LAGOAS AERADAS TRATANDO ESGOTOS SANITÁRIOS: REDUÇÃO NO CUSTO DE
ENERGIA ELÉTRICA
1
Engº MsC Marcos Augusto Said - CETESB - Av. Profº Frederico Hermann Jr., 345 - São
Paulo-SP-Brasil - CEP: 05489-900 - Email: [email protected]
2
Prof. Tit. Pedro Alem Sobrinho - Av. Profº Almeida Prado, 231 - Prédio Engenharia Civil Cidade Universitária - CEP: 05508-900 - Email: [email protected]
3
Prof. Dr. Roque Passos Piveli - Departamento de Saúde Ambiental da Faculdade de Saúde
Pública-USP - Av. Dr. Arnaldo, 715 - Cerqueira Cesar - São Paulo-SP-Brasil - CEP: 01246-904
- Email: [email protected]
RESUMO
Foi desenvolvido estudo em escala piloto, com esgoto sanitário com o objetivo de se verificar o
efeito da parada do sistema de aeração de lagoas aeradas aeróbias no período de tres horas
de pico de consumo de energia elétrica na qualidade do efluente tratado.
Tendo-se observado que tal parada de aeração em nada afetou a qualidade do efluente finalde
um sistema de lagoa aerada seguida de lagoa de decantação, estudou-se a economia possível
na conta de energia elétrica pela utilização de tarifa horo-sazonal e sem a demanda de energia
nas tres horas de pico de consumo .
Os resultados dos estudos levaram à conclusão de que se pode chegar a uma economia de
26% a 42% na conta de energia elétrica, sendo o que o último valor deverá ocorrer com maior
frequência.
Palavras Chave: Tratamento de esgotos sanitários; lagoa aerada; economia de energia elétrica;
tarifas de energia elétrica.
1
2
3
Engenheiro da CETESB, mestre em Saúde Pública pela Faculdade de Saúde
Pública da Universidade de São Paulo
Professor Titular da Escola Politécnica da Universidade de São Paulo
Professor Doutor da Faculdade de Saúde Pública da Universidade de São Paulo
INTRODUÇÃO
A poluição hídrica devido ao lançamento de efluentes líquidos em corpos
d'água, por comprometer e restringir os seus usos, indubitavelmente tem sido um problema
geralmente de difícil solução, principalmente nos países em desenvolvimento.
Em cidades de médio e até de pequeno portes nem sempre a implantação de
lagoas de estabilização se apresenta como a melhor solução e um sistema de lodos ativados,
na maioria dos casos, não é viável.
Desta forma, a alternativa de se implantar uma lagoa aerada, deve ser
considerada.
Em grande parte dos casos, o que tem inviabilizado o emprego de lagoas
aeradas é o custo da energia elétrica para manutenção dos seus aeradores.
Por outro lado, segundo os especialistas e autoridades responsáveis pela
geração, transmissão e distribuição de energia elétrica no Brasil, o setor elétrico, especialmente
no estado de São Paulo, já se encontra muito próximo à saturação, mormente em horários de
pico de consumo, quando a demanda vem se aproximando do limite da oferta de eletricidade
por parte do sistema.
À vista destas considerações, o empreendimento de estudos relativos a
operação de sistemas de tratamento de esgotos domésticos compostos por lagoas aeradas
seguidas de lagoas de decantação, conduzida de forma a racionalizar o consumo de energia
elétrica, gerando redução na conta mensal, é de grande valia e poderá vir a ser de fundamental
importância.
O presente trabalho pretende alcançar os seguintes objetivos:
1) Implementar o acervo técnico existente a respeito de operação de lagoas aeradas aeróbias
seguidas de lagoas de decantação;
2) Apresentar os dados relativos ao desempenho desse sistema operando com interrupções
diárias em sua aeração, principalmente no tocante à estabilidade quanto à remoção de
matéria orgânica dos esgotos, medida em termos de DBO e DQO e à manutenção de uma
concentração adequada de microrganismos no reator biológico, medida em termos de
sólidos em suspensão voláteis;
3) Estudar os reflexos sobre o custo mensal de energia elétrica, à luz do sistema tarifário
vigente, quando a aeração é interrompida diariamente durante as 3 (três) horas de pico de
consumo de energia elétrica.
MATERIAIS E MÉTODOS
Concepção do Experimento
O experimento foi montado na CETESB, em São Paulo, na área conhecida
como “planta piloto”, e constou essencialmente de um modelo, em escala piloto, de um sistema
composto por lagoa aerada aeróbia, seguida por decantação.
A aeração da lagoa foi descontínua, sendo interrompida no período
compreendido entre 10:30 h e 13:30 h, totalizando 21 h/dia de aeração ao invés de 24 h/dia,
conforme procedimento usual nesta modalidade de processo de tratamento.
Os esgotos à entrada e à saída do sistema, bem como o conteúdo da lagoa
aerada foram submetidos a uma série de análises físico-químicas, visando a observação do
desempenho do processo sob interrupções programadas na aeração.
O regime de vazões foi estabelecido de forma a resultar em tempo de detenção
de 3 dias na lagoa de aeração.
O tempo de detenção inicial da unidade de decantação era muito baixo. Alguns
meses depois, o tempo de detenção foi alterado para 1,26 dias (recomendável) substituindo a
unidade decantação antiga por uma caixa em fibrocimento de 1000 h.
Para se aquilatar o consumo de energia demandado neste tipo de sistema,
operando nestas condições experimentais, foram realizados testes de consumo de oxigênio,
utilizando-se amostras da lagoa.
