II-080 ESTIMATIVA DA TAXA DE ACÚMULO DE LODO EM UMA LAGOA FACULTATIVA PRIMÁRIA RECEBENDO LODO RECIRCULADO DE DESCARTE DE POLIMENTO FÍSICO-QUÍMICO

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1 II-8 ESTIMATIVA DA TAXA DE ACÚMULO DE LODO EM UMA LAGOA FACULTATIVA PRIMÁRIA RECEBENDO LODO RECIRCULADO DE DESCARTE DE POLIMENTO FÍSICO-QUÍMICO Giovana Fanti Ferrari Engenheira Civil pela Universidade Federal do Espírito Santo (UFES) (1998). MSc. Engenharia Ambiental pela UFES (24). Analista Ambiental da Companhia Vale do Rio Doce. Fabrícia Fafá de Oliveira Engenheira Civil pela Universidade Federal do Espírito Santo (UFES) (1988). MSc. Engenharia Ambiental pela UFES (1996). Subgerente da Subgerência de Licenciamento do Instituto Estadual de Meio Ambiente e Recursos Hídricos (IEMA). Ricardo Franci Gonçalves (1) Engenheiro Civil e Sanitarista UERJ (1984), Pós-Graduado em Engenharia de Saúde Pública ENSP/RJ (1985), DEA Ciências do Meio Ambiente Universidade Paris XII, ENGREF, ENPC, Paris (199), Doutor em Engenharia do Tratamento e Depuração de Águas INSA de Toulouse, França (199), Professor Adjunto do Departamento de Engenharia Ambiental da UFES. Endereço (1) : DEA-CT-UFES. C.P CEP , Vitória-ES. Fax/fone: (+55 27) franci@npd.ufes.br. RESUMO Este estudo tem como objetivo estimar a taxa de acumulação de lodo de uma lagoa facultativa primária considerando a recirculação do lodo físico-químico para a própria lagoa em uma pesquisa visando obter um efluente de alta qualidade em lagoa facultativa primária, através da seleção das melhores concentrações de coagulantes e de polímeros em função dos resultados em testes de jarros em bancada. A pesquisa foi realizada em um sistema de lagoas de estabilização composto por duas lagoas facultativas primárias operando em paralelo, seguidas por uma lagoa de maturação, localizado na Companhia Vale do Rio Doce (CVRD), em Vitória. O sistema recebe a contribuição de cerca de 6. trabalhadores e carga orgânica aplicada de 18 kg DBO/dia, sendo 1,5 l/s destinados para cada uma das duas lagoas facultativas primárias. O efluente da lagoa facultativa estudada apresenta valores médios de 25 mg/l de DQO, 6 mg/l de SS, 7,7 mg/l de N total, 2, mg/l de P total e 216 μg/l de clorofila a. Observou-se que o tratamento físico-químico foi eficiente quanto à remoção de SS, DQO, P total e DBO 5, atendendo a padrões de lançamento bastante restritivos. Os melhores resultados foram obtidos com a aplicação do sulfato de alumínio na concentração de 4 mg/l, embora este tenha produzido maior volume de lodo. A estimativa de acúmulo de lodo na lagoa facultativa primária foi realizada com base nos resultados das análises realizadas para esta concentração de sulfato de alumínio. A taxa de acúmulo de lodo úmido na lagoa facultativa primária referente ao esgoto bruto foi de,528 m³/dia (,8 l/hab.dia) e a taxa de lodo úmido acumulado na lagoa facultativa primária referente ao lodo a ser descartado na lagoa facultativa proveniente do tratamento físico-químico foi de,666 m³/dia (,15 l/hab.dia), totalizando uma taxa de acúmulo de lodo na lagoa facultativa primária de,1194 m³/dia (,189 l/hab.dia). A recirculação do lodo físico-químico representaria um acréscimo de 126% na produção de lodo na lagoa facultativa primária, porém representaria um acréscimo de apenas,88 cm/ano na espessura da camada de lodo, o que demonstra que a lagoa facultativa primária está apta a receber lodo do descarte de polimento físico-químico. PALAVRAS-CHAVE: Taxa de acúmulo de lodo, lagoa facultativa primária, tratamento físico-químico, recirculação de lodo INTRODUÇÃO As lagoas de estabilização assumem posição de destaque no tratamento biológico de efluentes em função do seu baixo custo de implantação, clima favorável, disponibilidade de área no país e, principalmente, da grande simplicidade operacional. O efluente final de lagoas facultativas apresenta concentrações elevadas de algas, que se constituem em significativa fonte de N e P sob forma orgânica, sendo o principal alvo dos processos de polimento mais conhecidos. O polimento de efluentes de lagoas de estabilização via tratamento físicoquímico, composto pelas etapas de mistura rápida, floculação e decantação ou flotação, é uma das alternativas ABES - Associação Brasileira de Engenharia Sanitária e Ambiental 1

