UTILIZAÇÃO DE ANÁLISE DIMENSIONAL COMO FERRAMENTA DE PROJETO DE SISTEMA DE TRATAMENTO DE ESGOTO SANITÁRIO POR INFILTRAÇÃO NO SOLO

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1 UTILIZAÇÃO DE ANÁLISE DIMENSIONAL COMO FERRAMENTA DE PROJETO DE SISTEMA DE TRATAMENTO DE ESGOTO SANITÁRIO POR INFILTRAÇÃO NO SOLO Edmilson Costa Teixeira (1) Prof. Adjunto II - DHS - CT/UFES. Ph.D. em Eng. de Águas - Universidade de Bradford, Ingla terra, Mestre em Hidráulica e Saneamento - EESC, USP, Engenheiro Civil - UFBA, Fabiana de Nadai Andreoli Engenheira Civil (UFES, 1994). Mestre em Engenharia Ambiental (UFES, 1996). Prof a do Departamento de Engenharia Civil-PUC-PR (1997- ). Pesquisadora do Instit. de Saneam. Ambiental-ISAM/PUC-PR (1997- ). FOTO Endereço (1) : Rua Amélia Tartuce Nasser, apto Mata da Praia - Vitória - ES - CEP: Brasil - Tel: (27) Fax: (27) edimilson@mpd2.ufes.br. RESUMO Estudo (Nadai Andreoli, 1996) desenvolvido em modelo reduzido, pelo processo de infiltração rápida, avaliou o comportamento de um sistema piloto de Infiltração Rápida (IR), em solo arenoso característico de uma região litorânea da cidade de Vitória-ES. Para explicitar a influência de um número maior de parâmetros na eficiência do sistema de IR na remoção de matéria orgânica, foram obtidas funções relacionando, através da análise dimensional, os seguintes parâmetros: a profundidade do leito filtrante, o diâmetro do reator, a carga diária de esgoto aplicada, o tempo de aplicação da carga diária sobre o leito filtrante, o tempo correspondente à vazão de pico do efluente ao reator, em relação ao início de aplicação do esgoto sobre o leito, e as concentrações de DQO e SS afluente e efluente ao reator. Estas análises resultaram em muito bons ajustes entre as funções resultantes e os pontos experimentais. Os estudos desenvolvidos neste trabalho mostraram ser viável a implantação de bacias de infiltração para a região litorânea do Espírito Santo, com o objetivo de se remover e mineralizar a matéria orgânica presente no esgoto sanitário. Isto também válido para pequenas profundidades do leito filtrante, da ordem de 4cm. PALAVRAS-CHAVE: Análise dimensional, Infiltração no Solo, Ferramenta de Projeto, Tratamento de Esgoto. INTRODUÇÃO Com a publicação do Manual de Projetos de Processos, pela Agência de Proteção Ambiental dos EUA em 1977, ressurgiu o interesse pelo emprego do processo de IR. Outras provas disso são: a segunda edição do manual, publicada em 1981, um suplemento em 1984 (Reed et al., 1985) e a edição do manual de Visto que a literatura especializada não traz 19 o Congresso Brasileiro de Engenharia Sanitária e Ambiental 645

