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Ciências Ambientais Profª. Dra. Cristina Paschoalato_2015 1 1. REQUISITOS E PADRÕES DE QUALIDADE DA ÁGUA Qualidade é função dos usos previstos 1.1 Padrões de Qualidade Além dos requisitos de qualidade, que traduzem de forma generalizada e conceitual a qualidade desejada para a água, há a necessidade de se estabelecer também padrões de qualidade, embasados por um suporte legal. Os padrões devem ser cumpridos, por força de legislação, pelas entidades envolvidas com a água a ser utilizada. Da mesma forma que os requisitos, também os padrões são função do uso previsto para a água. Em termos práticos, há três tipos de padrão de interesse direto dentro da Engenharia Ambiental no que tange a qualidade da água: Padrões de lançamento no corpo receptor Padrões de qualidade do corpo receptor Padrões de qualidade para determinado uso imediato ( ex. Padrões de potabilidade) 1.2 Padrões de lançamento e qualidade do corpo receptor A resolução CONAMA n.º 357, de 17/03/2005 s águas do território nacional em: águas doces ( salinidade <0,05%) águas salobras ( salinidade entre 0,05% e 3% ) águas salina ( > 3%) Em função dos usos previstos, foram criadas nove classes, sendo quatro relativas à água doce. Classificação das águas doces em função dos usos preponderantes (Resolução CONAMA nº 357, de 17/03/2005 USO CLASSES Especial 1ª 2ª 3ª 4ª Abastecimento doméstico * * (a) * (b) * (b) Preservação do equilíbrio comunidades aquáticas * Recreação de contato primário * * Proteção das comunidades aquáticas * * Irrigação * (c ) * (d) * (e) Criação de Espécies (aquicultura) * * Dessedentação de animais * Navegação * Harmonia paisagística * Usos menos exigentes ( "diluição") * Ciências Ambientais Profª. Dra. Cristina Paschoalato_2015 2 Notas: ( a ) após tratamento simples ( b ) após tratamento convencional ( c ) hortaliças e frutas rentes ao solo ( d ) hortaliças e plantas frutíferas ( e ) culturas arbóreas, cerealíferas e forrageiras Padrões de Qualidade dos Corpos D'água Parâmetro Classe Padrão de Unidade 1ª 2ª 3ª 4ª Lançamento Cor PtCo 30 75 75 * * Turbidez NTU 40 100 100 * * Sabor e Odor VA VA VA * * Temperatura ºC <40 Material Flutuante VA VA VA VA ausente Óleos e Graxas mg/l VA VA VA * minerais 20, vegetais e animais 50 Corantes Artificiais VA VA VA * Sólidos Dissolvidos mg/l 500 500 500 * * Cloretos mg/l 250 250 250 * * pH admencional 6 a 9 6 a 9 6 a 9 6 a 9 5 a 9 DBO5 mg/l 3 5 10 * 60 ou 80% remoção DQO mg/l * * * * 90 ( MG / COPAM) OD mg/l 6 5 4 2 * Sólidos em Suspensão mg/l * * * * 100 (MG/COPAM) Amônia mg/l 0,02 NH3 0,02NH 3 5,0 N total Coliformes Totais org./100ml 1000 5000 20000 * * Coliformes Fecais org./100ml 200 1000 4000 * * O quadro lista apenas os parâmetros principais * não consta na legislação Ciências Ambientais Profª. Dra. Cristina Paschoalato_2015 3 2 POLUIÇÃO DAS ÁGUAS Entende-se por poluição das águas a adição de substâncias ou de forma de energia que, direta ou indiretamente, alterem a natureza do corpo d’água de uma maneira tal que, prejudique os legítimos usos que dele são feitos. Xerox Dentro do enfoque para tratamento de esgotos domésticos, a maior ênfase é dada ao tópico ao consumo de Oxigênio Dissolvido, problema já solucionado em países desenvolvidos, mas ainda problemático no Brasil. Existem basicamente duas formas em que a fonte de poluentes pode atingir um corpo d’água: Poluição pontual Poluição difusa Pontual (ex.: lançamento industrial) Difusa ( ex.: drenagem pluvial ) 2.1 Quantificação das cargas poluidoras Para a avaliação do impacto da poluição e da eficácia das medidas de controle, é necessária a quantificação das cargas poluidoras afluentes ao corpo d’água. Para tanto, são necessários levantamentos de campo na área em estudo, incluindo amostragem dos poluentes, análises de laboratório, medição de vazões e outros. Caso não seja possível a execução de todos estes itens, pode-se complementar com dados de literatura. Informações típicas a serem obtidas em um levantamento sanitário de uma bacia hidrográfica são: Dados físicos da bacia: aspectos geológicos, precipitação pluviométrica, e escoamento; Variações climáticas; temperatura; evaporação; etc. Comportamento hidráulico dos corpos d’água: vazões máximas, média e mínima; volumes de reservatórios; velocidades de escoamento; profundidade; etc. Ciências Ambientais Profª. Dra. Cristina Paschoalato_2015 4 Uso e ocupação do solo: tipos; densidades; perspectivas de crescimento; distritos industriais; etc. Caracterização sócio - econômica: demografia; desenvolvimento econômico; etc. Usos múltiplos da água Requisitos de qualidade para o corpo d’água. Localização, quantificação e tendência das principais fontes poluidoras. Diagnostico da situação atual da qualidade da água: características físicas, químicas e biológicas. Os poluentes são freqüentemente originários das seguintes fontes principais: Esgotos domésticos Despejos ou efluentes industriais Escoamento superficial: área urbana e rural A quantificação deve ser apresentada em termos de carga. A carga é expressa em termos de massa por unidade de tempo, podendo ser calculado por um dos seguintes métodos, dependendo do tipo de problema em análise, da origem do poluente e dos dados disponíveis. Carga = Concentração x Vazão Carga = Contribuição per capita x População Carga = Contribuição por unidade produzida x produção Carga = Contribuição por unidade de área x Área 3 CARACTERÍSTICAS DAS ÁGUA RESIDUÁRIAS 3.1 Caracterização da Quantidade de Esgotos A primeira medida para se iniciar o levantamento de dados para elaboração de um projeto de sistema de tratamento de esgotos relaciona-se com a determinação da qualidade e da quantidade dos esgotos que serão encaminhados à estação depuradora. Os esgotos oriundos de uma cidade e que contribuem à estação de tratamento de esgotos são basicamente originados de três fontes distintas: Esgotos domésticos Águas de infiltração Despejos Industriais (diversas origens e tipos de indústrias) No Brasil adota-se predominantemente o sistema separador de esgotamento sanitário, o qual separa as águas pluviais em linhas de drenagem independentes e que não contribuem à ETE. Em outros Ciências Ambientais Profª. Dra. Cristina Paschoalato_2015 5 países, no entanto, adota-se o sistema combinado, no qual os esgotos e as águas pluviais são veiculadas conjuntamente pelo mesmo sistema. Neste caso, o dimensionamento da ETE tem de levar em consideração a parcela correspondente às águas pluviais. No presente estudo considera-se apenas os três componentes listados acima. Sistema Separador Sistema Combinado Rede pluvial Para a caracterização, tanto quantitativa, quanto qualitativa, dos esgotos afluentes à ETE, é necessária a análise em separado de cada um destes três ítens. 3.2 Vazão Doméstica 3.2.1 Preliminares O conceito de vazão doméstica engloba usualmente os esgotos oriundos dos domicílios, bem como de atividades comerciais e institucionais normalmente componentes de uma localidade. Valores mais expressivosoriginados de fontes pontuais significativas devem ser computados em separado, e acrescentado aos valores globais. Normalmente a vazão doméstica de esgotos é calculada com base na vazão de água da respectiva localidade. Tal, por sua vez, é usualmente calculada em função da população de projeto e de um valor atribuído para o consumo médio diário de água de um indivíduo, denominado Quota Per Capita (QCP). Antes de se apresentar as fórmulas e os parâmetros de calculo, é importante observar que para o projeto de uma estação de tratamento de esgotos não basta considerar apenas a vazão média. ETE Rede de Esgoto ETE Ciências Ambientais Profª. Dra. Cristina Paschoalato_2015 6 É necessária também a quantificação dos valores mínimos e máximos de vazão, por razões hidráulicas e de processo. 3.2.2 Consumo médio de água A vazão doméstica é função do consumo do água. Valores típicos de quota per capita de água para populações dotadas de ligações domiciliares encontram-se apresentadas no quadro 1. Quadro 1 – Consumo per capita de água Porte da comunidade Faixa de população (hab) consumo per capita (QCP) (l/hab d) Povoado rural <5.000 90-140 Vila 5.000 – 10.000 100-160 Pequena localidade 10.000-50.000 110-180 Cidade média 50.000 – 250.000 120-220 Cidade grande >250.000 150-300 Fonte: Adaptado de CETESB (1978), Barnes et al.