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Entende-se por saneamento básico uma série de medidas de ordem preventiva e corretiva que visem a promover saúde e segurança aos cidadãos e ao meio ambiente, o que o torna um dos principais parâmetros para avaliação da qualidade de vida da população.
Em uma época em que vivemos um crescente aumento populacional atrelado a igual aumento na produção de bens de consumo, a tarefa de proteger o ambiente e o indivíduo dos resíduos gerados pelas diversas atividades humanas, torna-se complexa e necessária.
O tratamento de águas residuárias provenientes das indústrias, comércios e residências, está presente nesse contexto e tem se tornado uma preocupação constante no meio social, político e acadêmico, encontrando-se inserida nas principais agendas governamentais.
No intuito de atender as novas expectativas, as agências de saneamento básico têm buscado, através de seus planos diretores, o aumento da capacidade de recebimento e tratamento de esgoto nas estações de tratamento de esgoto (ETE), entretanto, algumas situações podem vir a comprometer a sua execução.
Dentre os diversos fatores que possam contribuir negativamente, está a capacidade de crescimento das unidades de tratamento da ETE, isto é, a indisponibilidade de área física para seu aumento.
A tecnologia dos sistemas MBBR – Moving Bed Biofilm Reactors – apresenta-se como uma alternativa viável para promover o aumento da capacidade de tratamento da ETE quando não há disponibilidade de área.
Sistemas MBBR são obtidos mediante a introdução de pequenos anéis plásticos (biomídias) em tanques de aeração, assim, tais reatores além de contar com a biomassa em suspensão normalmente desenvolvida, possuem, também, um biofilme aderido aos anéis, o que lhes confere uma maior capacidade no recebimento e tratamento de cargas orgânicas e de nutrientes sem necessitar de um aumento da área construída.
O presente trabalho teve por objetivo específico acompanhar, desde a partida, um reator do tipo MBBR, avaliando seu desempenho frente à remoção de matéria orgânica carbonácea e nitrogenada, variando-se a aplicação da Carga Orgânica Superficial (COS) e Volumétrica (COV), prescindindo da recirculação de lodo secundário.

Sistema MBBR
A tecnologia de sistema de tratamento de esgoto do tipo MBBR foi desenvolvida na Noruega na década de 1980, através da parceria firmada entre a companhia Kaldnes Miljøteknologi (KMT), especialista em tratamento de efluentes doméstico e industrial, e o Instituto de Pesquisa SINTEF (Rusten et al, 2000).
Basicamente, o processo de MBBR consiste em uma tecnologia adaptada aos sistemas de lodos ativados, por meio da introdução de pequenas peças de plástico de baixa densidade e de grande área superficial (biomídias) no interior do tanque de aeração, que atuaram como meio suporte para desenvolvimento do biofilme, mantidos em constante circulação e mistura seja em função da introdução de ar difuso ou devido à existência de agitadores mecanizados; não havendo a necessidade de recircular o lodo (WEF, MOP no 35, 2010; Minegatti, 2008; Rusten et al, 2000; Ødegaard et al. 1994). A figura 1 apresenta as possíveis configurações desses tanques.

 

