ESTUDO DO TRANSPORTE E COMPORTAMENTO DO EFLUENTE DE FOSSA SÉPTICA NO LENÇOL FREÁTICO

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1 ESTUDO DO TRANSPORTE E COMPORTAMENTO DO EFLUENTE DE FOSSA SÉPTICA NO LENÇOL FREÁTICO A. P. Oliveira Netto 1 ; E. L. C. Amorim 1 ; M. G. Barboza 2 ; C. C. Freire 3. 1-Mestrando em Hidráulica e Saneamento e bolsista CNPq da Universidade de São Paulo/USP Rua Américo Jacomino Canhoto 175 Jardim Nova Santa Paula São Carlos-SP , tel. (0**16) netto@sc.usp.br, eduardo@sc.usp.br 2-Professor do Departamento de Construção Civil e Transportes CCT/ CTEC / UFAL, mbarboza@ctec.ufal.br 3-Professora do Departamento de Águas e Energia DAE/ CTEC / UFAL, ccf@ctec.ufal.br RESUMO Diante do acentuado crescimento populacional vem sendo observado que a rede coletora de esgoto está se tornando cada vez mais incapaz de suprir as necessidades da população. Segundo CASAL (2000) estima-se que o sistema coletor de esgotos sanitários na cidade de Maceió atinge por volta de 27% da população. Através da ineficiência do sistema de coleta de esgoto a utilização do sistema fossa séptica/sumidouro pode agravar o problema da qualidade da água subterrânea. O objetivo deste trabalho consiste na análise do comportamento da pluma de esgoto doméstico tratado em sistemas de tanques sépticos no lençol freático, utilizando 02 métodos: o experimental, que consiste na utilização de uma coluna de vidro contendo solo da região estudada, visando analisar em laboratório o transporte e comportamento de substâncias químicas; e o método numérico, que consiste na simulação numérica da propagação da mesma pluma no lençol freático utilizando a ferramenta VisualMODFLOW. A análise de parâmetros estatísticos indicaram êxito na modelagem do comportamento da pluma de efluente de fossa séptica, possibilitando que simulações fossem executadas com novos cenários. PALAVRAS-CHAVE: Lençol freático, fossa séptica, Visual MODFLOW. ABSTRACT Ahead of the accented population growth it comes being observed that the collecting net of sewer is if becoming each time more incapable to supply the necessities of the population. According CASAL (2000) esteem itself that the collecting system of sanitary sewage in the city of Maceió reaches for return of 27% of the population. Through the inefficiency of the sewage system collection the use of the septic system can aggravate the problem of the quality of the groundwater. The objective of this work consists of the analysis of the behavior of the pen of domestic sewage treated in systems to septic tanks in the groundwater, using 02 methods: the experimental, that it consists of the use of a glass column contend soil of the studied region, aiming at to analyze in laboratory the transport and behavior of chemical substances; and the numerical method, that consists of the numerical simulation of the propagation of the same pen in the groundwater using the Visual MODFLOW. The analysis of statistical parameters indicated success in the modeling of the behavior of the effluent pen of septic tanks, making possible that simulations were executed with new scenes.

2 1. INTRODUÇÃO Mundialmente, o volume de água doce estocado nos mananciais subterrâneos do planeta é estimado, atualmente, em 10,5 milhões de quilômetros cúbicos. Isto é, desconsiderando a parcela congelada (cerca de 68,7% da água doce), 98% da água doce disponível encontra-se nos poros e fissuras milimétricas do subsolo de continentes e ilhas da Terra (Setti, 2001). Considerando que nos últimos cinqüenta anos a disponibilidade de água por habitante diminuiu 60%, enquanto nesse mesmo período a população cresceu cerca de 50% (ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DE ÁGUAS SUBTERRÂNEAS - ABAS, 2003), a procura pela água subterrânea aumenta significantemente a cada ano, apesar de ser considerada uma reserva estratégica para a humanidade. De acordo com o Instituto Brasileiro de Geografia e Estatística IBGE (Recursos Naturais e Meio Ambiente, 1998 citado em ANA, 2002) estima-se que, no Brasil, 51% do suprimento de água potável seja originado do recurso hídrico subterrâneo. A existência de inúmeras doenças de veiculação hídrica causadas pelo lançamento de poluentes no solo, sendo transportados para os lençóis freáticos, que por sua vez vem sendo bastante explorados no Brasil de maneira desordenada para o consumo humano, vem despertando a atenção de muitos pesquisadores (ACIOLI, 2002). Em Maceió, diante do seu acentuado crescimento populacional e da falta de investimentos em saneamento básico, vem sendo observado que a rede coletora de esgoto está se tornando cada vez mais incapaz de atender as necessidades da população. Estima-se que o sistema coletor de esgotos sanitários na cidade de Maceió beneficia apenas habitantes, por volta de 27% da população da cidade. Diante desse quadro, cresce o número de sistemas individuais de tratamento de esgotos através de fossa séptica (CASAL, 2000). Estudos realizados (GERBA, 1984) relacionados ao tratamento de esgoto sanitário utilizando fossa séptica, mostram que este tipo de tratamento primário, não atinge eficiências maiores que 50% de redução de sólidos em suspensão e DBO de 30%, podendo aumentar o risco de contaminação do lençol freático. É de extrema relevância, no âmbito dos cuidados com as águas subterrâneas, simular o comportamento de poluentes lançados nos aqüíferos para se evitar ou criar mecanismos de descontaminação, com objetivo de eliminar a ação do agente poluidor. O software Visual MODFLOW (Modular Three- Dimensional Finite-Difference Ground-Water Flow Model, McDonald e Harbaugh, 1988) será aplicado para se obter a simulação do comportamento da pluma de contaminante no lençol freático. 2. METODOLOGIA Foi criado no Laboratório de Saneamento da UFAL um protótipo contendo um tubo de vidro com amostra de solo de sumidouro escavado na região alta da cidade de Maceió (Tabuleiro) que simulou a propagação da pluma de efluente de fossa séptica através do fluxo subterrâneo. Esse protótipo recebeu efluente de fossa séptica que foi montada em escala de bancada (escala 1/10), alimentado com esgoto sanitário sintético. Numa segunda etapa do trabalho, realizou-se uma análise numérica utilizando a ferramenta Visual MODFLOW da WATERLOO HYDROGEOLOGIC para efeito de correlação com os estudos feitos em laboratório. O modelo representará exatamente o

