AVALIAÇÃO DE PARÂMETROS CINÉTICOS E HIDRÁULICOS EM TANQUES SÉPTICOS RETANGULARES DE CÂMARA ÚNICA

AVALIAÇÃO DE PARÂMETROS CINÉTICOS E HIDRÁULICOS EM TANQUES SÉPTICOS RETANGULARES DE CÂMARA ÚNICA Eduardo Patza (1) Graduado em Engenharia Civil pela Universidade Federal do Paraná (2005). Mestrando em Engenharia de Recursos Hídricos e Ambiental da Universidade Federal do Paraná (2006). Engenheiro de Projetos Civis da Companhia Paranaense de Energia Elétrica (COPEL). Daniel Costa dos Santos Graduado em Engenharia Civil pela Universidade Federal de Santa Maria (1988). Mestre em Engenharia Civil pela Universidade Federal do Rio Grande do Sul (1992). Doutor em Engenharia Civil pela Universidade de São Paulo (1998). Professor do Departamento de Hidráulica e Saneamento da Universidade Federal do Paraná Endereço (1) : Rua Professor João Doetzer, 134 - Jardim das Américas - Curitiba - Paraná - CEP: 81550-280 - Brasil - Telefone: 55-41-3365-5405 - e-mail: epatza@yahoo.com.br. RESUMO As condições de saneamento básico encontram-se em situação crítica, na qual grande parcela da população não é efetivamente atendida. O tanque séptico se apresenta como uma opção para reduzir a carência no âmbito do tratamento de esgotos sanitários. Não pela sua eficiência (que é reconhecidamente baixa se comparada a outros sistemas), mas sim, pela sua simplicidade de instalação e operação. Foi desenvolvido um experimento em escala reduzida, no qual se simulou um tanque séptico que atendesse a uma comunidade de 250 pessoas. O tanque em escala piloto (com volume de 27 litros) foi operado por cinco meses utilizando efluente sintético gerando uma base de dados aferidos laboratorialmente. Efetuaram-se análises físico-químicas na entrada e na saída do tanque séptico para cinco tempos de detenção (12, 15, 18, 21 e 24 horas). Dentre os indicadores aferidos, a matéria orgânica (representada pelos valores de demanda bioquímica de oxigênio DBO e demanda química de oxigênio DQO) foi o de maior interesse para a pesquisa. Buscou-se obter valores para a constante cinética química de degradação e para a determinação do regime hidráulico dentro do tanque a partir dos indicadores mensurados de remoção da matéria orgânica. Associando-se os regimes hidráulicos clássicos de literatura (mistura completa, fluxo disperso e fluxo em pistão) à consideração do efeito da temperatura (equação de Van t Hoff Arrhenius), ao padrão estatístico de verificação (Estimativa Padrão do Erro) e à base de dados extraída do modelo reduzido em questão, após diversas iterações entre as variáveis, foram obtidos valores para a constante cinética química e o regime hidráulico. O regime que melhor representou o processo de estabilização da matéria orgânica do efluente em estudo no tanque séptico foi o de fluxo em pistão. Assim este trabalho pretende contribuir no aperfeiçoamento do tanque séptico a partir dos parâmetros obtidos. PALAVRAS CHAVES: tanque séptico, hidráulica de reatores, cinética química, matéria orgânica. INTRODUÇÃO O tanque séptico de câmara única é um dos mais simples sistemas de tratamento de águas residuárias utilizado. Mesmo diante de sua simplicidade e facilidade de instalação e operação, ele ainda é pouco estudado no âmbito da ciência. Segundo CHERNICARO (1997) apesar da larga experiência de utilização de tanques sépticos no Brasil, as condições operacionais são usualmente

deficientes, devido à falta de análise dos projetos e de acompanhamento da execução dos mesmos. O Instituto Brasileiro de Geografia e Estatística divulgou em seu último censo (2000) que mais de 67 milhões de brasileiros (40% da população do Brasil) tratam seus despejos domésticos através do tanque séptico. Aproximadamente 42 dos 67 milhões de brasileiros que usam o tanque séptico, o fazem através de uma fossa rudimentar. Diante de uma realidade que aponta a importância do tanque séptico no sistema de esgotamento sanitário brasileiro, investir em sistemas simples e economicamente acessíveis as populações mais carentes é um importante passo na solução das inúmeras dificuldades sanitárias. Esta pesquisa pretende contribuir na avaliação matemática do regime hidráulico e das constantes cinéticas de degradação da matéria orgânica no tanque séptico. Entendendo e equacionando os processos que se desenvolvem no tanque durante o tratamento da água residuária poder-se-á obter