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PS-TRATAMENTO DE ESGOTO SANITRIO COM

BIOFILTRO AERADO SUBMERSO PREENCHIDO COM

CARVO GRANULAR: DESEMPENHO TCNICO E

ESTUDO DE VIABILIDADE ECONMICA

Hallan Fontana

Dissertao apresentada Escola de Engenharia de So Carlos da Universidade de So Paulo, como parte dos requisitos para obteno do ttulo de Mestre em Hidrulica e Saneamento.

Orientador: Prof. Dr. Luiz Antonio Daniel

So Carlos, SP 2007

AUTORIZO A REPRODUO E DIVULGAO TOTAL OU PARCIAL DESTE TRABALHO, POR QUALQUER MEIO CONVENCIONAL OU ELETRNICO, PARA FINS DE ESTUDO E PESQUISA, DESDE QUE CITADA A FONTE.

Ficha catalogrfica preparada pela Seo de Tratamento da Informao do Servio de Biblioteca EESC/USP

Fontana, Hallan F679p Ps-tratamento de esgoto sanitrio com biofiltro

aerado submerso preenchido com carvo granular : desempenho tcnico e estudo de viabilidade econmica / Hallan Fontana ; orientador Luiz Antonio Daniel. - So Carlos, 2007.

Dissertao (Mestrado-Programa de Ps-Graduao e rea

de Concentrao em Hidrulica e Saneamento) - Escola de Engenharia de So Carlos da Universidade de So Paulo, 2007.

1. Ps-tratamento. 2. Esgoto sanitrio. 3. Biofiltro

aerado submerso. 4. Carvo granular. 5. Desempenho tcnico. 6. Viabilidade econmica. I. Ttulo.

No te mandei eu? S forte e corajoso; no temas, nem te espantes, porque o SENHOR,

teu Deus, contigo por onde quer que andares. (Josu 1:9)

Dedico esta dissertao ao meu pai Dorival

(in memoriam) e a minha me Ana.

AGRADECIMENTOS

Agradeo ao professor Luiz A. Daniel pela excelente orientao, pela segurana

transmitida e pela amizade.

Aos professores Marcelo Zaiat, Eugnio Foresti pelo apoio e confiana durante a

ps-graduao. pesquisadora Luc A. Queiroz pelos questionamentos que

antecederam a finalizao deste trabalho. Aos membros da banca de defesa, professor

Pedro Alem Sobrinho e Elosa Pozzi Gianotti, pela importante participao na

concluso da mesma.

Aos funcionrios do SHS, S, Pav e Roberto Brgamo pela presteza

incondicional em ajudar o prximo.

Aos amigos da ps-graduao, Orlando, Antnio Netto, Silvia e Hemerson, pela

imprescindvel colaborao durante a fase experimental.

Ao CNPq por incentivar e fomentar este trabalho.

Sanepar por viabilizar o trmino dos experimentos em So Carlos,

particularmente Leura L. Conte de Oliveira e minha amiga Soraia Giordani por toda

compreenso e apoio.

minha famlia por me agentar nos momentos difceis e por compartilhar a

felicidade na alegria. Vivian, meu amor, por no me deixar abater.

Finalmente, mas acima de tudo, agradeo a Deus pela proteo, pelas graas

recebidas e pelas amizades adquiridas durante todo o perodo deste trabalho.

i

RESUMO FONTANA, H. (2007). Ps-tratamento de esgoto sanitrio com biofiltro aerado submerso preenchido com carvo granular: desempenho tcnico e estudo de viabilidade econmica. So Carlos, 2007. 127p. Dissertao (Mestrado) Escola de Engenharia de So Carlos, Universidade de So Paulo. Neste trabalho avaliou-se o desempenho tcnico e a viabilidade econmica do biofiltro aerado submerso preenchido com carvo granular antracitoso, empregado no ps-tratamento de efluente proveniente de reator anaerbio de fluxo ascendente com manta de lodo. Os biofiltros experimentais utilizados no trabalho, com volume reacional de 47 L, operaram por 200 dias, com tempos de deteno hidrulica de 5 e 7,5h. Constatou-se a viabilidade tcnica em relao remoo de matria orgnica e nitrognio amoniacal. O BF1 (TDH=5h), apresentou eficincias mdias na remoo de DQOf, DBO5 e nitrognio amoniacal de 62%, 46% e 89%, respectivamente, com valores mdios de efluente de 2511 mgDQOf/L, 3629 mgDBO5/L e 49 mgN-NH3/L. Por outro lado, o BF2 (TDH=7,5h), com desempenho superior, apresentou eficincias mdias na remoo de DQOf, DBO5 e nitrognio amoniacal de 68%, 95% e 89%, respectivamente, com valores mdios de efluente de 2112 mgDQOf/L, 33 mgDBO5/L e 612mg N-NH3/L. Os sistemas combinados UASB+BF apresentaram eficincias globais mdias acima de 87% para DQO filtrada. Na anlise da viabilidade econmica, o custo do leito filtrante de carvo representou, em mdia, 23% do custo total de implantao. Para o horizonte de projeto de 20 anos e taxa de juros de 11% ao ano, as receitas mnimas estimadas para sistemas de ps-tratamento com biofiltro preenchido com carvo foram de R$ 0,19; R$ 0,20; 0,22 e R$ 0,24 por metro cbico tratado, para populaes de 200.000, 100.000, 50.000 e 25.000 habitantes respectivamente, sem considerar o custo com o tratamento do lodo gerado neste tratamento. Palavras-chave: Ps-tratamento, esgoto sanitrio, biofiltro aerado submerso, carvo granular, desempenho tcnico, viabilidade econmica

