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UNIMINAS CURSO DE PÓS-GRADUAÇÃO LATO SENSU EM ENGENHARIA SANITÁRIA EDSON JOSÉ REZENDE DE MELLO TRATAMENTO DE ESGOTO SANITÁRIO Avaliação da estação de tratamento de esgoto do Bairro Novo Horizonte na cidade de Araguari - MG Uberlândia 2007 ii EDSON JOSÉ REZENDE DE MELLO TRATAMENTO DE ESGOTO SANITÁRIO Avaliação da estação de tratamento de esgoto do Bairro Novo Horizonte na cidade de Araguari - MG Monografia apresentada à Uniminas como parte dos requisitos necessários para aprovação no curso de pós- graduação lato sensu em Engenharia Sanitária. Orientador: Prof. Msc Kleber Lúcio Borges Uberlândia 2007 iii MELLO, E. J. R. s814S Tratamento de esgoto sanitário – Avaliação da estação de tratamento de esgoto do Bairro Novo Horizonte na cidade de Araguari – MG. UNIMINAS: Curso de Pós-Graduação lato sensu em Engenharia Sanitária, 2007. 99f. il., tabelas, figuras. Monografia – Pós-Graduação lato sensu – UNIMINAS 1.Tratamento de esgoto. 2. ETE compacta. 3.Eficiência ETE. iv BANCA EXAMINADORA: Uberlândia-MG, 19 de maio de 2007. ______________________________________ Prof. Msc Kleber Lúcio Borges Orientador – UNIMINAS/Engenharia de Sanitária ______________________________________ Prof. Dra. Maria Lyda Bolanõs _______________________________________ Prof. Esp. João Alberto Alves v Aos meus pais, pelo estímulo, carinho e incentivo ao estudo. vi AGRADECIMENTOS À UNIMINAS e ao Curso de Pós-Graduação lato sensu em Engenharia Sanitária pela oportunidade de realizar este curso, onde, na vivência diária com professores, funcionários e colegas pós-graduandos, onde encontrei compreensão, estímulo e cooperação. Aos funcionários da SAE de Araguari, Marly Rodrigues Neves e Vicente Lima. Aos meus pais e minha família que, à distância, me acompanharam. Ao meu orientador Prof. Kleber. vii Aprender a aprender e saber pensar, para intervir de modo inovador, são as habilidades indispensáveis do cidadão. Pedro Demo viii RESUMO Este trabalho avaliou uma estação de tratamento de esgoto sanitário compacta, implantada em Araguari-MG, constituída de Reator Anaeróbico de Fluxo Ascendente, um Biofiltro Aerado Submerso e Decantador Secundário, para uso em bairros ou comunidades de pequena população. Levantaram-se as características da ETE implantada. Estudou-se a constituição do esgoto a montante da estação e a jusante da mesma por meio de análises das amostras colhidas. O resultado obtido após o tratamento de esgoto revela a preservação do corpo d’água, mostrando a eficiência do processo empregado a baixo custo. Palavras-chave: tratamento de esgoto; ETE compacta; eficiência ETE. ix ABSTRACT This work evaluated a station of sanitary treatment sewer it compacts, implanted in Araguari-MG, constituted of Anaerobic Reactor of Ascending Flow, a Aerated Biological Filter Submerged and Secondary Decantador, for use in the neighborhoods or communities of small population. They got up the characteristics of implanted Wastewater Treatment Plant. The constitution was studied from the sewer to amount of the Wastewater Treatment Plant and the after them. The result obtained after the sewer treatment it reveals the preservation of the body of water, showing the efficiency of the employed process with a low cost. Word-key: sewer treatment; ETE compacts; efficiency ETE. x SIMBOLOS, ABREVIATURAS E SIGLAS. SÍMBOLOS CH4 – metano CO2 – gás carbônico DBO – demanda bioquímica de oxigênio DQO - demanda química de oxigênio H2O - água H2S – gás sulfidrico HS - bissulfeto N - nitrogênio O2 - oxigênio molecular P - fósforo Qdle –vazão de descarte de lodo Qe – vazão de entrada Qméd - vazão média Qr – vazão de retorno Qs – vazão de saida ST – sólidos totais xi ABREVIATURAS BF – Biofiltro submerso aerado DS – Decantador secundário ETE – Estação de tratamento de esgoto FAN – Filtro Anaeróbio TS – Tanque séptico UASB (Upflow Anaerobic Sludge Blanket) - Reator anaeróbio de manta de lodo e fluxo ascendente SIGLAS ABES – Associação Brasileira de Engenharia Sanitária ABNT – Associação Brasileira de Normas técnicas. IBGE – Instituto Brasileiro de Geografia e Estatística FUNASA – Fundação Nacional de Saúde PNS - Pesquisa Nacional de Saneamento PNUD – Programa das Nações Unidas para o Desenvolvimento RDH – Relatório de Desenvolvimento Humano SAE – Superintendência de Água e Esgoto de Araguari SNIS – Sistema Nacional de Informação sobre Saneamento xii SUMÁRIO CAPITULO I - INTRODUÇÃO ................................................................................................1 CAPITULO II - REVISÃO BIBLIOGRÁFICA ........................................................................4 2.1. Definição de esgoto .......................................................................................................4 2.2. Características do esgoto ...............................................................................................5 2.3. Características físicas dos esgotos.................................................................................7 2.3.1. Coloração........................................................................................................7 2.3.2. Turbidez..........................................................................................................7 2.3.3. Odor ................................................................................................................7 2.3.4. Variação de esgoto..........................................................................................8 2.3.5. Matéria sólida .................................................................................................92.3.6. Temperatura..................................................................................................10 2.4.Características químicas dos esgotos............................................................................10 2.4.1. Matéria orgânica...........................................................................................10 2.4.1.1. Proteínas ...........................................................................................10 2.4.1.2. Carboidratos .....................................................................................11 2.4.1.3. Gorduras e óleos ...............................................................................11 2.4.2. Matéria Inorgânica........................................................................................11 2.5. Características biológicas dos esgotos.........................................................................12 2.6. Demanda Bioquímica de Oxigênio (DBO) .................................................................13 2.7. Demanda Química de Oxigênio (DQO) ......................................................................15 2.8. Demanda Total de Oxigênio (DTO)............................................................................16 2.9. Demanda Teórica de Oxigênio (DTeO) ......................................................................16 2.10. pH ..............................................................................................................................17 2.11. Composição típica dos esgotos..................................................................................17 2.12. Processos de tratamento de esgoto ............................................................................18 2.13. Fases de tratamento ...................................................................................................22 2.13.1. Tratamentos preliminares ...........................................................................22 2.13.2. Tratamentos primários................................................................................25 2.13.3. Tratamentos secundários ............................................................................26 2.13.4. Tratamentos terciários ................................................................................36 2.14. Tratamentos simplificados.........................................................................................38 xiii 2.14.1. Tanque Séptico (TS)...................................................................................38 2.14.2. Filtro Anaeróbio (FAN)..............................................................................42 2.15. Estações elevatórias de esgoto...................................................................................45 2.16. Tratamento e disposição final de lodo de esgoto.......................................................46 2.17. Disposição do biogás.................................................................................................48 CAPITULO III - ETE BAIRRO NOVO HORIZONTE - ARAGUARI-MG..........................50 3.1. Histórico......................................................................................................................50 3.2. Características ETE.....................................................................................................53 3.3. Corpo