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II REMOÇÃO DE PATOGÊNICOS DE EFLUENTE DE UASB COM FILTRO INTERMITENTE EM LEITO DE AREIA FILA

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II REMOÇÃO DE PATOGÊNICOS DE EFLUENTE DE UASB COM FILTRO INTERMITENTE EM LEITO DE AREIA FILA Eduardo Cohim Engenheiro Sanitarista pela UFBA - Universidade Federal da Bahia, 1982; Engenheiro de Irrigação,
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II REMOÇÃO DE PATOGÊNICOS DE EFLUENTE DE UASB COM FILTRO INTERMITENTE EM LEITO DE AREIA FILA Eduardo Cohim Engenheiro Sanitarista pela UFBA - Universidade Federal da Bahia, 1982; Engenheiro de Irrigação, UFBA/FAMESF, 1988; Mestre em Gerenciamento e Tecnologias Ambientais no Processo Produtivo Ênfase em Produção Limpa UFBA;.Doutorando em Energia e Meio Ambiente. Professor do curso de Engenharia Ambiental da FTC. Pesquisador da Rede de Tecnologias Limpas e Minimização de Resíduos (TECLIM), Departamento de Engenharia Ambiental, (EP/UFBA). Asher Kiperstok Engenheiro Civil, Technion, Inst. Tecnológico de Israel, Msc./PhD em Engenharia Química, Tecnologias Ambientais, pela UMIST, University of Manchester Inst. of Science and Technology, Reino Unido 1994/1996. Prof. Adjunto do Dept o de Engenharia Ambiental Esc. Politécnica da UFBA, desde Coord. da Rede de Tecnologias Limpas da Bahia -TECLIM e do Mestrado Profissionalizante em Gerenc. e Tecnologias Ambientais no Processo Produtivo, Ênfase em Produção Limpa MEPLIM/UFBA. Alisson Meireles Graduando do Curso de Engenharia Sanitária e Ambiental, Escola Politécnica da UFBA. Endereço (1) : Av. Araújo Pinho, 215, ap. 602 Canela Salvador-BA. CEP Tel: (71) Fax: RESUMO Filtros intermitentes em leito de areia FILA são reatores aeróbicos de leito fixo onde ocorrem processos físicos e biológicos com uma história de desenvolvimento de mais de 100 anos (USEPA, 2000; CRITES E TCHOBANOGLOUS, 1998). Partículas mais grosseiras são retidas por ação mecânica, partículas menores são removidas por transporte e adesão, segundo modelo proposto por Smoluckowski. Em condições normais de operação, FILAs podem produzir efluentes de alta qualidade, significativamente melhores, no que concerne a carga orgânica, sólidos suspensos, cor e organismos indicadores, que os que são obtidos com aeração prolongada e definitivamente superiores aos de lagoas de estabilização facultativas, requerendo uma área 5 vezes menor que essas (ANDERSON et al., 1985). Neste experimento nove FILAs foram carregados intermitentemente com o efluente de um Reator Anaeróbio de Manta de Lodo - UASB, em escala de laboratório, que trata parte dos esgotos da Escola. A característica do efluente do UASB quanto a Coliformes termotolerantes foi 5,9 unid log. FILAs removem microrganismos, tendo como indicador coliformes termotolerantes em até 4 ulog nas faixas de tamanho efetivo e freqüências de aplicação utilizadas neste estudo (TE de 0,5 a 1,2 mm e F de 24 a 96 d -1 ). O aumento da freqüência de aplicação melhorou de forma significativa o desempenho dos FILAs para o maior tamanho efetivo estudado. O aumento da freqüência de aplicação nos tamanhos efetivos menores reduziu a carreira de filtração. PALAVRAS-CHAVE: Filtro intermitente, desinfecção, freqüência de aplicação, pós-tratamento. INTRODUÇÃO A Filtração Intermitente Filtros intermitentes em leito de areia FILA são reatores aeróbicos de leito fixo onde ocorrem processos físicos e biológicos com uma história de desenvolvimento de mais de 100 anos (USEPA, 2000; CRITES E TCHOBANOGLOUS, 1998). Essas unidades proporcionam tratamento secundário avançado, ou terciário, para esgotos decantados ou efluentes de tanques sépticos (ANDERSON et al., 1985; USEPA, 2000). São utilizados também na remoção de sólidos suspensos e algas em efluentes de lagoas de estabilização (HARRIS et al., 1977; COWAN e MIDDLEBROOKS, 1980; MIDDLEBROOKS, 1983). Têm sido recomendados tanto para tratamento de esgotos domésticos, para populações desde habitantes (AGENCE DE L EAU, 1993) até habitantes (ANDERSON et al., 1985), como para o tratamento de efluentes de agro-indústrias como