Danos ambientais podem ser minimizados com o filtro anaeróbio com recheio de bambu, combinado com filtros de areia

por Adriano Luiz Tonetti, Bruno Coraucci Filho, Ronaldo Stefanutti, Roberto Feijó de Figueiredo e Camilla Cristina Okano São Pedro

O IBGE (2000) estima que do total de distritos brasileiros, 84% lançam os esgotos diretamente nos corpos hídricos e 58% não possuem qualquer tipo de rede coletora. Outro dado demonstra que 73% dessas localidades tem população inferior a 20.000 habitantes, distribuídos pela zona rural e pequenos núcleos urbanos, característica que dificulta e encarece a implantação de métodos convencionais de tratamento de esgotos.
Essa conjuntura agrava os problemas de saúde pública e ambiental e sua melhoria depende, em grande parte, do desenvolvimento de sistemas de tratamento simples, eficientes e adaptáveis às condições econômicas e estruturais dessas cidades. Segundo Chernicharo e Von Sperling (1996), entende-se por simplicidade o emprego de métodos naturais menos mecanizados e com baixo custo de construção e operação, além de viáveis e sustentáveis.
Muitos trabalhos foram desenvolvidos nesse sentido pela rede PROSAB - Programa de Pesquisas em Saneamento Básico (2004), sendo que um dos métodos pesquisados juntamente com a Unicamp foi o tratamento de esgotos sanitários por filtros anaeróbios com recheio de bambu, primeiramente estudados por Costa Couto (1993). O sistema possui baixo custo, consome pouca energia e produz quantidade mínima de lodo, contudo a remoção de organismos patogênicos, nutrientes e matéria orgânica não atende a legislação brasileira, tornando necessário um pós-tratamento.
A associação deste reator anaeróbio pesquisado com filtros de areia é uma alternativa que preserva o baixo custo e as mínimas necessidades de operação e manutenção. Existe, também, a possibilidade de dispor o efluente nos cursos d’água ou reutilizá-lo na irrigação ou no consumo não-humano, conforme proposto pela Organização Mundial de Saúde (OMS, 1989). Assim, diminuir-se-ia o uso das fontes geradoras de água potável, resguardando-as para empregos mais nobres. O sistema, além de aplicável as pequenas comunidades, também poderia ser adotado nos bairros isolados, zona rural, condomínios e pontos comerciais que margeiam as rodovias.
Destaca-se que o Brasil possui a NBR 13969 (1997), que especifica o projeto desse tipo de tratamento. No entanto, os padrões construtivos e operacionais estabelecidos estão abaixo das possibilidades que o conjunto realmente possui. Como exemplo, a norma estabelece uma taxa de 100 Lm^-2dia-1 como limite para a aplicação do afluente anaeróbio sobre a superfície do filtro de areia. Por sua vez, a USEPA (1980), agência ambiental de um país com clima mais frio que o do Brasil, estipula taxas superiores a 200 Lm^-2dia-1. Esta pequena comparação já demonstra a necessidade de pesquisas na área, buscando levantar dados mais confiáveis para o aproveitamento desse tipo de tratamento em nosso país.

Metodologia
Um projeto de pesquisa foi instalado em uma área experimental situada na Estação de Tratamento de Efluentes Graminha, na cidade de Limeira, Estado de São Paulo.
O esgoto bruto era proveniente de um bairro residencial e uma parcela do seu fluxo foi bombeada para quatro filtros anaeróbios de formato cilíndrico e volume individual de 500 l, com diâmetro interno de 0,75 m e altura de 1,68 m. O fundo era cônico e separado da região ocupada pelo meio suporte por uma grade de bambu. A região funcionava como um compartimento para a distribuição do esgoto.

Na Figura 1 está apresentado o esquema e as vistas externa e interna dos reatores. O meio suporte era constituído por anéis de bambu da espécie Bambusa tuldoides, com diâmetro de 4 cm e comprimento de 5 cm. Após o preenchimento do reator com este material, 71% do volume era de vazios (Camargo, 2000). Os reatores foram operados sob fluxo ascendente, vazão ascensional de 2 Lmin-¹ e tempo de detenção hidráulica de 3 horas. Após a passagem pelos filtros anaeróbios, bombeava-se o efluente para uma caixa de homogeneização, a partir da qual era aplicado sobre os filtros de areia. Para a distribuição uniforme do afluente, empregou-se uma placa quadrada de 20 cm de comprimento, feita de madeira e posicionada no centro da camada superficial (Figura 2). Após o lançamento, existia o choque do líquido com a placa, distribuindo-o homogeneamente. A infiltração para o interior do leito ocorria rapidamente e a coleta dava-se por meio de uma tubulação de saída, existente no fundo dos filtros de areia.

