LODOS DE LAGOAS DE ESTABILIZAÇÃO EM OPERAÇÃO NO ESPÍRITO SANTO: FORMAÇÃO E CARACTERÍSTICAS
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1 LODOS DE LAGOAS DE ESTABILIZAÇÃO EM OPERAÇÃO NO ESPÍRITO SANTO: FORMAÇÃO E CARACTERÍSTICAS Ricardo Franci Gonçalves (1) Eng o Civil e Sanitarista - UERJ (1984), Pós-graduado em Eng a de Saúde Pública - ENSP / RJ (1985), DEA - Ciências do Meio Ambiente - Univ. Paris XII, ENGREF, ENPC, Paris (1990), Doutor em Engenharia do Tratamento e Depuração de Águas - INSA de Toulouse, França (1993), Prof o Adjunto I do Dept o de Hidráulica e Saneamento e do Programa. de Mestrado Engenharia Ambiental/Universidade Fed. do Espírito Santo. Cláudio Gomes do Nascimento Engenheiro Civil / UFV (1995); mestrando em Engenharia Ambiental - UFES (desde 1996). Giovana Fanti Ferrari Graduanda em Engenharia Civil / UFES ( desde 1993); bolsista do Cnpq (desde 1995). Paulo Sérgio Gomes Muller Eng o Agrônomo / UFRRJ (1995); mestrando em Eng a Ambiental - UFES (desde 1996). Endereço (1) : Departamento de Hidráulica e Saneamento - Universidade Federal do Espírito Santo - Agência FCAA - CP CEP: Vitória - ES - Tel: (027) Fax: (027) franci@npd1.ufes.br. RESUMO A produção de lodo em diversas lagoas de estabilização não mecanizadas em operação no Espírito Santo foi estudada. Dados sobre a quantidade e a qualidade dos lodos produzidos em três sistemas australianos e em uma lagoa facultativa primária, bem como dados sobre a produção de lodos em uma lagoa aerada com bacia de sedimentação, são apresentados. Os resultados das batimetrias indicam um significativo acúmulo de lodo nas lagoas anaeróbias dos sistemas australianos de Eldorado e Porto Canoa. Em ambos os casos, não há registros de descargas de lodo durante todo o período de operação (mais de 15 anos). A taxa de acumulação de lodo verificada nesses casos foi de 7,66 cm / ano e 5,35 cm / ano ou 0,023 l/hab.dia a 0,026 l/hab.dia respectivamente. Nas lagoas facultativas dos sistemas australianos, foi constatado um acúmulo mínimo de lodo, com camadas localizadas com menos de 20 cm de altura. A taxa de acumulação de lodo na lagoa facultativa primária de Mata da Serra foi de 1,53 cm/ano ou 0,07 l/hab.dia, resultante da formação de uma camada de lodo com altura média de 26,7 cm em 18 anos de operação. PALAVRAS-CHAVE: Lodo, produção, lagoas de estabilização, tratamento de esgoto 19 o Congresso Brasileiro de Engenharia Sanitária e Ambiental 428
2 INTRODUÇÃO Pouca importância é atribuída à gestão do lodo produzido em ETEs com lagoas de estabilização. Práticas de projeto estabelecidas menosprezam a importância do problema, só reconhecida pelo setor operacional das empresas de saneamento quando a necessidade de limpeza de uma determinada lagoa se apresenta. Fatos recentes acontecidos no Estado do Espírito Santo confirmam estas observações. A Companhia Espírito Santense de Saneamento (CESAN) é responsável pela operação de um vasto parque de lagoas de estabilização dos mais variados tipos, formatos e períodos de funcionamento, concentrado basicamente na região da grande Vitória. A remoção do lodo das lagoas de Camburi ( E.H.) e de Valparaíso ( E.H.) obedeceu a complicadíssimas operações de engenharia, marcadas pela necessidade do esvaziamento dos reatores em questão. Em ambos os casos o lodo foi removido com desidratação prévia, requerendo a parada completa dos reatores por algumas semanas. No caso de Valparaíso, foi necessária a ruptura do talude da primeira lagoa para remoção do lodo ainda com teores de umidade relativamente elevados. A destinação do lodo representou principal problema a ser resolvido, tendo em vista sua quantidade e, sobretudo, as exigências realizadas pela Secretaria Estadual