AVALIAÇÃO DO DESEMPENHO DE UMA ETE TIPO AERAÇÃOPROLONGADA COM BASE EM TRÊS ANOS DE MONITORAMENTO

INTENSIVO

Marcos von Sperling (*)Carla Maria Vasconcellos Fróes

Departamento de Engenharia Sanitária e AmbientalUniversidade Federal de Minas Gerais

Av. Contorno 842 - 7o andar30110-060 - Belo Horizonte - BRASIL

Tel: 55 (0) 238-1935; Fax: 55 (0) 31 - 238-1879e-mail: marcos@desa.ufmg.br

PALAVRAS-CHAVE: Esgotos domésticos; lodos ativados; aeração prolongada; avaliação de desempenho

INTRODUÇÃO E OBJETIVOS

A Estação de Tratamento de Esgotos de Morro Alto trata os despejos predominantemente domésticos(aproximadamente 10.000 habitantes) gerados pelo conjunto habitacional de mesmo nome, localizado naRegião Metropolitana de Belo Horizonte. A estação entrou em carga em 1985, sendo operada pelaCompanhia de Saneamento de Minas Gerais (COPASA-MG). O processo de tratamento é o de lodosativados, modalidade aeração prolongada. A estação de tratamento é composta pelas unidades listadas noQuadro 1.

Quadro 1. Unidades componentes da ETE - Morro AltoUnidade Dados

Grade Limpeza manualCaixa de areia RetangularReator Número de unidades = 1

Formato = retangularComprimento = 35,50 (fundo) e 43,30 m (superfície)Largura = 17,00 m (fundo) e 24,80 (superfície)Profundidade útil = 2,50Aeração = 2 aeradores mecânicos (25 CV cada)

Decantador secundário Número de unidades = 2 (apenas 1 em operação)Formato = retangular tipo Dortmund (tronco-piramidal)Comprimento = 15,00 mLargura = 5,00 mProfundidade = 4,58 m

Leitos de secagem Número de unidades = 10Comprimento = 10,00 mLargura = 5,00 m

Lagoas de lodo Número de unidades = 2Comprimento = 7,70 m (fundo) e 9,50 m (superfície)Largura = 5,90 m (fundo) e 9,50 m (superfície)Profundidade útil = 1,35 m

O presente trabalho objetiva analisar indicadores do desempenho da ETE-Morro Alto, tendo por base dadosoperacionais bastante completos levantados pela COPASA-MG, e selecionados para efeito deste trabalhoem três anos de operação (1991, 1992 e 1993). Os dados foram trabalhados por Fróes (1996). Umelemento motivador do trabalho é a baixa disponibilidade de dados operacionais de estações de tratamentode esgotos em escala plena pelo processo de aeração prolongada. A literatura especializada,principalmente a norte-americana e a européia, centra-se mais na modalidade de lodos ativadosconvencional.

METODOLOGIA

O trabalho investiga dados do afluente e do efluente, bem como índices e parâmetros de controleoperacional. Os dados do afluente e do efluente analisados no trabalho são: vazão, sólidos em suspensãototais (SS), sólidos em suspensão voláteis (SSV), DBO5, DQO, nitrogênio e fósforo. Os índices eparâmetros de controle operacional da estação analisados no trabalho são: SSTA, F/M, idade do lodo, OD,pH, sólidos decantáveis, Índice Volumétrico do Lodo (IVL) e razão de recirculação (Qr/Q). As freqüênciasde coleta variaram, desde horária (vazão afluente) a quinzenal. O número de amostras ao longo do períodoinvestigado é, portanto, bastante elevado, dando consistência às análises efetuadas no presente trabalho.

RESULTADOS E DISCUSSÃO

Características do afluente

As estatísticas básicas das variáveis analisadas no afluente encontram-se no Quadro 2.