3 experimento criado em laboratório, para efeito de correlação e ampliação de sua simulação. ETAPA EXPERIMENTAL O protótipo foi constituído de uma coluna de vidro contendo solo, ligada a uma fossa séptica de vidro, em escala de bancada de 1/10, onde trata esgoto sintético. O protótipo foi armazenado em uma câmara com temperatura constante e foi alimentado com esgoto sanitário sintético a uma vazão de 5,2 ml/min. Figura 1 - Esquema do protótipo Coluna de solo A coluna foi preenchida com amostra de solo. O solo coletado na zona alta de Maceió (Tabuleiro do Martins) é predominantemente arenoso (97%) com apenas 2% de argila, com ph = 4,5. A Tabela 1 mostra as características físicas e químicas do solo, cujas análises foram realizadas pelo Laboratório de Mecânica dos Solos - Núcleo de Pesquisas Tecnológicas da UFAL. Tabela 1 - Características físico-químicas dos solos das colunas Parâmetros Solo Fração do Solo Argila 2% Silte 1% Fração de Areia Areia fina (0,06-0,2mm) 10% Areia média (0,2-0,6mm) 55% Areia grossa (0,6-2mm) 32% Textura Arenosa ph 4,5

4 O comprimento da coluna montada foi de 0,48 m e o valor médio observado da condutividade hidráulica K foi de 0,00104 m/s. Fossa séptica A fossa séptica foi montada no em vidro na escala de 1/10, com dimensões de 8 cm x 25 cm x 150 cm. Foi adotado esgoto sintético para o experimento, com o objetivo de trazer mais segurança ao manuseá-lo, caso houvesse algum vazamento, sem trazer prejuízos à saúde do operador. O esgoto possui as mesmas características do doméstico. Sua composição foi adaptada de TORRES (1992). O esgoto sintético foi armazenado em refrigerador com objetivo de diminuir a atividade de degradação microbiológica e manter a concentração inicial. As análises físico-químicas realizadas nesta pesquisa foram ph, DQO, sólidos, ácidos voláteis e alcalinidade, sendo realizadas segundo as normas da Standard Methods - APHA (1997). ETAPA DE SIMULAÇÃO Na etapa de simulação computacional foi realizada uma análise numérica utilizando a ferramenta Visual MODFLOW da WATERLOO HYDROGEOLOGIC, pois o objetivo foi encontrar uma correlação entre os estudos desenvolvidos em laboratório e a análise computacional. Para a fase de análise numérica realizou-se simulação da propagação da pluma de efluente de fossa séptica na coluna de solo mostrada na Figura 1, tendo como dados de entrada para a simulação, a DQO afluente da amostra de solo do 82 dia operação do sistema fossa séptica/sumidouro. Para se processar o software Visual MODFLOW, é necessário que se definam alguns parâmetros de execução, que são opções selecionadas durante o procedimento de simulação. A opção inicial para a simulação do fluxo foi o Regime Estacionário de Circulação, onde todos os parâmetros definidos para o modelo se mantêm constantes ao longo do tempo. A escolha dessa simulação estacionária foi com o objetivo de se obter um modelo calibrado com base nos níveis freáticos estáticos medidos nos poços de observação para um determinado período; avaliar os dados de campo e o modelo hidrogeológico proposto; verificar a sensibilidade do modelo em função da variação de parâmetros; e produzir, como resultado da simulação, um banco de dados contendo a distribuição espacial final das cargas hidráulicas, calculadas na simulação. Considerou-se que o modelo estava calibrado quando os dados empregados na simulação foram coerentes. Esse processo consistiu na realização de ajustes no conjunto de valores inicialmente definidos para os parâmetros hidrodinâmicos e condições de contorno, de modo a se estabelecer um novo conjunto de valores, capazes de permitir ao modelo uma melhor reprodução das alturas médias dos níveis freáticos observados nos poços monitorados no período de 98 dias de operação do experimento, representando de forma satisfatória o modelo experimental. 3. RESULTADOS Foram estudados seis pontos de coleta de amostras no protótipo criado em laboratório. O ponto 1 corresponde à entrada da fossa séptica, o ponto 2 a saída da fossa séptica, os pontos 3, 4 e 5 correspondem à primeira, segunda e terceira

