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TECNOLOGIAS AVANÇADAS DE TRATAMENTO DE EFLUENTES
UTILIZANDO LAGOAS
Antonio Celso Rossini
WasserLink Soluções Ambientais Ltda
Sistemas de tratamento de águas residuarias à base de lagoa são populares em todo o
mundo pela sua simplicidade e baixo custo. No entanto, estes sistemas não são capazes de
remover de forma confiável a demanda bioquímica de oxigênio (DBO) e sólidos suspensos
totais (SST) para menos de 30 mg /l ou conseguir nitrificação durante os meses de inverno em
climas frios. Várias modificações inovadoras têm sido desenvolvidas, que têm o potencial
para superar essas limitações, aumentando a biomassa ativa nas lagoas e gestão das pressões
do crescimento associados aos microrganismos no sistema. Essas tecnologias foram
concebidas para suportar atualizações diretas de sistemas baseados em lagoas existentes sem
interromper o tratamento regular.
Artigo desenvolvido pela Brinjac Engineering Inc e EDI Environmental Dynamics
Inc, representada no Brasil pela WasserLink Soluções Ambientais Ltda.
PALAVRAS CHAVE
Atualização de lagoas, tratamento avançado, nitrificação durante todo o ano,
controle de algas, retrofit em operação.
INTRODUÇÃO
Sistemas de tratamento de águas residuais à base de lagoa têm sido usados em todo o
mundo, tanto para aplicações municipais e industriais. Estes sistemas são atraentes devido ao
seu baixo custo operacional, capacidades de armazenamento in-situ de sólidos e requisitos de
baixa atenção operacional. Onde a disponibilidade de terra e topografia adequada permitirem,
sistemas baseados em lagoa são a solução de processo preferido para tratamento secundário, o
que reduz tanto a demanda bioquímica de oxigênio (DBO) e sólidos suspensos totais (SST) de
águas residuais para 30-50 mg / L.
Sistemas baseados em lagoas convencionais utilizam múltiplas celulas ou múltiplos
reatores em terra, que normalmente proporcionam relativamente longo (vários dias) tempos
de retenção hidráulica (HRTs). Estes sistemas são uma alternativa dos sistemas sem reciclo de
sólidos biológicos. Sistemas baseados em lagoas convencionais têm as seguintes limitações:
o Grandes exigências de área de terra;
o Controle limitado do processo pelo operador;
o Redução do desempenho no tempo frio;
o Capacidade deficiente para controlar algas e sólidos em suspensão no tempo
quente;
o Limitação na redução da DBO e sólidos em suspensão abaixo de 30-50 mg / L;
o Limitação na capacidade de nitrificação e remoção denutrientes (N e P).
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As limitações do processo de sistemas baseados em lagoa derivam principalmente de
duas causas: (a) incapacidade para reter biomassa suficiente para níveis mais elevados de
tratamento, e (b) temperatura de operação, especialmente em climas frios. Este artigo
apresenta diversas tecnologias avançadas que superar essas limitações, mantendo as vantagens
inerentes de sistemas baseados em lagoa. Na sequência da avaliação das tecnologias
disponíveis, são apresentados estudos de casos representativos.
TECNOLOGIAS DE TRATAMENTO AVANÇADO COM LAGOA
Para superar as limitações de sistemas baseados em lagoa convencionais e para
oferecer melhor tratamento, várias tecnologias avançadas de tratamento de lagoa têm sido
desenvolvidas. Estas, permitem obter um desempenho comparável ao processo de lodos
ativados, com vários benefícios em um único processo operacional, tais como:
o Níveis de tratamento avançados para DBO e SST com controle de amônia e nutrientes
o Desempenho adequado durante todo o ano em climas quentes ou frios
o Baixa exigências de atenção do operador, no monitoramento e manutenção
o Gestão simples e confiável por longo prazo do lodo através da estabilização e
armazenagem in-situ
o Redução das necessidades de área de terra
o Atualização on-line de lagoas existentes ou uso com nova construção
o Baixo custo operacional
o Sustentabilidade do sistema de longo prazo com adição de tecnologias
O AUMENTO DA BIOMASSA
Várias opções de configuração de processos estão disponíveis para aumentar a
biomassa em lagoas. Estas configurações utilizam técnicas inovadoras de separação sólidos-
líquidos para aumentar e manter a concentração desejada da massa de lodo no reator
biológico, ou proporcionar um meio suporte fixo para o crescimento e retenção da biomassa.
TECNOLOGIAS DE SEPARAÇÃO SÓLIDO-LÍQUIDO
Clarificador Externo - Esta configuração utiliza um reator biológico em terra e um
clarificador convencional, com retorno do lodo ativado (RAS) e remoção do excesso de lodos
(WAS) para manter a biomassa na zona aerada da lagoa (Figura 1).