queijarias, vinícolas, etc. (SCHMITT, 1989; MENORET, 2001). ABES Associação Brasileira de Engenharia Sanitária e Ambiental 1 Em condições normais de operação, FILAs podem produzir efluentes de alta qualidade, significativamente melhores, no que concerne a carga orgânica, sólidos suspensos, cor e organismos indicadores, que os que são obtidos com aeração prolongada e definitivamente superiores aos de lagoas de estabilização facultativas, requerendo uma área 5 vezes menor que essas (ANDERSON et al., 1985). Mecanismos de Remoção FILAs são reatores aeróbios de leito fixo onde ocorre um tratamento em duas etapas. Uma etapa de retenção, envolvendo mecanismos físicos, e uma etapa de depuração, na qual predominam mecanismos biológicos. Processos físicos, químicos e biológicos ocorrem simultaneamente em um filtro, em algum grau. Filtração, sedimentação, impacto inercial, interceptação, adesão, floculação, difusão, adsorção, absorção e atividade biológica são mecanismos de remoção de contaminantes na filtração de esgotos em areia. Filtração envolve a retenção mecânica; impacto inercial, interceptação e adesão ocorrem quando partículas ao moverem-se através do filtro chocam-se contra grãos do meio, sendo então removidas; partículas se movendo entre os poros também se chocam com outras formando flocos que são posteriormente removidos por outros mecanismos; a difusão é importante na remoção de partículas muito pequenas, como vírus, e ocorre por causa dos pequenos interstícios que existem no meio poroso e do fato de que o fluxo é laminar; a adsorção física dos constituintes ocorre na superfície do meio filtrante devido a forças eletrostáticas, eletrocinéticas e de Van der Waals, embora adsorção química ocorra devido à ligação e interação química entre esses constituintes e o meio (ANDERSON et al. 1985; CRITES e TCHOBANOGLOUS 1998; MENORET, 2001). Embora processos físicos tenham papel importante entre os mecanismos de remoção de um filtro, o sucesso do tratamento de esgotos por filtração intermitente depende fundamentalmente dos processos biológicos que ocorrem no filtro, sendo as bactérias os principais organismos atuantes, embora exista uma larga faixa de níveis tróficos, indo de bactérias a animais multicelulares, inclusive metazoários (CALAWAY, 1957). Processos biológicos Pouco tempo depois de um filtro ser posto em operação, uma fina camada de bactéria começa a se desenvolver em torno dos grãos da parte superior do leito. Esse biofilme é de fundamental importância na operação do filtro porque ele retém por meio de absorção a matéria solúvel e coloidal e microrganismos presentes no esgoto sob tratamento. O material retido é decomposto e oxidado durante o período de descanso entre duas aplicações (CRITES e TCHOBANOGLOUS, 1998). A depuração biológica aeróbia se divide esquematicamente em duas fases (MENORET, 2001, BANCOLÉ, 2001, SCHMITT, 1989, LEFEVRE, 1988, ANDERSON et al., 1985, CRITES e TCHOBANOGLOUS, 1998): Uma fase rápida de adsorção e de acumulação dos compostos sob a forma de reserva. Uma fase mais lenta de mineralização e de excreção dos compostos mineralizados. É durante essa fase que acontece a maior parte do consumo do oxigênio. Somam-se a essas duas fases, uma etapa preliminar de degradação extracelular da matéria orgânica presente sob a forma de macro-moléculas não diretamente assimiláveis, graças à excreção de enzimas extracelulares. A matéria solúvel é consumida quase instantaneamente, enquanto a matéria coloidal é solubilizada enzimaticamente. O material solubilizado é então transferido através da membrana celular e convertido em produtos finais. A cada dose, algum produto final é transportado para camadas mais inferiores do leito, sendo, eventualmente removidos através dos drenos. Da mesma forma que ocorre com a matéria solúvel e coloidal, os sólidos maiores são processados entre a aplicação das doses (CRITES e TCHOBANOGLOUS, 1998). Para o correto funcionamento do FILA, é imprescindível o atendimento de dois aspectos fundamentais: Hidráulico: o efluente deve penetrar no leito e ter um tempo de contato suficientemente longo com