Os vários segmentos da sociedade requisitam de seus gestores públicos soluções para os diversos problemas que emergem da dinâmica social ao longo do tempo. As respostas a essas demandas por parte do gestor público, por sua vez, devem ser práticas e eficazes, gerando o menor gasto global associado ao maior índice de eficácia da solução adotada. No Brasil, essa premissa é corroborada e legitimada com os princípios da administração pública (a) da eficiência e (b) da finalidade, ambos presentes no artigo 37 da Constituição Federal Brasileira de 1988 (BRASIL, 1988). Em suma, o princípio da eficiência impera que o administrador público deve trazer as melhores alternativas, sob a legalidade da lei, bem como mais efetivas em seu propósito. Enquanto o princípio da finalidade afirma que é dever do administrador público buscar os resultados mais práticos e eficazes. Esses resultados devem estar ligados às necessidades e aspirações do interesse público.
No âmbito da Engenharia Sanitária e Ambiental, imperam as soluções ambientais para impedir, mitigar e/ou minimizar ou mesmo compensar os efeitos negativos das atividades humanas em geral. Contudo, com base no exposto, entende-se que as soluções ambientais não são diferentes das demais soluções e requisitam também de eficiência e eficácia em seus objetivos.
Um tópico que demanda significativa atenção nas soluções ambientais é o adequado tratamento e disposição final dos resíduos das atividades antrópicas (sejam resíduos líquidos, sólidos ou gasosos). Em se tratando dos resíduos líquidos, predomina o emprego do tratamento em sistemas biológicos e a disposição final desse efluente tratado em rios, lagos, represas ou mesmo no solo (associando muitas vezes a prática do reúso). Esse fato deve-se principalmente ao baixo custo atrelado ao tratamento biológico quando comparado com outras soluções bem como a sua capacidade de automanutenção em termos de biomassa ativa devido ao crescimento celular dos organismos envolvidos no tratamento.
Concomitante à essas questões, somos todos sujeitos às exigências dos marcos legais ambientais (desdobramentos das atividades legislativas e executivas) que em geral vislumbram
a manutenção da salubridade ambiental e tornam-se cada vez mais restritivas em termos de qualidade requerida ao tratamento aplicado, a exemplo das resoluções do Conselho Nacional do Meio Ambiente (CONAMA), do Conselho Nacional dos Recursos Hídricos (CNRH) e demais autarquias estaduais e municipais que emitem diretrizes ambientais em diversas dimensões.
Por fim, em face de um cenário no qual se deve escolher uma solução tecnológica ambiental para o tratamento de águas residuárias (alicerçada nos princípios da eficiência e da finalidade), o projetista (propositor da solução) geralmente se pergunta:
Quais as alternativas tecnológicas possíveis para a solução do problema em questão? Na escolha do Sistema de Tratamento, o que considerar para efeito da tomada de
decisão?
Com a solução definida, quais os custos efetivos associados ao tratamento? Qual a proposta otimizada para a solução do problema em questão?
A escolha do sistema adequado deve considerar, sobretudo, os objetivos a serem atingidos bem como o balanço entre desempenho ecológico e econômico, onde se busca a minimização do consumo de energia e outros insumos, minimização da produção de resíduos, minimização dos custos de implantação, operação e manutenção, com garantia de satisfatório desempenho na remoção dos principais poluentes envolvidos (em especial matéria orgânica, formas nitrogenadas, fósforo e patógenos).
O sucesso dessa escolha permeia entre duas estratégias centrais:
(1) É fundamental o conhecimento dos mecanismos envolvidos nos processos e operações desenvolvidos nos sistemas de tratamento em geral, principalmente os biológicos, que trazem consigo uma vasta diversidade de microrganismos e por sua vez a mesma amplitude de diversidade para o número de reações e processos que podem ser desempenhadas na bioconversão dos poluentes que irão ser tratados. O conhecimento desses mecanismos (1) O conhecimento adequado dos
processos e mecanismos de
funcionamento das possíveis soluções tecnológicas.
