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SENAI-RJ • Tratamento de esgotos Tratamento de esgotos Federação das Indústrias do Estado do Rio de Janeiro Eduardo Eugenio Gouvêa Vieira Presidente Diretor Geral do Sistema FIRJAN Augusto Cesar Franco de Alencar Diretor Diretor Regional SENAI-RJ Roterdam Pinto Salomão Diretor Diretor Regional SENAI-RJ Andréa Marinho de Souza Franco Diretora SENAI-RJ Rio de Janeiro 2008 Tratamento de esgotos Benito Piropo Da-Rin José Nunes Vieira Neto Miguel Freitas Cunha Reginaldo Ramos Tratamento de Esgoto 2008, 2ª ed. SENAI – Rio de Janeiro Diretoria de Educação FICHA TÉCNICA 1ª edição, 2006 Gerência de Educação Profi ssional Luís Roberto Arruda Superintendência de Recursos Humanos (CEDAE) Dejair Ferreira da Silva Gerência de Produto Bernardo Schlaepfer Coordenação Flávia Pinto de Carvalho Seleção de Conteúdos (CEDAE) Benito Piropo Da Rin José Nunes Vieira Neto Miguel F. Cunha Reginaldo Ramos Analista de Treinamento (CEDAE) Valdeci Francisco Baracho Revisão Pedagógica Alda Lessa Bastos Revisão Gramatical Marcia Cristina Carvalho de Brito Projeto Gráfi co Artae Design & Criação Diagramação Geferson Gomes Coutinho 2ª edição, 2008 Gerência de Educação Profi ssional Regina Helena Malta do Nascimento Gerência Executiva SESI-SENAI Tijuca Bernardo Schlaepfer Coordenação Angela Elisabeth Denecke Vera Regina Costa Abreu Atualização dos Conteúdos (CEDAE) Benito Piropo Da Rin José Nunes Vieira Neto Miguel Freitas Cunha Reginaldo Ramos Coordenação de Recrutamento, Seleção, Valdeci Francisco Baracho Treinamento e Desenvolvimento (CEDAE) Revisão Pedagógica Gloria Micaelo Nina Rosa Aguiar Revisão Gramatical e Editorial Rosy Lamas Colaboração Mary Cristina da Rocha Editoração Daniela de Oliveira Edição revista e atualizada do material didático Técnicas de Tratamento de Esgoto, publicado pelo SENAI-RJ, em parceria com a CEDAE, em 2006. GEP – Gerência de Educação Profi ssional Rua Mariz e Barros, 678 – Tijuca 20270-903 – Rio de Janeiro – RJ Tel.:(21) 2587.1323 Fax:(21 ) 2254.2884 E-mail: GEP@rj.senai.br http://www.rj.senai.br Sumário 1 2 Apresentação .................................................................... 11 Uma palavra inicial ............................................................ 13 CARACTERÍSTICAS DOS ESGOTOS SANITÁRIOS.............. 21 1.1 Características físicas ................................................... 21 1.2 Características químicas ................................................ 25 1.3 Características biológicas .............................................. 30 AUTODEPURAÇÃO DOS CORPOS DE ÁGUA ....................... 37 2.1 Zonas características .................................................... 40 2.2 Autodepuração ............................................................ 42 PROCESSOS DE TRATAMENTO DE ESGOTOS .................... 51 3.1 Tratamento preliminar .................................................. 52 3.2 Tratamento primário ..................................................... 52 3.3 Tratamento secundário ................................................. 53 3.4 Tratamento terciário ..................................................... 53 TRATAMENTO PRELIMINAR E PRIMÁRIO ........................ 57 4.1 Tratamento preliminar .................................................. 57 4.2 Tratamento primário e sistemas conjugados .................... 64 NOÇÕES DE BIOLOGIA SANITÁRIA ................................. 73 5.1 Organismos aeróbios e anaeróbios ................................. 73 5.2 Organismos autotrófi cos e heterotrófi cos ......................... 74 5.3 Organismos de interesse para o tratamento de esgotos ..... 75 5.4 Metabolismo dos seres vivos .......................................... 82 3 4 5 7 8 6 FILTROS BIOLÓGICOS .................................................... 896.1 Composição e funcionamento dos fi ltros biológicos ........... 89 6.2 Reator biológico rotativo de contato ................................ 100 LODOS ATIVADOS ........................................................... 105 7.1 Tanques de aeração ...................................................... 105 7.2 Constituição do lodo ativado .......................................... 106 7.3 Parâmetros de dimensionamento e operação ................... 107 7.4 Controle do processo .................................................... 117 7.5 Dimensionamento do sistema de aeração ........................ 126 7.6 Fornecimento de oxigênio.............................................. 130 LAGOAS DE ESTABILIZAÇÃO ........................................... 149 8.1 Lagoas aeradas ............................................................ 149 8.2 Lagoas anaeróbias ....................................................... 150 8.3 Lagoas aeróbias ........................................................... 151 8.4 Lagoas de maturação ................................................... 152 8.5 Lagoas facultativas ....................................................... 152 8.6 Fatores intervenientes .................................................. 158 8.7 Dimensionamento ........................................................ 162 8.8 Lagoas em série ........................................................... 172 TRATAMENTO DO LODO .................................................. 177 9.1 Produção e tipos de lodo ............................................... 177 9.2 Disposição fi nal dos resíduos ......................................... 178 9.3 Fator econômico na seleção das técnicas ......................... 179 9.4 Técnicas de tratamento de lodo...................................... 181 9.5 Disposição fi nal ............................................................ 195 NOÇÕES DE MANUTENÇÃO E OPERAÇÃO DE EQUIPAMENTOS PARA TRATAMENTO DE ESGOTOS ................................... 205 10.1 Instalações elétricas ................................................... 206 10.2 Equipamentos ............................................................ 208 9 10 CONTROLE DE QUALIDADE E AMOSTRAGENS EM UMA ETE . 219 11.1 Parâmetros analíticos .................................................. 219 11.2 Possíveis pontos de coleta ........................................... 222 11.3 Amostragem: preparativos, material e técnicas gerais de coleta ................................................................. 223 DOENÇAS DE ORIGEM E VEICULAÇÃO HÍDRICA .............. 233 12.1 Doenças causadas por agentes microbianos e parasitários 233 Anexo - siglas utilizadas ..................................................... 247 Referências ....................................................................... 249 11 12 LISTA DE FIGURAS Figura 1.1 Distribuição típica de compostos sólidos .............................23 Figura 2.1 Consumo de OD com o tempo, após o lançamento de esgoto......................................................38 Figura 2.2 Reaeração com o tempo, após o lançamento de esgoto ........39 Figura 2.3 Curva de depleção de oxigênio ..........................................40 Figura 2.4 Zonas do curso de água após lançamento de esgoto ............42 Figura 2.5 Depleção total de oxigênio ...............................................43 Figura 2.6 Modelo simplifi cado do fenômeno de autodepuração ............46 Figura 6.1 Diagrama esquemático do fi ltro biológico............................91 Figura 6.2 Esquemas de recirculação ................................................96 Figura 6.3 Reator biológico rotativo de contato – RBC (acionado a ar) ...101 Figura 7.1 Variação das massas de substrato .....................................117 Figura 8.1Lagoa facultativa.............................................................153 Figura 8. 2 Gráfi co de Marais para projetos de lagoas facultativas ..........170 Figura 11.1 Fase líquida ....................................................................222 Figura 11.2 Tratamento do lodo .........................................................223 Figura 11.3 Garrafas coletoras em profundidade ..................................226 Figura 11.4 Draga de Petersen ...........................................................226 Figura 11.5 Draga de Eckman ...........................................................226 Figura 11.6 Disco Secchi ...................................................................227 LISTA DE TABELAS Tabela 8.1 Taxas de aplicação de carga orgânica ............................. 163 Tabela 9.1 Relação temperatura-tempo de digestão ......................... 184 Tabela 11.1 Preservação de amostras por parâmetro de interesse ....... 228 Tabela 12.1 Microorganismos causadores de doenças ........................ 241 Tabela 12.2 Grupos de doença (AMAE)............................................. 