Desenvolvimento Sustentável, Demandas Contemporâneas e Responsabilidade Socioambiental. 18 a 22 de MARÇO de 2013 Belo Horizonte, MG

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1 Desenvolvimento Sustentável, Demandas Contemporâneas e Responsabilidade Socioambiental 18 a 22 de MARÇO de 2013 Belo Horizonte, MG

2 Sistemas de saneamento no contexto do Desenvolvimento Sustentável Fatores iniciais a considerar 1- físicos e ambientais 2- tecnológicos e legais 3- sócio-culturais e econômicos 4- institucionais e de regulamentação (incluindo organizacional, competências, recursos humanos, conhecimentos e habilidades, bem como capital financeiro)

3 A mudança de paradigma dos sistemas de saneamento (em direção a um saneamento mais sustentável) incentiva o desenvolvimento de sistemas que: baseiam-se nos princípios de uma economia de circuito fechado de reciclagem e os 3 Rs (reduzir, reutilizar, reciclar); sejam eficientes no uso de de recursos e reduzam a dependência de longo prazo em energia e custos de transporte; abram novas opções e oportunidades para a criação de emprego local; e baseiam-se no uso múltiplo do espaço urbano e na integração de sistemas de saneamento e reuso no desenho

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5 Para um SISTEMA DE SANEAMENTO SUSTENTÁVE Considerar Resíduos como recursos (água para reuso, lodo para uso agrícola, recomposição de solo, biogás como fonte energética) Redução do consumo de água (segregação e reuso) Aproveitamento energético (biogás) Processos inovativos

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7 vantagens dos sistemas de saneamento ecológico

8 No geral, os sistemas de saneamento sustentáveis devem ser projetados para ser: -abrangentes (considerando todos os fluxos de resíduos, especialmente aqueles que são subprodutos de operações de processamento, por exemplo lodo fecal ou água rica em nutrientes). -- orientados para o Reuso (usando fluxos de resíduos sempre que possível e descartá-los de forma segura e adequada se o reuso ou reciclagem não for possível). - Apropriados (examinando um conjunto abrangente de opções tecnológicas para determinar soluções específicas mais adequadas ao local).

9 International Water Association (IWA, 2006) S21 O S21 divide a cidade em diferentes domínios de tomada de decisão e intervenção: da residência para o nível da cidade. A estrutura usa cada domínio como base para a análise de interesses e opções do sistema de saneamento. Estes domínios incluem casa, bairro/distrito, cidade e o nível além da cidade cada um dos quais pode ser caracterizado por um conjunto distinto de características que influenciam a forma mais apropriada de um sistema de saneamento.

10 opções de saneamento mais sustentáveis (pedem) criação de nova estrutura organizacional e institucional [novas regulamentações e arranjos organizacionais]; Ampliar capacidade para operação e manutenção; Ampliar capacidade para gestão de sistemas descentralizados (lodo de TS, p.e); Implantação de projetos pilotos inovadores, visando validação de processos e tecnologia DESAFIOS Outro desafio para a introdução de novos sistemas de saneamento é a mudança de hábitos dos usuários; fatores sócio-culturais podem resultar em entraves para a utilização de sistemas de saneamento ecológico (que promovam a utilização de excretas humanos para a produção de alimentos)

11 Universidade Federal de Santa Catarina Departamento de Engenharia Sanitária e Ambiental Grupo de Estudos em Saneamento Descentralizado ALTERNATIVAS DE GERENCIAMENTO SEGURO DE LODO DE ESGOTO SOB A ÓTICA DO SANEAMENTO DESCENTRALIZADO Coordenador: Luiz Sérgio Philippi Belo Horizonte, Março de 2013

12 INTRODUÇÃO E JUSTIFICATIVAS 12 O Brasil ainda apresenta carências no saneamento básico Índice de coleta de esgotos no país: 48% em áreas urbanas (SNIS, 2007). Tanques sépticos mais de 12 milhões de domicílios brasileiros utilizam tanque séptico como forma de tratamento de esgoto doméstico, o equivalente a 22 % da população (IBGE, 2008). Deste percentual, 87% referem-se a áreas urbanas e13% a áreas rurais. Em Santa Catarina cerca de 70% das residências utilizam o tanque séptico para o tratamento de esgotos sanitários (SANTA CATARINA, 2006).