receptor.............................................................................................................57 3.4. Dados de sondagem.....................................................................................................58 3.5. Dados de projeto..........................................................................................................59 3.6. Etapas do processo.......................................................................................................59 3.6.1. Pré tratamento...............................................................................................59 3.6.2. Tratamento aeróbio...................................................................................4262 3.6.3. Tratamento biogás ........................................................................................63 3.6.4. Leito secagem do lodo..............................................................................4264 3.6.5. Disposição final do lodo...............................................................................65 3.6.6. Tratamento aeróbio-polimento .................................................................4265 3.6.7. Decantador secundário .................................................................................67 3.7. Resultados ...................................................................................................................68 CAPITULO IV - CONCLUSÕES............................................................................................72 REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS .....................................................................................73 ANEXO ....................................................................................................................................77 MEMORIAL DE CÁLCULO DA ETE ..........................................................................77 CAPITULO I INTRODUÇÃO A disposição adequada dos esgotos é essencial à proteção da saúde pública e do meio ambiente. São inúmeras as doenças que podem ser transmitidas pela falta da disposição adequada de esgoto sanitário (NUVOLARI, 2003). Segundo a FUNASA (2004), sob o aspecto sanitário, o destino adequado dos dejetos humanos, visa, fundamentalmente, aos seguintes objetivos: • Evitar a poluição do solo e dos mananciais de abastecimento de água; • Evitar o contato de vetores com as fezes; • Propiciar a promoção de novos hábitos higiênicos na população; • Promover o conforto e atender ao senso estético. Já sob os aspectos econômicos, os objetivos do destino adequado do esgoto sanitário são (FUNASA, 2004): • Aumentar a vida média do homem, pela redução da mortalidade em conseqüência da redução dos casos de doença; • Diminuir as despesas com o tratamento de doenças evitáveis; • Reduzir o custo do tratamento de água de abastecimento, pela prevenção da poluição dos mananciais; • Controlar a poluição das praias e locais de recreação com o objetivo de promover o turismo; • Preservação da fauna aquática, especialmente os criadouros de peixes. O Programa das Nações Unidas para o Desenvolvimento possui oito objetivos, contudo, em especial, o sétimo objetivo visa garantir a sustentabilidade ambiental e para isso têm-se as seguintes metas (PNUD, 2006): • Integrar os princípios do desenvolvimento sustentável nas políticas e programas nacionais e reverter à perda de recursos ambientais; • Reduzir pela metade, até 2015, a proporção da população sem acesso permanente e sustentável a água potável segura; 2 • Até 2020, ter alcançado uma melhora significativa nas vidas de pelo menos 100 milhões de habitantes de bairros degradados. Segundo o Relatório de Desenvolvimento Humano (RDH, 2006), elaborado pelas Nações Unidas, o Brasil deverá cumprir com tranqüilidade a meta da água, mas com dificuldade a de esgoto. O Brasil elevou sua taxa de cobertura à água potável de 83% (ano 1990) para 90% (ano 2004), muito próxima da meta de 91,5% até o ano de 2015. Já no esgotamento sanitário, apesar de também ter elevado a taxa de cobertura de 71% (ano de 1990) para 75% (ano 2004), o Brasil ainda está longe da meta de 85,5% estabelecida para 2015 (RDH, 2006). De acordo com a última PNS (2000), no Brasil, 42% da população total é atendida por rede coletora de esgotosanitário. São ao todo 70,94 milhões de brasileiros que produzem, diariamente, 14,57 milhões de metros cúbicos de esgoto. Deste total, apenas 35% são tratados, ou seja, apenas 5,14 milhões de metros cúbicos. A principal destinação do efluente tratado é o lançamento em corpo d´água. Atualmente, existem inúmeros processos para o tratamento de esgoto, individuais ou combinados. A decisão pelo processo a ser empregado, deve-se levar em consideração, principalmente, as condições do curso d´água receptor (estudo de autodepuração e os limites definidos pela legislação ambiental) e da característica do esgoto bruto gerado. É necessário certificar-se da eficiência de cada processo unitário e de seu custo, além da disponibilidade de área (IMHOFF e IMHOFF, 1996). Von Sperling (1996) cita que os aspectos importantes na seleção de sistemas de tratamento de esgotos são: eficiência, confiabilidade, disposição do lodo, requisitos de área, impactos ambientais, custos de operação, custos de implantação, sustentabilidade e simplicidade. Cada sistema deve ser analisado individualmente, adotando-se a melhor alternativa técnica e econômica. Ainda de acordo com a PNS (2000), no Brasil, para o tratamento dos esgotos, são utilizados tratamentos prévios e preliminares, primários, secundários e terciários, sendo empregados processos biológicos aeróbios e anaeróbios, distribuídos de acordo com a figura 3 01. Entre os diversos processos, os reatores anaeróbios representam 15% do tipo de tratamento utilizado no Brasil. 16% 11% 15% 1%15% 7% 3% 20% 4% 8% filtração biológica lodos ativados reatores anaeróbios valos oxidação lagoas anaeróbias lagoas aeróbias lagoas aeradas lagoas facultativas lagoas de maturação tanques sépticos Figura 01. Tipos de processo de tratamento de esgoto utilizado no Brasil. Fonte PNS (2000). Araguari é uma cidade com aproximadamente 100.000 habitantes, localizada no triângulo mineiro. Segundo o diagnóstico dos serviços de água e esgoto, referente ao ano de 2005, (SNIS, 2006), o índice de atendimento total de água era de 98,6%, o índice de coleta de esgoto era de 94,2% e o índice de tratamento de esgoto era nulo, ou seja, não havia nenhum tratamento. Com o objetivo de iniciar o tratamento do esgoto coletado, decidiu-se implantar uma estação de tratamento de esgoto em uma das sub-bacias da zona urbana. O objetivo principal deste trabalho foi avaliar a experiência da implantação da ETE – Estação de Tratamento de Esgoto do Bairro Novo Horizonte na cidade de Araguari-MG. Mais especificamente, foram descritos o seu processo, suas características e os resultados obtidos até o momento. Porém, antes da descrição dessa ETE, primeiramente foi realizada uma pesquisa bibliográfica sobre o assunto, que fundamentou a avaliação realizada, a conclusão e as recomendações apresentadas. 4 CAPITULO II REVISÃO BIBLIOGRÁFICA 2.1. Definição de esgoto Segundo a NBR 9648 (ABNT, 1986) esgoto sanitário é o despejo líquido constituído de esgotos doméstico e industrial, água de infiltração e a contribuição pluvial parasitária. Ainda segundo a mesma norma, esgoto doméstico é o despejo líquido resultante do uso da água para higiene e necessidades fisiológicas humanas; esgoto industrial é o despejo líquido resultante dos processos industriais, respeitados os padrões de lançamento estabelecidos; água de infiltração é toda água proveniente do subsolo, indesejável ao sistema separador e que penetra nas canalizações; contribuição pluvial parasitária é a parcela do deflúvio superficial inevitavelmente absorvida pela rede de esgoto sanitário. Segundo Von Sperling (1996), o esgoto sanitário é formado por esgoto doméstico, águas de infiltração e despejos industriais, sendo que: • O esgoto doméstico é proveniente das residências, do comércio e das repartições públicas. A taxa de retorno é de 80 % da vazão da água distribuída; • As águas de infiltração são as que penetram na rede coletora de esgoto através de juntas defeituosas das tubulações, paredes de poços de visita, etc. A taxa de infiltração depende muito das juntas das tubulações, do tipo de elementos de inspeção, do tipo de solo e da posição do lençol freático. Os valores médios são de 0,3 a 0,5 L/s.km; • Os despejos industriais são efluentes de indústrias que, devido às características favoráveis, são admitidos na rede de esgoto. Os esgotos industriais ocorrem em pontos específicos da rede coletora e suas características dependem da indústria. 