242 SENAI-RJ 11 Apresentação SENAI-RJ 11 Tratamento de esgotos - Apresentação A dinâmica social dos tempos de globalização exige dos profi ssionais atualizações constantes. Até mesmo as áreas tecnológicas de ponta fi cam ultrapassadas em ciclos cada vez mais curtos, o que gera desafi os renovados a cada dia e obriga a educação a encontrar novas e rápidas respostas. Nesse cenário, impõe-se a educação continuada, a qual exige que os profi ssionais busquem atualização constante – e os docentes e participantes dos cursos do Serviço Nacional de Apren- dizagem Industrial – Departamento Regional do Rio de Janeiro, SENAI-RJ, incluem-se nessas novas demandas sociais. É preciso, portanto, promover, tanto para os docentes como para os participantes da edu- cação profi ssional, condições que propiciem o desenvolvimento de novas formas de ensinar e aprender, favorecendo o trabalho de equipe, a pesquisa, a iniciativa e a criatividade, entre outros aspectos, e ampliando suas possibilidades de atuar com autonomia e de forma competente. Como parte desse esforço para atender às necessidades do mercado de trabalho, a Com- panhia Estadual de Águas e Esgotos – CEDAE e o Serviço Nacional de Aprendizagem Industrial Departamento Regional do Rio de Janeiro – SENAI-RJ organizaram o curso de Tratamento de Esgotos em conformidade com as exigências legais da política de treinamento das pessoas que atuam nos processos dessa área industrial. Visa-se, assim, oferecer aos profi ssionais a oportu- nidade de desenvolver as competências técnicas fundamentais à execução de suas atividades. Este material didático tem como fi nalidade principal servir como apoio à aprendizagem e o seu conteúdo básico está estruturado em 12 unidades, sendo as nove primeiras responsáveis pelos principais processos de tratamento de esgoto, na sequência em que eles se apresentam na estação de tratamento (ETE) e as três últimas responsáveis por informações complementares sobre manutenção de equipamentos, controle de qualidade do produto e saúde. Ao fi nal encontra-se um quadro com o signifi cado das siglas aqui utilizadas e mais comumente empregadas nesse tipo de operação. A CEDAE e o SENAI-RJ esperam que você, participante, alcance excelente proveito dos con- teúdos aqui apresentados e que, ao utilizar as novas aprendizagens no seu dia-a-dia, o resultado seja uma prática profi ssional mais competente e também consciente da importância do trata- mento adequado de esgotos para a saúde da população e para a preservação do meio ambiente. Compreenda que seu trabalho deve ser realizado sempre com segurança e qualidade. SENAI-RJ 13 Tratamento de esgotos - Uma palavra inicial Uma palavra inicial SENAI-RJ 13 Meio ambiente... Saúde e segurança no trabalho... O que é que nós temos a ver com isso? Sabemos a resposta, mas nunca é demais refl etir sobre esses dois pontos que merecem destaque: a relação entre o processo produtivo e o meio ambiente, além da questão da saúde e da segurança no trabalho. As indústrias e os negócios são a base da economia moderna. Produzem os bens e serviços necessários e dão acesso a emprego e renda, mas, para atender a essas necessidades, precisam usar recursos e matérias-primas. Os impactos no meio ambiente, muito freqüentemente, decorrem do tipo de indústria existente no local, do que ela produz e, principalmente, de como produz. É preciso entender que todas as atividades humanas transformam o ambiente. Estamos sem- pre retirando materiais da natureza, transformando-os e depois jogando o que “sobra” de volta no ambiente natural. Ao retirar do meio ambiente os materiais necessários para produzir bens, altera-se o equilíbrio dos ecossistemas e arrisca-se chegar ao esgotamento de diversos recursos naturais que não são renováveis ou, quando o são, têm sua renovação prejudicada pela velocidade da extração, superior à capacidade da natureza de se recompor. É necessário fazer planos de curto e longo prazo para diminuir os impactos que o processo produtivo causa na natureza. Além disso, as indústrias precisam se preocupar com a recomposição da paisagem e ter em mente a saúde dos seus traba- lhadores e da população que vive ao seu redor. Com o crescimento da industrialização e sua concentração em determinadas áreas, o problema da poluição aumentou. A questão da poluição do ar e da água é bastante complexa, pois as emissões poluentes se espalham de um ponto fi xo para uma grande região, dependendo dos ventos, do curso da água e das demais condições ambientais, tornando difícil localizar, com precisão, a origem do problema. No entanto, é importante repetir que quando as indústrias depositam no solo os resí- duos, quando lançam efl uentes sem tratamento em rios, lagoas e demais corpos hídricos, estão causando danos ao meio ambiente. 14 SENAI-RJ Tratamento de esgotos - Uma palavra inicial 14 SENAI-RJ O uso indiscriminado dos recursos naturais e a contínua acumulação de lixo mostram a falha básica de nosso sistema produtivo: ele opera em linha reta. Extraem-se as matérias-primas por meio de processos de produção desperdiçadores, que produzem subprodutos tóxicos. Fabricam-se produtos de utilidade limitada que, fi nalmente, viram lixo, o qual se acumula nos aterros. Produzir, consumir e descartar bens dessa forma obviamente não é sustentável. Enquanto os resíduos naturais (que não podem, propriamente, ser chamados de “lixo”) são absorvidos e reaproveitados pela natureza, a maioria dos resíduos deixados pelas indústrias não têm aproveitamento para qualquer espécie de organismo vivo e, para alguns, pode até ser fatal. O meio ambiente pode absorver resíduos, redistribuí-los e transformá-los. Mas, da mes- ma forma que a Terra possui uma capacidade limitada de produzir recursos renováveis, sua capacidade de receber resíduo também é restrita e a de receber resíduo tóxico é praticamente inexistente. Ganha força, atualmente, a idéia de que as empresas devem ter procedimentos éticos que considerem a preservação do ambiente como uma parte de sua missão. Isto quer dizer que se devem adotar práticas que incluam tal preocupação, introduzindo processos que reduzam o uso de matérias-primas e energias, diminuam os resíduos e impeçam a poluição. Cada indústria tem suas próprias características. Mas já sabemos que a conservação de recursos é importante. Qualquer indústria deve então ter crescente preocupação com a quali- dade, durabilidade, possibilidade de conserto e vida útil de seus produtos. As empresas precisam não apenas continuar reduzindo a poluição, mas também buscar novas formas de economizarenergia, melhorar os efl uentes, reduzir o lixo e também o uso de matérias- primas. Reciclar e conservar energia são atitudes essenciais no mundo contemporâneo. É difícil ter uma visão única que seja útil a todas as empresas. Cada uma enfrenta desafi os diferentes e pode se benefi ciar de sua própria visão de futuro. Ao olhar para o futuro, podemos decidir quais alternativas são mais desejáveis e trabalhar com elas. No entanto, tanto os indivíduos quanto as instituições só mudarão suas práticas quando acreditarem que seu novo comportamento lhes trará benefícios – sejam eles fi nanceiros, para sua reputação e imagem ou para sua segurança. A mudança de hábitos não é algo que possa ser imposto. Deve ser uma escolha de pesso- as bem-informadas a favor de bens e serviços sustentáveis. A tarefa que se impõe é a de criar condições que melhorem a capacidade das pessoas escolherem, usarem e disporem de bens e serviços de forma sustentável. Além dos impactos causados na natureza, diversos são os malefícios à saúde humana provocados pela poluição do ar, dos rios e mares, assim como são inerentes aos processos produtivos alguns riscos à saúde e à segurança do trabalhador. Atualmente, os acidentes de trabalho constituem uma questão que preocupa os empregadores, empregados e governantes, uma vez que suas conseqüências afetam a todos. SENAI-RJ 15 Tratamento de esgotos - Uma palavra inicial SENAI-RJ 15 De um lado, é necessário que os trabalhadores adotem um comportamento seguro no trabalho, usando os equipamentos de proteção individual e coletiva; de outro, cabe aos em- pregadores prover a empresa com esses equipamentos, orientar quanto ao seu uso, fi scalizar as condições da cadeia produtiva e a adequação dos equipamentos de proteção. A redução do número de acidentes só será possível à medida que cada um – empregado, empregador e governo – assuma, em todas as situações, atitudes preventivas capazes de res- guardar a segurança de todos. Devemos considerar também que cada indústria possui um sistema produtivo próprio e, portanto, é necessário analisá-lo em sua especifi cidade para determinar seu impacto sobre o meio ambiente e a saúde e os riscos que o sistema oferece à segurança dos trabalhadores, propondo alternativas que possam levar à melhoria das condições de vida de todos. Da conscientização, partimos para a ação: cresce cada vez mais o número de países, empre- sas e indivíduos que vêm desenvolvendo ações que contribuem para proteger o meio ambiente e cuidar da nossa saúde. Mas, isso ainda não é sufi ciente... faz-se necessário ampliar tais ações, e a educação é um valioso recurso que pode e deve ser usado para atingir esse objetivo. Assim, iniciamos nosso curso conversando sobre o meio ambiente, a saúde e a segurança no trabalho, lembrando que, no exercício profi ssional diário, o operador deve agir de forma harmoniosa com o ambiente, zelando também pela segurança e saúde de todos no trabalho. Agora tente responder novamente à pergunta que inicia este texto. Meio ambiente, saúde e segurança no trabalho – o que é que eu tenho a ver com isso? Depois é partir para a ação. Cada um de nós é responsável. Vamos fazer a nossa parte? POLÍTICA INSTITUCIONAL DE MEIO AMBIENTE DA NOVA CEDAE I – Dos princípios: 1. Visão sistêmica da questão ambiental que permita o planejamento de ações integradas em conformidade com o conceito de desenvolvimento sustentável. 2. Obediência à legislação ambiental, que deve ser vista como instrumento para que a Nova Cedae atinja os seus objetivos. 3. Planejamento das ações que vise a preservação, conservação e recuperação dos re- cursos hídricos de forma sustentável. 