UTILIZAÇÃO DE MODELOS MATEMÁTICOS PARA AVALIAÇÃO DO IMPACTO DE CARGAS DE CHOQUE NA ETE BARUERI

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1 I 131 UTILIZAÇÃO DE MODELOS MATEMÁTICOS PARA AVALIAÇÃO DO IMPACTO DE CARGAS DE CHOQUE NA ETE BARUERI Luiz Carlos Helou (1) Eng o Civil pela Escola Politécnica da Universidade de São Paulo, Mestre pelo Departamento de Hidráulica e Saneamento da Escola Politécnica da Universidade de São Paulo. Gerente da Divisão de Engenharia de Operação do Departamento de Tratamento de Esgotos Oeste da Companhia de Saneamento Básico de São Paulo SABESP. Rosane Ebert Eng o Civil pela Universidade Federal de Santa Maria RS. Mestre em Engenharia pela Escola de Engenharia de São Carlos Universidade de São Paulo. Coordenadora de Desenvolvimento Tecnológico do Departamento de Pesquisa e Desenvolvimento Tecnológico da Companhia de Saneamento Básico de São Paulo SABESP. Endereço (1) : Rua Visconde de Ouro Preto, 51 apto. 172 São Paulo SP CEP: Brasil Tel. (011) Fax (011) helou@originet.com.br RESUMO As cargas provenientes de contribuições não domésticas, são responsáveis diretas por graves instabilidades observadas nas estações de tratamento (ETEs). Estas cargas, dentro da estação, podem ter diferentes destinos, em função de suas características físicas, químicas e biológicas e de suas interrelações. Podem ser volatilizadas, biodegradadas, permanecer no lodo, ou mesmo continuarem em solução no efluente. Para estimativa das cargas limites de recebimentos de efluentes não domésticos na ETE Barueri, foi aplicado um modelo matemático, em regime permanente, que simula a partição de poluentes orgânicos e de metais na planta. Na simulação das cargas limites, foram considerados concentrações limites de inibição do processo biológico, da digestão anaeróbia, da proteção da qualidade do corpo receptor e do lodo, bem como os dados operacionais da ETE Barueri. Estes limites foram pesquisados na legislação, quando existentes e na literatura internacional em caso contrário. Dos 123 poluentes prioritários relacionados na lista da EPA (Environmental Protection Agency), foram simulados 29, o que representa 23% do total. PALAVRASCHAVE: Modelos Matemáticos, Cargas Tóxicas, Estações de Tratamento de Esgotos, Lodos Ativados. ABES Associação Brasileira de Engenharia Sanitária e Ambiental 686

2 I 131 INTRODUÇÃO No Estado de São Paulo, no artigo 19 A/76, do Decreto Lei 8468, estabelece as condições mínimas para recebimento de efluentes não domésticos no sistema de esgotos. Este artigo, faculta ainda ao agente receptor a possibilidade de restringir esses limites, ou em casos excepcionais permitir o lançamento de concentrações maiores que as máximas estabelecidas. Se comparados às legislações de outros países tais como Estados Unidos ou Canadá, constatase que além da obediência à legislação, foi necessário desenvolver e implementar limites locais, ou seja, limites de recebimento por estação de tratamento. Para a aplicação do modelo matemático na ETE Barueri, utilizaramse os dados operacionais médios de um ano e aos limites preconizados pela: 1. RESOLUÇÃO CONAMA 20 para efluentes líquidos, despejados no corpo receptor 2. NBR para disposição de lodos classe 1 em aterros sanitários 3. Limites de inibição ao tratamento biológico aeróbio e digestão anaeróbia disponíveis na literatura 4. EPA40 CF503 que estabelece os critérios para utilização do lodo na agricultura. Este trabalho levou em conta que em certos casos os padrões propostos no atrigo 19 A do Decreto Lei 8468/76, podem ser superados, desde que atendidas as exigências relativas à estabilidade do processo de tratamento e à qualidade dos efluentes. METODOLOGIA A escolha dos constituintes a serem modelados partiu do conhecimento da lista de poluentes prioritários relacionados pela EPA. Da lista da EPA, encontrouse referencias, quanto a dados de inibição do processo biológico e/ou toxicidade para apenas 29 destes poluentes, os quais foram adotados para simulação das concentrações máximas não afluente à ETE Barueri. Adicionalmente, adotouse os limites da NBR10004, para enquadramento do lodo na classe 1. Estes valores também foram confrontados com os critérios para aplicação do lodo na agricultura, estabelecidos na EPA 40CR503, na falta de normatização brasileira. Foi selecionado um modelo matemático que simula a partição dos poluentes na ETE (TOXCHEM+). Com este modelo montouse o fluxograma da ETE Barueri com a indicação de todas as unidades e processos da planta. Os 29 poluentes escolhidos foram então sendo testados um a um. Este teste consistiu em aumentar gradualmente a concentração do poluente no afluente e verificar o resultado das concentrações no afluente ao tanque de aeração, no afluente aos digestores anaeróbios, no efluente final e na torta gerada nos filtros prensa. As iterações para o cálculo da concentração máxima afluente cessam quando a primeira unidade de tratamento acusa níveis de toxicidade. Como a ETE Barueri dispõe da caracterização da série de metais no seu afluente, foi possível confrontar os dados operacionais com os limites calculados, para verificação de possíveis folgas ou débitos para recebimento de não efluentes com estes metais. ABES Associação Brasileira de Engenharia Sanitária e Ambiental 687