5 2.2. Características do esgoto O esgoto sanitário contém, aproximadamente, 99,9% de água. O restante, 0,1%, é a fração que inclui sólidos orgânicos e inorgânicos, suspensos e dissolvidos, bem como os microorganismos. A figura 02 mostra uma distribuição típica, entre os diversos tipos de sólidos presentes num esgoto bruto de composição média (VON SPERLING, 1996). Figura 02. Distribuição aproximada dos sólidos do esgoto bruto (em concentração). Fonte: adaptado de Von Sperling (1996). As principais características físicas dos esgotos sanitários são (FUNASA, 2004): • Temperatura: em geral, é pouco superior à das águas de abastecimento. A velocidade de decomposição do esgoto é proporcional ao aumento da temperatura; • Odores: são causados pelos gases formados no processo de decomposição, assim o odor de mofo, típico de esgoto fresco é razoavelmente suportável e o odor de ovo podre, insuportável, é típico do esgoto velho ou séptico, em virtude da presença de gás sulfídrico; • Cor e turbidez: indicam de imediato o estado de decomposição do esgoto. A tonalidade acinzentada acompanhada alguma turbidez é típica do esgoto fresco e a cor preta é típica do esgoto velho; 6 • Variação de vazão: depende dos costumes dos habitantes. A vazão doméstica do esgoto é calculada em função do consumo médio diário de água de um indivíduo. Estima-se que para cada 100 litros de água consumida, são lançados aproximadamente 80 litros de esgoto na rede coletora, ou seja, 80%. As principais características químicas dos esgotos, de acordo com a FUNASA (2004) são: • Matéria orgânica: cerca de 70% dos sólidos no esgoto são de origem orgânica, geralmente esses compostos orgânicos são uma combinação de carbono, hidrogênio e oxigênio, e algumas vezes com nitrogênio; • Matéria inorgânica: é formada principalmente pela presença de areia e de substancias minerais dissolvidas. Segundo a FUNASA (2004), as principais características biológicas do esgoto são: • Microorganismos: os principais são as bactérias, os fungos, os protozoários, os vírus e as algas; • Indicadores de poluição: são vários organismos cuja presença num corpo d´água indica uma forma qualquer de poluição. Para indicar a poluição de origem humana adotam-se os organismos do grupo coliformes como indicadores. As bactérias coliformes são típicas do intestino humano e de outros animais de sangue quente. Estão presentes nas fezes humanas (100 a 400 bilhões de coliformes/hab.dia) e são de simples determinação. 7 2.3. Características físicas dos esgotos As principais características físicas que representam o estado em que se encontram águas residuárias são a coloração, a turbidez, o odor, a variação de vazão, a matéria sólida e a temperatura. 2.3.1. Coloração A coloração indica o estado de decomposição do esgoto, e fornecem dados que podem caracterizar o estado do despejo. Como exemplo, a cor preta é típica do esgoto velho e de uma decomposição parcial, enquanto a tonalidade acinzentadajá indica um esgoto fresco (JORDÃO e PESSÔA, 1995). 2.3.2. Turbidez Assim como a coloração, a turbidez também indica o estado em que o esgoto se encontra. Este parâmetro está relacionado com a concentração dos sólidos em suspensão. Esgotos mais frescos ou mais concentrados possuem geralmente maior turbidez (VON SPERLING, 1996). 2.3.3. Odor Durante o processo de decomposição, alguns odores característicos de esgotos podem ser gerados. Jordão e Pessoa (1995) citam três odores como sendo os principais: • odor razoavelmente suportável, típico do esgoto fresco; • odor insuportável, típico do esgoto velho ou séptico, que provém da formação de gás sulfídrico oriundo da decomposição do lodo contido nos despejos; e • odores variados, de produtos podres como de repolho, peixe, legumes; de fezes; de produtos rançosos; de acordo com a predominância de produtos sulfurosos, nitrogenados, ácidos orgânicos, etc. 8 A matéria orgânica e o lodo retido em alguma fase do tratamento de esgoto podem ocasionar maus odores em uma Estação de Tratamento de Esgoto (ETE). Além disto, as reações que ocorrem no decorrer do tratamento produzem subprodutos que causam mau cheiro (H2S e outros polienxofres, NH3 e outras aminas). A temperatura também tem influência na emissão de odores (SILVA, 2004). 2.3.4. Variação de esgoto Os esgotos oriundos de uma cidade e que contribuem para a estação de tratamento de esgoto são basicamente originados de três fontes distintas (VON SPERLING, 1996): • Esgotos domésticos: oriundos dos domicílios bem como de atividades comerciais e institucionais de um a localidade; • Águas de infiltração: ocorrem através de tubos defeituosos, conexões, juntas ou paredes de poços de visita; • Despejos industriais: advindo das indústrias é função precípua do tipo e porte da indústria processo, grau de reciclagem, existência de pré-tratamento dentre outros. De acordo com Von Sperling (1996) a Figura 03 apresenta um hidrograma típico da vazão afluente a uma ETE ao longo do dia. Podem-se observar os dois picos principais: o pico do início da manhã (mais pronunciado) e o pico do início da noite (mais distribuído). A vazão média diária é aquela, na qual, as áreas acima e abaixo do valor médio se igualam. 9 Figura 03. Hidrograma típico da vazão afluente a uma ETE. Fonte: Von Sperling (1996). 2.3.5. Matéria sólida Jordão e Pessoa (1995) classificam a matéria sólida presente nas águas residuárias seguindo a nomenclatura: • função das dimensões das partículas: sólidos em suspensão, sólidos coloidais ou sólidos dissolvidos; • função da sedimentabilidade: sólidos sedimentáveis, sólidos flutuantes ou flotáveis ou sólidos não sedimentáveis; • função da secagem, a alta temperatura (550 a 600ºC): sólidos fixos ou sólidos voláteis; • função da secagem em temperatura média (103 a 105ºC): sólidos totais, sólidos em suspensão ou sólidos dissolvidos. Um dos parâmetros de grande utilização em sistemas de esgotos é a quantidade total de sólidos. Seu módulo é o somatório de todos os sólidos dissolvidos e dos não dissolvidos em um líquido. A sua determinação é normatizada, e consiste na determinação da matéria que permanece como resíduo após sofrer uma evaporação a 103ºC (VON SPERLING, 1996). 10 2.3.6. Temperatura A temperatura influi diretamente na taxa de qualquer reação química, que aumenta com sua elevação, salvo os casos onde a alta temperatura produza alterações no catalisador ou nos reagentes. Em se tratando de reações de natureza biológica, a velocidade de decomposição do esgoto aumenta de acordo com a temperatura, sendo a faixa ideal para atividade biológica contida entre 25 e 35ºC, sendo ainda 15ºC a temperatura abaixo da qual as bactérias formadoras do metano se torna inativo na digestão anaeróbia. Dentro dos tanques sépticos (fossas), por exemplo, ocorre a digestão anaeróbia (JORDÃO e PESSOA, 1995) 2.4. Características químicas dos esgotos Segundo Jordão e Pessoa (1995) sugerem que a origem dos esgotos, estes podem ser classificados em dois grandes grupos: da matéria orgânica e da matéria inorgânica. 2.4.1. Matéria orgânica Cerca de 70% dos sólidos no esgoto médio são de origem orgânica. Estes compostos são constituídos principalmente por proteínas, carboidratos, gordura e óleos, e em menor parte, por uréia, surfartantes, fenóis, pesticidas. Contudo ainda divide-se esta fração de material orgânico seguindo o critério de biodegradabilidade, classificando-os em inerte ou biodegradável (JORDÃO e PESSOA, 1995). 2.4.1.1. Proteínas Liberam nitrogênio, carbono, hidrogênio, oxigênio e podem conter fósforo, enxofre e ferro. São geralmente de origem animal, mas ocorrem em vegetais também. 11 O enxofre fornecido pelas proteínas é responsável pela produção do gás sulfídrico presente nos despejos (SILVA, 2004). 2.4.1.2. Carboidratos Segundo Silva (2004), contêm carbono, hidrogênio e oxigênio, e são as primeiras substâncias a serem atacadas pelas bactérias. Estão presentes principalmente nos açúcares, amido e celulose. A degradação bacteriana nos carboidratos produz ácidos orgânicos, que podem gerar aumento na acidez do esgoto. 2.4.1.3. Gorduras e óleos Segundo a FUNASA (2004), também designados como matéria graxa, às gorduras e os óleos se encontram presentes nos despejos domésticos e sua origem, em geral, se dá pelo uso de manteiga, óleos vegetais, carnes, etc. Além disso, podem estar presentes nos despejos produtos não tão comuns, como querosene, óleos proveniente de garagens. São indesejáveis em um sistema de tratamento de esgotos, pois formam uma camada de escuma e podem vir a entupir os filtros, além de prejudicar a vida biológica. 2.4.2. Matéria Inorgânica Silva (2004) afirmou que a matéria inorgânica existente nos esgotos é constituída, em geral, de areia e outras substâncias minerais dissolvidas, provenientes de águas de lavagens. Não é usual a remoção deste tipo de material, que pouco influenciará em um sistema de tratamento de esgotos pelo fato de ser um material inerte. Entretanto, deve-se estar atento às possibilidades de entupimento e saturação de filtros e tanques, quando há grande quantidade deste material. 12 2.5. Características biológicas dos esgotos Destacam-se como características biológicas dos esgotos os microrganismos e os indicadores de poluição chamados de patogênicos. 