MODELAGEM MATEMÁTICA DA RELAÇÃO ENTRE DBO TOTAL E DBO SOLÚVEL VERSUS A TAXA DE APLICAÇÃO SUPERFICIAL, EM LAGOAS DE ESTABILIZAÇÃO
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- Ana Júlia Bugalho de Abreu
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1 MODELAGEM MATEMÁTICA DA RELAÇÃO ENTRE DBO TOTAL E DBO SOLÚVEL VERSUS A TAXA DE APLICAÇÃO SUPERFICIAL, EM LAGOAS DE ESTABILIZAÇÃO José Moreno (1) Engenheiro Civil - Faculdade de Engenharia de Ilha Solteira - UNESP Mestre em Hidráulica e Saneamento pela EESC - USP. Engenheiro da Divisão de Projetos da U.N. Médio Tietê - SABESP. Carlos Augusto de Carvalho Magalhães Engenheiro Civil - Universidade Federal do Ceará. Mestre em Hidráulica e Saneamento pela EESC - USP. Doutorando em Hidráulica e Saneamento da EESC - USP. Engenheiro da Divisão de Projetos da U.N. Médio Tietê - SABESP. Alceu de Castro Galvão Júnior Engenheiro Civil - Universidade Federal do Ceará. Mestre em Hidráulica e Saneamento pela EESC - USP. Engenheiro da Divisão de Projetos da U.N. Médio Tietê - SABESP Endereço (1) : Rua Dr. Costa Leite, Centro - Botucatu - São Paulo - CEP: Brasil - Tel: (014) Fax: (014) sabespim@laser.com.br RESUMO As lagoas de estabilização constituem-se na forma mais simples de tratamento dos esgotos. A eficiência de um processo biológico de tratamento de esgotos tem sido tradicionalmente avaliada mediante a análise da DBO que constitui uma medida indireta da matéria orgânica presente. Os modelos matemáticos usualmente empregados fornecem somente a DBO solúvel como estimativa da concentração de carga orgânica do efluente final. No entanto, a eficiência total de um sistema de tratamento é medida em função da carga orgânica total (DBO total). YÁNEZ (1993) através de pesquisas realizadas no Peru, obteve uma correlação entre DBO total e DBO solúvel versus a taxa de aplicação superficial. Essa relação tem sido largamente adotada na elaboração de projetos de lagoas de estabilização. Observa-se que tal modelagem foi obtida a partir de pesquisas realizadas no Peru, onde as condições climáticas são diferentes daquelas normalmente encontradas no Brasil, particularmente no interior do Estado de São Paulo. Através de amostras coletadas em lagoas de estabilização operadas pela Companhia de Saneamento Básico do Estado de São Paulo (SABESP), verificou-se a validade da relação entre DBO total e DBO solúvel versus a Taxa de Aplicação Superficial, proposta por YÁNEZ (1993), para as condições ambientais do Estado de São Paulo, obtendo-se uma nova equação para esta relação. PALAVRAS-CHAVE: Lagoas de Estabilização, DBO Solúvel, DBO Total, Taxa de Aplicação, Modelagem Matemática. ABES - Associação Brasileira de Engenharia Sanitária e Ambiental 326
2 INTRODUÇÃO As lagoas de estabilização constituem-se na forma mais simples de tratamento dos esgotos. Este processo de tratamento é utilizado em locais onde o custo do terreno é baixo, as condições climáticas (insolação e temperatura) são favoráveis, nos quais ocorrem grandes variações de carga orgânica e, principalmente, onde se requer uma alta redução de organismos patogênicos. Seu principal objetivo é a remoção da matéria carbonácea. O processo de tratamento consiste na retenção dos esgotos por um período longo de tempo, suficiente para que os processos naturais de estabilização da matéria orgânica se desenvolvam. As lagoas anaeróbias são consideradas unidades de tratamento primário. São dimensionadas para operarem com elevada carga orgânica, de forma a manter a ausência