Departamento de Obras Hidráulicas IPH 02058 Tratamento de Água e Esgotos Engenharia Hídrica
FILTRO BIOLÓGICO PERCOLADOR Prof. Gino Gehling
Agradecimento: O prof. Gino agradece ao prof. Antônio D. Benetti, autor
destas notas de aula, pela cessão do arquivo fonte gerado por ele para a disciplina IPH 02050 da Engenharia Civil.
10. FILTRO BIOLÓGICO PERCOLADOR
10.1. DESCRIÇÃO DO PROCESSO
Filtro biológico é um sistema de tratamento bastante antigo, tendo sido introduzido na Inglaterra no ano de 1893. A matéria orgânica percola por um meio poroso onde microrganismos crescem aderidos. A medida que o líquido percola através das superfícies sólidas, os microrganismos aderidos usam a matéria orgânica para o metabolismo e síntese celular. O biofilme cresce em espessura até desprender-se da superfície. O material desprendido é coletado em um decantador secundário.
A Figura 1 mostra um esquema de um filtro biológico. Constitui-se em um tanque, geralmente cilíndrico, de altura H e diâmetro interno D, preenchido com um material inerte – pedra ou plástico, no qual os microrganismos crescem. Efluente primário é distribuído sobre o filtro através de aspersores localizados em braços giratórios. O líquido percola através dos poros do filtro e é recolhido em um sistema de drenagem disposto no fundo do tanque.
Figura 1: Esquema de um filtro biológico.
O sistema é aeróbio, sendo o fluxo de ar suprido através de aberturas para ventilação e os poros do meio suporte. A diferença de temperatura entre o interior do filtro e o meio externo origina uma corrente natural de ar por convecção. Em algumas situações, é mais vantajoso usar ventilação forçada para haver maior controle e confiabilidade no processo. Por exemplo, é desejável que o fluxo de ar seja descendente uma vez que a maior demanda de oxigênio ocorre próximo a superfície do filtro. Em condições naturais, entretanto, o fluxo será
Meio Suporte
Abertura para ventilação
Coletor da drenagem
Sistema de distribuição do esgoto
H
Abertura para ventilação
ascendente quando a temperatura no interior do filtro for superior à temperatura externa ao filtro.
Até a década de 1960, o meio suporte dos filtros era formado por pedras, com diâmetros entre 2,5 cm a 10 cm. O elevado peso específico das pedras limitava a altura do filtro ao máximo de 2,5 m. Plásticos foram desenvolvidos para uso como meio suporte em filtros, apresentando algumas vantagens sobre pedras. Sendo menos denso, os filtros podem ser mais altos, chegando a 12 m (biotorres). O material plástico apresenta também maior porosidade que a pedra, permitindo o uso de maiores taxas de aplicação superficial. Os plásticos possuem, ainda, maior área específica do que as pedras. Assim, é possível construir filtros com meio suporte de plástico que apresentam maiores áreas superficiais por unidade de volume que filtros de pedra. Entretanto, os filtros de pedra ainda encontram aplicação devido ao seu menor custo.
A dinâmica do processo é altamente complexa, com variações não somente ao longo da profundidade, mas também dentro do próprio biofilme aderido ao material suporte. Os microrganismos localizados no fundo do filtro recebem uma carga orgânica que é inferior aos organismos no topo do filtro. Também, os organismos localizados na camada mais externa do biofilme entram em contato direto com o líquido que percola entre os poros do meio, encontrando a sua disposição níveis elevados de matéria orgânica e de oxigênio dissolvido. Ao contrário, àqueles organismos localizados na base do biofilme estão limitados tanto na alimentação como na disponibilidade de oxigênio, entrando em respiração endógena. Esta limitação, juntamente com a taxa de aplicação superficial, controla o desprendimento do biofilme do meio. A Figura 2 apresenta uma representação esquemática de uma seção transversal de um biofilme aderido a um meio em um filtro biológico.
