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Desenvolvimento Sustentável, Demandas Contemporâneas e
Responsabilidade Socioambiental
18 a 22 de MARÇO de 2013
Belo Horizonte, MG
Sistemas de saneamento no contexto do
Desenvolvimento Sustentável
Fatores iniciais a considerar
1- físicos e ambientais
2- tecnológicos e legais
3- sócio-culturais e econômicos
4- institucionais e de regulamentação (incluindo organizacional, competências, recursos humanos, conhecimentos e habilidades, bem como capital financeiro)
A mudança de paradigma dos sistemas de
saneamento (em direção a um saneamento mais
sustentável)
incentiva o desenvolvimento de sistemas que:
• baseiam-se nos princípios de uma economia de circuito fechado de reciclagem e os 3 Rs (reduzir, reutilizar, reciclar);
• sejam eficientes no uso de de recursos e reduzam a dependência de longo prazo em energia e custos de transporte;
• abram novas opções e oportunidades para a criação de emprego local;e
• baseiam-se no uso múltiplo do espaço urbano e na integraçãode sistemas de saneamento e reuso no desenho urbano.
Para um SISTEMA DE SANEAMENTO SUSTENTÁVEL
Considerar
Resíduos como recursos (água para
reuso, lodo para uso agrícola,
recomposição de solo, biogás como fonte
energética)
Redução do consumo de água (segregação
e reuso)
Aproveitamento energético (biogás)
Processos inovativos
vantagens dos sistemas de saneamento ecológico
No geral, os sistemas de saneamento
sustentáveis devem ser projetados para ser:
-abrangentes (considerando todos os fluxos de resíduos,
especialmente aqueles que são subprodutos de operações
de processamento, por exemplo lodo fecal ou água rica em
nutrientes).
-- orientados para o Reuso (usando fluxos de resíduos
sempre que possível e descartá-los de forma segura e
adequada se o reuso ou reciclagem não for possível).
-• Apropriados (examinando um conjunto abrangente de
opções tecnológicas para determinar soluções específicas
mais adequadas ao local).
International Water Association
(IWA, 2006) S21O S21 divide a cidade em diferentes domínios de tomada
de decisão e intervenção: da residência para o nível da
cidade. A estrutura usa cada domínio como base para a
análise de interesses e opções do sistema de
saneamento.
Estes domínios incluem casa, bairro/distrito, cidade e o
nível além da cidade
cada um dos quais pode ser caracterizado por um
conjunto distinto de características que influenciam a
forma mais apropriada de um sistema de saneamento.
opções de saneamento mais
sustentáveis (pedem)
• criação de nova estrutura organizacional e institucional [novas regulamentações e arranjos organizacionais];
• Ampliar capacidade para operação e manutenção;
• Ampliar capacidade para gestão de sistemas descentralizados (lodo de TS, p.e);
• Implantação de projetos pilotos inovadores, visando validação de processos e tecnologia
DESAFIOS
• Outro desafio para a introdução de novos sistemas de saneamento é a mudança de hábitos dos usuários;
• fatores sócio-culturais podem resultar em entraves para a utilização de sistemas de saneamento ecológico (que promovam a utilização de excretas humanos para a produção de alimentos)
ALTERNATIVAS DE
GERENCIAMENTO SEGURO DE
LODO DE ESGOTO SOB A ÓTICA DO
SANEAMENTO DESCENTRALIZADO
Coordenador:
Luiz Sérgio Philippi
Universidade Federal de Santa Catarina
Departamento de Engenharia Sanitária e Ambiental
Grupo de Estudos em Saneamento Descentralizado
Belo Horizonte, Março de 2013
INTRODUÇÃO E JUSTIFICATIVAS
O Brasil ainda apresenta carências no saneamento básico
Índice de coleta de esgotos no país: 48% em áreas urbanas (SNIS, 2007).
12
Em Santa Catarina cerca de 70% das residências
utilizam o tanque séptico para o tratamento de esgotos
sanitários (SANTA CATARINA, 2006).
Tanques sépticos – mais de 12 milhões de domicílios brasileiros utilizam
tanque séptico como forma de tratamento de esgoto doméstico, o
equivalente a 22 % da população (IBGE, 2008) .