2.5.1. Microrganismos As bactérias, fungos, protozoários, vírus e algas são os microrganismos mais importantes no esgoto sanitário (NUVOLARI, 2003). As algas apresentam grande variedade de formas e dimensões. No caso de lagos e lagoas, a reprodução de algas é estimulada com o lançamento de efluentes de estações de tratamento ricos em nutrientes (nitratos e fosfatos). Este lançamento é indesejável quando o seu crescimento é demasiado – também conhecido como floração – e deve ser restringido. O excessivo enriquecimento de nutrientes do corpo receptor seja ele um lago ou lagoa é denominado de eutrofização, que nada mais é do que a superprodução de algas em floração (SILVA, 2004). Segundo Nuvolari (2003), as bactérias na sua grande maioria são unicelulares procariontes se reproduzem por divisão celular, possuem tamanho de 0,5 a 1 µm, são filamentosas e sua absorção de nutrientes se da pela membrana celular. Segundo o último autor, os fungos sob certas condições aparecem, mas, são indesejáveis e a maioria é filamentosa. É estritamente aeróbio o que permite seu controle por anaerobiosetemporária. Ainda segundo aquele autor, os protozoários alimentam-se de bactérias dispersas. No decantador secundário e isto se torna uma vantagem, uma vez que bactérias dispersas (não aderentes ao floco biológico) não sedimentam e acabam saindo com o efluente tratado. A morte desses microrganismos pode ser um indicador da ocorrência de produtos tóxicos. 13 2.5.2. Patogênicos Os microrganismos patogênicos aparecem no esgoto a partir das excretas de indivíduos doentes. A identificação dos mesmos na água é praticamente inviável devido a complexidade dos procedimentos de análise dos custos elevados e do longo tempo para se obter resultados, como descreveu Nuvolari (2003). Para este autor as bactérias do grupo coliforme por estarem presentes em grande número no trato intestinal humano e de outros animais de sangue quente, sendo eliminados em grande número pelas fezes constituem o indicador de contaminação fecal mais utilizado em todo mundo. Figura 04. Coliforme fecal presente na água. 2.6. Demanda Bioquímica de Oxigênio (DBO) Também conhecida como BOD (Biochemical Oxygen Demand), a DBO é um dos parâmetros mais utilizados no que se refere ao tratamento de esgotos. Segundo Netto et al. (1977), a DBO mede a quantidade de matéria orgânica oxidável por ação de bactéria. Macintyre (1996) caracteriza a DBO como avidez de oxigênio para atender ao metabolismo das bactérias e a transformação da matéria orgânica. Na verdade, as duas definições, aparentemente um pouco distintas, significam a mesma coisa. A DBO é utilizada para indicar o grau de poluição de um esgoto, ou seja, um índice de concentração de matéria orgânica por uma unidade de volume de água residuária. A medição da DBO é padronizada, segundo 14 Jordão e Pessoa (1995) pelo “Standard Methods for the Examination of Water and Wastewater” que adota tempo de 5 dias e uma temperatura padrão de 20ºC. Vale ressaltar que a DBO5 não representa a demanda total de oxigênio, pois a demanda total ocorre em período muito superior (SILVA, 2004). Netto et al. (1977) acredita que a DBOtotal é igual a 1,46 x DBO5 a 20ºC. A DBO5 a 20ºC, chamada simplificadamente em alguns casos de DBO, varia no esgoto doméstico bruto, segundo Jordão e Pessôa (1995) e Macintyre (1996), entre 100 e 300 mg/l. Já Netto et al., (1977) afirma que, para esgoto sanitário, a média atinge 300 mgO2/litro. A DBO ocorre em dois estágios: primeiramente a matéria carbonácea é oxidada, e em seguida ocorre uma nitrificação. A DBO de 5 dias trabalha na faixa carbonácea (JORDÃO, PESSÔA, 1995). A temperatura é fator relevante na determinação da duração de cada faixa. A duração tende a diminuir com o aumento da temperatura. A DBO é a quantidade de oxigênio dissolvido, necessária aos microorganismos, na estabilização da matéria orgânica em decomposição, sob condições aeróbias. Num efluente, quanto maior a quantidade de matéria orgânica biodegradável maior é este índice. No teste de medição, a amostra deve ficar incubada a 20oC, durante cinco dias. Na Inglaterra, a metodologia aplicada, 20oC seria a temperatura média dos rios ingleses e 5 dias o tempo médio que a maioria dos rios ingleses levariam para ir desde a nascente até o mar. As correções para DBO total também chamada de DBO última, e para outras temperaturas podem ser estimadas da seguinte maneira (NUVOLARI, 2003): • DBO (5 dias) = 0,68 DBO (última) – para esgoto doméstico; • DBO (temp) = DBO (20oC) x K (temp – 20C) Onde: K = 1,047 – para esgoto doméstico DBO (temp) = DBO a uma temperatura qualquer. Segundo Von Sperling (1996), a DBO média de um esgoto doméstico é de 300 mg/L e a carga per capita, que representa a contribuição de cada indivíduo por unidade de tempo é de 54 g/hab.dia de DBO. 15 2.7. Demanda Química de Oxigênio (DQO) Também conhecida como COD (Chemical Oxygen Demand), a Demanda Química de Oxigênio mede a quantidade de oxigênio necessária para oxidação da parte orgânica de uma amostra que seja oxidável pelo permanganato ou dicromato de potássio em solução ácida. A medição da DQO é padronizada “Standard Methods for the Examination of Water and Wastewater” (NETTO, 1977). De acordo com Silva (2004) a DQO leva em consideração qualquer fonte que necessite de oxigênio, seja esta mineral ou orgânica. Já a DBO considera somente a demanda da parte orgânica. Quando se trata de esgotos domésticos, a consideração pertinente fica ao redor da DBO, pois os esgotos domésticos possuem poucos sais minerais solúveis. A rapidez das respostas de DQO também pode ser citada como uma grande vantagem com relação à DBO. Alguns aparelhos, segundo Jordão e Pessôa (1995), conseguem realizar esta determinação em cerca de 2 minutos. O método do dicromato leva duas horas para determinar a DQO do material. A DQO visa medir o consumo de oxigênio que ocorre durante a oxidação química de compostos orgânicos presentes numa água. Os valores obtidos é uma medida indireta do teor de matéria orgânica presente (NUVOLARI, 2003). A principal diferença com relação ao teste da DBO e DQO, naquele teste relaciona-se a uma oxidação bioquímica da matéria orgânica, realizada inteiramente por microorganismos, enquanto que a DQO corresponde a uma oxidação química da matéria orgânica, obtida através de um forte oxidante (dicromato de potássio) em meio ácido, esclarece (VON SPERLING, 1996). Von Sperling (1996) descreve as principais vantagens do teste de DQO: • O tempo gasto de apenas 2 a 3 horas; • O resultado dá uma indicação do oxigênio requerido para a estabilização da matéria orgânica. 16 Segundo o mesmo autor, para esgotos domésticos brutos, a relação DQO/DBO varia em torno de 1,7 a 2,4. À medida que o esgoto passa pelas diversas unidades de tratamento de esgoto, a relação vai aumentando, chegando ao efluente final do tratamento biológico com valor DQO/DBO superior a 3,0. Como desvantagens, podem-se apresentar a falta de especificação da velocidade com que a bio-oxidação possa ocorrer (SILVA, 2004). 2.8. Demanda Total de Oxigênio (DTO) Também conhecida como TOD (Total Oxygen Demand), a Demanda Total de Oxigênio consiste em uma determinação instrumental capaz de não ser afetada por certos poluentes que interferem mesmo no teste da DQO (por exemplo, amônia e benzeno), sendo o teste realizado em três minutos (JORDÃO e PESSOA, 1995). As nomenclaturas aqui apresentadas devem ser utilizadas com cautela, pois alguns autores utilizam a mesma sigla com significados diferentes. É o caso de Silva e Mara (1979), que em seu livro caracteriza a DTO como Demanda Teórica de Oxigênio. Neste trabalho, a Demanda Teórica de Oxigênio foi tratada como DTeO, para diferenciá-la da Demanda Total de Oxigênio. 2.9. Demanda Teórica de Oxigênio (DTeO) Também conhecida como TEOD (Theoretical Oxygen Demand), a Demanda Teórica de Oxigênio é a quantidade teórica de oxigênio necessária para oxidação completa da parte orgânica de uma amostra, produzindo gás carbônico - CO2 - e gás sulfídrico - H2S. Como exemplo, pode-se citar uma simples reação de oxidação da glucose, segundo Silva (2004) (Equação 01). C6H12O6 + 6O2 → 6CO2 + 6H2O Equação 01 17 A equação balanceada mostra que são necessárias 192 unidades de massa de 6O2 para oxidar 180 unidades de massa de C6H12O6. Obtendo-se a massa do composto orgânico, pode- se encontrar a quantidade necessária de oxigênio para oxidação completa do material. Contudo, a complexidadedos compostos existentes nos esgotos inviabiliza este processo teórico (SILVA, 2004). 