10.2. PARÂMETROS DE PROJETO E OPERACIONAIS
O projeto de filtros biológicos é guiado principalmente pela experiência e por testes em escala piloto e de laboratório. As Tabelas 1 e 2 apresentam um resumo das características de filtros biológicos. FB de baixa taxa alcança remoção de DBO entre 80% – 90%, apenas um pouco menor do que o processo de lodos ativados. Entretanto, a baixa taxa de aplicação de DBO resulta em um volume cerca de 5 a 8 vezes maior do que o de um reator de lodos ativados. Filtros de baixa taxa limitam-se a uma população em torno de 20.000 habitantes (Tchobanoglous e Schroeder, 1985).
Figura 2: Representação da seção transversal de um biofilme em filtro biológico.
Uma das falhas operacionais mais comuns em filtros de baixa taxa é a formação de poças. Isto se deve ao crescimento rápido de biomassa que acaba entupindo os poros do meio. Este problema limita a taxa de aplicação de DBO, uma vez que esta controla o crescimento de biomassa. Nos sistemas intermediários e de alta-taxa, o efluente tratado é recirculado para o filtro. A maior taxa de aplicação superficial produz uma tensão de cizalhamento que força o material desprendido a conduzir-se ao sistema de drenagem. Desta maneira, pode-se aumentar a taxa de aplicação de DBO. A eficiência do processo, entretanto, é reduzida. O uso de material plástico permite elevar ainda mais a taxa de aplicação de DBO sem o risco de formação de poças. Isto se deve a maior porosidade do material plástico, o qual permite também que mais oxigênio seja disponibilizado aos microrganismos. Isto possibilita a formação de biofilmes mais espessos. A Figura 3 apresenta uma configuração típica de um sistema de filtro biológico com recirculação.
Me io s u p o rte B io film e Esgoto O2 CO2 Ar Matéria orgânica Produtos finais
Tabela 1: Parâmetros de projeto e operacionais de filtros biológicos (Fonte: Nazaroff e Alvarez-Cohen, 2001)
Parâmetro Baixa Taxa Intermediária Alta Taxa Super-Alta Taxa
Meio Pedra Pedra Pedra Plástico
Área superficial específica (m2/m3) 40 - 70 40 - 70 40 - 70 80 – 200
Porosidade (m3/m3) 0,40 – 0,60 0,40 – 0,60 0,40 – 0,60 0,90 – 0,97
Densidade do meioa (kg/m3) 800 - 1500 800 - 1500 800 - 1500 30 – 100
Taxa de aplicação hidráulica (m3/m2.dia) 0,5 – 3,0 3 - 10 8 - 40 10 – 70
Taxa de aplicação de DBO (kg/m3.dia) 0,1 – 0,4 0,2 – 0,5 0,5 – 1,0 0,5 – 1,5
Profundidade (m) 1,0 – 2,5 1,0– 2,5 1,0 – 2,5 3 – 12
Taxa de recirculação r 0 0 - 1 1 - 2 1 - 2
Tabela 2: Classificação de filtros biológicos (Fonte: Metcalf & Eddy, 2003)
Característica Baixa Taxa Taxa Intermediária Alta Taxa Alta Taxa Grosseiro
Tipo de meio Pedra Pedra Pedra Plástico Pedra / plástico
Taxa de aplicação
hidráulica (m3/m2dia) 1 – 4 4 – 10 10 - 40 10 – 75 40 – 200
Taxa de aplicação orgânica
(kg DBO/ m3dia 0,07 – 0,22 0,24 – 0,48 0,4 – 2,4 0,6 – 3,2 > 1,5
Taxa de recirculação 0 0 – 1 1 – 2 1 – 2 0 – 2
Moscas de filtro Muitas Variado Poucas Poucas Poucas
Desprendimento de
biofilme Intermitente Intermitente Contínua Contínua Contínua
Profundidade
(m) 1,8 – 2,4 1,8 – 2,4 1.8 – 2,4 3,0 – 12,2 0,9 – 6,0
Eficiência de remoção
DBO (%) 80 - 90 50 – 80 50 – 90 60 – 90 40 – 70
Figura 3: Exemplos de configurações de filtros biológicos.