de oxigênio molecular em sua coluna líquida (condições anaeróbias) e assim, promover a estabilização da matéria orgânica utilizando os processos de sedimentação e digestão anaeróbia (CARVALHO, 1997). Uma série de mecanismos contribuem para a purificação dos esgotos. A matéria orgânica dissolvida (DBO solúvel) e a matéria orgânica em suspensão de pequenas dimensões (DBO finamente particulada) não se sedimentam, permanecendo dispersas na massa líquida onde se promove o crescimento contínuo de biomassa que, sintetiza dentro das células vivas, a maior proporção da matéria orgânica que se acha dissolvida. A biomassa das lagoas anaeróbias é formada, basicamente, por bactérias enquanto que nas lagoas facultativas é formada, principalmente, por algas e microorganismos que vivem simbioticamente. Embora haja modelos matemáticos que possibilitem uma estimativa da concentração efluente de DBO, as lagoas de estabilização têm sido dimensionadas, principalmente, segundo critérios empíricos. Vários são os parâmetros utilizados para se projetar lagoas de estabilização: tempo de detenção hidráulico, taxa de aplicação volumétrica para lagoas anaeróbias e taxa de aplicação superficial para lagoas facultativas. Por outro lado, a eficiência de um processo biológico de tratamento de esgotos tem sido, tradicionalmente, avaliada mediante a análise da DBO que constitui uma medida indireta da matéria orgânica presente. Os modelos matemáticos usualmente empregados fornecem somente a DBO solúvel como estimativa da concentração de carga orgânica do efluente final. No entanto, a eficiência total de um sistema de tratamento é medida em função da carga orgânica total (DBO total). YÁNEZ (1993) através de pesquisas realizadas no Peru, obteve uma correlação entre DBO total e DBO solúvel versus a taxa de aplicação superficial, a qual é apresentada na Figura 01. ABES - Associação Brasileira de Engenharia Sanitária e Ambiental 327
3 Essa relação tem sido adotada na elaboração de projetos de lagoas de estabilização. Entretanto, tal modelagem foi obtida a partir de pesquisas realizadas no Peru, onde as condições climáticas são diferentes daquelas normalmente encontradas no Brasil, particularmente no interior do Estado de São Paulo. Daí a necessidade de se verificar a validade da modelagem matemática existente. Figura 01 Correlação da DBO total com a DBO solúvel versus a Taxa de Aplicação Superficial DBOtotal / DBOsolúvel 2,7 2,6 2,5 2,4 2,3 2,2 2,1 2 1,9 1,8 1,7 1,6 1, Taxa de Aplicação Superficial - Ls (kg DBO / ha.dia) Fonte: adaptado de YÁNEZ (1993) O sistema de lagoas de estabilização tem sido largamente empregado no interior do Estado de São Paulo, pela Companhia de Saneamento Básico do Estado de São Paulo (SABESP). A Unidade de Negócio do Médio Tietê da SABESP, responsável pela operação dos sistemas de água e esgoto da Bacia Hidrográfica do Médio Tietê, possui 19 Estações de Tratamento de Esgoto (ETE) por lagoas de estabilização, principalmente em cidades e distritos com populações inferiores a habitantes. Dentre essas 19 ETEs, foram estudadas as lagoas de estabilização das cidades de Arealva, Areiópolis, Bocaina, Itatinga e Macatuba e do distrito de Jacaré no município de Cabreúva. OBJETIVO O presente trabalho tem como objetivo verificar a validade da relação entre DBO total e DBO solúvel versus a Taxa de Aplicação Superficial em lagoas de estabilização, proposta por YÁNEZ (1993), para as condições ambientais do Estado de São Paulo - Brasil. METODOLOGIA Os parâmetros físicos e químicos analisados neste trabalho foram obtidos junto ao Laboratório de Controle Sanitário da Unidade de Negócio do Médio Tietê. Essas análises foram realizadas de forma contínua, sem freqüência definida, com o objetivo de ABES - Associação Brasileira de Engenharia Sanitária e Ambiental 328