Dessa forma, o sistema MBBR incorpora as melhores características dos processos de crescimento de biomassa em suspensão e de biomassa aderida, conferindo ao processo um aporte considerável de sólidos em suspensão, proporcionando o aumento da população de microrganismos atuantes na depuração do esgoto, permitindo assim, tratar cargas orgânicas carbonáceas e nitrogenadas mais elevadas quando comparado ao sistema de lodo ativado.
Resumidamente, podem-se destacar as seguintes vantagens (Fujii, 2011; WEF, MPO no 35, 2010):
• Menor volume dos reatores biológicos se comparado com o sistema de lodo ativado conjugado com clarificadores para alcançar os mesmos objetivos de tratamento;
• As taxas de aplicação de sólidos para as unidades de clarificação são significantemente reduzidas quando comparadas às de sistemas de lodo ativado;
• Não há necessidade de operações de retrolavagem para controle da espessura de biofilme ou desentupimento do meio suporte por se tratar de reatores de mistura completa e fluxo contínuo;
• Ao contrário do sistema de lodos ativados, não depende da etapa de separação de sólidos para manter a densidade populacional de microrganismos, uma vez que a maior parte da biomassa ativa é retida continuamente no reator;
• Sua versatilidade permite considerar viável uma grande variedade de formas geométricas para o reator;
• Maior capacidade para absorver cargas de choque;
• Ocorrência de desnitrificação em zonas anaeróbias nas camadas profundas do biofilme;
• Facilidade para oxidar cargas com altas taxas de componentes solúveis dentro do biofilme;
• Possibilidade de trabalhar com baixa idade do lodo;
• Maior eficiência da nitrificação independente da Idade do lodo.
Um ponto a ser considerado em contraste com as inúmeras vantagens dessa tecnologia é o consumo de oxigênio. A necessidade de manter viáveis tanto a biomassa aderida quanto a em suspensão deve requerer uma maior quantidade de Oxigênio Dissolvido (OD). Além disso, a ocorrência da nitrificação bem como a energia necessária para manter em agitação a biomídia, contribui para um maior consumo de OD.
Diversos autores tem apontado para uma faixa de OD entre 2 a 5mgO₂/L para que o processo não seja comprometido.

Biomídias
Comercialmente, encontram-se disponíveis no mercado, biomídias com área superficial específica variando de 450 a 1200 m²/m³, permitindo, quando em termos de equivalência com a concentração de sólidos em suspensão presentes no tanque, valores típicos da ordem de 1000 a 5000 mgSS/L (WEF, MPO no 35, 2010). A figura 2 ilustra alguns modelos de biomídias e suas especificações.

 

O preenchimento com biomídias pode variar de 25 a 70% do volume líquido do tanque dependendo do objetivo a que se destina o tratamento, Reis (2007) citando alguns dados de literatura, indica que a razão entre o volume de suporte (leito estático) e o volume do reator (Vs/Vr) não deve ser superior a 0,7.
Esses elementos são fabricados em polietileno e têm densidade específica entre 0,94 e 0,96 g/cm³.
Os choques entre as biomídias mantidas no interior do tanque de aeração podem causar perdas da biomassa aderida às suas faces externas, dessa forma, como parâmetro de projetos, considera-se apenas a área superficial específica, que é traduzida pela razão entre a totalidade da área da biomídia e o volume por ela ocupado, considerando a devida distribuição das peças no reator (Fujii, 2011; Minegatti, 2008).

Variáveis de controle
De acordo com Von Sperling (1997), em processos de tratamento de esgoto estão envolvidas variáveis de entrada, controle, medida e manipuladas.
Variáveis de entrada são aquelas às quais não é possível controlar diretamente, tais como vazão e características do afluente; variáveis de controle são aquelas impostas ao sistema para seu melhor desempenho, são determinadas através das informações obtidas pelas variáveis de medidas e mantidas através das variáveis manipuladas.
Entende-se que o processo MBBR possui as mesmas características operacionais de um sistema de lodos ativados acrescido, contudo, da parcela de biomassa aderida; logo, suas variáveis de controle serão muito próximas daquelas usuais ao sistema de lodos ativados. A seguir serão detalhadas algumas variáveis envolvidas no controle do MBBR: Carga Orgânica Volumétrica (COV), Carga Orgânica Superficial (COS) e Oxigênio Dissolvido (OD).

Carga Orgânica Volumétrica (COV)
A COV corresponde à razão entre a carga orgânica aplicada ao reator biológico e o volume do mesmo, dado por kg DBO ou DQO/m³.d, sendo representada através da equação 1:

Minegatti (2008) lista valores de COV utilizados em alguns experimentos. Esses valores podem ser observados na tabela 1.

