ABES - Associação Brasileira de Engenharia Sanitária e Ambiental I - 023

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1 ABES - Associação Brasileira de Engenharia Sanitária e Ambiental I - 23 DISPOSIÇÃO DE ESGOTOS SANITÁRIOS PRÉ-DECANTADOS, POR INFILTRAÇÃO RÁPIDA EM LEITOS DE AREIA QUARTZOSA DE ALTA PERMEABILIDADE E DE PEQUENA ESPESSURA. ESTUDO EM BACIA EXPERIMENTAL NATURAL NA REGIÃO LITORÂNEA DO ESTADO DO ESPÍRITO SANTO. Florindo dos Santos Braga () Engenheiro Civil - UFES (977); Mestrado em Hidráulica e Saneamento - Escola de Engenharia de São Carlos (EESC) (982); Doutorando em Hidráulica e Saneamento - EESC (992); Professor adjunto 4 - DHS/UFES (desde 98). Antônio Marozzi Righetto Engenheiro Civil - Escola de Engenharia de São Carlos (EESC) (968); Mestrado em Hidráulica e Saneamento - EESC (994); Doutorado em Hidráulica e Saneamento - EESC (977); livre docente - EESC (994); Professor associado ao Departamento de Hidráulica e Saneamento - EESC. Endereço () : Rua André Nogueira, 29 - Centro - Vila Velha - ES - CEP: Brasil - Tel: (27) e (27) RESUMO O presente trabalho visa mostrar a viabilidade técnica e sanitária do processo de disposição no solo, Infiltração Rápida (IR), como alternativa de tratamento de esgoto sanitário para Região Litorânea do Estado do Espírito Santo - Brasil. Trata-se de um estudo desenvolvido numa bacia experimental natural, retangular, com 49 m 2 de área útil, leito filtrante constituído de areia quartzosa média e uniforme, cuja espessura variou de,2 e 2,m devido às chuvas ocorridas no período de um ano de estudo. A carga de esgoto pré-decantado aplicada na bacia foi de 8cm/dia e os ciclos operacionais foram de 2 dias de aplicação seguidos de 5 dias de descanso na fase e 4, e seguidos de 2 dias de descanso na fase 2. As eficiências médias de remoção no centro da bacia no poço J foram: DBO 5 = 95%, SST = 92%, NKT = 96%, P-PO 4 = 69%; e no poço na direção do fluxo poço H, a 3,5m do poço J, foram: DBO 5? %, SST = 9%, NKT = 96%, P-PO 4 = 98%. Quanto aos N-NO 3 - os valores médios atingidos foram de 2,6 no poço J e de,2 no poço H, localizado 3,5m a jusante do poço J demonstraram o bom desempenho do processo (IR) em termos de remoção de matéria carbonácea e de nutrientes. Dados complementares como: precipitação atmosférica e variação do nível d água no lençol freático na área de estudo são apresentados para análise do comportamento do processo. Como ponto de fragilidade do processo para as condições de estudo, ressaltam-se os altos valores médios de nitratos: 2,6 e,82 de nitritos como também a baixa remoção de coliformes fecais, (uma) casa log referentes ao poço J. Comparações entre resultados obtidos neste trabalho e publicados sobre sistemas existentes e com padrões de preservação de qualidade de água, são discutidas no sentido de avaliar a viabilidade técnica e sanitária em questão. 9 o Congresso Brasileiro de Engenharia Sanitária e Ambiental 39

2 ABES - Associação Brasileira de Engenharia Sanitária e Ambiental I - 23 PALAVRAS-CHAVE: Esgoto Sanitário, Disposição no Solo, Infiltração Rápida,. 9 o Congresso Brasileiro de Engenharia Sanitária e Ambiental 4