10.3. DESCRIÇÃO MATEMÁTICA DO PROCESSO 10.3.1 Meio suporte de plástico
A descrição matemática do processo foi desenvolvida para filtros biológicos com meio suporte de plástico. Considera-se que a taxa de remoção de substrato no filtro segue uma cinética de primeira ordem (Equação 1)
S k dt dS ' (1)
Sendo: S = concentração de DBO no tempo t, k’ = constante da reação
A integração da Equação 1 resulta em
t t 0 t e S S So S dt ' k S dS k't S S ln o e (2) t ' k o e e S S (3) Sendo: So = concentração de DBO afluente ao filtro.O tempo de contato nominal no filtro depende da profundidade do filtro e da taxa da aplicação superficial q H A Q H Q H A Q V t o o o (4)
Sendo: H = altura do meio suporte [L]
Recirculação
D. P. FB D. S.
D. P. FB 1 FB 2 D. S.
q = taxa de aplicação hidráulica [L3/L2T], sem incluir a recirculação. Qo = vazão afluente ao filtro [L3/T]
A = área superficial [L2]
O fluxo através do filtro é tortuoso e depende da geometria do filtro e das características do meio suporte. O tempo de contato real é calculado por uma forma modificada da Equação 4.
n n o q H C ) A Q ( H C t (5)
Sendo: C = constante para o tipo de meio suporte usado
n = constante hidráulica para o meio suporte usado, sem unidade Substituindo-se a Equação (5) em (3), n o o e ) A Q ( H C ' k exp S S (6) Fazendo-se k’C = k e q = Q/A n o e q H k exp S S (7)
Sendo k = coeficiente de tratabilidade e meio suporte. As unidades de k dependem do valor de n. Quando n for igual a 0,5 e a vazão for dada em L/s, as unidades de k serão (L/s)0,5/m2. O valor de n é normalmente assumido como sendo 0,5. O valor de k é calculado em ensaios de laboratório realizado com diversos valores de DBO de entrada e saída e assumindo-se n = 0,5. A constante k é calculada para a temperatura de 20°C, devendo ser corrigida para a temperatura de operação através da Equação 8.
20 T 035 , 1 ) 20 ( k ) T ( k (8)
A Tabela 3 apresenta valores de k para diversos tipos de águas residuárias. Estes valores foram calculados para filtros de plástico de altura de 6,10 m e concentrações de DBO afluentes ao filtro de 150 mg/L. Os valores de k devem ser corrigidos para alturas e concentrações de DBOs diferentes de 6,10 m e 150 mg/L, respectivamente, através da Equação (9). 5 , 0 2 1 5 , 0 2 1 1 2 S S H H k k (9) Sendo:
k2 = valor corrigido de k para a profundidade específica do meio filtrante e
concentração de DBO;
k1 = valor de k à profundidade de 6,10 m e concentração de DBO afluente ao filtro de
S1 = 150 mg DBO/L;
S2 = concentração de DBO de operação [mg/L];
H1 = profundidade de 6,1 m;
H2 = profundidade real do meio filtrante [m].
Tabela 3: Valores de k para diferentes águas residuárias (Fonte: Metcalf & Eddy, 2003).
Tipo de água residuária k [(L/s)0,5/m2]
Doméstico 0,210 Frutas enlatadas 0,181 Celulose 0,108 Frigorífico 0,216 Farmacêutica 0,221 Processamento de batata 0,351 Refinaria 0,059 Açúcar 0,165 Laticínios 0,170 Têxtil 0,107
O número de rotações dos braços giratórios é dado pela Equação 10.
h min/ 60 DR A m / mm 10 q r 1 n 3 (10)Sendo: q = taxa de aplicação hidráulica do afluente, m3/m2h; r = taxa de reciclo (mínimo de 0,5 L/s.m2);
A = número de braços distribuidores;
DR = taxa de dosagem, mm de liquido por passagem do braço distribuidor A taxa de dosagem é função da carga orgânica volumétrica (Kg DBO/m3d).(Tabela 4).
Tabela 4: Taxa de dosagem em função da carga orgânica. Carga orgânica (kg/m3d) Dose de operação (mm/passagem) Dose de limpeza (mm/passagem) 0,25 10 – 30 200 0,50 15 – 45 200 1,00 30 – 90 300 2,00 40 – 120 400 3,00 60 – 180 600 4,00 80 – 240 800
Observação: Efeito da recirculação na qualidade do efluente do filtro biológico com meio suporte de plástico
Considere um filtro com taxa de recirculação r, vazão do efluente primário Q0, e
concentrações de DBO nos efluentes primário e do FB iguais a S0 e Se, respectivamente
(Figura 4). Quais serão a vazão Qi e concentração de DBO Si afluentes ao filtro?