Deste percentual, 87% referem-se a áreas urbanas e13% a áreas rurais.
INTRODUÇÃO E JUSTIFICATIVAS
Tanque séptico: custo relativamente baixo de construção e
simplicidade operacional.
Manutenção periódica – retirada do lodo acumulado no
interior do mesmo.
13
Lodo
Caminhão limpa
fossa
Caminhão limpa fossa
operando ilegalmente
A disposição do lodo no meio ambiente pode oferecer
problemas de saúde pública e impactos ambientais aos
corpos d’água e ao solo.
Atualmente a limpeza dos tanques sépticos está
condicionada aos serviços de empresas conhecidas como
“desentupidoras” ou “caminhões limpa-fossa”.
Essas empresas não fornecem destinação adequada para
o lodo.
INTRODUÇÃO E JUSTIFICATIVAS
Tratamentos utilizados: digestão anaeróbia seguida pela disposição em aterros
sanitários.
Desafio: desenvolver alternativas de tratamento do lodo de forma
descentralizada e sob a ótica da sustentabilidade, com:
baixo custo de implantação, simplicidade operacional, baixo consumo
energético e passível de ser implantado nas mais diversas situações.
14
Os filtros plantados são uma tecnologia consolidada em alguns países da
Europa e Ásia, mas no Brasil o processo ainda é pouco explorado. Neste
sentido, se justifica o desenvolvimento deste estudo, com vistas a explorar o
desempenho dos filtros plantados sob condições de clima subtropical.
Filtros plantados com macrófitas: sistema natural de tratamento de lodo,
com bom desempenho no desaguamento e mineralização do mesmo.
OBJETIVOSG
ER
AL
Avaliação de alternativas tecnológicas
para o tratamento de lodos sob a ótica
do saneamento descentralizado, ou
seja, buscando atender às demandas
de pequenas comunidades ou
unidades residenciais.
15
OBJETIVOS ESPECÍFICOSE
SP
EC
ÍFIC
OS
2 linhas de tratamento:
Filtros plantados com macrófitas de fluxo vertical
para o desaguamento do lodo:
Estudo de duas taxas distintas de aplicação de
sólidos, 250 e 125 kgST/m2.ano, buscando a
obtenção de parâmetros de projeto e operacionais;
Sistema piloto de higienização térmica de lodo
transformando a energia solar em energia térmica..
16
METODOLOGIAL
OC
AL
DA
PE
SQ
UIS
A
Atividades de campo:
CETRE/EPAGRI, em Florianópolis/SC.
Análises de laboratório:
UFSC/LIMA/GESADFiltro Plantado
Tanque séptico
17
Sistema experimental
Dois filtros plantados com macrófitas de fluxo vertical idênticos,
com 4,3m², 75 cm de meio filtrante e plantados com Zizaniopsis
bonariensis.
Filtro 1 (250 kgST/m².ano)
Filtro 2 (125 kgST/m².ano)
METODOLOGIAC
OM
PO
NE
NT
ES
18
Representação esquemática do filtro plantado
METODOLOGIAC
OM
PO
NE
NT
ES
Sistema de coleta do
efluente
Sistema de
ventilação
Tubulação de alimentação dos
filtros
Caixas para armazenamento do
percolado
Sistema para extravasar o
percolado
19
METODOLOGIAM
AC
RÓ
FIT
AS
Retirada do Zizaniopsis
bonariensis do filtro do CETRE
Z. bonariensis
com as folhas
cortadas
Plantio das macrófitasFiltro com as macrófitas
plantadas
20
METODOLOGIAF
LU
XO
GR
AM
A
21
Tanque séptico -
CETRE
Caixa
Percolado
Caixa
Percolado
Filtro plantado -
CETRE
B2
B3
B1
Tanque de
Armazenamento
de lodo
Filtro 2
Tanque de
Armazenamento
de lodo
Filtro 1
Os filtros estavam cobertos para
evitar a interferência da chuva
METODOLOGIAV
ISÃ
O G
ER
AL
Vista da entrada do sistema Vista da saída do sistema
22
Tanque de
armazenamento
F1F2
METODOLOGIAO
PE
RA
ÇÃ
O
FaseDuração
(dias)Observações
Partida 1 75
Alimentação diária com esgoto para formação
de biomassa e adaptação das plantas. Taxa
hidráulica: 50mm/d.