(1981), Hosang & Bischof (1984) Quadro 2 – Fatores que influenciam no consumo de água Fator de influência Comentário Clima Clima quente e seco induzem a maior consumo Porte da comunidade Cidades maiores apresentam maiores QPC Condições econômicas da comunidade Melhor nível econômico associa-se a um maior consumo Grau de industrialização Localidades industrializadas apresentam maior consumo Medição do consumo residencial A presença de medição inibe um maior consumo Custo da água Um custo mais elevado reduz o consumo Pressão da água Elevada pressão induz a maiores gastos Perdas no sistema Perdas implicam em maior produção de água Os dados listados no Quadro 1 são valores médio, estando sujeitos a todas as variabilidades decorrentes dos fatores listados no Quadro 2. Campos e Von Sperling (1995) obtiveram, para esgotos predominantemente domiciliares oriundo, de nove sub-bacias de Belo Horizonte, a relação expressa na Equação 1 entre quota per capita de água e rendimento familiar mensal médio (em números de salários mínimos). Tais Ciências Ambientais Profª. Dra. Cristina Paschoalato_2015 7 relações foram oriundas de dados obtidos pela COPASA-MG (1988). Naturalmente que os dados guardam uma especificidade regional, necessitando de cautela para a sua extrapolação para outras condições. QPC água = Renda (1) 0,021 + (0,003*Renda) QCP água = quota per capita de água (L/hab. d) Renda = renda familiar mensal média (U$ 100/mês) Quadro 3 Consumo de água típico de alguns estabelecimentos comerciais Estabelecimento Unidade Faixa de vazão ( L/unid.d) Aeroporto Passageiro 8-15 Alojamento Residente 80-150 Banheiro público Usuário 10-25 Bar Freguês 5-15 Cinema/Teatro Assento 2-10 Escritório Empregado 30-70 Hotel Hóspede Empregado 100-200 30-50 Industria ( esgoto sanitário) Empregado 50-80 Lanchonete Freguês 4-20 Lavanderia comercial Maquina 2000-4000 Lavanderia automática Maquina 1500-2500 Loja Banheiro Empregado 1000-2000 30-50 Loja de departamentos Banheiro Empregado m 2 de área 1600-2400 30-50 5-12 Posto de gasolina Veiculo servido 25-50 Restaurante Refeição 15-30 Shopping center Empregado m 2 de área 30-50 4-10 Fonte: EPA (1977), Meatcalf & Eddy ( 1991) Ciências Ambientais Profª. Dra. Cristina Paschoalato_2015 8 Quadro 4: Consumo de água típico de alguns estabelecimento institucionais Estabelecimento Unidade Faixa de vazão (L/unid.d) Clínica de repouso Residente 200-450 Escola -com lanchonete, ginásio , chuveiros -com lanchonete, sem ginásio e chuveiros - sem lanchonete, ginásio e chuveiros Estudante Estudante Estudante 50-100 40-80 20-60 Hospital Leito Empregado 300-1000 20-60 Prisão Detento Empregado 200-500 20-60 Fonte: EPA (1977), Meatcalf & Eddy ( 1991), pag. 19-20. 3.2.3 Vazão média dos esgotos De maneira geral, a produção de esgotos corresponde aproximadamente ao consumo de água. No entanto, a fração de esgotos que adentra a rede de coleta pode variar, devido ao fato de que parte da água consumida pode ser incorporada à rede pluvial (ex.: rego de jardins e parques). Outros fatores de influência em um sistema separador absoluto são: Ocorrência de ligações clandestinas dos esgotos à rede pluvial Ligações indevidas dos esgotos à rede pluvial Infiltração (geralmente de 0,4 a 1,0 L/s.km) A fração de água fornecida que adentra a rede de coleta na forma de esgoto é denominada coeficiente de retorno (R: vazão de esgotos/vazão de água). Os valores típicos de R variam de 60% a 100%, sendo que um valor usualmente adotado tem sido o de 80% ( R=0,8). O cálculo da vazão doméstica média de esgotos é dado por: Qmed = Pop . QCP . R + L + INF + Qind. Med + Outros (m 3 /d) (1.2) 1000 ou Qmed = Pop . QPC . R + L + INF + Qind. Med + outros ( L/s) (1.3) 86400 QPC = quota per capita - quadro 1 ( L/hab.d) População permanente 150 a 350 L/hab . d População flutuante 50 a 200 L/hab.d Ciências Ambientais Profª. Dra. Cristina Paschoalato_2015 9 Qmed = vazão doméstica média de esgotos (m 3 /d ou L/s) R = coeficiente de retorno esgoto/água (0,8) Pop = população a ser atendida L = comprimento da rede INF = infiltração na rede Q ind. Med = contribuição industrial. 3.2.4 Variação de vazão. Vazões máximas e mínimas O consumo de água e a geração dos esgotos de uma localidade variam ao longo do dia ( variações horárias), ao longo da semana ( variações diárias) e ao longo do ano ( variações sazonais). Fonte: Metcalf & Eddy (1991) pag. 159 Tem sido prática corrente a adoção dos seguintes coeficientes de variação da vazão média de água K1 = 1,2 – 1,3 ( coeficiente do dia de maior consumo) – Campos 1,25; K2 = 1,5 - 1,3 ( coeficiente da hora de maior consumo) – Campos 1,50 K3 = 0,5 ( coeficiente da hora de menor consumo) Caracterização de Esgoto Sanitário Municipal 0 50 100 150 200 250 300 350 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 Tempo ( hora) DB O (m g/l ) 0,00 0,10 0,20 0,30 0,40 0,50 Va zã o( m 3 /h ) --------DBO ------CARGA ------VAZÃO Ciências Ambientais Profª. Dra. Cristina Paschoalato_2015 10 Assim, as vazões máxima e mínima de água podem ser dadas pelas fórmulas: Qmax = Q med . K1 (dia de maior consumo) Qmax = Q med . K1. K2 ( hora de maior consumo) Qmin = Qmed . K3 Estas formulas são comumente utilizadas para estimativas de vazão para projetos, porém, é importante que todos os parâmetros inclusos nas mesmas devem, ser medidos ou determinados “in loco” para que não se incorra em erros grosseiros. 1.4 Vazão Industrial A vazão dos esgotos advindas dos despejos industriaisé função do tipo e porte da industria, processo, grau de reuso, existência de pré tratamento etc. Desta forma, mesmo no caso de duas indústrias que fabriquem essencialmente mesmo produto, as vazões de despejos podem ser bastante diferentes entre si. No caso da existência de indústrias representativas, contribuindo à rede publica e, em decorrência, á ETE, é de grande importância uma adequada avaliação das respectivas vazões, já que os despejos industriais podem exercer uma grande influência no projeto e operação da ETE. Deve- se procurar obter dados específicos de cada industria mais significativa, através de cadastros industriais orientados no sentido de se extrair dados de interesse para o projeto. Com relação ao consumo de água e a geração de despejos, deve-se obter, pelo menos, as seguintes informações das industrias principais: Consumo de águas Volume consumido total ( por dia ou mês) Volume consumido nas diversas etapas do processamento Recirculações internas Origem da água Eventuais sistemas internos de tratamento Produção de despejos Vazão total Número de pontos de lançamento Regime de lançamento ( continuo ou intermitente; duração e freqüência) de cada ponto Ponto (s) de lançamento ( rede coletora, curso d’água) Eventual mistura do despejo com esgoto doméstico e águas pluviais Caso não disponha de informações especificas da industria, o quadro 5 pode servir como uma orientação inicial para a estimativa da sua provável faixa de vazão. Ciências Ambientais Profª. Dra. Cristina Paschoalato_2015 11 Pode-se observar pelo quadro 5 a grande variabilidade de consumo para um mesmo tipo de indústria. No caso de não se dispor de dados específicos sobre a industria em analise, deve-se consultar referências bibliográficas relativas ao processo industrial em foco. O quadro apresentado visa dar apenas um ponto de partida no caso de estudo mais superficiais ou generalizados. O padrão de lançamento dos despejos industriais, ao longo do dia, não segue o hidrograma da vazão doméstica, varando substancialmente de indústria para indústria. Os picos industriais não coincidem necessariamente com os picos domésticos, ou seja, a vazão máxima total ( doméstica + industrial) costuma ser, na realidade, inferior ao somatório simples das vazões máximas. Desta forma, a vazão máxima total será a soma das máximas. Ciências Ambientais Profª. Dra. Cristina Paschoalato_2015 12 Quadro 5 Vazão especifica média de algumas industrias Ramo Tipo Unidade Consumo de água por unidade ( m 3 /unid)(*) Alimentícia Frutas e legumes em conserva Doces Açúcar de cana Matadouros Laticínios (leite) Laticínios (queijo ou manteiga) Margarina Cervejaria Padaria Refrigerantes 1 ton conserva 1 ton produto 1 ton açúcar 1 boi ou 2,5 porcos 1000 l de leite 1000 l de leite 1 ton margarina 1000 l de cerveja 1 ton pão l de refrigerante 4-50 5-25 0,5-10 0,3-0,4 1-10 2-10 20 5-20 2-4 2-5 Têxtil Algodão Lã Rayon Nylon Polyester Lavanderia de Lã Tinturaria 1 ton produto 1 ton produto 1 ton produto 1 ton produto 1 ton produto 1 ton lã 1 ton produto 120-750 500-600 25-60 100-150 60-130 20-70 20-60 Couro e curtume