Filtros de areia
Na construção dos filtros de areia, foi utilizada uma caixa cilíndrica de diâmetro interno de 1,00 m contendo três camadas de materiais posicionadas a partir da base. A primeira possuía 20 cm de espessura e era constituída por brita 4, com diâmetro efetivo (D10) de 37,000 mm e coeficiente de desuniformidade (CD) de 2,400.
Acima estava a camada formada por brita 1, com D10 igual a 9,600 mm e CD de 1,771; tendo 10 cm de profundidade. Esses materiais objetivavam impedir que a areia fosse arrastada para fora do sistema.
Quanto ao leito de areia, em cada filtro, adotaram-se profundidades diferentes, conforme a Tabela 1.
A areia empregada foi a popularmente denominada de areia grossa comercial, com diâmetro efetivo de 0,093 mm e coeficiente de desuniformidade de 4,516 (Tonetti, 2004).
Na Figura 3, apresenta-se o esquema dos filtros com a disposição das diferentes camadas.

Cargas de aplicação
O efluente dos reatores anaeróbios foi aplicado nas cargas de 20, 40, 60, 80 e 100 Lm-² sobre as superfícies de cada um dos quatro filtros de areia, todas empregadas em três diferentes freqüências.
Na primeira etapa, cada uma delas foi aplicada uma vez ao dia, aproximadamente às oito horas da manhã. Durante a segunda parte do projeto, ocorreram duas disposições das mesmas cargas em dois horários no intervalo de uma hora, ou seja, às 8 e às 9 horas. Finalmente, eram aplicadas diariamente, em três momentos, observando o mesmo espaço de tempo entre elas. Cada carga, em suas respectivas freqüências, foi aplicada pelo período de um mês. Destaca-se que a aplicação do volume correspondente às cargas de afluente anaeróbio dava-se em um curto intervalo de tempo, com o enchimento e o rápido esvaziamento da caixa de distribuição. Na Figura 2, estão apresentadas as fotos referentes a este sistema de aplicação e também de coleta das amostras.
Em uma situação modelo, a carga de 20 Lm-² foi aplicada uma única vez por dia na primeira etapa, pelo período de 1 mês. Ao final do período, iniciou-se o emprego de 40 Lm-², pelo mesmo prazo de estudo. O procedimento repetiu-se até a disposição de 100 Lm-². Logo após, iniciou-se a segunda etapa, quando se deu a aplicação das mesmas cargas duas vezes ao dia, no intervalo de 1 hora, perfazendo no caso da carga de 20 Lm-², uma taxa de 40 Lm^-2dia-1. Por fim, na última etapa, ocorreram três aplicações diárias, totalizando a taxa de 60 Lm^-2dia-1.

Coleta de amostras e análises laboratoriais
Semanalmente, foram coletadas amostras dos seguintes pontos: esgoto bruto, afluente e efluente dos filtros de areia, ressaltando-se que o afluente dos filtros de areia era correspondente ao efluente dos filtros anaeróbios. Os procedimentos para análise adotados foram baseados no Standard Methods for the Examination of Water and Wastewater (APHA/AWWA/WEF, 1998). As únicas exceções referem-se aos compostos nitrogenados, em que se empregou o método FIA (Faria e Pasquini, 1991). A análise estatística dos dados de DBO foi feita por meio da variância e do teste de comparação de médias (Tukey 5%) do programa Bioestat (Ayeres et al, 2003).
Na Figura 4 está apresentado, de forma esquemática, este projeto de pesquisa, assim como os diversos pontos de coleta das amostras.

