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UNIVERSIDADE FEDERAL DE PERNAMBUCO
CENTRO DE TECNOLOGIA E GEOCIÊNCIAS
PROGRAMA DE PÓS-GRADUAÇÃO EM ENGENHARIA CIVIL
ÁREA DE CONCENTRAÇÃO EM TECNOLOGIA AMBIENTAL E
RECURSOS HÍDRICOS
ANTONIO RENÊ BENEVIDES DE MELO
PÓS-TRATAMENTO DE EFLUENTE DE REATOR UASB
POR FILTRAÇÃO EM AREIA E CARVÃO ATIVADO
RECIFE
2014
ANTONIO RENÊ BENEVIDES DE MELO
PÓS-TRATAMENTO DE EFLUENTE DE REATOR UASB POR FILTRAÇÃO EM AREIA E CARVÃO ATIVADO
Dissertação apresentada à Universidade Federal de Pernambuco – UFPE, como requisito para obtenção do título de mestre em Engenharia Civil (Tecnologia Ambiental e Recursos Hídricos).
Orientador: Prof. Dr. Mário Takayuki Kato.
Recife
2014
Catalogação na fonte Bibliotecária Maria Luiza de Moura Ferreira, CRB-4 / 1469
M528p Melo, Antonio Renê Benevides.
Pós-tratamento de efluente de reator Uasb por filtração em areia e carvão ativado / Antonio Renê Benevides de Melo. - Recife: O Autor, 2014.
69 folhas, il., tabs. Orientador: Prof. Dr. Mário Takayuki Kato. Dissertação (Mestrado) – Universidade Federal de Pernambuco. CTG. Programa de Pós- graduação em Engenharia Civil, 2014.
Inclui Referências.
1. Engenharia Civil. 2. Esgoto. 3. Filtro de areia. 4. Carvão ativado granular. I. Kato, Mário Takayuki (Orientador). II. Título.
624 CDD (22. ed.) UFPE/BCTG/2015-05
UNIVERSIDADE FEDERAL DE PERNAMBUCO
PROGRAMA DE PÓS-GRADUAÇÃO EM ENGENHARIA CIVIL
A comissão examinadora da Defesa de Dissertação de Mestrado
PÓS-TRATAMENTO DE EFLUENTE DE REATOR UASB POR
FILTRAÇÃO EM AREIA E CARVÃO ATIVADO
defendida por
Antônio Renê Benevides de Melo
Considera o candidato APROVADO
Recife, 29 de agosto de 2014
___________________________________________
Prof. Dr. Mario Takayuki Kato – UFPE
(orientador)
___________________________________________
Prof. Dr. Miguel Mansur Aisse – UFPR
(examinador externo)
___________________________________________
Prof.ª Dr.ª Sávia Gavazza dos Santos Pessôa – UFPE
(examinadora interna)
Aos meus familiares e amigos, que, de alguma forma, me apoiaram e incentivaram-me a alcançar meus objetivos.
DEDICO
RESUMO
Os esgotos, principalmente domésticos, quando são lançados no meio
ambiente, sem nenhum tipo de tratamento podem causar grandes problemas
ambientais, pois possuem constituintes como matéria orgânica, sólidos,
nutrientes, microrganismos patogênicos e micropoluentes. Nesse contexto, o
lançamento indiscriminado dos esgotos domésticos sem tratamento, ou
parcialmente tratados, é um dos principais motivos de poluição da água e pode
gerar efeitos degradantes diversos, o que interfere diretamente na sua
qualidade e nos seus usos benéficos. Esta pesquisa, que foi realizada na
instalação piloto da UFPE localizada na ETE Mangueira em Recife/PE, teve
como objetivo avaliar o pós-tratamento de efluente de reator UASB pelo
sistema de filtração em areia e carvão ativado granular de casca de coco.
Foram instalados um filtro de pedregulho FAP, e em paralelo, dois conjuntos de
filtração descendente em areia seguida de carvão ativado, que operaram com
taxa de 120 m³/m².d e 160 m³/m².d. O sistema proposto obteve eficiência global
de remoção média de 89% de matéria orgânica (DQO), sólidos suspensos 95%
e turbidez 95%. O pH variou entre 6,7 a 7,6 não se afastando da neutralidade,
o que é fundamental para o tratamento de esgoto. Em relação aos parâmetros
microbiológicos, o sistema apresentou-se satisfatório, uma vez que atingiu
remoções médias de 95% para coliformes fecais e 100% para ovos de
helmintos.
Palavras chaves: esgoto, filtro de areia, carvão ativado granular, pós
tratamento.
ABSTRACT
The wastewater, mainly domestic, when released into the environment
without any treatment can occasion major environmental problems, because
they have constituents such as organic matter, solids, nutrients, pathogens and
micropollutants. In this context, the indiscriminate release of wastewater
untreated, or partially treated, is a major cause of water pollution and can
provoke various degrading effects, impacting directly on his quality and on his
beneficial uses. This research, conducted in the UFPE pilot plant, located in
WWTP of Mangueira in Recife – PE, aimed to evaluate the post-treatment of
effluent UASB of reactor by filtration system in sand and granular activated
carbon. A boulder FAP filter were installed, and in parallel, two sets of
descending sand filtration followed by activated carbon, that operated rate of
120 m³/m².d and 160 m³/m².d. The proposed system achieved overall average
removal efficiency of 89% of organic matter (COD), 95% of suspended solids
and 95% of turbidity. The pH ranged from 6.7 up to 7.6 not moving away from
neutrality, which is crucial for the treatment of sewage. Regarding the
microbiological parameters, the system presented satisfactory, since it reached
medium removal of 95% for fecal coliforms and 100% for helminth eggs.
Keywords: wastewater, sand filter, granular actived carbon, post-
treatment.
AGRADECIMENTOS
Primeiramente, gostaria de agradecer à minha família; em especial, à
minha mãe, Maria Deograça da Silva, e ao meu pai, Washington Benevides (in
memorian); aos meus irmãos, em especial a José Radamés, João Rock,
Robson, Jânio e a Lanna, pela amizade, carinho, apoio em minhas decisões e
por entenderem minha ausência durante todo esse tempo.
Ao Professor e meu orientador, Mario Takayuki Kato, pela confiança,
apoio, paciência, dedicação e contribuição científica.
Aos professores do Programa de Pós-Graduação em Engenharia Civil
da UFPE, em especial à professora Lourdinha Florêncio, pelo apoio e
dedicação.
À minha amiga Ana Linda, por toda amizade, companheirismo e apoio,
desde sempre, e a Edmilson, pelo companheirismo na ETE Mangueira.
Ao Laboratório de Saneamento Ambiental e a todos os seus integrantes,
pela convivência, conhecimentos adquiridos, crescimento profissional e
pessoal. Aos amigos que fiz nesses dois anos, em especial a Edécio Souza,
Maxilimiano Diogo, Robson Silva, Bruna Alencar, Poliana Maria, Larissa
Ribeiro, Juliana Morais Elizabeth Pastich, Danilo Mamede, Thorsten Kochling e
Luiz Galdino.
Não posso esquecer Ronaldo Fonseca, responsável técnico do LSA, e
Danúbia Freitas, por todo apoio e suporte fornecido.
Aos outros mestrandos e doutorandos que estiveram comigo neste
mesmo período da pesquisa.
A Toni, Mateus e Cleber, que me acolheram em Recife.
Por fim, agradeço ao CNPq a bolsa de mestrado e auxílio à pesquisa.
Sumário
1.0. INTRODUÇÃO.................................................................................. 1
2.0. OBJETIVO GERAL .......................................................................... 2
2.1. Objetivo Específico ..................................................................... 2
3.0. REVISÃO BIBLIOGRÁFICA ............................................................ 3
3.1. Poluentes Encontrados em Esgotos Domésticos .................... 3
3.2. Tratamento Convencional de Água Residuária ........................ 5
3.3. Tratamento Terciário de Água Residuária ................................ 7
3.4. Tratamento Terciário por Filtração ............................................ 8
3.5. Descrição das Operações de Filtração ................................... 12
3.5.1. Tipos de meios filtrantes ....................................................... 13
3.5.2. Tipo de funcionamento ......................................................... 16
3.5.3. Sentido do fluxo durante a fase de filtração .......................... 17
3.5.4. Perda de carga ..................................................................... 19
3.5.5. Lavagem dos filtros ............................................................... 20
3.6. Aspectos Construtivos ................................................................. 22
3.6.1. Diâmetro Efetivo (D10) ........................................................... 22
3.6.2. Coeficiente de Uniformidade (CU) ........................................ 22
3.6.3. Profundidade da Camada de Areia ....................................... 23
3.7. Filtro de Carvão Ativado Granular ........................................... 24
4. Materiais e Métodos ......................................................................... 26
4.1. Local do Estudo ........................................................................ 26
4.2. Descrição da Instalação Experimental .................................... 26
4.2.1. Instalação do sistema piloto de filtração ............................... 26
4.3. Leito Filtrante............................................................................. 29
4.3.1. Leito Filtrante do Filtro Ascendente em Pedregulho ............. 29
4.3.2. Leito Filtrante dos Filtros Descendentes ............................... 29
4.4. Procedimento Experimental ..................................................... 31
4.4.1. Procedimento de Lavagem dos Filtros ................................. 33
5.0 RESULTADOS E DISCUSSÃO ...................................................... 35
5.1. Monitoramento de pH e Alcalinidade ...................................... 35
5.2. Remoção de Matéria Orgânica ................................................. 37
5.4. Remoção de Sólidos Suspensos e Turbidez .......................... 39
5.5. Avaliação da Perda de Carga nos Filtros Descendentes ....... 42
5.6. Remoção de Coliformes Fecais e Ovos de Helmintos ........... 43
6.0. CONCLUSÕES............................................................................... 45
7.0. RECOMENDAÇÕES ...................................................................... 46
8.0. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS .............................................. 47
LISTA DE FIGURAS
Figura 1 – Mecanismos de transporte, aderência e desprendimento durante a
filtração (Di Bernardo, 2005). ............................................................................. 9
Figura 2 - Tipos e configurações de meios filtrantes. ....................................... 14
Figura 3 – Curva de distribuição granulométrica de materiais filtrantes
(adaptado de Di Bernardo 2003). ..................................................................... 15
Figura 4 – Evolução da perda de carga em função do tempo. ......................... 20
Figura 5 - Estação de tratamento de efluentes da Mangueira, Recife -
Pernambuco. .................................................................................................... 26
Figura 6 – Ilustração da instalação do sistema usado durante a pesquisa. As
setas estão indicando o fluxo de escoamento do esgoto. ................................ 27
Figura 7 – Caixa de distribuição do esgoto para o filtro em pedregulho. .......... 28
Figura 8 - Caixa de distribuição do esgoto para os filtros de areia. .................. 28
Figura 9 - Curva granulométrica da areia dos filtros descendentes ................. 30
Figura 10 – Detalhe do sistema de filtração ..................................................... 31
Figura 11 – Quadro piezométrico ..................................................................... 32
Figura 12 - Distribuição da alcalinidade ao longo da pesquisa......................... 36
Figura 13 - Distribuição da DQO ao longo da pesquisa. .................................. 38
Figura 14 – Gráfico estatístico dos valores de DQO para as taxas de 120
m³/m².d e 160 m³/m².d. ..................................................................................... 38
Figura 15 – Gráfico estatístico dos valores de sólidos suspensos totais para as
taxas de 120 m³/m².d e 160 m³/m².d. ............................................................... 40
Figura 16 – Gráfico estatístico dos valores de turbidez .................................... 42
Figura 17 - Avaliação da perda de carga em 20 de dezembro 2013 ................ 43
Figura 18 – Avaliação da perda de carga em 20 de abril 2014 ........................ 43
Figura 19 – Avaliação da remoção de ovos totais de helmintos (Nº/L) ............ 45
LISTA DE TABELAS
Tabela 1 – Classificação dos filtros segundo distintos critérios (Arboleda, 2000).
