LAGOAS DE ESTABILIZAÇÃO. Professor Gino Gehling

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1 Universidade Federal do Rio Grande do Sul Instituto de Pesquisas Hidráulicas Departamento de Obras Hidráulicas IPH Tratamento de Água e Esgotos Engenharia Hídrica LAGOAS DE ESTABILIZAÇÃO Professor Gino Gehling Agradecimento: O prof. Gino agradece ao prof. Antônio D. Benetti pela cessão do arquivo fonte deste capítulo, gerado por ele para a disciplina IPH da Engenharia Civil. O mesmo recebeu ajustes de formatação e conteúdo ao padrão da disciplina IPH (Tratamento de Água e Esgoto), oferecida à Engenharia Hídrica no primeiro semestre de Maio de

2 9. LAGOAS DE ESTABILIZAÇÃO As lagoas de estabilização são uma técnica adequada para países em desenvolvimento, pois demandam por áreas consideráveis (que tem custo mais acessível em países mais pobres), praticamente não demandam energia elétrica e não requerem equipamentos eletromecânicos sofisticados. Cabe referir que o efluente final tratado é rico em fósforo e nitrogênio, e que em períodos de verão carregam grandes concentrações de algas. Na saída das lagoas podem ser adotadas instalações para remoção parcial das algas no efluente final. A figura 9.1 apresenta um sistema de lagoas. Figura 9.1: ETE Serraria em primeiro plano, e ao fundo a ETE Ipanema, do DMAE. Existem vários tipos de lagoas utilizadas para o tratamento de esgotos. Lagoas anaeróbias e facultativas são utilizadas para remoção da matéria orgânica carbonácea, enquanto que lagoas de maturação possuem a finalidade de reduzir o número de organismos patogênicos. Lagoas anaeróbia, facultativa e de maturação utilizam processos naturais para redução da carga orgânica e patogênicos. Outro tipo de lagoa, denominada aerada, usa equipamento de aeração para fornecer oxigênio ao meio e manter os sólidos em suspensão. Este capítulo restringe-se às lagoas que utilizam processos naturais de remoção dos poluentes. As lagoas são antecedidas sempre por tratamento preliminar: gradeamento, desarenador e medidor de vazão. Seguindo-se ao tratamento preliminar, as lagoas são projetadas como: Lagoa facultativa; Lagoa anaeróbia seguida de lagoa facultativa; Lagoa anaeróbia seguida de lagoas facultativa e de maturação; Lagoa facultativa seguida de lagoa de maturação. O link abaixo acessa a Norma Técnica 230 da SABESP, sobre lagoas de estabilização: 2

3 As Figuras 9.2 e 9.3 mostram algumas configurações de sistemas de lagoas. A configuração a ser escolhida dependerá das necessidades de tratamento requeridas e da área disponível. A seguir serão apresentados detalhes de cada uma das lagoas individualmente. Tratamento preliminar Lagoa facultativa Corpo receptor Tratamento preliminar Lagoa anaeróbia Lagoa facultativa Corpo receptor Tratamento preliminar Lagoa facultativa Lagoa de maturação Corpo receptor Figura 9.2: Configurações de sistemas de lagoas. Figura 9.3: Vista transversal de sistema de lagoas (Fonte: Tilley et al., 2008). 3

4 9.1. Lagoas facultativas Descrição do processo Em uma lagoa facultativa, ocorrem três zonas, classificadas em função da presença ou ausência de oxigênio: aeróbia, anaeróbia e facultativa. A Figura 9.4 ilustra um esquema de uma lagoa facultativa com as suas três zonas. Zona Anaeróbia: forma-se ao fundo da lagoa devido à deposição de sólidos em suspensão, uma parcela dos quais é composta por material orgânico. O oxigênio é rapidamente consumido e não há reposição suficiente. A decomposição da matéria orgânica dá-se por processo anaeróbio, com a produção de gases como metano, gás carbônico e sulfídrico. Este tem o potencial de causar mau cheiro, mas é oxidado na zona aeróbia da lagoa. Um resíduo inerte, não biodegradável acumula-se no fundo da lagoa. Zona aeróbia: a matéria orgânica solúvel e coloidal permanece dispersa no esgoto. Uma camada próxima à superfície da lagoa apresenta oxigênio dissolvido que é utilizado para oxidação da matéria orgânica. O oxigênio é produzido por algas, que, através da fotossíntese utilizam CO 2 para produção de matéria orgânica. Respiração e fotossíntese são reações de oxidação-redução realizadas por bactérias e algas, respectivamente. CO 2 H2O Energia Matéria orgânica O2 (Fotossíntese) Matéria orgânica 2 O2 CO2 H O Energia (Respiração) O 2 CO 2 Afluente DBO solúvel DBO suspensa Zona aeróbia Zona Facultativa Efluente Zona Anaeróbia CO 2, CH 4, H 2 S Lodo Figura 9.4: Zonas em Lagoa Facultativa (Fonte: von Sperling, 2002). A energia utilizada para fotossíntese é suprida pela radiação do sol. Por isto, durante a noite, não ocorre fotossíntese; as algas respiram consumindo oxigênio dissolvido no líquido. Durante o dia, como há consumo de CO 2, o ph se eleva podendo atingir até 10. Durante a noite, com a produção de CO 2, o ph se reduz. A elevação de ph durante o dia causa a conversão da amônia ionizada em amônia livre, que é um gás e pode escapar para a atmosfera. Valores elevados de ph contribuem também para a precipitação de fósforo. 4