Quadro 2. Estatísticas básicas das principais características do afluente à ETE-Morro AltoParâmetro Unidade Número

de dadosMínimo Máximo Média Desvio

padrãoVazão l/s 1090 0 23,7 11,1 2,5SST mg/l 158 79 773 340 107SSV mg/l 158 62 563 249 92

SSV/SST - 158 0,30 0,99 0,73 0,11DBO mg/l 138 85 740 409 119DQO mg/l 148 427 1570 969 233

DBO/DQO - 138 0,1 0,8 0,4 0,1N total mg/l 45 13 123 65 24P total mg/l 45 1,4 12,2 7,3 2,4

A Figura 1 apresenta o histograma de freqüência da DBO afluente. Pode-se notar a ampla predominância(82,6%) de valores superiores a 300 mg/l, tradicionalmente adotados como valores típicos de projeto,inclusive na referida estação. A ocorrência de valores elevados de DBO, ocasionados pelo baixo consumode água da população contribuinte à ETE, deve ser considerado como a situação mais predominante emnosso meio.

DBO5 do esgoto bruto (mg/l)

0,7 1,5

15,2

32,629,0

15,2

36,0

2,2

100 200 300 400 500 600 700 800

Fig. 1. Histograma de freqüência relativa (%) da concentração de DBO5 do esgoto bruto.

São analisadas também as principais relações ocorridas no esgoto bruto, e de interesse para projeto, taiscomo relação SSV/SS e relação DBO5/DQO. A Figura 2 apresenta os histogramas de freqüência destasrelações. Observa-se que ambas as relações situam-se dentro de faixas usuais da literatura, embora arelação DBO5/DQO esteja próxima ao limiar inferior, caracterizando um esgoto com matéria orgânica demenor biodegradabilidade.

Relação SSV/SS

0,6 0,0 0,6

11,4

25,3

45,0

12,7

4,4

0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1

Relação DBO5/DQO

1,4

8,0

36,231,9

16,7

5,00,7

0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8

Fig. 2. Histogramas de freqüência relativa (%) das relações SSV/SS e DBO5/DQO do esgoto bruto.

As concentrações de N e P no esgoto bruto são analisadas em termos dos requisitos de nutrientes para ometabolismo bacteriano. Estações por aeração prolongada, diferentemente dos lodos ativadosconvencionais, possuem requisitos da relação de DBO5:N:P da ordem de 100 : 3 : 0,5 (Eckenfelder, 1989).Os valores médios encontrados no esgoto bruto da ETE Morro Alto são 100 : 15,9 : 1,8, indicando asuficiente disponibilidade de N e P para os processos biológicos.

Avaliação do desempenho da estação

As estatísticas básicas das variáveis analisadas no efluente encontram-se no Quadro 3, ao passo que aseficiências de remoção de DBO, NTK e P encontram-se no Quadro 4.

Quadro 3. Estatísticas básicas das principais características do efluente da ETE-Morro AltoParâmetro Unidade Número

de dadosMínimo Máximo Média Desvio

padrãoDBO mg/l 132 2 198 16 119DQO mg/l 147 5 1136 75 136SST mg/l 159 2 710 48 91

N amoniacal mg/l 45 0,2 50 10 11P total mg/l 45 0,5 6,8 2,7 1,5

Quadro 4. Eficiências de remoção de poluentes na ETE- Morro AltoParâmetro Unidade Número

de dadosMínimo Máximo Média Desvio

padrãoDBO % 132 61,1 99,6 95,9 5,2NTK % 45 -7,5 97,2 72,0 24,6

P total % 45 -21,4 92,9 60,0 26,6

A observação geral é de um desempenho bastante satisfatório. Deve-se destacar a elevada eficiência médiana remoção de DBO (96%), a qual gerou uma concentração efluente média de 16 mg/l. Em termos dedistribuição de freqüência, 96% das amostras apresentaram uma eficiência superior a 85%, mínimo exigidopela legislação estadual. A estação não foi projetada para remover nutrientes. Mesmo assim, a eficiênciana remoção de fósforo, através de incorporação à biomassa presente nos sólidos descartados do sistema érelativamente alta (60%). A eficiência da nitrificação é de 72%, no período de análise, devido a possíveisproblemas de abaixamento do pH ou de valores de OD inferiores a um mínimo em torno de 1,5 mg/l.Posteriormente ao período de estudo, o pH da mistura líquida passou a ser corrigido com cal.

