II 114 DETERMINAÇÃO DAS TAXAS OPERACIONAIS DAS LAGOAS AERADAS DAESTAÇÃO DE TRATAMENTO DE ESGOTOS SANITÁRIOS DE JUNDIAÍ Antonio Eduardo Giansante (1) Engenheira Civil pela Escola de Engenharia Mauá. Mestre em Hidráulica e Saneamento pela Escola de Engenharia de São Carlos - EESC/USP. Doutor em Recursos Hídricos pela Escola Politécnica EP/USP. Professor Universitário. Diretor técnico da TECPEME. Endereço (1) : Rua Basílio da Cunha, 70 - Aclimação São Paulo - SP - CEP: 01544-000 - Brasil - Tel: (11) 5083-8471 - e-mail: agisante@uol.com.br RESUMO A determinação das taxas de operação de uma estação de tratamento de esgotos sanitários é feita normalmente a partir da análise de características como demanda bioquímica de oxigênio DBO, demanda química de oxigênio DQO, teor de coliformes fecais e a remoção de sólidos. Para este artigo, foram utilizados os dados referentes aos anos de 1999 e 2000 nos meses em que os dados foram coletados separadamente nas lagoas aeradas e nas de sedimentação, pois, de acordo com o contrato de operação, o monitoramento é permanente, porém no afluente e efluente da estação de tratamento de esgotos de Jundiaí. Os valores desagregados serviram de base para que se estime a taxa de remoção de DBO de cada unidade. A estação depuradora é composta por duas lagoas aeradas, seguidas de quatro de sedimentação, duas para cada aerada respectivamente. As taxas volumétricas operacionais obtidas a partir dos dados de 1999 e 2000 para as lagoas aeradas 1 e 2 são respectivamente iguais 57,2 e 35,4 gdbo 5 /m 3.dia, enquanto as superficiais são 2973 e 1840 kgdbo/ha.dia. Essas taxas devem ser comparadas com aquelas provenientes da literatura, de 20 a 30 gdbo/m 3.dia ou 100 a 300 kgdbo/ha.dia. De fato, é constatado que as taxas volumétrica e superficial estão na faixa esperada ou próxima a esta. Note-se que os resultados até aqui obtidos apontam que a lagoa aerada 2 vem apresentando uma eficiência de remoção inferior a 1. A continuidade do monitoramento possibilitará a obtenção de taxas efetivas para as condições reais verificadas, de forma a ser possível utilizá-las no dimensionamento de outras estações de tratamento de esgotos que utilizem o mesmo processo. PALAVRAS-CHAVE: DBO, tratamento, taxa de remoção volumétrica. INTRODUÇÃO. A determinação das taxas de operação de uma estação de tratamento de esgotos sanitários é feita normalmente a partir da análise de características como demanda bioquímica de oxigênio DBO, demanda química de oxigênio DQO, teor de coliformes fecais e a remoção de sólidos. Para este artigo, foram utilizados os dados referentes aos anos de 1999 e 2000 nos meses em que os dados foram coletados separadamente nas lagoas aeradas e nas de sedimentação, pois, de acordo com o contrato de operação, o monitoramento é permanente, porém no afluente e efluente da estação de tratamento de esgotos de Jundiaí. Os valores desagregados serviram de base para que se estime a taxa de remoção de DBO de cada unidade. REVISÃO DA LITERATURA. Os objetivos do tratamento de esgotos sanitários são as reduções dos teores de matéria orgânica, avaliada pela Demanda Bioquímica de Oxigênio DBO, de Coliforme Fecal CF e de Sólidos Suspensos SS. A matéria orgânica não é avaliada diretamente pela quantidade de matéria presente, i. é, a sua massa, mas sim pela redução que causa na concentração de oxigênio dissolvido OD presente nos corpos d água. Justifica-se isso pela enorme variedade de substâncias orgânicas encontradas, de maneira que se fosse determinada a presença de cada uma destas, seria um trabalho de muito fôlego, porém de pouca utilidade prática. ABES Trabalhos Técnicos 1