Curtume Sapato 1 ton pele 1000 pares sapato 20-40 5 Polpa e papel Fabricação da polpa Branqueamento da polpa Fabricação de papel Polpa e papel integrados 1 ton produto 1 ton produto 1 ton produto 1 ton produto 15-200 80-200 30-250 200-250 Industrias Químicas Tinta Vidro Sabão Ácido, base, sal Borracha Borracha sintética Refinaria de petróleo Detergente Amônia dióxido de carbono Gasolina Lactose Enxofre Produtos farmacêuticos (vitaminas) 1 empregado 1 ton vidro 1 ton sabão 1 ton cloro 1 ton produto 1 ton produto 1 barril (117 litro) 1 ton produto 1 ton produto 1 ton produto 1 ton produto 1 ton produto 1 ton produto 1 ton produto 110 l/d 3-30 25-200 50 100-150 500 0,2-0,4 13 100-130 60-90 7-30 600-800 8-10 10-30 Produtos Manufaturados Mecânica Fina, ótica, eletrónica Cerâmica fina Indústria de maquinas 1 empregado 1 empregado 1 empregado 20-40 l/d 40 l/d 40 l/d Metalúrgicas Fundição Laminação Forja Deposição eletrolítica de metais Industria de chapas, ferro e aço 1 ton gusa 1 ton produto 1 ton produto 1 m 3 de solução 1 empregado 3-8 8-50 80 1-25 60 l/d Minerações Ferro Carvão 1 m 3 de minério 1 ton carvão 16 2-10 (*) Consumo em m 3 por unidade produzida ou l/d por empregado Fonte: CETESB (1976), Downing (1978), Imhoff e Imhoff (1985), Metcalf & Eddy (1991). Ciências Ambientais Profª. Dra. Cristina Paschoalato_2015 13 AMOSTRAGEM Amostra Simples ou Pontual resultado momentâneo Amostragem Composta representativa resultados reais resulta de porções individuais ( alíquotas ) com um volume mínimo de 120 ml alíquota proporcional às vazões instante vazão alíquota t1 Q1 v1 t2 Q2 v2 : : : : : : ti Qi vi tn Qn vn n = número de pontos vi = Qi x V onde, V= volume total de amostra (ex. 2 litros) Qi EXEMPLO PRÁTICO 1 - Fazer um Hidrograma tempo (h) Q(m 3 /h) 0 - 6 10 6 - 12 25 12 - 18 15 18 - 24 10 t = 6h Q=60 m3/h 2- Como determinar os volumes das alíquotas para obter-se uma amostra composta de 2000 ml ( 2 litros)??? vi = Qi x V v1 = 10 x 2000 = 333 mL Qi 60 v2 = 25 x 2000 = 833 mL 60 v3 = 15 x 2000 = 500 mL 60 v4 = 10 x 2000 = 334 mL 60 volume total =2000mL 0 5 10 15 20 25 30 6 12 18 24 horas vazão m3/h Ciências Ambientais Profª. Dra. Cristina Paschoalato_2015 14 3-Um corpo d’água é dinâmico, portanto, às concentrações também variam a cada instante, logo: concentração vazão C = m Q = V logo: m = Q(l/h) x t(h) xC(mg/l) V t volume da alíquota vi = mi x V v1 = 6 x 2000 = 73 mL mi 165 4- vazão tempo concentração carga alíquota Q(m3/h) t(h) DBO5 (mg/l) m(kg ) vi (mL) 1 10 0 - 6 100 6 73 2 25 6 -12 500 75 909 3 15 12- 18 800 72 873 4 10 18 -24 200 12 145 Q=60 165 kg 2000 mL Hidrograma de Vazão e Carga 6 75 72 12 0 5 10 15 20 25 30 6 12 18 24 tempo(h) va zã o m 3/h 0 10 20 30 40 50 60 70 80 ca rg a( kg ) Ciências Ambientais Profª. Dra. Cristina Paschoalato_2015 15 4- CARACTERIZAÇÃO DA QUALIDADE DOS ESGOTOS 4.1 Parâmetros de qualidade Os esgotos domésticos contém aproximadamente99,9% de água. A fração restante inclui compostos orgânicos (proteinas:40 a 60%,; carbohidratos: 25 a 50% e óleos e graxas:10%), nutrientes (nitrogênio e fósforo), metais, sólidos dissolvidos inorgânicos, sólidos inertes, sólidos grosseiros, compostos não biodegradáveis, organismos patogênicos e ocasionalmente, contaminantes tóxicos decorrentes de atividades industriais ou de acidentes. Portanto, é devido a essa fração de 0,1% que há necessidade de se tratar os esgotos. A característica dos esgotos é função dos usos à qual a água foi submetida, esses usos, e a forma com que são exercidos, variam com o clima, situação social e econômica, e hábitos da população. No projeto de uma ETE, normalmente não há interesse em se determinar os diversos compostos dos quais a água residuária é constituída. Isto, não só pela dificuldade em se executar vários destes testes em laboratório, mas também pelo fato dos resultados em si não serem diretamente utilizáveis como elementos de projeto e operação. Assim, é preferível a utilização de parâmetros indiretos que traduzam o caráter ou o potencial poluidor do despejo em questão. Tais parâmetros definem a qualidade do esgoto, podendo ser dividido em três categorias: parâmetros físicos, químicos e biológicos. Sólidos nos Esgotos ÁGUA SÓLIDOS POLUIÇÃO TRATAMENTO ESGOTOS Ciências Ambientais Profª. Dra. Cristina Paschoalato_2015 16 Quadro 6 Principais características físicas dos esgotos domésticos Parâmetro Descrição Temperatura - ligeiramente superior à da água de abastecimento - variação conforme as estações do ano - influência na atividade microbiana - influencia na solubilidade dos gases - influência na viscosidade do líquido Cor - Esgotos fresco: ligeiramente cinza - Esgoto séptico: cinza escuro ou preto Odor - Esgoto fresco: odor oleoso, relativamente desagradável - Esgoto séptico: odor fétido, devido a gás sulfidrico e a outros produtos da decomposição - Despejos industriai: odores característicos Turbidez - Causada por uma grande variedade de sólidos em suspensão - Esgotos mais frescos ou mais concentrado: geralmente maior turbidez Fonte: adaptado de Qasim (1985) Quadro 7 Principais microrganismos presentes nos esgotos Microrganismo Descrição Bactérias - Organismos protistas unicelulares - Apresentam-se em várias formas e tamanhos. - São os principais responsáveis pela estabilização da matéria orgânica. - Algumas bactérias são patogênicas, causando principalmente doenças intestinais. Fungos - Organismos aeróbios, multicelulares, não fotossintéticos, heterotróficos. - Também de grande importância na decomposição da matéria orgânica. - Podem crescer em condições de baixo pH. Protozoários - Organismos unicelulares sem parede celular. - A maioria é aeróbia ou facultativa. - Alimentam-se de bactérias, algas e outros microrganismos. - São essenciais no tratamento biológico para a manutenção de um equilíbrio entre os diversos grupos. - Alguns são patogênicos. Vírus - Organismos parasitas, formados pela associação de material genético (DNA ou RNA) e uma carapaça protéica. - Causam doenças e podem ser de difícil remoção no tratamento da água ou do esgoto. Helmintos - Animais superiores. - Ovos de helmintos presentes nos esgotos podem causar doenças. Fonte: Silva e Mara (1979), Tchobanoglous e Schroeder (1985), Metcalf & Eddy (1991) Ciências Ambientais Profª. Dra. Cristina Paschoalato_2015 17 Quadro 8 Principais características químicas dos esgotos Parâmetro Descrição Sólidos Totais - Em suspensão Fixo Voláteis - Dissolvidos Fixo Voláteis - Sedimentáveis Orgânicos e inorgânicos; suspensos e dissolvidos; sedimentáveis - Fração dos sólidos orgânicos e inorgânicos que não são filtráveis - Componentes minerais, não incineráveis, inertes, dos sólidos em suspensão. Componentes orgânicos dos sólidos em suspensão. - Fração dos sólidos orgânicos e inorgânicos que são filtráveis. Normalmente considerados com dimensão inferior a 10 -3 . - Componentes minerais dos sólidos dissolvidos. - Componentes orgânicos dos sólidos dissolvidos. - Fração dos sólidos orgânicos e inorgânicos que sedimentam em 1 hora no cone Imhoff. Indicação aproximada da sedimentação em um tanque de decantação. Matéria Orgânica - Determ. indireta DBO5 DQO DBO última - Determin. direta COT Mistura heterogênea de diversos compostos orgânicos. Principais componentes: proteínas, carboidratos e lipídios. -Demanda Bioquímica de Oxigênio. Medida a 5 dias, 20ºC. Está associada à fração biodegradável dos componentes orgânicos carbonáceos. É uma medida do oxigênio consumido após 5 dias pelos microrganismos na estabilização bioquímica da matéria orgânica. -Demanda Química de Oxigênio. Representa a quantidade de oxigênio requerida para estabilizar quimicamente a matéria orgânica carbonácea. Utiliza fortes agentes oxidantes em condições ácidas. -Demanda Última de Oxigênio. Representa o consumo total de oxigênio, ao final de vários dias, requerido pelos microorganismos para a estabilização bioquímica da matéria orgânica. -Carbono Orgânico Total. É uma medida direta da matéria orgânica carbonácea, determinado através da conversão do carbono orgânico CO2 Nitrogênio Total Nitrogênio orgânico Amônia Nitrito Nitrato O nitrogênio total inclui o nitrogênio orgânico, amônia, nitrito e nitrato. É um nutriente indispensável para o desenvolvimento dos microrganismos no tratamento biológico. O nitrogênio orgânico e a amônia compreendem o denominado Nitrogênio Total Kjeldahl (NTK). Nitrogênio na forma de proteínas, aminoácidos e uréia. Produzida como primeiro estágio da decomposição