I-097- AVALIAÇÃO COMPARATIVA DA EFICIÊNCIA DE TRÊS SISTEMAS DE TRATAMENTO DE ESGOTOS DOMÉSTICOS, EM NATAL- RN

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1 I-097- AVALIAÇÃO COMPARATIVA DA EFICIÊNCIA DE TRÊS SISTEMAS DE TRATAMENTO DE ESGOTOS DOMÉSTICOS, EM NATAL- RN Marco Antonio Calazans Duarte (1) Eng. Civil e Especialista em Engª. Sanitária UFRN. Mestre em Engª. Civil, área de Rec. Hídricos / Engª. Sanitária UFPB. Engenheiro da CAERN. Professor da Área de Recursos Naturais CEFET-RN. Professor convidado da UnP, Disciplina Tratamento de Águas. Edrwins Heisenberg Neto Pereira Eng. Civil - UnP; Mestrando em Engª. Sanitária, área de Recursos Hídricos e Saneamento Ambiental UFRN. Beatriz Susana Ovruski de Ceballos Doutora em Microbiologia Ambiental - USP. Mestre em Microbiologia -EPM. Graduada em Bioquímica - UNT - Argentina. Professora Adjunta e Pesquisadora - Área de Eng. Sanitária / DEC/CCT/UFPB. Chefe Lab. de Saneamento - AESA/DEC/CCT. Endereço (1) : Rua Pau Brasil, apto Parque Pitimbú - Natal - RN - CEP: Brasil - Tel: (0xx84) / Fax: (0xx84) mcalazans@rn.gov.br RESUMO Com o objetivo de avaliar comparativamente a eficiência de sistemas de tratamento de esgotos domésticos, foram analisadas três lagoas de estabilização (Lagoa Aerada e Lagoas Facultativa Primária 1 e Facultativa Primária 2) situadas nos bairros das Quintas e da Cidade da Esperança, em Natal -RN. Os resultados estatísticos dos parâmetros físico-químicos apresentados correspondem ao período de janeiro/97 a setembro/99, enquanto os dados relacionados às vazões afluentes correspondem ao período de julho/99 a novembro/99. As coletas, com freqüência diária, porém alternadas, foram realizadas em dois pontos de cada lagoa (esgoto bruto e efluente tratado), totalizando, nove parâmetros analisados (sólidos totais, sólidos suspensos, alcalinidade, temperatura, DQO, DBO 5, ph, oxigênio dissolvido e coliformes fecais). Verificou-se variações significativas em relação a remoção de DBO 5 e de coliformes fecais em todas as lagoas de estabilização. Os resultados obtidos permitem concluir que as concentrações de carga orgânica e de bactérias coliformes fecais afluentes aos três sistemas são superiores as previstas no dimensionamento dos reatores. Em conseqüência, as cargas de DBO total e superficial são também superiores as previstas no dimensionamento dos reatores. Nenhum dos três sistemas exibe o desempenho previsto no dimensionamento. Os efluentes tratados apresentam teores de carga orgânica e de bactérias indicadoras que indicam a necessidade de tratamento complementar. PALAVRAS-CHAVE: Esgotamento Sanitário, Tratamento de Esgotos, Lagoas de Estabilização, Lagoas Aeradas. INTRODUÇÃO Os esgotos apresentam elevadas concentrações de matéria orgânica e microorganismos patogênicos, dado os diversos usos da água pela população em suas atividades diárias: lavagens de carros, louças e roupas, processos industriais e descargas sanitárias, dentre outros. O destino final mais comum dos efluentes líquidos urbanos é o lançamento em um corpo aquático, gerando condições de contaminação e poluição. Por estes motivos, a saúde pública pode ser ameaçada pela contaminação das águas de abastecimento, dos balneários e dos gêneros alimentícios, acarretando as doenças de veiculação hídrica, como a diarréia, a hepatite infecciosa, cólera e outras. Os esgotos sanitários contém ainda inúmeros organismos vivos tais como bactérias, vírus, vermes e protozoários, que, em sua maioria, são liberados junto com os despejos humanos. Alguns são de suma importância no tratamento de águas residuárias, pois decompõem a matéria orgânica complexa, ABES - Associação Brasileira de Engenharia Sanitária e Ambiental 1

