AVALIAÇÃO DO SISTEMA REATOR UASB E FILTRO BIOLÓGICO

Prévia do material em texto

AVALIAÇÃO DO SISTEMA REATOR UASB E FILTRO BIOLÓGICO 
PERCOLADOR OPERANDO SOB DIFERENTES CONDIÇÕES HIDRÁULICAS 
 
 
Marco Túlio Rocha Porto* 
Engenheiro Civil, Mestrando em Saneamento, Meio Ambiente e Recursos Hídricos pela 
Universidade Federal de Minas Gerais 
Carlos Augusto de Lemos Chernicharo 
Professor adjunto do Departamento de Engenharia Sanitária e Ambiental da Universidade 
Federal de Minas Gerais 
Patrícia Procópio Pontes 
Professora da Coordenação de Química do Centro Federal de Educação Tecnológica de Minas Gerais 
Deneb O. Bejar 
Graduanda em Engenharia Civil pela Universidade Federal de Minas Gerais 
 
Endereço(*): Av. Contorno 842/701 - 30110-060 - Belo Horizonte – Brasil , Tel: (31) 3238 1020 – Fax : (31) 
3238 1879 – e-mail : calemos@ desa.ufmg.br 
 
 
RESUMO 
 
O presente trabalho buscou avaliar a influência da taxa de aplicação superficial na eficiência de um filtro 
biológico percolador (FBP), com volume de 135 L, utilizado como unidade de pós-tratamento dos efluentes de 
um reator UASB (volume = 420 L). A pesquisa foi desenvolvida em duas fases distintas, nas quais o FBP foi 
operado com diferentes taxas de aplicação superficial (30,6 e 25,1 m³.m-2.d-1). O sistema reator UASB/FBP foi 
alimentado com esgoto sanitário, bombeado diretamente do interceptor do ribeirão Arrudas, em Belo Horizonte - 
Brasil. Os resultados obtidos indicaram elevadas eficiências de remoção complementar de matéria orgânica e 
baixas concentrações de DQO, DBO e SST no efluente final. Apesar o baixo percentual de atendimento ao 
padrão de lançamento de 90 mgDQO.L-1, as concentrações de DQO do efluente final do FBP atenderam ao 
padrão europeu de lançamento (125 mgDQO.L-1) em 87% e 100% dos resultados, durante as fases 1 e 2, 
respectivamente. Quanto aos parâmetros DBO e SST, foi observado o completo atendimento aos padrões de 
lançamento de 60 mgDBO.L-1 e 60 mgSST.L-1, durante as duas fases da pesquisa. No entanto, melhores 
resultados foram obtidos durante a fase 2, quando 100% dos resultados de DBO e de SST estiveram abaixo de 40 
mg.L-1. 
 
Palavras-chave: Esgoto sanitário, filtro biológico percolador, pós-tratamento, reator UASB, taxa de aplicação 
superficial 
 
 
INTRODUÇÃO 
 
Verifica-se atualmente no Brasil a nítida tendência de utilização de sistemas anaeróbios como primeira etapa do 
tratamento de águas residuárias, decorrentes das grandes vantagens inerentes a estes sistemas. Entretanto, a 
dificuldade dos reatores anaeróbios em produzir um efluente que atenda aos padrões estabelecidos pela 
legislação ambiental brasileira, impõe, quase sempre, a necessidade de pós-tratamento de seus efluentes 
(Chernicharo, 2001). 
 
 2
 
 
A utilização de FBP, como unidade de pós-tratamento de efluentes de reatores anaeróbios, encontra-se ainda em 
fase de pesquisa, sendo que a produção de dados e parâmetros para seu dimensionamento e operação são 
relativamente recentes e ainda relativamente incipientes. Estudos realizados por Nascimento et al. (2000) e 
Chernicharo & Nascimento (2001) atestaram que o FBP pode promover uma importante remoção adicional de 
DQO e DBO, além de produzir um efluente com baixos teores de SST. 
 
Na presente pesquisa, teve-se como objetivo a avaliação da influência das taxas de aplicação superficial sobre a 
eficiência de um sistema reator UASB/Filtro Biológico Percolador. 
 