13 INTRODUÇÃO E JUSTIFICATIVAS 13 Tanque séptico: custo relativamente baixo de construção e simplicidade operacional. Manutenção periódica retirada do lodo acumulado no interior do mesmo. Lodo Atualmente a limpeza dos tanques sépticos está condicionada aos serviços de empresas conhecidas como desentupidoras ou caminhões limpa-fossa. Essas empresas não fornecem destinação adequada para o lodo. A disposição do lodo no meio ambiente pode oferecer problemas de saúde pública e impactos ambientais aos corpos d água e ao solo. Caminhão limpa fossa Caminhão limpa fossa operando ilegalmente

14 INTRODUÇÃO E JUSTIFICATIVAS 14 Tratamentos utilizados: digestão anaeróbia seguida pela disposição em aterros sanitários. Desafio: desenvolver alternativas de tratamento do lodo de forma descentralizada e sob a ótica da sustentabilidade, com: baixo custo de implantação, simplicidade operacional, baixo consumo energético e passível de ser implantado nas mais diversas situações. Filtros plantados com macrófitas: sistema natural de tratamento de lodo, com bom desempenho no desaguamento e mineralização do mesmo. Os filtros plantados são uma tecnologia consolidada em alguns países da Europa e Ásia, mas no Brasil o processo ainda é pouco explorado. Neste sentido, se justifica o desenvolvimento deste estudo, com vistas a explorar o desempenho dos filtros plantados sob condições de clima subtropical.

15 GERAL OBJETIVOS 15 Avaliação de alternativas tecnológicas para o tratamento de lodos sob a ótica do saneamento descentralizado, ou seja, buscando atender às demandas de pequenas comunidades ou unidades residenciais.

16 ESPECÍFICOS OBJETIVOS ESPECÍFICOS 16 2 linhas de tratamento: Filtros plantados com macrófitas de fluxo vertical para o desaguamento do lodo: Estudo de duas taxas distintas de aplicação de sólidos, 250 e 125 kgst/m 2.ano, buscando a obtenção de parâmetros de projeto e operacionais; Sistema piloto de higienização térmica de lodo transformando a energia solar em energia térmica..

17 LOCAL DA PESQUISA METODOLOGIA 17 Atividades de campo: CETRE/EPAGRI, em Florianópolis/SC. Análises de laboratório: UFSC/LIMA/GESAD Filtro Plantado Sistema experimental Tanque séptico Dois filtros plantados com macrófitas de fluxo vertical idênticos, com 4,3m², 75 cm de meio filtrante e plantados com Zizaniopsis bonariensis. Filtro 1 (250 kgst/m².ano) Filtro 2 (125 kgst/m².ano)

18 COMPONENTES METODOLOGIA 18 Representação esquemática do filtro plantado

19 COMPONENTES METODOLOGIA 19 Sistema de coleta do efluente Sistema de ventilação Tubulação de alimentação dos filtros Caixas para armazenamento do percolado Sistema para extravasar o percolado

20 MACRÓFITAS METODOLOGIA 20 Retirada do Zizaniopsis bonariensis do filtro do CETRE Z. bonariensis com as folhas cortadas Plantio das macrófitas Filtro com as macrófitas plantadas

21 FLUXOGRAMA METODOLOGIA 21 Tanque séptico - CETRE B1 Tanque de Armazenamento de lodo B2 Filtro 2 Filtro 1 Caixa Percolado Caixa Percolado Tanque de Armazenamento de lodo B3 Filtro plantado - CETRE Os filtros estavam cobertos para evitar a interferência da chuva

22 VISÃO GERAL METODOLOGIA 22 F2 F1 Tanque de armazenamento Vista da entrada do sistema Vista da saída do sistema

23 OPERAÇÃO METODOLOGIA 23 Fase Duração (dias) Observações Partida 1 75 Alimentação diária com esgoto para formação de biomassa e adaptação das plantas. Taxa hidráulica: 50mm/d. Partida 2 30 Alimentação uma vez por semana com lodo com aumento gradativamente do volume de lodo, estando a saída do efluente aberta. Operação com lodo 200 Alimentação uma vez por semana com lodo, com o sistema coberto e um período de detenção de seis dias. Taxa hidráulica: 944 L/ aplicação (F1) e 473 L/aplicação (F2)