Uma análise mais aprofundada dos sólidos em suspensão é objetivo de um trabalho específico detalhadodos mesmos autores, enfocando a análise do fluxo de sólidos no decantador secundário (von Sperling &Fróes, no prelo).

A DBO total efluente de sistemas de aeração prolongada é em sua maioria quase toda devida aos sólidosem suspensão efluentes do decantador secundário. A DBO solúvel pode ser considerada desprezível (vonSperling, 1993). Visando estabelecer este vínculo entre DBO e SS efluentes, efetuou-se uma análise daregressão, objetivando simplificar a operação na estimativa da DBO efluente do sistema. A equação demelhor ajuste encontrada foi:

DBO5efluente = 5,1 + 0,21 x SSefluente (R2 = 0,749) (1)

Desta forma, cada 1 mg/l de SS no efluente é responsável por uma DBO particulada de aproximadamente0,21 mg/l. Tal valor aproxima-se do limite mínimo teórico para sistemas de aeração prolongada. VonSperling (1990), em pesquisas em outro sistema de aeração prolongada, na Inglaterra, encontrou a relaçãode 0,24 mgDBO5/mgSS. O dado obtido para Morro Alto pode ser utilizado para o controle operacional daestação, permitindo a rápida estimativa da DBO efluente, tendo por base apenas a determinação daconcentração de SS no efluente final.

A estação não foi projetada para a desnitrificação, não possuindo, portanto, zonas anóxicas intencionais.No entanto, através dos dados de nitrato, observou-se uma elevada eficiência de desnitrificação, variandoentre 50% e 99%. Esta desnitrificação ocorre provavelmente no decantador secundário, fato usual emsistemas de lodos ativados operando em clima tropical. A conseqüência é o desprendimento de gásnitrogênio e a ressuspensão do lodo sedimentado.

A conclusão final sobre a estação de tratamento de esgotos de Morro Alto é, em termos gerais, de umdesempenho bastante satisfatório ao longo dos três anos investigados.

Índices e parâmetros de controle operacional

As estatísticas básicas das variáveis analisadas encontram-se no Quadro 5.

Quadro 5. Estatísticas básicas dos principais parâmetros de controle operacional da ETE-Morro AltoParâmetro Unidade Número

de dadosMínimo Máximo Média Desvio

padrãoSSTA mg/l 374 377 8500 3997 1237

SSVTA/SSTA - 374 0,44 0,93 0,66 0,06F/M kgDBO5/kgSSV.d 96 0,02 0,96 0,09 0,10

Idade do lodo d 229 2,6 66,8 26,2 12,0OD mg/l 1052 0,70 3,25 1,47 0,40pH - 1067 5,5 7,9 7,0 0,4

Sólidos decantáveis ml/l 1070 90 1000 756 285IVL ml/g 373 37 669 214 102Qr l/s 1096 0,8 24,6 14,1 3,7

Qr/Q - 1074 0,33 8,76 1,34 0,44

A Figura 3 apresenta os histogramas da distribuição de freqüência das concentrações de SSTA e darelação SSVTA/SSTA. Observa-se o amplo espectro de variação da concentração de SSTA, variando desde377 mg/l até 8500 mg/l (ver também Quadro 5). No entanto, em torno de 2/3 dos valores situam-se na faixade 3000 mg/l a 5000 mg/l. É interessante enfatizar que, mesmo com esta ampla variação, o desempenhoda estação manteve-se satisfatório, ressaltando a robustez característica dos sistemas de aeraçãoprolongada. A relação SSV/SS no tanque de aeração, com valor médio de 0,66, é também característica deaeração prolongada. Quanto menor o valor da relação, mais estabilizado encontra-se o lodo, o que é umdos objetivos da aeração prolongada. Sistemas de aeração prolongada possuem relações SSVTA/SSTAentre 0,60 e 0,75, ao passo que sistemas de lodos ativados convencional possuem esta relação na faixa de0,70 a 0,85 (von Sperling, 1997).

