23º Congresso Brasileiro de Engenharia Sanitária e Ambiental
II-138 – DESEMPENHO DO FILTRO BIOLÓGICO PERCOLADOR SEGUNDO
DOIS DIFERENTES MEIOS SUPORTE PLÁSTICOS
Ana Silvia Pereira Santos(1)
Engenheira Civil, Mestranda em Engenharia Ambiental - COPPE/UFRJ.
Isaac Volschan Junior
D.Sc., Prof. Adjunto do Depto. de Recursos Hídricos e Meio Ambiente da Escola Politécnica - UFRJ.
Eduardo Pacheco Jordão
Dr.Eng., Prof. Adjunto do Depto. de Recursos Hídricos e Meio Ambiente da Escola Politécnica - UFRJ.
José Paulo Soares de Azevedo
Ph.D, Prof. Adjunto do Programa de Engenharia Civil da COPPE/UFRJ
Endereço(1): Rua Raimundo Correia, 53/602 - Copacabana - Rio de Janeiro - RJ - CEP: 22040-040 - Brasil - Tel:
(21) 2547-4584 - e-mail: [email protected]
RESUMO
A recente evolução da tecnologia de filtração biológica aeróbia deveu-se à utilização dos meios suporte
plásticos em substituição aos meios em pedra. Unidades mais leves e esbeltas e de menor área superficial e
volume podem ser hoje em dia projetadas com a utilização de meios plásticos. A literatura técnica carece no
entanto, de correlações mais precisas entre tipos de meio plástico e taxas de aplicação hidráulica superficial e
orgânica volumétrica. Nesse sentido, o presente trabalho avalia o desempenho de uma unidade de filtração
biológica aeróbia segundo a utilização de 2 diferentes meios suporte plásticos - anéis randômicos e modular
cross flow, e a aplicação 3 diferentes taxas hidráulicas superficiais e orgânicas volumétricas. Constatou-se que
independente do meio plástico utilizado e das taxas aplicadas, a unidade satisfez ao padrão de lançamento de
60 mg/l de DBO e SST em respectivamente 85% e 100% dos efluentes monitorados; quando limitada em 65
m3/m2.d, o índice de atendimento em relação a DBO elevou-se para 90%. Estatísticas descritivas do
desempenho da foram também avaliadas e comparadas em relação às diferentes condições operacionais
impostas à unidade. O presente trabalho foi desenvolvido no âmbito do PROSAB (MCT/FINEP, Edital 4).
PALAVRAS-CHAVE: Filtro biológico percolador, filtro biológico aeróbio, meio suporte plástico, taxa de
aplicação superficial
INTRODUÇÃO
Filtros biológicos percoladores, também denominados filtros biológicos aeróbios, apresentam vantagens
quando comparados aos processos convencionais de tratamento secundário dos esgotos sanitários: ocupam
relativamente menor área superficial e não exercem demanda de energia elétrica para sua operação.
A evolução da tecnologia nos últimos tempos deveu-se à utilização dos meios suporte plásticos em
substituição aos meios em pedra. Diferentes meios suporte plásticos são ofertados pela indústria, cada qual
com suas respectivas especificações.
O meio randômico, usualmente utilizado, possui área superficial específica em torno de 100 m2/m3 e índice de
vazios de 95%, podendo alcançar até 450 m2/m3 em função da variação de forma e tamanho. O meio modular
do tipo cross flow ou vertical flow apresenta área superficial específica variando entre 80 e 250 m2/m3 e índice
de vazios acima de 95%. O meio em tiras plásticas corrugadas pode ser encontrado com área superficial
específica variando entre 100 e 200 m2/m3 (www.nswplasticmedia.com – NSW Environmental Products).
Enquanto nos meios plásticos admite-se taxas de aplicação superficial e volumétrica de até 80 m3/m2.d e 3
kgDBO/m3.d (JORDÃO & PESSOA, 1995), nos meios em pedra as respectivas taxas encontram-se limitadas
em 30 m3/m2.d e 2 kgDBO/m3.d (NASCIMENTO et al, 2001). Conseqüentemente, são menores as áreas
superficiais e os volumes dos reatores biológicos em meio plástico.