 
MATERIAL E MÉTODOS 
 
 
CARACTERÍSTICAS DA PLANTA PILOTO 
 
Os experimentos foram desenvolvidos no Laboratório de Instalações Piloto – LIP do Departamento de 
Engenharia Sanitária da Escola de Engenharia da Universidade Federal de Minas Gerais. O FBP foi alimentado a 
partir do efluente de um reator UASB, em escala piloto com volume de 420 L, que se encontrava em operação há 
mais de 7 anos, tratando esgoto sanitário da cidade de Belo Horizonte. 
 
O sistema reator UASB/FPB foi alimentado com esgotos retirados diretamente do interceptor da margem direita 
do ribeirão Arrudas. Os esgotos passavam, inicialmente, por unidades de tratamento preliminar (cesto perfurado 
e caixa de areia) e por um tanque de acumulação/distribuição, localizados a montante do reator UASB (Figura 1) 
. O sistema possuía automação controlada por um software próprio, que permitia a operação da planta em regime 
hidráulico transiente, gerando um hidrograma típico de vazões . 
 
Figura 1: Fluxograma do aparato experimental 
 
 
As características principais do reator UASB e do FBP utilizados nos experimentos são apresentadas na 
TABELA 1, enquanto na Figura 2 é mostrada uma vista geral das unidades de tratamento. 
 
 
 
 
 
EFLUENTE 
FINAL 
 3
 
TABELA 1: Características principais da planta piloto 
FBP Descrição Unidade Reator 
UASB Compartimento de 
reação 
Decantador 
Secundário (DS) 
Material - Acrílico Polipropileno Polipropileno 
Meio suporte - - Escória de alto forno - 
Altura total m 4,20 2,00 1,35 
Altura do fundo falso m - 0,20 - 
Altura do meio suporte m - 1,90 - 
Diâmetro mm 300 300 300 
Volume útil L 420 135 90 
 
 
Figura 2: Reator UASB e FBP 
 
 
FASES E CARACTERÍSTICAS OPERACIONAIS 
 
Para se alcançar os objetivos do trabalho, o sistema reator UASB/FBP foi operado sob diferentes condições 
hidráulicas, configurando duas fases operacionais distintas. Em função das diferentes vazões aplicadas, foram 
obtidos diferentes tempos de detenção hidráulica, taxas de aplicação superficial e cargas orgânicas volumétricas, 
conforme mostrado nas TABELAS 2 e 3. 
 
TABELA 2: Características operacionais do reator UASB 
Carga orgânica volumétrica (Cv) Fase θh(1) 
(h) 
Velocidade 
ascensional 
(m.h-1) (KgDBO.m
-3.d-1) (kg DQO.m-3.d-1) 
1 4,2 1,42 1,2 1,6 
2 5,6 1,06 1,5 2,3 
(1)θh: tempo de detenção hidráulica 
 
 
FBP 
FBP 
Reator
UASB
DS
 4
 
TABELA 3: Características operacionais do FBP 
Compartimento de reação Compartimento de decantação 
Altura do 
leito 
TAS(1) Carga orgânica volumétrica (Cv) 
 
TAS(1) θh(2) 
 
 
Fase 
(m) (m³.m-2.d-1) (kgDBO.m-3.d-1) (kgDQO.m-3.d-1) (m³.m-2.d-1) (h) 
1 1,90 30,6 1,1 2,5 30,6 1,00 
2 1,90 25,1 0,9 2,1 25,1 1,22 
(1)TAS: taxa de aplicação superficial 
(2)θh: tempo de detenção hidráulica 
 
 
MONITORAMENTO DO SISTEMA DE TRATAMENTO 
 
Durante o monitoramento das unidades piloto, foram realizadas análises do esgoto bruto, do efluente do reator 
UASB e do efluente final do decantador secundário. Os parâmetros analisados foram: DBO (total e filtrada), 
DQO (total e filtrada), Sólidos Suspensos Totais, alcalinidade, ácidos graxos, pH, temperatura. Para a maioria 
das coletas, foram realizadas amostragens compostas, sendo as análises desenvolvidas segundo o Standard 
Methods for the Examination of Water and Wastewater (AWWA/APHA/WEF, 1998). 
 