para Assuntos de Meio Ambiente (SEAMA) quanto à segurança sanitária e ambiental da solução adotada. Em nenhuma das ETEs com lagoas operadas pela CESAN, como em grande parte das lagoas operando no Brasil hoje em dia, foi prevista, por ocasião da concepção do sistema, processamento e destinação adequados do lodo a ser removido. Para as futuras lagoas a serem implantadas no âmbito do Programa Estadual de Despoluição dos Ecossistemas Costeiros (PRODESPOL), que totaliza R$ 308 milhões de investimentos financiados pelo Banco Mundial, as soluções adotadas para transporte e disposição do lodo fazem parte das condicionantes impostas pelo órgão estadual de controle ambiental para a liberação da licença de operação. O trabalho técnico em questão apresenta resultados do estudo sobre formação e caracterização do lodo nas lagoas de estabilização em operação no Espírito Santo, buscando contribuir para o enriquecimento do escasso banco de dados sobre o assunto. O comportamento hidrodinâmico de diversas lagoas será pesquisado, para a análise do processo de formação de bancos de lodos e caminhos preferenciais de fluxo. Espera-se obter informações que venham nortear procedimentos de projeto e de operação, com vistas à minimização do volume de lodo produzido neste tipo de reator. Fazem parte das metas do estudo o desenvolvimento de procedimentos simplificados de determinação da quantidade de lodo acumulado em lagoas e a estimativa da freqüência de remoção. O estudo faz parte do projeto de pesquisa da UFES que integra o núcleo temático n o 4 do Edital 01/96 do Programa Nacional de Pesquisa em Saneamento Básico (PROSAB) / FINEP, contando com a participação direta da CESAN e da Empresa Capixaba de Pesquisa Agropecuária (EMCAPA). O projeto de pesquisa da UFES é composto por 03 sub-projetos, que abordam separadamente a formação de lodo, sua remoção / desidratação / higienização, e sua reciclagem na agricultura. 19 o Congresso Brasileiro de Engenharia Sanitária e Ambiental 429
3 MATERIAL E MÉTODOS A primeira parte do estudo constou do levantamento de informações sobre as práticas mais comuns de remoção e disposição de lodo de lagoas de estabilização no Brasil, através de um questionário enviado pelo Correio às companhias estaduais de saneamento e aos serviços autônomos de saneamento das principais cidades do país. Em seguida, procedeu-se à seleção de 5 ETEs com lagoas, localizadas na região da Grande Vitória, para servir de base aos trabalhos experimentais (Tabela 1). Os sistemas de tratamento foram selecionados com o objetivo de se estudar diversos tipos de processos, sendo eles: sistemas australianos de Eldorado ( E.H.), Laranjeiras (10289 E.H.) e Porto Canoa (2.755 E.H.); lagoa facultativa primária de Mata da Serra (3.100 E.H.) e lagoa aerada com bacia de sedimentação de Valparaíso ( E.H.). Detalhes de projeto e dados operacionais foram levantados diretamente nos setores de cadastro e de operação das ETEs da CESAN. Todas as lagoas selecionadas foram divididas em seções batimétricas de espaçamento variável segundo o tamanho da lagoa. Um total de 420 pontos batimétricos foram instalados em todas as lagoas, correspondendo a uma média de 84 pontos / ETE, e um número de 06 a 12 seções batimétricas por lagoa. As seções foram demarcadas através de piqueteamento, sendo percorridas com bote inflável, para registros das alturas da camada de lodo. Todo o procedimento foi antecedido de inspeção prévia através de ecobatímetro precisão marca Raytheon. Para determinação da espessura da camada de lodo, utilizou-se um aparato experimental com hastes de PVC ou alumínio conectáveis e com escalas métricas. Para melhor representação gráfica da distribuição espacial do banco de