4. Promoção de capacitação, treinamento e participação em ações de educação ambi- ental, no que se refere às atividades da Companhia, que visem ao aperfeiçoamento de processos e incorporação de novas tecnologias na busca da melhoria contínua. 5. Parceria institucional com entidades que desenvolvam atividades diretamente rela- cionadas à conservação e preservação do meio ambiente. 16 SENAI-RJ Tratamento de esgotos - Uma palavra inicial 6. Consolidação e disseminação interna e externamente da cultura, conhecimentos e experiências relacionadas com o meio ambiente na Nova Cedae. 7. Máximo rigor com o veto a produtos e serviços aplicados em obras e atividades que não resguardem a qualidade ambiental. 8. Valorização e fomento à pesquisa, desenvolvimento e consolidação de tecnologia, voltados à conservação do meio ambiente, principalmente dos recursos hídricos. II – Dos objetivos: 1. Estabelecer princípios, critérios, diretrizes e conceitos que orientem a Nova Cedae na condução das atividades e ações que tenham como meta alcançar excelência na prestação de serviços de saneamento ambiental e uma melhor qualidade de vida e bem-estar social para a população da área de atuação desta Companhia. 2. Defi nir responsabilidades, alinhar conceitos e estabelecer posturas para toda a Com- panhia, principalmente para áreas diretamente envolvidas com a questão ambiental e no relacionamento com órgãos e instituições afi ns, mercado e a sociedade em geral. 3. Criar condições para disseminar e consolidar os conceitos e atividades da Companhia relativas ao meio ambiente junto à comunidade interna e externa, visando: a educação sanitária e ambiental; o cumprimento da legislação pertinente; o relacionamento adequado com órgãos e instituições que regulamentam a questão ambiental, principalmente nos assuntos relacionados com os recursos hídricos. III – Das diretrizes estratégicas: 1. Todos os projetos devem contemplar: uso racional e desenvolvimento sustentado dos recursos hídricos; conservação, proteção e recuperação do meio ambiente; viabilidade técnica, econômica, fi nanceira, ambiental e social; atendimento à legislação ambiental; envolvimento sistemático dos órgãos gerenciais regionais da Companhia no tratamen- to e decisões das questões ambientais das suas respectivas bacias hidrográfi cas; e busca da certifi cação das atividades da Companhia pela ISO 14000. SENAI-RJ 17 Tratamento de esgotos - Uma palavra inicial 2. O relacionamento com os órgãos ofi ciais gestores do meio ambiente, entidades da sociedade civil e com o mercado deve ser pautado por: 1. ética; 2. transparência; 3. espírito de cooperação constante e sinergia; e 4. empenho na recuperação, proteção e conservação da quantidade e qualidade dos recur- sos hídricos e racionalização do uso de recursos naturais e combate ao desperdício. 3. A Nova Cedae deve agir: pró-ativamente no sentido de marcar a sua imagem como uma Companhia que se ca- racteriza pela preocupação com o meio ambiente e com o saneamento ambiental; pró-ativamente na formulação e aperfeiçoamento da legislação ambiental. 4. Todas as ações e iniciativas relativas ao meio ambiente devem ser executadas de forma descentralizada pelos órgãos gerenciais: seguindo diretrizes padronizadas, quando fi zerem seus contatos, de assuntos rotinei- ros, diretamente com órgãos externos; em sintonia com a diretoria colegiada, quando fi zerem seus contatos, de assuntos não rotineiros, diretamente com órgãos externos; lembrando que o processo de verifi cação da viabilidade ambiental é parte integrante dos planos diretores e que os projetos devem ser elaborados no âmbito das respec- tivas diretorias, com assessoria da Superintendência de Gestão Ambiental – SGA e da Assessoria Jurídica – AJUR, no que couber; que devem consolidar equipe especializada para coordenar e apoiar ações na elabo- ração dos estudos de viabilidade ambiental; e que terão participação direta nas atividades de licenciamento e de obtenção de outorgaexecutadas pela SGA. IV. Das disposições fi nais: 1. A comissão designada pela O.S. no 8.252, de 14 de abril de 2004, responsável pela elaboração dessa Política, passa a ser denominada Grupo Executivo de Meio Ambi- ente – GEMA. 2. Será da competência do GEMA propor, implementar, acompanhar e avaliar a efi cá- cia do Sistema de Gestão Ambiental, bem como o seu desempenho ambiental, em consonância com a Política Institucional de Meio Ambiente da Nova Cedae e o seu Regimento Interno. (Aprovada na Reunião de Diretoria de 28 de junho de 2004) 1 Nesta unidade... Características dos esgotos sanitários Características físicas Características químicas Características biológicas SENAI-RJ 21 Tratamento de esgotos - Características dos esgotos sanitários 1. Características dos esgotos sanitários Vamos iniciar conhecendo um pouco sobre as características físicas, químicas e biológicas do que denominamos genericamente de esgotos sanitários. Também conhecidos como “águas servidas”, “águas residuárias”, “despejos líquidos”, “esgotos” ou “efl uentes líquidos”, esses efl u- entes são resíduos líquidos resultantes da utilização doméstica ou industrial da água de abas- tecimento. Como carregam substâncias agressivas ao meio ambiente adicionadas durante o próprio processo de utilização da água, devem ser encaminhados a um destino fi nal adequado (eventualmente após tratamento). Por conseguinte, é indispensável conhecer a natureza des- tas substâncias e qual o efeito de seu lançamento no meio ambiente para escolher a forma de descarte que minimize os danos ambientais. Aqui vamos abordar com maior ênfase as características de um determinado tipo de efl uente líquido: os esgotos sanitários de origem domiciliar. Essas características variam de região para região, de acordo com diversos fatores como clima, hábitos da população, dis- ponibilidade de água potável e outros, porém sem se afastarem demasiadamente de certos valores centrais. Tais características decorrem de substâncias ou impurezas adicionadas à água durante a sua utilização e são classifi cadas em físicas, químicas e biológicas, de acordo com o agente introduzido no processo. 1.1 Características físicas As características físicas dos esgotos sanitários de origem domiciliar a serem observadas são: presença de matéria sólida, temperatura, cor e odor. 22 SENAI-RJ Tratamento de esgotos - Características dos esgotos sanitários 1.1.1 Presença de matéria sólida O esgoto consiste basicamente de água. O conteúdo de matéria sólida raramente ultrapassa 0,1 % da massa total do efl uente. Portanto, a água representa 99,9 % deste total. Contudo, a presença de sólidos, mesmo em porcentagem reduzida, assume grande importância sanitária em virtude de seus efeitos nocivos sobre o meio ambiente. Estes sólidos, além de serem adi- cionados durante a utilização da água, podem provir de infi ltrações na rede de esgotos e de substâncias dissolvidas na própria água de abastecimento. Sólidos totais O conteúdo total de sólidos em uma amostra de esgotos, denominado sólidos totais, é defi nido como o resíduo remanescente após evaporação a 105ºC da totalidade da água contida em um volume conhecido da amostra. Geralmente é expresso em mg/L. Os sólidos totais podem ainda ser subdivididos em: sólidos em suspensão ou dissolvidos e sólidos fi xos ou voláteis. Na primeira subdivisão, temos: Sólidos em suspensão (RNF) - são aqueles que fi cam retidos no meio fi ltrante quando se submete um volume conhecido de amostra à fi ltragem. O meio fi ltrante é escolhido de forma que o diâmetro mínimo da partícula retida seja de 0,1µ. O nome “sólidos em suspensão”, tem sido considerado inadequado, considerando-se que a determinação é feita por fi ltração e que partículas sólidas de diâmetro aparente inferior a 0,1µ não fi cam retidas no fi ltro. Modernamente, sugere-se sua substituição pela expressão mais apropriada “Resíduo Não-Filtrável”, ou RNF. Sólidos dissolvidos - são obtidos pela diferença entre os valores das massas de sólidos totais e de sólidos em suspensão ou RNF. Sendo assim, e considerando a forma como foram determinados, os sólidos dissolvidos incluem, além das substâncias presentes em solução verdadeira, uma certa massa de substâncias em suspensão coloidal. Entendemos que a denominação sólidos dissolvidos parece imprópria, sendo mais pertinente a designação sólidos filtráveis. Entretanto, por ser mais usual, vamos adotá-la em nosso estudo. SENAI-RJ 23 Tratamento de esgotos - Características dos esgotos sanitários Na segunda maneira de subdividir os sólidos totais, e que pode ser aplicada tanto aos RNF quanto aos sólidos dissolvidos, temos: Sólidos fi xos (inertes) - são defi nidos como o resíduo remanescente após o total de sólidos da amostra ter permanecido em estufa aquecida à temperatura de 600 ºC por 30 minutos. Sólidos voláteis - já a massa de sólidos voláteis é obtida por diferença entre as massas de sólidos totais e fi xos, posto que sólidos voláteis são aqueles perdidos por volatil- ização durante a determinação da massa de sólidos fi xos. De uma forma geral os sólidos fi xos servem, em primeira aproximação, como indicador da parcela de substâncias minerais contidas na amostra, enquanto os voláteis podem servir, de forma grosseira, como indicação da parcela de matéria orgânica. Observe na Figura 1.1 as concentrações de matéria sólida tipicamente encontradas em uma amostra de esgoto doméstico, assim como as porcentagens em que usualmente se