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UNIVERSIDADE DO EXTREMO SUL CATARINENSE - UNESC
CURSO DE ENGENHARIA CIVIL
HENRIQUE SEMPREBOM MELLER
AVALIAÇÃO DE UM FILTRO BIOLÓGICO PERCOLADO COM MEIO
DE SUPORTE PLÁSTICO CORRUGADO
CRICIÚMA, JULHO DE 2009
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HENRIQUE SEMPREBOM MELLER
AVALIAÇÃO DE UM FILTRO BIOLÓGICO PERCOLADO COM MEIO
DE SUPORTE PLÁSTICO CORRUGADO
Trabalho de Conclusão de Curso, apresentado
para obtenção do grau de Engenheiro Civil no
curso de Engenharia Civil da Universidade do
Extremo Sul Catarinense, UNESC.
Orientador: Prof. Eng. Nestor Back
CRICIÚMA, JULHO DE 2009
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HENRIQUE SEMPREBOM MELLER
AVALIAÇÃO DE UM FILTRO BIOLÓGICO PERCOLADO COM MEIO
DE SUPORTE PLÁSTICO CORRUGADO
Trabalho de Conclusão de Curso aprovado pela
Banca Examinadora para obtenção do Grau de
Engenheiro Civil, no Curso de Engenharia Civil
da Universidade do Extremo Sul Catarinense,
UNESC, com Linha de Pesquisa em tratamento
de esgoto.
Criciúma, 01 de julho de 2009.
BANCA EXAMINADORA
Prof. Nestor Back – Engenheiro – (UNESC) – Orientador
Profa. Nadja Zim Alexandre – Mestre – (IPAT/UNESC)
Prof. Álvaro José Back – Doutor – (UNESC)
4
Dedico este trabalho a Deus por
estar
sempre
proporcionando
me
iluminando
momentos
de
e
intensa
felicidade como a conclusão deste trabalho.
Aos meus familiares: meu pai
Edilberto J. Meller, minha mãe Izabel S.
Meller e meu irmão Guilherme, por todo
amor e carinho oferecidos.
À
Rafaela
Silvestre
e
Maria
Angélica Silvestre pelo companheirismo e
apoio durante todo momento.
A todos os colegas e amigos, com
quem constantemente aprendo e valorizo a
importância de suas amizades.
5
AGRADECIMENTOS
A Deus, pela constante companhia e apoio em todos os momentos da
minha vida.
À minha família, em especial aos meus pais, pela educação, formação,
apoio e incentivo que sempre me proporcionaram, sendo fundamental para a
realização do meu ideal.
Ao meu orientador e amigo Nestor Back, não só pela orientação e
ensinamentos profissionais, mas também pelo companheirismo constante, por quem
tenho muita admiração.
À professora Nadja Zim Alexandre, pelas orientações bibliográficas.
À Itajui Engenharia de Obras, pelo apoio e disponibilização de
equipamentos e materiais para a realização deste trabalho.
À CASAN (Companhia Catarinense de Águas e Saneamento), em
especial
ao
engenheiro
sanitarista,
Luis
Alexandre
Maba
Rocha,
pela
disponibilização da estação de tratamento de esgoto e devidas orientações no
tratamento.
Aos melhores amigos de faculdade, Joel Piazza e Mauricio Izé, pelos
anos de convívio e alegrias, que espero continuar vivendo.
A todos que sempre me apoiaram, dando-me forças para a realização de
um sonho.
6
“Se o dinheiro for a sua esperança
de independência, você jamais a terá. A
única segurança verdadeira consiste numa
reserva de sabedoria, de experiência e de
competência.”
Henry Ford
7
RESUMO
O destino final de qualquer efluente urbano é o encaminhamento a um corpo de
água. Em consequência desse lançamento, aparece a possibilidade de virem a ser
gerados danos, tanto ao meio ambiente, como à saúde pública. No entanto, para
minimizar esses danos o efluente é submetido ao tratamento, sendo fiscalizado por
órgãos ambientais. Baseado nessa postura e, com exigências cada vez mais de
melhores eficiências para esses despejos, sob os aspectos ambientais, tende-se a
se buscar soluções viáveis. O presente estudo visa aprimorar o tratamento de águas
residuárias, propondo um meio de suporte em plástico com superfície específica e
índice de vazios elevados. O comportamento do biofilme fixado no meio de suporte
foi monitorado por análises das amostras do efluente tratado. Os parâmetros
analisados apresentaram divergência nos resultados, evidenciando a necessidade
de novas análises para a determinação da sua eficiência.
Palavras-chave: Filtro biológico percolado. Meio de suporte. Biofime.
8
ABSTRACT
The final destiny of any urban effluent is the lead to a water frame. Because of this
throwing, it is possible some harms which may appear as to the environment as to
the public health. Neverthless the effluent has taken to a treatment to minimize these
harms and it has supervised by environmental organ. Based on this attitude and with
demands and the best efficiencies for these dumps, under the environmental
aspects, the tendency is to look for possible solutions. The next research aims to
improve the treatment of the rest waters, bringing a plastic support way with a special
surface and an indicatior of the high empties. The biofilm behavior fixed in the middle
of the support was warned by analysis of samples of the treated effluent. The
analysed parameters have shown disagreement with the result making evident the
necessity of the new analysis to establish its efficieney.
Palavras-chave: Biological percolating filters. Support way. Biofilm.
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LISTA DE FIGURAS
Figura 1 - Esquema de funcionamento de um filtro biológico....................................32
Figura 2 - Circulação de ar no interior de um filtro biológico......................................40
Figura 3 - Representação esquemática de um biofilme, adaptado de METCALF &
EDDY (1991), Von Sperling (1996)............................................................................41
Figura 4 - Mecanismos e processos envolvidos com o transporte e degradação do
substrato em biofilmes................................................................................................42
Figura 5 - Diagrama esquemático das etapas envolvidas no transporte de
oxigênio......................................................................................................................43
Figura 6 – Conduítes corrugado................................................................................51
Figura 7 – Recipiente plástico com régua graduada fixada....................................53
Figura 8 – Representação gráfica do conduíte Ø 4,0 cm...........................................54
Figura 9 – Protótipo filtro biológico percolado..........................................................56
Figura 10 – Meio de suporte em plástico corrugado................................................57
Figura 11 – Vista interna filtro biológico....................................................................57
Figura 12 – Sistema de distribuição...........................................................................58
Figura 13 – Estação de tratamento de esgoto bairro montevideo...........................62
Figura 14 – Gradeamento grosseiro, caixa de Areia e poço de visita.....................62
Figura 15 – Diagrama do sistema de tratamento.....................................................63
Figura 16 – Sistema de distribuição substituído no monitoramento do dia
15/04/05......................................................................................................................65
Figura 17 – Resultado DQO.......................................................................................69
Figura 18 – Resultado DBO. .....................................................................................70
Figura 19 – Resultados sólidos suspensos...............................................................70
Figura 20 – Resultados sólidos totais.......................................................................71
Figura 21 – Resultados sólidos sedimentáveis.........................................................71
Figura 22 – Resultados turbidez...............................................................................72
10
LISTA DE TABELAS
Tabela 1 - Características típicas dos diferentes tipos de filtros biológicos
percoladores...............................................................................................................35
Tabela 2 – Índice de vazios conduítes corrugados....................................................52
Tabela 3 – Superfície específica................................................................................55
Tabela 4 – Detalhes construtivos do filtro biológico percolado..................................56
Tabela 5 – Monitoramento do filtro............................................................................63
Tabela 6 – Parâmetros analisados.............................................................................66
Tabela 7 – Resultados da amostra coletada no poço de visita (Anexo 1).................66
Tabela 8 – Resultados da Amostra coletada na saída do reservatório (Anexo 2).....67
Tabela 9 – Resultados da Amostra coletada na saída do filtro (Anexo 3).................67
Tabela 10 - Resultados da Amostra coletada na saída do reservatório (Anexo 4)....68
Tabela 11 - Resultados da Amostra coletada na saída do filtro (Anexo 5)................68
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LISTA DE ABREVIATURAS E SIGLAS
ABNT – Associação Brasileira de Normas Técnicas
CASAN – Companhia Catarinense de Águas e Saneamento
DBO – Demanda Bioquímica de Oxigênio
DQO – Demanda Química de Oxigênio
ETE – Estação de Tratamento de Esgoto
FBP – Filtro Biológico Percolado
IPAT – Instituto de Pesquisas Ambientais e Tecnológicas
NBR – Norma Brasileira Reguladora
NRC – National Research Council
PROSAB – Programa de Pesquisas em Saneamento Básico
PVC – Poli Cloreto de Vinila
UASB – Reator Anaeróbico de Fluxo Ascendente
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SUMÁRIO
1 INTRODUÇÃO ........................................................................................................ 15
2.1 Objetivo Geral ..................................................................................................... 17
2.2 Objetivo Específico ............................................................................................ 17
3 JUSTIFICATIVA ...................................................................................................... 18
4 REFERENCIAL TEÓRICO...................................................................................... 19
4.1 Histórico .............................................................................................................. 19
4.2 Esgoto Sanitário ................................................................................................. 20
4.3 Características Físicas....................................................................................... 21
4.3.1 Turbidez ............................................................................................................ 21
4.3.2 Odor .................................................................................................................. 21
4.3.3 Matéria Sólida .................................................................................................. 22
4.3.4 Temperatura ..................................................................................................... 22
4.4 Características Químicas dos Esgotos ............................................................ 23
4.4.1 Matéria orgânica .............................................................................................. 23
4.4.1.1 Proteínas ....................................................................................................... 23
4.4.1.2 Carboidratos ................................................................................................. 24
4.4.1.3 Gorduras e Óleos ......................................................................................... 24
4.4.1.4 Demanda Bioquímica de Oxigênio (DBO).................................................. 24
4.4.1.5 Demanda Química de Oxigênio (DQO) ....................................................... 25
4.4.1.6 Nitrogênio ...................................................................................................... 26
4.4.2 Matéria Inorgânica ........................................................................................... 26
4.4.3 Características Biológicas ............................................................................. 26
4.4.4 Crescimento Bacteriano e Floculação .......................................................... 27
4.5 Tratamento .......................................................................................................... 28
4.5.1 Tratamento Preliminar .................................................................................... 28
13
4.5.2 Tratamento Primário ....................................................................................... 29
4.5.3 Tratamento Secundário .................................................................................. 30
4.6 Filtro Biológico Percolado (FBP) ...................................................................... 31
4.6.1 Princípios de Funcionamento dos Filtros Biológicos Percolados ............ 32
4.6.2 Filtros Biológicos de Baixa Taxa ................................................................... 33
4.6.3 Filtros Biológicos de Taxa Intermediária ...................................................... 34
4.6.4 Filtros Biológicos de Alta Taxa ...................................................................... 35
4.6.5 Filtros Biológicos Grosseiro .......................................................................... 36
4.6.6 Dispositivo de Distribuição ............................................................................ 37
4.6.7 Meio de Suporte ............................................................................................... 37
4.6.8 Sistema de Drenagem ..................................................................................... 39
4.6.9 Ventilação ......................................................................................................... 40
4.7 Biofilme................................................................................................................ 42
4.8 Parâmetros de Projeto ....................................................................................... 46
4.8.1 Taxa de Aplicação Hidráulica......................................................................... 46
4.8.2 Taxa de Aplicação Orgânica .......................................................................... 47
5 MODELOS MATEMÁTICOS PARA DIMENSIONAMENTO .................................. 48
5.1 Fórmula do NRC – National Research Council ............................................... 48
5.2 Critério de Eckenfelder ...................................................................................... 49
5.3 Coeficiente de Remoção K ................................................................................ 50
6 METODOLOGIA...................................................................................................... 52
6.1 Escolha do material de enchimento ................................................................. 52
6.1.1 Diâmetro dos Conduítes ................................................................................. 52
6.1.2 Procedimento para Definição dos Índices de Vazios .................................. 53
6.1.3 Procedimento para Definição da Superfície Específica .............................. 54
6.2 Considerações para o Dimensionamento do Filtro Biológico em Escala
Piloto .......................................................................................................................... 56
14
6.2.1 Cálculo da Taxa de Aplicação Hidráulica ..................................................... 59
6.2.2 Cálculo da Taxa de Aplicação Orgânica ....................................................... 60
6.2.3 Determinação do Coeficiente de Remoção K............................................... 61
6.2.4 Determinação da Eficiência ............................................................................ 61
6.3 Estação de Tratamento de Esgoto ................................................................... 62
6.4 Instalação e Monitoramento do Filtro Biológico Percolado. ......................... 64
6.5 Parâmetros Analisados...................................................................................... 67
7 RESULTADOS ........................................................................................................ 67
8 ANÁLISE DOS DADOS .......................................................................................... 70
9 CONCLUSÃO E RECOMENDAÇÕES ................................................................... 75
REFERÊNCIAS .......................................................................................................... 76
ANEXO I ..................................................................................................................... 80
ANEXO II .................................................................................................................... 81
ANEXO III ................................................................................................................... 82
ANEXO IV ................................................................................................................... 83
ANEXO V .................................................................................................................... 84
ANEXO VI ................................................................................................................... 85
15
1 INTRODUÇÃO
O constante crescimento da população brasileira, aliado com a
escassez dos recursos naturais e o aumento do consumismo, têm causado grandes
volumes de resíduos poluentes, que são devolvidos à natureza sem nem um tipo de
tratamento, causando problemas ambientais e sociais que afetam diretamente na
qualidade de vida.
