22º Congresso Brasileiro de Engenharia Sanitária e Ambiental 14 a 19 de Setembro 2003 - Joinville - Santa Catarina II-074 - COMPARAÇÃO DE MEIOS SUPORTE EM REATOR AERÓBIO UTILIZADO COMO PÓS-TRATAMENTO DE EFLUENTE ANAERÓBIO SEGUIDO DE OZONIZAÇÃO Romeu Francisco Gadotti(1) Engenheiro Sanitarista pela Universidade Federal de Santa Catarina (UFSC), Mestre em Hidráulica e Saneamento pela Escola de Engenharia de São Carlos da Universidade de São Paulo (EESC-USP), Doutorando do Departamento de Hidráulica e Saneamento da Escola de Engenharia de São Carlos da Universidade de São Paulo (EESC-USP). Luiz Antonio Daniel Engenheiro Civil pela Universidade Federal de Minas Gerais (UFMG), Mestre e Doutor em Hidráulica e Saneamento pela Escola de Engenharia de São Carlos da Universidade de São Paulo (EESC-USP), Professor do Departamento de Hidráulica e Saneamento da EESC-USP. Endereço(1): Av. Trabalhador São-carlense, 400 - Centro – São Carlos - SP - CEP: 13560-590 - Brasil - Tel: (16) 270-6833 - Fax: (16) 273-9550 - e-mail: rgadotti@sc.usp.br, rfga@ig.com.br. RESUMO O trabalho apresenta um estudo comparativo entre dois meios suporte (carvão ativado granular e espuma de poliuretano) para um filtro biológico aeróbio que trata efluente de reator anaeróbio compartimentado que passou por ozonização. A finalidade do processo de tratamento é produzir um efluente de boa qualidade para ser reutilizado. A montagem, os ensaios e as análises foram realizados nos laboratórios do Departamento de Hidráulica e Saneamento da Escola de Engenharia de São Carlos (EESC-USP). Para a avaliação dos meios suportes foram avaliadas as características físicas e químicas dos efluentes dos dois filtros. Os resultados demonstraram que este processo de tratamento produz um efluente de

boa qualidade e com boas perspectivas para o reúso. Quanto à comparação dos meios suporte o carvão ativado granular apresentou eficiência ligeiramente superior a da espuma de poliuretano. Palavras-chave: Pós-tratamento, meio suporte, carvão ativado granular, reúso. INTRODUÇÃO O tratamento de esgoto sanitário por processo anaeróbio é eficiente e confiável. Todavia, a remoção de matéria orgânica não é suficiente para atender os padrões de emissão que constam na legislação ambiental e, por conseqüência, os padrões de qualidade do corpo d’água receptor. Além da matéria orgânica que não foi removida, o efluente contém nitrogênio, principalmente na forma amoniacal a qual, quando lançada no ambiente aquático, causa demanda de oxigênio dissolvido e, dependendo da concentração é tóxico à biota. O pós-tratamento, portanto, é necessário. O efluente de melhor qualidade, além de atender a legislação ambiental, poderá ter usos diversos tais como irrigação, aqüicultura e industrial. Cada uso exigirá um padrão de qualidade específico. É importante ressaltar que o tratamento de esgoto sanitário visando o reúso deverá fornecer efluente com qualidade para aquele uso, não necessitando tratamento superior ao exigido. 'O reúso planejado da água é uma ferramenta útil no planejamento e gerenciamento de recursos hídricos, particularmente onde estes são escassos. Embora esteja bastante difundida em vários países, tal tipo de estratégia não tem sido, historicamente, utilizada no Brasil, apesar da escassez de água que apresenta algumas de suas regiões, quer por razões de clima - como é o caso do semi-árido nordestino - quer pelo aumento excessivo da demanda face à oferta - como é o caso da Região Metropolitana de São Paulo - RMSP.' (LAVRADOR, 1989) 'O reúso planejado das águas residuárias municipais não é um conceito novo e já é praticado há muitos anos em todo o mundo. Com o crescimento concomitante do binômio demanda de água e população, o reúso intencional de água será cada vez mais considerado no planejamento e na exploração de novos mananciais.' (CROOK, 1993) O reúso intencional de efluentes deve ser incentivado e pesquisado, para que não ocorra o reúso potável indireto não planejado das águas, que é uma das formas de reúso que mais expõe a população ao risco de contaminação e que infelizmente ainda é utilizado em vários sistemas públicos, que captam águas que serviram para diluir esgotos a montante, de forma não planejada e não controlada. Outra das vantagens do reúso planejado é para ter-se uma maior oferta de água e um menor impacto no meio ambiente, pois estes efluentes não serão despejados no meio ambiente. Dentre os diversos processos que podem ser utilizados para o pós-tratamento de efluentes de processos anaeróbios, este trabalho centrou-se no estudo comparativo de filtros