As taxas hidráulica e orgânica aplicáveis aos meios plásticos efetivamente ofertados pela indústria requerem,
no entanto, melhor definição do que as amplas faixas sugeridas pela literatura técnica. Nesse sentido, o
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presente trabalho teve como objetivo avaliar o desempenho de uma unidade de filtração biológica aeróbia
segundo a utilização de 2 diferentes meios suporte plásticos - anéis randômicos e modular cross flow, e a
aplicação de 3 diferentes taxas hidráulicas superficiais e orgânicas volumétricas. O presente trabalho foi
desenvolvido no âmbito do PROSAB (MCT/FINEP, Edital 4).
MATERIAIS E MÉTODOS
A unidade de filtração biológica aeróbia é uma das 15 unidades experimentais que compõem o Centro
Experimental de Tratamento de Esgotos da UFRJ. O CETE/UFRJ tem como missão atender aos objetivos
acadêmicos de ensino e pesquisa dos cursos de graduação e pós-graduação da UFRJ voltados à engenharia de
recursos hídricos, sanitária e ambiental. Consiste em uma central de operações, processos e tecnologias,
dotada ainda das seguintes unidades de tratamento de esgotos: grade de barras, desarenador por gravidade,
desarenador aerado, decantação primária convencional, decantação primária quimicamente assistida, reator
UASB, tanque séptico, filtro anaeróbio, filtro aerado submerso, lodos ativados, lagoa aerada, lagoa de
sedimentação, lagoa facultativa e lagoa de maturação. Todas as unidades de tratamento apresentam capacidade
para população equivalente de 500 habitantes.
No presente caso, o aparato experimental é constituído por grade de barras, desarenador, filtro biológico
percolador e 2 decantadores secundários, conforme ilustra o fluxograma apresentado na Figura 1.
Figura 1: Fluxograma da unidade experimental
6
5
PC 03
PC 01
Esgoto
bruto
PC 02
Esgoto
tratado
2
3
4
1
7
1 – Elevatória de esgoto CEDAE – RJ (Bomba submersível de alimentação do CETE Poli/UFRJ)
2 – Tratamento preliminar (grade de barras)
3 – Tratamento preliminar (desarenador)
4 – Elevatória de alimentação do filtro biológico (bomba submersível)
5 – Registro regulador de vazão
6 – Filtro Biológico Percolador (FBP)
7 – Decantadores finais
PC 01 – Ponto de coleta 01 (afluente ao CETE Poli/UFRJ)
PC 02 – Ponto de coleta 02 (efluente tratado do sistema de filtração biológica)
PC 03 – Ponto de coleta 03 (entrada do decantador secundário)
O esgoto bruto afluente à unidade experimental é típico de campi universitário e apresenta características
similares às de efluentes de unidades de tratamento primário, com valores médios de DQO, DBO, SST e SSV,
respectivamente, da ordem de 185 mg/l, 101 mg/l, 73 mg/l e 57 mg/l. Por essa razão o aparato experimental
não é dotado de tratamento primário, como é a totalidade das estações de tratamento que emprega a tecnologia
da filtração biológica aeróbia.
O filtro biológico em estrutura de fibra de vidro, apresenta área superficial quadrada de 1,0m2 e altura de meio
suporte de 3,0m. O sistema de distribuição e molhamento do meio suporte é do tipo fixo, sendo constituído
por uma bandeja perfurada. Os decantadores também são quadrados, estruturados em fibra de vidro, e
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apresentam, cada um, área superficial de 1,7m2 e profundidade de 2,2m. A Figura 2 ilustra a unidade instalada
no CETE/UFRJ.
Figura 2: Unidade de filtração biológica aeróbia do CETE/UFRJ
Filtro biológico percolador
Janelas de ventilação natural
Canal de coleta do
efluente secundário
Tubulação afluente aos
decantadores secundários
Registro de controle de vazão
Tubulação de recalque
Elevatória de esgoto afluente
Os meios suporte plásticos utilizados foram do tipo randômico, com área superficial específica de 80 m2/m3 e
índice de vazios de 95%, e do tipo modular cross flow com mesmo índice de vazios e área superficial
específica em torno de 160 m2/m3 (ambas as áreas superficiais específicas foram medidas in loco). As Figuras
3 e 4 ilustram os meios suporte utilizados.