lodo nas lagoas, os dados batimétricos estão sendo compilados através do programa de computação TOPOGRAPH. Tabela 1 - Características físicas e operacionais das lagoas de estabilização estuda das. Localização Tipo de Sistema Início de Operação Vazão Projeto (L / s) Vazão Média Atual (L / s) Área na Crista (m 2 ) Profund. Média ( m ) Eldourado Australiano-1 Lan ,0 15, , LF ,40 Laranjeiras Australiano -1 Lan abril/79 16,0 30, * + -1LF ,01 Mata da Serra Facultativa Primária maio/79 6,0 5, ,40 Porto Canoa Australiano -1 Lan julho/82 5,0 7, , LF 3942 * Valparaíso Aerada -1 LA fev./83 19,0 15,0 2089, * + - LS ,85 Fonte : ( CESAN 1996) e Levantamento do PROSAB - DHS - UFES (1996/97) (LA) - Lagoa Aerada, (LAn) - Lagoa Anaeróbia, (LF) - Lagoa Facultativa, (LS) - Lagoa de Sedimentação * - Levantamento ainda não concluído. 19 o Congresso Brasileiro de Engenharia Sanitária e Ambiental 430
4 Para caracterização físico-química e microbiológica do lodo, procedeu-se amostragens na lagoa anaeróbia do Sistema australiano de Eldourado (figura 1) e facultativa primária do Sistema de Mata da Serra. Amostras estratificadas da camada de lodo da lagoa anaeróbia de Eldourado e amostras compostas em ambas as ETEs foram coletadas. No Sistema de Eldourado, baseando-se no princípio da amostragem de solo in situ com amostra indeformada (NBR-6484, 1980), foi empregado um sistema de sucção (tipo embolo) com tubo de PVC de 50mm de diâmetro, transcorrendo no interior do tubo de amostragem para coleta do testemunho de lodo. O objetivo das amostras estratificadas foi avaliar a variação das características físico-químicas e biológicas ao longo da altura da camada de lodo. Antes de se proceder a este tipo de amostragem, foram retiradas amostras indeformadas de toda a camada de lodo nos pontos definidos da lagoa. As amostras estratificadas eram compostas por 04 sub-amostras retiradas de cada amostra indeformada, cada qual coletada a alturas pré-definidas da camada de lodo. Duas amostras em 03 pontos de coleta foram utilizadas para análise microbiológica do lodo estratificado. Para o Sistema de Mata da Serra, foram coletadas amostras compostas com draga Modelo Petite Ponar / , devido à reduzida lâmina de lodo na lagoa (em torno de 27 cm). Figura 1 - Croqui do Levantamento Batimétrico da Lagoa Anaeróbia de Eldourado. LEGENDA x - pontos não amostrados? - pontos amostrados Desarenador com medidor de vazão Grade 8,60 A B C D E G I M O x?????? x? 25,50 LAGOA FACULTATIVA Área da Crista - 1,82 ha Área da Crista - 1,82 ha 8,60 Área Crista - 0,11 ha 46,20 m Visando estabelecer correlações entre o processo de formação dos banco de lodos e o comportamento hidrodinâmico das lagoas, medições de vazões e estudos com traçadores fluorescentes serão realizados em uma segunda etapa (julho de 1997). Finalmente, a quantidade e a distribuição do lodo ao longo das lagoas será correlacionada com a eficiência do tratamento de esgoto, através de campanhas rotineiras de coleta de amostras compostas sobre 24 horas na entrada e na saída dos reatores e análises laboratoriais dos parâmetros DQO, DQO filtrada, DBO5, SST e SSV. 19 o Congresso Brasileiro de Engenharia Sanitária e Ambiental 431
