II REVISÃO DO CRITÉRIO DA TAXA DE APLICAÇÃO SUPERFICIAL NO DIMENSIONAMENTO DE LAGOAS FACULTATIVAS

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1 II REVISÃO DO CRITÉRIO DA TAXA DE APLICAÇÃO SUPERFICIAL NO DIMENSIONAMENTO DE LAGOAS FACULTATIVAS Sérgio Rodrigues Ayrimoraes Soares (1) Engenheiro Civil. Mestrando em Tecnologia Ambiental e Recursos Hídricos pelo Departamento de Engenharia Civil e Ambiental da Universidade de Brasília - UnB. Ricardo Silveira Bernardes Engenheiro Civil. Mestre em Hidráulica e Saneamento. Ph.D pela "Wageningen Agricultural University", Holanda. Professor Adjunto do Departamento de Engenharia Civil e Ambiental da Universidade de Brasília UnB. Endereço (1) : SQN 206 Bloco J Apartamento 506 Brasília DF - CEP: Brasil - Tel: (61) e- mail: sras@tba.com.br RESUMO A revisão de critérios de dimensionamento de lagoas facultativas é bastante oportuna, face a confiabilidade e as vantagens em se utilizar esse processo de tratamento de esgotos no Brasil. Para o dimensionamento de lagoas facultativas, os critérios geralmente utilizados em nosso meio são essencialmente empíricos e costumam ter como base a experiência adquirida em várias regiões do país. O critério da taxa de aplicação superficial não foge à regra, necessitando de incrementos em virtude de sua utilidade, que incorporem as características regionais e possam vir a ser utilizados efetivamente como parâmetros de projeto. Atualmente, as lagoas facultativas são, via de regra, precedidas por um prévio tratamento anaeróbio, que pode ser efetuado, por exemplo, por lagoa anaeróbia ou mesmo reator UASB. Como no Distrito Federal também tem-se adotado essa prática, pretende-se avaliar duas séries de lagoas facultativas funcionando em escala real, de diferentes sistemas de tratamento (Brazlândia e Samambaia), de forma a se determinar uma faixa ótima de taxa de aplicação superficial, para ser utilizada no dimensionamento de lagoas facultativas com características similares. Na determinação da faixa ótima para a taxa de aplicação superficial, foi considerado o modelo de fluxo disperso como sendo o comportamento hidráulico presente nas lagoas facultativas analisadas, por ser este o que melhor representa a realidade. A partir de avaliação dos valores de eficiência de remoção da DQO, obteve-se a faixa ótima de dimensionamento compreendida entre 350 e 450 kgdqo/ha.d. Esse resultado pretende contribuir para a utilização de parâmetros de dimensionamento que tenham como base dados de operação em escala real e que levem em consideração as características específicas de cada região e sistema de tratamento de esgotos. PALAVRAS-CHAVE: Tratamento de esgotos, Lagoas facultativas, Dimensionamento, Taxa de aplicação superficial. INTRODUÇÃO As lagoas facultativas constituem-se em um processo biológico de tratamento de esgotos possuindo, dentre outras, as seguintes vantagens: construção, operação e controle simples; reduzidos custos de implantação; e satisfatória eficiência de remoção de matéria orgânica. Como a atividade biológica é muito afetada pela temperatura, as lagoas facultativas são recomendadas para locais de clima favorável (Arceivala, 1981). Desse modo, o Brasil parece ser o país ideal para a adoção desse tipo de processo, desde que a disponibilidade de área não seja um fator limitante, pois é um país de clima tropical, com escassos recursos financeiros e com pouca mão-de-obra especializada disponível. Para o dimensionamento de lagoas facultativas, os critérios geralmente utilizados em nosso meio são essencialmente empíricos e costumam ter como base a experiência adquirida em várias regiões do país. No entanto, o que se vê na prática é a adaptação de parâmetros que muitas vezes não conseguem representar de ABES Trabalhos Técnicos 1