2 de tratamento para remoção de algas e nutrientes, cujas principais vantagens são a excelente qualidade do efluente produzido e o baixo custo de implantação das unidades de tratamento. A principal desvantagem é o custo operacional relativamente elevado, em função dos gastos com produtos químicos e do grande volume de lodo gerado. Este estudo tem como objetivo estimar a taxa de acumulação de lodo de uma lagoa facultativa primária considerando a recirculação do lodo físico-químico para a própria lagoa em uma pesquisa visando obter um efluente de alta qualidade em lagoa facultativa primária, através da seleção das melhores concentrações de coagulantes e de polímeros em função dos resultados em testes de jarros em bancada. A pesquisa foi realizada em um sistema de lagoas de estabilização (Figura 1) composto por duas lagoas facultativas primárias operando em paralelo, seguidas por uma lagoa de maturação, localizado na Companhia Vale do Rio Doce (CVRD), em Vitória. O sistema recebe a contribuição de cerca de 6. trabalhadores e carga orgânica aplicada de 18 kg DBO/dia, sendo 1,5 l/s destinados para cada uma das duas lagoas facultativas primárias. O efluente da lagoa facultativa estudada apresenta valores médios de 25 mg/l de DQO, 6 mg/l de SS, 7,7 mg/l de N total, 2, mg/l de P total e 216 μg/l de clorofila a. Para a realização dos testes de jarros em bancada foram coletadas amostras do efluente da lagoa facultativa primária no início da tarde, entre março de 22 e setembro de 2, e as mesmas foram levadas ao laboratório para realização dos ensaios com os coagulantes Cloreto Férrico e Sulfato de Alumínio, com o polímero Tanfloc SS e com os polímeros catiônico, aniônico e não iônico atuando como auxiliares na floculação, associados à aplicação dos sais de ferro e de alumínio. Figura 1 Sistema de lagoas de estabilização. A lagoa facultativa (formato quadrado) à esquerda foi a abordada neste estudo. Observou-se que o tratamento físico-químico foi eficiente quanto à remoção de SS, DQO, P total e DBO 5, atendendo a padrões de lançamento bastante restritivos. Os melhores resultados foram obtidos com a aplicação do sulfato de alumínio (Figura 2) na concentração de 4 mg/l, embora este tenha produzido maior volume de lodo. A estimativa de acúmulo de lodo na lagoa facultativa primária foi realizada com base nos resultados das análises realizadas para esta concentração de sulfato de alumínio. ABES - Associação Brasileira de Engenharia Sanitária e Ambiental 2

3 Figura 2 Teste de jarros de bancada com Sulfato de Alumínio. OBJETIVO Estimar a taxa de acumulação de lodo de uma lagoa facultativa primária considerando a recirculação do lodo físico-químico para a própria lagoa em um estudo visando obter um efluente de alta qualidade em lagoa facultativa primária, atingindo um padrão de DQO < 9 mg/l, SS < mg/l, P total < 1, mg/l e DBO 5 < mg/l, através da seleção das melhores concentrações de coagulantes e de polímeros em função dos resultados em testes de jarros em bancada. METODOLOGIA O sistema de lagoas de estabilização estudado é composto de três lagoas, sendo duas facultativas primárias operando em paralelo seguidas de uma lagoa de maturação. O sistema recebe a contribuição de cerca de 