biológicos aeróbios com meios suportes de carvão ativado granular e espuma de poliuretano com objetivo de remover a matéria orgânica remanescente do processo anaeróbio e de promover a nitrificação. MATERIAL E MÉTODO Para a realização dos ensaios foram construídas duas colunas em PVC com diâmetro de 50 mm e com altura de 90 cm, conforme pode ser observado na figura 1. Foi utilizado, como afluente, o efluente de um reator anaeróbio compartimentado com tempo de detenção hidráulico de 24 horas, que era ozonizado em batelada, em volume suficiente para 24 horas. Esse efluente era depositado num recipiente (figura 2, no 1), do qual era bombeado para as colunas (figura 2, no 2 e 3) que tinham como meio suporte carvão ativado granular e espuma de poliuretano. O tempo de detenção hidráulica nos filtros biológicos aeróbio foi de aproximadamente 1,5 horas. A concentração de ozônio aplicado foi de 25mgO3/L e do tempo de contato do ozônio foi de 25 minutos. Figura 1 - Colunas dos filtros biológicos aeróbios usados para a escolha do meio suporte Os filtros biológicos aeróbios (carvão e espuma) foram inoculados com lodo proveniente de uma estação de lodos ativados, localizada na fabrica da Faber-Castell em de São Carlos-SP. A inoculação foi realizada adicionando-se 1/3 do volume total do reator com o lodo e o restante com o efluente do reator anaeróbio. Após a inoculação, os filtros foram alimentados por uma semana com o efluente do reator anaeróbio sem ser ozonizado com o objetivo de adaptar os microorganismos do esgoto proveniente do reator anaeróbio compartimentado. Após esta semana de adaptação os filtros foram alimentados com o efluente ozonizado e para o fornecimento de oxigênio para os reatores utilizou-se aeradores de aquário. Figura 2– Unidade experimental para escolha do meio suporte (1– recipiente para armazenar o efluente ozonizado, 2- coluna com carvão ativado granular, 3- coluna com espuma de poliuretano, 4- bombas dosadoras, 5- aeradores) As amostras foram coletadas na saída do reator anaeróbio compartimentado, no recipiente (figura 2, no 1) e nas saídas dos filtros biológicos (figura 2, no 2 e 3). As análises realizadas seguiram as metodologias do Standard Methods for Examination of Water and Wastewater (1995) e foram feitos no Laboratório de Saneamento do Departamento de Hidráulica e Saneamento da EESC - USP. RESULTADOS E DISCUSSÃO Os dois reatores foram operados durante 43 dias consecutivos e nesse período o acompanhamento da eficiência foi realizado com base em análises físico-químicas de

alcalinidade, pH, temperatura, oxigênio dissolvido, carbono orgânico total, DQO, sólidos totais e exames de microscopia (resultados não apresentados). ALCALINIDADE Os resultados do acompanhamento da alcalinidade nos 43 dias de operação dos filtros biológicos estão apresentados na tabela 1 e na figura 3. Tabela 1 - Alcalinidade total no esgoto afluente e tratado nos filtros biológicos. Amostra Tempo (dia) 7 14 21 37 43 Afluente 165,1 174,7 146,4 189,3 174,7 Ozonizado 150,1 171,8 153,2