2 forma adequada as condições reais de funcionamento da lagoa, o que ocasiona o não aproveitamento de todo o seu potencial de tratamento de esgotos. Como critério de dimensionamento, recomenda-se a taxa de aplicação superficial (Mara, 1976, 1996; Pearson et al., 1996), fundamentada na necessidade de se ter uma área de exposição à luz solar na lagoa para que os processos biológicos ocorram. A taxa de aplicação superficial pode ser expressa pela equação 1, em termos da carga afluente de DBO ou DQO: L s = 10. S 0.Q/A (1) L s = taxa de aplicação superficial (kgdbo ou DQO/ha.d); S 0 = carga de DBO ou DQO afluente (mg/l = g/m 3 ); Q = vazão afluente (m 3 /d); A = área da lagoa facultativa (m 2 ). Como uma das propriedades das lagoas facultativas é a de assimilar, com razoável eficiência, uma grande variação de carga, a correta determinação da taxa de aplicação superficial não resulta em grande preocupação dos projetistas, prejudicando o funcionamento adequado do processo de tratamento. Com efeito, faixas muito amplas de projeto podem levar a lagoa facultativa a operar aquém de suas possibilidades, com baixa remoção de carga orgânica, ou perder suas características naturais, quando dimensionada com uma carga acima de suas possibilidades. Diante desse problema, são necessários estudos que envolvam as características particulares de cada região, de modo a definir taxas de aplicação mais apropriadas, que resultem em sistemas mais eficientes e que possam ser adotadas como critério de projetos. Nesse contexto, o presente trabalho tem como objetivo apresentar e avaliar dados de operação de lagoas facultativas, que funcionam em escala real, em dois sistemas de tratamento de esgotos de cidades satélites de Brasília - DF. As lagoas facultativas estudadas fazem parte dos sistemas de tratamento de esgotos de Samambaia e Brazlândia, que são operados e mantidos pela CAESB (Companhia de Saneamento do Distrito Federal). O sistema de Brazlândia, projetado para atender uma população de habitantes, utiliza o processo de lagoas de estabilização do tipo australiano (lagoa anaeróbia seguida de lagoa facultativa), com duas séries de lagoas operando em paralelo. Cada lagoa facultativa possui área superficial de 2,96 ha. Já o sistema de tratamento de esgotos da cidade de Samambaia, inicialmente projetado para atender uma população de habitantes, é um pouco mais complexo, pois consiste de duas séries de lagoas contendo: uma lagoa UASB/facultativa, seguida de lagoa de alta taxa e lagoa de maturação (Neder e Teixeira Pinto, 1993). A lagoa facultativa de Samambaia é denominada de UASB/facultativa em razão de ser dotada de um poço de lodo anaeróbio de fluxo ascendente (ou reator UASB modificado), instalado no interior da própria lagoa, possuindo área superficial de aproximadamente 7,92 ha. Apesar das diferentes configurações e escalas, as lagoas facultativas dos dois sistemas de tratamento de esgotos possuem uma característica marcante em comum: ambas são precedidas por um tratamento anaeróbio. O tratamento anaeróbio produz uma prévia remoção de matéria orgânica, resultando, para a lagoa facultativa, matéria orgânica de degradação mais difícil. O tempo de detenção de lagoas facultativas, que possuem um tratamento anaeróbio prévio, deve ser menor do que o de lagoas facultativas primárias, o que também influi na determinação da taxa de aplicação superficial mais adequada. Como o emprego de tratamento anaeróbio preliminar vem sendo cada vez mais utilizado, sendo prática comum no Distrito Federal, procura-se avaliar as eventuais mudanças nos critérios de dimensionamento das lagoas facultativas precedidas por um tratamento anaeróbio e, de forma simplificada, nos modelos que representam o regime hidráulico presente nas lagoas. A partir dessa avaliação, pretende-se determinar uma faixa ótima da taxa de aplicação superficial, para ser utilizada no dimensionamento de lagoas facultativas que apresentem as mesmas características físicas, regionais e operacionais das lagoas, em escala real, avaliadas neste trabalho. 2 ABES Trabalhos Técnicos

