AVALIAÇÃO DO FLUXO DE PERMEADO E EFICIÊNCIA DO PROCESSO DE MICROFILTRAÇÃO TANGENCIAL NO PÓS-TRATAMENTO DE UM
EFLUENTE SANITÁRIO EM IRATI-PR
Joelmir A. Mazon 1
Grasiele S. Cavallini2
Carlos E. M. Costa 3
Carlos M. S. Vidal4
Metodologias e Experiências em Pesquisa
Resumo
A tecnologia de membranas de microfiltração tem sido utilizada com grande sucesso no tratamento avançado de esgoto sanitário, gerando efluentes de ótima qualidade, que atendem facilmente os padrões normativos exigidos e ainda apresentam ampla potencialidade de reuso em inúmeros processos, principalmente na indústria. O presente trabalho objetivou avaliar a eficiência do sistema de microfiltração tangencial de efluente gerado na ETE Rio das Antas (SANEPAR/Irati-PR). Este efluente foi coletado na lagoa facultativa da ETE em questão e encaminhado a uma unidade piloto de microfiltração tangencial instalada no Laboratório de Saneamento Ambiental e Qualidade da UNICENTRO, em Irati-PR. Esta unidade tem capacidade receptiva de vazão de cerca de 1 m³/h, equipada com membrana de microfiltração do tipo tubular, de polipropileno, com área efetiva de filtração de 0,036 m², tamanho médio dos poros de
1¹Bacharel em Ciências Ambientais (Faculdade Guarapuava) e Mestre em Ciências Florestais (UNICENTRO). Laboratório de Ciências Florestais e Forrageiras – UNICENTRO, Campus CEDETEG. E-mail: joelmir23@hotmail.com
2 Doutoranda em Química Analítica (UEL/UNICENTRO/UEPG). Professora de Química Ambiental (UFT). E-mail: grasielesoares@gmail.com
3 Mestrando em Meio Ambiente e Recursos Hídricos - Universidade Federal de Itajubá - UNIFEI. E-mail cadumira@gmail.com
4Dr. Biólogo. Professor do Departamento de Engenharia Ambiental, UNICENTRO; E-mail: cacavidal@yahoo.com.br.
0,2 µm e mecanismo de retrolavagem por ar comprimido. O ensaio foi realizado em 8 bateladas de 30 minutos, onde, neste intervalo de tempo eram coletados o volume do permeado resultante do processo, sendo utilizado para avaliação do fluxo e caracterização físico-química de cada volume de permeado e de um volume de efluente bruto, para posterior comparação. A microfiltração tangencial teve um fluxo médio de permeado de 37,9 L/h.m², gerando um efluente de ótima qualidade, com a remoção média de 90% da cor aparente, 90% da remoção da cor verdadeira, 93% da turbidez, 55% de fósforo e 69% da DQO e desinfecção de 99% de coliformes, evidenciando a eficiência do sistema em questão no tratamento de efluentes domésticos.
Palavras-chave: Membranas filtrantes, efluente doméstico, tratamento avançado.
1. Introdução
Atualmente, em busca de atender padrões de emissão cada vez mais restritivos e a necessidade cada vez maior da desinfecção de efluentes, novas tecnologias vêm sendo desenvolvidas não só com o propósito de devolver o efluente tratado com baixa concentração de poluentes aos corpos receptores, mas também para o reuso do mesmo para diferentes finalidades.
A utilização de sistemas avançados de pós-tratamento de efluentes sanitários tem por objetivo complementar a remoção da matéria orgânica, nutrientes como N e P, e alguns organismos patogênicos, como vírus, bactérias, protozoários e helmintos. As tecnologias de tratamento terciário apresentam, em geral, um efluente final de excelente qualidade, possibilitando, em muitos casos, a reutilização ou recirculação em determinados processos (CHERNICHARO, 2007).
Dentre estas novas tecnologias, o biorreator de membranas (MBR) tem recebido grande destaque. Segundo Vidal e Campos (2009) o processo de separação por membranas inclui-se neste contexto como uma alternativa tecnológica atrativa no tratamento avançado de efluentes, com a utilização de diversos tipos de membranas filtrantes, como a de microfiltração, tendo sido aplicada no pós-tratamento de esgoto sanitário na última década, com uma frequência maior em países como: Japão, China, Estados Unidos, Alemanha, Austrália, Iraque e Canadá.
