QUALIDADE DE CONTROLE APLICADA A TRATAMENTO DE
EFLUENTE DE LATICÍNIO POR SISTEMA ALAGADO CONSTRUÍDO
HÍBRIDO
Mariane Libório Cardoso
Universidade Tecnológica Federal do Paraná, Londrina–Pr, Brasil
Engenharia Ambiental
[email protected]
Ricardo Naganime Costanzi
Universidade Tecnológica Federal do Paraná, Londrina–Pr, Brasil
Engenharia Ambiental
[email protected]
Resumo
A qualidade dos recursos hídricos está associada com a eficiência dos sistemas de tratamento de
efluentes industriais e urbanos, pois os corpos de água são utilizados para diluição. Desta forma,
existe uma necessidade premente de monitorar os sistemas de tratamento de efluentes visando
possibilitar modificações operacionais preventivas, bem como aumentar a confiabilidade dos
processos visando à conformidade dos parâmetros de legislação. Esse trabalho realizou o
monitoramento do tratamento de efluente de laticínio por um Sistema Alagado Construído (SAC)
Híbrido em escala de bancada, na cidade de Londrina – Paraná. As variáveis monitoradas foram:
Demanda Química de Oxigênio (DQO), Nitrogênio Total Kjeldahl (NTK), Fósforo total (P-total),
pH, Condutividade Elétrica, Cor Aparente e Turbidez. Para cada variável descrita foi realizada uma
análise de desempenho do sistema e controle do processo por meio de métodos estatísticos de
qualidade, como gráficos de controle de Shewart e índices de capacidade do processo. O cálculo de
índice de capacidade do processo permitiu avaliar o desempenho do tratamento de efluentes dentro
de valores limites especificados por normas ou legislações. O sistema apresentou capacidade de
controle de processo para a maioria das variáveis. Porém, para as variáveis DQO, NTK, P-total, cor
e turbidez os índices de capacidade de processo calculados foram menores que 1,0, o que indica que
as condições estabelecidas tem possibilidade de não serem alcançadas. Desta forma, o desempenho
de um SAC pode ser controlado por processos estatísticos de controle visando a implementação de
ações operacionais de melhoria necessárias para evitar valores acima de limites de especificação.
Palavras-chave: Sistemas alagados construídos. Efluente de laticínios. Controle de qualidade.
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1 Introdução
A oferta de água no planeta depende do local e é variável no tempo e espaço. A quantidade
de água local é determinada pelas condições climáticas, época do ano e atividades humanas, tais
como o uso da água para sistemas urbanos, industriais e agrícolas. O uso inadequado dos recursos
hídricos pode causar poluição, principalmente pelos despejos de esgoto sanitário e efluentes
industriais sem tratamento adequado (MIERZWA & HESPANHOL, 2005).
Atualmente, o tratamento de efluentes industriais é imprescindível para conservação dos
corpos hídricos, pois dependendo da qualidade do efluente inexiste a capacidade de autodepuração.
Esse aspecto é de suma importância, pois acarreta degradação dos sistemas hídricos devido à alta
carga de matéria orgânica com a consequente diminuição da concentração de oxigênio dissolvido e
a eutrofização pelo excesso de nutrientes. Ambos têm sido objetos de estudo e preocupação (ISCEN
et al., 2008; OUYANGA et al., 2006).
Efluentes de indústrias de laticínios têm alto potencial poluidor, pois a carga de matéria
orgânica de seus derivados é muito alta e há excesso de nutrientes provindos de detergentes e
produtos químicos das limpezas dos equipamentos, que são necessárias para indústrias alimentícias
(GOMES, 2006).
Desta forma, o lançamento de efluentes deste tipo de indústria deve apresentar
características e especificações de qualidade adequadas. Ou seja, devem-se prover métodos para
controle e redução das variabilidades existentes. Isto acarreta uma necessidade de reformulação de
conceitos atuais sobre o uso da água, tratamento e descarte dos efluentes gerados (MIERZWA &
HESPANHOL, 2005).
