EDUARDO PATZA

APLICAO DE MODELOS MATEMTICOS PARA DEFINIO DE PARMETROS HIDRULICOS E CINTICOS DE TANQUES SPTICOS

Dissertao apresentada como requisito parcial obteno do grau de Mestre em Engenharia de Recursos Hdricos e Ambiental, Curso de Ps-Graduao em Engenharia de Recursos Hdricos e Ambiental, Setor de Tecnologia, Universidade Federal do Paran.

Orientador: Prof. Daniel Costa dos Santos, Dr.

CURITIBA - PR 2006

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AGRADECIMENTOS

Agradeo ao meu orientador, o professor Daniel Costa dos Santos, pelo incentivo, pela disposio e pelo inesgotvel bom humor demonstrado no transcorrer deste trabalho. Agradeo a minha famlia por me propiciar o tempo e a serenidade necessria ao desenvolvimento deste estudo, bem como, pelo apoio demonstrado. Agradeo ao Samuel Barbosa pela disposio, dedicao e coleguismo. Agradeo a FUNASA pelo apoio financeiro. Enfim, agradeo a todos os professores, coordenadores e alunos, isto , a todos que fazem parte do programa de ps-graduao em Engenharia de Recursos Hdricos e Ambiental da UFPR pelo apoio, companheirismo e por acreditarem em meu potencial.

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SUMRIO

LISTA DE FIGURAS ..............................................................................................viii LISTA DE TABELAS ...............................................................................................xi LISTA DE QUADROS............................................................................................xiv LISTA DE SIGLAS..................................................................................................xv LISTA DE SMBOLOS ...........................................................................................xvi RESUMO..............................................................................................................xviii ABSTRACT............................................................................................................xix 1. INTRODUO ......................................................................................................1

1.1. OBJETIVOS ...................................................................................................5 2. REVISO BIBLIOGRFICA.................................................................................6

2.1. PRELIMINARES.............................................................................................6 2.2. CARACTERIZAO DO ESGOTO SANITRIO...........................................6

2.2.1. Constituintes do esgoto ............................................................................6 2.2.2.Matria orgnica........................................................................................8 2.2.3. Outros parmetros (pH, cor, turbidez, temperatura, nutrientes) .............10 2.2.4.Concentraes no esgoto sanitrio .........................................................11

2.3. ESGOTO SINTTICO...................................................................................12 2.4. TRATAMENTO DE ESGOTOS SANITRIOS .............................................14

2.4.1. Etapas do tratamento .............................................................................14 2.4.2. Vantagens e desvantagens do tratamento anaerbio ............................16

2.5. LEGISLAO NACIONAL PERTINENTE ...................................................16 2.6. CINTICA DAS REAES..........................................................................18

2.6.1. Modelo matemtico da cintica ..............................................................18 2.6.2. Cintica de degradao..........................................................................20 2.6.3. Reaes de saturao............................................................................22 2.6.4. Cintica de Monod..................................................................................23 2.6.5. Equaes bsicas da cintica dos processos biolgicos .......................25 2.6.6. Abordagem clssica modelo de Streeter Phelps.................................26

2.6.6.1. Degradao da DBO e consumo de OD..........................................26 2.6.6.2. Estimativas das constantes envolvidas............................................28

2.7. DIGESTO ANAERBIA E AERBIA........................................................32 2.7.1. Necessidades nutricionais e respirao dos microorganismos ..............32

v

2.7.2. Etapas da digesto anaerbia................................................................35 2.7.3. Modelo matemtico de digesto anaerbia............................................36

2.7.3.1. Modelo ADM1 Anaerobic Digestion Model 1.................................36 2.7.3.2. Calibrando o modelo ADM1.............................................................38

2.8.REGIMES HIDRULICOS.............................................................................40 2.8.1.Modelos hidrulicos.................................................................................40 2.8.2. Modelo fluxo em pisto...........................................................................42 2.8.3. Modelo mistura completa .......................................................................46 2.8.4. Modelo fluxo disperso.............................................................................49 2.8.5. Modelo de clulas em srie e paralelo ...................................................52

2.9. SEDIMENTAO.........................................................................................53 2.9.1. Tipos de sedimentao ..........................................................................53 2.9.2. Sedimentao discreta ...........................................................................55 2.9.3. Sedimentao floculenta ........................................................................58 2.9.4. Balano de massa considerando sedimentao ....................................59

2.10. TANQUE SPTICO ....................................................................................60 2.10.1. Definio ..............................................................................................60 2.10.2. Histrico ...............................................................................................60 2.10.3. Tipos.....................................................................................................61 2.10.4. Funcionamento.....................................................................................63 2.10.5. Inoculao e Aclimatao.....................................................................65 2.10.6.Dimensionamento..................................................................................66

2.10.6.1. Segundo a NBR 7229/1993 ...........................................................66 2.10.6.2. Segundo literaturas clssicas ........................................................68 2.10.6.3. Segundo Pilotto (2004) ..................................................................70 2.10.6.4. Outras formulaes propostas .......................................................72

2.10.7. Procedimentos para implantao e construo de tanques spticos...73 2.10.7.1. Localizao e distncias mnimas..................................................74 2.10.7.2. Materiais ........................................................................................74 2.10.7.3. Procedimentos ...............................................................................75

2.10.8. Experincias nacionais e internacionais com tanques spticos ...........76 2.10.8.1. VILA (2005) .................................................................................76 2.10.8.2.PANG et al (2003)...........................................................................77 2.10.8.3. VALENTIM et al (2003)..................................................................78

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3. METODOLOGIA .................................................................................................79 3.1. PRELIMINARES...........................................................................................79 3.2. DESCRIO DA UNIDADE EXPERIMENTAL DE BARBOSA (2006)........79 3.3. ESGOTO SINTTICO UTILIZADO NO EXPERIMENTO .............................82 3.4. INOCULAO E ACLIMATAO...............................................................84 3.5.OPERAO DO EXPERIMENTO.................................................................85 3.6. RESULTADOS EXPERIMENTAIS OBTIDOS POR BARBOSA ..................89 3.7. ANLISE DA CONSISTNCIA DO EXPERIMENTO...................................91

3.7.1. Validao dos dados experimentais (remoo de matria orgnica) .....91 3.7.2. Validao dos procedimentos adotados na operao............................98 3.7.3. Validao da concepo do modelo reduzido ......................................100

3.8. BASES MATEMTICAS PARA AVALIAO DO COMPORTAMENTO DA CINTICA ..........................................................................................................104

3.8.1. Equacionamento principal ....................................................................104 3.8.2. Parmetros a analisar ..........................................................................106 3.8.3. Fenmenos a analisar ..........................................................................107 3.8.4. Constantes a serem definidas ..............................................................107

3.9. ESTRUTURA GERAL DO MODELO .........................................................108 3.9.1. Etapa 1 da modelagem : aplicao das prospeces matemticas na obteno dos parmetros cinticos e fluxos hidrulicos para os diversos tempos de deteno.......................................................................................111 3.9.2. Etapa 2 da modelagem: obteno de volumes de tanque sptico via compartimentao (volumes de reao e sedimentao) ..............................114

4. RESULTADOS OBTIDOS.................................................................................119 4.1. MODELO 1 : REGIME HIDRULICO E CONSTANTE CINTICA ............119

4.1.1. Resultados encontrados para regime hidrulico e constante cintica por tempo de deteno.........................................................................................119

4.1.1.1. Sem a considerao do efeito da temperatura ..............................119 4.1.1.2. Com a considerao do efeito da temperatura ..............................122

4.1.2. Validao do modelo utilizado..............................................................125 5. ANLISE E DISCUSSO DOS RESULTADOS...............................................128

5.1. ANALISANDO O MODELO 1 : REGIME HIDRULICO E CONSTANTE CINTICA ..........................................................................................................128

5.1.1. Definio do modelo 1..........................................................................130

vii

5.1.2. Calibrao do modelo 1........................................................................134 5.1.3. Exemplo de aplicao do modelo 1......................................................137 5.1.4. Novas simulaes visando obter um K caracterstico para o tanque sptico ............................................................................................................139 5.1.5. Avaliao dos Erros Padro de Estimativa obtidos ..............................141

5.2. ANALISANDO O MODELO 2: VOLUME NECESSRIO DE DIMENSIONAMENTO .......................................................................................142

5.2.1. Consideraes sobre eficincia de remoo........................................142 5.2.2. Definio do modelo 2..........................................................................146

5.2.2.1. Volume de reao/decantao ......................................................146 5.2.2.2. Volume de armazenamento de lodo ..............................................150 5.2.2.3. Volume total ...................................................................................152

5.2.3. Calibrao do modelo 2........................................................................153 5.2.4. Testes no modelo 2 ..............................................................................155

6. CONCLUSES E SUGESTES.......................................................................160 REFERNCIAS BIBLIOGRFICAS .....................................................................164 ANEXO 1...............................................................................................................170 ANEXO 2...............................................................................................................177

viii

LISTA DE FIGURAS

FIGURA 1 TANQUE SPTICO E SEU FUNCIONAMENTO .................................2 FIGURA 2 COMPOSIO DO ESGOTO SANITRIO .........................................7 FIGURA 3 CARACTERSTICAS DO ESGOTO SINTTICO DE TORRES (USP)

........................................................................................................................ 14 FIGURA 4 CINTICAS DE ORDEM ZERO, 1 ORDEM E 2 ORDEM ............... 21 FIGURA 5 DBO (EXERCIDA E REMANESCENTE) VERSUS TEMPO .............. 28 FIGURA 6 CURVA DE CRESCIMENTO BACTERIANO..................................... 32 FIGURA 7 ESQUEMA DO PROCESSO DE DIGESTO ANAERBIA .............. 35 FIGURA 8 CONCEITUAO DO MODELO DE DIGESTO ANAERBIA ........ 37 FIGURA 9 MODELO ADM1 VERSUS EXPERIMENTAL (DQO/BUTIRATO)...... 39 FIGURA 10 MODELO ADM1 VERSUS EXPERIMENTAL (pH) .......................... 40 FIGURA 11 COMPORTAMENTO HIDRODINMICO EM REATORES .............. 41 FIGURA 12 FLUXO EM PISTO......................................................................... 42 FIGURA 13 BALANO DE MASSA DO REATOR FLUXO PISTO ................... 44 FIGURA 14 MISTURA COMPLETA .................................................................... 46 FIGURA 15 MISTURA COMPLETA - BALANO ................................................ 47 FIGURA 16 EFICINCIA VERSUS K.t PARA OS TRS REGIMES

HIDRULICOS................................................................................................ 51 FIGURA 17 FUNCIONAMENTO DA SEDIMENTAO DISCRETA................... 56 FIGURA 18 COLUNA DE SEDIMENTAO VERSUS TANQUE DE FLUXO

HORIZONTAL ................................................................................................. 57 FIGURA 19 FUNCIONAMENTO DA SEDIMENTAO FLOCULENTA ............. 59 FIGURA 20 TANQUE SPTICO DE CMARA NICA ....................................... 61 FIGURA 21 TANQUE SPTICO DE CMARAS EM SRIE............................... 62 FIGURA 22 TANQUE SPTICO DE CMARAS SOBREPOSTAS..................... 62 FIGURA 23 SEO DE UM TANQUE SPTICO DE CMARA NICA ............. 63 FIGURA 24 DIMENSES INTERNAS MNIMAS TANQUE SPTICO NBR 7229