3 ABES - Associação Brasileira de Engenharia Sanitária e Ambiental I - 23 INTRODUÇÃO O Processo de Infiltração Rápida (IR) Dentre os vários processos naturais para tratamento de esgotos, o EPA (992) recomenda a IR como uma alternativa viável para pequenas comunidades. Neste processo, a maior parcela da matéria orgânica do esgoto fica retida na parte superficial do solo ( a 5 cm), região onde ocorre um mínimo de perda por evaporação, tendo em vista a rápida infiltração no solo. A maior parte do esgoto aplicado percola através da matriz do solo, onde passa por tratamento decorrente de um processo físico, químico e biológico a ele inerentes. O efluente ao ser tratado percola de forma natural em direção à água subterrânea e/ou a corpos de águas superficiais mais próximos. Além do tratamento, outros objetivos tais como: recuperação do percolado por drenos submersos ou por bombeamento para irrigação, recreação, recarga de aqüíferos para abastecimento e prevenção da intrusão da cunha salina, podem também ser alcançados com sistemas IR. Este processo prevê a aplic ação do esgoto sanitário, primário e secundário, em Bacias de Infiltração, através de aspersão a alta taxa ou espalhamento até que se atinja o nível de inundação desejado em cada Bacia. Após um período de descanso, isto é, sem aplicação de esgoto, novas aplicações são realizadas de forma intermitente e dentro de um ciclo prédeterminado, especificamente, para o tipo de solo, esgoto e o objetivo do tratamento. A eutrofização e a perda de condições de balneabilidade de corpos d'água superficiais são algumas das conseqüências resultantes da inadequacidade dos sistemas mais utilizados para tratamento de esgoto, no Estado do Espírito Santo. Estes são constituídos, em sua maior parte, por lagoas de estabilização que lançam seus efluentes, de forma pontual, ainda ricos em nutrientes, nos corpos receptores superficiais, comprometendo a qualidade da água dos mesmos. As características dos sistemas IR, que os tornam adequados para solução do problema do tratamento de esgotos no Estado do Espírito Santo, são:? A aceitação de altas variações de carga orgânica, boa remoção de nutrientes e de organismos patogênicos, e o não lançamento final dos efluentes tratados de forma direta nos corpos d água superficiais;? A disponibilidade de área, a baixo custo, constituída por verdadeiros cordões de areia quartzosa de permeabilidade média a alta, ao longo dos 4 Km de região litorânea. O presente trabalho teve por objetivo verificar a tratabilidade do esgoto sanitário afluente à Estação de Tratamento de Esgotos de Camburi (ETE) - localizada na cidade de Vitória-ES, Brasil, pelo processo de Infiltração Rápida. Pretendeu-se também estimar parâmetros físicos, químicos e biológicos que possam servir no dimensionamento de projetos de sistemas de Infiltração Rápida em escala real, aplicável à região litorânea do Estado do Espírito Santo. 9 o Congresso Brasileiro de Engenharia Sanitária e Ambiental 4

