XXII SIMPÓSIO BRASILEIRO DE RECURSOS HÍDRICOS 26 de novembro a 01 de dezembro de 2017
Florianópolis- SC
OBTENÇÃO DO TEMPO DE DETENÇÃO HIDRÁULICA REAL DE UMA LAGOA DE POLIMENTO COM O USO DE TRAÇADOR
FLUORESCENTE
Vinícius Verna M. Ferreira 1*; Ricardo Gomes Passos 2; Nayron Cosme de Lemos1; Elenísio Santana Fonseca1; Natália Manuele G. de Oliveira1;
Amenônia Maria Ferreira Pinto1;Marcos von Sperling2
Resumo – Lagoas de polimento são sistemas naturais comumente empregados no pós- tratamento do efluente de reatores anaeróbios e constituem alternativa tecnológica bastante atrativa para o tratamento de esgotos em países de clima tropical. São dimensionadas com o objetivo principal de remoção de nutrientes e patógenos, podendo também contribuir com uma remoção adicional de matéria orgânica (DBO e DQO). As definições de projeto desses sistemas devem ser tais que permitam obter um tempo de detenção hidráulica suficiente para que as reações biológicas ocorram, daí a importância de se avaliar com a maior precisão possível este parâmetro. O objetivo desse trabalho é apresentar um experimento realizado com um traçador fluorescente, visando obter o TDH médio real de uma lagoa de polimento.
Os valores teórico (volume/vazão) e prático (real) apresentaram diferença significativa, indicando a possibilidade da ocorrência de curtos circuitos hidráulicos. Contudo, acredita-se que um experimento com menores intervalos de leitura do traçador gere um resultado mais adequado, o que será feito em breve.
Palavras-Chave – traçadores, lagoa de estabilização, modelagem hidráulica.
OBTAINING OF THE REAL HYDRAULIC DETENTION TIME OF A MATURATION POND WITH THE USE OF A FLUORESCENT
TRACER
Abstract – Maturation ponds are natural systems commonly used in the post-treatment of effluents from anaerobic reactors and are a very attractive technological alternative in tropical countries. They are designed with the main objective of removing nutrients and pathogens, and may also contribute to an additional removal of organic matter (BOD and COD). The design definitions of these systems must be such that allow sufficient hydraulic detention
1 CDTN: Centro de Desenvolvimento da Tecnologia Nuclear.
Av. Antônio Carlos 6627, Campus UFMG - CEP 31270-901 – Belo Horizonte - MG vvmf@cdtn.br, lemosnc@cdtn.br, fonseca@cdtn.br; nmgo@cdtn.br; amfp@cdtn.br
2 Departamento de Engenharia Sanitária e Ambiental da Escola de Engenharia da UFMG.
Av. Antônio Carlos 6627, Campus UFMG - CEP 31270-901 – Belo Horizonte - MG
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time for the occurrence of biological reactions, hence the importance of evaluating this parameter as accurately as possible. The objective of this work is to present an experiment performed with a fluorescent tracer, aiming to obtain the real average HDT of a maturation pond. The theoretical (volume/flow) and practical (real) results showed a significant difference, indicating the occurrence of hydraulic short circuits. However, it is expected that an experiment with smaller intervals for the reading of the tracer will give better results, which will be done soon.
Keywords – tracers, maturation pond, hydraulic modelling.
INTRODUÇÃO - A seleção de métodos para tratamento de esgotos em zona urbana ou rural não é tarefa fácil e envolve fatores diversos. No entanto, a tecnologia considerada mais adequada usualmente será aquela que atende as exigências de eficiência ou qualidade do efluente com o menor custo de implantação, operação e manutenção (Arar, 1988; Passos, 2017). Nesse sentido, lagoas de estabilização e suas variantes (anaeróbias, facultativas, de maturação, de polimento, aeradas) constituem uma solução bastante conveniente para tratamento de esgotos em locais cuja disponibilidade de área não é fator limitante, principalmente em países em desenvolvimento, visto que são conceitualmente simples e de reduzidos custos de implantação, operação e manutenção. Por serem sistemas naturais, cuja principal fonte de energia é a luz do sol, são ainda mais atrativas em países de clima tropical (Mara et al., 1992; Mayo, 1995).
As lagoas de maturação são variantes dos sistemas de lagoas e têm como principal objetivo a remoção de organismos patogênicos através de processos naturais, mas também promovem uma remoção complementar de matéria orgânica e nutrientes. Quando lagoas de maturação tratam o efluente de um reator anaeróbio, como um reator anaeróbio de manta de lodo e fluxo ascendente (UASB), são consideradas como fase de polimento no tratamento de águas residuárias, sendo, por esse motivo, comumente chamadas de lagoas de polimento (Von Sperling, 2015), (Rodrigues et al, 2015).
