II-320 ANÁLISE DE CONFIABILIDADE DO DESEMPENHO DE ESTAÇÕES DE TRATAMENTO DE ESGOTO EM MINAS GERAIS

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1 II-320 ANÁLISE DE CONFIABILIDADE DO DESEMPENHO DE ESTAÇÕES DE TRATAMENTO DE ESGOTO EM MINAS GERAIS Noemi da Silveira Pereira Engenheira Civil pela Escola de Engenharia da Universidade Federal de Minas Gerais (UFMG). Mestranda em Hidráulica e Saneamento na Escola de Engenharia de São Carlos (EESC/USP). Tatiana Figueiredo da Silva Souto (1) Engenheira Civil pela Escola de Engenharia da Universidade Federal de Minas Gerais (UFMG). Mestranda em Saneamento, Meio Ambiente e Recursos Hídricos no Departamento de Engenharia Sanitária e Ambiental da Escola de Engenharia da Universidade Federal de Minas Gerais (DESA/UFMG). Endereço (1) : Rua Acaraú, nº. 235/Apto 901 Cidade Jardim - Belo Horizonte - MG - CEP: Brasil - Tel: (31) tfsouto@yahoo.com.br RESUMO A produção de efluentes de alta qualidade se depara com uma situação muito comum: a incerteza associada ao desempenho das estações de tratamento de esgotos. Os processos relacionados ao funcionamento de uma ETE sofrem variações anuais, mensais e por vezes diárias. Essas variações podem ser geradas por fatores climáticos, operacionais e outros. A confiabilidade de um efluente é entendida como a probabilidade deste efluente em não ultrapassar os limites impostos para sua qualidade. No presente trabalho, foram considerados os padrões de DBO, DQO e SST como os tradutores da qualidade do efluente. Os valores limites desses parâmetros são dados pela legislação vigente no estado de Minas Gerais (DN COPAM 10/86 e DN COPAM 46/01). A partir de um modelo baseado na distribuição log-normal, foram calculadas concentrações de projeto que retratam as variações das amostras. Numa análise geral, nenhuma das estações analisadas foi considerada estável e todas as concentrações de projetos foram superiores aos valores limites preconizados pela legislação em questão concluindo que a flutuação dos dados observados afetam de maneira preponderante à análise de desempenho de uma ETE. PALAVRAS-CHAVE: Confiabilidade, Desempenho de Estações de Tratamento de Esgotos, Estabilidade, Qualidade do Efluente, Padrões de Lançamento. INTRODUÇÃO O simples atendimento ao padrão de lançamento não é suficiente para um veredicto positivo sobre a eficiência de uma estação de tratamento de esgotos. Mesmo quando os valores médios dos dados observados numa ETE atendem aos padrões estipulados pela legislação, essa estação pode estar operando fora desses limites em grande parte do tempo. Em contrapartida, uma estação que apresente valores médios em discordância com o padrão de lançamento pode atender à legislação em tempo considerável. Ao projetar-se uma estação de tratamento de esgotos, a variação temporal das concentrações efluentes deve ser considerada. A análise de confiabilidade visa a obtenção de um valor de projeto que considere essa variação das condições de operação de uma ETE. Para tanto, os efluentes são considerados como uma probabilidade de ocorrem e o atendimento ao padrão é associado a uma taxa percentual de atendimento durante um certo tempo. Segundo Gnédenko (1972) a teoria da confiabilidade é uma disciplina que estuda as leis gerais que devem ser observadas no estabelecimento de projetos, ensaios, e na coleta e exploração de dados para assegurar a eficácia máxima da sua utilização. O conceito de confiabilidade está intimamente ligado à noção de qualidade. A qualidade de uma estação de tratamento de esgotos depende profundamente da qualidade de seu efluente. No presente trabalho, os padrões de qualidade estão relacionados à eficiência de remoção de DBO, DQO e sólidos suspensos totais a esses parâmetros poderiam ser incluídos a remoção de organismos termotolerantes e o aumento do oxigênio dissolvido, dentre outros, mas apenas os três primeiros serão abordados por representarem os parâmetros considerados na legislação estadual monitorados com mais freqüência nas estações de tratamento de esgotos. ABES - Associação Brasileira de Engenharia Sanitária e Ambiental 1