2 transformando-a em compostos orgânicos mais simples e estáveis; outros, denominados organismos patogênicos, são causadores de doenças (CASTRO et al., 199). Dentro da vasta gama de soluções atualmente disponíveis, aquelas que apresentam características de baixo custo de construção e facilidade de operação, são realmente muito poucas; em realidade, tais soluções se restringem às várias modalidades de lagoas de estabilização. De fato, as lagoas de estabilização, são as mais apropriadas por adotarem um sistema de baixo custo e possuir uma alta eficiência. O esgotamento sanitário no Brasil, apresenta um alto déficit de atendimento. Estima-se que no final do século 20, pouco mais de 30% da população seja atendida por sistema de coleta e afastamento de esgoto, sendo que menos que 10% da população tem esgoto tratado (SOBRINHO & TSUTIYA, 1999). Dentro dos 30% da população brasileira, apenas 37,3% da população urbana é atendida por redes coletoras e o volume de esgoto tratado chega a 8%. Em relação aos municípios operados pela CAERN, no estado do Rio Grande do Norte, existem apenas ligações de esgoto e m de extensão de rede coletora. Atualmente o nível de atendimento de esgoto, em Natal-RN, alcança valores estatísticos de 24,78%. O objetivo deste trabalho é analisar os resultados dos parâmetros físico-químicos e bacteriológicos, dos esgotos brutos e tratados, por um sistema de lagoas facultativas (LF1 e LF2) e lagoa aerada (LA), comparando-os com resultados da bibliografia e assim, verificar a eficiência destes reatores no tratamento de esgotos domésticos em regiões de clima tropical. MATERIAIS E MÉTODOS Os procedimentos de coleta, preservação e armazenamento das amostras foram realizados conforme orientação de APHA et al. (1995). Para as amostras destinadas às análises bacteriológicas, utilizaram-se frascos de polietileno estéreis, de boca larga, com capacidade de 250ml. Para as análises físico-químicas, a amostragem foi feita mediante enchimento de garrafas plásticas de 2 L de capacidade, lavadas com solução de ácido clorídrico à 10% e enxaguadas com água de torneira e posteriormente com água destilada. Para a determinação do oxigênio dissolvido, a coleta era realizada diretamente em frascos de DBO 5. O período total de amostragem da lagoa facultativa primária 1, compreendeu de janeiro de 1997 a setembro de 1999, para a lagoa facultativa primária 2, de março de 1998 a setembro de 1999 e para a lagoa aerada, de agosto de 1997 a setembro de A freqüência de coleta foi mensal tendo em vista as distâncias entre as lagoas e o laboratório Central da CAERN. Os parâmetros analisados foram de natureza microbiológica (coliformes fecais) e físico-química (DBO 5, DQO, alcalinidade, ph, sólidos totais e sedimentáveis, temperatura e oxigênio dissolvido). Foram efetuadas também medições de vazões instantâneas em intervalos de uma e duas horas, através de medidores tipo calha Parschall e vertedor triangular. OS SISTEMAS ESTUDADOS Lagoa Aerada Está situada na rua Napoleão Laureano, na zona Oeste da cidade do Natal/RN, dentro da bacia de esgotamento sanitário I. Atende uma área de 391 ha, sendo formada pela sub-bacia de drenagem de São Conrado com 19 ha, nos bairros de Nazaré e Bom Pastor e a sub-bacia da Cidade da Esperança com 222 ha, no bairro do mesmo nome. O sistema de tratamento projetado, tem capacidade para atender a uma população de habitantes e a uma contribuição média de esgoto de 72 l/s ou.220 m³/dia. Com a implantação das outras sub-bacias, o tratamento deverá ser ampliado e passará a ter capacidade de atendimento de habitantes e uma ABES - Associação Brasileira de Engenharia Sanitária e Ambiental 2