Adicionalmente, durante a fase 2 da pesquisa, foram realizadas análises de caracterização do lodo do reator 
UASB. Para tal, foram coletadas amostras de lodo em diferentes alturas do reator (25, 125 e 175 cm de altura) e 
feita a caracterização em termos de Sólidos Totais e Voláteis, Índice Volumétrico do Lodo e Distribuição 
Granulométrica (Laguna et al, 1999). 
 
 
RESULTADOS E DISCUSSÃO 
 
O resumo dos resultados médios de cada fase operacional do sistema reator UASB/FBP é apresentado na 
TABELA 4. 
 
TABELA 4: Resumo dos resultados médios 
 Concentrações (mg.L-1) Eficiências de remoção (%) 
Fase Parâmetro Afluente UASB 
Efluente 
UASB 
 
Efluente 
FBP+DS(1) 
 
Reator UASB
 
FBP+DS(1) 
 
Sistema 
UASB/FBP 
DQO 377 156 104 59 33 72 
DBO 280 70 33 75 53 88 1 
SST 132 27 22 - - - 
DQO 546 160 102 71 36 81 
DBO 361 68 33 81 51 91 
 
2 
 SST 233 34 23 - - - 
(1)DS: Decantador Secundário 
 
 5
 
Remoção de matéria carbonácea e Sólidos Suspensos 
 
Durante a fase 1, quando a planta piloto foi operada com maiores cargas hidráulicas, o reator UASBproduziu 
um efluente com concentrações médias de 27 mgSST.L-1, 70 mgDBO.L-1 e 156 mgDQO.L-1, enquanto as 
concentrações no efluente final do FBP foram 22 mgSST.L-1, 33 mgDBO.L-1 e 104 mgDQO.L-1. 
 
Já na fase 2, apesar da planta piloto ter sido operada com menores cargas hidráulicas, o reator UASB foi exposto 
a cargas orgânicas volumétrica mais elevadas que às da fase 1, em função das maiores concentrações de DQO e 
DBO no esgoto bruto (TAB. 2). Ainda assim, o reator UASB foi capaz de produzir um efluente com 
características muito semelhantes às da fase 1, com valores médios de 34 mgSST.L-1, 68 mgDBO.L-1 e 160 
mgDQO.L-1. Com a completa assimilação do aumento de carga orgânica, no reator UASB, o FBP pôde ser 
operado, concomitantemente, com menores taxa de aplicação superficial e carga orgânica volumétrica (TAB. 3). 
Apesar disso, não se observou um melhor desempenho do FBP durante a fase 2, sendo que tanto as eficiências de 
remoção de DQO e DBO como as concentrações médias do efluente final (23 mgSST.L-1, 33 mgDBO.L-1 e 102 
mgDQO.L-1) ficaram muito próximas das obtidas na fase 1 (TAB. 4). 
 
Uma vez que, numa primeira análise, não foi possível inferir um melhor desempenho do FBP durante a fase 2 
(em função das menores taxa de aplicação superficial e carga orgânica aplicadas), procedeu-se uma análise 
estatística do percentual de resultados de DQO, DBO e SST que se enquadraram aos padrões de lançamento da 
legislação ambiental do estado de Minas Gerais, conforme mostrado nas Figuras 3 a 5. 
 
Pela Figura 3, observa-se que os percentuais de atendimento ao padrão de DQO (90 mgDQO.L-1) foram muito 
baixos, tanto na fase 1 quanto na fase 2 (16 e 20%, respectivamente). No entanto, estes baixos percentuais de 
atendimento ao padrão de lançamento devem ser vistos com ressalvas, uma vez que a legislação ambiental do 
estado de Minas Gerais é bastante restritiva para o parâmetro DQO, já que, por exemplo, o padrão europeu fixa o 
valor de 125 mgDQO.L-1 para lançamento de efluentes domésticos. Apesar do baixo percentual de atendimento 
ao padrão de 90 mgDQO.L-1, o sistema apresentou uma maior estabilidade durante a fase 2, quando 100% dos 
resultados de DQO ficassem abaixo de 125 mg DQO.L-1, atendendo, portanto, ao padrão europeu. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Fase 1 Fase 2 
Figura 3: Distribuição percentual dos resultados de DQO 
 
 
Em relação ao parâmetro DBO (Figura 4), a totalidade dos resultados atendeu ao padrão de lançamento de 60 
mgDBO.L-1, nas duas fases da pesquisa. Novamente, observou-se uma maior estabilidade do sistema durante a 
fase 2, quando praticamente 100% dos resultados estiveram abaixo de 40 mgDBO.L-1, enquanto na Fase 1 esse 
percentual foi da ordem de 80%. 
 