6. pessoas. Cada lagoa facultativa recebe uma vazão média de 1,5 l/s e a carga orgânica é de 18 kg DBO 5 /dia. O estudo consistiu na realização de uma campanha de 24 horas para caracterização do efluente das lagoas, cujos parâmetros analisados foram SS, turbidez, N total, P total, clorofila a, DQO, DBO 5 e OD; na realização de testes de jarros com o efluente da lagoa facultativa primária utilizando os coagulantes e polímeros e na estimativa da taxa média de acúmulo de lodo na lagoa facultativa primária. Os coagulantes testados foram Tanfloc SS, Sulfato de Alumínio e Cloreto Férrico e os polímeros testados foram o catiônico P11, o aniônico P215 e o não iônico P11. As faixas de dosagens testadas foram obtidas de recomendações dos fabricantes e da literatura, em especial os estudos realizados por Rocha (2) e Silva (2). As concentrações dos polímeros foram variadas em,, 5, 7, 1 e 15 mg/l, mantendo-se fixas as concentrações de 6, 7 e 8 mg/l de Cloreto Férrico e de 2, e 4 mg/l de Sulfato de Alumínio. A coleta das amostras utilizadas nos testes de jarros foi realizada por amostragem simples, na superfície da lagoa, nos mesmos dias dos ensaios, por volta das 1 horas, horário cuja a atividade algal é mais intensa, resultando em um efluente de pior qualidade. Em 22 foram realizadas 4 campanhas com coagulantes e em 2 foram outras 6 campanhas com coagulantes. Em cada campanha foram realizadas bateladas de testes e amostras do líquido de cada jarro foram coletadas para análise, bem como o lodo gerado. Os testes de associação de coagulantes e polímeros foram todos realizados em 2. Para seleção das concentrações mínimas dos coagulantes necessárias para atendimento aos padrões estabelecidos levou-se em consideração a seguinte condição: a soma do valor médio obtido ( Χ ) mais o seu respectivo desvio padrão (SD) deveria ser inferior ao valor do limite de lançamento do parâmetro considerado. Também foi avaliado o volume de lodo gerado pela aplicação dos produtos testados, indicado pelo teor de SSed. ABES - Associação Brasileira de Engenharia Sanitária e Ambiental

4 A estimativa da taxa média de acumulação de lodo na lagoa facultativa primária foi realizada utilizando-se o modelo de Saqqar e Pescod (1995), considerando-se a geração de lodo em função do afluente bruto à lagoa e da contribuição do lodo gerado pelo tratamento físico-químico, cujo destino é a recirculação na própria lagoa facultativa primária. No caso do lodo gerado no tratamento físico-químico foi realizada uma projeção, uma vez que este trabalho foi realizado em laboratório, considerando alguns dados de Taveira (21), que estudou a formação de lodo em uma lagoa anaeróbia tratando esgoto sanitário e lodo produzido no pós-tratamento físico-químico do efluente de lagoa facultativa. O modelo de Saqqar e Pescod (1995) foi modificado para que pudessem ser considerados os acúmulos de lodo provenientes do tratamento do esgoto bruto e do lodo físico-químico pela lagoa facultativa primária. A vazão de lodo na lagoa facultativa primária (Q LFP ) é igual à somatória da vazão de lodo formada pelo esgoto bruto (Q LFP ) com a vazão de lodo formada pela recirculação do lodo do tratamento físico-químico (Q FQ ). 1. Esgoto bruto Q LFP Em que: = ( j. f )( ) + ( j f )( ) + ( j Yf )( ) 1 1 F XVSS,. 2 2 F XFSS, [ SG. ρw(1 w )] S s F CDBO, (equação 1) Q LFP = vazão de lodo úmido acumulado na lagoa facultativa primária referente ao esgoto bruto (m /dia) j 1 = fração de SSV do esgoto bruto removida que não é digerida pela lagoa facultativa =, (destruição de XVSS, em um digestor com TDH > 1 dias) f 1 = fração média de SSV do esgoto bruto removida pela lagoa facultativa F = carga de sólidos suspensos voláteis na entrada da lagoa facultativa (kg/dia) XVSS, F = XVSS, Q * X VSS, Q = vazão média de esgoto bruto afluente à lagoa facultativa primária (m³/dia) X = concentração média de SSV do esgoto bruto na entrada da lagoa (kg/m³) VSS, j 2 = fração de SSF do esgoto bruto removida que não é digerida pela lagoa facultativa = 1, (destruição de XFSS, em um digestor com TDH > 1 dias) f 2 = fração média de SSF do esgoto bruto removida pela lagoa facultativa F = carga de sólidos suspensos fixos na entrada da lagoa facultativa (kg/dia) XFSS, F = XFSS, Q * X FSS, ABES - Associação Brasileira de Engenharia Sanitária e Ambiental 4