3 contribuição média de esgotos de 29 l/s ou m³/dia, isto significa que será necessária a construção de outra unidade, funcionando em série com a existente (CAERN, 1998). Lagoa Facultativa Primária LF - 1 (CIAT) Situada na rua Rio Potengi, no bairro das Quintas, na zona Oeste da cidade do Natal/RN, dentro da bacia de esgotamento sanitário "D", que abrange o bairro das Quintas e outros. A área abrangida é de 89 ha. O reator está dimensionado para tratar uma contribuição de 910 m³/dia ( habitantes). Atualmente, recebe uma contribuição de aproximadamente 513,00 m³/dia. Tem dimensões de 150,00x0,00x1,20m, locada em uma área de terreno de m² (1,3ha) (CAERN, 1995). Foram feitas leituras da lâmina de esgoto no vertedor triangular, a cada hora, no período de 7h às 17h. Estas leituras permitiram o cálculo das vazões afluentes do sistema através da equação de Thomson: Q (m³/s)= 1,4 * H 2/5. Esta expressão possibilita maior precisão na medida de cargas correspondentes a vazões reduzidas. Na prática somente são empregados vertedores que têm forma isósceles, sendo mais usuais os de 90 o (NETTO et. al., 1998). Lagoa Facultativa Primária LF-2 Também situada na rua Rio Potengi, no bairro das Quintas, na zona Oeste da cidade do Natal/RN, recebe contribuições da bacia de esgotamento sanitário "D", cuja área é de aproximadamente 94 ha. Está dimensionada para receber uma contribuição de 1.125,00 m³/dia. Atualmente, recebe uma vazão de aproximadamente 1.512,00 m³/dia. Possui dimensões de 177,00x55,00x1,50m (CAERN, 1995). Foram feitas leituras da lâmina d água na calha Parschall (w= 18cm), a cada hora compreendendo os horários de 7h às 17h. Estas leituras permitiram o cálculo das vazões afluentes ao sistema mediante o emprego da equação que expressa o fluxo em um vertedor de regime crítico do tipo calha Parschall: Q(m³/s) = K * H 3/2 (NETTO et. al., 1998). RESULTADOS As tabelas 1, 2 e 3 mostram os resultados obtidos para os parâmetros físico-químicos e bacteriológicos dos esgotos brutos e tratados em cada uma das lagoas estudadas. A concentração de matéria orgânica do esgoto bruto afluente à lagoa facultativa LF-2 foi a de maior valor entre os três sistemas (723 mg O 2 /L), enquanto que a DBO dos esgotos afluentes às outras duas ETE's, foi de 552 mg O 2 /L para a lagoa facultativa LF-1 e de 513 mg O 2 /L para a lagoa aerada (LA). De forma semelhante à DBO, a demanda química de oxigênio (DQO) comportou-se de maneira crescente de LF2 (1.05 mg O 2 /L) para LF1 (951 mg O 2 /L) e para LA (794 mg O 2 /L). Segundo (BRAILE & CAVALCANTI, 1979) para esgotos domésticos brutos, a relação DQO/DBO varia em torno de 1,7 a 2,4. As baixas relações DQO/DBO observadas (1,4 para LF2 a 1,72 para LF1) sugerem a predominância da fração biodegradável sobre a inerte (não biodegradável), sendo portanto, adequado o tratamento destes efluentes através de processos biológicos. A relação DQO/DBO varia também à medida que o esgoto passa pelas diversas unidades da estação de tratamento. A tendência para a relação é de aumentar, devido à redução gradual da fração biodegradável, ao passo que a fração inerte permanece aproximadamente inalterada. Assim, o efluente final do tratamento biológico apresenta valores para