........................................................................................................................ 67 FIGURA 25 VOLUME DE TANQUE VERSUS VAZO AFLUENTE PARA O

MODELO I DE DIMENSIONAMENTO DE PILOTTO, PELA NBR 7229/93 E POR ANDRADE NETO (FRMULA CLSSICA)............................................ 71

ix

FIGURA 26 ESQUEMA DE PROJETO EXECUTIVO DE UM TANQUE SPTICO........................................................................................................................ 75

FIGURA 27 ESQUEMA DO EXPERIMENTO EM ESCALA DE BANCADA ........ 79 FIGURA 28 TANQUE SPTICO EM ESCALA DE BANCADA............................ 80 FIGURA 29 MODELO FSICO INSTALADO ....................................................... 80 FIGURA 30 TANQUE ARMAZENADOR E MISTURADOR LENTO .................... 81 FIGURA 31 BOMBA PERISTLTICA.................................................................. 82 FIGURA 32 OPERAO DO EXPERIMENTO ................................................... 85 FIGURA 33 REMOO MDIA DE DQO, TOC E DBO PARA OS DIFERENTES

TEMPOS DE DETENO .............................................................................. 92 FIGURA 34 PROJETO DO TANQUE SPTICO (= 1/13) ................................ 103 FIGURA 35 PERSPECTIVA DO TANQUE SPTICO (= 1/13)........................ 104 FIGURA 36 ESQUEMA DO MODELO MATEMTICO DO TANQUE ............... 106 FIGURA 37 ESTRUTURA DO MODELO .......................................................... 109 FIGURA 38 FLUXOGRAMA DAS PROSPECES (MODELAGEM) .............. 112 FIGURA 39 FLUXOGRAMA DO MODELO DE DIMENSIONAMENTO

PROPOSTO PARA TANQUES SPTICOS PARTE REAO/DECANTAO ............................................................................. 116

FIGURA 40 FLUXOGRAMA DO MODELO DE DIMENSIONAMENTO COMPLETO PARA TANQUES SPTICOS .................................................. 118

FIGURA 41 GRFICO VARIAO DO TEMPO DE DETENO VERSUS ERRO PADRO DA ESTIMATIVA PARA OS DIVERSOS FLUXOS HIDRULICOS...................................................................................................................... 120

FIGURA 42 GRFICO VARIAO K (BASE e, 20C) NOS TEMPOS DE DETENO (REGIME FLUXO PISTO) ...................................................... 125

FIGURA 43 GRFICOS EFICINCIA DE REMOO REAL E VARIAO DO K NO TANQUE SPTICO ................................................................................ 129

FIGURA 44 CURVAS PARA CINTICA DE REMOO (K) VARIANDO O TEMPO DE DETENO............................................................................... 132

FIGURA 45 VALORES PREVISTOS VERSUS VALORES OBSERVADOS ..... 136 FIGURA 46 CURVAS PARA EFICINCIA DE REMOO VARIANDO O TEMPO

DE DETENO ............................................................................................ 143

x

FIGURA 47 GRFICO VARIAO DA EFICINCIA DE REMOO VERSUS TEMPO DE DETENO PARA O MODELO FSICO REAL E MODELOS MATEMTICOS ............................................................................................ 144

FIGURA 48 VARIAO DO VOLUME EM RELAO AO NMERO DE CONTRIBUINTES PARA O MODELO 2 E A NBR 7229/93 .......................... 155

FIGURA 49 VARIAO DO VOLUME EM RELAO AO TEMPO DE DETENO PARA 4 CONTRIBUINTES....................................................... 157

FIGURA 50 VARIAO DO VOLUME EM RELAO TEMPERATURA DO EFLUENTE.................................................................................................... 158

FIGURA 51 GRFICO ESTIMATIVA DO ERRO VESRUS K PARA SIMULAES COM td 12 HORAS E CONSIDERANDO EFEITO DA TEMPERATURA ........................................................................................... 176

xi

LISTA DE TABELAS

TABELA 1 FOSSA SPTICA NO BRASIL (MORADORES)..................................3 TABELA 2 FOSSA SPTICA NO BRASIL (DOMICLIOS) ....................................3 TABELA 3 FOSSA SPTICA NAS REGIES DO BRASIL (DOMICLIOS) ..........4 TABELA 4 TIPOS DE BACTRIAS VERSUS TEMPERATURA TIMA............. 11 TABELA 5 - CONCENTRAES E CONTRIBUIES UNITRIAS TPICAS DE

ESGOTOS DOMSTICOS BRUTOS.............................................................. 11 TABELA 6 CARACTERSTICAS DO ESGOTO SINTTICO............................... 13 TABELA 7 FORMULAO ESGOTO SINTTICO DE TORRES (1992) ............ 13 TABELA 8 ALGUNS PARMETROS DA RESOLUO DO CONAMA N357/05

(CLASSE DOS RIOS) ..................................................................................... 17 TABELA 9 ALGUNS PARMETROS DA RESOLUO DO CONAMA N357/05

(LANAMENTO) ............................................................................................. 17 TABELA 10 VALORES PARA PARMETROS DA CINTICA DE MONOD....... 24 TABELA 11 VALORES MDIOS DE K1 (20C, BASE e) PARA ESGOTO

DOMSTICO EM RAZO DO NVEL DE TRATAMENTO.............................. 29 TABELA 12 VALORES MDIOS DE ................................................................ 30 TABELA 13 EQUAES EMPRICAS PARA ESTIMAR O COEFICIENTE DE

REAERAO K2 (BASE e ,20C), PARA RIOS E CANAIS............................. 31 TABELA 14 FAIXAS TPICOS DE d PARA FLUXO DISPERSO ...................... 50 TABELA 15 REDUO DO VOLUME TOTAL (CLULAS EM SRIE) .............. 53 TABELA 16 EFICINCIA DOS TANQUES SPTICOS....................................... 64 TABELA 17 CONTRIBUIO DIRIA DE ESGOTO (Contr) E DE LODO FRESCO

(Lf) POR TIPO DE PRDIO E DE OCUPANTE .............................................. 66 TABELA 18 PERODO DE DETENO DOS DESPEJOS, POR FAIXA DE

CONTRIBUIO DIRIA ................................................................................ 66 TABELA 19 TAXA DE ACUMULAO TOTAL DE LODO (KNBR), EM DIAS, POR

INTERVALO ENTRE LIMPEZAS E TEMPERATURA DO MS MAIS FRIO...67 TABELA 20 PROFUNDIDADE TIL (MNIMA E MXIMA) POR FAIXA DE

VOLUME TIL ................................................................................................ 67 TABELA 21 MODELOS PROPOSTOS POR PILOTTO (2004) ........................... 70

xii

TABELA 22 VOLUME DE TANQUE OBTIDO POR PILOTTO COMPARADO COM OUTROS MODELOS (NBR/ ANDRADE NETO/ EUA/ UK/ AUSTRLIA)........................................................................................................................ 71

TABELA 23 FORMULAO EPA EUA (2002)................................................. 72 TABELA 24 FORMULAO DO ALL SEPTIC SYSTEM INFORMATION .......... 72 TABELA 25 RESULTADO DE REMOO MDIA DE DQO VILA (2005)..... 76 TABELA 26 RESULTADO DE REMOO DE DBO VILA (2005) ................. 77 TABELA 27 FORMULAO DO ESGOTO SINTTICO..................................... 82 TABELA 28 COMPARATIVO DO ESGOTO SINTTICO COM OUTROS

AUTORES E COM VALORES DE REFERNCIA PARA ESGOTO REAL ..... 83 TABELA 29 ANLISES DE PR-OPERAO.................................................... 85 TABELA 30 PARMETROS INDICADORES DE MATRIA ORGNICA

OBTIDOS NA ENTRADA (1) E SADA (2) DO TANQUE SPTICO ............... 90 TABELA 31 RELAO ENTRE DBO, DQO E TOC PARA O EXPERIMENTO ..94 TABELA 32 EFICINCIA MDIA DE REMOO EM TANQUES SPTICOS ...95 TABELA 33 EFICINCIA MDIA DE REMOO NO EXPERIMENTO.............. 95 TABELA 34 VARIAO DO ESGOTO SINTTICO............................................ 97 TABELA 35 pH, ALCALINIDADE TOTAL E ACIDEZ NO EXPERIMENTO ......... 99 TABELA 36 RESULTADOS DE PILOTTO PARA O TANQUE SPTICO ......... 108 TABELA 37 OBTENO DO Td NO MODELO ................................................ 115 TABELA 38 ESTIMATIVA PADRO DO ERRO E CONSTANTES CINTICAS

PARA TEMPO DE DETENO DE 12 HORAS ........................................... 119 TABELA 39 ESTIMATIVA PADRO DO ERRO E CONSTANTES CINTICAS

PARA TEMPO DE DETENO DE 15 HORAS ........................................... 121 TABELA 40 ESTIMATIVA PADRO DO ERRO E CONSTANTES CINTICAS

PARA TEMPO DE DETENO DE 18 HORAS ........................................... 121 TABELA 41 ESTIMATIVA PADRO DO ERRO E CONSTANTES CINTICAS

PARA TEMPO DE DETENO DE 21 HORAS ........................................... 121 TABELA 42 ESTIMATIVA PADRO DO ERRO E CONSTANTES CINTICAS

PARA TEMPO DE DETENO DE 24 HORAS ........................................... 122 TABELA 43 ESTIMATIVA PADRO DO ERRO E CONSTANTES CINTICAS

PARA TEMPO DE DETENO DE 12 HORAS CONSIDERANDO EFEITO DE TEMPERATURA ........................................................................................... 122

xiii

TABELA 44 ESTIMATIVA PADRO DO ERRO E CONSTANTES CINTICAS, CONSIDERANDO EFEITO DE TEMPERATURA, PARA TODOS OS TEMPOS DE DETENO ............................................................................................ 123

TABELA 45 DADOS GERADOS EM UM MODELO FLUXO DISPERSO (d=0,5) IDEALIZADO PARA UM TDH DE 18 HORAS............................................... 125

TABELA 46 ESTIMATIVA PADRO DO ERRO E CONSTANTES CINTICAS CONSIDERANDO OS VALORES IDEALIZADOS DA TABELA 45............... 126

TABELA 47 DADOS GERADOS DE UM MODELO MISTURA COMPLETA (K = 1,5 DIA 1) IDEALIZADO PARA UM TDH DE 15 HORAS ............................. 126

TABELA 48 ESTIMATIVA PADRO DO ERRO E CONSTANTES CINTICAS CONSIDERANDO OS VALORES IDEALIZADOS DA TABELA 47............... 127

TABELA 49 DADOS DE DQO PARA CALIBRAO ........................................ 134 TABELA 50 DADOS DE DBO PARA CALIBRAO......................................... 135 TABELA 51 DADOS DE ESGOTO ADOTADOS - EXEMPLO .......................... 138 TABELA 52 RESULTADOS DA CARACTERIZAO POR TEMPO DE

DETENO .................................................................................................. 139 TABELA 53 RESULTADO DA CARACTERIZAO GLOBAL.......................... 140 TABELA 54 VALORES MDIOS (LABORATORIAIS) POR TDH...................... 140 TABELA 55 RESULTADO DA CARACTERIZAO PARA VALORES MDIOS

...................................................................................................................... 141 TABELA 56 ERRO EMBUTIDO NA ANLISE DO REGIME FLUXO EM PISTO.