Determinar a presença de coliformes fecais, por sua vez, é importante, pois esta variável tem sido bastante empregada para avaliar se há esgotos sanitários em corpos d água. Os coliformes fecais pertencem à família dos coliformes totais, a qual abrange não só os que vivem no intestino dos animais de sangue quente, mas ainda os que fazem parte da biota do ecossistema do solo. Os coliformes fecais têm como seu ambiente o intestino do homem e dos animais de sangue quente, que são escuros e quentes, de maneira que é lá que se alimentam, crescem e se reproduzem. Quando presentes em corpos d água superficiais, indicam uma contaminação recente destes por esgotos sanitários, pois esses corpos, iluminados e frios, logo de condições diversas de onde provieram, não reúnem as condições para a sua reprodução e crescimento. Portanto, a determinação do seu número mais provável por 100 ml NMP/100 ml é usual para verificar o grau de contaminação dos corpos d água, embora em si estes não sejam patogênicos, somente oportunistas, mas indicam potencialmente a presença de outros organismos ou microrganismos patogênicos provenientes dos esgotos sanitários. Os sólidos em suspensão SS também podem ser utilizados como variável para avaliar a eficiência de estações de tratamento de esgotos, porém seu uso é ainda pequeno, dada às condições ambientais aqui encontradas. Em países onde se encontram corpos d água com teor total de sais elevado, próximo a ser salobro, é feito um controle também dessa variável, de maneira a evitar um aumento de seu valor nos corpos receptores. Eventualmente também seria comentada a presença do sólido sedimentável, em função do seu papel nas lagoas aeradas, o que será feito agora. Qual a relação que os sólidos têm com as outras características mencionadas? Isso pode ser avaliado pelas concentrações usuais que não só os sólidos totais têm nos esgotos sanitários, mas também outras variáveis como a DBO e o CF. Na literatura aceita-se como valores típicos de DBO dos esgotos sanitários 300 mg/l, para aquele definido como médio; fraco, abaixo de 200 mg/l e forte, acima de 400 mg/l. Esses valores são para exemplificar as condições usuais, porém é possível que o esgoto afluente a uma estação apresente essa mesma variação em função da hora em que é feita a amostragem. Para os sólidos suspensos os valores para esgoto sanitário concentrado (forte), médio e fraco (diluído) respectivamente são: 500, 300 e 150 mg/l. Já para o teor dos sólidos sedimentáveis, o valor mais comum situa-se na faixa de 3 a 5 ml/l. Quadro 1:Características típicas de sólidos no esgoto bruto. Sólidos Características dos esgotos in natura (mg/l) Forte Médio Fraco Total 1.000 500 200 Volátil 700 350 120 Fixo 300 150 80 Suspenso total 500 300 100 Suspenso volátil 400 250 70 Suspenso fixo 100 50 30 Dissolvido total 500 200 100 Dissolvido volátil 300 100 50 Dissolvido fixo 200 100 50 Fonte: Pessoa e Jordão, Tratamento de Esgotos sanitários, 1995. Finalmente, o número mais provável por 100 ml de coliformes fecais situa-se na ordem de bilhões, dado que cerca de 50% da massa presente na matéria fecal de cada se deve aos coliformes fecais evacuados. O quadro 1 mostra uma síntese de valores dessas características encontradas na literatura específica A variação dessas condições depende de muitos fatores: hábitos da população atendida pelo Sistema de Esgotos Sanitários SES, presença de efluentes industriais, taxa de infiltração de água subterrânea e outras na rede coletora, ligações parasitárias de águas pluviais ou de outra origem na rede etc. Assim, como já visto para a DBO, variações significativas são esperadas, sobretudo quando há grandes contribuintes como indústrias, caso de Jundiaí. Entre todos os teores de sólidos presentes, os sólidos voláteis SV são os que mais servem para avaliar a presença de matéria orgânica medida usualmente pela DBO e também pela DQO. Qual a justificativa disso? O ensaio de determinação dos SV é feito para se determinar à presença de matéria orgânica em relação ao total encontrado de matéria nos esgotos sanitários. No ensaio acontece um processo de combustão (oxidação intensa) no qual a matéria orgânica presente é convertida em água e dióxido de carbono (CO 2 ), enquanto se controla a temperatura para evitar a decomposição e a volatilização de substâncias orgânicas, de modo que sua 2 ABES Trabalhos Técnicos