A Figura 1 a seguir apresenta o desenho esquemático do experimento.
2
Extravazor
Efluente
final
Lagoa aerada
Unidade de
decantação
(até final de 1995)
Lodo
FIGURA 01 - Representação esquemática do sistema de tratamento
A Figura 02 ilustra uma foto do experimento e do local onde o mesmo foi
montado.
FIGURA 02 - Vista geral do experimento e parcial da “planta piloto”
O procedimento ideal seria variar a vazão de alimentação ao longo das 24
horas de acordo com o padrão típico de variação de vazões de esgotos sanitários.
Por uma questão de conveniência operacional a alimentação da lagoa foi
realizada, adotando-se dois ciclos:
1º ciclo: alimentação contínua com vazão constante durante 12 horas, no horário compreendido
entre as 06:00 h até às 18:00 h;
2º ciclo: alimentação alternada (1 hora alimentando seguindo-se 1 hora sem alimentação), com
vazão constante e igual àquela do 1º ciclo, no período das 18:00 h às 06:00h.
Tal procedimento foi empregado para simular, em grau de aproximação
bastante aceitável para esse estudo, o regime de vazões típico das cidades ao longo de 24
horas. A adoção desta forma de se alimentar a lagoa foi devida ao funcionamento de um
dispositivo eletro-eletrônico denominado "timer", que liga e desliga qualquer equipamento
elétrico a ele conectado (nesse caso a bomba de alimentação e o aerador) conforme a
programação a ele imposta.
O regime de saída do efluente da lagoa aerada para a unidade de decantação
pode ser resumido da seguinte maneira:
saída fechada: 4h/dia, das 10:30h até às 14:30 h;
saída controlada: 2 h/dia, das 14:30h até às 16:30 h;
saída livre: 18 h/dia, das 16:30 até às 10:30 h.
3
A figura 3 a seguir ilustra os procedimentos experimentais
HORAS
01
02
03
04
05
06
07
08
09
10
11
12
13
14
15
16
17
18
ALIMENTAÇÃO
ALIM.ENTAÇÃO
ALTERNATIVA
AERAÇÃO
DESCARGA
DESCARGA
ALTERNATIVA
Figura 3 - Esquema operacional
- ALIMENTAÇÃO COM VAZÃO NORMAL
- ALIMENTAÇÃO COM VAZÃO REDUZIDA
- AERAÇÃO NORMAL
- DESCARGA LIVRE PARA A LAGOA DE DECANTAÇÃO
- DESCARGA COM VAZÃO CONTROLADA PARA A LAGOA DE DECANTAÇÃO
19
20
21
22
23
4
MONITORAMENTO DO SISTEMA
Diariamente eram realizadas as medições de temperatura, oxigênio dissolvido,
por meio de medidor tipo sonda, vazão de alimentação, com proveta e cronômetro e vazão do
ar difuso em leitura do rotâmetro instalado.
Os pontos amostrados para análises físico-químicas e biológicas foram: a
entrada de esgoto bruto ao sistema, o corpo líquido da lagoa e a saída da unidade de
decantação.
TABELA 0.1. - Parâmetros laboratoriais analisados
PARÂMETRO
PONTO DE AMOSTRAGEM
DBO [ mg/L]
Entrada; Saída
DBO solúvel [mg/L]
Saída
DQO [mg/L]
Entrada; Saída
DQOsolúvel [mg/L]
Saída
pH
Entrada: Lagoa; Saída
SST [mg/L]
Lagoa
SSV [mg/L]
Lagoa
Microscopia
Lagoa
De 08/03/95 a 06/10/95 as amostras eram coletadas entre 08:00h e 09:00h,
devidamente preservadas e encaminhadas aos laboratórios. A partir de 10/10/95, exceção feita
às amostras coletadas na lagoa, as demais passaram a ser compostas por alíquotas em alguns
horários do dia, conforme será apresentado na tabela 4.2.
TABELA 02 - Cronologia de amostragem e horário de coleta das alíquotas
Período amostrado
Horário de coleta das alíquotas [h
10/10/95 e 16/10/95
09:00; 11:00; 13:00; 15:00; 17:00
17 e 18/10/95
14:30; 15:30; 16:30; 17:30; 08:30
18/10/95
09:30; 11:30; 13:30; 17:30
19/10/95 e 23/10/95
09:00; 11:00; 13:00; 15:00; 17:00
24/10/95
09:30; 12:00; 13:45; 15:30; 17:30
25/10/95
10:00; 13:00; 16:00; 18:00
26/10/95
09:30; 13:30; 15:30; 17:30
30/10/95
14:30; 16;30; 18:30
31/10/95
09:00; 11:00; 13:00; 15:00
06/11/95 a 27/11/95
09:00; 11:00; 13:00; 15:00; 17:00
28/11/95
09:00; 11:00; 13:00; 15:00; 17:00; 21:00
29/11/95 a 06/12/95
09:00; 11:00; 13:00; 15:00; 17:00; 21:00; 01:00; 05:00
06/12/95
09:00; 11:00; 13:00; 15:00; 17:00
07 e 08/12/95
09:00; 11:00; 13:00; 15:00; 17:00; 21:00; 01:00; 05:00
11/12/95 a 13/12/95
09:00; 11:00; 13:00; 15:00; 17:00
16/01/96 a 24/04/96
09:00; 11:00; 13:00; 15:00; 17:00
TESTES DE CONSUMO DE OXIGÊNIO
Face a importância do teste de consumo de oxigênio, visto que o mesmo foi
fundamental para se obter a potência de aeração e consequentemente os custos de energia,
foram realizados 23 (vinte e três) testes neste trabalho, cujo procedimento será descrito a
seguir:
1) Após o período em que a aeração da lagoa era interrompida reiniciava-se a mesma de forma
intensiva (máxima capacidade do sistema de ar difuso) até que o meio líquido estivesse
praticamente saturado de oxigênio.