Resultados
pH e oxigênio dissolvido (OD): A média do pH do esgoto bruto e do efluente dos filtros anaeróbios foi de respectivamente 7,1 e 7,2, valores que demonstram condições adequadas para o equilíbrio do funcionamento dos reatores. Quanto ao efluente dos filtros de areia, ao comparar seus resultados com
os limites estabelecidos pelo CONAMA 20 de 1986, que somente permite a emissão em um corpo receptor do líquido cujo pH esteja na faixa compreendida entre 5 e 9, nota-se que, na grande maioria das situações, o sistema estava de acordo com a legislação.
O oxigênio dissolvido no efluente dos filtros anaeróbios era de 1,72 mgL-¹. Ao ser aplicado nos filtros de areia, ocorreu um acréscimo no OD, superando na grande maioria dos casos 6 mgL-¹, valor mínimo exigido em corpos d’água de Classe 1 (CONAMA 20, 1986). Constatou-se que quanto mais profundo o leito, maior era a concentração de oxigênio dissolvido no efluente. Esse comportamento deveu-se à maior quantidade de poros presentes nos leitos mais profundos, aumentando a superfície de contato entre o ar e o líquido.
Demanda bioquímica de oxigênio - DBO: A média de DBO no esgoto bruto era de 298 mgL-¹, enquanto que no efluente dos filtros anaeróbios atingiu 150 mgL-1, propiciando uma remoção de 49%. Esse baixo percentual, possivelmente foi resultante do pequeno tempo de detenção hidráulico empregado nos reatores.
Desse modo, as concentrações médias do efluente estavam acima da aceita pela legislação do Estado de São Paulo (Decreto 8.468 de 08/09/1976), que impõe o limite de 60 mgL-¹ para a emissão em corpos hídricos. Conforme a Tabela 2, após a aplicação desse efluente anaeróbio nos filtros de areia, observou-se que o F025 e F050 apresentaram um único valor médio inadequado ao padrão de lançamento paulista, enquanto o F075 e F100 sempre estiveram abaixo de 60mgL-¹. Na comparação, o F025 gerou em todas as situações os maiores valores de DBO e o F100 e F075 proporcionaram os menores resultados. Estatisticamente, constata-se que na aplicação de 20 e 40 Lm-² nas etapas 1 e 2, os quatro leitos tiveram performances que não se diferenciavam significativamente. Dessa forma, no emprego de pequenos volumes de afluente anaeróbio, a profundidade da camada de areia não era um fator que influenciava de maneira relevante o tratamento.

Em praticamente toda a etapa 1, o F050, F075 e F100 não tiveram resultados estatisticamente discrepantes em uma mesma carga. Para o F075 e F100, estende-se esta afirmação a praticamente todo o período da pesquisa. Assim, seria indiferente a escolha de uma dessas profundidades de leitos de areia tendo-se em vista o melhor tratamento.
Avaliando-se cada filtro de areia no decorrer do aumento das cargas aplicadas, nota-se um gradativo acréscimo das concentrações médias. No entanto, para o F050, F075 e F100 não ocorreram diferenças estatísticas significativas na DBO de toda a primeira etapa. Esse comportamento não se repetiu na segunda etapa, havendo a formação de dois patamares com concentrações significativamente distintas no decorrer do aumento das cargas. No que diz respeito ao F075 e F100, apenas o efluente coletado na carga de 100 Lm-² possuía DBO média estatisticamente diferente dos valores encontrados nas outras quatro cargas empregadas. Dessa forma, constata-se que os filtros com leitos mais profundos suportaram maiores cargas sem levar a um aumento significativo na matéria orgânica em seus efluentes.
Comparando-se os resultados da aplicação de 20 e 40 Lm-² na primeira etapa com os encontrados na segunda, observa-se que apesar do emprego do dobro do volume de afluente anaeróbio, as concentrações de DBO foram menores. Esse comportamento pode ser explicado pela ampliação do número de microrganismos adaptados ao processo de tratamento.
Quanto ao percentual de remoção, na primeira etapa todos os leitos tiveram resultados superiores a 75%, sendo que no F100, oscilou entre 96% e 99%. Na segunda e terceira etapa, os dados ainda foram bastante expressivos e na aplicação de 20 e 40 Lm-² nas três etapas, sempre estiveram acima de 90%, chegando em muitos casos a superar 95%.