3 METODOLOGIA Na avaliação de desempenho das lagoas facultativas foram utilizados dados mensais de remoção de matéria orgânica, expressos em termos de DQO, obtidos durante a rotina de controle operacional efetuada pela CAESB, no período de 1997 a Deve-se ressaltar que a remoção de DQO foi obtida utilizando-se a concentração de DQO total afluente e a concentração de DQO filtrada efluente, em função da presença de algas no efluente. As análises foram obtidas a partir de amostras compostas de 24 horas, ensaiadas conforme os procedimentos propostos no "Standard Methods" (APHA, AWWA e WEF, 1995). A taxa de aplicação superficial obtida foi também expressa em função da DQO (em kgdqo/ha.dia) e não da DBO (como é mais comum), por este ser o parâmetro utilizado no controle operacional das lagoas. Esse procedimento segue uma tendência atual para a utilização sistemática do teste da DQO em substituição à DBO, mesmo para as análises em lagoas de estabilização (Teixeira Pinto et al., 1996; Soares e Bernardes, 2001), pois não tem lógica dimensionar em termos de um parâmetro e fazer o controle operacional a partir de outro. Na determinação da faixa ótima, para a taxa de aplicação superficial, foi considerado o modelo de fluxo disperso como sendo o comportamento hidráulico presente nas lagoas, conforme defendido por vários pesquisadores, independentemente das configurações geométricas existentes (Agunwamba, 2001; Polpraset e Bhattarai, 1985; von Sperling, 1996, 1999; Thirumurthi, 1969). Dessa forma, procura-se representar o regime hidráulico da lagoa de forma menos conservadora (como no caso do dimensionamento pelo modelo de mistura completa) e mais próxima da realidade. As condições de mistura na lagoa, de acordo com o modelo de fluxo disperso, podem ser descritas em função do número de dispersão (d) como mostra a equação a seguir: d = D/U.L (2) d = número de dispersão (adimensional); D = coeficiente de dispersão longitudinal (m 2 /d); U = velocidade média de percurso no reator (m/d); L = comprimento do percurso longitudinal no reator (m). Esse modelo, que tem como base uma reação de primeira ordem (na qual a taxa de reação é diretamente proporcional à concentração do substrato) se desenvolve a partir de um balanço de massa no reator (lagoa) em que existem, basicamente, dois mecanismos de transporte: a dispersão convectiva na direção do fluxo e a dispersão molecular axial. A solução desse balanço de massa foi inicialmente desenvolvida por Wehner e Wilhem (1956) para reações químicas, sendo incorporada no campo da engenharia sanitária por Thirimurthy (1969). A equação resultante do balanço de massa que determina, segundo o modelo de fluxo disperso, a concentração de substrato (no caso do presente trabalho, considera-se a concentração de DQO) efluente a uma lagoa facultativa é a seguinte: 1 / 2d 4ae S = S (3) o 2 a / 2d 2 / 2d ( 1+ a) e ( 1 a) e a S = concentração de DQO solúvel efluente (mg/l); S 0 = concentração de DQO total afluente (mg/l); d = número de dispersão (adimensional); a = coeficiente adimensional. O coeficiente adimensional (a) pode ser determinado a partir da seguinte expressão: a = (1 + 4K.t.d) 1/2 (4) ABES Trabalhos Técnicos 3