dis- tribuem. Além das análises descritas para medir as concentrações em mg/L de matéria sólida pre- sente no esgoto, usa-se ainda a determinação dos denominados sólidos decantáveis. Medidos em ml/L, eles são defi nidos como o volume ocupado pelos sólidos sedimentados, após decan- tação de 1 hora, em vasilhame padrão denominado Cone Imhoff. Trata-se de análise expedita normalmente realizada pelo próprio operador de uma estação de tratamento de esgotos e também extremamente útil como ferramenta de controle de efi ciência de determinadas uni- dades de tratamento. No entanto, apesar de tradicional, há que se notar que sua denominação é errônea, sendo mais correta a de sólidos sedimentáveis (posto que partículas sólidas não decantam, sedimentam). Figura 1.1 – Distribuição típica de compostos sólidosã í ó 24 SENAI-RJ Tratamento de esgotos - Características dos esgotos sanitários 1.1.2 Temperatura Em geral, a temperatura do esgoto doméstico é ligeiramente mais elevada que a da água de abastecimento, em virtude da adição de água quente aos despejos. No Brasil ela costuma variar de região para região, porém mantendo-se quase sempre na faixa entre 15ºC e 25ºC. A temperatura é uma característica importante porque pode gerar modifi cações na biota do corpo receptor de um despejo que tenha temperatura muito diferente da natural do corpo d’água provocando aumento ou redução da rapidez das reações químicas e do metabolismo bacteriano. Além disso, a variação da temperatura exerce infl uência sobre a solubilidade dos gases, especialmente o oxigênio. Biota: conjunto de seres vivos de um determinado ecossistema. Corpo receptor: qualquer coleção de água superfi cial que recebe o lança- mento de efl uentes líquidos. 1.1.3 Cor A cor do esgoto doméstico serve como indicador de seu estado de septicidade. Em geral, o esgoto novo ou fresco apresenta coloração cinza claro. À proporção que vai envelhecendo, sua coloração se torna castanha ou marrom e a matéria orgânica presente começa a ser atacada pelas bactérias existentes no próprio esgoto, com a concomitante redução do teor de oxigênio dis- solvido. Na medida em queprosseguem as reações de decomposição da matéria orgânica, aumenta o con- sumo do oxigênio dissolvido e sua concentração pode cair a zero. Isto faz com que o esgoto entre no chamado estado séptico, atingindo a coloração negra. A cor dos despejos industriais depende do tipo de indústria, da matéria-prima empregada e do processo industrial. Em geral, cada tipo de despejo apresenta cor peculiar, que pode variar, no mesmo despejo, em de- corrência da natureza da operação industrial executada em uma dada ocasião. Septicidade: q u a l i d a d e ou caráter de séptico; que causa putrefação ou infecção. Variações ines- peradas de cor significam adi- ção de um produto não- habitual e podem impli- car em modifi cações nas demais características dos despejos. SENAI-RJ 25 Tratamento de esgotos - Características dos esgotos sanitários 1.1.4 Odor O odor do esgoto sanitário deve-se aos gases produzidos pela decomposição da matéria orgânica. O esgoto recém-produzido apresenta odor desagradável, porém não tão repulsivo quanto o produzido pelo esgoto séptico quando, após a queda do teor de oxigênio dissolvido a zero, determinados microrganismos passam a decompor a matéria orgânica com elevada produção de gás sulfídrico, que se desprende do líquido, provocando a corrosão dos condutos e um cheiro repugnante. As considerações anteriormente apresentadas em relação à cor dos despejos industriais também se aplicam ao seu odor. 1.2 Características químicas A composição química das diversas substâncias presentes no esgoto doméstico é extrema- mente variável, pois depende de diversos fatores que incluem os hábitos da população. Ultima- mente, com a crescente variedade de novos produtos químicos para uso doméstico disponíveis no mercado, o grau de complexidade da composição química das substâncias presentes nos esgotos tipicamente domésticos tem aumentado signifi cativamente, sendo exemplo notório a presença de detergentes em concentrações cada vez maiores. Quanto aos despejos industriais, sua composição química também depende essencial- mente do tipo de indústria, da matéria-prima utilizada e do processo industrial. É, portanto, bastante variável. Há despejos industriais com características tipicamente inorgânicas (in- dústrias metalúrgica, siderúrgica, e outras) e orgânicas (indústrias de alimentos, frigorífi cos, laticínios, etc.). Existem ainda indústrias que geram efl uentes de ambos os tipos (indústria química, petroquímica, refi narias, etc.). A seguir, vamos abordar apenas os compostos ou categorias de compostos que, em função de suas características, podem exercer alguma infl uência no corpo receptor ou nos processos de tratamento de esgotos. 26 SENAI-RJ Tratamento de esgotos - Características dos esgotos sanitários 1.2.1 Substâncias inorgânicas As substâncias inorgânicas presentes nos esgotos não possuem grande importância sani- tária, exceto se forem tóxicas. A presença de substâncias tóxicas, freqüente nos despejos industriais, é ra- ramente constatada nos esgotos domésticos em concentrações que possam afetar a biota do corpo receptor ou a saúde de pessoas ou animais. Dentre as substâncias inorgânicas usualmente encontradas nos esgotos domésticos são importantes, do ponto de vista da engenharia sanitária, os compostos de nitrogênio, fósforo e enxofre. Compostos de nitrogênio e fósforo A importância desses compostos decorre do fato de serem nutrientes básicos para as algas. Como tal, se forem descarregados em excesso em corpos receptores com certas características, tais como lagos ou estuários de pequena renovação de água, podem contribuir para que haja excessiva proliferação de algas, dando margem ao fenômeno denominado eutrofi zação do corpo líquido. Neste caso pode ser necessária a remoção de tais compostos antes do lançamento do efl uente sanitário ao corpo receptor. Compostos de enxofre Compostos de enxofre são importantes pela facilidade que apresentam de serem reduzi- dos bioquimicamente em condições anaeróbicas a gás sulfídrico por organismos específi cos (sulfobactérias). O gás sulfídrico (H 2 S), além de apresentar mau cheiro característico e ser extremamente tóxico em elevadas concentrações, pode ser oxidado bioquimicamente a ácido sulfúrico (H 2 SO 4 ) e causar sérios problemas de corrosão nas galerias de esgoto. 1.2.2 Matéria orgânica Uma porcentagem elevada dos sólidos contidos nos esgotos domésticos e em certos despejos industriais é formada por matéria orgânica. Estes compostos têm enorme importância sanitária devido à possibilidade de serem estabilizados através da oxidação bioquímica aeróbia (ou seja: serem consumidos como alimento por organismos presentes no corpo receptor que fazem uso de oxigênio SENAI-RJ 27 Tratamento de esgotos - Características dos esgotos sanitários em seu metabolismo). Em função disso o consumo de matéria orgânica pode reduzir a concentração de oxigênio dissolvido dos corpos receptores a níveis impróprios à vida das espécies que necessi- tam de oxigênio livre para subsistir (organismos aeróbios), provocando assim um forte desequilíbrio na distribuição de espécies do ecossistema constituído pelo corpo receptor desses esgotos. Os principais grupos de substâncias orgânicas presentes nos esgotos são: proteínas (40% a 60 %); carboidratos (25% a 50 %); e matérias graxas (10 %). A uréia também é encontrada em proporções razoáveis, porém apenas no esgoto fresco, devido à sua tendência de se decompor rapidamente (e gerar compostos de nitrogênio). Além destas substâncias, existem outras, em menor proporção, que se apresentam sob forma bastante variada, ou seja, desde moléculas muito simples até aquelas de extrema com- plexidade estrutural. Podemos citar, entre elas, algumas de importância sanitária, tais como fenóis, detergentes e alguns pesticidas. Nos últimos anos tem sido constatada, nos esgotos, a presença destas últimas substâncias em concentrações cada vez mais representativas. Avaliação do conteúdo da matéria orgânica Em função da extrema variedade e da alta complexidade molecular das substâncias orgâni- cas presentes nos esgotos, uma análise quantitativa de tais substâncias torna-se praticamente impossível devido à difi culdade de execução e ao seu alto custo. Por essa razão foi desenvolvido um método prático para avaliar, ou quantifi car indireta- mente, o conteúdo orgânico de uma amostra de esgoto. Ao reconhecer que o maior inconveniente causado pela presença de matéria orgânica no esgoto é a sua capacidade de consumir, por oxidação bioquímica, o oxigênio existente no corpo receptor, considera-se que uma avaliação indireta de seu conteúdo possa consistir, justamente, na medida da quantidade de oxigênio necessário para estabilizá-la bioquimicamente. Esse processo oferece dupla vantagem, ou seja: avaliar, apenas, a quantidade de matéria orgânica biodegradável, isto é, aquela que contribui diretamente para o consumo do oxigênio livre no corpo receptor; e medir a quantidade de oxigênio necessária à estabilização da matéria orgânica, isto é, a quantidade do oxigênio do corpo receptor que será consumida. Para compreender como tal medida se torna possível, é preciso entender o processo pelo qual o oxigênio é consumido no corpo receptor. Com esse objetivo, vamos então examinar, ainda que superfi cialmente, o metabolismo dos organismos aeróbios. 