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6 RESULTADOS Procedimentos Para Remoção de Lodos de Lagoas - Resultados do Questionário De acordo com as respostas recebidas dos questionários, cerca de 90% das lagoas de um total de 36 ETEs (15 sistemas australianos, 11 facultativas primárias, 11 outras combinações) nunca sofreram remoção lodo. Em apenas 04 lagoas foram realizadas remoções, uma com dragagem e as outras através de remoção manual. Nesses casos, o lodo removido foi disposto no solo ou em córregos próximos às áreas das ETEs. Várias lagoas estão em operação por período de funcionamento superiores 15 anos, e há registros de lagoas com mais de 50% do seu volume útil tomado por lodo. Produção de Lodo nas Lagoas Estudadas Todas as ETEs selecionadas estão em operação a mais de 15 anos, tratando esgotos sanitários de conjuntos habitacionais da região metropolitana de Vitória (essencialmente de origem doméstica) (Tabela 1). As ETEs de Eldorado, Laranjeiras, e Valparaíso encontram-se subdimensionadas face às condições de carga atuais, enquanto que as demais estão com a capacidade de tratamento quase saturada. A pior situação é enfrentada pela ETE de Laranjeiras, que recebe uma vazão média (30 l/s) correspondendo a quase o dobro da vazão de projeto (16 l/s). As principais características operacionais das lagoas selecionadas como base do presente estudo encontram-se resumidas nas tabelas 1 e 2. Sistemas Australianos: Os resultados das batimetrias indicam um significativo acúmulo de lodo nas lagoas anaeróbias dos sistemas australianos de Eldorado e Porto Canoa (tabela 2). No primeiro caso, a altura média do banco de lodo atinge 1,07 m (profundidade total da lagoa h = 2,24 m) e no segundo 0,78 m (h = 3,10 m). Em ambos os casos, não há registros de descargas de lodo durante todo o período de operação. Nas lagoas facultativas, foi constatado um acúmulo mínimo de lodo, com camadas localizadas com menos de 20 cm de altura. As taxas de acumulação de lodo verificadas nas lagoas anaeróbias de Eldorado e Porto Canoa foram de 7,66 cm / ano e 5,35 cm / ano respectivamentes, estando próximo do valor de 5,7 cm / ano observado por Senra (1983) na lagoa aneróbia de Tatuí - SP. A taxa de acumulação por habitante corresponde a 0,023 l / hab.dia em Eldourado e 0,026 l/hab.dia em Porto Canoa, valor muito inferior aos citados por Mendonça (1990), Arceivala (1983) e Silva e Mara (1979) (Tabela 3). No caso da lagoa facultativa da ETE de Laranjeiras, observou-se um acúmulo médio de lodo de 2,17 cm / ano, sendo este valor intermediário aos de 1,22 e 2,77cm/ano das lagoas facultativas secundárias de Maiporã e Tatuí-SP (Senra, 1983). 19 o Congresso Brasileiro de Engenharia Sanitária e Ambiental 433
7 Tabela 2 - Resultados das batimetrias e produção de lodo nas lagoas estudadas. Localização Tipo de Sistema Número de pontos Batimétricos Faixa de lodo (cm) Lâmina Média de Lodo (cm) Acúmulo Médio Lodo/ano (cm/ano) Volume de lodo (m 3 ) Eldourado Australiano -1 Lan , LF ,23 - Laranjeiras Australiano -1 Lan * * * * + -1LF , M. da Serra Facultativa Primária , Porto Canoa Australiano -1 Lan , LF * * * * * Valparaíso Aerada -1 LA 80 * * * + - LS , Fonte: ( CESAN 1996) e Levantamento do PROSAB - DHS - UFES (1996/97) (LA) - Lagoa Aerada, (LAn) - Lagoa Anaeróbia, (LF) - Lagoa Facultativa, (LS) - Lagoa de Sedimentação * - Levantamento ainda não concluído. Lagoa facultativa primária - Um croqui da distribuição das seções batimétricas na lagoa facultativa primária de Mata da Serra é apresentado na figura 2. Resultados da campanha batimétrica indicam que a altura da camada de lodo depositada no fundo da lagoa oscila entre 20 e 30 cm (altura média = 26,7 cm). Somente nas proximidades de um dos dispositivos de entrada da lagoa, na região situada entre as seções G e H, foram verificadas alturas de camada de lodo de até 65 cm. Apesar de as análises físico-químicas para caracterização do lodo em questão encontrarem-se em andamento, pode se esperar uma quantidade de areia relativamente elevada nessa região do reator. Tabela 3 - Taxas de acumulação de lodo em lagoas anaeróbias e facultativas. Taxa de acumulação Tipo de lagoa de estabilização Observações Referência (l/hab.dia) cm/ano 0,34 9,1 Anaeróbias e facultativas primárias Gloyna, ,26 (lodo úmido) Hess, ,13 (após secagem ao ar - 45% ST) 0,11 Anaeróbias Silva e Mara, ,08-0,22 Anaeróbias Arceivala, ,1 Facultativa primária -T o = 20 anos Da-Rin e Nascimento, ,08-0,11 Anaeróbias Mendonça, ,3-15,3 1,22-2,77 Anaeróbia - T o = 8 anos Facultativas secundárias Senra, 1983 (T o ) = período de operação da lagoa 19 o Congresso Brasileiro de Engenharia Sanitária e Ambiental 434