4 K = coeficiente de remoção de DQO (d -1 ); t = tempo de detenção (d); d = número de dispersão (adimensional). A partir das equações 3 e 4, nota-se que a modelagem das lagoas, segundo o regime hidráulico de fluxo disperso, necessita de dois parâmetros principais, que são: coeficiente de remoção e o número de dispersão. O número de dispersão (d) adotado no presente trabalho foi proposto por Yanez (1993) e é determinado pela seguinte equação: ( L/ B) ( L/ B) + 1,014. ( L/ B) 2 d = (5) 0,261+ 0,254. d = número de dispersão (adimensional); B = largura da lagoa (m); L = comprimento da lagoa (m). Segundo Kellner e Pires (1999), o modelo proposto por Yanez (1993) é o que apresenta a menor diferença entre os números de dispersão reais e os valores simulados, em uma avaliação de diferentes modelos matemáticos. Além disso, possui como grande vantagem a sua simplicidade, pois seus valores de entrada (comprimento e largura da lagoa) são facilmente obtidos e não resultam em empecilho quando da aplicação do modelo de fluxo disperso e da obtenção do número de dispersão. Segundo von Sperling (1999), até mesmo a fórmula simplificada d = 1/(L/B) fornece resultados muito próximos aos obtidos com a equação completa de Yanez (equação 5). O valor do coeficiente de remoção (K), por sua vez, pode ser obtido por intermédio de relações empíricas obtidas em estudos de lagoas modeladas segundo o próprio regime de fluxo disperso. No entanto, a utilização indiscriminada dessas relações possui, à primeira vista, dois inconvenientes: as relações possuem especificidades regionais que não podem ser adaptadas ao caso das lagoas facultativas analisadas; e, geralmente, são relações expressas em termos de DBO. Diante da necessidade de se obter um coeficiente de remoção em termos de DQO, em virtude da proposta apresentada no presente trabalho, e que também levasse em consideração as características regionais das lagoas, optou-se por utilizar uma relação empírica desenvolvida por Soares e Bernardes (2001) para as próprias lagoas facultativas em estudo (Brazlândia e Samambaia). RESULTADOS E DISCUSSÃO Como explicado anteriormente, o coeficiente de remoção (K) utilizado foi determinado a partir de uma relação empírica formulada com base nos dados das próprias lagoas em função da taxa de aplicação superficial, como apresentado na Figura 1. O procedimento de determinação do coeficiente de remoção em função da taxa de aplicação superficial já foi adotado por Arceivala (1981), Mendes et al. (1995) e Vidal (1983), em termos de DBO, e por Teixeira Pinto et al. (1996) para as lagoas facultativas de Brazlândia, em termos de DQO. Assim, a partir do ajuste dos dados apresentados na Figura 1, pode-se determinar o coeficiente de remoção de DQO para as lagoas facultativas de Brazlândia e Samambaia pela seguinte relação (Soares e Bernardes, 2001): K = 0,0005 L s 0,056 (6) K = coeficiente de remoção de DQO (d -1 ); L s = taxa de aplicação superficial (kgdqo/ha.d). 4 ABES Trabalhos Técnicos

5 K (1/d) 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1 0, Ls (kg COD/ha.d) Brazlândia Samambaia Correlação Figura 1: Correlação entre a taxa de aplicação superficial e o coeficiente de remoção de DQO para as lagoas facultativas de Brazlândia e Samambaia. Com a definição das equações para a determinação do número de dispersão (d) e do coeficiente de remoção de DQO (equações 5 e 6), pode-se fazer uma simulação da eficiência de remoção de DQO utilizando-se a taxa de aplicação superficial como critério de dimensionamento, e o modelo de fluxo disperso. As taxas de aplicação simuladas variaram na faixa de 150,0 a 900,0 kgdqo/ha.d, retratando a mesma faixa verificada nos dados experimentais utilizados, como pode ser observado na Figura 1. Essa simulação, em princípio, possuiu dois objetivos: avaliar a influência dos diversos parâmetros utilizados no modelo de fluxo disperso; e determinar uma faixa ótima para a taxa de aplicação superficial que possa ser utilizada como parâmetro de projeto. A relação entre a taxa de aplicação superficial (L s ) e a eficiência de remoção obtida após a simulação, é apresentada na Figura 2, assim como a faixa ótima de dimensionamento, compreendida entre 350 e 450 kgdqo/ha.d. 100 E (%) Faixa ótima Ls (kgcod/ha.d) d = 0.5 d = 0.25 d = 0.75 Figura 2: Relação entre a taxa de aplicação superficial e o coeficiente de remoção de DQO para as lagoas facultativas de Brazlândia e Samambaia e apresentação da faixa ótima de projeto. ABES Trabalhos Técnicos 5