3 I 131 LIMITES DOS POLUENTES Conforme relatado anteriormente, as Tabelas 1 e 2 mostram o resultado da pesquisa dos limites de inibição, de lançamento do efluente final e de destino de lodo para os poluentes adotados no início da modelagem. Tabela 1 Limites de Tolerância de Compostos Orgânicos Perigosos (forma total). LODOS ATIVADOS BIOSÓLIDOS (base seca) POLUENTE ANAERÓBIO EFLUENTE (mg/l) (mg/l) (mg/l) (mg/kg) (mg/l) Tetracloreto de N/D N/D N/D Carbono 2Clorofenol 5 N/D N/D N/D N/D Clorobenzeno N/D 0,96 N/D N/A N/D 1,2 diclorobenzeno 5 N/D N/D N/D N/D 1,3 diclorobenzeno 5 N/D N/D N/D N/D 1,4 diclorobenzeno 5 N/D N/D N/D N/D 2,4 diclorofenol 64 N/D N/D N/D N/D 2,4 dimetilfenol 50 N/D N/D N/D N/D 2,4 dinitrotolueno 5 N/D N/D N/D N/D Hexaclorobenzeno 5 N/D N/D N/D N/D Nitrobenzeno 30 N/D N/D N/D N/D Benzeno N/A 20** 6 Clorofórmio ** 18 Fenol (a) ** 3 Tolueno 200 N/D N/D N/D N/D Etilbenzeno 200 N/D N/D N/D N/D Naftaleno 500 N/D N/D N/D N/D Antraceno 500 N/D N/D N/D N/D Tetracloroetileno N/D 360 (b) N/D N/D N/D Acryronitrile N/D 5 N/D N/D N/D Phenathrene 500 N/D N/D N/D N/D 2,4,6triclorofenol 50 N/D N/D N/D N/D Pentaclorofenol 0.4 (c) N/D N/D N/D N/D Observações: (a) Neufeld et al. (1980), (b) Volskay; Grady (1988), (c) Antony; Breimhurst (1981). ** Concentrações retiradas da NBR 10004, Classe I, por não constarem na "40 CF503" ABES Associação Brasileira de Engenharia Sanitária e Ambiental 688

4 I 131 Tabela 2 Limites de Tolerância de Metais Perigosos (forma total). LODOS ATIVADOS BIOSÓLIDOS (base seca) POLUENTE ANAERÓBIO EFLUENTE (mg/l) (mg/l) (mg/l) (mg/kg) (mg/l) Cádmio Chumbo Níquel Zinco Cobre Cromo Total N/D N/D (EPA 40 CF) Cromo Total ** 302 (NBR 10004) OBS: a) N/D não disponível b) as células em negrito, representam as concentrações limitantes para o aumento da carga poluidora no afluente c) foram considerados sempre, os limites mínimos fornecidos, para checar as concentrações afluentes d), adotase: densidade da torta = 1,16 kg/l e teor de sólidos na torta de 35% (mg/kg torta * 0.35 / 1,16 ) e) o limite adotado para biosólidos, são para, disposição final na agricultura DESCRIÇÃO DO MODELO O modelo de simulação utilizado (TOXCHEM+) permite a construção de um diagrama esquemático de um sistema de esgotos e de uma planta de tratamento e então modelar o destino de poluentes contidos nos afluentes à ETE, permitindo calcular as concentrações limites para recebimento destes poluentes no sistema de esgotos. Este modelo permite ainda que sejam modelados um ou mais contaminantes em regime permanente. Para a construção do diagrama esquemático o modelo possui uma biblioteca de processos que podem ser interligados de acordo com as entradas e saídas de cada processo. Cada um destes processos está vinculado a um sistema de equações diferenciais, resolvidas internamente através de processos numéricos implícitos, que garantem a convergência, consistência e estabilidade, obedecendo à condição de CourantFriedrichLewi (CFL). O modelo de partição da concentração dos poluentes é descrito através dos mecanismos de remoção por volatilização, air stripping, adsorção na biomassa e biodegradação. Estes mecanismos obedecem equações de cinética de primeira ordem. Uma característica adicional deste modelo é a possibilidade de análise de compostos voláteis, sendo possível analisar as emissões atmosféricas destes poluentes, com vistas à proteção da saúde do trabalhador. ABES Associação Brasileira de Engenharia Sanitária e Ambiental 689