185,4 185,4 Carvão 51,6 41,0 9,8 199,1 146,4 Espuma 159,5 24,4 8,8 204,0 144,4 Alcalinidade total (mg CaCO3/L) A alcalinidade, tanto para o filtro com meio suporte de espuma quanto para o de carvão ativado, foi decrescendo com o passar do tempo, até chegar, no 21o dia a valores muito baixos. Esse consumo de alcalinidade foi ocasionado pela nitrificação, que oxidou o nitrogênio amoniacal a nitrato. Esse processo consome alcalinidade e diminui o pH, como pode ser observado nas tabelas 1 e 2 e nas figuras 3 e 4. Figura 3 - Variação da alcalinidade ao longo da operação dos filtros biológicos. Para confirmar a hipótese, no 21o dia de operação foi coletada amostra e realizada a análise de nitrogênio amoniacal e nitrato, para avaliar se estava ocorrendo a nitrificação. Os resultados obtidos estão apresentados na tabela 2. Tabela 2 - Nitrogênio amoniacal e nitrato no esgoto afluente e tratado no filtro biológico no 21o dia de operação.

Amostra Namoniacal (mg/L) Nnitrato (mg/L) Afluente 35,0 2,7 Ozonizado 38,0 3,0 Carvão 4,0 12,0 Espuma 10,0 26,0 De acordo com as concentrações de nitrogênio amoniacal e nitrato, apresentadas na tabela 2, pode-se concluir que os dois filtros biológicos aeróbios estão promovendo a nitrificação, e, por isso, a partir do 21o dia de testes passou-se a acrescentar bicarbonato de cálcio para suprir a demanda de alcalinidade. Aguardou-se uma semana para a estabilização dos filtros biológicos. Como pode-se observar na tabelas 1 e 3 e na figuras 3 e 4, após a adição do bicarbonato de cálcio os valores de alcalinidade e pH voltaram ao valores anteriores à nitrificação. pH Os resultados do acompanhamento do pH nos 43 dias de operação dos filtros biológicos estão apresentados na tabela 3 e na figura 4.

Tabela 3 - pH no esgoto afluente e tratado nos filtros biológicos. Amostra Tempo (dia) 7 14 21 37 43 Afluente 6,95 7,15 7,10 6,88 6,95 Ozonizado 7,28 7,49 7,43 7,00 7,06 Carvão 7,57

7,25 5,86 7,58 7,35 Espuma 7,36 6,32 5,63 7,64 7,80 O pH comporta-se de forma semelhante à alcalinidade, demonstrando que o processo de nitrificação consumiu a alcalinidade e diminuiu o pH o que poderia por o sistema em colapso. Figura 4 - Variação do pH. TEMPERATURA Os reatores foram operados sem controle de temperatura, a qual variou de acordo com as condições ambientais. Os valores encontrados de temperatura nos testes para a escolha do meio suporte podem ser observados na tabela 4 e na figura 5. Tabela 4 - Temperatura no esgoto afluente e tratado nos filtros biológicos. Amostra Tempo (dia)

7 14 21 43 Afluente 25,0 24,2 25,1 24,5 Ozonizado 25,1 24,1 25,2 24,4 Carvão 28,7 23,8 24,5 23,5 Espuma 28,0 23,8 24,5

23,1 A temperatura praticamente não variou, sendo que, a temperatura nos filtros biológicos na primeira semana manteve-se pouco superior à temperatura do afluente, provavelmente em decorrência da temperatura ambiente. Os filtros biológicos apresentavam volume menor que o do recipiente para armazenar o efluente ozonizado e do que o do reator anaeróbio compartimentado, com isso sofrendo maior variação com a temperatura ambiente do que os outros dois. Figura 5 - Variação da temperatura ao longo da operação dos filtros biológicos. OXIGÊNIO DISSOLVIDO Os resultados do acompanhamento do oxigênio dissolvido nos 43 dias de operação dos filtros biológicos estão apresentados na tabela 5 e na figura 6. Tabela 5 - Oxigênio dissolvido no esgoto afluente e tratado nos filtros biológicos. Amostra Tempo (dia) 7 14 21 37 43 Afluente 0,3 0,2 0,3