do nitrogênio orgânico. Estágio intermediário da oxidação da amônia. Praticamente ausente no esgoto bruto. Produto final da oxidação da amônia. Praticamente ausente no esgoto bruto. Fósforo - Fósforo orgânico - Fósforo inorgân. O fósforo total existe na forma orgânica e inorgânica. É um nutriente indispensável no tratamento biológico. - Combinado à matéria orgânica. - Ortofosfato e polifosfatos. pH Indicador das característica ácidas ou básicas do esgoto. Uma solução é neutra em pH 7. Os processos de oxidação biológica tendem a reduzir o pH. Alcalinidade Indicador da capacidade tampão do meio (resistência às variações do pH). Devido à presença de bicarbonato, carbonato e íon hidroxila (OH - ). Cloretos Provenientes da água de abastecimento e dos dejetos humanos. Óleos e Graxas Fração da matéria orgânica solúvel em hexanos. Nos esgotos domésticos, as fontes são óleos e gorduras utilizados nas comidas. Fonte: adaptado de Arceivala (1981), Metcalf & Eddy (1991) Ciências Ambientais Profª. Dra. Cristina Paschoalato_2015 18 4.2 Principais parâmetros 4.2.1 Preliminares Os principais parâmetros relativos a esgotos predominantemente domésticos a merecerem destaque especial face à sua importância são: Sólidos Indicadores de matéria orgânica Nitrogênio Fósforo Indicadores de contaminação fecal 4.2.2 Sólidos Todos os contaminantes da água, com exceção dos gases dissolvidos, contribuem para a carga de sólidos. Os sólidos podem ser classificados deacordo com: (a) o seu tamanho e estado = suspensos e dissolvidos (b) as suas característica químicas = voláteis e fixos (c) a sua decantabilidade = sedimentáveis e não sedimentáveis Matéria Orgânica Sólidos Totais Matéria Inorgânica DISTRIBUIÇÃO DOS SÓLIDOS DO ESGOTO BRUTO SÓLIDOS TOTAIS 1000 mg/l EM SUSPENSÃO (NÃO FILTRAVEIS) 350 mg/l DISSOLVIDOS (FILTRAVEIS) 650 mg/l FIXOS 50 mg/l VOLÁTEIS (SSV) 300mg/l FIXOS 400 mg/l VOLÁTEIS 250 mg/l Ciências Ambientais Profª. Dra. Cristina Paschoalato_2015 19 4.3.3 Matéria orgânica carbonácea A matéria orgânica presente nos esgotos é uma característica de primordial importância, sendo a causadora do principal problema de poluição das águas : o consumo de oxigênio dissolvido pelos microrganismos nos seus processos metabólicos de utilização e estabilização da matéria orgânica. As substâncias orgânicas presentes nos esgotos são constituídas principalmente por aproximadamente: compostos de proteína ( 40%) carbohidratos (25 – 50 %) óleos e gorduras ( 10%) Uréia, surfactantes, fenóis, pesticidas e outros ( menor quantidade) A matéria orgânica carbonácea ( baseada no carbono orgânico) presente nos esgotos afluentes a ETE dividi-se nas seguintes frações: Classificação quanto a forma e tamanho - Em suspensão ( particulada) - Dissolvida ( solúvel) Classificação quanto à biodegradabilidade - inerte - biodegradável Em termos práticos, usualmente não há necessidade de se caracterizar a matéria orgânica em termos de proteínas, gorduras, carbohidratos etc. Ademais, há uma grande dificuldade na determinação laboratorial dos diversos componentes da matéria orgânica nas águas residuárias, face à multiplicidade de formas e compostos em que a mesma pode se apresentar. Neste sentido pode ser adotado métodos indiretos e diretos para determinação da matéria orgânica: a) Métodos Indiretos : medição de consumo de oxigênio ( DBO, DBOu, DQO) b) Métodos diretos: medição de carbono orgânico total (TOC) a) Demanda Bioquímica de Oxigênio (DBO) O principal efeito ecológico da poluição orgânica em um curso d’água é o decréscimo dos teores de oxigênio dissolvido. Da mesma forma, no tratamento de esgotos por processos aeróbios, é fundamental o adequado fornecimento de oxigênio para que os microrganismos possam realizar os processos metabólicos conduzindo à estabilização da matéria orgânica. Assim, surgiu a idéia de se medir a “força” de poluição de um determinado despejo pelo consumo de oxigênio que ele traria, ou Ciências Ambientais Profª. Dra. Cristina Paschoalato_2015 20 seja, uma quantificação indireta da potencialidade da geração de um impacto, e não a medição direta do impacto em si. A DBO retrata a quantidade de oxigênio requerida para estabilizar, através de processos bioquímicos, a matéria orgânica carbonácea, é uma indicação indireta, portanto, do carbono orgânico biodegradável. A estabilização completa demora, em termos práticos, vários dias ( cerca de 20 dias ou mais para esgoto doméstico). Tal corresponde à Demanda Última de Oxigênio (DBOu). Entretanto, para se evitar que o teste de laboratório fosse sujeito a uma grande demora, e para permitir a comparação de diversos resultados, foram efetuadas algumas padronização: - Convencionou-se proceder à análise no 5º dia. - Determinou-se que o teste fosse efetuado à temperatura de 20ºC, já que temperaturas diferentes interferem no metabolismo bacteriano, alterando as relações entre a DBO de 5 dias e a DBO última. Tem-se, desta forma, a DBO padrão, expressa por DBO 5 20 . Em esgotos sanitários, a DBO geralmente varia na faixa de 150 a 400 mg/l, em média. Isso significa, de forma grosseira, que cada litro de esgoto lançado em um corpo aquático, pode provocar consumo de 150 a 400 mg/L de oxigênio disponível nesse meio, através da reações bioquímicas ( respiração de microrganismos, principalmente). Para se Ter uma idéia da contribuição de cada pessoa na degradação da água de um rio, lago, etc, é interessante notar que as atividades normais de um ser humano leva à “produção” de cerca de 50 a 60 g de DBO 5 20º, por dia, ou seja, cada pessoa, através de seus esgotos, provoca um consumo de oxigênio no corpo receptor da ordem de 50 a 60g. Em termos grosseiros, se considerarmos que um corpo receptor “sadio” tem geralmente teor de oxigênio dissolvido de aproximadamente 7 mg/l, cada pessoa provoca a redução desse teor para 0 mg/l, correspondente a um volume de 8 m 3 /dia aproximadamente (54g de DBO 5 20º / pessoa. dia). Extrapolando-se para uma cidade de 100.000 habitantes, por exemplo, chega-se a um volume da ordem de 800.000m 3 /d. As principais vantagens do teste da DBO, e ainda não igualadas por nenhum outro teste de determinação de matéria orgânica, são relacionadas ao fato de que o teste da DBO permite: - A indicação aproximada da fração biodegradável do despejo; - A indicação da taxa de degradação do despejo; - A indicação da taxa de consumo de oxigênio em função do tempo; - A determinação aproximada da quantidade de oxigênio requerido para a estabilização biológica da matéria orgânica presente. Ciências Ambientais Profª. Dra. Cristina Paschoalato_2015 21 No entanto, as seguintes limitações são citada ( Marais e Ekama, 1976): - Pode-se encontrar baixos valores de DBO5 caso os microrganismos responsáveis pela decomposição não estejam adaptado ao despejo; - Os metais pesados e outras substâncias tóxicas podem matar ou inibir os microrganismos; - Há a necessidade da inibição dos organismos responsáveis pela oxidação da amônia para evitar que o consumo de oxigênio para nitrificação (demanda nitrogenada) interfira com a demanda carbonácea; - a relação DBOu/DBO5 varia em função do despejo; - a relação DBOu/DBO5 varia, para um mesmo despejo, ao longo da linha de tratamento as ETE; - O teste demora 5 dias, não sendo útil para efeito de controle operacional de uma ETE. Apesar das limitações acima, o teste da DBO continua a Ter extensiva utilização, sendo critérios de dimensionamentos das unidades de tratamento expressos em DBO e legislação. b) Demanda Última de Oxigênio ( DBOu) A DBO5 corresponde ao consumo de oxigênio exercido durante os primeiros 5 dias. No entanto, ao final do quinto dia a estabilização da matéria orgânica não está ainda completa, prosseguindo, embora em taxas mais lentas, por mais um período de semanas ou dias. Após tal, o consumo de oxigênio pode ser considerado desprezível. Neste sentido, a Demanda Última de Oxigênio corresponde ao consumo de oxigênio exercido até este tempo, a partir do qual não há consumo representativo. Para esgotos domésticos, considera-se, em termos práticos, que aos 20 dias de teste a estabilização esteja praticamente completa. Pode-se determinar a DBOu, portanto, aos 20 dias. Conceitualmente, o teste é similar a DBO padrão de 5 dias, variando tão somente no que diz respeito ao tempo da determinação final de oxigênio dissolvido. Quadro 9 Faixas típicas da relação DBOu / DBO5 Origem DBOu /DBO5 Esgoto concentrado 1,1 – 1,5 Esgoto de baixa concentração 1,2 - 1,6 