......................................................................................................................... 13
Tabela 2 – Classificação dos filtros de meio granular (Adaptado de Metcalf e
Eddy, 2003). ..................................................................................................... 19
Tabela 3 – Granulometria do meio filtrante do FAP ......................................... 29
Tabela 4 – Granulometria do meio filtrante de areia (FDA1 e FDA2). .............. 30
Tabela 5 – Características do carvão ativado granular fabricado com casca de
coco. ................................................................................................................. 30
Tabela 6 – Parâmetros analisados durante a pesquisa ................................... 32
Tabela 7 - Valores médios de pH para o período de avaliação. ....................... 35
Tabela 8 - Valores médios de alcalinidade para os dois sistemas de filtração. 36
Tabela 9 – Valores médios de SST (mg/L) para os sistemas de filtração. ....... 39
Tabela 10 - Valores médios de turbidez para os sistemas de filtração. ........... 41
Tabela 11 – Valores médios de turbidez e eficiência de remoção média em
relação ao tratamento antecedente. ................................................................. 41
Tabela 12 - Valores médios de densidade de coliformes fecais nos efluentes
dos filtros de carvão ativado granular (NMP/100 mL) ...................................... 44
LISTA DE ABREVIATURAS, SIGLAS E SÍMBOLOS
CV Coeficiente de variação
ETE Estação de tratamento de esgoto
FAP Filtro ascendente de pedregulho
FCA Filtro de carvão ativado
FDA Filtro descendente de areia
Max Máximo
Med Média
Min Mínimo
NMP Número mais provável
NTU Unidade nefelométrica de turbidez
OMS Organização Mundial de Saúde
PVC Cloreto de polivinila
UASB Upflow anaerobic sludge blanket (reator anaeróbio de manta de lodo e fluxo ascendente)
DQO Demanda química de oxigênio
1
1.0. INTRODUÇÃO
A água foi, por muito tempo, considerada pela humanidade como um
recurso inesgotável e, talvez por isso, tenha sido um bem mal gerido (Florêncio
et. al., 2006). Uma variedade de fatores, incluindo o crescimento populacional,
o aumento da atividade industrial, o uso da terra, dentre outros, vem causando
problemas ambientais que têm se tornado cada vez mais críticos e frequentes,
o que tem provocado alterações na qualidade do solo, do ar e da água. Esses
fatores e o progresso econômico aliados às mudanças climáticas tornam
incerta a disponibilidade dos recursos hídricos para o futuro (GHISELLI &
JARDIM, 2007; DAVIESA & SIMONOVICB, 2011).
Os esgotos, principalmente os domésticos, quando são lançados no
meio ambiente sem nenhum tipo de tratamento, podem acarretar grandes
problemas ambientais, pois possuem diversos tipos de constituintes.
Segundo o Boletim da OMS (2008), a presença de microrganismos
patogênicos em águas naturais provoca a morte de mais de 1,5 milhões de
pessoas, anualmente, em todo o mundo – na maioria, crianças com idade
abaixo de 5 anos. O aumento da poluição das águas superficiais e
subterrâneas por micropoluentes; espécies químicas que, mesmo estando
presentes em pequenas concentrações, são capazes de desencadear, efeitos
na vida aquática e na saúde humana, também podem provocar problemas
similares ou até mesmo de maior severidade (REIS FILHO et al., 2006;
KLAVARIOTI et al., 2009; FERNANDES et al., 2011).
Como resultado, os requisitos para tratamento de esgoto estão se
tornando cada vez mais rigorosos em termos de concentrações-limite de
muitas dessas substâncias no efluente, estabelecendo assim, novos níveis de
toxicidade. Com isso, após o tratamento convencional de água residuária, cujo
objetivo é reduzir ou remover principalmente matéria orgânica, o efluente pode
ser submetido ao tratamento terciário melhorando a sua qualidade.
A filtração em meio granular, principalmente em areia e carvão ativado,
está sendo amplamente utilizada como tratamento terciário de águas
residuárias, principalmente para remover sólidos suspensos antes de
desinfecção, matéria orgânica remanescente do processo biológico, nutrientes
2
(N e P), microrganismos (coliformes fecais e ovos de helmintos) e
micropoluentes, adequando o efluente aos padrões legais de lançamento em
curso d’água e/ou reúso.
Diante do exposto, as tecnologias de tratamento de esgoto se tornaram
uma importante ferramenta para a proteção e manutenção de um meio
ambiente saudável, principalmente no que concerne aos recursos hídricos e
consequentemente dos seres vivos que dependem desse recurso.
2.0. OBJETIVO GERAL
O objetivo geral deste trabalho foi avaliar o desempenho de um sistema
de filtração em areia seguida por filtração em carvão ativado granular como
unidade de pós-tratamento de efluente de reator UASB, tratando esgoto
doméstico.
2.1. Objetivo Específico
i. Verificar o desempenho e a eficiência dos filtros através de análises
físico-químicas;
ii. Avaliar o desempenho de perda de carga progressiva no sistema de
filtração descendente.
iii. Verificar o desempenho dos filtros em remover organismos indicadores
de patogenicidade;
3
3.0. REVISÃO BIBLIOGRÁFICA
3.1. Poluentes Encontrados em Esgotos Domésticos
A água foi, por muito tempo, considerada pela humanidade como um
recurso inesgotável e, talvez por isso, tenha sido um bem mal gerido (Florêncio
et al., 2006). Uma variedade de fatores, incluindo o crescimento populacional, o
aumento da atividade industrial, o uso da terra, dentre outros, vem causando
problemas ambientais que têm se tornado cada vez mais críticos e frequentes,
o que tem provocado alterações na qualidade do solo, do ar e da água. Esses
fatores e o progresso econômico aliados às mudanças climáticas, tornam
incerta a disponibilidade dos recursos hídricos para o futuro (GHISELLI &
JARDIM, 2007; DAVIESA & SIMONOVICB, 2011).
Na ausência de reformas e investimentos, o uso da água está, cada vez
mais, gerando conflitos em várias partes do mundo. O Brasil tem uma das
maiores reservas de água do planeta, mas nem todos os brasileiros têm
acesso à quantidade e qualidade de água necessária para satisfazer suas
necessidades. O uso irracional e a má gestão provocaram a exaustão de
muitas fontes e têm colocado a saúde e a economia das comunidades em risco
(BARROS et al., 2012).
Os esgotos, principalmente os domésticos, quando são lançados no
meio ambiente sem nenhum tipo de tratamento, podem acarretar grandes
problemas ambientais, pois possuem diversos tipos de constituintes; entre os
mais usuais estão: a matéria orgânica biodegradável (proteínas, carboidratos e
lipídeos), sólidos dissolvidos e suspensos, nutrientes (principalmente o
nitrogênio e o fósforo), compostos inorgânicos (cálcio e sódio). Em pequenas
quantidades, encontram-se metais pesados, que devem ser removidos caso se
almeje o reúso da água; micropoluentes, como os que possuem potencial
carcinogênico e teratogênico; e substâncias orgânicas refratárias, aquelas que
não são removidas por tratamento convencional (pesticidas e surfactantes)
(METCALF & EDDY, 2003).
Dentre os principais impactos observados do lançamento de esgotos
sem tratamento, podem ser citados:
4
O decaimento do oxigênio dissolvido nos cursos d’água, devido à
estabilização da matéria orgânica realizada pelas bactérias decompositoras,
as quais utilizam o oxigênio no meio líquido para a sua respiração;
Incorporação no curso d’água de uma ampla gama de microrganismos
transmissores de doenças. Esse fato pode não gerar impacto à biota do
corpo d’água em si, mas afeta alguns dos usos preponderantes a ele
destinados, tais como abastecimento de água potável, irrigação e
balneabilidade;
Eutrofização das águas superficiais devido às descargas, em altas
concentrações, de nutrientes, principalmente nitrogênio e fósforo,
provocando o enriquecimento do meio, tornando-o mais fértil e possibilitando
o crescimento intensivo de comunidades fitoplanctônicas (AGUJARO e
ISAAC, 2002). Um dos impactos mais preocupantes da aceleração do
processo de eutrofização é o aumento da probabilidade de ocorrência de
florações de algas, principalmente as cianobactérias, potencialmente tóxicas,
as quais podem alterar a qualidade das águas, sobretudo no que tange ao
abastecimento público;
Segundo o Boletim da OMS (2008), a presença de microrganismos
patogênicos em águas naturais provoca a morte de mais de 1,5 milhões de
pessoas, anualmente, em todo o mundo – na maioria, crianças com idade
abaixo de 5 anos. O aumento da poluição das águas superficiais e
subterrâneas por produtos químicos, com efeitos na vida aquática e na saúde
humana, também pode provocar problemas similares ou até mesmo de maior
severidade (FERNANDES et al., 2011).
Dentre os muitos tipos de poluentes veiculados pelo esgoto, especial
atenção tem sido dada, recentemente, à classe dos micropoluentes; espécies
químicas que, mesmo estando presentes em pequenas concentrações, são
capazes de desencadear efeitos sobre os sistemas em que são introduzidos
(REIS FILHO et al., 2006; KLAVARIOTI et al., 2009). Mackay, em 1982,
classificou como micropoluentes os compostos químicos usualmente
detectados em concentrações abaixo de 1 mg/L. Nesse contexto, o estudo de
5
micropoluentes em ambientes aquáticos tem ganhado grande atenção nas
últimas décadas. Dentro do grande número de substâncias classificadas como
micropoluentes, destaque pode ser dado aos disruptores endócrinos.
Disruptores endócrinos, em razão da massificação de seu uso, da baixa
eficiência de remoção apresentada pelos sistemas convencionais de
tratamento (BOLONG et al., 2009; KRAUZE et al., 2009; YING et al., 2009;
ZORITA et al., 2009) e do contínuo aporte no ambiente aquático, contaminam
águas superficiais e subterrâneas, provocando efeitos deletérios ainda em
discussão (BILA e DEZOTTI, 2007; GHISELLI e JARDIM, 2007; SCHERR et
al., 2009).
A origem da hipótese da ação dos disruptores endócrinos deve-se a
acontecimentos importantes, tais como: 1) o aparecimento de câncer no
sistema reprodutivo de filhas de mulheres que usaram DES (dietilestilbestrol)
na gravidez, entre os anos de 1940 a 1972; 2) anomalias no sistema
reprodutivo observadas em jacarés que habitavam um lago na Flórida
contaminado com o pesticida DDT e seu metabólito DDE3; e 3) um estudo na
Dinamarca que relata o declínio da qualidade do sêmen de homens durante
aproximadamente 50 anos, entre os anos de 1938 e 1994.