tanques sépticos melhor dimensionados. A intenção é que se conhecendo melhor a tecnologia de tratamento sejam gerados efluentes de melhor qualidade possibilitando-se a preservação dos recursos hídricos, assim como a qualidade da água dos mananciais, promovendo a melhoria de saúde e de qualidade de vida das populações. OBJETIVOS O objetivo geral é propor contribuições para a modelagem matemática de tanque séptico de câmara única como tecnologia de tratamento de esgoto bruto. Os objetivos específicos dessa pesquisa são a avaliação do comportamento da cinética de remoção de matéria orgânica e a determinação do regime hidráulico. Esses serão avaliados dentro do intervalo de tempos de detenção hidráulicos preconizados para o tanque séptico na NBR 7229/1993 (ABNT Associação Brasileira de Normas Técnicas). REVISÃO BIBLIOGRÁFICA A cinética de remoção de substrato é importante no estudo do processo de digestão anaeróbia, pois está relacionada à atividade bacteriana e permite avaliar a qualidade final do efluente. A equação geral que define a cinética química de degradação ou crescimento para um único elemento reagindo é: dc = ± n kc dt equação (1) Sendo: n = ordem da reação k = constante cinética de remoção de substrato (dia -1 ) C = concentração da entidade química (espécie, substrato). Nos reatores de tratamento de esgoto a maioria das reações ocorre segundo a cinética de 1ª ordem (VON SPERLING 1996). Alguns exemplos desse tipo de reação são o decaimento de organismos patogênicos e a remoção de matéria orgânica e aeração artificial. Segundo VON SPERLING (1996, p. 37) denomina-se reator todo tanque ou volume genérico que possibilita o acontecimento de reações químicas ou bioquímicas no seu interior. Assim sendo o tanque séptico, ou qualquer outro recipiente de maior proporção utilizado para o tratamento de esgoto, são denominados reatores. O tempo permitido às reações bioquímicas é importante, pois existe um valor ideal de tempo para cada tipo de reator. Se o tempo for muito pequeno (baixo tempo de detenção) as reações serão poucas e a eficiência de remoção de substrato será muita baixa. Um tempo muito elevado também não é muito bom, pois as reações a partir de certo tempo já não reduzirão mais tanto o substrato afluente e o volume de reator fica elevado (aumentando custos de implantação e operação).

Os reatores podem apresentar diferentes configurações e mecanismos de transporte dos materiais. Estes, de acordo com sua hidráulica, podem ser classificados em fluxo em pistão, mistura completa e fluxo disperso. Quadro 1 Regimes hidráulicos segundo a literatura clássica Regime Hidráulico Equação Fluxo em pistão C C e k. td = o. equação (2) Fluxo disperso Mistura Completa Onde: C = substrato efluente (final) C o = substrato afluente (inicial) k = constante cinética de degradação t d = tempo de detenção d = número de dispersão a = 1 + 4. k. t d. d 1 2. d 4. a. e o. a a 2 2. d 2 2. d C = C equação (3) (1 + a) e (1 a) e C C = o equação (4) 1+ k. t d METODOLOGIA Foi desenvolvido um modelo reduzido capaz de simular, fisicamente, uma concepção de tanque séptico (BARBOSA, 2006). A unidade (figura 1) era constituída por um tanque séptico com uma única câmara, com comprimento (L) de 80cm, largura da base de 20cm e altura de efluente (H altura útil) de 17cm, perfazendo um volume total de reator de 27 litros. Foi adotada a relação de semelhança (critério de Froude) para dimensionamento do tanque em escala. O volume de 27 litros em escala reduzida 1:13 simula um tanque séptico real que atenderia uma comunidade de 250 pessoas. Figura 1 Modelo em escala piloto Legenda: TAES: Tanque Alimentador de Esgoto Sintético B: Bomba Controladora de Vazão (Peristáltica) H: Altura da Câmara L: Comprimento da Câmara 1 e 2: Pontos de Amostragem As análises físico químicas seguiram o preconizado no Standard Methods for the Examination of Water and Wastewater (APHA et al., 1998). Foram avaliados os tempos de detenção hidráulica de 12, 15, 18, 21 e 24 horas. Os tempos de detenção eram controlados pela bomba peristáltica que alimentava continuamente de efluente o tanque séptico. Como o volume era constante (27 litros), variavam-se as vazões na bomba. Conforme BARBOSA (2006), o esgoto sintético utilizado no experimento foi basicamente o proposto e utilizado por TORRES (2002) apud PARSEKIAN (2003), descrito no Quadro 1.