Efluente primário 1,2 - 1,6 Efluente secundário 1,5 - 3,0 Fonte: calculado a partir de coeficientes apresentados por Fair et al (1973), Arceivala(1981) Ciências Ambientais Profª. Dra. Cristina Paschoalato_2015 22 Váriosautores adotam, de maneira geral, a relação DBOu/DBO5 igual a 1,46. Isto quer dizer que, caso se tenha uma DBO5 de 300mg/l, a DBOu será igual a 1,46 x 300 = 438 mg/l. c) Demanda Química de Oxigênio ( DQO) O teste da DQO mede o consumo de oxigênio ocorrido durante a oxidação química da matéria orgânica. O valor obtido é, portanto uma indicação indireta do teor de matéria orgânica presente. A principal diferença com relação ao teste da DBO encontra-se claramente presente na nomenclatura de ambos os testes. A DBO relaciona-se a uma oxidação bioquímica da matéria orgânica, realizada inteiramente por microrganismos. Já a DQO corresponde a uma oxidação química da matéria orgânica, obtida através de um forte oxidante ( dicromato de potássio) em meio ácido sulfúrico. As principais vantagens do teste da DQO são: - O teste gasta apenas 2 a 3 horas para ser realizado - O resultado dá uma indicação do oxigênio requerido para estabilização da matéria orgânica - O teste não é afetado pela nitrificação, dando uma indicação da oxidação apenas da matéria orgânica carbonácea ( e não dá nitrogenada) As principais limitações do teste da DQO são: - O teste da DQO são oxidadas, tanto a fração biodegradável, quanto a fração inerte do despejo. O teste superestima, portanto, o oxigênio a ser consumido no tratamento biológico dos despejos; - O teste não fornece informações sobre a taxa de consumo da matéria orgânica ao longo do tempo; - Certos constituintes inorgânicos podem ser oxidados e interferir no resultado. Para esgotos domésticos brutos, a relação DQO/DBO5 varia em torno de 1,7 a 2,4. Para esgotos industriais, no entanto, essa relação pode variar amplamente. Dependendo da magnitude da relação, pode-se tirar conclusões sobre a biodegradabilidade dos despejos e do processo de tratamento a ser empregado. Relação DQO/DBO5 baixa: - Fração biodegradável é elevada - Provável indicação para tratamento biológico Ciências Ambientais Profª. Dra. Cristina Paschoalato_2015 23 Relação DQO/DBO5 elevada: - a fração inerte (não biodegradável ) é elevada - Se a fração não biodegradável não for importante em termos de poluição do corpo receptor: possível indicação para o tratamento biológico - Se a fração não biodegradável for importante em termos de poluição do corpo receptor: provável indicação para o tratamento físico-químico. A relação DQO/DBO5 varia também à medida que o esgoto passa pelas diversas unidades da estação de tratamento. A tendência para a relação é de aumentar, devido à redução paulatina da fração biodegradável, ao passo que a fração inerte permanece aproximadamente inalterada. Assim, o efluente final do tratamento biológico possui valores da relação DQO/DBO5 usualmente superiores a 3. d) Carbono Orgânico Total (TOC ou COT) Neste teste o carbono orgânico total é medido diretamente, o TOC é um teste instrumental e tem se mostrado satisfatório para quantidades reduzidas de matéria orgânica. 4.3.4 Nitrogênio Dentro do ciclo do nitrogênio na biosfera, este alterna-se entre várias formas e estados de oxidação, como resultado de diversos processos bioquímicos. No meio aquático o nitrogênio pode ser encontrado nas seguintes formas: - Nitrogênio molecular (N2) ( escapando para a atmosfera) - Nitrogênio Orgânico ( dissolvido e em suspensão) - Amônia ( livre –NH3 e ionizada –NH4 + ) - Nitrito (NO2 - ) - Nitrato (NO3 - ) O nitrogênio é um componente de grande importância em termos da geração e do próprio controle da poluição das águas, devido principalmente aos seguintes aspectos: Poluição das águas: - O nitrogênio é um elemento indispensável para o crescimento de algas, podendo por isso, em certas condições, conduzir a fenômenos de eutrofização de lagos e represas; - Nos processos de conversão de amônia a nitrito e este a nitrato, implica no consumo de oxigênio dissolvido no corpo d’água receptor; - O nitrogênio na forma de amônia livre é tóxico aos peixes; - O nitrogênio na forma de nitrato está associado a doenças como metahemoglobinemia. Ciências Ambientais Profª. Dra. Cristina Paschoalato_2015 24 Tratamento de esgotos - O nitrogênio é indispensável para o crescimento dos microrganismos responsáveis pelo tratamento de esgotos; - O nitrogênio, nos processos de conversão da amônia a nitrito e este a nitrato (nitrificação), que eventualmente possa ocorrer numa ETE ( Tratamento Terciário), implica no consumo de oxigênio e alcalinidade; - O nitrogênio, no processo de conversão do nitrato a nitrogênio gasoso ( desnitrificação), que eventualmente possa ocorrer numa ETE, implica em : economia de oxigênio e alcalinidade e deterioração da decantabilidade do lodo ( quando não controlado). Em um curso d’água, a determinação da forma predominante do nitrogênio pode fornecer indicações sobre o estágio da poluição eventualmente ocasionada por alguns lançamentos de esgotos a montante. Se esta poluição é recente, o nitrogênio estará basicamente na forma de nitrogênio orgânico ou amônia e, se antiga, basicamente na forma de nitrato. Em resumo, pode-se visualizar as distintas situações da forma generalizada pelo quadro abaixo. Quadro 10 Distribuição relativa das formas de nitrogênio segundo distintas condições: Condição Forma predominante de nitrogênio Esgoto bruto Nitrogênio orgânico Amônia Poluição recente Nitrogênio orgânico Amônia Estágio intermediário da poluição em um curso d´água Nitrogênio orgânico Amônia Nitrito (baixo) e Nitrato Poluição remota Nitrato Efluente de tratamento sem nitrificação Amônia Efluente de tratamento com nitrificação Nitrato Efluente de tratamento com nitrificação / desnitrificação Concentrações mais reduzidas de todas as formas de nitrogênio Nos esgotos domésticos brutos, as formas predominantes são nitrogênio orgânico e amônia. Estes dois, conjuntamente, são determinados em laboratório pelo métodos de Kjeldahl, denominado Ciências Ambientais Profª. Dra. Cristina Paschoalato_2015 25 Nitrogênio Total de Kjeldahl (NTK). As demais formas de nitrogênio são usualmente de menor importância nos esgotos afluentes a uma estação de tratamento. NTK = amônia + nitrogênio orgânico NT = NTK + NO2 + NO3 ( nitrogênio total) A amônia existe em solução tanto na forma de íon (NH4 + ) como na forma livre, não ionizada (NH3). A distribuição relativa assume a seguinte forma em função dos valores de pH: Distribuição entre as formas de amônia: - pH < 8.................................... praticamente toda amônia na forma de NH4 + - pH = 9,5 ................................ aproximadamente 50% NH3 e 50% NH4 + - pH >11................................... praticamente toda amônia na forma de NH3 Assim, pode-se ver que na faixa usual de pH, próxima à neutralidade, a amônia apresenta-se praticamente na forma ionizada. Isto tem importantes conseqüências ambientais, pois a amônia livre é toxica aos peixes em baixas concentrações. 4.3.5 Fósforo O fósforo na água apresenta-se principalmente nas seguintes três formas: - Ortofosfatos - Polifosfatos - Fósforo orgânico Os ortofosfatos são diretamente disponíveis para o metabolismo biológico sem necessidade de conversões a formas mais simples. As principais fontes de ortofosfatos na água são o solo, detergentes, fertilizantes, despejos industriais e esgotos domésticos. Os polifosfatos são moléculas mais complexas que se transformam em ortofosfatos pelo mecanismode hidrólise de forma muito lenta. O fósforo orgânico é normalmente de menor importância nos esgotos domésticos típicos, mas pode ser importante em águas residuárias industriais e lodos oriundos do tratamento de esgotos. No tratamento de esgotos e nos corpos d’água receptores, o fósforo orgânico é convertido a ortofosfatos. A importância do fósforo associa-se principalmente aos seguintes aspectos: Ciências Ambientais Profª. Dra. Cristina Paschoalato_2015 26 - O Fósforo é um nutriente essencial para o crescimento dos microrganismos responsáveis pela estabilização da matéria orgânica. Usualmente os esgotos domésticos possuem um teor suficiente de fósforo, mas este pode estar deficiente em certos despejos industriais; - O fósforo é um nutriente essencial para o crescimento de algas, podendo por isso, em certas condições, conduzir a fenômenos de eutrofização de lagos e represas. 