Ou seja, a qualidade de um sistema pode ser melhorada pelo controle estatístico do processo
como forma de avaliar o processo para que este atenda as legislações vigentes, mesmo que todo
sistema apresente variabilidades naturais. Por meio deste método é possível constatar a ocorrência
de causas atribuídas ou mudanças no processo para viabilizar ação corretiva mais eficiente para o
problema (MONTGOMERY & RUNGER, 2013).
Então, a finalidade de um gráfico de controle é a detecção de causas não aleatórias que
deixam o sistema fora de controle. Neste contexto, um processo pode ser definido como uma
distribuição de probabilidade que representa uma qualidade característica constante ao longo do
tempo (WALPOLE et at.,2009).
Este trabalho aplica técnicas de controle estatístico em um Sistema Alagado Construído
Híbrido que trata efluentes de uma fábrica de laticínios, localizado no Campus da Universidade
Tecnológica Federal do Paraná na cidade de Londrina visando estabelecer um melhor controle
quanto a procedimentos operacionais e qualidade do efluente lançado.
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2 Materiais e Métodos
2.1 Características do Sistema Alagado Construído
O experimento foi realizado na Universidade Tecnológica Federal do Paraná do campus de
Londrina, sendo realizado no período de 90 dias (novembro de 2014 a fevereiro de 2015). O sistema
foi confeccionado com duas caixas de polipropileno de dimensões de 0.36 x 0.20 x 0.26 m.. Cada
caixa foi conectada em série (adaptado de Begosso, 2009), sendo a primeira um SAC de fluxo
horizontal contendo como substrato brita no 0 (malha de 12mm) com a espécie Papiros (Cyperus
papyrus nanus) plantada; o segundo SAC de fluxo vertical contendo areia média (de 0,42 mm a 1,2
mm) com a espécie Helicônia (Heliconia psittacorum).
O sistema foi alimentado em ciclos de 24 horas com volume de 8 Litros de efluente
clarificado de sistema de flotação por ar dissolvido de indústria de laticínio localizado na cidade de
Londrina, Paraná.
2.2 Qualidade de Controle
Foi aplicada inicialmente estatística descritiva por meio de médias, desvio padrão,
coeficiente de variação e normalidade. Para verificação de normalidade, foi utilizado o teste de
Shapiro-Wilk pelo software Bioestat 5.3. A constatação de normalidade no teste realizado foi
utilizada como condição para uso de métodos estatísticos de controle de qualidade individuais. Caso
ocorra não normalidade, foram utilizadas técnicas de controle estatístico de processos pela
confecção de gráficos de controle elaborados através das médias móveis.
2.3 Gráficos de Controle
Para este trabalho foram utilizados os gráficos de controle de Shewhart. Estes gráficos
permitem detectar a ocorrência de causas de variabilidade específicas para permitir uma ação
corretiva.
Os critérios definidos para verificação do não controle do processo (Smeti, 2007; Benneyan,
1998) foram:
Teste 1: um ponto com valor maior do que 3 vezes o desvio padrão;
Teste 2: 2 de 3 pontos com valores maiores do que 2 vezes o desvio padrão;
Teste 3: 6 pontos consecutivos, todos aumentando ou diminuindo.
Os limites superiores e inferiores apresentados nesses gráficos foram calculados pelas eq. 1
e 2, utilizadas apenas para amostras individuais (MONTGOMERY & RUNGER, 2013).
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(1)
(2)
Onde:
LCS é o limite superior de controle;
LCI é o limite inferior de controle;
é a média das médias móveis e
AM é a amplitude móvel média.
2.4 Índices de Capacidade do Processo
O índice de capacidade potencial (Cp) e o índice de desempenho (Cpk) do processo foram
calculados para o SAC híbrido visando avaliar se os parâmetros pH, Nitrogênio, Cor Aparente e
Turbidez estão dentro do valor máximo exigido pela Resolução CONAMA 430/11 (BRASIL,
2011), para o lançamento do efluente.