Um dos maiores problemas com respeito ao esgoto sanitário é
encontrado nos centros urbanos, onde a concentração de resíduos é maior,
consequentemente os danos ambientais. Apesar de em muitas cidades ainda
prevalecer os tratamentos individuais, ou tratamento nenhum, cada vez mais se vê a
necessidade de uma coleta e tratamento adequado para esses despejos. Contudo,
para atingir os requisitos mínimos impostos pelos órgãos ambientais, para despejos
nos corpos receptores, é preciso maximizas a eficiência desses tratamentos,
reduzindo os parâmetros poluidores desse efluente.
Considerando
os
filtros
biológicos,
como
sendo
um
tratamento
secundário, em que a aplicação contínua de esgotos sobre o meio suporte
possibilitava o desenvolvimento de condições favoráveis ao crescimento de uma
flora e fauna mistas de microrganismos, capazes de produzir limo, mantendo-se um
equilíbrio biológico suficiente para decompor a matéria orgânica. A natureza dos
materiais utilizados ao longo da história contribuiu para a evolução da tecnologia.
Dentre estes: pedra britada, escória de alto-forno, e de maneira mais eficiente,
materiais sintéticos de plástico de diferentes formas e tamanhos.
Neste contexto, buscando um aumento da eficiência dos filtros biológicos,
será desenvolvido um protótipo em escala piloto, com meio de suporte em PVC
corrugado, com a finalidade de avaliar e monitorar seu comportamento submetido
como tratamento primário de uma estação de tratamento de esgoto desativada,
localizada no bairro Montevideo da cidade de Criciúma, Santa Catarina.
16
17
2 OBJETIVOS
2.1 Objetivo Geral
Avaliar o desempenho e o custo benefício de um novo sistema de meios
de suporte para filtros biológicos percolados, utilizando material em PVC corrugado.
2.2 Objetivo Específico
Definir o índice de vazios e a superfície específica para cada bitola
proposta;
Construir um filtro biológico percolado em escala piloto, utilizando o
diâmetro com a maior superfície específica para meio de suporte;
Calcular os parâmetros de projeto e a eficiência do filtro em estudo;
Realizar coletas para análises em laboratório;
Determinar a eficiência das análises e comparar com a eficiência de
projeto;
18
3 JUSTIFICATIVA
Com a expansão das obras de saneamento básico há um aumento na
procura por materiais para compor o meio de suporte de filtros biológicos com
maiores eficiências e que suportem elevadas taxas de aplicações hidráulicas e
orgânicas. Para atender esses requisitos implantou-se a idéia de utilizar PVC
corrugado como meio de suporte, com a finalidade de aumentar a superfície
específica por unidade de volume de enchimento do filtro, elevando sua eficiência de
tratamento.
19
4 REFERENCIAL TEÓRICO
4.1 Histórico
Já nos tempos mais remotos, desde que os homens começaram a se
assentar em cidades, a coleta das águas servidas, que hoje chamamos de esgoto
sanitário, passava a ser uma preocupação daquelas civilizações. Na Roma imperial,
eram feitas ligações diretas das casas até os canais. Porém, por se tratar de uma
iniciativa individual de cada morador, nem todas as casas apresentavam essas
benfeitorias.
Na Idade Média, não se tem notícia de grandes realizações, no que se
diz respeito ao saneamento. Esses aparentes desleixos, certamente, foram as
causas de uma terrível pandemia de peste bubônica na Europa. Sabe-se que, hoje,
a peste Bubônica é transmitida por pulgas infectadas por ratos, o que demonstra que
a limpeza não era exatamente um atributo daquelas populações.
A correlação entre o crescimento populacional e o recrudescimento dos
problemas com a saúde pública hoje fica fácil de perceber, quando se apresentam
os números desse crescimento. Pode-se perceber que a população mundial
demorou cerca de 10.000 anos para atingir a cifra de Um bilhão de habitantes.
Percebe-se ainda que o crescimento populacional acentua-se nos séculos XIX e XX,
nos quais em 80 anos (1850 – 1930) a cifra de Um bilhão foi duplicada. Hoje se
estima um crescimento populacional em torno de 43 milhões de pessoas por ano. O
fato considerado mais grave é a maior porcentagem de crescimento nos países “em
desenvolvimento”, justamente aqueles em que a infra-estrutura urbana é geralmente
deficiente e, portanto, mais sujeitos à degradação ambiental e a problemas de saúde
pública (CRESPO, 1997).
Em Londres (Inglaterra), somente a partir de 1815, os esgotos
começaram a ser lançados em galerias de águas pluviais. A Inglaterra certamente
foi um dos países europeus mais castigados por epidemias, por suas cidades ainda
não contarem com a necessária infra-estrutura urbana para atender a esse novo
contingente populacional. Torna-se evidente o porquê da Inglaterra ser o primeiro
país a iniciar pesquisas e adotar as necessárias medidas saneadoras.
20
Com o grande crescimento das cidades em todo o mundo, outros
países seguiram o exemplo inglês e começaram a se preocupar com o tratamento
de seus esgotos.
Nas cidades brasileiras, salvo alguns casos isolados, somente a partir
da década de 70, começou a ocorrer um maior avanço na área do saneamento.
Hoje, apesar de várias cidades brasileiras já contarem com Estações de Tratamento
de Esgoto (ETE), a grande maioria nem coleta e nem trata seus esgotos. Fatalmente
terão que fazê-lo, sob pena de ficarem sem mananciais de água apropriada para
abastecimento público e amargarem sérios problemas de saúde pública (IMHOFF,
1985).
4.2 Esgoto Sanitário
Segundo definição da norma brasileira NBR 9648 (ABNT 1986), esgoto
sanitário é o “despejo líquido constituído de esgotos domésticos e industriais, água
de infiltração e a contribuição pluvial parasitária”.
Esgoto doméstico é o “despejo líquido resultante do uso da água para
higiene e necessidades fisiológicas humanas”;
Esgoto industrial é o “despejo líquido resultante dos processos
industriais, respeitando os padrões de lançamento estabelecidos”;
Água de infiltração é “toda água proveniente do subsolo, indesejável ao
sistema separador e que penetra nas canalizações”;
Contribuição pluvial parasitária é “a parcela de deflúvio superficial
inevitavelmente absorvida pela rede de esgoto sanitário”.
21
4.3 Características Físicas
As principais características físicas que representam o estado em que se
encontram águas residuárias são: coloração, turbidez, odor, matéria sólida e
temperatura.
4.3.1 Turbidez
Assim como a coloração, a turbidez também indica o estado em que o
esgoto se encontra. Este parâmetro está relacionado com a concentração dos
sólidos em suspensão (Pessôa e Jordão, 1995).
4.3.2 Odor
Durante o processo de decomposição, alguns odores característicos de
esgotos podem ser gerados. Pessôa e Jordão (1995) citam três odores como sendo
os principais:
a) odor de mofo, razoavelmente suportável, típico do esgoto fresco;
b) odor de ovo podre, “insuportável”, típico do esgoto velho ou séptico,
que provém da formação de gás sulfídrico oriundo da decomposição do lodo contido
nos despejos;
c) odores variados, de produtos podres como de repolho, peixe, legumes;
de fezes; de produtos rançosos; de acordo com a predominância de produtos
sulfurosos, nitrogenados, ácidos orgânicos, etc.
A matéria orgânica e o lodo retidos em alguma fase do tratamento de
esgoto podem ocasionar maus odores em uma Estação de Tratamento de Esgoto
(ETE). Além disso, as reações que ocorrem no decorrer do tratamento produzem
subprodutos que causam mau cheiro (H2S e outros poli enxofres, NH3 e outras
aminas). A temperatura também tem influência na emissão de odores.
22
Segundo Belli (1999), as emissões gasosas compostas de nitrogênio,
enxofre, solventes e outros compostos orgânicos voláteis podem ser tratados por
diversos processos, tais como: absorção por oxidantes, combustão, adsorção,
biodesodorização (tratamento biológico dos maus odores) em biofiltros (meio
suporte: turfa, composto orgânico ou solo), biolavagem e biopercolação.
4.3.3 Matéria Sólida
Pessôa e Jordão (1995) classificam a matéria sólida presente nas águas
residuárias segundo a nomenclatura exposta abaixo:
a) em função das dimensões das partículas: sólidos em suspensão,
sólidos coloidais ou sólidos dissolvidos;
b) em função da sedimentabilidade: sólidos sedimentáveis, sólidos
flutuantes ou flotáveis ou sólidos não sedimentáveis;
c) em função da secagem, a alta temperatura (550 a 600ºC): sólidos fixos
ou sólidos voláteis;
d) em função da secagem em temperatura média (103 a 105ºC): sólidos
totais, sólidos em suspensão ou sólidos dissolvidos.
Um dos parâmetros de grande utilização em sistemas de esgotos é a
quantidade total de sólidos. Seu módulo é o somatório de todos os sólidos
dissolvidos e dos não dissolvidos em um líquido. A sua determinação é normatizada,
e consiste na determinação da matéria que permanece como resíduo após sofrer
uma evaporação a 103ºC.