Quadro 2 Formulação do esgoto sintético. Esgoto sintético (formulação para 160 litros) Óleo vegetal 8,16ml Farinha Trigo 32,0g MgCl 2.6H 2 O 1,12g Detergente 160 gotas Sacarose 2,80g CaCl 2.2H 2 O 0,72g Celulose 4,80g NH 4 CL 1,02ml KH 2 PO 4 4,22g Extrato Carne 32,0g NaCl 40,0g NaHCO 3 32,0g Amido 1,60g Para a modelagem matemática anaeróbia, no intuito de avaliar a eficiência na remoção do substrato, uma série de condições foram consideradas, especialmente a hidráulica dos reatores e a cinética das reações. A calibração do modelo matemático para obtenção dos parâmetros foi realizada via a Estimativa Padrão do Erro, onde os valores gerados matematicamente (via modelo) foram confrontados com os valores reais medidos em laboratório para cada dado de entrada de DQO. A equação adotada segue: ( y y ) E e = n Onde: Ee = estimativa do erro (-) n = número de amostras y = valor calculado y(traço) = valor experimental 2 equação (5) A influência da temperatura na degradação foi considerada com o uso da equação de Van t Hoff Arrhenius: ( T 20) k( T ) = k( T = 20º C ) θ equação (6) Onde: k = constante cinética de remoção de substrato (dia -1 ) T = temperatura do efluente (ºC) θ = admitido como 1,047 (CHAPRA, 1997) Quanto a operação do reator, foi possível a obtenção de uma significativa quantidade de dados. O resultado para a modelagem pretendida é o referente à remoção de matéria orgânica. Obtiveram-se no mínimo quatro conjuntos completos de análises de DQO para cada tempo de detenção, sendo este o parâmetro utilizado na modelagem. Para DBO foram realizadas um número menor de amostragens (em média dois conjuntos por tempo de detenção). A seguir apresenta-se no Quadro 3 todos os valores obtidos da operação do sistema de tratamento em escala piloto (BARBOSA, 2006).

Quadro 3 Remoção de matéria orgânica no modelo (Valores médios) TDH Temp. DQO (mg/l) DBO (mg/l) (horas) (ºC) Esgoto Tanque Eficiên. Esgoto Tanque Eficiên. (afluente) Séptico (efluente) (afluente) Séptico (efluente) 26,0 461,5 307,7 33% 18,9 300,8 225,6 25% 12 18,9 313,2 261,1 17% 148,9 114,8 23% 16,9 261,2 186,6 29% 14,5 534,4 515,3 4% 14,7 250,8 196,3 22% 113,7 73,3 36% 15,8 378,8 246,2 35% 20,0 527,3 351,6 33% 20,9 223,6 203,3 9% 15 20,1 561,2 237,6 58% 237,3 116,3 51% 22,9 365,9 142,3 61% 20,1 483,3 311,3 36% 199,2 110,3 45% 20,0 286,7 225,3 21% 120,5 71,9 40% 23,6 821,3 195,0 76% 318,2 74,7 77% 18,3 428,6 178,6 58% 18 23,1 421,2 146,5 65% 23,9 611,1 203,7 67% 19,8 645,8 239,9 63% 22,7 1176 235,2 80% 523,7 107,4 79% 21 18,7 693,8 321,4 54% 273,3 108,5 60% 20,2 421,2 146,5 65% 23,9 460,0 280,0 39% 24,2 468,8 371,1 21% 24,6 647,8 344,1 47% 398,5 108,0 73% 24 22,4 485,8 445,3 8% 23,3 652,2 395,3 39% 23,1 614,4 204,8 67% 262,6 94,0 64% Adaptado de BARBOSA, 2006. Especificadamente quanto à modelagem matemática, foram utilizados os dados da DQO afluente ao tanque séptico, para os diferentes tempos de detenção, e simulados matematicamente os resultados da DQO efluente a partir dos modelos fluxo pistão, mistura completa e fluxo disperso. Para o fluxo disperso foram testados os números de dispersão (d) igual a 0,05 ; 0,10; 0,20 ; 0,30 ; 0,40 ; 0,50 ; 3,00 ; 4,00 e 20,0. Os resultados matemáticos de saída do tanque obtidos através dos modelos foram confrontados com os respectivos valores reais (aferidos em laboratório) efluentes. Numa segunda seção de testes simulou-se o jogo completo de dados, isto é, o tempo de detenção passou a ser mais uma variável no modelo. A comparação também foi realizada via estimativa padrão do erro, só que nessa etapa foram comparados os valores de saída calculados (matematicamente) com o quadro completo de resultados obtidos do modelo em escala piloto. RESULTADOS Obtiveram-se as seguintes constantes cinéticas de taxa de remoção de substrato (k) e regimes hidráulicos.

