Os filtros biológicos percoladores (FBP), como muitos outros tipos de sistemas de tratamento biológico de águas residuais, podem ser desenhados como sistemas aeróbios ou anaeróbios, sendo este o meio mais comum de interferir quanto à dominância de certas espécies, visando determinados resultados. Atualmente são bem conhecidas as cinéticas de degradação da maioria dos compostos presentes em efluentes domésticos, e até em muitos tipos de efluentes de processos industriais. Levando em consideração tais cinéticas (e suas variações segundo os parâmetros do processo), as reações de oxidação e redução e a afinidade das bactérias por compostos específicos em determinadas condições, é possível prever o comportamento e eficiência de qualquer sistema ao longo do tempo.
O desenvolvimento e a atividade da maioria dos microrganismos, entre eles as bactérias, são relacionáveis, quer direta quer indiretamente, com as condições em que se encontram. Parâmetros como temperatura;água; pH; oxigênio; tipo, estado e concentração de compostos; espécies e famílias de microrganismos e suas inter-relações (predação, simbiose, etc.); luz; entre outros, são fatores que, em maior ou menor escala, promovem ou inibem a presença e ou a atividade desta ou daquela espécie e, portanto, facilitam ou impedem que a remoção de determinado composto ocorra,e em maior ou menor extensão.
Com o objetivo de alcançar melhores resultados e de obter correlações que permitam a sua repetição e precisão em processos similares, têm sido criados e aperfeiçoados ao longo das últimas décadas uma série de modelos específicos para FBP, cuja robustez e aceitação pela comunidade científica são baseadas na obtenção de dados coerentes quando comparados com valores reais verificados em campo, em determinadas condições.
Através da constante evolução de áreas como a microbiologia, bioquímica e fenômenos de transporte, entre outras,da aplicação de métodos de cálculo e estatísticos, e com o auxílio da informática, foi e tem sido possível aperfeiçoar os modelos existentes, e diferenciar e limitar sua aplicabilidade para processos particulares, inclusive com a consideração de determinadas constantes, específicas para determinados conjuntos, sistemas, ou somente para uma ou outra condição específica.

Meio de suporte / recheio / enchimento
Este é o principal componente de um FBP, e consiste principalmente em uma área superficial fixa para adesão do biofilme. Porque é fixo, o meio de suporte permanece imóvel, enquanto a água percola através do sistema. O tipo de meio de suporte influencia diretamente quer os custos de instalação como os custos operacionais de um FBP.
No entanto, é importante sublinhar que o meio de suporte não significa apenas uma área superficial para a colonização e desenvolvimento de microrganismos, que são os reais responsáveis pelo desempenho do sistema. Para que a eficiência venha a ser conforme o previsto, o sistema FBP deve ser desenhado para fornecer aos microrganismos uma distribuição uniforme de nutrientes e oxigênio, e permitir a remoção efetiva de resíduos sólidos e dissolvidos provenientes do seu metabolismo. Assim, todos os componentes de um FBP devem ser desenhados para permitir que a película de microrganismos aderida ao meio de suporte não venha a ser limitada em seu desenvolvimento e atividade.
Porque o principal componente de qualquer FBP é de fato o seu recheio / enchimento, é importante descrever as características daquele que seria o enchimento ideal, ou seja, do enchimento que menos interfere no ecossistema microbiológico que se pretende criar, e que melhor promove os resultados pretendidos.
Convém sublinhar que existem diferenças importantes entre os FBP e outros sistemas de tratamento baseados em biofilme aderido a um meio de suporte, pelo que nem todos os itens que a seguir se mencionam são aplicáveis da mesma forma, ou têm a mesma importância, entre diferentes sistemas de tratamento. Este breve estudo é o meio de suporte para adesão de biomassa, em filtros biológicos percoladores.

Área superficial específica
Esta constante, intrínseca a qualquer recheio, pode ser real ou aproximada, e traduz a relação entre a área disponível para a fixação de microrganismos em uma unidade de volume. Quando expressa em metro quadrado por metro cúbico [m²/m³], pode variar entre valores relativamente baixos, de 40 a 60 m²/m³ para o caso da pedra britada de 4 polegadas, até valores relativamente elevados, de 320 a 400 m³/m³, para enchimentos estruturados, etc.