o biofilme depurador para garantir a degradação da contaminação orgânica. Aeração: o oxigênio deve penetrar no interior do leito e atender as necessidades dos microrganismos aeróbios responsáveis pela degradação da matéria orgânica. ABES Associação Brasileira de Engenharia Sanitária e Ambiental 2 O Balanço de Oxigênio Três mecanismos são responsáveis pelo aporte de oxigênio ao leito filtrante (MENORET, 2001): Por diluição na água, na qual pode atingir, no limite, cerca de 9,0 mg/l no percolado e pode ser considerado desprezível. Por convecção relacionada ao movimento de ar no leito, gerado pela variação do estoque de água no leito filtrante. Por difusão relacionada ao gradiente de concentração ente a atmosfera e o leito, através da superfície. O papel relativo dos dois últimos mecanismos de troca gasosa não é ainda objeto de consenso. Enquanto Chachuat (1998), Schwager e Boller (1997), Gnagne (1996) e Guilloteau et al (1993) destacam o mecanismo de difusão, Lefèvre (1988) e Schmitt (1989) elegem o mecanismo de convecção como o mais importante. Entretanto, a maioria dos autores consultados concordam que a provisão de oxigênio deve atender a demanda total de oxigênio DTO, cuja expressão é dada (VAN BUUREN et al., 1999) pela Equação 1. DTO=DBO 5 +4,5NTK Equação 1 A capacidade de oxidação, ω, é o resultado da soma das capacidades difusiva e convectiva (Equação 2). ω = ωd +ωc Equação 2 A teoria simplificada proposta por Agence de l Eau (1993) postula que a capacidade total de oxidação deve ser maior ou igual à DTO aplicada para assegurar um bom tratamento e a durabilidade do processo. A Figura 1 mostra a capacidade de oxidação total em função da altura da carga hidráulica aplicada. Capacidade de Oxidação, (mg O2/l) Aspectos Hidráulicos Carga Hidráulica, H (mg/j) Figura 1 Capacidade total de oxidação em função da carga hidráulica Fonte: AGENCE de L EAU, 1993 Para atender principalmente a manutenção do suprimento permanente de ar para as bactérias, os filtros intermitentes funcionam segundo uma alternância entre dosagem e descanso. É durante esta última que o estoque de oxigênio nos espaços vazios do leito se renovam pelos mecanismos de difusão molecular. A alternância permite ainda a gestão do crescimento biológico. Como em qualquer processo biológico, a oxidação da matéria orgânica é acompanhada de um desenvolvimento bacteriano que, se não for equilibrado por processos reguladores, provoca a colmatação do filtro. É durante a fase de repouso, quando cessa o aporte de alimento, que ocorre o processo regulador da massa biológica através da respiração endógena. Esse controle ajuda ainda na preservação das condições de infiltração do leito. Para isso tem grande importância a granulometria do meio, a carga hidráulica diária e a forma como esta é aplicada na manutenção de um fluxo não saturado, conforme é ilustrado na ABES Associação Brasileira de Engenharia Sanitária e Ambiental 3 Quando o volume de líquido aplicado é suficiente para preencher todo o espaço vazio do meio, parte da matéria orgânica e microrganismos passam através do filtro sem tratamento. À medida que o volume aplicado por dose é reduzido, ocorre um fluxo parcialmente saturado. Quando o volume é reduzido mais ainda, o fluxo é não saturado, ocorrendo em uma fina lâmina em torno das partículas do meio. Com isso, os fenômenos físicos de remoção, já descritos, são favorecidos e o oxigênio do ar pode acessar todo o leito através dos espaços intersticiais. Assim, tendo em vista que o processo de purificação ocorre em duas etapas: remoção seguida de oxidação, é imperativo que a aplicação do líquido a ser tratado se dê em finas lâminas (CRITES e TCHOBANOGLOUS, 1998). O fracionamento da carga diária em várias doses favorece ainda o aporte convectivo de ar atmosférico, rico em oxigênio (LEFEVRE, 1988; SCHMITT, 1989). 