4.3.4 Temperatura
A temperatura influi diretamente na taxa de qualquer reação química, que
aumenta com sua elevação, salvo os casos onde a alta temperatura produza
alterações no catalisador ou nos reagentes.
Em se tratando de reações de natureza biológica, Pessôa e Jordão (1995)
23
afirmam que a velocidade de decomposição do esgoto aumenta de acordo com a
temperatura, sendo a faixa ideal para atividade biológica contida entre 25 e 35ºC,
sendo ainda 15ºC a temperatura abaixo da qual as bactérias formadoras do metano
se tornam inativas na digestão anaeróbica.
4.4 Características Químicas dos Esgotos
Pessôa e Jordão (1995) acreditam que, levando em consideração a
origem dos esgotos, estes podem ser classificados em dois grandes grupos: da
matéria orgânica e da matéria inorgânica.
4.4.1 Matéria orgânica
Cerca de 70% dos sólidos no esgoto médio são de origem orgânica.
Esses compostos são constituídos principalmente por compostos de proteínas,
carboidratos, gordura e óleos, e, em menor parte, por uréia, surfartantes, fenóis,
pesticidas (típicos de despejos industriais, em quantidade), etc. (PESSÔA E
JORDÃO, 1995). Von Sperling (1997) ainda divide o material orgânico seguindo o
critério de biodegradabilidade, classificando-os em inerte ou biodegradável.
4.4.1.1 Proteínas
Produzem nitrogênio e contêm carbono, hidrogênio, nitrogênio, oxigênio,
e podem conter fósforo, enxofre e ferro. São basicamente de origem animal, mas
ocorrem em vegetais também. O enxofre fornecido pelas proteínas é responsável
pela produção do gás sulfídrico presente nos despejos.
24
4.4.1.2 Carboidratos
Contêm carbono, hidrogênio e oxigênio, e são as primeiras substâncias a
serem atacadas pelas bactérias. Estão presentes principalmente nos açúcares,
amido, celulose, etc. A ação bacteriana nos carboidratos produz ácidos orgânicos,
que geram um aumento na acidez do esgoto.
4.4.1.3 Gorduras e Óleos
Também designados como matéria graxa, as gorduras e os óleos se
encontram presentes nos despejos domésticos e sua origem, em geral, se dá pelo
uso de manteiga, óleos vegetais, carnes, etc. Além disso, podem estar presentes
nos despejos produtos não tão comuns, como querosene, óleo lubrificante e afins,
provenientes de garagens.
São indesejáveis em um sistema de tratamento de esgotos, pois formam
uma camada de escuma e podem vir a entupir os filtros, além de prejudicar a vida
biológica.
4.4.1.4 Demanda Bioquímica de Oxigênio (DBO)
A forma mais utilizada para se medir a quantidade de matéria orgânica
presente é através da determinação da demanda bioquímica de oxigênio (DBO).
Esta determinação, padronizada pelos “Standard Methods for the Examination of
Water and Wastewater” (AWWA, WPFC), mede a quantidade de oxigênio necessária
para estabilizar biologicamente a matéria orgânica presente numa amostra, após um
tempo dado (tomado para efeito de comparação em 5 dias) e uma temperatura dada
(20°C, para efeito de comparação) (PESSÔA E JORDÃO, 1982).
25
A quantidade de matéria orgânica presente, indicada pela determinação
da BDO é importante para conhecer o grau de poluição de uma água residuária,
para se dimensionar as estações de tratamento de esgotos e medir sua eficiência.
Quanto maior o grau de poluição orgânica, maior a DBO do corpo d’água;
paralelamente, à medida que ocorre estabilização da matéria orgânica, decresce a
DBO (PESSÔA e JORDÃO 1982).
Segundo Pessôa & Jordão (1982), a DBO5 normalmente varia entre 100 a
300 mg/l, de acordo com a condição e, nos tratamentos completos, deseja-se uma
redução de DBO5 até uma faixa de 20 a 30 mg/l.
A DBO ocorre em dois estágios: primeiramente a matéria carbonácea é
oxidada, e, em seguida ocorre uma nitrificação. A DBO de 5 dias trabalha na faixa
carbonácea (PESSÔA e JORDÃO, 1982). A temperatura é fator relevante na
determinação da duração de cada faixa. A duração tende a diminuir com o aumento
da temperatura.
4.4.1.5 Demanda Química de Oxigênio (DQO)
Demanda química de oxigênio corresponde a quantidade de oxigênio
necessária para oxidação da parte orgânica de uma amostra que seja oxidável pelo
permanganato ou dicromato de potássio em solução ácida.
A DQO leva em consideração qualquer fonte que necessite de oxigênio,
seja esta mineral ou orgânica. Já a DBO considera somente a demanda da parte
orgânica. Quando se trata de esgotos domésticos, a consideração pertinente fica ao
redor da DBO, pois os esgotos domésticos possuem poucos sais minerais solúveis.
A rapidez das respostas de DQO também pode ser citada como uma
grande vantagem com relação à DBO. Alguns aparelhos, segundo Pessôa & Jordão
(1982), conseguem realizar esta determinação em cerca de 2 minutos. O método do
dicromato leva duas horas para determinar a DQO do material. Como desvantagem,
pode-se apresentar a falta de especificação da velocidade com que a bio-oxidação
possa ocorrer.
26
4.4.1.6 Nitrogênio
Pode-se conhecer a presença e aquilatar o grau de estabilização da
matéria orgânica pela verificação da forma, como estão presentes os compostos de
nitrogênio na água residuária (PESSÔA e JORDÃO, 1982). Entretanto, os testes
com nitrogênio possuem um papel fundamental na indicação da carga de nutrientes
lançados ou presentes num corpo d’água, além de indicar a disponibilidade de
nitrogênio para a manutenção da atividade biológica nos processos de tratamento.
4.4.2 Matéria Inorgânica
A matéria inorgânica existente nos esgotos é constituída, em geral, de
areia e outras substâncias minerais dissolvidas, provenientes de águas de lavagens.
Não é usual a remoção deste tipo de material, que pouco influenciará em
um sistema de tratamento de esgotos pelo fato de ser um material inerte. Entretanto,
deve-se estar atento às possibilidades de entupimento e saturação de filtros e
tanques, quando há grande quantidade deste material.
4.4.3 Características Biológicas
Os principais microorganismos encontrados nos esgotos são: bactérias,
fungos, protozoários, vírus e algas.
As bactérias constituem o elemento mais importante biologicamente
presente no esgoto, pois são responsáveis pela decomposição e estabilização da
matéria orgânica, tanto na natureza como em unidades de tratamento biológico.
27
4.4.4 Crescimento Bacteriano e Floculação
A reprodução bacteriana ocorre, basicamente, por fissão binária, onde
cada célula, ao atingir certo tamanho, divide-se em duas novas células.
Admitindo-se um tempo de geração típico de 20 minutos, um crescimento
sem fatores limitantes iria possibilitar a existência de 2144 bactérias após 48
horas. Tal corresponderia a um peso aproximadamente 4.000 vezes
superior ao peso da terra (La Riviére, 1980). Na prática, naturalmente, o
crescimento é logo restringido devido à exaustão de nutrientes no meio.
(Von Sperling, 1996, p. 107).
Além das características metabólicas, as bactérias possuem a capacidade
de flocular (se aglutinam e formam flocos), quando entram na fase de declínio em
seu crescimento.
28
4.5 Tratamento
4.5.1 Tratamento Preliminar
O tratamento preliminar destina-se principalmente à remoção de:
- Sólidos grosseiros
- Areia
Os mecanismos básicos de remoção são de ordem física, como
peneiramento e sedimentação.
A remoção dos sólidos grosseiros é feita freqüentemente por meio de
grades, mas pode-se usar também peneiras rotativas ou trituradores. No
gradeamento, o material de dimensões maiores do que o espaçamento entre as
barras é retido. A remoção do material retido pode ser manual ou mecanizada.
As principais finalidades da remoção dos sólidos grosseiros são:
- Proteção dos dispositivos de transporte dos esgotos (bombas e
tubulações);
- Proteção das unidades de tratamento subseqüentes;
- Proteção dos corpos receptores.
A remoção da areia contida nos esgotos é feita através de unidades
especiais denominadas desarenadores. O mecanismo de remoção de areia é
simplesmente o de sedimentação. Existe uma diversidade de processos para a
retirada e o transporte da areia sedimentada, desde os manuais até os
completamente mecanizados. As finalidades básicas da remoção de areia são:
- Evitar abrasão nos equipamentos e tubulações;
- Eliminar ou reduzir a possibilidade de obstrução em tubulações,
tanques, orifícios, sifões;
- Facilitar o transporte líquido, principalmente à transferência de lodo, em
suas diversas fases (UNICALDAS, 2004).
29
4.5.2 Tratamento Primário
O tratamento primário destina-se à remoção de:
- Sólidos em suspensão sedimentáveis
- Sólidos flutuantes
Os esgotos, após passarem pelas unidades de tratamento preliminar,
contêm ainda os sólidos em suspensão não grosseiros, os quais podem ser
parcialmente removidos em unidades de sedimentação. Uma parte significativa
destes sólidos em suspensão é compreendida pela matéria orgânica em suspensão.
Assim, a sua remoção por processos simples como a sedimentação implica na
redução da carga de DBO dirigida ao tratamento secundário.
Os tanques de decantação podem ser circulares ou retangulares. Os
esgotos fluem vagarosamente através dos decantadores, permitindo a que os
sólidos em suspensão, possuindo maior densidade do que a do líquido circundante,
sedimentem gradualmente no fundo. Essa massa de sólidos é denominada lodo
primário bruto. Em estações de tratamento de esgotos, ela é retirada por meio de
uma tubulação única em tanques de pequenas dimensões ou através de raspadores
mecânicos e bombas em tanques maiores. Materiais flutuantes, como graxas e
óleos, tendo uma menor densidade que o líquido circundante, sobem para a
superfície dos decantadores, onde são coletados e removidos do tanque para
posterior tratamento.
As fossas sépticas são também uma forma de tratamento a nível
primário. As fossas sépticas e suas variantes, como os tanques Imhoff, são
basicamente decantadores, onde os sólidos sedimentáveis são removidos para o
fundo, permanecendo nestes um tempo longo o suficiente (alguns meses) para a
sua
estabilização.
(UNICALDAS, 2004).
Esta
estabilização
se
dá
em
condições
anaeróbicas
30
4.5.3 Tratamento Secundário
O principal objetivo do tratamento secundário é a remoção da matéria
orgânica (MO). Esta se apresenta nas seguintes formas:
- Matéria orgânica dissolvida (DBO solúvel), a qual não é removida por
processos meramente físicos, como o de sedimentação, que ocorre no tratamento
primário;
- Matéria orgânica em suspensão (DBO suspensa ou particulada), a qual
é, em grande parte, removida no tratamento primário, mas cujos sólidos de
decantabilidade mais lenta persistem na massa líquida.
Os processos de tratamento secundário são concebidos de forma a
acelerar os mecanismos de degradação que ocorrem naturalmente nos corpos
receptores. Assim, a decomposição dos poluentes orgânicos degradáveis é
alcançada, em condições controladas, em intervalos de tempo menores do que nos
sistemas naturais.