4 ABES - Associação Brasileira de Engenharia Sanitária e Ambiental I - 23 METODOLOGIA Coleta de Dados Preliminares Características da Área de Estudo A área de estudo foi caracterizada pela sua topografia, clima, tipo de solo e o seu uso. A topografia do local é plana (inferior a 5%), o solo local é constituído de areia quartzosa média, de alta permeabilidade (Cond. Hidráulica = 62,4 cm/h). O clima local é tropical úmido, com temperatura média de 23,3 o C e máxima de 3,4 o C. Escolha do Processo de Tratamento A escolha do processo de tratamento (IR) foi feita com base nas características do esgoto a tratar, predominantemente doméstico, na qualidade da água subterrânea (baixa contaminação), e na espessura do leito de areia com profundidade máxima de 2,m, juntamente com as características da área de estudo. A escolha do processo IR foi feita de acordo com atendimento à pontuação requerida pelos critérios de desejabilidade do EPA 625/-8-3 (28 pontos). Bacia Experimental Os estudos de campo foram conduzidos numa Bacia Experimental com dimensões (7x7)m e área útil de 49 m 2, escavada manualmente em terreno arenoso. Para a alimentação da Bacia com o esgoto decantado, foi implantado um emissário por recalque de 55 m de extensão em PVC, com diâmetro de mm. O esgoto aplicado apresentava valores de qualidade (típicos de esgoto médio a forte), representativos do horário de pique da ETE de Camburi, ou seja, das às 5 horas. Os poços de monitoramento, em número de oito, eram parcialmente penetrantes e implantados conforme o Projeto de Norma PN: :63:6-3 da ABNT. Na Figura tem-se o layout do sistema de estudo em campo. A operação do sistema, foi desenvolvida em seis fases distintas, dentre as quais ressaltamos aquelas referentes às aplicações dos esgotos: - Aplicação de 8 cm de lâmina de esgoto com má decantação, distribuído uniformemente numa superfície de 9m 2, durante 9 minutos. Ciclo operacional de 2 dias de aplicação seguidos de 5 dias de descanso. Objetivo: nitrificação. 2 - Aplicação de 8 cm de lâmina de esgoto decantado, com distribuição não uniforme, em área de 49m 2, durante 54 minutos. Ciclo operacional de 2 dias de aplicação seguidos de dias de descanso. Objetivo: desnitrificação. 4 - Esgoto decantado, distribuído uniformemente em 49m 2 de área, durante 54 minutos. Ciclo operacional de 2 dias de aplicação seguidos de 5 dias de descanso. Objetivo: nitrificação. Durante as fases citadas anteriormente, conforme Figura 2, dados de nível d água e de precipitação pluviométrica foram obtidos para a discussão dos resultados das análises físicoquímicas e bacteriológicas. A espessura da lâmina d água do lençol freático teve elevação máxima de 77cm no final da fase 2, período de chuva, em dezembro de o Congresso Brasileiro de Engenharia Sanitária e Ambiental 42

5 ABES - Associação Brasileira de Engenharia Sanitária e Ambiental I - 23 As análises laboratoriais foram feitas conforme o Standard Methods, 7 a ed. (última). 9 o Congresso Brasileiro de Engenharia Sanitária e Ambiental 43

6 ABES - Associação Brasileira de Engenharia Sanitária e Ambiental I o Congresso Brasileiro de Engenharia Sanitária e Ambiental 44

7 ABES - Associação Brasileira de Engenharia Sanitária e Ambiental I - 23 Figura 2: Profundidade do = 33 cm - dados de nível d água e pluviométricos referentes ao período de de junho de 995 a 28 de junho de 996. Referência: dia 26 de junho de lâmina d água: 3 cm e leito de areia: 2 cm. Variação do nível d'água no lençol freático - poço J (centro da BIE) 3 cm lâmina d'água. leito de areia ,8 cm var. máx. (fase ) 54,9 cm var. máx. (fase 2) jun/95 jul/95 ago/95 set/95 out/95 nov/95 dez/95 jan/96 fev/96 mar/96 abr/96 mai/96 jun/96 tempo (dias) 76,7 cm var. máxima (fases 3 e 4) Precipitação Pluviométrica - diária (fonte: CST - Vitória, ES.) mm 3 2 jun/95 jul/95 ago/95 set/95 out/95 nov/95 dez/95 jan/96 fev/96 mar/96 abr/96 mai/96 jun/96 tempo (dias) Precipitação Pluviométrica acumulada (fonte: CST - Vitória) 4 2 mm jun/95 jul/95 ago/95 set/95 out/95 nov/95 dez/95 jan/96 fev/96 mar/96 abr/96 mai/96 jun/96 tempo (dias) 9 o Congresso Brasileiro de Engenharia Sanitária e Ambiental 45