0,2 0,2 Ozonizado 5,2 4,5 5,2 5,3 4,9 Carvão 3,3 3,6 3,4 3,5 4,4 Espuma 2,6 3,1 3,2 3,2 4,4 A ozonização aumentou a concentração de oxigênio dissolvido por dois motivos: decomposição do ozônio e dessolução do oxigênio que não foi convertido a O3 (a geração de ozônio foi feita a partir de oxigênio puro). Mesmo assim, como o efluente ozonizado permanecia por 24 horas no recipiente para ser bombeado para os filtros biológicos, foi necessário a aeração das duas colunas para manter a concentração de oxigênio dissolvido suficiente para o processo biológico aeróbio. Esta

introdução de oxigênio era feita por dois aeradores de aquário cada qual ligado a um reator biológico. Figura 6 - Variação da concentração de OD ao longo da operação dos filtros biológicos. A quantidade de ar introduzida nos filtros foi suficiente, visto que, apresentaram concentrações de oxigênio dissolvido na saída do filtro da ordem de 3 mgO2/L (tabela 5 e figura 6). As concentrações de oxigênio dissolvido observadas no efluente anaeróbio e no efluente ozonizado variaram pouco durante o decorrer do tempo. As concentrações no efluente anaeróbio estiveram em torno de 0,2 mgO2/L, valores coerentes com o efluente e no efluente ozonizado se mantiveram na faixa de 5,0 mgO2/L, o que leva a crer que num sistema contínuo não haja a necessidade da introdução de oxigênio no filtro biológico aeróbio. CARBONO ORGÂNICO TOTAL (COT) Apresentam-se na tabela 6 e na figura 7 os resultados das análises de COT realizadas no período de operação dos filtros biológicos. Tabela 6 – Carbono orgânico total no esgoto afluente e tratado nos filtros biológicos. Amostra Tempo (dia) 14 21 37 43 Afluente 128,7 68,8

67,8 69,2 Ozonizado 142,2 64,6 49,9 59,8 Carvão 16,7 34,7 30,9 25,8 Espuma 63,7 33,2 96,5 34,8 Figura 7 - Variação do carbono orgânico total ao longo da operação dos filtros biológicos. Como pode-se observar na tabela 6 e na figura 7, o filtro biológico com carvão ativado apresentou os menores valores de carbono orgânico total, demonstrando com isso que o carvão foi mais eficiente na remoção de carbono orgânico que a espuma. No filtro com espuma após a adição de bicarbonato de cálcio, os valores de carbono orgânico aumentaram sensivelmente, e depois voltaram as concentrações anteriores.

DEMANDA QUÍMICA DE OXIGÊNIO (DQO) Na tabela 7 e na figura 8 estão apresentados os resultados de DQO obtidos durante a operação dos filtros biológicos. Tabela 7 – Demanda química de oxigênio no esgoto afluente e tratado nos filtros biológicos. Amostra Tempo (dia) 7 14 21 37 43 Afluente 117,6 152,0 137,5 107,0 101,7 Ozonizado 85,8 115,0 92,5 97,7

96,4 Carvão 27,6 28,9 14,3 47,4 59,4 Espuma 71,3 84,5 40,8 73,9 76,6 O pós-tratamento de efluente anaeróbio por ozonização seguida de filtro biológico aeróbio apresentou bons resultados em relação à remoção de DQO, obtendo-se valores de DQO de 14,3 mg/L, evidenciando boa eficiência e produzindo efluente de boa qualidade. Os dois filtros biológicos apresentaram bons resultados, mas o com leito de carvão ativado apresentou sempre resultados melhores que o de espuma. O filtro de carvão ativado atingiu melhor eficiência em menor tempo que o de espuma. Esse resultado não pode ser atribuído somente à adsorção, visto que os filtros foram inoculados com lodo e foram operados por uma semana com o efluente sem ser ozonizado, com isso, a sua capacidade de adsorção já estava saturada. O aumento da DQO nos filtros biológico após o 21o dia de operação foi devido ao acréscimo de bicarbonato de cálcio no afluente, que foi necessário para suprir a demanda de alcalinidade causada pela nitrificação. Mesmo após o acréscimo de bicarbonato de cálcio o filtro com carvão apresentou melhor resposta que o de espuma. Os dois meios suporte apresentaram uma boa eficiência, mas o de carvão chegou a valores próximos de 90% de remoção de DQO (14,3 mg/L no 21o dia de operação), e em pouco

tempo já havia atingido valores de 80%, produzindo com isso um efluente de excelente qualidade. Tabela 8 - Eficiência de remoção DQO pelos filtros biológicos. Amostra Tempo (dia) 7 14 21 37 43 Ozonizado 27,0 24,4 32,7 8,7 5,2 Carvão 76,6 81,0 89,6 55,7 41,7

