QUALIDADE DE CONTROLE APLICADA A TRATAMENTO DE EFLUENTE DE LATICÍNIO POR SISTEMA ALAGADO CONSTRUÍDO HÍBRIDO

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1 QUALIDADE DE CONTROLE APLICADA A TRATAMENTO DE EFLUENTE DE LATICÍNIO POR SISTEMA ALAGADO CONSTRUÍDO HÍBRIDO Mariane Libório Cardoso Universidade Tecnológica Federal do Paraná, Londrina Pr, Brasil Engenharia Ambiental Ricardo Naganime Costanzi Universidade Tecnológica Federal do Paraná, Londrina Pr, Brasil Engenharia Ambiental Resumo A qualidade dos recursos hídricos está associada com a eficiência dos sistemas de tratamento de efluentes industriais e urbanos, pois os corpos de água são utilizados para diluição. Desta forma, existe uma necessidade premente de monitorar os sistemas de tratamento de efluentes visando possibilitar modificações operacionais preventivas, bem como aumentar a confiabilidade dos processos visando à conformidade dos parâmetros de legislação. Esse trabalho realizou o monitoramento do tratamento de efluente de laticínio por um Sistema Alagado Construído (SAC) Híbrido em escala de bancada, na cidade de Londrina Paraná. As variáveis monitoradas foram: Demanda Química de Oxigênio (DQO), Nitrogênio Total Kjeldahl (NTK), Fósforo total (P-total), ph, Condutividade Elétrica, Cor Aparente e Turbidez. Para cada variável descrita foi realizada uma análise de desempenho do sistema e controle do processo por meio de métodos estatísticos de qualidade, como gráficos de controle de Shewart e índices de capacidade do processo. O cálculo de índice de capacidade do processo permitiu avaliar o desempenho do tratamento de efluentes dentro de valores limites especificados por normas ou legislações. O sistema apresentou capacidade de controle de processo para a maioria das variáveis. Porém, para as variáveis DQO, NTK, P-total, cor e turbidez os índices de capacidade de processo calculados foram menores que 1,0, o que indica que as condições estabelecidas tem possibilidade de não serem alcançadas. Desta forma, o desempenho de um SAC pode ser controlado por processos estatísticos de controle visando a implementação de ações operacionais de melhoria necessárias para evitar valores acima de limites de especificação. Palavras-chave: Sistemas alagados construídos. Efluente de laticínios. Controle de qualidade.

2 1 Introdução A oferta de água no planeta depende do local e é variável no tempo e espaço. A quantidade de água local é determinada pelas condições climáticas, época do ano e atividades humanas, tais como o uso da água para sistemas urbanos, industriais e agrícolas. O uso inadequado dos recursos hídricos pode causar poluição, principalmente pelos despejos de esgoto sanitário e efluentes industriais sem tratamento adequado (MIERZWA & HESPANHOL, 2005). Atualmente, o tratamento de efluentes industriais é imprescindível para conservação dos corpos hídricos, pois dependendo da qualidade do efluente inexiste a capacidade de autodepuração. Esse aspecto é de suma importância, pois acarreta degradação dos sistemas hídricos devido à alta carga de matéria orgânica com a consequente diminuição da concentração de oxigênio dissolvido e a eutrofização pelo excesso de nutrientes. Ambos têm sido objetos de estudo e preocupação (ISCEN et al., 2008; OUYANGA et al., 2006). Efluentes de indústrias de laticínios têm alto potencial poluidor, pois a carga de matéria orgânica de seus derivados é muito alta e há excesso de nutrientes provindos de detergentes e produtos químicos das limpezas dos equipamentos, que são necessárias para indústrias alimentícias (GOMES, 2006). Desta forma, o lançamento de efluentes deste tipo de indústria deve apresentar características e especificações de qualidade adequadas. Ou seja, devem-se prover métodos para controle e redução das variabilidades existentes. Isto acarreta uma necessidade de reformulação de conceitos atuais sobre o uso da água, tratamento e descarte dos efluentes gerados (MIERZWA & HESPANHOL, 2005). Ou seja, a qualidade de um sistema pode ser melhorada pelo controle estatístico do processo como forma de avaliar o processo para que este atenda as legislações vigentes, mesmo que todo sistema apresente variabilidades naturais. Por meio deste método é possível constatar a ocorrência de causas atribuídas ou mudanças no processo para viabilizar ação corretiva mais eficiente para o problema (MONTGOMERY & RUNGER, 2013). Então, a finalidade de um gráfico de controle é a detecção de causas não aleatórias que deixam o sistema fora de controle. Neste contexto, um processo pode ser definido como uma distribuição de probabilidade que representa uma qualidade característica constante ao longo do tempo (WALPOLE et at.,2009). Este trabalho aplica técnicas de controle estatístico em um Sistema Alagado Construído Híbrido que trata efluentes de uma fábrica de laticínios, localizado no Campus da Universidade Tecnológica Federal do Paraná na cidade de Londrina visando estabelecer um melhor controle quanto a procedimentos operacionais e qualidade do efluente lançado.