5 X = concentração média de SSF do esgoto bruto na entrada da lagoa facultativa (kg/m³) FSS, j = fração de sólidos biológicos produzidos e não destruída por digestão anaeróbia na lagoa =,5 Y = coeficiente de rendimento (kg SS / kg DBO 5 ) =,6. Y aeróbio =,8 e Y anaeróbio =,4; logo, a média, por se tratar de lagoa facultativa, em que ocorrem as duas condições, é,6 kg SS / kg DBO 5 f = fração de DBO removida pela lagoa facultativa F = carga de DBO CDBO, 5 na entrada da lagoa (kg/dia) F = CDBO, Q *C DBO, C = concentração média de DBO do esgoto bruto afluente à lagoa (kg/m³) DBO, SGS = massa específica do lodo (kg/m³) ρ w = densidade da água = 1. kg/m³ = teor de umidade do lodo (%) ws Os valores adotados para j1, j2, j, j1, j2, j e Y são baseados na assunção, pelo modelo de Saqqar e Pescod (1995), no que se refere aos sólidos retidos, de que o comportamento da camada de lodo é semelhante ao da de um digestor anaeróbio de lodo. Os demais valores utilizados foram obtidos durante a pesquisa, exceto a C DBO, ' que foi adotada semelhante ao valor encontrado por Taveira (21) para a DBO do lodo do tratamento físico-químico da lagoa facultativa, uma vez que as características físicas das duas lagoas (a que está sendo estudada e a estudada por Taveira (21)), bem como os demais parâmetros analisados, como a qualidade do efluente físico-químico e o teor de SS do lodo, foram muito semelhantes. Os valores de SS foram monitorados tanto para o efluente bruto, quanto para o lodo físico-químico. Assumiuse que 8% correspondem aos SSV e 2% aos SSF quando se trata do efluente bruto e 4% de SSV e 6% de SSF quando se trata do lodo físico-químico. Neste último caso as porcentagens são as mesmas obtidas por Taveira (21), por se tratar de sistemas de tratamento semelhantes, ambos por lagoas facultativas, cujas análises fisico-químicas para o efluente e para o lodo foram bastante parecidas. A vazão de recirculação de lodo físico-químico também foi adotada como sendo a mesma obtida por Taveira (21), pois foi simulada a implantação do mesmo módulo físico-químico implantado na região de saída da lagoa facultativa primária. 2. Lodo físico-químico ( j '. f ')( ') + ( j '. f ')( ') + ( j ' Y' f ')( ) 1 1 F XVSS, 2 2 F XFSS, F CDBO,' Q = FQ [ '. (1 ')] SG ρw S ws (equação 2) Em que: ABES - Associação Brasileira de Engenharia Sanitária e Ambiental 5

6 Q FQ = vazão de lodo úmido acumulado na lagoa facultativa primária referente ao lodo descartado na lagoa facultativa proveniente do tratamento físico-químico (m /dia) j ' = fração de SSV do lodo físico-químico removida que não é digerida pela lagoa facultativa =, 1 (destruição de XVSS, em um digestor com TDH > 1 dias) f ' = fração média de SSV do lodo físico-químico removida pela lagoa facultativa (considerou-se a 1 remoção de SSV do esgoto bruto na lagoa facultativa) F = carga de sólidos suspensos voláteis na entrada da lagoa facultativa do lodo proveniente do XVSS, tratamento físico-químico (kg/dia) F XVSS, '= Q * R ' X VSS, Q R = vazão de lodo recirculado para a lagoa facultativa primária (m³/dia) X VSS, ' = concentração média de SSV do lodo proveniente do tratamento físico-químico descartado na entrada da lagoa facultativa(kg/m³) j ' = fração