2 indicações suficientes para um eficiente dimensionamento de sistemas de tratamento de esgoto sanitário por Infiltração Rápida (IR), uma vez que o problema a solucionar depende de fatores locais, é comum recorrer-se a estudos em modelos reduzidos para obtenção de parâmetros complementares de projeto. Neste contexto, o presente trabalho tem como objetivo contribuir para a obtenção de parâmetros geométricos e hidrodinâmicos mais detalhados para dimensionamentos de projetos de sistemas IR, com a utilização de análise dimensional. A análise dimensional é muito empregada em várias áreas da engenharia e muito adequada para a sistematização de dados. Dentre outros produtos que essa ferramenta pode propiciar, destaca-se a obtenção de fórmulas envolvendo diversos parâmetros, sejam físicos, químicos e biológicos, relacionados com o problema em consideração. Dentre as vantagens do tratamento adimensional dado a um problema, a análise dimensional possibilita a utilização mais extensiva de dados obtidos sob condições mais específicas (Roberson e Crowe, 1993). MATERIAIS E PROCEDIMENTOS EXPERIMENTAIS O trabalho experimental foi desenvolvido na Estação de Tratamento de Esgotos (ETE) - Camburí, operada pela Companhia Espírito Santense de Saneamento (CESAN), sendo os experimentos conduzidos em três reatores construídos em tubos de PVC de 15mm de diâmetros, com profundidades de leito filtrante de 4cm, 8cm e 1cm. Dados dos reatores de profundidades iguais a 4cm, 8cm, 1cm e 16cm levantados por Lima (1996) foram também empregados no presente trabalho. O leito filtrante constituiu-se de areia quartzosa de uma região específica da cidade de Vitória- ES, Camburí, possuindo diâmetro efetivo (d) igual a,27mm, coeficiente de uniformidade igual a 2,6, condutividade hidráulica, em laboratório, de 93,6cm/h e porosidade de 42%. Visando maximizar a nitrificação, Lima (1996) adotou um ciclo operacional de dois dias consecutivos de aplicação de cargas de esgoto, seguidos de cinco dias de descanso, segundo recomendação da Agência de Proteção Ambiental dos EUA (EPA), em Para efeito de comparação dos resultados obtidos no presente trabalho com resultados de Lima (1996), no que concerne a remoção de matéria orgânica, manteve-se o referido ciclo operacional. Segundo Reed (1988), este ciclo operacional proporciona também a maximização da taxa de infiltração de esgoto através do leito filtrante. Após as etapas de gradeamento e desarenação, o esgoto sanitário bruto era encaminhado para tanques de decantação, entre 12:h e 13:h das segundas e terças-feiras (dias de aplicação do esgoto). Neste período (12-13 horas), os teores de demanda química de oxigênio (DQO) e de sólidos suspensos totais (SS) possuíam concentrações mais elevadas, segundo análise prévia de Silva (1995). A decantação do esgoto se dava por um período de 45min. Amostras compostas do efluente dos reatores eram feitas imediatamente após a aplicação do esgoto sobre os leitos filtrantes. Este procedimento foi recomendado por Lima (1996), para que se tenham amostras mais representativas, já que a amostragem composta integra diferentes níveis de qualidade do efluente. 19 o Congresso Brasileiro de Engenharia Sanitária e Ambiental 646

3 Para o presente trabalho, os parâmetros de análise da qualidade do efluente foram: SS e DQO. As análises laboratoriais desses parâmetros seguiram normas da ABNT e CETESB, no Brasil, e o Standard Methods for the Examination of Water and Wastewater. A taxa de aplicação de esgoto (Q) utilizada foi determinada a partir da obtenção de uma função relacionando Q e a altura de leito filtrante (Hl), no que concerne a remoção de matéria orgânica (DQO e SS). Foi tomado como referencia os valores de DQO e SS iguais a mg/l e 3mg/l, respectivamente, estabelecidos para a Comunidade Econômica Européia (CEE), segundo Rogalla (199). Esta função foi determinada através da seguinte metodologia, desenvolvida no presente trabalho: 1- Através dos pontos experimentais ajustou-se uma determinada função com análise de regressão. 2- A partir desta função fez-se a correção dos valores das taxas de aplicação de esgoto para as correspondentes profundidades de leito filtrante, através de interpolação e extrapolação da função ajustada. 3- Foi testada experimentalmente estas novas taxas de aplicação de esgoto e através de análise de qualidade verificou-se a performance dos leitos de profundidade distintas, no que refere à aproximação dos seus valores absolutos dos padrões de qualidade tomados como referencia. 4- Repetiu-se estes três passos até encontrar as taxas aprimoradas de aplicação de esgoto (Q A Hl) satisfatória para cada profundidade de leito filtrante (Hl) correspondente (Tabela - 1). Tabela -1: Concentrações médias e desvios-padrão na remoção de SS e DQO; Hl = 4cm, 8cm, 1cm e 16cm e taxas aprimorada de aplicação de esgoto (Q A Hl) correspondentes. SS DQO Profund. Q A Hl n Média Desvio Média Desvio (cm) l/dia cm/dia (mg/l) padrão (mg/l) padrão ED ,5 8, ,2 12, ED ,6 14, ED , Nota: ED = Esgoto Decantado, DQO = Demanda Química de Oxigênio, SS = Suspensos. Sólidos 19 o Congresso Brasileiro de Engenharia Sanitária e Ambiental 647

