UNIVERSIDADE DO EXTREMO SUL CATARINENSE
PROGRAMA DE PÓS-GRADUAÇÃO EM CIÊNCIAS AMBIENTAIS
ESTUDO COMPARATIVO DO DESEMPENHO DE LAGOAS AERADAS
FACULTATIVAS DE BAIXA PROFUNDIDADE PARA TRATAMENTO DO
ESGOTO SANITÁRIO
José Alfredo Dallarmi da Costa
Criciúma, SC
2011
José Alfredo Dallarmi da Costa
ESTUDO COMPARATIVO DO DESEMPENHO DE LAGOAS AERADAS
FACULTATIVAS DE BAIXA PROFUNDIDADE PARA TRATAMENTO DE
ESGOTO SANITÁRIO
Dissertação apresentada ao Programa de PósGraduação em Ciências Ambientais da
Universidade do Extremo Sul Catarinense para
a obtenção do Título de Mestre em Ciências
Ambientais.
Área de Concentração:
Ecologia e Gestão de Ambientes Alterados
Orientador:
Prof. Dr. Carlyle Torres Bezerra de Menezes.
Criciúma, SC
2011
Dados Internacionais de Catalogação na Publicação
C837e
Costa, José Alfredo Dallarmi da.
Estudo comparativo do desempenho de lagoas aeradas
facultativas de baixa profundidade para tratamento de
esgoto sanitário ; orientador : Carlyle Torres Bezerra de
Menezes. – Criciúma : Ed. do Autor, 2011.
133 f. : il. ; 30 cm.
Dissertação (Mestrado) - Universidade do Extremo Sul
Catarinense, Programa de Pós-Graduação em Ciências
Ambientais, Criciúma, 2011.
1. Águas residuais – Purificação – Tratamento
biológico. 2. Esgotos. 3. Lagoas de estabilização. 4. Lagoas
aeradas facultativas. I. Título.
CDD. 21ª ed. 628.351
Bibliotecária Eliziane de Lucca – CRB 1101/14ª Biblioteca Central Prof. Eurico Back - UNESC
DEDICATÓRIA
Para minha companheira Liana Cristina
Geremias, pelo amor, carinho, incentivo e por
sua participação corajosa na fase mais delicada
do experimento.
Para minha avó materna, Leonete de Mattos
Dallarmi (In Memoriam), pelo incentivo e
criação de oportunidades para meu
desenvolvimento intelectual.
Para meus pais, Darlei (In Memoriam) e
Josete, pela formação ética e disciplina.
Para meu filho, Gustavo Motta da Costa, por
seu entusiasmo e curiosidade científica.
AGRADECIMENTOS
Ao meu aluno, Davi Luiz Pavei, pela sugestão e grande incentivo que possibilitou a
oportunidade deste Projeto de Pesquisa.
Ao Diretor Geral do Serviço Autônomo Municipal de Água e Esgoto – SAMAE de
Orleans, Antonio Willemann, pela confiança, entusiasmo e pela autorização e apoio técnico e
financeiro através desta autarquia, sendo colaboração de importância crucial para efetivação
deste projeto de pesquisa.
Aos funcionários e colaboradores do SAMAE – Orleans, em especial ao Rossano
Comelli e Ismael Bratti pelo auxílio em coletas de amostras, instalação e conserto de
equipamentos.
À Universidade do Extremo Sul de Santa Catarina (UNESC), através de sua
capacidade de fomentar oportunidades em Ensino, Pesquisa e Extensão.
Ao meu orientador, Prof. Dr. Carlyle Torres Bezerra de Menezes, por seu apoio,
amizade, paciência e estratégica orientação.
Aos professores Dr. Álvaro José Back, Dr. Robson dos Santos e Dra. Íria Sartor
Araújo, pelas valiosas críticas e sugestões no exame de qualificação e defesa da dissertação.
Aos gestores do IPAT, Professores Elídio Angioletto e Euclides Magri pelo apoio e
incentivo, tendo em vista o período dedicado a esta dissertação.
Ao Coordenador de Projetos Ambientais, Clovis Norberto Savi, pelo apoio e
confiança e autorização de fornecimento de equipamentos para monitoramento em campo,
imprescindíveis para o desenvolvimento da pesquisa.
Aos colegas do IPAT: Sérgio L. Galatto, Gustavo S. Machado, João Paulo
Casagrande da Rosa, Jader L. Pereira, Miguel Vassiliou, Jonathan Frassettto, Mª Glória
Santos, Lucas Rezende, Jacira Silvano, Nadja Zim Alexandre, Janaína Machado, Morgana L.
Valvassori, Francion Busana e Ives Fiegenbaum pelo incentivo e colaboração valiosa e
demais funcionários que contribuíram para a realização deste trabalho.
“Além disso, o fluxo de nutrientes através dos
organismos de um ecossistema nem sempre é
suave e uniforme, mas, com frequência,
procede em pulsos, solavancos e
transbordamentos. Nas palavras de Prigogine e
Stengers, "o fluxo de energia que cruza [um
organismo] assemelha-se, de algum modo, ao
fluxo de um rio que, em geral, corre
suavemente, mas de tempos em tempos cai
numa queda d'água, que libera parte da energia
que contém" (Fritjof Capra, em A Teia da
Vida, 1997).
RESUMO
Este trabalho aborda os resultados de um estudo comparativo do desempenho de duas lagoas
aeradas facultativas (LAF) com baixa profundidade, operando em paralelo e escala real em
clima subtropical com geometrias similares para tratamento de esgoto sanitário de um
município da região sul catarinense, onde LAF1 assume regime hidráulico de mistura
completa e LAF2 apresenta uma cortina longitudinal que dobra o percurso, assumindo regime
hidráulico de pistão, ambas com posicionamento de aeradores mecânicos aleatórios e saídas
unitárias do efluente tratado por canais a partir da superfície (nível de água), sendo executado
em três etapas e mantendo LAF1 nas condições originais: a primeira posicionando LAF2 com
aeradores em série a partir da entrada, com execução de monitoramento em campo de OD, pH
e Temperatura da água (°C), através de perfis longitudinais superficiais perimetrais; a
segunda, alterando saída do efluente tratado de LAF2 através de instalação de comporta com
duas tubulações conectadas a tês com coleta em profundidade de 40 cm em relação ao nível
de água (N.A.); a terceira, monitorando em campo OD, pH e Temperatura da água (°C), em
perfis longitudinais e verticais em áreas de perímetro e corpo em planos de superfície, meio e
fundo. As remoções de DQO, DBO5 e DBO5 solúvel, Nitrogênio e Fósforo Total, Coliformes
Totais e Fecais em LAF1 foram de 49,13%, 74,85%, 93,07%, 22,89%, 9,89%, 41,62%,
56,04% e em LAF2 foram de 69,44%, 83,88%, 96,56%, 16,78%, 9,89%, 52,37% e 62,70%,
respectivamente, sendo que análise estatística indica desempenho similar nas duas lagoas,
com exceção da DQO que apresenta melhor desempenho para LAF2. LAF1 apresentou
assoreamento nos extremos laterais por serem regiões estagnadas, estabelecendo curtocircuitos pela região mais central, reduzindo volume útil e TDH da lagoa. A frequência de
limpeza realizada a cada quatro anos contribui para o assoreamento de 1/3 do volume e
redução de 1/3 do TDH de LAF1. Para melhor desempenho, pode-se distribuir entrada/saída
por três tubulações eqüidistantes para LAF1 e praticar limpeza a cada 2 anos para cada lagoa.
LAF2 tende a menor assoreamento em regiões mortas laterais e melhor taxa de aeração,
favorecida por regime mais característico de fluxo pistonado e efeito parede da chicana
longitudinal. Condições de declínio e recuperação cíclicas de perfis longitudinais superficiais
de OD e taxa de aeração insuficiente no período noturno indicam sobrecarga orgânica,
exigindo novos requisitos de oxigênio e densidade de potência para as duas lagoas.
Palavras-chave: lagoas aeradas facultativas, taxa de aeração, regime hidráulico, zonas mortas
e curto-circuitos, estratificação e mistura de OD, pH e térmica.
ABSTRACT
This paper discusses the results of a comparative study of the performance of two facultative
aerated lagoons (LAF) with shallow depth, operating in parallel and real scale plant in a
subtropical climate with similar geometries to treatment of sewage from a town in southern
Santa Catarina state, where LAF1 assumes complete-mix hydraulic reactor and LAF2
presents a longitudinal baffle that doubles the lenght, assuming plug-flow reactor, both with
random positioning of mechanical aerators and output unit of the treated effluent channels
from the surface (water level), running in three stages and maintained LAF1 in original
condition: the first placing LAF2 aerators in series from input to execution of field monitoring
of DO, pH and water temperature (°C), through perimeter surface longitudinal profiles; the
second, by changing the output of LAF2 treated effluent through gate facility with two pipe
connected of submerged tee (depth of 40 cm below the water level); the third, field
monitoring DO, pH and water temperature (°C) in longitudinal and vertical profiles in areas
of perimeter and body, depht of surface, middle and bottom. The removals in LAF1 of COD,
BOD5, soluble BOD5, Total Nitrogen and phosphorus, total and fecal coliforms were 49.13%,
74.85%, 93.07%, 22.89%, 9.89%, 41,62% and 56.04%; in LAF2 were 69.44%, 83.88%,
96.56%, 16.78%, 9.89%, 52.37% and 62.70%, respectively, statistical analysis indicates that
similar performance in both ponds, with the exception of COD which features improved
performance for LAF2. LAF1 presented siltation in extremes corners pond edges with
stagnant sites, establishing short-circuits to by central site, reducing the useful volume and
actual TDH of the pond. The frequency of cleaning performed every four years contributed to
the silting up of 1/3 the volume and reduction of 1/3 of the TDH in LAF1. For best
performance, should be distributed input/output by three equidistant piping and practice
cleaning every 2 years for each pond. LAF2 tends to lower siltation in lateral dead sites and
better aeration rate, favored by most characteristic of plug-flow reactor and the wall effect of
the longitudinal baffle. Terms of cyclical decline and recovery of surface longitudinal profiles
of DO and insufficient aeration rate during the night indicate organic overload, demanding
new requirements for oxygen and power density for the two ponds.
Keywords: aerated lagoons, aeration rate, hydraulic flow, dead zones and short-circuits flow,
thermal, DO, pH stratification and mixing.
LISTA DE FIGURAS
Figura 1 - Detalhes de uma lagoa facultativa. Fonte: Silva Filho (2007). ................................ 26
Figura 2 – Remoção de DBO conforme reação de 1ª ordem para principais regimes
hidráulicos. ............................................................................................................................... 31
Figura 3 - Lagoas de estabilização da ETE antes da instalação dos aeradores. ....................... 48
Figura 4 – Entrada da LAF2 após a instalação dos aeradores mecânicos. ............................... 49
Figura 5 – Foto aérea da Cidade de Orleans com detalhe da ETE SAMAE na área inferior
direita. ....................................................................................................................................... 50
Figura 6 – Lay Out de posicionamento aleatório de aeradores nas lagoas LAF1 e LAF2. ...... 51
Figura 7 – (A) entrada e (B) saída da LAF1 com posições aleatórias de aeradores tipo pás, (C)
lateral de LAF1 com áreas estagnadas e flotação de lodo e (D) com escuma e materiais
flutuantes. ................................................................................................................................. 53
Figura 8 – (A) entrada da LAF2 com posições aleatórias de aeradores tipo pás até final de
junho/2010; (B) Saída suspensa da LAF2 através de canal a partir de sua superfície (nível de
água). ........................................................................................................................................ 54
Figura 9 – (A) Aerador mecânico de eixo horizontal tipo pás em operação e (B) fora de
operação. ................................................................................................................................... 57
Figura 10 – Volume de descarga de resíduo líquido de fossas e elevatórias na LAF2 – meses
de 07 a 11/2010. ....................................................................................................................... 62
Figura 11 – (A) canal de saída da LAF2 com camada espessa de graxa (15.09.10); (B) parte
de resíduo graxo removido do canal de saída da LAF2 (15.09.10). ......................................... 63
Figura 12 – (A) LAF2 com posição em série dos aeradores a partir de julho/2010; (B) Área de
sedimentação da LAF2, a partir de julho/2010......................................................................... 63
Figura 13 - Lay Out de LAF1 e LAF2 com posicionamento de aeradores e pontos cadastrados
para medições em campo a partir da 1ª Etapa da Pesquisa. ..................................................... 65
Figura 14 – (A) Saída suspensa por canal da LAF2 antes da instalação da comporta com tubos
e tê em nível fixo; (B) Canal da LAF2 após instalação da comporta; (C) e (D) Detalhes da
comporta com tubos e tê em nível fixo..................................................................................... 67
Figura 15 – Temperaturas mín/máx entre o período de 1/7 a 15/9........................................... 76
Figura 16 – Perfis longitudinais superficiais de OD, pH e temperatura água(°C) LAF1- 1ª
Etapa/2010. A: mês julho/OD ; B: mês agosto/OD; C: mês setembro/OD; D: mês julho/pH; E:
mês agosto/pH; F: mês setembro/pH; G: mês julho/T água(°C); H: mês agosto/T água(°C); I:
mês setembro/T água(°C). ........................................................................................................ 79
Figura 17 – Perfis longitudinais superficiais de OD, pH e temperatura água(°C) LAF2 - 1ª
Etapa/2010. A: mês julho/OD ; B: mês agosto/OD; C: mês setembro/OD; D: mês julho/pH; E:
mês agosto/pH; F: mês setembro/pH; G: mês julho/T água(°C); H: mês agosto/T água(°C); I:
mês setembro/T água(°C). ........................................................................................................ 82
Figura 18 – Temperaturas mín/máx entre o período de 16/9 a 17/11....................................... 85
Figura 19 – Perfis longitudinais superficiais de OD, pH e temperatura água(°C) LAF1 - 2ª
Etapa/2010. A: mês setembro/OD ; B: mês outubro/OD; C: mês novembro/OD; D: mês
setembro/pH; E: mês outubro/pH; F: mês novembro/pH; G: mês setembro/T água(°C); H: mês
outubro/T água(°C); I: mês novembro/T água(°C). ................................................................. 87
Figura 20 – (A) Canal de saída da LAF2 com acúmulo de resíduos e aspecto de eutrofização
do efluente tratado (10.11.10); (B) Aspecto límpido do efluente tratado através de comporta
com tubulação em tês (17.11.10). ............................................................................................. 90
Figura 21 – Perfis longitudinais superficiais de OD, pH e temperatura água(°C) LAF2 - 2ª
Etapa/2010. A: mês setembro/OD ; B: mês outubro/OD; C: mês novembro/OD; D: mês
setembro/pH; E: mês outubro/pH; F: mês novembro/pH; G: mês setembro/T água(°C); H: mês
outubro/T água(°C); I: mês novembro/T água(°C). ................................................................. 91
Figura 22 – Temperaturas mín/máx entre o período de 18/11 a 10/12..................................... 93
Figura 23 – Perfis longitudinais/transversais profundidade de OD e temperatura água (°C)
LAF1 - 3ª Etapa. A: OD – perímetro/19.11; B: Temp. água (°C) – perímetro – 19.11; C: OD –
corpo – 19.11; D: Temp. água (°C) – corpo – 19.11; E: OD – perímetro/25.11; F: Temp. água
(°C) – perímetro/25.11.............................................................................................................. 95
Figura 24 – Perfis longitudinais/perimetrais de profundidade de OD e temperatura água (°C)
LAF1 - 3ª Etapa. A: OD 02.12; B: Temp. água (°C) 02.12; C: OD 08.12; .............................. 99
Figura 25 – Perfil longitudinal perimetral e superficial de pH – LAF1– 3ª Etapa. ................ 100
Figura 26 – Perfis longitudinais/transversais profundidade de OD e temperatura água (°C)
LAF2 - 3ª Etapa. A: OD – perímetro/19.11; B: Temp. água (°C) – perímetro – 19.11; C: OD –
corpo – 19.11; D: Temp. água (°C) – corpo – 19.11; E: OD – perímetro/25.11; F: Temp. água
(°C) – perímetro/25.1.............................................................................................................. 102
Figura 27 – Perfis longitudinais/perimetrais de profundidade de OD e temperatura água (°C)
LAF2 - 3ª Etapa. A: OD 02.12; B: Temp. água (°C) 02.12; C: OD 08.12; ............................ 103
Figura 28 – Perfil longitudinal perimetral e superficial de pH – LAF2– 3ª Etapa. ................ 105
Figura 29 – Distribuição de dados de (A) DQO, (B) DBO5, (C) Nitrogênio Total, (D) Fósforo
total, (E) Coliformes Totais e (E) Fecais para 2ª e 3ª Etapas. ............................................... 111
Figura 30 – Distribuição de dados de DBO5 solúvel para 3ª Etapa. ....................................... 112
Figura 31 - Lay Out de LAF1 e LAF2 conforme 1ª Alternativa de up grade. ....................... 121
Figura 32 - Lay Out de LAF1 e LAF2 conforme 2ª alternativa de up grade.......................... 122
Figura 33 - Lay Out de LAF1 e LAF2 conforme 3ª alternativa de up grade.......................... 123
LISTA DE TABELAS
Tabela 1 - Eficiências de remoção conforme tipo de lagoa de estabilização ........................... 23
Tabela 2 – Dados de supersaturação de OD em Canas, Guanacaste, Costa Rica .................... 24
Tabela 3 - Variação do pH em função da fotossíntese e respiração. ........................................ 26
Tabela 4 - Grupos de algas de importância encontrados em lagoas de estabilização. ............. 27
Tabela 5 - Modelos hidráulicos de reatores. ............................................................................. 29
Tabela 6 – Relação entre cor da lagoa e condições de funcionamento. ................................... 32
Tabela 7 – Fatores ambientais incontroláveis que podem afetar lagoas facultativas. .............. 33
Tabela 8 – Comparativo de COV e TDH entre vários processos de tratamento. ..................... 35
Tabela 9 – Coeficientes de assimilação de substrato para LAF baseados em DBO solúvel .... 37
Tabela 10 – Valores propostos para θ para lagoas facultativas e aeradas facultativas. ............ 37
Tabela 11 – Sólidos suspensos em função da densidade de potência. ..................................... 37
Tabela 12 – Densidades de potência para LAF conforme diversos autores ............................. 38
Tabela 13 – Densidades de potência para LAMC conforme diversos autores ......................... 44
Tabela 14 – Características físico-químicas de resíduos esgotados de fossas e tanques
sépticos. .................................................................................................................................... 47
Tabela 15 – Dados de dimensionamento da LAF1 sem chicanas e LAF2 com chicana
longitudinal. .............................................................................................................................. 51
Tabela 16 – Especificações técnicas do aerador mecânico modelo Aquapá B-209 Bernauer. 55
Tabela 17 - Densidade de potência em função do volume de cada lagoa. ............................... 57
Tabela 18 – Faixas de espessura de lodo acumulado/ano nas LAF1 e LAF2. ......................... 58
Tabela 19 – Valores mínimos, máximos, média aritmética e eficiências para amostras
pontuais entre outubro de 2007 e julho de 2009. ...................................................................... 60
Tabela 20 – Modelos assumidos de regime hidráulico para LAF1 e LAF2 em todas as etapas
da pesquisa. ............................................................................................................................... 64
Tabela 21 – Novas condições de densidade de potência das lagoas na 1ª Etapa da pesquisa. . 66
Tabela 22 - Etapas do Estudo Comparativo de Desempenho de LAF1 e LAF2. ..................... 68
Tabela 23 – Datas de coleta para análise de parâmetros – 1ª Etapa ........................................ 70
Tabela 24 – Datas de coleta para análise de parâmetros – 2ª e 3ª Etapas ................................. 72
Tabela 25 - Metodologias de análises dos parâmetros de controle. ......................................... 74
Tabela 26 – Condições climáticas de LAF1/1ª Etapa............................................................... 76
Tabela 27 – Condições climáticas de LAF2/1ª Etapa............................................................... 80
Tabela 28 – Valores mínimos, máximos, média aritmética e eficiências para amostras
pontuais e compostas coletadas em 27 e 28 de julho e 4 e 5 de agosto de 2010 ...................... 83
Tabela 29 – Condições climáticas de LAF1/2ª Etapa............................................................... 85
Tabela 30 – Condições climáticas de LAF2/2ª Etapa............................................................... 88
Tabela 31 – Concentração de OD ao longo do dia em Guanacaste (Costa Rica)..................... 89
Tabela 32 – Condições climáticas - 3ª Etapa ............................................................................ 92
Tabela 33 – Medidas de tendência central e dispersão e eficiências de parâmetros para
amostras pontuais e compostas entre 20 de outubro e 8 de dezembro de 2010 ..................... 106
Tabela 34 – Cargas orgânicas aplicadas na entrada e saída das lagoas nas 2ª e 3ª etapas...... 112
Tabela 35 – Cargas orgânicas superficiais e volumétricas nas 2ª e 3ª etapas ......................... 113
Tabela 36 – Coeficientes K(20°C) de LAF1 e LAF2 admitindo condições ideiais de regime
hidráulico ................................................................................................................................ 114
Tabela 37 – Verificação de novas condições de densidade de potência das lagoas. .............. 117
LISTA DE ABREVIATURAS, SIGLAS E UNIDADES
ABES
Associação Brasileira de Engenharia Sanitária e Ambiental
CF
Coliformes Fecais ou termotolerantes (NMP/100mL)
CT
Coliformes Totais (NMP/100mL)
CONAMA 357/2005
Resolução 357/2005 do Conselho Nacional do Meio Ambiente
COS
Carga orgânica superficial
COV
Carga orgânica volumétrica
CV
Unidade de Potência em Cavalo-Vapor
DBO5
Demanda Bioquímica de Oxigênio a 5 dias
DP
Desvio Padrão
DQO
Demanda Química de Oxigênio
EO
Eficiência de Oxigenação
ETE
Estação de Tratamento de Esgoto Sanitário
K
Coeficiente Global de Remoção de DBO5 (d-1)
KW
Unidade de Potência em Kilo Watt
LAF
Lagoa aerada facultativa
LF
Lagoa facultativa
LAMC
Lagoa aerada de mistura completa
MA
Média Aritmética
N.A.
nível de água
NMP/100mL
Número mais provável de organismos por 100 mL
OD
Oxigênio dissolvido
pH
Potencial hidrogeniônico
RE
Requisitos energéticos (KW)
RO
Requisitos de Oxigênio (kg O2/d)
SAMAE
Serviço Autônomo Municipal de Água e Esgoto
SS
Sólidos Suspensos
SSV
Sólidos Suspensos Voláteis
TDH
Tempo de detenção hidráulica
W
Unidade de Potência em Watts
SUMÁRIO
1 INTRODUÇÃO ..................................................................................................................... 16
2 JUSTIFICATIVA .................................................................................................................. 18
3 OBJETIVOS .......................................................................................................................... 20
3.1 Objetivo geral ..................................................................................................................... 20
3.2 Objetivos específicos .......................................................................................................... 20
4 REVISÃO BIBLIOGRÁFICA .............................................................................................. 21
4.1 Lagoas de estabilização (LE) .............................................................................................. 21
4.2 Lagoas Facultativas (LF) .................................................................................................... 24
4.3 Lagoas Aeradas Facultativas (LAF) ................................................................................... 33
4.5 Lagoas Aeradas de Mistura Completa (LAMC)................................................................. 43
4.6 Lagoa facultativa com agitação mecânica (LFAM) ........................................................... 45
4.7 Lagoa de maturação ............................................................................................................ 46
4.8 Descarga de resíduos líquidos de fossas sépticas em lagoas de estabilização.................... 47
5 MATERIAIS E MÉTODOS.................................................................................................. 48
5.1 Localização do Sistema ETE SAMAE Orleans ................................................................. 48
5.2 Descrição do Sistema ETE SAMAE Orleans até junho/2010 ............................................ 50
5.2.1 Descrição do regime hidráulico da LAF1........................................................................ 52
5.2.2 Descrição do regime hidráulico da LAF2........................................................................ 53
5.2.3 Estimativa da concentração efluente de DBO5 e do coeficiente global de remoção de
DBO5 (K) de LAF1 e LAF2 ..................................................................................................... 54
5.2.4 Tempo de detenção hidráulica e profundidade de LAF1 e LAF2 ................................... 54
5.2.5 Descrição do sistema de aeração de LAF1 e LAF2......................................................... 55
5.2.6 Descrição da densidade de potência de LAF1 e LAF2 ................................................... 57
5.2.7 Descrição da taxa de acúmulo de lodo de LAF1 e LAF2 ................................................ 57
5.2.8 Descrição dos requisitos de oxigênio de LAF1 e LAF2 .................................................. 58
5.2.9 Descrição da taxa de transferência de oxigênio nas condições padrão (TTOpadrão)......... 59
5.2.10 Descrição da potência requerida de LAF1 e LAF2 ....................................................... 59
5.2.11 Descrição de caracterização e estimativa de desempenho nas condições originais da
ETE ........................................................................................................................................... 60
5.2.12 Descrição do monitoramento de descargas de resíduos líquidos na LAF2 entre julho e
novembro/2010 ......................................................................................................................... 61
5.3 Descrição da LAF2 após locação em série dos aeradores a partir de julho/2010 – 1ª Etapa
de Pesquisa ............................................................................................................................... 63
5.3.1 Descrição das novas condições de densidade de potência da LAF2 – 1ª Etapa da
Pesquisa .................................................................................................................................... 66
5.3.2 Tempo de detenção hidráulica de LAF1 e LAF2 para 1ª Etapa ...................................... 66
5.4 Descrição de LAF2 após alterações nas condições de saída a partir de 22 de
setembro/2010 – 2ª Etapa ......................................................................................................... 66
5.5 Etapas do Estudo Comparativo de Desempenho de LAF1 e LAF2 ................................... 68
5.5.1 Tratamento estatístico dos dados ..................................................................................... 69
5.5.2 Apresentação e discussão de resultados de programa de monitoramento semanal – 1ª
Etapa da Pesquisa ..................................................................................................................... 69
5.5.3 Apresentação e discussão de resultados de programa de monitoramento semanal – 2ª
Etapa da Pesquisa ..................................................................................................................... 70
5.5.4 Apresentação e discussão de resultados de programa de monitoramento semanal – 3ª
Etapa da Pesquisa ..................................................................................................................... 71
5.5.5 Apresentação de resultados de análises de caracterização e estimativa de desempenho da
ETE nas 2ª e 3ª Etapas da Pesquisa .......................................................................................... 72
5.5.6 Apresentação dos coeficientes de remoção de DBO5 (K) de LAF1 e LAF2 na 3ª Etapa
da Pesquisa ............................................................................................................................... 73
5.6 Materiais e Métodos para análise das amostras brutas e tratadas ....................................... 73
6 APRESENTAÇÃO E DISCUSSÃO DOS RESULTADOS ................................................. 75
6.1 Apresentação e discussão do programa de monitoramento de LAF1 e LAF2 na 1ª Etapa da
Pesquisa .................................................................................................................................... 75
6.1.1 Apresentação e análise dos perfis longitudinais superficiais de OD, pH e Temperatura da
água (°C) em LAF1 na 1ª Etapa ............................................................................................... 76
6.1.2 Apresentação e análise dos perfis longitudinais superficiais de OD, pH e Temperatura da
água (°C) em LAF2 na 1ª Etapa ............................................................................................... 80
6.1.3 Apresentação de resultados de análises na 1ª Etapa da Pesquisa .................................... 83
6.2 Apresentação e discussão do programa de monitoramento de LAF1 e LAF2 na 2ª Etapa da
Pesquisa .................................................................................................................................... 84
6.2.1 Apresentação e Análise dos perfis longitudinais superficiais de OD, pH e Temperatura
da água (°C) em LAF1 na 2ª Etapa .......................................................................................... 84
6.2.2 Apresentação e Análise dos perfis longitudinais superficiais de OD, pH e Temperatura
da água (°C) em LAF2 na 2ª Etapa .......................................................................................... 88
6.3 Apresentação e discussão do programa de monitoramento de LAF1 e LAF2 na 3ª Etapa da
Pesquisa .................................................................................................................................... 92
6.3.1 Apresentação e análise dos perfis longitudinais de OD, pH e Temperatura da água (°C)
em LAF1 na 3ª Etapa ................................................................................................................ 92
6.3.2 Apresentação e análise dos perfis longitudinais de OD, pH e Temperatura da água (°C)
em LAF2 na 3ª Etapa .............................................................................................................. 100
6.3.3 Apresentação das estatísticas descritivas sobre resultados de análises de caracterização
nas 2ª e 3ª Etapas da Pesquisa ................................................................................................ 105
6.3.4 Avaliação das cargas médias aplicadas e desempenho da lagoas – 2ª e 3ª Etapas ........ 112
6.3.5 Discussão ref. a Coeficientes Globais de Remoção de DBO5 (K) na 3ª Etapa ............. 114
6.3.6 Verificação de novos requisitos de oxigênio para LAF1 e LAF2 ................................. 116
6.3.7 Verificação de nova potência requerida para LAF1 e LAF2......................................... 116
6.3.8 Verificação de novas condições de densidade de potência para LAF1 e LAF2............ 116
7 CONCLUSÕES E RECOMENDAÇÕES ........................................................................... 118
7.1 Conclusões ........................................................................................................................ 118
7.2 Recomendações operacionais ........................................................................................... 119
7.3 Recomendações de alternativas de readequações para LAF1 e LAF2 ............................. 119
REFERÊNCIAS ..................................................................................................................... 124
16
1 INTRODUÇÃO
O descaso e ausência de investimentos no saneamento básico em áreas urbanas e
rurais têm comprometido a qualidade de vida da população e do meio ambiente.
Segundo Cunha (2008) apesar de apresentar um dos melhores índices de qualidade
de vida do país, Santa Catarina se destaca negativamente em sistemas de coleta e tratamento
de esgotos sanitários, com cobertura atual de 12% da população urbana do estado, uma das
piores do país.
Conforme Neto (1997) um sistema adequado de tratamento de esgotos deve ser de
baixo custo (viabilidade técnico-financeira), mas também eficiente (segurança sanitária),
compatível com a realidade local e de simples operação.