5 Zona Facultativa: a penetração da luz diminui com a profundidade da lagoa, desta forma, a fotossíntese reduz-se até chegar ao ponto em que deixa de ocorrer. Existe uma camada intermediária em que as variações das taxas de fotossíntese e respiração resultam em ausência de oxigênio em certos períodos e presença em outros. Existem certas bactérias que podem utilizar outros compostos (nitratos, sulfatos e gás carbônico) na ausência de oxigênio dissolvido na água como receptor de elétrons. Estas bactérias denominam-se facultativas. O tempo de residência dos esgotos dentro da lagoa facultativa excede a 20 dias, de maneira geral. O efluente da lagoa contém alta concentração de sólidos suspensos, formados principalmente por algas. Estes sólidos são, em sua maioria, não sedimentáveis Condições ambientais As principais variáveis ambientais que afetam o processo nas lagoas de estabilização são: Radiação solar, a qual influencia a fotossíntese; Temperatura, afetando as taxas de fotossíntese e decomposição bacteriana, solubilidade de gases no líquido e condições de mistura da lagoa; Vento, o qual interfere com as condições de mistura e reaeração atmosférica Critérios de projeto As lagoas facultativas são dimensionadas considerando-se: Taxa orgânica de aplicação superficial Tempo de detenção Taxa orgânica de aplicação superficial A energia radiante do sol é uma variável fundamental para o funcionamento de lagoas facultativas. Por isto, a área superficial, ou seja, área exposta ao sol é um critério de projeto para as lagoas. A taxa de aplicação superficial é dada em termos de carga de DBO por unidade de área por dia. As cargas de aplicação dependem do clima da região. Von Sperling (2002) recomenda as seguintes taxas: Inverno quente e elevada insolação: L s = 240 a 350 kg DBO 5 /ha dia Inverno e insolação moderados: L s = 120 a 240 kg DBO 5 /ha dia Inverno frio e baixa insolação: L s = 100 a 180 kg DBO 5 /ha dia A área superficial da lagoa é obtida através da razão entre a carga de DBO 5 afluente a lagoa e a taxa de aplicação superficial (Equação 1). L A (1) L s sendo L = carga de DBO 5 em kg/dia. 5

6 Outros métodos utilizados para a fixação da taxa de aplicação orgânica superficial (Ls) mencionados na literatura relacionam esta com a temperatura média mensal mínima do ar e da água (Mendonça, 2000; McGarry e Prescod; Arthur e Gloyna; Mara). Em geral, a área de uma lagoa facultativa é limitada a 15 ha. Tempo de detenção Relaciona-se ao tempo necessário para que os organismos realizem a estabilização da matéria orgânica. O tempo de detenção em lagoas varia entre 15 a 45 dias, e depende também da temperatura local. É calculado pela Equação (6). V t (6) Q Sendo: V = volume (m 3 ); Q = vazão (m 3 /s) Profundidade A profundidade de lagoas facultativas varia entre 1,5 a 3,0 m. O tempo de detenção e a profundidade da lagoa estão associados. Para definição destes parâmetros, adotam-se as seguintes alternativas: a) Escolhe-se o valor do tempo de detenção t e calcula-se o volume V da lagoa (Equação 7). A altura H é dada pela Equação (8). V = Q t (7) V H (8) A b) Escolhe-se o valor para a profundidade H da lagoa. Calcula-se o valor do volume V através do rearranjo da Equação (8), fazendo-se a verificação do tempo de detenção. Geometria das lagoas A geometria das lagoas apresenta uma relação comprimento (L) para largura (B) em torno de 2 a Regime hidráulico Os regimes utilizados para modelagem de lagoas são (a) fluxo em pistão, (b) mistura completa e (c) fluxo disperso. As equações representativas destes tipos de reatores são: C Mistura completa: C 0 1 k t (9) Fluxo em pistão: C k t C 0 e (10) Fluxo disperso: C E C 0 (1 a) 2 e 4 a e a 2 d 1 2 d (1 a) 2 e a 2 d (11) 6