Nesse contexto, o lançamento indiscriminado dos esgotos domésticos
sem tratamento, ou parcialmente tratados, é um dos principais motivos de
poluição da água e pode causar vários efeitos degradantes, interferindo
diretamente na qualidade dos recursos hídricos e nos seus usos benéficos.
3.2. Tratamento Convencional de Água Residuária
O tratamento de águas residuárias é realizado através de operações e
processos unitários, cujo objetivo é reduzir ou remover os agentes poluidores,
são selecionados baseando-se nas características qualitativas e quantitativas
do esgoto, objetivos do tratamento, disponibilidade de área, requisitos legais,
tecnologia, etc. As operações unitárias são, geralmente, utilizadas em
sequência, formando diferentes níveis de tratamento, classificados como
preliminar, primário, secundário e terciário ou avançado.
6
O tratamento preliminar visa à remoção de material grosseiro e areia,
enquanto o primário remove sólidos sedimentáveis. Como muitos
microrganismos ficam aderidos às partículas sólidas do esgoto, a remoção de
sólidos suspensos também contribui para a diminuição do número de
microrganismos entéricos (TANJI et al., 2002; JIMENEZ, et al, 2010).
O tratamento secundário é realizado através de processos biológicos.
Esse tratamento possui os seguintes objetivos: (1) estabilizar a matéria
orgânica transformando-a em compostos simples (estabilizados), (2) incorporar
sólidos suspensos sedimentáveis e não coloidais em um floco biológico ou
biofilme, (3) transformar ou remover nutrientes, como nitrogênio e fósforo, e (4),
em alguns casos, remover os constituintes orgânicos e compostos químicos
específicos. (METCALF e EDDY, 2003).
Os sistemas biológicos podem ser anaeróbios e aeróbios. Os reatores
aeróbios apresentam uma elevada eficiência no tratamento, mas possuem
desvantagens, como elevados custos de implantação e manutenção. Os
reatores anaeróbios apresentam algumas vantagens em relação aos sistemas
aeróbios, como: baixo consumo de energia, simplicidade de construção, baixa
produção de lodo, operação e manutenção simplificada. Contudo, não são
eficientes para remoção de nutrientes, patógenos e apresentam certa limitação
na remoção da matéria orgânica, muitas vezes não atendendo aos parâmetros
estabelecidos pela resolução CONAMA 430/2011 para lançamento de esgoto
em corpos d’água receptores.
Segundo Asadi et al. (2012), o uso combinado de reatores anaeróbios e
aeróbios apresenta-se com grande potencial para o tratamento de esgotos,
incluindo a remoção complementar da matéria orgânica remanescente do
processo anaeróbio, a remoção de nutrientes, principalmente nitrogênio,
através do processo de nitrificação-desnitrificação, e, eventualmente, outros
poluentes, como os micropoluentes e microrganismos.
Esses sistemas combinados são alternativas interessantes do ponto de
vista técnico e econômico, pois possuem elevada eficiência global de redução
das concentrações dos poluentes no esgoto – aliada à economia de energia
elétrica, menor geração de lodo de excesso, menor requisito de área – quando
comparados a sistemas aerados convencionais (PROSAB, 2006).
7
3.3. Tratamento Terciário de Água Residuária
Após o tratamento convencional, a qualidade do efluente pode ainda ser
melhorada pelo tratamento terciário. Processos terciários de tratamento são
comumente utilizados para remover matéria orgânica, sólidos suspensos,
compostos orgânicos sintéticos, microrganismos e íons inorgânicos, bem como
sulfato e fosfato, do efluente do tratamento secundário.
A necessidade do tratamento terciário é baseada considerando um ou
mais dos seguintes fatores:
Necessidade de remoção de matéria orgânica e sólidos suspensos totais,
que não foram removidos no processo convencional de tratamento para
atender aos requisitos mais restritivos de lançamento ou reúso;
A necessidade de remoção do residual dos sólidos suspensos totais para
condicionar o efluente ao tratamento mais efetivo de desinfecção;
A necessidade de remover nutrientes remanescentes do tratamento
secundário para evitar o efeito da eutrofização dos corpos d’água;
A remoção de constituintes específicos inorgânicos (metais pesados) e
orgânicos para atender às exigências mais rigorosas de reúso e
lançamento em águas superficiais;
Nos últimos anos, os efeitos de muitas dessas substâncias sobre o
ambiente tornaram-se mais evidentes. Com isso, as pesquisas nesse campo
possuem a finalidade de determinar: (1) os efeitos ambientais das substâncias
potencialmente tóxicas e biologicamente ativas encontrados em águas
residuárias e (2) as possibilidades de remoção dessas substâncias por
processos de tratamento convencionais e/ou avançados.
Como resultado, os requisitos para tratamento de esgoto estão se
tornando cada vez mais rigorosos em termos de concentrações-limite de
muitas dessas substâncias no efluente, estabelecendo assim, novos níveis de
toxicidade.
Existe um grande número de processos de tratamento terciário, incluindo
pós-precipitação, filtração rápida em areia, filtração lenta em areia, flotação por
ar dissolvido (DAF), filtração com membranas (MF, UF, NF, OR), troca iônica,
8
oxidação química e adsorção em carvão ativado. Esses processos têm sido
aplicados para o tratamento terciário de águas residuárias com diferentes
finalidades (PINTO FILHO e BRANDÃO, 2001; HAMODA et al., 2002;
METCALF e EDDY, 2003; RAJALA et al. 2003; YOON et al. 2006; BROSEUS
et al., 2009; XUE et al., 2010; HO et al. 2011). A aplicação e a escolha do
processo de tratamento são determinadas por vários fatores, por exemplo, o
objetivo do tratamento, a qualidade e quantidade do esgoto a ser tratado, a
facilidade de operação do processo, o requerimento de área e das condições
ambientais e a viabilidade econômica do sistema.
3.4. Tratamento Terciário por Filtração
Filtração em meio granular é amplamente utilizado como operação
unitária em diferentes sistemas de tratamentos de água e esgoto. Embora a
filtração em areia tenha sido utilizada por muito tempo para tratamento de
água, atualmente, a filtração em areia está sendo amplamente utilizada como
tratamento terciário de águas residuárias, principalmente para remover sólidos
suspensos e matéria orgânica antes do tratamento de desinfecção ou para
remover fósforo e matéria orgânica do efluente antes do lançamento em curso
d’água.
Os mecanismos responsáveis pela remoção de partículas durante a
filtração com ação de profundidade são complexos e influenciados,
principalmente, pelas características físicas e químicas das partículas, da água
e do meio filtrante, da taxa de filtração e do método de operação dos filtros.
Considera-se a filtração o resultado da ação de três mecanismos distintos:
transporte, aderência e desprendimento (JIMENEZ et. al., 2010).
Os mecanismos de transporte são responsáveis por conduzir as
partículas suspensas para as proximidades das superfícies dos coletores
(material granular que compõe o leito filtrante), podendo permanecer aderidas
a estes por meio de forças superficiais, que resistem às forças de cisalhamento
resultantes das características do escoamento ao longo do meio filtrante. As
partículas tanto podem aderir diretamente às superfícies dos grãos como às
partículas previamente retidas.
9
O fato de as partículas suspensas através dos mecanismos de
transporte serem carreadas para a superfície dos grãos de areia não significa
que estas permanecerão aderidas a essas superfícies. Se não houver uma
afinidade físico-química entre as superfícies dos grãos de areia e das partículas
e se determinadas condições não forem satisfeitas, as partículas poderão
retornar às linhas de corrente e serem carreadas leito abaixo, onde terão
novamente a possibilidade de serem retidas ou atravessarão a camada
filtrante, saindo com o efluente do filtro. Os principais mecanismos de
aderência que permitem essa permanência da partícula junto aos grãos de
areia são: atração eletrostática, forças de van der Waals, reações de
hidratação, adsorção mútua e “mecanismos” de soltura.
As partículas aderidas aos grãos de areia em um leito filtrante, através
dos mecanismos descritos anteriormente, constituem-se em uma estrutura
bastante sólida. Atualmente, os diversos autores divergem sobre a
possibilidade de romper essa estrutura e transferir novamente as partículas
aderidas para as linhas de corrente, quando o filtro é operado à taxa de
filtração constante. Entretanto, alguns deles notaram a ocorrência de soltura
das partículas aderidas com a consequente deterioração da qualidade da água
filtrada, quando ocorrem variações bruscas na taxa de filtração. Esse efeito é
bastante significativo nos filtros lentos de areia, o que leva a considerações
importantes no projeto e operação dessas unidades de tratamento, visando à
manutenção de taxas de filtração constantes. A Figura 1 apresenta uma
ilustração dos mecanismos de transporte, aderência e desprendimento.
Figura 1 – Mecanismos de transporte, aderência e desprendimento durante a filtração (Di Bernardo, 2005).
10
Algumas características do afluente que podem afetar o processo de
filtração incluem a concentração, tamanho das partículas, distribuição de
tamanhos, carga e força das partículas sólidas ou flocos (STEVIK et al., 2004).
A distribuição de tamanho e características de superfície, tais como carga
superficial e do material particulado, influencia nos mecanismos de remoção no
leito filtrante. Material coloidal e particulado em águas residuárias normalmente
possui carga negativa, repelindo-se e tornando-se estabilizado. Com isso,
geralmente, utilizam-se coagulantes químicos inorgânicos e polímeros
orgânicos na filtração para melhorar a eficiência do tratamento
(DIAMADOPOULOS e VLACHOS, 1996; CIKUREL et al, 1996, 1999.;
HEINONEN-TANSKI et al, 2002.; RAJALA et al., 2003).
A adição de produto químico pode causar desestabilização e coagulação
de partículas e matéria coloidal, seguidas de agregação das partículas e
separação do material particulado no leito filtrante (ADIN, 1999). A adição de
um coagulante químico inorgânico também pode precipitar substâncias
solúveis, como fósforo inorgânico. Os floculantes poliméricos orgânicos podem
funcionar através de ponte de materiais em suspensão em agregados maiores
e aumentar a força de agregados de partículas e flocos químicos. A eficiência
do processo de coagulação-floculação é afetada pela dose de coagulante e do
pH da água, cada tipo de coagulante tem suas próprias condições ótimas de
processo. A superdosagem de coagulante pode causar problemas
operacionais, como o entupimento do filtro ou avanço de turbidez através do
meio filtrante (JOLIS et al, 1996; KUO et al, 1997; CIKUREL et al, 1999).