Este sistema é uma opção econômica para projetos convencionais de lodos ativados
quando houver lagoa existente ou houver área de terra para novas construções. Este sistema
tem sido aplicado em grandes instalações com rigorosos requisitos de lançamento. O sistema
também exige a instalação de gestão dedicada de sólidos e descarte da parcela excedente para
manter o inventario desejado de biomassa de sólidos no sistema.
O sistema de ar difuso com ramais flutuantes é utilizado para permitir a aeração e
mistura. Este tipo aeração opera flutuante na superfície da água do reator. Os elementos de
difusão do ar geralmente estão suspensos a partir da tubulação de ar flutuante. Os difusores de
membrana com micro poros são normalmente utilizados para máxima eficiência operacional.
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Este sistema de aeração pode ser instalado em lagoas novas ou existentes, uma vez que os
seus componentes são simplesmente flutuantes na posição e mantidos por cabos de tração.
Clarificador Interno - Esta configuração usa um reator biológico em terra e um
sistema clarificador interno que é construído dentro da lagoa como reator biológico. O
clarificador é configurado com paredes laterais inclinadas e um sistema de canaleta para
coleta de lodo. Isto elimina a necessidade de um sistema convencional de remoção mecânica
de lodo.
O sistema de clarificação interna oferece acentuada economia em relação aos sistemas
de tratamento que utilizam clarificador convencional. Economia nos custos de construção,
bombeamento para RAS e WAS e equipamento de coleta de lodo estão disponíveis nesta
opção. Os componentes da clarificação precisam ser dimensionados de forma conservadora
para evitar que os sólidos sejam lavados durante as condições de pico de vazão, devido ao
reduzido volume disponível para o acumulo de sólidos depositados com a construção de
parede lateral inclinada.
Este sistema é ideal para pequenas e médias instalações, uso em novas construções
com instalação independente para gestão de sólidos.
Figura 1 - Configuração típica com clarificação externa (EC)
Figura 2 - Configuração típica com clarificação interna (IC)
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Separador Interno - A avançada tecnologia patenteada Advanced Technology
Lagoon Activated Sludge – Internal Separator (ATLAS-IS) consiste em uma série de lagoas
ou zonas hidraulicamente separadas e módulos de separação internos (Figura 3).
A primeira zona / lagoa é uma zona de mistura completa (CM), normalmente operado
com 1 a 4 dias de tempo de retenção hidráulica (TRH), 30 a 80 dias de tempo de retenção de
sólidos (SRT), elevada concentração de sólidos suspensos (MLSS) e baixa relação alimento-
microrganismos (F: M). Os módulos de Separador Interno (IS) são colocados nesta zona /
lagoa para reter a biomassa. O efluente proveniente dos módulos contendo baixo teor de
sólidos suspensos totais (SST) é liberado na sequência para o processo. Zonas/lagoas a jusante
são de mistura parcial (PM) para coletar e digerir os sólidos provenientes da lagoa de mistura
completa. As zonas/lagoas PM são seguidas por uma zona/lagoa de repouso para polimento
final antes da descarga do efluente. O mecanismo de separação de sólidos é a autorregulado,
que resulta numa gestão equilibrada dos sólidos biológicos. Os resíduos sólidos do reator
biológico primário são tratados a jusante na zona de mistura parcial e de repouso. O processo
ATLAS-IS é particularmente adequado para atualizações em lagoas existentes, a fim de obter
a oxidação carbonácea completa com nitrificação, mesmo em climas frios.
O sistema ATLAS-IS é uma solução econômica para atualização de sistema com
lagoas existentes com poucas modificações frente ao que é requerido para sistemas de lagoa
convencional.
Lagoa – Reator Sequencial por Batelada (SBR) - O sistema lagoa-SBR aproveita o
reator biológico para proporcionar um processo sequencial de lodos ativados (Figura 4).
Tratamento biológico, separação de sólidos, efluente decantado e ciclos no processo mantem
o inventario da biomassa. O processo requer a atenção limitada do operador, para inexistência
de bombeamento do retorno ou descarte de sólidos.
Figura 3 - Layout típico ATLAS-IS
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O processo corretamente projetado permite a completa oxidação carbonácea, mais o
controle total de nitrogênio.
É mais adequado para grandes vazões e onde várias lagoas estão disponíveis. O
sistema é usado tipicamente em série com lagoas de mistura parcial para o gerenciamento
simplificado e econômico de sólidos.
Tecnologias de Filme Fixo
Sistema de Filme – Fixo Flexível – - A implantação de um meio suporte fixo no
reator biológico pode aumentar os sólidos biológicos que são retidos no sistema. Ao manter
um inventário de biomassa apropriado, a DBO e a remoção de amônia são melhoradas.