SSTA (mg/l)

0,3 2,7

16,3

34,530,0

8,35,6

1,1 0,8

1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000 8000 9000

Relação SSVTA/SSTA

0,810,4

67,7

19,5

1,1 0,5

0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1

Fig. 3. Histogramas de freqüência relativa (%) das concentrações de SSTA e das relações SSVTA/SSTA.

Os histogramas de freqüência dos importantes parâmetros de projeto e operação, relação F/M e idade dolodo, encontram-se na Figura 4. Mais uma vez, pode-se notar a grande amplitude de variação dos dados.No entanto, pode-se dizer que a maioria dos valores situa-se dentro da faixa típica de aeração prolongada(F/M < 0,10 kgDBO/kgSSV.d e idade do lodo > 18 d). Os valores médios (Quadro 5) são também típicos(F/M = 0,09 kgDBO/kgSSV.d e idade do lodo = 26,2 d. Em virtude de eventuais dificuldades no sistema desecagem de lodo para receber a descarga de lodo excedente, a idade do lodo (calculada pelo descarte)tornou-se bastante elevada, atingindo até 67 dias. Por outro lado, caso houvesse sido calculada a idade do

lodo tendo por base o crescimento bacteriano, e não o descarte, os valores encontrados teriam sidototalmente diferentes, já que o crescimento independe da freqüência de descarte. Esta diferença ocorrequando se analisa o sistema no estado dinâmico, o qual realmente predomina na estação. Esta é uma daslimitações do controle do sistema de lodos ativados pela idade do lodo (von Sperling, 1994).

Relação F/M (kgDBO5/kgSSV.d)

2,1

8,4

28,5 29,5

12,79,5

2,1 4,21,0 1,0 0,0 1,0

0,02 0,04 0,06 0,08 0,10 0,12 0,14 0,16 0,18 0,20 0,22 0,24

Idade do lodo (d)

0,92,2

17,5

14,0

18,8

15,3

7,410,0

7,4

3,9

0,9 0,9 0,4 0,4

5 10 15 20 5 30 35 40 45 50 55 60 65 70

Fig. 4. Histogramas de freqüência relativa (%) da relação F/M e da idade do lodo.

Os histogramas de distribuição de freqüência de oxigênio dissolvido e o pH no tanque de aeração estãoapresentados na Figura 5. A observação de ambos os histogramas sugere as possíveis causas da nãoocorrência de uma nitrificação total, como seria de se esperar em sistemas de aeração prolongada. Há umafreqüência relativamente elevada de valores de OD inferiores a 1,5 e de pH inferiores a 7,0, que poderiam serconsiderados como valores mínimos recomendados para se obter uma nitrificação consistente. Anitrificação pode ocorrer com valores inferiores a estes mencionados, mas em taxas mais lentas, e ainteração simultânea dos dois fatores limitantes pode contribuir ainda mais para a redução da eficiência danitrificação. Von Sperling & Lumbers (1989) e von Sperling (1990, 1993) identificaram em vários sistemas deaeração prolongada na Inglaterra, os baixos valores de OD causados pela elevada concentração de SSTAcomo a principal causa da redução na eficiência de nitrificação.

