TRATAMENTO FÍSICO-QUÍMICO POR FLOTAÇÃO
DE EFLUENTES DE REATORES ANAERÓBIOS
José Roberto Campos, Marco Antonio Penalva Reali, Solange Aparecida Goularte Dombroski
Margarida Marchetto, Márcio Rogério A. Lima
Departamento de Hidráulica e Saneamento da EESC/USP. Av. Dr. Carlos Botelho, 1465, Centro,
São Carlos - São Paulo. Brasil CEP: 13.560-250, Fone: (016) 274-9264; Fax (016) 274-9212.
RESUMO
Até recentemente prevalecia o conceito de que o tratamento de águas residuárias por processo físicoquímico, de maneira geral, não teria condições de oferecer resultados e custos que pudessem competir
com aqueles dos processos biológicos. Mais recentemente podem ser detectados casos, com excelentes
resultados em que se emrpegaram compostos como cloreto férrico, cal, polieletrólitos e outros, como
complemento para o tratamento biológico. Os proponentes deste trabalho já efetuaram diversas aplicações
desses produtos quer empregados diretamente nos reatores biológicos quer em pós ou pré-tratamento de
esgotos sanitários. Por outro lado cada vez mais se empregam reatores anaeróbios para tratamento de
esgotos sanitários, que por sua natureza, geralmente seus efluentes necessitam passar por tratamento
complementar, efetuado quase sempre em reatores aeróbios.
Neste trabalho são apresentados resultados de estudo efetuado com base, na floculação/flotação (com
cloreto férrico, cal e sulfato de alumínio) de efluentes de um reator anaeróbio alimentado com esgotos
sanitários, visando complementação do tratamento na remoção de DBO, fósforo, metais, sólidos
suspensos, coliformes, etc.. Dentre os produtos químicos investigados para o esgoto em questão (efluente
de reator anaeróbio), a cal hidratada numa dosagem de 50 mg/l associada a uma dosagem de 100 mg/l de
cloreto férrico, forneceu excelentes resultados de remoção de fosfato total (84%), DQO (73%), DBO5
(73%), Turbidez (70%) e Nitrogênio Total Kjeldahl (49%). No que se refere especificamente à remoção de
fosfatos totais, os melhores resultados foram obtidos quando se aplicou dosagens mais elevadas de cal,
chegando a se atingir concentração no efluente da ordem de 0,5 mg/l.
Palabras clave: tratamento de esgoto, flotação, pós-tratamento por flotação
INTRODUÇÃO
Desde o início da década de oitenta várias concepções de reatores anaeróbios foram adotadas para projeto
e construção de sistemas para tratamento de águas residuárias. entre esses reatores fundamentados em
processo anaeróbio, destacam-se o filtro anaeróbio, o reator de manta de lodo e fluxo ascendente, o reator
de leito fluidificado e o reator de chicanas.
Entre os primeiros trabalhos, à partir dos quais houve evolução em pesquisas e aplicações desses reatores
destacam-se aqueles publicados por McCARTY (1966), LETTINGA (1979), JEWELL et al. (1982) e
BACHMANN et al (1985).
Desde então o uso desses reatores propagou-se principalmente para o tratamento de efluentes industriais.
Mais recentemente, contudo, já existem muitas unidades desses reatores operando em caráter de pesquisa
ou em “ escala real” , recebendo esgotos sanitários como afluente. Os aspectos positivos do processo
anaeróbio, quando comparados com a maioria das alternativas em que se empregam o processo aeróbio,
são: a) Não há necessidade de instalação de equipamentos mecânicos; b) Não há demanda de energia
elétrica para aeração; c) A produção e lodo é muito menor (1/3 a 1/5 de volume geralmente produzido em
processo aeróbio) e d) Há produção de gás combustível que eventualmente pode ser economicamente
utilizado.
Figura 1 - Esquemas Simplificados de Reatores Anaeróbios: Reator Anaeróbio de Manta de Lodo (I);
Reator de Leito Fluidificado (II); Reator Anaeróbio com Chicanas (III); Filtro Anaeróbio (IV).