ii

ABSTRACT FONTANA, H. (2007). Wastewater post-treatment with submerged aerated biofilter filled with granular coal: technical performance and economic viability study. So Carlos, 2007. 127p. M.S. Dissertation Engineering School of So Carlos, University of So Paulo. This research refers to technical performance and economic viability of submerged aerated biofilter with bed granular anthracite coal, employed in the post-treatment of effluent from upflow anaerobic sludge bed reactor. The experimental biofilters used in this research, with 47 L reaction volume, were loaded for 200 days with hydraulic retention time of 5 and 7.5h. Technical feasibility regarding the removal of organic matter and ammonia nitrogen was confirmed. BF1 (HRT=5h) removal efficiencies of filtered COD, BOD and ammonia nitrogen were 62%, 46% and 89%, respectively, with average effluent concentration of 2511 mgCODf/L, 3629 mgBOD5/Le 49 mgNH3/L. Moreover, BF2 (HRT=7.5h), with higher performance, achieved removal efficiencies 68%, 95% and 89% of filtered COD, DBO and ammonia nitrogen respectively, with average effluent concentration of 2112 mgCODf/L, 33 mgBOD5/L and 612mgNH3/L. Combined systems UASB+BF achieved average overall efficiencies above 87% to filtered COD. Concerning economic feasibility study, the coal bed represented, on average, 23% of the total deployment cost. Within a twenty-year-project horizon and 11% of annual interest rate, the estimated minimum revenues for post-treatment system with submerged aerated biofilter with bed coal were R$ 0,19; R$ 0,20; R$ 0,22 and R$ 0,24 - Brazilian Real - per cubic meter of wastewater treated for 200,000, 100,000, 50,000 and 25,000 inhabitants respectively, without evaluating treatment cost of sludge generated in this system. Keywords: Post-treatment, wastewater, submerged aerated biofilter, granular coal, economic viability, technical performance

iii

LISTA DE ABREVIATURAS E SIGLAS A Afluente

AP Alcalinidade parcial

AT Alcalinidade total

B Esgoto bruto

BDI Bonificao por despesas indiretas

BF Biofiltro aerado submerso

CAG Carvo antracitoso granular

COT Carbono orgnico total

COV Carga orgnica volumtrica

DBO Demanda bioqumica de oxignio

DQO Demanda qumica de oxignio

E Efluente

ETE Estao de tratamento de esgoto

MO Matria orgnica

N-amon Nitrognio na forma amoniacal (N-NH4+ + N-NH3)

N-NH3 Nitrognio na forma de amnia

N-NH4+ Nitrognio na forma de on amnio

N-NO2- Nitrognio na forma de nitrito (N-nitrito)

N-NO3- Nitrognio na forma de nitrato (N-nitrato)

N-org Nitrognio na forma orgnica

NT Nitrognio total (NTK + N-NO2- + N-NO3-)

NTK Nitrognio total Kjeldahl (N-org + N-amon)

OD Oxignio dissolvido

SSF Slidos suspensos fixos

SST Slidos suspensos totais

vi

SSV Slidos suspensos volteis

ST Slidos totais

STF Slidos totais fixos

STV Slidos totais volteis

TDH Tempo de deteno hidrulica

UASB Upflow anaerobic sludge blanket

VPL Valor Presente Lquido

v

LISTA DE SMBOLOS

C Custo

CU Coeficiente de uniformidade

D Depreciao

DP Desvio padro

FC Fluxo de caixa

i Taxa de juros

I Imposto

LT Lucro tributvel

n nmero de amostras

Porosidade

Massa especfica

Massa especfica aparente

P Porte da unidade de tratamento

PV Valor presente

Q Vazo

r valor residual contbil

R Eficincia de remoo

RE Receita

Rg Eficincia combinada (global)

t cota anual de depreciao

T Temperatura

Alquota de imposto

TE Tamanho efetivo

Y Produo especfica de biomassa

vi

LISTA DE TABELAS

Tabela 4.1: Resumo das caractersticas dimensionais do reator UASB ......................... 26

Tabela 4.2: Caractersticas dos equipamentos empregados na montagem das unidades 28

Tabela 4.3: Caractersticas do carvo granular antracitoso - meio suporte .................... 30

Tabela 4.4: Caractersticas dimensionais dos compartimentos do BF............................ 31

Tabela 4.5: Resumo das caractersticas dimensionais dos BFs ...................................... 32

Tabela 4.6: Identificao dos pontos principais de coleta .............................................. 34

Tabela 4.7: Identificao dos pontos adicionais e janelas de amostragem ..................... 34

Tabela 4.8: Identificao das janelas de amostragem..................................................... 34

Tabela 4.9: Parmetros de monitoramento ..................................................................... 35