2) Coletava-se uma amostra da lagoa, submetendo-a a agitação moderada num recipiente, de
forma a manter os sólidos em suspensão distribuídos em todo o meio líquido e sem
propiciar a aeração do mesmo.
3) O líquido inicialmente com alta concentração de oxigênio dissolvido era alimentado por
esgoto bruto durante todo o transcurso do teste, mantendo-se a mesma relação
alimento/microrganismos da operação da lagoa aerada.
4) Registrava-se em intervalos regulares de tempo (5 minutos), a concentração de oxigênio
medida no meio líquido.
5
5) Determinou-se também os valores de DBO e sólidos em suspensão em amostra do esgoto
bruto utilizado.
Os recursos materiais utilizados foram os seguintes:
Um balde de volume conhecido, agitador tipo “jar test” com as pás dos
agitadores modificadas, aparelho de medição de oxigênio dissolvido, cronômetro, bomba
peristáltica e suportes adaptados.
Observa-se na Figura 04 a seguir a instalação dos materiais e equipamentos
para o teste.
FIGURA 04 - Teste de consumo de oxigênio
TARIFAS DE ENERGIA ELÉTRICA
Considerando que o conhecimento a respeito do sistema tarifário é de
fundamental importância para a concepção do presente trabalho, o mesmo será exposto de
forma resumida a seguir.
Os preços de energia elétrica dependem da tensão de fornecimento que se
classifica em dois grupos: A - alta tensão e B - baixa tensão.
O grupo A se subdivide em subgrupo, da seguinte forma:
A1 - tensão maior ou igual a 230 Kv;
A2 - tensão de 88 a 138 Kv;
A3 - tensão de 69 Kv;
A3a - tensão de 30 a 44 Kv
A4 - Tensão de 2,3 a 25 Kv
AS - baixa tensão de distribuição subterrânea.
O grupo B - baixa tensão, para o caso de saneamento utiliza-se apenas o
subgrupo B3.
Par o caso de baixa tensão a tarifa resulta simplesmente do produto do
consumo mensal de energia, expresso em Kwh pelo preço unitário do mesmo.
O sistema tarifário em alta tensão envolve duas parcelas: demanda e
consumo.
Demanda é máximo valor de potência utilizada, registrado por aparelho
integrador durante qualquer intervalo de 15 minutos, ao longo de um mês. É medida em KW.
Consumo é a energia ativa gasta durante um mês ou seja é o produto de
potência pelo tempo de utilização.
Em alta tensão a tarifa pode ser:
• Convencional, em que o valor da conta mensal ou faturamento é igual a C x Tc +D x Td,
onde C = consumo [KWh], Tc = preço do consumo [$/KWh], D = demanda [KW] e Td = preço
da demanda [$/KW];
6
• Tarifa horo-sazonal verde, que considera o período de ponta, em que o sistema elétrico é
mais solicitado (3 horas/dia, geralmente, das 17:30 até 20:30 horas), desconsiderando os
sábados, domingos e feriados. Nesse caso o faturamento é igual a Cf.Tcf + Cp.Tcp + D.Td,
onde Cf e Tcf são respectivamente consumo e preço do consumo em períodos fora da ponta e
Cp e Tp são o consumo e preço do consumo medido no horário de ponta. Além disso, os
preços unitários do consumo, tanto na ponta como fora dela são um pouco mais elevados nos
meses que compõem o período de estiagem (maio a novembro), denominado período seco. O
período restante (dezembro e abril do ano seguinte) é chamado de período úmido.
• Tarifa horo-sazonal azul, que é calculada anolagamente à verde, porém a parcela de
demanda também é desdobrada em ponta e fora de ponta. Assim o faturamento é: Cf.Tcf +
Cp.Tcp + Dp.Tdp, onde Df e Tdf são respectivamente a demanda e preço fora de ponta e Dp e
Tdp são a demanda de ponta e preço da demanda de ponta.
RESULTADOS OBTIDOS
Resultados obtidos no experimento
A tabela 03 apresenta os valores de medição da concentração de oxigênio
dissolvido, temperaturas e vazão do ar difuso, ao longo da operação do experimento, em
termos de média, desvio padrão e faixa de variação.
TABELA 03. - Resultados de temperatura, oxigênio dissolvido e vazão de ar obtidos ao longo
do experimento
PARÂMETRO
MÉDIA DESVIO
FAIXA
DE
PADRÃO
VARIAÇÃO
Temperatura do ar [°C]
24,9
23,6*
4,0
4,8*
14,5 a 34,5
15,0 a 34,0*
Temperatura do esgoto bruto [°C]
22,6
22,7*
1,5
1,4*
18,0 a 26,0
19,0 a 26,0*
Temperatura da lagoa [°C]
22,7
21,4*
2,4
2,0*
15,5 a 27,5
17,5 a 25,0*
Oxigênio dissolvido da lagoa [mg/L]
3,0
1,8**
1,9
1,3**
0,0 a 8,5
0,0 a 25,0**
Vazão do sistema de ar difuso [L/min]
9,0
6,1**
4,3
1,1**
0,0 a 40
0,0 a 8,8**
* valores considerados apenas nos casos de registros simultâneos de temperaturas do ar,
esgoto bruto e lagoa (até 14/09/95);
**valores considerados a partir de 23/01/96 e somente nos casos de registros pareados de
medições de concentrações de oxigênio dissolvido e vazão de ar.