...................................................................................................................... 142 TABELA 57 CONTRIBUIO DE VAZES...................................................... 146 TABELA 58 DETERMINAO DO TEMPO DE DETENO (ABNT) .............. 146 TABELA 59 DETERMINAO DO TEMPO DE DETENO (MODELO 2) ..... 147 TABELA 60 VELOCIDADES MDIAS DE SEDIMENTAO ........................... 151 TABELA 61 TAXA DE ACUMULAO TOTAL DE LODO (K), EM DIAS, POR

INTERVALO ENTRE LIMPEZAS E TEMPERATURA DO MS MAIS FRIO. 152 TABELA 62 DADOS RETIRADOS DO EXPERIMENTO PARA O Td 12 HORAS

...................................................................................................................... 170 TABELA 63 RESUMO DOS CLCULOS .......................................................... 173 TABELA 64 DADOS RETIRADOS DO EXPERIMENTO PARA O Td 12 HORAS

...................................................................................................................... 173 TABELA 65 RESUMO DOS CLCULOS .......................................................... 176

xiv

LISTA DE QUADROS

QUADRO 1 COMPOSIO DE ESGOTO SINTTICO...................................... 12 QUADRO 2 TIPO DE SEDIMENTAO............................................................. 55 QUADRO 3 CRONOGRAMA DE ANLISES DE BARBOSA.............................. 88 QUADRO 4 CRONOGRAMA DE ANLISES COMPLEMENTARES .................. 89 QUADRO 5 ESTRUTURA GERAL DO MODELO ............................................. 110 QUADRO 6 PARMETROS DE ENTRADA NO MODELO 1 ............................ 130 QUADRO 7 MODELO 1 DEFINIDO .................................................................. 133 QUADRO 8 MODELO 1 DEFINIDO INVERTIDO........................................... 133 QUADRO 9 RESULTADOS PARA O TANQUE SPTICO 1............................. 135 QUADRO 10 RESULTADOS PARA O TANQUE SPTICO 2........................... 136 QUADRO 11 RESULTADOS PARA O TANQUE SPTICO 3........................... 137 QUADRO 12 APLICANDO O MODELO 1 - EXEMPLO .................................... 138 QUADRO 13 PARMETROS DE ENTRADA PARA O MODELO MISTURA

COMPLETA (MODELO USADO A TTULO DE COMPARAO) ................ 144 QUADRO 14 PLANILHA DE CLCULO DE VOLUME PARA TANQUES

SPTICOS (MODELO 2) .............................................................................. 153 QUADRO 15 COMPARAO MODELO 2 COM NBR 7229/93....................... 154 QUADRO 16 VOLUMES DE TANQUE SPTICO PARA 4 CONTRIBUINTES .156 QUADRO 17 VOLUMES DE TANQUE SPTICO VARIANDO A TEMPERATURA

DO EFLUENTE ............................................................................................. 158 QUADRO 18 ROTEIRO DE CLCULO PARA OBTENO DOS PARMETROS

K E REGIME HIDRULICO .......................................................................... 171 QUADRO 19 ROTEIRO DE CLCULO PARA OBTENO DOS PARMETROS

K E REGIME HIDRULICO CONSIDERANDO EFEITO DA TEMPERATURA...................................................................................................................... 174

QUADRO 20 RESUMO DOS RESULTADOS DE BARBOSA (2006)................ 177

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LISTA DE SIGLAS

ABNT Associao Brasileira de Normas Tcnicas ADM1 Anaerobic Digestion Model 1 (Modelo de Digesto Anaerbia 1) BAS Biofiltro Aerado Submerso CEPPA Centro de Pesquisa e Processamento de Alimentos da UFPR CONAMA Conselho Nacional de Meio Ambiente COT Carbono Orgnico Total (TOC Total Organic Carbon) DBO Demanda Bioqumica de Oxignio DBO5,20 - Demanda Bioqumica de Oxignio em cinco dias a 20C DQO Demanda Qumica de Oxignio ETE Estao de tratamento de esgoto EPA Agncia norte-americana de proteo ao meio ambiente (Enviromental Protecy Agency) FUNASA Fundao Nacional de Saneamento IBGE Instituto Brasileiro de Geografia e Estatstica LACTEC Instituto de Tecnologia para o Desenvolvimento MO Matria Orgnica N-NH3 Nitrognio amoniacal N-Org Nitrognio orgnico NTK Nitrognio Total Kjeldahl NO2 Nitrito NO3 Nitrato OD Oxignio Dissolvido ODs concentrao de saturao de oxignio dissolvido na gua P-total Fsforo Total SSF Slidos suspensos fixos SST Slidos suspensos totais SSV Slidos suspensos volteis TAES Tanque Alimentador de Esgoto Sinttico TS Tanque Sptico UFPR Universidade Federal do Paran

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LISTA DE SMBOLOS

a fator de assimilao (L3T-1) Ased rea em planta para sedimentao (L2) B Biomassa (ML-3) C concentrao efluente de substrato (ML-3) Co concentrao afluente de substrato (ML-3) Contr Contribuio diria de esgoto por pessoa (L3T-1) DBOa DQO afluente ao tanque sptico (ML-3) DBOe DQO efluente ao tanque sptico (ML-3) DQOa DQO afluente ao tanque sptico (ML-3) DQOe DQO efluente ao tanque sptico (ML-3) d nmero de disperso (adimensional) D coeficiente de disperso axial ou longitudinal (L2T-1) Dm coeficiente de disperso (L3T-1) D = dficit de oxignio dissolvido

cD = dficit crtico de oxignio dissolvido

0D = dficit inicial de oxignio dissolvido EE Estimativa Padro do Erro (F/M) = substrato aplicado/biomassa no reator Fr Nmero de Froude (adimensional) g acelerao da gravidade (LT-2) K ou K1 coeficiente da taxa de remoo de substrato (T-1) K2 coeficiente da taxa de reaerao (T-1) Kd coeficiente de respirao endgena (T-1) KNBR Taxa de acumulao total de lodo (T) Ks constante de saturao (ML-3) Lf Contribuio de lodo fresco por pessoa (L3T-1) N nmero de pessoas ou unidades de contribuio

aQ Vazo afluente ao tanque (L3T-1) r taxa de reao (ML-3T-1) rmx taxa mxima de reao (ML-3T-1) S concentrao de substrato (DBO, DQO ou TOC) (ML-3)

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TDH ou td tempo de deteno hidrulica (T) =Dt tempo de deteno na zona de decantao (dia)

t temperatura ambiente (C) T temperatura do despejo (C) vsed velocidade de sedimentao (LT-1)

DV volume para decantao (L3) lV volume para armazenamento e digesto do lodo (L3)

X concentrao de microrganismos (SST ou SSV) (ML-3) W carga orgnica (MT-1) Y coeficiente de rendimento (biomassa por substrato removido SSV/DBO) x velocidade do fluxo (LT-1)

viscosidade cinemtica da gua (L2T-1) dimetro da partcula (L)

s densidade da partcula slida (ML-3)

l densidade do lquido (ML-3)

coeficiente da equao de Vant Hoff Arrhenius (valor aproximado que relaciona a energia de ativao e a temperatura de energia de ativao) mx taxa de crescimento especfica mxima (T-1) c idade de lodo (T)

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RESUMO

A realidade mundial atual revela um cenrio preocupante quanto s condies de saneamento bsico de grande parcela da populao. O tanque sptico se apresenta como uma opo para reduzir a carncia no mbito do tratamento de esgotos, no pela sua eficincia (que reconhecidamente baixa se comparada a outros sistemas), mas sim, pela sua simplicidade de instalao e operao. Neste estudo foi desenvolvido um experimento em escala reduzida, no qual se projetou um tanque sptico para atender uma comunidade de 250 pessoas. Este tanque, em escala de bancada, (com volume de 27 litros) foi operado por um perodo de cinco meses utilizando esgoto sinttico como efluente e sendo gerada uma base de dados aferidos laboratorialmente. Foram efetuadas anlises fsico-qumicas na entrada e na sada do tanque sptico para cinco distintos tempos de deteno (12, 15, 18, 21 e 24 horas). Dentre os indicadores aferidos, a matria orgnica (representada pela DBO e DQO) foi o de maior interesse para a pesquisa. Buscou-se obter valores para a constante cintica qumica de degradao e para a definio do regime hidrulico dentro do tanque a partir dos indicadores mensurados de remoo da matria orgnica. Associando-se os regimes hidrulicos clssicos de literatura (mistura completa, fluxo disperso e fluxo em pisto), a considerao do efeito da temperatura atravs da equao de Vant Hoff Arrhenius, um padro estatstico de verificao (Estimativa Padro do Erro) e a base de dados extrada do modelo reduzido foram obtidos valores para a constante cintica qumica e para o regime hidrulico, aps diversas iteraes entre as variveis. O regime que melhor representou o processo de estabilizao da matria orgnica do efluente em estudo no tanque sptico foi o fluxo em pisto. De posse dos parmetros cinticos e hidrulicos recm obtidos, desenvolveu-se um modelo de dimensionamento de volumes para tanques spticos. Esse modelo, apesar de apenas permitir compor a parcela destinada reao e decantao do volume necessrio, apresentou valores prximos ao da NBR 7229/93. Com os resultados obtidos neste trabalho se pretende contribuir no aperfeioamento do tanque sptico.

Palavras chave: Tanques spticos, hidrulica de reatores anaerbios, cintica qumica, remoo de matria orgnica.

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ABSTRACT

The current world-wide reality discloses to a preoccupying scene about the basic sanitation of great parcel of the population. The septic tank shows up as an option to reduce the lack of sewage treatment. Not for its efficiency (that admittedly low it is compared with other systems), but yes, for the its simplicity of installation and operation. An experiment in reduced scale was developed, in which if it simulated a septic tank that took care of a community of 250 people. The tank in reduced scale (with volume of 27 liters) runs for 5 months using synthetic sewage providing a database. Physicist and chemistries analyses were done in the entrance and the exit of the septic tank for five distinct times of detention (12, 15, 18, 21 and 24 hours). Amongst the done analyses, the organic substance (represented for the BOD and COD) is the biggest interest in this research. Searches from the analyses of organic substance removal were made to look for the chemical kinetic constant of degradation and for the tank hydraulical regimen. Associating classics hydraulical flows of literature (complete mixture, dispersed flow and plug flow), the consideration of the temperature effect through the Van't Hoff Arrhenius equation, a statistical standard of verification (Estimative Error Standard) and the extracted database of the reduced model, values for the chemical kinetic constant and the hydraulical flow were gotten (after some iterations between the variables). The flow that better represents the process of cleaning the effluent, concerning the organic load removal, in the septic tank showed to be the plug flow. With the just gotten kinetic and hydraulical parameters, a model of volumes sizing for septic tanks was developed. This model, although to only allow composing the volume destined to the reaction and decantation, got values next to the one on NBR 7229/93. This work intends to contribute in the improvement of the septic tank from the studied parameters.

Word keys: Septic tanks, hydraulical of anaerobic reactors, kinetic chemistry, removal of organic substance.