28 SENAI-RJ Tratamento de esgotos - Características dos esgotos sanitários Os organismos aeróbios utilizam o oxigênio livre (não-combinado) dos ambientes em que vivem para a manutenção do seu ciclo vital. Todos os animais superiores, além de muitas espé- cies de microrganismos,são seres aeróbios, organismos que se utilizam do oxigênio disponível no ambiente para reagir com a matéria orgânica e fazer dela fonte de energia e matéria prima para gerar material celular. Sua energia vital é obtida, exatamente, pela oxidação bioquímica de parte da matéria orgânica. O processo bioquímico pelo qual ocorre a oxidação é muito complexo e se denomina metabolismo. Embora complexa, a produção de energia vital pelo processo metabólico pode ser com- parada, grosseiramente, com o desempenho de um motor à combustão, no qual são introduzidos oxigênio e combustível (alimento, no caso do metabolismo). Através da combustão (oxidação), a energia é liberada e os produtos decorrentes da queima, ou seja, as substâncias oxidadas, são descarregadas no ambiente. No processo metabólico, a matéria orgânica (alimento) é biodegra- dada (combinada bioquimicamente com o oxigênio livre para produzir a energia necessária à manutenção da vida) sendo eliminada para o ambiente na forma de produtos parcialmente oxidados (excrementos), ainda como matéria orgânica, porém em um estágio de estabilização mais elevado. Os fenômenos descritos ocorrem em qualquer ambiente em que coexistam alimentos, seres aeróbios e oxigênio livre. Por exemplo: se um despejo com alto conteúdo de matéria orgânica biodegradável (alimento) for lançado em um corpo de água com elevado teor natural de oxigênio dissolvido, os organismos aeróbios existentes no corpo líquido e no próprio despejo, encon- trando condições ambientais propícias, vão se multiplicar rapidamente e consumir o oxigênio disponível. Caso as circunstâncias permitam, eles irão exaurir completamente o oxigênio livre do corpo receptor, causando sérios prejuízos ecológicos. Demanda bioquímica de oxigênio (DBO) Um dos métodos desenvolvidos para avaliar o conteúdo orgânico de uma amostra de es- goto, a seguir descrito de forma simplifi cada, é uma análise denominada Demanda Bioquímica de Oxigênio (DBO). Na verdade, a DBO possibilita a transposição para laboratório do próprio fenômeno que se processa na natureza. Vejamos como realizá-la: colher um certo volume de amostra de esgoto e diluí-la em um volume conhecido de água destilada, na qual foi previamente dissolvido oxigênio em uma concentração conhecida; incubar essa amostra por um período fi xo (usualmente cinco dias) e em temperatura constante (20ºC); transcorrido este período, medir a concentração de oxigênio dissolvido e encontrar, por diferença, a quantidade de oxigênio utilizada para estabilizar bioquimicamente a matéria orgânica contida no volume da amostra utilizada; e SENAI-RJ 29 Tratamento de esgotos - Características dos esgotos sanitários com base na quantidade de oxigênio utilizada para estabilizar bioquimicamente a matéria orgânica presente no volume de amostra analisado, calcular proporciona- lmente a quantidade necessária para estabilizar a matéria orgânica contida em um litro de esgoto; assim, a DBO é encontrada em mg/L. Como os esgotos domésticos já contêm elevado número de microrganismos aeróbios, não é necessário semeá-los no frasco a ser incubado. Na análise de despejos industriais, porém, esse procedimento geralmente é imprescin- dível. A DBO obtida conforme acima descrito também é denominada “DBO a cinco dias” ou DBO5. Isso não signifi ca que o consumo de oxigênio deixe de existir depois de cinco dias. Na verdade, o consumo só vai cessar após um período de cerca de 20 dias. Mas, aguardar todo esse tempo para conhecer os resultados de uma análise de laboratório pode ser de pouca valia para executar, por exemplo, o controle da operação de uma estação de tratamento de esgotos. Por isso foi adotado o período de cinco dias como padrão, considerando que, após esse tempo, cerca de 2/3 do consumo total de oxigênio já foi exercido e a maior parte dos compostos orgânicos carbonatados já se encontra estabilizada, restando, apenas, em sua maioria, os compostos nitrogenados. A Demanda Bioquímica de Oxigênio é um parâmetro de importância fun- damental para os diversos processos de tratamento de esgoto. Portanto, é essencial compreender os seus princípios básicos. Demanda química de oxigênio (DQO) Apesar de ser considerado como padrão, o período de cinco dias para obter o resultado de uma análise de DBO pode representar uma espera muito longa ou ser de pouca utilidade quando se pretende avaliar a necessidade de oxigênio para estabilizar a totalidade das substân- cias orgânicas de uma amostra (e não apenas a fração biodegradável). Para enfrentar situações desse tipo foi então desenvolvido outro método de análise denominado Demanda Química de Oxigênio (DQO). Nesta análise utiliza-se um enérgico agente oxidante, normalmente o dicromato de po- tássio ou permanganato de potássio, em meio ácido, para oxidar a totalidade dos compostos orgânicos presentes no esgoto e, assim, calcular a quantidade de oxigênio consumida. Como, 30 SENAI-RJ Tratamento de esgotos - Características dos esgotos sanitários exceto em casos muito especiais, mais compostos são oxidados por via química do que por via bioquímica, os resultados da DQO são, em geral, maiores do que os obtidos da DBO de uma mesma amostra. Para muitos tipos de esgoto é possível correlacionar os resultados da DBO com os da DQO, o que é vantajoso, pois a análise da DQO é executada em três horas enquanto a da DBO necessita de cinco dias de espera. Carbono orgânico total (COT ou TOC) Uma avaliação direta do conteúdo orgânico de uma amostra de despejo pode ainda ser obtida através do parâmetro denominado Carbono Orgânico Total (COT), que mede a concen- tração, em mg/L, do elemento carbono ligado a moléculas orgânicas. A análise é efetuada com o uso de equipamentos especiais que levam à combustão controlada todo o conteúdo de um pequeno volume de amostra e possibilitam medir a massa de gás carbônico assim gerada. Sua utilização é rara para esgotos sanitários, sendo mais comum em despejos industriais. 1.3 Características biológicas Do ponto de vista sanitário, as características biológicas são aquelas relativas aos principais grupos de microrganismos presentes nos esgotos, em especial os patogênicos e aqueles utilizados quer nos processos biológicos de tratamento de esgotos, quer como indicadores de poluição. 1.3.1 Principais grupos de microrganismos presentes no esgoto Veremos dois grupos: os protistas e os vírus. Protistas Os protistas constituem o grupo mais importante de microrganismos usualmente encon- trados nos esgotos domésticos; em seguida estão os vírus. Vejamos a sua importância para a engenharia sanitária. Fazem parte desse grupo as bactérias, as algas e os protozoários. SENAI-RJ 31 Tratamento de esgotos - Características dos esgotos sanitários Bactérias Certamente são as mais importantes, não somente pelo fato de haver entre elas diver- sas espécies patogênicas, transmissoras das chamadas doenças de veiculação hídrica, como também pelo extraordinário papel que desempenham nos processos de tratamento biológico, promovendo a estabilização da matéria orgânica. Entre as bactérias, encontram-se os organismos do grupo coliforme, cuja utilidade será discutida adiante. Algas Existem em pequena quantidade nos esgotos domésticos, mas podem ser encontradas em elevadíssimas concentrações nos efl uentes das chamadas lagoas de estabilização. A presença de algas em grande quantidade em um efl uente lançado a um corpo receptor pode resultar sérios inconvenientes para este corpo receptor seja pelos problemas causados à captação eventual de água para abastecimento, seja pelo fenômeno conhecido como fl oração de algas, comum em corpos de água com elevada concentração de nutrientes(corpos de água eutrofi zados). Protozoários Os protozoários existentes no esgoto e de interesse para a engenharia sanitária incluem amebas, fl agelados e ciliados livres. Esses organismos se alimentam de bactérias e outros parasitas; são considerados essenciais para a manutenção do equilíbrio biológico, em processos de tratamento biológico. Patogenicidade: é a capacidade que um organismo possui de causar doenças em outros organismos. Vírus A importância dos vírus para a engenharia sanitária se deve à patogenicidade de certas espécies. Eles são altamente resistentes ao tratamento biológico e aos processos usuais de desinfecção, podendo subsistir por longo tempo nos esgotos ou nos corpos receptores. As experiências têm mostrado que a sua remoção é extremamente difí- cil; por isso, nos dias atuais, várias pesquisas estão em andamento com a fi nalidade de buscar soluções para o problema. 