Espuma 39,4 44,4 70,3 30,9 24,7 Como pode-se observar na figura 8, os dois filtros biológicos forneceram eficiências semelhantes durante o período de operação. Entretanto, o filtro de carvão ativado sempre apresentou valores em torno de 20 a 30% acima do filtro de espuma. Figura 8 - Variação da eficiência de remoção da DQO ao longo da operação dos filtros biológicos. SÓLIDOS TOTAIS As concentrações de sólidos totais no afluente e no efluente tratado nos filtros biológicos podem ser observados na tabela 9. Com relação aos sólidos dissolvidos voláteis e fixos pode-se observar nos efluentes dos filtros biológicos que a partir do 21o dia ocorreu aumento substancial na concentração. Esse aumento é proveniente da adição de bicarbonato de cálcio no afluente e foi muito maior nos sólidos dissolvidos fixos do que nos voláteis. A remoção de sólidos suspensos nos filtros biológicos foi boa, nos quais os meios suporte se comportaram de maneira quase idêntica, apenas com pequenas variações. Mesmo com aumento na concentração dos sólidos suspensos no afluente dos filtros biológicos, não ocorreram variações grandes, com o efluente não apresentando acréscimo de concentração. Como o bicarbonato de cálcio foi adicionado e dissolvido no afluente aos filtros biológicos, a concentração dos sólidos suspensos não foi alterada, como era de se esperar. As concentrações de sólidos dissolvidos voláteis na saída dos filtros, se mantiveram acima dos valores encontrados na sua entrada, com um acréscimo maior a partir da adição do bicarbonato de cálcio.

Com relação aos sólidos dissolvidos fixos, até o 21o dia os efluentes dos filtros biológicos apresentaram concentrações abaixo dos observados no afluente. Após o 21o dia, houve acréscimo substancial nas concentrações dos sólidos dissolvidos fixos, em função do bicarbonato de cálcio adicionado no afluente. Tabela 9 – Sólidos totais no esgoto afluente e tratado nos filtros biológicos. Amostra Tempo (dia) SÓLIDOS 7 14 21 37 43 Afluente 312,0 354,0 336,0 391,0 447,0 ST Ozonizado

313,0 387,0 313,0 586,0 413,0 Carvão 304,0 315,0 378,0 726,0 588,0 Espuma 301,0 390,0 367,0 746,0 597,0 Afluente 150,0 203,0

208,0 197,0 296,0 STV Ozonizado 169,0 234,0 253,0 369,0 194,0 Carvão 140,0 190,0 290,0 310,0 298,0 Espuma 150,0 268,0 282,0 324,0 253,0

Afluente 162,0 151,0 128,0 194,0 151,0 STF Ozonizado 144,0 153,0 60,0 217,0 219,0 Carvão 164,0 125,0 88,0 416,0 290,0 Espuma

151,0 122,0 85,0 422,0 344,0 Afluente 35,8 20,8 50,4 72,2 55,3 SST Ozonizado 28,7 16,8 45,5 67,1 36,6 Carvão 8,8 1,6 8,2

7,9 6,8 Espuma 15,0 5,3 10,1 6,6 5,3 Afluente 33,5 16,1 46,9 65,9 50,0 SSV Ozonizado 26,5 13,2 42,6 61,6 28,6

Carvão 8,1 0,4 7,4 7,0 6,8 Espuma 12,2 4,7 8,9 6,6 4,1 Afluente 2,3 4,7 3,5 6,3 5,3 SSF Ozonizado 2,2

3,6 2,9 5,5 8,0 Carvão 0,7 1,2 0,9 0,9 0,0 Espuma 2,8 0,6 1,2 0,0 1,2 Afluente 276,2 333,2 285,6

318,8 391,7 SDT Ozonizado 284,3 370,2 267,5 518,9 376,4 Carvão 295,2 313,4 369,8 718,1 581,3 Espuma 286,0 384,7 356,9 739,4 591,7