determinação é correspondente com a oxidação total da matéria orgânica. A perda em massa no recipiente que contém a amostra é interpretada como o teor de matéria orgânica presente nos esgotos. O procedimento padronizado é a queima a 600 C, pois esta temperatura é a menor a partir do qual a matéria orgânica, particularmente os resíduos de carbono resultantes da pirólise de carbohidratos e outros compostos orgânicos, é oxidada a uma taxa razoável, sem oxidar significativamente compostos inorgânicos. Assim, diferentemente da característica usualmente medida para os esgotos, os sólidos sedimentáveis, cujo ensaio determina a fração mais grosseira da matéria orgânica, medida em mililitros por litro (ml/l), os SV avaliam o total de matéria orgânica presente, por isso serão aqui utilizados para avaliar num primeiro momento as taxas de remoção de matéria orgânica por lagoa aerada. As concentrações usuais de SV nos esgotos sanitários são as seguintes: forte, 700 mg/l, médio 350 mg/l e fraco 120 mg/l (JORDÃO, E.P. & PESSOA, 1995), como visto no quadro 1. Na literatura aceita-se como valores típicos de DBO dos esgotos sanitários 300 mg/l, para aquele definido como médio; fraco, abaixo de 200 mg/l e forte, acima de 400 mg/l, de modo que há um nítido comportamento semelhante, embora não guardem proporcionalidade, entre ambas as características, SV e DBO, o que pode ser admitido em termos de taxa de remoção numa ETE. Mesmo os sólidos voláteis dividem-se em duas categorias, de acordo com sua forma presente na água: em suspensão, correspondendo a aqueles mais grosseiros, e os dissolvidos. Estes últimos têm maior interesse, pois medem mais fielmente o teor de matéria orgânica passível de ser oxidada biologicamente. Isso se dá porque as bactérias responsáveis pela oxidação bioquímica da matéria orgânica a necessitam dissolvida para que esta passe através da membrana celular e, assim, ocorra a degradação do composto orgânico assimilado. A matéria orgânica no estado coloidal também pode passar por um processo semelhante, pois há a digestão que ocorre por meio de enzimas fora do próprio microrganismo, preparando o substrato para que seja oxidado posteriormente no seu interior. Dessa forma, mais especificamente, a característica Sólido Dissolvido Volátil SDV é a que mais se aproxima da DBO e por isso é aqui utilizada na avaliação preliminar das taxas de remoção da matéria orgânica. De acordo com o quadro 1, as concentrações usuais de SDV são 300, 100 e 50 mg/l respectivamente para esgotos classificados como forte, médio e fraco, enquanto que para a DBO valem 400, 300 e 200 mg/l, mostrando um comportamento muito mais semelhante, motivo o qual esta característica, SDV, foi a adotada para estimar as taxas de remoção da matéria orgânica. RESULTADOS. Em face do explicado anteriormente, neste item se faz a determinação das taxas de remoção que estão ocorrendo em cada uma das lagoas aeradas, a partir dos dados obtidos nos relatórios operacionais de janeiro e fevereiro de 2.000. Para que essas taxas sejam determinadas, antes se apresenta uma rápida descrição de como essas lagoas são dimensionadas e como operam. Em função da maior concentração de biomassa e pelo fato desta ficar dispersa no meio líqüido, o tempo de detenção da lagoa é de 2 a 4 dias para a aerada enquanto que chega a 10 para a facultativa. Com um tempo de detenção de cerca de 3 dias em média, quando acontecem perturbações, como a ocorrência de uma chuva significativa, a eqüalização e o amortecimento decorrente, demora aproximadamente esse mesmo tempo para chegar na saída da lagoa, desde que as condições de mistura sejam suficientemente boas. Então, esse é o tempo a esperar, quando há choques nessas lagoas, para que haja alteração das características do efluente. Isso é verificado no evento de chuva que ocorreu em Jundiaí e região no dia 29 de janeiro do corrente ano. A contribuição clandestina de água pluvial na rede coletora se fez sentir no volume de esgotos afluentes à ETE nos dias 30 e 31 de janeiro, onde saltou de uma faixa da ordem de 50.000 m 3 dia para cerca de 75.000 m 3 /dia. Nos dias 1, 2 e 3 de fevereiro esse volume chegou a cerca de 87.000 m 3 /dia, o que indica