32 SENAI-RJ Tratamento de esgotos - Características dos esgotos sanitários 1.3.2 Organismos utilizados como indicadores de poluição Conforme mencionado, os esgotos domésticos contêm uma enorme variedade de micror- ganismos, alguns dos quais patogênicos, que precisam ser controlados. Quando certa vazão de esgotos é lançada em um corpo receptor, se o ambiente não for propício à propagação dos organismos patogênicos, sua concentração vai paulatinamente decrescendo seja por diluição, por morte ou decaimento bacteriano. Mas o isolamento e a contagem desses seres exigiriam uma técnica de laboratório demorada, acurada e onerosa. Procurou-se, então, encontrar um grupo de organismos, de fácil determinação e de contagem simples em laboratório, que pudesse ser associado à poluição fecal, para servir como indica- dor desse tipo de degradação. Com esse propósito foi selecionado o grupo dos organismos coliformes. Embora não sendo, em geral, patogênicos, os organismos do grupo coliforme passaram a ser utilizados com indicadores de poluição fecal porque existem em abundância no intestino humano e são excretados com as fezes. Isso signifi ca que uma água com elevada contagem de coliformes pode também conter organismos patogênicos, enquanto uma água isenta de coliformes é considerada segura, do ponto de vista sanitário. A medida da quantidade de organismos do grupo coliforme presentes em uma amostra denomina-se colimetria. A técnica usualmente empregada para sua determinação consiste no chamado teste presuntivo, baseado na capacidade dos coliformes, e apenas deles, de fer- mentar a lactose, com produção de gás, quando incubados no meio de cultura adequado e em temperatura conveniente. A incubação é realizada com diferentes diluições de uma mesma amostra e os resultados são submetidos a uma análise estatística e expressos através da unidade NMPcoli/100ml (Número Mais Provável de organismos do grupo coliforme encontrados em 100ml de amostra). É possível, através de técnica específi ca, determinar em laboratório o NMP de organismos coliformes de origem fecal cultivando-os em um meio não propí- cio ao desenvolvimento de outras espécies. Esta determinação denomina-se colimetria fecal. SENAI-RJ 33 Tratamento de esgotos - Características dos esgotos sanitários O resultado da colimetria não representa a concentração real dos organismos na amostra, mas apenas uma estimativa baseada em análise estatística. Portanto, trata-se apenas de um indicador de poluição. Caso seja desenvolvido um processo para eliminar unicamente coli- formes, o que é possível do ponto de vista técnico, ainda assim a contaminação vai persistir, pois os organismos patogênicos, eventualmente presentes, lá irão permanecer. Na verdade, essa tentativa de eliminar uma ferramenta efi ciente de controle só serviria para “esconder” a contaminação. Nas unidades referentes a tratamento biológico de efl uentes orgânicos vol- taremos ao estudo dos microrganismos com ênfase em seu metabolismo. 2 Nesta unidade... Autodepuração dos corpos de água Zonas características Autodepuração SENAI-RJ 37 Tratamento de esgotos - Autodepuração dos corpos de água 2. Autodepuração dos corpos de água Um corpo de água, em seu estado natural, constitui um ecossistema. Nele coexistem nu- merosos organismos que se relacionam entre si e com o próprio ambiente. Qualquer modifi ca- ção introduzida, seja nas espécies vivas, seja no ambiente, pode trazer conseqüências nefastas que podem incluir a ruptura do equilíbrio ecológico. No ecossistema, alguns seres vivos se alimentam de substâncias existentes no ambiente. Outros se alimentam de organismos vivos, vegetais ou animais. Esta teia complexa de elementos forma a chamada “cadeia alimentar”. Com exceção dos chamados microrganismos anaeróbios, todos os demais que vivem no corpo d’água necessitam de oxigênio livre (dissolvido no meio líquido) para realizar seu metabolismo. O oxigênio existe em abundância na atmosfera e tem a propriedade de ser solúvel em água. O teor máximo (saturação) de oxigênio dissolvido (OD) na água depende de diversos fatores, inclusive a temperatura. Vale destacar que a 25ºC o teor de saturação de OD em água limpa é de 8,26 mg/L. A existência de seres vivos no meio líquido implica o consumo de certa quantidade de OD. Caso não houvesse o contínuo suprimento de oxigênio, a tendência seria baixar o teor de OD até níveis que impossibilitassem a sobrevivência dos organismos. A morte de alguns peixes, por exemplo, pode ocorrer em ambientes com teores de OD iguais ou inferiores a 5mg/L. 38 SENAI-RJ Tratamento de esgotos - Autodepuração dos corpos de água Por outro lado, os cursos de água têm a capacidade de absorver oxigênio da atmosfera (reaeração) para suprir aquele consumido no seu interior. Mas essa capacidade depende de diversos fatores, dentre os quais: a temperatura; o estado de agitação das águas; o efeito dos ventos; a velocidade do curso de água; e o próprio teor de oxigênio dissolvido no líquido (quanto mais baixo o OD, mais rapi- damente se dá a reaeração). Além do oxigênio suprido diretamente pela atmosfera, o corpo líquido recebe oxigênio fornecido pelas plantas aquáticas através do fenômeno denominado fotossíntese a ser abordado adiante. Portanto, em condições naturais, há equilíbrio entre o oxigênio consumido pelos seres vivos e o oxigênio fornecido ao corpo líquido. Equilíbrio este que mantém o teor de OD em um nível estável. Quando certa quantidade de esgoto é lançada em um corpo líquido, há uma tendência de rompimento do equilíbrio devido à avidez do esgoto por oxigênio (DBO). Com o consumo de OD pelo esgoto (a rigor, pelos organismos que se alimentam da matéria orgânica contida neste esgoto, como veremos adiante), o nível de OD no corpo líquido diminui. Caso não houvesse reaeração a tendência seria que este nível baixasse continuamente, no princípio com rapidez, depois de forma mais lenta, até atingir níveis extremamente baixos conforme mostra a Figura 2.1, onde a abscissa (t) representa o tempo decorrido após o lançamento do esgoto e a ordenada (c) a quantidade de oxigênio consumida. O momento do lançamento do esgoto está caracterizado na fi gura como t 0 , assim como a quantidade inicial de oxigênio no corpo líquido, c 0 . A linha pontilhada c s representa a quantidade de oxigênio no ponto de saturação para esse corpo líquido. Figura 2.1 – Consumo de OD com o tempo, após o lançamento de esgoto F C o l SENAI-RJ 39 Tratamento de esgotos - Autodepuração dos corpos de água O curso de água, no entanto, é capaz de recuperar oxigênio em virtude do fenômeno da reaeração (reposição de oxigênio). A capacidade do líquido de receber oxigênioé função, en- tre outros parâmetros, do próprio teor de OD: quanto menor este teor, maior será a diferença entre ele e o teor de saturação e mais rápida será a captura de oxigênio. Como, à medida que o oxigênio é reposto, menor se torna essa diferença, a rapidez com que o oxigênio é capturado diminui quando o teor de OD cresce. Assim, a quantidade de oxigênio recuperada pelo curso de água varia de acordo com a Figura 2.2. Figura 2.2 – Reaeração com o tempo, após o lançamento de esgoto Nessas condições, o teor de OD no curso de água sofre as infl uências opostas das duas ações acima descritas: uma tendência a cair devido ao consumo e uma tendência a recuperar- se devido à reaeração. No início do fenômeno, quando a massa de OD consumido é maior que a de OD recuperado, o teor de OD no corpo líquido irá cair até atingir seu valor mínimo (ponto crítico). Mas, a partir do momento que o consumo de OD tornar-se menor que a massa reposta por reaeração, seu nível no corpo líquido irá subir até, eventualmente, recuperar as condições existentes antes do lançamento. Portanto, o fenômeno se desenrola como a soma das duas curvas vistas ante- riormente. No início, o teor de OD do corpo líquido cai (enquanto o consumo de OD for maior que o OD fornecido pela reaeração), até atingir o ponto crítico, ou seja, quando os dois valores se igualam. A partir deste ponto começa então a subir (quando o OD fornecido já é maior que o consumido), até atingir o valor existente antes do lançamento do esgoto. A variação do teor de OD do corpo líquido é representada esquematicamente na Figura 2.3. Figura 2 2 Reaeração com o tempo após o lançamento de esgoto 40 SENAI-RJ Tratamento de esgotos - Autodepuração dos corpos de água A variação do teor de OD ao longo do curso de água causada pelo consumo de oxigênio devido ao lançamento de esgotos e sua recuperação devida ao fenômeno da reaeração pode exercer grande infl uência sobre as condições ambientais do ecossistema constituído pelo corpo de água. Isto porque há uma correspondência entre os diversos níveis de OD e determinados organismos capazes de se ambientar às condições vigentes. Assim, a situação ou circunstância apresentada pelo curso de água determina a formação de zonas ao longo das quais há predo- minância de determinados organismos. A biota existente antes do lançamento, adaptada a um nível de OD mais elevado, começa a sofrer modifi cações à proporção que o OD vai caindo. E, assim, à jusante do lançamento, podem ser distinguidas as zonas características do estado do curso de água, que correspondem ao nível de OD. Jusante: direção em que vaza a maré, ou para onde corre um curso de água. 2.1 Zonas características Ao longo do curso de água, após o lançamento de uma determinada vazão de esgotos, dependendo da proporção entre esta vazão e a do curso de água, pode-se distinguir a forma- ção das seguintes zonas características: degradação, decomposição ativa, recuperação e água limpa. Elas serão resumidamente descritas a seguir, com ênfase no que toca à sua localização, ao nível de OD e aos seres vivos nelas presentes. Figura 2.3 – Curva de depleção de oxigênioFigura 2 3 Curva de depleção de oxigênio SENAI-RJ 41 Tratamento de esgotos - Autodepuração dos corpos de água Zona de degradação Localiza-se logo após o lançamento. A água apresenta-se turva e escura. Os sólidos sedimentáveis do esgoto tendem a se depositar no fundo, onde entram em decomposição anaeróbica. O OD cai rapidamente e pode-se constatar a presença