3 2 Materiais e Métodos 2.1 Características do Sistema Alagado Construído O experimento foi realizado na Universidade Tecnológica Federal do Paraná do campus de Londrina, sendo realizado no período de 90 dias (novembro de 2014 a fevereiro de 2015). O sistema foi confeccionado com duas caixas de polipropileno de dimensões de 0.36 x 0.20 x 0.26 m.. Cada caixa foi conectada em série (adaptado de Begosso, 2009), sendo a primeira um SAC de fluxo horizontal contendo como substrato brita no 0 (malha de 12mm) com a espécie Papiros (Cyperus papyrus nanus) plantada; o segundo SAC de fluxo vertical contendo areia média (de 0,42 mm a 1,2 mm) com a espécie Helicônia (Heliconia psittacorum). O sistema foi alimentado em ciclos de 24 horas com volume de 8 Litros de efluente clarificado de sistema de flotação por ar dissolvido de indústria de laticínio localizado na cidade de Londrina, Paraná. 2.2 Qualidade de Controle Foi aplicada inicialmente estatística descritiva por meio de médias, desvio padrão, coeficiente de variação e normalidade. Para verificação de normalidade, foi utilizado o teste de Shapiro-Wilk pelo software Bioestat 5.3. A constatação de normalidade no teste realizado foi utilizada como condição para uso de métodos estatísticos de controle de qualidade individuais. Caso ocorra não normalidade, foram utilizadas técnicas de controle estatístico de processos pela confecção de gráficos de controle elaborados através das médias móveis. 2.3 Gráficos de Controle Para este trabalho foram utilizados os gráficos de controle de Shewhart. Estes gráficos permitem detectar a ocorrência de causas de variabilidade específicas para permitir uma ação corretiva. Os critérios definidos para verificação do não controle do processo (Smeti, 2007; Benneyan, 1998) foram: Teste 1: um ponto com valor maior do que 3 vezes o desvio padrão; Teste 2: 2 de 3 pontos com valores maiores do que 2 vezes o desvio padrão; Teste 3: 6 pontos consecutivos, todos aumentando ou diminuindo. Os limites superiores e inferiores apresentados nesses gráficos foram calculados pelas eq. 1 e 2, utilizadas apenas para amostras individuais (MONTGOMERY & RUNGER, 2013).

4 (1) (2) Onde: LCS é o limite superior de controle; LCI é o limite inferior de controle; é a média das médias móveis e AM é a amplitude móvel média. 2.4 Índices de Capacidade do Processo O índice de capacidade potencial (Cp) e o índice de desempenho (Cpk) do processo foram calculados para o SAC híbrido visando avaliar se os parâmetros ph, Nitrogênio, Cor Aparente e Turbidez estão dentro do valor máximo exigido pela Resolução CONAMA 430/11 (BRASIL, 2011), para o lançamento do efluente. O Cp considera que o processo está centrado no valor nominal da especificação e é definido pela equação 3. (3) Onde: Cp é a capacidade do processo; LSE é o limite superior de especificação; LIE é o limite inferior de especificação e é o desvio padrão estimado. O Cpk é utilizado caso a média do processo não coincida com o centro do intervalo de especificação (Louzada et. al., 2013) e é determinado pela equação 4. (4) Onde: Cpk é a capacidade do processo não centrado; LSE é o limite superior de especificação; LIE é o limite inferior de especificação;