7 a 1 4 k t d (12) D d (13) U L D é o coeficiente de dispersão longitudinal (L 2 /T); a = adimensional; d=d/ul (num. de dispersão, adimensional); U = vel med de fluxo (L/T); L= comprim. da lagoa. A constante de reação k depende da temperatura (Equação 14). T 20 k ( T) k(20 C) (14) A constante de reação adotada varia entre 0,30 e 0,35 dia -1. Valores do coeficiente de temperatura utilizados tem sido 1,085 (para k = 0,35 dia -1 ) e 1,05 (para k = 0,30 dia -1 ) Efluente de lagoas O efluente de lagoas de estabilização contém uma DBO constituída por duas contribuições: DBO solúvel, remanescente do tratamento; DBO particulada, formada principalmente por algas presentes. As algas poderão vir a exercer uma demanda de oxigênio no corpo receptor, caso morram e entrem em decomposição. Mara apud von Sperling (2002) estima que 60% a 90% dos sólidos em suspensão no efluente de lagoas sejam formados por algas. A demanda de oxigênio que resulta da decomposição de 1,0 mg de algas é 0,45 mg DBO 5. Assim, cada mg de SS no efluente tem o potencial de consumir 0,3 a 0,4 mg DBO 5. 1,0 mg/l SS 0,3 a 0,4 mg/l DBO 5 Entretanto, as algas poderão ser benéficas em sistemas de aquacultura, por exemplo. Neste caso, as algas entram na cadeia alimentar ao serem consumidas pelo zooplâncton, os quais servem de alimentos a peixes. Outra alternativa é utilizar o efluente na irrigação de culturas agrícolas. Ao morrerem, as algas liberam nutrientes que podem ser utilizados pelas culturas. Uma alternativa para a remoção de algas em efluentes de lagoas é o uso de filtros intermitentes de areia ou flotador por ar dissolvido. Contudo, a adoção de processos complementares implicará no aumento de custos Acúmulo de lodo O acúmulo de lodo em lagoas facultativas é da ordem de 0,03 a 0,08 m 3 /hab.ano Lagoas anaeróbias Descrição do processo Em uma lagoa anaeróbia, a carga de DBO por unidade de volume da lagoa determina que a taxa de consumo de oxigênio dissolvido seja superior a taxa de produção de oxigênio. Desta forma, são mantidas condições anaeróbias no interior da lagoa. As lagoas anaeróbias são mais profundas que as lagoas facultativas. A área superficial é irrelevante uma vez que o processo anaeróbio não utiliza fotossíntese. A eficiência de remoção de DBO situa-se em torno de 50% (para temperatura menor ou igual a 20 C) a 60% 7