O biofilme fixo flexível é montado em cabos flutuantes que estendem na porção
aerada do reator. Isto proporciona um fluxo em 3-dimensões através de um meio suporte com
alta relação área/volume. A biomassa aderida no meio fixo e permite maior remoção da DBO,
TSS e nitrogênio. O meio suporte fixo é não-confinado e com autolimpeza, resiste ao
entupimento, e não requer nenhuma manutenção para o desempenho de longo prazo. Este
sistema é idealmente adequado para melhorar o desempenho de lagoas aeradas convencionais
e para o polimento do efluente, quando utilizado em combinação com os sistemas descritos
anteriormente.
A Figura 5 mostra a configuração do sistema com película fixa e a Figura 6 mostra
uma fotografia do filme fixo flexível instalado num cabo flutuante.
Figura 4 - Lagoa típica-SBR
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Controle da Temperatura
Um sistema de cobertura flutuante melhora o desempenho de todos os processos
biológicos em ambientes muito frios. Ao cobrir uma porção da lagoa com uma manta de
isolamento do ar, há uma redução substancial da perda de calor para a atmosfera, mantendo
assim um efluente com temperatura mais elevada através do processo (Figura 7).
Figura 5 - Configuração típica de sistema com filme-fixo
Figura 6 - Meio fixo flexível instalado em cabo flutuante
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O sistema de cobertura flutuante também favorece o controle dos sólidos suspensos no
efluente. Pode ser usado em lagoas de estabilização aeradas convencionais e em todos os
sistemas que usam lagoa de polimento para a gestão de sólidos. É eficaz na redução da
presença de ambos: as algas e os sólidos biológicos na corrente efluente, limitando a
penetração da luz solar que desencadeia o crescimento de algas. A aplicação do sistema pode
ajudar a reduzir a concentração de sólidos em suspensão no efluentes para valores menores de
30 mg / L.
Os sistemas de cobertura são projetados para serem facilmente instaladas sem
necessidade de cabeamento externo ou ancoragem. A instalação é simples e não é necessário
ajuste com níveis diferentes de água. Os sistemas permitem acesso total a equipamentos
instalados na lagoa sem remoção da cobertura.
ESTUDO DE CASOS
ATLAS - IC Demonstração de projeto em Washburn, Wisconsin
Um sistema ATLAS - IC com um clarificador interno foi comissionado em Washburn,
WI no verão de 1997, e foi monitorado para DBO e nitrificação. O projeto apresenta vazão de
1.440 m³ / d, com DBO variando entre 100 e 250 mg / L.
Antes da instalação do sistema as concentrações de DBO na saída eram de 40 mg / L,
e após a instalação os níveis de DBO manteve-se abaixo de 15 mg / L (Figura 8). Os níveis de
amônia foram consistentemente baixos (Figura 9), com exceção de um par de observações
(Primavera de 2000) de mais de 8 mg / L de efluente amônia-N, o que poderia ser atribuída a
problemas operacionais com picos de vazão.
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Para demonstrar as capacidades do sistema ATLAS - IS, um projeto de demonstração
em grande escala foi realizado em Ashland, Missouri. A instalação da lagoa em Ashland foi
concebida para tratar a 1098 m³ / d contendo 200 mg / l de DBO, com uma zona CM (mistura
completa) frontal a duas zonas de MP (mistura parcial) e uma zona de polimento, como
mostrado na Figura 3. Em dezembro de 2002, o sistema ATLAS-IS foi instalado online. O
volume total de projeto das lagoas de 13.970 m³, com profundidade útil de 3,96m e com
paredes laterais inclinadas. Os volumes e HRTs das várias zonas do sistema foram como
apresentados na Tabela 1.
Figura 8 - Variação da DBO em Washburn, Wisconsin
Figura 9 - Variação da Amônia em Washburn, Wisconsin
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Tabela 1 - Volumes and HRTs of various zones of ATLAS-IS system at Ashland, Missouri
Os módulos é foram instaladas em Ashland em dezembro de 2002. Depois de algumas
semanas de estabilização do processo, a concentração MLSS na zona CM aumentou de forma
constante, estabilizando na faixa de 2000-3000 mg / L (Figura 10). O aumento no MLSS na
zona CM resultou em excelente remoção de DBO (Figura 11). A DBO total média no afluente
foi de cerca de 91 mg / L, e a DBO solúvel na zona CM foi ligeiramente inferior a 9 mg / L.
Assim, mais de 90% de remoção de BOD foi obtida na zona de CM. A nitrificação foi
também realizada durante todo o ano, como mostrado na Figura 12. O sistema foi mantido
com nitrificação através de três invernos.