A essência do tratamento secundário de esgotos domésticos é a
inclusão de uma etapa biológica. Uma grande variedade de microorganismos toma
parte no processo: bactérias, protozoários, fungos, etc. A base de todo processo
biológico é o contato efetivo entre esses organismos e o material orgânico contido
nos esgotos, de tal forma que esse possa ser utilizado como alimento pelos
microrganismos, que convertem a MO em gás carbônico, água e material celular.
Essa decomposição biológica da MO requer a presença de oxigênio como
componente fundamental dos processos aeróbios, além da manutenção de outras
condições ambientais favoráveis, como pH, temperatura, tempo de contato, etc.
O tratamento secundário geralmente inclui unidades para o tratamento
preliminar, mas pode ou não incluir unidades para o tratamento primário. Existe uma
grande variedade de métodos de tratamento a nível secundário, sendo que os mais
comuns são:
Lagoas de Estabilização;
Lodos Ativados;
Filtro Biológico;
Tratamento anaeróbio;
31
Disposição sobre o solo.
Este último é um misto de tratamento e disposição final, mas é
classificado como nível secundário devido à atuação de mecanismos biológicos e à
sua elevada eficiência na remoção de poluentes(UNICALDAS, 2004).
4.6 Filtro Biológico Percolado (FBP)
Segundo Pessôa & Jordão (1995), os primeiros filtros biológicos surgiram
na Inglaterra, no final do século XIX. No Brasil, somente em 1910, foi construída a
primeira estação de tratamento de esgotos utilizando a tecnologia da filtração
biológica aeróbia – ETE Paquetá, no Rio de Janeiro.
No princípio, essas unidades eram operadas como leitos de contato, onde
vários tanques impermeáveis cheios de material granuloso eram construídos uns ao
lado dos outros; cada um deles eram enchido de uma a duas vezes por dia com
esgoto, permanecendo assim por 2 horas, e em seguida, eram aberta uma descarga
no fundo, que provocava o lançamento do efluente tratado biologicamente. O tanque
permanecia então vazio, exposto à ventilação até chegar novamente a hora do
enchimento (KARL e KLAUS, 1996).
O sistema evoluiu a partir da verificação de que a aplicação contínua de
esgotos sobre o meio suporte possibilitava o desenvolvimento de condições
favoráveis ao crescimento de uma flora e fauna mista de microrganismos, capazes
de produzir limo, mantendo-se um equilíbrio biológico suficiente para decompor a
matéria orgânica afluente. O meio suporte teve, então, sua granulométrica
aumentada, para permitir tanto a percolação do líquido quanto o livre escoamento de
ar. A natureza dos materiais utilizados ao longo da história contribuiu para a
evolução da tecnologia, dentre estes: pedra britada, escória de alto-forno, e de
maneira mais eficiente, materiais sintéticos de plástico de diferentes formas e
tamanhos.
O filtro consiste em um tanque contendo material de enchimento que
forma um leito fixo. Na superfície de cada peça do material de enchimento ocorre a
fixação e o desenvolvimento de microrganismos, que também se agrupam, na forma
de flocos ou grânulos, nos interstícios deste material. Os compostos orgânicos
32
solúveis contidos no esgoto afluente entram em contato com a biomassa,
difundindo-se através das superfícies do biofilme ou do lodo granular, sendo então
convertidos em produtos intermediários e finais, especificamente metano e gás
carbônico.
Nesse sentido, trata-se de um processo de tratamento por oxidação
biológica, no qual não ocorre o fenômeno físico de filtração ou peneiramento, e,
portanto impropriamente denominado de “filtração”, apesar de assim sê-lo
usualmente reconhecido (SANTOS, 2005).
Os filtros biológicos percoladores não são muito utilizados quando
comparados a outros sistemas de tratamento de esgotos, apesar da grande
aplicabilidade
que
apresentam,
principalmente
devido
à
sua
simplicidade
operacional e baixos custos de operação e instalação.
4.6.1 Princípios de Funcionamento dos Filtros Biológicos Percolados
Santos (2005) comenta que a tecnologia se baseia na aplicação contínua
e uniforme dos esgotos por meio de distribuídores hidráulicos, que percolam pelo
meio suporte em direção aos drenos de fundo. O filtro biológico percolador funciona
em fluxo contínuo e sem inundação da unidade. São sistemas aeróbios,
permanentemente sujeitos à renovação do ar, que, naturalmente, circula nos
espaços vazios do meio suporte, disponibilizando o oxigênio necessário para a
respiração dos microorganismos.
Os filtros biológicos percoladores são sistemas de tratamento de esgotos
baseados no princípio da oxidação bioquímica aeróbia do substrato orgânico
presente nos esgotos. Algumas semanas após o início da percolação do esgoto, o
meio de suporte recobre-se por uma película mucilaginosa povoadas por bactérias
(biofilme), com espessura entre 2 a 3 mm. A absorção dessa camada é mantida pela
ação de microorganismo que depende de aeração continua.
Segundo Pessôa e Jordão (1995), a intensa atividade biológica favorece o
desenvolvimento de bactérias aeróbias, facultativas e anaeróbicas, predominando as
bactérias facultativas. Os fungos também estão presentes nos biofilmes e competem
com as bactérias na degradação do substrato orgânico.
33
Durante a percolação, uma parte da matéria viva ou morta, bem como
parte da substância elaborada, é arrastada pela corrente líquida e pode ser
identificada no efluente sob a forma de flocos em suspensão. Desta forma, os filtros
biológicos em funcionamento se mantêm permanentemente em condições ótimas
(KARL e KLAUS, 1996).
O tratamento de esgotos por filtração biológica convencional normalmente
requer uma unidade de desinfecção para desativação de microorganismos
causadores de doenças. O filtro biológico percolador geralmente consegue reduzir a
concentração de coliformes em apenas 1 a 2 unidades logarítmicas, o que não
satisfaz as exigências da legislação ambiental, dependendo do grau de diluição no
corpo receptor (SANTOS, 2005).
Figura 1 - Esquema de funcionamento de um filtro biológico.
Fonte: Gonçalves, et al (2004).
4.6.2 Filtros Biológicos de Baixa Taxa
Os filtros biológicos são denominados de baixa taxa simplesmente para
conceito, pois esta denominação se refere à taxa de aplicação hidráulica, que fica
entre 1 a 4 m³/m² dia. Esse sistema apresenta eficiência de remoção de carga
34
orgânica comparável à eficiência usualmente promovida pelo sistema de lodos
ativados convencional. Apesar de requerer área superficial um pouco maior e de
apresentar menor capacidade de ajuste às variações do afluente, quando
comparadas ambas às tecnologias, o filtro biológico, de forma geral, pode ser
considerado mais simples, além de não demandar consumo de energia elétrica.
O efeito de arrastamento das partes de matérias vivas ou mortas é muito
fraco. Os sólidos formados ficam aderentes ao meio de suporte em sua maior parte
e são constantemente recobertos por novas camadas dos mesmos sólidos. Algumas
películas são arrancadas das camadas superiores mas ficam presas nas camadas
inferiores. Desta maneira, fica retido no interior do filtro o lodo orgânico, que aí deve
ser estabilizado, tomando parte no consumo do oxigênio (Karl e Klaus, 1996).
Segundo Metcalf & Eddy (2003), dentre as modalidades de filtração
biológica aeróbia, é a que além de apresentar a melhor eficiência na remoção de
DBO, possibilita a nitrificação, caso a população nitrificante seja suficientemente
bem estabilizada, e se as condições do clima e das características do afluente forem
favoráveis.
Nesta modalidade, a carga orgânica afluente por unidade de volume é
baixa, resultando em menor disponibilidade de substrato, e conseqüentemente
elevada remoção de DBO, nitrificação e parcial estabilização do lodo.
A modalidade, quando comparada ao sistema de alta taxa, requer uma
maior área superficial, devido à aplicação de menor carga hidráulica. A aplicação de
baixa carga hidráulica permite o largo desenvolvimento e a intensa proliferação de
moscas (Psycoda) na superfície do meio suporte. Odor também pode ocorrer em
função de condições sépticas decorrentes da elevada permanência e do não
desprendimento do biofilme aderido ao meio suporte (CHERNICHARO, 2001).
4.6.3 Filtros Biológicos de Taxa Intermediária
Os filtros de taxa intermediária são projetados segundo carga superior
aos filtros de baixa taxa, entre 4 a 10 m³/m² dia. Considerando que o aumento da
carga orgânica aplicada possa resultar em menor eficiência de remoção, é
recomendada a recirculação do efluente tratado. Isso, para manter uniforme a vazão
35
afluente, criando novas oportunidades de estabilização aumentando o tempo de
contato e melhorando a eficiência do sistema. O efluente produzido nesta
modalidade de filtração biológica é parcialmente nitrificado. Apesar da maior carga
hidráulica aplicada, pode esta modalidade ainda propiciar o desenvolvimento de
moscas (METCALF & EDDY, 1991).
4.6.4 Filtros Biológicos de Alta Taxa
Neste filtro são aplicadas taxas hidráulicas na faixa de 10 a 60 m³/m² dia e
são os mais utilizados por apresentar menor requisitos de área superficial. Em
conseqüência da elevada carga de DBO por unidade de metro quadrado, o efluente
tratado por esses filtros apresentam uma inferioridade na eficiência de remoção da
matéria orgânica e a não estabilização do lodo do filtro.
Nos filtros de alta taxa é que são utilizados os meios suportes plásticos,
em função das características físicas potenciais que o material apresenta em relação
aos princípios de funcionamento do processo. Não obstante, meios em pedra podem
também ser utilizados, porém submetidos a taxas inferiores que aquelas aplicadas
nos meios plásticos (SANTOS, 2005).
O efluente produzido nesta modalidade de filtração biológica não é
nitrificado e, em função da elevada carga hidráulica, os sólidos ainda não
estabilizados desprendem-se do meio de suporte. A carga hidráulica elevada
também é responsável pelo não desenvolvimento de moscas (METCALF e EDDY,
1991).
Neste caso, a recirculação em razões elevadas é usualmente praticada.
Metcalf & Eddy, (1991) relatam que a recirculação do efluente do filtro para o próprio
filtro permite o retorno de organismos viáveis, tendo-se assim observado o aumento
da eficiência do processo de tratamento.
Das particularidades expostas pode-se deduzir o motivo pelo qual o filtro
de alta capacidade consegue depurar maiores volumes de esgoto com o mesmo
volume de material filtrante, pois não cabe ao filtro a operação de estabilização do
lodo no interior da própria unidade. Esses sólidos são arrastados para fora do filtro e
a energia vital que despendia com tal estabilização é transferida para outra unidade
36
das estações de tratamento, como, por exemplo, para os digestores (KARL e
KLAUS, 1996).
4.6.5 Filtros Biológicos Grosseiro
Trata-se de um filtro de alta taxa utilizado no pré-tratamento de esgoto, a
montante do tratamento secundário. O material de enchimento é sintético e a
alimentação é realizada continuamente. É de uso mais comum para despejos com
concentrações de DBO mais altas. Perdeu muito sua aplicação com o
desenvolvimento dos reatores UASB, que vêm sendo utilizado em detrimento aos
filtros grosseiros.
Tabela 1 - Características típicas dos diferentes tipos de filtros biológicos percoladores.