 

Para efeito de comparação, a tabela 2 relaciona alguns valores de COV aplicados em outras tecnologias de tratamento de esgoto (Reis, 2007).

 

Carga Orgânica Superficial (COS)
COS refere-se à razão entre a carga orgânica aplicada ao reator biológico e a totalidade da área superficial em função da biomídia. Trata-se de uma variável de grande importância para o processo MBBR, sendo expressa em gDBO ou DQO/m².d, como apresentado na equação 2.

Na tabela 3, podem-se observar valores de COS obtido em alguns experimentos (Minegatti, 2008).

 

Entretanto, deve-se ressaltar que, segundo a literatura, existe uma relação direta entre o parâmetro COS e a ocorrência de processos de nitrificação, de modo que quanto maior os valores de COS aplicados ao sistema, melhor será a eficiência do mesmo em relação à remoção de matéria orgânica, em contrapartida, tais taxas diminuirão a ocorrência de nitrificação.
Pastorelli et al (1997) apud Minegatti (2008) relata ter obtido boas taxas de nitrificação com o emprego de COS de 3,5gDQO/m².d

Oxigênio Dissolvido (OD)
A introdução de OD no interior do reator deve atender às necessidades metabólicas da população de microrganismos presentes, bem como promover a completa mistura do conteúdo do tanque.
Dessa forma, o sistema MBBR, por contar com a presença da biomassa aderida além da biomassa em suspensão, juntamente com as biomídias, naturalmente requer uma taxa de aplicação de OD superior à encontrada para os sistemas de lodos ativados.
Diversos autores apontam para a necessidade de se manter uma concentração de OD no reator entre 2 e 5mgO₂/L, sem a qual, a eficiência do processo é afetada. Assim, para Rusten et al (1994), a concentração de OD é a variável mais preponderante ao sistema.

Materiais e métodos
A pesquisa foi desenvolvida por meio de experimento em escala piloto, sendo posto em operação um reator biológico com volume útil de 1m³, instalado no campo experimental de tratamento de esgoto do Centro Tecnológico de Hidráulica, Escola Politécnica da Universidade de São Paulo, Departamento de Engenharia Hidráulica e Sanitária.
O esgoto sanitário que alimentou a unidade piloto era proveniente do CRUSP – Conjunto Residencial da USP, recebendo tratamento preliminar por meio de gradeamento e desarenação, sendo em seguida encaminhado para um decantador primário.
Na figura 3 apresenta-se o conjunto de unidades que integram o tratamento preliminar, e na figura 4, a piloto MBBR.

 

Para alimentação da unidade piloto MBBR, o esgoto, após passar pelas etapas do tratamento preliminar, foi descarregado em um reservatório elevado de equalização com 2000 L de volume total, composto por duas caixas de fibro-cimento de 1.000 de volume unitário (figura 3-d). Da equalização o esgoto era transferido por gravidade para o decantador primário (figura 3-e) sob vazão controlada de forma a manter o tempo de detenção hidráulica entre uma e duas horas, de onde era recalcado para o tanque de aeração mediante o uso de uma bomba centrífuga. A figura 5 apresenta o ‘lay out’ da piloto.

 

Cerca de 30% do volume útil do reator MBBR foi preenchido com biomídia PZE^®, de produção nacional, com área superficial específica de 600m²/m³; o OD foi introduzido por meio de difusores localizados na base do tanque, sendo alimentado por uma linha de ar comprimido. Na figura 6 é mostrada a biomídia utilizada no experimento.

 

Parâmetros operacionais
A fim de avaliar o comportamento do sistema frente a diferentes valores aplicados de COS e COV, bem como sua influência da capacidade de remover matéria orgânica carbonácea e nitrogenada, o experimento foi dividido em dois estágios. No primeiro foi aplicado uma COS média de 11gDQO/m².d e no segundo estágio, uma COS média de 6gDQO/m².d, mantendo, em ambos os estágios, o mesmo nível de preenchimento com biomídia e OD. A tabela 5 resume os valores dos principais parâmetros operacionais adotados ao longo do estudo.