Ainda não existem critérios universalmente definidos para o dimensionamento desses reatores, nem
modelos matemáticos que possam ser utilizados para projetos que, em função de parâmetros cinéticos das
condições ambientais, da hidrodinâmica dos reatores e das características dos esgotos sanitários, permitam
uma previsão segura da eficiência que será alcançada. No caso específico de reatores de manta de lodo, o
acompanhamento operacional tem demonstrado que a estabilidade do processo é prejudicada à medida
que se diminui o tempo de detenção hidráulica. Sistemas em operação têm resultado em eficiência
predominante na faixa de 40 a 75%. No que concerne ao uso de reatores compartimentados, a maior parte
das pesquisas concentra-se em estudos de laboratório. As únicas unidades em escala real no Brasil, até o
presente, foram projetadas pela Escola de Engenharia de São Carlos - USP e sua eficiência tem variado
preponderantemente na faixa de 50 a 80%, em termos de remoção de DBO. Assim, apesar de terem
enorme potencialidade de uso, tem-se de prever pós-tratamento para os efluentes desses reatores quando
tratando esgotos sanitários; pelo menos quando se consideram os atuais conhecimentos sobre a concepção
desses reatores. Talvez em futuro próximo, modificações nessas unidades permitirão a obtenção de
eficiências maiores.
Entre as alternativas para tratamento complementar, incluem-se: a) lagoas facultativas; b) lagoas de alta
taxa; c) lagoas aeradas (com retenção do lodo produzido); d) reator de leito fluidificado; e) disposição no
solo; f) lodos ativados; g) filtro biológico aeróbio; h) tratamento físico-químico, etc.. Até o presente,
aparentemente, as soluções (com pós-tratamento) que mais estão sendo projetadas são pertinentes ao uso
de lodos ativados (com pós-tratamento), porém nos meios técnico-científicos já existem vários profissionais
que estão tendo sua atenção direcionada para o tratamento físico-químico. Na Escola de Engenharia de
São Carlos - USP, vêm sendo realizadas muitas pesquisas sobre todos os tipos de reatores aqui
mencionados, e também sobre diversas alternativas de pós-tratamento. Em particular, como póstratamento foram estudados: lodos ativados, filtro biológico aeróbio e tratamento físico-químico
(empregando-se flotação por ar dissolvido), que é o objeto do presente trabalho. O uso de reatores
anaeróbios seguidos por reatores que empregam o processo biológico aeróbio ou tratamento físico-químico
tem resultado em concepções que redundam em grandes vantagens em relação às concepções que se
fundamentam essencialmente no processo aeróbio, tais como, menores custos de operação e manutenção,
menor consumo de energia elétrica e, geralmente, na menor produção de lodo. Por outro lado, a
desinfecção de esgotos tratados também tem merecido atenção, principalmente no que concerne aos
problemas decorrentes do uso do cloro e de seus derivados. Na EESC-USP, desde o início da década de
80 vem sendo pesquisado o uso de radiação ultravioleta (foram produzidos 2 mestrados e um doutorado)
com excelentes resultados, para tempo de detenção da ordem de 1 min e com custos plenamente
aceitáveis.
Neste trabalho é feita uma abordagem sobre proposta para tratamento de esgotos sanitários, envolvendo o
uso de reator anaeróbio compartimentado, seguido por sistema de flotação por ar dissolvido. Embora de
maneira superficial, também enfoca-se a desinfecção dos esgotos tratados, empregando-se radiação
ultravioleta. Evidentemente, para comunidades de população muito pequena (população menor que 3000
hab.) essa solução pode deixar de ser adequada, por exigir alguns cuidados de operação, a não ser que
seja um empreendimento de alto padrão que mereça investimentos para esse fim. Seu uso, contudo, pode
ser expandido mesmo para cidades de grande porte. O uso de flotação por ar dissolvido, com a adição de
cloreto férrico e cal, além de promover a remoção adicional de DBO, melhora de forma considerável a
remoção de fósforo e de patogênicos. O lodo poderá receber a adição de cal (pH > 12) para efetuar sua
desinfecção, ficando seu uso, na agricultura totalmente liberado, após um adequado período de repouso.