2 Uma ETE pode operar ora com grande eficiência, ora com resultados indesejados fato que pode levar a uma interpretação equivocada dos resultados finais de atendimento à legislação. Desta forma, uma estação bem projetada deve manter um padrão estável de eficiência no decorrer do tempo. Isso por vezes não ocorre devido a alterações funcionais que vão desde de falhas operacionais a alterações climáticas, dentre outros. Para considerar o fator variabilidade, uma análise de confiabilidade foi executada visando a obtenção de padrões de concentração efluente singulares a realidade de cada estação. A grande variabilidade de uma amostra pode ser resultado de estações mal projetadas/implantadas, erros operacionais, significantes alterações climáticas, efluentes com características diferentes das esperadas, entre outros. Considerando a importância da análise de confiabilidade na avaliação do desempenho de estações de tratamento de esgotos, o presente trabalho pretende verificar a variabilidade das amostras efluentes ao tratamento de esgotos, segundo os parâmetros DBO, DQO e SST, e avaliar a estabilidade das ETE s quanto ao cumprimento à legislação no Estado de Minas Gerais. MATERIAIS E MÉTODOS Os dados utilizados neste trabalho representam parte do banco de dados levantados no âmbito do projeto URBAGUA, estudo contratado com a Agência Nacional de Águas (ANA), concluído em outubro de Foram consideradas 29 estações de tratamento de esgotos em operação no estado de Minas Gerais. Esses dados representam, em sua maioria, períodos entre 2001 e 2003, sendo a freqüência de coleta variável podendo ser diária, semanal, quinzenal, mensal, trimestral ou outra. As modalidades tratadas aqui são descritas na Tabela 1. Tabela 1: Descrição das Modalidades de Tratamento. Nome de referência Tipo de Tratamento Número de estações FS + FA Fossa Séptica+Filtro Anaeróbio 3 LA Lodos Ativados 6 LAF Lagoa Aerada Facultativa 2 LF Lagoa Facultativa 3 SA Sistema Australiano (LAN + LF) 3 UASB Reator anaeróbio de manta de lodo 4 UASB + FA UASB + Filtro Anaeróbio 2 UASB + FAE UASB + Filtro Aeróbio 1 UASB + FBP UASB + Filtro Biológico Percolador 1 UASB + FLOT UASB + Flotação 1 UASB + LF UASB + Lagoa Facultativa 2 UASB + LP UASB + Lagoa de Polimento 1 A discussão dos resultados foi realizada considerando os padrões fixados pela legislação vigente no estado de Minas Gerais (resolução COPAM nº 10 de 1986 e a alteração estabelecida pela deliberação normativa COPAM nº 46 de 2001). Os parâmetros avaliados e seus respectivos limites podem ser vistos na Tabela 2. Tabela 2: Padrões de lançamento Parâmetro Unidade Padrão de lançamento DBO 5 mg/l 60 DQO mg/l 90 SST mg/l 100 Fonte: Deliberação normativa COPAM nº 10 de 1986 Os limites de DBO 5 e DQO podem ser ultrapassados quando o tratamento reduzir as cargas em, no mínimo, 60% mediante estudos de autodepuração comprobatórios sobre o resguardo dos padrões de qualidade dos corpos d água receptores e apenas será aplicada em casos de tratamento de esgoto doméstico e de percolado de aterros sanitários municipais. As análises de autodepuração não serão consideradas neste trabalho. ABES - Associação Brasileira de Engenharia Sanitária e Ambiental 2