A concepção dos Sistemas de Esgotamento Sanitário (SES) se apresentam como
meta de grande responsabilidade dos municípios, tendo em vista satisfazer rigorosos padrões
de lançamento e demandas de carga de poluentes variáveis e crescentes ao longo dos anos,
considerando fatores limitantes como:
Recursos financeiros escassos para financiamento de projeto e implantação de
SES;
Adequação de local com área suficiente, declividade adequada e proximidade do
corpo hídrico receptor de lançamento do esgoto tratado;
Característica de solo com boa resistência e impermeabilidade e baixo nível de
lençol freático para suporte de lagoas e/ou fundações para tanques e edificações;
Local com afastamento da área urbana devido à geração de odores
desagradáveis.
Regiões norte, nordeste, centro-oeste e sudeste do Brasil apresentam excelentes
condições climáticas para tratamento de esgoto sanitário por lagoas de estabilização, com
níveis adequados de temperatura, elevada insolação média anual e áreas planas de baixa
declividade. No entanto, regiões do sul brasileiro com clima subtropical úmido e sujeitas a
bruscas variações de temperatura e de insolação ao longo do ano, têm apresentado declínio da
eficiência em tratamento por lagoas de estabilização, sendo recomendada a introdução de
aeradores mecânicos para complementar a deficiência em produção de oxigênio pela
fotossíntese através das algas, alterando as características básicas destas lagoas para
concepção de lagoas aeradas facultativas.
17
O município de Orleans, localizado no sul catarinense, representa exceção em
relação à realidade de outros municípios de Santa Catarina. Implantou em 1978 através do
Serviço Autônomo Municipal de Água e Esgoto – SAMAE, um projeto de Sistema de Coleta
e Tratamento de Esgoto Sanitário (SES), sendo o tratamento projetado originalmente para
operar por processo biológico com uma lagoa de estabilização do tipo facultativa, onde a
aeração do meio era decorrente da fotossíntese efetuada por algas e podendo apresentar
profundidades entre 1 e 1,5 metros. Posteriormente, a Estação de Tratamento de Esgoto
Sanitário (ETE) foi ampliada para duas lagoas de estabilização facultativas com
características semelhantes devido ao aumento de demanda.
A partir do ano 2.000, as lagoas facultativas foram modificadas para processo de
aeração mecânica devido a problemas de eficiência do tratamento biológico através do
processo de fotossíntese realizado pelas algas.
Conforme dados do SAMAE (2009), fatores climáticos como elevada nebulosidade,
reduzida insolação e quedas bruscas de temperatura nas estações mais frias reduziram
drasticamente a geração de oxigênio dissolvido (OD) pelas algas, comprometendo a operação
da ETE. Como alternativa foram instalados aeradores mecânicos para prover o oxigênio
dissolvido necessário às reações bioquímicas de degradação de matéria orgânica,
transformando a concepção de tratamento por lagoas de estabilização para lagoas aeradas
facultativas.
O sistema de tratamento por lagoas aeradas facultativas (LAF) não depende
exclusivamente de atividade de produção de OD através de fotossíntese pelas algas, tendendo
a apresentar maior estabilidade na qualidade do tratamento ao longo do ano e a reduzir
consideravelmente o nível de odores gerados na ETE.
Inicialmente foi introduzido um aerador em cada lagoa, passando para dois
posteriormente. Atualmente existem quatro aeradores mecânicos em cada lagoa, os quais são
de eixo horizontal tipo pás, originalmente utilizados para lagoas de criação de camarão e
adaptados às lagoas devido a sua baixa profundidade.
Conforme o projeto original, o sistema de tratamento foi dimensionado para uma
população de 10.120 habitantes. Atualmente, a ETE funciona atendendo a uma população
estimada de 11.957 habitantes na área urbana do município (ORLEANS, 2009).
18
2 JUSTIFICATIVA
Os sistemas de tratamento por lagoas aeradas facultativas apresentam eficiência de
remoção em DBO5 total entre 75 e 85% e remoção de coliformes entre 80 e 95% (VON
SPERLING, 2005). Enquanto se espera que a remoção em DBO5 solúvel se apresente
razoável, as taxas de remoção de DBO5 particulada (agregada a sólidos suspensos)
normalmente têm se apresentado mais baixas em LAF devido às deficiências em processos de
sedimentação, o que implica em arraste de sólidos ao efluente final. Padrões de qualidade
microbiológica para remoção de coliformes fecais exigem índices iguais ou menores que
99,99% ou expressos em escala logarítmica de 3 log, os quais somente podem ser atingidos
por lagoas de maturação ou infiltração no solo ou etapa específica de desinfecção
(GONÇALVES, 2003).
Um corpo hídrico receptor tipo Classe 2, ao receber um lançamento de efluentes,
deve apresentar poder de diluição de DBO5, Nitrogênio Total, Fósforo Total, Coliformes
Termotolerantes ou Fecais que atendam aos limites da Resolução CONAMA 357/2005; caso
contrário, podem ocorrer consequências danosas como fenômenos de eutrofização e redução
de OD, criando impactos significativos ao corpo hídrico e bacia hidrográfica. A Resolução
CONAMA 357/2005 fixa para corpos hídricos tipo Classe 2, teor virtualmente ausente para
Óleos e Graxas e máximo de 1000 NMP/100 ml para Coliformes Fecais, considerando
condições sanitárias e de balneabilidade previstas na Resolução CONAMA 274/2000.
Portanto, o agravamento no grau de contaminação de recursos hídricos está
associado ao descontrole de índices de DBO5, Nitrogênio Total, Fósforo Total, Coliformes
Fecais e Óleos e Graxas, havendo a necessidade de se avaliar alternativas viáveis, mais
simplificadas e de baixo custo que propiciem melhores porcentagens de eficiência em lagoas
aeradas facultativas de baixa profundidade.
Através de monitoramento recente na ETE Orleans foram detectados índices mais
elevados de DBO5 e Nitrogênio Total em amostras pontuais do esgoto tratado. Quanto ao
monitoramento bacteriológico, verifica-se continuamente eficiências reduzidas na remoção de
coliformes totais (CT) e fecais (CF), tendo sido recomendado ao SAMAE a dosagem de
hipoclorito de sódio no canal de saída da ETE para manutenção de um residual de cloro para
controle microbiológico. No entanto, a dosagem de cloro em efluentes tratados com residuais
de Sólidos Suspensos Voláteis acima de 70 mg.L-1 e/ou elevado teor em algas pode implicar
na produção não desejada de halometanos e compostos similares orgânicos tóxicos ao meio
19
hídrico, implicando na necessidade de estudo de alternativas para melhoria da eficiência dos
tratamentos biológicos por LAF.
Um dado peculiar do processo de tratamento é sua baixa profundidade, em torno de
1,2 metros contrastando com Mendonça (1999) e von Sperling (2002) que adotam
profundidades entre 2,5 a 5,0 m para LAF. Maiores profundidades podem trazer melhorias
como maior tempo de detenção hidráulica (TDH), maior intervalo entre limpezas para
remoção de lodo, menor suscetibilidade a processos de assoreamento e eutrofização, exigindo,
no entanto, a aplicação de aeradores flutuantes de eixo vertical com bases de concreto no leito
da lagoa para prevenir erosão do solo.
Através deste estudo comparativo foi investigado um paralelo entre a baixa
profundidade das lagoas aeradas e períodos de insolação com penetração de radiação solar
ultravioleta, considerando possibilidade de elevação na remoção de coliformes (indicativo de
remoção de patogênicos), a exemplo do que ocorre em lagoas de maturação, apesar do
reduzido TDH. Pode ainda haver um atrativo em remoção de nutrientes, devido à baixa
profundidade que propicia desenvolvimento de algas com ocorrência de fotossíntese, o que
pode acarretar a elevação do pH, removendo a acidez carbônica da água e também
favorecendo condições de volatilização de amônia (NH3) e, por consequência, elevando as
taxas de remoção de Nitrogênio Total (VON SPERLING, 2002).
Justifica-se, portanto, a investigação e otimização de novas alternativas de LAF de
baixa profundidade através do estudo de seus regimes hidráulicos e do reposicionamento dos
aeradores mecânicos flutuantes de eixo horizontal tipo pás mais concentrados na entrada de
cada lagoa, ampliando a área de decantação para que se avalie a capacidade de remoção de
sólidos suspensos e coliformes fecais e de aumento de taxa de estabilização de matéria
orgânica.
20
3 OBJETIVOS
3.1 Objetivo geral
Realizar um estudo comparativo do desempenho de duas lagoas aeradas facultativas
(LAF1 e LAF2) de baixa profundidade, em paralelo e escala real com clima subtropical para
tratamento secundário de esgoto sanitário.
3.2 Objetivos específicos
i.
Avaliar e comparar o desempenho de LAF1 e LAF2 através das eficiências
em termos de remoção de DQO, DBO5, DBO5 solúvel, Nitrogênio Total,
Fósforo Total, Coliformes Totais e Fecais em todas as etapas;
ii.
Avaliar e comparar o desempenho de LAF1 e LAF2 através da influência das
condições de estratificação e mistura de OD, pH e térmica nas eficiências de
remoção de poluentes em todas as etapas;
iii.
Avaliar e comparar o desempenho de LAF1 e LAF2 através da influência de
taxas de aeração, regime hidráulico, zonas mortas e curto-circuitos nas
eficiências de remoção de poluentes em todas as etapas;
iv.
Avaliar e comparar o desempenho de LAF1 e LAF2 através da influência do
grau de assoreamento e frequência de limpeza nas eficiências de remoção de
poluentes em todas as etapas.
21
4 REVISÃO BIBLIOGRÁFICA
4.1 Lagoas de estabilização (LE)
Conforme von Sperling (2002) os sistemas de lagoas de estabilização se apresentam
como o processo mais simplificado para tratamento de esgotos sanitários, apresentando
diversas variantes com diferentes níveis de simplicidade operacional e requisitos de área.
As lagoas que recebem esgoto bruto são denominadas lagoas primárias e lagoas que
recebem o afluente de lagoa primária são denominadas secundárias (FORERO, 1985).
As lagoas de estabilização constituem uma forma muito popular de tratamento
devido aos baixos custos de investimento, operação e habilidade em assimilar cargas
orgânicas ou hidráulicas flutuantes, exceto ao que se refere ao custo do terreno
(POLPRASERT e BHATTARAI, 1985).
As lagoas de estabilização, quando não utilizam qualquer equipamento mecânico,
tendem a reproduzir os fenômenos naturais, sendo o oxigênio introduzido na lagoa através do
afluente ou pelo vento ou através da atividade fotossintética das algas, sendo que as
concentrações de OD dependem de condições climáticas, tais como temperatura, insolação,
índice pluviométrico, velocidade e direção dos ventos (KELNER e PIRES, 1998).
Entre os microrganismos de lagoas de estabilização, destacam-se bactérias e algas
que interagem em relação mutualística onde as bactérias fornecem os nutrientes inorgânicos
através da degradação da matéria orgânica. Este ambiente favorável e a presença de luz solar
permitem o desenvolvimento de uma exuberante população de algas, que através da
fotossíntese geram grande quantidade de OD que pode atingir níveis de supersaturação
(KÖNIG et al., 2002).
Lagoas anaeróbias combinadas com lagoas facultativas (sistema australiano)
constituem-se em alternativa muito apropriada para esgotos domésticos em países tropicais
(CHERNICHARO, 2007).
Havendo condições ambientais favoráveis, LE se apresenta como solução mais
adequada onde o solo não alcança altos preços, devido ao baixo custo de construção e
operação, havendo vantagem de ser eficiente no controle de doenças (ANDRADE NETO,
1997).
22
Andrade Neto (1997) recomenda durante o projeto de lagoas de estabilização,
atenção especial à forma, profundidade, ação dos ventos e posição dos dispositivos de entrada
e saída dos esgotos, evitando curto-circuitos hidráulicos e zonas mortas que influenciam na
eficiência da lagoa.
Segundo Meneses (2006), as zonas mortas são locais com TDH maior que o ideal e
os curto-circuitos são locais com TDH menor que o ideal onde ocorre passagem por um fluxo
preferencial.
Segundo Kellner (2009), podem ocorrer três zonas distintas, zona advectiva, zona
morta e zona de mistura, onde a zona morta apresenta velocidade ou taxa de troca de líquido
muito baixa, gerando
áreas
estagnadas
com estratificação térmica onde ocorre
desenvolvimento de bancos de lodo no hipolímnio e a geração de caminhos preferenciais na
lagoa ou curto-circuitos, de forma que o volume efetivo é menor que o volume total e o TDH
real é menor que o TDH teórico, gerando os curto-circuitos.
Nas lagoas de estabilização, a zona afetada pelas correntes de circulação depende da
estabilidade da estratificação, da magnitude da vazão e da geometria da lagoa. Em lagoas
completamente misturadas, o fluxo que se encaminha para a saída é radial vindo de todas as
direções. No entanto, em lagoas estratificadas com pequenas vazões onde os dispositivos de
saída localizam-se na região do epilímnio, o fluxo vem apenas das camadas mais superficiais.
Portanto, a região de tomada de água deve ser aquela determinada pelo volume útil da lagoa,
com influência direta sobre o TDH da lagoa e a ocorrência de curtos-circuitos (KELLNER,
2009).
Polprasert e Bhattarai (1985), Metcalf & Eddy (2003) e Safieddine (2007) relatam
que entre os sistemas de tratamento existentes, os projetos de lagoas de estabilização ainda
não estão bem definidos, sendo que os resultados obtidos de diversos métodos de projeto
propostos apresentam grande discrepância. Esta complexidade é representada pela presença
de regiões mortas, curto-circuitos, recirculação de fluxos, estratificação térmica e correntes de
densidade.
Projetos de lagoas facultativas e aeróbias apresentaram equações empíricas e
modelos cinéticos, cujas predições não foram comprovadas por dados publicados sobre
funcionamento
de
algumas
lagoas
em
cidades
norteamericanas
(FINNEY;
MIDDLEBROOKS, 1980 apud POLPRASERT e BHATTARAI, 1985).
Shilton e Bailey (2006) relatam que projetos atuais de lagoas de estabilização e
lagoas aeradas com base em condições ideais de mistura ou em equações de projeto derivadas
de estudos empíricos em planta piloto e observações de sistemas operacionais,
23
frequentemente não atendem aos critérios de efluentes porque não descrevem o
comportamento hidráulico real destes sistemas. Além disso, para Safieddine (2007) a cinética
utilizada nas equações de projeto assumida como de primeira ordem (taxa de reação química
proporcional à concentração dos reagentes) nem sempre é uma hipótese realista. Um dos
fatores mais importantes que devem ser levados em consideração na avaliação da concepção e
execução de lagoas de estabilização e lagoas aeradas é o seu regime hidráulico.
De acordo com Bracho (1998) a maioria das plantas de tratamento apresentam
problemas operacionais como resultado de concepções errôneas a nível de projeto, construção
ou falta de manutenção. Países como Espanha, Peru, França e Venezuela tem incrementado o
uso de lagoas de estabilização, havendo interesse em revisar os métodos tradicionais para
projeto, localização das entradas e saídas, formato das lagoas, aspectos hidráulicos e
hidrodinâmicos que somados aos climáticos jogam um papel importante no funcionamento
destes reatores.
Von Sperling (2005) especifica as taxas de remoção de poluentes para os diversos
modelos de lagoas de estabilização conforme Tabela 1.
Tabela 1 - Eficiências de remoção conforme tipo de lagoa de estabilização
Sistema de lagoas de estabilização
Facultativas
Anaeróbias +
facultativas
Aerada facultativa
Aerada de mistura
completa +
decantação
DBO (%)
75-85
75-85
75-85
75-85
DQO (%)
65-80
65-80
65-80
65-80
SS (%)
70-80
70-80
70-80
80-87
Amônia (%)
<50
<50
<30
<30
Nitrogênio (%)
<60
<60
<30
<30
Fósforo (%)
<35
<35
<35
<35
Coliformes (%)
80-99
80-99,9
80-95
80-99
Área (m2/hab)
2,0 – 5,0
1,5 – 3,5
0,3 – 0,6
0,2 – 0,5
Potência (W/hab)
0
0
1,0 – 1,7
1,0 – 1,7
Implantação
(US$/hab)
10 – 30
10 – 25
10 – 25
10 – 25
Item específico
Requisitos
Fonte: adaptado de von Sperling (2005).
De acordo com Gloyna (1971, Cubillos, 1986 apud Kellner e Pires, 1998), embora as
lagoas aeradas mecanicamente promovam a estabilização dos esgotos, suas características
básicas diferem das lagoas de estabilização propriamente ditas, sendo que independente do
24
horário ou da estação do ano, quantidade de oxigênio é introduzida na massa líquida com o
auxílio de equipamentos mecânicos, adequando-se os níveis de OD e de pH do meio.
De acordo com Andrade Neto (1997) lagoas aeradas mecanicamente não tem
características próprias das lagoas de estabilização, aproximando-se mais aos processos de
lodos ativados.
Uehara & Vidal (1989 apud Matsumoto, 2004) comentam que para prevenir qualquer
tendência à estratificação, o uso de cortinas em forma de chicanas, semelhantes às de uma
câmara de contato de cloro, cujo fluxo espiral em cada passagem aumentará a mistura. Para
Matsumoto (2004) a maior vantagem está na remoção de coliformes totais e fecais e ovos de
helmintos do efluente para não proliferação de doenças de veiculação hídrica.
4.2 Lagoas Facultativas (LF)
Lagoa Facultativa é a variante mais simples dos sistemas de lagoas de estabilização,
consistindo na retenção dos esgotos por período de tempo longo o suficiente para que ocorram
os processos naturais de estabilização da matéria orgânica (VON SPERLING, 2002).
Estudos de Bracho (1998) em lagoas facultativas indicam que comportamento
hidrodinâmico exerce efeito sobre DBO5, DQO, CT, existindo no centro da lagoa variações
significativas causadas pela formação de um epicentro. O estudo hidráulico identificou fluxo
disperso e zonas de curto circuito e espaços mortos, sendo que a não homogeneidade dos
parâmetros foi identificada pela Análise de Variância. Bracho (1998) recomenda verificar os
melhores locais para dispositivos de entrada e saída.
De acordo com Forero (1985), a luz solar exerce grande influência na atividade
microbiana e em especial na remoção de bactérias patogênicas. Nas lagoas facultativas, o
processo de fotossíntese é indispensável, onde algas produzem grandes quantidades de OD,
conforme Tabela 2, referente a dados de Guanacaste, Costa Rica com temperatura de 30°C e
saturação de OD de 7,7 mgL-1, indicando que a lagoa permaneceu sobresaturada de OD a
maior parte do dia.
Tabela 2 – Dados de supersaturação de OD em Canas, Guanacaste, Costa Rica
hora
8:00 a.m.
OD (mgL-1)
4,7
Fonte: Forero (1985).
10:00 a.m.
8,4
12:00 a.m.
15,6
2:00 p.m.
17,9
4:00 p.m.
17,3
25
Segundo Jordão e Pessoa (1982) e von Sperling (2002) a entrada do esgoto bruto na
lagoa pode ser submersa para propiciar uma rápida dissolução deste, evitando-se zonas
estagnadas ou curto-circuitos. Jordão e Pessoa (1982) recomendam gradeamento grosseiro
para remoção de animais mortos ou sólidos flutuantes de grande porte.
Uma das críticas mais severas ao emprego de lagoas refere-se aos altos valores de
sólidos em suspensão nos efluentes ocasionados pelas algas. Sobre este fenômeno, Kellner e
Pires (1998) observam que no mínimo 80% dos sólidos totais do efluente se devem à
biomassa de algas, sugerindo que a remoção deste material poderia melhorar sensivelmente os
valores de DBO5 e sólidos suspensos do efluente.
Por outro lado, para König (1984) a presença de algas no efluente final das lagoas
influencia alguns parâmetros de monitoramento como DBO5 e DQO. Porém, as algas ao
serem descartadas com OD são integrantes das cadeias alimentares do corpo receptor, não
tendo ação degradante sobre as características do rio.
De acordo com von Sperling (2002), remoção de matéria orgânica ocorre em três
zonas: aeróbia superficial, facultativa intermediária e anaeróbia no fundo da lagoa. Substratos
dissolvidos e em suspensão finamente particulada permanecem dispersos na zona aeróbia,
onde ocorrem reações de respiração, através de bactérias aeróbias:
matéria orgânica + O2 CO2 + H2O + energia
em simbiose com as algas, através de reações de fotossíntese:
CO2 + H2O + energia luminosa matéria orgânica + O2
Matéria orgânica em suspensão (DBO5 particulada) tende a sedimentar como lodo de
fundo na zona anaeróbia, ocorrendo processo de decomposição por microorganismos
anaeróbios, sendo convertido lentamente em gás carbônico, metano, água, amônia, gás
sulfídrico, ácidos graxos voláteis e outros compostos químicos (VON SPERLING, 2002).
De acordo com Cruz (2000), durante as primeiras horas do dia, os valores de pH são
menores devido ao excesso de CO2 produzido pela respiração bacteriana aeróbia durante a
noite. Ao meio dia, o pH se eleva devido à atividade fotossintética plena das algas. Durante a
noite o pH volta a declinar porque as algas deixam de consumir CO2 e continua a produção de
CO2 pelas bactérias e algas. Von Sperling (2002) avalia que o pH na lagoa facultativa também
varia ao longo da profundidade e ao longo das 24 horas, pois depende da fotossíntese e da
respiração, conforme descreve a Tabela 3.
26
Tabela 3 - Variação do pH em função da fotossíntese e respiração.
Consumo de CO2
Fotossíntese
Íon bicarbonato HCO3-1 do esgoto tende a se converter a OH-1
pH se eleva
Produção de CO2
Respiração
Íon bicarbonato HCO3-1 do esgoto tende a se converter a H+1
pH se reduz
Fonte: von Sperling (2002).
Conforme Silva Filho (2007), durante o dia, nas horas de máxima atividade
fotossintética, o pH pode atingir valores em torno de 10 podendo ocasionar conversão do
cátion amoníaco (NH4+) a gás amônia (NH3), através do consumo de alcalinidade (OH-1);
precipitação dos fosfatos como lama de hidroxiapatita de cálcio (remoção de nutrientes);
conversão de sulfeto de hidrogênio (H2S) causador de mau cheiro a bissulfeto (HS-1) inodoro
a partir de oxidação por processos químicos e bioquímicos na camada aeróbia superior:
H2S + ½ O2 HS-1 + OH-1
A amônia, apesar de ser tóxica, tende a se liberar para a atmosfera, elevando a
remoção de nutrientes da lagoa, conforme ilustrado na Figura 1.
Figura 1 - Detalhes de uma lagoa facultativa. Fonte: Silva Filho (2007).
Conforme Pescod (1995 apud Kellner; Pires, 1998), para valores de pH abaixo de 7,5
o equilíbrio entre H2S, HS-1 e S-2 desloca-se rapidamente para a formação de sulfeto de
hidrogênio. Se o afluente conter concentrações de sulfatos superiores a 100 mg.L-1 podem ser
esperados maus odores.
27
De acordo com von Sperling (2002) na zona facultativa, quando há ausência de
oxigênio livre, determinados grupos de bactérias utilizam outros receptores de elétrons, como
nitratos e sulfatos (condições anóxicas) e CO2 (condição anaeróbia).
Em lagoas facultativas, de acordo com König (1990), processos de oxidação
bacteriana convertem o material orgânico a dióxido de carbono, amônia e fosfatos, sendo as
Pseudomonas sp, Flavobacterium sp e Alcaligenes sp, as principais bactérias envolvidas.
Ainda de acordo com König (1990), a presença dos nutrientes (NH4+, PO4-2)
resultantes da atividade bacteriana proporciona um ambiente adequado ao desenvolvimento
das algas, as quais, através de sua atividade fotossintética produzem o oxigênio que fica
disponível às bactérias para a oxidação aeróbia da matéria orgânica.
Esta relação mutualística permite o desenvolvimento de uma exuberante população
de algas que podem gerar grandes quantidades de OD, podendo atingir níveis de
supersaturação (KÖNIG, 2002).
Tabela 4 - Grupos de algas de importância encontrados em lagoas de estabilização.
Tipos
Gêneros/filos
Algas verdes (clorofícias)
Chlamydomonas
Euglenas
Características
possui flagelos para locomoção, cor verde
predominante
Chlorellas
Cianobactérias
Oscilatoria
Phormidium
Anacystis
Anabaena
Características de bactérias e algas; não apresentam
organelas de locomoção; requisitos de nutrientes
reduzidos; típicos de condições de baixo pH e
nutrientes.
Fonte: adaptado de König (1990).
A Tabela 4 apresenta alguns grupos de algas de importância encontrados em lagoas
de estabilização. A quantificação da biomassa algal normalmente é feita através da medição
de clorofila a, cujas concentrações dependem da carga aplicada e temperatura e se situam
entre 500 e 2.000 mg.L-1.
Segundo Abdel-Razik (1991 apud Von Sperling, 2002) as algas produzem a matéria
orgânica necessária para sua sobrevivência durante as horas do dia através da fotossíntese e
oxidam a matéria orgânica, liberando energia química para o crescimento, reprodução,
locomoção e outros durante as 24 horas através da respiração, sendo que podem produzir
cerca de 15 vezes mais oxigênio do que consomem.
Algas são organismos fotossintéticos cuja importância não está tanto na capacidade
de depuração, mas sim, como fonte de OD. Sendo autótrofas, sua presença eleva o conteúdo
28
de matéria orgânica por síntese a partir de fontes minerais de carbono existentes (CRUZ,
2000).
De acordo com Curtis et al. (1992 apud Cruz, 2000), as algas influenciam os
processos de fotooxidação através de formas opostas, melhorando a remoção elevando o pH e
OD, porém impedindo a penetração da luz solar.
De acordo com von Sperling (2002) ao longo da profundidade da lagoa há um nível
denominado oxipausa onde a produção de oxigênio pelas algas se iguala ao consumo de
oxigênio pelas próprias algas e microorganismos aeróbios.
Entre os inconvenientes para a reprodução de algas nas lagoas de estabilização estão
as elevadas cargas orgânicas, baixa radiação solar ou períodos curtos de insolação, baixa
temperatura, compostos de enxofre (CRUZ, 2000).
Produção de OD através das algas é fundamental para processo aeróbio, variando em
função do dia e da profundidade. A evolução diurna da lagoa apresenta OD mais elevado no
centro e superfície. Durante a noite, as correntes térmicas misturam as camadas estratificadas,
garantindo uma produção constante de OD durante as manhãs (CRUZ, 2000).
Conforme von Sperling (2002), a intensidade de carga de DBO5 aplicada à lagoa
influencia nas espessuras das zonas aeróbias e anaeróbias nos períodos diurno e noturno,
sendo que cargas orgânicas elevadas reduzem consideravelmente a zona aeróbia.
Adaptado de Meneses (2006), a remoção do substrato (DBO5) pode ser determinada
utilizando a equação de degradação de primeira ordem:
dL/dt = -kL
...(1)
onde a taxa de velocidade de reação (dL/dt) é proporcional ao substrato oxidável a
qualquer momento (L), sendo k a constante de biodegradação para a reação (d-1).
Integrando esta equação desde um tempo t=0 correspondendo à concentração inicial
de matéria orgânica (L0), temos:
L/L0 = e-kt
...(2)
Em lagoas de estabilização, a determinação da constante k depende da temperatura,
vazão, relações geométricas da lagoa (comprimento, largura e profundidade), direção e
velocidade do vento e tipo de modelo hidráulico (MENESES, 2006).
Em termos de padrões ideais de mistura existem dois modelos hidrodinâmicos, fluxo
pistão e mistura completa e entre estes modelos ideais existe o escoamento não ideal fluxo
disperso (MENESES, 2006).
Conforme von Sperling (2002), a Tabela 5 apresenta um comparativo entre os
modelos hidráulicos de reatores, onde a maior eficiência se deve ao modelo de fluxo em
29
pistão, embora este modelo se apresente muito suscetível às sobrecargas orgânicas junto à
entrada do afluente no reator.
Tabela 5 - Modelos hidráulicos de reatores.
Modelo hidráulico
Fluxo em pistão
Mistura completa
Eficiência de
remoção de
poluentes
Taxa de reação diretamente proporcional à
concentração do substrato.
Maior eficiência de remoção de DBO5
devido à maior carga presente na entrada do
reator.
Taxa de reação diretamente proporcional
à concentração do substrato.
Menor eficiência de remoção de DBO5
devido à imediata dispersão do poluente
na entrada do reator.
Variabilidade de
cargas e presença de
compostos tóxicos
Baixa adaptação à variabilidade de cargas e
à presença de compostos tóxicos devido à
baixa dispersão longitudinal na entrada do
afluente no reator.
Maior adaptação à variabilidade de
cargas e à presença de compostos tóxicos
devido a uma imediata diluição do
afluente no reator.
Características
Fluxo se processa como um êmbolo, sem
misturas longitudinais; as partículas entram
continuamente numa extremidade, mantendo
sua identidade e saem em outra extremidade;
fluxo típico de tanques longos com elevada
relação comprimento/largura, na qual a
dispersão longitudinal é mínima; reatores
tubulares ou de fluxo pistonado são
idealizados, sendo que na prática,
dificilmente se obtém ausência total de
dispersão longitudinal.
As partículas que entram no tanque são
imediatamente homogeneizadas e
dispersas em todo o corpo do reator com
fluxo de entrada e saída contínuo,
fazendo que a concentração inicial do
poluente seja rapidamente igualada à
baixa concentração efluente; reatores de
mistura completa são idealizados, sendo
que na prática dificilmente se obtém uma
dispersão total em todo o volume do
reator.
Fonte: von Sperling (2002).
Segundo Meneses (2006), no fluxo pistão as partículas entram e saem continuamente
e nenhum elemento se antecipa a outro ou sofre atraso no percurso. Já no fluxo de mistura
completa, todos os elementos que entram no reator são imediatamente dispersos.