8 (temperatura maior do que 20 C) (Jordão e Pessôa, 2011). Mara apud von Sperling (2002) sugere a seguinte equação para estimar a eficiência de remoção de DBO em lagoas anaeróbias: E = 2 T + 20 (15) Sendo: E = eficiência de remoção de DBO (%) T = temperatura média do ar no mês mais frio ( o C). Segundo o autor, a equação (15) é válida para temperaturas superiores entre 10 e 25 o C; para temperaturas maiores que 25 o C, a remoção seria de 70%. A redução de DBO em lagoas anaeróbias não é suficiente na maioria dos casos, havendo necessidade de um tratamento complementar. A estabilização anaeróbia da matéria orgânica é um processo altamente complexo, onde vários grupos de organismos atuam em uma seqüência de reações até chegar-se aos produtos finais, metano e gás carbônico. De uma forma muito simplificada pode-se dizer que o processo anaeróbico compreende duas fases: Formação de ácidos orgânicos voláteis pelas bactérias acidogênicas Formação de metano pelas bactérias metanogênicas As bactérias metanogênicas são muito sensíveis, requerendo condições ambientais restritas para realizarem seu metabolismo. Para isto, a temperatura do líquido deve situar-se acima de 15 C, o ph deve ser acima de 6,5 e deve haver ausência absoluta de oxigênio. Há potencial para geração de maus odores em lagoas anaeróbias devido à redução de sulfato a sulfeto. Quando o ph for ácido, o sulfeto estará na forma de H 2 S, que é um gás mau cheiroso e tóxico. Contudo, no ph neutro, a maior parte do sulfeto estará presente como HS -, que não gera odores Critério de dimensionamento Para o dimensionamento de lagoas anaeróbias são adotados dois critérios: Taxa orgânica de aplicação volumétrica; Tempo de detenção. Taxa orgânica de aplicação volumétrica Para o caso de lagoa anaeróbia, área superficial não é importante. A taxa de aplicação volumétrica é tal que garanta um consumo de oxigênio muito maior do que a eventual produção. Depende também da temperatura da região. As taxas de aplicação volumétrica sugeridas por Jordão e Pessôa variam entre 0,1 a 0,4 kg DBO 5 /m 3.dia. Mara apud von Sperling (2002) sugere as seguintes cargas, com base nas temperaturas médias do mês mais frio: L v = 0,02 T 0,10, para temperaturas entre 10 a 20 o C (16) L v = 0,01 T + 0,10, para temperaturas entre 20 a 25 o C (17) L v = 0,35, para temperaturas maiores que 25 o C (18) 8

9 Sendo L v = taxa de aplicação volumétrica de DBO, kg DBO/m 3 dia Uma vez definida a taxa de aplicação volumétrica, o volume da lagoa é calculado pela Equação (19). L V (19) L V L = carga de DBO 5 por dia, kg DBO/dia L V = taxa de aplicação volumétrica de DBO Tempo de detenção É estabelecido em função do tempo requerido para estabilização da matéria orgânica pelo processo anaeróbio. Normalmente, situa-se entre 3 a 6 dias. A tabela1 apresenta sugestões de tempo de detenção em função da temperatura na região. Tabela 1: Tempo de Detenção em lagoa anaeróbia (Jordão e Pessôa, 2011) Temperatura média da lagoa no mês mais frio ( C) Tempo de Detenção (dias) > Profundidade A profundidade de lagoas anaeróbias situa-se na faixa de 3,5 m a 5,0 m. Geometria As lagoas anaeróbias apresentam relação comprimento para largura entre 1 e Acúmulo de lodo A taxa de acúmulo de lodo em lagoas anaeróbias tem sido reportada na ordem de 0,03 a 0,10 m 3 /hab ano Lagoa de maturação Descrição do processo A principal finalidade da lagoa de maturação é a remoção de organismos patogênicos. Desta forma, ela pode ser utilizada após qualquer tratamento biológico de esgotos, incluindo lodos ativados e filtros biológicos. É uma alternativa aos métodos tradicionais de remoção de patogênicos como a desinfecção com cloro. Contudo, ela requer grande área. O ambiente externo ao trato intestinal é desfavorável à sobrevivência de microrganismos patogênicos. Eles enfrentam condições de temperatura, ph, oxigênio, e alimento fora das faixas ótimas, além de terem de competir com outros organismos e predadores. As lagoas de maturação procuram ampliar estas condições desfavoráveis, através da entrada de radiação solar, ph e concentração de OD elevados. A radiação solar contém raios ultravioletas que são bactericidas. As lagoas de maturação atingem mais de 99,99% de remoção de coliformes. 9

10 Cistos de protozoários e ovos de helmintos são normalmente eliminados do efluente de lagoas de maturação por sedimentação Critérios de projeto O tempo de residência hidráulico é o principal parâmetro de projeto de lagoas de maturação. É desejável usar fluxo em pistão para se atingir os elevados níveis de remoção requeridos. A Equação (20) representa o número de organismos no efluente para reator com fluxo em pistão. k d t N N 0 e (20) Sendo: N = número de coliformes no efluente, [org/100 ml] N 0 = número de coliformes no afluente, [org/100 ml] K d = coeficiente de decaimento bacteriano, [dia -1 ] T = tempo de detenção, [dias] O coeficiente de decaimento bacteriano é função da temperatura T (Equação 21). k d ( T) k d (20 C) T 20 O valor sugerido para a constante é 1,07. (15) Lagoas de maturação são dimensionadas para terem baixa profundidade de modo a maximizarem a penetração da radiação ultravioleta. A profundidade situa-se entre 0,8 e 1,5 m e o tempo de detenção entre 3 e 40 dias Exemplo de dimensionamento aplicação Considere que no projeto da ETE Anglo (Pelotas-RS) o filtro biológico e o decantador secundário foram substituídos por um sistema composto de uma lagoa facultativa, e dimensione a mesma. Ou seja, o afluente à lagoa a ser dimensionada será o efluente dos reatores UASB. Para início e fim de plano temos: Início de plano (considerando a vazão média) Dados: Q méd2005 = 104 L/s DBO afluente = 99 mg DBO 5 /L (concentração de DBO no efluente do reator UASB) Temperatura média mês mais frio = 12,3 ºC L s (considerando inverno e insolação moderados) = 180 kgdbo 5 /ha.dia Carga de DBO5 afluente (L) H = 3,0 m k (20ºC) = 0,35 d -1 Θ = 1,085 Carga de DBO afluente à lagoa (L): L = DBO afluente * Q méd2005 L = 99 mg DBO 5 /L * 104 L/s * s/d * 1 kg/10 6 mg L = 889,57kgDBO 5 /d 10