Quadro 4 Resultados da caracterização TDH Regime Hidráulico k(dia -1 ) Estimativa Padrão do Erro Fluxo em pistão 0,522 39,689 12 horas Fluxo disperso (d=0,05 a 20) 0,529 a 0,590 39,750 a 40,315 Mistura Completa 0,591 40,327 Fluxo em pistão 0,862 61,801 15 horas Fluxo disperso (d=0,05 a 20) 0,884 a 1,141 61,853 a 62,272 Mistura Completa 1,147 62,282 Fluxo em pistão 1,386 26,630 18 horas Fluxo disperso (d=0,05 a 20) 1,468 a 2,551 26,993 a 30,350 Mistura Completa 2,595 30,470 Fluxo em pistão 1,248 1101,133 21 horas Fluxo disperso (d=0,05 a 20) 1,317 a 2,335 101,380 a 103,523 Mistura Completa 2,376 103,595 Fluxo em pistão 0,443 109,071 24 horas Fluxo disperso (d=0,05 a 20) 0,454 a 0,577 109,087 a 109,235 Mistura Completa 0,580 109,239 Obs.: Valores de k para temperatura de 20ºC. No Quadro 4, observar que as linhas hachurados salientam os regimes hidráulicos e valores de k respectivos aos menores erros de estimativa verificados, por tempo de detenção. Para todos os tempos trabalhados, encontrou-se que o regime hidráulico tende para o fluxo pistão. Já a Figura 02 apresenta a variação de k em função do tempo de detenção para o regime de fluxo em pistão, ilustrando os dados do Quadro 04. Figura 2 Variação de k (base e, 20ºC) nos tempos de detenção (regime fluxo pistão) obtidos a partir do modelo matemático Variação do k,20ºc k (dia-1) 2,000 1,500 1,386 1,248 1,000 0,862 0,500 0,522 0,443 0,000 12 15 18 21 24 Tempo de detenção Hidráulica (horas) Variação do k,20ºc Constatou-se que para o tempo de 18 horas ocorreu o maior valor de k, indicando maior velocidade de reação de estabilização da matéria orgânica, em termos de DQO. Não obstante, a Figura 03 apresenta a variação da eficiência de remoção de DQO em função do tempo de detenção, curva montada com base nos resultados do modelo piloto.