8 I - 23 ABES - Associação Brasileira de Engenharia Sanitária e Ambiental RESULTADOS Na Tabela são apresentados os valores médios e os percentuais de remoção dos principais parâmetros de poluição do esgoto decantado aplicado, e da água subterrânea receptora dos efluentes da Bacia de Infiltração. Tabela : Quadro de médias e eficiências dos principais parâmetros monitorados na Bacia de Infiltração Experimental (BIE). - Esgoto Decantado; - poço localizado no centro da BIE; e poços localizados a m do talude interno da BIE e a 3,5m do. - com preferência de direção de fluxo em relação ao. Valores de remoções obtidos com base nos resultados integrais de laboratório. PARÂMETROS Unid. Colif. Fecal (Nmp/ml) MÉDIAS F,2,4 (%) F,2,4 (%) F,2,4 (%) 99,97 5,45E+7 8,36E+6 84,67 5,97E+4 99,89,56E+4 DQO DBO ?? Fósforo 7,4 2,3 69, 98, 99 N Orgânico N-NH ,5 2,5 68,2 97,3 99 N-NO 3 -,3 2,56 N-NO 2 - <,,82 Alcalinidade Total Cloretos SST NKT ?S , 3,6 6,42 3, 5,95 3,9 5, Condut. Elétrica OD ph Nitrogênio Total,2,42,6 49 4, Como resultado dos principais parâmetros de desempenho do processo, as eficiências médias de remoção no centro da bacia - poço J - foram: DBO5 = 95%, SST = 92%, NKT = 96%, PPO 4 = 69%; e no poço na direção do fluxo natural - poço H, a 3,5m do poço J, - foram: DBO5? %, SST = 9%, NKT = 96%, P-PO4 = 98%. Quanto aos N-NO 3- os valores médios atingidos foram de 2,6 no poço J e de,2 no poço H. Nas Figuras 3 e 4 temse a ilustração de alguns dos parâmetros da Tabela Para análise dos resultados obtidos em relação aos valores recomendados pelo EPA (992), em relação aos dados experimentais obtidos por SAMPAIO (994) em tanques experimentais, em relação aos desempenhos do sistema de lagoas de estabilização da ETE de Camburi/ES. Apresentamos a seguir as Tabelas comparativas 2, 3, 4, 5 e 6. Observou-se, durante a realização da pesquisa, a grande influência da precipitação pluviométrica, sobre os parâmetros de qualidade analisados no aqüífero. Tabela 2: Dados típicos de desempenho em Sistema IR e os resultados da BIE. Parâmetros DBO5 Nitrogênio Total Valores recomendados pelo EPA (992) Taxa aplicada (Kg/ha.dia) (%) o Congresso Brasileiro de Engenharia Sanitária e Ambiental BIE Taxa aplicada (Kg/ha.dia) (%)

9 ABES - Associação Brasileira de Engenharia Sanitária e Ambiental I - 23 Fósforo Coliforme Fecal NA 2-4 logs NA Figura 3: Médias do e do - Esgoto Decantado. (saída), (entrada). Nas fases, 3 e 5 não houve lançamento de esgotos. R =. DQO Nitrogênio Total 3, 25, 2, 5,, 5,,,2 7, 27,53 2 R=97% R=9%,43 2,7, R=99% % 9% 8% 7% 6% 5% 4% 3% 2% % % 7, 6, 5, 4, 3, 2,,, 2,56,56 2,5 2 R=53% R=36% R=54% % 9% 8% 7% 6% 5% 4% 3% 2% % % DBO Nitratos 3, % 2, 25, 2, 5,, 5,,,2 7, 27,53 2 R=97% R=9%,43 2,7, R=99% 98% 96% 94% 92% 9% 88% 86% 84% 8, 5, 2, 9, 6, 3,,,6,,7 2,53,9, SST Nitritos 27, 24, 2, 8, 5, 2, 9, 6, 3,, 7, 8,38 2,22 5, 2,4 3, 2 R=95% R=88% R=99% % 9% 8% 7% 6% 5% 4% 3% 2% % %,4,2,,8,6,4,2,,87,24, <, <,,2 <, <, Fósforo Coliforme Fecal 8, 7, 6, 5, 4, 3, 2,,,,, R=83% R=55% R=69% % 9% 8% 7% 6% 5% 4% 3% 2% % % Escala Logarítmica Nmp/ml,E+8,E+7,E+6,E+5,E+4,E+3,E+2,E+,E+ % 9% 8% 7% 6% 5% 4% 3% 2% % % R=97% R=39% R=95% 9 o Congresso Brasileiro de Engenharia Sanitária e Ambiental 47