O valor da área superficial específica de um enchimento é real quando está perfeitamente definido, e aproximado quando não é possível tal exatidão, devido às características variáveis do recheio. No primeiro caso, estão os enchimentos estruturados e as peças randômicas, fabricadas com características e dimensões definidas; no segundo caso, a grande variedade de elementos naturais, como a pedra, etc., cujas características somente podem ser encontradas através de valores médios (dimensões, massa, superfície específica, etc).
A superfície específica é, por vezes, também denominada de "densidade do recheio", o que não deve ser confundido com o peso específico do recheio (massa por unidade de volume), de suma importância no desenho estrutural de outros componentes de um FBP.
É importante distinguir entre a área superficial total e a área superficial real, ou seja, aquela realmente disponível para a fixação e desenvolvimento do biofilme. A área superficial mensurável em poros de ínfimas dimensões, como a existente em partículas de areia, antracite, carvão ativo ou outras partículas de reduzido volume unitário, nem sempre pode ser utilizada como superfície para biofilme.
Com o desenvolvimento do biofilme, a espessura deste aumenta rapidamente, formando uma película cada vez mais espessa. Porque os microrganismos recebem por difusão os nutrientes e oxigênio de que necessitam, as camadas inferiores da película de biofilme terão cada vez menos acesso a estes compostos, verificando-se uma diminuição gradual de sua eficiência, até eventualmente atingir um cenário extremo, em que as camadas inferiores do biofilme se tornam anaeróbias. Quando tal ocorre, a camada de biofilme perde a capacidade de adesão ao meio de suporte. Dependendo do tipo e das características morfológicas do enchimento, essa camada de biofilme pode ser facilmente removida através de uma lavagem, ou ficar retida nos poros e ou interstícios, sem que seja removida. Este fato funciona como um incremento da carga aplicada ao FBP, podendo implicar, em alguns casos, em uma perda de sua área superficial disponível.
Existe também uma alta probabilidade de que esta situação ocorra quando se utiliza, para a remoção carbonácea (DBO), um recheio com elevada área superficial. Uma vez mais, dependendo das características dos enchimentos, nem sempre uma elevada área superficial é proporcional à obtenção de uma alta eficiência. Porque a carga orgânica aplicada é em grande parte convertida em biomassa, ou seja, incorporada em microrganismos, a espessura da camada de biofilme será aumentada rapidamente. Um enchimento com uma superfície específica elevada forçosamente implica que os interstícios / canais existentes por unidade de volume (por metro cúbico, por exemplo), serão relativamente reduzidos. Consequentemente, é grande a probabilidade de que ocorra uma perda de superfície disponível, pelas mesmas razões antes mencionadas, entre outras que serão ainda indicadas.
Assim, para a remoção de DBO, somente deve ser considerada a utilização de um enchimento com uma área superficial específica elevada quando o enchimento tiver características intrínsecas que permitam a remoção / escoamento do excesso de biofilme. Como referido, a performance global de um FBP não depende apenas de um ou outro componente, mas sim de todo o sistema, que deve ser projetado para fornecer aos microrganismos as condições ideais para seu desenvolvimento e atividade plena.
Por outro lado, para a remoção de amônia (nitrificação), um enchimento com área superficial específica elevada é um bom indicador da capacidade do FBP. Em sistemas aeróbios, quando o valor de DBO atinge um patamar relativamente baixo, podendo ser considerado como limitante, as bactérias passam a utilizar a amônia, convertendo-a em nitritos e nitratos. Este processo implica um menor crescimento da camada de biofilme e,consequentemente, é menor o potencial de colmatação dos canais / interstícios do enchimento.
Obviamente que, fazendo comparações entre as dimensões de filtros percoladores, quando maior a superfície específica de um enchimento, menor o volume requerido do enchimento, e consequentemente, dos restantes componentes do FBP. Mas, de modo a proporcionar as tais condições ideais ao biofilme (difusão de nutrientes e oxigênio, remoção de excedentes e de compostos resultantes do metabolismo, etc.), a área superficial específica de um enchimento deve ser considerada com alguma ponderação, e levando em conta as características próprias de cada caso, e não apenas visando o desenho de um FBP de pequenas dimensões, que na prática poderá implicar resultados muito inferiores aos pretendidos, e até a impossibilidade de operar o sistema.