A tabela 04 contém as médias, desvios padrão bem como os valores extremos
dos parâmetros físico-químicos e biológicos do sistema na entrada e saída do mesmo, para
cada condição experimental que integrou a fase experimental e considerada capaz de influir na
magnitude dos resultados. Na tabela 04 os resultados independeram da fase experimental,
pois foram amostras instantâneas uma vez que o reator operou em regime de mistura
completa.
Os resultados das análises físico-químicas e biológicas do sistema abrangeram
amostras de 77 dias no período de março/95 a abril/96.
7
TABELA 04 - Resultados das análises laboratoriais dos esgotos à entrada e a saída do sistema
piloto
ENTRADA
SAÍDA
Parâmetro
Condição
Média
Desvio
Faixa
de Média
Desvio
Faixa
de
Experimental
Padrão
Variação
Padrão
Variação
DBO
Amostragens
107
80
27 a 391
35
25
4 a 102
DBO solúvel
instantâneas
10
8
<1 a 32
DQO
(até 06/10/95)
172
95
44 a 473
60
35
7 a 152
DQO solúvel
31
18
<6 a 84
SST
69
53
21 a 256
27
15
4 a 69
SSV
45
29
13 a 142
20
13
3 a 53
pH
6,4 a 7,0
6,8 a 7,7
DBO
Amostragens
147
54
76 a 309
29
23
2 a 81
DBO solúvel
compostas
5
3
<2 a 11
DQO
(de 10/10/95a
255
85
141 a 489
57
29
21 a 114
DQO solúvel
13/12/95)
27
15
9 a 87
SST
87
46
54 a 177
33
22
6 a 78
SSV
65
34
6 a 157
22
16
6 a 65
pH
6,8 a 7,3
6,7 a 7,6
DBO
Amostragens
120
33
66 a 190
12
3
5 a 18
DBO solúvel
compostas.
5
3
<2 a 11
DQO
Aumento do
208
48
127 a 298
31
10
<17 a 54
DQO solúvel
tempo de
22
9
8 a 41
SST
detenção na
57
29
20 a 130
14
10
3 a 35
SSV
unidade de
44
20
18 a 100
8
5
2 a 20
pH
decantação
6,5 a 7,1
6,3 a 7,7
OBS: exceção feita ao pH, unidades expressas em mg/L.
TABELA 05 - Resultados das análises laboratoriais do lodo da lagoa aerada
PARÂMETRO
MÉDIA
DESVIO PADRÃO
FAIXA DE
VARIAÇÃO
SST [mg/L]
98
48
10 a 197
SSV [mg/L]
69
39
6 a 193
pH
6,2 a 7,8
Os resultados dos testes de consumo de oxigênio são apresentados na tabela 06
8
TABELA 06 - Teste de consumo de oxigênio
Volume
da
Amostra
da Lagoa
Carga
Orgânica
Aplicada
[mg/h]
Taxa de
Consumo de
Oxigênio
no Teste
DATA
DBO
SST
SSV
[L]
[L/h]
DBO
[mgO2/L.min]
[mgO2/L.h]
[mgO2/h]
05/11/96
204
30
0,42
85,7
0,0228
1,37
41,1
06/11/96
239
30
0,42
100
0,0331
1,99
59,7
07/11/96
276
30
0,42
116
0,0406
2,44
73,3
18/12/96
133
22
22
30
0,42
55,9
0,0175
1,05
31,5
02/01/97
88
25
10
30
0,42
37,0
0,0118
0,71
21,2
06/01/97
234
135
135
30
0,42
98,3
0,0128
0,77
23,1
07/01/97
22
330
326
27
0,37
8,14
0,0251
1,51
40,8
08/01/97
185
190
180
27
0,37
68,4
0,0224
1,34
36,2
09/01/97
176
215
205
27
0,37
65,1
0,0325
1,95
52,6
14/01/97
96
93
65
27
0,37
35,5
0,0226
1,35
36,4
15/01/97
66
98
60
27
0,37
24,4
0,0171
1,03
27,8
16/01/97
96
92
70
27
0,37
35,5
0,0185
1,11
30,0
20/01/97
60
45
23
27
0,37
22,2
0,0112
0,60
18,1
21/01/97
33
52
29
27
0,37
12,2
0,0099
0,60
16,2
22/01/97
49
68
40
27
0,37
18,1
0,0109
0,65
17,5
28/01/97
34
42
<1
10
0,37*
12,6
0,0136
0,82
8,2
29/01/97
48
6
6
10
0,37*
17,8
0,0185
1,11
11,1
04/02/97
65
22
14
10
0,37*
24,0
0,0268
1,61
16,1
05/02/97
99
38
60
10
0,37*
36,6
0,0463
2,78
27,8
06/02/97
126
47
68
10
0,14
17,6
0,0139
0,84
8,4
04/03/97
130
108
6
10
0,14
18,2
0,0266
1,59
15,9
05/03/97
148
81
68
10
0,14
20,7
0,0273
1,64
16,4
06/03/97
111
80
64
10
0,14
15,5
0,0203
1,22
12,2
* A vazão de alimentação correta seria de 0,14 L/h e foi mantida alta (0,37 L/h) para se testar o quanto a alimentação estava influindo no ensaio.
isto para três testes; em 05/02/97 houve equívoco.