 

Variáveis de monitoramento
A fim de avaliar a eficiência do processo MBBR no que diz respeito à remoção de matéria orgânica e de nitrificação, foram realizadas, duas vezes por semana, análise das variáveis Demanda Química de Oxigênio (DQO) e Nitrogênio Total Kjeldhal (NKT), referentes ao esgoto bruto (decantado) e efluente final (total e filtrado).
Para caracterizar quantitativamente a biomassa aderida à biomídia, foram realizadas determinações de sólidos em suspensão voláteis (SSV), através da extração do biofilme, seguindo a metodologia:
• Em cada determinação, foram coletadas biomídias do tanque de aeração, utilizando-se peneira;
• O material coletado era transferido para o frasco da figura 7-a, até completar volume de 100 mL (cerca de 8 unidades), adicionando-se, em seguida, água destilada;
• O conteúdo dos frascos foi transferido para cápsulas de porcelana e cada elemento foi raspado em suas superfícies externa e interna com escova de uso odontológico (figura 7-b);
• Ao mesmo tempo da raspagem, os suportes iam sendo lavados com água destilada, recolhendo-se todo o volume produzido em um béquer (figura 7-c);
• Posteriormente foram realizadas as determinações das concentrações de SSV e SST.
Por fim, foram realizadas medições de pH e OD diárias no tanque de aeração.

 

 

Discussão dos resultados
Ao longo do experimento observou-se uma grande estabilidade do piloto nas variáveis pH e OD, não havendo grandes oscilações, o que permitiu uma melhor avaliação da eficiência da mesma. A figura 8 apresenta a série histórica.

 

Remoção de matéria orgânica carbonácea
A tabela 6 apresenta, resumidamente, os valores aplicados para os parâmetros operacionais nos dois estágios.
Como se pode observar na tabela 6, os valores médios aplicados para COV nos dois estágios são parecidos com os apresentados na tabela 2, enquanto que para COS são superiores aos usuais (tabela 3).

 

Uma dificuldade enfrentada ao longo do estudo foi causada pela instabilidade da bomba de recalque de esgoto. Por tratar-se de vazões pequenas, a bomba do tipo centrífuga utilizada não seria a mais adequada, o que provocou grande variação nas vazões aplicadas, como se pode notar nos valores máximos e mínimos dos parâmetros operacionais.
Na tabela 7 são apresentados os dados estatísticos referentes ao monitoramento da variável DQO no esgoto bruto e no efluente MBBR, nos dois estágios.

 

Na figura 9 é apresentada a série histórica (médias móveis de 4 termos) relativas a DQO do esgoto decantado e do efluente final da piloto MBBR e os diagramas Box-Whiskers na figura 10 ilustram a eficiência de remoção obtida em cada estágio.

 

 

Nota-se, no estágio 1 uma eficiência de remoção média de 84% e no estágio 2 de 77%, o que demonstra uma variação muito pequena, mesmo mediante a diminuição pela metade dos parâmetros COS e COV, permitindo supor a estabilidade do sistema diante da diminuição da carga orgânica aplicada, no que diz respeito a formação e manutenção do biofilme.
Percebe-se um significativo aumento no valor de DQO afluente no estágio 2 (tabela 5), o que pode justificar os valores superiores de DQO no efluente desse estágio quando comparado com o anterior.
Nessas condições, observou-se no estágio 1 uma relação média de DQO/SSV-Biofilme da ordem de 2,45kgDQO/kgSSV-Biofilme, enquanto que no estágio 2, de 3,18kgDQO/kgSSV-Biofilme.
Deve-se ressaltar que o sistema operou com apenas 30% de enchimento de biomídia, valor bem abaixo do comumente empregado em MBBR e sem reciclo de lodo secundário.
Na figura 11 se podem observar os valores de remoção para DQO filtrada nos dois estágios, a fim de avaliar a influência da eventual perda de sólidos no efluente final na eficiência do sistema.
No estágio 1 obteve-se, na média, 93% de eficiência, enquanto que no estágio 2, 87%; um ganho de cerca de 10 e 12%, respectivamente, quando comparados com os dados da DQO total.