5 torneira da coluna de solo, e o ponto 6 a saída da coluna de solo (Ver Figura 1). ph e Alcalinidade As variações temporais de ph e alcalinidade no efluente da fossa séptica, conforme apresentado na Figura 3 indica que o ph esteve sempre em torno da neutralidade. unidade 8,0 7,5 7,0 6,5 6,0 5,5 5, Tempo (dia) Figura 3 - Variação temporal do ph. Ponto 1 Ponto 2 Ponto 3 Ponto 4 Ponto 6 A alcalinidade no efluente variou 34,9 a 43,5 mgcaco3/l, com valor médio igual a 37,9 mgcaco3/l e desvio padrão de 3,5 mgcaco3/l. DQO As eficiências de remoção de DQO foram determinadas considerando afluente bruto e o efluente filtrado. A remoção média de DQO, após alcançar o equilíbrio dinâmico aparente, foi da ordem de 64,3% até o 98 dia de operação do protótipo de fossa séptica. A variação temporal da DQO no protótipo é mostrada a seguir: Concentração (mg/l) Tempo (dia) Figura 5 - Variação temporal da DQO PONTO 1 PONTO 2 PONTO 3 PONTO 4 PONTO 5 PONTO 6 No ponto 1, Figura 5, observa-se que a DQO possui dois valores de concentração considerados elevados quando comparados com esgoto sanitário, no 49 dia de operação foi encontrado mg/l de DQO e no 98 dia 938 mg/l de DQO. Possivelmente, houve carreamento de partículas sólidas na hora da coleta da amostra, ou erro na preparação do substrato. Este fato também ocorreu para a DQO filtrada (Figura 6). Concentração (mg/l) Tempo (dia) Figura 6 - Variação temporal da DQO centrifugada PONTO 1 PONTO 2 PONTO 3 PONTO 4 PONTO 5 PONTO 6 A capacidade de hidrólise dos sólidos em sistemas de tratamento biológicos pode ser observada através dos resultados de DQO bruta afluente e efluente. Os resultados mostram que a fossa séptica apresenta características de hidrólise inferior aos sistemas de tratamento de efluentes utilizando reatores acidogênicos para pré-tratamento de efluentes de acordo com pesquisa realizada por BARBOZA E FORESTI (2002).

6 Sólidos Totais, fixos totais e voláteis. Os valores médios de sólidos totais no protótipo foram 1115 mg/l no afluente e 658 mg/l no efluente da fossa séptica, para o período de 82 ao 98 dia de operação, com temperatura de 25 C. Os valores nos mostram uma eficiência de 41% na remoção de sólidos totais, 50,6% na remoção de sólidos fixos e uma eficiência de 28,8% na remoção de sólidos voláteis. Esses resultados mostram confirmam que a fossa séptica não tem boa eficiência na remoção de sólidos comparada com o tratamento de efluentes utilizando filtro anaeróbio de bambu para pré-tratamento de diversos tipos de efluentes de acordo com pesquisas realizadas por (CAMARGO E NOUR, 2000). Concentração (mg/l) Ponto de Amostragem ST (mg/l) SFT (mg/l) SV (mg/l) Figura 10 - Análise espacial dos Sólidos Totais, Fixos Totais e Voláteis no 82 dia de operação. Ácidos Voláteis A variação espacial da concentração de ácidos voláteis na fossa séptica foi determinada por titulação. O valor médio de ácidos voláteis, determinados por titulação, a partir do equilíbrio aparente foi de 30,7 mg/l. Resultados da Simulação Computacional A Figura 12 mostra o mapa do contorno obtido, após calibração para a camada de solo, além dos poços de observação que representam as torneiras de coleta da fase experimental. Figura 12 - Mapa com as linhas equipotenciais na camada de solo e poços de observação. Figura gerada pelo Visual MODFLOW. Pode-se verificar que o contaminante liberado da fonte convergiu da entrada do solo (face esquerda da coluna de solo) para a saída do solo (face direita da coluna de solo) do domínio simulado. Isso era previsto devido ao gradiente hidráulico gerado pelo fluxo. Observou-se ainda que a pluma de contaminante atingiu todos os poços de observação, o que pode ser comprovado analisando-se a Figura 16, que mostra o perfil em 3D do solo.