Concentração(mg/L)
Vazão de
Alimentação
Taxa Específica de
Consumo de Oxigênio
Consumo
de
Oxigênio/Carga
de DBO
[kgO2/kgDBO]
0,5
0,6
0,6
0,6
0,6
0,2
5,0
0,5
0,8
1,0
1,1
0,8
0,8
1,3
1,0
0,6
0,6
0,7
0,8
0,5
0,9
0,8
0,8
Planejou-se
9
O tratamento criterioso dos valores obtidos, levando-se em consideração as
condições dos testes, resultados aceitáveis à luz da literatura técnica (1,0 a 1,3 KgO2/KgDBO) e
majoração para segurança, conduziu para a adoção do valor igual a 0,9 KgO2/KgDBO aplicada.
Custos de energia elétrica
A necessidade de oxigênio para os sistemas de tratamento pode ser calculada, a
partir da adoção de 0,9 kgO2/kgDBO, conhecendo-se a carga orgânica, em termos de DBO,
aplicada. Adotando-se uma carga orgânica unitária igual a 54 gDBO/dia x hab., tem-se:
-3
-3
Necessidade de O2 = 0,9 kgO2 x 54 x 10 kgDBO = 48,6 x 10 kgO2/hab.dia
kgDBO
dia x hab.
Deve-se corrigir os dados de capacidade de transferência de oxigênio dos
aeradores superficiais de alta rotação apresentados nos catálogos, para as condições de campo
onde foram realizados os ensaios através de:
 ( β ⋅ CSW − CL ) ⋅ 1,02T − 20 ⋅ α 
N = N 0

9 ,17


sendo: N =
taxa de transferência de O2 [kgO2/kWh]
N0 =
taxa de transferência de O2 em água limpa, a 20ºC
[kgO2/kWh]. Adotar-se-á 1,2.
β=
fator de correção devido à salinidade e tensão
superficial. Adotar-se-á 0,95.
c sw = concentração de saturação de O2 dissolvido,
no esgoto. Adotar-se-á 8 mg/L (22,5ºC para água,
nas condições locai
s)
cL =
concentração de O2 dissolvido na operação da
lagoa. Adotar-se-á 1,8 mg/L (valor médio obtido).
T=
temperatura do esgoto. Utilizar-se-á 22,5ºC.
α=
fator de correção da transferência de O2 para o esgoto,
em relação à água limpa. Adotar-se-á 0,8.
Assim:
 ( 0,95 ⋅ 8 − 1,8) ⋅ 1,0222 ,5 − 20 ⋅ 0,8 
N = 1,2

9,17


N = 0,638 kgO2/kWh
A energia ativa/habitante, requerida pelo sistema de aeração mecânica no sistema de tratamento
seria:
Eh = Necessidade de O2 [kg/hab. x dia]
N [kgO2/kWh
onde: Eh = energia requerida por habitante [kWh/hab. x dia]
Então:
-3
Eh = 48,6 x 10
0,638
-3
Eh = 76,2 x 10 kWh/hab. x dia
A potência requerida / hab. seria:
Ph =
Eh
.[kWh/hab.]
21 horas/dia
sendo: Ph = potência requerida / habitante [kW]
Assim:
-3
Ph = 76,2 x 10
21
-3
Ph = 3,63 x 10 kW/hab
10
Há que se ressaltar que os parâmetros ora expostos são válidos para a condição
operacional imposta ao experimento, ou seja, 21 horas de aeração / dia. Para uma operação
normalmente imposta a um sistema de tratamento o valor de Ph, seria aproximadamente igual a:
-3
Ph = 76,2 x 10
24
-3
Ph = 3,17 x 10 kW/hab
A condição experimental imposta ou seja, a interrupção da aeração durante 3
horas/dia objetivou simular que durante o horário de ponta não houve consumo de energia elétrica,
embora esse horário se verifique entre 17: 30 e 20: 30 horas e no experimento, por conveniência
operacional , tenha ocorrido entre 10:30 e 13:30 horas.
A tabela 07 a seguir contém os preços de energia elétrica CESP-Cia Energética de
São Paulo, para o subgrupo de tensão A 4, que é dos mais utilizados pelas Cias de Saneamento.
TABELA 07 - Tarifas
ModaliSubdade
grupo
Tarifária
A2
A3
A3a
ConvenA4
cional
AS
B3
A1
A2
A3
A3a
A4
AS
Horosazonal
azul
de energia elétrica da CESP, conforme Portaria Nº90 07/04/97
CONSUMO [R$/kWh]x103
Demanda
PERÍODO
[R$/kW]
Seco
Úmido
13,08
32,92
14,10
35,49
4,89
71,63
5,07
74,26
7,49
77,71
134,77
Dp
Df
Cp
7,67
1,60
43,66
38,20
8,24
1,89
46,28
43,17
11,06
3,02
52,44
46,49
12,93
4,32
84,77
78,48
13,41
4,47
87,92
81,36
14,02
6,85
92,01
85,14
A3a
Horo4,32
A4
sazonal
4,47
AS
verde
6,85
OBS: foram incorporados desconto de 15% e ICMS.
FONTE: Diário Oficial da União de 08/04/97.
383,73
397,82
416,32
377,44
391,29
409,50
Seco
Úmido
Cf
30,89
33,16
36,11
40,32
41,79
43,75
26,27
30,42
31,18
35,65
36,94
38,66
40,32
41,79
43,75
35,65
36,94
38,66
Pode-se observar que os preços referentes aos horários fora de ponta são
idênticos entre as tarifas horo-sazonais azul e verde e como não há utilização de energia elétrica
em períodos de ponta, conclui-se que não há diferença de faturamento entre as modalidades verde
e azul.