De acordo com Meng et al. (2009), esta tecnologia combina o tradicional processo de lodo ativado com filtração por membranas, tendo alta eficiência na separação sólido- líquido e produzindo um efluente tratado de alta qualidade no tratamento de águas residuárias.
Mulder (1996) aponta que a capacidade de separação de partículas está relacionada com cada tipo de membrana, tendo relação deste fator com as dimensões de seus poros.
Conforme explica Judd (2006), as membranas são barreiras físicas seletivas capazes de conter partículas maiores que os seus poros durante a passagem de uma solução, sem ocorrer alterações químicas ou biológicas de componentes durante o processo de filtração, podendo remover até mesmo materiais dissolvidos. O mesmo autor comenta que os processos de separação por membranas são divididos de acordo com a seletividade da membrana, dependendo do tamanho dos poros. Nesse sentido, os quatro principais processos são: Microfiltração (MF), Ultrafiltração (UF), Nanofiltração (NF) e Osmose Revesa (OR).
De acordo com Silva et al. (2000) as membranas possuem classificação própria conforme suas propriedades físicas e químicas, tendo como natureza e morfologia as membranas sintéticas ou biológicas/naturais. Segundo o autor, dentre as membranas sintéticas, existem as inorgânicas, compostas de cerâmica e vidro e as orgânicas (poliméricas), mais comumente usadas devido aos fatores econômicos. Estas são divididas em: não-porosas, usadas na separação de gases e porosas (micro e ultrafiltração). Na categoria de membranas porosas existe a divisão entre as simétricas, com camada uniforme, e as assimétricas, com camada desuniforme.
O processo de membranas filtrantes, de acordo com Almeida (2002), inicia-se com o transporte do efluente realizado através de aplicação de força motriz, utilizada na microfiltração, ultrafiltração, nanofiltração e osmose reversa, sendo aplicada por meio de diferença de pressão (transporte conectivo). Na diálise, a força motriz é o gradiente de concentração, com transporte de natureza difusa.
Para Judd (2006) é essencial que deva-se prever em um projeto no qual se utilize o processo de membranas uma alta taxa de filtração, grande turbulência do efluente e baixo custo com energia por unidade de volume filtrado, com um design que facilite a operação e a limpeza.
Apesar das grandes vantagens apresentadas pelo sistema de filtração por membranas, existem algumas limitações que ocorrem durante o processo. A principal delas certamente é a ocorrência de declínios no fluxo devido ao acúmulo de substâncias na superfície e no interior dos poros das membranas (Figura 2.). Este acúmulo na superfície porosa da membrana é denominado, de acordo com Quartaroli (2012) de colmatação ou fouling.
Para Kuritza (2012), dentre os problemas causados pela colmatação das membranas que afetam o desempenho do processo, citam-se: permeabilidade da membrana (taxa de aplicação), vida útil das membranas, necessidade de pré-tratamento e maior custo com métodos de limpeza. Segundo a autora, as partículas podem se depositar nas membranas através do estreitamento do poro, obstrução do poro ou formação de “tortas”. Estes mecanismos podem ocorrer de forma isolada ou conjuntamente.
Conforme Vidal & Campos (2009), quando a microfiltração é operada em escoamento tangencial a formação da “torta” é limitada ou quase completamente suprimida por uma suspensão que flui paralelamente à superfície de filtração. Percebendo-se esta limitação, atualmente a microfiltração frontal tem sido substituída pelo sistema de escoamento tangencial em operações em escala plena, devido à rápida colmatacão das membranas em comparação à operação das unidades em filtração tangencial.