BAIXA TAXA
TAXA
INTERMEDIÁRIA
Pedra
Pedra
Taxa de Aplicação Superficial
(m3/m2.d)
1,0 a 4,0
4,0 a 10,0
Taxa de Aplicação Orgânica
(Kg DBO/m3.d)
0,1 a 0,3
0,2 a 0,5
Moscas
Muitas
Médio
Arraste de Biofilme
Intermitente
Intermitente
Profundidade (m)
1,5 a 2,5
1,5 a 2,5
Remoção de DBO* (%)
80 a 90
80 a 85
Intensa
Parcial
CONDIÇÕES OPERACIONAIS
Meio de Suporte
Nitrificação
ALTA TAXA
Pedra
Plástico
10,0 a 40,0 10,0 a 75,0
0,4 a 2,5
0,5 a 3,0
Pouca
Pouca
Contínuo
Contínuo
0,5 a 2,5
1,0 a 12,0
8 a 90
8 a 90
Parcial
Limitada
Fonte: Adaptado de Chernicharo, et al. (2001); Pessôa e Jodão (1995); Metcalf & Eddy (2003).
37
4.6.6 Dispositivo de Distribuição
Acima da superfície livre dos filtros é implantado o sistema de distribuição
do esgoto, que possibilita a aplicação uniforme da carga hidráulica sobre a superfície
do meio de suporte, garantindo o continuo crescimento e desprendimento do
biofilme e a otimização do processo de filtração biológica aeróbia.
Sabe-se que da eficiência de molhamento da área superficial depende o
desempenho da unidade; o meio suporte não contínua e uniformemente umedecido
não permite um bom desempenho da unidade. Wheatley & Williams (1981)
comentam que a obtenção de diferentes performances das unidades de filtração
biológica utilizando meio suporte em plástico, pedra e cascalho, deveu-se, além do
tipo de meio suporte empregado, às condições de umedecimento da unidade.
Os distribuidores rotativos produzem maior uniformidade na aplicação,
são constituídos de braços distribuidores rotativos engastados que giram em torno
de uma coluna central. Basta uma carga hidrostática de 0,50 m para que os jatos de
esgoto que passam pelos orifícios existentes ao longo e lateralmente à tubulação
possam movimentar o distribuidor. São indispensáveis para filtros biológicos de altas
taxas, quanto maior a taxa de aplicação, maior deve ser o número de braços
distribuidores.
Bocais de aspersão fixos adaptam-se melhor ao terreno. A carga
hidrostática necessária, incluído à perda de altura nas câmaras de distribuições, é
de 1 a 2 m. As câmaras de distribuição são executadas em duplicata a fim de que
uma se encha enquanto a outra se esvazia. As variações de pressão durante a
descarga provocam uma distribuição um uniforme do líquido por toda superfície
correspondente por cada bocal. São utilizados para distribuição de esgoto em filtros
biológicos de baixa taxa.
4.6.7 Meio de Suporte
Meio de suporte é o enchimento dos filtros biológicos percolados, tem a
finalidade de suporte para o crescimento da biomassa, por onde escoa o esgoto. O
38
preenchimento utilizado depende principalmente da disponibilidade local de material
adequado e de seu custo de fabricação e transporte. Tradicionalmente, têm sido
utilizados pedras britadas, elementos cerâmicos, elementos em madeira, bambu,
blocos modulares de plástico, cilindros vazados de plástico, esferas perfuradas de
plástico entre outros materiais inertes.
Pessôa e Jordão (1995) ressaltam que material selecionado é
racionalmente arrumado nos tanques, de modo a permitir que o esgoto e o ar
possam circular fluentemente, mantendo o ambiente nas condições aeróbicas
favoráveis ao equilíbrio da cultura biológica. Para a escolha do tipo de enchimento
necessita-se do peso específico, da superfície específica e do índice de vazios. O
peso específico do meio suporte refere-se principalmente à questão estrutural do
filtro biológico. A superfície específica do meio suporte está relacionada com a área
de contato entre o líquido e o biofilme formado. O índice de vazios influencia a
circulação dos esgotos e do ar, por entre a camada suporte.
A extensão da superfície recoberta de película biologicamente ativa em 1
m³ de filtro depende da granulometria do meio. A granulação menor deverá ser mais
eficiente, pois, em 1 m³ de filtro, haverá maior superfície recoberta. A pedra britada
de 4 a 8 cm, por exemplo, possui uma superfície de 95 m²/m³, ao passo que a brita
entre 2,5 e 4 cm tem-na de 190 m²/m³, então 1 m³ de pedras de 3 cm de diâmetro
médio deveria ser capaz de tratar o dobro da vazão de esgoto que pode ser tratado
por 1 m³ de pedras de 6 cm. Contudo, sucede que cada interstício individual entre as
pedras de 3 cm vale só um oitavo do volume de cada interstício entre as pedras de 6
cm, devendo-se reconhecer que, a partir de determinado tamanho dos fragmentos,
há um limite, abaixo do qual não é mais possível haver espaço para a camada
biológica bem como a passagem de ar e esgoto.
De acordo com Karl & Klaus (1996), através de experiências práticas,
verificou-se que, com pedras de granulação mais fina, consegue-se uma eficiência
pouco mais elevada, no máximo de 50%. Por esse motivo, pode-se recomendar a
granulométrica adotada no Estados Unidos, entre 4 e 8 cm de diâmetro médio.
Recomenda-se manter a mesma granulométrica em toda profundidade do
filtro, com exceção das camadas inferiores, que podem ter diâmetros médios
maiores, pois assim servirão de suporte às camadas superiores e permitirão o
emprego de aberturas maiores nas placas do fundo.
39
Karl & Klaus (1996) adotam também o emprego de materiais mais
grosseiros nas camadas superiores, a fim de evitar formação de poças superficiais
oriundas do entupimento provocado pela proliferação excessiva de fungos.
Materiais sintéticos, por exemplo, plásticos oferecem índices de vazios de
90 a 97% e superfície especifica entre 80 a 500 m²/m³, enquanto pedra britada
possui índice de vazios de 50% e superfície específica 50 m²/m³ contra
aproximadamente 100 m²/m³ e 54% de índice de vazios e superfície especifica da
escória de alto forno.
Henze & Harremöes (1983) ressaltam que o material plástico apresenta
duas grandes vantagens além do índice de vazios e a superfície especifica, eles
permitem maior acúmulo de sólidos biológicos e minimizam a formação de zonas
mortas.
Já para os filtros com fluxo descendente, a superfície específica do meio
suporte desempenha papel mais significativo. Young (1990) recomenda que o meio
suporte ocupe entre 50 a 70% do volume dos filtros e que sua superfície específica
seja superior a 100 m²/m³. Estudos sobre a adesão de bactérias metanogênicas em
diferentes
superfícies
poliméricas
têm
indicado
que
a
maioria
desses
microorganismos adere preferencialmente a superfícies hidrofóbicas (VERRIER,
1988).
A altura do enchimento tem, igualmente, relação com a concentração dos
esgotos: quanto maior a concentração, tanto maior deve se a altura, a fim de
aumentar a extensão de percolação bem como o tempo de detenção. Além disso, a
capacidade de depuração de um filtro aumenta com sua altura. De maneira geral,
pode-se recomendar para o futuro a adoção de filtros mais altos, desde que consiga
uma boa ventilação através da soleira (KARL e KLAUS, 1996).
4.6.8 Sistema de Drenagem
O sistema de drenagem de fundo de um filtro biológico consiste de uma
laje perfurada, ou de grelhas confeccionadas em material resistente, e de um
conjunto de calhas localizadas na parte inferior do filtro. O sistema possibilita a
coleta do líquido percolado e dos sólidos desprendidos do meio suporte e ainda
40
permite o escoamento do ar atmosférico e a transferência do oxigênio requerido pelo
processo aeróbio (SANTOS, 2005).
Karl & Klaus (1996), comentam que a construção do sistema de
drenagem ou soleira do filtro, deve ser executada de tal forma que a água possa
escoar facilmente, sem permitir a sedimentação dos sólidos. Na maioria das vezes,
constrói-se um fundo falso: a placa superior sustenta o meio filtrante e é perfurada
por fendas ou orifícios, já a placa do fundo é destinada ao escoamento da água e,
com tal finalidade, é dotada de canaletas. Entre as duas placas fica o espaço para a
circulação do ar.
Para evitar possíveis problemas, a soleira do filtro deve ser aberta em
ambas às extremidades, de forma a possibilitar a inspeção e a eventual limpeza com
jatos de água.
4.6.9 Ventilação
A ventilação dos filtros é importante para se manter as condições
aeróbias necessárias para o efetivo tratamento dos despejos pela via aeróbia. Se
propiciadas passagens adequadas para o ar, a diferença entre temperaturas do ar e
do líquido é considerada suficiente para produzir a aeração necessária.
Segundo Karl & Klaus (1996), as aberturas para a passagem do ar
através da soleira devem ser dimensionadas de maneira a permitir uma corrente de
ar vertical, que poderá circular de cima para baixo ou de baixo para cima,
considerada suficiente para abastecer a atividade anaeróbica, que fica em torno de
0,3 m/mim, tendo que se adotar uma área de abertura de 1 a 5% da área do filtro.
Para passagem da corrente de ar, pela laje de sustentação do material de
enchimento, deve-se ter uma área de vazios correspondente a 15% da área
horizontal do filtro.
A ventilação natural pode ser efetuada a partir da superfície nos filtros de
pequena altura (até cerca de 1 m de profundidade), sendo que os processos
biológicos exercem uma ação de aspiração sobre o oxigênio do ar externo.
Nos filtros de maior profundidade, a renovação do ar a partir da superfície
é insuficiente. É necessário haver uma corrente de ar, que se realiza verticalmente
41
de cima para baixo, ou de baixo para cima, conforme a densidade do ar no interior
do filtro seja menor ou maior que a do ar circundante. A temperatura do ar interno se
iguala quase que exatamente à do esgoto percolado, sendo mais fria no inverno,
portanto menos densa, e no verão mais quente que o ar ambiente, fazendo que o
sentido do fluxo de ar seja no inverno de baixo para cima e no verão de cima para
baixo (KARL e KLAUS, 1996).
Halvorson (1936) verificou que uma diferença de temperatura de 6ºC
provoca uma corrente de 0,3 m³/m² por minuto, no sentido descendente, sendo
interrompida quando a diferença de temperatura fica em 2ºC, abaixo deste ponto o
sentido do ar fica ascendente.
Pode se empregar a ventilação forçada, em casos que a natural não seja
suficiente, podendo ser introduzida ou aspirada pela soleira, não tendo à menor
influência sobre a eficiência do filtro comparando com a ventilação natural.
Figura 2 - Circulação de ar no interior de um filtro biológico.
FONTE: Karl & Klaus, Manual de Tratamento de Águas Residuárias (1996).
42
4.7 Biofilme
A comunidade biológica que se fixa no meio de suporte dos filtros
biológicos é denominada de biofilme e se constitui por bactérias de espécies como
Achromobacter, Flavobacterium, Pseudomonas, Alcaligenes.
