XXVII Congresso Interamericano de Engenharia Sanitária e Ambiental
I-001 - AVALIAÇÃO DO POTENCIAL DA FLOTAÇÃO POR AR DISSOLVIDO
SOB PRESSÃO COMO PÓS-TRATAMENTO PARA EFLUENTES DE
REATORES ANAERÓBIOS DE FLUXO ASCENDENTE
Antônio Carlos Teixeira Pinto Filho(1)
Engenheiro Químico pela Universidade Federal Fluminense (UFF). Engenheiro de Saúde
Pública pela Fundação Oswaldo Cruz (FIOCRUZ). Mestre em Tecnologia Ambiental e
Recursos Hídricos pela Universidade de Brasília (UnB). Coordenador de Operações da
Área Oeste da Superintendência de Operação, Manutenção e Tratamento de Esgotos da
Companhia de Saneamento do Distrito Federal (CAESB).
Cristina Celia Silveira Brandão
Professora Adjunta do Departamento de Engenharia Civil e Ambiental da Universidade de
Brasília. Ph.D. em Engenharia Ambiental pelo Imperial College of Science, Technology
and Medicine.
Endereço(1): SQS 315 - Bloco I - apto. 406 - Asa Sul - Brasília - DF - CEP: 70384-090 - Brasil - Tel: (61) 245-4791 e-mail: [email protected]
RESUMO
Este trabalho apresenta uma avaliação da flotação por ar dissolvido sob pressão - FAD como sistema de póstratamento para efluentes de reatores anaeróbios de fluxo ascendente. O procedimento operacional incluiu uma
etapa de mistura rápida, seguida de floculação e flotação em escala de bancada, empregando sulfato de alumínio
como coagulante. Foram avaliados a influência das condições do pré-tratamento, como faixa de dosagem ótima de
coagulante e tempo de floculação, e a influência dos parâmetros de processo da flotação, como a taxa de aplicação
superficial e a taxa de recirculação. A eficiência do processo foi avaliada pelas determinações de turbidez, pH,
alcalinidade, sólidos em suspensão totais, DQO e ortofosfato, nas amostras brutas e tratadas.
A dosagem ótima de coagulante pareceu ser muito influenciada pela alcalinidade presente nas amostras.
Todavia, foi observado que o ajuste do pH de coagulação poderia, a um só tempo, reduzir as dosagens de
coagulante aplicadas com manutenção do mesmo nível de desempenho da FAD. O tempo de floculação foi
influenciado pelas características do material particulado presente nesse tipo de efluente, sendo que valores
na faixa de 10 minutos foram suficientes.
Foram obtidas elevadas remoções para taxas de aplicação até 8,1 m3/m2.h. Entretanto, ao ser duplicada a
taxa de aplicação para 16,2 m3/m2.h. notou-se considerável redução na eficiência do processo. O emprego de
uma taxa de recirculação de 5% não obteve sucesso, sendo necessários valores na faixa de 10% a 20% para
garantir a razão ar/sólidos e a dosagem de ar adequados.
A FAD, em condições operacionais adequadas, alcançou elevada eficiência, com remoções de 79% para
turbidez, 73% para DQO, 74% para sólidos em suspensão e 99% para ortofosfato filtrado, produzindo um
efluente com 7 uT de turbidez, 77 mg/L de DQO, 16 mg/L de sólidos em suspensão e 0,25 mg PO4-3/L de
ortofosfato filtrado.
PALAVRAS-CHAVE: Flotação por Ar Dissolvido sob Pressão - FAD, Pós-tratamento, Reator Anaeróbio de
Fluxo Ascendente, Tratamento Químico.
INTRODUÇÃO
Brasília foi construída no Planalto Central, com altitudes variando de 1000 metros a 1300 metros acima do
nível do mar. Os corpos d’água locais possuem elevada qualidade e baixas vazões, resultando em suprimento
limitado de água potável e baixo poder de diluição para os esgotos produzidos no Distrito Federal.
Visando solucionar o problema de abastecimento de água potável na região, encontra-se em fase adiantada de
estudos a construção de um novo reservatório na bacia do rio Corumbá. Todavia, um fator problemático para
a viabilização do projeto é o atual despejo de efluentes de estações de tratamento de esgotos - ETEs, operadas
pela Companhia de Saneamento do Distrito Federal - Caesb, em rios tributários dessa bacia.