8 Figura 2 - Croqui da ETE de Mata da Serra e posicionamento das seções batimétricas. cascateamento, grade e vertedor triangular A entrada da lagoa (afogada) entrada da lagoa (afogada) E F B C D 4 Área da lagoa AC= 6562 m 2 AF= 5312 m saída da lagoa (vertedor triangular) G H I cascateamento, grade e vertedor triangular Características dos Lodos Produzidos nas Lagoas Anaeróbias e na Facultativa Primária Os primeiros resultados das campanhas de caracterização físico-química dos lodos da lagoa anaeróbia de Eldorado e da lagoa facultativa primária de Mata da Serra estavam sendo obtidos na ocasião em que esse trabalho foi redigido. Não foi possível apresentar a caracterização microbiológica completa nessa ocasião, o que será realizado em trabalho a ser apresentado no próximo Congresso de Engenharia Sanitária e Ambiental da ABES. As principais características do lodo acumulado na lagoa anaeróbia de Eldorado são apresentadas na figura 3 e na tabela 4. As amostras estratificadas da camada de lodo indicam nitidamente o efeito do tempo de residência do lodo no reator sobre suas características físicoquímicas. Altíssimas concentrações de sólidos totais foram observadas no fundo da lagoa, atingindo valores superiores a 22%. Tais sólidos apresentam-se em avançado estado de mineralização, com teores de sólidos voláteis na faixa de 35 %ST. Os teores de sólidos decaem de forma não linear ao longo da altura da camada de lodos, atingindo valores médios de ST = 12,5% e SV = 41,8 %ST na altura de 1,40 m. Considerando que um dos objetivos do estudo é a valorização agrícola do lodo, foram determinados os teores de NTK e Ptotal que situaram- se na faixa de 2% (NTK/ST) e 0,8% (Ptotal/ST). 19 o Congresso Brasileiro de Engenharia Sanitária e Ambiental 435
9 Figura 3 - Teores de sólidos totais e sólidos voláteis ao longo da altura da camada de lodo da lagoa anaeróbia de Eldorado ST % SV (%ST) ,2 0,4 0,6 0,8 1 1,2 1,4 1,6 altura da camada de lodo (m) As análises microbiológicas encontram-se em curso, indicando densidades de coliformes fecais e totais inferiores a 10 3 NMP/100 ml nas camadas mais profundas do lodo. No entanto, foi observada a presença de ovos de helmintos e cistos de protozoários, sem que se tenha ainda avaliado a sua viabilidade. As principais características do lodo coletado no fundo da lagoa facultativa primária de Mata da Serra são apresentadas na tabela 5. As amostras são compostas, tendo sido coletadas com draga no ponto central das seções batimétricas indicadas na figura 2. Observa-se que as concentrações de sólidos totais no fundo da lagoa (6,4 a 9,9%) são bastante inferiores às observadas na lagoa anaeróbia de Eldorado. Entretanto, trata-se de um lodo em estado de mineralização equivalente ao observado no fundo da lagoa anaeróbia de Eldorado. Os teores de sólidos voláteis situaram-se em torno de 37 %ST, e os teores de nitrogênio e fósforo total próximos de 2 %(NTK/ST) e 1 %(Ptotal/ST). As análises microbiológicas sobre as amostras de lodo dessa lagoa encontram-se em curso e os resultados serão apresentados em outro trabalho. 19 o Congresso Brasileiro de Engenharia Sanitária e Ambiental 436