Partida 2 30
Alimentação uma vez por semana com lodo
com aumento gradativamente do volume de
lodo, estando a saída do efluente aberta.
Operação com
lodo200
Alimentação uma vez por semana com lodo,
com o sistema coberto e um período de
detenção de seis dias.
Taxa hidráulica: 944 L/ aplicação (F1) e
473 L/aplicação (F2)
23
RESULTADOSF
AS
EO
PE
RA
ÇÃ
OC
OM
LO
DO
Lodo de alimentação24
Dados Média Mínimo Máximo D P
pH 7,4 7,0 7,8 0,2
Alcalinidade (mgCaCO3/L) 645,2 301,6 968,7 177,2
DQOt (mg/L) 14.666 2.000 27.875 9.122
BDO5 (mg/L) 1.014 310 1.900 618
Umidade (%) 98,2 96,6 99,6 0,9
Teor de sólidos (%) 1,8 0,4 3,4 0,9
Sólidos Totais Voláteis (mg/L) 7.995,5 1.625,5 16.617,0 4.625,3
Sólidos Totais Fixos (mg/L) 10.680,6 1.853,0 20.196,5 5.582,6
NTK (mg/L) 386,0 95,2 739,2 288,9
Nitrogênio amoniacal (mg/L) 37,6 12,9 66,3 14,2
Nitrogênio nitrato (mg/L) 2,5 0,8 5,5 1,4
RESULTADOSF
AS
EO
PE
RA
ÇÃ
OC
OM
LO
DO
Desempenho dos filtros plantados
25
Eficiência
DQO 94% F1 e 99% F2
ST 94% F1 e 96% F2
SS 96% F1 e 99,9% F2
F1 F2
F1 – 250 kgST/m²
F2 – 125 kgST/m²
RESULTADOSF
AS
EO
PE
RA
ÇÃ
OC
OM
LO
DO
Líquido percolado
26
Filtro 1
Filtro 2
41%
F1 – 250 kgST/m²
F2 – 125 kgST/m²
RESULTADOSF
AS
EO
PE
RA
ÇÃ
OC
OM
LO
DO
Remoção da matéria nitrogenada nos filtros
27
Pontos
amostrados
TAS
(kgST/m2.a
no)
Parâmetros (mg/L)
(Média ± DP)
NTK N-NH4+ N-NO2
- N-NO3-
Líquido
percolado F1250
39,0
±33,3
(90%)
22,3
±13,3
(44%)
0,4
±0,7
18,5
±27,0
Líquido
percolado F2125
13,9
±8,0
(96%)
10,7
±6,9
(68%)
0,6
±0,7
59,3
±30,8
Lodo TA 386,0 37,6 0,2 2,5
RESULTADOSF
AS
EO
PE
RA
ÇÃ
OC
OM
LO
DO
Lodo acumulado
28
Lodo acumulado no F1. Lodo acumulado no F2.
Filtros
Altura (cm)
90 dias 105 dias 115 dias 120 dias 126 dias
Filtro 1 15 16 20 16 13
Filtro 2 5 8 10 9 8
RESULTADOSF
AS
EO
PE
RA
ÇÃ
OC
OM
LO
DO
Lodo acumulado
29
Filtro 1
Filtro 2
Lodo TA
RESULTADOSE
VO
LU
ÇÃ
O D
AS
PL
AN
TA
S
30
Janeiro Março
Maio Julho
RESULTADOSE
VO
LU
ÇÃ
O D
AS
PL
AN
TA
S
31
Agosto
Setembro
Final de setembro – Floração
do Junco nos F1 e F2
CONCLUSÕES32
O lodo TA apresentou grandes variações, com 18.676,6 mg/L de sólidos totais e
14.666 mg/L de DQOt.