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Em função da grande disponibilidade de área, adotou-se nessas ETEs processos naturais de tratamento
(lagoas de estabilização, reatores anaeróbios de fluxo ascendente etc.), os quais, apesar de apresentarem baixo
custo operacional e grande remoção de matéria orgânica biodegradável e patógenos, produzem efluentes
finais com elevados teores de fósforo total, sólidos em suspensão - SS, nitrogênio e Demanda Química de
Oxigênio - DQO, algumas vezes exigindo um pós-tratamento para adequá-los à legislação ambiental e/ou
possibilitar sua reutilização.
Os excelentes resultados operacionais da FAD obtidos no pós-tratamento dos efluentes secundários das ETEs
Sul e Norte, também operadas pela Caesb, aliado ao sucesso do processo a nível mundial, indicaram a
possibilidade da FAD ser empregada no pós-tratamento de efluentes de reatores anaeróbios de fluxo
ascendente- RAFA.
A FAD vem sendo considerada, desde a década de 70, uma opção eficiente tanto no tratamento de água
quanto de esgotos, quer na clarificação de efluentes quanto no adensamento de lodos. A partir de estudos
pioneiros de Vrablik (1959), várias pesquisas confirmaram a grande potencialidade do processo, como as
realizadas por van Vuuren et. al. (1970), Bratby and Marais (1974), Hide et al. (1977), Zabel (1984) e
∅degaard (1995), entre muitos outros.
O objetivo do presente trabalho foi avaliar o potencial da flotação por ar dissolvido sob pressão - FAD como
pós-tratamento para o efluente do reator anaeróbio de fluxo ascendente da ETE Paranoá. Na pesquisa foram
avaliados a influência das condições do pré-tratamento, como faixa ótima de dosagem de sulfato de alumínio
e tempo de floculação, bem como a variação dos parâmetros de processo, como taxa de aplicação superficial e
tempo de floculação.
O desempenho da FAD foi determinado pelas medições de turbidez (T), pH, alcalinidade (Alc.), sólidos em
suspensão totais (SS), DQO e ortofosfato filtrado (Ortof), tanto para as amostras brutas quanto para as
amostras tratadas. A influência da dosagem de coagulante em pH controlado também foi estudada.
MATERIAIS E MÉTODOS
Os experimentos foram realizados com uma unidade de flotação em escala de bancada, mostrada na Figura 1,
similar às utilizadas nos experimentos de Edzwald e Wingler (1990), Malley e Edzwald (1991) e Reali et al.
(1998). A unidade compreende três colunas de flotação, uma câmara de saturação e um compressor.
Figura 1 - Diagrama esquemático da unidade de flotação em escala de bancada.
Cada coluna de flotação foi confeccionada em acrílico transparente, com 1.000 mm de altura e volume útil de
4 litros. Em função dos vasos serem dotados de agitadores de eixo vertical com velocidade variável, as etapas
de coagulação, floculação e flotação podiam ser realizadas na mesma coluna. As atividades de coleta de
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amostras e dosagem de coagulante foram realizadas através de pontos de amostragem e seringas de 20 mL,
respectivamente, distribuídos ao longo de cada coluna. Todas colunas de flotação foram conectadas à câmara
de saturação, de modo a receber o fluxo de água saturada para a etapa de flotação. A câmara de saturação,
igualmente confeccionada em acrílico, possui volume útil de 3 litros e capacidade de resistir a pressões até
1.000 kPa.
De modo a cumprir os objetivos propostos, foi estabelecido um programa compreendendo cinco etapas:
• Etapa A - Influência da dosagem de sulfato de alumínio (D) - Inicialmente a dosagem de coagulante foi
amplamente variada, com o objetivo de identificar a faixa de dosagem de coagulante onde o processo de
FAD apresentava maior eficiência de remoção. Nessa fase inicial foram medidos pH e turbidez do
efluente tratado. Na faixa de dosagens onde foram observadas as maiores remoções de turbidez, novos
ensaios foram realizados, em duplicata, variando-se a dosagem a intervalos menores. Nessa fase foram
acrescentados outros parâmetros de controle, como DQO, sólidos em suspensão totais, ortofosfato
filtrado e alcalinidade.
• Etapa B - Influência da taxa de aplicação superficial (Vf) - A avaliação da influência da taxa de aplicação
superficial na eficiência do processo foi realizada pela construção das curvas de flotação, adotando
metodologia análoga à utilizada para elaboração das curvas de sedimentação. As taxas de aplicação
testadas variaram de 5,4 m3/m2.h a 16,2 m3/m2.h. Para o desenvolvimento dessa etapa adotou-se uma
dosagem de sulfato de alumínio situada dentro da faixa ótima determinada na etapa A.