0
20
40
60
80
100
120
140
160
180
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100
Percentil (%)
 D
Q
O
 ( 
m
g/
L)
ef UASB
ef FBP+DS
Padrao (90 mg/L)
0
20
40
60
80
100
120
140
160
180
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100
Percentil (%)
 D
Q
O
 ( 
m
g/
L)
ef UASB
ef FBP+DS
Padrao (90 mg/L)
 6
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Fase 1 Fase 2 
 Figura 4: Distribuição percentual dos resultados de DBO 
 
Resultados semelhantes aos de DBO foram obtidos para o parâmetro de SST, cujas concentrações finais no 
efluente do FBP foram mantidas abaixo de 40 mg.L-1, na totalidade do período operacional da fase 2 e em 90% 
dos resultados da fase 1 (Figura 5). 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Fase 1 Fase 2 
Figura 5: Distribuição percentual dos resultados de SST 
 
 
CARACTERIZAÇÃO DA BIOMASSA DO REATOR UASB 
 
Conforme mencionado anteriormente, procedeu-se a caracterização do lodo do reator UASB, durante a fase 2 da 
pesquisa, em termos de concentração de sólidos, IVL e distribuição granulométrica, conforme tratado a seguir. 
 
Concentração e teor de sólidos voláteis 
Uma análise do perfil de sólidos no reator UASB indicou uma concentração média de sólidos totais da ordem de 
8% para o ponto 2 (T2 - 25cm de altura) enquanto que para os pontos 6 (T6 - 125cm de altura) e 8 (T8 - 175cm 
de altura) a concentração foi da ordem de 2%. Avaliou-se, também, a porcentagem de sólidos voláteis em 
relação ao teor de sólidos totais ao longo das diferentes alturas no reator. Os resultados obtidos indicaram uma 
porcentagem média de 60% para o ponto 2 e 62% para os pontos 6 e 8. Esse resultado está próximo do obtido 
 
 
0
20
40
60
80
100
120
140
160
180
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100
Percentil (%)
DB
O
 ( 
m
g/
L)
ef UASB
ef FBP+DS
Padrao (60 mg/L)
0
20
40
60
80
100
120
140
160
180
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100
Percentil (%)
 D
BO
 ( 
m
g/
L)
ef UASB
ef FBP+DS
Padrao (60 mg/L)
0
20
40
60
80
100
120
140
160
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100
Percentil (%)
 S
ST
 ( 
m
g/
L)
ef UASB
ef FBP+DS
Padrao (60 mg/L)
0
20
40
60
80
100
120
140
160
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100
Percentil (%)
 S
ST
 ( 
m
g/
L)
ef UASB
ef FBP+DS
Padrao (60 mg/L)
 7
por van Haandel & Lettinga (1994), que observaram concentrações de 45 a 55% de SV/ST nesta região do reator 
para tempos de detenção hidráulica de 6 a 8 horas. 
 
Índice volumétrico do lodo (IVL) 
A determinação do índice volumétrico do lodo indicou a presença de um lodo com uma boa sedimentabilidade 
para todos os pontos de amostragem, tendo-se obtidos valores de IVL inferiores a 50 mL.g-1. Observou-se, como 
esperado, uma melhor sedimentabilidade do lodo localizado nos pontos mais baixos do reator e pouca diferença 
de sedimentabilidade entre o lodo coletado nos pontos 6 e 8, provavelmente pelo fato dos pontos de amostragem 
serem muito próximos (Fig. 6). 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Figura 6 - IVL para diferentes alturas do reator 
UASB 
 