Figura 3 Variação da Eficiência de Remoção de DBO e DQO pelo Tempo de Detenção 80% Eficiência do Tanque séptico (Valores medidos) Eficiências 60% 40% 20% 12 15 18 21 24 Tempo de detenção Hidráulica (horas) Remoção DQO (média) Remoção DBO (média) A eficiência máxima ocorreu para o tempo de detenção de 18 horas, tanto para DQO quanto para DBO, condição esta em conformidade com o tempo encontrado para o maior valor de k. Ou seja, para o regime sendo considerado em fluxo pistão, para 18 horas de tempo de detenção obtém-se a maior eficiência de remoção e a maior constante cinética de remoção de substrato. Fazendo-se a simulação com todos os dados para obter-se uma caracterização global(sem separação por tempos de detenção hidráulica), supõe-se que a constante cinética química de degradação da matéria no tanque é constante e indiferente à variação do tempo de detenção (afinal o resultado fornecerá um único k para o tanque séptico). Portanto, nesse cenário, o valor único de k obtido foi igual a 0,908 dia -1 e o regime hidráulico fluxo em pistão. Observar Quadro 5, sendo que no mesmo a linha hachurada destaca o regime hidráulico e o valor de k para o menor erro de estimativa verificado. Quadro 5 Resultados da caracterização global Regime Hidráulico k(dia -1 ) Estimativa Padrão do Erro Fluxo em pistão 0,908 110,0242 Fluxo disperso (d=0,10 a 0,50) 1,004 a 1,128 110,1951 a 110,8114 Mistura Completa 1,357 111,1896 Obs.: Valores de k para temperatura de 20ºC. CONCLUSÕES Pode-se supor, considerando os dados de DQO medidos em laboratório e com a modelagem aplicada nesse estudo, que o regime hidráulico que melhor definiu o comportamento do tanque séptico nesse estudo, em termos de remoção de matéria orgânica, foi o de fluxo em pistão. Apesar da diferença entre os erros de estimativa apurados ter sido pequena comparativamente a outros regimes, o fluxo em pistão foi obtido nos cinco tempos de detenção avaliados. Outra importante conclusão se refere aos valores de k 20ºC definidos em cada tempo de detenção, válidos no regime fluxo em pistão. A curva de variação do k, no intervalo de 12 a 24 horas, tem um aspecto convexo. Obtiveram-se os valores de k iguais a 0,522; 0,862; 1,386; 1,248; 0,443 dia -1 para os tempos de detenção de 12, 15, 18, 21 e 24 horas, respectivamente, ou seja, no intervalo entre 18 e 21 horas devemos ter um k máximo. Observa-se que a curva da constante cinética obtida tem um traçado similar a de eficiência de remoção de matéria orgânica (em termos de DQO). Quanto à caracterização considerando todos os dados, o valor de constante cinética igual a 0,908 dia -1 define um valor médio para o tanque. Comparando a média aritmética dos cinco valores de k obtidos em cada tempo de detenção (0,892 dia -1 ) com o valor de k da caracterização global dos dados nota-se a semelhança na grandeza dos valores.

Dadas essas constatações, entende-se possível e oportuno rediscutir os meios convencionais de dimensionamento de tanques sépticos no intuito de otimizá-los e torná-los mais eficientes para a remoção da matéria orgânica. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS 1. ABNT. NBR 7229: Projeto, construção e operação de sistemas de tanques sépticos. Rio de Janeiro, 1993. 2. BARBOSA, Samuel Alves. Avaliação do biofiltro aerado submerso como pós-tratamento do efluente do tanque séptico. Dissertação (Mestrado) Universidade Federal do Paraná, Curitiba, 2006. 3. CHAPRA, Steven C. Surface Water-Quality Modeling. McGraw-Hill International Editions,1997. 4. CHERNICHARO, C. A. L. Princípios do tratamento biológico de águas residuárias Volume 5: Reatores anaeróbios. Belo Horizonte. UFMG, 1997. 5. LOUSTARINEN, Sari A. and RINTALA, Jukka A. Anaerobic on-site treatment of black water and dairy parlour wastewater in UASB-septic tanks at low temperatures. Artigo científico da Revista Water Research nº. 39. 2005. p. 436-448. 6. METCALF & EDDY, Wastewater Engineering: Treatment, Disposal, Reuse. 3rd Edition. Nova Iorque, NY: McGraw-Hill International Editions, 1991. 7. PARSEKIAN, Marilu Pereira Serafim. Aplicação de lise celular forçada em sistema de tratamento aeróbio precedido de reator UASB. Tese.USP. São Carlos, 2003. 8. VON SPERLING, Marcos. Princípios básicos do tratamento de esgotos. Belo Horizonte: Departamento de Engenharia Sanitária e Ambiental Universidade Federal de Minas Gerais, 1996. 9. ZENG, Y. et al. Hydraulic modeling and axial dispersion analysis of UASB reactor. Artigo científico da revista Biochemical Engineering Journal nº. 25. 2005. Pág. 113-123.