• Etapa C - Influência do tempo de floculação (Tf) - Os tempos de floculação testados foram 2,5, 5, 10, 15
e 20 minutos. Nesses ensaios foi mantida uma dosagem de sulfato de alumínio dentro da faixa ótima
obtida na etapa A. Houve também preocupação em empregar uma taxa de aplicação superficial próxima
dos valores utilizados nas unidades em escala real.
• Etapa D - Influência da taxa de recirculação (R) - As taxas de recirculação foram variadas de 5% a 25%,
a intervalos de 5%. Nessa etapa foram adotadas as melhores condições operacionais obtidas nas etapas
anteriores. O procedimento operacional para realização dessa variação, consistiu em admitir, na coluna
de flotação, volumes pré-definidos de água saturada com ar, proporcionais ao volume de esgoto contido
na coluna de flotação, que era fixado 3,3 litros.
• Etapa E - Influência da dosagem de coagulante com pH controlado - O objetivo desses experimentos foi
verificar se o controle de pH, em valor mais ácido que seu valor original, poderia trazer ganhos ao
processo, tanto no aspecto de redução de dosagem de coagulante quanto de aumento de eficiência de
remoção. A manutenção do pH dentro de uma estreita faixa de variação foi conseguida através da adição
de ácido clorídrico.
A tabela 1 apresenta cada etapa em detalhe. Os valores em itálico indicam os parâmetros que foram variados
em cada etapa específica.
Tabela 1: Programa Experimental - Efluente do Reator Anaeróbio de Fluxo Ascendente da ETE
Paranoá.
Etapa
A
B
C
D
E
D (mg/L)
0 to 320
200
200
200
0 to 240
Tf (min)
15
2,5 to 20
10
10
10
Vf (m3/m2.h)
8,1
8,1
5,4 to 16,2
8,1
8,1
R (%)
15
15
15
5 to 25
15
Em todos os experimentos realizados foram mantidos constantes: período de tempo de 1 minuto para a
mistura rápida com gradiente de velocidade ao redor de 1.000 s-1; gradiente de velocidade na floculação em
torno de 100 s-1 e pressão de saturação de 500 kPa.
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RESULTADOS E DISCUSSÃO
As características físico-químicas das amostras empregadas nos experimentos encontram-se detalhadas na
Tabela 2. Os dados refletem uma flutuação natural da qualidade do efluente do processo anaeróbio, tendo em
vista que os trabalhos de campo para coleta de amostras demandaram um período aproximado de um mês.
Tabela 2 : Características do efluente do reator anaeróbio de fluxo ascendente da ETE Paranoá.
Alc. (*)
Efluente
pH
T (uT) DQO (mg/L) SS (mg/L)
Ortof (mg PO4-3/L)
Reator anaeróbio
(*) mg CaCO3/L
7,4 -7,8
25-57
279 -542
61- 143
28,0 - 33,0
338 - 380
Influência da dosagem de sulfato de alumínio (D)
Os elevados teores de alcalinidade e matéria orgânica solúvel nas amostras processadas na FAD, implicaram
em grandes dosagens de coagulante. De fato, como pode ser observado na Figura 2, os melhores resultados de
turbidez foram obtidos com dosagens de sulfato de alumínio expressivas, na faixa de 200 mg/L a 240 mg/L.
Todavia, o aumento da dosagem para valores superiores à essa faixa acarretou um processo de reversão de
carga das partículas, levando a processos de floculação e flotação menos eficientes.
50
8
T urbidez
pH
7,5
7
30
pH
Turbidez (uT)
40
6,5
20
6
10
5,5
0
0
20
40
60
80
100
120
140
160
180
200
220
240
280
5
320
Dosagem de sulfato de alumínio anidro (mg/L)
Figura 2: Variação da dosagem de coagulante e seu efeito sobre a turbidez e o valor do pH
de coagulação do efluente do RAFA submetido à FAD.
A Figura 3 mostra que podem ser obtidas elevadas remoções das frações solúveis de fósforo em ampla faixa
de dosagens de sulfato de alumínio, atingindo valores da ordem de 99%. A remoção de DQO, por sua vez,
seguiu comportamento similar ao observado na Figura 2 para a turbidez, com queda de rendimento nas
dosagens de coagulante acima de 240 mg/L.
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4
500
450
400
350
300
250
200
150
100
50
0
4
3,5
3
Ortof (mg PO4/L)
DQO (mg/L)
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2,5
2
1,5
1
0,5
0
0
0
40
80 120 160 200 240 280 320 360
Dosagem de sulfato de alumínio anidro (mg/L)
40 80 120 160 200 240 280 320 360
Dosagem de sulfato de alumínio anidro (mg/L)
(a)
(b)
Figura 3: Variação da dosagem de coagulante e seu efeito sobre (a) DQO e (b) ortofosfato filtrado
do efluente do RAFA submetido à FAD.