Em relação à eficiência de tratamento, alguns estudos têm demonstrado
que esse método possui certo potencial para ser utilizado como pós-
tratamento, conferindo melhor qualidade aos efluentes tratados a nível
secundário. Em três diferentes estudos, em escala piloto, usando o processo
de filtração como tratamento terciário de efluentes de tratamento secundário,
Kuo et al. (1997) reportaram 78-80% em média a redução de turbidez (residual
1,2-1,4 NTU), 81-87% redução de sólidos suspensos (residual 1,6-2,0 mg/L) e
17% de redução de DQO (residual 53-54 mg/L). Jolis et al. (1996), reportaram
resultados similares em filtração em escala piloto de efluentes de tratamento
biológico municipal, usando dois diferentes filtros. Eles também reportaram
11
uma redução média de 1.1 log de bactérias coliformes no processo de
tratamento terciário por filtração. Nieuwstad et al. (1988), alcançaram cerca de
30-50% na redução de matéria orgânica (DBO e DQO), redução de 70-75% de
fósforo total Ptot e sólidos suspensos, bem como uma redução de 20-70% de
micróbios entéricos (E. coli, estreptococcos fecais, e esporos de sulfato
reduzidos clostridia) no processo terciário de filtração. Filtração terciária
(filtração direta) utilizada com o auxílio de coagulante químico férrico melhorou
o desempenho do processo de filtração, alcançando cerca de 40-60% de
redução de matéria orgânica (DBO, DQO), 90% redução de fósforo total Ptot e
redução de 80-99,4% de micróbios entéricos.
Rajala et al. (2003), reportaram que o tratamento terciário através de
filtração rápida (RSF) reduziu o número de microrganismos entéricos em 90-
99%, sólidos suspensos de 56-93% (residual 1-4 mg/L), turbidez de 65-87%
(residual 18-39 mg/L), e alcançou valores de transmitância >70% UV em escala
piloto. O tratamento terciário por filtração quando usado com uma filtração
mecânica foi reportado como menos eficiente.
Suwa e Suzuki (2003), alcançaram cerca de 0,5 log na redução de
Cryptosporidium oocists no processo terciário de filtração, enquanto que, num
processo de filtração direta com coagulante de policloreto de alumínio,
alcançaram uma redução de 2,6 log de Cryptosporidium oocists.
Aisse et al. (2007), concluíram que a filtração em areia utilizada como
pós-tratamento de reator UASB seguido de flotação, permitiu a melhoria da
qualidade físico-química do efluente da ETE Cambuí. Foram obtidas eficiências
de 57,9%, 83,2% e 84,3%, respectivamente, para a DQO, Turbidez e SST,
quando aplicada a taxa de 100 m³/m².dia na filtração descendente.
Tonetti et al. (2012), utilizando filtração como polimento de filtro
anaeróbio obtiveram remoção média de 91%, para turbidez; 83%, para sólidos
suspensos; 85%, para remoção de matéria orgânica DBO. Em relação aos
microrganismos, os filtros proporcionaram densidades menores, sendo que
seus efluentes variaram nas proximidades de 105 NMP/100 mL para coliformes
totais e entre 104 NMP/100 mL e 105 NMP 100/mL para E. coli. Esses valores
representam cerca de 96% de eficiência em relação a remoção dos
contaminantes.
12
3.5. Descrição das Operações de Filtração
A filtração consiste na remoção de partículas em suspensão e coloidais
e de microrganismos presentes na água que escoa através de um meio poroso.
Após certo tempo de funcionamento, há necessidade da lavagem do filtro;
geralmente, realizada pela introdução de água no sentido ascensional com
velocidade relativamente alta para promover a fluidificação parcial do meio
granular com liberação das impurezas (DI BERNARDO, 2005 e SALCEDO et
al., 2011).
A filtração pode efetuar-se de muitas formas: com baixa taxa superficial
(filtros lentos) ou com alta taxa superficial (filtros rápidos), em meios porosos
(camadas argilosas, filtro de papel) ou em meios granulares (areia, antracito,
cascalho e combinados), com fluxo ascendente, descendente e misto (parte
ascendente e parte descendente). Por outro lado, o filtro pode trabalhar à
pressão e por gravidade, dependendo da magnitude da carga hidráulica que
exista sobre o leito filtrante. A Tabela 1 apresenta uma ilustração dos filtros
baseada nesses critérios.
Nos filtros de ação lenta, a água passa através da areia a baixa
velocidade devido à força da gravidade. A separação dos sólidos se efetua com
a passagem da água pelos poros da camada filtrante, onde as partículas se
aderem aos grãos de areia. Depois de um longo período de funcionamento,
ocorrerá a obstrução dos poros da camada filtrante, o que se faz necessário
para a realização de uma limpeza no meio filtrante.
Nos filtros de areia de ação rápida com superfície livre, a água desce por
gravidade a alta velocidade. Esses são utilizados para efluentes de águas
residuárias provenientes de um tratamento secundário e, geralmente, é usado
um coagulante químico para promover a floculação das partículas, eliminando
a maior parte dos materiais em suspensão (KUO et al., 1997; RAJALA et al.,
2003; AISSE et al., 2007). A filtração rápida também tem sido empregada com
sucesso sem dosagens de coagulante (HAMODA et al., 2002).
13
Tabela 1 – Classificação dos filtros segundo distintos critérios (Arboleda, 2000).
Velocidade de
Filtração Meio Filtrante Usado Carga Sobre o Leito
Rápidos:
120 – 360 m³/m².dia
1. Areia Por gravidade
2. Antracito Por gravidade
3. Mistos Por pressão
Antracito
Areia
4. Mistos: Por pressão
Areia, antracito e
Granada
Lentos:
7 – 14 m³/m².dia
Areia
Por gravidade
Os filtros à pressão são utilizados, preferencialmente, para águas
residuárias. Sua velocidade de filtração varia de 5 a 10 m³/m².h, e a limpeza é
realizada com uma corrente de água no sentido inverso.
3.5.1. Tipos de meios filtrantes
A areia de sílica foi o primeiro dos materiais utilizados na filtração e
continua sendo o material base na maior parte dos filtros atuais. Os filtros de
leito granular geralmente usam como material filtrante o carvão antracito,
carvão ativado, garnet e ilmenita, que podem ser usados sozinhos ou em
combinações de dupla ou mais camadas.
A Figura 2 ilustra o arranjo das camadas de filtração bem como o sentido
do fluxo.
14
Figura 2 - Tipos e configurações de meios filtrantes.
(a) filtro convencional, única camada, fluxo descendente; (b) filtro convencional, dupla camada, fluxo descendente;
(c) filtro convencional, única camada, leito profundo, fluxo descendente; (d) filtro de leito profundo e fluxo ascendente.
60-9
0 c
m
Sistema de drenagem
Água a filtrar
Água filtrada
Água filtrada Sistema de drenagem
Água a filtrar
Sistema de drenagem
Água a filtrar
Água filtrada
Nível variável de água
Vertedouro
Água a filtrar
Água
filtrada
30-6
0 c
m
30-6
0 c
m
60-9
0 c
m
60-9
0 c
m
a) b)
c) d)
Areia
Antracito
Areia
Antracito
Areia
Sistema de drenagem
15
As propriedades do material filtrante são importantes, pois afetam a
eficiência de filtração. Essas propriedades incluem: tamanho, formato,
densidade e dureza. A porosidade do leito granular formado pelos grãos
também merece atenção. Deve-se ressaltar também que, para qualquer
material filtrante, a solubilidade em ácido clorídrico deve ser a menor possível,
no caso do antracito, menor ou igual a 1%.
O tamanho e a distribuição do tamanho dos grãos são determinados a
partir da curva de distribuição granulométrica (Figura 3) obtida através de
ensaios de distribuição granulométrica do material granular, utilizando-se
peneiras padronizadas, de acordo com a NBR 7181/1984. Através dos
resultados desses ensaios, pode-se também determinar o coeficiente de
uniformidade (CU), que é muito importante na filtração. Mesmo que os demais
parâmetros sejam iguais, a penetração de impurezas ao longo do material
filtrante está intimamente relacionada a este coeficiente. Quanto menor o valor
de CU, mais uniforme será o material, mais profunda será a retenção de
impureza e maior será a carreira de filtração.
Figura 3 – Curva de distribuição granulométrica de materiais filtrantes (adaptado de Di
Bernardo 2003).
UC = D60
D10
Qua
ntid
ad
e q
ue p
assa (
%)
Tamanho da abertura (mm)
16
A escolha da granulometria de um meio filtrante depende de diversas
variáveis, qualidade desejável do efluente, sistema de lavagem e espessura da
camada filtrante. Assim, estudos em instalação piloto contribuiriam para a
definição da granulometria. Como esses se tornam inviáveis por serem muito
onerosos e consumirem muito tempo, na prática, a escolha é baseada em
estudos anteriores e experiências prévias em outras estações.
A camada suporte dos filtros é formada por pedregulho que, de acordo
com a NBR 6502 sobre Rochas e solos – Terminologia de 1995, é definido
como: solos formados por minerais ou partículas de rocha, com diâmetro
compreendido entre 2,0 mm até 60 mm quando arredondados ou
semiarredondados.
Os seixos utilizados como camada suporte devem apresentar massa
específica igual ou superior a 2500 kg/m³, e a solubilidade em ácido clorídrico
concentrado não deve exceder a 5% e a 10% para seixos de tamanho menor
que 9,6 mm e para seixos com tamanho maior que 9,6 mm, respectivamente.
O meio filtrante de areia pode ser substituído por antracito ou mármore, quando
se quer evitar traços de sílica em tratamentos industriais ou se é mais fácil seu
fornecimento.
Numerosas experiências mostram que, nas mesmas condições de
operação, todos os materiais porosos por si mesmos e que não reagem
quimicamente com a água a ser filtrada ou com as matérias dissolvidas na
água, se comportam da mesma maneira se têm o mesmo diâmetro efetivo e
igual forma; o rendimento de filtração é o mesmo, e a qualidade da água
filtrada é idêntica.
3.5.2. Tipo de funcionamento
Com respeito ao tipo de funcionamento, os filtros podem ser
classificados em contínuos e semicontínuos. Os filtros semicontínuos se
mantêm em funcionamento até que ocorra uma deterioração na qualidade do
efluente ou que se proceda a uma perda de carga excessiva no filtro. Quando
se alcança este ponto, para-se o filtro e procede-se a sua lavagem para
17
eliminar os sólidos acumulados. Nos filtros contínuos, os processos de filtração
e lavagem ocorrem da mesma maneira simultânea (METCALF e EDDY, 2003).
Operações de filtração semicontínuas. Nessas operações, a filtração e a
lavagem são fases que se dão, em continuidade, uma após a outra. A
fase da filtração é realizada fazendo circular a água através do leito
granular, com ou sem a adição de reagentes químicos. O final do ciclo
de filtração é atingido quando começa a aumentar o conteúdo de sólidos
no efluente até alcançar um nível máximo aceitável, ou quando a perda
de carga atinge um padrão na circulação através do leito. Idealmente,
ambas as circunstâncias se produzem simultaneamente. Uma vez
alcançada qualquer uma dessas condições, termina a fase de filtração, e
deve ser realizada a lavagem do filtro à contracorrente para eliminar a
matéria que ficou acumulada dentro do leito granular. Para isso, aplica-
se uma vazão suficiente para fluidizar o meio filtrante e arrastar o
material acumulado no leito. Para favorecer a operação de lavagem,
pode ser utilizada uma combinação de água e ar. Esta água, empregada
no processo de lavagem, normalmente, retorna às instalações iniciais do
sistema de tratamento.