a relação DQO/DBO usualmente superiores a 3,0 (VON SPERLING, 199). No presente estudo, tal relação variou de 1,58 (LF2) a 1,72 (LF1), indicando que esta última lagoa é mais eficiente na remoção da fração orgânica biodegradável. A temperatura não apresentou variações significativas entre as três lagoas (27,8ºC a 29,8ºC), sendo ligeiramente superior à da água de abastecimento. Tais valores exercem influência positiva sobre os processos metabólicos bacterianos, favorecendo a degradação da matéria orgânica dos esgotos. ABES - Associação Brasileira de Engenharia Sanitária e Ambiental 3

4 O ph do esgoto bruto esteve sempre em valores levemente alcalinos, porém próximos do ponto neutro e variou entre 7,1 (LF1) a 7,4 (LA e LF2), característico de esgoto fresco. Os processos de oxidação biológica normalmente tendem a reduzir o ph. Entretanto, observou-se que os efluentes tratados dos três sistemas apresentaram características de ph ligeiramente superiores aos dos efluentes brutos, sendo de 7, para as lagoas LA e LF1 e de 7,9 para LF2, sugerindo que nas lagoas facultativas está ocorrendo um consumo de CO 2 pelas algas fotossinetizantes superior à sua produção de oxigênio. Por outro lado, os teores de oxigênio dissolvido das amostras de esgoto tratado, coletadas próximo à superfície, estiveram sempre superiores a 2,0 mg/l, sugerindo uma adequada aeração do sistema mecanizado da lagoa aerada (2,5 mg/l), assim como evidenciando a existência de uma população de algas suficiente para suprir a demanda exercida pelas bactérias aeróbias, nas lagoas facultativas (2,7 mg/l para LF1 e 4,7 mg/l para LF2). Segundo ARCEIVALA (1981), a faixa de concentração de bactérias coliformes fecais em esgotos domésticos brutos varia de 10 5 a 10 8 organismos/100ml. ROCHA & BRANCO (1979), estimam que cada indivíduo elimina em média de a células por dia e que entre 20% a 33% do peso das fezes humanas é constituído por bactérias do grupo coliforme. As médias geométricas das concentrações de coliformes fecais do esgoto bruto estiveram próximas e até superiores às mencionadas em referências: para a lagoa aerada foi de 2,X10 8 /100mL e para as lagoas facultativas mantiveram-se em torno de 3,5X10 9 /100mL. Configura-se então, um esgoto com elevada probabilidade de concentração de patogênicos. A tabela 4 mostra os dados adotados no dimensionamento das lagoas e aqueles obtidos em medidas de campo. As vazões diárias medidas no período (set a nov/99) indicam que as lagoas aerada e facultativa LF1 estão operando abaixo do valor de projeto (3% para LA e 5% para LF1), enquanto que a LF2 possui uma vazão 34% superior à estimada em seu dimensionamento. É importante observar que as vazões foram obtidas mediante a conversão de lâminas de água em vazão utilizando as expressões definidas por NETTO et. all. (1998) (LA e LF2). Tais medidores de vazão não foram calibrados, uma vez que apresentam distorções em relação as características estabelecidas por modelos teóricos de laboratório, principalmente no que se refere as larguras (W) das gargantas das calhas Parschall e a espessura da parede do vertedor triangular. Por outro lado, os cálculos que envolveram dados de população devem ser vistos como indicativos de tendências, estando sujeitos a confirmações no campo, uma vez que a contagem real dos domicílios atendidos e a verificação da taxa de ocupação domiciliar média não foram realizadas. A concentração média de DBO 5 dos efluentes brutos, como já comentado anteriormente, esteve sempre acima dos valores considerados