7 Figura 16 - Mapa em 3D das concentrações no solo. Tempo de simulação de 98 dias. O vermelho corresponde a uma concentração de 216 mg/l e azul de aproximadamente 73 mg/l. Figura gerada pelo Visual MODFLOW. A tabela a seguir compara os valores de concentração de DQO calculados pelo modelo e medidos diretamente nos poços de observação. Tabela 4 - Comparação entre os valores de concentração de DQO calculados pelo modelo e medidos diretamente nos poços de observação. Poço Concentração de DQO calculada (mg/l) Concentração de DQO observada (mg/l) Erro (mg/l)=cal - Obs TC TC TC CONCLUSÕES Diante dos resultados obtidos e do estudo desenvolvido ao longo do trabalho, pode-se dizer que, observou-se êxito na modelagem do comportamento da pluma de efluente de fossa séptica, uma vez que os indicadores de calibração do programa indicaram a fidelidade da simulação (coeficiente de correlação igual a 0,972). Os baixos valores de concentração do contaminante nunca chegam a se anular devido ao fato de existir certa faixa em que os microrganismos não conseguem digerir a matéria orgânica. Isso se explica pelo fato da reação cinética ser de primeira ordem, sempre restando certa quantidade de resíduos a serem degradados. Em regiões que possuem solo siltoarenoso, ou outros de boa absorção, com níveis

8 freáticos de grandes profundidades, tornam a solução individual fossa séptica/sumidouro a mais utilizada e a mais recomendada para baixos níveis de densidade demográfica, cuja utilização da rede de esgoto torna-se inviável economicamente. Há estudos de caracterização hidrogeológica nos mananciais de Maceió, porém, ainda existe uma carência de pesquisas que indiquem a situação atual da influência dos contaminantes nos aqüíferos. 6. REFERÊNCIA ABAS Água Subterrânea - curiosidades. Disponível on-line em oes _anteriores/136/paginas/15.htm. Acesso em 24/04/2003. ACIOLI, L. A. E ARAÚJO, L. M. (2002). Análise do comportamento do fosfato em um aqüífero, utilizando o MODFLOW: Estudo de caso. MACEIÓ, AL. Monografia (Graduação) Engenharia Civil, Universidade Federal de Alagoas. ANA Agencia Nacional de Águas Superintendência de Informações Hidrológicas SIH. Disponível on-line Acesso em 09/01/2005. APHA; AWWA; WPCF (1997). Standard Methods for Examination of Water and Wastewater. 20th ed. American Public Health Association, Washington. BARBOZA, M. G., FORESTI, E. (2002). Efeitos da temperatura e velocidade superficial em sistemas anaeróbios de duas fases tratando esgoto sanitário sintético em reatores horizontais com células imobilizadas, SÃO CARLOS, SP. Tese (Doutorado) Escola de Engenharia de São Carlos, Universidade de São Paulo. CASAL COMPANHIA DE ABASTECIMENTO D ÁGUA E SANEAMENTO DO ESTADO DE ALAGOAS INFORMAÇÕES GERAIS. Disponível on-line em Acesso em 26/07/2004. GERBA, C. P.; BITTON, G. (1984) Microbial pollutants: their survival and transport pattern to groundwater. In: BITTON, G.; GERBA, C.P. (Eds). Groundwater pollution microbiology. New York, John Wiley & Sons. P MCDONALD, M.G. e HARBAUGH, A.W., A modular Three-Dimensional Finite-Difference Ground Water Flow Model, Techniques of Water-Resources Investigations of the United State Geological Survey, Book6, Chapter Al, USCS Open-File Report ,1988. SETTI, A. A. [et al.]. (2001). Introdução ao gerenciamento de recursos hídricos. 3ª ed. Brasília: Agência Nacional de Energia Elétrica; Agência Nacional de Águas. TORRES, P. (1992) Desempenho de um reator anaeróbio de manta de lodo (UASB) de bancada no tratamento de substrato sintético simulando esgoto sanitário. SÃO CARLOS, SP. Dissertação (Mestrado) Escola de Engenharia de São Carlos, Universidade de São Paulo. WATERLOO HYDROGEOLOGIC, Disponível on-line em /mt3d/mt3d_ov.htm, acesso em 04/01/05.