 

 

Remoção de nitrogênio
Na tabela 8 são apresentados os dados estatísticos referentes ao monitoramento da variável NKT no esgoto bruto e no efluente MBBR, nos dois estágios.

 

Nota-se um considerável aumento, na média superior a 50%, na concentração de NKT presente no esgoto durante toda o estágio 2. A princípio, não existe uma explicação para essa alteração, uma vez que não ocorreu nenhuma mudança na rede de esgoto que chega à elevatória que alimenta o piloto.
Tal fato fez com que a carga de nitrogênio aplicada no estágio 2 permanece-se igual a aplicada no estágio anterior, mantendo-se em 0,4 kgN/m³.d e em relação ao biofilme em 2,2gN/m².d, valores esses não condizentes a esgoto sanitário.
Na figura 12 é apresentada a série histórica (médias móveis de 4 termos) relativas ao NKT do esgoto decantado e do efluente final da piloto MBBR e os diagramas Box-Whiskers na figura 13 ilustram a eficiência de remoção obtida em cada estágio.

 

 

Observa-se uma baixa eficiência de remoção de NKT, em torno de 58%, durante o estágio 1, indicando que o fenômeno de nitrificação não ocorreu de forma satisfatória no reator MBBR.
A possível explicação para o fato pode ser atribuído à taxa de COS, aplicado ao experimento, ser alta e típica para remoção de matéria orgânica, bem como o baixo TDH ter dificultado a ação das bactérias nitrificantes, tanto que o mesmo não ocorreu durante o estágio 2, onde o valor de COS fora diminuído pela metade e o TDH dobrado, gerando uma remoção de nitrogênio média de 70%. Nessas condições, observou-se no estágio 1 uma relação média de NKT/SSV-Biofilme da ordem de 0,51kgN/kgSSV-Biofilme, enquanto que no estágio 2, de 1,04kgN/kgSSV-Biofilme.
Na figura 14 se podem observar os valores de remoção para NKT filtrada nos dois estágios, a fim de avaliar a influência da eventual perda de sólidos no efluente final na eficiência do sistema.
De acordo com as figura 14, não se observa um ganho considerável na eficiência do processo, quando comparada com os valores obtidos para o efluente total.

 

 

Caracterização da biomassa aderida
O monitoramento quantitativo da série histórica do biofilme e os valores médios em cada estágio podem ser observados nas figuras 15 e 16. Percebe-se que durante todo o estágio 1 os valores de SSV mantiveram-se na ordem de 1g/L, valor esse tal reportado na literatura, o que demonstra a efetividade da biomídia PZE^® em oferecer aderência ao biofilme; contudo, no estágio 2, com a diminuição da carga orgânica aplicada, nota-se uma diminuição da concentração de SSV na biomídia, mas que, como demonstrou os resultados de remoção de DQO e NKT, não comprometeu a eficiência do processo.

 

 

Conclusão
Ao término do estudo pode-se concluir que:
• O processo de MBBR sem reciclo de lodo secundário é viável para remoção de cargas orgânicas carbonáceas e nitrogenadas, mesmo com um baixo enchimento de biomídias;
• A determinação do valor de COS empregado ao sistema é fundamental para a ocorrência ou não do processo de nitrificação e consequente remoção de nitrogênio;
• A biomídia PZE^® utilizada no experimento mostrou-se eficiente no que diz respeito à área superficial e capacidade de aderência ao biofilme.

 

Fábio Campos
Biólogo e Doutorando em Ciências pela Faculdade de Saúde Pública da USP.
Rosvaldo Catino
Engenheiro Sanitário e professor da Faculdade de Tecnologia e Processos Ambientais no SENAI.

 

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