As definições de projeto em lagoas devem ser tais que permitam resultar em um tempo de detenção hidráulica (TDH) conhecido e suficiente para que as reações biológicas ocorram a partir de um modelo cinético definido para as reações. Portanto, trata-se de um conceito também relativamente simples. Entretanto, essas premissas são apenas teóricas e podem ocultar fenômenos hidráulicos que tornam o TDH real e o comportamento hidrodinâmico diferentes dos teóricos, podendo resultar em baixas eficiências de tratamento (Passos, 2017).
No caso das lagoas de maturação ou polimento, por serem dimensionadas principalmente para remoção de patógenos, o TDH pode ter ainda maior influência na eficiência (Von Sperling, 2007), daí a importância de se avaliar com a maior precisão possível esse parâmetro.
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O objetivo deste trabalho é obter o TDH médio real de uma lagoa de polimento com o uso de um traçador fluorescente e de um fluorímetro de campo.
ÁREA DE ESTUDO - O CePTS - Centro de Pesquisa e Treinamento em Saneamento, é uma instalação de pesquisas que entrou em operação em 2002, fruto de um convênio entre o Departamento de Engenharia Sanitária e Ambiental – DESA, da UFMG (Universidade Federal de Minas Gerais) e a COPASA MG (Companhia de Saneamento de Minas Gerais).
No local têm sido realizadas inúmeras pesquisas com a participação de alunos de graduação e pós-graduação. O CePTS se localiza junto à ETE (Estação de Tratamento de Esgoto) Arrudas, em Belo Horizonte, sendo que um pequeno percentual do esgoto da ETE é encaminhado ao CePTS, alimentando várias unidades de pesquisa. Sua estrutura permite que o local seja considerado como um dos mais importantes centros de pesquisa e treinamento da América Latina.
Entre as várias unidades de pesquisa existentes no CePTS (Figura 1), há um sistema composto por um reator UASB seguido de lagoas de polimento. Para o pós-tratamento do efluente do reator UASB, inicialmente foram projetadas quatro lagoas com comprimento de 25,0 m por 5,25 m de largura e talude com inclinação de 45°. Posteriormente, uma delas foi transformada em uma wetland construída e outra em um filtro grosseiro de pedras, restando duas lagoas. As unidades foram projetadas para atender uma população de 250 habitantes e uma vazão aproximada de 40 m3 /d. Ao longo desse tempo, as lagoas passaram por diferentes arranjos e condições operacionais (funcionamento em série ou paralelo; com ou sem chicanas; com ou sem meio filtrante; com diferentes tempos de detenção hidráulica, vazão afluente e profundidades). Resultados de pesquisas a respeito do sistema em diferentes configurações podem ser encontrados nos estudos de Andrada (2005), Assunção (2009), Possmoser-Nascimento (2014), Dias et al (2014) e Dias et al (2017).
Este trabalho foi realizado na primeira lagoa da séria (lagoa 1), que possui um volume total de aproximadamente 125 m³. A lagoa possui as dimensões médias de 26m (comprimento), 6m (largura) e 0,8m (profundidade). O TDH teórico na lagoa, definido como a razão entre o volume da unidade e a vazão afluente média, foi calculado em 3,1 dias. O dispositivo de entrada na lagoa 1 era único, via tubulação de PVC com 50 mm de diâmetro e lançamento do jato no sentido contrário ao da saída. O dispositivo de saída da lagoa também era único, constituído de tubulação de PVC vertical com 50 mm de diâmetro, por onde o efluente vertia.
METODOLOGIA - Para se mensurar o TDH real da lagoa de polimento, quinze gramas de fluoresceína sódica foram injetados na entrada do sistema na forma de um pulso, numa solução com volume total de 10 litros. O tempo total de injeção foi de 90 segundos.
Para monitorar a passagem da nuvem de traçador, foi instalado um sistema contendo uma bomba peristáltica (Figura 2a) e um fluorímetro conectado a um notebook, o que permitiu visualizar os resultados nos momentos de amostragem. O modelo de fluorímetro usado foi o
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GGUN FL 30 (Figura 2b), equipamento de fabricação suíça que já foi utilizado pelos autores em outros projetos de pesquisa (Ferreira et al, 2016).
O valor da massa de traçador injetada foi definido levando-se em consideração testes previamente realizados no mesmo local visando encontrar a concentração adequada da solução de injeção de modo a não saturar o fluorímetro, visto que o mesmo é bastante sensível. Em locais nos quais a velocidade de escoamento no corpo d´água é maior (como em rios e córregos), apenas 50 a 100 miligramas de traçador já são suficientes para uma resposta satisfatória.