OD no reator (mg/l)

0,2

8,1

25,8

31,9

15,610,0

3,3 2,2 1,6 0,8 0,5

0,75 1,00 1,25 1,50 1,75 2,00 2,25 2,50 2,75 3,00 3,25

pH no reator

0,3 0,7 1,4 2,5

12,0 11,8

19,121,8

26,2

3,30,1

5,5 5,75 6 6,25 6,5 6,75 7 7,25 7,5 7,75 8

Fig. 5. Histogramas de freqüência relativa (%) da concentração de OD e do pH no tanque de aeração.

A Figura 6 apresenta o histograma de distribuição de freqüência do Índice Volumétrico do Lodo (IVL) e darazão de recirculação (R = Qr/Q). Os elevados valores de IVL retratam o principal problema operacionalvivenciado na ETE - Morro Alto no período de estudo, relacionado ao intumescimento do lodo. Valores deIVL característicos de uma sedimentabilidade ruim a péssima podem ser encontrados. Em virtude disto, arazão de recirculação necessitava ser mantida constantemente elevada, como pode ser visto nohistograma, onde a maioria dos valores de R (79,6%) situa-se acima de 1,0, valor usual em sistemas deaeração prolongada. Os aspectos da sedimentabilidade do lodo e do gerenciamento dos sólidos nosistema, tendo por base a teoria do fluxo limite para os decantadores secundários são descritos em vonSperling & Fróes (no prelo).

IVL (ml/l)

2,78,3

16,420,6 22,5

11,8 9,7

2,9 1,3 2,1 1,7

50 100 150 200 250 300 350 400 450 500 550

Razão de recirculação R

0,34,0

16,1

22,6

28,1

18,0

6,32,5 1,1 0,6 0,3 0,1

0,5 0,75 1 1,25 1,5 1,75 2 2,25 2,5 2,75 3 3,25

Fig. 6. Histogramas de freqüência relativa (%) do IVL e da razão de recirculação R.

CONSIDERAÇÕES FINAIS

A presente análise de dados permitiu o conhecimento mais aprofundado sobre o comportamento de umaestação de tratamento de esgotos em escala real pelo processo de lodos ativados, modalidade aeraçãoprolongada, variante ainda pouco analisada no meio técnico. Como ressaltado no item anterior, odesempenho geral da estação no período de estudo foi, de maneira geral, bastante satisfatório. Os autoresdefendem a necessidade de uma visão sistêmica sobre o processo de lodos ativados. Apenas com autilização plena do conhecimento integrado das diversas variáveis interagentes no sistema, uma estação delodos ativados pode ser adequadamente controlada.

AGRADECIMENTOS

O presente trabalho é fruto de um convênio entre a COPASA-MG, a Fundação Christiano Ottoni e oDepartamento de Engenharia Sanitária e Ambiental da UFMG. Os autores agradecem a gentil cessão pelaárea de tratamento de esgotos da COPASA-MG dos dados operacionais da estação de tratamento deesgotos de Morro Alto.

REFERÊNCIAS

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Habitacional de Morro Alto, com ênfase na teoria do fluxo de sólidos limite. Dissertação de Mestrado,UFMG, 13/12/96.

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VON SPERLING, M. (1993). Características operacionais específicas de sistemas de aeração prolongada.In: Congresso Brasileiro de Engenharia Sanitária e Ambiental, 17, Natal, 19-23 Setembro 1993, Vol.2, Tomo I, pp. 140-151.

VON SPERLING, M. (1994). Solids management for the control of extended aeration systems. An analysisof classical and advanced strategies. Water SA, 20 (1). pp 49-60.

VON SPERLING, M. (1997). Princípios do tratamento biológico de águas residuárias. Vol. 4. Lodosativados. Departamento de Engenharia Sanitária e Ambiental - UFMG. 416 p.

VON SPERLING, M., FRÓES, C.M.V. (no prelo). Dimensionamento e controle de decantadoressecundários com base em uma abordagem integrada e simplificada da teoria do fluxo de sólidos.Revista Engenharia Sanitária e Ambiental, ABES, Rio de Janeiro.

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