Aplicando a equação do balanço de massa a um elemento de volume em reator com
escoamento pistonado, de acordo com Metcalf e Eddy (1985), Kellner e Pires (1998), von
Sperling (2002) e Meneses (2006), temos a seguinte equação:
dS/dt.∆V = Q. Sx – Q. x+∆x + rc. ∆V
Após simplificações, obtemos a equação:
S = S0.e-Kt
representa a cinética de primeira ordem para fluxo de pistão onde:
S = substrato ou DBO5 solúvel efluente (mgL-1)
S0 = substrato ou DBO5 afluente (mgL-1)
K = constante cinética de 1ª ordem ou coeficiente de remoção do substrato ou DBO5 (d-1)
t = tempo de detenção hidráulica no reator (d)
...(3)
30
Aplicando a equação do balanço de massa a um elemento de volume em reator com
escoamento de mistura completa, de acordo com Metcalf e Eddy (1985), Kellner e Pires
(1998), von Sperling (2002) e Meneses (2006), temos a seguinte equação:
dS/dt.∆V = Q. S0 – Q.S+ rc.∆V
Após simplificações, obtemos a equação:
S = S0 / (1 + K.t)
...(4)
representa a cinética de primeira ordem para fluxo de mistura completa onde:
S = substrato ou DBO5 solúvel efluente (mgL-1)
S0 = substrato ou DBO5 afluente (mgL-1)
K = constante cinética de 1ª ordem ou coeficiente de remoção do substrato ou DBO5 (d-1)
t = tempo de detenção hidráulica no reator (d)
Von Sperling (2002) define o substrato solúvel efluente (S) como a parcela de DBO5
solúvel e o substrato afluente (S0) é admitido com a DBO5 total (solúvel + particulada), tendo
em vista em se desconsiderar a DBO5 relativa às algas ou sólidos em suspensão no efluente de
lagoas facultativas devido à incerteza quanto à demanda de oxigênio das algas no corpo
receptor ou ao destino do efluente.
Lagoas facultativas de mistura completa apresentam valores de K(20°C) de 0,30 a
0,40 d-1 para lagoas primárias e 0,25 a 0,32 d-1 para lagoas secundárias (VON SPERLING,
2002).
Conforme Metcalf & Eddy (1985), Mendonça (1990), Kellner e Pires (1998), von
Sperling (2002), os valores de K referenciados à temperatura de 20ºC podem ser corrigidos
para outras temperaturas de acordo com:
KT = K20.θ(T-20)
...(5)
Onde:
KT = coeficiente de remoção de DBO5 em temperatura do líquido qualquer (d-1)
K20 = coeficiente de remoção de DBO5 em temperatura do líquido de 20ºC (d-1)
θ = coeficiente de temperatura conforme lei de Arrhenius
De acordo com Kellner e Pires (1998) o comportamento hidráulico real da lagoa é
disperso ou não ideal, sendo uma combinação das duas condições ideais possíveis: mistura
completa ou escoamento em pistão, dependendo do número de dispersão (d) que indica o
espalhamento de tempo de detenção hidráulico real das partículas do fluido em escoamento.
O fluxo disperso é obtido com um grau de mistura intermediário entre os dois
extremos de fluxo pistão e mistura completa. Na prática, a maioria das lagoas de estabilização
são de fluxo disperso (MENESES, 2006).
31
Conforme Meneses (2006), a classificação de modelos hidrodinâmicos é determinada
pelo número de dispersão
d = D/vL
...(6)
que indica o espalhamento do TDH real das partículas do fluido em escoamento, onde:
d = n° de dispersão
D = coeficiente de dispersão longitudinal (m2/d)
v = velocidade (m/d)
L = comprimento do percurso longitudinal no reator (m)
Conforme Figura 2, von Sperling (2002) apresenta modelo de mistura completa
representando extremo de dispersão longitudinal infinita e modelo de fluxo de pistão
representando extremo de dispersão longitudinal nula, sendo que entre os extremos estão
modelados os reatores com regime de fluxo disperso.
Segundo Yanes (1981 apud Kellner e Pires, 1998) são raras as vezes que uma lagoa
apresenta d maior que 1, ao passo que Thirumurthi (1969 apud Meneses, 2006) relata que
normalmente os valores de d variam de 0,1 a 2 com maior parte dos valores abaixo de 1.
Conforme Meneses (2006), a determinação experimental do número de dispersão
pode ser realizada através de traçadores (corantes, salinos, fluorescentes ou radioativos),
sendo os fluorescentes tais como a Uranina ou Rodamina os mais utilizados em lagoas devido
à injeção de pequenas quantidades para grandes volumes de água.
Figura 2 – Remoção de DBO conforme reação de 1ª ordem para principais regimes hidráulicos.
Fonte: von Sperling (2002).
32
Em lagoas facultativas, o lodo acumulado no fundo é resultante da sedimentação dos
sólidos do esgoto bruto, incluindo sólidos sedimentáveis fixos como areia e sólidos suspensos
voláteis como algas e microorganismos mortos, sendo esta fração orgânica estabilizada
anaerobiamente e convertida em água e gases (VON SPERLING, 2002).
De acordo com autores como Arceivala (1981, Silva, 1993, Gonçalves, 1999 apud
von Sperling, 2002), a taxa de acúmulo médio de lodo se apresenta entre 0,03 e 0,08
m3/hab.ano, podendo haver um acréscimo anual na espessura da camada de lodo em torno de
1 a 3 cm/ano.
Jordão e Pessoa (1982) recomenda a operação de lagoas facultativas com controle da
altura do N.A. ou profundidade da lâmina d’água, através de regulagem nas comportas de
saídas, conforme condição climática, adotando em baixas temperaturas uma profundidade
mínima de 0,9 metros e no verão uma profundidade máxima de 1,5 metros.
Autores como Arceivala (1981, CETESB, 1989 apud von Sperling, 2002) relacionam
a cor predominante da lagoa versus condições de funcionamento, conforme adaptado na
Tabela 6.
Tabela 6 – Relação entre cor da lagoa e condições de funcionamento.
Cor da lagoa
Interpretação
Verde escura e parcialmente transparente
Lagoa em boas condições. Altos valores de pH e OD.
Verde amarelada ou excessivamente clara
Crescimento de rotíferos, protozoários ou crustáceos, que se
alimentam das algas. Pode haver redução de OD e mal cheiro.
Acinzentada
Sobrecarga de matéria orgânica e/ou tempo de detenção curto.
Verde leitosa
A lagoa está em processo de autofloculação, decorrente da
elevação do pH e da temperatura.
Azul esverdeada
Excessiva proliferação de cianobactérias.
Marrom avermelhada
Sobrecarga de matéria orgânica.
Fonte: adaptado de von Sperling, (2002).
Jordão & Pessoa (1982) afirmam que as condições hidráulicas e biológicas das
lagoas facultativas podem ser afetadas por fatores ambientais incontroláveis, descritos
resumidamente na Tabela 7.
33
Tabela 7 – Fatores ambientais incontroláveis que podem afetar lagoas facultativas.
Fatores incontroláveis
Evaporação
Altera a concentração de sólidos podendo alterar
equilíbrio biológico ou hidráulico.
Precipitação pluviométrica
Pode provocar uma diluição desfavorável ou carrear
algas para o corpo receptor.
Temperatura
Relacionado à radiação solar, velocidade da
fotossíntese e de metabolismo celular.
Ventos
Elevam a transferência de oxigênio pela interface
ar/água.
Nuvens
Reduzem a intensidade luminosa.
Radiação solar
Influi diretamente sobre a velocidade da fotossíntese.
Fonte: adaptado de Jordão & Pessoa (1982).
4.3 Lagoas Aeradas Facultativas (LAF)
Segundo Yanez (1980), Eckenfelder e O’Connor em 1960 foram os primeiros
investigadores a realizar ensaios em escala de laboratório em lagoas com difusão de ar
comprimido, sendo a primeira instalação de lagoa aerada com aeração mecânica superficial
para tratamento de esgoto sanitário foi construída em Kansas City, Missouri.
Conforme Yanez (1980), lagoas aeradas facultativas (LAF) são descritas como
lagoas de biomassa em suspensão parcial, sendo recomendadas para climas temperados ou
quentes. Segundo o autor, o oxigênio é abastecido totalmente em forma artificial por meio de
aeradores mecânicos e a produção de O2 por fotossíntese está ausente ou joga um papel muito
reduzido na oxigenação da biomassa.
Para Flores (2000), lagoa aerada é alternativa de tratamento frente aos problemas de
mal odores, baixa eficiência e necessidade de grandes extensões de terreno.
Lagoas aeradas se apresentam como um avanço no tratamento secundário de
efluentes onde ocorre uma mistura íntima dos organismos aeróbios e sólidos orgânicos em um
meio favorável à decomposição aeróbia dos sólidos (FLORES, 2000).
De acordo com von Sperling (2002), LAF são sistemas com menores requisitos de
área e maior independência climática que LF, recebendo seu aporte de oxigênio
principalmente através de aeradores mecânicos ou por meio de ar difuso. Apresentam como
34
desvantagens requisitos de energia relativamente elevados devido aos dispositivos mecânicos
de aeração e baixa eficiência na remoção de coliformes totais e fecais.
De acordo com Yanez (1980), o tratamento por lagoas aeradas se encontra entre o
processo de LF e de aeração prolongada, sendo a degradação da matéria carbonácea realizada
através de bactérias heterotróficas. Enquanto que nas LF a população bacteriana é pequena
necessitando de elevados TDH, nas lagoas aeradas a densidade de biomassa é maior, podendo
haver redução do TDH.
Von Sperling (2002) recomenda profundidades entre 2,5 e 4,0 metros. Justifica esta
coluna d’água para melhorar eficiência na oxidação da matéria orgânica e reação de oxidação
de gases geradores de odores tais como gás sulfídrico; sugere uma camada aeróbia de
aproximadamente 2 metros para oxidar os gases da decomposição anaeróbia do lodo de
fundo. Para Ramalho (2003), 1 a 4 metros; para Metcalf & Eddy (2003), 2 a 5 metros. Para
Mendonça (1999) profundidade deve variar entre 3 a 5 metros, com área e TDH menores para
estabilização da matéria orgânica. Para Yanez (2003), as profundidades variam com tipo de
lagoa e compatíveis com sistema de aeração. Para lagoas de oxidação aeradas (LOA), são
utilizadas profundidades entre 1 e 1,5 metros com média de 1,2 metros. Para LAF são usadas
profundidades médias de 1,5 m e LAMC utilizam profundidades entre 3 e 5 metros com
média de 4 metros (YANEZ, 2003).
Em clima quente com boa insolação, pode ser observado um apreciável crescimento
de algas na superfície de LAF. Outro fenômeno muito comum é a aparição de grandes bolhas
de biogás, produto da digestão dos sólidos (YANEZ, 1980).
Historicamente, a aeração em lagoas foi empregada para impedir crescimento
excessivo de algas e outras condições produzidas por sobrecarga orgânica e variações
estacionais de temperatura. Desta experiência, verificou-se que lagoas aeradas mantêm
remoção de DBO aceitável em períodos de retenção mais curtos (FLORES, 2000).
Segundo Yanez (1980), em LF de climas tropicais sem boas condições de mistura é
conveniente introduzir baixas densidades de energia para romper a estratificação térmica bem
como para permitir contato das espécies de algas não móveis com os estratos superficiais que
recebem boa iluminação solar.
Para Mendonça (1999), não há controle de sólidos nas LAF, sendo parte sedimentado
em sua parte inferior e parte saindo com o efluente. Sua potência é limitada e a idade do lodo
é maior que TDH e a remoção de DBO5 varia de 70 a 90%. O funcionamento da LAF se
baseia no processo de lodos ativados sem reciclo de lodo.
35
De acordo com Yanez (1980), descarga de biomassa no efluente da LAF está
dependente da densidade de potência e tempo de acúmulo de lodos, devendo a LAF vir
necessariamente acompanhada de outro processo, sendo o mais atrativo LAF seguida de lagoa
facultativa (LF) em série.
Lagoas de aeração podem ser aplicadas também para despejos industriais de
processos de celulose e papel, têxteis, refinarias de petróleo, indústrias de alimentos e
laticínios, podendo ser extensiva a climas frios ou de elevadas altitudes (YANEZ, 1980).
Grandes lagoas aeradas são comumente utilizadas na indústria de papel e celulose para
tratamento biológico de águas residuárias (POUGATCHA, 2007), onde aeradores flutuantes
mecânicos superficiais
fornecem simultaneamente mistura e oxigenação e estão
estrategicamente colocados para garantir um regime de fluxo de mistura parcial que dê
suporte às reações biológicas e sedimentação da fase sólida.
Para critérios de projetos, von Sperling (2002) adota TDH e profundidade, pois
entende que o dimensionamento de LAF é similar a LF quanto à cinética de remoção de
DBO5 porém não há requisitos de área superficial por ser um processo independente da
fotossíntese. Para cinética de remoção satisfatória de DBO5, von Sperling (2002) adota TDH
entre 5 a 10 dias. Para Yanez (2003), LAF tratando esgotos domésticos pode ter TDH entre 7
e 20 dias com média entre 10 e 15 dias. Para Ramalho (2003), TDH normalmente é superior
a 6 dias, sendo de 4 a 10 dias para Metcalf & Eddy (2003). A Tabela 8 apresenta um
comparativo entre carga orgânica volumétrica (COV) e TDH para vários processos de
tratamento (YANEZ, 1980), onde se faz uma distinção entre lagoas de estabilização aeradas e
lagoas aeradas.
Tabela 8 – Comparativo de COV e TDH entre vários processos de tratamento.
Tipo de tratamento
COV (kg DBO/m3.d)
TDH (d )
Lagoas de estabilização (norte dos EUA)
Até 0,0024
104 ou mais
Lagoas de estabilização (sul dos EUA)
0,0024 – 0,008
30 – 105
Lagoas de estabilização (áreas tropicais)
0,01 – 0,02
15 – 60
Lagoas de estabilização aeradas
0,004 – 0,02
16- 60
Lagoas aeradas
0,016 – 0,16
1,6 – 16
Aeração prolongada
0,16 – 0,4
0,62 – 1,58
Lodos ativados convencional
0,4 – 0,64
0,27 – 0,43
Fonte: Yanes (1980) para afluente com 250 mg.L-1 de DBO e para LE em áreas tropicais com 100-200 kg
DBO/há.d e 1 m de profundidade.
De acordo com von Sperling (2002), a lagoa de estabilização deve apresentar
condições para se adaptar rapidamente a uma LAF. Processo de aeração mecânica pode
36
incrementar a capacidade de instalações de lagoas existentes submetidas a sobrecarga
orgânica (YANEZ, 1980).
Para von Sperling (2002), LAF são lagoas facultativas devido ao nível de energia
introduzido pelos aeradores ser suficiente apenas para oxigenação, não mantendo todos os
sólidos suspensos da biomassa dispersos no corpo da lagoa. Sólidos particulados tendem a
sedimentar em camada de lodo de fundo ocorrendo fermentação anaeróbia. Sólidos solúveis,
coloidais e finamente particulados se mantêm na massa líquida, ocorrendo decomposição
aeróbia. Em termos de distribuição da biomassa heterotrófica, a lagoa se comporta como LF
convencional.
Como qualquer outro processo de tratamento biológico, as lagoas mecânicas aeradas
dependem da atividade metabólica dos microorganismos que utilizam matéria orgânica
presente na água residuária como fonte de energia e como material para a síntese de novas
células (KÖNIG, 1990). Através de análises por PCR-RFLP, Chandra et al. (2011)
caracterizaram diversidade de bactérias em lagoas aeradas de ETE de um curtume na Índia.
Resultados revelaram predomínio de Escherichia sp., Stenotrophomonas sp., Bacillus sp. e
Cronobacter sp. na lagoa aerada I enquanto que prevaleceram Stenotrophomonas sp. e
Burkholderiales bacterium na lagoa aerada II. Análises por HPLC e GC-MS comprovaram
maior degradação de poluentes orgânicos tais como benzeno e ácido 2-hidroxi-3-metilbutanóico na lagoa aerada II.
A estimativa da concentração efluente de DBO5 segue um procedimento similar ao
empregado para LF, podendo ser calculada pelas equações (1) e (2) conforme influência do
regime hidráulico. No entanto, para von Sperling (2002), a maior parte dos projetos de LAF
adotam regime de mistura completa, não se aplicando o Número de Dispersão (d) o qual é
específico para LF. Para Yanez (2003), devido à falta de melhores ferramentas, para o
dimensionamento de LAF é utilizado a teoria de lagoas de mistura completa. Para Ramalho
(2003), a formulação supondo mistura completa pode ser útil para efeitos de projeto.
Por consequência, para cálculo de estimativa de DBO5 solúvel efluente a partir
modelo de mistura completa adotam-se valores mais elevados para coeficiente de remoção de
DBO5 (K). De acordo com Arceivala (1981 apud von Sperling, 2002), valores típicos de K20
para regime de mistura completa situam-se entre 0,6 a 0,8 d-1. Metcalf & Eddy (2003) adota
0,5 a 0,8 d-1. Para Yanez (2003), K20 e TDH para LAF apresentam índices diversos conforme
autores, conforme Tabela 9.
37
Tabela 9 – Coeficientes de assimilação de substrato para LAF baseados em DBO solúvel
Tipo de efluente
K20 (d-1)
TDH (d)
Esgoto doméstico
0,254
1-4
Esgoto doméstico
2,5
Esgoto doméstico
5,0
2- 6
Esgoto doméstico
1,2
Esgoto doméstico
8,1
Enlatado de vegetais
0,18 – 0,25
1- 5
Fabricação de papéis
0,15
1- 5
Indústria têxtil
2,5
1- 5
Efluente orgânico
6,7
Fonte: YANEZ, 2003
Referência
Arceivala
Tchobanoglous
Mara
Ford
Fleckseder
O'Connor
O'Connor
Bartsch et. Al.
Balasha
De acordo com von Sperling (2002) para conversão de K20 para outras temperaturas,
adota-se o valor de θ = 1,035 para LAF, conforme Tabela 10.
Tabela 10 – Valores propostos para θ para lagoas facultativas e aeradas facultativas.
Valores propostos para K
Para k = 0,35 d
Para lagoas facultativas
Para lagoas aeradas facultativas
Valores propostos para θ
-1
1,085
Para k = 0,35 d-1
Para k = 0,6 a 0,8 d
1,05
-1
1,035
Fonte: adaptado de von Sperling (2002).
A densidade de potência é definida como:
Ф=P/V
...(7)
Onde:
Ф = densidade de potência (W/m3)
P = potência instalada (W)
V= volume do reator (m3)
Von Sperling (2002) relaciona Sólidos Suspensos com a turbulência introduzida
pelos aeradores conforme Tabela 11. No entanto, esclarece que os valores de densidade de
potência são estimativos, pois dependem do nº e distribuição dos aeradores e tamanho e
geometria da LAF.
Tabela 11 – Sólidos suspensos em função da densidade de potência.
Densidade de potência (W/m3)
SS (mg.L-1)
0,75
50
1,00
60-100
1,75
175
2,75
300
Fonte: von Sperling (2002).
38
De acordo com Yanez (2003), a densidade de potência em LAF é insuficiente para
ocorrer mistura total. Informações de densidade de potência para LAF não são consistentes
conforme indica a Tabela 12. Estas diferenças podem ser ocasionadas pela geometria do
tanque, número e posição dos aeradores, diâmetro e velocidade de rotação do aerador. De
acordo com Yanez (1980), é muito conhecido na teoria dos misturadores de que a eficiência
de mistura aumenta com menores velocidades de rotação e maior profundidade. Von Sperling
(2002) e Ramalho (2003) concordam que LAF deve trabalhar com baixas densidade de
potência para possibilitar a sedimentação dos sólidos e possibilitar decomposição anaeróbia.
Tabela 12 – Densidades de potência para LAF conforme diversos autores
Densidade de Potência (W/m3)
Referência
2a4
Eckenfelder, Jr. (1972)
1a2
Ellis (1979)
≥1
Rich (1980)
0,8 a 1,1
Arceivala (1973)
≥ 0,75
Arceivala (1981)
≥0,79
Eckenfelder, Jr. (1980)
0,73 a 5,14
Ramalho (1996)
1 a 1,25
Metcalf & Eddy (2003)
0,75 a 1,5
von Sperling (2002)
Fonte: adaptado de Ramalho (2003), Mendonça (1999), von Sperling (2002), Metcalf & Eddy (2003) e Yanez
(2003).
Von Sperling (2002) recomenda uma área na seção final da LAF sem aeradores para
sedimentação dos sólidos e obter redução de SS para faixa entre 50 e 100 mg.L1. Para este
autor, a DBOparticulada representa 0,3 a 0,4 mg DBO5/mg SS.
Para Jordão & Pessoa (1982), Ramalho (2003), Mendonça (1999), von Sperling
(2002) e Yanez (2003), oxigênio é necessário para oxidação biológica da matéria orgânica,
disponibilizando energia para síntese celular e respiração endógena, podendo ser expresso por
taxa de transferência de O2 no campo (TTOcampo) ou considerando b.Xv.a.V mínimo, por:
RO = a. Q. (S0-S)/1000
Onde:
RO = requisitos de oxigênio (kg O2/d)
a = coeficiente de proporcionalidade (kg O2/kg DBO5)
Q = Vazão afluente (m3/d)
S0 = concentração de DBO5 total (solúvel + particulada) afluente (g/m3)
S = concentração de DBO5 solúvel efluente (g/m3)
1000 = conversão de kg para g (g/kg)
...(8)
39
Von Sperling (2002) adota “a” entre 0,8 e 1,2 kg O2/kg DBO5. Jordão & Pessoa
(1982) apresentam valores de “a” entre 0,7 e 1,4 e Ramalho (2003) adota 0,9 a 1,4
dependendo da natureza do efluente, regime de mistura e temperatura.
O oxigênio é transferido à lagoa através dos aeradores mecânicos ou ar difuso e
também através da aeração superficial no espelho d’água, sendo que esta pode chegar até 20%
do total necessário de oxigênio (JORDÃO & PESSOA, 1982).
Jordão & Pessoa (1982) recomendam manter um residual mínimo uniforme de
oxigênio dissolvido (OD) na lagoa em torno de 1,5 a 2 mg.L-1, sob ação uniforme de
aeradores.
Conforme Mendonça (1990) a transferência de gás e líquido é um fenômeno físico
onde ocorre intercâmbio molecular através da interface entre eles. Esta troca ocorre até
apresentar uma saturação do gás no líquido conforme condições de temperatura, pressão e
outras grandezas. A introdução de O2 em LAF pode ser feita por aeradores mecânicos ou por
ar difuso.
Nos sistemas de aeração superficial, a aeração mecânica pode ser obtida por
dispositivos rotativos, levemente submergidos na água, que difundem a água acima da
superfície. A transferência de O2 para o efluente se baseia no aumento da superfície de contato
entre o líquido e o ar. Esta seção induz simultaneamente um fluxo em forma de espiral dentro
do tanque em uma trajetória que depende da geometria do tanque e do dispositivo de aeração.
(MENDONÇA, 1999).
De acordo com von Sperling (2002), Eficiência de Oxigenação (E.O.) expressa em
kg O2/kWh converte consumo de oxigênio em consumo de energia.Os fabricantes expressam
seus aeradores em condições padrão (20ºC, ausência de oxigênio dissolvido, salinidade nula,
nível do mar, água limpa), situando-se na faixa:
EOpadrão = 1,2 a 2,0 kg O2/kWh
Nas condições reais de operação:
EOcampo = 0,55 a 0,65 da EOpadrão
...(9)
Potência requerida ou Requisitos energéticos:
RE = RO / 24. EOcampo
onde:
RE = requisitos energéticos (KW)
RO = requisitos de oxigênio (kg O2/d)
24 = conversão de dias para horas (24 h/d)
...(10)
40
De acordo com Arceivala (1981 apud Von Sperling, 2002) a taxa de acúmulo média
de lodo se apresenta entre 0,03 e 0,08 m3/hab.ano.
Para Mendonça (1999), von Sperling (2002) e Metcalf & Eddy (2003) a taxa de
transferência de oxigênio nas condições padrão (TTOpadrão) é dada por:
TTOpadrão = TTOcampo / [β.fH.(Cs-CL).α.θT-20/Cs(20°C)]
...(11)
Onde:
TTOpadrão é obtida através de água limpa a 20°C e altitude ao nível do mar (kg O2/h).
TTOcampo é a transferência de O2 nas condições de operação (kg O2/h).
Cs = condições de saturação de O2 em água limpa nas condições de campo (g/m3).
CL = saturação média de O2 mantida no reator (g/m3).
Cs(20°C) = condições de saturação de O2 em água limpa nas condições padrão (g/m3).
θ = coeficiente de temperatura, Forero (1985), Mendonça (1999), von Sperling (2002)
usualmente adotam como 1,024.
fH = fator de correção de altitude. Para altitudes menores que 1.000 metros, Forero (1985)
adota fH =1. Von Sperling (2002) adota fH = 1 – (altitude/9450).
β é a relação entre as condições de saturação com sais, tensoativos e particulados e de
saturação com água limpa. Para Mara (1976 apud Mendonça, 1999) os valores de β = 0,9 para
esgoto doméstico. Para Metcalf e Eddy (2003) valores típicos de β estão entre 0,7 e 0,98
sendo que 0,95 é um valor frequentemente adotado.
Para Mendonça (1999), α = taxa de transferência de O2 nas águas residuais/taxa de
transferência de O2 na água limpa. Para von Sperling (2002), α = KLa (esgoto)/ KLa (água
limpa), onde KLa é um coeficiente de transferência de O2 influenciado pelas características do
esgoto, geometria do reator e grau de mistura. Mara (1976 apud Mendonça, 1999) apresenta α
= 0,7 para esgoto doméstico. Conforme Forero (1985), α é uma constante de transferência de
O2 para a água residual que depende do grau de difusão, das características do equipamento,
estando entre 0,8 a 0,9.
Para Metcalf e Eddy (1985) α está entre 0,8 e 0,85 e β geralmente 1. Para von
Sperling (1996) α está entre 0,6 e 1,2 para aeração mecânica e 0,4 a 0,8 para aeração por ar
difuso. Já Metcalf e Eddy (2003) adota para aeradores de superfície α 0,82 (afluente) e 0,98
(efluente) de esgoto municipal e β geralmente 1.
Ambas as lagoas aeradas e lagoas de estabilização são comumente usadas como meio
eficaz de tratamento de esgoto com base em tecnologia pouco sofisticada e mínima
manutenção regular. Seus baixos capital e custos operacionais e capacidade de assimilar
flutuações de cargas orgânicas e hidráulicas tem sido avaliados por anos em regiões rurais e
41
em muitos países tropicais onde os terrenos apropriados estão disponível a um custo razoável.
No entanto, um dos seus grandes inconvenientes é a falta de uma abordagem racional ao seu
projeto que leve em conta todos os processos físicos, químicos e biológicos que regem a
cinética de depuração do sistema (NAMECHE, 1998).
Comportamento hidráulico das LAF é um dos fatores de primordial importância,
uma vez que controla TDH e a dispersão dos resíduos no reator. De acordo com Nameche
(1998), o conhecimento do padrão de fluxo hidráulico e desempenho de cada tratamento de
esgoto doméstico implica a necessidade de realizar experimentos com traçadores.
Infelizmente, essas experiências são bastante demoradas e dispendiosas, principalmente
quando realizados em grandes bacias como lagoas de estabilização e lagoas aeradas. Por esta
razão que apesar da grande influência das características hidráulicas de lagoas em remoção de
eficiência, muito poucos estudos com traçadores tem sido realizados nas instalações de
tamanho real ou reportados em literatura.
De acordo com Poitier (2005), a degradação aeróbia muitas vezes tem lugar em
reatores de circuito fechado ou canais com aeradores podem ser adaptados a grandes plantas.
Em processos de circuito fechado, a mistura circula como em uma pista de corrida, podendo
ser chamados de valas de oxidação quando aeradores são horizontais e carrosséis quando são
verticais. Devido à forma e tamanho dessas unidades, ocorre um efeito hidrodinâmico sobre a
eficácia da remoção de poluentes, tais como gradientes de concentração de nutrientes ou de
oxigênio observados experimentalmente, situação que pode ser estendida para lagoas aeradas
facultativas (DUDLEY, 1995; DOREGO e LEDUC, 1996; POITIER, 2005).
De acordo com Levenspiel (1998, apud Poitier, 2005), o comportamento de fluxo do
esgoto em reatores por canais pode ser representado pelo clássico reator de fluxo pistão com
dispersão axial o qual contem dois parâmetros: tempo médio de residência (t) e o número de
Peclet (Pe), este definido como:
Pe = vL/D
...(12)
Onde:
Pe = n° Peclet
v = velocidade média da fase líquida dentro do reator
L = comprimento do reator
D = coeficiente de difusividade
Número de Peclet (Pe) é o inverso do número de dispersão (d = D/vL = 1/Pe) e
representa a razão entre os fluxos convectivo e difusivo. Pe tem sido considerado para
42
quantificar o grau de mistura em lagoas onde a eficiência de tratamento é modelada através
das equações Wehner Wilhelm (DOREGO e LEDUC, 1996; POITIER, 2005).
De acordo com Nameche (1998), seria útil encontrar métodos mais simples e baratos
para estimar as condições de mistura e fatores que afetam o comportamento hidráulico dos
reatores biológicos e combiná-los em algumas equações de predição para depois compará-las
com vários modelos teóricos e empíricos desenvolvidos anteriormente na literatura.
A abordagem de Nameche (1998) é baseada em um sistema pistonado disperso que
poderia ser descrito como modelo hidráulico intermediário que abrange todas as situações
existentes a partir do ideal tipo pistão até condições de mistura completa. Este modelo requer
apenas um parâmetro chamado “número de Peclet'', facilmente obtido a partir de curvas de
traçadores ou de distribuições de tempos de residência (DTR). Mas esta é também a sua
grande desvantagem pois a determinação de Pe se baseia em experimento dos traçadores.
Quando são realizados experimentos com traçadores, Pe pode ser calculado a partir
das condições de contorno do reator em estudo, tais como reator aberto, semi-aberto ou
fechado para difusão. Em um reator aberto para difusão, como um córrego ou um rio, o
padrão de fluxo hidráulico seria diretamente influenciado pelas condições a montante e a
jusante da mistura. De acordo com Anonimus (1983 apud Nameche 1998), a maioria das LF e
LAF podem ser descritas como reatores fechados para difusão.