3 A equação 1 mostra que a confiabilidade pode ser obtida pelo cálculo da probabilidade de funcionamento adequado, durante um dado intervalo de tempo e sobre determinadas condições específicas, como por exemplo, o funcionamento adequado de uma ETE. No presente estudo, essa adequação é implementada pelo atendimento aos parâmetros estabelecidos pela legislação do estado de Minas Gerais, ou seja: Confiabilidade = 1 P(concentração efluente > concentração requerida) equação (1) A probabilidade de falha (concentração efluente ser superior à requerida) é muito sensível ao tipo de distribuição das concentrações efluentes. Foi considerado que a flutuação dos valores efluentes de DBO, DQO e SST é regida pela distribuição log-normal como proposto por Niko (1979). O projeto de uma estação de tratamento deve considerar a variação na qualidade do efluente e não apenas os limites impostos pela legislação. Essas concentrações de projeto são produto de um estudo baseado na garantia de uma concentração efluente abaixo do padrão durante determinado intervalo de tempo. Novos valores limites para os parâmetros DBO, DQO e SST foram calculados através do Método CDC (Método do Coeficiente de Confiabilidade). Esse método estatístico fundamente-se no cálculo de um coeficiente de confiabilidade para um determinado valor de probabilidade acumulada assumindo-se uma distribuição log-normal. Para a execução do Método CDC inicialmente foram determinados os parâmetros estatísticos por meio de um estudo descritivo dos dados observados. O coeficiente de confiabilidade foi obtido utilizando a equação 1. CDC = (V 2 +1) 1/2 x exp{-z 1-a [ln(v 2 +1)] 1/2 } equação (2) Onde: V a Z 1-a é o coeficiente de variabilidade valor este dado pela razão entre o desvio padrão (S) e a média aritmética (m) é a probabilidade de falhas é o valor, associado a uma determinada probabilidade, obtido a partir da tabela de distribuição normal. Considerou-se que a concentração de projeto de um efluente, concentração que garante uma confiabilidade durante um determinado período de tempo, é dada pelo produto entre a média aritmética dos dados observados e o coeficiente de confiabilidade. C.P. = (CDC)X s equação (3) Sendo X s o valor limite fixado pela legislação. Para estações em operação onde a flutuação das concentrações efluentes influencia na análise do desempenho, uma nova concentração pode ser calculada (equação 4). C.P. = (CDC)/X s equação (4) Para equalização da variação dos dados num projeto, os parâmetros são majorados. Já para o controle de estações onde o projeto não considerou as variações, os parâmetros de atendimento são inferiores aos limites presentes na legislação. Além das concentrações de projeto e de operação, as estações foram classificadas quanto à estabilidade de acordo a proposição de Niku (1982), que considera a estação estável se o desvio padrão de suas concentrações efluentes forem inferiores a 10 g/l. Caso contrário, as estações são consideradas instáveis. ABES - Associação Brasileira de Engenharia Sanitária e Ambiental 3

4 RESULTADOS E DISCUSSÃO A partir da análise dos valores de desvio padrão, pode-se concluir que nenhuma das estações de tratamento pode ser considerada estável. Com base na análise do desvio padrão (Niku, 1982), apenas a ETE UASB+FA01 pode ser considerada estável quanto os parâmetros DBO e SST (Tabela 3). Tabela 3: Estatísticas Descritivas. DBO (mg/l) DQO (mg/l) SST (mg/l) Nome de Referência Desvio Desvio Desvio Média V Média V Média V Padrão Padrão Padrão FS+FA , , ,35 FA+FA , , ,93 FA+FA , , ,63 LA , , ,31 LA , , ,83 LA , , ,09 LA , , ,3 LA , , ,1 LA , , ,06 LAF , , ,76 LAF , , ,82 LF , , ,85 LF , ,6 LF , , ,5 SA , SA , , ,7 SA , , ,54 UASB , ,36 UASB , , ,95 UASB , , ,76 UASB , ,73 UASB+FA , , ,6 UASB+FA , , ,21 UASB+FAE , , ,9 UASB+FBP , , ,61 UASB+FLOT , , ,62 UASB+LF , ,78 UASB+LF , , ,9 UASB+LP , , ,7 (V: coeficiente de variabilidade) As concentrações de projeto calculadas pelo Método CDC para uma confiabilidade de 90% estão listadas na Tabela 4. Pode-se observar uma diminuição dos valores limites na grande maioria das ETE s. Apenas uma estação apresentou um aumento da concentração de projeto para o parâmetro DQO e duas para o parâmetro SST. Isso significa