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1. INTRODUO

Considerando aspectos como conservao da gua, saneamento bsico e desperdcio zero o presente trabalho prope um aprimoramento nas concepes (coletivas e individuais) de tratamento de esgoto sanitrio oriundo de pequenos centros, que abrangem desde comunidades de interesse social e pequenos municpios, at edificaes multi-familiares situadas em grandes centros urbanos.

As concepes tero como base o tanque sptico. Esse tanque ser avaliado luz da possibilidade do aumento de sua capacidade de remoo de matria orgnica, aplicados a um modelo matemtico que aperfeioe seu dimensionamento (reduzindo custos e eliminando desperdcios) com parmetros mais confiveis de eficincia de remoo.

Apesar de sua reconhecida precariedade, o tanque sptico ainda se apresenta como soluo ambiental a inmeros problemas relacionados a saneamento bsico das populaes. Isso se deve falta de recursos financeiros que a maior parte dos pases enfrenta, onde as tecnologias de ponta, que permitem a concepo de processos muitos mais eficientes, ainda esto muito distantes de uma realidade possvel.

Segundo a ABNT, Tanque Sptico definido como unidade cilndrica ou prismtica retangular de fluxo horizontal, para tratamento de esgotos por processos de sedimentao, flotao e digesto. A ABNT tambm define Tanque Sptico de Cmara nica como unidade de apenas um compartimento, em cuja zona superior devem ocorrer processos de sedimentao e de flotao e digesto da escuma, prestando-se a zona inferior ao acmulo e digesto do lodo sedimentado (NBR 7229/1993). Isso ainda remete as definies de lodo, material acumulado na zona de digesto do tanque sptico, por sedimentao de partculas slidas suspensas no esgoto (NBR 7229/1993); e escuma, massa constituda por graxos e slidos em mistura com gases que ocupa a superfcie livre do lquido no interior do tanque sptico (NBR 7229/1993). Na figura 1 segue um resumo dessas principais reaes ocorridas no tanque sptico.

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FIGURA 1 TANQUE SPTICO E SEU FUNCIONAMENTO

Fonte: ABNT (NBR 7229/1993)

O tanque sptico de cmara nica um dos mais simples sistemas de tratamento encontrados no Brasil. Mesmo diante de sua simplicidade, facilidade de instalao e operao, ele ainda pouco estudado no mbito da cincia. Segundo CHERNICHARO (1997), apesar da vasta utilizao de tanques spticos no Brasil, as condies operacionais so usualmente deficientes, devido falta de anlise dos projetos e do acompanhamento de execuo dos mesmos. Reconhece-se que o tanque sptico um sistema bastante precrio e com eficincia baixa de tratamento das guas residurias. Sistemas de tratamento de esgotos mais sofisticados e eficientes tm sido desenvolvidos mundo afora, obtendo-se processos mais eficazes de purificao das guas. Entretanto, a realidade econmica brasileira e de grande parte do mundo incompatvel com tais tecnologias de ponta. Por isso no se pode limitar-se a apenas esse tipo de estudo. O mundo precisa de solues simples, baratas e rpidas. A situao no Brasil precria quanto a saneamento bsico. O IBGE divulgou em seu ltimo censo (2000) que apenas 47,24% dos domiclios so atendidos por rede coletora de esgoto e 38,6% utilizam fossa (sptica ou rudimentar) como esgotamento sanitrio. Seguem tabelas (1, 2 e 3) extrados do banco de dados do IBGE.

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TABELA 1 FOSSA SPTICA NO BRASIL (MORADORES) Caractersticas Moradores (em domiclios particulares

permanentes) do domicilio Total Situao do domicilio

Urbana Rural Com banheiro ou sanitrio 152.280.448 132.719.032 19.561.416 Sem banheiro 16.090.445 4.296.653 11.793.792 Total de moradores 168.370.893 137.015.685 31.355.208 Tipo de esgotamento sanitrio Rede de esgoto 74.721.700 73.759.596 962.104 Fossa sptica 24.877.530 22.146.361 2.731.169 Fossa rudimentar 42.156.836 29.425.406 12.731.430 Vala 4.625.992 3.223.912 1.402.080 Rio, lago ou mar 4.376.438 3.219.940 1.156.498 Outro escoadouro 1.521.952 943.817 578.135 Total (possuem banheiro) 152.280.448 132.719.032 19.561.416 Populao sem rede de esgoto Utilizam fossa (habitantes) 67.034.366 51.571.767 15.462.599 Utilizam fossa (%) * 39,8% 37,6% 49,3% Total sem rede (habitantes) 77.558.748 58.959.436 18.599.312 Total sem rede (%) * 46,1% 43,0% 59,3% * - em relao ao total de moradores (168.370.893) Fonte: adaptado de IBGE Censo Demogrfico 2000 (www.ibge.gov.br)

TABELA 2 FOSSA SPTICA NO BRASIL (DOMICLIOS) Caractersticas Domiclios particulares

permanentes

do domiclio Total Situao do domicilio Urbana Rural

Tinha banheiro ou sanitrio 41.089.793 36.261.998 4.827.795 No tinha banheiro 3.705.308 1.072.868 2.632.440 Total de moradores 44.795.101 37.334.866 7.460.235 Tipo de esgotamento sanitrio Rede de esgoto 21.160.735 20.913.956 246.779 Fossa sptica 6.699.715 5.984.551 715.164 Fossa rudimentar 10.594.752 7.482.258 3.112.494 Vala 1.154.910 816.951 337.959 Rio, lago ou mar 1.110.021 827.843 282.178 Outro escoadouro 369.660 236.439 133.221 Total (possuem banheiro) 41.089.793 36.261.998 4.827.795 Populao sem rede de esgoto Utilizam fossa (domiclios) 17.294.467 13.466.809 3.827.658 Utilizam fossa (%) * 38,6% 36,1% 51,3% Total sem rede (domiclios) 19.929.058 15.348.042 4.581.016 Total sem rede (%) * 44,5% 41,1% 61,4% * - em relao ao total de domiclios (44.795.101) Fonte: adaptado de IBGE Censo Demogrfico 2000 (www.ibge.gov.br)

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TABELA 3 FOSSA SPTICA NAS REGIES DO BRASIL (DOMICLIOS) Proporo (%) de domiclios

Regio Rede de esgoto

Fossa Sptica

Fossa rudimentar

Outros Total com banheiro

Norte 9,64 25,98 41,58 9,15 86,35 Nordeste 25,11 12,84 33,97 4,52 76,44 Sudeste 73,42 8,92 8,86 7,09 98,29 Sul 29,56 34,22 28,97 5,11 97,86 Centro-Oeste 33,27 7,52 53,09 1,8 95,68 Brasil 47,24 14,96 23,65 5,88 91,73 Fonte: adaptado de IBGE Censo Demogrfico 2000 (www.ibge.gov.br)

Os dados permitem avaliar a importncia do tanque sptico no sistema de esgotamento sanitrio nacional. Segundo a tabela 1 (IBGE, 2000) mais de 67 milhes de pessoas (ou 17 milhes de domiclios) adotam esse sistema de tratamento, sendo que 51% dos domiclios da zona rural e 36% dos domiclios urbanos utilizam tanques spticos ou rudimentares. Existe um contingente de 77 milhes de habitantes no Brasil que no tm rede coletora de esgoto. Portanto, aproximadamente metade da populao brasileira pode vir a fazer uso de tecnologia simples para tratamento de seus despejos (67 desses 77 milhes j fazem uso do tanque sptico de alguma forma).

Em todas as regies do Brasil (ver tabela 3) a utilizao de fossas expressiva, especialmente das rudimentares (que atendem 24% dos domiclios brasileiros). A carncia de rede coletora e o uso de fossas tambm so proporcionalmente maiores nas reas rurais, do que nas urbanizadas (conforme tabelas 1 e 2).

Diante desta realidade estarrecedora, investir em sistemas simples e economicamente acessveis s populaes mais carentes um importante passo na soluo das inmeras dificuldades ambientais que o mundo atravessa. Ao estudar-se e aperfeioar-se sistemas como o tanque sptico, espera-se estar contribuindo na empreitada de melhor atender a populao brasileira e mundial em suas necessidades de sade pblica, salubridade e sustentabilidade ambiental. A inteno que conhecendo melhor a tecnologia de tratamento sejam gerados efluentes mais limpos possibilitando a preservao dos recursos hdricos, assim como a qualidade da gua dos mananciais, racionalizando o uso urbano da gua e promovendo a melhoria de sade e de qualidade de vida das populaes.

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1.1. OBJETIVOS

O objetivo central desta dissertao a modelagem matemtica do tanque sptico como tecnologia de tratamento de esgoto bruto, definindo parmetros cinticos e hidrulicos, isto , constante cintica qumica de degradao e fluxo hidrulico.

Para atingir este objetivo central, algumas sub-etapas foram realizadas. O primeiro passo foi a concepo de um sistema em escala reduzida que permitisse simular o tanque sptico e, na seqncia, a implantao e operao desse sistema. O passo seguinte foi a proposio de um tratamento matemtico aos dados extrados da operao do sistema e sua aplicao como ferramenta de avaliao. Dentre as contribuies esperadas citam-se: a) Aperfeioar o dimensionamento do tanque sptico. b) Aprimorar concepes de sistemas coletivos de tratamento de esgoto, os quais possibilitem a conservao da qualidade gua. c) Obter um resultado com aplicao prtica e vivel economicamente para ser colocado disposio da populao em geral.

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2. REVISO BIBLIOGRFICA

2.1. PRELIMINARES

O surgimento dos sistemas de tratamento ocorre como resultado da evoluo humana. Segundo JORDO e PESSOA (1995) a gua tem sido o fator primordial na fixao do Homem e formao de novas comunidades. O ser humano sempre buscou fixar-se em regies onde possa saciar suas necessidades mais elementares: alimento, gua e calor. Dessa incansvel busca de nossos ancestrais chegamos a situao que nos encontramos no mundo de hoje: densidades populacionais elevadas, sempre prximas a rios e nascentes. O Homem, por comodismo, no se preocupou com a real necessidade de acondicionar os resduos gerados pela comunidade em que vivia. Lanou-os em rios com o objetivo de serem transportados para longe e para que as guas realizassem o processo de autodepurao. Entretanto, com o crescimento demogrfico e, conseqentemente o aumento do volume da carga orgnica lanada nos corpos dgua, estes se tornaram incapazes de se autodepurarem. Esse comportamento tem causado a contaminao das guas pelos resduos humanos, tornando inevitvel o consumo dessas fontes de energia cada vez mais impuras e inadequadas vida.

inserido nesse conturbado contexto que surgem os sistemas de tratamento como elemento fundamental continuidade da evoluo do Homem no planeta. O tanque sptico um dos mais antigos, mais rudimentares e um dos mais amplamente usados e difundidos sistemas de tratamento de efluentes. Apesar do seu uso em larga escala ao redor do mundo, o tanque sptico ainda pouco estudado e seu dimensionamento bastante emprico.

2.2. CARACTERIZAO DO ESGOTO SANITRIO 2.2.1. Constituintes do esgoto O esgoto fresco cinza, turvo e com pouco, mas desagradvel, odor. Contm muitos slidos flutuantes: grandes (fezes, plsticos, pedaos de pano, pedaos de madeira), pequenos (papis, gros, etc.) e microscpicos (coloidal).

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Em climas quentes, o esgoto perde rapidamente o oxignio dissolvido, tornando-se sptico. Este tem um odor mais forte, devido presena de gs sulfdrico.

