Filtros biológicos são dispositivos empregados para tratamento de efluentes, sendo muito utilizados atualmente como pós-tratamento de sistema anaeróbio, como os reatores de anaeróbios de fluxo ascendente, mais conhecidos como "UASB". Os filtros biológicos percoladores são sistemas que possuem facilidades de operação e manutenção e também baixo custo e consumo de energia.
Existem basicamente dois tipos de filtro biológico: anaeróbio e aeróbio. Este último dividi-se em outras três subcategorias segundo a taxa de aplicação hidráulica e a taxa de aplicação de carga orgânica, conforme tabela abaixo.

Para garantir tais condições às dimensões, os filtros biológicos podem variar de 1 a 12 metros de altura e diâmetros de até 50 metros.
Ao contrário do que o nome nos sugere, o filtro biológico não possui a função de remover material particulado ou em suspensão da água através do elemento filtrante, como em uma filtração convencional, por exemplo. A principal função neste caso é a remoção de poluentes dissolvidos na água, principalmente substâncias de origem orgânicas, como proteínas, açúcares, lipídios e etc, contidos no efluente líquido.
Para isso são empregados microorganismos decompositores cujo crescimento se dá de maneira aderida ao material de enchimento do filtro, ou seja, neste caso, os microorganismos crescem em um leito fixo inerte, diferentemente dos sistemas de lodos ativados, onde a biomassa cresce em suspensão no meio líquido.
A primeira unidade de filtro biológico a entrar em operação foi na Inglaterra, datada do fim do século XIX, sendo a precursora dos "filtros de contato".
Este primeiro filtro biológico, muito robusto, consistia basicamente em um tanque preenchido com pedras, onde o esgoto sanitário era então direcionado para seu interior até completar o volume total e por lá permanecia por determinado intervalo de tempo. Após este período de detenção e com carga poluidora reduzida, o filtro era drenado e posto em repouso antes de receber nova carga sanitária.
O material de enchimento do leito deve ser inerte, sendo empregado com maior frequência pedras tipo britas nº 4 e anéis plásticos. Os materiais de suporte possuem tamanhos da ordem de alguns centímetros, a fim de proporcionar grandes espaços vazios entre eles para que não ocorra afogamento do leito. Desta maneira, a corrente de efluente percola (escoa) de maneira descente pelo leito do filtro, promovendo o contato do efluente com a superfície do suporte, onde se encontra o biofilme.

O material de enchimento deve possuir, portanto grande área superficial. Normalmente para brita nº 4 a área superficial varia de 40 a 70 m² por m³ e em anéis plásticos de 100 a 200 m² por m³. Além da grande superficial, os anéis plásticos são até 95% mais leves que as pedras, proporcionando uma estrutura mais leve, menos robusta e mais barata para a construção do filtro.

Com grande disponibilidade de área, os microorganismos se aderem ao leito e assim crescem fixados a ele, proporcionando, dessa maneira, uma elevada concentração de biomassa dentro do filtro biológico, graças ao auxílio do biofilme. O biofilme consiste em uma fina película formada por colônias de microorganismos que excretam bio-polimeros que os auxiliam a permanecerem fixados ao material de suporte. A espessura dessa película pode variar de um a três milímetros.
Os principais responsáveis pela degradação (oxidação bioquímica) da carga orgânica poluidora gerada pelos esgotos, geralmente medida em termos de DBO (Demanda Bioquímica por Oxigênio), são microorganismos como bactérias e protozoários. Outros microorganismos decompositores também encontrados são micrometazoários, fungos e algas.
Dentre os sistemas citados, existem filtros biológicos anaeróbios e aeróbios. Neste artigo será dada maior ênfase aos sistemas aeróbios de leito percolador não afogados.
Nos filtros biológicos anaeróbios, não há oxigênio disponível para a microbiota, sendo assim, os seres utilizam outras substâncias para efetuarem seu metabolismo como, por exemplo, sulfatos e dióxido de carbono. Filtros anaeróbios são mais comumente empregados como pós-tratamento de efluente sanitário de fossas sépticas, proporcionando boa eficiência de remoção de DBO carbonácea, podendo atingir valores de 80% na redução da carga orgânica, sem ocorrência de nitrificação do esgoto sanitário.
Os filtros biológicos aeróbios utilizam oxigênio gasoso para o metabolismo e respiração microbiana, assim de maneira semelhante aos seres humanos. Nesses sistemas, a eficiência de remoção de DBO pode chegar até a 90%, e com boa eficiência de nitrificação do efluente.
Nos sistemas aeróbios de baixa e média taxa de aplicação, a aeração ocorre de forma convectiva natural devido à diferença de temperatura do ambiente ao longo do leito. Se a temperatura do ambiente for maior que a temperatura do esgoto, o fluxo de ar é o mesmo do efluente, ou seja, descendente; caso o efluente tenha temperatura mais elevada, o fluxo do ar é ascendente.
A entrada de ar ocorre via janelas localizadas na parte inferior do filtro, sob o fundo falso ou pelo topo do filtro, de acordo com condições anteriormente mencionadas.
Para filtros de alta taxa de percolação, há necessidade de aeração convectiva forçada; para isso, são empregados sopradores de ar.