Figura 3 – Meio suporte randômico
Figura 4 – Meio suporte modular cross flow
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Na Tabela 1 são resumidamente apresentados o delineamento experimental e as condições operacionais da
unidade de filtração biológica aplicadas ao desenvolvimento do presente trabalho. As fases A e B
correspondem, respectivamente, aos meios suporte tipo randômico e tipo modular cross flow. As sub-fases I,
II e III correspondem, respectivamente, às taxas de aplicação superficial e volumétrica de 40 m3/m2.d e 0,9
kgDBO/m3.d, 65 m3/m2.d e 1,5 kgDBO/m3.d, e 80 m3/m2.d e 2,1 kgDBO/m3.d.
Tabela 1: Delineamento experimental e condições operacionais
Filtro Biológico Percolador
Operação
Fase
Sub-fases
TAO
TAS
(dia)
(KgDBO/m3.d)
(m3/m2.d)
I
1 a 16
40
0,9
A
II
17 a 44
65
1,5
(Randômico)
III
45 a 79
80
2,1
I
134 a 147
40
0,9
B
II
103 a 125
65
1,5
(Cross Flow)
III
126 a 133
80
2,1
Decantador Secundário
TAS
T (h)
(m3/m2.d)
12,0
3h21’
19,0
2h24’
24,0
1h41’
12,0
3h21’
19,0
2h24’
24,0
1h41’
A avaliação de desempenho da unidade experimental se baseou no monitoramento do esgoto bruto afluente e
efluente tratado, segundo amostras compostas, coletadas de hora em hora, entre 08:00 e 17:00, com freqüência
de amostragem variando de 1 a 3 vezes por semana, e de acordo com os seguintes parâmetros físico-químicos:
DBO e SST. As análises foram processadas no Laboratório de Engenharia do Meio Ambiente da Escola
Politécnica da UFRJ, segundo as determinações estabelecidas no Standard Methods for the Examination of
Water and Wastewater.
RESULTADOS E DISCUSSÃO
As séries temporais apresentadas nos gráficos das Figuras 5 e 6 demonstram, em relação aos parâmetros
monitorados, o comportamento da unidade de filtração biológica durante as 6 subfases da pesquisa.
Figura 5: Série temporal do comportamento de DBO
160
A-II
A-I
A-III
B-II
B-I
B-III
Concentração (mg/l)
140
120
100
80
60
40
20
0
0
20
40
60
80
100
120
140
160
Dias
Afluente
Efluente
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Figura 6: Série temporal do comportamento de SST
120
A-II
A-I
A-III
B-II
B-I
B-III
Concentração (mg/l)
100
80
60
40
20
0
0
20
40
60
80
100
120
140
160
Dias
Afluente
Efluente
A Tabela 2 indica para cada uma das condições operacionais que a unidade foi submetida, a quantidade
relativa de valores de DBO e SST efluentes inferiores a 60 mg/l, valor máximo permitido pela maioria dos
padrões estaduais de lançamento de esgotos sanitários em cursos d’água.
Tabela 2: Índice de atendimento aos padrões de lançamento de esgotos sanitários em cursos d’água
Sub-fase/
Fase
Descrição
Quant. de
dados
Índice de Atendimento
DBO (%)
Índice de Atendimento
SST (%)
AI
AII
AIII
A total
BI
BII
BIII
B total
I total
II total
III total
Total
Meio randômico, 40 m3/m2.d
Meio randômico, 65 m3/m2.d
Meio randômico, 80 m3/m2.d
Meio randômico, as 3 taxas
Meio cross flow, 40 m3/m2.d
Meio cross flow, 65 m3/m2.d
Meio cross flow, 80 m3/m2.d
Meio cross flow, as 3 taxas
40 m3/m2.d, ambos os meios
65 m3/m2.d, ambos os meios
80 m3/m2.d, ambos os meios
Ambos os meios e as 3 taxas
8
8
8
24
4
6
4
14
12
14
12
38
100
90
65
80
90
100
100
82
95
95
70
85
100
100
100
100
100
100
100
100
100
100
100
100
O desempenho da unidade de filtração biológica utilizando meio suporte plástico, independente do tipo de
meio e da taxa de aplicação superficial aplicada, pode ser avaliado em função da quantidade de concentrações
efluentes de DBO e SST inferiores ao padrão ambiental legal de 60 mg/l. No caso, o padrão foi atendido em
85% das concentrações efluentes de DBO e em 100% das concentrações efluentes de SST (Fase Total).