5 é a média das médias móveis e é o desvio padrão estimado. 3 Resultados 3.1 Normalidade Ao aplicar o teste de normalidade de Shapiro-Wilk para os parâmetros DQO, NTK, P-total, ph, condutividade elétrica, turbidez e cor, a maioria dos parâmetros obtiveram um comportamento não normal, por esse fato os dados foram transformados em médias móveis com realização do teste de normalidade novamente. Desta forma, verificou-se que os dados apresentaram normalidade. Então foram elaborados os gráficos de controle com o cálculo dos limites superiores, inferiores e centrais. 3.2 Gráficos de Controle Os gráficos de controle de processo do SAC híbrido no tratamento de efluente de laticínios apresentaram para a DQO de saída (figura 1) ao longo do tempo um estado de controle, pois estão em conformidade com os limites e apresentam pontos variando acima e abaixo da linha central. Para o teste 1, não existiu nenhum valor fora dos limites de controle, a análise de hipótese para o teste 2 também não apresentou pontos acima de duas vezes a AM e o teste 3 não apresentou pontos seguidos de decaimento ou crescimento. Figura 1 Gráfico de controle de DQO na saída do SAC. Para o nitrogênio, o gráfico de controle (figura 2) apresentou dados dispostos de modo aleatório. Para o teste 1, nenhum ponto ficou fora dos limites de controle.a hipótese do teste 2 e 3

6 não foram confirmadas.ou seja, em conformidade com processos normais de variabilidade, o sistema encontra-se sob controle para a variável Nitrogênio Total. Figura 2 Gráfico de controle de NTK na saída do SAC. Na análise da variação da concentração de fósforo na saída do sistema de tratamento ao longo do tempo, o sistema (figura 3) apresentou uma variação aleatória. Analisando as hipóteses dos 3 testes, tem-se que para a remoção de fósforo o sistema operou de forma controlada, pois as três hipóteses não foram confirmadas. Figura 3 Gráfico de controle de P-total na saída do SAC. Os valores de ph (figura 4) mostraram uma distribuição aleatória no início.para o teste 1 a hipótese não foi ratificada, para o teste 2 também não houve a confirmação da hipótese de 2 de 3 pontos acima de duas vezes a AM, o teste 3 também não foi confirmado. Assim, pode-se considerar

7 o sistema como sob controle. Isto pode ser um fator positivo, pois o ph é um fator importante no lançamento de efluentes em corpos hídricos, sendo que o ph final não deve estar abaixo de 5, segundo a Resolução CONAMA 430 (BRASIL, 2011) Figura 4 Gráfico de controle de ph na saída do SAC. A condutividade elétrica não teve uma disposição aleatória ao longo do período de funcionamento do SAC, porém os pontos flutuaram em sequências contínuas entre a linha central, tanto acima quanto abaixo da mesma. Dentro os testes realizados, a hipótese do teste um não foi confirmada, pois não houve pontos fora dos limites de controle, para o teste 2 não houve confirmação de pontos com valores acima de duas vezes a AM, porém para o teste 3 confirmou-se a hipótese com 7 pontos seguidos acima da média entre a segunda e a oitava semana. Figura 5 Gráfico de controle de Condutividade Elétrica na saída do SAC.

8 A condutividade apresentou um provável acúmulo de sais e sólidos dissolvidos no sistema alagado construído com fluxo vertical. Fato que pode ser verificado no gráfico de controle de condutividade elétrica. O aumento da condutividade elétrica no sistema também pode estar associado a solubilização de substâncias orgânicas. A cor aparente indicou uma distribuição aleatória das amostras, sendo que nenhuma das hipóteses dos três testes escolhidos foi confirmada, ou seja, o sistema apresenta-se sob controlepara a remoção da Cor Aparente ao longo das semanas de funcionamento do SAC. Figura 6 Gráfico de controle de Cor Aparente na saída do SAC. Para a turbidez o gráfico de controle apresentou uma condição não aleatória, com a maioria dos pontos abaixo da linha central. Para o teste 1 foi corroborada a hipótese de pontos acima do limite de controle, confirmando a hipótese de alguma fonte não casual no sistema, que pode ter ocorrido pelo acréscimo de sólidos no substrato de areia, o que aumentou a turbidez nas duas últimas semanas de funcionamento do SAC, porém os testes 2 e 3 não foram confirmados. Figura 7 Gráfico de controle de Turbidez na saída do SAC.