4 RESULTADOS E DISCUSSÃO Foram obtidos correlações entre parâmetros adimensionais, sendo estes originados de sete grandezas envolvidas no problema, listadas na Tabela - 2. Os parâmetros adimensionais? 1,? 2,? 3 e? 4 obtidos a partir do teorema dos? s, ou de Buckingham (Streeter e Wylie, 1982), os quais satisfazem a Equação (1), são dados abaixo. Tabela -2: Dimensões das grandezas usadas neste trabalho. Grandeza Símbolo Dimensões (M, L, T) Diâmetro do reator D L Profundidade leito filtrante Hl L Taxa diária de aplicação de esgoto (aplicação única) q L Concentração de entrada de DQO ou de SS Ce M.L -3 Concentração de saída de DQO ou de SS Cs M.L -3 Tempo de pico Tp T Tempo de aplicação Ta T Nota: M = massa, L = comprimento e T = tempo. F(? 1,? 2,? 3,?? 4 ) = (1) onde,? 1 = Hl/D;? 2 = Hl/q;? 3 = Cs/Ce e? 4 = Ta/Tp. Busca-se com esses parâmetros, representar de forma mais explicita:? 1? a relação entre profundidade de leito filtrante e dimensão característica da área de aplicação de esgoto;? 2? a carga de esgoto aplicada em volume, por unidade de volume de leito filtrante;? 3? a eficiência de remoção de um certo constituinte de esgoto e? 4? o efeito do tempo de aplicação da carga, única, de esgoto na hidrodinâmica do reator. Ressalta-se que não houve, no presente estudo, formação de áreas inundadas sobre o leito filtrante, visto que a alta condutividade do solo fez com que a capacidade de infiltração do esgoto não fosse atingida. Após estabelecida a relação funcional, pode-se explicitá-la em relação a um dos? s ou, como é o caso, combinar os parâmetros? s para alterar suas formas, mantendo inalterado o número de adimensionais independentes. As Figuras-1 (a e b) apresentam uma combinação entre parâmetros? s adimensionais; ou seja, (1 -? 3) e (? 1.? 2). Como resultado, obtiveram-se coeficientes de determinação de,9988 e,9332 para DQO e SS, respectivamente, que são relativamente altos, indicando uma boa correlação entre os parâmetros envolvidos. 19 o Congresso Brasileiro de Engenharia Sanitária e Ambiental 648

