtrada / DQO total(mg/l),7,6,5,4,3,2,1, Qmín Qméd Qmáx Figura 1 - Relação DQO filtrada /DQO total para o efluente final Observa-se, através do gráfico (Figura 1), que a relação DQO filtrada /DQO total decresceu entre as vazões mínima, média e máxima, particularmente para o protótipo 3. Este fato pode ser devido a uma perda de sólidos quando se aumentou a vazão, tendo no efluente final mais DQO particulada que DQO dissolvida. CONCLUSÕES Os resultados obtidos demonstram excelente desempenho deste sistema para o tratamento de esgotos domiciliares de populações dispersas. Este sistema, com volume equivalente ao de um tanque séptico dimensionado de acordo com a NBR 7229:1993 foi capaz de produzir efluentes com características semelhantes ao de um tanque séptico + filtro anaeróbio, cujo volume é aproximadamente o dobro do SISCOTE. As eficiências alcançadas foram suficientes para garantir um efluente com concentrações médias para os protótipos 3 e 4, nas três vazões, variando entre 123 e 23 mgdqo/l, 48 e 51 mgdbo/l e 28 e 11mgSST/L. ABES - Associação Brasileira de Engenharia Sanitária e Ambiental 7
Os resultados mostram um aumento da relação DQOfiltrada/DQOtotal no efluente dos tanques sépticos, indicando a ocorrência de hidrólise. Observa-se uma maior hidrólise no tanque séptico do protótipo 3, em relação ao protótipo 4. Observou-se que a relação DQOfiltrada/DQOtotal do tanque séptico decresceu entre as vazões mínima, média e máxima. Este fato pode ser devido a uma perda de sólidos quando se aumentou a vazão. Para os dois protótipos, o aumento das vazões aplicadas (Qmín, Qméd e Qmáx) parece ter um efeito prejudicial à eficiência dos protótipos, possivelmente devido às elevadas velocidades ascensionais instituídas no interior dos mesmos, devido ao aumento da vazão. As configurações testadas (protótipos 3 e 4), conjugando tanques sépticos e dois reatores anaeróbios híbridos operando em série, apresentaram uma maior estabilidade operacional que as configurações conjugando tanques sépticos seguidos de reator anaeróbio híbrido e filtro biológico percolador (Sousa & Chernicharo, 23). Credita-se o melhor desempenho dos protótipos 3 e 4 aos reatores anaeróbios híbridos operando em série. AGRADECIMENTOS Os autores agradecem à FNS (Fundação Nacional de Saúde) pelo financiamento da pesquisa, e à COPASA (Companhia de Saneamento de Minas Gerais) pelo apoio na realização dos trabalhos. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS 1. ABNT - ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DE NORMAS TÉCNICAS. NBR 7229 - Construção e Instalação de Fossas Sépticas e Disposição dos Efluentes Finais.1993.15p. 2. ANDRADE NETO, C.O., CAMPOS, J.R. Introdução. In: CAMPOS, J.R (coordenador) Tratamento de esgotos sanitários por processo anaeróbio e disposição controlada no solo. 1.ed. Rio de Janeiro: FINEP/PROSAB, 1999. 3. AWWA/APHA/WEF. Standard methods for the examination of water and wastewater. 2 ed. Washington, D.C., 1998. 4. SOUSA, V.P., CHERNICHARO, C.A.L. Concepção inovadora de um sistema compacto de tratamento de esgotos domiciliares - SISCOTE. In: CONGRESSO BRASILEIRO DE ENGENHARIA SANITÁRIA E AMBIENTAL, 22, 23, Joinville. Anais... Joinviller: ABES, 23. 5. SOUSA, V.P. Concepção Inovadora e Avaliação de Desempenho de um Sistema Compacto de Tratamento de Esgotos Domiciliares. 195p. (Dissertação, Mestrado. em Saneamento, Meio Ambiente e Recursos Hídricos) Escola de Engenharia, Universidade Federal de Minas Gerais, Belo Horizonte, 24. 6. TILCHE, A., VIEIRA, S.M.M. (1991). Discussion report on reactor design of anaerobic filter and sludge bed reactors. Water Science and Technology 24(8), 193-26. ABES - Associação Brasileira de Engenharia Sanitária e Ambiental 8