2.10. pH Fator determinante no sucesso de alguns sistemas de tratamento de esgotos, a existência do pH deve ser considerada. Pode-se chegar ao seu valor utilizando a Equação 02 (SILVA, 2004). pH = -log [H+] Equação 02 Onde: pH: É uma sigla internacional inglesa; Log: Logaritmo na base 10; [H+]: É a concentração do íon hidrogênio; 2.11. Composição típica dos esgotos Os autores Silva e Mara (1979) afirmaram que a matéria sólida representa apenas 0,1% dos esgotos sanitários, sendo que a água é responsável pelos 99,9% restantes. A contribuição “percapita” diária de DBO5 no Brasil pode ser de até 50g. A Tabela 01 apresenta as concentrações em termos de DBO5 e DQO. Tabela 01. Concentração em termos de DBO5 e DQO (SILVA e MARA, 1979). Concentração Fraca Média Grande Muito Grande DBO5 (mg/l) 200 350 500 750 DQO (mg/l) 400 700 1000 1500 18 Tanto Gonçalves e Souza (1997), como Jordão e Pessoa (1995), afirmaram que a matéria sólida representa apenas 0,08% dos esgotos sanitários, sendo que a água é responsável pelos 99,92% restantes. A diferença da composição em relação à proposta por Silva e Mara, (1979) – 99,9% e 0,1% - não é significativa. A Tabela 02 contém a composição típica que Gonçalves e Souza (1997) consideraram ser aplicável a esgotos sanitários. Tabela 02. Composição típica de esgotos sanitários (GONÇALVES e SOUZA, 1997). Concentrações (em mg/L, onde não indicados) CONSTITUINTES Forte Médio Fraco 1 Sólidos Totais 1200 720 350 1.1 Dissolvidos totais 850 500 250 1.1.1 Fixos 525 300 145 1.1.2 Voláteis 325 200 105 1.2 Suspensos totais 350 220 100 1.2.1 Fixos 75 55 20 1.2.2 Voláteis 275 165 80 2 Sólidos sedimentáveis (ml/l) 20 10 5 3 DBO5, 20ºC 400 220 110 4 Carbono Total (TOC) 260 160 80 5 DQO 1000 500 250 6 Nitrogênio Total (como N) 85 40 20 6.1 Orgânico 35 15 8 6.2 Amônia livre 50 25 12 6.3 Nitritos 0 0 0 6.4 Nitratos 0 0 0 7 Fósforo total 15 8 7 7.1 Orgânico 5 3 1 7.2 Inorgânicos 10 5 3 8 Cloretos 100 50 30 9 Alcalinidade (como CaCO3) 150 100 50 10 Graxa 150 100 50 2.12. Processos de tratamento de esgoto Atualmente, existem inúmeros processos para o tratamento de esgoto, individuais ou combinados. A decisão pelo processo a ser empregado, deve-se levar em consideração, principalmente, as condições do curso d´água receptor (estudo de autodepuração e os limites definidos pela legislação ambiental) e da característica do esgoto bruto gerado. É necessário certificar-se da eficiência de cada processo unitário e de seu custo, além da disponibilidade de área (IMHOFF e IMHOFF, 1996). 19 Von Sperling (1996) cita que os aspectos importantes na seleção de sistemas de tratamento de esgotos são: eficiência, confiabilidade, disposição do lodo, requisitos de área, impactos ambientais, custos de operação, custos de implantação, sustentabilidade e simplicidade. Cada sistema deve ser analisado individualmente, adotando-se a melhor alternativa técnica e econômica. O tratamento de esgoto é usualmente classificado através dos seguintes níveis, segundo Von Sperling (1996), também demonstrado na Figura 05 abaixo: • Tratamento preliminar: objetiva apenas a remoção de sólidos grosseiros; • Tratamento primário: visa a remossão de sólidos sedimentáveis e parte da matéria orgânica, predominando os mecanismos físicos; • Tratamento secundário: onde predominam mecanismos biológicos, com objetivo principal de remoção de matéria orgânica e de nutrientes (nitrogênio e fósforo); • Tratamento terciário: objetiva a remoção de poluentes específicos (usualmente tóxicos ou compostos não biodegradáveis) ou ainda, a remoção complementar de poluentes não suficiente mente removidos no tratamento secundário. O tratamento terciário é bastante raro no Brasil. Figura 05. Esquema usual de ETE. 20 Na divisão, apresentada (tratamento preliminar, primário, secundário e terciário) pelos autores citados, existem duas pequenas divergências. Macintyre (1996) acredita que os tratamentos preliminares, como o gradeamento, façam parte de sistemas de tratamento primário. Apesar deste autor classificar esta etapa como tratamento preliminar, assim como os demais autores mencionados, ele sugere que este tipo de tratamento esteja englobado nos sistemas primários. Netto et al. (1977) propõe um desmembramento de sistemas de tratamento terciário em: tratamento terciário e desinfecção; sendo que esta última é tratada pelos demais autores como sendo parte integrante de um tratamento terciário. Existe também a classificação dos processos de tratamento em físicos, químicos e biológicos. Processos onde há predominância de atividades de decantação, filtração, incineração, diluição ou homogeneização podem ser classificados como processos físicos. A adição de elementos químicos caracteriza uma etapa química. Quando há necessidade da ação de microorganismos para que os processos possam ocorrer, chamam-se estes de biológicos (VON SPERLING, 1996). Nuvolari (2003) descreve também que para atender sistemas individuais como residência ou condomínios isolados há possibilidade de sistemas simplificados como exemplo o tanque séptico. De modo geral, os processos de tratamentos de uma ETE da COPASA - Companhia de Saneamento de Minas Gerais, seguem as seguintes etapas (COPASA, 2007): • 1ª etapa: Filtração grossa; • 2ª etapa: Sedimentação primária; • 3ª etapa: Filtração; • 4ª etapa: Tanque de Aeração; • 5ª etapa: Sedimentação final; • 6ª etapa: Adição de cloro. A primeira etapa ou tratamento preliminar é constituído de retirada dos sólidos do esgoto, por partículas sólidas grosseiras, como lixo e areia. O processo utiliza os meios físicos, como gradeamento, peneiramento e a sedimentação (COPASA, 2007). A segunda etapa ou sedimentação primária reduz parte da matéria orgânica presente nos esgotos removendo os sólidos em suspensão sedimentáveis e sólidos flutuantes. No 21 processo ainda contém sólidos em suspensão, não grosseiros, que são mais pesados que a parte líquida. Esses sólidos se sedimentam, indo para o fundo dos decantadores, formando o lodo primário bruto. Esse lodo é retirado do fundo do decantador, através de raspadores mecanizados, tubulações ou bombas (COPASA, 2007). Na terceira etapa ou filtração o efluente se encaminha para o filtro anaeróbio que possui bactérias que crescem aderidas a uma camada suporte formando a biomassa, que reduz a carga orgânica dos esgotos. O reator Anaeróbio de Manta de Lodo (UASB) na qual a biomassa cresce dispersa no meio e não aderida como nos filtros. Esta biomassa, ao crescer, forma pequenos grânulos, que por sua vez, tendem a servir de meio suporte para outras bactérias. O fluxo do líquido é ascendente e são formados gases – metano e gás carbônico, resultantes do processo de fermentação anaeróbia (COPASA, 2007). A seguir na quarta etapa ou Tanque de aeração, remove a matéria orgânica e os sólidos em suspensão. O processo é através de processos biológicos, utilizando reações bioquímicas, através de microorganismos – bactérias aeróbias, facultativas, protozoários e fungos. Neste processo aeróbio os microorganismos presentes nos esgotos se alimentam da matéria orgânica presente, convertendo-a em gás carbônico, água e material celular. Esta decomposição biológica do material orgânico requer a presença de oxigênioe outras condições ambientais adequadas como temperatura, pH, tempo de contato, dentre outras variáveis (COPASA, 2007). A sedimentação final na etapa cinco utiliza as lagoas de estabilização (ou lagoas de oxidação) e suas variantes. Onde são lagoas construídas de forma simples, onde os esgotos entram em uma extremidade e saem na oposta. A matéria orgânica, na forma de sólidos em suspensão, fica no fundo da lagoa, formando um lodo que vai aos poucos sendo estabilizado. O processo se baseia nos princípios da respiração e da fotossíntese: As algas existentes no esgoto, na presença de luz, produzem oxigênio que é liberado através da fotossíntese. Esse oxigênio dissolvido (OD) é utilizado pelas bactérias aeróbias (respiração) para se alimentarem da matéria orgânica em suspensão e dissolvida presente no esgoto. O resultado é a produção de sais minerais – alimento das algas - e de gás carbônico (COPASA, 2007). Mas na última etapa, seis, o material remanescente continua com uma concentração de microorganismos. Estes são removidos, comumente, através da adição de cloro, que diminui a população restante dos microrganismos. O uso de cloro na desinfecção foi iniciado com a 22 aplicação do hipoclorito de sódio (NaOCl), obtido pela decomposição eletrolítica do sal. Inicialmente, o cloro era empregado na desinfecção de águas somente em casos de epidemias. A partir de 1902, a cloração foi adotada de maneira contínua na Bélgica. Em 1909, passou a ser utilizado o cloro guardado em cilindros revestidos com chumbo. Os processos de cloração evoluíram com o tempo, podendo esta evolução ser caracterizada em diferentes décadas (ROSSIN, 1987). 2.13. Fases de tratamento As fases constituintes do tratamento de esgoto seguem as seguintes premissas: tratamentos preliminares, primários, secundários e terciários, descritos abaixo. 2.13.1. Tratamentos preliminares O Tratamento preliminar do esgoto é sujeito aos processos de separação dos sólidos mais grosseiros como sejam a gradagem que pode ser composto por grades grosseiras, grades finas e/ou peneiras rotativas, o desarenamento nas caixas de areia e o desengorduramento nas chamadas caixas de gordura ou em pré-decantadores. Nesta fase, o esgoto será desta forma, preparado para as fases de tratamento subsequentes, podendo ser sujeito a um pré-arejamento e a uma equalização tanto de caudais como de cargas poluentes (VON SPERLING, 1996). A separação de sólidos grosseiros em suspensão, presentes em efluentes líquidos pode ser feita, através das operações de gradeamento e peneiramento. 