Somente 0,1% do esgoto constitudo de slidos. O restante (99,9%) composto de gua (ver figura 2).

FIGURA 2 COMPOSIO DO ESGOTO SANITRIO

Fonte: adaptado de MARA e SILVA (1979)

Os slidos totais no esgoto podem ser definidos como a matria slida que permanece como resduo aps a evaporao a 103C. Quando este resduo calcinado a 550C, as substncias orgnicas se volatilizam (slidos volteis) e as minerais permanecem em forma de cinza (slidos fixos).

Os slidos volteis representam uma estimativa da matria orgnica, enquanto os slidos fixos representam a matria inorgnica. Apesar de representar apenas 0,1% do esgoto, o teor de matria slida a mais importante caracterstica fsica para o dimensionamento e controle de operaes de unidades de tratamento (VILA, 2005).

A frao orgnica (voltil) dos slidos composta de protenas, carboidratos e gorduras. Esses componentes, particularmente os dois primeiros, servem como excelente alimento para as bactrias. Esses organismos microscpicos so largamente explorados nos tratamentos biolgicos dos esgotos. Portanto so as bactrias que tratam o esgoto, atravs de sua alimentao. Esta alimentao remove o substrato (poluente) da gua residuria. Como poder ser verificada adiante a degradao da matria orgnica obedece a uma cintica qumica de primeira ordem (normalmente).

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2.2.2.Matria orgnica A matria orgnica , em geral, o principal parmetro a ser considerado no

dimensionamento de sistemas de tratamento. Tendo sido estabelecidos indicadores para mensurar atravs de ensaios laboratoriais quantidade de matria orgnica existente. A forma mais utilizada para medir a quantidade de matria orgnica presente no esgoto atravs da determinao da Demanda Bioqumica de Oxignio (DBO). Este parmetro mede a quantidade de oxignio necessria para estabilizar biologicamente a matria orgnica presente numa amostra, aps determinado perodo de tempo (cinco dias geralmente) e a uma temperatura padro (20C). , portanto, uma medida indireta da quantidade de matria orgnica, pois mede a demanda de oxignio utilizada na respirao das bactrias que consomem a carga orgnica e no a matria orgnica em si.

Outra forma de medir a quantidade de matria orgnica indiretamente atravs da DQO (Demanda Qumica de Oxignio). Este ensaio laboratorial determina a quantidade de oxignio necessria para oxidar a frao orgnica presente numa amostra, que seja oxidvel pelo permanganato ou dicromato de potssio em soluo cida. A DQO engloba todos os tipos de demandas de oxignio, incluindo a DBO. Alm disso, permite resposta em apenas duas horas de ensaio, tempo muito menor que os cinco dias do ensaio da DBO.

Segundo MARA (1976), o quociente entre DBO e DQO para esgoto domstico de aproximadamente 0,5.

DomsticoEsgotoDQODBO

.5,0 (1)

A relao DBO/DQO um indicador da biodegradabilidade de um efluente. Quanto mais prximo a 1, mais biodegradvel a gua residuria e quanto menor a relao, menos biodegradvel ser. Na prtica podemos considerar que se esta razo for de 0,5 ou mais, o esgoto considerado como facilmente tratvel pelos meios biolgicos (METCALF e EDDY, 1991).

A determinao desse tipo de relao (DBO/DQO) para um efluente bastante importante, visto que o custo de uma anlise de DBO bastante superior ao custo da anlise de DQO, e o tempo necessrio para a obteno do resultado de cinco dias. Conhecendo-se esta relao possvel realizar experimentos cientficos e controles de sistemas de tratamento em operao com o uso do

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indicador DQO (analisado constantemente), e do DBO de forma mais espordica (apenas como confirmao da relao).

importante ressaltar que a DBO se processa em dois estgios: um primeiro em que a matria carboncea oxidada e um segundo no qual h uma nitrificao. A oxidao de formas reduzidas de nitrognio, tais como amnia e nitrognio orgnico, pode ser realizada por microrganismos e exercer demanda nitrogenada. Demanda nitrogenada tem sido considerada uma interferncia na determinao de DBO, como claramente evidenciado pela incluso da amnia na gua de diluio. Atualmente, a interferncia da demanda nitrogenada pode ser impedida por um inibidor qumico. Se um inibidor qumico no usado, a demanda de oxignio medida a soma das demandas carboncea e nitrogenada.

A extenso da oxidao de compostos nitrogenados durante os cinco dias do perodo de incubao depende da concentrao e do tipo de microrganismos capazes de realizar esta oxidao. Tais organismos geralmente no esto presentes nos esgotos bruto e primrio em nmero suficiente para oxidar quantidades suficientes de formas reduzidas de nitrognio no teste da DBO5,20. Porm, em muitos efluentes de estaes de tratamento biolgicos, o nmero de organismos nitrificantes j suficiente para alterar os testes de DBO (se realizados sem o inibidor).

Um parmetro que mede a matria orgnica diretamente o Carbono Orgnico Total (COT). Esse ensaio afere todas s fontes de carbono encontradas numa amostra, sendo estas biodegradveis ou no. Um exemplo de um elemento que ilustra bem a diferena entre COT e DBO/DQO o leo, que fonte de carbono (medido no COT), mas no biodegradvel (no medido na DBO ou DQO). Existem tambm outras matrias orgnicas de mais difcil degradao, porm ainda biodegradveis, que muitas vezes no seriam detectados numa medio de DBO, mas que seriam aferidas num ensaio de COT.

DomsticoEsgotoCOTDBO

.0,22,1 (2)

E, conseqentemente temos:

DomsticoEsgotoCOTDQO

.0,44,2 (3)

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2.2.3. Outros parmetros (pH, cor, turbidez, temperatura, nutrientes) No somente a matria orgnica e os slidos so importantes na

caracterizao e avaliao de um esgoto. Outros importantes parmetros que podem ser mensurados so: cor, turbidez, pH, temperatura, alcalinidade e acidez. A investigao da presena de nutrientes, como fsforo e nitrognio, tambm se torna importante para o controle do processo de eutrofizao.

A cor formada pelos slidos dissolvidos no esgoto. Tem origem na decomposio de matria orgnica, ou na presena de ferro e mangans. VON SPERLING (1996a) recorda que este parmetro no representa grande risco sade, mas esteticamente desagradvel. Deve-se atentar para a diferena entre cor verdadeira e cor aparente. Nesta, inclui-se uma parcela devido turbidez (cor aparente). Quando removida, obtm-se a cor verdadeira.

A turbidez representa o grau de interferncia para a passagem da luz atravs da gua. Constitui-se de slidos em suspenso com origem em partculas de rocha, argila, silte e microrganismos. Tambm esteticamente desagradvel, e pode representar risco sade, devido possibilidade de abrigo a microrganismos patognicos nos slidos suspensos.

O potencial hidrogeninico (pH) representa o logaritmo na base 10 da concentrao de ons hidrognio H+, pode variar de 0 a 14 (salvo casos especiais onde existe pH negativo ou maior que 14 no importantes para discusso no presente trabalho) e adimensional. A determinao desse parmetro importante para o controle dos processos de tratamento de esgoto. Valores de pH afastados da neutralidade (pH=7) podem afetar o crescimento de microrganismos ou levar os mesmos a morte, afetando a eficincia do tratamento de um despejo. O pH timo est entre 6,5 e 7,5 (METCALF e EDDY, 1991), mas o processo ainda continua bem sucedido num limite de 6,0 a 8,0.

A temperatura importante na avaliao da biodegradao biolgica de um efluente. O ideal trabalhar numa faixa de temperatura na qual a atividade microbiolgica de degradao pelas bactrias seja boa (ver tabela 4 temperatura tima para as bactrias) e a dissoluo do oxignio na gua tambm esteja em bons patamares. Para temperaturas mais amenas a solubilidade do oxignio na gua maior e a atividade microbiana menor, para guas mais quentes a situao

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se inverte (menor solubilidade de oxignio na gua e maior atividade microbiolgica).

TABELA 4 TIPOS DE BACTRIAS VERSUS TEMPERATURA TIMA Tipo de Bactria Faixa de vida Temperatura tima

Psicroflicas 10 a 30C 12 a 18C Mesoflicas 20 a 50C 25 a 40C Termoflicas 35 a 75C 55 a 60C

Fonte: adaptado de CAMPOS (1999) e CHERNICHARO (1997).

2.2.4.Concentraes no esgoto sanitrio A tabela 5, abaixo, mostra as faixas e valores tpicos de concentrao de

diversos parmetros do esgoto sanitrio e as suas contribuies dirias per capita.

TABELA 5 - CONCENTRAES E CONTRIBUIES UNITRIAS TPICAS DE ESGOTOS DOMSTICOS BRUTOS

Concentrao (mg/l) Contribuio Unit. (g/hab.d) Parmetro Faixa Valor tpico Faixa Valor tpico

DBO5,20 250-350 350 40-60 54 DQO 450-800 700 80-130 100 COT 170-350 250 30-60 45

Slidos Totais 700-1350 1100 120-220 180 Slidos Suspensos Fixos 40-100 80 7-14 10

Slidos Susp. Volteis 165-350 320 25-60 50 Slidos Dissolvidos Fixos 300-550 400 50-90 70 Slidos Dissolv. Volteis 200-350 300 35-60 50

Slidos Sediment. 10-20 15 - - Nitrognio total 35-70 50 6,0-11,2 8,0

Nitrognio orgnico 15-30 20 2,5-5,0 3,5 Amnia 20-40 30 3,7-7,0 4,5 Nitrito 0 0 0 0 Nitrato 0-2 0 0-0,5 0

Fsforo total 5-25 14 1,0-4,5 2,5 pH 6,7-7,5 7,0 - -

Alcalinidade 110-170 140 20-30 25 Observaes: 1. As concentraes de nitrognio encontram-se em mgN/l. 2. As concentraes de fsforo total encontram-se em mgP/l.

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3. A alcalinidade est em mgCaCO3/l Fonte: adaptado de VON SPERLING (1996a p. 79)

2.3. ESGOTO SINTTICO Como instrumento para avaliar reatores em nvel de escala piloto ou de bancada, muitos autores vem utilizando esgoto produzido em laboratrio para alimentar o sistema de tratamento, buscando maior controle das caractersticas do afluente e maior praticidade operacional do sistema de tratamento.

O uso dos esgotos sintticos vem sendo bastante difundido em pesquisas. Uma outra grande vantagem do uso desse tipo de esgoto a reduo do risco no manuseio do experimento. O risco de contaminao no nulo, pois ainda no se conseguiu produzir bactrias sintticas que tratem o esgoto, porm ao substituir a fonte de alimento de esgoto real para sinttico j reduzimos drasticamente o teor de risco. O esgoto sinttico nada mais que uma mistura de vrios ingredientes com gua dando soluo final uma caracterstica similar de esgoto real, no que se refere s caractersticas como matria orgnica (DBO, DQO), slidos e nutrientes.

CYBIS e PESCADOR (2000) realizaram pesquisa sobre o uso de reator seqencial em batelada para ps-tratamento de efluentes de tratamento anaerbio, na qual alimentaram o reator em escala piloto com afluente sinttico. A composio do esgoto caracterizado como domstico segue abaixo.