de gás carbônico e amônia provenientes da decomposição. Os peixes e outras formas de vida mais complexas podem ser extintos ou expulsos. Sub- sistem alguns fungos e grande número de bactérias. Zona de decomposição ativa Localiza-se abaixo da zona de degradação e corresponde aos níveis mais baixos de OD. Caracteriza-se pela decomposição anaeróbica em toda a massa líquida, sendo também ob- servada a formação de bolhas de gás. Porções de lodo podem afl orar à superfície, formando escuma negra. Há desprendimento de mau cheiro. As formas de vida se limitam, em sua maioria, a microrganismos anaeróbicos; os fungos desaparecem. As formas de vida mais complexas são representadas por alguns vermes e larvas de insetos. Na zona de decomposição ativa localiza-se o “ponto crítico”, onde o teor de OD pode chegar a zero em caso de poluição maciça. Zona de recuperação Localiza-se após a zona de decomposição ativa e corresponde a um lento crescimento do nível de OD. Como a maior parte da matéria orgânica já foi parcialmente estabilizada nas zonas de montante, diminui o consumo de OD, cujo nível tende então a subir em virtude da quantidade de oxigênio fornecida pela reaeração ser superior ao consumo. O gás carbônico e a amônia decrescem e nota-se a presença de nitratos e nitritos, prove- Montante: di- reção da nas- cente do curso de água. nientes da mineralização da matéria orgânica. O número de bactérias diminui devido à redução da matéria orgâni- ca que lhes serve de alimento. Reaparecem os fungos e algumas algas. Começam a reaparecer algumas plantas aquáticas e certos peixes mais resistentes. 42 SENAI-RJ Tratamento de esgotos - Autodepuração dos corpos de água Zona de água limpa Devido ao fenômeno da reaeração, o curso de água recupera tanto o seu teor de OD, resta- belecendo o equilíbrio, quanto a aparência de seu estado natural. Os organismos aeróbios inferiores crescem em quantidade, devido à ação fertilizante da poluição (massa de nutrientes lançada no ecossistema) e servem de alimento às formas de vida mais complexas, que reaparecem. O rio retorna, então, às suas características de nor- malidade. A correspondência entre as zonas descritas e a curva de OD do corpo líquido é mostrada na Figura 2.4. Figura 2.4 – Zonas do curso de água após lançamento de esgoto 2.2 Autodepuração Conforme vimos, após receber uma carga de poluição, os cursos de água, embora sofram modifi cações em suas características, tendem a restabelecer por processos naturais as condições existentes antes do lançamento dos esgotos. Este fenômeno é conhecido como autodepuração, isto é, a capacidade do curso de água de receber uma determinada carga poluidora e eliminá- la, gradativamente, mediante ações naturais. É evidente que, caso se pretenda manter o nível mínimo de OD (ponto crítico) acima de um dado valor, existe um certo limite na carga poluidora a ser lançada no corpo receptor. Se as necessidades de oxigênio para estabilizar a matéria orgânica contida no esgoto lançado forem demasiadamente elevadas, todo o OD do corpo receptor poderá ser consumido e, no ponto crítico, ocorrerá ausência total de OD. Dependendo da carga poluidora, esta situação pode se prolongar por um longo trecho do rio, o que é altamente indesejado. A curva de OD do corpo receptor terá, então, o aspecto mostrado na Figura 2.5. Figura 2 4 – Zonas do curso de água após lançamento de esgoto SENAI-RJ 43 Tratamento de esgotos - Autodepuração dos corpos de água vazão do corpo receptor; e taxa de reaeração, que quantifi ca o oxigênio disponível para suprir as necessidades da carga poluidora. Conhecidos esses elementos, pode-se então determinar o teor mínimo de OD no ponto critico. 2.2.1 Modelo de Streeter e Phelps O tratamento matemático do problema, descrito a seguir de forma simplifi cada, é de autoria de Streeter e Phelps. Esses autores consideram que o défi cit D de oxigênio (isto é, a diferença entre o teor de saturação de OD e o teor de OD medido num tempo t após o lançamento do despejo) pode ser expresso como a soma algébrica das duas tendências já mencionadas, ou seja: redução devida ao consumo deO 2 correspondente à DBO exercida pelo despejo (des- oxigenação); e crescimento devido à reposição natural de O 2 (reaeração). O aumento do défi cit causado pela DBO exercida ao longo do tempo é diretamente proporcional a essa mesma DBO, sendo K 1 o coefi ciente de proporcionalidade. Podemos, então, escrever: Onde: dD d = variação (aumento) do défi cit de OD devido à desoxigenação. L = DBO exercida após o tempo t. K 1 = constante de desoxigenação. dt = variação do tempo t. Figura 2.5 – Depleção total de oxigênio Equação 2.1 Fi 2 5 D l ã t t l d i ênio A carga poluidora lançada ao corpo de água irá determinar a necessidade total de oxigênio a ser consumido. Ela depende da vazão de esgoto lançado e da DBO deste esgoto. Já a capacidade de autodepuração vai depender dos seguintes fatores: teor de OD do corpo recep- tor antes do lançamento; dD d = K 1 Ldt 44 SENAI-RJ Tratamento de esgotos - Autodepuração dos corpos de água A identifi cação do número da equação é importante para futuras referências ao longo do texto. Por outro lado, o estudo da transferência de gases nos mostra que a rapidez com que esse fenômeno se processa é proporcional à diferença entre a concentração do gás no líquido e a concentração de saturação deste gás no líquido, ou seja, no nosso caso, a diminuição do dé- fi cit de oxigênio devido à reaeração é diretamente proporcional ao próprio défi cit, o que nos permite escrever: Equação 2.2 Onde: dD r = variação (decréscimo) do défi cit de OD devido à reaeração natural. K 2 = constante de reaeração. D = défi cit de oxigênio. A variação total do défi cit de OD ao longo do tempo será então representada pela soma algébrica dos dois efeitos: Equação 2.3 Equação 2.4 Onde K 1 assume o mesmo valor que na Equação 2.1. Na prática, para usar a (Equação 2.3), a DBO exercida deverá ser expressa em função da DBO de primeiro estágio da mistura despejo/água do corpo receptor (L 0 ), através da conhecida equação da estabilização da DBO: SENAI-RJ 45 Tratamento de esgotos - Autodepuração dos corpos de água Isto feito, pode-se integrar a Equação 2.3, substituindo também o valor de L pelo expresso na Equação 2.4, o que nos leva à expressão do défi cit de OD, aqui identifi cado pela letra D: Onde: D 0 = défi cit inicial de OD, ou seja, défi cit de OD imediatamente à montante do lançamento do despejo. A Equação 2.5 evidencia que o défi cit de OD passa por um ponto notável. Trata-se do défi cit máximo, que corresponde ao teor mínimo de OD encontrado no ponto crítico. O tempo gasto para atingir o ponto crítico, t c , poderá então ser obtido através da determinação da abscissa deste ponto notável, representada por: O valor de t c permitirá calcular o défi cit crítico, D c , ou seja, o défi cit de O 2 encontrado no ponto crítico: A concentração de OD no ponto crítico (C c , a menor concentração a ser encontrada no corpo receptor) poderá então ser expressa por: Onde: C s = concentração de saturação de O 2 no corpo receptor para as condições dadas de tem- peratura e salinidade. Equação 2.5 Equação 2.6 Equação 2.7 Equação 2.8 46 SENAI-RJ Tratamento de esgotos - Autodepuração dos corpos de água A Figura 2.6, a seguir, representa grafi camente as Equações 2.1, 2.2 e 2.5, utilizadas para o estudo simplifi cado do fenômeno de autodepuração dos cursos de água. Este modelo simplifi cado pode ser utilizado como uma primeira aproximação para o modelo matemático do fenômeno de autodepuração. Os possíveis desvios que ele apresenta são devidos ao fato de não serem consideradas: a demanda de OD causada pelo lodo orgânico, possivelmente presente no fundo do curso de água (demanda bentônica); a redução do consumo de OD, devido à possível sedimentação da parcela de matéria orgânica representada por sólidos em suspensão; e a possível introdução de oxigênio produzido por fotossíntese pelos organismos clorofi lados. Demanda bentônica: demanda advinda de animal ou vegetal que vive no fundo dos cursos de água. As duas primeiras ações descritas tendem a se equilibrar, e a terceira é, geralmente, considerada desprezível, o que explica a extensa utilização do modelo apresentado. Figura 2.6 – Modelo simplifi cado do fenômeno de autodepuraçãoFigura 2 6 Modelo simplificado do fenômeno de autodepuração SENAI-RJ 47 Tratamento de esgotos - Autodepuração dos corpos de água 2.2.2 Determinação dos coefi cientes K1 e K2 Os coefi cientes K 1 e K 2 podem ser determinados experimentalmente. O valor de K 1 depende tanto da velocidade das reações bioquímicas (portanto, da temperatura e da possível presença de substâncias tóxicas ou inibidoras) quanto da presença de uma biota adaptada ao substrato orgânico contido no despejo. Caso não se disponha de valores determinados experimentalmente, pode-se adotar para K 1 o valor de 0,17dia-1 em rios que já receberam considerável carga orgânica à montante. Caso contrário, e quando a DBO de primeiro estágio da mistura esgoto-água do corpo receptor for inferior a 12mg/L, sugere-se para K 1 o valor de 0,1dia-1. Esses valores se aplicam para tempera- tura de 20ºC. E a variação de K 1 com a temperatura pode ser expressa por: Onde: (K 1 ) T = valor de K 1 na temperatura T. (K 1 ) 20 = valor de K 1 a 20ºC. O valor de K 2 depende, principalmente, das condições de escoamento do curso de água (velocidade, profundidade, turbulência), que podem facilitar ou difi cultar o fenômeno de reae- ração natural. Alguns autores propõem formulações matemáticas que fornecem o valor de K 2 em função das condições de escoamento. As principais são as propostas por Owens, Edwards e Gebbs, para rios com velocidades entre 0,03 e 1,5m/s e profundidades entre 0,12 e 3,30m (conforme Equação 2.10), e por O’Connor, para rios com velocidades compreendidas entre 0,15 e 0,5m/s e profundidades entre 0,3 e 9m (conforme Equação 2.11). Equação 2.9 Equação 2.10 Equação 2.11 Onde: V = velocidade de escoamento do curso de água, em m/s. H = profundidade, em m. 48 SENAI-RJ Tratamento de esgotos - Autodepuração dos corpos de água As Equações 2.10 e 2.11 fornecem os valores de K 2 para temperatura de 20ºC. Já a correção de temperatura poderá ser feita pela equação a seguir. Equação 2.12 O modelo de Streeter e Phelps é de fácil aplicação e permite não apenas avaliar a extensão do curso de água atingido pelos efeitos do lançamento do despejo como também determinar os teores de OD ao longo do trecho afetado, com aproximação aceitável para a maioria dos casos práticos. Mas deve-se notar que trata-se de um modelo expedito usado apenas para estimativas. Atualmente existem modelos matemáticos sofi sticados, tridimensionais, que, com o uso de computadores, permitem avaliar com grande precisão as condições do corpo receptor após receber uma determinada carga de esgotos. 