O funcionamento do sistema consiste na passagem do esgoto sanitário pré-tratado para o topo do filtro através da unidade elevatória de esgoto. Seguindo a tubulação central, o efluente é distribuído uniformemente por braços rotativos com auxílio de difusores de pequena secção transversal no topo do filtro. Estes pequenos difusores propiciam a pulverização do efluente sob o leito, mantendo-o uniformemente úmido.
Ao percolar de maneira descendente por entre os espaços existentes nas rochas, os microorganismos aderidos à superfície do suporte entram em contato com o esgoto e assim se alimentando da matéria orgânica presente no efluente, depurando a água residuária.
Com a remoção da manteria orgânica há um aumentando natural da população microbiana e, com isso, aumento da espessura do biofilme. Dessa maneira, as camadas mais próximas ao material de enchimento tendem a se tornar camadas anaeróbias, ou seja, o oxigênio gasoso tem dificuldade em difundir-se pelo biofilme, proporcionando então uma condição mista entre anaerobiose e aerobiose temporária no material de enchimento.
Ao decorrer do tempo, o substrato também começa a não difundir-se bem pelo biofilme. Desse modo, a camada anaeróbia entra em colapso e morre, fazendo com que ocorra o desplacamento do biofilme, que, então, seguirá o fluxo de efluente para a unidade de decantação, onde ocorre a separação sólido/líquido.
Ao chegar à base do filtro, o efluente é encaminhado ao decantador secundário, onde ocorre a separação do floco biológico do efluente tratado. Diferentemente do sistema de lodos ativados, o lodo sedimentado não retorna ao reator biológico. Somente há necessidade de reciclo de efluente tratado em casos de filtros de alta taxa de aplicação, a fim de garantir DBO carbonáceo na ordem de 100 mg/L na entrada do sistema.
A quantidade de lodo gerado pelo sistema de filtro biológico é muito inferior ao do sistema de culturas em suspensão, como lodos ativados que apresentam valores comuns de 0,85 a 1,20 kg SS/kg DBO/dia. Já para filtros biológicos percoladores aeróbios, os valores variam de 0,75 a 0,85 kg SS/kg DBO/dia.
A água clarificada gerada pelo sistema deverá receber processo de desinfecção via cloração, luz ultra-viloteta ou ozonização entre outros processos, para ser despejada em corpos de água, seguindo a legislação pertinente ao corpo d’água receptor.
Para efetuar o reúso do efluente tratado, será necessário efetuar o pós-tratamento, que exigirá unidades de coagulação/floculação, decantação e/ou filtração em filtro leito de areia, finalizando o processo de polimento com filtração com filtro tipo cartucho ou bolsa com capacidade para reter partículas de 25?.
Como alternativa para o pós-tratamento, também se pode empregar sistema de ultrafiltração com a utilização de membranas poliméricas especiais, que produzem uma água de reúso com elevada qualidade, reduzindo a quantidade de produtos químicos utilizados, se comparados com as técnicas convencionais de tratamento.
A última etapa de tratamento para reúso do efluente será o processo de desinfecção para garantir maior segurança no reúso. Aqui também pode-se aplicar cloração convencional, dióxido de cloro, ozônio ou luz ultra-violeta .

Referências bibliográficas:

ABNT – Associação brasileira de normas técnicas – NBR 12209/1992, Projeto de estação de tratamento de esgoto sanitário.
METCALF & EDDY, Inc. "Wastewater Engineering: Treatment, Disposal, Reuse". McGraw-Hill International Editions, 3rd ed., New York, 1999.

VON SPERLING, MARCOS. (2005) – Introdução à Qualidade das Águas e ao Tratamento de Esgotos. Volume 1 da série: Princípios do Tratamento Biológico de Águas Residuárias. 3ª Edição, Belo Horizonte, Departamento de Engenharia Sanitária e Ambiental, Universidade Federal de Minas Gerais.

Henrique Martins Neto
Engenheiro Químico, formado pela Faculdade Oswaldo Cruz, 2008. Cursando especialização em Química Ambiental no centro de pós-graduação da Faculdade Oswaldo Cruz e mestrando em Engenharia Hidráulica e Sanitária na Escola Politécnica da Universidade de São Paulo.
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