QUADRO 1 COMPOSIO DE ESGOTO SINTTICO Compostos orgnicos Micronutrientes Macronutrientes

Extrato de carne: 12,57g cido nitrilotriactico: 12,8g CaCO3: 12g Amido comercial: 6,50g CoCl.6H2O: 0,024g Sacarose: 1,54g Celulose: 1,54g Azeite comestvel: 1,8ml

CaCl.2H2O: 0,1g H3BO3: 0,01g Molidbato de sdio.H2O: 0,024g Na2SeO3.5H2O: 0,026g NiCl2.6H2O: 0,12g NaCl: 1g

Obs.: quantidades para 1 litro de efluente Fonte: CYBIS e PESCADOR (2000)

Estas solues eram refrigeradas a 4C e diludas diariamente para a preparao do esgoto sinttico de alimentao dos reatores. Para 50 litros de esgoto utilizava-se um litro de soluo de compostos orgnicos, 1ml/l de

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micronutriente e 10 ml/l de macronutrientes, solues estas obtidas da receita anteriormente apresentada. O esgoto era misturado mecanicamente, mantendo a homogeneizao durante o abastecimento dos reatores.

O esgoto sinttico simulado por CYBIS e PESCADOR (2000) apresentou as seguintes caractersticas:

TABELA 6 CARACTERSTICAS DO ESGOTO SINTTICO Parmetro Valor mdio

Nitrognio Total 42,1 mg/l Nitrognio Orgnico 16,5 mg/l

Amnia 25,1 mgN/l Nitrognio Oxidado 0,5 mgN/l

Ortofosfato 6,4 mgP/l Alcalinidade Total 200 mgCaCO3/l

pH 7,5 DQO 400 mg/l

Fonte: adaptado de CYBIS e PESCADOR (2000)

PARSEKIAN (2003) em sua tese de doutorado utilizou efluente domstico sinttico para operao de seus reatores (UASB e um complementar aerbio). PARSEKIAN usou a formulao proposta por TORRES (1992) no laboratrio de hidrulica e saneamento da Universidade de So Carlos. Segue a tabela 7 com a formulao utilizada por TORRES e a figura 3 com a caracterizao (parmetros fsico-qumicos) do esgoto sinttico produzido.

TABELA 7 FORMULAO ESGOTO SINTTICO DE TORRES (1992) Volume de efluente: 1 litro

leo de Soja 0,051 ml Detergente 0,114 g NaHCO3 0,200 g

Extrato Carne 0,208 g Amido 0,0114 g

Sacarose 0,035 g Celulose 0,034 g

Soluo de Sais 5,000 ml Soluo de Sais Quantidade por litro

NaCl 0,2500 g MgCl2.6H20 0,0070 g CaCl2.2H20 0,0045 g

KH2PO4 0,0264 g Fonte: adaptado de PARSEKIAN (2003)

14

FIGURA 3 CARACTERSTICAS DO ESGOTO SINTTICO DE TORRES (USP)

Fonte: PARSEKIAN (2003)

As quantidades pr-estabelecidas de componentes orgnicos (como nos tabelas 6 e 7) simulam as protenas (atravs do extrato de carne), carboidrato (atravs da sacarose, amido e celulose) e lipdeos (atravs do leo de soja) que o esgoto real possui.

2.4. TRATAMENTO DE ESGOTOS SANITRIOS 2.4.1. Etapas do tratamento

A natureza tem condies de promover o tratamento dos esgotos, desde que no ocorra sobrecarga e que haja boas condies ambientais que permitam a evoluo, reproduo e crescimento de organismos que decompem a matria orgnica.

Entretanto o crescimento populacional e as altas concentraes inviabilizam deixar todo o tratamento a encargo da natureza. A carga orgnica de despejos domsticos e industriais infinitamente superior a capacidade normal de assimilao em rios e lagos, especialmente prximos a centros urbanos. Dessa forma o lanamento in natura completamente invivel num contexto de desenvolvimento sustentvel.

O tratamento de esgotos a etapa que precede o processo e antecede a disposio final (lanamento). Tratar esgotos aplicar energia para separar e

15

reduzir em guas servidas (esgotos sanitrios) as concentraes de materiais e substncias que a elas foram adicionados por seus usos (VILA, 2005).

Um sistema de tratamento dos esgotos usualmente classificado atravs dos nveis preliminar, primrio, secundrio e tercirio. O tratamento preliminar objetiva apenas a remoo dos slidos grosseiros enquanto que o tratamento primrio visa remoo de slidos sedimentveis e, conseqentemente, parte da matria orgnica. O tratamento secundrio visa remoo de matria orgnica e eventualmente nutrientes. J o tratamento tercirio objetiva a remoo de nutrientes e poluentes especficos, como compostos no biodegradveis, txicos ou patognicos.

No Brasil so empregadas vrias tcnicas de tratamento de esgotos, desde sofisticados sistemas at processos simples. Entre as tecnologias de baixo custo e pequenas vazes afluentes desenvolvidas nos ltimos vinte anos destacam-se: reatores anaerbios de fluxo ascendente e leito de lodo, tanques spticos seguidos de filtros anaerbios e formas de disposio controlada no solo.

Um exemplo comum de combinao de reatores anaerbios o sistema formado pelo tanque sptico seguido de filtro anaerbio, muito utilizado na prtica no pas. O tanque sptico tem por finalidade principal reter os slidos inorgnicos e orgnicos por sedimentao. Estes ltimos constituem parte da DBO total, a frao mais particulada, que com o tempo ser digerida anaerobiamente no fundo do tanque. A frao mais solvel da DBO total ser posteriormente tratada no filtro anaerbio que, pela sua configurao, mais adequado para o tratamento de esgoto com prvia remoo de slidos suspensos. A excessiva quantidade destes constituintes provocaria em curto tempo a colmatao do leito, o que poderia causar um mau desempenho e at sua completa ineficincia.

So notadamente conhecidas algumas relaes clssicas dos tratamentos biolgicos de guas residurias, como seguem: a) Sistemas aerbios (METCALF e EDDY, 1991):

15100PNDBO

==

(4) b) Sistemas anaerbios (METCALF e EDDY, 1991):

17350PNDBO

==

(5) onde:

16

DBO : concentrao (mg/l) fonte de carbono N : nitrognio (mg/l) P : fsforo (mg/l)

Essas relaes exprimem a quantidade ideal de cada macro-nutriente no processo de digesto microbiana no reator. Nos sistemas aerbios temos quantidades de nitrognio (N) e fsforo (P) maiores em relao a quantidade de carbono (em termos de DBO) requerido para a nutrio ideal das bactrias. J nos sistemas anaerbios, a quantidade de carbono ideal bem superior as quantidades de nitrognio e fsforo.

2.4.2. Vantagens e desvantagens do tratamento anaerbio Os sistemas anaerbios so usualmente menos eficientes na remoo de substrato que qualquer sistema aerbio. Porm, os sistemas anaerbios apresentam diversas vantagens, entre elas pode-se ressaltar (CHERNICHARO, 1997):

Baixo consumo de energia; Baixo custo de implantao; Preservao da biomassa sem alimentao do reator (por vrios meses); Produo do gs metano; Baixa produo de lodo.

Entretanto existem tambm diversas desvantagens (CHERNICHARO, 1997):

Necessita geralmente de um ps-tratamento; Pode gerar maus odores; Baixa remoo de nitrognio e fsforo comparados aos sistemas aerbios.

O balano entre as desvantagens e vantagens aplicadas a realidade local proporciona a opo por um ou outro tipo de sistema (aerbio ou anaerbio)

2.5. LEGISLAO NACIONAL PERTINENTE Os tratamentos so necessrios a uma realidade de desenvolvimento sustentvel. Nesse contexto rgos nacionais e internacionais vm desenvolvendo legislaes pertinentes ao assunto de tratamento de efluentes nas ltimas dcadas.

17

Em termos nacionais, o grande responsvel pelo estabelecimento de padres ambientais para a qualidade das guas e padres de lanamento de efluentes o CONAMA (Conselho Nacional de Meio Ambiente). As resolues desse conselho tm sido referncia para as exigncias dos institutos fiscalizadores. At 2004 vigorava a resoluo n20 do CONAMA (de 1986). A partir de 17 de maro de 2005, a resoluo CONAMA n357 substituiu a antiga. Abaixo segue, a ttulo de exemplo, as novas limitaes impostas pela resoluo n357 (na tabela 8 para as classes de rios e na tabela 9 para lanamento de efluentes). Esta resoluo a principal referncia de padres de qualidade de gua no Brasil.

TABELA 8 ALGUNS PARMETROS DA RESOLUO DO CONAMA N357/05 (CLASSE DOS RIOS) Parmetro DBO5,20 OD DQO Classe 1 (Doce) 3,0mg/l (mximo) 6,0mg/l (mnimo) No regulamentado Classe 2 (Doce) 5,0mg/l (mximo) 5,0mg/l (mnimo) No regulamentado Classe 3 (Doce) 10,0mg/l (mximo) 4,0mg/l (mnimo) No regulamentado Classe 4 (Doce) No regulamentado 2,0mg/l (mnimo) No regulamentado Classe 1 (Salina) 3,0mg/l (COT) 6,0mg/l (mnimo) No regulamentado Classe 2 (Salina) 5,0mg/l (COT) 5,0mg/l (mnimo) No regulamentado Classe 3 (Salina) 10,0mg/l (COT) 4,0mg/l (mnimo) No regulamentado Classe 1 (Salobra) 3,0mg/l (COT) 5,0mg/l (mnimo) No regulamentado Classe 2 (Salobra) 5,0mg/l (COT) 4,0mg/l (mnimo) No regulamentado Classe 3 (Salobra) 10,0mg/l (COT) 3,0mg/l (mnimo) No regulamentado Fonte: CONAMA 357

TABELA 9 ALGUNS PARMETROS DA RESOLUO DO CONAMA N357/05 (LANAMENTO) Parmetro Padro de lanamento DBO5,20 No regulamentado * DQO No regulamentado * pH 5 9 Temperatura < 40C (sem alterar + que 3 C no rio) Nitrognio Amoniacal Total 20,0 mg/l (N) * valores prximos a 60,0mg/l (DBO) e 150,0 mg/l (DQO) tem sido adotados, a critrio do rgo ambiental (Instituto Ambiental do Paran) para cada situao especfica. A resoluo do CONAMA no determina valores. Fonte: CONAMA 357

18

Vale ressaltar que conforme o pargrafo 1 do artigo 10 da resoluo 357 (CONAMA), os limites de Demanda Bioqumica de Oxignio estabelecidos para as guas doces de classes 2 e 3 podero ser elevados, se o estudo da capacidade de autodepurao do corpo receptor demonstrar que as condies mnimas de oxignio dissolvida previstas no sero desobedecidas, nas condies de vazo de referncia , com exceo da zona de mistura.

2.6. CINTICA DAS REAES 2.6.1. Modelo matemtico da cintica

Uma reao qumica, esquematicamente, pode ser escrita como:

Onde existe uma taxa de reao, que implicar na formao ou desaparecimento de dado composto. Est taxa pode ser escrita como:

(6) onde: CA=concentrao de espcies reagentes A, [moles/litro]; CB=concentrao de espcies reagentes B, [moles/litro]; a = coeficiente estequiomtrico de espcies A; b = coeficiente estequiomtrico de espcies B; k = taxa constante, [unidades dependem de a e b].