Operações de filtração contínua. No funcionamento contínuo, as fases
de filtração e lavagem ocorrem simultaneamente. Quando utilizamos
esses filtros, não existem os conceitos de turbidez limite do efluente nem
a perda de carga máxima admissível na circulação através do leito.
3.5.3. Sentido do fluxo durante a fase de filtração
Com respeito ao sentido do fluxo, os principais tipos de filtros
empregados se classificam em filtros de fluxo ascendente e filtros de fluxo
descendente, sendo o mais comum o de fluxo descendente.
Na filtração rápida descendente, com ação de profundidade, as
impurezas são retidas ao longo do meio filtrante (em contraposição à filtração
18
de ação superficial, em que a retenção é significativa apenas no topo de meio
filtrante).
Nos filtros de fluxo descendente convencional, os grãos de cada camada
se distribuem, após a lavagem em contracorrente, do menor para o maior. Nos
filtros com mais de uma camada, os grãos das diferentes camadas se
distribuem dependendo da densidade e da diferença de tamanhos do material
que compõem cada uma das muitas camadas.
A filtração ascendente tem sido comumente considerada como
funcionamento de ação de profundidade, embora, dependendo das
características do meio granular e da taxa de filtração, a retenção de impurezas
seja significativa na camada de pedregulho e subcamadas iniciais da areia.
A pré-filtração pode ser realizada em pré-filtros de pedregulho de
escoamento vertical ascendente ou descendente (TANGERINO et al., 2006). O
pré-filtro ascendente, em camadas ou em série, apresenta menor custo de
operação, comparativamente aos pré-filtros horizontal e descendente, uma vez
que demandam menos água e menos horas de trabalho para os procedimentos
de limpeza (DI BERNARDO et al. 1999). Além disso, tem a vantagem de
favorecer a acumulação de sólidos no fundo do filtro, onde se localiza o
sistema de drenagem, o que facilita a limpeza hidráulica ou de fundo das
unidades, realizadas através de descargas de fundo. A direção vertical do
escoamento reduz as interferências geradas por diferenças de temperatura ou
de densidade do fluido e, em decorrência disso, melhora o comportamento
hidráulico da unidade, evita zonas mortas e produz tempos de retenção mais
homogêneos. A água, após passar por um pré-filtro, é então encaminhada ao
filtro lento (TANGERINO et al., 2006).
Os principais tipos de filtros de meio granular se classificam atendendo à
Tabela 2.
19
Tabela 2 – Classificação dos filtros de meio granular (Adaptado de Metcalf e Eddy, 2003).
TIPO DE FILTRO
DETALHES DO LEITO FILTRANTE DIREÇÃO DO
FLUXO TIPO DE LEITO
MEIO GRANULAR
PROFUNDIDADE (cm)
Convencional Único Areia 75 Descendente
Convencional Dupla Areia e antracito
90 Descendente
Convencional Múltipla Areia, antracito e granada
90 Descendente
Leito profundo Único Areia 120-180 Descendente
Leito profundo Único Areia 120-180 Ascendente
Leito profundo Único Areia 27,5 Descendente
Leito profundo Único Areia 120-180 Ascendente
Ponte móvel Único Areia 27,5 Descendente
Ponte móvel Duplo Areia 40 Descendente
3.5.4. Perda de carga
A eficiência da filtração está relacionada às características da suspensão
(tipo, tamanho e massa específica das partículas, resistência das partículas
retidas pelas forças de cisalhamento, temperatura da água, concentração de
partículas, potencial zeta, pH da água, etc.), do meio filtrante (tipo de material
granular, tamanho efetivo, tamanho do maior e menor grão, coeficiente de
desuniformidade, massa específica do material granular e espessura da
camada filtrante) e hidráulicas (taxa de filtração, carga hidráulica disponível, e
método de controle da taxa e do nível de água nos filtros). A perda de carga e
velocidade estão relacionadas, de modo que, para o mesmo tamanho de grão
mais rápida perda para o limite de carga do filtro for atingido antes.
A Figura 4 abaixo representa a evolução da perda de carga e da turbidez
em função do tempo; para poder aproveitar toda a carga hidráulica de acordo
com a perda de carga ocasionada pela colmatação, deve ser fixada uma perda
de carga máxima. Esse valor da perda de carga representa o limite máximo
20
que se produzira o transpasse, deteriorando a qualidade do efluente. Quanto
mais fina for a areia, mais elevado será esse valor (METCALF E EDDY, 2003).
Em geral, pode-se dizer que, quanto mais fina é a areia, menor poderá
ser o tamanho da camada filtrante, mas maiores serão as perdas de carga
média e máxima.
Figura 4 – Evolução da perda de carga em função do tempo.
3.5.5. Lavagem dos filtros
Tendo como objetivo a retirada de toda matéria orgânica em suspensão
que ficou retida durante o funcionamento, a limpeza dos filtros é uma
importante ferramenta de controle no processo de filtração.
De acordo com Arboleda (2000), a maioria dos problemas dos filtros tem
origem em deficiências na lavagem como: i) pouca eficiência no
desprendimento das partículas de sujeira aderidas aos grãos e daquelas
alojadas nos espaços intergranulares do meio filtrante e ii) dificuldade de
transportá-las desde o leito filtrante até as calhas coletoras de água de
lavagem.
Uma lavagem eficiente pode ser conseguida quando a expansão do leito
atinge cerca de 40%, ocorrendo a remoção das partículas e a separação da
camada gelatinosa que se acumulou nos grãos. Nesses casos, dependendo da
granulometria, a lavagem pode ser feita com velocidades ascensionais entre
1,0 e 1,2 m/min correspondendo a taxas de 1.440 a 1.730 m3/m2.d,
respectivamente.
Perda de carga final admissível
Perda de carga na filtração
Qualidade limite do efluente
Tempo de filtração
Qu
alid
ad
e
do
eflu
en
te
e p
erd
a d
e c
arg
a
21
A duração do processo de lavagem varia para as distintas condições da
espessura da camada filtrante, da natureza do material de filtração e
velocidade da lavagem, e deve ser regulada de acordo com os resultados
obtidos. Em condições favoráveis, uma lavagem bastante completa pode ser
realizada em três ou cinco minutos, mas no geral o tempo de lavagem varia de
7 a 10 min., e o consumo de água varia de 3% a 5%, podendo atingir 10% em
alguns casos.
Na filtração ascendente, recomenda-se a realização das descargas de
fundo intermediárias (DFIs), que removem parte das impurezas retidas no meio
filtrante, e tem o objetivo de prolongar a carreira de filtração, o que promove um
decréscimo da perda de carga do filtro. Com essa técnica, é possível obter
carreiras mais longas de filtração, com aumento na duração de até 150%. Essa
forma de limpeza consiste em interromper por curto intervalo de tempo (cerca
de um minuto) a carreira de filtração e realizar uma descarga de fundo. A
operação é realizada pela manobra de um conjunto de válvulas e pode ocorrer
de diferentes maneiras. Com esse procedimento, faz-se uma limpeza parcial do
filtro, removendo o material retido basicamente na camada suporte e nos
primeiros centímetros da camada de areia (DI BERNARDO; SABOGAL PAZ,
2008). Ainda segundo esses autores, em um sistema de dupla filtração, a
lavagem do filtro ascendente em pedregulho pode ser realizada por meio de
sucessivas descargas de fundo, com posterior recarga de água limpa,
repetidas vezes, até que seja observado que a água descarregada esteja
visivelmente limpa.
Os filtros de areia rápidos se lavam para restabelecer sua capacidade
quando a qualidade do efluente é inaceitável, ou quando a perda de carga
através do filtro alcança valores predeterminados. Os filtros descendentes
normalmente são lavados aplicando-se um escoamento ascendente, com
velocidade capaz de assegurar a expansão adequada do meio filtrante. Pode
ser lavado somente com água ou com ar e água.
Depois da lavagem, é aconselhável descartar a água filtrada dos
primeiros minutos, embora a qualidade do efluente do filtro imediatamente após
a lavagem se caracterize dentro dos padrões, o que pode tornar essa ação
22
desnecessária. A medida da turbidez do filtrado é o indicativo de um bom
processo de lavagem.
3.6. Aspectos Construtivos
3.6.1. Diâmetro Efetivo (D10)
De acordo com a NBR 6502 (1995) diâmetro efetivo é a abertura da
peneira que permite a passagem acumulada de 10% da amostra considerada,
ou seja, é o tamanho dos grãos abaixo do qual ficam 10% da massa total da
amostra. No Brasil a NBR 13969 (1997) recomenda que o diâmetro efetivo da
areia do leito varie entre 0,25 e 1,20 mm e nos Estados Unidos a USEPA
(1999) aconselha a faixa de 0,25 a 0,75 mm. Metcalf e Eddy (2003),
aconselham que não mais do que 1 % da areia seja mais fina do que 0,13 mm.
Segundo Ausland et al. (2002), o diâmetro efetivo afeta a taxa de
infiltração do afluente no leito e a profundidade de penetração da matéria sólida
insolúvel. A adoção de um meio com partículas muito grossas proporciona um
baixo tempo de retenção do líquido, insuficiente para a completa decomposição
biológica, tendo como uma das razões deste comportamento a formação de
fluxos preferenciais através do leito (LOGAN et al., 2001). Tal fato propicia um
baixo rendimento com valores oscilantes de remoção de matéria orgânica,
porém podem-se adotar altas taxas de aplicação com menores possibilidades
de entupimento (USEPA, 2002).
3.6.2. Coeficiente de Uniformidade (CU)
Através dos resultados da distribuição granulométrica (Figura 3) pode-se
determinar o coeficiente de uniformidade (CU), que afeta substancialmente a
penetração das impurezas ao longo do material filtrante. O coeficiente de
uniformidade é definido como CU = D60/D10, onde D60 e D10 são os maiores
tamanhos possíveis de 60% e 10% das frações respectivamente, que passam
pelas peneiras padronizadas.
23
O tamanho das partículas de areia está relacionado com o valor do
coeficiente de uniformidade, quanto maior o valor de CU, maior será o tamanho
dos grãos de areia. Esta situação afeta o desempenho do filtro, pois aumenta o
tempo de detenção hidráulica, ou seja, a granulação maior da areia permite
que pequenas partículas entrem nos interstícios entre as partículas maiores e
reduz a passagem do afluente causando um possível entupimento no meio
filtrante (HEALY et al., 2007).
A norma Brasileira (NBR 13969, 1997) e a agência americana
(USEPA,1999) recomendam que o CU da areia de um filtro seja inferior a
quatro. Van Buuren et al. (1999), asseguram que remoções maiores de
coliformes fecais são alcançadas com areias com diâmetro efetivo de 0,2 mm e
coeficiente de desuniformidade entre 1,5 e 3,0. Entretanto, consideram que tais
características conduzem a uma oxigenação deficiente e à colmatação,
recomendando o uso de D10 de 0,5 a 1,0 mm.
3.6.3. Profundidade da Camada de Areia
No Brasil, a NBR 13969 (1997) especifica unicamente 0,70 m como a
única profundidade do leito de areia a ser utilizada, informação que é
questionável visto que o país tem grande extensão territorial e diversidade
climática. Porém, para a USEPA (1999), a espessura dos leitos de areia deve
variar entre 0,45 e 0,91 m, ainda que, segundo esta mesma norma, a
purificação do afluente ocorra, principalmente, até 0,30 m abaixo da superfície.