Os módulos é foram instaladas em Ashland em dezembro de 2002. Depois de algumas
semanas de estabilização do processo, a concentração MLSS na zona CM aumentou de forma
constante, estabilizando na faixa de 2000-3000 mg / L (Figura 10). O aumento no MLSS na
zona CM resultou em excelente remoção de DBO (Figura 11). A DBO total média no afluente
foi de cerca de 91 mg / L, e a DBO solúvel na zona CM foi ligeiramente inferior a 9 mg / L.
Assim, mais de 90% de remoção de BOD foi obtida na zona de CM. A nitrificação foi
também realizada durante todo o ano, como mostrado na Figura 12. O sistema foi mantido
com nitrificação através de três invernos.
ZONA VOLUME
HRT (d) m³ MG
CM 2800 0,74 2,55
PM1 6620 1,75 6,03
PM2 2350 0,62 2,14
QUIESCENT 2200 0,58 2,00
Figura 10 - SS na zona CM e zona de efluente em Ashland, Missouri
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Embora o funcionamento do sistema não foi especificamente otimizado para a remoção de
nitrogênio através de desnitrificação, uma redução substancial foi observada (Figura 13).
Figura 11 - Variação da DBO em Ashland, Missouri
Figura 12 - Variação da amônia em Ashland, Misouri
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Considerando-se uma pequena quantidade de nitrogênio assimilado pela biomassa, a
maior parte do nitrogênio remanescente poderia ser esperado ser nitrificado. A concentração
de nitrato-N solúvel na zona, no entanto, foi significativamente mais baixa do que as
concentrações afluentes de TKN. Foi observado cerca de 50% de remoção de nitrogênio nesta
zona, sugerindo nitrificação-desnitrificação simultânea.
Aplicação de Filme Fixo em Kingdom City, Missouri
A aplicação de película fixa foi comissionada em Kingdom City, Missouri no final de
2005. Este projeto era originalmente um sistema de lagoas com mistura parcial projetado para
tratar 910 m3 / d, atualmente tratando cerca de 379 m3 / d. A ETE foi modificada com
instalação de meio fixo flexível suspensa por cabos flutuantes (Figura 6). O sistema iniciou a
operação durante o inverno de 2005-2006, com a biomassa iniciando adesão sobre o meio
suporte. O sistema apresentou nitrificação durante os meses de verão (Figura 14). Em
operação normal, a baixas temperaturas (inferiores a 10º C), a nitrificação seria de esperar que
cesse totalmente. Este não era o caso, visto que cerca de 50% de nitrificação foi realizada pelo
sistema durante a época do inverno de funcionamento inicial.
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Aplicação de Cobertura em Wardsville, Missouri
Um sistema de cobertura com painéis flutuantes foi instalado na área de repouso de
uma lagoa aerada de mistura parcial no verão de 2003. O valor de projeto do tempo de
residência hidráulico é de 4,4 dias. O valor nas condições atuais é superior a 20 dias. Valores
de SST no efluente reportados variou de 8 mg / L em março de 2006 a 12 mg / L em maio de
2006. Os valores de efluentes de DBO foram inferiores a 6 mg / L ao longo do período.
CONSIDERAÇÕES FINAIS
Enquanto sistemas de lagos são simples de operar e proporcionar um tratamento eficaz
em termos de custos, eles são limitados em sua capacidade de nitrificar em condições de
inverno rigoroso. Para ultrapassar isto e melhorar o tratamento, vários processos inovadores
têm sido desenvolvidos, os quais proporcionam um desempenho comparável ao processo de
lodos ativados, com o seguinte processo e os benefícios operacionais:
o Níveis de tratamento avançadas para DBO e SST com controle de amônia e de
nutrientes;
o Desempenho durante todo o ano em climas quentes ou frios;
o Baixa exigência de atenção do operador para monitoramento e manutenção;
o Gestão de lodo simples e confiável a longo prazo através de estabilização e de
armazenagem;
o Requisitos de espaço reduzidos;
o Atualização on-line de lagoas existentes ou para usar para construção de nova lagoa;
o Baixo custo operacional.
Figura 14 - Variação da amônia em Kingdom City, Missouri
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Algumas dessas tecnologias foram demonstradas com sucesso e representam opções
econômicas para atender as necessidades de tratamento das águas residuais de pequenas
comunidades.
AGRADECIMENTOS
Monitoramento para projetos de Ashland e Kingdom City foi realizado pelo
Departamento de engenharia civil e ambiental, da Universidade de Missouri-Columbia.
Artigo desenvolvido por Vikram M Pattarkine, Randall C Channm, Charles E Tharp.