De acordo com Nameche (1998), Pe varia de zero ao infinito, ou seja, da mistura
completa ao fluxo de pistão. Como a velocidade de fluxo também corresponde à razão entre a
vazão hidráulica e a seção transversal do tanque, o número de Peclet pode ser reescrito como:
Pe = Q.L/W.Z.D
...(13)
Onde:
Pe = n° Peclet
Q = vazão (m3/h)
L = comprimento da lagoa (m)
W = largura da lagoa (m)
Z = profundidade da lagoa (m)
D = coeficiente de dispersão axial (m2/h)
Essa expressão enfatiza claramente quais características da lagoa irão influenciar o
seu comportamento hidráulico. Geometria da lagoa parece ser um dos fatores mais
importantes, considerando que o número de Peclet está diretamente relacionado ao
comprimento, largura e profundidade da lagoa. Condições de macro-mistura induzidas pelo
vento e potência dos aeradores são representados pelo coeficiente de dispersão axial D que,
43
segundo vários autores, também podem depender das dimensões da lagoa (ARCEIVALA,
1981 apud NAMECHE, 1998).
Dependendo do coeficiente de difusão, o modelo torna-se um modelo de fluxo de
pistão (coeficiente zero), modelo mistura completa (coeficiente infinito) ou um modelo de
dispersão axial (coeficiente finito não-zero). A maioria dos pesquisadores seguiu Danckwerts
(1953) descrevendo mistura parcial com um número de dispersão, que é o inverso do número
de Peclet. Um modelo de dispersão proposto por Polprasert e Bhattarai (1985) conecta
comprimento da lagoa, profundidade, largura e a taxa de fluxo com o número de dispersão.
(POUGATCHA, 2007).
De acordo com Pougatcha (2007), para melhorar o desempenho da lagoa é necessário
uma maior compreensão dos padrões de fluxo. Entre os procedimentos quantitativos e
qualitativos para caracterizar o processo de mistura em uma lagoa aerada, está a injeção de
um traçador na entrada da lagoa, medindo sua concentração e se obtendo uma curva de
distribuição do tempo de residência (DTR). Estudos com traçadores são de trabalho intensivo,
de custo elevado e não permite capacitar predições para análises alternativas de engenharia.
Modelagem pode ser utilizada para compreender o impacto de posicionamento de aeradores e
cortinas sobre o desempenho da lagoa (POUGATCHA, 2007).
Shilton e Bailey (2006) utilizaram um método rápido e de baixo custo por
processamento de imagens para quantificar a distribuição de velocidade e padrão de fluxo
hidráulico dentro de uma lagoa operada sob condições controladas em laboratório.
4.5 Lagoas Aeradas de Mistura Completa (LAMC)
De acordo com Yanez (2003), as lagoas aeradas de mistura completa (LAMC)
apresentam biomassa em suspensão completa, sendo que a presença de algas não é aparente.
É considerado um processo incipiente de lodos ativados sem recirculação de lodos, onde a
densidade de biomassa é consideravelmente menor que nos processos de lodos ativados.
Lagoas aeradas de mistura completa apresentam elevada introdução de energia
através de aeração mecânica ou ar difuso para propiciar a oxigenação do meio e também a
homogeneização ou mistura dos sólidos suspensos dispersos no meio líquido ou em mistura
completa. A decorrente maior concentração de biomassa no meio líquido aumenta a eficiência
44
do sistema na remoção de DBO5, o que permite que a lagoa tenha um volume inferior ao de
uma lagoa aerada facultativa.
Segundo von Sperling (2002), TDH se apresenta entre os valores de 2 a 4 dias. Para
Ramalho (2003), deve ser menor que 3 dias. De acordo com Yanez (2003), LAMC devem ter
TDH entre 2 e 7 dias com média de 4 dias.
Segundo Yanez (2003), há publicações contraditórias em relação à densidade de
potência para LAMC. Os requisitos de densidade de potência estão em função do tamanho e
dimensões da lagoa e decrescem com o aumento do volume. Eckenfelder (1972) sugere 20
W/m3, Fleckseder e Malina (1970) recomendam 20 W/m3 para 500 m3 e 10 W/m3 para 2000
m3, Balasha e Sperber (1975) recomendam 3 a 4 W/m3 para 14000 m3. Yanez (1980)
recomenda ≥ 15 W/m3 para 1000 m3. De acordo com ABNT (1991 apud von Sperling, 2002),
densidade de potência deve ser igual ou superior a 3,0 W/m3. Yanez (1980) observou em
Campina Grande que densidades de 5,5 W/m3 não produzem mistura completa.
A Tabela 13 apresenta densidades de potência para LAMC conforme referências de
diversos autores.
Tabela 13 – Densidades de potência para LAMC conforme diversos autores
Potência unitária (W/m3)
Referência
≥6
Rich (1980)
5
Mara (1976)
2,6 a 3,9
Arceivala (1973)
≥ 2,75
Arceivala (1981)
≥ 5,14
Ramalho (2003)
5a8
Metcalf & Eddy (2003)
Fonte: adaptado de Mendonça (1999), Metcalf & Eddy (2003) e Ramalho (2003)
Para Mendonça (1999), LAMC sem lagoa de decantação todos os sólidos se mantêm
em suspensão, provendo uma relação potência/volume alta. A idade do lodo é igual ao TDH e
a remoção de DBO5 varia de 50 a 60% com a desvantagem de transportar muitos sólidos no
efluente. Para Yanez (1980), devido à LAMC atuar como biofloculador, seu efluente contém
material sólido (ativo, endógeno e inerte) similar a LF, sendo mais vantajoso ter em sequência
uma LF ou lagoa de decantação para facilitar a sedimentação de sólidos. Von Sperling (2002)
recomenda TDH máximo de 2 dias para lagoa de decantação para evitar o crescimento de
algas. O lodo da lagoa de decantação deve ser removido em períodos de poucos anos.
Segundo Yanez (2003), os modelos matemáticos se aplicam exclusivamente a
LAMC, onde se pode calcular a demanda de O2 com um bom grau de precisão.
45
4.6 Lagoa facultativa com agitação mecânica (LFAM)
Yanez (1980) apresenta a Lagoa Facultativa com Agitação Mecânica, aplicável
exclusivamente a áreas com climas quentes e ausência de vento, com o objetivo de vencer os
efeitos adversos da estratificação térmica. Em LF, a influência do vento é imprescindível para
produzir mistura vertical necessária para permitir contato das algas “não móveis” com a luz
solar na zona fótica. Para uma boa mistura por ação do vento em lagoa de 1,5 m de
profundidade, necessita-se de um alcance de 100 metros.
A estratificação térmica ocorre na ausência do vento, com a formação de um estrato
de 30-50 cm de profundidade, no qual está limitado pela termoclina (linha que define o
máximo gradiente de temperatura). Sobre a termoclina ocorre alguma mistura e a temperatura
da água se incrementa notavelmente, sendo que em climas quentes pode subir a 30-35ºC.
Nestas condições, as algas com motilidade buscam estratos mais frios com maior
profundidade, sendo alterado o processo de fotossíntese (YANEZ, 1980).
Com temperaturas altas e boa mistura, a digestão de lodos de fundo ocorre mais
intensamente, gerando gás e produtos solúveis que incrementam a carga orgânica na
superfície (YANEZ, 1980).
Para auxiliar estas lagoa para que rompam a estratificação térmica e permitir uma
aceleração do processo de fotossíntese, pode se instalar em lagoas pequenas uma bomba de
recirculação que permita mover uma ou duas vezes o volume da lagoa durante o dia. Em
instalações grandes é conveniente a instalação de agitadores mecânicos, os quais são
aeradores mecânicos com rotor a maior profundidade e uma velocidade de rotação lenta que
permita uma eficiente transferência de momento. As densidades de energia são da ordem de
0,1 W/m3 (YANEZ, 1980).
Um exemplo de lagoa facultativa com agitação mecânica se encontra na instalação
de Cidade de Deus, Rio de Janeiro, Brasil, onde no verão com cargas normais e temperatura
acima de 35ºC, houve estratificação térmica e foi observado a interrupção do processo de
fotossíntese devido à mortalidade das algas. O fenômeno foi corrigido com a instalação de
dois agitadores tipo rotor com flotadores e rodando em círculo (YANEZ, 1980).
46
4.7 Lagoa de maturação
De acordo com Kellner e Pires (1998) e von Sperling (2002), as lagoas de maturação
se apresentam como um pós-tratamento ou polimento onde predominam condições ambientais
adversas para organismos coliformes e patogênicos, tais como radiação ultravioleta, elevados
pH e OD, temperatura mais baixa que a do corpo humano, falta de nutrientes e predação por
outros organismos.
Para Kellner e Pires (1998), a profundidade das lagoas de maturação varia entre 1 e
1,5 m e TDH de 7 dias. Para von Sperling (2002), as profundidades usuais estão entre 0,8 e 1
m e TDH mínimo de 3 dias, podendo ser projetadas como lagoas em série ou como uma lagoa
única com divisões por chicanas.
Para von Sperling (2006), lagoas facutativas seguidas de lagoas de maturação
apresentam eficiências típicas de remoção de 3 a 6 log para coliformes e bactérias
patogênicas, 2 a 4 log para vírus e 100% de remoção para cistos de protozoários e ovos de
helmintos.
As lagoas de maturação recebem o afluente com DBO5 praticamente estabilizada e
OD presente em toda a massa líquida, promovendo a remoção de nutrientes como nitrogênio e
fósforo e podem garantir, dependendo das condições climáticas do local, significativas
remoções de organismos patogênicos (MENDONÇA, 1998).
Autores citados por Kellner e Pires (1998) como Silva & Mara (1979), Pearson et al
(1987), Gannon e colaboradores (1983), Pearson et al (1987), Fernández e colaboradores
(1992), reforçam a influência de fatores como incidência de raios UV, OD, pH ≥ 9 e
sedimentação promovem decaimento de coliformes fecais, sendo que Konig et al (1991)
considera os efeitos sinérgicos de todos os fatores.
Para Kellner e Pires (1998) e von Sperling (2002), a mortalidade dos organismos
patogênicos (bactérias e vírus) bem como os indicadores de contaminação fecal segue uma
cinética de primeira ordem, onde sua taxa de mortalidade é proporcional à concentração de
patógenos a qualquer instante. Lagoas com regime hidráulico com fluxo em pistão apresentam
maior eficiência que lagoas com regime de mistura completa.
De acordo com Curtis et al. (1992 apud Kellner e Pires, 1998) substâncias húmicas
da lagoa absorvem a luz solar, podendo transformar o oxigênio dissolvido em formas tóxicas
como peróxido de hidrogênio ou superoxidos e radicais hidroxil, danificando os coliformes
totais.
47
Para von Sperling (2002), lagoas de maturação devem ter TDH acima de 20 dias e
profundidade máxima de 1 metro para se obter remoções de 3 log, o que se torna inviável
quando há limitação de área disponível.
4.8 Descarga de resíduos líquidos de fossas sépticas em lagoas de estabilização
Conforme Medeiros (2009), o lodo séptico é um material líquido ou sólido removido
de tanques sépticos, banheiros químicos ou sistema similar cuja composição apresenta esgoto
sanitário, areia, material fecal e a heterogeneidade de seus compostos é função do clima,
hábitos dos usuários, tipo e tamanho de tanque, frequência de limpeza e características dos
efluentes.
Medeiros (2009) analisou lodos sépticos de fossas na cidade de Natal através de
amostragens em caminhões limpa fossa, as quais apresentaram resultados de estatísticas
descritivas conforme apresenta a Tabela 14.
Tabela 14 – Características físico-químicas de resíduos esgotados de fossas e tanques sépticos.
N° dados
Mediana
MA
MG
Mínimo
Máximo
DP
CV(%)
-1
64
973
2649
1146
89
18195
3871,4
146
-1
120
3549
5056
2921
211
33846
6276,21
124
68
40,3
71,3
48,7
10,3
414,5
70,58
99
NTK (mg.L )
122
92,6
139,4
103,3
23,1
1009,1
133,98
96
Óleos e Graxas
(mg.L-1)
119
151
755
178
1,7
17480
1903,56
252
DBO (mg.L )
DQO (mg.L )
-1
Fósforo (mg.L )
-1
MA – Média Aritmética; MG – Média Geométrica; DP – Desvio Padrão; CV – Coeficiente de Variação; NTK –
Nitrogênio Total Kjedahl.
Fonte: adaptado de Medeiros (2009) .
Avaliando os dados de Coeficiente de Variação entre 96 e 252% da Tabela 14,
verifica-se que as características do lodo séptico são bastante heterogêneas conforme com
ênfase aos valores de média aritmética e máximo de Óleos e Graxas de 755 e 17480 mg.L-1,
respectivamente.
48
5 MATERIAIS E MÉTODOS
5.1 Localização do Sistema ETE SAMAE Orleans
O Município de Orleans, localizado no sul catarinense, apresenta uma população de
aproximadamente 20.859 habitantes (SANETAL, 2009), sendo que a área urbana está em
altitude aproximada de 132 m acima do nível do mar, clima mesotérmico úmido, temperatura
média de 18°C e está inserida na bacia do Rio Tubarão.
Os serviços de Abastecimento de Água e Esgotamento Sanitário do município de
Orleans são de concessão do Serviço Autônomo Municipal de Água e Esgoto – SAMAE.
A ETE foi implantada em 1978 (SANETAL, 2009), sendo que o projeto original
previu a instalação de duas lagoas de estabilização tipo facultativas primárias com
profundidade média de 1,2 metros e fluxo em paralelo, sendo a segunda lagoa apresentando
chicana longitudinal conforme mostra a Figura 3.
Figura 3 - Lagoas de estabilização da ETE antes da instalação dos aeradores.
Fonte: SAMAE (2009).
49
Atualmente, a ETE de Orleans, conforme detalhe na parte inferior da Figura 5,
atende uma população estimada de 11.957 habitantes, através da média de 3.285 economias
em funcionamento com 41.520 m de rede coletora de esgotos na área urbana, estando
localizada nas coordenadas de latitude de 28º 21’52,04" Sul e longitude de 49º16’58,43"
Oeste e com elevação de 91 metros em relação nível do mar.
Tendo em vista a ocorrência de eventos climáticos com variações bruscas da
temperatura, a eficiência das duas lagoas foi sendo comprometida, alterando-se o processo
para lagoas aeradas facultativas com aeração mecânica através da instalação de aeradores de
eixo horizontal tipo pás, modelo Bernauer Aquapá B-209, potência unitária de 2 CV.
Inicialmente foram introduzidos um aerador em cada lagoa, sendo acrescentados mais
aeradores por lagoa até um montante de quatro aeradores mecânicos por lagoa, totalizando
uma potência de 8 CV por lagoa aerada facultativa. A Figura 4 ilustra a operação da LAF2
com aeradores mecânicos em posições aleatórias.
Figura 4 – Entrada da LAF2 após a instalação dos aeradores mecânicos.
50
Figura 5 – Foto aérea da Cidade de Orleans com detalhe da ETE SAMAE na área inferior direita.
Fonte: Orleans (2009).
5.2 Descrição do Sistema ETE SAMAE Orleans até junho/2010
O esgoto sanitário bruto da rede coletora é encaminhado por tubulação a uma caixa
de passagem subterrânea onde apresenta uma bifurcação com dois canais providos de
comportas para possibilitar desvio de fluxo. O canal 1 conduz o fluxo de esgoto bruto para
Lagoa Aerada Facultativa 1 (LAF1) e o canal 2 conduz fluxo de esgoto bruto para Lagoa
Aerada Facultativa 2 (LAF2), sendo que o canal 1 apresenta a jusante de sua comporta uma
calha parshall W 6” para medição de vazão. O canal da LAF2 não apresenta calha parshall
para medição de vazão.
A caixa de passagem apresenta uma cobertura metálica com tampa removível para
acesso com escada marinheiro para reduzir emissão de odores, sendo que os gases gerados
internamente são conduzidos a uma instalação industrial de tratamento de gases por
biofiltração, consistindo de um exaustor para sucção e filtração dos gases em coluna de turfa
para sequestro de odores (SANETAL, 2009).
A ETE não apresenta instalações de tratamento preliminar, tais como grades para
retenção de sólidos, desarenadores e caixas de gordura, sendo que o esgoto sanitário bruto é
conduzido por gravidade diretamente às lagoas aeradas facultativas.
51
A vazão de entrada do esgoto bruto apresenta valores entre 14 e 20 L.s-1, sendo
distribuído nas duas lagoas à razão de 7 a 10 L.s-1 por lagoa. Conforme Tabela 15, a vazão
média adotada para cada lagoa aerada facultativa será de 864 m3/dia.
Até final de junho de 2010, as locações dos aeradores se apresentavam em posições
aleatórias e não em série ou paralelo a partir da região próxima à entrada, onde a demanda de
oxigênio é superior (VON SPERLING, 2002).
Os efluentes tratados de LAF1 e LAF2 apresentavam saída suspensa através de
canais a partir de suas superfícies (nível de água), conforme Figura 6.
Figura 6 – Lay Out de posicionamento aleatório de aeradores nas lagoas LAF1 e LAF2.
A Tabela 15 apresenta dados de dimensionamento das lagoas aeradas facultativas
LAF1 – sem chicanas e LAF2 – com chicana longitudinal.
Tabela 15 – Dados de dimensionamento da LAF1 sem chicanas e LAF2 com chicana longitudinal.
Descrição
Unidade
LAF1 – sem chicanas
LAF2 – com chicana longitudinal
Área
m²
4.950
4.988
Volume
m³
5.940
5.985,6
Comprimento
m
110
232
Largura
m
45
21,5
Profundidade
m
1,20
1,20
Vazão de entrada
m³/dia
864
864
TDH adotado
dia
6,92 ~ 7
6,87 ~ 7
Relação
comprimento/largura
-
2,44
10,79
Regime hidráulico
ideal assumido
Fluxo em mistura completa
Fluxo em pistão
Cinética de
Remoção de DBO
Reação de primeira ordem
Reação de primeira ordem
Dispersão do
Imediata dispersão do
Maior concentração do substrato
52
Descrição
Unidade
LAF1 – sem chicanas
LAF2 – com chicana longitudinal
substrato
substrato na entrada
próximo à entrada
Taxa de remoção de
DBO5 na entrada do
reator
Tendem a menor eficiência
de remoção de DBO5 na
entrada
Taxa de remoção mais alta de DBO5
na entrada do reator
Sensibilidade à
sobrecargas
Menos sensíveis a
sobrecargas
Mais sensíveis a sobrecargas
Fonte: adaptado de Orleans (2009) e von Sperling (2002).
5.2.1 Descrição do regime hidráulico da LAF1
Conforme Tabela 15 e Figura 6, LAF1 apresenta formato prismático retangular sem
chicanas longitudinais com relação comprimento/largura de 2,44 com percurso longitudinal
de 110 m e entrada/saída unitária no extremo longitudinal da lagoa sendo entrada suspensa
através de tubulação em nível fixo na superfície da lagoa após caixa de inspeção e saída
suspensa através de canal a partir de sua superfície (nível de água). Para efeito de
dimensionamento, assume-se modelo hidrodinâmico ideal de escoamento de mistura
completa. Figuras 7A/B/C/D ilustram entrada, saída e extremos laterais de LAF1.
Conforme ilustrado nas Figuras 7A e 7B, LAF1 apresenta dois aeradores em paralelo
instalados próximo à entrada da lagoa, seguido de dois aeradores em série posicionados em
região mais central e próximo à saída da lagoa, respectivamente.
Nos extremos laterais da LAF1 se observa tendência de maior sedimentação, bem
como áreas estagnadas com maior concentração de escuma e materiais flutuantes, conforme
ilustram as Figuras 7C e 7D.
53
A
B
C
D
Figura 7 – (A) entrada e (B) saída da LAF1 com posições aleatórias de aeradores tipo pás, (C) lateral de LAF1
com áreas estagnadas e flotação de lodo e (D) com escuma e materiais flutuantes.
5.2.2 Descrição do regime hidráulico da LAF2
Conforme Tabela 15, a Lagoa Aerada Facultativa (LAF2) apresenta formato
prismático retangular com chicana longitudinal com relação comprimento/largura de 10,79
com percurso longitudinal de 232 m e entrada/saída unitária no extremo longitudinal da lagoa
sendo entrada suspensa através de tubulação em nível fixo na superfície da lagoa após caixa
de inspeção e saída suspensa através de canal a partir de sua superfície (nível de água). Para
efeito de dimensionamento, assume-se modelo hidrodinâmico ideal de escoamento pistonado.
As Figuras 8A e 8B ilustram detalhes de entrada com posições aleatórias dos
aeradores e saída através da superfície de canal da LAF2, respectivamente.
54
A
B
Figura 8 – (A) entrada da LAF2 com posições aleatórias de aeradores tipo pás até final de junho/2010; (B) Saída
suspensa da LAF2 através de canal a partir de sua superfície (nível de água).
5.2.3 Estimativa da concentração efluente de DBO5 e do coeficiente global de remoção de
DBO5 (K) de LAF1 e LAF2
Assumindo para LAF1 um regime ideal de mistura completa, DBO5 total afluente de
350 mg.L-1, K20 de 0,7 d-1 e TDH de 7 dias, a partir da equação (4) se obtém concentração de
DBO5 solúvel efluente de 60 mg.L-1.
Assumindo para LAF2 um regime ideal de fluxo tipo pistão, DBO5 total afluente de
350 mg.L-1, DBO5 solúvel efluente de 60 mg.L-1 e TDH de 7 dias, a partir da equação (3) se
obtém K20 de 0,25 d-1.
Para atendimento aos requisitos das Resoluções CONAMA 357/2005 (BRASIL, 2005)
e o Código Estadual do Meio Ambiente Lei nº 14.675 de 13 de abril de 2009 (SANTA
CATARINA, 2009), a DBO5 total efluente deverá ser de 60 mg.L-1 ou 80% de remoção.
5.2.4 Tempo de detenção hidráulica e profundidade de LAF1 e LAF2
O TDH teórico adotado é de 7 dias, atendendo a von Sperling (2002), Ramalho
(2003) e Yanez (2003) de forma a permitir uma remoção satisfatória de DBO5, conforme
cinética de remoção K para regimes de mistura completa.
55
A profundidade adotada de 1,2 metros, embora abaixo dos intervalos citados por
Mendonça (1999) e von Sperling (2002), satisfaz a necessidade de redução de odores, sendo
compatível com o sistema de aeradores mecânicos com eixo horizontal tipo pás.
5.2.5 Descrição do sistema de aeração de LAF1 e LAF2
O sistema de aeração superficial é feito através de aeradores mecânicos com rotores
de eixo horizontal tipo pás, modelo AQUAPÁ B-209, fabricante Bernauer, apresentando
sistema com oito rotores e cinco pás por rotor, conforme especificações técnicas na Tabela 16.
Tabela 16 – Especificações técnicas do aerador mecânico modelo Aquapá B-209 Bernauer.
Especificações técnicas
Modelo:
Aquapá B-209 com dois flutuadores
Fabricante:
Bernauer
Tipo:
Aerador com eixo horizontal tipo pás
Taxa de oxigenação:
SAE 2,42 kg O2 /kWh
SORT 3,60 kg O2/h
Potência:
2 HP, trifásico 220/380 V 60 Hz
N° rotores:
8 rotores de nylon com 5 pás cada
Peso:
98 kg
Dimensões gerais:
1,63 (comprimento) x 2,36 (largura) x 0,95 (altura) m
Nº flutuadores:
02
Material de flutuadores:
HDPE (polietileno de alta densidade) moldado em uma só
peça, resistente a exposição ao sol e acidez-alcalinidade
Eixo de acionamento dos rotores:
Aço inoxidável
Aplicação:
Área de 2.500 a 5.000 m2 para granjas de camarão, peixes e
tanques de depuração; tratamento de efluentes
Fonte: adaptado por Bernauer (2003).
Estes equipamentos foram adaptados às lagoas em função da baixa profundidade, o
que inviabilizaria a implantação de aeradores de superfície com fluxo de ar descendente.
De acordo com Mendonça (1999), rotores de aeração com eixo horizontal são
indicados para instalações em tanques pouco profundos, onde se evitam dificuldades devidas
à camada freática muito elevada ou em solos com baixa carga admissível. Os aeradores de
eixo horizontal devem ter máxima distribuição da água deslocada com a finalidade de
aumentar as interfaces e máxima admissão de ar na água.
56
Para von Sperling (2002) ocorrem dois tipos de áreas de influência em um aerador:
zona de mistura com menor diâmetro que mantem sólidos suspensos e zona de oxigenação
com maior diâmetro que propicia difusão de O2 no meio líquido, porém não implicando em
mistura. A transferência de oxigênio na interface ar/água é máxima na área aerada onde a
turbulência é máxima (MENDONÇA, 1990).
Os aeradores com eixo horizontal instalados apresentam fluxo em difusão radial em
contracorrente ao fluxo de LAF1 e LAF2. A trajetória de difusão do fluxo de corrente dos
aeradores depende das dimensões da lagoa e projeto do aerador e tendem a evitar a
sedimentação do lodo biológico (MENDONÇA, 1990).
Segundo Forero (1985), a capacidade de transferência de OD por metro de rotor é de
3,5 a 7,0 kg/h.m, em geral sendo utilizados de 1 a 2 metros de rotor para cada 200 m3 de
volume, embora possam ocorrer variações em função da DBO5, características do rotor e
tempo efetivo de funcionamento. Em geral, se estima que as necessidades de oxigênio são de
2,25 kg O2 /kg DBO afluente (FORERO, 1985). Em algumas instalações, o consumo anual de
energia é da ordem de 20 kWh/habitante (FORERO, 1985).
A ação mecânica dos aeradores efetua a transferência de O2 por meio do movimento
da superfície da água, devido à existência de ondas no tanque de aeração, bolhas de ar
arrastadas pela água, difusão da água em forma de gotas, mistura ar-líquido nas proximidades
do aerador, onde o ar é extraído pela água (MENDONÇA, 1999).
A transferência de O2 é máxima na área aerada onde existe a maior turbulência. A
quantidade de O2 introduzida na água depende de forças que estão em função do diâmetro,
rotação, imersão, tipo e número de hélices do aerador (MENDONÇA, 1999). A rotação do
aerador Aquapá B-209 é de 90 rpm e imersão da pá em 8 cm.
Conforme Mendonça (1999), o aerador deverá produzir correntes de circulação no
tanque para evitar a sedimentação de lodo biológico. A forma, dimensões e volume do tanque
devem ter relações com o aerador, de maneira que quando o aerador estiver fornecendo o O2
necessário, a mistura seja suficiente. Quando isto não ocorre, deve se agregar mais energia
para a mistura. Figuras 9A e 9B ilustram a aeração mecânica superficial é obtida através da
movimentação das pás ao redor do eixo horizontal, que elevam ou espalham a água acima da
superfície, promovendo aumento de superfície de contato entre o líquido e o ar
(MENDONÇA, 1990).
57
A
B
Figura 9 – (A) Aerador mecânico de eixo horizontal tipo pás em operação e (B) fora de operação.
5.2.6 Descrição da densidade de potência de LAF1 e LAF2
A Tabela 17 apresenta densidades de potências (Φ) de LAF1 e LAF2, obtidas a partir
da equação (7), se apresentando entre 0,75 a 1,50 W/m3, adotada por von Sperling (2002) para
possibilitar a sedimentação de sólidos e proporcional a se manter SS nos efluentes em torno
de 60 a 100 mg.L-1.
Tabela 17 - Densidade de potência em função do volume de cada lagoa.
Lagoa
Volume (m3)
Potência (CV)
Potência (W)
Densidade de potência
(Φ = W/m3)
LAF1
5.940
8
5.880
0,989
LAF2
5.985
8
5.880
0,982
5.2.7 Descrição da taxa de acúmulo de lodo de LAF1 e LAF2
O uso de lagoas em paralelo não melhora a qualidade do efluente, no entanto, oferece
vantagens do ponto de vista construtivo e operacional. Um bom projeto deve ter pelo menos
duas lagoas primarias em paralelo, pois acumulam maior quantidade de lodos, sendo
requerido sua limpeza periódica (FORERO, 1985). Para von Sperling (2002), apresenta maior
flexibilidade durante os eventuais períodos de retirada de lodo, considerando que enquanto
uma lagoa está sendo limpa, a outra se mantém em operação.
58
Adotando-se uma taxa de acúmulo de lodo de 0,03 a 0,08 m3/hab.ano conforme
Arceivala (1981, Silva 1993, Gonçalves, 1999 apud von Sperling, 2002) e 11.957 habitantes,
a Tabela 18 apresenta as faixas de espessura de lodo acumulado/ano por lagoa, prevendo-se
aproximadamente um acúmulo máximo de espessura de 10 cm no primeiro ano, de 20 cm no
segundo ano e de 40 cm no quarto ano por lagoa. Considerando que 40 cm de espessura
corresponde a 30% da altura útil da lagoa aerada facultativa, se recomenda a remoção de lodo
no máximo a cada quatro anos.
Tabela 18 – Faixas de espessura de lodo acumulado/ano nas LAF1 e LAF2.
Acúmulo de lodo (m3/ano)
Lagoas
LAF1
LAF2
358,71 – 956,56
179,35 – 478,28
179,35 – 478,28
4950
4988
2
Área (m )
Espessura de lodo
acumulado/ano (cm)
-
3,62 – 9,66
3,59 – 9,58
Espessura de lodo
acumulado/cada 2 anos (cm)
-
7,24 – 19,32
7,18 – 19,16
Espessura de lodo
acumulado/cada 4 anos (cm)
-
14,48 – 38,64
14,36 – 38,32
5.2.8 Descrição dos requisitos de oxigênio de LAF1 e LAF2
Os Requisitos de Oxigênio (RO) para cada lagoa aerada facultativa foram calculados
a partir da equação (8) considerando os seguintes índices adotados:
População = 11.957 hab
a = coeficiente = 0,8 kg O2 / kg DBO5 (assumido)
Q = Vazão afluente média adotada = 10 L.s-1 = 864 m3/d
S0 = DBO afluente = 350 mg.L-1
S = DBO solúvel efluente = 60 mg.L-1
Tempo de detenção = 7 dias
Obtendo-se RO = 200,45 kg O2/dia por lagoa aerada facultativa.