24 FASE OPERAÇÃO COM LODO RESULTADOS 24 Lodo de alimentação Dados Média Mínimo Máximo D P ph 7,4 7,0 7,8 0,2 Alcalinidade (mgcaco 3 /L) 645,2 301,6 968,7 177,2 DQOt (mg/l) BDO 5 (mg/l) Umidade (%) 98,2 96,6 99,6 0,9 Teor de sólidos (%) 1,8 0,4 3,4 0,9 Sólidos Totais Voláteis (mg/l) 7.995, , , ,3 Sólidos Totais Fixos (mg/l) , , , ,6 NTK (mg/l) 386,0 95,2 739,2 288,9 Nitrogênio amoniacal (mg/l) 37,6 12,9 66,3 14,2 Nitrogênio nitrato (mg/l) 2,5 0,8 5,5 1,4

25 FASE OPERAÇÃO COM LODO RESULTADOS F1 250 kgst/m² F2 125 kgst/m² 25 Desempenho dos filtros plantados F1 F2 Eficiência DQO 94% F1 e 99% F2 ST 94% F1 e 96% F2 SS 96% F1 e 99,9% F2

26 FASE OPERAÇÃO COM LODO RESULTADOS F1 250 kgst/m² F2 125 kgst/m² 26 Líquido percolado Filtro 1 41% Filtro 2

27 FASE OPERAÇÃO COM LODO RESULTADOS 27 Remoção da matéria nitrogenada nos filtros Pontos amostrados TAS (kgst/m 2.a no) Parâmetros (mg/l) (Média ± DP) NTK N-NH 4 + N-NO 2 - N-NO 3 - Líquido percolado F ,0 ±33,3 (90%) 22,3 ±13,3 (44%) 0,4 ±0,7 18,5 ±27,0 Líquido percolado F ,9 ±8,0 (96%) 10,7 ±6,9 (68%) 0,6 ±0,7 59,3 ±30,8 Lodo TA 386,0 37,6 0,2 2,5

28 FASE OPERAÇÃO COM LODO RESULTADOS 28 Lodo acumulado Altura (cm) Filtros 90 dias 105 dias 115 dias 120 dias 126 dias Filtro Filtro Lodo acumulado no F1. Lodo acumulado no F2.

29 FASE OPERAÇÃO COM LODO 29 RESULTADOS Lodo acumulado Lodo TA Filtro 2 Filtro 1

30 EVOLUÇÃO DAS PLANTAS RESULTADOS 30 Janeiro Março Maio Julho

31 EVOLUÇÃO DAS PLANTAS RESULTADOS 31 Agosto Final de setembro Floração do Junco nos F1 e F2 Setembro

32 CONCLUSÕES 32 O lodo TA apresentou grandes variações, com ,6 mg/l de sólidos totais e mg/l de DQOt. As eficiências de DQO foram 99 e 94% para o F2 e F1, respectivamente. Em relação às concentrações finais de DQOt, o F2 produziu um efluente com 85 mg/l, enquanto que o F1 gerou um efluente com 507 mg/l. O F2 apresentou remoção média de 96% de sólidos totais com concentração efluente de 471,9 mg/l. Em relação aos SS, a remoção média foi de 99,9%, produzindo um efluente final com 18,2 mg/l, enquanto o F1 a concentração final de SS foi 330,2 mg/l. No F1, 55% da água presente no lodo saíram na forma de líquido percolado, 4% ficaram armazenadas no lodo acumulado no leito e 41% foram perdidas. Para o F2, as perdas de água foram de 63%, enquanto que 35% saíram com o líquido percolado e apenas 2% ficou armazenada no lodo acumulado sobre o leito.

33 CONCLUSÕES 33 O F1 removeu 41% da amônia, enquanto o F2 72%, produzindo efluentes com concentração média de 22,3 mg/l e 10,7 mg/l, respectivamente. No F2, do percentual de amônia removido, 100% sofreu nitrificação total, com concentração efluente de nitrato de 59,3 mg/l. Para o F1, apenas 42% da amônia foi oxidada a nitrato, produzindo um efluente com 18,5 mg/l. A altura lodo acumulado no F1 atingiu 13 cm aos 126 dias de operação, enquanto que no F2, a altura foi de 8 cm. A concentração de sólidos totais do lodo acumulado foi de ,2 mg/l no F2 e ,7 mg/l no F1. O lodo acumulado no F1 apresentou 76% de umidade, enquanto que o F2, a umidade foi de 67%. Em relação ao lodo TA, o F1 aumentou o valor de sólidos totais de 1,8% para 24%, enquanto que no F2, esse aumento foi de 1,8% para 33%.