Em todos os reatores com biomassa fixa os processos metabólicos de
conversão ocorrem no interior do biofilme. O transporte de substratos se realiza
através de processos de difusão, inicialmente através do filme líquido na interface
líquido/biofilme e, em seguida, através do próprio biofilme. Os produtos das reações
de oxiredução são transportados no sentido inverso, ao exterior do biofilme. Tanto o
substrato doador quanto o receptor de elétrons devem penetrar o biofilme para que a
reação bioquímica se processe (GONÇALVES, 2005).
Figura 3 - Representação esquemática de um biofilme, adaptado de METCALF & EDDY (1991),
Von Sperling (1996).
FONTE: Ana Silva, Avaliação de Desempenho de um Filtro Biológico Percolado em Diferentes
Meios Suporte Plástico (2005).
43
Figura 4 - Mecanismos e processos envolvidos com o transporte e degradação do substrato em
biofilmes.
FONTE: Gonçalves, set al. (2005).
Neste contexto, a quantificação das limitações à transferência de massa
assume importância significativa para que se possa projetar reatores que
apresentem melhor desempenho. Esse desempenho está diretamente relacionado
com a minimização dessas limitações, pois a velocidade global de reação nesses
sistemas heterogêneos pode ser reduzida devido à transferência de massa entre as
fases (GONÇALVES, 2005).
Em muitos sistemas aeróbios, a velocidade de transferência de oxigênio
para as células é o fator limitante, que determina a velocidade de conversão
biológica. A disponibilidade de oxigênio para os microorganismos depende da
solubilidade e da transferência de massa, bem como da velocidade com que o
oxigênio dissolvido é utilizado. Em reatores com biofilme, utilizados para póstratamento de efluentes anaeróbios, os mecanismos de transporte envolvem
oxigênio e nitrogênio amoniacal (O2 e N – NH+4), além de intermediário (N – NO-2) e
produto final ( N – NO-3).
Segundo Chisti (1989), o oxigênio, por ser pouco solúvel em água, tornase freqüentemente o fator limitante em processos aeróbios. As principais etapas de
transporte de oxigênio são ilustradas na Figura 4.4, na qual são identificadas oito
possíveis estruturas resistivas à transferência de massa.
44
Figura 5 - Diagrama esquemático das etapas envolvidas no transporte de oxigênio. (Adaptado de
BAILEY e OLLIS, 1986 por FAZOLO, A., 2000).
FONTE: Gonçalves, Pós-Tratamento de Efluentes de Reatores Anaeróbicos por Reatores de
Biofilme, (2005).
As resistências consideradas nos sistemas são segundo Franci, (2005):
1 - no filme gasoso dentro da bolha, entre o seio do gás na bolha e a
interface gás-líquido;
2 - na interface gás-líquido;
3 - no filme líquido, próximo à interface gás-líquido, entre essa interface e
o meio líquido;
4 - no meio líquido;
5 - no filme líquido, entre o meio líquido e a interface líquido-sólido
(resistência externa);
6 - na interface líquido-sólido;
7 - na fase sólida (resistência interna);
8 - nos sítios de reação bioquímica (dentro dos microorganismos).
A magnitude relativa dessas resistências depende da hidrodinâmica da
bolha, da solubilidade do oxigênio, da temperatura, da atividade celular, da
composição da solução e de fenômenos interfaciais (BAILEY E OLLIS, 1986).
Portanto, a profundidade de penetração da dupla redox de substratos no biofilme é
de fundamental importância na determinação da taxa global de degradação no
45
reator. A situação ideal corresponde a um biofilme completamente penetrado pelos
dois substratos, resultando numa reação limitada exclusivamente pela taxa máxima
da reação bioquímica.
Entretanto, o caso mais comum no tratamento de esgotos sanitários é a
penetração parcial de, pelo menos, um dos dois substratos em um biofilme espesso,
causada por uma taxa volumétrica intrínseca de degradação elevada e uma grande
resistência à difusão no biofilme. Neste caso, apenas a fina camada mais externa do
biofilme será ativa com relação à reação em questão, restando biomassa inativa nas
camadas mais profundas. Uma reação bioquímica intrinsecamente de ordem zero se
transforma em ordem ½, diminuindo a taxa superficial de degradação global
(GONÇALVES ,2005).
Por outro lado, as condições hidrodinâmicas severas nos biofiltros
propiciam o desenvolvimento de um biofilme fino e muito ativo, sobretudo nas
camadas do leito filtrante que não entram em contato com o esgoto decantado.
Cargas hidráulicas de 2 m³/m².h (esgoto) e 15 m²/m³.h (ar) são comumente
praticadas no tratamento secundário, resultando num meio granular trifásico
submetido à elevada turbulência. A associação da turbulência e da elevada
velocidade do líquido controla a espessura do biofilme e diminui a resistência à
difusão no filme líquido. Além disto, elevadas vazões de ar aumentam a
concentração de oxigênio na fase líquida, facilitando a sua difusão no biofilme.
De acordo com Characklis (1991), citado por Gonçalves (2005), o
desprendimento da película é o principal fator que influencia o desempenho de um
sistema de biofilme e ainda distingue o desprendimento causado por erosão e por
cisalhamento.
O cisalhamento está relacionado a esporádicos desprendimentos de
maiores fragmentos de película, resultante de alterações dentro do próprio biofilme.
O cisalhamento é normalmente observado quando há grande concentração de
substrato e escoamento não turbulento. Characklis (1991) afirma que o processo de
cisalhamento está mais relacionado ao desempenho dos filtros biológicos
percolados do que a erosão, mas ressalta que os fenômenos de erosão e
cisalhamento não são necessariamente excludentes. Quando o biofilme é espesso,
as forças de erosão certamente atuarão com maior facilidade e o oposto também se
verificará.
46
Ramalho (1983), comenta que a espessura da camada de biofilme está
compreendida entre 0,1 e 2,0 mm. Acima de 2,0 mm cria-se um efeito prejudicial
para o filtro, podendo representar um relevo, prejudicando o escoamento do efluente
e a transferência de oxigênio aos microorganismos aeróbios.
4.8 Parâmetros de Projeto
Os parâmetros de dimensionamento de um filtro biológico percolador são
a taxa de aplicação superficial hidráulica e a taxa de aplicação orgânica volumétrica,
que também são os critérios de classificação em baixa taxa, taxa intermediária e alta
taxa, como demonstrado na Tabela 1.
4.8.1 Taxa de Aplicação Hidráulica
A taxa de aplicação hidráulica superficial refere-se à quantidade de
esgotos aplicados diariamente ao filtro, por unidade de área do meio suporte.
Qs: taxa de aplicação hidráulica superficial (m³/m².d)
Q: vazão afluente (m³/d)
A: área da superfície livre do meio suporte (m²)
Para filtros de alta taxa, a carga hidráulica é muito importante para que
ocorra o efeito de lavagem, necessário para este tipo de filtro.
Fruto das pesquisas realizadas no âmbito do PROSAB, com filtros
biológicos de alta taxa utilizados para o pós-tratamento de efluentes de reatores
UASB, tem-se observado que os FBP são capazes de produzir efluentes que
atendem aos padrões de lançamento estabelecidos pelos órgãos ambientais, em
47
termos de concentração de DBO e sólidos suspensos, quando os mesmos são
operados com taxas de aplicação hidráulica superficial máximas da ordem de 20 a
30 m³/m² dia.
4.8.2 Taxa de Aplicação Orgânica
A carga orgânica volumétrica refere-se à quantidade de matéria orgânica
aplicada diariamente ao filtro biológico, por unidade de volume do meio suporte.
Cv: carga orgânica volumétrica (kgDBO/m³.d)
Qméd: vazão média afluente (m³/d)
Sa: concentração de DBO do esgoto afluente (kgDBO/m³)
V: volume ocupado pelo meio suporte (m³)
Da mesma forma que para a taxa de aplicação superficial, as pesquisas
realizadas no âmbito do PROSAB têm indicado que os FBP são capazes de produzir
efluentes que atendem aos padrões de lançamento estabelecidos pelos órgãos
ambientais, em termos de concentração de DBO, quando os mesmos são operados
com cargas orgânicas volumétricas máximas da ordem de 0,5 a 1,0 kgDBO/m³.d.
48
5 MODELOS MATEMÁTICOS PARA DIMENSIONAMENTO
O propósito das fórmulas de projeto é obter uma relação entre sua
eficiência, a carga hidráulica, aplicação orgânica, as características e altura do meio
de suporte.
Os modelos matemáticos existentes para dimensionamento dos filtros
biológicos são diferenciados pelos critérios, onde existem fórmulas que se
referenciam em critérios empíricos, baseadas em correlação de dados operacionais
resultantes de experiências realizadas sobre um grande número de leitos
percoladores. Outras formulações de dimensionamento voltadas para os critérios
racionais, baseadas em interpretação teórica dos resultados experimentais, tendo sido
atualmente mais utilizadas para dimensionamento do meio de suporte plástico.
5.1 Fórmula do NRC – National Research Council
Fórmula do NRC é um critério empírico, resultante de extensa análise de
registros operacionais de 34 estações de tratamento de esgotos de instalações
militares, que utilizavam a tecnologia da filtração biológica com meio suporte de
pedra.
A análise de dados leva à conclusão de que a interação entre a biomassa
e a matéria orgânica depende das dimensões do filtro e da recirculação do efluente,
uma vez que do efetivo contato entre as partes, depende a maior eficiência do
processo. Conclui também que a aplicação de maior carga orgânica resulta em
menor eficiência, enfatizando como principal característica do processo a
dependência do contato efetivo com a carga orgânica aplicada (SANTOS, 2005).
49
onde:
E = Eficiência de remoção de DBO5 (%)
TAO = Taxa de Aplicação Orgânica (kgDBO/m³.d)
F = Fator de recirculação
r = Razão entre a vazão de recirculação (Qr) e vazão afluente (Qa).
Metcalf & Eddy (2003) relatam que para a utilização de filtros biológicos
com meio suporte plástico, deve-se utilizar esta expressão com ressalvas, visto que
não há ainda informações consolidadas para tal.
5.2 Critério de Eckenfelder
Eckenfelder relacionou de maneira racional a remoção da DBO, expressa
pela porcentagem da DBO remanescente (DBOefl/DBOafl) com a profundidade do
meio suporte e com a carga hidráulica aplicada.
onde:
DBOefl = DBO afluente ao filtro (mg/l)
DBOafl = DBO efluente ao filtro (mg/l)
H = Profundidade do meio suporte (m)
K, n = constantes de reação, função do tipo de meio suporte e da
superfície específica
50
TAS = Taxa de aplicação superficial ou carga hidráulica aplicada
(m³/m².d).
De acordo com o meio suporte utilizado, a constante n varia entre 0,2 e
1,1, sendo o valor médio de 0,5 razoavelmente aceito. Já o valor de K, depende do
tipo de material suporte e da sua superfície específica. Pode ser determinado em
laboratório ou em escala piloto; cada tipo de meio plástico industrializado apresenta
especificamente seus respectivos coeficientes de remoção (METCALF e EDDY,
2003).
Para avaliação da eficiência dos meios filtrantes, Eckenfelder relaciona a
altura do meio de suporte com a carga hidráulica aplicada.
Onde:
D = altura do leito (m)
Ch = Carga hidráulica (m³/m².dia)
K, m, n = Constante
E = Eficiência.
5.3 Coeficiente de Remoção K
O valor do coeficiente de remoção de DBO deve ser ajustado para a
profundidade e taxa de carregamento orgânico.