59
5.2.9 Descrição da taxa de transferência de oxigênio nas condições padrão (TTOpadrão)
A taxa de transferência de oxigênio nas condições padrão (TTOpadrão) foi calculada a
partir da equação (11) considerando os seguintes índices adotados:
TTOcampo = 8,35 kg O2/h
T = 23°C (adotado)
Cs = 8,7 g/m3 (adotando 0 m de altitude)
CL = 2,0 g/m3 (JORDÃO & PESSOA,1982)
Cs(20°C) = 9,2 g/m3 (adotando 0 m de altitude)
θ = 1,024
fH = 0,9903
β = 0,95
α = 0,9
Obtendo-se TTOpadrão = 12,61 kg O2/h
Portanto, TTOcampo / TTOpadrão = 0,66
5.2.10 Descrição da potência requerida de LAF1 e LAF2
Para Eficiências de Oxigenação Padrão e Eficiências de Oxigenação em campo serão
adotados os seguintes índices:
- EOpadrão (kg O2/ kWh) = 2,42 kg O2/kWh (conforme Catálogo do aerador de pás
AQUAPÁ B-209, fabricante Bernauer)
- EOcampo = 0,66 x EOpadrão
- EOcampo = 0,66 x 2,42 kg O2/kWh = 1,597 kg O2/ kWh
O cálculo da potência requerida ou Requisitos Energéticos (RE) para cada lagoa é
obtida a partir da equação (10), obtendo-se:
RE = RO / 24 . EO campo = 5,23 kW
RE = 5,23 kW / 0,735 = 7,11 CV < 8 CV
Portanto, a potência requerida de 7,11 CV (assumida) se encontra abaixo dos
requisitos energéticos atualmente adotados pela ETE SAMAE Orleans de 8 CV.
60
5.2.11 Descrição de caracterização e estimativa de desempenho nas condições originais
da ETE
Tendo em vista caracterização e estimativa de desempenho de LAF1 e LAF2 nas
condições originais em planta com escala real com posicionamento aleatório dos aeradores
mecânicos, segue abaixo Tabela 19 com valores mínimos, máximos, média aritmética e
eficiências referentes a análises físico-químicas e microbiológicas sobre amostras pontuais de
esgoto bruto e tratado da ETE coletadas pelo SAMAE entre 24 de outubro de 2007 e 20 de
julho de 2009. Devem ser consideradas as defasagens de tempo aproximado de sete dias
relativo ao TDH onde podem ocorrer alterações nas condições climáticas e/ou incidência de
sobrecargas orgânicas nas lagoas.
Tabela 19 – Valores mínimos, máximos, média aritmética e eficiências para amostras pontuais entre outubro de
2007 e julho de 2009.
Parâmetro
DBO5
(mg.L-1)
Fósforo
Total
(mg.L-1)
Nitrogênio
Total
(mg.L-1)
4
4
4
Coliformes Coliformes
Totais
Fecais
(NMP /
(NMP /
100 mL)
100 mL)
Óleos e
Graxas
(mg.L-1)
Amostras
Tamanho da amostra
Esgoto
Bruto
Saída
LAF1
Saída
LAF2
Mínimo
Máximo
196,00
808,00
3,00
16,00
49,00
279,00
3
3
5.10
6
9.10
6
Média Aritmética
466,00
8,56
143,33
7,6.10
Tamanho da amostra
4
4
4
3
Mínimo
Máximo
60,00
123,00
1,00
4,12
24,10
48,10
5.10
6
4
3.10
6
5.10
6
4,3.10
52,00
101,10
6
3
5
2,1.10
6
6
71,78
4
1,4.10
5
2,00
2,1.10
6
30,80
9,1.10
5
16,18
Média Aritmética
93,25
2,85
33,04
1,03.10
Eficiência (%)
79,99
66,74
76,95
86,52
78,92
77,47
Tamanho da amostra
4
4
4
3
3
4
Mínimo
23,00
2,31
22,60
1,1.105
4.104
47,40
6
Máximo
Média Aritmética
159,00
77,50
3,85
3,00
31,33
2,7.10
1,03.10
6
1,00
1,1.10
6
35,00
4,2.10
5
14,93
Eficiência (%)
83,37
64,97
78,14
86,48
90,23
79,20
Fonte: adaptado de relatórios de análises de QMC Saneamento de 24.10.2007, 27.11.2008, 01.07.2009 e
relatórios de análises n° 1440/1435/1436 de Laboratório IPAT/UNESC de 20.07.2009.
Conforme Tabela 19, as remoções de DBO5 nas saídas de LAF1 e LAF2 tendem a
valores iguais ou superiores a 80%, com atendimento ao Código Estadual do Meio Ambiente
Lei nº 14.675 de 13 de abril de 2009. As remoções de Fósforo Total, Nitrogênio Total e Óleos
61
e Graxas apresentam valores superiores a 60%, atendendo às eficiências de remoção típicas
para lagoas aeradas facultativas conforme Tabela 1 (pág. 23).
As remoções de Coliformes Totais e Fecais apresentam valores entre 78 e 90%,
reduzidas e inexpressivas, podendo estar em desacordo com CONAMA 357/2000 que
recomenda um limite máximo de 1,0 x 103 NMP/100 mL de Coliformes Fecais após diluição
do efluente tratado em vazão do corpo receptor Classe 2.
5.2.12 Descrição do monitoramento de descargas de resíduos líquidos na LAF2 entre
julho e novembro/2010
Entre o período de 1 de julho e 30 de novembro de 2010 foram coletados dados de
descarga de resíduos líquidos (esgoto bruto, lodo séptico e gorduras) na LAF2 provenientes
de fossas sépticas e caixas de gordura de empresas, restaurantes, centros comerciais,
repartições públicas e de redes e elevatórias de esgoto do SAMAE Orleans, sendo
transportados através de caminhões limpa fossa de capacidade para 10 m3 de resíduos
líquidos. O objetivo é o tratamento biológico dos resíduos através de diluição nas lagoas
aeradas facultativas, sendo utilizada neste período apenas a LAF2.
A Figura 10 apresenta a cronologia de descargas de resíduos líquidos na LAF2 entre
os meses de julho e novembro de 2010, sendo inseridos no mês de julho 150 m3 de resíduos
líquidos apresentando uma elevação de descarga gradativa entre a segunda e quarta semana e
uma média de 37,5 m3/semana de resíduos. No mês de agosto foram inseridos 180 m3 de
resíduos líquidos apresentando uma gradual redução de descarga entre a primeira e quarta
semana e uma média de 36 m3/semana de resíduos. No mês de setembro foram inseridos 145
m3 de resíduos líquidos apresentando uma gradual elevação de descarga entre a primeira e
terceira semana, havendo uma redução até a quarta semana, com média de 36,25 m3/semana
de resíduos líquidos. No mês de outubro foram inseridos 90 m3 de resíduos líquidos
apresentando uma gradual elevação de descarga ao longo das semanas e uma média de 22,5
m3/semana de resíduos. No mês de novembro foram inseridos 100 m3 de resíduos líquidos
apresentando uma gradual elevação de descarga ao longo das semanas e uma média de 20
m3/semana de resíduos, denotando-se uma tendência de redução nas descargas de caminhões
limpa fossa nos meses de outubro e novembro.
62
Normalmente entre julho e novembro de 2010, foram descartados entre 5 a 10 m3/dia
total/mês 11
total semana 5/11
total semana 4/11
total semana 3/11
total semana 2/11
total/mês 10
total semana 1/11
total semana 4/10
total semana 3/10
total semana 2/10
total/mês 09
total semana 1/10
total semana 4/09
total semana 3/09
total semana 2/09
total/mês 08
total semana 1/09
total semana 5/08
total semana 4/08
total semana 3/08
total semana 2/08
total/mês 07
total semana 1/08
total semana 4/07
total semana 3/07
total semana 2/07
200
180
160
140
120
100
80
60
40
20
0
total semana 1/07
Volume de lodo (m3)
em dias não consecutivos, apresentando uma média de 30,45 m3/semana no período.
Figura 10 – Volume de descarga de resíduo líquido de fossas e elevatórias na LAF2 – meses de 07 a 11/2010.
Na Figura 11A se observa uma camada espessa de graxa acumulada no canal de
saída da LAF2 em 15.09, sendo posteriormente removida através de peneira conforme
ilustrado na Figura 11B. Foram retirados aproximadamente 50 kg de material graxo, podendo
ser originário da rede convencional de esgoto. Há indícios de que possa ser procedente de
descargas de resíduos dos caminhões limpa fossa, pois prestam serviços de limpeza e remoção
de materiais em caixas de gordura de restaurantes e refeitórios.
Tendo em vista que a decomposição de óleos e gorduras é um processo biológico
muito lento e de elevado consumo energético, recomenda-se o encaminhamento de resíduos
de caixa de gordura para outros fins como reciclagem de óleos e aproveitamento como
matéria prima para fabricação de sabões, rações, biodiesel e outros produtos. Com este
procedimento, evita-se a sobrecarga de materiais graxos em lagoas aeradas facultativas, os
quais podem causar quedas bruscas nas eficiências de tratamento biológico.
63
A
B
Figura 11 – (A) canal de saída da LAF2 com camada espessa de graxa (15.09.10); (B) parte de resíduo graxo
removido do canal de saída da LAF2 (15.09.10).
5.3 Descrição da LAF2 após locação em série dos aeradores a partir de julho/2010 – 1ª
Etapa de Pesquisa
Tendo em vista regime hidráulico pistonado da LAF2, em 1 de julho de 2010, seus
aeradores foram dispostos em série a partir de região próxima à entrada da LAF2 onde a
demanda de oxigênio é superior, procurando otimizar áreas de influência de mistura e
oxigenação de cada aerador, conforme ilustram as Figuras 12A e 12B.
A
B
Figura 12 – (A) LAF2 com posição em série dos aeradores a partir de julho/2010; (B) Área de sedimentação da
LAF2, a partir de julho/2010.
Conforme Tabela 20, LAF1 não sofreu alteração em seu processo de tratamento,
mantendo-se as condições originais. No entanto, LAF2 foi dividida em duas seções em série
com características diferentes:
64
a primeira se apresentando como uma lagoa aerada facultativa;
a segunda se apresentando como uma lagoa facultativa e/ou de sedimentação;
Ambas apresentando baixa profundidade e assumindo regime hidráulico ideal
de fluxo pistonado.
Tabela 20 – Modelos assumidos de regime hidráulico para LAF1 e LAF2 em todas as etapas da pesquisa.
Lagoa aerada facultativa
Modelos ideais assumidos de regime hidráulico
LAF1
Mistura completa com aeradores dispersos de forma aleatória
LAF2
Fluxo em pistão com aeradores posicionados em série seguido de área de
decantação
A Figura 13 descreve lay out de LAF1 e LAF2 com posicionamento dos aeradores e pontos
cadastrados para medições em campo a partir da 1ª Etapa da Pesquisa.
65
Figura 13 - Lay Out de LAF1 e LAF2 com posicionamento de aeradores e pontos cadastrados para medições em campo a partir da 1ª Etapa da Pesquisa.
66
5.3.1 Descrição das novas condições de densidade de potência da LAF2 – 1ª Etapa da
Pesquisa
Considerando que os aeradores mecânicos da LAF2 foram acumulados em uma área
de aproximadamente 50% da sua área total, pode-se estabelecer novas condições para
densidade de potência de LAF1 e LAF2, tendo em vista a equação (7) aplicada na Tabela 21.
Tabela 21 – Novas condições de densidade de potência das lagoas na 1ª Etapa da pesquisa.
Lagoa
Volume (m3)
Potência (CV)
Potência (W)
Densidade de potência
(Φ = W/m3)
LAF1
5.940
8
5.880
0,989
LAF2
2.992,5
8
5.880
1,96
5.3.2 Tempo de detenção hidráulica de LAF1 e LAF2 para 1ª Etapa
LAF1 não apresentou alterações no TDH, mantendo 7 dias. LAF2 por ter sido
dividida em duas seções em série com características de LAF seguida de lagoa facultativa ou
de decantação, apresenta TDH de 3,5 dias para cada seção da lagoa.
5.4 Descrição de LAF2 após alterações nas condições de saída a partir de 22 de
setembro/2010 – 2ª Etapa
A partir de 22 de setembro de 2010, para agregar melhorias nas condições
operacionais de LAF2, tais como redução no lançamento em corpo hídrico receptor de
escumas, materiais flutuantes, algas e óleos e graxas, a saída suspensa através de canal a partir
de sua superfície (N.A.) da área de decantação de LAF2, conforme Figura 14A, foi alterada
para saída através de duas tubulações PVC DN 150 suspensas e com suporte em comporta
fixa no canal conforme Figuras 14B, 14C e 14D, sendo suas extremidades conectadas a tês
mergulhados com coleta em profundidade em relação ao nível d’água da LAF2.
67
A
B
C
D
Figura 14 – (A) Saída suspensa por canal da LAF2 antes da instalação da comporta com tubos e tê em nível fixo;
(B) Canal da LAF2 após instalação da comporta; (C) e (D) Detalhes da comporta com tubos e tê em nível fixo.
68
5.5 Etapas do Estudo Comparativo de Desempenho de LAF1 e LAF2
O estudo comparativo do desempenho das duas lagoas aeradas facultativas foi
realizado em planta com escala real em três etapas de pesquisa conforme Tabela 22.
Tabela 22 - Etapas do Estudo Comparativo de Desempenho de LAF1 e LAF2.
Etapas
Descrição
Período
1ª
Programa de monitoramento semanal em campo de perfil longitudinal
superficial de OD, pH e T água (°C) do perímetro de LAF1 e LAF2,
considerando posicionamento em série dos aeradores de LAF2 a partir do início
da lagoa e seguidos de área de sedimentação;
14 de julho a 15
de setembro de
2010
2ª
Programa de monitoramento semanal em campo de perfil longitudinal
superficial de OD, pH e T água (°C) do perímetro de LAF1 e LAF2,
considerando instalação de comporta com duas tubulações conectadas a tês no
canal de saída da LAF2;
22 de setembro a
17 de novembro
3ª
Programa de monitoramento semanal em campo de perfil longitudinal e
transversal de OD, pH e T água (°C) do perímetro e corpo em profundidade das
Lagoas LAF1 e LAF2.
19 de novembro a
10 de dezembro
De acordo com Pessoa & Jordão (1982) a variação de vazão dos esgotos tem menor
amplitude depois da meia noite, tornando-se máxima entre 7 e 15 horas, justificando-se a
escolha do período de monitoramento semanal entre 10 e 14 horas.
Dentro do programa de monitoramento semanal de LAF1 e LAF2 eram observados e
anotados os seguintes dados: condições climáticas, temperaturas máxima e mínima do dia, nº
de aeradores em operação, condições de coloração e aspectos leitoso ou de transparência na
superfície das lagoas, presença de materiais sobrenadantes de óleos e graxas, escuma sobre a
superfície da lagoa através de registros fotográficos.
Para execução dos ensaios de monitoramento em campo foram utilizados os
seguintes equipamentos:
Oxímetro de campo – marca YSI – modelo 55;
pHmetro de bancada – marca Quimis – modelo Q400A;
O oxímetro de campo modelo 55 apresenta intervalo de medição de OD entre 0 e 20
mg.L-1, sendo inseridos nos gráficos quando detectados estes valores limites de 20 mg.L-1 em
função da limitação do equipamento. No entanto, nas condições reais de operação onde ocorre
com frequência supersaturação de OD em camadas superficiais das lagoas, os valores de OD
podem atingir limites superiores a 20 mg.L-1.
69
Dentro de um intervalo de 7 dias (TDH) podem ocorrer alterações nas condições
climáticas e/ou ocorrências de sobrecargas orgânicas nas lagoas aeradas, podendo interferir
na interpretação das eficiências de remoção de poluentes.
Para as três etapas da pesquisa estão sendo adotadas vazões médias de 864 m3/d para
as duas lagoas LAF1 e LAF2.
5.5.1 Tratamento estatístico dos dados
Para tratamento dos dados da pesquisa foi utilizado o software STATISTICA® 7.0
(StatSoft Inc., 2004) para análise exploratória sendo apresentadas medidas de tendência
central (média e mediana) e medidas de dispersão (desvio padrão, mínimo, máximo, primeiro
quartil, terceiro quartil) e obtidos gráficos tipo Caixa ou Box Plot.
Para confrontar as médias de DQO, DBO5, DBO5 solúvel, Nitrogênio Total, Fósforo
Total, Coliformes Totais e Fecais nas saídas de LAF1 e LAF2 no período relativo às 2ª e 3ª
etapas, foi aplicado o teste-F para duas amostras para variâncias e teste-t para duas amostras
presumindo variâncias equivalentes para um nível de significância de 0,05. Testes de
hipóteses como o Teste-t (Distribuição Student) permitem investigar a validade de hipóteses
previamente construídas sobre os dados, podendo ser aplicada para pequeno número de
observações (VON SPERLING, 2006).
5.5.2 Apresentação e discussão de resultados de programa de monitoramento semanal –
1ª Etapa da Pesquisa
Entre 14 de julho e 15 de setembro de 2010, correspondendo à 1ª Etapa de Pesquisa,
foi avaliado o desempenho de LAF1 e LAF2, a partir do reposicionamento em série dos
aeradores de LAF2 a partir da entrada, sendo executado um programa de monitoramento
semanal em campo das lagoas.
O programa de monitoramento semanal consistiu em percorrer os perímetros de
LAF1 e LAF2 no intervalo entre 10 e 12 horas de todas as quartas feiras, efetuando medições
imediatas de Oxigênio Dissolvido (mg.L-1) e Temperatura da água (ºC) em superfície das
70
lagoas nos pontos perimetrais cadastrados e amostragens para análise de pH e Temperatura do
ar (ºC) em bancada.
A Figura 14 (pág. 74) detalha os pontos de medição cadastrados 1.1 a 1.8 no
perímetro da LAF1 e os pontos de medição cadastrados 2.1 a 2.8 no perímetro de LAF2.
Para complementar o monitoramento semanal em campo foram realizadas análises
físico-químicas e microbiológicas de amostras pontuais e compostas de esgoto bruto e tratado
em LAF1 e LAF2 em datas de coleta descritas conforme Tabela 23 para caracterização e
estimativa de desempenho da ETE.
Tabela 23 – Datas de coleta para análise de parâmetros – 1ª Etapa
Data de coleta
Parâmetros
27.07.2010
DQO (mg.L-1), DBO5 (mg.L-1), Fósforo Total (mg.L-1), Nitrogênio Total (mg.L-1)
28.07.2010
Coliformes Totais e Fecais(NMP/100 mL)
04.08.2010
DQO (mg.L-1), DBO5 (mg.L-1), Fósforo Total (mg.L-1), Nitrogênio Total (mg.L-1)
05.08.2010
Coliformes Totais e Fecais(NMP/100 mL)
Para análises de DBO5 (mg.L-1), DBO5 solúvel (mg.L-1), DQO (mg.L-1), Nitrogênio
Total (mg.L-1) e Fósforo total (mg.L-1), as amostragens foram compostas, sendo coletadas às
9, 12 e 19 horas e armazenadas em geladeira a temperatura aproximada de 4ºC, sendo
homogeneizadas posteriormente e encaminhadas ao laboratório IPAT/UNESC.
Para análises de Coliformes Totais (NMP/100 mL) e Coliformes Fecais (NMP/100
mL), as amostragens foram pontuais coletadas às 9 horas e encaminhadas ao laboratório
IPAT/UNESC.
5.5.3 Apresentação e discussão de resultados de programa de monitoramento semanal –
2ª Etapa da Pesquisa
Entre 22 de setembro e 17 de novembro de 2010, correspondendo à 2ª Etapa de
Pesquisa, foi avaliado o desempenho de LAF1 e LAF2, a partir da alteração no canal de saída
do efluente tratado da LAF2, através de instalação de comporta com duas tubulações DN 150
conectadas a tês com coleta em profundidade de 40 cm em relação ao nível de água (N.A.),
71
mantendo-se programa de monitoramento semanal em campo do perfil longitudinal
superficial em área perimetral das lagoas com medições de Oxigênio Dissolvido, pH,
Temperatura da água (ºC), Temperatura do ar (ºC) em período entre as 10 e 12 horas.
5.5.4 Apresentação e discussão de resultados de programa de monitoramento semanal –
3ª Etapa da Pesquisa
Entre 19 de novembro e 10 de dezembro de 2010, correspondendo à 3ª Etapa de
Pesquisa, o monitoramento em campo de OD e Temperatura da água (ºC) de LAF1 e LAF2
sofreu alterações em sua metodologia para medições em três níveis de profundidade:
superfície, meio e fundo das lagoas.
Em 19 de novembro, no período entre 10 e 15 horas, foi executado um programa de
monitoramento em campo de perfis longitudinais e transversais em área perimetral e de corpo
em superfície, meio e fundo das lagoas LAF1 e LAF2 efetuando medições imediatas de
Oxigênio Dissolvido (mg.L-1) e Temperatura da água (ºC) em pontos cadastrados.
Para monitoramento no corpo das duas lagoas foi utilizado um barco operado por um
funcionário do SAMAE para acesso aos pontos cadastrados. Foram também realizadas
medições de profundidade nos pontos de medição de LAF1 e LAF2 para avaliar níveis de
assoreamento e relacionar com condições de mistura/difusão ou estratificação de OD, pH e
temperatura da água (°C).
A Figura 13 detalha os pontos de medição cadastrados 1.1 a 1.8 no perímetro e os
pontos de medição cadastrados 1.9, 1.10, 1.12, 1.13, 1.14, 1.15 no corpo de LAF1 e os pontos
de medição cadastrados 2.1 a 2.8 no perímetro e os pontos de medição cadastrados 2.9 a 2.16
no corpo de LAF2.
Entre 25 de novembro e 8 de dezembro, no período entre 10 e 14 horas, foi
executado programa de monitoramento em campo de perfil longitudinal em área perimetral
nos três níveis de profundidade, superfície, meio e fundo das lagoas LAF1 e LAF2 efetuando
medições imediatas de Oxigênio Dissolvido (mg.L-1) e Temperatura da água (ºC) em pontos
cadastrados.
Entre 10 e 11 de dezembro, no período entre 23 e 2 horas, foi executado programa
de monitoramento em campo de perfil longitudinal em área perimetral em três níveis de
profundidade,
superfície, meio e fundo das lagoas LAF1 e LAF2 efetuando medições
72
imediatas de Oxigênio Dissolvido (mg.L-1) e Temperatura da água (ºC)
em pontos
cadastrados, tendo em vista avaliação de eficiência dos aeradores mecânicos em período
noturno com ausência de luz.
5.5.5 Apresentação de resultados de análises de caracterização e estimativa de
desempenho da ETE nas 2ª e 3ª Etapas da Pesquisa
Para complementar o monitoramento semanal em campo nas 2ª e 3ª Etapas foram
realizadas análises físico-químicas e microbiológicas de amostras pontuais e compostas de
esgoto bruto e tratado em LAF1 e LAF2 em datas de coleta descritas conforme Tabela 24 para
caracterização e estimativa de desempenho da ETE.
Tabela 24 – Datas de coleta para análise de parâmetros – 2ª e 3ª Etapas
Data de coleta
Parâmetros
20.10.2010
DQO (mg.L-1), DBO5 (mg.L-1), Fósforo Total (mg.L-1), Nitrogênio Total (mg.L-1)
21.10.2010
Coliformes Totais e Fecais(NMP/100 mL)
27.10.2010
DQO (mg.L-1), DBO5 (mg.L-1), Fósforo Total (mg.L-1), Nitrogênio Total (mg.L-1)
28.10.2010
Coliformes Totais e Fecais(NMP/100 mL)
03.11.2010
DBO5 (mg.L-1)
17.11.2010
DQO (mg.L-1), DBO5 (mg.L-1), DBO5 solúvel (mg.L-1)
18.11.2010
Coliformes Totais e Fecais(NMP/100 mL)
25.11.2010
DQO (mg.L-1), DBO5 (mg.L-1), DBO5 solúvel (mg.L-1),Fósforo Total (mg.L-1),
Nitrogênio Total (mg.L-1)
26.11.2010
Coliformes Totais e Fecais(NMP/100 mL)
02.12.2010
DQO (mg.L-1), DBO5 (mg.L-1), DBO5 solúvel (mg.L-1),Fósforo Total (mg.L-1),
Nitrogênio Total (mg.L-1)
03.12.2010
Coliformes Totais e Fecais(NMP/100 mL)
08.12.2010
DQO (mg.L-1), DBO5 (mg.L-1), DBO5 solúvel (mg.L-1),Fósforo Total (mg.L-1),
Nitrogênio Total (mg.L-1)
09.12.2010
Coliformes Totais e Fecais(NMP/100 mL)
73
Para análises de DBO5 (mg.L-1), DBO5 solúvel (mg.L-1), DQO (mg.L-1), Nitrogênio
Total (mg.L-1) e Fósforo total (mg.L-1), as amostragens foram compostas, sendo coletadas às
9, 12 e 19 horas e armazenadas em geladeira a temperatura aproximada de 4ºC, sendo
homogeneizadas posteriormente e encaminhadas ao laboratório IPAT/UNESC.
Para análises de Coliformes Totais (NMP/100 mL) e Coliformes Fecais (NMP/100
mL), as amostragens foram pontuais coletadas às 9 horas e encaminhadas ao laboratório
IPAT/UNESC.
5.5.6 Apresentação dos coeficientes de remoção de DBO5 (K) de LAF1 e LAF2 na 3ª
Etapa da Pesquisa
Para complementar o monitoramento semanal em campo na 3ª Etapa, foram
calculados e comparados os coeficientes globais de remoção de DBO5 (K), a partir da
inserção dos resultados de DBO5 do esgoto bruto e DBO5 solúvel do esgoto tratado nas saídas
de LAF1 e LAF2 (Tabela 24) nas equações (3) e (4) referentes a curvas dos modelos ideais
assumidos de fluxo de pistão e mistura completa, respectivamente.
5.6 Materiais e Métodos para análise das amostras brutas e tratadas
Nas três etapas foram realizadas amostragens pontuais para análise de Coliformes
Totais (NMP/100 mL) e Coliformes Fecais (NMP/100 mL) e amostragens compostas para
análises de DBO5 (mg.L-1), DQO (mg.L-1), Nitrogênio Total (mg.L-1) e Fósforo total (mg.L-1),
na Entrada e saídas de LAF1 e LAF2. Na terceira etapa foram realizadas análises de DBO5
solúvel (mg.L-1), sendo encaminhadas ao Laboratório de Águas e Efluentes e de
Microbiologia do Instituto de Pesquisas Ambientais e Tecnológicas (IPAT) da Universidade
do Extremo Sul Catarinense (UNESC).
As metodologias de análises dos parâmetros estão detalhados na Tabela 28 e seguem
recomendações do Standard Methods for the Examination of Water and Wastewate, (APHA,
2005, 21 ed.).
74
Tabela 25 - Metodologias de análises dos parâmetros de controle.
Parâmetro
Método de análise
pH
Potenciométrico
DBO5 (mg.L-1)
Teste DBO 5 dias
-1
DQO (mg.L )
Refluxo aberto com dicromato
-1
Óleos e Graxas (mg.L )
Extração Soxhlet/ Part. Gravimétrico
Fósforo Total (mg.L-1)
Colorimétrico
-1
Nitrogênio Total (mg.L )
-1
Macro Kjedahl / Titulométrico
Oxigênio Dissolvido (mg.L )
eletrométrico
Coliformes Totais (NMP/100 mL)
Standard Methods, 2005, 21 ed. Section 9221, p. 9-47-9-56
Coliformes Fecais (NMP/100 mL)
Standard Methods, 2005, 21 ed. Section 9221, p. 9-47-9-56
75
6 APRESENTAÇÃO E DISCUSSÃO DOS RESULTADOS
6.1 Apresentação e discussão do programa de monitoramento de LAF1 e LAF2 na 1ª
Etapa da Pesquisa
Entre 14 de julho e 15 de setembro de 2010, correspondendo à 1ª Etapa de Pesquisa,
foi executado um programa de monitoramento semanal dos perfis longitudinais superficiais
em área perimetral das lagoas com medições em campo de OD e Temperatura da água (ºC) e
medições em bancada de pH e Temperatura do ar (ºC) entre 10 e 11 horas para LAF1 e 11 a
12 horas para LAF2.
De acordo com o Lay Out da Figura 7, os aeradores das lagoas se apresentavam
posicionados de forma aleatória nas condições originais, não aproveitando áreas de influência
de cada aerador, como zonas de mistura e de oxigenação e uma lógica de divisão de áreas de
aeração e sedimentação. Conforme von Sperling (2002) os aeradores devem estar distribuídos
homogeneamente pela zona aerada da lagoa, sendo que em lagoas predominantemente
retangulares devem estar mais próximas à entrada da lagoa.
Observando que LAF1 e LAF2 apresentam 45 e 43 metros de largura,
respectivamente, os aeradores poderiam ser melhor posicionados atendendo áreas de
influência de 23x23 m2 e 21x21 m2, respectivamente, a partir das entradas das lagoas.
Tendo em vista que LAF2, sendo dividida por chicana longitudinal, apresenta
características dimensionais mais aproximadas de um fluxo pistonado e favorece a eficiência
de mistura e oxigenação dos aeradores por estarem instalados entre paredes que distam de
21,5 metros, embora estes aeradores ainda se apresentassem posicionados de forma aleatória,
foi escolhida para dispor aeradores em série a partir da entrada.
Kellner & Pires (1998) e Matsumoto (2004) consideram o uso de chicanas em lagoas
de estabilização como uma das alternativas mais simples de modificar o fluxo hidráulico,
melhorando a eficiência devido ao aumento do percurso de escoamento no interior da lagoa,
sendo tanto maior quanto mais estreito for o canal de chicaneamento.
Quanto à LAF1, com características dimensionais mais aproximadas de um fluxo em
mistura completa, em função de sua maior área de exposição aos aeradores mecânicos, deve
ocorrer uma redução do efeito de turbulência ou mistura.
76
6.1.1 Apresentação e análise dos perfis longitudinais superficiais de OD, pH e
Temperatura da água (°C) em LAF1 na 1ª Etapa
A Tabela 26 detalha as condições climáticas nas datas e horário de monitoramento
semanal (10 e 11 horas) de LAF1 na 1ª Etapa de Pesquisa.