de SSF do lodo físico-químico removida que não é digerida pela lagoa facultativa = 1, 2 (destruição de XFSS, em um digestor com TDH > 1 dias) f ' = fração média de SSF do lodo físico-químico removida pela lagoa facultativa (considerou-se a 2 remoção de SSF do esgoto bruto na lagoa facultativa) F '= carga de sólidos suspensos fixos na entrada da lagoa facultativa do lodo proveniente do XFSS, tratamento físico-químico (kg/dia) F XFSS, '= Q * R ' X FSS, X '= concentração média de SSF do lodo proveniente do tratamento físico-químico descartado na FSS, entrada da lagoa facultativa (kg/m³) j ' = fração de sólidos biológicos produzidos e não destruída por digestão anaeróbia na lagoa =,5 Y ' = coeficiente de rendimento (kg SS / kg DBO 5 ) =,6. Y aeróbio =,8 e Y anaeróbio =,4; logo, a média, por se tratar de lagoa facultativa, em que ocorrem as duas condições é,6 kg SS / kg DBO 5 f ' = fração de DBO do lodo descartado proveniente do tratamento físico-químico que é removida pela lagoa facultativa (foi considerada a remoção de DBO do esgoto bruto na lagoa facultativa) F CDBO, ' = carga de DBO 5 na entrada da lagoa facultativa do lodo proveniente do tratamento físicoquímico (kg/dia) ABES - Associação Brasileira de Engenharia Sanitária e Ambiental 6

7 F CDBO = Q *, ' R C DBO, ' C, ' DBO = concentração média de DBO afluente à lagoa correspondente ao lodo descartado proveniente do tratamento físico-químico (kg/m³) ' = massa específica do lodo (kg/m³) SGS ρ w = densidade da água = 1. kg/m³ ' = teor de umidade do lodo proveniente do tratamento físico-químico descartado na lagoa facultativa (%) ws RESULTADOS Os resultados da caracterização 24 h das lagoas de estabilização mostraram que a qualidade dos efluentes finais destas lagoas varia consideravelmente ao longo do dia. Os valores mínimos geralmente ocorreram no período do início da manhã e nos horários noturnos, enquanto que os máximos para determinados parâmetros ocorreram no período da tarde. Uma das principais desvantagens do tratamento físico-químico por coagulação-floculação-decantação é a significativa produção de lodo, portanto a seleção de um coagulante deve ser realizada com base na sua eficiência no tratamento da fase líquida e no resultado da produção de lodo. A estimativa da taxa média de acumulação de lodo foi realizada utilizando-se o modelo de Saqqar e Pescod (1995) (Quadro 1). A concentração simulada para o tratamento físico-químico em escala real é a melhor concentração encontrada para todos os produtos testados, 4 mg/l de Sulfato de Alumínio. Quadro 1 Parâmetros e resultado do cálculo da taxa diária de lodo acumulada na lagoa facultativa primária. Parâmetro Lagoa facultativa primária Tratamento físico-químico j1,, f1,144,144 F XVSS, 7,5 2,284 j2 1, 1, f2,6,6 F XFSS, 1,76,426 j,5,5 Y,6,6 f,81,81 F CDBO, 25,92 1,854 SG S 1,1 1,1 ρw 1 1 w s,875,99 QAS,528,666 A vazão de lodo na lagoa facultativa primária (Q LFP ) é igual à somatória da vazão de lodo formada pelo esgoto bruto (Q LFP ) com a vazão de lodo formada pela recirculação do lodo do tratamento físico-químico (Q FQ ), logo: Q LFP = Q LFP + Q FQ =,528 +,666 =,1194 m³/dia. Para uma população contribuinte semelhante a 6. habitantes: Q LFP =,8 L/hab.dia, Q FQ =,15 L/hab.dia e Q LFP =,189 L/hab.dia. Uma das principais desvantagens do tratamento físico-químico por coagulação/floculação é a significativa produção de lodo. Pelo fato de ser formado por algas e produtos químicos, esse lodo requer uma disposição específica, com elevado custo, o que pode tornar inviável sua aplicação em pequenas estações (Middlebrooks,1995). O aumento na produtividade de lodos, devido à introdução de uma etapa físicoquímica, em plantas com lagoas de estabilização pode se constituir em um problema de difícil solução, sobretudo nos casos onde não há disponibilidade de áreas para a disposição final do excesso de lodo, podendo ABES - Associação Brasileira de Engenharia Sanitária e Ambiental 7