2.13.1.1. Gradeamento Para Júnior (2001) dispositivos constituídos por barras paralelas e igualmente espaçadas que destinam-se a reter sólidos grosseiros em suspensão e corpos flutuantes. O gradeamento é a primeira unidade de uma estação de tratamento de esgoto, sendo que essa unidade, só não deve ser prevista, na ausência total de sólidos grosseiros no efluente a ser tratado. 23 Segundo este último autor, o sistema de gradeamento pode conter uma ou mais grades. Elas quando grosseiras são utilizadas, quando o esgoto apresenta grande quantidade de sujeira. Nas grades são retidas pedras, pedaços de madeira, brinquedos, animais mortos e outros objetos de tamanho elevado. As grades média e fina são empregadas para a retirada de partículas, que ultrapassam o gradeamento grosseiro. As grades finas e médias podem ser instaladas, sem o gradeamento grosseiro, no caso de remoção mecânica dos resíduos (JÚNIOR, 2001). A Tabela 03 mostra as características das grades, e a Tabela 04, as eficiências das mesmas, em função da espessura e das aberturas das barras. Tabela 03. Aberturas ou espaçamentos e dimensões das barras (Fonte: JÚNIOR, 2001). Tipo de grade Espaçamento (mm): Espessuras mais usuais (mm): 4 10 e 13 60 10 e13 80 10 e 13 Grosseira 100 10 e13 20 8 e 10 30 8 e10 Média 40 8 e 10 10 6 , 8 e 10 15 6, 8 e 10 Fina 20 6, 8 e 10 24 Tabela 04. Eficiência do sistema de gradeamento (Fonte: JÚNIOR, 2001). t a = 20 mm a = 25 mm a = 30 mm 6 mm 75 % 80 % 83,4 % 8 mm 73 % 76,8 % 80,3 % 10 mm 67,7 % 72,8 % 77 % 13 mm 60 % 66,7 % 71,5 % Onde: a = espaço entre as barras; t = espessura das barras. 2.13.1.2. Peneiramento O peneiramento tem como objetivo principal, a remoção de sólidos grosseiros com granulometria maior que 0,25 mm. As peneiras podem ser classificadas em estáticas e rotativas. Estas devem ser usadas principalmente, em sistemas de tratamento de águas residuárias industriais, sendo que, em muitos casos, os sólidos separados podem ser reaproveitados (JÚNIOR, 2001). Para este autor, podem ser utilizadas anteriormente aos Reatores Anaeróbios, já que estes apresentam ótimo desempenho no tratamento de efluentes líquidos, com baixas concentrações de matéria orgânica solúvel e particulada. O aparecimento de peneiras mecanizadas tende a mudar o uso quase exclusivo do gradeamento, no tratamento preliminar de esgotos sanitários, conforme afirmou Junior (2001). 2.13.1.3. Caixa de areia A remoção da areia contida nos esgotos (Figura 06) é realizada pelas caixas de areias ou desarenadores. O mecanismo de remoção da areia é simplesmente a sedimentação: os grãos de areia, devido a suas maiores dimensões e densidade vão para o fundo do tanque, 25 enquanto a matéria orgânica, sendo de sedimentação bem mais lenta, permanece em suspensão, seguindo para as unidades de jusante, afirmou Von Sperling (1996). Figura 06. Caixa de areia após gradeamento. 2.13.2. Tratamentos primários Apesar do esgoto apresentar um aspecto ligeiramente mais razoável após a fase de pré- ratamento, posssui ainda praticamente inalteradas as suas características poluidoras. Por isto a necessidade de novo tratamento. Nesta fase onde se separa a água dos matériais poluentes apartir da sedimentação nos equipamentos, através ação física pode, em alguns casos, ser ajudado pela adição de agentes químicos que através de coagulantes e floculantes possibilitando a obtenção de flocos de matéria poluente de maiores dimensões e assim mais facilmente decantáveis. Após o tratamento primário, a matéria poluente que permanece na água é de reduzidas dimensões, normalmente constituida por coloides, devido a digestão do lodo, não sendo por isso passível de ser removida por processos exclusivamente físico- químicos (SILVA, 2004). 26 2.13.2.1. Decantador primário A função dessa unidade é clarificar o esgoto, removovendo os sólidos que isoladamente ou em flocos podem sedimentar seu próprio peso Nuvolari (2003). Conforme cita aquele autor, as partículas que sedimentam, ao se acumularem no fundo do decantador, formam o chamado lodo primário, que é daí retirado. Nessa unidade, normalmente aproveita-se também para remoção de flutuantes: espuma, olóes e graxa acumulados na superfície. Quando ao formato, os decantadores primários podem ser: circulares (Figura 07), quadrados ou retangulares. A remoção de lodo e de flutuantes pode ser mecanizada ou não. De acordo com a NBR 12209 (ABNT, 1990) para vazões máximas Qmax > 250L/s, a remoção de lodo deve ser mecanizada e obrigatoriamente deve prever mais de uma unidade. Figura 07. Decantador primário circular. 2.13.3. Tratamentos secundários O tratamento secundário, geralmente consistindo num processo biológico, do tipo lodo ativado ou do tipo filtro biológico, onde a matéria orgânica coloidal é consumida por microorganismosnos chamados reatores biológicos. Estes reatores são normalmente 27 constituídos por tanques com grande quantidade de microrganismos aeróbios, havendo por isso a necessidade de promover o seu arejamento. O esgoto saído do reator biológico contem uma grande quantidade de microrganismos, sendo reduzida a matéria orgânica remanescente. Os microrganismos sofrem posteriormente um processo de sedimentação nos designados sedimentadores (decantadores) secundários. Terminado o tratamento secundário, as águas residuais tratadas apresentam um reduzido nível de poluição por matéria orgânica, podendo na maioria dos casos, serem admitidas no meio ambiente receptor (NEVES, 1974). 2.13.3.1. Lagoas de estabilização Para Von Sperling (1996) este sistema constitui de uma forma simples de tratamento de esgoto, baseando-se principalmente em movimento de terra de escavação e preparação de taludes. Além do objetivo principal de remoção da matéria rica em carbono, as lagoas realizam também o controle de organismos patogênicos em alguns casos. Conforme o ultimo autor, entre os sistemas de lagoa de estabilização, o processo é mais simples, dependendo unicamente de fenômenos puramente naturais. O esgoto afluente entra em uma extremidade da lagoa e sai na extremidade oposta. Ao longo desse percurso, que demora vários dias, uma série de eventos contribui para a purificação dos esgotos. A lagoa facultativa (Figura 08) a DBO permanece em torno de 50 a 70% removida na lagoa anaeróbia, enquanto a DBO remanescente é removida na lagoa facultativa. O sistema ocupa uma área inferior ao de uma lagoa facultativa única (VON SPERLING, 1986). 28 Figura 08. Lagoa facultativa. Nas lagoas aeradas facultativas, o mecanismo de temoção da DBO são similares aos de uma lagoa facultativa. No entanto, o oxigênio é fornecido por aeradores mecânicos, ao invés da fotossíntese. Como a lagoa também é facultativa, uma grande parte dos sólidos do esgoto e da biomassa sedimenta, sendo decomposta anaerobiamente no fundo, afirma Von Sperling (1986). Para as lagoas aeradas de mistura completa, segundo o mesmo autor, a energia introduzida por unidade de volume da lagoa é elevada, o que faz com que os sólidos permaneçam dispersos no meio, ou em mistura completa. A decorrente maior concentração de bactérias no meio líquido aumenta a eficiência do sistema na remoção da DBO, o que permite que a lagoa tenha um volume inferior ao de uma lagoa aerada facultativa. No entanto, o efluente contém elevados teores de sólidos (bactérias), que necessitam ser removidas antes do lançamento no corpo receptor. A lagoa de decantação a jusante propicia condições para esta remoção. O lodo da lagoa de decantação deve ser removido em períodos de poucos anos. O objetivo principal, da lagoa de maturação, é a remoção de organismos patogênicos. Nas lagoas de maturação predominam condições ambientais adversas para as bactérias patogênicas, como radição ultravioleta, elevado pH, elevado OD, temperaturas mais baixas que o corpo humano, falta de nutrientes e predação por outros organismos. Ovos de helmintos e cistos de protozoários tendem a sedimentar. As lagoas de maturação constituem um pós-tratamento de processos que ohbjetivem a remoção da DBO, sendo usualmente projetadas como uma série de lagoas, ou como 29 uma lagoa única com dimensões por chicanas. A eficiência na remoção de coliforme é elevada, segundo a afirmação de Von Sperling (1986). Muitas das vezes para o alcance de uma melhor eficiência no tratamento de esgoto conforme citou Nuvolari (2003), faz-se a associação destes tipos de lagoas de estabilização. Um dos mais utilizados é o sistema australiano, que é a combinação de três delas: lagoa anaeróbia, lagoa facultativa e uma lagoa de maturação (Figura 09). Figura 09. Associação de lagoas de estabilização. 