Segundo Quartaroli (2012), as técnicas mais utilizadas no controle da colmatação são: o pré-tratamento dos afluentes, a retrolavagem (limpeza física) e a limpeza química das membranas. Os entupimentos no exterior da parede das membranas podem ter seus efeitos minimizados por meio de retrolavagem durante o processo de filtração, alterando, frequentemente, e por um curto período de tempo, a direção do fluxo do permeado, removendo através de forças mecânicas as possíveis impurezas aderidas na parede da membrana, aumentando o fluxo do sistema. A limpeza química é aplicada quando os materiais não são removidos com a retrolavagem.
De acordo com a mesma autora, a aplicação de um pré-tratamento do efluente antes da unidade de filtração, como pré-filtracão coagulação/floculação e flotação é utilizada para melhorar a qualidade do afluente, principalmente em termos de sólidos a
fim de que o mesmo minimize a deposição de materiais sobre a superfície das membranas.
2. Objetivos
O presente trabalho teve como objetivo avaliar a microfiltração como alternativa de pós-tratamento de efluente final de uma Estação de Tratamento de Esgoto Sanitário da cidade de Irati –PR (ETE - SANEPAR Rio das Antas).
3. Metodologia
O efluente coletado e utilizado nesta pesquisa é proveniente da lagoa facultativa da ETE Rio das Antas, em Irati-PR, administrada pela Companhia de Saneamento Básico do Paraná – SANEPAR. Esta ETE possui tratamento preliminar composto por gradeamento, caixa desarenadora, tratamento secundário biológico constituído por dois reatores anaeróbios em pararelo (um Reator Anaeróbio de Leito Fluidizado - RALF e um Upflow Anaerobic Sludge Blanket - UASB), seguido por lagoa facultativa com chicanas, conforme descrito por Dias et al. (2009).
As lagoas facultativas podem ser consideradas de acordo com Von Sperling (2006) como a modalidade mais simples entre os modelos de lagoas de estabilização, ocorrendo neste tipo de lagoa, a retenção dos efluentes durante um período de tempo, possibilitando o desenvolvimento dos processos de estabilização da matéria orgânica, servindo como uma forma de tratamento posterior do efluente anteriormente tratado por processos físicos e químicos ou biológicos. A implantação das chicanas na ETE tem por objetivo aumentar o tempo de retenção do efluente dentro da lagoa, melhorando o processo de estabilização.
A unidade piloto de microfiltração tangencial deste ensaio é a mesma utilizada por Vidal (2006), cujo a representação esquemática pode ser visualizada na Figura 1. Esta unidade piloto tem a capacidade para tratar até 1m³/h e possui membrana de microfiltração do tipo tubular de polipropileno de área efetiva de filtração de 0,036 m² e tamanho médio dos poros de 0,2 µm. As características do módulo de membrana podem ser visualizadas no Quadro 1.
Figura 1. Esquema de unidade piloto de microfiltração tangencial utilizada no presente estudo. Legenda:
(1) tanque de alimentação (60 l); (2) bomba; (3,6 e 11) manômetros; (4) saída do permeado até o recipiente visor; (5) módulo de membrana; (7) recipiente visor do permeado; (8,10 e 12) válvulas solenoides; (9) saída do permeado (VIDAL,2006).
Na análise, o efluente coletado na lagoa facultativa foi depositado no tanque de alimentação da unidade, sendo posteriormente bombeado para o sistema de microfiltração, por meio de uma bomba centrífuga instalada no mesmo.
A unidade piloto de microfiltração foi operada em batelada, tendo o concentrado sido recirculado ao tanque de alimentação e o permeado (material filtrado pelo sistema de membranas) coletado na parte inferior da unidade a cada intervalo de 30 minutos, para a análise de parâmetros físico-químicos e medição de volume de permeado. Também foi separado um volume de efluente bruto para sua caracterização e futura comparação com o efluente tratado pela microfiltração.
Quadro 1. Características do módulo de membrana inserido no sistema de microfiltração tangencial
utilizado na pesquisa. (VIDAL & CAMPOS, 2009).