No F1, 55% da água presente no lodo saíram na forma de líquido percolado, 4%
ficaram armazenadas no lodo acumulado no leito e 41% foram perdidas. Para o
F2, as perdas de água foram de 63%, enquanto que 35% saíram com o
líquido percolado e apenas 2% ficou armazenada no lodo acumulado sobre o
leito.
O F2 apresentou remoção média de 96% de sólidos totais com concentração
efluente de 471,9 mg/L . Em relação aos SS, a remoção média foi de 99,9%,
produzindo um efluente final com 18,2 mg/L, enquanto o F1 a concentração final
de SS foi 330,2 mg/L.
As eficiências de DQO foram 99 e 94% para o F2 e F1, respectivamente.
Em relação às concentrações finais de DQOt, o F2 produziu um efluente
com 85 mg/L, enquanto que o F1 gerou um efluente com 507 mg/L.
CONCLUSÕES33
O F1 removeu 41% da amônia, enquanto o F2 72%, produzindo efluentes com
concentração média de 22,3 mg/L e 10,7 mg/L, respectivamente. No F2, do
percentual de amônia removido, 100% sofreu nitrificação total, com
concentração efluente de nitrato de 59,3 mg/L. Para o F1, apenas 42% da
amônia foi oxidada a nitrato, produzindo um efluente com 18,5 mg/L.
A concentração de sólidos totais do lodo acumulado foi de 68.551,2 mg/L no
F2 e 52.089,7 mg/L no F1. O lodo acumulado no F1 apresentou 76% de umidade,
enquanto que o F2, a umidade foi de 67%.
Em relação ao lodo TA, o F1 aumentou o valor de sólidos totais de 1,8% para 24%,
enquanto que no F2, esse aumento foi de 1,8% para 33%.
A altura lodo acumulado no F1 atingiu 13 cm aos 126 dias de operação, enquanto
que no F2, a altura foi de 8 cm.
CONCLUSÕES34
Os filtros plantados com macrófitas podem ser considerados uma forma
passiva de estabilização do lodo, uma vez que a transferência de oxigênio
a partir da rizosfera das macrófitas, bem como o movimento das hastes
das plantas possibilitaram a aeração da superfície do lodo. Juntamente
com o processo de evapotranspiração, o qual permitiu maiores perdas de
água do lodo, foi possível promover a estabilização biológica e
mineralização inicial do lodo.
RECOMENDAÇÕES35
Para os estudos futuros:
Avaliação da componente microbiológica – capacidade dos
filtros de promover a inativação de organismos patogênicos.
Avaliação do lodo produzido de acordo com o padrão de
qualidade microbiológica requerido pela Resolução
CONAMA 375/2006.
Linha experimental 2 – Higienização de lodo por processo térmico
O tratamento térmico é muito utilizado na inativação microbiana em diversos
produtos e vem sendo cada vez mais pesquisado na desinfecção de lodo de esgoto.
Descrição da Pesquisa
Determinação de parâmetros cinéticos de inativação da
Escherichia coli:
Avaliação do reator com aquecimento solar:
Procedimento experimental:
Testes realizados em duplicata nas temperaturas de 45, 50, 55, 60 e 65°C, pelo
método do frasco de três bocas (método do balão) adaptado de Stumbo
(1973).
Meio: lodo esterilizado
Inoculo: lodo bruto concentrado através de centrifugação.
Análise dos Dados
Obtenção de kd , Ed, constante térmica C, DT e z.
Determinação de Parâmetros Cinéticos de Inativação da
Escherichia coli
Reator (1)
Coletores solares (3)
Bomba
água(5)
Controlador (6)
Tanque de
armazenamento (8)
Lodo aquecido
(2)
Lodo Bruto
(Tanque séptico)
Trocador
de calor (4)Fluxo de Lodo
Fluxo de Água
Termopares (7)
Sensor temperatura
Sensor temperatura
Configuração do Sistema
Processo de Desinfecção Térmica Utilizando Aquecimento Solar
Reator de aquecimento
Componentes do Sistema
Coletores solares planos
OMS: Guidelines for the safe use of wastewater, excreta and
greywater/2006.
Environmental Protection Agency/EPA: Control of Pathogens and
Vector Attraction in Sewage Sludge. EPA/625/R-92/013/2003.