Figura 4: Esquema de FB com recirculação.
O balanço de massa para carga de DBO afluente ao filtro é representado pela Equação (11).
i r e rS Q Q S Q S Q0 0 ( 0 ) (11) r e r i Q Q S Q S Q S 0 0 0 (12)
Dividindo-se todos os fatores da Equação (11) por Q0,
0 0 0 0 0 0 0 ) 1 ( Q Q Q Q Q S Q Q S Q S r e r i (13) r S r S Si e 1 0 (14) ) 1 ( 0 0 0 0 Q Q r Q Q r Q Qi r ) 1 ( 0 r Q Qi (15)
Pode-se demonstrar que a relação Se/Si é maior do que Se/So, isto é, a eficiência do processo
diminui com a recirculação:
n o n i n o n i 0 i 0 i ) A Q ( 1 H k ) A Q ( 1 H k A Q A Q A Q A Q Q Q
n n i n n iQ
A
H
k
A
Q
H
k
A
Q
H
k
A
Q
H
k
)
(
exp
)
(
exp
)
(
)
(
0 0 0S
S
S
S
e i e
. ComoS
i
S
0,
(
S
e)
r0
(
S
e)
r0 FB r, Qr, Se Q0, S0 Qi, Si Q0, Se10.3.2. MEIO DE SUPORTE DE PEDRA
Para filtros biológicos com meio suporte de pedra, utilizam-se os resultados de um estudo realizado por National Research Council, USA, em 34 plantas tratando esgotos domésticos em filtros biológicos. As Equações 16 e 17 relacionam eficiência de filtro biológico com carga de DBO aplicada, volume do meio suporte e taxa de recirculação.
Filtro único ou 1º estágio:
F V W E 1 1 4432 , 0 1 100 (16)
Segundo filtro em série ou 2º estágio:
F V W E E 2 1 2 1 4432 , 0 1 100 (17)
Sendo E1, E2 = eficiências (%) dos FB 1 e 2 (na Equação 17, E1 é dado como fração, não
como percentual).
W1, W2 = carga orgânica aplicada aos FB 1 e 2 (não entra a recirculação),
[kg DBO/dia];
V1, V2 = volumes do meio suporte dos FB 1 e 2, [m3];
F = fator de recirculação, [ - ]; 2 10 1 1 r r F (18)
Sendo r = taxa de recirculação; o fator F representa o número de vezes que a matéria orgânica passa pelo filtro biológico.
Ao contrário do filtro com meio suporte de plástico, a recirculação melhora a qualidade do efluente em filtros de pedra. Isto pode ser observado pela Equação 18. Contudo, o termo r/10 indica que os benefícios da recirculação decrescem a medida que aumenta o número de passagens da matéria orgânica pelo filtro.
A Equação 12 aplica-se para o caso de existir um segundo filtro em seqüência ao filtro 1.
10.3.3. NITRIFICAÇÃO
A nitrificação ocorre em filtros biológicos somente para baixas cargas de aplicação orgânica. Por exemplo, de acordo com U.S. EPA (U.S. 1995 apud Metcalf & Eddy, 2003), para que ocorra 90% de nitrificação, a carga orgânica deve ser menor que 0,08 kg DBO/m3.dia, o que se enquadraria no limite inferior dos filtros de baixa taxa. Para uma carga de 0,22 DBO/m3.dia (limite superior de filtros de baixa carga), a remoção de amônia por nitrificação atingiria 50%.
Uma alternativa para a nitrificação em filtros biológicos é a implantação de um filtro após a remoção da matéria orgânica carbonácea, para valores de DBO menores que 10 mg/L. Neste caso, as bactérias autotróficas poderiam se desenvolver no biofilme e realizar a nitrificação.
Referências bibliográficas
JORDÃO, E.P.; PESSÔA, C.A. Tratamento de esgotos domésticos. 6ª ed. Rio de Janeiro: ABES, 2011.
METCALF & EDDY. Wastewater engineering: treatment and reuse. 4th ed. Boston: McGraw-Hill, 2003.