Para esta agência ambiental as camadas rasas de areia mantêm o custo
baixo enquanto que valores maiores garantem um efluente com qualidade mais
constante, além de não ser afetado severamente pela chuva. Portanto, há de
se pensar na relação custo/benefício do projeto USEPA (1999).
Rodgers et al. (2005), estudaram dois filtros de areia de 0,3 m de
diâmetro e profundidades de 0,425 e 0,9 m do leito. Foi constatada uma
remoção de DBO e de sólidos em suspensão superior a 92 % em ambos os
filtros. Isso significa que não há diferença significativa na remoção da matéria
orgânica, relacionado com a profundidade do leito. Entretanto, observou-se
que, na coluna de 0,9 m, o fósforo afluente foi adsorvido em todo o período de
estudo, o que não ocorreu com o leito de altura 0,425 m.
24
Tonetti et al. (2005), estudando filtros de areia com profundidades de
leito de 0,75 m e 1,00 m, descobriram que mesmo quando se aplicavam 300 L
m-2 distribuídos em três disposições de 100 L m-2 ao longo do dia, havia a
geração de um efluente com valores de DBO sempre inferiores a 50 mg/L.
3.7. Filtro de Carvão Ativado Granular
O carvão ativado granular, devido a sua porosidade, área superficial e
rugosidade, tem a capacidade de servir como suporte para uma densidade alta
de microrganismos, quando comparado com os materiais filtrantes, como areia
e antracito (DUSSERT E TRAMPOSCH, 1996).
Segundo Mancuso e Santos (2003), o carvão ativado é utilizado no
tratamento avançado de esgotos para remoção de materiais orgânicos solúveis
que não são eliminados nos tratamentos anteriores. É utilizado onde se requer
um alto grau de tratamento, sendo indicado para sistemas de qualquer porte,
tratando toda ou parte da vazão.
As propriedades superficiais e as características de regeneração do
carvão ativado dependem tanto do material usado para produzir o carvão
quanto do procedimento exato de produção. Em relação à porosidade, o carvão
ativado pode ser classificado como macroporos (>25 nm), mesoporos (>1nm e
<25nm) e microporos (<1nm) (SING et al., 2011). O carvão ativado, devido a
sua porosidade, área superficial e rugosidade, é um material adsorvente, tendo
a capacidade de concentrar uma alta densidade de microrganismos, íons e
moléculas originalmente presentes na fase líquida ou gasosa (DUSSERT E
TRAMPOSCH, 1996).
Entre as matérias brutas utilizadas na produção do carvão estão o
carvão vegetal, a turfa, o lignito, a madeira e a casca de coco. O carvão ativado
pode ser utilizado na forma em pó (CAP) ou granular (CAG) (MELO, 2006).
Tem sido aceitável que a atividade biológica no leito de carvão ativado
granular proporcione aumento na adsorção de matéria orgânica, pela
reabertura de novos sítios de adsorção liberados pela degradação biológica de
matéria orgânica, reduzindo a frequência de regeneração e consequente
25
diminuição do custo operacional (ECKENFELDER et al., 1972; SAKODA et al.,
1996).
A percolação de água pelo filtro de carvão ativado granular é
normalmente realizada de cima para baixo, favorecendo o contato e a adsorção
dos contaminantes à sua superfície e entre os poros dos grânulos, e é
dependente da temperatura e da natureza das substâncias (EPA, 2001).
Segundo Sobecka et al. (2006), o uso de filtros de carvão
biologicamente ativado (biofiltração) representa uma técnica promissora para
remoção de compostos orgânicos na água. Em complemento a esses
compostos potencialmente removidos, Choi et al. (2008), assinalam que os
filtros CAG foram mais eficientes para a remoção de uma classe de antibióticos
(remoção superior a 90%) se comparados com o método convencional de
coagulação.
Li et al. (2012), utilizando adsorção em carvão ativado granular,
observaram a completa remoção de E2 17b-estradiol e a remoção completa de
E1 estradiol só foi alcançada quando foi alterada a concentração de nutrientes
dentro do sistema. Snyder et al. (2007), relatam a remoção de 85% de
diclofenaco por filtro de carvão granular ativado. Tambosi (2008) relatou
eficiência de remoção maior do que 90% para os compostos acetaminofeno,
cetoprofeno, naproxeno, sulfametoxazol e trimetoprima e uma remoção entre
80-100% para roxitromicina em experimento com carvão ativado granular.
Mestre et al. (2007) estudaram a adsorção do AINE ibuprofeno, em dois
diferentes carvões ativados, preparados a partir de resíduos de cortiça em 25,
30 e 40ºC, havendo remoção deste.
26
4. Materiais e Métodos
4.1. Local do Estudo
Para a investigação da pesquisa foi utilizada parte da Instalação Piloto
da UFPE, localizada na ETE Mangueira, que recebe os esgotos domésticos
provenientes dos bairros da Mangueira, San Martin e Mustardinha em Recife –
PE. As Figuras 5 e 6 ilustram a localização da unidade piloto e a instalação
respectivamente.
Figura 5 - Estação de tratamento de efluentes da Mangueira, Recife - Pernambuco.
4.2. Descrição da Instalação Experimental
4.2.1. Instalação do sistema piloto de filtração
Após passagem pelo tratamento primário na ETE Mangueira, o esgoto
era desviado para uma caixa de acumulação com capacidade para três mil
litros. Além dessa caixa o sistema experimental era composto de: (a) reator
UASB, (b) caixa de distribuição para o filtro ascendente de pedregulho, (c) filtro
27
ascendente de pedra, (d) caixa de distribuição para os filtros de areia, (e) e (f)
filtro de areia descendente, (g) e (h) filtro de carvão ativado. A Figura 6 ilustra a
instalação do sistema usado durante a pesquisa.
Figura 6 – Ilustração da instalação do sistema usado durante a pesquisa. As setas estão indicando o fluxo de escoamento do esgoto.
O filtro ascendente em pedregulho (FAP) foi fabricado em PVC com 300
mm de diâmetro e 2,5 metros de comprimento. O lado externo do filtro foi
pintado com tinta a óleo para conservar o material. O filtro ficou sobre um
suporte metálico, com o intuito de o sistema funcionar por gravidade,
dispensando o uso de bomba. Para controle da vazão foi utilizada uma caixa
de distribuição com orifício instalado na parte inferior, conforme Figura 7.
a
b
c
d
e
g
f
h
28
Figura 7 – Caixa de distribuição do esgoto para o filtro em pedregulho.
Fonte: Autor
Os filtros descendentes de areia (FDA1 e FDA2) foram fabricados em
PVC com 150 mm de diâmetro e 3,5 metros de comprimento. O lado externo
dos filtros foi pintado com tinta a óleo para conservar o material. Para controlar
a vazão foi utilizada uma caixa de distribuição (Figura 8) compartimentada com
orifícios instados na parte inferior da caixa, com isso, a vazão permaneceu
constante durante todo o tempo. O Filtro Descendente de Areia 1, operou com
taxa de aplicação superficial de 120 m³/m².d e o Filtro Descendente de Areia 2
com taxa de aplicação superficial de 160 m³/m².d
Figura 8 - Caixa de distribuição do esgoto para os filtros de areia.
Fonte: Autor
29
Os filtros de carvão ativado granular (FCA 1 e FCA 2) também foram
fabricados em PVC com diâmetro de 150 mm e possuíam 1,20 metros de
altura. Realizou-se a pintura para proteger a área externa dos filtros.
4.3. Leito Filtrante
4.3.1. Leito Filtrante do Filtro Ascendente em Pedregulho
O leito filtrante do FAP possuía granulometria de acordo a Tabela 3, com
altura útil de 1,5 metros, sendo cada camada com 30 centímetros de
espessura. A camada suporte era composta de pedregulho e sua granulometria
variou de 60 mm a 19 mm.
Tabela 3 – Granulometria do meio filtrante do FAP
Camada Espessura (cm) Tamanho (mm)
Quarta 30 4 a 2
Terceira 30 6 a 4
Segunda 30 12 a 6
Primeira 30 19 a 12
Suporte 30 60 a 19
O FAP possuía forma cilíndrica, com diâmetro de 0,30 m, área de 0,071
m² e altura de 2,5 m sendo alimentado com taxa superficial de aplicação de 82
m³/m².d.
4.3.2. Leito Filtrante dos Filtros Descendentes
O leito filtrante do conjunto FDA possuía granulometria de acordo a
Tabela 4, com altura de 0,70 metros, sendo a camada suporte com 30
centímetros de espessura e sua granulometria variando de 50 mm a 19 mm. A
caracterização granulométrica, apresentada na Figura 9, foi determinada com
base nas diretrizes da norma NBR 7181 (1984).
30
Tabela 4 – Granulometria do meio filtrante de areia (FDA1 e FDA2).
Camada Filtros Descendentes
Espessura da camada (m) 0,70
Tamanho efetivo, D10 (mm) 0,45
Tamanho do maior grão (mm) 2,00
Tamanho do menor grão (mm) 0,42
Coeficiente de uniformidade 1,60
Figura 9 - Curva granulométrica da areia dos filtros descendentes
O FCA foi construído usando-se tubo de PVC de 15 cm de diâmetro e
1,2 m de altura, sendo o leito de carvão ativado granular (casca de coco),
constituídos por uma camada de carvão de 60 cm. A Tabela 5, apresenta as
principais características do carvão ativado granular.
Tabela 5 – Características do carvão ativado granular fabricado com casca de coco.
Especificações
Matéria-prima Casca de coco
Número de iodo (mg I2/g C.A.) 850/950 (mg I2/g C.A.)
Cinzas (%) Máx. 5
Umidade (%) Máx. 5
Dureza (%) Mín. 90
pH 5 a 7
Densidade (g/cm3) 0,45 – 0,55
Granulometria (mm) 2,38 – 1,19
As taxas superficiais de aplicação nessas colunas foram
respectivamente iguais aos filtros de areia correspondentes.
31
A Figura 10 mostra o esquema dos filtros que compõem o sistema de
tratamento de esgoto.
Figura 10 – Detalhe do sistema de filtração
4.4. Procedimento Experimental
O filtro ascendente (FAP) recebia o efluente do UASB por gravidade e
distribuía o esgoto para os dois filtros descendentes em areia através da caixa
de distribuição compartimentada.
Os dois filtros descendentes estavam instalados em paralelo, sendo
avaliados ao mesmo tempo. O FDA1 trabalhou com taxa de aplicação
superficial de 120 m³/m².dia e o FDA2 trabalhou com taxa de aplicação
superficial de 160 m³/m².dia. O final de cada carreira de filtração para os filtros
descendentes foi delimitada quando a perda de carga atingia 1,5 m.
Efluente anaeróbio
Caixa de distribuição
1 – FAP: Filtro Ascendente de Pedregulho 2 – FDA: Filtro Descendente de Areia
3 – FCA: Filtro de Carvão Ativado
Segue para o sistema 2
Água de lavagem
Coleta de amostra
Expansão da areia durante a retrolavagem
Efluente filtrado
Entrada de água para lavagem
Entrada de água para lavagem
Descarga de fundo
32
Os parâmetros analisados durante a pesquisa foram: pH, turbidez,
alcalinidade, demanda química de oxigênio (DQO), sólidos suspensos totais,
perda de carga, coliformes fecais e ovos de helmintos. Estes foram analisados
de acordo a frequência informada na Tabela 6 abaixo.