5 a)dqo 9 8,5cm/dia - 4cm 12,5cm/dia - 8cm 14,7cm/dia - 1cm 9 b)ss y = (1 -? 3) % y = 73,9 x,4 R 2 =,9988 y = (1 -?? 3) % y = 64,6 x,1 R 2 =, Figura - 1: Relações entre os parâmetros adimensionais (1 -?3) e (?1.?2), com a taxa Q A Hl correspondente a cada reator utilizado. a) Eficiências de DQO; b) Eficiências de SS. A seguinte correlação entre parâmetros? s, busca analisar mais diretamente o efeito do parâmetro? 1 (Hl/D) na correlação com os parâmetros? 2 e? 3. Reatores com mesmo volume (V) de leito filtrante podem ter diferentes diâmetros e alturas, e não apresentam resultados de tratabilidade semelhantes, devido a vários fatores como por exemplo: diferenças na hidrodinâmica dos reatores ou nas condições do habitat para os microrganismos responsáveis pela remoção da carga poluidora do esgoto afluente. As Figuras - 2 (a e b) apresentam a função relacionando [(1 -? 3).(1/? 1)] com (? 1.? 2). Obtiveram-se coeficientes de determinação iguais a,9993 e,9957, para DQO e SS, respectivamente. Pode-se verificar que houve ganho de correlação tanto para DQO quanto para SS. Em termos práticos, a manutenção da correlação em relação a correlação anterior confirma a importância de se considerar de forma explicita a relação Hl/D, ou outra relação equivalente, em projetos de sistema de IR. O avanço da frente de escoamento de efluente ao longo do leito filtrante pode ser caracterizado pelo pico de vazão (Qp) em cada reator, indicando o momento mais crítico para tratabilidade do afluente, definido neste trabalho como tempo de pico (Tp). Segundo Lima (1996), o pico de vazão máxima coincide com o início da degradação da qualidade do efluente tratado, comprovado nos estudos conduzidos em reatores com profundidade de leito filtrante de areia menores que 16cm. As Figuras - 3(a e b) apresentam funções relacionando os parâmetros?? (indicador da hidrodinâmica dos reatores) com (1 -? 3) e (? 3?? 3). Pode-se notar aqui também uma boa correlação entre os parâmetros envolvidos, (R 2 = 1, para DQO e R 2 =,9972 para SS). 19 o Congresso Brasileiro de Engenharia Sanitária e Ambiental 649

6 8,5cm/dia - 4cm 12,5cm/dia - 8cm 14,7cm/dia - 1cm a) DQO b) SS y = 149,4 x -,6 R 2 =, y = 13,5 x -,6 R 2 =,9957 y = (1 -? 3). (1/? 1) y = (1 -? 3). (1/? 1) x = (? 1.?? 2) Figura - 2: Relações entre os parâmetros adimensionais (1 -? 3).(1/? 1) e (? 1.? 2), com a taxa Q A Hl. a) Eficiências de DQO; b) Eficiências de SS. 8,5cm/dia - 4cm 12,5cm/dia - 8cm 14,7cm/dia - 1cm a) DQO b) SS y = (1 -? 3). (? 4) y = 15,8 x -,5 R 2 = 1, y = (1 -? 3). (? 4) y = 131,8 x -,5 R 2 =, x = (? 1.? 2 ) Figura - 3: Relações entre os parâmetros adimensionais (1 -?3).(??) e (? 1.?2), com a taxa Q A Hl correspondente a cada reator utilizado. a) Eficiências de DQO; b)eficiências de SS. Com relação ao parâmetro? 4 (=Ta/Tp), em projetos de Bacias de Infiltração, a estimativa de Tp poderá ser feita através de estudos em modelos reduzidos, e Ta poderá ser definido pelo projetista. 19 o Congresso Brasileiro de Engenharia Sanitária e Ambiental 65

7 Correlações envolvendo conjuntamente todos os parâmetros (? 1,? 2,? 3 e? 4), são apresentadas nas Figuras - 4(a e b). As funções, para DQO e SS, relacionam [(1 -? 3).(1/? 1).(? 4) com (? 1.? 2)]. Considerando-se apenas os dados de experimentos realizados na presente pesquisa, os respectivos coeficientes de determinação são elevados, iguais a,9997 e,9986 para DQO e SS, respectivamente. Incluindo-se, porém, dados obtidos por Lima (1996), verifica-se uma perda de correlação (R 2 =,8116 para DQO e R 2 =,8136 para SS) que se mantém contudo, ainda satisfatória. 8,5cm/dia - 4cm 12,5cm/dia - 8cm 14,7cm/dia - 1cm 18cm/dia - 16cm a) DQO b) SS y = (1 -? 3). (1/? 1). (? 4) 15 y = 34,8 x -1,1 R 2 =,9997 y = 113,9 x -,8 R 2 =,8116 y = (1 -? 3). (1/? 1). (? 4) 15 y = 266,2 x -1,1 R 2 =,9986 y = 3,5 x -,8 R 2 =, Figura - 4: Relações entre os parâmetros adimensionais (1 -? 3).(1/? 1) e (? 1.? 2), com a taxa Q A Hl correspondente a cada reator utilizado. a) Eficiências de DQO; b) Eficiências de SS. CONCLUSÃO Foram considerados, de forma conjunta, a profundidade do leito filtrante, o diâmetro do reator, a carga diária de esgoto aplicada, o tempo de aplicação da carga diária sobre o leito filtrante, o tempo correspondente à vazão de pico do efluente ao reator (em relação ao início de aplicação do esgoto sobre o leito) e as concentrações de DQO e SS afluente e efluente ao reator; e obtidas funções relacionando esses parâmetros, através da análise dimensional, que resultaram em muito bons ajustes com os pontos experimentais. O número limitado de pontos utilizados na obtenção dessas funções as tornam, no momento, de uso restrito. Contudo, a metodologia desenvolvida de auxílio a projetos de sistemas de IR pode ser empregada de forma mais ampla. 19 o Congresso Brasileiro de Engenharia Sanitária e Ambiental 651