O Cp considera que o processo está centrado no valor nominal da especificação e é definido
pela equação 3.
(3)
Onde:
Cp é a capacidade do processo;
LSE é o limite superior de especificação;
LIE é o limite inferior de especificação e
é o desvio padrão estimado.
O Cpk é utilizado caso a média do processo não coincida com o centro do intervalo de
especificação (Louzada et. al., 2013) e é determinado pela equação 4.
(4)
Onde:
Cpk é a capacidade do processo não centrado;
LSE é o limite superior de especificação;
LIE é o limite inferior de especificação;
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é a média das médias móveis e
é o desvio padrão estimado.
3 Resultados
3.1 Normalidade
Ao aplicar o teste de normalidade de Shapiro-Wilk para os parâmetros DQO, NTK, P-total,
pH, condutividade elétrica, turbidez e cor, a maioria dos parâmetros obtiveram um comportamento
não normal, por esse fato os dados foram transformados em médias móveis com realização do teste
de normalidade novamente. Desta forma, verificou-se que os dados apresentaram normalidade.
Então foram elaborados os gráficos de controle com o cálculo dos limites superiores, inferiores e
centrais.
3.2 Gráficos de Controle
Os gráficos de controle de processo do SAC híbrido no tratamento de efluente de laticínios
apresentaram para a DQO de saída (figura 1) ao longo do tempo um estado de controle, pois estão
em conformidade com os limites e apresentam pontos variando acima e abaixo da linha central.
Para o teste 1, não existiu nenhum valor fora dos limites de controle, a análise de hipótese para o
teste 2 também não apresentou pontos acima de duas vezes a AM e o teste 3 não apresentou pontos
seguidos de decaimento ou crescimento.
Figura 1 – Gráfico de controle de DQO na saída do SAC.
Fonte: Autores.
Para o nitrogênio, o gráfico de controle (figura 2) apresentou dados dispostos de modo
aleatório. Para o teste 1, nenhum ponto ficou fora dos limites de controle.A hipótese do teste 2 e 3
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não foram confirmadas.Ou seja, em conformidade com processos normais de variabilidade, o
sistema encontra-se sob controle para a variável Nitrogênio Total.
Figura 2 – Gráfico de controle de NTK na saída do SAC.
Fonte: Autores.
Na análise da variação da concentração de fósforo na saída do sistema de tratamento ao
longo do tempo, o sistema (figura 3) apresentou uma variação aleatória. Analisando as hipóteses
dos 3 testes, tem-se que para a remoção de fósforo o sistema operou de forma controlada, pois as
três hipóteses não foram confirmadas.
Figura 3 – Gráfico de controle de P-total na saída do SAC.
Fonte: Autores.
Os valores de pH (figura 4) mostraram uma distribuição aleatória no início.Para o teste 1 a
hipótese não foi ratificada, para o teste 2 também não houve a confirmação da hipótese de 2 de 3
pontos acima de duas vezes a AM, o teste 3 também não foi confirmado. Assim, pode-se considerar
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o sistema como sob controle. Isto pode ser um fator positivo, pois o pH é um fator importante no
lançamento de efluentes em corpos hídricos, sendo que o pH final não deve estar abaixo de 5,
segundo a Resolução CONAMA 430 (BRASIL, 2011)
Figura 4 – Gráfico de controle de pH na saída do SAC.
Fonte: Autores.
A condutividade elétrica não teve uma disposição aleatória ao longo do período de
funcionamento do SAC, porém os pontos flutuaram em sequências contínuas entre a linha central,
tanto acima quanto abaixo da mesma. Dentro os testes realizados, a hipótese do teste um não foi
confirmada, pois não houve pontos fora dos limites de controle, para o teste 2 não houve
confirmação de pontos com valores acima de duas vezes a AM, porém para o teste 3 confirmou-se a
hipótese com 7 pontos seguidos acima da média entre a segunda e a oitava semana.