Índice de vazios
Esta constante, também associada a qualquer enchimento, pode ser real ou aproximada (mesmas considerações que para a área superficial específica), e traduz a percentagem de espaços livres, vazios, por unidade de volume. Esta constante pode variar entre 15% e 97%, ou seja, em um volume de um metro cúbico (1000 L), o material do enchimento propriamente dito pode ocupar entre 85% (850 L) e 3% (3 L) desse volume. É a relação entre o volume de vazios pelo volume total, não de massa pelo volume.Este parâmetro implica considerações importantes para os FBP, como para qualquer outra unidade baseada em biofilme aderido, quer do ponto de vista operacional, como estrutural.
Sobre o ponto de vista do processo, quanto maior o valor do índice de vazios de um enchimento, maior é o espaço entre os elementos / canais que o constituem, e consequentemente, maior a facilidade com que os fluídos (líquido e ar) percolam através do recheio,promovendo a difusão de nutrientes e oxigênio com o biofilme, e removendo os excedentes do metabolismo e o biofilme em excesso. Independentemente do valor do índice de vazios, é de extrema importância que qualquer enchimento, randômico (plástico ou mineral), ou estruturado (plástico), possua uma configuração que não crie obstáculos à livre circulação de líquido e ar (ou apenas líquido, em sistemas anaeróbios). Assim, não deve possibilitar a acumulação de sólidos (SST afluentes ao FBP e excesso de biofilme), mas sim promover o escoamento dos mesmos de modo que os fluxos líquido e gasoso não sejam restringidos.

Canais livres e com diâmetro adequado para passagem de fluxo
Como mencionado anteriormente, em outras palavras, a eficiência de um FBP depende, apenas, de dois fatores: a) manutenção dos microrganismos na fase de crescimento exponencial (sempre que possível), e b) microrganismos em quantidade suficiente para remover as concentrações dos compostos contaminantes (mediante balanços mássicos e cinéticas de crescimento e remoção, e das características do enchimento).
É desejável e relativamente fácil manter os microrganismos na fase de crescimento exponencial, fase em que a taxa de crescimento supera em muito a taxa de morte celular, como ilustrado em curvas de crescimento microbiano. Para tal, são necessários alguns procedimentos, como a lavagem percoladora no caso de FBP, cujo desempenho é realmente conseguida quando aplicada em enchimentos estruturados. Esta lavagem percoladora consiste na manipulação da velocidade de rotação dos braços do distribuidor, para que a carga hidráulica aplicada por metro quadrado seja tal (realizados os cálculos) que permita a remoção da camada exterior da película de biofilme, apenas, sem remover as camadas inferiores.
Largamente utilizado há várias décadas em FBP com enchimentos estruturados, este procedimento é extremamente eficaz na manutenção e conservação da espessura do biofilme, permanecendo os microrganismos praticamente em constante fase de crescimento exponencial. Devido à geometria interna destes recheios, é facilmente conseguido o escoamento do excesso do biofilme, ao longo de toda a profundidade do enchimento, sem que seja comprometida a eficiência do FBP. A frequência da lavagem percoladora e a duração do procedimento são calculadas em função do processo, de modo a que, entre lavagens, a espessura da camada de biofilme cresça o suficiente para continuar com um alto nível de difusão e remoção de compostos, sem que, no entanto, alcance uma espessura que impeça a difusão de oxigênio e nutrientes entre os fluidos e o biofilme (que origina pontos de anaerobiose e predação intra espécies). Na prática, é um procedimento simples, com resultados eficazes. Apesar de poderem existir diferentes espécies ao longo da profundidade de um enchimento, com cinéticas diferentes, é essencial que a lavagem percoladora não possua restrições ao longo da profundidade.
Devido à configuração e aleatoriedade dos enchimentos randômicos, em plástico ou brita, não são conseguidas tão altas eficiências na lavagem percoladora como quando utilizados enchimentos estruturados. Consequentemente, se considerados dois FBP cujo recheio totalize uma mesma área superficial disponível para biofilme em cada, pelas razões mencionadas, é comum que os resultados em termos de eficiência de remoção sejam diferentes.