A figura 05 apresenta os custos mensais de energia elétrica em função da
população beneficiada, segundo as modalidades tarifárias e para o regime de utilização normal
(aeração 24h/dia) e experimental (21h/dia). Ressalta-se que essa figura foi realizada utilizando-se
o valor de 0,9 Kg/O2/KgDBO e temperatura de 22,5 º C.
11
35000
Aeração
convencion
Horo-sazonal
al
Horo-sazonal
seca
Aeração
convencion
24h/dia
Horo-sazonal
al
Horo-sazonal
seca
Horo-sazonal
úmida
Horo-sazonal
seca
úmida
30000
25000
verde
verde
azul
azul
C
on 20000
ta
m
en
sa
l
[R 15000
10000
5000
0
0
20
40
60
80
100
120
140
População
[hab.x10
Figura 05 - Custo mensal de energia elétrica para
aeração no sistema de tratamento 21h/d e 24h/dia
160-3
]
12
Utilizando-se a figura 06 obtém-se diretamente o custo anual/habitante de acordo com a
temperatura e o valor de Kg/O2/Kg/DBO aplicado ao sistema de tratamento.
4,0
1,4
3,8
15°C
20°C
3,6
25°C
1,3
30°C
3,4
1,2
Despesa anual com energia elétrica [R$/hab. ano]
3,2
3,0
1,1
2,8
1,0
2,6
0,9
2,4
2,2
0,8
2,0
0,7
Aeração 24h/dia horo-sazonal azul
1,0
Aeração 21h/dia horo-sazonal
1,2
FIGURA 06 - Custos anuais “per capita” de energia elétrica (ábaco)
Aeração 21h/dia convencional
1,4
Aeração 24h/dia horo-sazonal verde
1,6
Aeração 24h/dia convencional
1,8
kgO2
kgDBO
13
DISCUSSÃO DOS RESULTADOS
Alimentação do sistema
A partir da observação dos resultados das análises físicas e biológicas podese tecer os seguintes comentários:
em termos de DBO, pode-se classificar o esgoto bruto como de fraca concentração e
muito fraca para sólidos em suspensão;
a relação média DQO/DBO foi de 1,73 e na maioria da amostragens inferior a 2,
revelando bom grau de biodegradabilidade, característica de esgotos domésticos;
a relação SSV/SST, em termos médios foi de 0,75 e nas amostragens compostas 0,77,
também típicas de esgostos domésticos;
os valores de pH se mantiveram na maioria das amostragens entre 6,8 a 7,2, também
caracterizando um esgoto doméstico.
Assim, pode-se caracterizar o esgoto bruto que alimentou o sistema como
sendo de origem predominantemente doméstica e de baixa concentração. Importa salientar
que baixas concentrações afluentes implicam em maiores dificuldades para se alcançar
maiores eficiências.
SISTEMA LAGOA AERADA SEGUIDA DE UNIDADE DE DECANTAÇÃO
As figuras 7 e 8 a seguir apresentam respectivamente os resultados de DBO
e DQO a partir da data em que foi aumentado o tempo de detenção para 1,26 dias na unidade
de decantação. Examinando-se essas figuras pode-se constatar boas remoções em termos
de DBO e DQO, enquanto que para sólidos em suspensão as eficiências de remoção foram
menores mas não são baixas (média de 75 a 80%). Contudo, deve-se considerar que foram
obtidos, na maioria das amostras de esgoto de bruto, valores de concentração muito baixas
(médias de 53 mg/L, 46 mg/L e 29 mg/L, conforme a tabela 04), sendo que a literatura técnica
cita 100 mg/L como valor típico de esgoto fraco.
200
180
160
140
DBO [mg/L]
120
100
80
60
DBO afluente
DBO efluente
DBO solúvel efluente
40
20
0
16
JAN
17
18
23
30
31
FEV
01
06
07
08
13
14
15
11
15
ABR
16
17
18
23
24
DATA
FIG
FIGURA 07. - Valores de DBO afluente e efluente em função do tempo
14
300
250
DQO [mg/L]
200
150
DQO afluente
DQO efluente
DQO solúvel efluente
100
50
0
16
JAN
17
18
23
30
31
01
06
07
08
13
14
15
22
11
15
16
17
ABR
FEV
18
23
24
DATA
FIGURA 08 - Valores de DQO afluente e efluente em função do tempo
As concentrações de sólidos na lagoa perfizeram uma média de 98 mg/L e não
ultrapassam 200 mg/L. A literatura teórica menciona valores entre 100 e 350 mg/L. As baixas
concentrações devem ter decorrido da alimentação pouco concentrada.
As figura 9 a seguir apresenta concentrações de sólidos em suspensão voláteis
em função das concentrações de sólidos em suspensão totais, do meio líquido da lagoa.
200
180
SSV = 0,75 SST - 4,36
R2 = 0,8642
160
140
SSV [mg/L]
120
100
80
60
40
20
0
0
20
40
60
80
100
120
140
160
180
200
SST [mg/L]
FIGURA 09. - SSV em função dos SST na lagoa
O coeficiente linear da reta ajustada indica uma relação SSV/SST igual a 0,75,
confirmando que a concentração de biomassa esteve compatível com a concentração de sólidos
em suspensão, reforçando a hipótese de que a última esteve baixa devido à característica do
afluente conforme aventado anteriormente.
15
Não foram registrados valores de temperaturas capazes de influenciar o processo,
embora não tenham sido realizadas medições no período noturno, quando há declínios mais
acentuados.