1 dose/dia 4doses/dia 24 doses/dia Figura 2 Efeito da carga hidráulica nos filtros Fonte: CRITES e TCHOBAOUGLOUS, 1998 Outro aspecto relevante do fracionamento da carga hidráulica diária é o aumento do contato do esgoto tratado com o biofilme, favorecendo os mecanismos físicos de remoção e a troca de solutos entre biofilme e esgoto. A interação entre a carga aplicada, o fracionamento desta, o tamanho efetivo dos grãos e a espessura do leito leva à definição do tempo médio de passagem - TMP, conforme Schmitt (1989) e Selas (2002) que encontraram, respectivamente, as seguintes equações para o cálculo de TMP. Equação 3 TMP= 4,44.H0,89.F0,092.L -0,75 TMP=α.H.(L) -β Onde, Equação 4 H= espessura do leito, m F= freqüência de aplicação, d -1 L= carga hidráulica diária α e β parametros de ajuste, iguais a 0,3 e 0,7 respectivamente. Remoção de Microrganismos A remoção de microrganismos em FILAs é, em geral, muito eficiente, atingindo valores de 2 a 6 ulog (ANDERSON e OUTROS, 1985; EPA, 1999; STEVIK, AUSLAND, 2004; LEFEVRE 1988; SCHMITT, 1989; BANCOLÉ, 2001; SALGOT, 1996; BRISSAUD; 1999; EMERICK, 1999). Essa remoção ocorre em duas etapas: retenção e degradação. Na primeira etapa, de retenção, estão envolvidos os mecanismos físicos descritos no item filtração mecânica, interceptação e adsorção. Na segunda etapa, de eliminação ou degradação microbiológica, o microrganismo é exposto a um conjunto de fatores abióticos e bióticos desfavoráveis. Entre os abióticos incluem-se: umidade, ph, temperatura e teor de matéria orgânica; e entre os bióticos, a espécie de bactéria e a presença de predadores, principalmente de protozoários (STEVIK e OUTROS, 2004). Além da predação, outros fatores bióticos citados são: o parasitismo, a competição nutritiva, a secreção de antibióticos e de substâncias inibidoras (BANCOLÉ, 2001). ABES Associação Brasileira de Engenharia Sanitária e Ambiental 4 A eficiência global do processo de eliminação varia de acordo com o tipo de organismo (bactéria, vírus e parasitas) e está fortemente relacionada com o tempo de passagem da água através do filtro, a existência de caminhos preferenciais, a eficiência de oxidação da matéria orgânica e a forma e homogeneidade da distribuição do efluente na superfície do filtro (LEFEVRE 1988; SCHMITT, 1989; SALGOT e OUTROS, 1996; SÉLAS, 2002). Schmitt (1989) apresentou uma equação para previsão da remoção de coliformes em filtros. Δfc = 0,48t + m 1, 1 Equação 5 t m Lθ = H Equação 6 Onde tm é o tempo médio de detenção hidráulica, L a profundidade, θ o teor de umidade, e H a carga hidráulica. O autor informa que esses coeficientes foram obtidos a partir do processamento estatístico de mais de 340 dados de laboratório e em escala piloto. É uma expressão aproximada para o cálculo das potencialidades de desinfecção de sistemas de infiltração adequadamente operados, em que a aplicação do efluente sobre a superfície do leito é razoavelmente uniforme. Essa equação não leva em conta o efeito do fracionamento da carga hidráulica, fato constatado por diversos autores. Lefevre (1988) aplicou uma carga hidráulica de 0,50 m em uma única dose e obteve na profundidade de 1,50 m uma redução de coliformes fecais de 2 ulog. A mesma carga fracionada em 12 doses diárias resultou numa redução de 3,5 a 4 ulog. Um aspecto importante na remoção de coliformes fecais citado pelo autor é a manutenção das condições aeróbias no leito. Ele observou que, com a colmatação da superfície e o esgotamento do estoque de oxigênio no leito, a qualidade bacteriológica do efluente se degrada. Num experimento posterior em que o leito foi ventilado artificialmente, observou-se a redução progressiva do número de coliformes no efluente do filtro logo após o início da operação até atingir menos de 103 CF/100ml. O fechamento do sistema de ventilação é acompanhado de uma drástica queda na qualidade bacteriológica do efluente. Logo após a reabertura do sistema, constata-se a recuperação da qualidade aos níveis de 103 CF/100ml. A repetição do ciclo, acompanhada pela medição dos níveis de oxigênio, mostrou uma clara correlação entre a concentração de O 2 e a densidade de organismos no efluente do filtro. Salgot e outros (1996) estudaram o desempenho de um sistema de filtração intermitente com espessura de 1,5m e areia de duna (não há informação sobre o tamanho efetivo) alimentado com efluente secundário