Afluente 116,5 186,9 161,1 131,1 246,0 SDV Ozonizado 142,5 220,8 210,4 307,4 165,4 Carvão 131,9 189,6 282,6 303,0 291,2 Espuma 137,8

263,2 273,1 317,4 248,9 Afluente 159,7 146,3 124,5 187,7 145,7 SDF Ozonizado 141,8 149,4 57,1 211,5 211,0 Carvão 163,3 123,9 87,2 415,1

290,0 Espuma 148,2 121,4 83,8 422,0 342,9 ST: Sólidos Totais, STV: Sólidos Totais Voláteis, STF: Sólidos Totais Fixos, SST: Sólidos Suspensos Totais, SSV: Sólidos Suspensos Voláteis, SSF: Sólidos Suspensos Fixos, SDT: Sólidos Dissolvidos Totais, SDV: Sólidos Dissolvidos Voláteis, SDF: Sólidos Dissolvidos Fixos. CONCLUSÕES O processo de pós-tratamento de efluente anaeróbio por ozonização seguida de filtro biológico aeróbio apresentou bons resultados, visto que, o efluente chegou a alcançar valores de DQO de 14,3 mg/L e eficiência de remoção de DQO da ordem de 90%, evidenciando com isso uma boa eficiência e produzindo um efluente de excelente qualidade, que desinfectado provavelmente poderá ser utilizado para reuso. Com relação ao meio suporte, pode-se observar que os dois meios apresentaram boas eficiências, mas o carvão ativado granular demonstrou-se superior ao de espuma de poliuretano, visto que, apresentou resposta mais rápida e a eficiência foi melhor, demonstrando com isso que o carvão ativado granular é melhor meio suporte para o filtro biológico aeróbio em comparação com a espuma de poliuretano. O processo de pós-tratamento de efluente anaeróbio constituído por ozonização seguido de filtro biológico aeróbio, não só reduz a matéria orgânica bem como diminui a concentração de sólidos suspensos, produz pouco lodo e ainda nitrifica o efluente. A partir da terceira semana adicionou-se diariamente bicarbonato de cálcio para ser utilizado na nitrificação. Quando calculou-se estequiometricamente a concentração de bicarbonato de cálcio que era necessária para o processo de nitrificação, não levou-se em consideração a alcalinidade já existente no afluente. Com isso ocorreu acréscimo na DQO, sólidos e da alcalinidade.

AGRADECIMENTO Os autores agradecem à Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo (FAPESP) pela bolsa de doutorado no processo n o 98/16425-9. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS BERGAMASCO, Rosângela (1996). O uso de partículas poliméricas para adesão microbiana em tratamento biológico de resíduos. Tese, Faculdade de Engenharia Química, Universidade Estadual de Campinas, Campinas, SP. CAMPOS, J.R. (1989). Remoção de DQO e de nitrogênio em um sistema de três reatores biológicos de filme fixo em série, Tese (livre doc.), Escola de Engenharia de São Carlos, USP. São Carlos. CHERNICHARO, Carlos A. L. et al (2001). Pós-tratamento de efluente de reatores anaeróbios, SEGRAC editora e gráfica, Belo Horizonte, 544 pg. COLLINS, G. A. et al (1996). Anaerobic treatment of low-strength domestic wastewater using an anaerobic expanded bed reactor. Journal of Environmental Engineering, v. 124, n. 7, 652-659p. COSTERTON, J.W. (1995). Microbial biofilms. Annual Reviews in Microbiology, v. 49, p. 711-745. CROOK, James (1993). Critérios de qualidade da água para reúso. Revista DAE, no 174, nov/dez. Trad. de Hilton Felício dos Santos. DROSTE, R.L. (1997). Theory and practice of water and wastewater treatment. John Wiley & Sons, Inc. New York. FORD, D.L. & W. W. ECKENFELDER, Jr (1970). Water pollution control: experimental procedures for process design, Pemberton Press, New York. HENZE, M. (1997). Wastewater treatment. Springer, New York. LAVRADOR FILHO, J. (1989). Algumas considerações sobre reúso planejado de água para fins industriais na Região Metropolitana de São Paulo. Revista Bio, no 31, São Paulo.

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