3
2
Influência da taxa de aplicação superficial (m /m .h)
220
200
180
160
140
120
100
80
60
40
20
0
DQO (mg/L)
SS (mg/L)
A Figura 4 mostra os resultados obtidos pela FAD, quanto a sólidos em suspensão e DQO, para o efluente do
reator anaeróbio, à medida que a taxa de aplicação foi variada. Pode ser observado um comportamento
estável do processo até a taxa de aplicação superficial de 8,1 m3/m2.h. e uma redução da eficiência de
remoção do processo quando essa taxa foi elevada de 8,1 m3/m2.h. para 16,2 m3/m2.h.
270
240
210
180
150
120
90
60
30
0
0
2
4
6 8 10 12 14 16 18 20 22
Taxa de aplicação superficial (m3/m2.h)
0
2
4
6
8
10
12 14
16
18 20
22
Taxa de aplicação superficial (m3/m2.h)
(a)
(b)
Figura 4: Variação da taxa de aplicação e seu efeito sobre (a) sólidos em suspensão e (b) DQO
do efluente do RAFA submetido à FAD.
O bom desempenho da FAD para taxas de aplicação de 5,4 m3/m2.h a 8,1 m3/m2.h, vem confirmar resultados
obtidos por diversos autores, como Schneider et al. (1991), Kaminski (1991), ∅degaard (1995) e Reali et al.
(1998), de que a aplicação de taxas de aplicação superficial até um faixa limite de 9 m3/m2.h a 12 m3/m2.h
pouca alteração causa na qualidade do efluente.
A queda de rendimento da FAD observada nos ensaios com taxa de aplicação fixada em 16,2 m3/m2.h, no
caso específico de efluentes de RAFA, pode estar associada às características dos sólidos em suspensão
presentes na amostra processada. Esses sólidos, carreados junto com o efluente do RAFA, são compostos de
grânulos de lodo anaeróbio, de consistência densa, de separação mais difícil por flotação. O emprego de
elevadas dosagens de coagulante, adicionando mais massa ao sistema, pode ter sido outro fator prejudicial à
FAD quando operada com taxas de aplicação superiores às utilizadas nas unidades em escala real.
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Influência do tempo de floculação (TF)
Os resultados apresentados na Figura 5 mostram que o aumento do tempo de floculação de 2,5 minutos para
10 minutos resultou em ganho crescente da remoção de sólidos em suspensão e DQO. Entretanto, tempos de
floculação superiores a 10 minutos levaram à formação de flocos visualmente maiores, inadequados à
flotação, causando perdas de eficiência da FAD na remoção de material particulado.
160
30
140
25
DQO (mg/L)
SS (mg/L)
120
20
15
10
100
80
60
40
5
20
0
0
0
5
10
15
20
Tempo de floculação (min)
0
25
5
(a)
10
15
20
Tempo de floculação(min)
25
(b)
Figura 5: Variação do tempo de floculação e seu efeito sobre (a) sólidos em suspensão e (b) DQO
do efluente do RAFA submetido à FAD.
100
95
90
85
80
75
70
65
60
55
50
100
95
Remoção de SS (%)
Remoção de DQO (%)
A análise da Figura 6 indica que para efluentes de reatores anaeróbios de fluxo ascendente podem ser
empregados baixos tempos de floculação com bons resultados em termos de remoção de DQO e sólidos em
suspensão. Reali et al. (1998), tratando efluente de RAFA com FAD, relatam aumento de remoção de DQO à
medida que o tempo de floculação aumentava de 15 minutos para 25 minutos. Os resultados do presente
experimento, para tempos de floculação situados na faixa de 10 minutos a 20 minutos, não sugerem
tendência similar, uma vez que as remoções mantiveram-se bem próximas entre si.
90
85
80
75
70
65
60
2,5
5
10
15
Tempo de floculação (min)
20
2,5
(a)
5
10
15
Tempo de floculação (min)
20
(b)
Figura 6: Variação do tempo de floculação e seu efeito remoção de (a) DQO e b) sólidos em
suspensão do efluente do RAFA submetido à FAD.
Influência da taxa de recirculação (R)
A Figura 7 apresenta as remoções de sólidos em suspensão e DQO, à medida que a taxa de recirculação foi
variada de 5% a 25%. Os resultados mostram que a taxa de recirculação de 5% foi inadequada ao processo de
FAD, ante o fornecimento insuficiente de ar para uma flotação eficiente.