34 CONCLUSÕES 34 Os filtros plantados com macrófitas podem ser considerados uma forma passiva de estabilização do lodo, uma vez que a transferência de oxigênio a partir da rizosfera das macrófitas, bem como o movimento das hastes das plantas possibilitaram a aeração da superfície do lodo. Juntamente com o processo de evapotranspiração, o qual permitiu maiores perdas de água do lodo, foi possível promover a estabilização biológica e mineralização inicial do lodo.

35 RECOMENDAÇÕES 35 Para os estudos futuros: Avaliação da componente microbiológica capacidade dos filtros de promover a inativação de organismos patogênicos. Avaliação do lodo produzido de acordo com o padrão de qualidade microbiológica requerido pela Resolução CONAMA 375/2006.

36 Linha experimental 2 Higienização de lodo por processo térmico O tratamento térmico é muito utilizado na inativação microbiana em diversos produtos e vem sendo cada vez mais pesquisado na desinfecção de lodo de esgoto. Descrição da Pesquisa Determinação de parâmetros cinéticos de inativação da Escherichia coli: Avaliação do reator com aquecimento solar:

37 Determinação de Parâmetros Cinéticos de Inativação da Escherichia coli Procedimento experimental: Testes realizados em duplicata nas temperaturas de 45, 50, 55, 60 e 65 C, pelo método do frasco de três bocas (método do balão) adaptado de Stumbo (1973). Meio: lodo esterilizado Inoculo: lodo bruto concentrado através de centrifugação. Análise dos Dados Obtenção de k d, E d, constante térmica C, D T e z.

38 Processo de Desinfecção Térmica Utilizando Aquecimento Solar Lodo Bruto (Tanque séptico) Configuração do Sistema Sensor temperatura (2) Reator (1) Termopares (7) Controlador (6) Bomba água(5) Coletores solares (3) Trocador de calor (4) Sensor temperatura Lodo aquecido Tanque de armazenamento (8) Fluxo de Lodo Fluxo de Água

39 Componentes do Sistema Reator de aquecimento Coletores solares planos

40 Exemplos de normas e orientações para utilização agrícola de lodo de esgoto OMS: Guidelines for the safe use of wastewater, excreta and greywater/2006. Environmental Protection Agency/EPA: Control of Pathogens and Vector Attraction in Sewage Sludge. EPA/625/R-92/013/2003. CONAMA/Brasil: Resolução n 375/2006. Res. n.375/2006 : Col. Termotolerantes < 10 3 NMP/g de ST (Tipo A) OMS: Redução E. coli de pelo menos 4 unid. log e concentração < 10 3 NMP/100ml (aplicação sem restrições)

41 ln N (NMP/ml) ln N (NMP/ml) ln N (NMP/ml) Determinação de Parâmetros Cinéticos de Inativação da Escherichia coli em Lodo de Esgoto C t (min) C t (min) C t (min) Curvas de inativação térmica da Escherichia coli em lodo de esgoto a 45, 50 e 55 C, testes em duplicada ( repetição 1; repetição 2).

42 ln N (NMP/ml) ln N (NMP/ml) Resistência Térmica e Parâmetros Cinéticos de Inativação da Escherichia coli em Lodo de Esgoto C C ,0 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 t (min) t (min) Curvas de inativação térmica da Escherichia coli em lodo de esgoto a 60 e 65 C, testes em duplicada ( repetição 1; repetição 2). ST ( DP) = ( 1.560) mg.l -1. STV ( DP) = ( 815) mg.l -1

43 Temperatura ( C) Temperatura ( C) Temperatura ( C) Tobs. Tpredito 03/12/ /12/ Tempo (min) 20/12/ Temperatura Média do Lodo Ensaios com irradiação solar média > 700 W.h.m -2 Tobs. Tpredito 06/02/ /02/ Tempo (min)

44 Temperatura ( C) Temperatura ( C) Temperatura Média do Lodo Ensaios com irradiação solar média entre 500 e 700 W.h.m Tobs. Tpredito Tobs. Tpredito /01/ /03/ Tempo (min) 17/04/ Tempo (min) 01/05/2010

45 - log (Nf/No) Eficiência do Processo na Desinfecção de Lodo ao Longo do Ano E. coli 8, ,0 4,0 2,0 b a a Irradiação (W.h.m -2 ) 0,0 0 Inativação (E. coli) Ensaios Radiação Solar Média Inativação de E. coli nos ensaios realizados em dias com céu aberto ao longo do ano, e a irradiação solar média incidente no período de cada ensaio. Letras iguais indicam que não há diferença na desinfecção ao nível de significância de 5% entre as faixas de irradiação solar pelo teste de Tukey.