4 acompanhar a eficiência operacional das ETEs. O período de amostragem (1994 a 1998), variou conforme a unidade de tratamento, havendo ETEs com análises disponíveis desde o início de sua operação. As amostras dos esgotos, afluentes e efluentes das lagoas anaeróbias e facultativas foram coletadas de forma pontual e em horários diferentes. Tais amostras foram analisadas em laboratório segundo os métodos descritos no Standard Methods for Examination of Water and Wastewater 16ª ed. O parâmetro estudado foi a Demanda Bioquímica de Oxigênio (DBO), avaliada em termos de DBO solúvel e total. Os dados de vazões foram obtidos a partir dos volumes micromedidos de água utilizada para o abastecimento público, considerando-se também o coeficiente de retorno esgoto / água, o percentual de atendimento esgoto / água e a taxa de infiltração, conforme indicado na equação 01: Q = M x C x t +I equação (01) Onde: Q : vazão média afluente a ETE (l/s); M: volume de água micromedido (hidrometrado para consumo público); C: coeficiente de retorno esgoto/água (0,8); t : índice de atendimento esgoto/água; I : taxa de infiltração (0,1 l/s.km para rede coletora e 0,5 l/s.km para coletores-tronco e emissários). A Tabela 01 apresenta as características principais dos dados utilizados no procedimento metodológico. Tabela 01 Características Operacionais das ETEs LOCAL PERÍODO DE COLETA (mês/ano) FAIXAS DE TEMPERATURA ( C) FAIXAS DE VAZÃO (l/s) POPULAÇÃO ATENDIDA (hab.) Arealva 01/94 11/ ,62 11, Areiópolis 01/94 04/ ,22 18, Bocaina 02/94 07/ ,42 20, Itatinga 02/94 05/ ,97 28, Jacaré 07/96 10/ ,86 10, Macatuba 02/94 06/ ,19 39, As lagoas de estabilização, acima, foram escolhidas por apresentarem a mesma concepção de tratamento: lagoa anaeróbia seguida por lagoa facultativa e por estarem localizadas em cidades de pequeno porte, com população abaixo de habitantes. As principais características construtivas das lagoas anaeróbias e facultativas a serem estudadas são apresentadas na Figura 02. ABES - Associação Brasileira de Engenharia Sanitária e Ambiental 329
5 RESULTADOS E DISCUSSÃO Como todas as amostras foram coletadas de forma pontual, foram desconsiderados, em função horário e da temperatura do ar no dia da coleta, vários resultados que não eram representativos. Para se avaliar a eficiência de um sistema de lagoas de estabilização, utilizando a DBO, o ideal é que se façam coletas de amostras compostas (24 horas), pois a atividade fotossintética da biomassa de algas nas lagoas facultativas sofre variações diurnas significativas, uma vez que, durante o dia, a concentração de oxigênio dissolvido vai aumentando até atingir um valor máximo à tarde, quando, então, começa a diminuir, chegando a um valor mínimo durante a noite. A estratificação térmica é outro fator que intervém no mecanismo de tratamento das lagoas facultativas e que, não foi considerado neste estudo. Na Figura 03 são mostrados os resultados das análises laboratoriais e dados levantados. ABES - Associação Brasileira de Engenharia Sanitária e Ambiental 330