5 I 131 ESQUEMA DA ESTAÇÃO ADOTADO NO MODELO A Figura 1 mostra o esquema adotado na modelagem Figura 1: Esquema Geral da ETE Barueri adotado na modelagem. ABES Associação Brasileira de Engenharia Sanitária e Ambiental 690

6 I 131 CARACTERÍSTICAS DA ETE BARUERI ADOTADAS NA MODELAGEM Afluente a ETE: Vazão: 7 m 3 /s, 9.5 m 3 /s Sólidos Totais: 204 mg/l Taxa de sólidos voláteis: 75% Temperatura: 20 º C. Caixa de Areia: Caixas em operação: 2 Altura: 4,5 m Área (2 unidades): 540 m 2 Vazão de ar: 3360 m 3 /h Decantador Primário: Decantadores em operação: 8 Altura: 3,5 m Área (8 unidades): m 2 Altura de queda dos vertedores: 0,20 m Sólidos Totais no efluente: 85 mg/l Sólidos Totais no Lodo: 4950 mg/l Tanque de Aeração: Tanques em operação: 8 Área (8 unidades): m 2 SV/ST : 0,75 Vazão de ar: m 3 /h Taxa de Transferência de O 2 : 12% Altura: 6 m OD: 2,1 mg/l Decantador Secundário: Tanques em operação: 12 / 16 Altura: 4 m Área (12 un.): m 2 / m 2 Comprimento dos vertedores: 1733 m/2311m Sólidos Totais no efluente: 15 mg/l Sólidos Totais no lodo ativado: 6000 mg/l WAS / RAS: 1 % Adensador: Adensadores em operação: 4 Área (4 unidades): 2643 m 2 Comprimento dos vertedores (4 un.): 364 m Sólidos Totais no sobrenadante: 270mg/l Sólidos Totais no lodo adensado: mg/l Flotador: Flotadores em operação : 6 Área (6 unidades) : 1004 m 2 Comprimento dos vertedores (6 un.) : 275 m Altura do vertedor : 0,20 m Eficiência de remoção de sólidos : 80 % Vazão de ar : 577 m 3 /h Vazão do lodo flotado: 1057 m 3 /d (adotado proporcional à vazão atual de 4 m 3 /s) Digestor: Digestores em operação : 8 Eficiência de remoção de sólidos voláteis : 35 % Temperatura : 20 º C Vazão do Sobrenadante : 0 Filtro Prensa: Porcentagem de sólidos na torta: 38 % Concentração de sólidos no filtrado: 5455 mg/l RESULTADOS OBTIDOS PARA ETE BARUERI Utilizando o modelo descrito anteriormente com o esquema e os dados de entrada, foram obtidas as concentrações máximas admissíveis no afluente à estação. Salientase que estas concentrações foram obtidas utilizandose os limites das Tabelas 1 e 2, considerandose sempre o limite mais desfavorável. As iterações para cálculo da concentração máxima afluente cessavam quando a primeira unidade de tratamento acusava níveis de toxicidade ou ainda quando os limites fixados pela legislação eram atingidos. ABES Associação Brasileira de Engenharia Sanitária e Ambiental 691