Em termos estruturais, um enchimento mais adequado deve possuir canais amplos e verticalizados, facilitando a percolação do líquido e do ar por toda a área superficial, uniformemente e em toda a extensão, fornecendo os nutrientes e oxigênio necessários ao biofilme, e promovendo uma fácil remoção do excesso de biofilme. Dessa forma, para além da manutenção da fase exponencial de crescimento, toda a área superficial específica do enchimento é realmente a área disponível para a fixação e desenvolvimento do biofilme, sem perdas ou pontos de ineficiência.

Configuração preventiva de pontos de entupimento e colmatação
Este parâmetro é da maior importância para o objetivo do FBP, apesar de ser muito difícil de quantificar. O entupimento ou a colmatação de um filtro biológico, seja percolador, anaeróbio ou aerado submerso, pode ser traduzido como o tamponamento mecânico de um ou mais canais, sendo normalmente causado por material particulado, quer afluente ao filtro proveniente de uma etapa anterior, quer pelo desprendimento não controlado do biofilme (em casos de anaerobiose, quando a espessura deste atinge o valor crítico).
O entupimento pode ser também resultado do crescimento excessivo do biofilme, formando pontes entre os espaços vazios do enchimento, ou reduzindo a abertura dos canais (diminuição do calibre), quando nenhuma ação preventiva é realizada.Outra causa do entupimento e colmatação é a não uniformidade do índice de vazios de um dado enchimento. Estas situações são comuns em enchimentos à base de elementos randômicos, cuja disposição aleatória durante a fase de instalação pode causar zonas de maior densidade do que outras (zonas com mais peças plásticas ou mais pedras por metro cúbico). Em recheios a base de elementos randômicos, é natural que as zonas de maior densidade de peças venham a entupir, ficando inoperacionais, enquanto o resto do recheio, alimentado pela totalidade da carga hidráulica e mássica, venha a criar canais preferenciais ou regiões localizadas de elevada vazão, em que o líquido atravessa o enchimento em uma velocidade tal que simplesmente arrasta toda a camada de biofilme que exista na trajetória.
É também possível que todo o recheio à base de elementos randômicos esteja uniformemente compactado, criando empoçamentos de grandes dimensões sobre a área ocupada pelo enchimento. No caso da brita, este fato é comumente causado pelo trânsito e/ou movimento de máquinas e equipamentos sobre o topo para remexer o enchimento, visando a desobstrução de eventuais zonas compactadas. Se forem peças plásticas, devido ao alto índice de vazios por peça e a relativa maleabilidade que estas apresentam quando em operação (mesmo em um filtro de profundidade reduzida de 1,0 m apenas), a compactação generalizada é natural e impossibilita a remoção adequada de sólidos e biomassa em excesso do recheio, mesmo se remexido. No entanto, no caso de recheios à base de elementos plásticos, o empoçamento da camada superior é menos comum, dado o índice de vazios das peças e sua configuração unitária.
Por razões inerentes às características dos recheios randômicos instalados em FBP (quer pedra britada como elementos plásticos), mesmo em um filtro com recheio de 1,0 m de profundidade é simplesmente impossível que as peças estejam bem espaçadas e pouco compactadas. Como se sabe, é impossível evitar tais situações quando se utilizam elementos randômicos, devido à fator aleatório da disposição das peças. A única forma de impedir que esta situação possa ocorrer seria colocar o recheio dentro do tanque, peça por peça ou pedra por pedra, uniformemente distribuídas (com o mesmo espaçamento entre cada).
A tendência ou probabilidade de entupimento pode ser prevista ou comparada entre vários tipos de enchimentos, através dos valores do índice de vazios e do diâmetro de passagem dos canais de diferentes recheios. O diâmetro de passagem dos canais é a variável de maior importância, devendo ser convenientemente estudada a fim de evitar quaisquer problemas operacionais e consequentemente nos resultados.O entupimento e a colmatação são problemas muito graves para a operação e eficiência dos FBP. Quando ocorrem, a melhor possibilidade é que se trate de um problema crônico de manutenção, e a pior possibilidade é que anule toda a capacidade do FBP em operar conforme o desenho.