Figura 1 – Vista do sistema de tratamento contendo as duas lagoas de polimento
Figuras 2a e 2b – Modelo de bomba peristáltica utilizada e Fluorímetro GGUN FL30 Lagoa 1
Lagoa 2
UASB
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Como o sistema de aquisição de dados do fluorímetro é alimentado por uma bateria 12 volts, foi necessário durante o decorrer do experimento a troca desta bateria em intervalos de cerca de 80 a 96 horas, sendo as leituras de concentração de traçador feitas a cada quinze minutos. A bomba peristáltica capturava uma alíquota da saída do sistema, que correspondia a cerca de 5% da vazão total, que era direcionada ao fluorímetro. O experimento foi realizado entre os dias 20 e 31 de março de 2017. Ao total foram amostrados 1112 pontos com intervalos de quinze minutos entre duas leituras consecutivas. O experimento foi conduzido ao longo de 11,5 dias, atendendo à recomendação de que a duração deva ser igual ou superior a três vezes o TDH teórico.
O TDH médio real foi calculado por meio da equação abaixo:
i i
i i i
t C
t C TDH t
.
.
. (1)
sendo ti o tempo no intervalo i de medição e Ci a concentração do traçador no intervalo i de medição.
RESULTADOS -. A Figura 3 apresenta a curva de passagem do traçador. De acordo com os dados representados no gráfico, pode-se verificar que a maior fração da fluoresceína foi detectada nos primeiros dois dias após a injeção. A Figura 4 apresenta uma foto do traçador disperso na lagoa de polimento durante o experimento.
Figura 3– Experimento com fluoresceína na lagoa 1 do CePTS
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Figura 4 – Experimento com fluoresceína na lagoa 1 do CePTS
Com base nos resultados do experimento realizado, o TDH médio real encontrado foi de 0,75d, o que pode sugerir a ocorrência de curtos-circuitos na lagoa, por meio da chegada antecipada de grande parte da massa de traçador na saída. Portanto o TDH real resultou em um valor cerca 4 vezes inferior ao teórico, o que pode, inclusive, comprometer a qualidade do tratamento feito na unidade.
Conforme citado anteriormente, por questões referentes ao consumo da bateria 12 volts durante a aquisição de dados, foram feitas leituras da concentração do traçador de 15 em 15 minutos. Assim, é possível que, entre uma leitura e outra, tenham ocorrido picos na curva de passagem do traçador, o que poderia influenciar no TDH real calculado. Com o intuito de serem obtidos resultados onde os possíveis erros advindos dessa situação sejam minimizados, o experimento será repetido ainda no decorrer do ano de 2017, porém o tempo de amostragem será reduzido de 15 em 15 para de dois em dois minutos. A taxa de recuperação do traçador foi da ordem de 32%. Apesar do baixo valor de recuperação, cabe ressaltar que alguns autores sugerem que este parâmetro pode não ter grande influência nas determinações do TDH real [Borges et al. (2009); Williams e Nelson (2011); Matos et al. (2015)]. Observa- se aqui que a nuvem de dispersão do traçador, logo após o lançamento, apresenta um caminho preferencial pelas laterais da lagoa, ocorrendo um curto circuito hidráulico, o que também é um fator que justifica a existência da diferença encontrada.
CONCLUSÕES – A utilização do sistema composto por um fluorímetro, um sistema de aquisição de dados automatizado e traçadores fluorescentes para a determinação do TDH da lagoa de polimento mostrou-se capaz de fornecer as respostas desejadas para o modelo em estudo. O TDH real calculado forneceu uma ideia mais realista das condições hidráulicas da lagoa, podendo orientar melhor ações de operação. Todavia, pelo fato de este ser um experimento longo e que depende de fatores que não têm como ser controlados pelos autores, e que prejudicaram o andamento de testes anteriores, tais como ausência de energia elétrica,
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aumento significativo do regime de chuvas e mau funcionamento do sistema que regula a vazão constante de entrada, a conclusão de um teste muitas vezes não é uma tarefa simples.
Ademais, acredita-se que uma melhor condição de contorno no que se refere aos tempos de amostragem, utilizando-se o mesmo sistema aqui apresentado, refinaria ainda mais os valores do TDH obtidos. Observa-se que a quantidade de traçador fluorescente é pequena quando comparada a outros estudos realizados em cenários similares e que utilizaram traçadores salinos, o que constitui grande vantagem em estudos de sistemas hidráulicos maiores, tais como as lagoas.
AGRADECIMENTOS - a todos os colegas da COPASA, do DESA/UFMG e do CDTN – Centro de Desenvolvimento da Tecnologia Nuclear, que colaboraram no decorrer das atividades, em particular ao Sr. Raimundo Magela Almeida.
REFERÊNCIAS
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