Sob o mesmo enfoque, quando somente utilizado o meio suporte tipo randômico, ainda que independente da
taxa de aplicação superficial, verificou-se o atendimento em 80% das concentrações efluentes de DBO e em
100 % das concentrações efluentes de SST (Fase A total). Por outro lado, quando somente utilizado o meio
suporte tipo cross flow e independente da taxa de aplicação superficial, o padrão foi atendido em 82% das
concentrações efluentes de DBO e em 100% das concentrações efluentes de SST (Fase B total). Os resultados
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alcançados indicam equivalência de desempenho de ambos os meios, independente das taxas aplicadas, em
relação ao atendimento ao padrão de lançamento.
Para a taxa de aplicação superficial de 40 m3/m2.d, independente do meio suporte, o padrão de lançamento foi
alcançado em 95% das concentrações efluentes de DBO e em 100% das concentrações efluentes de SST. Para
as demais taxas, de 65 m3/m2.d e 80 m3/m2.d, o índice de atendimento foi alcançado, respectivamente, em 95%
e 70% das concentrações efluentes de DBO e nos dois casos, em 100% das concentrações efluentes de SST.
Os resultados indicam o melhor desempenho da unidade em relação ao padrão de atendimento, quando
submetido a menores taxas de aplicação, independente do meio suporte utilizado. Não obstante, pode-se
considerar como muito satisfatório o índice de atendimento alcançado para a taxa de aplicação de 65 m3/m2.d.
De qualquer forma, observa-se que os índices de atendimento obtidos para as diferentes condições
operacionais referem-se ao padrão de 60 mg/l, vigente na maioria dos estados da federação. Considerando no
entanto, a legislação vigente no Estado do Rio de Janeiro (DZ FEEMA-215) verifica-se a aplicabilidade da
análise realizada somente para o atendimento à carga orgânica bruta compreendida entre 25 e 80 kgDBO/d,
uma vez que para cargas superiores à 80 kgDBO/d, requer-se a concentração máxima efluente de 40 mg/l de
DBO e SST.
As Tabela 3 e 4 indicam para as diferentes condições operacionais, as respectivas estatísticas descritivas das
concentrações efluentes de DBO e SST.
Sub-fase/
Fase
Quantidade de
dados (um)
Média
(mg/l)
Mínimo
(mg/l)
Máximo
(mg/l)
Coeficiente de
Variância
Mediana
(mg/l)
Desvio padrão
Percentis 10%
(mg/l)
Percentis 25%
(mg/l)
Percentis 50%
(mg/l)
Percentis 75%
(mg/l)
Tabela 3: Estatísticas descritivas da concentração efluente de DBO
AI
AII
AIII
A total
BI
BII
BIII
B total
I total
II total
III total
Total
8
8
8
24
4
6
4
14
12
14
12
38
35
51
53
46
40
35
37
35
37
42
49
42
18
39
26
18
20
18
28
17
18
17
20
17
53
65
79
79
66
53
52
66
66
65
79
79
0,30
0,17
0,35
0,32
0,51
0,36
0,28
0,39
0,38
0,34
0,39
0,36
35
52
51
45
38
33
35
35
35
40
46
39
11
9
18
15
21
12
10
14
14
14
19
15
24
40
34
29
22
23
30
19
21
22
26
24
31
46
41
37
26
28
33
28
28
37
35
33
35
52
51
45
38
33
35
35
35
40
46
39
39
56
66
56
52
42
39
39
45
54
65
53
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Sub-fase/
Fase
Quantidade de
dados (um)
Média
(mg/l)
Mínimo
(mg/l)
Máximo
(mg/l)
Coeficiente de
Variância
Mediana
(mg/l)
Desvio padrão
Percentis 10%
(mg/l)
Percentis 25%
(mg/l)
Percentis 50%
(mg/l)
Percentis 75%
(mg/l)
Tabela 4: Estatísticas descritivas da concentração efluente de SST
AI
AII
AIII
A total
BI
BII
BIII
B total
I total
II total
III total
Total
8
8
8
24
4
6
4
14
12
14
12
38
34
44
42
40
30
33
29
25
32
34
31
35
26
34
31
26
21
26
17
10
21
10
21
10
42
53
50
53
35
42
35
35
42
53
50
53
0,17
0,16
0,15
0,19
0,21
0,20
0,29
0,34
0,19
0,43
0,22
0,31
32
47
42
40
32
31
33
28
32
36
40
35
6
7
6
8
6
6
8
9
6
14
8
11
28
36
37
30
24
28
21
13
26
14
30
21
30
38
40
34
28
29
28
20
30
23
33
30
32
47
42
40
32
31
33
28
32
36
40
35
39
49
46
47
34
38
34
33
36
48
43
42
Os gráficos Box and Whiskers das Figuras 7 e 8 ilustram as estatísticas descritivas apresentadas para cada
uma das condições operacionais.