Também não foram determinados valores de pH que possam ter exercido
comprovada influência no processo de tratamento.
CUSTO DA ENERGIA ELÉTRICA
A Tabela 07, a seguir apresenta os custos segundo os subgrupos de tensão, numa
instalação que operando normalmente 24 h/dia requer demanda mínima para ser enquadrada no
sistema horo-sazonal ou seja 50 KW.
Nessa tabela é apresentada a comparação entre as despesas anuais com energia
resultantes da aplicação das condições normal (24 horas/dia) e experimental (21 horas/dia).
TABELA 07 - Despesas anuais com energia nas condições normal e experimental, segundo os
subgrupos de tensão, numa instalação de 50kW
CONDIÇÃO
CONDIÇÃO
EXPERIMENTAL
NORMAL
DIFERENÇA
SUBGRUPO
[R$]
[R$]
[R$]
A1
13.797,00
18.746,40
4.949,40
A2
15.330,00
22.250,40
6.920,40
A3
16.994,00
24.002,40
7.008,00
A3a
19.793,80
34.295,40
14.541,60
A4
20.498,00
35.565,60
15.067,20
AS
22.951,20
38.544,00
15.592,80
B3
59.042,40
59.042,40
0,00
Obs:1) Na condição normal aplicou-se o sistema tarifário convencional, excetuando
o subgrupo A1, em que é aplicável somente a tarifa horo-sazonal azul.
2) Na condição experimental majorou-se a tarifa em 24/21 para
compensação das 3 horas diárias de parada da aeração.
3) Preços da CESP.
%
26,4
31,1
29,2
42,4
42,4
40,4
0,0
É importante ressaltar que os valores monetários contidos na coluna referente a
"diferença" representam a economia mínima a ser obtida num sistema, para a cobertura das
despesas anuais com energia elétrica, caso seja implantada a condição experimental. Isso significa
que para maiores potências instaladas (maior demanda) a economia se traduzirá em maiores
valores. Por exemplo, se a demanda for de 300 KW, economizar-se-á cerca de R$ 29.000,00 a R$
93.000,00 anualmente ou R$ 2.500,00 a R$ 7.000,00 mensalmente, a depender do subgrupo de
tensão de fornecimento.
Entretanto há que se considerar o investimento para a aquisição e instalação de
aeradores adicionais para compensar a interrupção no fornecimento de oxigênio ao meio líquido
durante 3 h/dia. Supondo-se, por exemplo, uma população beneficiada de 150.000 habitantes e
admitindo-se: 1,3 kg O2/kg DBO aplicada, 54g DBO/hab.dia e aeradores de 25 CV capazes de
transferir 0,5 kg O2/CV.h, com custo de aquisição e instalação em torno de R$ 20.000,00/aerador,
sob a condição normal, ou seja, aeração 24 h/dia, tem-se:
150.000 hab. x 0,054 kg DBO/hab.d x 1,3 kg O2/kg DBO
= 877,5 CV
24 h/d x 0,5 kg O2/CV.h
Ou seja: 35 aeradores
Para a condição experimental, ou seja, aeração durante 21 h/dia, tem-se:
877,5 x 24/21 = 1003 CV
Ou seja: 40 aeradores
Os 5 aeradores adicionais implicam num investimento adicional de R$ 125.000,00,
sendo que, em termos de custo de energia elétrica a condição experimental gera, nesse caso, uma
economia mensal de R$ 5.324,00 (subgrupo A1) a R$ 16.773,00 (subgrupo AS). No caso do
sistema elétrico estar enquadrado no subgrupo A4, que é o mais comumente utilizado, inclusive
16
pela SABESP (Companhia de Saneamento Básico do Estado de São Paulo), a economia mensal
perfaz cerca de R$ 16.207,00 e tal montante significa um período de amortização do investimento
adicional em aeradores (R$ 125.000,00) da ordem de 8 meses. Considerando um período de
projeto de 10 anos, em que os aeradores serão colocados em operação de acordo com a
necessidade de oxigênio gerada pelo aumento da carga orgânica ao longo desse período e
descontando-se 8 meses, ter-se-á uma economia de aproximadamente R$ 1.815.184,00, que
representa uma recuperação de cerca de 24% sobre o custo de implantação, admitindo-se R$
40,00 a R$ 60,00 por habitante. Caso seja desconsiderado o investimento inicial tal recuperação a
ser alcançada ao longo do período de projeto totalizará cerca de 26%.
Por outro lado, não se pode desconsiderar a hipótese de que existem sistemas de
tratamento de esgotos operando com algum excedente em potência de aeração, de forma que a
paralisação dos aeradores durante 3 horas/dia não acarretaria reflexos significativos sobre os
mesmos. Nesses casos, não há necessidade de se considerar o acréscimo de investimento no
sistema de aeração.
Em relação dos ensaios para a determinação do consumo de oxigênio e que
serviram de base para se aquilatar a potência de aeração necessária, responsável pelos resultados
em termos de custo de energia elétrica, pode-se comentar que os 23 (vinte e tres) resultados não
foram convergentes. O resultado adotado (0,9 kgO2/kgDBO), em princípio, parece ser o mais
acertado, mesmo porque, as condições do teste foram sendo melhoradas e os últimos resultados
convergem para esse valor.