CONAMA/Brasil: Resolução n° 375/2006.
Exemplos de normas e orientações para utilização agrícola de lodo de esgoto
• Res. n.375/2006 : Col. Termotolerantes < 103 NMP/g de ST (Tipo A)
• OMS: Redução E. coli de pelo menos 4 unid. log e concentração
< 103 NMP/100ml (aplicação sem restrições)
Determinação de Parâmetros Cinéticos de Inativação da Escherichia
coli em Lodo de Esgoto
0
2
4
6
8
10
0 30 60 90 120
lnN
(N
MP
/ml)
t (min)
45°C
0
2
4
6
8
10
0 9 18 27 36 45
ln N
(N
MP
/ml)
t (min)
50°C
0
2
4
6
8
10
0 3 6 9 12
ln N
(N
MP
/ml)
t (min)
55°C
Curvas de inativação térmica da Escherichia coli em lodo de esgoto a 45, 50 e
55°C, testes em duplicada ( repetição 1; repetição 2).
0
2
4
6
8
10
12
0 1 2 3 4 5
ln N
(N
MP
/ml)
t (min)
60°C
0
2
4
6
8
10
12
0,0 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5
ln N
(N
MP
/ml)
t (min)
65°C
Curvas de inativação térmica da Escherichia coli em lodo de esgoto a 60 e
65°C, testes em duplicada ( repetição 1; repetição 2).
ST ( DP) = 3.980 ( 1.560) mg.L-1.
STV ( DP) = 2.449 ( 815) mg.L-1
Resistência Térmica e Parâmetros Cinéticos de Inativação da Escherichia
coli em Lodo de Esgoto
20
30
40
50
60
70
80
0 120 240 360 480
Tem
per
atu
ra (
°C)
03/12/2009
Tobs. Tpredito
20
30
40
50
60
70
0 120 240 360 480
Tem
per
atu
ra (
°C)
07/12/2009
20
30
40
50
60
70
80
0 120 240 360 480
Tem
per
atu
ra (
°C)
Tempo (min)
20/12/2009
20
30
40
50
60
70
80
0 120 240 360 480
06/02/2010
Tobs. Tpredito
20
30
40
50
60
70
80
0 120 240 360 480
Tempo (min)
20/02/2010
Ensaios com
irradiação solar média > 700 W.h.m-2
Temperatura Média do Lodo
20
30
40
50
60
70
0 120 240 360 480
13/03/2010
Tobs. Tpredito
20
30
40
50
60
70
0 120 240 360 480
Tem
per
atu
ra (
°C)
30/01/2010
Tobs. Tpredito
20
30
40
50
60
70
0 120 240 360 480
Tem
per
atu
ra (
°C)
Tempo (min)
17/04/2010
20
30
40
50
60
70
80
0 120 240 360 480
Tempo (min)
01/05/2010
Ensaios com irradiação solar média entre 500 e 700 W.h.m-2
Temperatura Média do Lodo
Eficiência do Processo na Desinfecção de Lodo ao Longo do Ano –
E. coli
0
250
500
750
1000
0,0
2,0
4,0
6,0
8,0
Irrad
iaçã
o (W
.h.m
-2)-
log
(N
f/N
o)
Ensaios
Inativação (E. coli) Radiação Solar Média
Letras iguais indicam que não há diferença na desinfecção ao nível de significância de 5% entre as
faixas de irradiação solar pelo teste de Tukey.
a
a
b
Inativação de E. coli nos ensaios realizados em dias com céu aberto ao longo do ano, e a
irradiação solar média incidente no período de cada ensaio.
0
1
2
3
4L
og
N
Ensaios
Nf (NMP/g ST) Nr (NMP/g ST) após 24 horas
0
1
2
3
4
Lo
gN
Ensaios
Nf (NMP/g ST) Nr (NMP/g ST) após 24 horas
Logaritmo da concentração final
(Nf)[1] e recrescimento após 24 horas
(Nr) para E. coli e coliformes totais
nos ensaios com irradiação solar
média acima de 500 W.h.m-2.