As reaes qumicas podem ser do tipo reversvel ou irreversvel. As reversveis funcionam de modo que a reao entre reagentes gerando produtos pode ocorrer no sentido inverso, ou seja, os produtos formados podem reagir para formar novamente os antigos reagentes. J nas irreversveis o processo ocorre num sentido nico, quer dizer, os produtos jamais reagiram para formar os antigos reagentes.

No mbito do tratamento de esgotos as reaes podem ser consideradas mais simplificadamente. Na degradao do substrato, por exemplo, somente se considerar um nico elemento na reao e reao irreversvel. Dessa forma podemos escrever:

nCkr .= (7) onde:

19

r = taxa de reao (ML-3T-1); k = constante de reao (T-1); n = ordem da reao (-); C = concentrao do reagente (ML-3). O termo n define a ordem da reao. Se n=0 reao de ordem zero Se n=1 reao de primeira ordem Se n=2 reao de segunda ordem Se n=k reao de k-sima ordem No caso mais genrico, com mais de um reagente, temos:

(8) ordem global = a + b; em relao ao regente A a reao de a-sima ordem; em relao ao regente B a reao de b-sima ordem.

Segundo TCHOBANOGLOUS e SCHROEDER1 (1985 apud VON SPERLING 1996b) no ramo de tratamento de esgotos as ordens de reao mais freqentes so as de ordem zero e primeira ordem, especialmente as de primeira ordem.

Como r = taxa de reao, podemos escrever:

nn kCdtdCCkr == . (9)

(o sinal depender se a reao for de formao ou desaparecimento)

Integrando, tem-se: =

=t

t

C

Cn

dtkCdC

o 0

.

(10)

_______________

1TCHOBANOGLOUS, G. & SCHROEDER, E. D. Water quality: characteristics, modeling, modification .Addiosn-Wesley, Reading, MA. 1985.

20

tkn

CC

C

n

o

.

1

1

=+

+

( ) ( ) tknCC

ntkCCn

o

n

n

o .).1(111.. 11

1==

+

( )[ ] 111 1..11

.

=

nn

o

o

nCtkCC

(11)

==

=

===

o

o CtkCC

particularcasotkCC

n

..11

.2

.1.0 0

( )kt

o

o

t

t

C

C

eCC

ktCoCktCCdtk

CdC

n

o

=

=

====

.

lnlnln.10

1

(12)

2.6.2. Cintica de degradao As reaes de ordem zero so aquelas que a reao independe da concentrao do reagente. Considerando o desaparecimento via mecanismos de degradao, a concentrao de dada espcie mudada numa taxa constante no tempo, ou seja, a concentrao decai linearmente. Conforme visto em 2.6.1, a equao que descreve tal fenmeno :

ktCC o = Cintica de degradao ordem zero (13) Nos reatores de tratamento de esgoto a maioria das reaes ocorre segundo a cintica de 1 ordem (VON SPERLING 1996b). Alguns exemplos desse tipo de reao so: decaimento de organismos patognicos, remoo de matria orgnica e aerao artificial.

As reaes de primeira ordem (n =1) so aquelas nas quais a taxa de mudana da concentrao da substncia proporcional primeira potncia da concentrao. No caso da degradao, a concentrao decai exponencialmente, conforme a equao (vista anteriormente):

kto eCC

= . Cintica de degradao de 1 ordem (14)

21

Nas reaes de segunda ordem pequenas mudanas na concentrao da substncia podem afetar consideravelmente a taxa de reao. No tratamento de esgotos incomum aparecerem reaes de 2 ordem ou superiores. Equao de decaimento:

tCkCC

o

o..1

1.

+= Cintica de degradao de 2 ordem (15)

FIGURA 4 CINTICAS DE ORDEM ZERO, 1 ORDEM E 2 ORDEM

Fonte: adaptado de remas.ufsc.br (2005)

A figura 4 ilustra o decaimento de concentrao (eixo vertical), pelo tempo (eixo horizontal) para as reaes de ordem zero, 1 e 2 ordem.

Segundo ARCEIVALA1 (1981 apud VON SPERLING 1996b), os principais fatores que podem afetar os valores de k so: a) temperatura; b) presena de catalisadores; c) presena de substncias txicas; d) disponibilidade de nutrientes e fatores de crescimento; e) pH; f) outras condies ambientais.

_______________

1ARCEIVALA, S. J. Principles of Reactor Design. In: Wastewater Treatment and Disposal Engineering and Ecology in Pollution Control. 1.ed. [s.l.]: Marcel Dekker, 1981.

22

2.6.3. Reaes de saturao muito comum associar as reaes de 1 ordem que ocorrem na estabilizao da matria orgnica do esgoto a uma chamada reao de pseudoprimeira ordem. Isto se deve ao fato de que num reator tanto a equao de 1 ordem quanto a de ordem zero podem ocorrer. No incio de uma reao de decomposio de substrato, quando a concentrao ainda elevada, a mesma no limitante, a taxa de remoo aproxima-se de uma de ordem zero. Quando a concentrao cai, a taxa de reao passa a ser limitada pela pouca disponibilidade de substrato no meio.

Michaelis e Menten em seus estudos (SAWYER e McCARTY, 1967) chegaram a um valor para a saturao no meio:

SKS

rrs

mx += .

(16)

onde: r = taxa de reao (ML-3T-1); rmx= taxa mxima de reao (ML-3T-1); S = concentrao de substrato limitante (ML-3); Ks= constante de saturao (ML-3). Pela equao de taxa de remoo de substrato possvel esclarecer a condio de pseudoprimeira ordem. Quando S>>Ks, isto , o substrato abundante, temos:

..

1

cterrSK

Srr mx

s

mx ==

+=

=

(17)

Quando r constante a taxa de remoo constante e a cintica de ordem zero (no depende da concentrao de substrato). Em esgotos sanitrios a concentrao de substrato (S) raramente muito maior que Ks, ou seja, o comportamento cintico de ordem zero incomum, apenas em cabeceiras de reatores fluxo em pisto que tal situao tende a ocorrer, pois a concentrao de substrato ainda elevada (VON SPERLING, 1996b).

Quando S

23

SKSKr

SKS

rr

K

s

KS

s

mx

s

...

max==

+=

==

(18)

Dessa forma o comportamento assemelhado a de cintica de 1 ordem, quando r=kC1, em outras palavras, r depende da concentrao de substrato.

2.6.4. Cintica de Monod A cintica de Monod trata do crescimento bacteriano e da remoo de substrato (CAMPOS, 1999 e VON SPERLING, 1996b). A equao completa, que representa o crescimento lquido bacteriano :

XKXSK

SdtdX

dS

mx ... +

= Crescimento lquido bacteriano (Monod 1950) (19)

onde: t = tempo; X = concentrao de microrganismos (SST ou SSV); S = concentrao de substrato (DBO, DQO ou TOC); Kd = coeficiente de respirao endgena (d-1); mx= taxa de crescimento especfica mxima (d-1); Ks= constante de saturao (definida para um S quando = mx/2). A equao (19) nada mais que a unio de outras duas formulaes menores, a do crescimento bacteriano e do decaimento. Como se ver a seguir (parte de digesto anaerbia e aerbia) as bactrias passam por vrias etapas dentro de um reator. Resumidamente teramos uma fase de crescimento e outra de decaimento endgena.

LA RIVIRE1 (1983 apud VON SPERLING, 1996b) conclui que aps 48 horas de crescimento irrestrito (sem falta de substrato) as bactrias chegariam a uma populao de 2144 pesando 4.000 vezes o peso da Terra. Evidentemente que essa situao utpica, jamais as bactrias contariam com uma quantidade ilimitada de alimento.

_________________

1LA RIVIRE, J. W. M. Microbiology. Delft, IHE (notas de aula), 1980.

24

A equao de crescimento bacteriano expressa matematicamente, como:

XSK

SdtdX

MONODdeestudosSaturaodeequaodaoriginada

Smx ..

..

....

+= (20)

A equao possibilita a mesma abordagem dada s equaes de reaes de saturao. A diferena que l usvamos r (taxa de reao) e agora utilizamos (taxa de crescimento especfico das bactrias).

SKS

Smx

+= . (21)

Anlises possveis da cintica de Monod (similar a reao de saturao): Quando S>>Ks cintica de crescimento de ordem zero (independe de S).

Teremos mx = .

Quando S

25

METCALF e EDDY (1991) destacam as seguintes faixas para a respirao endgena (Kd) em tratamentos aerbios: 0,03 a 0,08 dia-1 (base DBO); e 0,05 a 0,12 dia-1 (base DQO).

2.6.5. Equaes bsicas da cintica dos processos biolgicos Uma das equaes mais importantes para os processos biolgicos :

dc

KMFY

=

1

(23)

onde: c = idade de lodo (d); Y = coeficiente de rendimento (biomassa por substrato removido SSV/DBO); Kd = coeficiente de respirao endgena (d-1); F/M = substrato aplicado/biomassa no reator. Idade de lodo o chamado tempo de reteno celular. Representa a relao massa de slidos no sistema pela massa de slidos retirada do sistema por unidade de tempo, ou matematicamente:

( ) XKXdtdXmasdtdXVXV

dc == .,.

. (24)

dc K

=

1 (25)

O tempo de reteno celular pode ser comparado ao tempo de deteno hidrulica (td=V/Q). Geralmente nos processos biolgicos procura-se aumentar a reteno de biomassa no sistema (td

26

As equaes citadas relacionam os parmetros slidos suspensos volteis (ou totais na falta de dados) com substrato. Ou seja, bactrias com alimento. Na primeira equao fica bastante evidente a relao direta de crescimento bacteriano (dX/dt) com aumento de alimento (dS/dt). Y um coeficiente de rendimento, constante para cada tipo de processo (na seo digesto anaerbia e aerbia 2.7 se citar valores padres e outras informaes a respeito desse coeficiente). A equao (26) a igual (27), somente rearranjada para explicitar a remoo de substrato em funo do crescimento bacteriano. Observe que a parte endgena no aparece, pois no influi na remoo de substrato. Foi utilizada a equao (20) para chegar-se a equao (27) partindo-se da (26).

2.6.6. Abordagem clssica modelo de Streeter Phelps 2.6.6.1. Degradao da DBO e consumo de OD O modelo de Streeter e Phelps apresentado nessa reviso, pois um dos clssicos desenvolvimentos matemticos de modelo de autodepurao em guas e a formulao proposta importante na conceituao do equacionamento proposto para a modelagem que ser desenvolvida nesse trabalho.

Apresenta-se o balano de massa para a demanda bioqumica de oxignio e para o oxignio dissolvido em rios e canais propostos por Streeter e Phelps, supondo que ambos estejam uniformemente distribudos ao longo das sees transversais. Sero considerados somente os mecanismos de consumo de oxignio pela DBO carboncea e a difuso de oxignio atmosfrico do ar para a gua. Outros mecanismos, como a fotossntese e sua variao diria e a demanda bentnica de oxignio, poderiam tambm ser incorporados ao modelo. Pode-se abordar o problema considerando-se o que acontece em um reator bem misturado, no qual existe uma distribuio uniforme de concentraes de todas as variveis intervenientes no problema. Posteriormente, esse reator posto em translao, de forma que sejam considerados os efeitos de adveco e desprezados os efeitos difusivos e dispersivos. Admite-se que a concentrao de oxignio dissolvido diminui com o tempo de forma proporcional a DBO presente no meio. Por outro lado, simultaneamente diminuio do teor de oxignio existe a tendncia de difuso do oxignio atmosfrico do ar para a gua. Esse fluxo tanto mais intenso quanto maior for o dficit de oxignio em relao sua concentrao de saturao na gua.