Figura 7: Box and Whiskers do comportamento de DBO
100
90
Concentração (mg/l)
80
70
25%
60
50%
50
Mín
Máx
40
75%
30
20
10
0
AI
AII
AIII
A Total
BI
BII
Fase BIII B Total
I Total
II Total
III Total
Total
Fases
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Figura 8: Box and Whiskers do comportamento de SST
60
Concentração (mg/l)
50
40
25%
50%
30
Mín
Máx
75%
20
10
0
AI
AII
AIII
A Total
BI
BII
Fase BIII B Total
I Total
II Total
III Total
Total
Fases
O efluente da unidade de filtração biológica utilizando meio suporte plástico, independente do tipo de meio e
da taxa de aplicação superficial aplicada, apresentou concentração média de DBO e SST de respectivamente
42 mg/l e 38 mg/l. Observa-se que 75% das concentrações efluentes de DBO e SST foram respectivamente
inferiores a 53 mg/l e 42 mg/l, valores que podem ainda melhor representar o bom desempenho da unidade.
Quando somente utilizado o meio suporte tipo randômico, ainda que independente da taxa de aplicação
superficial, verificou-se a obtenção de concentração média de DBO e SST de respectivamente 46 mg/l e 40
mg/l. Observa-se que neste caso, 75% das concentrações efluentes de DBO e SST foram respectivamente
inferiores a 56 mg/l e 47 mg/l, que da mesma forma indicam o bom desempenho da unidade para o meio tipo
randômico. Por outro lado, quando utilizado somente o meio suporte tipo cross flow e também independente
da taxa de aplicação superficial, verificou-se a obtenção de concentração média de DBO e SST de
respectivamente 35 mg/l e 25 mg/l. Apesar de neste caso observar-se que 75% das concentrações efluentes de
DBO e SST foram respectivamente inferiores a 39 mg/l e 33 mg/l, em princípio não deve-se creditar o melhor
desempenho deste meio suporte, face a pouca quantidade de resultados disponíveis para análise.
Em relação as taxas de aplicação superficial, observa-se que a concentração média efluente de DBO e o
respectivo percentil de 75% aumentam com o incremento da taxa de aplicação superficial, independente do
meio suporte.
CONCLUSÕES
Apesar dos resultados obtidos demonstrarem a perda de qualidade do efluente tratado em função da elevação
da taxa de aplicação hidráulica superficial, sugerem também que a aplicação de taxas de até 65 m3/m2.d
permite a obtenção de efluente com qualidade satisfatória, com concentrações de DBO e SST inferiores à 60
mg/l. Observa-se que o valor sugerido de 65 m3/m2.d corresponde ao dobro da taxa recomendada para os
meios suporte em pedra.
Não houve diferença significativa entre os dois meios plásticos utilizados. Apesar das 6 sub-fases
apresentarem seus respectivos índices de atendimento, a pouca quantidade de dados específicos a cada uma
delas impede a avaliação de qual sub-fase tenha apresentado melhor índice de atendimento.
Recomenda-se o prolongamento do monitoramento da unidade para ambos os meios suporte, ainda que para
as mesmas taxas de aplicação superficial, objetivando a realização de testes estatísticos para otimização da
condição operacional. Mantidos os desempenhos semelhantes entre ambos os meios plásticos, indicadores de
custos de ambos os meios, ou até mesmo de outros meios plásticos existentes, podem direcionar a condução
da pesquisa para a otimização da condição operacional somente em função da taxa de aplicação superficial.
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REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS
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