6 Verifica-se que os valores de remoção para diferentes números de dispersão (0,25; 0,5 e 0,75) são bastante similares, o que sugere que o número de dispersão adotado, independente do modelo proposto e considerando-se a mesma profundidade da lagoa, não retrata mudanças significativas em termos de projeto. Segundo Yanez (1993), a faixa de variação do número de dispersão (equação 5) está compreendida na prática entre 0,0 e 1,0. Deve-se ressaltar, entretanto, que os valores de eficiência de remoção obtidos retratam apenas uma determinada condição simulada, caracterizada como situação limite (máximo potencial de remoção de DQO). No entanto, como enfatizado por Pearson et al. (1995, 1996), a profundidade e a geometria de lagoas facultativas afetam minimamente a remoção de matéria orgânica. Dessa forma, em se adotando diferentes valores para a profundidade da lagoa facultativa, por exemplo, obtém-se o mesmo comportamento das curvas, o que não refuta as hipóteses levantadas e a faixa ótima obtida. A determinação da faixa ótima de dimensionamento teve como base critérios de projeto que mantivessem as características operacionais das lagoas facultativas e permitissem, ao mesmo tempo, a máxima eficiência de remoção. Desse modo, os valores de taxa de aplicação inferiores a 350 kgdqo/ha.d foram descartados por representarem valores de eficiência de remoção abaixo do patamar superior apresentado pela curva, encontrado em torno de 80%. Além disso, baixos valores de taxa de aplicação superficial levam a elevados valores de área superficial. Apesar de não haver um valor máximo absoluto de área, a partir do qual a lagoa facultativa se torna inviável, é senso comum que se procure adotar sistemas cada vez mais compactos, devido, principalmente, à escassez de área disponível. Segundo registro de von Sperling (1996), recomenda-se que a área de uma lagoa facultativa não exceda 15 ha. Os valores de taxa de aplicação superiores a 450 kgdqo/ha.d também foram descartados, embora continuassem a apresentar um ganho de eficiência na remoção da DQO. De fato, esse ganho é apenas teórico, resultante do modelo matemático que não leva em consideração as características naturais da lagoa facultativa. Elevados valores de taxa de aplicação superficial levam a tempos de detenção baixos, que podem comprometer a concepção do processo de tratamento, principalmente em se tratando de lagoas facultativas em escala real, tanto no que se refere a efetiva capacidade de remoção como na própria manutenção das condições operacionais de funcionamento da lagoa como facultativa. Ademais, deve-se recordar que o prévio tratamento anaeróbio remove a matéria orgânica de estabilização mais fácil, implicando em taxas de estabilização mais lentas para a matéria orgânica restante, que é de degradação mais difícil. CONCLUSÕES O critério de dimensionamento utilizando a taxa de aplicação superficial é amplamente adotado no Brasil, geralmente com o emprego da DBO como indicador de carga orgânica. Embora, muito utilizado, o critério não apresenta qual a faixa ótima para o melhor desempenho das lagoas facultativas. Isto tem resultado em lagoas facultativas dimensionadas de forma ineficiente, isto é, que não exploram o seu máximo potencial de tratamento. Como alternativa, este trabalho apresenta uma nova relação (faixa ótima), onde taxas de aplicação de 350 a 450 kgdqo/ha.d, são recomendadas como critério para lagoas facultativas com prévio tratamento anaeróbio. Essa faixa, observada para lagoas da região Centro-Oeste do Brasil, pretende conduzir a um dimensionamento ótimo da lagoa facultativa, resultando em uma maior eficiência do processo de