10 Tabela 4 - Principais características físico-químicas do lodo da lagoa anaeróbia de Eldorado Determinações Profund.(m ) Média Desvio padrão Sólidos Totais % 0,20 22,5 3,1 0,60 18,7 1,9 1,00 13,0 1,0 1,40 12,5 0,8 Sólidos Fixos 0,20 64,0 4,6 % ST 0,60 63,2 9,0 1,00 54,9 2,6 1,40 56,8 2,2 Sólidos Voláteis 0,20 35,9 4,7 % ST 0,60 36,9 8,8 1,00 44,9 2,6 1,40 41,8 4,3 DQO (mg/g) 0,20 590,0 92,3 peso seco 0,60 589,0 107,9 1,00 690,0 34,6 1,40 672,0 39,2 NTK (mg/g) 0,20 19,8 3,2 peso seco 0,60 18,7 3,8 1,00 23,2 2,6 1,40 21,9 1,3 Tabela 5 - Principais características físico-químicas do lodo na lagoa facultativa de Mata da Serra (coleta no ponto central das seções batimétricas indicadas na figura 3) Seções Sól. Totais Sol. Voláteis ph DQO (mg/g) NTK (mg/g) ( %) (% ST) peso seco peso seco A 7,9 36,0 6, ,6 B 8,7 36,5 6, ,0 C 9,9 36,4 7, ,6 D 6,4 34,7 6, ,4 E 7,8 37,0 6, ,6 F 7,7 38,2 7, ,2 G 8,3 37,5 7, ,0 H 8,7 37,4 7, ,2 I 7,4 37,9 6, ,0 19 o Congresso Brasileiro de Engenharia Sanitária e Ambiental 437
11 CONCLUSÕES Resultados preliminares de uma pesquisa sobre a formação de lodos em lagoas de estabilização de diversos tipos, em operação no Espírito Santo, foram apresentados. Informações obtidas em diversas empresas e serviços autônomos de saneamento indicam que pouquíssima importância é atribuida à problemática do lodo produzido nesse tipo de processo de tratamento de esgotos. Vários relatos de lagoas com camadas de lodo de amplitude considerável, sem dispositivos para evacuação ou definições para disposição racional do lodo, foram obtidos. Significativa estocagem de lodos foi observada nas lagoas aneróbias dos sistemas australianos estudados no Espírito Santo. Porém, as taxas de acumulação de lodos nesses reatores (0,023 e 0,026 l/hab.dia), calculadas com os dados experimentais levantados, foram muito inferiores à maioria das taxas citadas na literatura. As taxas de acumulção de lodo nas lagoas facultativas dos sistemas australianos foram muito reduzidas, indicando que as preocupações com a produção de lodo nesse tipo de sistema devem se concentrar nas lagoas anaeróbias. A taxa de acumulação de lodo na lagoa facultativa primária de Mata da Serra foi de 1,53 cm/ano ou 0,07 l/hab.dia, resultante da formação de uma camada de lodo com altura média de 26,7 cm em 18 anos de operação. Altíssimas concentrações de sólidos totais foram observadas no fundo das lagoas anaeróbias, freqüentemente superiores a 22%. Tais sólidos apresentam-se em avançado estado de mineralização, com teores de sólidos voláteis na faixa de 35 %ST. Os teores de sólidos decaem de forma não linear ao longo da altura da camada de lodos, atingindo valores médios de ST = 12,5% e SV = 41,8 %ST na altura de 1,40 m. No caso da lagoa facultativa primária, os teores de sólidos situaram-se na faixa de 6,4 a 9,9%, os de sólidos voláteis em torno de 37 %ST. Os teores de nitrogênio e fósforo total foram próximos de 2 %(NTK/ST) e 1% (Ptotal/ST) nos lodos de ambas as lagoas (anaeróbia e facultativa primária). Os testes em curso visam desenvolvimento de procedimentos simplificados de determinação da quantidade de lodo acumulado em lagoas e da estimativa da freqüência de remoção. A quantidade e a distribuição do lodo ao longo das lagoas e a sua correlação com a distribuição de fluxos serão determinadas. Para tanto, testes com traçadores serão realizados, para definição do comportamento hidrodinâmico das lagoas. AGRADECIMENTOS Os autores agradecem à CESAN, pelo apoio e participação nas diversas etapas da pesquisa. Agradecem ainda à FINEP e ao CNPq, pelo financiamenrto do projeto de pesquisa., concedido através do Ed. 01/96 - PROSAB / FINEP e a todos os outros que contribuíram de alguma forma para este trabalho. 19 o Congresso Brasileiro de Engenharia Sanitária e Ambiental 438
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