7. CONCLUSÕES E RECOMENDAÇÕES
O sistema de tratamento de esgoto constituído por uma lagoa aerada aeróbia
seguida de unidade de decantação, em escala piloto, alimentado por esgoto sanitário
predominantemente doméstico e funcionando com a aeração interrompida durante 3 (três) horas
diárias, foi operado de 17/02/95 a 06/03/97 e pôde-se, com base nos resultados obtidos, bem como
em constatações de ordem prática, extrair as seguintes conclusões, em relação ao experimento:
• O sistema foi alimentado por esgotos de baixa concentração em termos de DBO e DQO e muita
baixa concentração de sólidos; apesar disso foram obtidas boas eficiências de remoção,
principalmente em relação a DBO, que atingiu média de 90%, com concentrações nos esgotos
tratados variando entre 5 e 18 mg/L.
• Tendo em vista que as amostragens abrangeram a maior parte do período em que as
concentrações de oxigênio dissolvido declinavam, face as condição experimental imposta, não se
pode atribuir os bons resultados obtidos ao suprimento de oxigênio e dessa forma pode-se
considerar viável a sua interrupção durante 3 horas/dia.
• Os testes de consumo de oxigênio geraram resultados, em sua maioria, abaixo de 1,0
kgO2/kgDBO e isso poderia ser esperado, visto que nos valores usualmente adotados, em torno
de 1,2 kgO2/kgDBO, está contida uma majoração de segurança.
Sob o ponto de vista de energia elétrica, pode-se concluir que:
• A adoção do sistema tarifário horo-sazonal sempre gerará redução nas contas de energia elétrica
em instalações cujo consumo de eletricidade é praticamente invariável ao longo do dia, como é o
caso de lagoas aeradas, especialmente a tarifa azul, sendo que, implantada a condição
experimental (interrupção da energia elétrica diariamente das 17:30 h as 20:30 h), a redução
será ainda maior.
• A interrupção de energia elétrica diariamente em horário de ponta (17:30 h as 20:30 h), em
sistemas enquadrados na modalidade tarifária horo-sazonal, gerará uma economia de 26% a
42%, a depender da tensão de fornecimento (subgrupos A1, A2, A3, A3a, A4 e AS).
Particularmente, no subgrupo A4 (2,3 a 2,5 KV), que é a faixa de alta tensão mais empregada,
sendo, por exemplo, o caso da SABESP – Companhia de Saneamento Básico do Estado de São
Paulo, a economia tarifária será de cerca de 42%. Em termos de "per capita" haverá uma
economia anual de R$0,31/habitante a R$1,56/habitante conforme os parâmetros a serem
considerados para dimensionamento dos aeradores. A tabela que se segue apresenta as
reduções no custo mensal de energia elétrica, conforme a população beneficiada, para os
sistemas de tratamento de esgotos enquadrados no subgrupo de tensão A4.
17
População
Atendida
(hab)
Com Interrupção
Sem interrupção
Redução
Potência
Custo
Potência
Custo
de
Custo
[kW] (1)
Mensal
[kW] (1)
Mensal
Mensal
[R$]
[R$]
[R$]
20.000
98,35
2940,00
86,05
5101,00
2161,00
50.000
215,13
7350,00
245,87
12752,00
5402,00
100.000
430,27
14700,00
491,73
25505,00
10805,00
200.000
860,53
29399,00
983,47
51009,00
21610,00
(1) Necessidade de oxigênio = 1,3 kgO2/kgDBO aplicada; aeradores de alta rotação
com capacidade de transferência em campo = 0,5 kgO 2/CV..h; 54 g DBO/hab.d
(2) Preços da CESP
(3) Foram aplicadas tarifas horo-sazonal e convencional respectivamente para os sistemas
operados com interrupção de energia elétrica no horário de pico e naqueles operados 24h/dia.
• Na redução dos custos com o pagamento das contas mensais de energia elétrica deverá ser
levado em consideração um acréscimo de investimento para se aumentar a potência de aeração,
da ordem de 14%. Tal acréscimo será amortizado (em valor presente) em cerca de 8 meses,
caso a tensão de fornecimento da instalação esteja enquadrada no subgrupo A4 (2,3 a 25 kV),
os aeradores sejam de 25 CV cujo preço unitário de aquisição e instalação seja estimado em R$
20.000,00. Entretanto, convém observar que existem sistemas de aeração em funcionamento
que, caso desligados 3 h/dia, não acarretarão prejuízos significativos ao sistema de tratamento
dos esgotos e, nesses casos, se prescindirá de investimentos adicionais.
• Sob as condições anteriores, considerando um período de projeto de 10 anos e custo de
implantação de sistema de tratamento de esgotos por habitante estimado de R$ 40,00 a R$
60,00, a redução mensal cumulativa dos custos com energia elétrica perfará cerca de 20% a
30% de recuperação do investimento ao final do período, em valor presente. Se não houver a
necessidade de aumento de potência de aeração, a redução nos custos totalizará
aproximadamente 22% a 32%.
• Face à sobrecarga sobre o setor elétrico em horário de ponta, a interrupção de energia elétrica
nesse horário certamente implicará em reflexos benéficos e de inquestionável relevância sobre
este setor nos dias de hoje.
• Considerando os bons resultados obtidos no experimento, recomenda-se que se implante a
condição experimental em escala real e se proceda à monitoramento do sistema.
É recomendável que se realizem pesquisas em efluentes industriais e nesse caso
há que investigar os fatores de carga da unidade de consumo e as características do efluente
líquido, sendo que a redução de custos em energia elétrica poderá vir a ser ainda maior.
REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS
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médio do KWh e estimativa da redução de despesa com energia elétrica no sistema de
tarifação horo-sazonal. São Paulo, 1984.
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07/06/97: fixam as tarifas para fornecimento e suprimento de energia elétrica,
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