Tabela 6 – Parâmetros analisados durante a pesquisa
PARÂMETRO FREQUÊNCIA
pH 2 vezes por semana
Turbidez 2 vezes por semana
Alcalinidade 2 vezes por semana
DQO 2 vezes por semana
SST Quinzenal
Perda de carga Trimestral
Coliformes termotolerantes Quinzenal
Ovos de helmintos Quinzenal
Os parâmetros turbidez e a perda de carga foram analisados in loco,
para a turbidez foi utilizado o turbidímetro da marca Hach modelo 2100P; a
perda de carga foi avaliada através de piezômetros fixados sobre um quadro
com escala milimétrica (Figura 11).
Figura 11 – Quadro piezométrico
33
Os demais parâmetros foram analisados no Laboratório de Saneamento
Ambiental da Universidade Federal de Pernambuco (LSA/CTG/UFPE). Todas
as análises seguiram os procedimentos estabelecidos pelo Standard Methods
for the Examination of Water and Wastewater (APHA, 2005).
A determinação dos ovos de helmintos foi baseada na metodologia
descrita por Zerbini e Chernicharo (2001).
As amostras foram analisadas em nível quantitativo, cuja análise
consiste na determinação numérica de ovos de helmintos em determinada
alíquota da amostra.
Para cada amostra de filtrado, foram coletados 5 litros e 1 litro
respectivamente para o afluente e efluente do UASB. As amostras foram
colocadas para decantação durante 24 horas, decorrido esse intervalo de
tempo, 90% do sobrenadante foi descartado com o auxílio de um sifão. O
volume restante, foi colocado em tubos de centrífuga e centrifugados a 2.500
rpm por 15 minutos. Depois da centrifugação, o sobrenadante foi descartado,
na parte sólida foi adicionado uma quantidade da solução de aceto-acética (pH
= 4,5) igual ao do sedimento para ressuspendê-lo. Em seguida complementou
o preenchimento do tubo com a adição de um volume de acetato de etila
correspondente a duas vezes o volume do sedimento e homogeneizou-se as
amostras com o agitador.
Após esse processo foi adicionado um volume de solução de sulfato de
zinco igual a cinco vezes o volume do sedimento. Na solução final, foi realizada
a contagem do número de ovos de Helmintos presentes por meio de um
microscópio com aumento de 100 vezes.
4.4.1. Procedimento de Lavagem dos Filtros
A limpeza do filtro ascendente era realizada através da descarga de
fundo até que o esgoto fosse drenado completamente. Nessa primeira etapa de
descarga, uma parte dos flocos que estavam retidos nas primeiras camadas do
filtro era expulsa do fundo, este fato era visivelmente observado pela aparência
do líquido escuro drenado.
34
Em seguida, a água era aplicada na interface do filtro com o mesmo
sentido da filtração até a extremidade superior, e procedia-se novamente a
descarga de fundo. Esse procedimento foi realizado até que a água de
lavagem tivesse aspecto de límpida. Não foi considerada a perda de carga
como base para executar a limpeza do filtro, pois, observou-se que esta era
desprezível, com isso, a limpeza foi realizada a cada 48 horas de
funcionamento do sistema.
Os filtros descendentes foram limpos com água em fluxo contrário a
filtração. A água era aplicada a uma vazão tal que o leito fluidizava favorecendo
o desprendimento das partículas sólidas acumuladas no meio filtrante durante
oito minutos, segundo recomendações de Di Bernardo (2005). Além do tempo
estabelecido de limpeza, ocorria o acompanhamento da transparência da água
de lavagem através de uma amostragem simples e análise visual.
35
5.0 RESULTADOS E DISCUSSÃO
5.1. Monitoramento de pH e Alcalinidade
Em relação ao pH, observa-se que, após a passagem pelo reator UASB,
o parâmetro possuiu valores próximos da neutralidade, com média para o
período de avaliação de 7,1 + 0,2. A Tabela 7 apresenta os valores médios de
pH para a estação piloto, demonstrando que não houve grande flutuação entre
os filtros avaliados. Resultados próximos da neutralidade também foram
obtidos por Hamoda et al. (2004), que obtiveram valores de 7,1, 6,8 e 7,0 ao
avaliarem o processo de filtração como tratamento terciário em três diferentes
plantas de tratamento.
De acordo a resolução CONAMA 430 de 2011, para lançamento de
efluente, o pH deve estar compreendido entre 5,0 e 9,0. Dessa forma, foi
observado que, para esse parâmetro, o efluente produzido pelos filtros, que
variou de 6,8 a 7,7, esteve dentro do padrão estabelecido.
Tabela 7 - Valores médios de pH para o período de avaliação.
Afluente UASB FAP FDA1 FCA1 FDA2 FCA2
Min. 6,8 6,8 6,8 7,0 6,8 6,9 7,0
Max 7,5 7,5 7,5 7,5 7,5 7,7 7,7
Med 7,0 7,1 7,1 7,2 7,2 7,3 7,4
Desvio Padrão
0,1 0,17 0,17 0,13 0,15 0,18 0,21
CV 0,02 0,02 0,02 0,02 0,02 0,02 0,03
A alcalinidade total para os dois sistemas de filtração (Figura 12)
permaneceu entre a faixa de 180 a 330 mg CaCO3/L, não havendo consumo
durante o processo de filtração. Essa faixa de concentração pode estar
relacionada ao fato de não ter ocorrido o processo de nitrificação dos
compostos nitrogenados, conforme foi observado por Tonetti et al. (2004).
Outro fato que contribuiu foi a elevada concentração de alcalinidade no
efluente.
36
A Tabela 8 apresenta os dados estatísticos para o monitoramento da
alcalinidade durante o período de avaliação.
Tabela 8 - Valores médios de alcalinidade para os dois sistemas de filtração.
Afluente UASB FAP FDA1 FCA1 FDA2 FCA2
Min 185,70 192,80 181,00 173,70 187,20 219,99 223,40
Max 321,20 297,00 280,40 283,80 286,10 287,00 321,20
Med 224,69 234,25 226,65 228,88 226,00 238,76 241,92
Desvio
Padrão 31,33 30,14 29,40 28,10 25,12 16,60 21,84
CV 0,14 0,13 0,13 0,12 0,11 0,07 0,09
Figura 12 - Distribuição da alcalinidade ao longo da pesquisa.
0
50
100
150
200
250
300
350
Alc
alin
idad
e (
mg
/L
CaC
O3)
AFLUENTE UASB
0
50
100
150
200
250
300
350
Alc
alin
idad
e (
mg
/L
CaC
O3)
FAP FDA1 FCA1
0
50
100
150
200
250
300
350
0 50 100 150 200 250 300
Alc
alin
idad
e (
mg
/L
CaC
O3)
Dias de Experimento
FAP FDA2 FCA2
37
5.2. Remoção de Matéria Orgânica
A média para a demanda química de oxigênio do esgoto bruto foi de 312
mg/L, o que, segundo Metcalf e Eddy (2003), está dentro das características
típicas do esgoto doméstico.
Após passar pelo UASB, a concentração de DQO atingiu valor médio de
66,83 + 17,7 mg/L, o que caracteriza uma eficiência de remoção de 79%. O
reator UASB estava em operação antes da pesquisa, por isso, não houve
necessidade de adaptação da biomassa, apenas ajuste operacional, o que
garantiu a elevada remoção da matéria orgânica durante toda a pesquisa.
Quanto à DQO removida pelos filtros de areia e carvão ativado granular,
de acordo a Figura 13, pode ser observado, para todas as análises, que os
valores estiveram abaixo do limite estabelecido pela legislação do Estado de
Minas Gerais (COPAM/CERH Nº 01, 2008), que estabelece o limite de 180
mg/L para o lançamento de DQO.
Avaliando as duas taxas de filtração, pode-se observar através da Figura
14 que não houve diferença para remoção de DQO para as taxas de 120 e 160
m³/m².d; isso indica que, neste intervalo, a taxa de filtração não influenciou a
eficiência do tratamento, em termos de remoção de DQO.
Hamoda et. al. 2004, avaliando a filtração rápida como pós-tratamento
de efluente de lodo ativado, obtiveram 34% remoção de DQO com residual de
49,4 mg/L, os autores associaram a eficiência ao fato da carga hidráulica está
excedendo a capacidade do sistema. Tiagi et al. 2009, conseguiram remover
cerca de 80% de DQO utilizando a filtração lenta como pós-tratamento de
reator UASB, apresentando concentração de 23,44 mg/L. Nesta pesquisa, foi
obtido em média uma remoção de 54% de DQO no sistema terciário de
tratamento, com residual de 35,22 mg/L, influenciada principalmente pela
remoção de sólidos suspensos.
Os resultados comprovam que o tratamento terciário por filtração pode
ser considerado como um sistema que produz um efluente com boas
qualidades.
38
Figura 13 - Distribuição da DQO ao longo da pesquisa.
Figura 14 – Gráfico estatístico dos valores de DQO para as taxas de 120 m³/m².d e 160 m³/m².d.
0
100
200
300
400
500
600
0 50 100 150 200 250
DQ
O (
mg
/L)
AFLUENTE
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
0 50 100 150 200 250
DQ
O (
mg
/L)
FAP FDA1 FCA1
0
20
40
60
80
100
0 50 100 150 200 250
DQ
O (
mg
/L)
Dias de experimento
FAP FDA2 FCA2
0
20
40
60
80
100
120
UASB FAP FDA1 FCA1 FDA2 FCA2
mg/L
DQO
25% 50% 90% 10% Mín Máx 75% Méd
39
5.4. Remoção de Sólidos Suspensos e Turbidez
Na Tabela 9, estão apresentados os valores médios, mínimos e
máximos de sólidos suspensos totais (SST) que foram encontrados durante a
pesquisa. De acordo com von Sperling (1996), a concentração típica de sólidos
suspensos totais no esgoto doméstico varia entre 200 mg/L e 450 mg/L. Desse
modo, analisando os dados da Tabela 9, verifica-se que o esgoto bruto
apresentou valores médios ligeiramente inferiores a esse intervalo. Uma
explicação para tal comportamento seria a eficiência de remoção da caixa de
areia da ETE Mangueira que antecedia o sistema piloto de tratamento aliada à
sedimentação das partículas sólidas na caixa de recalque do sistema. Outra
suposição seria a de que o esgoto realmente possuía tal característica,
principalmente em épocas chuvosas, o que indica ligações entre a rede de
esgoto e a drenagem pluvial da bacia de contribuição da ETE Mangueira.
Observa-se ainda que houve diferença no comportamento dos dois filtros de
carvão avaliados, no FCA1 obteve-se estabilidade nos valores encontrados
enquanto que no FCA2 houve uma variação nos resultados. Tal
comportamento pode estar relacionado ao fato de o FCA2 receber maior
vazão, consequentemente maior quantidade de sólidos. Outra hipótese seria
uma deficiência no sistema de limpeza do referido filtro.