51
Onde:
k2 = valor de k para determinado meio de suporte, profundidade e
concentração de DBO
k1 = valor determinado por Dow Chemical Company
S1 = 150 g DBO/m³
S2 = concentração do afluente
D1 = 6,1 m, profundidade do enchimento
D2 = profundidade do enchimento proposto.
Dow Chemical Company em estudos com filtros pilotos com diferentes
águas residuárias, determinou o valor para k1 para esgoto doméstico igual a 0,210
(METCALF & EDDY, 2003).
52
6 METODOLOGIA
6.1 Escolha do material de enchimento
Para enchimento do filtro biológico percolado utilizou-se conduítes
plástico corrugado, cortados com 5 centímetros de comprimento, com a finalidade de
aumentar a superfície específica por unidade de volume.
6.1.1 Diâmetro dos Conduítes
Com base no referencial teórico, optou-se por três diâmetros diferentes
para avaliação dos índices de vazios e superfícies específicas.
1 – Conduíte Ø 9 cm
2 – Conduíte Ø 5,5 cm
3 – Conduíte Ø 4 cm
Figura 6 – Conduítes Corrugado.
FONTE: Do Autor ( 2009).
53
6.1.2 Procedimento para Definição dos Índices de Vazios
Para definição do índice de vazio, utilizou-se um recipiente de plástico na
qual a área superficial não variava com o acréscimo da altura. Para medir a altura da
água a ser despejada no recipiente, fixo-se uma régua graduada numa das laterais,
tendo o zero da régua colocado no fundo do recipiente. Enchendo o recipiente com
água e medindo sua altura na régua, obtêm o volume de água. Com o volume
existente conhecido, despejaram-se os conduítes e medindo novamente na régua a
nova altura da água, obtendo um segundo volume. Dividindo-se o volume inicial pelo
volume final, obteve-se o índice de vazios de cada diâmetro listados na tabela
abaixo.
Tabela 2 – Índice de vazios conduítes corrugados.
Diâmetro
Índice de Vazios (%)
Ø 4,0 cm
95,20 %
Ø 5,5 cm
96,26 %
Ø 9,0 cm
97,03 %
54
Figura 7 – Recipiente Plástico com Régua Graduada Fixada.
FONTE: Do Autor ( 2009).
6.1.3 Procedimento para Definição da Superfície Específica
Já com a superfície especifica, empregou-se o paquímetro para coleta de
medidas com precisão e software de computação gráfica (AutoCad) para o desenho
da corrugação dos conduítes, seguindo os seguintes passos.
1 – Corte dos conduítes com comprimento de 50 mm
2 – Coletas das medidas com o paquímetro
3 – Representação gráfica dos conduítes e suas ondulações no programa
4 – Determinação do comprimento total.
55
Figura 8 – Representação gráfica do conduíte Ø 4,0 cm.
FONTE: Do Autor ( 2009).
Conhecendo o comprimento total de cada diâmetro fornecido pelo
programa (por exemplo, 68,32 mm para o conduíte de Ø 4,0 cm), e aplicando na
fórmula abaixo, obtêm a superfície especifica para cada bitola.
Ajustando a fórmula para o material utilizado fica:
Onde:
SExp = Superfície específica (m²/m³)
2 = Refere-se à superfície interna e externa do conduíte
Ct = Comprimento total
r = Raio
0,05 = Comprimento do conduíte cortado em metros.
56
Tabela 3 – Superfície Especifica.
Comprimento do
Comprimento
Superfície
Diâmetro mm
Conduíte Cortado mm
Total mm
Especifica m²/m³
Ø 40
50
68,32
304,48
Ø 55
50
91,10
205,11
Ø 90
50
88,20
118,77
Analisando a Tabela 3, com base no referencial teórico, confirmou-se que
ao aumentar o diâmetro do meio de suporte, a superfície específica foi reduzida,
sendo adotado para preencher o filtro biológico percolado em escala piloto o
conduíte corrugado de 4,0 cm de diâmetro, tendo a maior superfície específica entre
as granulometrias propostas.
6.2 Considerações para o Dimensionamento do Filtro Biológico em Escala
Piloto
O dimensionamento do protótipo de um filtro biológico percolado, partiu
inicialmente das limitações dos materiais de envolvimento e sustentação do meio de
suporte. Tendo em vista que o protótipo teria que ser leve e de fácil manuseio,
optou-se por construí-lo a partir de um tubo de PVC rib loc de Ø 50 cm e 220 cm de
comprimento, que oferece rigidez suficiente para suportar o peso dos conduítes.
Analisando o local de instalação autorizado pela CASAN, percebeu-se
que o sistema de tratamento existente não estava em funcionamento, tendo
somente a coleta do esgoto residencial, fazendo com que o efluente a ser aplicado
no filtro não passe por um tratamento inicial. Prevendo possíveis entupimentos no
sistema de armazenamento, avaliou-se a menor vazão de saída do reservatório,
sem que haja obstrução do fornecimento de esgoto para o dimensionamento dos
parâmetros de projeto e eficiência.
57
Tabela 4 – Detalhes Construtivos do Filtro Biológico Percolado.
Altura Total
2,20 m
Diâmetro
0,50 m
Área Superficial
0,196 m²
Profundidade do Enchimento
1,30 m
Volume do Enchimento
0,255 m³
Altura do Sistema de Distribuição
0,30 m
Profundidade do Sistema de
Drenagem e Ventilação
0,60 m
Vazão Média
3,357 m³/dia
Figura 9 – Protótipo Filtro Biológico Percolado.
FONTE: Do Autor ( 2009).
58
Figura 10 – Meio de Suporte em Plástico Corrugado.
FONTE: Do Autor ( 2009).
Figura 11 – Vista Interna Filtro Biológico.
FONTE: Do Autor ( 2009).
59
Figura 12 – Sistema de Distribuição.
FONTE: Do Autor ( 2009).
Conhecendo as características do modelo proposto, determinaram-se os
parâmetros de projeto.
6.2.1 Cálculo da Taxa de Aplicação Hidráulica
Diâmetro do filtro = 0,5 m;
Vazão média = 3,357 m³/dia;
60
Taxa de aplicação hidráulica:
6.2.2 Cálculo da Taxa de Aplicação Orgânica
Vazão média = 3,356 m³/dia;
Concentração DBO do esgoto = 0,3 Kg/m³;
Volume do meio de suporte = 0,196 m³
Analisando suas taxa de aplicação hidráulica e orgânica, de acordo com a
classificação da tabela 1, o protótipo do filtro biológico percolado fica enquadrado
como de alta taxa.
61
6.2.3 Determinação do Coeficiente de Remoção K
Coeficiente de remoção de DBO K, para o filtro biológico em estudo;
K1 = 0,210
S1 = 150 g DBO/m³
S2 = 300 g DBO/m³
D1 = 6,1 m
D2 = 1,30.
6.2.4 Determinação da Eficiência
D = 1,30 m
Ch = 17,128 m³/m².dia
K = 0,322
m, n = 0,5
62
6.3 Estação de Tratamento de Esgoto
Localizada no bairro Montevideo no município de Criciúma, Santa
Catarina. Recebe esgoto doméstico proveniente de aproximadamente 200
residências. Seu sistema de tratamento consiste em lodo ativado contínuo com
tanque de aeração e decantação secundária. No entanto a ETE não está em
operação por falta de manutenção, ocasionando que o afluente aplicado ao filtro seja
esgoto in natura, sem tratamento preliminar.
63
Figura 13 – Estação de Tratamento de Esgoto Bairro Montevideo.
FONTE: Do Autor (2009).
Figura 14 – Gradeamento Grosseiro, Caixa de Areia e Poço de Visita.
FONTE: Do Autor (2009).
64
6.4 Instalação e Monitoramento do Filtro Biológico Percolado.
A planta do sistema de tratamento consiste basicamente em três etapas,
recalque do esgoto, armazenamento e distribuição para o sistema de tratamento.
Figura 15 – Diagrama do Sistema de Tratamento.
FONTE: Do Autor (2009).
O esgoto coletado chega ao poço de visita vindo do gradeamento
grosseiro. Do poço de visita o efluente é bombeado para o reservatório de 500 litros,
onde seu volume é controlado por duas chaves de nível, uma localizada no poço de
visita, que controla o nível mínimo para que a bomba não ligue sem esgoto, e a
segunda no reservatório, monitorando o seu nível mínimo e máximo. No
reservatório, o primeiro registro regula a vazão de saída para o filtro e o segundo
tem a função de drenar o material decantado no fundo. O monitoramento da
unidade, feito diariamente, é demonstrado na tabela abaixo.
65
Tabela 5 – Monitoramento do Filtro.
Data da
Problema
Visita
Descrição da Visita
Encontrado
Solução Adotada.
24/03/09
Visita a estação de
Bomba de recalque
Implantação de uma
tratamento do bairro
da ETE queimada.
bomba de recalque no
08/04/09
Montevideo, para
poço de visita para
definir posição do filtro
alimentação do
e reservatório.
reservatório.
Implantação do filtro
biológico percolado.
09/04/09
Start do filtro.
10/04/09
Visita de
Bomba de recalque
Implantação de uma
monitoramento.
trabalhando sem
chave de nível no
esgoto.
poço de visita.
Visita de
Entupimento do
Limpeza dos furos de
Monitoramento
sistema de
esguicho.
13/04/09
distribuição.
14/04/09
Visita de
Entupimento do
Limpeza dos furos de
Monitoramento
sistema de
esguicho.
distribuição.
15/04/09
Visita de
Entupimento do
Troca do sistema de
Monitoramento
sistema de
distribuição.
distribuição.
20/04/09
25/04/09
Visita de
Entupimento do registro
Limpeza do
Monitoramento
de saída para o filtro.
reservatório.
Visita de
Entupimento do registro
Implantação de um
Monitoramento
de saída para o filtro.
segundo registro mais
elevado, para
decantação do material
grosseiro.
66
27/04/09
Coleta de esgoto na
entrada do filtro para
análise.
04/05/09
Coleta de esgoto da
saída do filtro para
análise.
17/05/09
Visita de
Excesso de material
Limpeza do
Monitoramento
decantado no
reservatório.
reservatório.
19/05/09
Coleta de esgoto da
saída do filtro para
análise.
20/05/09
Visita de
Excesso de material no
Limpeza do sistema de
Monitoramento
sistema de distribuição.
distribuição para evitar
possíveis entupimentos.
Figura 16 – Sistema de distribuição substituído no monitoramento do dia 15/04/05.
FONTE: Do Autor (2009).
67
6.5 Parâmetros Analisados
Decorridos 18 dias do início da operação do filtro, foram coletadas as
primeiras amostras, encaminhadas para o IPAT onde foram submetidas aos ensaios
apresentados na tabela 6.
Tabela 6 – Parâmetros analisados.
Parâmetro
Método de Análise
DQO (mg.L-1)
Refluxo aberto com dicromato
DBO (mg.L-1)
Teste DBO por 5 dias
Sólidos Suspensos (mg.L-1)
Gravimétrico
Sólidos Totais (mg.L-1)
Gravimétrico
Sólidos Sedimentáveis (mL.L-1)
Cone de Imnhoff
Turbidez (NTU)
Nefelométrico
7 RESULTADOS
Resultados das análises realizadas no dia 04/05/09.