Tabela 26 – Condições climáticas de LAF1/1ª Etapa
Data
T ar
(°C)
cond.
clima
14.07
21.07
28.07
11,50
16,00
13,00
predomínio predomínio predomínio
de sol
de sol
de sol
04.08
9,20
nublado
11.08
18.08
15,37
13,56
predomínio predomínio
de sol
de sol
25.08
01.09
08.09
15.09
18,60
20,70
predomínio
de sol
18,10
21,40
predomínio
de sol
nublado
nublado
A Figura 15 apresenta os dados de temperatura mínima e máxima entre 01.07 e
15.09.2010 conforme dados meteorológicos da Estação EPAGRI de Urussanga, onde se
observa declínios de temperatura mínima entre 13 e 17.07
40
TminºC
35
TmaxºC
Temperatura (°C)
30
25
20
15
10
5
0
1/7
8/7
15/7
22/7
29/7
5/8
12/8
19/8
26/8
2/9
9/9
Figura 15 – Temperaturas mín/máx entre o período de 1/7 a 15/9.
Fonte: dados meteorológicos – EPAGRI – Estação Urussanga/SC
As Figuras 16 A/B/C apresentam os perfis longitudinais superficiais de OD de LAF1
para o período de 14.07 a 15.09, entre 10 e 11 horas, onde se observa uma estabilidade nos
perfis de OD entre 7 e 12 mg.L-1 nos períodos de 14.07 e 18.08, havendo tendência de
elevação de OD nos pontos 1.7 e 1.8 como pico acima de 16 mg.L-1 em 21.07, indicando
supersaturação de OD. Na Figura 16A pode se verificar leve elevação no perfil de OD entre
14.07 e 21.07 e leve declínio entre 21.07 e 2.8.07, relacionados com fator temperatura da
77
Figura 16C e confirmados pelos declínios de temperatura mínima/máxima nos dois intervalos
conforme Figura 15.
Para Escalas-Canellas (2008), a oscilação de temperatura média anual no México
entre mais quente e mais frio é 9,7 °C, sugerindo que as lagoas estão sendo afetadas pela
oscilação anual de temperatura em grandes áreas, afetando os parâmetros biocinéticos que são
dependentes da temperatura para modelagem matemática do tratamento por lagoas.
Nas medições entre 25.08 e 01.09 e entre 08.09 e 15.09 se observam dois ciclos de
declínio e recuperação nos perfis longitudinais de OD, apresentando na superfície uma
coloração marron leitosa e avermelhada com flotação de lodo, principalmente em áreas típicas
de sedimentação, podendo estar relacionados à sobrecarga orgânica. Conforme ilustra a
Figura 15, não há indícios de declínio de temperaturas mínimas neste período.
Conforme alerta Kellner (1998), lagoas muito rasas podem provocar a flotação de
placas de lodo e formação de espuma, bem como apresentam a necessidade de remoção mais
frequente de lodo, tendo em vista afetar a eficiência das lagoas ou de seus aeradores quando
atinge 1/3 da sua altura útil.
Observa-se nas Figuras 16 A/B/C que as concentrações de OD na Entrada de LAF1 e
LAF2 variaram entre 0,84 e 4,59 mg.L-1, podendo estar relacionado à sinergia de fatores
como baixas temperaturas que implicam em elevação na solubilidade de OD na entrada das
lagoas e declividade na topografia da cidade de Orleans somado ao número de elevatórias da
rede coletora de esgoto, as quais podem promover maior aeração no esgoto bruto quando há
incrementos de vazão e turbulência nos períodos de pico entre 10 e 13 horas.
As Figuras 16 D/E/F apresentam os perfis longitudinais superficiais de pH de LAF1
para o período de 14.07 a 15.09, onde se observa estabilidade do pH no perímetro da lagoa
com tendência de elevação nos pontos 1.7 e 1.8, provavelmente relacionado com maior
concentração de OD. Observa-se entre 01.09 e 15.09
que os perfis de pH apresentam
variações proporcionais aos ciclos de declínio e recuperação dos perfis de OD.
As Figuras 16 G/H/I apresentam os perfis longitudinais superficiais de Temperatura
da água (°C) da LAF1 para o período de 14.07 a 15.09, onde se observa proporcionalidade
entre perfis de temperatura da água e perfis de concentração de OD em todos os períodos.
Temperaturas mais baixas usualmente indicam concentrações de OD mais reduzidas,
provavelmente devido à dependência da produção fotossintética de oxigênio pelas algas em
função da temperatura.
78
A diversidade de algas em ambientes hipereutróficos de diferentes regiões depende
de características das águas residuárias de cada local e condições climáticas com ênfase na
insolação, intensidade luminosa e horas de luz além da temperatura ambiente, que mudam
com a latitude e altitude (KÖNIG et al., 2002).
Observa-se que em baixas temperaturas do ar, a água apresenta tendência de
temperatura superior ao ar, ocorrendo o inverso para temperaturas do ar mais elevadas.
Oscilações nos perfis de OD, pH e Temperatura da água (°C) podem estar
relacionadas ao intervalo de tempo entre medições dos pontos pares e ímpares na LAF1
conforme Figura 13 (pág. 68), sendo que se iniciavam as medições a partir dos pontos
ímpares.
79
A
D
G
B
E
H
C
F
I
Figura 16 – Perfis longitudinais superficiais de OD, pH e temperatura água(°C) LAF1- 1ª Etapa/2010. A: mês julho/OD ; B: mês agosto/OD; C: mês setembro/OD; D: mês
julho/pH; E: mês agosto/pH; F: mês setembro/pH; G: mês julho/T água(°C); H: mês agosto/T água(°C); I: mês setembro/T água(°C).
80
6.1.2 Apresentação e análise dos perfis longitudinais superficiais de OD, pH e
Temperatura da água (°C) em LAF2 na 1ª Etapa
A Tabela 27 detalha as condições climáticas nas datas, temperatura do ar e
diferencial de temperatura máxima e mínima da água na superfície de LAF2 no horário de
monitoramento semanal (11 a 12 horas) na 1ª Etapa de Pesquisa. Também estão inseridas as
temperaturas mínima e máxima no período conforme dados da Estação Meteorológica de
Urussanga (Figura 15).
Tabela 27 – Condições climáticas de LAF2/1ª Etapa
Data
14.07
21.07
28.07
04.08
11.08
18.08
25.08
01.09
08.09
15.09
T ar (°C)
12,90
19,00
17,00
9,07
16,40
15,30
18,60
24,30
21,60
21,40
cond. clima
predomínio
de sol
predomínio de
sol
predomínio de
sol
nublado
predomínio de
sol
predomínio de
sol
nublado
predomínio de
sol
nublado
predomínio de
sol
∆T(°C)*
5,10
5,20
2,70
0,50
4,10
5,60
1,30
6,50
4,00
6,70
T(mín/máx)
1/17,7
11,6/30,6
6/26,8
6,6/10
12/22,8
7,4/25,2
15,3/20,5
17,8/30,5
14,8/23,1
8,8/22,2
(°C)**
Obs.: *∆T se refere ao diferencial de temperaturas máximas e mínima da água (°C) entre os pontos medidos na superfície de LAF2 no
período entre 11 e 12 horas. **T(mín/máx) obtidos a partir de dados meteorológicos – EPAGRI – Estação Urussanga/SC.
As Figuras 17 A/B/C apresentam os perfis longitudinais superficiais de OD da LAF2
para o período de 14.07 a 15.09, entre 11 e 12 horas. Observa-se estabilidade nos perfis de
OD entre os pontos 2.1 e 2.3, indicando condições de mistura devido à aeração mecânica, com
OD variando aproximadamente entre 3 a 8 mg.L-1. Quanto aos perfis de OD na seção de
sedimentação (entre os pontos 2.4 e 2.8), observa-se a partir de 25.08 até 15.09 condições de
estratificação térmica e de OD, típicos de lagoas facultativas. No entanto, entre 14.07 e 18.08,
verifica-se um declínio nos perfis de OD na seção de sedimentação, podendo estar associado a
fatores climáticos e/ou sobrecarga orgânica. A Tabela 27 apresenta condições de temperaturas
mínimas baixas, entre 1 e 12°C entre as datas de medição de 14.07 e 18.08, com maiores
variações entre mínima e máxima na Estação Meteorológica de Urussanga, confirmado pelos
dados da Figura 15 que engloba todo o período. Portanto, fator climático pode estar
influenciando nas condições de estratificação térmica e produção fotossintética de OD por
algas na camada superficial da seção de sedimentação de LAF2. Ainda na Tabela 27, ∆T na
LAF2 em 01.09 e 15.09 foram de 6,50 e 6,70°C, respectivamente, indicando já estratificação
térmica em função da elevação das temperaturas máximas nestes períodos confirmados pelos
dados da Figura 15 da Estação Meteorológica de Urussanga.
Numerosos estudos têm indicado que variação de temperatura é um dos fatores
críticos que afetam o desempenho dos sistemas de tratamento biológico, particularmente
81
aqueles com uma baixa concentração de biomassa, como as lagoas aeradas (SURAMPALLI,
1999). Moura (2009) monitorou as alterações de uma comunidade bacteriana, estimando sua
diversidade em duas lagoas aeradas de uma ETE em Nisa, sudoeste de Portugal recebendo
efluentes domésticos e de indústrias de queijos. Mudanças acentuadas entre as comunidades
coletadas nos meses de inverno-primavera e verão-outono foram detectadas devido a
variações de Temperatura, OD e pH.
As Figuras 17 D/E/F apresentam os perfis longitudinais superficiais de pH de LAF2
para o período de 14.07 a 15.09, onde se observa condições de declínio do pH acompanhando
tendência dos perfis de OD entre 21.07 a 18.08. Entre 01.09 e 15.09 se observa plena
recuperação com elevação de pH atingindo valores entre 8,7 e 9,0 na seção de sedimentação,
típicos de supersaturação de OD indicando elevação na atividade fotossintética das algas em
função de fatores climáticos, com temperatura do ar entre 24,30 e 21,40°C, respectivamente.
As Figuras 17 G/H/I apresentam os perfis longitudinais superficiais de Temperatura
da água (°C) da LAF2 para o período de 14.07 a 15.09, onde se observa já em 14.07
diferencial de temperatura entre as seções de aeração mecânica e de sedimentação, se
denotando alteração de condições de mistura (2.1 a 2.4) para estratificação térmica (2.5 a 2.8).
Já entre 21.07 e 25.08 não se observa variações nítidas de temperaturas entre as duas seções
de LAF2, acompanhando tendência de declínio de OD e pH no período. Entre 01.09 e 15.09,
novamente se verifica a tendência de estratificação térmica na seção de sedimentação,
acompanhando a evolução dos perfis de OD com supersaturação na superfície.
As condições de declínio nos perfis de OD entre 22.07 e 18.08 também podem ter
sofrido influência de uma maior intensidade de descargas de resíduos líquidos de caminhões
limpa fossa neste período. A Figura 10 (pág. 65) indica descarga máxima de resíduos de 60
m3/semana entre 22/07 e 11/08, havendo gradual redução de descarga até 15 m3/semana na 5ª
semana/08. Regime hidráulico assumido de fluxo pistonado de LAF2 pode ter influência nas
condições de declínio devido a sua característica de baixa adaptação a variações de cargas
orgânicas, conforme Tabela 5 (pág. 34).
82
A
D
G
B
E
H
C
F
I
Figura 17 – Perfis longitudinais superficiais de OD, pH e temperatura água(°C) LAF2 - 1ª Etapa/2010. A: mês julho/OD ; B: mês agosto/OD; C: mês setembro/OD; D: mês
julho/pH; E: mês agosto/pH; F: mês setembro/pH; G: mês julho/T água(°C); H: mês agosto/T água(°C); I: mês setembro/T água(°C).
83
6.1.3 Apresentação de resultados de análises na 1ª Etapa da Pesquisa
A Tabela 28 apresenta valores mínimos, máximos, média aritmética e eficiências
médias referentes a análises físico-químicas e microbiológicas de amostras pontuais e
compostas de esgoto bruto e tratado em LAF1 e LAF2, coletadas em 27 e 28 de julho e 4 e 5
de agosto de 2010 para caracterização e estimativa de desempenho da ETE na 1ª Etapa da
Pesquisa.
Tabela 28 – Valores mínimos, máximos, média aritmética e eficiências para amostras pontuais e compostas
coletadas em 27 e 28 de julho e 4 e 5 de agosto de 2010
Parâmetros
DBO5
(mg.L-1)
Fósforo
Total
(mg.L-1)
Nitrogênio
Total
(mg.L-1)
Mínimo
2
551,00
2
301,00
2
7,00
2
74,00
2
23,00
2
1,60E+05
2
1,60E+05
Máximo
802,00
413,00
9,00
75,00
87,00
1,60E+06
1,60E+06
Média
676,50
357,00
8,00
74,50
55,00
8,80E+05
8,80E+05
Mínimo
314,00
72,00
6,00
59,00
1,00
1,60E+05
1,60E+05
Máximo
366,00
100,00
7,00
69,00
2,00
1,60E+05
1,60E+05
Média
340,00
86,00
6,50
64,00
1,50
1,60E+05
1,60E+05
Eficiência (%)
Mínimo
49,74
246,00
75,91
58,00
18,75
6,00
14,09
56,00
97,27
2,00
81,82
1,60E+05
81,82
1,60E+05
Máximo
311,00
76,00
6,00
60,00
5,00
1,60E+06
1,60E+06
Média
278,50
67,00
6,00
58,00
3,50
8,80E+05
8,80E+05
Tamanho da
amostra
Esgoto
Bruto
Saída
LAF1
Saída
LAF2
Coliformes Coliformes
Óleos e
Totais *
Fecais*
Graxas*
(NMP / 100 (NMP / 100
-1
(mg.L )
mL)
mL)
DQO
(mg.L-1)
Amostra
Eficiência (%)
58,83
81,23
25,00
22,15
93,64
0,00
0,00
Fonte: adaptado de relatórios de análises nº 1355, 1356, 1357/2010 e 48981, 48979, 48980/2010 de 27 e
28.07.2010 e n° 1408, 1409, 1410/2010 e 49125, 49126, 49127/2010 de 04 e 05.08.2010 - Laboratório
IPAT/UNESC
*Amostras pontuais para Óleos e Graxas e Coliformes Totais e Fecais coletadas em 28 de julho e 5 de agosto.
Conforme Tabela 28, média e eficiência de LAF1 não atendem aos valores máximos
permitidos (VMP) de 60 mg.L-1 ou 80% de remoção de DBO5, previstos na Lei n°
14.675/2009, sendo que LAF2 embora apresente média de 67 mg.L-1, sua eficiência de
81,23% de remoção em DBO5 atende ao Código Estadual do Meio Ambiente. As eficiências
de remoção de Fósforo Total e Nitrogênio Total se apresentaram inferiores a 35 e 30 mg.L-1,
respectivamente, de acordo ao disposto com von Sperling (2006) em Tabela 1 (pág. 24).
As eficiências de remoção de coliformes totais e fecais em LAF1 e LAF2 se
apresentaram inferiores ao disposto em Tabela 1 (90 a 99%), enfatizando ainda que LAF2
84
apresentou eficiência nula, refletindo as condições de declínio nos perfis de OD na seção de
sedimentação entre 21.07 e 18.08, conforme Figuras 17 A/B/C podendo estar em desacordo
ao Art. 15 do CONAMA 357/2005 que estabelece que a jusante das diluições de efluentes
tratados em corpos receptores Classe 2, não deve ser excedido um limite de 1.000 coliformes
termotolerantes por 100 mililitros em 80% ou mais de pelo menos 6 (seis) amostras coletadas
durante o período de um ano com frequência bimestral.
Referente à saúde pública, dados de países industrializados e em desenvolvimento
indicam que LAF é ineficiente para remoção de organismos indicadores e patogênicos.
Estudos na Índia indicam que efluentes de LAF não estão livres de Salamonella (YANEZ,
1980).
6.2 Apresentação e discussão do programa de monitoramento de LAF1 e LAF2 na 2ª
Etapa da Pesquisa
Entre 22 de setembro e 17 de novembro de 2010, correspondendo à 2ª Etapa de
Pesquisa, foi mantido o programa de monitoramento semanal dos perfis longitudinais
superficiais em área perimetral de LAF1 e LAF2 com medições em campo de OD e
Temperatura da água (ºC) e medições em bancada de pH e Temperatura do ar (ºC) entre 10 e
11 horas para LAF1 e 11 a 12 horas para LAF2.
6.2.1 Apresentação e Análise dos perfis longitudinais superficiais de OD, pH e
Temperatura da água (°C) em LAF1 na 2ª Etapa
A Tabela 29 detalha as condições climáticas nas datas de medição, temperatura do ar
e diferencial de temperatura máxima e mínima da água na superfície de LAF1 no horário de
monitoramento semanal (10 a 11 horas) na 2ª Etapa de Pesquisa. Também estão inseridos na
Tabela 29 as temperaturas mínima e máxima no período conforme Estação Meteorológica de
Urussanga expostos na Figura 19.
85
Tabela 29 – Condições climáticas de LAF1/2ª Etapa
Data
T ar (°C)
cond. clima
∆T(°C)
T(mín/máx)
(°C)***
22.09
19,10
nublado
e
chuvoso
0,00
17,6/25,
29.09*
18,90
predomí
nio de
sol
3,90
12,4/28,
06.10*
25,80
predomí
nio de
sol
2,80
13.10**
18,20
predomí
nio de
sol
1,10
9,60/23,
20.10
21,20
predomí
nio de
sol
1,40
27.10
19,50
predomí
nio de
sol
0,90
8
13/29,5
5
11/25,9
10/24,0
3
03.11
19,20
predomíni
o de sol
3,10
11,1/29,3
10.11
18,30
parcialm
ente
nublado
0,30
14,8/22,
17.11
22,20
predomí
nio de
sol
2,20
16,3/27,
4
1
Obs.: * LAF1 apresentando cor marron avermelhada leitosa ** LAF1 apresentando cor marron mais límpida.*** ∆T se refere ao diferencial
de temperatura máxima e mínima da água (°C) na superfície de LAF1 no período entre 10 e 11 horas. T(mín/máx) em °C obtidos a partir de
dados meteorológicos – EPAGRI – Estação Urussanga/SC.
A Figura 18 apresenta os dados de temperatura mínima e máxima entre 16.09 e
17.11.2010 conforme dados meteorológicos da Estação EPAGRI de Urussanga.
40
TminºC
35
TmaxºC
Temperatura (°C)
30
25
20
15
10
5
0
16/9
23/9
30/9
7/10
14/10
21/10
28/10
4/11
11/11
Figura 18 – Temperaturas mín/máx entre o período de 16/9 a 17/11.
Fonte: dados meteorológicos – EPAGRI – Estação Urussanga/SC.
As Figuras 19 A/B/C apresentam os perfis longitudinais superficiais de OD da LAF1
para o período de 22.09 e 17.11, onde se observa um ciclo de declínio nos perfis de OD de
29.09 e 06.10, sendo que nestes dois períodos a superfície apresentava aspecto marrom
leitoso, podendo ser indícios de sobrecarga orgânica. Conforme Figura 18, a Estação de
Urussanga apresentou temperaturas máximas próximas a 30°C, não havendo correlação com
fatores climáticos.
Entre 13.10 e 17.11, LAF1 apresentou recuperação e estabilidade nos perfis de OD,
variando de 7 a 11 mg.L-1 entre os pontos 1.1 e 1.5 e com tendência de elevação nos perfis de
OD entre os pontos 1.6 e 1.8, variando de 7 a 17 mg.L-1 indicando supersaturação de OD.
86
Similar aos perfis de OD, as condições de pH em LAF1 ilustram redução nos perfis
de pH entre 22.09 e 6.10, com recuperação e maior estabilidade de pH nos perfis entre 13.10 a
17.11, conforme Figura 19 D/E/F.
A Tabela 29 apresenta condições de temperaturas mínimas entre 9,60 e 11,1°C entre
13.10 e 03.11, respectivamente, período de recuperação e maior estabilidade nos perfis de OD
na LAF1, denotando que fator climático não apresentou influência nos declínios nos perfis de
OD e pH observados em 29.09 e 06.10.
Observa-se que as concentrações de OD na Entrada de LAF1 e LAF2 na 2ª Etapa
variam entre 0,20 e 4,30 mg.L-1, sendo que uma estatística descritiva sobre estes dados
conduziu a média de 1,34 mg.L-1, mediana de 0,93 mg.L-1,desvio padrão de 1,29 mg.L-1,
indicando redução dos teores em OD na Entrada das lagoas, inversamente proporcionais à
elevação da temperatura da água. Afluentes com OD acima de 4 mg.L-1 foram observados em
temperaturas ambiente mais baixas e períodos de picos de vazão com turbulência acentuada.
As Figuras 19 G/H/I apresentam os perfis longitudinais superficiais de Temperatura
da água (°C) da LAF1 para o período de 22.09 a 17.11, onde se observa nos perfis de 22.09 a
06.10 que ocorre uma elevação nos perfis de temperatura, não justificando o declínio dos
perfis de OD por fatores climáticos. Conforme evolução de ∆T nos períodos da Tabela 29,
não há indicativo de um diferencial significante de temperaturas na superfície de LAF1, com
exceção dos dias 29.09 e 06.10 que sugere alguma estratificação térmica entre as seções de
LAF1.
Oscilações verificadas nos perfis de OD, pH e temperatura da água podem estar
relacionadas ao intervalo de tempo entre medições em pontos pares e ímpares de LAF1.
87
D
B
G
Mês setembro/2010 a partir de 22.09 - entre 10
e 11 hs
T água (°C)
A
E
024
022
020
018
22.09
29.09
H
Mês outubro/2010 - entre 10 e 11 hs
T água (°C)
028
06.10
026
13.10
024
20.10
022
27.10
020
C
F
I
Mês novembro/2010 até 17.11 - entre 10 e 11
hs
T água (°C)
028
026
03.11
024
10.11
17.11
entrada
1.1
1.2
1.3
1.4
1.5
1.6
1.7
1.8
saída 1
022
perfil longitudinal superficial LAF1
Figura 19 – Perfis longitudinais superficiais de OD, pH e temperatura água(°C) LAF1 - 2ª Etapa/2010. A: mês setembro/OD ; B: mês outubro/OD; C: mês novembro/OD; D:
mês setembro/pH; E: mês outubro/pH; F: mês novembro/pH; G: mês setembro/T água(°C); H: mês outubro/T água(°C); I: mês novembro/T água(°C).
88
6.2.2 Apresentação e Análise dos perfis longitudinais superficiais de OD, pH e
Temperatura da água (°C) em LAF2 na 2ª Etapa
A Tabela 30 detalha as condições climáticas nas datas, temperatura do ar e
diferencial de temperatura máxima e mínima da água na superfície de LAF2 no horário de
monitoramento semanal (11 a 12 horas) na 2ª Etapa de Pesquisa.
Tabela 30 – Condições climáticas de LAF2/2ª Etapa
Data
22.09
29.09*
06.10*
13.10**
20.10
27.10
03.11
10.11
17.11
T ar (°C)
cond.
clima
19,10
nublado e
chuvoso
21,80
predomínio
de sol
25,80
predomínio
de sol
21,20
predomínio
de sol
21,20
predomínio
de sol
19,50
predomínio
de sol
20,50
predomínio
de sol
18,50
parcialmente
nublado
22,20
predomínio
de sol
∆T(°C)
0,5
8,70
8,70
5,80
5,50
5,10
7,50
1,70
5,40
*obs.: LAF2 com 3 aeradores; **obs.: LAF2 com 4 aeradores
Obs.: ∆T se refere ao diferencial de temperatura máxima e mínima da água (°C) na superfície de LAF2.
As Figuras 21 A/B/C apresentam os perfis longitudinais superficiais de OD da LAF2
para a 2ª Etapa considerando período entre 22.09 e 17.11, a partir da instalação de duas
tubulações com extremidades em tês mergulhados em profundidade de 40 cm em relação ao
nível de água e fixas em comporta instalada no canal de saída da lagoa, conforme ilustrações
das Figuras 14 A/B/C/D (pág. 70).
Para evitar carreamento de algas e escuma, Jordão e Pessoa (1982) e von Sperling
(2002) recomendam saídas em curva ou tê acoplado à tubulação. Jordão e Pessoa (1982)
recomenda saída no sentido do vento predominante para arraste do material flutuante.
Entre 22.09 e 06.10 se observa redução de OD nos perfis na seção de aeração
mecânica da LAF2, podendo estar relacionado com a operação de apenas três aeradores,
sendo que o aerador 3 se apresenta em manutenção neste período. Com o retorno de operação
com quatro aeradores em 13.10 se verifica uma recuperação no perfil de OD. Verifica-se na
seção de aeração (pontos 2.1 a 2.3) uma estabilidade nos perfis superficiais de OD em todo o
período, devido à condições de mistura e difusão promovida pelos aeradores mecânicos.
Em 22.09 se observa um declínio no perfil de OD na seção de sedimentação. De
acordo com Figura 18 e Tabela 30, não há correlação com fatores climáticos. A Figura 10
(pág. 65), porém indica descarga de resíduos de caminhões limpa fossa de 60 m3/semana entre
16 e 22.09 (3ª semana/mês 09) na LAF2, podendo haver correlação com a menor
estratificação térmica em 22.09.
89
Entre 29.09 e 20.10 já se observa nítida tendência de supersaturação nos perfis
superficiais de OD na seção de sedimentação.
Conforme dados de Forero (1985) da Tabela 31, lagoa facultativa em Guanacaste
(Costa Rica) com temperatura de 30°C e saturação de OD de 7,7 mgL-1, indicava que a lagoa
permanecia supersaturada de OD a maior parte do dia.
Tabela 31 – Concentração de OD ao longo do dia em Guanacaste (Costa Rica)
hora
8:00 a.m.
10:00 a.m.
12:00 a.m.
2:00 p.m.
OD (mgL-1)
4,7
8,4
15,6
17,9
Fonte: Forero (1985)
4:00 p.m.
17,3
Em 27.10 e 10.11 se verificam dois ciclos de declínio nos perfis superficiais de OD
na área de sedimentação, podendo estar relacionados à sobrecarga orgânica. Não há indícios
de influência de fatores climáticos, conforme verificação da Tabela 33 e Figura 18 (pág. 88).
As Figuras 21 D/E/F apresentam os perfis longitudinais superficiais de pH da LAF2
para a 2ª Etapa, similares aos perfis de OD, onde se verifica na seção de aeração declínio do
pH devido à redução de aeradores, ocorrendo uma recuperação e estabilidade de valores nos
perfis de pH.
Na seção de sedimentação se observa uma elevação progressiva nos perfis
superficiais de pH, sendo verificado pH acima de 9,0 em 13.10, 27.10 e 3.11, evidenciando
elevada atividade fotossintética das algas, supersaturação de OD e estratificação térmica,
embora se verifiquem também declínios acentuados nos perfis de pH em 27.10 e 10.11, com
indícios de elevada eutrofização por conseqüência de sobrecarga orgânica.
As Figuras 21 G/H/I apresentam os perfis longitudinais superficiais de temperatura
da água da LAF2, onde se verifica menores temperaturas e maior estabilidade térmica na
seção de aeração devido ao processo de mistura e difusão de oxigênio nas camadas,
apresentando estratificação térmica a partir do ponto 2.4, com evolução proporcional aos
perfis de OD e pH. Exceção para períodos de 27.10 e 10.11 quando não ocorre estratificação
térmica, similar ao observado nos perfis de OD e pH, podendo estar associado à sobrecarga
orgânica, mortalidade ou paralisação na atividade fotossintética das algas.
Em todos os gráficos da Figura 21 observa-se na saída de LAF2, declínio no teor de
OD, bem como valores de pH e temperatura menores, sendo consequência da coleta de esgoto
tratado a partir de profundidade de 40 cm.
A Figura 20A ilustra o canal de saída com acúmulo de resíduos, onde também se
observa aspectos de eutrofização do efluente tratado relacionados a indícios de sobrecarga
90
orgânica e superfloração de algas, reforçando a condição de declínio do perfil de OD em
10.11 detectada na Figura 22C.
Jordão e Pessoa (1982) relata o efluente de uma lagoa facultativa bem operada
apresenta uma coloração verde intensa e parcialmente transparente, não devendo possuir
sólidos sedimentáveis. O aparecimento de manchas verdes intensas na forma de capas indica
excessiva proliferação de algas. As manchas de superfloração de algas impedem a penetração
de luz solar, reduzindo o oxigênio dissolvido na lagoa.
A Figura 20B já ilustra o aspecto límpido do efluente tratado na comporta de saída da
LAF2 em 17.11, reforçando o comportamento em ciclos de declínio/recuperação do perfil de
OD em 17.11 apontada pela Figura 21C. Excesso de escuma e resíduos flutuantes em película
do epilímio, associados à sobrecarga orgânica que pode estimular a superfloração de algas e
supersaturação de OD, dificultam a penetração da luz, estabelecendo diferenciais de
temperatura, salinidade e densidade entre camadas, provocando estratificação térmica e de
OD e pH. Baixas temperaturas do período noturno são decisivas para promover quebra da
estratificação ou mistura entre camadas.
A operação satisfatória de uma lagoa facultativa implica que sua superfície deva
estar isenta de escumas, óleos, graxas ou qualquer material que impeça a livre passagem de
raios luminosos ou prejudique a ação dos ventos (KELLNER e PIRES, 1998).
A
B
Figura 20 – (A) Canal de saída da LAF2 com acúmulo de resíduos e aspecto de eutrofização do efluente tratado
(10.11.10); (B) Aspecto límpido do efluente tratado através de comporta com tubulação em tês (17.11.10).
91
A
D
G
B
E
H
C
F
I
Figura 21 – Perfis longitudinais superficiais de OD, pH e temperatura água(°C) LAF2 - 2ª Etapa/2010. A: mês setembro/OD ; B: mês outubro/OD; C: mês novembro/OD; D:
mês setembro/pH; E: mês outubro/pH; F: mês novembro/pH; G: mês setembro/T água(°C); H: mês outubro/T água(°C); I: mês novembro/T água(°C).