6 Figura 03 - Relação da DBO total com a DBO solúvel versus a Taxa de Aplicação Superficial. DBO t / DBO 5 2,6 2,4 2,2 2,0 1,8 1,6 1,4 1,2 1,0 Itatinga Arealva Areiópolis Bocaina Jacaré Macatuba Ls (kg DBO / ha.dia) Recomenda-se o uso, para regiões com inverno e insolação moderada, taxa de aplicação superficial inferior a 300 kg DBO 5 / ha.dia. Restringiu-se o presente estudo, a taxa de aplicação superficial ao valor supracitado e assim, determinou-se uma nova correlação, a qual é apresentada na Figura 04: Figura 04 Formulação Matemática Proposta. DBOt / DBOs 2,5 2,3 2,0 1,8 1,5 1,3 1,0 Equação Proposta DBOt / DBOs = 5,8942.Ls -0, Valores calculados a partir de ensaios de laboratório Curva Proposta por YÁNEZ (1993) Através de um estudo comparativo da curva obtida por YÁNEZ (1993) e a proposta no presente trabalho, para Ls uma (kg taxa DBO5 de aplicação / ha.dia) superficial de 100 a 300 DBO 5 / ha.dia, obteve-se a Tabela 02: Tabela 02 - Relação da DBO solúvel com a DBO total Ls DBO solúvel / DBO total (kg DBO 5 / ha.dia) YÁNEZ (1993) Curva proposta 100 0,44 0, ,50 0, ,54 0,76 CONCLUSÃO E RECOMENDAÇÕES FINAIS ABES - Associação Brasileira de Engenharia Sanitária e Ambiental 331
7 Não foi possível comprovar a correlação proposta por YÁNEZ (1993) e portanto sugerese a utilização da seguinte equação para as condições climáticas verificadas no Estado de São Paulo: DBOt / DBOs = 5,8942.Ls -0,2626 equação (02) Esta equação deve ser vista com reservas, em razão dos dados terem sido obtidos a partir de resultados de amostras simples. Entretanto, observa-se que a equação sugerida, situa-se abaixo daquela proposta por YÁNEZ (1993). Tal diferença, entre 23 a 29%, para uma taxa de aplicação superficial entre 100 e 300 kg DBO 5 / ha.dia, caso seja confirmada, permitirá projetar lagoas de estabilização com dimensões menores daquelas dimensionadas pelo critério atual, com significativos ganhos econômicos na implantação de futuras lagoas de estabilização. Portanto, recomenda-se uma validação dessa formulação matemática, determinada através de um programa de monitoramento através de coletas de amostras compostas, durante um período mínimo de 1 ano. AGRADECIMENTOS Ao Departamento de Empreendimentos do Médio Tietê - IME, pelo apoio. Ao Departamento Técnico do Médio Tietê - IMT, pelo fornecimento dos laudos laboratoriais. Ao Eng.º Erich Kellner, pela consultoria. BIBLIOGRAFIA 1. ARCEIVALA, S.J. Wastewater treatment and disposal. Marcel Dekker, New York, CARVALHO, M.E. Avaliação do Desempenho das Lagoas de Estabilização do Sistema Integrado do Distrito Industrial (SIDI) de Maracanaú CE, tratando água residuária composta (Doméstica e Industrial). Fortaleza. Dissertação (mestrado) Coordenação do Curso de Pós-Graduação em Engenharia Civil Área de Concentração Saneamento Ambiental, Universidade Federal do Ceará, GLOYNA, E.F. Estanques de Estabilizacion de Aguas Residuales, Genebra (Organizacion Mundial de la Salud, Serie de Monografias, no. 60), KELLNER, E. e PIRES, E.C. Lagoas de Estabilização Projeto e Operação, Rio de Janeiro, ABES, MENDONÇA, S.R. et al. Lagoas de Estabilização e Aeradas Mecanicamente: Novos Conceitos, João Pessoa, METCALF & EDDY, Inc. Wastewater engineering. Treatment, disposal, reuse. 3ª ed., Mc-Graw Hill, VON SPERLING, M. Princípios do Tratamento Biológico de Águas Residuárias - Lagoas de Estabilização Vol.3. Belo Horizonte, UFMG, YÁNEZ, F. Lagunas de estabilization. Teoria, diseño y mantenimiento. ETPA, Cuenca, Equador, ABES - Associação Brasileira de Engenharia Sanitária e Ambiental 332
21º Congresso Brasileiro de Engenharia Sanitária e Ambiental
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