4.3.5 Indicadores de contaminação fecal A detecção dos agentes patogênicos, principalmente bactérias, protozoários e vírus, em uma amostra d’água é extremamente difícil, em razão das suas baixas concentrações, o que demandaria o exame de grandes volumes de amostra para que fosse detectado um único ser patogênico. Este obstáculo é superado através do estudo dos chamados organismos indicadores de contaminação fecal. Tais organismos não são patogênicos, mas dão uma satisfatória indicação de quando uma água apresenta contaminação por fezes humanas ou de animais e, por conseguintes, a sua potencialidade para transmitir doenças. Os organismos mais comumentes utilizados com tal finalidade são as bactérias do grupo coliformes. São as seguintes as principais razões para a utilização do grupo coliforme como indicadores de contaminação fecal: Os coliformes apresentam-se em grande quantidade nas fezes humanas ( cada indivíduo elimina em média de 1010 a 10 11 células por dia ( Branco e Rocha, 1979); De 1/3 a 1/5 do peso das fezes humanas é constituído por bactérias do grupo coliformes. Com isso a probabilidade de serem detectadas após o lançamento é bem superior a dos patogênicos. Apresentam-se em grande número apenas em fezes do homem e animais de sangue quente. Possui resistência aproximadamente similar à maioria das bactérias patogênicas intestinais. As técnicas laboratoriais são rápidas, simples e econômicas. Ciências Ambientais Profª. Dra. Cristina Paschoalato_2015 27 4.4 Relações dimensionais entre carga e concentração A carga per capita representa a contribuição de cada indivíduo ( expressa em termos de massa do poluente ) por unidade de tempo. Uma unidade comumente usada é a g/hab.d, eqüivale a dizer que cada indivíduo contribui por dia, em média, com o equivalente a 54g de DBO. A carga afluente a uma ETE corresponde à quantidade de poluente (massa) por unidade de tempo. Neste sentido, relações de importância são: carga = população x carga per capita carga (kg/d) = população(hab) . carga per capita ( g/hab.d) 1000 (g/kg) carga = concentração x vazão carga (kg/d) = concentração(g/m 3 ) x vazão(m 3 /d) 1000 (g/kg) concentração = carga / vazão concentração = carga per capita / quota per capita Ciências Ambientais Profª. Dra. Cristina Paschoalato_2015 28 Exercício 1: Os habitantes de uma comunidade geram uma contribuição per capita de DBO de 54g/hab.d, e uma contribuição per capita de esgotos de 180 l/hab.d. Calcular a concentração de DBO nos esgotos? Exercício 2: a) Calcular a carga de nitrogênio total afluente a uma ETE, sendo dados: Concentração: 45mg N/l Vazão: 50 l/s b) Nesta mesma condição, calcular a concentração de fósforo total afluente sabendo-se que a carga afluente é de 60kgP/d. Ciências Ambientais Profª. Dra. Cristina Paschoalato_2015 29 Quadro 11 Característica químicas dos esgotos domésticos brutos Parâmetro Contribuição per capita (g/hab.d) Concentração Faixa Típico Unidade Faixa Típico Sólidos Totais - Em suspensão Fixos Voláteis - Dissolvidos Fixos Voláteis - Sedimentáveis 120 – 220 35 – 70 7 – 14 25 – 60 85 – 150 50 – 90 35 – 60 - 180 60 10 50 120 70 50 - mg/l mg/l mg/l mg/l mg/l mg/l mg/l mg/l 700 – 1350 200 – 450 40 – 100 165 – 350 500 – 900 300 – 550 200 – 350 10 - 20 1100 400 80 320 700 400 300 15 Matéria Orgânica - Determinação indireta DBO5 DQO DBO última - Determinação direta COT 40 – 60 80 – 130 60 – 90 30 - 60 50 100 75 45 mg/l mg/l mg/l mg/l 200 – 500 400 – 800 350 – 600 170 - 350 350 700 500 250 Nitrogênio Total - Nitrogênio orgânico - Amônia - Nitrito - Nitrato 6,0 – 112,0 2,5 – 5,0 3,5 – 7,0 0 0,0 – 0,5 8,0 3,5 4,5 0 0 mgN/l mgN/l mgNH3-N/l mgNO2-N/l mgNO3-N/l 35 – 70 15 – 30 20 – 40 0 0 – 2 50 20 30 0 0 Fósforo - Fósforo orgânico - Fósforo inorgânico 1,0 – 4,5 0,3 – 1,5 0,7 – 3,0 2,5 0,8 1,7 mgP/l mgP/l mgP/l 5 – 25 2 – 8 4 – 17 14 4 10 pH - - - 6,7 – 7,5 7,0 Alcalinidade 20 - 30 25 mgCaCO3/l 110 - 170 140 Cloretos 4 - 8 6 mg/l 20 - 50 35 Óleos e Graxas 10 - 30 20 mg/l 55 - 170 110 Fontes: Arceivala (1981), Pessoa e Jordão (1982), Qasim (1985), Metcalf & Eddy (1991) e experiência do autor Ciências Ambientais Profª. Dra. Cristina Paschoalato_2015 30 4.5 Características dos despejos industriais Os despejos industriais apresentam uma ampla variabilidade das suas características qualitativas, o que dificulta uma generalização dos valores mais comuns. Em termos do tratamento biológico dos despejos industriais, assumem importância os seguintes aspectos e conceitos: Biodegradabilidade: capacidade dos despejos de serem estabilizados por processos bioquímicos, através de microrganismos. Tratabilidade: possibilidade de serem tratados por processo biológico Concentração de matéria orgânica: DBO dos despejos, a qual pode ser mais elevada ou inferior do que os esgotos domésticos. Disponibilidade de nutrientes: o tratamento biológico exige um equilíbrio harmônico entre os nutrientes C:N:P. Tal equilíbrio é normalmente em esgotos domésticos. Toxidez: Determinados despejos industriais possuem constituintes tóxicos ou inibidores, que podem afetar ou inviabilizar o tratamento biológico. 4.6 Equivalente populacional Um importante parâmetro caracterizador dos despejos industriais é o equivalente populacional. Tal parâmetro traduz a equivalência entre o potencial polidor de uma indústria ( em termos de matéria orgânica) e uma determinada população, a qual produz essa mesma carga poluidora. Assim, quando se diz que uma indústria tem um equivalente populacional de 20.000 habitantes, eqüivale a dizer que a carga de DBO do efluente industrial corresponde à carga gerada por uma localidadecom uma população de 20.000 habitantes. E.P (Equivalente Populacional) = carga de DBO da indústria ( kg/d) contribuição per capita de DBO ( kg/hab. d) Caso adote-se o valor freqüente de 54g DBO/hab.d , tem-se: E.P (Equivalente Populacional) = carga de DBO da indústria ( kg/d) 0,054 ( kg/hab. d) Ciências Ambientais Profª. Dra. Cristina Paschoalato_2015 31 Exercício 3: Calcular o equivalente populacional (EP) de uma indústria que possui os seguintes dados: - vazão = 120 m3/d - concentração de DBO = 2000 mg/l Exercício 4: Um matadouro abate 30 cabeças de gado e 50 porcos por dia. Dar as características estimadas do efluente. Dados: valor médio adotado de 7 kg DBO/boi abatido ( 1 boi = 2,5 porcos) Ciências Ambientais Profª. Dra. Cristina Paschoalato_2015 32 4.7 Características dos despejos industriais Quadro 12 Principais parâmetros de importância nos efluentes industriais Ramo Atividade DBO DQO SS OG Fenóis pH CN - Metais Alimentos Usinas Açúcar e Álcool Conservas carne/peixe Laticínios Matadouros e Frigoríficos Conservas frutas e cereais Moagem de grãos X X X X X X X X X X X X X X X X X X X Bebidas Refrigerantes e cervejaria X X X X Têxtil Algodão Lã Sintéticos Tingimento X X X X X X X X X X X Couros e peles Curtimento vegetal Curtimento ao Couro X X X X X X X X X X Papel Proc. Polpa de celulose Fabricação papel X X X X X X X X Minerais não metálicos Vidros e espelhos Fibra de vidro Cimento Cerâmica X X X X X X X X X X X X X X Borracha Artefatos de borracha Pneus e Câmaras X X X X X X X X Produtos Químicos Prod. Químicos vários Laboratório fotográfico Tintas e corantes Inseticidas Desinfetantes X X X X X X X X X X Plásticos Plásticos e resinas X X X X X Perf. Sabões Cosmét. deterg. e sabões X X X Mecânica Prod. de peças metálicas X X Metalúrgica Prod. de ferro gusa Siderúrgicas Tratamento de superfície X X X X X X X X X X X X X X X X X X Mineração Atividade extrativa X X Derivados petróleo Combust. e lubrificantes Usinas de asfalto X X X X X X Artigo elétrico Artigos elétricos X X Madeira Serraria, compensados X Serv,. Pessoais Lavanderias X X X Dra. Cristina F. P. R. Paschoalato Quadro 12 Características das águas residuárias de algumas indústrias Gêner o Tipo Unidade de produção Consumo específico de água (m 3 /unid) Carga específic a de DBO (kg/unid ) Equiv. Popul. de DBO (hab/unid) Concentraç ão de DBO (mg/l) Carga específica de SS (kg/unid) Carga específica de SDT (kg/unid) Alime ntícia Conservas (frutas/legu mes) Doces Açúcar cana Laticínio sem queijaria Laticínio com queijaria Margarina Matadouros Produção de levedura 1 ton 1 ton 1 ton açúcar 1000 l leite 1000 l leite 1 ton 1 boi/2.5 porcos ton 4 - 50 5 - 25 0,5 – 10,0 1 – 10 2 – 10 20 0,3 – 0,4 150 30 2 – 8 2,5 1 – 4 5 – 40 30 4 – 10 1100 500 40 – 150 50 20 – 70 90 – 700 500 70 – 200 21000 600 – 7500 200 – 1000 250 – 5000 300 – 2500 500 – 4000 1500 15000 – 20000 7500 - - 4 20 – 250 300 – 400 - 5 19 - - - - - - - 2250 Bebid as Destilação de álcool Cervejaria Refrigerante Vinho 1 ton 1 m 3 1 m 3 1 m 3 60 5 – 20 2 – 5 5 220 8 – 20 3 – 6 0,25 4000 150 – 350 50 – 100 5 3500 500 – 4000 600 - 2000 260 1400 - - 400 - - - Têxtil Algodão Lã Rayon Nylon Polyester Lavanderia de lã Tinturaria Alvejamento de tecidos 1 ton 1 ton 1 ton 1 ton 1 ton 1 ton 1 ton 1 ton 120 – 750 500 – 600 25 – 60 100 – 150 60 – 130 20 – 70 20 – 60 - 150 300 30 45 185 100 – 250 100 – 200 16 2800 5600 550 800 3700 2000 – 4500 2000 – 3500 250 - 350 200 – 1500 500 – 600 500 – 1200 350 1500 – 3000 2000 – 5000 2000 – 5000 250 - 300 70 200 55 30 100 - - - 200 480 100 100 150 - - - Couro e Curtu me Curtume Sapatos 1 ton pele 1000 pares 20 – 40 5 20 – 150 15 1000 – 3500 300 1000 – 4000 3000 220 – 300 - 350 – 400 - Polpa e Fabric. de polpa sulfatada Fabricação 1 ton 1 ton 1 ton 15 – 200 30 – 270 200 - 250 30 10 60 - 500 600 100 – 300 1000 - 10000 300 300 - 10000 18 - 400 - 1000 170 - - Dra. Cristina F. P. R. Paschoalato Papel de papel Polpa e papel integrados Indúst ria Quími ca Tinta Sabão Refinaria de petróleo PVC 1 empregad o 1 ton 1 barril (1171) 1 ton 0,110 25 – 200 0,2 – 0,4 12,5 1 50 0,05 10 20 1000 1 200 10 250 – 2000 120 – 250 800 - - - 1,5 - - - - Indúst ria Não – metáli ca - Vidro e subprodu tos - Cimento (process o seco) 1 ton 1 ton 50 5 - - - - - - 0,7 - 8 0,3 Siderú rgica - Fundição - Laminaç ão 1 ton gusa 1 ton 3 – 8 8 – 50 0,6 – 1,6 0,4 – 2,7 12 – 30 8 - 50 100 – 300 30 - 200 - - - - Fontes: CETESB (1976), Braile e Cavalcanti (1977), Arceivala (1981), Hosang e Bischof (1984), Salvador (1991), Weltzenfeld (1984) Nota: dados não preenchidos (-) podem significar dados não significativos ou dados não obtidos. Dra. Cristina F. P. R. Paschoalato 5. NÍVEIS, PROCESSOS E SISTEMAS DE TRATAMENTO Em estudos ou projetos, antes de se iniciar a concepção e o dimensionamento do tratamento, deve- se definir com clareza qual o objetivo do tratamento dos esgotos, e a que nível deve ser o mesmo processado. Tal questionamento assume freqüentemente uma importância secundária em projetos apressados ou exclusivamente padronizados, e não raro se vê concepções superestimadas, subestimadas, ou desvinculadas de outros importantes aspectos que não apenas a remoção da DBOcom uma eficiência de, por exemplo, 90%. Porque a DBO? Porque apenas a DBO? Porque 90%? Estas devem ser perguntas que devem ser efetuadas e esclarecidas na etapa preliminar da formulação da concepção do sistema. Para tanto, devem ser bem caracterizados os seguintes aspectos: - Objetivos do tratamento - Nível do tratamento - Estudos de impacto ambiental no corpo receptor 1 Nível do tratamento A remoção dos poluentes no tratamento, de forma a adequar o lançamento a uma qualidade desejada ou ao padrão de qualidade vigente está associada aos conceitos de nível de tratamento. O tratamento é usualmente classificado através dos seguintes níveis: - Preliminar ( ou pré tratamento) - Primário - Secundário - Terciário (apenas eventualmente) - Reuso (tecnologia limpa) Dra. Cristina F. P. R. Paschoalato Quadro 1 Níveis de tratamento dos esgotos Nível Remoção Preliminar - Sólidos suspensos grosseiros ( materiais de maiores dimensão e areia) Primário - Sólidos em suspensão sedimentáveis - DBO em suspensão Secundário -DBO em suspensão ( matéria orgânica em suspensão fina) -DBO solúvel (matéria orgânica na forma de sólidos dissolvidos) Terciário - Nutrientes - Patogênicos - compostos não biodegradáveis - metais pesados - sólidos inorgânicos dissolvidos Sólidos em suspensão Evolução de Estudos para Concepção de Sistemas de Tratamento de Esgotos Nos itens seguintes são destacados alguns fatores que influem de maneira acentuada na concepção de sistemas de tratamento de esgotos. A esses fatores se somam muitos outros, que tornam as tomadas de decisão ainda mais complexas. Note-se que ao se implantar uma estação de tratamento este sistema vai provocar certo impacto ambiental na área circunvizinha, que pode ser negativo ou quase desprezível. Portanto, além de se ter de pensar na parte puramente técnica também tem-se de ponderar os aspectos ambientais e estético (arquitetura, urbanismo, paisagismo) para que essa obra não venha a ser algo que agrida o sentimento dos moradores da região e daqueles que venham visitar a estação de tratamento. Por outro lado, essa obra também pode provocar alterações no ambiente vizinho através da exalação de maus odores e pelo trafego de veículos que fatalmente terão de afastar resíduos sólidos do local. Dra. Cristina F. P. R. Paschoalato A esses fatores devem ser somados outros, entre os quais aqueles relacionados com possibilidade de contaminação do lençol de água subterrânea, arraste de materiais pelas águas pluviais até corpos d’água, etc. Dois parâmetros fundamentais que também não devem ser esquecidos referem-se a produção de lodo e ao consumo de energia. No Brasil, e em quase todos os países do mundo, o problema de afastamento, tratamento e de disposição de resíduo sólidos torna-se cada vez mais grave e, em algumas situações atingem nível dramático. A medida que se implantam estações de tratamento de águas residuárias, evidentemente se produz mais resíduo sólido, que é retirado dessas águas ou é produzido através da síntese de bactérias que promovem o tratamento biológico. A produção de lodos em uma estação de tratamento é algo importante que redunda a necessidade de ser considerado como um dos importantes fatores que podem levar a problemas e a custos significativos. Quanto ao consumo de energia não há necessidade de se acrescentar muito, pois é evidente que quanto menor a demanda de energia elétrica menor será o custo da operação. Apesar de ser evidente, em muitos casos nota-se total desprezo para essa ponderação. Face ao exposto, fica evidente a enorme responsabilidade do administrador municipal ao decidir pela implantação do tratamento de esgotos em sua cidade pois, direta ou indiretamente os erros advindos de uma opção inadequada certamente serão atribuídos à gestão durante a qual foram iniciados os estudos, sendo esquecida ,muitas vezes, a intenção nobre de salvaguardar o ambiente que deu impulso ás medidas tomadas. Assim sendo é recomendável, sempre que possível, e em cidades que não disponham de dados e planos baseados em estudos técnicos e econômicos sobre o sistema de esgotos, que sejam seguidos alguns passos fundamentais na evolução do planejamento para implementação de estações de tratamento de esgotos. Desse modo, recomenda-se que pelo menos sejam observados alguns tópicos enumerados a seguir: a) Diagnóstico de sistema existente: Nessa fase deve-se levantar todos os dados concernentes com o sistema existente, tais como cadastros, vazões, custos, receita, problemas executivos e operacionais, limites de sub-bacias, população atual e seu crescimento, etc. Em síntese, deve-se Dra. Cristina F. P. R. Paschoalato coletar e analisar todos os dados possíveis para que se conheça perfeitamente como o sistema existente está construído, suas possibilidades de expansão, suas condições operacionais, etc. Adicionalmente deve-se conhecer vazões, locais de lançamento, classe e características, do (s) receptor (es), distribuição da população servida, etc. b) Estudo de alternativas e escolha da melhor solução: Essa fase é muito importante, o seu sucesso fundamental é apoiado na experiência e no conhecimento do projetista e de seus consultores. Vale destacar que recentemente esta ocorrendo uma evolução acentuada no número de alternativas tecnicamente viáveis para tratamento e esgotos. Cabe aqueles aos quais recai a decisão, responsabilidade e a obrigação de ponderarem sobre todas as alternativas viáveis, envolvendo tecnologias desde as mais simples a mais complexa e desde a mais antiga até a mais recente. Naturalmente, em função das condições de cada cidade, muitas alternativas podem ser eliminadas após uma simples avaliação inicial de fatores básicos, tais como: área disponível, nível sócio-econômico predominante, disponibilidade de energia a custo razoável, etc. porém, após esta pré-seleção sempre restaram algumas alternativas tecnicamente viáveis que deverão ser objeto de estudos para determinação daquela que oferece as melhores condições econômicas. Os estudos técnico e econômico deverão ser realizados com base em informações que surgiram através da análise dos seguintes tópicos, fases ou considerações: - conhecimento da classe e avaliação da capacidade de