Configuração geométrica Tubular
Material Polipropileno
Número de tubos 3
Diâmetro interno dos tubos 5,5 mm
Comprimento da membrana 75 cm
Área efetiva de filtração 0,036 m²
Máxima temperatura de operação 60 ˚C
Esta unidade piloto possui um mecanismo de retrolavagem com ar comprimido vindo de um compressor, que é regulado pela abertura e fechamento de válvulas solenoides. Estas válvulas abrem e permitem a entrada de ar, impulsionando uma parcela de permeado no sentido inverso da filtração, removendo continuamente parte das partículas que venham a se acumular na superfície da membrana. Este mecanismo opera sem interrupção no fluxo de efluente no sistema.
As análises físico-químicas (temperatura, turbidez, cor aparente, cor verdadeira, pH, DQO, SST, SSV e fósforo total) tanto do efluente bruto como de cada concentração de permeado recolhido foram realizadas no Laboratório de Saneamento Ambiental e Qualidade da Universidade Estadual do Centro-Oeste, em Irati-PR, de acordo com a padronização descrita pela Standard Methods For Examination of Water And Wasterwater (1998).
3.1. Análise microbiológica
Além das análises químicas do efluente, foram realizados também os exames microbiológicos de E. Coli e Coliformes Totais pela técnica da membrana filtrante. Para estes exames, foi utilizado 100 mL do volume de permeado coletado em amostra composta. Este volume foi filtrado em membranas estéreis, cujo objetivo é a retenção dos microrganismos presentes na amostra, sendo posteriormente colocadas sobre o meio de cultura de cromogênico indicador em uma placa de Petri. Estas placas foram postas em incubação por 24 horas, fornecendo contagem direta de bactérias, baseado no surgimento de colônias na superfície da membrana levantadas com auxílio de um contador de colônias, conforme descreve Standard Methods For Examination of Water And Wasterwater (1998).
4. Resultados e Discussão
4.1. Análise do fluxo do permeado
Durante o ensaio, foram coletados a cada 30 minutos o volume de permeado processado pela unidade piloto de microfiltração, resultando num total em 8 amostras em 240 minutos de operação. A Tabela 1 mostra os resultados de volume, vazão e fluxo do permeado na unidade de microfiltração.
Tabela 1. Resultados de volume, vazão e fluxo de permeado na unidade de microfiltração em ensaio com
efluente da Lagoa de Estabilização da ETE Rio das Antas em Irati, PR.
Tempo (min) Volume de permeado (mL) Volume de permeado (L) Volume de permeado (L/h) Fluxo de permeado (L/h.m²) T (˚C) 30 1195 1,195 2,39 66,4 24 60 865 0,865 1,73 48,1 26 90 725 0,725 1,45 40,3 28 120 585 0,585 1,17 32,5 26 150 545 0,545 1,09 30,3 27 180 490 0,490 0,98 27,2 29 210 525 0,525 1,05 29,2 29 240 530 0,530 1,06 29,4 29
Total = 5460 Total = 5,46 Média = 1,36 Média = 37,9
Através da Tabela 1 é possível observar um fluxo maior nos primeiros 60 minutos, sendo este praticamente o dobro do volume da segunda metade do ensaio. A partir da segunda metade do ensaio, o fluxo tendeu-se a estabilizar (Figura 2).
Figura 2. Fluxo do permeado em função do período de operação nos ensaios com amostras de efluente da
Lagoa de Estabilização da ETE Rio das Antas – SANEPAR, submetidos ao sistema de microfiltração tangencial.
4.2. Caracterização do efluente
A caracterização foi realizada tanto para o efluente bruto (efluente final da ETE Rio das Antas), como para cada amostra de permeado coletada. Os parâmetros analisados foram: cor aparente e verdadeira, turbidez, pH, condutividade elétrica,
fósforo e DQO. Os resultados da caracterização dos efluentes são apresentados na Tabela 2.
Tabela 2. Caracterização físico-química do efluente bruto e do permeado da unidade de microfiltração
para o efluente da Lagoa Facultativa da ETE Rio das Antas. NR: análise não realizada.