É imperativo, portanto, utilizar um recheio cuja configuração minimize a ocorrência de entupimentos e colmatações. Os recheios mais adequados, portanto, são os estruturados, porque possuem canais amplos e verticalizados de modo a permitir o escoamento constante de sólidos e biomassa, sem permitir sua sedimentação e ao longo do tempo, criar pontos de acumulação. Possuem índices de vazios elevados, constantes e uniformes ao longo de um dado volume, sem qualquer zona mais densa ou compacta que possam originar canais preferenciais e empoçamentos.

Material de construção inerte
Materiais como madeira, papelão, tecidos, ou qualquer outro material biodegradável não é adequado para filtros biológicos (percoladores ou outros), por razões óbvias. De modo similar, materiais metálicos como aço, alumínio ou cobre não devem ser utilizados, pois sofrem corrosão que irá inibir o crescimento biológico (exceto se com proteção superficial não reativa). Na prática, virtualmente todos os tipos de enchimento comercialmente disponíveis são resistentes à corrosão, resistentes ao apodrecimento ou a perda de suas características mecânicas, e resistentes a ataques químicos pelos compostos presentes no efluente a tratar.
No entanto, alguns enchimentos plásticos são susceptíveis de ataques por radiação UV. Plásticos em cuja composição não são adicionados compostos na quantidade requerida para evitar este tipo de ataque, rapidamente se tornam quebradiços quando expostos à luz solar direta. Este fenômeno é bem conhecido e perfeitamente evitável através de inibidores UV, devendo a presença de tais inibidores ser um fator determinante na seleção de um enchimento plástico, randômico ou estruturado, para um FBP (constantemente exposto à luz solar direta).

Baixo custo de instalação e operação
Como comentado, um recheio / enchimento para um FBP não é mais do que uma dada quantidade de unidades de área superficial, que deverá fornecer as condições mais adequadas para um constante desenvolvimento de microrganismos aderidos em sua superfície. Entre dois enchimentos de iguais características, é lógica a escolha do mais econômico. No entanto, se os enchimentos possuírem diferentes características, deverá ser bem ponderada a seleção entre o que possui as características mais adequadas, tendo em consideração todos os pontos mencionados anteriormente.
A seleção do enchimento mais adequado deve, portanto, não apenas considerar os custos de instalação, que acontecem uma vez, mas principalmente os custos operacionais. Se o FBP for convenientemente desenhado e o enchimento for corretamente selecionado, o descumprimento dos limites de descarga será fácil de atender, e a operação do FBP será simples, sem quaisquer problemas. Em apenas algumas semanas ou poucos meses de operação, a operação diária e os resultados obtidos no FBP irão indicar se a escolha foi inteligente e ponderada, ou fruto de uma decisão despreparada e sem conhecimento. Proceder a uma substituição que se tornou necessária (visando melhorias na qualidade do efluente através da reforma de um antigo FBP, ou pela ampliação da capacidade de tratamento, etc.), é inevitável e deve ser realizada.

Boa resistência mecânica
Uma das características requeridas dos enchimentos para FBP é a resistência mecânica (pela questão da profundidade dos recheios, que podem atingir 6, 10 ou mesmo 15 metros). Em um FBP de porte médio ou grande, é desejável que o meio de suporte seja capaz de suportar o peso de um ou mais operários sobre a camada superior (para acesso ao distribuidor rotativo, remoção de objetos da camada superior, etc).
Em todos os casos, para este tipo de aplicações, é importante que qualquer material plástico seja de primeiro uso, e que possa ser avaliado durante a seleção através de uma ficha técnica onde se indiquem as principais características físicas e mecânicas. Para além de dever suportar o tráfego pedestre no topo do enchimento, este deverá também suportar com facilidade o peso da biomassa aderida ao longo de todo o volume do mesmo (que pode atingir vários metros de profundidade).