a inércia que ocorre na rede coletora de esgotos. Finalmente, mostrando como o processo de tratamento por lagoa aerada seguida da de sedimentação tem um bom amortecimento desse tipo de evento, as DBO de saída se mantiveram em torno da média mensal, cerca de 21 mg/l. Já a lagoa de sedimentação é dimensionada para um tempo médio de detenção mais reduzido: cerca de 2 dias. Nesse período os sólidos são sedimentados pela ação da gravidade, já que as bactérias, tendo se alimentado por matéria orgânica, estão com massa maior, facilitando essa operação física unitária, por isso não é de estranhar, obter um teor de sólidos voláteis suspensos SVS maior no efluente de uma lagoa aerada do que no seu afluente, conforme se constata nas análises da ETE Jundiaí. Esse lodo permanece lá armazenado por anos, de 2 a 5, como visto, e pode ser retirado por dispositivos colocados no fundo ou por meio de balsas flutuantes que o removem continuamente, quando houver necessidade. Essa tarefa é cara e difícil e ainda não está suficientemente bem resolvida para a maior parte das ETEs em operação no Brasil. ABES Trabalhos Técnicos 3
Considerando o sistema de lagoas em série, como o da ETE Jundiaí, o tempo total de detenção fica entre 4 e 7 dias. As eficiências usuais da lagoa aerada seguida daquela de sedimentação são: DBO, de 70 a 90%; nitrogênio, de 30 a 50%; fósforo, de 20 a 60%; e coliformes fecais, de 60 a 99%, sem unidade suplementar de desinfecção. Esses são valores médios encontrados na literatura e em alguns esparsos relatórios operacionais, ainda muito pouco consolidados, já que a seqüência de monitoramento ainda é muito falho na maior parte das ETEs que contam com esse processo. As eficiências colocadas se aproximam muito dos valores dos outros processos aeróbios de tratamento como os demais tipos de lagoas, mas são um pouco inferiores aos resultados do processo de lodos ativados e seus variantes, a saber: DBO, de 85 a 98%; nitrogênio, de 15 a 30%; fósforo, de 20 a 60%; e coliformes fecais, de 65 a 99%. É esperado que esses valores sejam próximos, pois, afinal, são bactérias aeróbias as responsáveis pela remoção da DBO, SS e coliformes fecais e no caso do tratamento por lodos ativados as eficiências são maiores, pois já que o processo é mais intenso, com maior transferência de energia e OD pelos aeradores. Por isso que seus custos são maiores, inclusive de manutenção e operação. Os equipamentos necessários para a operação das lagoas aeradas são os aeradores que podem ser superficiais ou tipo sopradores de ar difuso, dispostos no fundo das unidades. Este último tipo tem sido mais utilizado, pois além de não produzir aerossóis, poluentes atmosféricos, é mais eficientes tanto na mistura quanto na oxigenação. Com os objetivos de fornecer OD e manter em suspensão o lodo, que são as bactérias responsáveis pelo tratamento, para que se alcance a eficiência mínima de aeração, os aeradores devem fornecer uma potência da ordem de 10 a 20 W/m 3, enquanto que numa lagoa facultativa esta deve ser da ordem de 3 a 4 W/m 2, dada pelos fenômenos naturais que lá ocorrem. Se fossem instalados aeradores somente para funcionar como misturadores, a potência que deveriam fornecer seria de 1 a 3 W/m 2. Para cumprir seus propósitos de incorporação de OD e circulação do lodo, é suficiente fornecer uma quantidade de OD de 1 a 1,5 grama de OD por grama de DBO aplicada. Já para o dimensionamento, é recomendada uma taxa volumétrica hidráulica de 20 a 30 gdbo 5 /m 3.dia ou 1.000 a 3.000 kgdbo/ha.dia, considerando taxa superficial. A profundidade varia entre 2,5 e 4m. A concentração de sólidos em suspensão está faixa de 100 a 360 mg/l, sendo que de 70 a 80% destes são voláteis, i.