10 ABES - Associação Brasileira de Engenharia Sanitária e Ambiental I - 23 Figura 4: Médias e eficiências dos principais parâmetros monitorados na Bacia de Infiltração referentes à Tabela. DQO Nitrogênio Total ,3 34,9 25, ,75,49 remoção: 88,7% 93,3% 94,9% remoção: 48,6% 94,2% 97,7% DBO Nitratos remoção:,97 95,5%,85,77 99,7% 99,7% ,2,3,42 SST Nitritos remoção: 7,7 2 9,6% 9,% 3,7 93,8%,9,8,7,6,5,4,3,2,,6,, Fósforo Coliforme Fecal 8 7,E ,4, Escala Logarítmica Nmp/ml,E+7,E+6,E+5,E+4 remoção: 69,% 98,% 98,6%,E+3 remoção: 84,66% 99,89% 99,97% 9 o Congresso Brasileiro de Engenharia Sanitária e Ambiental 48

11 I - 23 ABES - Associação Brasileira de Engenharia Sanitária e Ambiental Tabela 3: Quadro comparativo dos dados obtidos por SAMPAIO (994) na França e no Brasil, com os dados desta pesquisa. Parâmetros Pilotos CREATE, CRITER B3 e B4, e CAESB (% ) Mínimo - 2 Médio Máximo DQO DBO5 SST Nitrogênio Total NKT N-NH4+ BIE - (% de remoção) Tabela 4: Dados típicos da ETE de Camburi - Fonte do esgoto utilizado nesta pesquisa. Parâmetros DQO () DBO5 () SST () NKT () Fósforo () ph Coliformes (Nmp/ml) ETE Camburi (entrada: esgoto bruto) Entrada Saída (%) - BIE (entrada: esgoto decantado) Entrada Saída (%) ,5 6, ,4 7, ,4 7, ,3 6, ,56x7 3x4 99 5,45x7 8,4x6 85 Tabela 5: Evolução da contaminação do lençol freático no - centro da BIE. Parâmetros Limites: Res. CONAMA () fase Nitrato,6 9,4 4,98 Nitrito <,,22,87 Fósforo total,,38 3,56 Cloretos 2,67 95,38 23,33 DBO 5,2 7,93 28,73 Coliforme fecal 6,x3,96x6 2,48x7 (Nmp/ml),53 2,33,9,2,26 <,,8 2,42,4 2,67 223,6 8,67,43 3,5,67 5,x,4x6 5,93x3 no 2 - Águas Classe II,, 25, 5, 3 Tabela 6: Evolução da Contaminação na direção principal do escoamento - - a m do centro do talude interno da BIE. Parâmetros Limites: Res. CONAMA () fase Nitrato,44,34,54 3,83 2,47,28 Nitrito <, <, <,,7,6 <, Fósforo total,8,24,26,8,,22 Cloretos 24, 27, 38,4 2,67 9,43 63,67 DBO5,57,53,6,33,89,93 Coliforme fecal 3,x2 3,x4,8x5,25x 5,x4,x3 (Nmp/ml) 9o Congresso Brasileiro de Engenharia Sanitária e Ambiental no 2 - Águas Classe II,, 25, 5, 3 49