(2) Uso de parâmetros confiáveis (ou conjunto destes) para definir qual a
solução é mais adequada para cada
começa na elaboração de estruturas teóricas simples (diagramas conceituais), que tentam retratar a realidade de forma qualitativa, através de observações empíricas ou experimentais. Em um segundo momento, definido o melhor esquema teórico dos mecanismos envolvidos, desenvolve-se a quantificação dos parâmetros cinéticos e estequiométricos dos processos, representados muitas vezes na forma de equações e expressões matemáticas. Em síntese, a realização dessas duas etapas conduz ao que se conhece como modelagem ambiental. A
Figura I.1 apresenta um esquema didático de um diagrama conceitual para as fases do leito
de um reator anaeróbio de fluxo ascendente, segmentado em fase sólida ou biológica, fase líquida e fase gasosa. É visível também na Figura I.1 o diagrama matemático ou as expressões que simulam os mecanismos desempenhados na bioconversão dos poluentes envolvidos, gerando uma dimensão virtual preditiva para o resultado que será obtido ao aplicar o referido tratamento.
Figura I.1 - Diagrama conceitual simplificado de um reator UASB (Upflow Anaerobic Sludge
Blanket) e representação matemática dos processos envolvidos na bioconversão dos poluentes envolvidos
(2) Entendido de forma mais clara quais os mecanismos envolvidos em cada sistema de tratamento (através de modelos ambientais), surge à necessidade de adoção de parâmetros confiáveis para a tomada de decisão na hora da escolha de qual sistema adotar. Atingido este ponto, é fundamental que os objetivos estejam bem definidos e que as possíveis soluções já tenham sido selecionadas para avaliação. A obtenção dos parâmetros confiáveis segue dois caminhos básicos: (a) a escolha do melhor modelo que represente o sistema em estudo, e a sua posterior calibração e validação e (b) o uso de algoritmos de otimização para a seleção das melhores condições de projeto para o sistema escolhido. Ferramentas estatísticas bem como sistemas de apoio a tomada de decisão podem subsidiar essa etapa. (FLORES et al., 2005; ISLAM; AMIN; HOINKIS, 2013)
Portanto, com o estudo aprofundado dos mecanismos envolvidos na bioconversão dos poluentes, gerando modelos ambientais adequados, associados com a elaboração de algoritmos confiáveis de projetos otimizados, é possível atingir o máximo desempenho de cada sistema de tratamento. As vantagens de se trabalhar com modelos ambientais e sistemas de tomada de decisão são diversas como (GERNAEY et al., 2004):
Menores intervenções civis e estruturais nos sistemas, haja vista que foi elaborado um projeto otimizado e, em tese, adotada a melhor solução (dispensando aperfeiçoamentos futuros);
Reduções significativas de custos de implantação e manutenção das Estações de Tratamento de Esgotos (ETEs);
Maior velocidade nas intervenções nos sistemas de tratamento em face de alterações nas características da água residuária afluente ao sistema (pois agora se conhece melhor os mecanismos dos processos envolvidos);
Possibilidade de simulação de situações extremas em ambientes computacionais (controlados e sem riscos ambientais);
Projetos racionais e com efeitos maximizados, garantindo o melhor desempenho do sistema.
Contudo, as limitações dessa forma de trabalhar dá-se, principalmente, no alto nível de qualificação da mão de obra envolvida, requerendo maior tecnicidade dos projetistas e operadores da estação.
É nesse contexto que, a presente pesquisa, vislumbra o aperfeiçoamento tecnológico através da produção de protocolos sistemáticos para subsidiar o projeto racional e otimizado de sistemas de lodo ativado em batelada visando à remoção de nutrientes e matéria orgânica. Para tanto, definiu-se duas linhas principais de trabalho; (1) seleção, desenvolvimento e aperfeiçoamento de técnicas para caracterização da biomassa em suas propriedades bioquímicas e mecânicas e (2) elaboração dos protocolos de otimização para 5 objetivos predefinidos tendo como base os modelos ambientais e as propriedades e técnicas de determinação descritas em (1).
A modelagem do processo de lodo ativado apresenta, neste contexto, grande importância, pois permite a construção e a operação de plantas de tratamento cada vez mais eficientes e lucrativas. Os modelos também permitem simular o possível impacto que as condições operacionais podem exercer sobre o desempenho do sistema, ajudando a prevenir problemas de operação antes que eles aconteçam e a controlar o efeito de perturbações indesejadas no sistema.