é, orgânicos. Essas propriedades e taxas das ETEs constituídas por lagoas aeradas seguidas daquelas de sedimentação servem como parâmetros para o objetivo deste trabalho que é determinar as respectivas taxas de remoção, de modo que se procurará verificar quais são as taxas volumétrica e superficial com vêm operando as lagoas aeradas. As dimensões geométricas das lagoas aeradas foram obtidas a partir de planta do seu projeto. O volume de cada lagoa é igual 150.000 m 3 e a área superficial é 170x170 m 2 ou 28900 m 2 ou 2,89 ha. Com esses valores foram calculadas as taxas de remoção de cada uma das lagoas aeradas, utilizando a variável DBO para os anos de 1999 e 2.001. Os pontos de coleta estão no quadro 2. Quadro 2:Pontos de Coleta de DBO. Ponto Ponto de Coleta DBO (mg/l) 1 Entrada da ETE 400 2 Saída aeração 1 80 3 Saída aeração 2 120 4 Saída final 1 + 2 0 Fonte: relatórios operacionais CSJ, 1999 e 2000. As taxas de remoção de SDV são calculadas pela seguinte equação: tra SDV = [(te E te S ). V]/A L (eq. 1) trv SDV = [(te E te S ). V]/V L (eq. 2) Onde: tra SDV = taxa de remoção superficial de cada lagoa, kgdbo/ha.dia; te E = teor de entrada em cada lagoa, mg/l; te S = teor de saída em cada lagoa, mg/l; 4 ABES Trabalhos Técnicos
V = volume diário afluente a cada lagoa, m 3 ; A L = área superficial de cada lagoa, ha; trv SDV = taxa de remoção volumétrica de cada lagoa, gdbo/m 3.dia; V L = volume de cada lagoa, m 3. A partir desses valores foram obtidas as seguintes taxas médias de remoção no período considerado, lembrando que foram desprezadas aquelas negativas (quadros 3 e 4) e admitidos volumes diários iguais por lagoa aerada: Quadro 3:Taxas volumétrica e superficial para a lagoa aerada 1. Amostras Volume diário de esgotos (m 3 ) Taxa volumétrica (gdbo 5 /m 3.dia) Taxa superficial (kgdbo/ha.dia) 1 71.729/2 23,5 1241 2 73.401/2 48,9 2540 3 82.680/2 88,2 4577 4 75.042/2 ----- -------- 5 72.944/2 68,1 3534 Quadro 4:Taxas volumétrica e superficial para a lagoa aerada 2. Amostras Volume diário de esgotostaxa volumétrica Taxa superficial (m 3 ) (gdbo/m 3.dia) (kgdbo/ha.dia) 1 71.729/2 9,6 496 2 52.442/2 7,0 363 3 82.680/2 77,1 4005 4 75.042/2 30,0 1558 5 72.944/2 53,5 2776 Esses resultados foram considerados para se obter a eficiência média relativa a cada uma das lagoas aeradas (quadros 5 e 6). Quadro 5:Taxas volumétrica e superficial médias para a lagoa aerada 1. Taxa volumétrica Taxa superficial (gdbo 5 /m 3.dia) (kgdbo/ha.dia) 57,2 2973 Essas taxas devem ser comparadas com aquelas provenientes da literatura, de 20 a 30 gdbo/m 3.dia ou 100 a 300 kgdbo/ha.dia. De fato, é constatado que as taxas volumétrica e superficial estão na faixa esperada ou próxima a esta. Note-se que os resultados até aqui obtidos apontam que a lagoa aerada 2 vem apresentando uma eficiência de remoção inferior a 1. Quadro 6:Taxas volumétrica e superficial médias para a lagoa aerada 2. Taxa volumétrica Taxa superficial (gdbo 5 /m 3.dia) (kgdbo/ha.dia) 35,4 1840 CONCLUSÕES. Em suma, neste artigo se procurou verificar as taxas volumétricas e superficiais por lagoa aerada, a partir dos dados disponíveis. Pretende-se continuar a avaliar quais taxas efetivamente vêm ocorrendo já que a ABES Trabalhos Técnicos 5
disponibilidade de dados é crescente. Finalmente, essa determinação é importante, pois são dados que expressam a realidade encontrada nas condições locais, o que possibilitará utilizá-los em outras estações de tratamento de esgotos que venham a empregar o mesmo processo. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS. 1. AZEVEDO NETO, J.M.(organizador) Sistemas de Esgotos Sanitários CETESB, São Paulo, 1977. 2. CETESB Estudo de Tratabilidade dos Despejos da Área Urbana de Jundiaí Sistema Piloto de Lagoa Aerada e Lagoa de Decantação São Paulo, 1990. 3. COMPANHIA DE SANEAMENTO DE JUNDIAÍ Relatórios Mensais de Atividades Outubro/1998 a Fevereiro/2.001, Jundiaí, São Paulo. 4. FAIR, GEYER & OKUN Purification de Aguas Y Tratamiento Y Remocion de Aguas Residuales Editorial Limusa, 1979, México. 5. GIANSANTE, A.E. Têm Preço os Danos Ambientais? Revista Projeções-USF, vol.13, nº1, pp. 47 a 62, 1995. Bragança Paulista, SP. 6. GIANSANTE, A.E. Avaliação Das Condições Operacionais Da Estação De Tratamento De Esgotos Sanitários De Jundiaí Relatório DAEJ, 2.000, Jundiaí, SP. 7. JORDÃO, E.P. & PESSOA, C.A. Tratamento de Esgotos Domésticos ABES, 3ª Edição, 1995, Rio. 6 ABES Trabalhos Técnicos