 
Distribuição granulométrica 
Os resultados obtidos para a distribuição granulométrica para os pontos 2 e 6 são apresentados nas Figuras 7 e 8. 
Observa-se uma predominância de partículas menores que 0,79 mm para todos os pontos de amostragem. 
Grânulos maiores que 2,38 mm estavam presentes apenas no ponto 2 (25cm de altura), em uma proporção de 5 a 
30%. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Figura 7- Distribuição granulométrica para 
o ponto 2 
Figura 8- Distribuição granulométrica para 
o ponto 6 
 
 
IV
L 
(m
L/
g)
0
10
20
30
40
50
60
T2 T6 T8
%
0
20
40
60
80
100
<0,79 0,79-2,38 >2,38
%
0
20
40
60
80
100
<0,79 0,79-2,38 >2,38
 8
 
 
CONCLUSÕES 
 
Este trabalho vem confirmar que os filtros biológicos percoladores (FBP) constituem uma alternativa viável e 
bastante promissora para o pós-tratamento de efluentes de reatores anaeróbios. Os resultados obtidos indicam 
elevadas eficiências de remoção complementar de matéria orgânica e baixas concentrações de DQO, DBO e SST 
no efluente final. Apesar o baixo percentual de atendimento ao padrão de lançamento de 90 mgDQO.L-1, as 
concentrações de DQO do efluente final do FBP atenderam ao padrão europeu de lançamento (125 mgDQO.L-1) 
em 87% e 100% dos resultados, durante as fases 1 e 2, respectivamente. Quanto aos parâmetros DBO e SST, foi 
observado o completo atendimento aos padrões de lançamento de 60 mgDBO.L-1 e 60 mgSST.L-1, durante as 
duas fases da pesquisa. No entanto, melhores resultados foram obtidos durante a fase 2, quando 100% dos 
resultados de DBO e de SST estiveram abaixo de 40 mg.L-1. 
 
A caracterização do lodo do reator UASB indicou uma concentração média de sólidos totais da ordem de 8% 
para o ponto 2 (25cm de altura) e de 2% os pontos 6 (125cm de altura) e 8 (175cm de altura). O lodo do reator 
apresentou uma boa sedimentabilidadepara todos os pontos de amostragem, tendo-se obtido valores de IVL 
inferiores a 50mL/g. Partículas menores que 0,79 mm predominam no reator, sendo que grânulos maiores que 
2,38 mm estiveram presentes apenas no ponto 2 (25cm de altura), em uma proporção de 5 a 30%. 
 
 
Agradecimentos: Os autores agradecem ao CNPq, pelas bolsas concedidas, e à FAPEMIG e à FINEP, através 
do PROSAB, pelo financiamento da pesquisa. 
 
 
REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS 
 
AWWA/APHA/WEF.(1998) Standard methods for the examination of water and wastewater. 20th edition. 
Washington. 
Chernicharo, C.A.L. (1997) Princípios do tratamento biológico das águas residuárias. Vol. 5: Reatores anaeróbios. 
DESA/UFMG, 247 pp. 
Chernicharo, C.A.L. (2001) Pós-tratamento de efluentes de reatores anaeróbiosa. FINEP/PROSAB, 544 pp. 
Chernicharo C.A.L., Nascimento M.C.P. (2001). Feasibility of a pilot scale UASB/trickling filter system for domestic 
sewage treatment. Water Science and Technology, v. 44, n. 4, p. 221-228 
Laguna, A, Ouattara, A, Gonzalez, R. O, Baron, O, Famá, G, EL Mamouni, R. Guiot, S., Monroy, O, Macarie, H. 
(1999) A simple and low cost technique for determining the granulometry of upflow anaerobic sludge blanket reactor sludge, 
Water Science and Technology, 40 (8), 1-8. 
Nascimento, M.C.P, Chernicharo, C.A.L., Garcia, P.B.S. (2000) Avaliação de filtros biológicos aeróbios como pós-
tratamento de efluente de reatores UASB. In: Anais do IX SILUBESA, Porto Seguro, BA, 09-14 de abril. 
van Haandel, A.C., Lettinga, G. (1994) Tratamento anaeróbio de esgotos. Um manual para países de clima quente.