que nessas ETE s a variabilidade das amostras é bem reduzida. As médias para cada tipologia de tratamento podem ser vistas na Tabela 5. Essas concentrações, menores que as preconizadas pela legislação, amortecem a variabilidade do efluente. As concentrações de operação para uma confiabilidade de 90% (Tabela 4) demonstram uma tendência de aumento dos valores limites de qualidade. Isso traduz a grande variabilidade dos dados das estações avaliadas. As médias para cada tipologia de tratamento podem ser vistas na Tabela 5. ABES - Associação Brasileira de Engenharia Sanitária e Ambiental 4

5 Tabela 4: Análise de Confiabilidade Concentrações de Projeto e de Operação. Nome de DBO (mg/l) DQO (mg/l) SST (mg/l) Referência CDC C. P. C.O. CDC C. P. C.O. CDC C. P. C.O. FS+FA 01 0, , , FA+FA 02 0, , , FA+FA 03 0, , , LA 01 0, , , LA 02 0, , , LA 03 0, , , LA 04 0, , , LA 05 0, , , LA 06 0, , , LAF 01 0, , , LAF 02 0, , , LF 01 0, , , LF 02 0, , LF 03 0, , , SA 01 0, SA 02 0, , , SA 03 0, , , UASB 01 0, , UASB 02 0, , , UASB 03 0, , , UASB 04 0, , UASB+FA 01 0, , , UASB+FA 02 0, , , UASB+FAE 01 0, , , UASB+FBP01 0, , , UASB+FLOT 01 0, , , UASB+LF 01 0, , UASB+LF 02 0, , , UASB+LP 01 0, , , Média 0, , , (CDC: coeficiente de confiabilidade; C.P.: concentração de projeto; C.O.: concentração de operação). Tabela 5: Média das Concentrações para cada Tipologia. Nome de DBO (mg/l) DQO (mg/l) SST (mg/l) Referência C. P. C.O. C. P. C.O. C. P. C.O. FS+FA LA LAF LF SA UASB UASB+PÓS CONCLUSÕES A análise de confiabilidade verificou a capacidade de cada estação em tratar satisfatoriamente seu efluente função predefinida pela legislação. A dificuldade na obtenção de resultados mais comparativos foi produto de alguns fatores, tais como as condições variáveis de operação, diferentes períodos e freqüências de coleta de dados e a falta de alguns dados, entre outros. ABES - Associação Brasileira de Engenharia Sanitária e Ambiental 5

6 Num exame geral, percebe-se uma grande variabilidade dos dados, o que levou a um aumento das concentrações de projetos se comparadas aos valores da legislação. Os parâmetros DBO e SST apresentaram variabilidade média de 47% e 42%, respectivamente. A menor variabilidade nos valores das concentrações efluentes durante um ano de operação das ETE s foi encontrada no parâmetro DQO 20%. Como conseqüência, as concentrações de operação tiveram aumento considerável. Os resultados obtidos demonstram a importância da análise de confiabilidade no diagnóstico do desempenho de estações de tratamento de águas residuárias. Para assegurar a qualidade das ETE s, que pode ser abordada como a remoção dos poluentes dos esgotos, o conceito de confiabilidade deve ser incluído nas análises. Ressalta-se que a metologia utilizada para avaliação da estabilidade e confiabilidade dos dados efluentes apenas é válida em análises baseadas em dados obtidos a longo prazo (como amostras anuais, por exemplo), não devendo então ser extrapolada a estudos em curtos períodos. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS 1. HELLER, L. et al. Investigação Científica em Engenharia Sanitária e Ambiental. Associação Brasileira de Engenharia Sanitária e Ambiental; VON SPERLING, M. Introdução à Qualidade das Águas e ao Tratamento de Esgotos. 2. ed. Belo Horizonte: Departamento de Engenharia Sanitária e Ambiental; Universidade Federal de Minas Gerais; NIKU, S. et all. Performance of Activated Sludge Processes and Reliability-based Design journal WPCF, Vol. 51, No. 12, NIKU, S. et all. Reability and Stability of Trickling Filtr Processes. 5. GNÉDENKO, B. et al. Méthodes Mathématiques em Théorie de la Fiabilité. Les Éditions Mir; p. 6. Sistema Nacional de Informações sobre Saneamento. Diagnóstico dos Serviços de Águas e Esgotos Brasília; p. ABES - Associação Brasileira de Engenharia Sanitária e Ambiental 6