FLOTAÇÃO POR AR DISSOLVIDO (FAD)
A F.A.D. constitue hoje técnica de separação de fases bastante consagrada em diversos tipos de
aplicações noo campo de Saneamento Ambiental. Nessa área a F.A.D. tem-se destacado como parte dos
sistemas de tratamento de águas residuárias gerados em diversos tipos de indústrias, tais como, de papel e
celulose, petrolífera, tintas, óleos vegetais e alimentícia em geral. Mais recentemente, a flotação tem sido
empregada também como bastante sucesso na clarificação de águas para abastecimento, em substituição
aos decantadores.Além de apresentar bom desempenho como processo de separação de fases, a flotação
apresenta algumas vantagens adicionais em relação à sedimentação, podendo-se citar; i) possibilidade de
arraste, pelas microbolhas de gás, de parcela de substâncias voláteis porventura presentes na água; ii)
possibilidade de oxidação de íons metálicos dissolvidos na água, como o ferro por exemplo; iii) produção
de lodo com elevado teor de sólidos na superfície do flotador, podendo chegar a valores de até 12%,
dependendo do tipo de dispositivo de coleta utilizado e das características da dispersão; iv) constitue
processo de alta taxa, resultando em unidades compactas e versáteis, que possibilitam bom nível de
controle operacional através do monitoramento da quantidade de ar fornecida ao processo.Em vista de tais
atributos, a flotação tem merecido a atenção de diversos pesquisadores de área de saneamento, os quais
vem desenvolvendo investigações a respeito dos diversos parâmetros que influem no processo, além de
novas aplicações para o mesmo. Dentre tais estudiosos, pode-se citar: BRATBY (1982), ZABEL (1985),
EDZWALD (1992), REALI E CAMPOS (1993 e 1995).
No presente trabalho, propõe-se a utilização da flotação precedida de coagulação química como póstratamento de efluentes líquidos de reatores biológicos anaeróbios. Neste tipo de sistema, pode-se utilizar
uma unidade de flotação por ar dissolvido como aquela mostrada na Figura 2. De acordo com a Fig. 2, o
efluente do reator anaeróbio compartimentado, após receber o coagulante, é encaminhado para unidade de
flotação (dotada de agitador lento mecanizado). Em seguida ao processo de floculação, o despejo líquido
tem acesso à unidade de flotação por ar dissolvido, onde, logo na entrada, é misturado ao líquido de
recirculação, proveniente de câmara de saturação. O líquido de recirculação é distribuído ao longo da
largura do flotador através de dispositivos de despressurização, responsáveis pela precipitação das
microbolhas de ar que atuarão como agentes da flotação. Dessa forma, as microbolhas colidindo e
aderindo aos flocos previamente formados aumentam o seu empuxo, provocando o deslocamento dos
mesmos em direção à superfície da unidade de flotação, formando uma camada de lodo flotado. Esse lodo
é então encaminhado, por intermédio dos rapadores de superfície, em direção à canaleta de coleta
existente na extremidade do flotador, de onde é retirado para destinação final adequada. O fundo do
flotador pode ser construído com a forma de tronco de pirâmide dotado de tubulações de descarga, com a
finalidade de acumular os sólidos que porventura venham a sedimentar. Por sua vez, o líquido clarificado,
escoando por baixo de um anteparo de saída, é coletado através de vertedores apropriados e encainhado
para fora da unidade constituindo o efluente final tratado. Uma pequena parcela do efluente tratado é
2
encaminhada através de uma bomba de alta pressão (de 4,0 a 5,5 kgf/cm ), para o interior da câmara de
saturação. Nessa câmara, ocorre a mistura de ar comprimido, com consequente dissolução do mesmo à
massa líquida (à alta pressão), a qual é subsequentemente misturada à água floculada, conforme descrito
anteriormente.
Figura 2 - Sistema de floculação e flotação por ar dissolvido
FLUXOGRAMA PROPOSTO PARA TRATAMENTO ANAERÓBIO
SEGUIDO DE TRATAMENTO FÍSICO QUÍMICO
A Figura 3 apresenta fluxograma para tratamento de esgotos sanitários, envolvendo o emprego de um
reator anaeróbio seguido por sistema de flotação por ar dissolvido. Essa idéia fundamentou a programação
dos ensaios objeto do presente artigo.O uso de cloreto férrico, em vez de sulfato de alumínio, por exemplo,
deve ser valorizado, pois a presença de ferro em lodos não redunda em aspectos negativos como aqueles
decorrentes da presença de sulfato de alumínio, pois o alumínio é muito danoso ao solo, e também pode
provocar malefícios aos seres vivos, caso ocorra sua ingestão.