em projeto, sendo que o esgoto afluente a LA é o de menor concentração (513 mg/l) e o maior é o esgoto bruto que chega na lagoa LF2 (723 mg/l). Da mesma forma, a concentração média de coliformes fecais do esgoto bruto é pelo menos duas unidades logarítmicas superior às estimativas feitas para o dimensionamento. Para os efluentes tratados, nenhum sistema consegue remover carga orgânica e coliformes fecais, com a eficiência pré definida. Verificou-se menor eficiência da lagoa aerada, tanto para DBO 5 (82% previsto e 34% real) como para coliformes fecais (78,4%). As lagoas facultativas tiveram comportamento semelhante em relação em relação a remoção de DBO e organismos patogênicos, por volta de 40% a 5% (DBO) e 99,1% a 99,9%. O melhor desempenho observado foi o da LF2. É interessante estes resultados, uma vez que esta lagoa é a que apresenta maior carga orgânica (1.093 kg.dbo/dia) e consequentemente, uma elevada carga orgânica superficial (1.123 kg DBO/ha.dia). Verifica-se, entretanto, que o aspecto estético da lagoa LF2 apresenta indicativos de anaerobiose. ABES - Associação Brasileira de Engenharia Sanitária e Ambiental 4

5 CONCLUSÕES Com base no trabalho realizado e pelos resultados apresentados, concluiu-se que: 1. As concentrações de carga orgânica e de bactérias coliformes fecais afluentes aos três sistemas são superiores as previstas no dimensionamento dos reatores; 2. Em consequência, as cargas de DBO total e superficial são também superiores as previstas no dimensionamento dos reatores; 3. Nenhum dos três sistemas exibe o desempenho previsto no dimensionamento; Os efluentes tratados apresentam teores de carga orgânica e de bactérias indicadoras que indicam a necessidade de tratamento complementar. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS 1. AMERICAN PUBLIC HEALTH ASSOCIATION (APHA), AMERICAN WATER WORKS ASSOCIATION (AWWA), WATER ENVIROMENT FEDERATION (WEF) Standard Methods for the Examination of Water and Wastewater. 19 a ed., APHA Washington, 1.155p.. 2. VON SPERLING, M Princípios do tratamento biológico de águas residuárias: Introdução à qualidade das águas e ao tratamento de esgotos. 2 a ed. rev. Belo Horizonte: Departamento de Engenharia Sanitária e Ambiental UFMG, Vol. 1, pp CASTRO, A. de A., COSTA, A. M. L. M., CHERNICHARO, C. A. de L., VON SPERLING, E., MOLLER, L. E., HELLER, L., CASSEB, M. M. S., VON SPERLING, M., BARROS, R. T Manual de saneamento e proteção ambiental para os municípios: saneamento. 2 a ed. rev. Belo Horizonte: Departamento de Engenharia Sanitária e Ambiental UFMG. Vol. 2, pp , JORDÃO, E. P. e PESSOA, C. A Tratamento de esgotos domésticos. 2 a ed. rev. Rio de Janeiro: ABES Associação Brasileira de Normas Técnicas, pp , , CAERN - Companhia de Águas e Esgotos do Rio Grande do Norte. set Programa de esgotamento sanitário da cidade do Natal/RN. TOMO I do projeto da bacia I lote I. PROSEGE. Natal.. CAERN - Companhia de Águas e Esgotos do Rio Grande do Norte. set Projeto da estação de tratamento dos esgotos da bacia I. Natal. 7. NETTO, A., Fernandez y Fernandez, M., Araujo, R., Ito, A. E Manual de Hidráulica, 8 a Ed. EDGARD BLUCHER. São Paulo. 70p. 8. SOBRINHO, Pedro A. & TSUTIYA, M. Tomoyuki Coleta e transporte de esgoto sanitário. 1 a ed. São Paulo Departamento de Engenharia Hidráulica e Sanitária da Escola Politécnica da Universidade de São Paulo. pg. 4. ABES - Associação Brasileira de Engenharia Sanitária e Ambiental 5