através de um pivô central com um tempo de 70 minutos para uma volta completa (F=20 d -1 ). Os resultados obtidos para as diversas profundidades e cargas variando de 0,165 a 0,33 m/dia são apresentados no gráfico da Figura 3. ABES Associação Brasileira de Engenharia Sanitária e Ambiental 5 Figura 3 Eliminação de coliformes termotolerantes a diferentes profundidades e cargas hidráulicas Emerick e outros (1997) num arranjo experimental, em que variaram a carga hidráulica, o tamanho efetivo (TE) e o coeficiente de uniformidade (CU), com freqüência de aplicação de 24 d -1, encontraram os resultados mostrados na Figura 4, para remoção de coliforme total e colífago, para TE= 0,65 mm e CU=3,8. Não foi observada uma diferença significativa entre CU de 5,0 e 3,8. Também não se observaram diferenças significativas entre os TE de 0,65 e 3,3 mm submetidos à carga de 0,163 m/dia Coliforme Total Colifaços 2.5 Remoção (und log) Taxa de aplicação hidráulica, m/d Nota: Frequencia da dosagem 24 L/dia Figura 4 Remoção de microrganismo em função da carga hidráulica J. L. van Buuren e outros (1999) afirmam que remoções maiores de coniformes fecais são obtidas com areias com TE 0,2 mm e CU entre 1,5 e 3. Entretanto consideram que tais características conduzem a uma oxigenação deficiente e à colmatação e recomendam o uso de TE de 0,5 a 1,0 mm. Informam ainda que a eliminação de coliformes aumenta sob condições aeróbias, com o aumento da temperatura e com a redução do ph. Na maioria dos casos relatados, o aumento da eficiência está relacionado com o tempo de permanência do efluente no leito, com a uniformidade da aplicação sobre o mesmo e o fracionamento da carga hidráulica diária. Considera-se que existem duas maneiras de se obter altos níveis de remoção usando filtros intermitentes (SCHMITT, 1989; BRISSAUD, 1999 e STEVIK, 1999). O primeiro deles consiste em aumentar a ABES Associação Brasileira de Engenharia Sanitária e Ambiental 6 profundidade do leito ou reduzir a carga hidráulica aplicada, o que é uma solução que conduz a uma elevação do custo de investimento do sistema. O segundo método é mais barato e baseia-se na implementação de uma melhor distribuição do efluente sobre a superfície do filtro (SALGOT e OUTROS, 1996). Os resultados (apresentados na Figura 3) obtidos por Salgot e outros (1996) em um experimento em escala real confirmam as premissas adotadas por outros pesquisadores. Brissaud (1999) num trabalho que incluiu experimentos em escala de laboratório e em escala real, apresenta a Equação 7 abaixo para representar o transporte de bactérias em um meio poroso saturado, baseado no modelo de Yao e outros (1971): Onde, C é a concentração de bactéria, D é o coeficiente de dispersão para bactéria, u a velocidade da água através do poro, Ka coeficiente da taxa de adsorção e Rd a taxa de dessorção da bactéria da fase estacionária. Considerando todas as partículas de areia do meio filtrante como um coletor, Ka pode ser expresso conforme a equação a seguir: 2 C C C = D u K 2 ac + R t z z d Equação 7 Onde θ é o conteúdo de água, η a eficiência de um coletor, z a profundidade no filtro e dp o diâmetro da partícula. A eficiência de um simples coletor é o resultado da soma de três fatores: difusão molecular, interceptação e forças de Van der Waals e sedimentação (YAO e OUTROS, 1971). z K a = 1,5(1 θ) ηu Equação 8 dp Pressupondo a existência de condições estacionárias, com uma concentração de bactéria Co constante na entrada do filtro, e negligenciando-se o efeito da dispersão, a concentração na profundidade z pode ser escrita como: Conforme a equação acima, a remoção de bactérias é proporcional à profundidade z, o que está de acordo com outros experimentos (LANCE, 1980 apud BRISSAUD, 1999). Além disso, assumindo η proporcional a u -1, Δfc em um leito de areia resulta proporcional ao tempo de detenção da água no leito, ou tempo médio de C ( K a. α) = e Equação 9 Co passagem. Onde a dessorção é representada por um coeficiente de fixação α, o qual pode ser considerado como a relação entre o número d
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