Compostos nitrogenados
A média de nitrogênio orgânico no esgoto bruto era de 46,3 mgL-¹ e a de nitrogênio amoniacal atingia 22,6 mgL¹. O efluente dos filtros anaeróbios tinha resultados superiores de nitrogênio amoniacal, equivalente a 47,8 mgL-¹ e o nitrogênio orgânico chegava a 32,5 mgL-¹. O nitrito e o nitrato não excederam a média de 1,0 mgL-¹.
Após sua aplicação nos filtros de areia ocorreu um grande processo de nitrificação. Na primeira etapa, conforme as Tabelas 6 e 7, os efluentes apresentaram concentrações de nitrogênio total e nitrato muito próximas, indicando a quase completa oxidação da parcela orgânica e amoniacal. Os maiores valores de nitrogênio amoniacal foram encontrados no emprego de 80 Lm-² e, na carga de 100 Lm-², as médias foram reduzidas, sendo que esse comportamento repetiu-se em todos os filtros de areia. Possivelmente o comportamento foi resultante do período de um mês de paralisação da aplicação do efluente anaeróbio que antecedeu a maior carga da etapa. Essa inatividade levou ao consumo da matéria orgânica presente nos interstícios do leito, contribuindo para sua melhor oxigenação e conseqüente aumento da concentração de nitrato. Para a segunda etapa, durante a aplicação de 20, 40 e 60 Lm-², também existiu um grande processo de nitrificação. A partir da disposição de 80 Lm-², o nitrogênio orgânico e amoniacal ultrapassaram a média de nitrato.
Para o F025 na carga de 100 Lm-² a média de nitrogênio amoniacal chegou a 36,4 mgL-¹ e o nitrogênio orgânico a 24,2 mgL-¹, enquanto que o nitrato não excedeu 14,8 mgL-¹. Os resultados mostram a ocorrência de uma nitrificação apenas parcial. Na terceira etapa o aumento da concentração de nitrogênio amoniacal iniciou-se na aplicação de 60 Lm-², levando o nitrato a não exceder 2,0 mgL-¹. Quanto ao F050, na primeira etapa, também ocorreu um processo acentuado de nitrificação e as concentrações de nitrogênio amoniacal e orgânico sempre foram inferiores às encontradas no efluente do F025, sendo que esse comportamento repetiu-se em praticamente todo o projeto. Na segunda etapa, no emprego de 100 Lm-², a concentração média de nitrogênio amoniacal foi superior no F050 e o nitrogênio orgânico teve valores maiores no F025. Assim, apesar da diminuição da nitrificação, o F050 ainda teve a capacidade de transformar uma maior quantidade de nitrogênio orgânico em amoniacal. Na terceira etapa, no F050 a nitrificação não foi eficiente a partir da aplicação de 80 Lm-².
Na etapa inicial, o F075 apresentou uma nitrificação ainda mais vigorosa. O nitrogênio amoniacal não superou 3,9 mgL-¹, mesmo na disposição de 80 e 100 Lm-². Na segunda etapa, durante a carga de 100 Lm-² existiu um aumento da presença de nitrogênio amoniacal e orgânico, a média para esses compostos foi de 36,0 mgL-¹ e 20,9 mgL-¹ respectivamente, não excedendo o nitrato, que chegou a 42,8 mgL-¹. Os valores demonstram que quando ocorria o emprego de maiores taxas, apesar da diminuição da nitrificação, ela ainda era superior a encontrada no F025 e F050. Na terceira etapa, durante a aplicação de 80 e 100 Lm-², no F075 ocorreu a diminuição da concentração de nitrato, aproximando-a daquela obtida para o nitrogênio orgânico e amoniacal. Destaca-se que mesmo na maior carga, o nitrato nunca chegou a resultados inferiores 10 mgL-¹, demonstrando que a nitrificação ainda estava presente, distinguindo-se do ocorrido nos filtros mais rasos. O F100 teve um comportamento muito similar ao F075, com grande oxidação dos compostos nitrogenados até a aplicação de 60 Lm-² na segunda etapa. Nos resultados para a maior carga da terceira etapa, o nitrato, cuja concentração média era de 24,0 mgL-¹, suplantava o nitrogênio amoniacal e orgânico, que possuíam 14,9 mgL-¹ e 5,0 mgL-¹, respectivamente.
Uma característica comum verificada nos filtros de areia ocorreu na disposição de 20 Lm-² na primeira etapa. Nessa ocasião os efluentes tiveram baixas concentrações de nitrogênio total, apesar da entrada de um afluente similar aos outros períodos. O comportamento pode ter sido ocasionado pela pequena carga empregada somada ao fato dos leitos não terem, anteriormente, sofrido a disposição do afluente anaeróbio. Desse modo, existiu a possibilidade de uma maior retenção dos compostos nitrogenados pela areia.

Conclusões
O funcionamento do sistema constituído por filtros anaeróbios seguidos pelos filtros de areia mostrou ser um sistema de operação simples e que não apresentou problemas operacionais. No que diz respeito aos resultados obtidos, no princípio observou-se que os leitos de areia interferiram no pH dos efluentes. Quanto ao oxigênio dissolvido, ocorreu um aumento significativo da concentração após a passagem do efluente anaeróbio pela camada de areia. Os reatores anaeróbios propiciaram a remoção de 50% da DBO do esgoto bruto e os filtros de areia realizaram o tratamento complementar do efluente. Destaca-se que os leitos que possuíam 0,75 e 1,00 m de profundidade de areia suportaram o aumento das cargas de afluente sem levar a um acréscimo significativo na DBO dos efluentes, sendo que em todas as situações estudadas os resultados estiveram abaixo da legislação específica. Esses mesmos filtros de areia tiveram a capacidade de realizar uma completa nitrificação.
Ao comparar os dados com a NBR 13969, que estabelece os parâmetros para a construção dos filtros de areia, constata-se que a norma é extremamente cautelosa. Na presente pesquisa chegou-se a aplicar 3 cargas diárias de 60 Lm-² ou o equivalente à taxa de 180 Lm^-2dia1, obtendo-se excelentes resultados para a remoção de matéria orgânica e nitrificação. Destaca-se que esse valor empregado de afluente anaeróbio é praticamente o dobro do limite máximo proposto pela norma brasileira.