3 Nesta unidade... Processos de tratamento de esgotos Tratamento preliminar Tratamento primário Tratamento secundário Tratamento terciário SENAI-RJ 51 Tratamento de esgotos - Processos de tratamento de esgotos 3. Processos de tratamento de esgotos Na literatura técnica é usual a subdivisão dos processos de tratamento de esgotos em fases ou estágios, a saber: preliminar; primário; secundário; e terciário. Embora seja amplamente utilizada, deve-se notar que esta classifi cação é inteiramente arbitrária e não se apóia em qualquer critério científi co. Mais racional seria adotar um critério que agrupasseas operações ou processos de tratamento segundo os fundamentos teóricos nos quais se baseia a obtenção de seus parâmetros de dimensionamento e operação, que seria: operações unitárias (aquelas que utilizam apenas mecanismos físicos); processos químicos unitários; e processos biológicos unitários. Entretanto, como a classifi cação usual é de emprego amplo e já estabelecido, será aqui adotada. Nesta unidade veremos um breve resumo de cada um dos quatro tipos de processos, identifi cando as operações que os compõem. Nas unidades seguintes abordaremos em mais detalhes os principais tratamentos de cada grupo. 52 SENAI-RJ Tratamento de esgotos - Processos de tratamento de esgotos 3.1 Tratamento preliminar Etapa inicial do tratamento de esgotos - considera-se parte da fase preliminar as operações destinadas à remoção de: sólidos grosseiros (através de grades, peneiras e desintegradores); e areias (através de caixas de areia e ciclones). 3.2 Tratamento primário O tratamento primário é defi nido como a seqüência de operações destinadas a remover sólidos em suspensão (quando a remoção é feita por diferença de densidade) e a realizar os procedimentos adicionais necessários ao tratamento dos materiais removidos. Portanto, inclui os seguintes processos. Remoção de sólidos em suspensão: - decantação simples; - decantação com adição de coagulantes ou polieletrólitos; - fl otação por ar dissolvido; - sistemas conjugados (tanques Imhoff e fossas sépticas); e - microgradeamento. Tratamento do material removido (lodo) Espessamento: - espessadores por gravidade; - espessadores por fl otação; e - centrifugação. Estabilização: - digestão aeróbia; - digestão anaeróbia; - tratamento químico; - tratamento térmico; e - compostagem. Condicionamento: - condicionamento químico; - elutriação; e - condicionamento térmico. SENAI-RJ 53 Tratamento de esgotos - Processos de tratamento de esgotos Remoção de umidade: - secagem natural; - fi ltração a vácuo; - centrifugação; e - fi ltração à pressão (fi ltros prensa) Incineração: - fornalhas de múltiplos estágios; - leitos fl uidizados. Destino fi nal: - lançamento no oceano; - utilização como adubo; e - disposição no terreno. 3.3 Tratamento secundário Classifi cam-se como tratamento secundário os processos biológicos utilizados para estabilizar bioquimicamente a matéria orgânica contida no esgoto bruto ou no efl uente do tratamento primário, assim como para efetuar a remoção e a disposição fi nal ou reciclagem das substâncias formadas no processo biológico. Inclui as seguintes operações: Filtração biológica. Lagoas de estabilização (aeróbias, facultativas e anaeróbias). Lodos ativados e suas variantes. Tratamento anaeróbio de efl uentes líquidos. 3.4 Tratamento terciário São considerados como parte do tratamento terciário os processos destinados a remover do efl uente do tratamento secundário substâncias em solução, partículas fi namente divididas em suspensão, poluentes ou impurezas específi cas. Inclui as seguintes operações: Desinfecção por cloração ou ozonização. Filtração. Adsorção por carvão ativado. Osmose reversa. Deionização. Remoção de nutrientes. 4 Nesta unidade... Tratamento preliminar e primário Tratamento preliminar Tratamento primário e sistemas conjugados SENAI-RJ 57 Tratamento de esgotos - Tratamento preliminar e primário 4. Tratamento preliminar e primário Por cuidarem essencialmente da remoção de sólidos, faremos nesta unidade uma abor- dagem conjunta dos tratamentos preliminar e primário. 4.1 Tratamento preliminar O tratamento preliminar se destina à remoção de sólidos grosseiros e areias. Recebeu este nome em virtude de pouco ou nada alterar as principais características dos esgotos, prati- camente não afetando a carga poluidora (já que não reduz signifi cativamente seja a DBO, a concentração de sólidos em suspensão ou a colimetria). Quando usado na cabeceira de uma estação de tratamento de esgotos, sua função é pre- parar os esgotos para tratamento nas unidades subseqüentes evitando obstruções causadas pelos sólidos grosseiros em tubulações e dispositivos de tratamento e assoreamentos causados pelas areias em canais e unidades de tratamento. Quando usado imediatamente à montante de um lançamento, visa evitar inconvenientes estéticos devido à presença de materiais sólidos fl utuantes e prevenir o assoreamento do corpo líquido nas imediações do ponto de lançamento em razão da deposição de areias. 4.1.1 Remoção de sólidos grosseiros A remoção de sólidos grosseiros é executada tanto à montante de uma estação de tratamento ou elevatória – a fi m de proteger as bombas, tubulações e demais unidades de tratamento – quanto à montante de um lançamento de esgotos, visando a proteção do corpo receptor apenas do ponto de vista estético. 58 SENAI-RJ Tratamento de esgotos - Tratamento preliminar e primário A operação pode ser realizada através de: Grades: retenção e posterior remoção do material retido entre as barras de uma grade metálica, que deve ser encaminhado ao destino fi nal (geralmente o mesmo do lixo urbano). Crivos: idem, em placas perfuradas. Peneiras ou microgrades: idem, em dispositivos formados por malhas ou peneiras metálicas. Trituradores (ou desintegradores): retenção, moagem e devolução do material ao esgoto. Grades A operação de gradeamento é efetuada obrigando o fl uxo dos esgotos a atravessar uma grade metálica de barras paralelas. O líquido e os sólidos de dimensões inferiores ao espaça- mento entre as barras atravessam o dispositivo enquanto os sólidos de dimensões superiores permanecem retidos na grade. A remoção do material retido pode ser feita manual ou mecanicamente. A remoção manual é feita por meio de um ancinho cujo espaçamento entre dentes é igual ao espaçamento entre as barras da grade. O operador maneja o ancinho de modo a fazê-lo penetrar entre as barras, junto ao fundo do canal da grade, e arrasta o material retido para fora do canal. A limpeza mecânica é realizada através de rastelo (ancinho mecânico) acionado por motor elétrico, comandado por meio de temporizador ou por sensor da diferença de nível entre os trechos de montante e jusante de grade, pois à proporção que o material vai se acumulando junto às barras da grade a perda de carga no canal de grades aumenta fazendo subir o nível de montante. Quando esse desnível atinge um valor predeterminado, o rastelo é acionado. As grades podem ser instaladas verticalmente ou inclinadas em ângulo de 45° a 60º com a horizontal. As grades de limpeza manual devem ser inclinadas para facilitar a remoção do material. O volume do material removido por uma grade é bastante variável, pois depende das características dos esgotos, dos hábitos da população e do espaçamento entre barras. A título de estimativa, pode-se adotar a faixa de 0,1 litros a 0,025 litros de material por metro cúbico de esgoto tratado. SENAI-RJ 59 Tratamento de esgotos - Tratamento preliminar e primário Classifi cação das grades Quanto ao espaçamento entre barras, as grades se classifi cam em: fi nas (menor que 2cm); médias (de 2 a 4cm); e grosseiras (maior que 4cm). Grades grosseiras em geral são usadas à montante de elevatórias ou em locais de onde a remoção do material retido é muito difícil. Essas grades geralmente são seguidas de grades médias ou fi nas situadas em um ponto mais à jusante. Crivos Crivos são placas metálicas perfuradas instaladas transversalmente em um canal por onde fl ui o esgoto. O líquido passa pelos
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