tratamento, respeitando as condições operacionais das lagoas facultativas. Esse resultado, obtido com base na verificação da eficiência de remoção de matéria orgânica, sugere que uma reflexão deva ser feita quanto aos valores normalmente utilizados em projetos, particularmente para lagoas com as mesmas características das estudadas. A taxa de aplicação superficial varia de acordo com condições locais. Dessa forma, recomenda-se que parâmetros de dimensionamento, no caso a taxa de aplicação superficial, devam ser adotados de forma criteriosa, tendo sempre como base dados de operação em escala real e levando em consideração as características de cada região. 6 ABES Trabalhos Técnicos

7 REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS 1. AGUNWAMBA, J.C. Effect of tapering on the performance of waste stabilization ponds. Water Research, 35 (5), p , APHA American Public Health Association, AWWA American Water Works Association e WPCF Water Pollution Control Federation. Standard methods for the examination of water and wastewater. 19 ed., Washington D.C., ARCEIVALA, S.J. Wastewater Treatment and Disposal. Marcel Dekker, NY, USA, KELLNER, E., PIRES, E.C. Avaliação de modelos de cálculo do número de dispersão para lagoas de estabilização. Engenharia Sanitária e Ambiental, 4 (3-4) p , MARA, D. D. Sewage treatment in hot climates. John Wiley and Sons, Chichester, UK, MARA, D. D. Waste Stabilization Ponds: Design and Applicability in Brazil. Seminário Internacional de Tratamento e Disposição de Esgotos Sanitários. Brasília, DF, MENDES, B.S., NASCIMENTO, M.J., PEREIRA, M.I., BAILEY, G., LAPA, N., MORAIS, J. OLIVEIRA, J. S. Efficiency of removal in stabilization ponds II. Statistical analysis of K values. Water Science and Technology, 31 (12), p , NEDER, K. D. e TEIXEIRA PINTO, M. A. Lagoa de Estabilização de Samambaia, Novas Tecnologias no Processo de Tratamento de Esgotos Domésticos por Lagoas de Estabilização. 17º Congresso Brasileiro de Engenharia Sanitária e Ambiental da ABES. Natal, RN, PEARSON, H.W., MARA, D.D. e ARRIDGE, H.A. The influence of pond geometry and configuration on facultative and maturation waste stabilization pond performance and efficiency. Water Science and Technology, 31 (12), p , PEARSON, H.W., MARA, D.D., CAWLEY, L.R, ARRIDGE, H.A e SILVA, S.A. The performance of an innovative tropical experimental waste stabilization pond system operating at high organic loadings. Water Science and Technology, 33 (7), p , POLPRASERT, C., e BHATTARAI, K.K. Dispersion model for waste stabilization ponds. J. Envir. Eng. Div., ASCE, 111 (1), p , SOARES, S.R.A. e BERNARDES, R.S. Reaction coefficient evaluation for full-scale facultative pond systems. Bioresource Technology, 78 (1), , TEIXEIRA PINTO, M. A., NEDER, K. D., LUDUVICE, M. L. Assessing oxidation pond design criteria in a tropical town with low water availability. Water Science and Technology, 33 (7), p , THIRUMURTHI, D. Design principles of waste stabilization ponds. Journal of the Sanitary Engineering Division, ASCE, 95 (SA2), p , VIDAL, W.L. Aperfeiçoamentos hidráulicos no projeto de lagoas de estabilização visando redução da área de tratamento: uma aplicação prática. Congresso Brasileiro de Engenharia Sanitária e Ambiental, ABES, Camboriú, SC, VON SPERLING, M. Princípios do tratamento biológico de águas residuárias. Vol. 3.Lagoas de estabilização. Departamento de Engenharia Sanitária e Ambiental UFMG. 134 p, VON SPERLING, M. Performance evaluation and mathematical modelling of coliform die-off in tropical and subtropical waste stabilization ponds. Water Research, 33 (6), p , WEHNER, J.F. e WILHEM, R.F. Boundary conditions of flow reactor. Chemical Engineering Science, 6, 89-93, YANEZ, F. Lagunas de estabilización: teoria, diseño, evaluación y manteniniento. ETAPA, Cuenca, Equador, ABES Trabalhos Técnicos 7