11 Área da lagoa: L 889,57kgDBO5 / d A L s 180kgDBO5 / ha * d Volume da lagoa: 4,94ha V = H*A V = 3,0 m * 4,94 ha* m²/ha V = m³ V m³ Tempo de detenção: t Q 104L / s *86400s / d *1m³ /1000L t 16, 49dias Geometria da lagoa: L/B = 4 L = 4B A = L*B 4,94 ha * m²/ha = 4B *B B = 111,13 m L = 444,52 m DBO 5 efluente: Considerando fluxo em pistão a DBO 5 efluente (C) é dada pela equação: C C 0 e k t O valor de k para as condições climáticas de Pelotas (Temperatura média mês mais frio = 12,3 ºC) é: k ( T) k(20 C) k (12,3º C) 0,35d T 20 1 k (12,3º C) 0,1867d *(1,085) 1 Portanto, a DBO 5 efluente é: C C 0 e k t (12,3 20) C 99mg / L e 0,1867d 1 *16,49d C 4,55mg / L Fim de plano (considerando a vazão média) Dados: Q méd2005 = 130 L/s DBO afluente = 99 mg DBO 5 /L (concentração) Temperatura média mês mais frio = 12,3 ºC L s (considerando inverno e insolação moderados) = 180 kgdbo 5 /ha.dia 11

12 Carga de DBO5 afluente (L): pode ser explicitada H = 3,0 m k (20ºC) = 0,35 d -1 Θ = 1,085 Cálculo da carga diária de DBO 5 : L = DBO afluente * Q méd2005 L = 99 mg DBO 5 /L * 130 L/s * s/d * 1 kg//10 6 mg L = 1111,97 kgdbo 5 /d Área da lagoa: L A = L s 1111,97kgDBO / d 180kgDBO / ha * d 5 5 6,18ha Volume da lagoa: V = H*A V = 3,0 m * 6,18 ha* m²/ha V = m³ V m³ Tempo de detenção: t Q 130L / s *86400s / d *1m³ /1000L 16,51dias Geometria da lagoa: L/B = 4 L = 4B A = L*B 6,184 ha * m²/ha = 4B *B B = 124,30 m L = 497,19 m DBO 5 efluente: Considerando fluxo em pistão a DBO 5 efluente (C) é dada pela equação: C C 0 e k t O valor de k para as condições climáticas de Pelotas (Temperatura média mês mais frio = 12,3 ºC) é k ( T) k(20 C) k (12,3º C) 0,35d T 20 1 k (12,3º C) 0,1867d *(1,085) 1 Portanto a DBO 5 efluente é: (12,3 20) 12

13 k t C C 0 e C 99mg / L e 0,1867d 1 *16,51d C 4,54mg / L Comparando-se os dimensionamentos percebe-se que existe pouca diferença entre as etapas de início e fim de plano. Sendo assim, para implantação da lagoa facultativa serão adotados os dados de fim de plano. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS JORDÃO, E.P.; PESSÔA, C.A. Tratamento de esgotos domésticos. 6ª ed. Rio de Janeiro: ABES, TILLEY, E.; LÜTHI, C.; MOREL, A.; ZURBRÜGG, C.; SCHERTENLEIB, R. Compendium of sanitation systems and technologies. Dübendorf: Swiss Federal Institute of Aquatic Science and Technology, VON SPERLING, M. Lagoas de estabilização. Belo Horizonte: Departamento de Engenharia Sanitária e Ambiental, Universidade Federal de Minas Gerais,