92
6.3 Apresentação e discussão do programa de monitoramento de LAF1 e LAF2 na 3ª
Etapa da Pesquisa
Entre 19.11 e 10.12.2010, correspondendo à 3ª Etapa de Pesquisa, foi executado
monitoramento semanal dos perfis longitudinais em profundidade de LAF1 e LAF2 através de
medições em campo de OD e Temperatura da água (ºC) e medições em bancada de pH e
Temperatura do ar (ºC). Em 19.11 o monitoramento foi executado nos perfis longitudinais em
áreas perimetral e de corpo entre 10 e 15 horas. Entre 25.11 e 08.12, o monitoramento foi
executado nos perfis longitudinais em área perimetral entre 10 e 14 horas. Em 10.12, o
monitoramento foi executado nos perfis longitudinais perimetrais nos períodos entre e 23 e 24
horas na LAF1 e entre 0 e 1 hora de 11 de dezembro na LAF2 para avaliação de eficiência dos
aeradores mecânicos em período noturno ou ausência de luz.
Matos (2005) avaliou as condições de mistura em lagoa aerada através de perfis
transversal e longitudinal das concentrações de sólidos em suspensão totais (SST), voláteis
(SSV) e de oxigênio dissolvido (OD) na massa líquida e monitoramento semanal através de
parâmetros de DBO total, DBO solúvel, SST e SSV.
6.3.1 Apresentação e análise dos perfis longitudinais de OD, pH e Temperatura da água
(°C) em LAF1 na 3ª Etapa
A Tabela 32 detalha as condições climáticas nas datas, temperatura do ar no horário
de monitoramento semanal (10 a 12 horas) na 3ª Etapa de Pesquisa.
Tabela 32 – Condições climáticas - 3ª Etapa
Data
T (ar) (°C)
cond. clima
T (min/max)
(°C)*
19.11
predomínio
de sol
13,3/27,4
25.11
26,10
nublado
18/26,80
02.12
22,2
predomínio
de sol
08.12
24,0
predomínio
de sol
18/25
18,3/32,6
10.12
26,7
Tempo bom
17,8/31,2
Obs.: *T(mín/máx) em °C obtidos a partir de dados meteorológicos – EPAGRI – Estação Urussanga/SC.
A Figura 22 apresenta os dados de temperatura mínima e máxima entre 18.11 e
10.12.2010 conforme dados meteorológicos da Estação EPAGRI de Urussanga (EPAGRI,
2010).
93
35
Temperatura (°C)
30
25
20
TminºC
15
10
TmaxºC
5
0
Figura 22 – Temperaturas mín/máx entre o período de 18/11 a 10/12.
Fonte: dados meteorológicos – EPAGRI – Estação Urussanga/SC.
As Figuras 23A/B apresentam os perfis longitudinais de OD e temperatura da água
(°C), respectivamente, em três níveis de profundidade (superfície, meio e fundo) para a área
perimetral de LAF1 em 19.11, onde se observa profundidade média de 0,8 metros nos pontos
laterais 1.1, 1.2, 1.3, 1.4, 1.5 e 1.6 da lagoa, as quais se apresentam menores que a
profundidade de projeto de 1,2 metros, devido aos níveis irregulares provocados por
assoreamento. Reitera-se que não houve batimetria e sim medição pontual dos níveis de
assoreamento nos pontos cadastrados em áreas perimetral e central.
Conforme Figuras 23A/B, a sobreposição ou proximidade entre os perfis de
superfície e meio dos pontos 1.1, 1.2, 1.3, 1.4, 1.5 e 1.6 indicam condições de mistura e
difusão de OD e temperatura entre camadas, provavelmente em função da proximidade dos
aeradores, distribuindo melhor também o oxigênio produzido pelas algas. Embora se observe
um diferencial de 4 mg.L-1 entre camadas de superfície e meio no ponto 1.3, ainda ocorre
difusão do OD e não há diferencial de temperatura.
Conforme ilustram as Figuras 23A/B, os pontos laterais extremos 1.7 e 1.8 se
apresentam assoreados com profundidades de 0,2 metros, provável consequência de área
estagnada com estratificação térmica e geração de bancos de lodo devido aos fluxos
preferenciais pela área central da lagoa. Como LAF1 apresenta entrada e saída unitárias nos
extremos centrais, predispõe-se a curto-circuitos, isolando-se os extremos laterais. Figura 23A
indica supersaturação de OD em pequena película na superfície da água e acúmulo de lodo
anaeróbio na camada inferior e Figura 23B acusa estratificação térmica entre camadas.
Curto-circuitos hidráulicos são linhas de correntes que se formam na massa líquida,
fazendo que o efluente não se misture adequadamente e reduzem o TDH na lagoa, saindo sem
sofrer o tratamento previsto (ANDRADE NETO, 1997). Nas zonas mortas, praticamente não
94
ocorre renovação da massa líquida devido a reentrâncias no contorno da lagoa que dificultam
o fluxo; cantos para os quais as águas são levadas pela ação dos ventos e ali ficam estagnadas;
zonas de águas paradas por causa de curto-circuitos; ou uma conjunção de todos os fatores
acima.
Curto-circuitos e zonas mortas podem ser evitados utilizando-se vários dispositivos
de entrada e saída (ANDRADE NETO, 1997). De acordo com Thackston et al. (1987) e
Teixeira (1995) apud KELLNER et al., (2009), o termo curto-circuito não tem uma definição
técnica precisa, mas é geralmente usado para descrever situações nas quais os caminhos
percorridos por partículas do líquido resultam em tempos de residência na lagoa (ou no reator)
inferiores ao TDH teórico.
Os perfis longitudinais relativos ao fundo da lagoa apresentam OD nulo ou próximo
a zero devido à atividade anaeróbia na camada de lodo sedimentado.
Como não há unidade de desarenação a montante de LAF1 e LAF2, o
monitoramento da espessura de lodo se torna muito importante. O SAMAE tem executado a
limpeza das lagoas entre dois e quatro anos, sendo que na LAF1 foi realizada remoção do
lodo há quatro anos, estimando-se através das medições em 19.11 um acúmulo de 40 cm,
correspondendo a 1/3 da sua altura útil o que já provavelmente está afetando a eficiência desta
lagoa. Reforça-se que os dados de assoreamento são estimativos devido as medições terem
sido feitas somente nos pontos cadastrados conforme Figura 14 (pág. 73).
As Figuras 23C/D apresentam os perfis longitudinais de OD e temperatura da água
(°C), respectivamente, em três níveis de profundidade (superfície, meio e fundo) para a área
central de LAF1 em 19.11, onde se observa profundidades entre 0,7 e 0,95 metros nos pontos
1.9, 1.10, 1.12, 1.13, 1.14 e 1.15 , conforme cadastro de posições dos pontos na Figura 13
(pág. 68), também indicando assoreamento. A Figura 23C indica sobreposição entre os perfis
de superfície e meio apenas nos pontos 1.9 e 1.15 em função da maior proximidade dos
aeradores, o que implica em excelente difusão de OD.
95
A
C
E
B
D
F
Figura 23 – Perfis longitudinais/transversais profundidade de OD e temperatura água (°C) LAF1 - 3ª Etapa. A: OD – perímetro/19.11; B: Temp. água (°C) – perímetro –
19.11; C: OD – corpo – 19.11; D: Temp. água (°C) – corpo – 19.11; E: OD – perímetro/25.11; F: Temp. água (°C) – perímetro/25.11.
96
Ocorre alguma influência de difusão de OD em profundidade no ponto 1.10, o qual
ainda apresenta pequena distribuição de OD entre camadas.
Pode se verificar nitidamente a influência do posicionamento dos aeradores 1 e 2
com fluxo em contracorrente que promovem mistura e difusão de OD nos perfis dos pontos
1.2, 1.4, 1.6 e 1.3, 1.5, 1.7, respectivamente e ponto central 1.9. Aeradores 3 e 4 com fluxo
arejando pontos centrais 1.10 e 1.15, respectivamente. Em função do curto-circuito gerado
pela entrada e saída unitária nos extremos centrais, ocorre estagnação nos extremos laterais,
transformando em zonas mortas propícias à estratificação térmica e ao assoreamento e
representadas pelos pontos 1.7 e 1.8.
Segundo Kellner (2009) em lagoas de estabilização podem ocorrer zonas mortas ou
estagnadas que apresentam velocidades ou taxa de troca de líquido muito baixa e
estratificação térmica duradoura onde ocorre desenvolvimento de bancos de lodo no
hipolímnio. Por consequência, são gerados caminhos preferenciais ou curto-circuitos na lagoa,
havendo redução de seu TDH e volume útil.
Um mal posicionamento de aeradores mecânicos também pode propiciar camadas de
lodo desproporcionais ao longo da lagoa, podendo acelerar mais a incidência de flotação de
placas de lodo e de escuma na superfície.
No entanto, os perfis dos pontos 1.12, 1.13 e 1.14 apresentam baixa ou nula difusão
de OD, provavelmente relacionada ao maior distanciamento dos aeradores, havendo produção
superficial de OD pelas algas, porém não atingindo a condição de supersaturação de OD
devido à turbulência provocada pelo fluxo aeradores 1, 3 e 4.
Observa-se que a saída em superfície da LAF1 se apresenta assoreada, mas a
proximidade do aerador 4 agrega em seu perfil de profundidade uma razoável concentração de
OD.
Os perfis de temperatura em profundidades dos pontos 1.9, 1.10, 1.12, 1.14, 1.15 e
1.13 da Figura 23D indicam condições de mistura e homogeneização. Os pontos 1.9, 1.10 e
1.15 também apresentam influência dos perfis de OD, no entanto, os pontos 1.12, 1.13 e 1.14
estão inseridos em áreas de maior intensidade das linhas de corrente ou fluxo preferencial,
denotando-se a influência de parâmetros como geometria da lagoa, vazão, taxas de aeração e
posicionamento de aeradores no desempenho do tratamento em lagoas aeradas.
Através de seu estudo de desenvolvimento de modelos de dispersão empíricos,
Murphy e Wilson (1974 apud Delatolla, 2005), constataram que o número de dispersão de
uma lagoa aerada está diretamente relacionada com a geometria da lagoa, TDH e vazão,
porém, não está relacionado com a taxa de aeração do sistema.
97
Arceivala (1981) afirma que o TDH teórico do sistema não produziu melhores
correlações de ajuste com o número de dispersão quando comparado com a largura da lagoa
ou a ausência de defletores dentro do sistema. Polprasert e Bhattarai (1985) em estudos com
traçadores em escala piloto lagoas facultativas e aeróbicas, relacionam o número de dispersão
com a viscosidade cinemática do esgoto, geometria da lagoa e o TDH teórico, porém, não
consideram a taxa de aeração em seu estudo. Nameche e Vasel (1998) em testes com
traçadores em lagoas aeradas mostram dependência do número de dispersão em relação à
geometria da lagoa e da taxa de aeração do sistema, mas não apresentam nenhuma relação
entre o número de dispersão e TDH teórico da lagoa.
De acordo com Delatolla (2005), os modelos de dispersão empíricos demonstram
resultados contraditórios com relação à influência de dois parâmetros hidráulicos
potencialmente chave na mistura do sistema: vazão e a taxa de aeração. Murphy e Wilson
(1974) e Polprasert e Bhattarai (1985) demonstram que existe uma relação entre o número de
dispersão e TDH teórico da lagoa, enquanto Arceivala (1981) concluiu que há uma possível
relação fraca e Nameche e Vasel (1998) concluem que não há relação. Com relação aos
efeitos da taxa de aeração no sistema de mistura, os resultados do estudo de Murphy e Wilson
(1974) demonstram que não há relação entre o número de dispersão e a taxa de aeração,
enquanto os resultados de Nameche e Vasel (1998) novamente contradizem essa conclusão,
mostrando uma correlação direta entre o número de dispersão e a taxa de aeração. Arceivala
(1981) e Polprasert e Bhattarai (1985) não parecem considerar a taxa de aeração das lagoas
em seus respectivos estudos.
Estudos de Delatolla (2005) com traçadores conduzidos em lagoa aerada em escala
real e em modelo de laboratório operando em St-Hermas, Quebec, Canadá, demonstraram que
uma redução na vazão ou na taxa de aeração provoca um aumento no percentual de curtocircuitos e zonas mortas, sendo que a vazão foi fator hidráulico dominante para controlar a
percentagem de zonas mortas e curto-circuitos.
Os perfis de profundidade de OD e temperatura da água dos pontos 1.1, 1.2, 1.3, 1.4,
1.5 e 1.6 das Figuras 23E/F e 24A/B e 24C/D, referentes a 25.11, 02.12 e 08.12,
respectivamente, acusam excelente difusão de oxigênio e boa transmissão térmica devido à
provável proximidade de aeradores e influência de produção fotossintética de oxigênio pelas
algas. Os perfis de OD e temperatura da água dos pontos 1.7 e 1.8, das Figuras 23E/F e 24A/B
e 24C/D, por estarem assoreados, apresentam supersaturação de OD na superfície e tendem a
elevada estratificação térmica entre camadas.
98
A Figura 24E apresenta os perfis longitudinais em três níveis de profundidade
(superfície, meio e fundo) de OD para a área perimetral da LAF1 em 10.11 para o período de
tempo entre 23 e 24 horas, onde se observa OD na Entrada de 1 mg.L-1, havendo alguma
difusão de OD nos perfis dos ponto 1.1 e 1.3, porém não se verifica produção necessária ou
suficiente de OD para mistura e difusão através dos aeradores mecânicos. Sendo período
noturno, não ocorre produção fotossintética de OD através das algas, havendo indícios de
ambiente anóxico ou anaeróbio na totalidade de LAF1. Não havendo um residual mínimo
recomendado de 1,5 a 2 mg.L-1 em regiões mais próximas dos aeradores, é necessário
reavaliar seu número e posicionamento.
A Figura 24F apresenta os perfis longitudinais e em profundidade de Temperatura da
água para a área perimetral da LAF1 em 10.12 para o período de tempo entre 23 e 24 horas,
onde se observa temperatura uniforme ao longo da profundidade, evidenciando quebra de
estratificação térmica ou inversão térmica (VON SPERLING, 2002).
De acordo com CHU e SOONG (1997 apud KELLNER, 2009), a eficiência dos
processos de tratamento nas lagoas de estabilização são influenciados pela estratificação
térmica e geometria das lagoas. Devido à diferença de temperatura ou salinidade entre as
camadas líquidas das lagoas, as camadas mais leves tendem a se sobrepor às mais densas
criando condição de estratificação. Essa estratificação pode ser quebrada pelo vento que sopra
sobre a superfície da água. As camadas superficiais do corpo d’água são misturadas graças
aos efeitos cisalhante e de mergulho que o vento exerce sobre o líquido e, no decorrer do
tempo, as camadas mais densas e menos turbulentas misturam-se às menos densas.
Dorego e Leduc (1999) realizaram estudos de regime hidráulico com traçadores em
três LAF e uma LM na localidade de Saint Julie (Quebec, Canada), indicando curto-circuito
significativo para todas as lagoas, sugerindo a presença de regiões mortas ou estagnadas e
reduzindo o volume efetivo das lagoas e a eficiência do tratamento. Foi observado que o
padrão de fluxo dos fluidos nas lagoas não segue um comportamento de escoamento simples.
99
A
C
E
B
D
F
Figura 24 – Perfis longitudinais/perimetrais de profundidade de OD e temperatura água (°C) LAF1 - 3ª Etapa. A: OD 02.12; B: Temp. água (°C) 02.12; C: OD 08.12;
D: Temp. água (°C) 08.12; E: OD 10.12; D: Temp. água (°C) 10.12.
100
A Figura 25 apresenta os perfis longitudinais superficiais de pH da área perimetral da
LAF1 entre 02.12 e 10.12, havendo similaridade entre os perfis de 02 e 08.12, destacando-se
pH’s entre 8,4 a 8,8, relacionados ao perfil de OD entre 7 e 10 mg.L-1 para 02.12 e pH’s entre
8,6 e 8,9, relacionados ao perfil de OD entre 12 e 13 mg.L-1 para 08.12. Para 10.12, entre 23 e
24 horas, se observa estabilidade no perfil superficial no perímetro de LAF1, mantendo pH
entre 7,6 e 7,8 sem ocorrer declínio. Apesar da concentração nula de OD, as condições de
baixa profundidade propiciam a não redução do pH ou geração de odores.
Figura 25 – Perfil longitudinal perimetral e superficial de pH – LAF1– 3ª Etapa.
6.3.2 Apresentação e análise dos perfis longitudinais de OD, pH e Temperatura da água
(°C) em LAF2 na 3ª Etapa
A Figura 26A apresenta os perfis longitudinais em três níveis de profundidades
(superfície, meio e fundo) de OD para a área perimetral de LAF2 em 19.11, onde se observa
profundidade média de 0,8 metros nos pontos laterais 2.1 a 2.8, os quais se apresentam
menores que a profundidade de projeto de 1,2 metros.
A Figura 26C apresenta os perfis longitudinais e em profundidade de OD para a área
do corpo próxima à chicana longitudinal da LAF2, medidos em 19.11, onde se observa
profundidade média de 1,2 metros nos pontos 2.9 a 2.16, os quais apresentam profundidades
similares a de projeto.
101
Como o SAMAE executou limpeza da LAF2 há dois anos, verifica-se que está
ocorrendo acúmulo estimado de 40 cm de lodo nas margens dos taludes da lagoa, reiterando
que não foi executado nenhum procedimento de batimetria. Os pontos 2.1 a 2.16 estão
cadastrados no lay out da LAF2, conforme Figura 14 (pág. 73).
Os perfis em profundidade de OD e de temperatura da água dos pontos 2.1, 2.2 e 2.3
das Figuras 26 A/B e dos pontos 2.9, 2.10 e 2.11 das Figuras 26 C/D, respectivamente,
acusam excelentes distribuição de OD e difusão térmica ao longo do perfil longitudinal da
seção de aeração mecânica, resultado da produção mecânica e fotossintética de oxigênio pelas
algas.
A partir dos perfis em profundidade entre os pontos 2.4 e 2.8 e entre 2.12 e 2.16 já se
evidencia a estratificação térmica e de produção de OD. Observa-se supersaturação de OD
com concentrações acima de 20 mg.L-1 nas camadas superficiais e havendo diferenciais
térmicos de até 9°C entre superfície e fundo da lagoa, conforme Figuras 26B e 26D.
Os perfis em profundidade de OD e de temperatura da água dos pontos 2.1, 2.2, 2.3
das Figuras 26 E/F, 27 A/B e 27 C/D, referentes a 25.11, 02.12 e 08.12, respectivamente,
acusam excelentes distribuição de OD e difusão térmica ao longo do perfil longitudinal da
seção de aeração mecânica, resultado da produção mecânica e fotossintética de oxigênio pelas
algas. A partir dos perfis em profundidade dos pontos 2.4 até 2.8 já se evidencia a
estratificação térmica e de produção de OD. Observa-se supersaturação de OD nas camadas
superficiais com concentrações de OD acima de 20 mg.L-1 e diferenciais térmicos de até 7°C
entre superfície e fundo da lagoa. Os pontos relativos ao fundo da lagoa apresentam OD nulo
ou próximo a zero devido à atividade anaeróbia na camada de lodo sedimentado.
A Figura 27E apresenta os perfis longitudinais em três níveis de profundidade
(superfície, meio e fundo) de OD para a área perimetral de LAF2 em 11.12 para o período de
tempo entre 00 e 01 hora, onde se observa OD na Entrada de 1 mg.L-1, ocorrendo excelente
difusão de OD nos pontos 2.1 e 2.2 devido à proximidade com aeradores mecânicos, embora
já se verifique um declínio no perfil de OD através da redução na concentração de OD de 2,4
para 1,4 mg.L-1 entre os pontos 2.1 e 2.2 e baixa difusão de OD no ponto 2.3, o qual mantém
apenas 1,0 mg.L-1 em meia profundidade, justificando reavaliação do número de aeradores
para LAF2.
102
A
B
C
D
Figura 26 – Perfis longitudinais/transversais profundidade de OD e temperatura água (°C) LAF2 - 3ª Etapa. A: OD – perímetro/19.11; B: Temp. água (°C) – perímetro –
19.11; C: OD – corpo – 19.11; D: Temp. água (°C) – corpo – 19.11; E: OD – perímetro/25.11; F: Temp. água (°C) – perímetro/25.1.
E
F
103
A
C
E
B
D
F
Figura 27 – Perfis longitudinais/perimetrais de profundidade de OD e temperatura água (°C) LAF2 - 3ª Etapa. A: OD 02.12; B: Temp. água (°C) 02.12; C: OD 08.12;
D: Temp. água (°C) 08.12; E: OD 10.12; D: Temp. água (°C) 11.12.
104
Entre os perfis de profundidade dos pontos 2.4 e 2.5 já se evidencia ausência de OD.
No entanto, se verifica entre os perfis dos pontos 2.6 a 2.8 incrementos com elevação na
concentração de OD até 1,3 mg.L-1 e excelente difusão de OD entre camadas. De acordo com
Silva e Mara (1979 apud Von Sperling, 2002) isto é uma consequência da quebra da
estratificação térmica ocasionada por um mecanismo de mistura natural denominado inversão
térmica, que pode ocorrer com frequência em lagoas de estabilização de baixa profundidade
sob ação do vento no período noturno que auxilia na mistura das camadas. Como havia
supersaturação de OD acima de 20 mg.L-1 em película de 10 cm na camada superficial no
período diurno com estratificação térmica entre camada superior e inferior separadas pela
termoclina, com o resfriamento da camada superior e ação do vento em período noturno
houve dissolução da termoclina e difusão térmica e dos traços remanescentes de OD da
película superficial.
A Figura 27F apresenta os perfis longitudinais e em profundidade de Temperatura da
água para a área perimetral de LAF2 em 11.12 para o período de tempo entre 00 e 01 hora,
onde se observa de forma similar que ocorre excelente difusão térmica entre perfis
longitudinais e de profundidade dos pontos 2.1 e 2.3, consequência da aeração mecânica.
Entre os perfis longitudinais e de profundidade dos pontos 2.4 a 2.8 se evidencia difusão
térmica entre as camadas superiores e meio da lagoa, ocasionada pela inversão térmica e
dissolução da termoclina. Observa-se entre o fundo da lagoa e superfície diferenciais de
temperatura de até 3°C, que apresentam tendência de redução com o avanço do processo de
inversão térmica.
A Figura 28 apresenta os perfis longitudinais superficiais de pH da área perimetral da
LAF2 entre 2 e 11.12. Entre os perfis de 2 e 8.12 ocorre similaridade, destacando-se pH’s
entre 8,1 a 8,2, relacionados ao perfil de OD entre 3,5 e 4 mg.L-1 para 02.12 e pH’s entre 8,6 e
8,9, relacionados ao perfil de OD entre 8,5 e 11,5 mg.L-1 para 08.12. A Tabela 32 e Figura 22
indicam maiores temperatura máxima e temperatura do ar em 8.12 do que em 2.12, denotando
influência da temperatura na maior produção de OD pelas algas e por conseqüência maior pH.
O perfil de 11.12, entre 00 e 01 hora, se observa estabilidade no pH mantendo valor
de 7,7 no perfil longitudinal superficial entre pontos 2.1 e 2.4 devido à difusão térmica e de
OD promovida pelos aeradores. Entre os pontos 2.5 e 2.8 se verifica incremento no pH para
8,3 evidenciando processo de mistura e difusão por inversão térmica dos elevados níveis de
OD e pH da camada superficial durante período diurno.
105
Figura 28 – Perfil longitudinal perimetral e superficial de pH – LAF2– 3ª Etapa.
6.3.3 Apresentação das estatísticas descritivas sobre resultados de análises de
caracterização nas 2ª e 3ª Etapas da Pesquisa
A partir dos resultados de análises físico-químicas e microbiológicas das
amostragens pontuais e compostas de entrada e saídas de LAF1 e LAF2 coletadas entre 20.10
e 08.12.2010 conforme item 5.5.4, foram elaboradas estatísticas descritivas utilizando o
Programa STATISTICA 7, sendo apresentado na Tabela 33 as medidas de tendência central
(média aritmética) e medidas de dispersão (desvio padrão, mínimo, máximo) e percentagem
de eficiência. De acordo com Giansante (2001), a determinação das taxas de operação da ETE
para tratamento de esgotos sanitários é feita normalmente a partir da análise de DBO, DQO,
teor de coliformes fecais e a remoção de sólidos.
Conforme Tabela 33, as eficiências de remoção de DQO em LAF1 e LAF2 foram de
49,13% e 69,44%, respectivamente. Aplicando o teste-t com variâncias equivalentes e nível
de significância de 0,05 para as médias de DQO em LAF1 e LAF2 pode-se verificar que há
diferença significativa, ou seja, p=0,0107 < 0,05. Sendo p < α, temos que para um nível de
significância de 5% a hipótese H0 é rejeitada, sendo as médias de DQO consideradas
diferentes e a DQO de LAF1 é estatisticamente superior à DQO de LAF2, confirmando haver
melhor eficiência de remoção de DQO em LAF2.
106
Tabela 33 – Medidas de tendência central e dispersão e eficiências de parâmetros para amostras pontuais e
compostas entre 20 de outubro e 8 de dezembro de 2010
Tamanho da
Saída
Saída
Parâmetros
Medidas
Entrada
amostra
LAF1
LAF2
Média
Desvio Padrão
Mínimo
Máximo
Eficiência (%)
Média
Desvio Padrão
7
DBO5 (mg.L-1)
Mínimo
Máximo
Eficiência(%)
Média
Desvio
Padrão
DBO5 solúvel (mg.L-1) para Saídas
4
Mínimo
LAF1/LAF2
Máximo
Eficiência(%)
Média
Desvio Padrão
Nitrogênio Total (mg.L-1)
5
Mínimo
Máximo
Eficiência(%)
Média
Desvio Padrão
Fósforo Total (mg.L-1)
5
Mínimo
Máximo
eficiência(%)
Média
Desvio padrão
Coliformes Totais (NMP /100 mL)*
6
Mínimo
Máximo
Eficiência(%)
Média
Desvio padrão
6
Coliformes Fecais (NMP /100 mL)*
Mínimo
Máximo
Eficiência(%)
Fonte: adaptado de Relatórios de Ensaios - Laboratório IPAT/UNESC
Obs.: médias a a = não diferem estatisticamente (teste t)
médias a b = diferem estatisticamente (teste t)
*amostras pontuais
DQO (mg.L-1)
6
898,02
456,78a
274,45b
182,83
705,10
1213,40
467,00
145,67
276,00
704,00
472,75
159,18
346,00
704,00
71,64
35,99
16,60
116,40
7,48
0,30
7,30
8,00
1,21E+07
8,72E+06
1,60E+05
2,20E+07
1,19E+07
8,95E+06
1,60E+05
2,20E+07
-
113,70
360,90
663,40
49,13
117,43a
45,01
69,00
193,00
74,85
32,7a
34,95
7,00
84,00
93,07
55,24a
23,70
13,20
68,50
22,89
6,74a
0,57
6,00
7,30
9,89
7,06E+06a
7,16E+06
1,60E+05
1,60E+07
41,62
5,24E+06a
6,19E+06
1,60E+05
1,60E+07
56,04
86,38
180,90
360,90
69,44
75,29a
43,78
32,00
156,00
83,88
16,25a
9,74
2,00
23,00
96,56
59,62a
7,09
52,90
70,00
16,78
6,74a
0,28
6,50
7,20
9,89
5,76E+06a
5,84E+06
1,60E+05
1,60E+07
52,37
4,45E+06a
6,68E+06
4,90E+04
1,60E+07
62,70
Conforme Tabela 33, as eficiências de remoção de DBO5 em LAF1 e LAF2 foram de
74,85% e 83,88%, respectivamente. Aplicando o teste-t com variâncias equivalentes e nível
de significância de 0,05 para as médias de DBO em LAF1 e LAF2, pode-se verificar que não
há diferença significativa, ou seja, p=0,1011 > 0,05. Sendo p > α, temos que para um nível de
significância de 5%, a hipótese H0 é aceita, sendo as médias de DBO consideradas
107
equivalentes, não havendo diferença estatística entre os parâmetros de DBO5 entre LAF1 e
LAF2.
De acordo com Flores (2000), o tratamento biológico por lagoas aeradas é apropriado
para tratar esgotos domésticos, sendo que através de somente uma lagoa foi possível remoção
entre 87 e 91% de carga orgânica em termos de DBO5 com TDH de um dia.
Conforme Tabela 33, as eficiências de remoção de DBO5 solúvel em LAF1 e LAF2
foram de 93,07% e 96,56%, respectivamente. Aplicando o teste-t
com variâncias
equivalentes e nível de significância de 0,05 para as médias de DBO5 solúvel em LAF1 e
LAF2 pode-se verificar que não há diferença significativa, ou seja, p=0,3981 > 0,05. Sendo p
> α, temos que para um nível de significância de 5% a hipótese H0 é aceita, sendo as médias
de DBO são consideradas equivalentes, não havendo diferença estatística entre a DBO5
solúvel entre LAF1 e LAF2. De acordo com Yanez (2003), as taxas de remoção de DBO5
solúvel nas LAF estão entre 60 e 90%. Segundo Guimarães (1993) apud Flores (2000), lagoas
aeradas em Israel apresentaram eficiência de 91% de remoção de DBO5 solúvel para TDH de
3,5 dias e sólidos suspensos mantidos entre 200 e 280 mg.L-1.
Em Santiago Poniente (Chile – 1994) foram construídas lagoas aeradas para 130.000
habitantes, cujos resultados do tratamento foram 120-200 mg.L-1 em DBO total, sendo 10-30
mg.L-1 em DBO solúvel e 200-300 mg.L-1 em sólidos suspensos (MENA, 1996 apud
FLORES, 2000).
Matos (2005) elaborou um experimento em lagoa aerada de 64 m3, com
concentrações médias de 350 mg DQO/l e 153 mg DBO/l no esgoto afluente e potência de 3,5
CV através de um aerador tipo jato, obtendo-se eficiência entre 78 e 88% em termos de DBO
solúvel. Scalize (2003) relata que a ETE Araraquara (DAAE) constituída por dois módulos
em paralelo de lagoas aeradas seguidas de lagoas de sedimentação com capacidade de tratar
400 l/s, consumo energético através de 14 aeradores x 40 CV e TDH de 3 dias para cada
módulo, apresentou remoção média de DBO de 80,62% e DQO de 80,64%.
Conforme Tabela 33, as eficiências de remoção de Nitrogênio e Fósforo Total em
LAF1 foram 22,89 e 9,89% e em LAF2 foram de 16,78% e 9,89%, respectivamente.