Figura 3 - Fluxograma do tratamento de esgotos sanitários empregando reator anaeróbio seguido por
sistema de flotação
MATERIAIS E MÉTODOS
Os ensaios foram realizados empregando-se equipamento de bancada tipo “ batch” (Flotateste) constituído
de quatro câmaras de floculação/flotação e uma câmara de saturaçào pressurizada, conforme mostrado na
Figura 4.
Deve-se salientar que tais ensaios constituem apenas um estudo preliminar realizado com vistas à
avaliação da potencialidade do emprego de pós-tratamento por coagulação/flotação do efluente de reatores
anaeróbios. Este estudo preliminar serviu de base para a programação de pesquisa mais aprofundada, a
nível de mestrado, atualmente em desenvolvimento no Departamento de Hidráulica e Saneamento da
Escola de Engenharia de São Carlos - USP - Brasil. Dessa forma, o presente trabalho não apresenta muito
rigor metodológico no que se refere à otimização dos parâmetros de coagulação (melhor tipo de
coagulante, dosagens ótimas e valor ótimo de pH) e de flotação (quantidade ótima de ar, taxas, etc..);
tendo sido avaliadas apenas algumas dosagens de cal hidratada e cloreto férrico como coagulantes.
O despejo líquido estudado foi coletado na saída de um reator anaeróbio compartimentado, com volume de
11,0 m3 e tempo de detenção hidráulica de 12 h, existente na EESC-USP. (Ver Figura 1-III). Durante todos
os ensaios foram mantidos fixos os seguintes parâmetros: i) mistura rápida: 30 s com
gadiente médio de velocidade (G) em torno de 600 s-1; ii); foculação: 20 min com G em torno de 40 s-1; iii)
Flotação: amostras foram coletadas após 7 min., tendo sido empregada uma porcentagem de recirculação
(fração volumétrica) de 20%, saturada à pressão de 450 kPa (22 oC).
Figura 4 - Instalação de flotação por ar dissolvido em escala de laboratório (Flotateste)
RESULTADOS
Na Tabela 1 apresentam-se os resultados dos ensaios de flotação efetuados empregando o efluente do
reator anaeróbio, como amostra bruta.
Tabela 1 - Resultados dos Ensaios de Flotação Efetuados Empregando o Efluente do Reator Anaeróbio, como Amostra Bruta
1a
Amostra
Tipo de
Coag.
(mg/l)
Dosag.
de Coag.
(mg/l)
pH
Turb.
(ut)
DQO
(mg/l)
DBO5
(mg/l)
NTK
(mg/l)
Fosfato
Total
(mg/l)
AFL.
Flot-1
A-1
-
-
7,0
66,0
160
40
43
Cloreto
Férrico
Cloreto
Férrico
Sulfato de
Alumínio
Sulfato de
Alumínio
Cal
Cal
80
6,6
20
96
20
50
6,9
23
92
80
6,8
25
50
6,8
150
900
Cal/
Cl. Férrico
Cal/
Cl. Férrico
Cal/
Cl. Férrico
Cal/
Cl. Férrico
B-1
C-1
D-1
E-1
F-1
AFL.
Flot.-2
A-2
2a
B-2
C-2
D-2
AFL.
Flot.-3
A-3
3a
B-3
C-3
D-3
Cal/
Cl. Férrico
Cal/
Cl. Férrico
Cal/
Cl. Férrico
Cal/
Cl. Férrico
Eficiência de Remoção (%)
Fosf. DQO DBO5 Turb.
Total
Sól.
Susp.
Fixos
(mg/l)
18
Sól.
Susp.
Voláteis
(mg/l)
43
Col.
Totais
(NMP)
Col.
Fecais
(NMP)
Sól.
Susp.
Totais
SSV
17,7
Sól.
Susp.