6 Tabela 1 - Resultados da estatística descritiva dos parâmetros físico-químicos e bacteriológicos do esgoto bruto e tratado da Lagoa Aerada - LA, em Natal-RN (período de ago. /99 a dez. /99). RESULTADOS ST SSu Alc. T DQO DBO 5 ph OD CF ESTATÍSTICOS EB ET EB ET EB ET EB ET EB ET EB ET EB ET ET EB ET Média (*) ,2 2,0 291,3 28,91 27,9 27, ,4 7, 2,5 2,E+08 5,E+07 Mediana ,5 1,5 240,00 200,00 30,0 29, ,4 7,7 2,0 4,0E+08 3,7E+07 Modo - 8,0 2,0 29,00 200,00 30,0 29, ,4 7,7 2,0 - - Desvio padrão ,9 2,0 243,48 240,38,2, ,3 0,3 1,9 2,8E+09 7,7E+09 Mínimo ,0 0,0 80,00 140,00,9 7, ,7,9 0,4 2,1E+07 1,7E+07 Máximo ,0 9,0 997,00 990,00 32,0 31, ,3 8,0 9,0 7,3E+09 2,2E+10 No de Dados ,0 3,0 11,00 11,00 28,0 28, ,0 3,0 15,0 8,00 8,00 Confiança (95,0%) ,9 0,7 13,57 11,49 2,4 2, ,1 0,1 1,1 2,3E+09,5E+09 ABES - Associação Brasileira de Engenharia Sanitária e Ambiental

7 Tabela 2 - Resultados da estatística descritiva dos parâmetros físico-químicos e bacteriológicos do esgoto bruto e tratado da Lagoa Facultativa Primária LF - 1, em Natal/RN (período de jan. /97 a set. /99). RESULTADOS ST SSu T DQO DBO 5 ph OD CF ESTATÍSTICOS EB ET EB ET EB ET EB ET EB ET EB ET ET EB ET Média (*) ,2 1,1 29,4 29,5 950,0 481,29 552,09 280,1 7,1 7, 2,7 3,2E+09 2,0E+0 7 Mediana ,5 0,5 29,0 29,0 84,00 47,10 504,00 20,55 7,2 7, 2,3 7,5E+09 5,3E+0 Modo - - 1,0 0,1 29,0 29,0 1024,00 57,00 55,00 171,00 7,2 7,7 3,5 - - Desvio padrão ,2 1,3 1,5 1,7 477,32 178,74 24,55 142,12 0,3 0,5 1,9 3,3E+10 1,E+0 9 Mínimo ,0 0,0 25,0 25,0 370,00 11,20 240,00 87,10,0,0 0,5 5,8E+08 1,8E+0 Máximo ,0,0 35,0 35,0 3520,00 842, ,00 720,00 7,8 8,8 8,0,9E+10 4,1E+0 9 No de Dados Confiança (95,0%) ,3 0,4 0,5 0,5 140,14 52,48 79,48 43,21 0,1 0,2 1,0 4,1E+10 1,7E+0 9 ABES - Associação Brasileira de Engenharia Sanitária e Ambiental 7

8 Tabela 3 - Resultados da estatística descritiva dos parâmetros físico-químicos e bacteriológicos do esgoto bruto e tratado da Lagoa Facultativa Primária LF - 2, em Natal/RN (período de mar. /98 a set. /99). RESULTADOS SSu DQO DBO 5 T ph OD CF ESTATÍSTICOS EB ET1 ET2 EB ET1 ET2 EB ET1 ET2 EB ET1 ET2 EB ET1 ET2 ET1 ET2 EB ET1 ET2 Média (*),0 0,3 0, ,7 29,8 30,0 7,4 7,8 8,0 4,0 5,5 3,7E+0 9 3,3E+0 7,3E+0 Mediana 5,5 0,2 0, ,0 30,0 30,0 7,4 8,0 8,1 3,0 4,1 5,2E+0 8 3,5E+0,7E+0 Modo 8,0 0,1 0, ,0 30,0 29,0 7,5 8,0 8, Desvio padrão 2,8 0,3 0, ,2 1,4 1,4 0,4 0,5 0,4 3,5 4,4 3,E+1 1 9,8E+0 9,8E+0 Mínimo 1,0 0,1 0, ,0 28,0 28,0,4 7,0 7,0 1,2 1,5 3,5E+0 7 1,8E+0 5 1,8E+0 Máximo 11, 0 0,9 1, ,0 33,2 32,5 8,4 8,4 8,7 11,0 15,0 8,E+1 1 3,0E+0 7 2,9E+0 7 No de Dados Confiança 1,1 0,3 0, ,5 0,8 0,8 0,2 0,3 0,3 3,2 3,7 2,8E+1 7,5E+0 7,5E+0 (95,0%) 1 ABES - Associação Brasileira de Engenharia Sanitária e Ambiental 8

9 Tabela 4 - Análise comparativa dos parâmetros de projeto e as obtidas no campo, das lagoas Aerada e Facultativas 1 e 2, em Natal-RN (jan/97 a set/99). Parâmetros Simbologia Unidade Lagoa Aerada Lagoa Facultativa Primária 1 Lagoa Facultativa Primária 2 Projeto Real Projeto Real Projeto Real População servida Pop. hab Vazão média Q m³/d Área A m² Tempo de detenção hidráulico TDH dia 1,5 2, Demanda Bioquímica DBO afluente mg/l de Oxigênio DBO efluente mg/l CF afluente CF/100mL N/D 2,E+08 5,0E+07 3,2E+09 5,0E+07 3,7E+09 Coliformes Fecais CF efluente CF/100mL N/D 5,E+07 5,2E+05 2,0E+07 4,8E+05 5,3E+0 Eficiência de E DBO % 82,13 34,50 79,70 49,17 80,12 5,28 remoção E CF % N/D 78,4 98,9 99,38 99,04 99,8 Carga de DBO C kg DBO/d Carga Orgânica Superficial λs kg DBO/d Contribuição esgotos Q esgotos L/hab.d Contribuição DBO q DBO g.dbo/hab.d ABES - Associação Brasileira de Engenharia Sanitária e Ambiental 9