7 I 131 Os limites considerados nas Tabelas 1 e 2 foram sempre os menores valores constantes da bibliografia consultada, ou seja, as hipóteses assumidas são conservadoras. No entanto, na continuidade deste estudo, estes limites podem ser majorados de acordo com a experiência operacional e estudos específicos. Os resultados obtidos são apresentados na Tabela 3. Tabela 3 Resultados da concentração máxima afluente para a ETE Barueri. Constituinte Concentração Afluente Máxima (mg/l) Constituinte Concentração Afluente Máxima (mg/l) Tetracloreto de Carbono ,4 Diclorofenol 68 2Clorofenol ,4 Dimetilfenol 59 Clorobenzeno ,4 Dinitrotolueno 5.1 1,2 Diclorobenzeno 5.95 Hexaclorobenzeno ,3 Diclorobenzeno 6.25 Nitrobenzeno 31 1,4 Diclorobenzeno 6.05 Benzeno 0.18 Tetracloroetileno 49 Clorofórmio Tolueno 237 Fenol Acryronitrile 4.55 Cádmio Phenathrene 700 Chumbo ,4,6triclorofenol 57 Níquel 1.05 Pentaclorofenol 0.6 Zinco 0.1 Etilbenzeno 243 Cobre Naftaleno 570 Cromo Total (EPA 40 CF) Antraceno 700 Cromo Total (NBR 10004) ANÁLISE DOS RESULTADOS Na rotina operacional da ETE Barueri são caracterizados parâmetros convencionais de controle do processo de lodos ativados e a série de metais. Portanto, nesta simulação, não foi possível comparar as concentrações máximas afluentes calculadas pelo modelo para os diversos poluentes orgânicos com concentrações medidas na entrada da ETE. Para os metais esta comparação pôde ser feita para uma série de seis poluentes, avaliandose as possíveis folgas ou débitos para recebimento destes poluentes no sistema de tratamento. A tabela 4 mostra os resultados desta sistemática. Tabela 4 Folgas e débitos da ETE Barueri em relação a metais. Metal Carga Máxima Admissível Carga Observada Folga/Débito Eficiência de Remoção Observada (kg/d) (kg/d) (kg/d) Cádmio 6 10 ()4 25 Chumbo Níquel Zinco ( ) Cobre Cromo Total (EPA CF) ABES Associação Brasileira de Engenharia Sanitária e Ambiental 692

8 I 131 Pela Tabela 4, verificase pela simulação que o zinco e o cádmio apresentam débito, ou seja, a ETE estaria com o tratamento biológico aeróbio comprometido pelo zinco e a qualidade do lodo para uso agrícola pelo cádmio. Estes valores contudo, não refletem a real situação da ETE pois não tem sido observados problemas de toxicidade no lodo nem de inibição do processo biológico, por estes metais. No caso do zinco, isto ocorreu devido à proposta conservadora assumida na modelagem, pois os limites da bibliografia, variam entre 0,08 e 10 mg/l, ou seja uma ordem de grandeza de diferença. Em contrapartida as folgas obtidas estão sensivelmente a favor da segurança, significando que é possível aumentar o recebimento de efluentes que contenham estes metais. CONCLUSÕES O modelo de simulação aplicado para calculo das concentrações máximas afluentes, pode ser utilizado como ferramenta para auxiliar na definição do limite de recebimento em ETEs. No entanto, na continuidade desse trabalho será necessário aumentar a freqüência de amostragem da série de metais e iniciar a caracterização de poluentes orgânicos. A série de metais é caracterizada mensalmente e não se dispõe de caracterização de compostos orgânicos. Sendo assim é necessário selecionar um grupo representativo desses compostos com base no conhecimento das contribuições industriais mais significativas na bacia da ETE Barueri. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS 1. CETESB, Legislação Federal Controle da Poluição Ambiental (atualizada até Novembro, 1995), CETESB, EnvironMega, TOXCHEM+ Version 2.0 Fate of Toxic in Wastewater Treatment Flex Pro TM User Manual, EnvironMega, Ontario Canada, 1996, 3. Grandini, S. R., Costa,. J. J., Nobre, P. C. A, Modelo matemático para estudo do recebimento de efluentes industriais contendo metais pesados em estação de tratamento de esgotos convencionais. SABESP, Mesquita, A.L.S., Guimarães, F., Nefusi, N. Engenharia de ventilação industrial, CETESB, Morita, D. M., Avaliação do laboratório do Consórcio Stengel, Multiservice, JNS ; relatório interno, Proctor & Redsern, Guidance manual for sewage treatment plant process audits, nov U. S. Environmental Protection Agency, Federal Guidelines State and Local Pretreatment Programs, vols. I, II e III U.S. EPA 430/ U.S. Environmental Protection Agency, Process Design Manual: Surface Disposal of Sewage Sludge and Domestic Septage EPA 40 CF 503. ABES Associação Brasileira de Engenharia Sanitária e Ambiental 693