2.13.3.2. Reatores anaeróbios O processo anaeróbio está através dos reatores de manta de lodo que apresentam inúmeras vantagens em relação ao processo aeróbio convencional, aplicando em locais com temperaturas elevadas, como é o caso da maioria dos municípios brasileiros, este sistema se apresenta como uma solução devido o baixo consumo de energia, baixa produção de lodo, desidratação do lodo, eficiente remoção de DBO e DQO, dentre outros (CHERNICHARO, 1997). O princípio dos reatores é dividir o esgoto bruto em três fases ( separador trifásico): fase líquida, gasosa e sólida. A fase líquida é o efluente líquido que sai após o seu tratamento, com eficiência aproximada de 60% a 80% de remoção de DBO (VON 30 SPERLING, 1996). A fase gasosa é o biogás gerado no processo anaeróbio, que é comumente queimado para evitar o mau cheiro por causa do gás metano (NUVOLARI, 2003). A fase sólida é o lodo mais pesado gerado no compartimento de digestão, cuja idade são usualmente superior a 30 dias (CHERNICHARO, 1997). Os reatores anaeróbios de manta de lodo são também frequentemente denominados de Reatores Anaeróbios de Fluxo Ascendente (RAFA ou UASB), demonstrado na Figura 10. O custo de implantação varia entre US$ 20 a US$ 40 por habitante e gera uma quantidade de lodo a ser tratado anualmente entre 0,07 a 0,1 m3/habitante, segundo Von Sperling (1996). Figura 10. Modelos de reatores anaeróbios. O princípio do processo deste reator inicia-se após sua alimentação em baixa taxa no modo ascendente do lodo. Esta partida do sistema constitui na fase mais importante do reator. Posteriormente com o aumento da eficiência do processo, após alguns meses de operação, esta taxa deve ser aumentada (CHERNICHARO, 1997). Segundo Chernicharo (1997), nos reatores a produção de biogás é muito importante para a boa mistura do leito do lodo. Entretanto, taxas muito elevadas de produção de gás podem afetar negativamente a partida do processo, porque o lodo pode se expandir excessivamente em direção à parte superior do reator, sendo perdido juntamente com o efluente. 31 Uma das principais características dos reatores anaeróbios é a geração de lodo. Young (1991) recomendou que os sólidos não sejam descartados do reator até que a concentração da zona de lodo exceda a 5% em peso. Mesmos nestas condições, o descarte só deve ser efetuado se a manta de lodo penetrar no meio suporte ou se a concentração de sólidos no efluente aumentarem significativamente. Caso não ocorra a distinção entre a manta de lodo e o leito de lodo (distribuição uniforme), o descarte de sólidos deve ser feito sempre que a concentração aproximar-se de 7% em peso, situação em que o fluxo da massa de sólidos ficará dificultado, podendo favorecer a formação de caminhos preferenciais para o esgoto, além de dificultar a remoção do lodo excedente. 2.13.3.3. Lodos ativados O sistema de lodos ativado é amplamente utilizado no mundo, como tratamento de dejeto domésticos e industriais. No entanto o sistema de lodo ativo inclui um índice de mecanização superior ao de outros sistemas de tratamento, implicando em uma operação mais tecnológica e maior consumo de energia (VON SPERLING, 1997). Conforme citou Von Sperling (1996), no sistema de lodos ativados há um reservatório de bactérias, ainda ativas e ávidas na unidade de decantação, caso parte destas bactérias seja retornada à unidade de aeração, a concentração de bactérias sofrerá acréscimo nesta unidade. Este princípio básico do sistema de lodos ativados, em que os sólidos serão recirculados do fundo da unidade de decantação, por meio de bombeamento, para a unidade de aeração. As unidades essenciais no sistema de lodosativados em fluxo contínuo são: tanque de aeração, tanque de decantação e elevatório de recirculação de lodo (Figura 11). 32 Figura 11. Esquema de tratamento: lodos ativados. Existem três tipos de sistemas de lodos ativos (VON SPERLING, 1996): convencional, de fluxo contínuo e fluxo intermitente. Sendo as diferenças básicas entre eles nos equipamentos básicos. No lodo ativo convencional, existem aeradores, elevatórios de recirculação, removedores de lodo nos decantadores e nos adensadores, misturadores nos digestores, equipamento para gás, elevatório para retorno de sobrenadantes e drenos. Para o sistema de lodos de fluxo contínuo existem aeradores, elevatório de recirculação, removedores de lodo nos decantadores e nos adensadores e elevatórios para retorno de sobrenadantes e drenos. E por fim os de fluxo contínuo que possuem aeradores, removedores de lodo nos adensadores e elevatório para retorno de sobrenadantes e drenos. Para Von Sperling (1996), o processo utiliza um reator bioquímico de remoção de matéria orgânica em determinadas condições de acumulo de nitrogênio. A biomassa utiliza o esgoto bruto para se desenvolver, na etapa seguinte, utiliza o decantador secundário onde ocorre a sedimentação dessa biomassa, permitindo que o efluente final se torne clarificado. 33 2.13.3.4. Decantador secundário O decantador secundário, mostrado na Figura 12, possui uma sedimentação de sólidos, de fundamental importância ao sistema. Existem basicamente quatro tipos de sedimentação descritos; a direta nos quais as partículas sedimentam em separado, sem aglutinação, dessa forma são mantidos suas características físicas como forma, tamanho e velocidade de sedimentação; a floculenta, ocorre aglutinação das partículas, alterando as suas características, em decorrência há aumento de densidade e velocidade do floco; a zonal, que em líquidos com alta concentração de sólidos, forma um manto único, com separação do sólido e do líquido; e zonal elevada, com maior concentração de sólidos, ocorrendo até compressão das partículas devido ao seu peso, expulsando a água da matriz do floco (NUVOLARI, 2003). Figura 12. Decantador secundário. O cálculo da área superficial requerida é o principal aspecto no projeto de um decantador. A determinação da área usualmente é obtida através dos seguintes parâmetros de projetos (VON SPERLING, 1997): • Taxa de aplicação hidráulica: corresponde ao quociente entre a vazão afluente à estação e a área superficial dos decantadores; • Taxa de aplicação de sólidos: corresponde ao quociente entre a carga de sólidos aplicada e área superficial dos decantadores. 34 O tempo de detenção, segundo a NBR 570 (ABNT, 1989) apud Von Sperling (1997), está intimamente associado ao seu volume, ou seja, à sua profundidade. A referida norma sugere que o tempo de detenção hidráulica seja igual ou superior a 1,5 horas, relativo à vazão média. 2.13.3.5. Filtros biológicos O processo de filtros biológicos consiste num conceito totalmente diferente dos processos anteriores. Ao invés da biomassa crescer dispersa em um tanque ou lagoa, ela cresce aderida a um meio suporte, segundo Von Sperling (1996). Um filtro biológico compreende basicamente, um leito de material grosseiro, tal com pedras, ripas ou material plástico, sobre o qual os esgotos são aplicados sob a forma de gotas ou jatos. Após a aplicação, os esgotos percolam em direção aos drenos do fundo. Essa percolação permite o crescimento bacteriano na superfície da pedra ou do material de enchimento, na forma de uma película fixa. O esgoto passa sobre a população microbiana aderida, promovendo o contato entre os microorganismos e o material orgânico (VON SPERLING, 1996). A proliferação de moscas, problema comum nos filtros com taxas de aplicação hidráulica intermediária e baixa, neste caso, diminui, pois as larvas são careadas, descreveu Nuvolari (2003). São sistemas aeróbios, afirma Von Sperling (1996), pois o ar circula nos espaços vazios entre o meio suporte. A aplicação dos esgotos sobre o meio é frequentemente feita através de distribuidores rotativos e são normalmente circulares, como mostra a Figura 13. 35 Figura 13. Filtro biológico. 2.13.3.6. Tanque de Sedimentação O dimensionamento de tanques de sedimentação secundários, utilizados após filtros biológicos, ainda não é normatizado para pequenas contribuições de esgoto. Jordão e Pessoa (1995) indicam para dimensionamento de tanques de sedimentação secundários a taxa de 1/15 metros quadrados de área superficial para cada 1 m3 de efluente lançado. Além deste, o autor sugere um tempo de detenção hidráulica da ordem de duas horas. A NBR 12209 (ABNT, 1992) específica para decantador final, uma taxa igual ou inferior a 36 m3 de efluente por m2 de área superficial. No entanto, a adoção de métodos de dimensionamento referente a grandes contribuições não promove resultados satisfatórios. Existe também a possibilidade de utilizar filtros do tipo bolsa ou do tipo cartucho, que podem ser uma ótima opção para pequenas vazões. Estes filtros retém materiais sólidos que por ventura tentem sair do tanque de decantação, em função de um regime turbulento dentro do tanque. Seu funcionamento é semelhante com o do Tanque Séptico. A sua função é promover a sedimentação de partículas sólidas, através da diferença de densidade e utilizando-se de um tempo de detenção hidráulico, evitando com que estas estejam presentes no efluente final. Grande parte destas partículas sólidas é proveniente do desprendimento de biofilme do Filtro Aerado, já que o processo com oxigênio produz grande quantidade de bactérias (SILVA, 2004). 36 2.13.4. Tratamentos terciários Para o lançamento final do esgoto no corpo receptor, às vezes, é necessário proceder à desinfecção das águas residuais tratadas para a remoção dos organismos patogênicos ou, em casos especiais, à remoção de determinados nutrientes, como o nitrogênio e o fósforo, que podem potenciar, isoladamente ou em conjunto, a eutrofização das águas receptoras (NEVES, 1974). 