27

Conseqentemente, foi originalmente proposto o seguinte modelo para esse fenmeno:

)()( 21 ODODkDBOkdtdOD

s += (28)

onde: OD: concentrao de oxignio dissolvido; DBO: concentrao da DBO no instante t; ODs: a concentrao de saturao de oxignio dissolvido na gua; K1: coeficiente da taxa de reao da DBO e; K2: coeficiente da taxa de reaerao. A soluo da equao depende do conhecimento da DBO. Com a passagem do tempo e a digesto do poluente pelos organismos decompositores, o valor da DBO diminui, atingindo um valor igual a zero quando toda a matria orgnica for finalmente digerida. Medies experimentais indicam que a postulao de uma reao de primeira ordem uma aproximao matemtica aceitvel para o processo de decaimento da DBO, isto :

)(1 DBOkdtdDBO

= (29)

=

=

t

t

DBO

DBO

dtkDBO

dDBO0

1.

0

(30)

( )tkDBO

DBO

tkDBODBO

.ln

.)ln(ln

10

10

=

=

(31) )(

01

.

tkeDBODBO =

Consumo de DBO no tempo (32) onde: DBO0 = DBO total a ser consumida DBO= DBO remanescente, que dever ser satisfeita, em um instante t qualquer. A DBO satisfeita em um instante t (DBO) igual DBO total a ser satisfeita a menos a DBO remanescente no mesmo instante, ou seja:

]1[ ).(00 1 tkteremanescenexercida eDBODBODBODBO == (33)

28

FIGURA 5 DBO (EXERCIDA E REMANESCENTE) VERSUS TEMPO

Fonte: adaptado de SAWYER e McCARTY (1967)

2.6.6.2. Estimativas das constantes envolvidas 2.6.6.2.1.DBO ltima do despejo

A DBO total ltima do efluente pode ser estimada previamente pela expresso:

)5(20,511 kdesp e

DBODBO

= (para k1 expresso em dia-1) (34)

Em razo do tempo de ensaio relativamente elevado necessrio para obt-la, convencionou-se essa aproximao a partir da DBO consumida em 5 dias. Assim de posse do valor da DBO satisfeita em cinco dias de ensaio a uma temperatura de 20C, representada por DBO5,20, estimamos a DBO ltima.

2.6.6.2.2. Constante de decaimento K1 O valor de K1 representa a taxa de decomposio da matria orgnica biodegradvel, a qual, por sua vez, depende de uma srie de fatores fsicos, qumicos e biolgicos. Entre tais fatores, destacam-se principalmente a temperatura e a composio do efluente (como visto em 2.6.2).

Tempo (dias)

DBOexerc

DBOremanesc

DBOexerc

DBO

DBOremanesc

29

TABELA 11 VALORES MDIOS DE K1 (20C, BASE e) PARA ESGOTO DOMSTICO EM RAZO DO NVEL DE TRATAMENTO Tratamento K1 a 20 C (dia-1) Sem tratamento Aps tratamento primrio Aps tratamento secundrio Aps tratamento por lodos ativados Rio com guas limpas gua para abastecimento pblico

0,35 (0,20 0,50) 0,30-0,40 0,12-0,24 0,075 (0,05 0,10) 0,09-0,21

30

293.. aa

TRE

e= , temos: )20(

)20(1)(1

==

TCTT kk (38)

Valores de apresentados em literatura so:

TABELA 12 VALORES MDIOS DE Parmetro considerado Bibliografia

DBO 1,047 Chapra (1997)

Von Sperling (1996a p.113) DBO (digesto no sedimento) 1,080 Chapra (1997)

Remoo de patgenos 1,07 Thomann e Muller1 (1987 apud Von

Sperling 1996a) Coeficiente de reaerao 1,024 Von Sperling (1996a p.119)

Nitrificao 1,040 Swayer e McCarty (1967) Fotossntese de algas 1,065 Swayer e McCarty (1967)

Zooplancton 1,060 Swayer e McCarty (1967) Fonte: autores indicados

2.6.6.2.3. Constante de reaerao K2 O coeficiente de reaerao K2 depende da difusividade do oxignio na gua e da intensidade da turbulncia do escoamento, aumentando seu valor quanto mais intenso for a turbulncia. Esse ltimo fator costuma ser representado pela velocidade mdia do escoamento.

_________________

1THOMANN, R. V. & MUELLER, J. A. Principles of surface water quality modeling and control. Harper International Edition. 644p, 1987.

31

TABELA 13 EQUAES EMPRICAS PARA ESTIMAR O COEFICIENTE DE REAERAO K2 (BASE e ,20C), PARA RIOS E CANAIS.

Autores Equao Faixa de validade O Connor e Dobbins1

(1958) apud VON SPERLING (1996a) 5,15,0

2 73,3 HUk =

00,430,080,005,0

32

2.7. DIGESTO ANAERBIA E AERBIA 2.7.1. Necessidades nutricionais e respirao dos microorganismos Quando uma bactria chega num determinado ambiente, ela pode precisar de certo tempo para se adaptar ao novo habitat, que possu condies nutricionais e fsico-qumicas diferentes. Esta etapa de ambientao chamada de fase lag ou latente. Uma vez adaptada s condies locais, a bactria cresce exponencialmente (fase exponencial) e apresenta uma velocidade de duplicao caracterstica para cada espcie bacteriana. Esse crescimento chega a um limite mximo (fase estacionria) quando se acumula algum metablito txico ou ocorre uma falta de substratos ou de espao. neste perodo em que h produo de esporos para as bactrias que tm essa capacidade. A ltima fase corresponde morte da forma vegetativa bacteriana (fase de autlise).

FIGURA 6 CURVA DE CRESCIMENTO BACTERIANO

Fonte: adaptado de CAMPOS (1999)

O coeficiente de rendimento funo da espcie de microorganismos, tipo de substrato e condies do meio, mas normalmente assumido como constante para um dado processo biolgico degradando um substrato especfico. O valor de Y (coeficiente de rendimento) obtido atravs da relao biomassa (SSV) por substrato removido (DBO).

Um valor alto para Y significa que o crescimento de bactrias maior que a quantidade de substrato que chega ao reator.

Um valor baixo para Y significa que o crescimento bacteriano pequeno, em relao quantidade de substrato que chega ao reator. O valor de Y pode ser obtido em testes de laboratrio.

33

Para o tratamento aerbio de esgotos domsticos, o Y para as bactrias heterotrficas varia da seguinte forma: Segundo Metcalf e Eddy (1991) Y = 0,4 a 0,8 g SSV/ g DBO5,20 removida

Para o tratamento anaerbio de esgotos domsticos, temos: Bactrias acidognicas: Y = 0,15 mg SSV/mg DQO (CAMPOS, 1999). Bactrias metanognicas: Y = 0,03 mg SSV/mg DQO (CAMPOS, 1999). Cultura mista: Y = 0,18 mg SSV/mg DQO (CAMPOS , 1999).

Esse Y o mesmo que aparece na equao (26), de Monod, descrita no item 2.6.5.

O rendimento muito maior no tratamento aerbio, isto devido ao fato das reaes aerbias liberarem mais energia do que as reaes anaerbias. Os organismos aerbios se reproduzem mais rapidamente, gerando com isso uma maior produo de lodo. Para desenvolver-se o ambiente circundante deve oferecer condies nutricionais e fsico-qumicas adequadas que variam para cada espcie bacteriana. Como fatores nutricionais podem ser apontados as necessidades de fontes de carbono; energia e nitrognio; macro e microminerais e, algumas vezes, vitaminas. Em relao s condies fsico-qumicas destacam-se temperatura e pH. As bactrias apresentam comportamento extremamente variado (psicroflicas, mesoflicas, termoflicas para temperatura; alcaloflicas, neutras, acidoflicas para pH).

Quanto respirao, as bactrias podem ser classificadas em: aerbias estritas (necessitam de O2 para crescer), anaerbias estritas (s crescem na ausncia de O2), anaerbias facultativas (crescem na presena ou ausncia de O2) e microaeroflicas (precisam de O2, mas em presso inferior atmosfrica).

Quanto fonte predominante de carbono, as bactrias podem ser classificadas como auttrofas, as quais utilizam uma fonte de CO2 e substncias inorgnicas para obter energia, ou hetertrofas, as quais necessitam de fontes orgnicas de carbono.

A obteno de energia pelas bactrias pode ser feita por trs vias: fermentao, respirao ou fotossntese. Bactrias patognicas humanas s usam as duas primeiras. A fermentao feita pela via glicoltica ou vias parecidas com ela, onde a glicose convertida por uma seqncia de reaes em piruvato que pode produzir vrios produtos finais como etanol, butirato, lactato e formato. Nas

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fermentaes, os balanos energticos so muito baixos, com produo de 1 a 2 ATP (molcula orgnica adenosina tri-fosfato) para cada glicose processada.

Quando a respirao aerbia, o O2 o receptor final de eltrons com um rendimento final de 38 ATP e formando H2O e CO2. J na respirao anaerbia, compostos como (SO4)-2, CO2 e (NO3)- so os receptores finais de eltrons. Contudo nas respiraes os compostos sulfato, carbonato e nitrato no so to eficientes e produzem quantidades menores de energia do que a respirao aerbia (14 a 26 ATP/glicose). Bactrias possuindo simultaneamente as capacidades de fermentao, respirao anaerbia e respirao aerbia (Escherichia coli, por exemplo) tm sistema de controle metablico que permite escolher sempre a opo mais vantajosa.

Aps a entrada do efluente no reator as bactrias se encontram em menor quantidade. Devido a grande disponibilidade do substrato a populao bacteriana cresce. As amebas so substitudas por protozorios flagelados, pois a sua mobilidade mais eficiente na competio por alimentos. Os protozorios so caractersticos de sistemas de alta taxa. Quando h uma reduo dos alimentos esses protozorios flagelados do lugar aos ciliados, uma vez que os ciliados adaptam-se a ambientes com menor concentrao de alimentos, neste caso o sistema denominado por sistema de cargas convencionais. O fator limitante para o crescimento e sntese celular so os nutrientes. Tanto as bactrias como as algas precisam de nutrientes para seu crescimento, sendo que os principais so: o nitrognio e o fsforo. Nem sempre estes nutrientes esto presentes nas guas residurias. s vezes torna-se necessria adio de nutrientes, para que haja o crescimento bacteriano adequado para obteno de uma eficiente degradao da matria residual. Este processo requer menor quantidade de energia.

Na digesto anaerbia, ocorrer transformao de compostos orgnicos complexos, como os carboidratos, protenas e lipdios, em produtos com caractersticas mais simples como o caso do metano e do gs carbnico (CHERNICHARO, 1997).

Para que o sistema de tratamento anaerbio produza bons resultados devem-se criar condies favorveis ao meio, mantendo uma grande massa de bactrias ativas, sendo tambm necessrio o contato permanente com o material orgnico do efluente.

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2.7.2. Etapas da digesto anaerbia A figura 7 apresenta esquematicamente todo