Taxas de recirculação situadas na faixa de 10% a 20% revelaram-se adequadas, fornecendo dosagens
aproximadas de ar de 7 mg/L e 14 mg/L, respectivamente, calculadas de acordo com valores de dissolução de
ar citados por Rees et al. (1980).
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6
100
90
80
70
60
50
40
30
20
10
0
Rwmoção de DQO (%)
Remoção de SS (%)
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0
5
10
15
20
Taxa de recirculação (%)
25
100
90
80
70
60
50
40
30
20
10
0
30
0
5
10
15
20
Taxa de recirculação (%)
(a)
25
30
(b)
Figura 7: Variação da taxa de recirculação e seu efeito na remoção de a) sólidos em suspensão e
b) DQO do efluente do RAFA submetido à FAD.
Influência da dosagem de coagulante com pH controlado
Os resultados experimentais indicados na Figura 8, mostram que dosagens de sulfato de alumínio com um
valor de pH fixado na faixa de 5,0 a 5,5 resultaram em maiores remoções de DQO empregando menores
dosagens de coagulante. Uma dosagem de 100 mg Al2 (SO4)3/L na condição de pH controlado, resultou em
remoção de DQO similar à obtida com uma dosagem de 160 mg/L na condição de pH sem ajuste.
90
70
DQO (mg/L)
Remoção de DQO (%)
80
60
50
40
30
20
10
0
0
50
100
150
200
250
300
Dosagem de sulfato de alumínio anidro (mg/L)
sem ajuste de pH
com ajuste de pH
350
500
450
400
350
300
250
200
150
100
50
0
0
40
80 120 160 200 240 280 320 360
Dosagem de sulfato de alumínio anidro (mg/L)
sem ajuste de pH
(a)
com ajuste de pH
(b)
Figura 8: Variação da dosagem de coagulante com ajuste de pH e sem ajuste de pH e seu efeito
sobre a) remoção de DQO e b) DQO do efluente do RAFA submetido à FAD.
CONCLUSÕES
A dosagem ótima de sulfato de alumínio foi muito influenciada pelas características particulares do efluente
do reator anaeróbio de fluxo ascendente, notadamente pela elevada alcalinidade presente nas amostras. A
faixa de dosagem de coagulante que forneceu as melhores eficiências de remoção situou-se de 160 mg/L a
240 mg/L. As dosagens situadas acima da faixa ótima resultaram no processo de reversão de carga das
partículas acompanhada de floculação deficiente, com conseqüente perda de eficiência de remoção. Dosagens
de coagulante com ajuste de pH obtiveram melhores resultados que aquelas realizadas sem tal controle,
trazendo ganhos quanto a menor consumo de sulfato de alumínio.
O aumento do tempo de floculação de 2,5 minutos para 10 minutos elevou substancialmente o desempenho
da FAD. Contudo, à medida que esse tempo era incrementado para 15 minutos, os flocos visualmente
começaram a ficar mais pesados, inadequados à flotação, causando redução da eficiência do processo.
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∅degaard (1995) reporta que a FAD é capaz de operar de forma eficiente mesmo quando submetida a
elevadas taxas de aplicação superficial. Entretanto, os experimentos do presente trabalho indicaram que a
presença de uma quantidade excessiva de material floculado na coluna de flotação, com flocos apresentando
características inadequadas à separação por flotação, pode implicar em redução considerável do desempenho
da FAD em taxas de aplicação superficial superiores às adotadas normalmente nas unidades em escala real.
Taxas de recirculação variando de 10% a 20% foram necessárias para garantir adequados valores de razão
ar/sólidos e dosagem de ar, ao passo que uma taxa de 5% revelou-se inadequada para o processo de flotação.
O efluente do reator anaeróbio de fluxo ascendente da ETE Paranoá, tratado por FAD, na condição
operacional ótima, apresentou concentrações inferiores a 7 uT, 77 mg/L para DQO, 16 mg/L para sólidos em
suspensão e 0,25 mg/L para ortofosfato filtrado. Considerando a qualidade inicial do efluente do reator
anaeróbio citado, as taxas de remoção obtidas foram: turbidez: 79%, DQO: 73%, SS: 74% e ortofosfato
filtrado: 99%.
O trabalho experimental demostrou o potencial da FAD, associada ao pré-tratamento químico, na obtenção
de efluentes de boa qualidade a partir de efluentes de RAFA. Os elevados níveis de remoção de material
particulado e nutrientes, bem como o desempenho estável do processo em taxas de aplicação superficial de
uso corrente nas unidades de escala real, credenciam a FAD como uma alternativa eficiente e confiável no
pós-tratamento de efluentes de reatores anaeróbios de fluxo ascendente.
REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS
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