9 3.3 Capacidade do processo Os índices de capacidade do processo para o SAC híbrido foram calculados pelos limites encontrados e para ph e Nitrogênio foram utilizados os limites estabelecidos pela Resolução CONAMA 430/11. A capacidade do processo (Cp) para o ph indicou que o processo é potencialmente aceitável com um índice de 1,31 e para a condutividade elétrica ocorreu um valor igual a 0,89 (abaixo de 1).Portanto o Sistema Alagado Construído híbrido apresentou-se como um processo potencialmente incapaz para esse parâmetro. De acordo com a Resolução CONAMA 430/11 (BRASIL, 2011), os valores de especificação de ph estão entre 5 e 9, sendo o índice calculado para esses limites igual a 1,34. Ou seja, o processo é capaz de atender os valores especificados. Para o parâmetro Nitrogênio, o processo também obteve um índice no qual pode ser classificado como potencialmente capaz. Os valores de Cpk para todos os parâmetros DQO, nitrogênio, fósforo, cor aparente e turbidez mostraram uma sensibilidade menor do processo, pois todos os valores ficaram abaixo de 1 (0,89), o que indica que o processo tem poucas condições para atender as especificações estabelecidas, com a necessidade de uma diminuição da variabilidade do processo (LOUZADA, et. al., 2013). 4 Conclusão Neste trabalho foram aplicadas técnicas de controle estatístico em um SAC híbrido tratando efluente de uma indústria de laticínios para as variáveis DQO, NTK, P-total, ph, condutividade elétrica, cor aparente e turbidez. Este trabalho apresentou como principais conclusões: - As variáveis DQO, nitrogênio total, fósforo, ph e cor aparente estão sob controle no sistema de tratamento de SAC híbrido proposto; - As variáveis condutividade elétrica e turbidez apresentam problemas pontuais devido a fatores de elevação das concentrações no SAC de fluxo vertical devido ao acúmulo de sólidos dissolvidos e suspensos; - Os processos de controle apresentados na forma de média móvel em cartas de controle podem ser utilizados para avaliar o tratamento de SACs. - A capacidade do processo Cp para todos os parâmetros foi potencialmente aceitável para os valores de especificação. - Os valores de Cpk indicaram que há variabilidades inerentes ao processo que precisam ser minimizadas, para que os valores não fiquem fora do limite de especificação.

10 Referências BEGOSSO, Larissa. Determinação de parâmetros de projeto e critérios para dimensionamento e configuração de wetlands construídas para tratamento de água cinza f. Dissertação (Mestrado) - Universidade Federal de Mato Grosso do Sul, Campo Grande, BENNEYAN, J. C. Use and interpretation of statistical quality control charts. International Journal for Quality in Health Care, v.10, n.1. p.69-73, BRASIL. Resolução CONAMA N 430 de 13 de maio de Diário Oficial da República Federativa do Brasil.PoderExecutivo, Brasília, DF, 16 mai N 92 p. 89. ISCEN, C. F.; EMIROGLU, O.; ILHAN, S.; ARSLAN, N.; YILMAZ, V.; AHISKA, S Application of multivariate statistical techniques in the assessment of surface water quality in Uluabat Lake, Turkey. Environmental MonitoringAssessment, 144, p GOMES, André L. Análise técnico-econômica de filtro anaeróbio utilizado para o tratamento de efluentes líquidos de uma indústria de laticínios: estudo de caso f. Dissertação (Mestrado) - Universidade Federal de Minas Gerais, Escola de Engenharia, Belo Horizonte, LOUZADA, Francisco; DINIZ, Carlos; FERREIRA, Paulo; FERREIRA, Edil. Controle estatístico de processos: Uma abordagem prática para cursos de Engenharia e Administração. Rio de Janeiro: LTC, MIERZWA, José Carlos; HESPANHOL, Ivanildo. Água na indústria: uso racional e reúso. Oficina de Textos, MONTGOMERY, Douglas; RUNGER, George C. Estatística aplicada e probabilidade para engenheiros. Rio de Janeiro: LTC,2013. OUYANGA, Y.; NKEDI-KIZZAB, P.; WUC, Q.T.; SHINDEB, D.; HUANGD, C.H Assessment of seasonal variations in surface water quality. Water Research 40, p SMETI, E.M.. An approach for the application of statistical process control techniques for quality improvement of treated water. Science Direct. Desalination 213 (2007) WALPOLE, Ronald E.; MYERS, Raymond H.; MYERS, Sharon L.; YE, Keying. Probabilidade e estatística para engenharia e ciências, São Paulo: Pearson Prentice Hall, 2009.

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