Totais
(mg/l)
61
1,1 x 107
1,1 x 107
-
-
-
-
-
-
-
37
8,1
30
12
18
2,4 x 107
2,4 x 107
51
58
54
40
50
70
14
26
40
10,7
32
10
22
0,46 x 107
0,46 x 107
48
49
40
43
35
65
7
88
17
40
9,3
31
11
20
0,43 x 107
0,43 x 107
49
53
48
45
58
62
7
27
100
21
40
12,3
37
11
26
0,24 x 107
0,24 x 107
39
40
31
38
48
59
7
9,3
12,0
22
04
90
52
16
02
37
32
6,5
0,5
28
33
04
24
24
09
43
93
23
43
54
46
44
79
64
97
44
68
60
95
67
94
14
20
-
6,7
47
320
94
49
19,80
38
10
28
4,2 x 106
1,0 x 106
-
-
-
-
-
-
-
20/40
7,0
19
98
60
40
10,0
26
07
19
1,4 x 105
7,3 x 104
32
32
49
69
36
60
18
30/60
6,8
17
89
34
34
7,6
29
09
20
2,0 x 105
6,2 x 104
24
29
62
72
64
64
31
40/80
6,8
14
88
55
34
4,8
26
04
22
2,0 x 105
2,54 x 104
32
21
76
73
41
70
31
5
21
14
84
73
73
70
49
1,5 x 10
4
NTK
50/100
6,8
14
86
25
25
3,2
30
06
24
2,0 x 10
-
6,7
75
346
98
46
21,0
68
10
58
4,2 x 106
1,0 x 106
-
-
-
-
-
-
-
5
5
0,0
0,0
22
53
39
27
39
80/0,0
7,4
55
162
60
28
16,3
92
20
72
2,0 x 10
2,0 x 10
80/20
7,2
28
114
44
25
13,0
76
16
60
2,0 x 105
2,0 x 105
0,0
0,0
38
67
55
63
46
80/40
7,2
23
112
57
28
10,4
48
20
28
2,0 x 105
2,0 x 105
29
52
50
68
42
69
39
80/60
7,2
20
107
31
28
7,4
72
16
56
1,7 x 105
1,4 x 105
0,0
3
65
69
68
73
39
DISCUSSÃO E CONCLUSÕES
O sistema, constituído como mostrado na Figura 1, empregando o reator anaeróbio de chicanas (11 m3,
tempo de detenção hidráulica de 12 h), flotação por ar dissolvido (escala de bancada) e desinfecção com
radiação ultravioleta (escala piloto), demonstrou ter potencialidade de promover remoção de DBO superior
a 85% e de coliformes fecais superior a 99,999%. A remoção de P e de N no reator anaeróbio resultou
muito pequena, sendo que a maior parte desses nutrientes foi removida no sistema de flotação, conforme,
explicitado nos parágrafos seguintes.
O uso de cal, sem a aplicação de outro coagulante resultou umas das maiores eficiências na remoção de
SSV, Fósforo, DQO, DBO e Turbidez.
Os resultados relativos à remoção de coliformes fecais, totais foram impressionantes. Para a dosagem de
150 mg/l, por exemplo, o número mais provável de coliformes fecais foi reduzido de 1,1 x 107 para 23 e de
coliformes fecais, de 1,1 x 107 para 43. O pH relativo a essa dosagem foi de 9,3, o que significa que, para o
caso seria interessante a opção por dosagens menores. Quando foi aplicada dosagem de cal de 80 mg/l, a
eficiência do processo foi bastante prejudicada. Esse fato sugere que a cal tem excelente potencialidade
para aplicação no pós-tratamento físico químico, porém a dosagem mais adequada deve ser pesquisada
para que se obtenha a maior eficiência possível, sem incorrer nos aspectos negativos de se obter um
efluente muito alcalino.
Aparentemente, o melhor resultado foi conseguido quando foram empregadas dosagens de cal e de cloreto
férrico, respectivamente iguais a 50 e 100 mg/l. A remoção de DQO e de DBO, nesse caso alcançou o
valor de 73%. As remoções de fósforo e de nitrogênio (NTK) resultaram respectivamente iguais a 84% e
49%.
A remoção de coliformes fecais foi de 98,5%, menor do que a obtida com a cal empregando a dosagem de
150 mg/l.
Note-se que, além de se promover remoção de parcela considerável de DBO e de DQO, o uso de
coagulantes adequados (cal ou cloreto férrico + cal) permite que se atinja valores de remoção de fósforo
que dificilmente seriam alcançados por processos biológicos.
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