Figura 5 – Gráfico de controle de Condutividade Elétrica na saída do SAC.
Fonte: Autores.
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A condutividade apresentou um provável acúmulo de sais e sólidos dissolvidos no sistema
alagado construído com fluxo vertical. Fato que pode ser verificado no gráfico de controle de
condutividade elétrica. O aumento da condutividade elétrica no sistema também pode estar
associado a solubilização de substâncias orgânicas.
A cor aparente indicou uma distribuição aleatória das amostras, sendo que nenhuma das
hipóteses dos três testes escolhidos foi confirmada, ou seja, o sistema apresenta-se sob controlepara
a remoção da Cor Aparente ao longo das semanas de funcionamento do SAC.
Figura 6 – Gráfico de controle de Cor Aparente na saída do SAC.
Fonte: Autores.
Para a turbidez o gráfico de controle apresentou uma condição não aleatória, com a maioria
dos pontos abaixo da linha central. Para o teste 1 foi corroborada a hipótese de pontos acima do
limite de controle, confirmando a hipótese de alguma fonte não casual no sistema, que pode ter
ocorrido pelo acréscimo de sólidos no substrato de areia, o que aumentou a turbidez nas duas
últimas semanas de funcionamento do SAC, porém os testes 2 e 3 não foram confirmados.
Figura 7 – Gráfico de controle de Turbidez na saída do SAC.
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Fonte: Autores.
3.3 Capacidade do processo
Os índices de capacidade do processo para o SAC híbrido foram calculados pelos limites
encontrados e para pH e Nitrogênio foram utilizados os limites estabelecidos pela Resolução
CONAMA 430/11.
A capacidade do processo (Cp) para o pH indicou que o processo é potencialmente aceitável
com um índice de 1,31 e para a condutividade elétrica ocorreu um valor igual a 0,89 (abaixo de
1).Portanto o Sistema Alagado Construído híbrido apresentou-se como um processo potencialmente
incapaz para esse parâmetro.
De acordo com a Resolução CONAMA 430/11 (BRASIL, 2011), os valores de especificação
de pH estão entre 5 e 9, sendo o índice calculado para esses limites igual a 1,34. Ou seja, o processo
é capaz de atender os valores especificados. Para o parâmetro Nitrogênio, o processo também
obteve um índice no qual pode ser classificado como potencialmente capaz.
Os valores de Cpk para todos os parâmetros DQO, nitrogênio, fósforo, cor aparente e turbidez
mostraram uma sensibilidade menor do processo, pois todos os valores ficaram abaixo de 1 (0,89),
o que indica que o processo tem poucas condições para atender as especificações estabelecidas, com
a necessidade de uma diminuição da variabilidade do processo (LOUZADA, et. al., 2013).
4 Conclusão
Neste trabalho foram aplicadas técnicas de controle estatístico em um SAC híbrido tratando
efluente de uma indústria de laticínios para as variáveis DQO, NTK, P-total, pH, condutividade
elétrica, cor aparente e turbidez. Este trabalho apresentou como principais conclusões:
- As variáveis DQO, nitrogênio total, fósforo, pH e cor aparente estão sob controle no sistema de
tratamento de SAC híbrido proposto;
- As variáveis condutividade elétrica e turbidez apresentam problemas pontuais devido a fatores de
elevação das concentrações no SAC de fluxo vertical devido ao acúmulo de sólidos dissolvidos e
suspensos;
- Os processos de controle apresentados na forma de média móvel em cartas de controle podem ser
utilizados para avaliar o tratamento de SACs.
- A capacidade do processo Cp para todos os parâmetros foi potencialmente aceitável para os
valores de especificação.
- Os valores de Cpk indicaram que há variabilidades inerentes ao processo que precisam ser
minimizadas, para que os valores não fiquem fora do limite de especificação.
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