Tabela 9 – Valores médios de SST (mg/L) para os sistemas de filtração.
AFL UASB FAP FDA1 FCA1 FDA2 FCA2
Min 108,00 11,00 4,50 3,00 4,50 2,00 2,00
Max 346,00 42,00 22,00 15,50 11,00 15,50 10,00
Med 170,17 24,67 13,17 8,17 6,67 6,92 5,92
Desvio Padrão
90,31 11,38 6,56 4,56 2,99 4,75 3,17
CV 0,53 0,46 0,50 0,56 0,45 0,69 0,54
A Figura 15, abaixo, apresenta o gráfico estatístico dos valores de sólidos para as duas taxas de filtração avaliadas na pesquisa, 120 e 160 m³/m².d.
40
Figura 15 – Gráfico estatístico dos valores de sólidos suspensos totais para as taxas de 120 m³/m².d e 160 m³/m².d.
Avaliando os dados de turbidez alcançados para o esgoto bruto,
percebe-se, por meio da Tabela 10, uma grande variação dos resultados,
apontando para uma média de 205,28 ± 127,02 NTU. Logo, no efluente do
reator UASB, ocorreu um amortecimento dessa variação, encontrando-se uma
média de 32,60 ± 16,05 NTU, o que possibilita uma remoção de 84,12%. Os
resultados desta pesquisa são concomitantes com os encontrados por Tiagi et.
al. (2009), que obtiveram eficiência média de remoção de 91,60% e residual
com variação entre 1,6 a 6,2 NTU na utilização de um meio filtrante com 54 cm
de espessura e tamanho efetivo de 0,43 mm. Esses autores assinalam que
resultados semelhantes foram alcançados por Al Adham (1989) e Clesby et. al.
(1984). Riahi et al. (2009), utilizando palmeira como meio filtrante, alcançaram
eficiência máxima de 54,9 + 1,70%; esses autores concluíram que o diâmetro
do material foi o fator determinante para alcançar essa porcentagem de
remoção.
As Tabelas 10 e 11 apresentam, respectivamente, os dados estatísticos
e a eficiência de remoção média para o monitoramento da turbidez durante o
período de avaliação.
41
Tabela 10 - Valores médios de turbidez para os sistemas de filtração.
AFLUENTE UASB FAP FDA 1 FCA 1 FDA2 FCA2
Min 53,50 11,80 5,69 3,94 0,96 5,57 4,75
Max 633,00 77,20 83,80 31,70 20,50 40,20 17,80
Med 205,28 32,60 18,07 12,49 6,67 10,58 8,86
Desvio Padrão
127,02 16,05 14,42 6,94 3,97 5,72 2,43
CV 0,62 0,49 0,80 0,56 0,59 0,54 0,27
Tabela 11 – Valores médios de turbidez e eficiência de remoção média em relação ao
tratamento antecedente.
Sistema 1 (Taxa de 120
m³/m².d)
Turbidez média (NTU)
Remoção (%)
Sistema 2 (Taxa de 160
m³/m².d)
Turbidez média (NTU)
Remoção (%)
Afluente 205,28 - Afluente 205,28 -
UASB 32,60 84,12 UASB 32,60 84,12
FAP 18,07 44,57 FAP 18,07 44,57
FDA1 12,49 30,88 FDA2 10,58 41,45
FCA1 6,67 46,60 FCA2 8,86 16,25
Eficiência global (%) 96,75 Eficiência global (%) 95,68
A resolução CONAMA 357/2005 limita em 40 NTU o valor máximo para
turbidez de corpos d’água classe 1. Assim sendo, tanto para a taxa de 120
m³/m².d quanto para a taxa de 160 m³/m².d se alcançou valores inferiores a
esse limite, o que tornou aceitável o emprego desse efluente para lançamento
em curso d’água ou reúso.
A Figura 16, abaixo, apresenta o gráfico estatístico dos valores de
turbidez para as duas taxas de filtração avaliadas na pesquisa, 120 e 160
m³/m².d.
42
Figura 16 – Gráfico estatístico dos valores de turbidez
5.5. Avaliação da Perda de Carga nos Filtros Descendentes
A perda de carga foi avaliada através de piezômetros instalados nos
filtros de fluxo descendente e sobrepostos num quadro com papel milimetrado.
Foram realizadas leituras horárias iniciadas sempre no período da manhã;
quando a perda de carga atingia o valor máximo, encerrava-se a carreira de
filtração. Nas figuras 17 e 18 abaixo, estão apresentados os resultados da
perda de carga nas primeiras 12 horas de filtração e no período que coincidiu
com a perda de carga máxima do sistema.
Avaliando os resultados apresentados nas figuras, a carreira de filtração
teve como duração máxima cerca de 30 horas; o que pode ter contribuído para
tal fato foi a existência da unidade de filtração em pedregulho anteceder os
filtros descendentes de areia. Aisse et al. (2007), ao avaliarem a perda de
carga na filtração rápida, obtiveram carreira de filtração com 12 horas de
funcionamento. Os autores asseguram que as características do esgoto
afluente contribuíram para a colmatação do leito filtrante num curto intervalo de
tempo. Tiagi et al. (2009), estudando um sistema de filtração lenta como pós
tratamento de reator UASB, conseguiram carreiras de filtração com duração de
84 horas, apesar de o efluente possuir concentração média de sólidos
suspensos de 168 mg/L.
43
Muito provavelmente a perda de carga é influenciada não só pela
qualidade do afluente ao sistema de filtração, mas também por aspectos
operacionais, projeto das unidades de filtração e características do meio
filtrante.
Figura 17 - Avaliação da perda de carga em 20 de dezembro 2013
Figura 18 – Avaliação da perda de carga em 20 de abril 2014
5.6. Remoção de Coliformes Fecais e Ovos de Helmintos
Os valores encontrados para coliformes fecais do efluente filtrado
oscilaram entre 105 e 104 NMP/100 mL, apresentando eficiência de remoção de
93% para FCA1 e 95% para o FCA2 em relação ao efluente do reator UASB.
Nota-se que, mesmo com a elevada eficiência de remoção de coliformes, esse
44
parâmetro não atingiu o estabelecido pela Resolução CONAMA 357/2005, que
dispõe sobre qualidade de curso d’água, nem para reúso de acordo as
orientações da Organização Mundial da Saúde – OMS, que limitam em 10³
NMP/100 mL o valor máximo para o parâmetro avaliado. A Tabela 12, abaixo,
apresenta os valores obtidos para essa pesquisa.
Tabela 12 - Valores médios de densidade de coliformes fecais nos efluentes dos filtros de carvão ativado granular (NMP/100 mL)
AFLUENTE UASB FCA1 FCA2
Média 3,10E+07 1,09E+07 1,98E+05 2,01E+05
Mínimo 1,30E+07 6,80E+05 5,30E+04 4,50E+04
Máximo 9,20E+07 3,70E+07 2,80E+05 6,10E+05
Desvio Padrão
2,54E+07 1,42E+07 8,87E+04 1,67E+05
CV 0,28 0,38 0,32 0,27
Entretanto, para a remoção de ovos de helmintos, foram obtidos
resultados bastante significativos. Na Figura 20, observa-se que essa pode ser
considerada uma das grandes vantagens da utilização de filtração como
tratamento terciário, pois não foi observada nenhuma ocorrência de ovos de
helmintos após essa etapa do tratamento. Resultados parecidos aos desta
pesquisa foram encontrados por Jimenez et al. (2000), Quinzaños et al. (2006)
e Gobbi e Hespanhol (2010).
Segundo Hespanhol (2002), com relação à remoção de ovos de
helmintos, os processos de tratamento convencionais, como lodos ativados,
UASB, filtros biológicos ou desinfecção, não são eficientes para atender à
diretriz da OMS para reúso agrícola. Essa afirmação torna o processo de
filtração em leito granular uma alternativa viável para o tratamento de esgoto. A
Figura 19 abaixo ilustra a concentração dos ovos de helmintos.
45
Figura 19 – Avaliação da remoção de ovos totais de helmintos (Nº/L)
* Não foi detectado nenhum Ovo de Helminto em FCA1 e FCA2 ao longo do monitoramento.
6.0. CONCLUSÕES
Com base nos objetivos propostos e nos resultados obtidos, pode-se
concluir que:
Quanto à remoção de matéria orgânica (DQO), o efluente produzido
apresentou boa qualidade, estando dentro dos limites exigidos pela
legislação federal – Resolução CONAMA 430/2011. Também foi
possível observar o enquadramento dentro dos limites exigidos para
reúso, de acordo a Organização Mundial de Saúde – OMS.
Foram obtidos resultados semelhantes de DQO para os filtros de areia
com fluxo descendente, indicando que a diferença entre as taxas
utilizadas não influenciou o resultado deste parâmetro. Os filtros de
carvão tiveram pouca influência em relação à remoção da DQO, o que
pode indicar que a ativação do carvão pode estar comprometida.
Para Sólidos Suspensos Totais (SST) e Turbidez (UNT), os resultados
destacaram que o efluente produzido atende aos padrões para o reúso
urbano não potável e para o reúso agrícola, necessitando apenas de
desinfecção final.
0
20
40
60
80
100
120
140
160
180
200
Nº
de O
vo
s d
e H
elm
into
s
Data
AFLUENTE
UASB
FCA1*
FCA2*
19/ja
n
02/f
ev
26/f
ev
08/m
ar
23/m
ar
10/a
br
26/a
br
16/m
ai
o
11/ju
n
01/ju
l
46
Avaliando a perda de carga nos filtros descendentes, verificou-se que o
filtro que operou com taxa de 160 m³/m².d. apresentou maior perda de
carga, quando comparados até 30 horas de filtração. Porém, não foi
observada diferença na remoção dos contaminantes avaliados,
requerendo menor área para implantação do sistema de filtração.
Quanto às densidades de coliformes fecais, os efluentes dos filtros de
carvão ativado possuíam valores acima do limite para corpos hídricos
(CONAMA 357, 2005), no entanto, a aplicação de um método de
desinfecção poderia adequar o efluente ao padrão estipulado nessa
legislação.
Em relação à remoção de ovos de helmintos, independente da taxa de
filtração, os dois sistemas alcançaram 100% de eficiência. Esse fato
demonstra a potencialidade de aplicação da filtração em meio granular
como tratamento terciário de esgotos tratados por processos biológicos,
atendendo aos padrões de reúso agrícola e/ou urbano não potável.
7.0. RECOMENDAÇÕES
Após análises e conclusões da presente pesquisa, recomenda-se:
Ativar o carvão granular, e realizar testes de adsorção, pois este não
apresentou a eficiência esperada para a pesquisa;
Realizar experimentos de carreira de filtração com diferentes taxas de
aplicação superficial, monitorando o volume de efluente filtrado, bem
como o volume de água necessário para limpeza dos filtros;
Aplicar coagulante químico antes da filtração ascendente, com o intuito
de avaliar o comportamento dos filtros, quanto à remoção dos
parâmetros físico-químicos, microbiológicos e comportamento
hidrodinâmico;
Aumentar a altura da câmara de carga do filtro de carvão ativado
granular para melhorar o processo de limpeza.
47
8.0. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS
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