autodepuração do corpo receptor; - definição da eficiência necessária para tratamento; - espaço disponível para implantação da (s) estação (ões); - sondagem e estudos geofísico na (s) área (s) para implantação da (s) estação (ões); - definição do número de estações; - definição do módulo que constitui a (s) estação (ões); - utilização de tecnologias disponíveis e apropriadas; - definição de critérios de projeto; - “lay out” de ante-projetos; - análise sobre o balanço de sólidos para avaliar problemas, soluções e custos para transporte, tratamento e destino final de lodos; - análise sobre o balanço energético para avaliar o consumo de energia e seus custos; Dra. Cristina F. P. R. Paschoalato - análise sobre as condições técnicas gerais de cada alternativa; - análise de custos (construção, operação e manutenção) de cada alternativa (devem ser comparados os valores presente considerando-se a construção e a operação e manutenção nos próximos 20 anos); - análise do impacto ambiental de cada alternativa; - escolha da melhor solução; c) Projeto executivo: A conclusão de todos os trabalhos desenvolvidos para implantação do sistema de tratamento é apresentada detalhadamente no projeto executivo etambém são fornecidos os projetos específicos em nível suficiente para a execução da obra. Do projeto executivo constam, pelo menos: memorial justificativo, escolha técnico-econômica da melhor solução, memorial de cálculo, manual de operação, lista básica de material para construção, especificações para construção, projeto estrutural, projeto de instalações elétricas, projeto arquitetônico e estudo de paisagismo. Deve-se também ser incorporado breve estudo sobre o impacto da estação no ambiente. Função de uma Estação de Tratamento de Esgotos Como se descreveu anteriormente, a eficiência e a capacidade nominal de uma estação de tratamento de esgotos são definidas a partir de uma série complexa de fatores específicos a cada caso estudado. O tratamento pode abranger diferentes níveis denominados tecnicamente de tratamento primário, secundário e terciário. O tratamento primário envolve a remoção de sólidos grosseiros através de grades, geralmente, e a sedimentação (caixa retentora de areia decantadoras) ou flotação de materiais constituídos principalmente de partículas em suspensão. Essa fase produz quantidade de sólidos que devem ser dispostos adequadamente. De maneira geral, os sólidos retirados em caixas retentoras de areia são enterrados, e aqueles tirados em decantadores devem ser adensados e digeridos adequadamente para posterior secagem e disposição em locais apropriados. As formas de tratamento desse lodo variam de maneira bastante ampla. O tratamento secundário, por sua vez, destina-se a degradação biológica de compostos carbonáceos. Quando é feita essa degradação, naturalmente ocorre a decomposição de carbohidratos, óleos e Dra. Cristina F. P. R. Paschoalato graxas e de proteínas a compostos mais simples, tais como: CO2, H2O, NH3, CH4, H2S, etc. Dependendo do tipo de processo predominante. As bactérias que efetuam o tratamento, por outro lado, se reproduzem e tem sua massa total aumentada em função da quantidade de matéria degradada. Caso se empregue o tratamento aeróbio, para cada kg de DBO removida ocorre a formação de cerca de 0,4 à 0,7 kg de bactérias (matéria seca) e, caso opte pelo processo anaeróbio, tem-se para cada kg de DBO removido a formação de 0,02 à 0,20 kg de bactérias, aproximadamente. A pequena formação de biomassa do processo anaeróbio em relação ao aeróbio é uma das grandes vantagens atribuídas a o uso de bactérias que proliferam em ambiente anaeróbio pelo tratamento de efluentes, pois o custo e as dificuldades para tratamento, transporte e disposição final dos lodos biológicos são bastante reduzidas, no caso. Geralmente, o volume de lodo no processo anaeróbio, em termos práticos é menor que 20 % do volume produzido pelo processo aeróbio, para um mesmo efluente líquido. Após a fase em que é feita a degradação biológica, o sólidos produzidos devem ser removidos em unidades específicas para esse fim (lagoa de sedimentação, decantadores, flotadores, etc.) e, posteriormente são submetidos a adensamento, digestão, secagem e disposição adequada. Dependendo do tipo do processo adequado também pode-se recircular uma parcela da massa das bactérias ativas, devolta ao reator biológico. Essa alternativa permite o aumento da produtividade do sistema e maior estabilidade no seu desempenho. De maneira geral, a maioria das estações construídas alcançam apenas o nível de tratamento secundário, aqui descrito, porém, em muitas situações, é obrigatório que esse tratamento alcance o nível determinado terciário. Dra. Cristina F. P. R. Paschoalato TRATAMENTO TERCIÁRIO SECUNDÁRIO PRIMÁRIO Figura 1 – Conceito de sistema de tratamento de esgotos O efluente do tratamento secundário ainda possui nitrogênio e fósforo em quantidade, concentração e formas que podem provocar problemas no corpo do receptor, dependendo de suas condições específicas, dando origem ao fenômeno denominado eutrofização, que é sentido pela intensa proliferação de algas. O tratamento terciário tem por objetivo, no caso de esgotos sanitários a redução das concentrações de nitrogênio e fósforo, e é, geralmente fundamentada em processos biológicos realizados em duas fases subsequentes denominadas nitrificação e desnitrificação. A remoção de fósforo pode também ser efetuada através de tratamento químico, com sulfato de alumínio, por exemplo. Na nitrificação, o nitrogênio é levado a forma de nitrato posteriormente, na desnitrificação, é levado na produção de N2, principalmente, que é volatilizado para o ar. O tratamento terciário também produz lodo, que deve ser adensado, digerido, secado e disposto convenientemente. REMOÇÃO DE NUTRIENTES E DE MATERIAIS NÃO BIODEGRADÁVEIS REMOÇÃO DE LODO BIOLÓGICO DEGRADAÇÃO DE COMPOSTOS CARBONÁCEOS REMOÇÃO DE MATERIAIS GROSSEIROS, FLUTUANTES E SEDIMENTARES ESGOTOS D E S I N F E C Ç Ã O ADENSAMENTO, DIGESTÃO, CONDICIONAMENTO, DESIDRATAÇÃO, SECAGEM, ETC. LODO LODO BIOLÓGICO LODO SECUNDÁRIO LODO PRIMÁRIO AREIA E SÓLIDOS GROSSEIROS GRADEADOS DISPOSIÇÃO ADEQUADA Dra. Cristina F. P. R. Paschoalato Em essência, as operações e processos descritos destinam-se a remoção de sólidos em suspensão e de carga orgânica, restando agora, para completar o tratamento, que se cuide da remoção de organismos patogênicos. Sistemas de tratamento que envolvem disposição no solo ou lagoas de estabilização, em muitos casos, já tem a capacidade de efetuar redução considerável no número de patogênicos, dispensando assim um sistema específico para desinfecção. Nos outros casos, ainda se faz necessária a previsão de instalações para desinfecção, que é geralmente efetuada através do uso de cloro, ozônio e, mais recentemente, radiação ultravioleta. Alternativas para Tratamento Introdução Antes de serem descritas as principais alternativas para tratamento e esgotos sanitários é interessante que seja destacadas algumas observações sobre o tratamento primário e sobre alguns parâmetros utilizados para dimensionamento. Como já foi descrito anteriormente, o tratamento primário visa a remoção de sólidos grosseiros, óleos e graxas, sólidos em suspensão, com eficiência tal que perita o bom funcionamento das partes seguintes que compõem uma estação de tratamento. Dependendo do tipo de tratamento adotado os componentes do tratamento primário podem variar, conforme as alternativas destacadas a seguir, sendo, porém, a caixa retentora de areia uma unidade que raramente pode ser dispensada. - Alternativa 1: Grade Caixa Retentora de Areia Medidor de Vazão Decantador Primário - Alternativa 2: Grade Caixa Retentora de Areia Dra. Cristina F. P. R. Paschoalato Medidor de Vazão Peneira Estática - Alternativa 3: Grade Caixa Retentora de Areia Medidor de Vazão Em certos casos que opta pelo tratamento por disposição no solo, pode-se utilizar como tratamento preliminar apenas o gradeamento, seguido de medidor de vazão, naturalmente. A dispensa de decantador primário me de peneira estática, geralmente só é admitida em sistemas de lagoas de estabilização e em sistemas denominados de oxidação total ou aeração prolongada. Mais recentemente também tem-se eliminado o decantador, quando se usam reatores anaeróbios de manta de lodo, porém, nesse caso, é obrigatório o uso de gradeamento fino dos esgotos. Para facilitar
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