2.13.4.1. Clorador O Clorador, ou Tanque de Desinfecção é um sistema de tratamento químico e terciário, com função de desinfecção do efluente das outras unidades. Este tanque de desinfecção (Figura 14) tem como finalidade exterminar total ou parcialmente as bactérias e os demais organismos patogênicos presentes no esgoto tratado. Uma substância desinfetante – no caso, o Cloro – atua diretamente nestes patogênicos, penetrando em suas células e reagindo com suas enzimas, resultando na morte dos organismos (SILVA, 2004). Figura 14. Unidade de cloração em uma ETE. 37 2.13.4.2. Desinfecção com ozônio O ozônio possui alto poder germicida contra uma grande variedade de microorganismos patogênicos, incluindo-se as bactérias, protozoários e os vírus. A desinfecção com esse produto não é afetada pelo valor do pH. Devido à decomposição muito rápida do radical livre hidroxila, uma maior concentração de ozônio deve ser usada em valores de pH mais alto, para se manter a eficiência (NUVOLARI, 2003). 2.13.4.3. Desinfecção com dióxido de cloro (ClO2) De acordo com Nuvolari (2003) Desde o início do século XX, quando foi utilizado pela primeira vez na Bélgica, o dióxido de cloro ficou conhecido como poderoso desinfetante. Aproximadamente 700 a 900 sistemas utilizam o dióxido de cloro para a desinfecção de patogênicos. É uma combinação neutra de cloro no estado de oxidação +IV. Desinfeta poroxidação, porém, não clora. Várias investigações foram feitas para determinar a eficácia da ação germicida do dióxido de cloro desde a sua introdução, em 1944. Os resultados demonstraram que o ClO2 é um desinfetante mais efetivo que o cloro, mas, é menos efetivo que o ozônio, afirmou Nuvolari (2003). 2.13.4.4. Radiação ultravioleta Diferentemente da maioria dos desinfetantes, a radiação ultravioleta não provoca a inativação de microorganismos por interação química. Esta, inativa organismos por absorção de luz, que causa uma reação fotoquímica, alterando componentes moleculares essenciais para as funções das células. Como os seus raios penetram na parede das células do microorganismo, a energia interfere nos ácidos nucléicos e outros componentes vitais, resultando em danos ou morte, de acordo com Nuvolari (2003). 38 Ainda segundo o mesmo autor, o grau de destruição ou inativação de microorganismos está diretamente relacionado à dose de radiação ultravioleta a ser aplicada. A Figura 15, mostra um sistema de tratamento terciário de esgoto com o uso da radiação ultravioleta. Figura 15. Tratamento terciário do esgoto com radiação ultravioleta. 2.14. Tratamentos simplificados Os tratamentos simplificados são recomendados para soluções individuais ou de pequenas comunidades. O tanque séptico é a solução mais utilizada e representa 8% do tipo de tratamento de esgoto utilizado no Brasil (PNS, 2000). No entanto, na maioria das vezes, o tanque séptico é seguido de um tratamento complementar. Apresenta-se a seguir, detalhes sobre o tanque séptico, o filtro anaeróbio e o filtro aeróbio. 2.14.1. Tanque Séptico (TS) De acordo com Neto (1997), o tanque séptico foi descoberto em 1872, na França, quando Jean Louis Mouras percebeu que o volume de sólidos acumulados durante 12 anos em um tanque de alvenaria, que ele havia idealizado e construído, para receber os esgotos da cozinha, antes de lançá-lo em um sumidouro, era muito menor do que ele imaginava. 39 A denominação de tanque séptico derivou da palavra em latim sepsis, que significa decomposição, putrefação, fenômeno em que intervém a atividade microbiológica. Com a colaboração de Abade Moigne, Mouras realizou uma série de experiências até 1881, quando o invento foi patenteado como "Fossa Mouras". Os estudos foram avançando e, em 1896, Donald Cameron patenteou o "Tanque Séptico", na Grã Bretanha. Em 1903, o inglês W. O. Travis concebeu o "Tanque Hidrolítico" (tanque séptico com subdivisão interna). Karl Imhoff, em 1905, idealizou o "Tanque Imhoff" (tanque séptico com câmaras sobrepostas). No Brasil, a aplicação pioneira parece ter sido o grande tanque construído em Campinas-SP, para o tratamento de esgotos urbanos, em 1892 (Netto, 1985). Mas somente a partir dos últimos anos da década de 1930, os tanques sépticos começaram a ser difundidos em nosso país. É comum encontrarmos, também, o termo fossa séptica. De acordo com o mini dicionário Sacconi (1996), fossa significa: "poço onde se despejam águas servidas de matérias fecais" e tanque: "depósito de água e outros líquidos". Para Branco e Hess (1972), tanque séptico é o construído em alvenaria ou outro material, enquanto que fossa séptica é a que trata de um simples buraco ou fossa cavada no solo. A norma brasileira NBR-7229 (ABNT, 1993) utilizava fossa séptica até 1993, quando foi revista, passou a adotar tanque séptico. Neste trabalho, utilizou-se tanque séptico, que é a nomenclatura utilizada atualmente pela ABNT (Associação Brasileira de Normas Técnicas) e define tanque séptico como "unidade cilíndrica ou prismática retangular de fluxo horizontal, para tratamento de esgotos por processos de sedimentação, flotação e digestão". A primeira Norma Brasileira a respeito dos tanques sépticos foi a NB-41, de 1963, que foi baseada na norma alemã DIN 4261 e na norma do estado de Nova York, dos Estados Unidos, com algumas adaptações às condições brasileiras, principalmente no que diz respeito ao baixo poder aquisitivo da população e à pequena extensão dos lotes de terreno nos bairros periféricos das cidades (Branco e Hess, 1972). Segundo Neto (1997), a NB-41 recomendava a utilização de valas de infiltração para "polimento" dos efluentes de tanques sépticos, quando necessário. 40 Segundo Netto (1985), em março de 1982, foi publicada a NBR 7229, uma revisão da NB-41, que representou um grande passo, no sentido de dar alguma ordem em um mercado extremamente desorientado. A principal mudança foi a introdução da utilização de filtros biológicos anaeróbios de fluxo ascendente, com leito fixo de pedras, como solução alternativa para o tratamento complementar do efluente do TS (Tanque Séptico). Em agosto de 1989, iniciaram-se os estudos para a revisão da NBR 7229/82. O termo fossa foi substituído por tanque. A Comissão decidiu desmembrar a referida norma em três outras, sendo a primeira sobre TS, a segunda, sobre o tratamento complementar do efluente e a terceira, sobre a disposição dos sólidos (Kamiyama, 1993c). A primeira das três normas recebeu o título de "Projeto, construção e operação de sistemas de tanques sépticos" e teve, como texto base, a NBR 7229/82, com as suas alterações. Assim, em setembro de 1993, foi publicada a nova NBR 7229, que aprofundou e detalhou melhor o sistema de tanque séptico, com algumas mudanças principalmente nos cálculos e parâmetros utilizados. Kamiyama (1993c) destacou que uma das importantes mudanças introduzidas foi a indicação, para alguns tipos de tratamentos ali propostos, concretamente e em números, os limites das capacidades para remoção de poluentes. Outro destaque foi a introdução do Filtro Aeróbio Submerso (FAES), cujas vantagens consistem na alta qualidade do seu efluente, na facilidade de manutenção, quando comparado com outros processos aeróbios de tratamento e reduzida área requerida. A segunda norma - NBR 13.969 foi publicada em setembro de 1997, com o título: "Tanques sépticos - unidades de tratamento complementar e disposição final dos efluentes líquidos - Projeto, construção e operação". A terceira e última norma da série está em fase de elaboração, cujo título é: "Tratamento e disposição final de sólidos do sistema de tanque séptico" e vai completar o assunto, abrangendo, dessa forma, todos os aspectos de tratamento de esgotos no sistema local. O funcionamento de um tanque séptico (Figura 16) foi assim descrito por Chernicharo (1997): 41 • Os sólidos sedimentáveis presentes no esgoto afluente vão ao fundo do tanque, passando a constituir uma camada de lodo; • Os óleos e graxas e outros materiais mais leves presentes no esgoto afluente flutuam até a superfície do tanque, vindo a formar uma camada de escuma; • O esgoto, livre dos materiais sedimentáveis e flutuantes, flui entre as camadas de lodo e de escuma, deixando o tanque séptico em sua extremidade oposta, de onde é encaminhado a uma unidade de pós-tratamento ou de disposição final; • O material orgânico retido no fundo do tanque sofre uma decomposição facultativa e anaeróbia, sendo convertido em compostos mais estáveis, como CO2 (gás carbônico), CH4 (metano) e H2S (sulfeto). Embora o H2S seja produzido nos tanques sépticos, problemas de odor não são usualmente observados, uma vez que este se combina com metais acumulados no lodo, vindo a formar sulfetos metálicos insolúveis; • A decomposição anaeróbia proporciona uma redução contínua do volume de lodo depositado no fundo do tanque, mas há sempre uma acumulação ao longo dos meses de operação do tanque séptico. Como conseqüência,
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