Análises Físico-Químicas Permeado (min)
Bruto 30 60 90 120 150 180 210 240 Cor aparente (µC) 489 53 45 43 45 70 43 42 45 Cor verdadeira (µC) 304 36 37 32 28 30 26 26 25 Turbidez (NTU) 25,8 2,46 1,41 1,6 1,37 3,8 1,2 1,37 1,28 pH 7,4 7,66 7,63 7,84 8,08 8,12 8,17 8,1 8,15 Condutividade elétrica (µS/cm²) 985,8 823,2 831,4 815,4 816,2 807,4 790,6 790,6 801,8 Fósforo (mg/L) 4,5 2,2 2 2 2 2 2 2 2 DQO (mg/L) 127 33 35 43 39 42 35 48 36 ST (100 ml/mg/L) 457 NR NR NR NR NR NR NR NR SST(50 ml/ mg/L) 34 NR NR NR NR NR NR NR NR
Analisando a Tabela 3 é possível notar a grande diminuição dos valores nos parâmetros analisados se comparados ao efluente bruto. A maioria dos parâmetros tendeu a baixar nos primeiros 120 minutos e estabilizar-se a partir de então. Os resultados encontrados na caracterização do efluente bruto foi semelhante ao descrito por Dias et al., (2009), na mesma lagoa facultativa em questão, com ligeira diferença na turbidez (19,8 NTU).
A Tabela 3 mostra os percentuais de remoção nos parâmetros analisados, também mostrados de forma gráfica na Figura 3. Percebe-se a remoção média de 90% da cor aparente, 90% da remoção da cor verdadeira, 93% da turbidez, 55% de fósforo e 69% da DQO.
Tabela 3. Porcentagem de remoção (%) dos parâmetros físico-química do efluente bruto e do permeado
da unidade de microfiltração para o efluente da Lagoa Facultativa da ETE Rio das Antas
Análises Físico-Químicas Permeado (min)
30 60 90 120 150 180 210 240 Cor aparente (µC) 89% 91% 91% 91% 86% 91% 91% 91% Cor verdadeira (µC) 88% 88% 89% 91% 90% 91% 91% 92% Turbidez (NTU) 90% 95% 94% 95% 85% 95% 95% 95% Fósforo (mg/L) 51% 56% 56% 56% 56% 56% 56% 56% DQO (mg/L) 74% 72% 66% 69% 67% 72% 62% 72%
Com o mesmo modelo de unidade de microfiltração, Kuritza (2012) e Quartaroli (2012) obtiveram resultados satisfatórios com tratamento de efluente de uma indústria de papel e celulose, de mesmo modo que Vidal (2006) para o tratamento de efluente sanitário constituído por reator UASB e tanque de aeração e Vidal & Campos (2009) para tratamento avançado de esgoto sanitário. Com uma unidade de microfiltração semelhante, Silva et al. (2011) alcançaram bons resultados com o tratamento de efluente industrial de um abatedouro de bovinos.
Segundo Fane (1996), quando unidades de microfiltração são implementadas no tratamento avançado de esgoto, o efluente produzido é praticamente ausente de particulados e parcialmente desinfetado, com eficiência de remoção de Escherichia coli. geralmente superior a 99,99%. A Tabela 4 mostra os resultados obtidos na remoção de E.coli e Coliformes totais (CT).
Figura 3. Percentuais de remoção de cor aparente, cor verdadeira, turbidez, fósforo e DQO em função do
período de operação do efluente da Lagoa Facultativa após o processo de microfiltração tangencial.
A concentração de Escherichia coli foi de 4,7.106
, enquanto que a de Coliformes totais foi de 5.105
, estando de acordo com a faixa típica de variação sugerida por Von Sperling (2006) pra efluentes brutos. Quanto à desinfecção, após o processo de microfiltração tangencial a remoção foi excelente sem a necessidade do uso de produtos químicos para desinfecção.
Tabela 4. Exames microbiológicos de E.coli e Coliformes Totais do efluente bruto e após o processo de
Microfiltração Tangencial.