8 se tornar um considerável problema de logística em áreas urbanas, dependendo do método de gerenciamento empregado. A recirculação do lodo físico-químico representaria um acréscimo de 126% na produção de lodo na lagoa facultativa primária, porém correspondente a um acréscimo de apenas,88 cm/ano na espessura da camada de lodo. O modelo de Saqqar e Pescod aplicado a essa lagoa resultou em uma taxa de acumulação de lodo inferior aos valores sugeridos por Arceivala (1981), segundo o qual a taxa média de acúmulo de lodo em lagoas facultativas é da ordem de, a,8 m³/hab.ano. A taxa de acúmulo de lodo do esgoto bruto para essa lagoa facultativa primária é de,76 m³/hab.ano e somando-a à do lodo físico-químico o total resultaria em,1145 m³/hab.ano. CONCLUSÕES Neste estudo, bem como já havia sido comprovado por Rocha (2) e Silva (2), o tratamento físicoquímico foi eficiente quanto à remoção de SS, DQO, P total e DBO 5, atendendo a padrões de lançamento bastante restritivos visando à preservação de corpos receptores sensíveis à eutrofização. A caracterização do efluente ao longo de 24 horas demonstrou a expressiva influência da presença de algas no efluente sobre diversos outros parâmetros, como SS, DQO, turbidez, DBO 5, OD, P total e N total. A taxa de acúmulo de lodo úmido na lagoa facultativa primária referente ao esgoto bruto foi de,528 m³/dia (,8 l/hab.dia) e a taxa de lodo úmido acumulado na lagoa facultativa primária referente ao lodo a ser descartado na lagoa facultativa proveniente do tratamento físico-químico foi de,666 m³/dia (,15 l/hab.dia), totalizando uma taxa de acúmulo de lodo na lagoa facultativa primária de,1194 m³/dia (,189 l/hab.dia). A recirculação do lodo físico-químico representaria um acréscimo de 126% na produção de lodo na lagoa facultativa primária, porém representaria um acréscimo de apenas,88 cm/ano na espessura da camada de lodo, o que demonstra que a lagoa facultativa primária está apta a receber lodo do descarte de polimento físico-químico. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS 1. GONÇALVES, R. F. ET AL. Gerenciamento do lodo de lagoas de estabilização não mecanizadas, Rio de Janeiro: ABES, p. 2. MIDDLEBROOKS, E. J. Upgrading pond effluents: an overview. Water Science and Technology, Vol. 1, No 12, pp. 5-68, SAQQAR, M. M. E PESCOD, M. B. Modeling the performance of anaerobic wastewater stabilization ponds. Water Science and Technology, v.1, n.12, pp , SAQQAR, M. M. e PESCOD, M. B. Modeling sludge accumulation in anaerobic wastewater stabilization ponds. Water Science and Technology, v.1, n.12, pp , SILVA, M. D. S. A. Sedimentação de lodo em lagoas de estabilização. In: 12º Congresso de Engenharia Sanitária e Ambiental, Camboriú-SC. Anais, TAVEIRA, Eduardo José Alvarenga. Desempenho e formação de lodo em lagoa anaeróbia tratando esgoto sanitário e lodo produzido no polimento físico-químico do efluente de lagoa facultativa f. Dissertação submetida ao Programa de Mestrado em Engenharia Ambiental da Universidade Federal do Espírito Santo, Vitória, TAVEIRA, E. J. A., OLIVEIRA, F. F., GONÇALVES, R. F. Produção de lodo em lagoa anaeróbia tratando esgoto sanitário e lodo proveniente de polimento físico-químico de lagoa facultativa. Anais do 21º Congresso Brasileiro de Engenharia Sanitária e Ambiental, João Pessoa-PB, PIVELI, R. P., CUTOLO, S. A., SOBRINHO, P. A. Pós-tratamento de efluentes de lagoas facultativas por processo físico-químico. Anais do 22º Congresso Brasileiro de Engenharia Sanitária e Ambiental, Joinville-SC, 2. ABES - Associação Brasileira de Engenharia Sanitária e Ambiental 8