8 O detalhamento de vários fatores que afetam o processo de remoção de matéria orgânica e a integração racional desses (Figuras - 1 a 4) podem conduzir a ferramentas muito úteis de auxílio a definição de parâmetros de projetos de Bacias de Infiltração. Tais ferramentas possibilitam também uma comparação mais satisfatória de resultados entre estudos desenvolvidos no tema, mesmo sob condições distintas. Os estudos desenvolvidos neste trabalho, mostraram ser viável a implantação de bacias de infiltração para a região litorânea do Espírito Santo, com o objetivo de se remover e mineralizar a matéria orgânica presente no esgoto sanitário. Isto também válido, para pequenas profundidades do leito filtrante, da ordem de 4cm. AGRADECIMENTO Os autores agradecem à CESAN (Companhia Espírito Santense de Saneamento) pela realização das análises laboratoriais e permissão para a instalação e operação da unidade piloto em suas dependências, bem como ao CNPq pela concessão de bolsa de estudos. Aos funcionários da CESAN que direta ou indiretamente estiveram envolvidos na pesquisa. Aos alunos de Iniciação Científica da UFES Iene C. F. Breda e Tércio D. Sant Ana, e ao técnico da UFES Rodrigo Thompson pelo apoio na condução dos trabalhos experimentais. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS 1. Braga, F.S. Comunicação Pessoal; Lima, M.R.P. Estudo da remoção dos nutrientes nitrogênio e fósforo de esgoto sanitário através de infiltração rápida em solo arenoso de alta permeabilidade. Dissertação de Mestrado em Engenharia Ambiental - DHS- CT-UFES, p.144; Nadai Andreoli, F. Estudo da influência da taxa de aplicação e profundidade do leito filtrante no desempenho do processo de infiltração rápida, para tratamento secundário de esgoto sanitário. Dissertação de Mestrado em Engenharia Ambiental - DHS- CT-UFES, p.113; Reed, S.C, Middlebrooks, E.J., Crites, R.W. Natural systems for waste managemente treatment. Mc Graw-Hill Book Company, USA; Roberson, J. A., Crowe, C. T. Engineering fluid mechanics. 15. ed; Houghton Mifflin; Rogalla, F., Les consequences de la nouvelle reglementation européenne sur lepuration des eaux usées, JIE poitiers, Silva, J.M. Viabilidade de disposição de esgotos in natura por infiltração na faixa costeira do estado do Rio Grande do Sul, UFRGS, p.94; Standard Methods for the Examination of Water and Wastewater. 16th ed.: APHA, AWWA, WPCF, Streeter, V. L., Wylie, E. B. Mecânica dos fluidos 7 a ed., Mc Graw- Hill Inc., S. Environmental Protection Agency. Wastewater tretment/disposal for small communities, EPA 625/R- 92/5-Cincinnat, Ohio, p.1; o Congresso Brasileiro de Engenharia Sanitária e Ambiental 652

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