[1] Para as amostras onde não foi detectado E. coli ou coliformes totais, assumiu-se N = 1 NMP/g de ST, assim log N é igual a zero.
Recrescimento Microbiano
Col. totais
E. coli
10
20
30
40
50
60
70
0,0
0,4
0,8
1,2
1,6
2,0
2,4
2,8
0 120 240 360 480
Tem
peratu
ra (°C)
N (
NM
P/m
l) x
10
3
tempo (min)
03/07/2010
10
20
30
40
50
60
70
0
3
6
9
12
15
0 120 240 360 480
Tem
peratu
ra (°C)
N (
NM
P/m
l) x
10
2
tempo (min)
31/07/2010
10
20
30
40
50
60
2
4
6
8
10
12
0 120 240 360 480
Tem
peratu
ra (°C)
N (
NM
P/m
l) x
10
2
tempo (min)
12/06/2010
Observado Modelo Temperatura
10
20
30
40
50
60
0
2
4
6
8
0 120 240 360 480
Tem
peratu
ra (°C)
N (
NM
P/m
l)
x 1
03
tempo (min)
27/06/2010
Ensaios com irradiação solar média < 500 W.h.m-2 ; Céu aberto
Concentração de E. coli ao longo do tempo (experimental e modelo) e temperatura média do lodo
Parâmetros de inativação térmica E. coli:
o A E. coli demonstrou seguir uma cinética de primeira ordem.
o Os principais parâmetros cinéticos de inativação obtidos em lodo de esgoto
foram
- D55°C = 3,61 min;
- D60°C = 1,41 min;
- z = 8,3°C;
- Ed = 2,48 x 105 J.mol-1.
CONSIDERAÇÕES FINAIS
Desinfecção de lodo com aquecimento solar:
o Para os ensaios realizados com índices de irradiação solar média superior a 500
W.h.m-2, a temperatura do lodo ficou acima de 53°C por pelo menos três
horas, chegando em alguns casos a 73°C.
o A redução de E. coli nesses ensaios foi considerável, ficando entre 4,2 - 7,1
unidades logarítmicas. E para coliformes totais a redução ficou entre 4,8 - 7,4
unidades logarítmicas.
o Dos nove ensaios realizados nessas condições, apenas um apresentou
reaparecimento de E. coli e coliformes totais após 24 horas do tratamento.
Considerações finais
o Para ensaios realizados com índices menores de irradiação solar, a inativação
de E. coli e coliformes totais foi comprometida pelas baixas temperaturas do
lodo, ficando abaixo de 2,27; e de 3,5 unidades
logarítmicas, respectivamente.
o A eficiência do tratamento nesses ensaios foi significativamente (5%) inferior
aos demais.
o O modelo de predição da concentração de E. coli no reator foi satisfatório:
- os coeficientes de determinação ficaram entre 0,768 - 0,971;
- a porcentagem de variância ficou entre 65,1% – 96,4%.
Considerações finais
PARTICIPANTES
Prof. Dr. Luiz Sérgio Philippi – coordenador / pesquisador (GESAD/ENS/UFSC).
PARTICIPANTES DO PROJETO DE PESQUISA
Engª Msc. Maria Elisa Magri – pesquisadora/doutoranda (GESAD/PPGEA/UFSC);
Engª Carla Suntti – pesquisadora/mestranda (GESAD/PPGEA/UFSC);
Engº Daniel Furtado – pesquisador/mestrando (GESAD/PPGEA/UFSC);
Engº Odinei Fogolari – pesquisador/mestrando (GESAD/PPGEA/UFSC);
Téc. Ambiental Joceli Gorresen Zaguini – bolsista DTI (GESAD/UFSC);
Acadêmico Caio Angel Voltolinni – bolsista de IC (GESAD/UFSC);
Acadêmica Camila Haiml – bolsista de IC (GESAD/UFSC).
Acadêmico Djesser Zechner Sergio – bolsista de IC (GESAD/UFSC);
Acadêmico Ricardo Regi – bolsista de IC (GESAD/UFSC);
Acadêmica Sandra Regina Alexandre Ramos – bolsista de IC (GESAD/UFSC).
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