12 ABES - Associação Brasileira de Engenharia Sanitária e Ambiental I - 23 CONCLUSÕES Sob o Ponto de Vista de Tratamento Sob o ponto de vista de tratamento tem-se a concluir que, apesar das condições críticas do estudo, ou seja: a condutividade hidráulica da areia utilizada igual a 62,4cm/h, valor superior ao máximo recomendado pelo EPA (98) = 5 cm/h; e a espessura do leito filtrante que variou de,26 a 2, m durante o período de pesquisa, conforme Figura 2, podemos, com base nos dados das Tabelas 2, 3 e 4 concluir que os resultados físico-químicos obtidos neste estudo:? São compatíveis e mais próximos dos limites superiores recomendados pelo EPA (992);? São compatíveis e superiores aos resultados obtidos por SAMPAIO (994);? São superiores aos obtidos pelo sistema de tratamento (lagoa aerada seguida de lagoa facultativa) da CESAN. Sob o Ponto de Vista de Contaminação Sob o ponto de vista de contaminação verificou-se que:? Os parâmetros: coliforme fecal, DBO 5 e Nitrato no poço J (poço no centro da Bacia de Infiltração), superaram os limites estabelecidos pela Resolução CONAMA n o 2 para as águas de classe II, sendo que os coliformes chegaram a ter quatro casas superiores ao limite de coliformes (NMP/ml).? No poço H, localizado a m da fonte e no sentido do fluxo, observou-se que o teor de coliformes aumentou de 3, x 2 para, x 3 pouco acima do limite CONAMA; esse valor representa /6 daquele observado no poço J, no centro da bacia, indicando uma redução de teores em função da distância à fonte.? Quanto aos resultados bacteriológicos, tem-se a dizer que a remoção de casa log no poço J é um desempenho insatisfatório, em termos sanitários. Quanto aos poços localizados na direção do fluxo e a m da fonte, conforme Tabela verificam-se os baixos valores de contaminação. Os nitratos (no ) ultrapassaram o valor de recomendado pela Resolução N o 2 do CONAMA. Com relação ao Objetivo do Trabalho Com relação ao objetivo deste trabalho, conclui-se que o Sistema de Infiltração Rápida, investigado conforme os protocolos de aplicação e de monitoramento e os dados e resultados da Tabela 2, apresentou resultados de tratabilidade compatíveis com a teoria consultada e com os resultados experimentais por ela referenciados. Conclui-se também que a IR é uma alternativa de tratamento viável tecnicamente e recomendável para a Região Costeira do Estado 9 o Congresso Brasileiro de Engenharia Sanitária e Ambiental 5

13 ABES - Associação Brasileira de Engenharia Sanitária e Ambiental I - 23 do Espírito Santo, tomando-se, no entanto, os devidos cuidados quanto ao uso da água subterrânea com relação aos parâmetros nitratos, nitritos e coliformes fecais através de soluções específicas locais. AGRADECIMENTOS À CESAN (Companhia Espírito Santense de Saneamento) pelo apoio logístico prestado através do Convênio N o 6/96 de Cooperação Técnico-Financeiro UFES/CESAN e ao engenheiro da CESAN José Maria Motta Filho pela contribuição e ao funcionário Pedro Carone pela colaboração frente à montagem do aparato experimental, especial agradecimento a Denise Izoton pelo efetivo apoio técnico em todas as fases do desenvolvimento deste trabalho. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS. LIMA, M.R.P.; BRAGA, F. dos S.; GONÇALVES, R.F. de Nutrientes de Águas Residuárias através de Infiltração Rápida em Solos Arenosos: Estudo em Modelo Reduzido. p. 2, SAMPAIO, S.P. Contribution a L etude du Traitement des Eaux Residuaires Urbaines par Infiltration-Percolation sur Massif Sableux. These doctorat de L Universite Paris XII. p. 293, STANDARD METHODS FOR THE EXAMINATION OF WATER AND WASTEWATER. 6th ed.: APHA, AWWA, WPCF U.S., Environmental Protection Agency. Process Design Manual for Land Treatment of Municipal Wastewater. EPA 625/-8-3a-Cincinnat, Ohio U.S, Environmental Protection Agency. Wastewater Treatment/Disposal for Small Communities. EPA 625/R-92/5-Cincinnat, Ohio. p., U.S, Environmental Protection Agency. Nitrogen Control. EPA 625/R-93/- Cincinnat, Ohio. p. 3, o Congresso Brasileiro de Engenharia Sanitária e Ambiental 5