46 Log N Log N E. coli Recrescimento Microbiano 4 Nf (NMP/g ST) Nr (NMP/g ST) após 24 horas Ensaios Col. totais Logaritmo da concentração final 4 Nf (NMP/g ST) Nr (NMP/g ST) após 24 horas (N f ) [1] e recrescimento após 24 horas 3 (N r ) para E. coli e coliformes totais 2 nos ensaios com irradiação solar média acima de 500 W.h.m Ensaios [1] Para as amostras onde não foi detectado E. coli ou coliformes totais, assumiu-se N = 1 NMP/g de ST, assim log N é igual a zero.

47 Ensaios com irradiação solar média < 500 W.h.m -2 ; Céu aberto N (NMP/ml) x 10 2 Observado Modelo Temperatura /06/ tempo (min) Temperatura ( C) N (NMP/ml) x /06/ tempo (min) Temperatura ( C) N (NMP/ml) x ,8 2,4 2,0 1,6 1,2 0,8 0,4 0, tempo (min) 03/07/ Temperatura ( C) N (NMP/ml) x /07/2010 Concentração de E. coli ao longo do tempo (experimental e modelo) e temperatura média do lodo tempo (min) Temperatura ( C)

48 CONSIDERAÇÕES FINAIS Parâmetros de inativação térmica E. coli: o o A E. coli demonstrou seguir uma cinética de primeira ordem. Os principais parâmetros cinéticos de inativação obtidos em lodo de esgoto foram - D 55 C = 3,61 min; - D 60 C = 1,41 min; - z = 8,3 C; - E d = 2,48 x 10 5 J.mol -1.

49 Considerações finais Desinfecção de lodo com aquecimento solar: o Para os ensaios realizados com índices de irradiação solar média superior a 500 W.h.m -2, a temperatura do lodo ficou acima de 53 C por pelo menos três horas, chegando em alguns casos a 73 C. o A redução de E. coli nesses ensaios foi considerável, ficando entre 4,2-7,1 unidades logarítmicas. E para coliformes totais a redução ficou entre 4,8-7,4 unidades logarítmicas. o Dos nove ensaios realizados nessas condições, apenas um apresentou reaparecimento de E. coli e coliformes totais após 24 horas do tratamento.

50 Considerações finais o o o Para ensaios realizados com índices menores de irradiação solar, a inativação de E. coli e coliformes totais foi comprometida pelas baixas temperaturas do lodo, ficando abaixo de 2,27; e de 3,5 unidades logarítmicas, respectivamente. A eficiência do tratamento nesses ensaios foi significativamente (5%) inferior aos demais. O modelo de predição da concentração de E. coli no reator foi satisfatório: - os coeficientes de determinação ficaram entre 0,768-0,971; - a porcentagem de variância ficou entre 65,1% 96,4%.

51 PARTICIPANTES Prof. Dr. Luiz Sérgio Philippi coordenador / pesquisador (GESAD/ENS/UFSC). PARTICIPANTES DO PROJETO DE PESQUISA Engª Msc. Maria Elisa Magri pesquisadora/doutoranda (GESAD/PPGEA/UFSC); Engª Carla Suntti pesquisadora/mestranda (GESAD/PPGEA/UFSC); Engº Daniel Furtado pesquisador/mestrando (GESAD/PPGEA/UFSC); Engº Odinei Fogolari pesquisador/mestrando (GESAD/PPGEA/UFSC); Téc. Ambiental Joceli Gorresen Zaguini bolsista DTI (GESAD/UFSC); Acadêmico Caio Angel Voltolinni bolsista de IC (GESAD/UFSC); Acadêmica Camila Haiml bolsista de IC (GESAD/UFSC). Acadêmico Djesser Zechner Sergio bolsista de IC (GESAD/UFSC); Acadêmico Ricardo Regi bolsista de IC (GESAD/UFSC); Acadêmica Sandra Regina Alexandre Ramos bolsista de IC (GESAD/UFSC).

52 52 AGRADECIMENTOS