Os elementos randômicos em plástico (PP, PVC, PEAD) apresentam falhas graves no que respeito à resistência mecânica em apenas alguns metros. Como referido antes, porque as peças que constituem este tipo de recheios são distribuídas de forma aleatória / randômica sobre a estrutura de suporte, é muito comum que a posição final de cada peça não seja a posição em que sua resistência mecânica apresenta o maior coeficiente. Estes recheios, para além dos potenciais riscos que sua utilização pode implicar para o desempenho de um FBP, não devem ser utilizados em filtros cuja profundidade seja superior a 2,0 – 2,5 m, sob risco de colapso e esmagamento das peças das camadas inferiores. Um dos resultados deste fato é o incremento da obstrução dos canais e espaços vazios entre as peças, potenciando riscos elevados de ineficiência do sistema e de colmatação. Sobre a questão de poderem ser acedidos, e percorrida sua área superficial, tal procedimento é extremamente perigoso, quer pela reduzida resistência estrutural de cada peça, pelo risco de movimentação das peças e consequentes danos físicos, e pelo risco biológico em caso de queda.
Os elementos em pedra apresentam melhores características estruturais que as mídias randômicas plásticas, devido ao tipo de material. Sem mencionar eficiência ou operação, mas apenas sob o ponto de vista da resistência mecânica, estes elementos randômicos podem ser empilhados até vários metros. Existem, no entanto, outras considerações estruturais que merecem ser mencionadas, como a resistência das placas de suporte, que precisam ser dimensionadas para resistir a várias toneladas, tal como a parede perimetral que envolve FBP cilíndricos. De igual forma, sobre a questão de poderem ser acedidos, e percorrida sua área superficial, tal procedimento é também de grande periculosidade, pelo risco de movimentação das peças e consequentes danos físicos, como pelo risco biológico em caso de queda.
Os enchimentos estruturados apresentam características únicas comparativamente com os elementos randômicos, tais como a constante uniformidade dos vazios ao longo do recheio, fator crucial também para uma adequada estabilidade mecânica. São formados por chapas / folhas de material inerte (PP, PVC), onduladas e corrugadas, pelo que as áreas superficiais específicas podem ser muito superiores às observadas em elementos plásticos e brita. As chapas / folhas são montadas dando origem a blocos, que possuem portanto índices de vazios extremamente elevados (> 97%). Criados pelas ondulações das chapas / folhas, os blocos são então formados exclusivamente por canais (podem ser cruzados, verticais, mistos; a aplicabilidade depende de cada caso). Assim, toda a área superficial disponível para a adesão da película de biofilme, área esta que é real, está contida nos próprios canais, pelo que a uniformidade da percolação e consequente distribuição de nutrientes e oxigênio é total e muito eficiente. A remoção dos excedentes da metabolização, sólidos inertes alimentados aos FBP, e ainda do biofilme em excesso (pela lavagem percoladora), é facilmente alcançada devido à configuração dos canais: amplos, com diâmetros definidos e, se cruzados, com angulação de 60^o, facilitando o escoamento dos sólidos. Sob o ponto de vista da resistência mecânica, a maioria dos fabricantes produzem estes enchimentos com uma espessura constante das chapas, implicando que para FBP de profundidade reduzida, o peso específico poderá ser superior ao requerido (custos superiores aos necessários), e para FBP de alguma profundidade, o peso específico poderá ficar aquém do requerido (implicando instabilidade mecânica e possível risco de esmagamento das camadas inferiores). No entanto, existem fabricantes que produzem estes enchimentos com espessura variável, calculados segundo normas internacionais, garantindo que o FBP terá nas camadas inferiores a espessura recomendada para suportar todo o peso do enchimento das camadas superiores, e respetivo biofilme aderido, podendo ser o enchimento para a camada superior desenhada para suportar tráfego pedestre, ou até equipamentos pesados. Finalmente, pela própria configuração dos enchimentos estruturados (superfícies inferior e superior planas), a camada superior permite o acesso e trânsito pedestre (e até de maquinário), sem potencial risco de queda.

Conclusão
Os enchimentos estruturados são os recheios que possuem virtualmente todas as principais características requeridas e da maior importância para Filtros Biológicos Percoladores. Estes enchimentos têm sido utilizados nestas aplicações há mais de 30 anos. Pelas suas características e baixo custo, são o enchimento de eleição para o tratamento de águas residuais domésticas e industriais em unidades de tratamento biológico baseados em biomassa aderida a um meio de suporte, desde há várias décadas, por todo o mundo.

Eng. André G. Gomes
Coordenador de Produtos de Tratamento de Água e Efluentes
GEA Sistemas de Resfriamento
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