Exame microbiológico Efluente bruto Remoção (%)
E.coli (UFC/100ml) 4,7.106 99,9894
C. totais (UFC/100ml) 5.105 99,9912
5. Conclusões
• O fluxo de permeado é maior nos primeiros 90 minutos de operação, tendendo a estabilizar-se a partir de então, com volume médio de permeado de 37, 9 L/h.m² em 240 minutos de operação;
• A porcentagem média de remoção de cor aparente e cor verdadeira durante o período de avaliação foi de 90% e de 93 % para a remoção de turbidez. Para fósforo total foi de 55% e de 69% para DBO;
• A desinfecção do efluente após a microfiltração foi de mais de 99% para E.coli e Coliformes totais;
• O sistema de microfiltração tangencial apresentou bom potencial no tratamento avançado do efluente resultante da Lagoa de Estabilização da ETE Rio das Antas, da Sanepar-Irati/PR.
6. Referências Bibliográficas
ALMEIDA, K. M. Tratamento do efluente alcalino do branqueamento de polpa e
celulose pelo processo de separação por membranas. Porto Alegre. 139 p. 2002.
Dissertação (Mestrado) - Universidade Federal do Rio Grande do Sul.
APHA - AMERICAN PUBLIC HEATH ASSOCIATION. Standart methods for the
examination of water and wastewater. 19. ed. Washington: American Public Health
Association, 1998.
CHERNICHARO, C.A.L. Princípios do tratamento biológico de águas residuárias: Reatores Anaeróbios. 2.ed. Belo Horizonte: Departamento de Engenharia Sanitária e Ambiental, 2007.
DIAS, L.H.M.; SOUZA, J.B.; VIDAL, C.M.S; CAVALLINI, G.S. Modelo Experimental de Desinfecção de Esgoto Sanitário usando Ácido Peracético. Revista de
FANE, A. Membranes for water production and wastewater reuse. Desalination, v. 106, n. 1, p. 1-9, 1996.
JUDD, S. The MBR Book: Principles and Applications of Membrane Bioreactors in Water and Wastewater Treatment. Editora Elsevier. 2006.
KURITZA, J. C. A Aplicação da coagulação, floculação e sedimentação como
pós-tratamento de efluente de uma indústria de papel e celulose. Irati, 127 p. 2012.
Dissertação (Mestrado). Dissertação (Mestrado). Universidade Estadual do Centro Oeste.
QUARTAROLI, L. Aplicação da flotação por ar dissolvido como pós-tratamento de
efluente de lado ativado em uma indústria de papel e celulose. Irati, 95 p. 2012.
Dissertação (Mestrado). Universidade Estadual do Centro Oeste.
MENG, F.; CHAE, S. R.; DREWS, A.; KRAUME, M.; SHIN, H. S.; YANG, F. Recent advances in membrane bioreactors (MBRs): membrane fouling and membrane material.
Water Research, v. 43, n. 6, p. 1489-1512, 2009.
METCALF, I.; EDDY, H. Wastewater engineering treatment: disposal and reuse. 4. ed., McGraw-Hill, 2003.
MULDER, M. Basic Principles of Membrane Technology: Second Edition. Kluwer Academic Pub, 1996.
SILVA, C. M.; REEVE, D. W.; HUSAIN, H.; RABIE, H. R.; WOODHOUSE, K. A. Model for flux prediction in high-shear microfiltration systems. Journal of membrane
science, v. 173, n. 1, p. 87-98, 2000.
SILVA, T.O.; ROCHA, A.W.S.; TERAN, F.J.C. Microfiltração como processo de tratamento avançado para efluente industrial de abatedouro de bovinos. Engenharia
Ambiental, Espirito Santo do Pinha, v.8. n.3, p. 023-030, 2011.
VIDAL, C.M.S. Avaliação da microfiltração tangencial como alternativa de
tratamento avançado de efluente gerado em sistema de tratamento de esgoto sanitário constituído de reator UASB seguido de tanque de aeração. São Carlos,
213 p. 2006. Tese (Doutorado). Universidade de São Paulo.
VIDAL, C. M. S.; CAMPOS, J. R. Coagulação associada à microfiltração para o tratamento avançado de esgoto sanitário. Revista Ambiência, Guarapuava, v.5 n.1, p. 101-114. 2009.
VON SPERLING, M. Introdução à qualidade das águas e ao tratamento de esgotos: princípios do tratamento biológico das águas residuárias. Belo Horizonte, v. 1, UFMG, 3. ed., 2006.