Tabela 7 – Resultados da amostra coletada no poço de visita (Anexo 1).
Valor Máximo
Mínimo
Parâmetro
Resultado
Permitido (1)
Detectável
DQO (mg.L-1)
913,0
(Obs: 2)
0,5
DBO (mg.L-1)
456
60
1
Sólidos Suspensos (mg.L-1)
180
(Obs: 2)
1
Sólidos Totais (mg.L-1)
692
(Obs: 2)
1
Sólidos Sedimentáveis (mL.L-1)
0,8
1,0
0,1
Turbidez (NTU)
216,0
(Obs: 2)
0,1
Obs: (1) = Valores máximos permitidos segundo a Legislação Ambiental de Santa Catarina
– Decreto n° 14250, de 05 de junho de 1981, Art. 19 – Emissão de Efluentes Líquidos.
(2) = Parâmetros não contemplados para esta legislação.
68
Tabela 8 – Resultados da amostra coletada na saída do reservatório (Anexo 2).
Valor Máximo
(1)
Mínimo
Parâmetro
Resultado
DQO (mg.L-1)
640,2
(Obs: 2)
0,5
DBO (mg.L-1)
343
60
1
Sólidos Suspensos (mg.L-1)
172
(Obs: 2)
1
Sólidos Totais (mg.L-1)
606
(Obs: 2)
1
Sólidos Sedimentáveis (mL.L )
0,2
1,0
0,1
Turbidez (NTU)
172,5
(Obs: 2)
0,1
-1
Permitido
Detectável
Obs: (1) = Valores máximos permitidos segundo a Legislação Ambiental de Santa Catarina
– Decreto n° 14250, de 05 de junho de 1981, Art. 19 – Emissão de Efluentes Líquidos.
(2) = Parâmetros não contemplados para esta legislação.
Tabela 9 – Resultados da amostra coletada na saída do filtro (Anexo 3).
Valor Máximo
(1)
Mínimo
Parâmetro
Resultado
DQO (mg.L-1)
699,0
(Obs: 2)
0,5
DBO (mg.L-1)
259
60
1
Sólidos Suspensos (mg.L-1)
220
(Obs: 2)
1
Sólidos Totais (mg.L-1)
773
(Obs: 2)
1
Sólidos Sedimentáveis (mL.L-1)
2,0
1,0
0,1
Turbidez (NTU)
300,0
(Obs: 2)
0,1
Permitido
Detectável
Obs: (1) = Valores máximos permitidos segundo a Legislação Ambiental de Santa Catarina
– Decreto n° 14250, de 05 de junho de 1981, Art. 19 – Emissão de Efluentes Líquidos.
(2) = Parâmetros não contemplados para esta legislação.
69
Resultados das análises realizadas no dia 19/05/09.
Tabela 10 – Resultados da amostra coletada na saída do reservatório (Anexo 4).
Valor Máximo
Parâmetro
Resultado
-1
Permitido
(1)
Mínimo
Detectável
DQO (mg.L )
1.492,5
(Obs: 2)
0,5
DBO (mg.L-1)
369
60
1
Sólidos Suspensos (mg.L-1)
816
(Obs: 2)
1
Sólidos Totais (mg.L-1)
1.418
(Obs: 2)
1
Sólidos Sedimentáveis (mL.L-1)
10,0
1,0
0,1
Turbidez (NTU)
507,5
(Obs: 2)
0,1
Obs: (1) = Valores máximos permitidos segundo a Legislação Ambiental de Santa Catarina
– Decreto n° 14250, de 05 de junho de 1981, Art. 19 – Emissão de Efluentes Líquidos.
(2) = Parâmetros não contemplados para esta legislação.
Tabela 11 – Resultados da amostra coletada na saída do filtro (Anexo 5).
Valor Máximo
(1)
Mínimo
Parâmetro
Resultado
DQO (mg.L-1)
1.190,8
(Obs: 2)
0,5
DBO (mg.L-1)
347
60
1
Sólidos Suspensos (mg.L-1)
408
(Obs: 2)
1
Sólidos Totais (mg.L-1)
914
(Obs: 2)
1
Sólidos Sedimentáveis (mL.L )
4,0
1,0
0,1
Turbidez (NTU)
325,0
(Obs: 2)
0,1
-1
Permitido
Detectável
Obs: (1) = Valores máximos permitidos segundo a Legislação Ambiental de Santa Catarina
– Decreto n° 14250, de 05 de junho de 1981, Art. 19 – Emissão de Efluentes Líquidos.
(2) = Parâmetros não contemplados para esta legislação.
70
8 ANÁLISE DOS DADOS
As Figuras de 17 à 21 representam os resultados da análise laboratorial
das coletas realizadas em 04/05/2009 e 19/05/2009, respectivamente. As amostras
foram coletadas no poço de visita (1); na saída do reservatório (2) e na saída do filtro
biológico (3).
Figura 17 – Concentração de DQO em mg/L nas coletas realizadas para avaliação do filtro
biológico onde (1) poço de visita; (2) saída do reservatório e (3) saída do filtro biológico.
FONTE: Do Autor (2009).
Para a segunda análise, não foi realizado coleta na entrada da ETE ou
poço de visita (1), presumindo-se que o efluente que chega à estação de tratamento
não teria variações bruscas.
71
Figura 18 – Concentração de DBO em mg/L nas coletas realizadas para avaliação do filtro
biológico onde (1) poço de visita; (2) saída do reservatório e (3) saída do filtro biológico.
FONTE: Do Autor (2009).
Figura 19 – Concentração de sólidos suspensos DQO em mg/L nas coletas realizadas para
avaliação do filtro biológico onde (1) poço de visita; (2) saída do reservatório e (3) saída do filtro
biológico.
FONTE: Do Autor (2009).
72
Figura 20 – Concentração de sólidos totais DQO em mg/L nas coletas realizadas para avaliação
do filtro biológico onde (1) poço de visita; (2) saída do reservatório e (3) saída do filtro biológico.
FONTE: Do Autor (2009).
-1
Figura 21 – Concentração de sólidos sedimentáveis em ml.L nas coletas realizadas para
avaliação do filtro biológico onde (1) poço de visita; (2) saída do reservatório e (3) saída do filtro
biológico.
FONTE: Do Autor (2009).
73
Figura 22 – Resultados Turbidez.
FONTE: Do Autor (2009).
Com base na primeira análise, com 18 dias de funcionamento do filtro
biológico, desde o start até a primeira coleta do efluente, obteve-se uma eficiência
de funcionamento acima dos padrões esperados, visto que a eficiência calculada
para os padrões de taxa de aplicação hidráulica e orgânica que o filtro foi submetido
foi de 8,15% para remoção da DBO e a eficiência demonstrada na análise de
24,49% de remoção da DBO. Também os indicadores de sólidos totais, suspensos e
sedimentáveis se apresentaram coerentes para um filtro biológico percolado de alta
taxa, demonstrando o crescimento do biofilme no meio de suporte.
Avaliando os resultados da segunda análise, realizada 33 dias após o
start do filtro se esperava uma colônia de bactérias mais desenvolvidas em função
do tempo de exposição do biofilme ao esgoto percolado e, portanto, a eficiência
apresentada seria maior ou igual ao dos resultados da primeira coleta.
No entanto, a eficiência obtida foi de 5,96% de remoção de DBO que,
apesar de não ser muito distante da eficiência calculada, foi bem menor que aquela
obtida na primeira coleta. Também os indicadores sólidos totais, sólidos suspensos,
sólidos sedimentáveis e turbidez obtiveram uma redução nos valores, apresentando
74
comportamento totalmente inverso dos resultados da primeira coleta. Tal
comportamento não é comum em filtros de alta taxa, já que o mesmo não tem
acúmulo de lodo no seu interior, contrapondo aos resultados apresentados, visto que
pela diminuição dos sólidos totais na saída do filtro demonstra como se o mesmo
estivesse retendo material no seu interior, característica de um filtro de baixa taxa.
A provável explicação para esse comportamento é que em função da alta
taxa de aplicação hidráulica, tenha ocorrido o efeito denominado de lavagem, que
arrastou grande quantidade de biofilme, prejudicando sua eficiência de depuração,
tendo que reter parte dos sólidos para a formação do novo biofilme.
Outra provável hipótese para esta variação dos resultados refere-se à
amostra coletada na saída do reservatório. Como a seqüência para coleta da
amostra consiste primeiramente na coleta da saída do filtro, e logo após a coleta da
saída do reservatório, ocorreu que entre o espaço de tempo que se coletou o
efluente do filtro, a bomba de recalque localizada no poço de visita, foi acionada,
bombeando esgoto para o reservatório, fazendo com que se movimente o material
decantado no fundo do reservatório. Desta forma, o efluente bruto na segunda
coleta, apresentaria uma qualidade diferente daquele mostrado na primeira
campanha, o que consequentemente, impossibilita a comparação dos dados
obtidos.
Portanto, conclui-se que os resultados obtidos a partir da primeira
amostragem demonstram a viabilidade na utilização do filtro biológico percolado com
enchimento de material em PVC corrugado, tendo eficiência acima da teórica na
remoção da matéria orgânica (DBO), e comprovando a existência de um biofilme
fino e muito ativo.
No entanto, considera-se a necessidade de confirmação dos parâmetros
obtidos, realizando-se um número maior de amostragem a fim de avaliar
estatisticamente os dados.
75
9 CONCLUSÃO E RECOMENDAÇÕES
Considerando o meio de suporte proposto, onde se obteve o índice de
vazios elevados evitando entupimentos, sua superfície específica aumentou a área
de contato do biofilme com o esgoto percolado. No entanto, o custo desse meio de
suporte é de 512,94 reais por metro cúbico de enchimento, ficando muito superior
aos de outros materiais, como a pedra britada que é de 54 reais metro cúbico, por
exemplo. Porém se analisarmos a construção do filtro, o enchimento em plástico terá
uma estrutura de suporte menos robusta que a pedra, pelo seu peso específico ser
menor, tendo um custo de construção e manutenção reduzido, compensando o seu
elevado preço de enchimento.
Com relação ao filtro biológico que é indicado para tratamento secundário,
sendo submetido aplicação de esgoto bruto, não teve um bom funcionamento, visto
que a grande quantidade de sólidos grosseiros entupiam a saída do reservatório e o
sistema de distribuição, prejudicando o funcionamento.
No entanto, a eficiência do filtro biológico com enchimento em plástico
corrugado não pode ser definida, pois os resultados das duas análises executadas
apresentaram discordâncias.
Para a um funcionamento adequado do filtro com o meio de suporte
proposto, recomendam-se as seguintes modificações:
Aplicar efluente que tenha passado pelo tratamento primário;
Ajustar taxa de aplicação hidráulica e orgânica;
Implantação de um decantador na saída do filtro;
Tempo de funcionamento prolongado;
Implantação da recirculação da biomassa;
Maiores números de análises.
Obtendo os resultados das análises e comparando seus dados
estatisticamente, pode-se definir a real eficiência do filtro com o meio de suporte em
plástico corrugado, podendo reduzir custos de construção das estações de
tratamento.
76
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ANEXO I
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ANEXO II
82
ANEXO III
83
ANEXO IV
84
ANEXO V
85
ANEXO VI
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