Aplicando o teste-t com variâncias equivalentes e nível de significância de 0,05 para as
médias de Nitrogênio e Fósforo Total em LAF1 e LAF2 pode-se verificar que não há
diferença significativa, ou seja, p=0,7025 > 0,05 e p = 1 > 0,05, respectivamente. Sendo p > α,
temos que para um nível de significância de 5% a hipótese H0 é aceita, sendo as médias de
Nitrogênio e Fósforo Total são consideradas equivalentes, não havendo diferença estatística
108
entre estes parâmetros na saída das duas lagoas. As eficiências de remoção de Nitrogênio
Total e Fósforo Total para LAF1 e LAF2 são muito similares e inexpressivas.
Em um ano de estudo, Surampalli (1999) avaliou o desempenho em condições de
variação de temperatura de duas lagoas aeradas em paralelo, seguido por uma pequena lagoa
de polimento, em escala real, de uma comunidade de 637 habitantes localizada no centrooeste dos Estados Unidos, vazão de esgoto doméstico de 116,6 m3/d e TDH de 34 dias, COV
de 0,00379 kg DBO5/m3.d e 0,0035 kg DBO5/m3.d, respectivamente. A remoção de DBO5 se
manteve entre 76 a 97%. Efluentes atendiam os critérios da legislação ambiental para DBO5 e
SST, exceto quando os níveis de clorofila a das algas estavam altos. No verão, as
concentrações de N-amônia foram baixas devido à nitrificação e assimilação pelos
microrganismos, variando entre 0,3 a 4,2 mg.L-1 entre final da primavera e outono.
Temperaturas mais frias no inverno reduziram as taxas de nitrificação,
elevando as
concentrações de N-amônia, variando entre 8,8 a 23 mg.L-1. Observou-se lenta elevação da
taxa de nitrificação com o aumento da temperatura, refletindo ciclos lentos de declínio e
recuperação para alcançar uma população de nitrificação eficaz no sistema. Ortofosfato
também foi afetado pelas mudanças de temperatura, com valores baixos nos meses de verão e
mais elevados no inverno, variando entre 0,6 a 4,9 mg.L-1.
Uma modelagem mecanicista foi proposta por Houweling (2008) para explicar
sazonalidade da nitrificação e melhoria na remoção de amônia em plantas de LAF operadas
em Drummondville (Quebec, Canadá) durante três anos. Os resultados indicaram que a
nitrificação sazonal é determinada pela temperatura, OD e TDH, sendo que os sedimentos
contribuem para a carga de amônia no efluente na primavera e início do verão. Período de
nitrificação poderia ser prolongado se fossem incrementadas as concentrações de OD.
Conforme Tabela 33, as eficiências de remoção de Coliformes Totais e Fecais em
LAF1 foram 41,62 e 56,04% e em LAF2 foram de 52,37% e 62,70%, respectivamente.
Aplicando o teste-t com variâncias equivalentes e nível de significância de 0,05 para as
médias de Coliformes Totais e Fecais em LAF1 e LAF2 pode-se verificar que não há
diferença significativa, ou seja, p=0,7374 > 0,05 e p = 0,8348 > 0,05, respectivamente. Sendo
p > α, temos que para um nível de significância de 5% a hipótese H0 é aceita, sendo as médias
de Coliformes Totais e Fecais consideradas equivalentes, não havendo diferença estatística
entre estes parâmetros na saída das duas lagoas. LAF1 e LAF2 apresentam resultados
inexpressivos de remoção de coliformes totais e fecais, podendo estar em desacordo com
CONAMA 357/2000 que recomenda um limite de 1,0 x 103 NMP/100 mL de Coliformes
Fecais para corpos receptores Classe 2.
109
Conforme Giansante (2001), os dados de eficiências usuais da lagoa aerada seguida
de sedimentação ainda se apresentam pouco consolidados devido a dados reduzidos de grande
parte das ETE’s que contam com este processo. No entanto, valores médios de literatura e
alguns esparsos relatórios operacionais indicam 70 a 90% em DBO, 30 a 50% em nitrogênio,
20 a 60% em fósforo e 60 a 99% em coliformes fecais sem unidade suplementar de
desinfecção.
Oliveira (2002) realizou experimento com lagoa aerada em escala piloto por 10
meses recebendo afluente previamente tratado através de decantador e lagoas anaeróbias em
série para tratar dejetos de suínos. A lagoa aerada tinha formato cilíndrico, área superficial de
19,6 m2, profundidade de 1,85 m e volume 36,3 m3, aeração intermitente de 12 ciclos diários
de 20 minutos com aerador de superfície 5,0 CV, recebendo afluente com vazão de 0,3 m3/d,
TDH 121 d, DQO 800 mg.L-1, Ls 120 Kg DQO/ha.d. Os resultados mostraram remoção de
64% para DQO solúvel e 92% para DBO5 solúvel, gerando um efluente com DQO solúvel de
283 mg.L-1 e DBO5 solúvel de 15 mg.L-1; para NTK a eficiência de remoção foi de 84%, com
concentração efluente de 116 mg.L-1; em relação a amônia a eficiência de remoção foi de
83%, produzindo efluente com 98 mg.L-1. As perdas por volatilização da amônia livre (NH3)
não aconteceram uma vez que o pH médio verificado na lagoa foi de 7,0; a elevada redução
de amônia de 574 mg.L-1 para 98 mg.L-1 deu-se através das reações de nitrificação. Esse valor
de pH também interferiu na remoção de Fósforo Total que foi apenas de 3%, gerado um
efluente com 32 mg.L-1.
Esses resultados são próximos aos obtidos por Nameche et al.(2000), que estudaram
o desempenho de um sistema combinando lagoa aeradas e de estabilização, onde a eficiência
de remoção apresentada pelo sistema foi de 86,8% para DBO, 81% para DQO, 92,3% para
SS, 26% para nitrogênio total e aproximadamente 0% para o fósforo.
Mehmood et al. (2009) avaliou a eficiência de tratamento de lixiviados de aterro
sanitário por oxidação microbiana através de quatro lagoas aeradas conectadas. O aterro se
apresentava em um estado de envelhecimento metanogênico, produzindo chorume com DQO
relativamente baixa (valor médio 1.740 mgL-1) e concentrações de amônia relativamente alta
(valor médio de 1.241 mgL-1) com remoção de DQO média de 75%, e TDH variando de 11 a
254 dias. No geral 80% da carga de NT foi removida dentro da planta, sendo alguma
porcentagem por volatilização de amônia. Os perfis da comunidade microbiana de cada lagoa
se apresentavam divergentes, porém estáveis, provavelmente por reflexo do estado nutricional
em cada lagoa.
110
Brazil (2006) realizou experimentos através de tratamento aeróbio de resíduo
sobrenadante espessado de estrume de aquacultura em reatores replicados de formato circular
(500 L) com TDH entre 1, 3 e 6 dias sob condições de água fria (temperatura média = 13,5°C)
e água quente (temperatura média = 19,3°C água). Houve remoção de 91% de DBO solúvel
em todos os TDH em condições de temperatura maiores e 82% em condições de temperaturas
menores. A remoção de DQO variou entre 75 a 87% em todos os TDH durante ambas as fases
do estudo. A remoção de Nitrogênio Amoniacal Total foi de 32 a 87% entre 1 e 6 dias de
TDH, tendo forte influência do TDH e temperatura. A redução resultou de nitrificação e
assimilação algal. Em condições de temperatura mais baixas, a remoção de Fósforo dissolvido
foi de 22%. Em condições de temperatura mais alta, a remoção foi de 16,6%, 42,6% e 64,6%
para 1, 3 e 6 dias de TDH, respectivamente. Sólidos suspensos totais (SST) dentro do tanque
de tratamento incrementaram a conversão de resíduos solúveis em bactérias heterotróficas e
biomassa de algas.Observou-se que as atividades microbianas dependem das condições de
temperatura, sendo que as substâncias carbonáceas foram as mais facilmente removidas.
De acordo com Brazil (2006), o uso de reator sequencial de batelada onde condições
aquosas se alternam entre aeróbias (promoção de nitrificação) e anóxicas (promoção da
desnitrificação), promovem maiores remoções de nitrogênio para atender os requisitos legais.
Conforme Brazil (2006), um sistema de tratamento aeróbio deve ter processo de
sedimentação com fluxo radial para reduzir de 30 a 170 mg.L-1 de SST na saída do
tratamento.
Locas (2010) avaliou a remoção de microrganismos indicadores de vírus entéricos
humanos sob condições climáticas frias e quentes em lagoas aeradas no sudoeste de Quebec,
Canadá. Os resultados mostram maior remoção em condições ambientes quentes para todos os
microorganismos. No entanto, Enterococos e coliformes termotolerantes foram mais
removidos do que Clostridium perfringens e vírus entéricos humanos (HEV). Remoção de
HEV só foi observada em condições ambientes quentes. Verificou-se que a remoção de
coliformes pode superestimar a remoção de HEV, concluindo-se que não parece apropriado
remoção de patogênicos em lagoas aeradas sem tratamento posterior.
A partir da inserção de dados no Programa STATISTICA 7 foram elaborados
gráficos tipo Box Plot utilizando valores de mediana e quartis, específicos para cada
parâmetro analisado nas amostragens pontuais e compostas, conforme Figura 29
A/B/C/D/E/F. Os valores medianos de DQO podem ser observados na Figura 29A, não
havendo grande variabilidade nos dados e se denotando melhor resultado para LAF2.
111
Na Figura 29B se observa
maior amplitude nos dados de entrada de DBO5,
apresentando resultados estatisticamente similares para LAF1 e LAF2. As Figuras 29 C/D/E/F
confirmam resultados inexpressivos nas remoções de Nitrogênio e Fósforo Total e Coliformes
Totais e Fecais. Na Figura 30 também se observa resultados de DBO5 solúvel similares para
LAF1 e LAF2.
Box Plot - DQO (mg/L) - 2ª e 3ª Etapas
A
Median
25%-75%
Non-Outlier Range
Box Plot - DBO5 (mg/L) - 2ª e 3ª Etapas
B
Median
1400
800
1200
700
25%-75%
Non-Outlier Range
600
1000
DBO5 (mg/L)
DQO (mg/L)
500
800
600
400
300
400
200
200
100
0
0
Entrada
Saída LAF1
Box Plot - Nitrogênio Total (mg/L) - 2ª e 3ª Etapas
C
Median
Ex tremes
25%-75%
Entrada
Saída LAF2
Non-Outlier Range
Outliers
Saída LAF1
Saíd a LAF2
Box Plot - Fósforo Total (mg/L) - 2ª e 3ª Etapas
D
Median
25%-75%
Non-Outlier Range
Outliers
8.2
140
8
7.8
120
7.6
7.4
Fósforo Total (mg/L)
Nitrogênio Total (mg/L)
100
80
60
7.2
7
6.8
6.6
40
6.4
6.2
20
6
5.8
0
En trad a
Median
25%-75%
Entrada
Saíd a LAF2
Box Plot - Coliformes Totais (NMP/100 mL) - 2ª e 3ª Etapas
E
Non-Outlier Range
Median
2.4E7
2.2E7
2.2E7
2E7
2E7
1.8E7
1.8E7
1.6E7
1.4E7
1.2E7
1E7
8E6
6E6
Non-Outlier R ange
1.2E7
1E7
8E6
6E6
4E6
2E6
0
0
-2E6
-2E6
Saída LAF2
25%-75%
1.4E7
2E6
Saída LAF1
Saída LAF2
1.6E7
4E6
Entrada
Saída LAF1
Box Plot - Coliformes Fec ais (NMP/100 mL) - 2ª e 3ª Etapas
F
2.4E7
Coliformes fecais (MNP/100 mL)
Coliformes Totais - NMP/100 mL
Saíd a LAF1
En trada
Saída LAF1
Saíd a LAF2
Figura 29 – Distribuição de dados de (A) DQO, (B) DBO5, (C) Nitrogênio Total, (D) Fósforo total, (E)
Coliformes Totais e (E) Fecais para 2ª e 3ª Etapas.
112
Box Plot - Saída LAF1/LAF2 - DBO5 s olúvel (mg/L) - 3ª Etapa
Median
25%-75%
Non-Outlier Range
800
700
600
DBO5 (mg/L)
500
400
300
200
100
0
-100
Entrad a
Saída LAF1
Saída LAF2
Figura 30 – Distribuição de dados de DBO5 solúvel para 3ª Etapa.
6.3.4 Avaliação das cargas médias aplicadas e desempenho da lagoas – 2ª e 3ª Etapas
A partir dos dados de médias de DQO e DBO5 do efluente bruto e tratado nas LAF1
e LAF2 nas 2ª e 3ª Etapas (Tabela 33) e vazão estimada e adotada de 864 m3/d para entrada de
cada lagoa, foram obtidas as cargas orgânicas médias aplicadas em termos de DQO e DBO5
para entrada e saída de cada lagoa conforme Tabela 34, e as cargas orgânicas superficiais
(COS) e cargas orgânicas volumétricas (COV) conforme Tabela 35. Observa-se que as lagoas
apresentaram remoções satisfatórias e compatíveis com as características de tratamento
secundário para degradação de matéria orgânica.
Tabela 34 – Cargas orgânicas aplicadas na entrada e saída das lagoas nas 2ª e 3ª etapas
Entrada
Saída LAF1
eficiência (%)
Saída LAF2
Q (m3/d)
864,00
864,00
864,00
kg DQO/d
775,87
394,65
49,13
237,12
kg DBO5/d
403,48
101,45
74,86
65,05
eficiência (%)
69,44
83,88
A partir dos dados de médias de DQO e DBO5 do efluente bruto e tratado nas LAF1
e LAF2 nas 2ª e 3ª Etapas (Tabela 33) e vazão estimada e adotada de 864 m3/d para entrada de
cada lagoa, também foram obtidas cargas orgânicas superficiais (COS) e cargas orgânicas
volumétricas (COV) em termos de DQO e DBO5 conforme Tabela 35.
113
Tabela 35 – Cargas orgânicas superficiais e volumétricas nas 2ª e 3ª etapas
COS
COV
lagoas área (há)
volume (m3)
kg DQO/há.d kg DBO/há.d
kg DQO/m3.d kg DBO/m3.d
LAF1
0,4950
1567,4141
815,1111
5940,00
0,1306
0,0679
LAF2
0,4988
1555,4731
808,9014
5985,60
0,1296
0,0674
De acordo com Yanez (1980), a prática de uso de lagoas aeradas em climas tropicais
difere da prática em países de climas mais frios principalmente quanto a cargas admissíveis,
sendo que na América Latina, ocorrem instalações de lagoas aeradas com COV de até 0,1 kg
DBO/m3.d e profundidade de 3 metros que mantém populações de algas na superfície.
De acordo com Yanez (2003), as cargas orgânicas volumétricas de LAF estão na
ordem de 0,016 kg DBO/m3d. Thimsen (1965) e Sawyer (1968) apud Yanez (2003) sugerem
valores entre 0,035 a 0,08 kg DBO/m3d.
Segundo Yanez (1980), em LAF a densidade de energia é insuficiente para mistura
total, como caso de Campina Grande (Brasil) que recebe carga orgânica superficial (COS) de
1.200 kg DBO/há.d, densidade de energia de 4,5 W/m3 e volume de 53.900 m3, apresentando
acúmulo de lodos no fundo onde são digeridos anaerobicamente.
LAF de Tacna (Perú), tem área de 1,32 há, profundidade de 4,5 m, 4 aeradores de 20
HP e densidade de energia de 1 W/m3. Nestas condições recebem cargas de 1.580 kg/há.d,
sendo que acúmulo de lodo deve piorar o aspecto destas lagoas com o tempo (YANEZ, 1980).
Estudo de monitoramento de Guimarães (1996) em LAF de indústria de refrigerantes
com volume de 4.150 m3 com zona com zona aerada de 1.920 m3 com 2 aeradores
superficiais de 10 HP e 1 aerador de 5 HP resultou em remoção média de DBO total de 65% e
DBO solúvel de 75%. O sistema trabalhava com carga orgânica média aplicada de 189,3 kg
DBO/dia e TDH de 10 dias. Um incremento na concentração de SS no efluente final e
alteração de cor para verde sugere a síntese de clorofila em certos períodos do ano. Batimetria
feita em agosto quantificou lodo acumulado no fundo da lagoa e distribuição uniforme de
lodo. Concluiu-se que a remoção de lodo será requerida somente depois de cinco anos de
trabalho contínuo.
Lagoas aeradas têm sido extensivamente usadas para tratamento de efluentes de
processo celulose Kraft. Xavier (2009) avaliou o desempenho de um reator de bancada em
acrílico, simulando lagoa aerada para tratamento de efluentes de celulose Kraft no Chile, com
volume de 0,84 L (15x8x7cm), provido de zonas de aeração e sedimentação, temperatura
entre 10 e 22°C, concentração de 9 mg.L-1 de O2, TDH de 6 horas e COV acima de 4,0 kg
114
DQO/m3.d ou 1,3 kg DBO5/m3.d, obtendo remoções de DQO entre 35 e 62%, DBO5 entre
73 e 95% e de compostos fenólicos totais como o fitoesterol acima de 90%.
6.3.5 Discussão ref. a Coeficientes Globais de Remoção de DBO5 (K) na 3ª Etapa
De acordo com Metcalf e Eddy (2003), regimes hidráulicos tipo pistão e mistura
completa podem ser ideais e não ideais, dependendo das condições de fluxo entre entrada e
saída. Fluxo hidráulico não ideal ocorre quando TDH real é menor que TDH teórico, isto é, o
volume real é menor que o volume teórico calculado para uma mesma vazão, definido como
curto-circuito. Em reatores tipo pistão não ideais, traçadores são impulsionados por efeitos de
advecção, isto é, movimento de material coloidal ou dissolvido com a velocidade de corrente
e por efeitos de dispersão, isto é, transporte axial e longitudinal de material através das
diferenças de velocidade e difusão molecular e turbulenta. Já reatores tipo mistura completa
não ideais não tem energia suficiente para mistura adequada.
A Tabela 36 apresenta Coeficientes Globais de Remoção de DBO5 (K) assumindo-se
regimes hidráulicos ideais de mistura completa e pistonado para LAF1 e LAF2,
respectivamente, obtidos a partir dos resultados analíticos de DBO5/DBO5 solúvel entre 17.11
e 08.12, período correspondente à 3ª Etapa da Pesquisa.
Tabela 36 – Coeficientes K(20°C) de LAF1 e LAF2 admitindo condições ideiais de regime hidráulico
data de
coleta
DBO5
DBO5
DBO5
solúvel
solúvel
-1
(mg.L )
(mg.L-1)
(mg.L-1)
Esgoto Bruto
Saída LAF1 Saída LAF2
(S0)
(S)
(S)
TDH
(LAF1)
(d-1)
K(20°C)
LAF1
mistura
completa
TDH
(LAF2)
(d-1)
K(20°C)
LAF2
pistão
17.11.2010
443,00
84,00
23,00
7
0,61
7
0,42
25.11.2010
398,00
7,00
2,00
7
7,97
7
0,75
02.12.2010
346,00
15,00
18,00
7
3,15
7
0,42
08.12.2010
704,00
25,00
22,00
7
3,88
7
0,49
115
Tendo em vista condições atuais de assoreamento de LAF1, estima-se uma redução
mínima aproximada de 1/3 de seu volume útil e por consequência de 1/3 do TDH teórico ou
melhor, reduzindo TDH real para 4,67 dias. LAF1 e LAF2 apresentam na realidade regimes
hidráulicos não ideais, com números de dispersão que podem ser obtidos a partir de dados
como coeficente de difusão axial e testes com traçadores (METCALF E EDDY, 2003).
No entanto, em função dos resultados nas condições ideais obtidos na Tabela 36,
pode ser observado eficiências elevadas nas remoções de DBO5 solúvel e grande amplitude
nos resultados em LAF1, de forma que o TDH sendo inversamente proporcional ao K(20°C)
implica em que quanto menores os valores de TDH, maiores valores para K(20°C),
mantendo-se remoções elevadas de DBO5 solúvel.
Conforme von Sperling (2002), LAF em regime de mistura completa apresenta
valores de K(20°C) que oscilam entre 0,6 a 0,8 d-1. Considerando condições ideais de regime
de fluxo em mistura completa para LAF1, em 17.11 o valor de K(20°C) estaria dentro de
valores encontrados em literatura. Os outros valores obtidos de K(20°C) também podem ser
comparados aos ilustrados em Tabela 9 (YANES, 2003). No entanto, além de se ter de
assumir condições ideais para um comparativo, estes valores não têm representatividade pelo
número muito restrito de amostragens.
Conforme item 5.2.3, considerando condições ideais assumidas de regime de fluxo
em pistão para LAF2, o coeficiente global K(20ºC) calculado foi 0,25 d-1, atendendo aos
requisitos legais. Os valores de K(20°C) obtidos a partir dos dados da Tabela 36 estão entre
0,42 e 0,75 d-1, superiores a 0,25 d-1 tendo em vista os resultados expressivos de DBO5
solúvel. Porém, o número de amostragens também não é representativo, recomendando-se
maior número de dados.
Von Sperling (2005) orienta que nos dimensionamentos de lagoas sempre há uma
incerteza quanto a coeficientes de modelo e dados de população e de vazão, de forma a não
exagerar na sofisticação em obtenção de certos coeficientes, devendo-se analisar a
confiabilidade de outros dados possivelmente de maior influência.
Em experimento com lagoa aerada de mistura completa, Matos (2005) obteve
coeficientes médios de remoção de DBO (KT) entre 1,7 e 1,8 d-1. Corrigidos para temperatura
de 20ºC, através da lei de Arrhenius, obteve-se coeficientes K(20ºC) entre 1,1 e 1,2 d-1.
Verifica-se que os valores médios obtidos encontram-se dentro dos limites de 1,0 e 1,5 d-1
recomendados pela literatura (von SPERLING, 2002; MATOS, 2005).
116
6.3.6 Verificação de novos requisitos de oxigênio para LAF1 e LAF2
Considerando a taxa de aeração como um fator determinante para melhoria do
desempenho de LAF1 e LAF2, foram reavaliados os Requisitos de Oxigênio (RO) para cada
lagoa aerada facultativa a partir da equação (5), mantendo-se os índices adotados no item
5.2.9, com exceção do coeficiente a que assume novo valor, sendo a = coeficiente = 1,2 kg O2
/ kg DBO5.
Obtendo-se RO = 300,67 kg O2/dia por LAF.
6.3.7 Verificação de nova potência requerida para LAF1 e LAF2
Mantendo-se os seguintes índices:
- EOpadrão (kg O2/ kWh) = 2,42 kg O2/kWh (aerador de pás AQUAPÁ B-209, conforme
Catálogo do fabricante Bernauer)
- EOcampo = 0,66 x EOpadrão
- EOcampo = 0,66 x 2,42 kg O2/kWh = 1,597 kg O2/ kWh
O cálculo da potência requerida ou Requisitos Energéticos (RE) para cada lagoa é
obtido a partir da equação (6) RE = RO / 24. EOcampo, obtendo-se:
RE = RO / 24. EO campo = 7,84 kW
RE = 7,84 kW / 0,735 = 10,67 CV ~ 12 CV
Portanto, cada lagoa aerada facultativa irá necessitar de 12 CV de potência. Como
cada aerador mecânico operando tem potência 2 CV, os requisitos energéticos serão atendidos
através de 6 aeradores, isto é, 2 CV x 6 = 12 CV.
6.3.8 Verificação de novas condições de densidade de potência para LAF1 e LAF2
Considerando que cada lagoa terá 6 aeradores em 50% de sua área total, deverão ser
estabelecidas novas condições de densidade de potência, sendo que a Tabela 37 apresenta
uma revisão das densidades de potências de LAF1 e LAF2, tendo em vista a equação (4).
117
Tabela 37 – Verificação de novas condições de densidade de potência das lagoas.
Lagoa
Volume (m3)
Potência (CV)
Potência (W)
Densidade de potência
(Φ = W/m3)
LAF1
2.970
12
8.820
2,96
LAF2
2.992,5
12
8.820
2,95
Como as densidades de potência das duas lagoas se apresentam acima de 2,75 W/m3,
isto corresponde a se manter concentração de SS acima de 300 mg.L-1 na entrada da área de
sedimentação, conforme Tabela 11 (pág. 38). Como 2,96 W/m3 ~ 3,00 W/m3, conforme von
Sperling (2002), estas lagoas poderão já apresentar características de lagoas aeradas de
mistura completa seguida de lagoa de sedimentação.
118
7 CONCLUSÕES E RECOMENDAÇÕES
7.1 Conclusões
Neste trabalho foi realizado um estudo comparativo do desempenho de duas lagoas
aeradas facultativas com geometrias semelhantes, tendo em vista suas condições operacionais
em escala real, instaladas em paralelo, com monitoramento em três etapas durante seis meses,
obtendo-se as seguintes conclusões:
As eficiências de remoção de DQO, DBO5 e DBO5 solúvel, Nitrogênio e Fósforo
Total, Coliformes Totais e Fecais em LAF1 foram de 49,13%, 74,85%, 93,07%, 22,89%,
9,89%, 41,62%, 56,04% e em LAF2 foram de 69,44%, 83,88%, 96,56%, 16,78%, 9,89%,
52,37% e 62,70%, respectivamente. Os resultados para DQO apresentaram diferença
significativa através do teste-t, ou seja, p=0,0107 < 0,05, indicando melhor desempenho para
LAF2. No entanto, os resultados para DBO5 e DBO5 solúvel, Nitrogênio e Fósforo Total,
Coliformes Totais e Fecais não apresentaram diferença significativa, sendo considerados
estatisticamente equivalentes, indicando desempenho similar para as duas lagoas. Para
Nitrogênio e Fósforo Total, Coliformes Totais e Fecais, os resultados são inexpressivos.
LAF1 apresentou assoreamento nos extremos laterais que por serem regiões mortas,
concorrem em maior estratificação térmica e estabelecem curto-circuitos ou fluxos
preferenciais das linhas de corrente pela região mais central, reduzindo volume útil, TDH e
desempenho real. Há sérios indícios de que a causa principal está associada à entrada/saída
unitária de LAF1. Adotando-se uma distribuição eqüidistante de três entradas/saídas por
tubulações/tês imersos, conforme lay out da Figura 31, deverá promover melhor mistura
hidráulica e aproveitamento de todo o corpo da lagoa. LAF2 tende a menor assoreamento em
regiões mortas laterais e melhor aproveitamento da taxa de aeração, favorecidos pelo regime
hidráulico assumido como tipo pistão não ideal e efeito parede da chicana longitudinal,
embora seja favorável implantar duas saídas eqüidistantes para prevenir áreas estagnadas.
Condições de declínio e recuperação cíclicas nos perfis longitudinais superficiais de
OD das lagoas quando não associados a variações climáticas e taxas de aeração insuficientes
no período noturno indicam sobrecarga orgânica, exigindo novos requisitos de oxigênio e
densidade de potência para mistura nas duas lagoas.
119
Em função da baixa profundidade, a frequência de limpeza realizada a cada quatro
anos está contribuindo para o assoreamento estimado de aproximadamente 1/3 do volume e
redução de 1/3 do TDH real da LAF1. Para se melhorar o desempenho, pode-se propor
limpeza a cada 2 anos para cada lagoa.
7.2 Recomendações operacionais
Recomenda-se para LAF1:
i.
Limpeza e desassoreamento, atendendo ao intervalo máximo de dois anos
devido à baixa profundidade e acúmulo de lodo;
ii.
Readequação dos requisitos de oxigênio e de potência e densidade de potência;
iii.
Adoção de três entradas/saídas por tubulações/tês imersos para otimizar
mistura hidráulica
Recomenda-se para LAF2:
i.
Intervalo de dois anos para limpeza;
ii.
Readequação dos requisitos de oxigênio e de potência e densidade de potência;
7.3 Recomendações de alternativas de readequações para LAF1 e LAF2
Com base nas novas condições de Requisitos de Oxigênio, Potência e Densidade de
Potência requeridas para LAF1 e LAF2, pode se avaliar três alternativas de Upgrade
(readequação):
1ª alternativa: instalação de seis aeradores nas duas lagoas, concentrados
próximos à entrada de cada lagoa onde a demanda de oxigênio é superior,
alterando para três pontos submersos equidistantes para entrada/saída de LAF1
e para dois pontos submersos para saída em LAF2 para para prevenção de
curto-circuitos e zonas mortas, conforme lay out da Figura 31.
2ª alternativa: instalação de seis aeradores nas duas lagoas, concentrados
próximos à entrada de cada lagoa, implantação de chicana longitudinal na
120
LAF1 com divisão para dois pontos submersos na entrada e três pontos
submersos eqüidistantes para saída, conforme lay out da Figura 32.
3ª alternativa: instalação de um sistema de gradeamento, desarenação e
medição de vazão para a ETE, adequando simetricamente para LAF1 e LAF2
regime hidráulico com maior percurso longitudinal e seis aeradores instalados
em série a partir de região próxima à entrada de cada lagoa onde a demanda de
oxigênio é superior, otimizando áreas de influência de mistura e oxigenação de
cada aerador, conforme Lay Out da Figura 33.
Em termos econômicos, a primeira alternativa se apresenta mais atrativa em função
das reduzidas alterações propostas para LAF1. A segunda alternativa estabelece fluxo mais
pistonado para LAF1, aproveitando melhor as áreas mortas, porém com percurso mais curto,
melhorando condições de mistura e oxigenação dos aeradores mecânicos pelo efeito parede da
chicana longitudinal. A terceira alternativa apresenta readequação (upgrade) mais detalhada e
arrojada, propondo condições simétricas para as duas lagoas, inserindo tratamento preliminar
com grade, desarenação e medição de vazão a montante de LAF1 e LAF2. Quanto à remoção
de coliformes fecais, a terceira alternativa apresenta lagoas facultativas e/ou decantação com
maior percurso longitudinal, podendo favorecer maior remoção de nutrientes e de
patogênicos, a partir do aumento na taxa de aeração. No entanto, lagoas de maturação ou
processos de desinfecção seriam os mais recomendados para atender legislação ambiental.
121
Figura 31 - Lay Out de LAF1 e LAF2 conforme 1ª Alternativa de up grade.
122
Figura 32 - Lay Out de LAF1 e LAF2 conforme 2ª alternativa de up grade.
123
Figura 33 - Lay Out de LAF1 e LAF2 conforme 3ª alternativa de up grade.
124
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