RUI DE OLIVEIRA
/
C O N T R I B U I Ç Ã O A O E S T U D O - D E T A N Q U E S S É P T I C O S
Dissertação apresentada ao Curso de Mestrado em Engenharia C i v i l da Universidade Federal da Parai ba, em cumprimento às exigências para obtenção do grau de Mestre
A R E A D E C O N C E N T R A Ç Ã O - R E C U R S O S H Í D R I C O S
O R I E N T A D O R - P R O F . S A L O M Ã O A N S E L M O S I L V A
Campina Grande - Pb 1983
O F E R E C I M E N T O
IV
A G R A D E C I M E N T O S
Â
Universidade Federal da Paraíba
através do Departamento de Engenharia C i v i l do Centro de Cien c i a s e Tecnologia e da Estação Experimental de Tratamentos Bio lógicas de Esgotos Sanitários - EXTRABES - nas pessoas dos Pro fessores Ademildon Montes F e r r e i r a e Salomão Anselmo S i l v a , pelo apoio dispensado â realização deste trabalho.
Aos
Órgãos e Agências convenentes da Universidade Federal da Paraíba. BNDES, CAGEPA, CIDA, CNPq, FINEP e SUDENE, pelo suporte materi a l que v i a b i l i z o u a realização da pesquisa experimental objeto deste trabalho.
A todos os Amigos compreensivos e atenciosos
RUI DE OLIVEIRA
DISSERTAÇÃO APROVADA EM 22.02.1983
Prof. SÉRGIO ROLIM MENDONÇA-MSc
Campina Grande, Paraíba Fevereiro - 1983
VI S U M Á R I O Página OFERECIMENTO I I I AGRADECIMENTOS IV FOLHA DE APROVAÇÃO V SUMARIO V I RESUMO V I I ABSTRACT ' IX INTRODUÇÃO ... 1 1. A DISPOSIÇÃO DAS EXCRETAS 6
2. O PROCESSO ANAERÓBIO APLICADO A REATORES DE TRATA
MENTO DE ESGOTOS 19 3. TANQUES SÉPTICOS 34 4. MATERIAIS E MÉTODOS UTILIZADOS NA PESQUISA ... 61
5. APRESENTAÇÃO E ANALISE DE RESULTADOS 77
6. CONCLUSÕES 222 7. SUGESTÕES E RECOMENDAÇÕES 230
R E S U M O
$ste trabalho tem como objetivo p r i n c i p a l fazer a avaliação da performance de um tanque séptico compartimentado trabalhando num regime de fluxo contínuo e recebendo esgoto bruto do sistema de esgotos da c i dade de Campina Grande, Estado da Paraíba, região Nordeste do B r a s i l , para períodos de detenção hidráulica entre 0,72d e l,47d. Pretendeu-se, também, v e r i f i c a r os e f e i t o s da passagem do efluente do tanque através de um F i l t r o Anaeróbio de Fluxo Ascendente, tendo em v i s t a que em algu mas regiões do mundo f o i v e r i f i c a d o que t a l d i s p o s i t i v o c o n t r i b u i para melhorar a qualidade dos efluentes das fossas sépticas.
Para a concretização dos objetivos desta pesquisa, f o i f e i t o uso de um modelo experimental em e s c a l a n a t u r a l e o levantamento de dados operacionais f o i estendido por um período de aproximadamente dezesseis meses.
A análise dos resultados experimentais permitiu v e r i f i c a r que num tanque séptico compartimentado, a câmara de entrada se comporta como o p r i n c i p a l r e a t o r biológico do sistema, oferecendo remoção de c e r c a de 701 de DBO e de c e r c a de 80% do número de Coliformes F e c a i s i n f l u e n t e . A câmara de saída c o n t r i b u i para elevar a eficiência global do conjunto
e o f i l t r o biológico, como d i s p o s i t i v o de polimento do efluente do tan que séptico, c o n t r i b u i para elevar o rendimento de remoção de DBO a 85%
e o rendimento de remoção de Coliformes Fecais a mais de 90%. Os r e s u l tados obtidos, analisados sob qualquer prisma, demonstram que, para as condições observadas, um sistema projetado de acordo com o modelo expe Timental oferecerá elevado rendimento, v i s t o que se confirmaram, aqui, as observações f e i t a s nas pesquisas realizadas na A f r i c a .
vrn
processo anaeróbio, de degradação de material orgânico sob as condições aqui reinantes e essa constatação representa uma contribuição importan t e ao estudo de pequenos reatores anaeróbios de utilização frequente em sistemas i n d i v i d u a i s de veiculação hídrica, para a disposição das excre t a s .A B S T R A C T
The objective of t h i s work.is to evaluate the performance of a two chamber s e p t i c tank operating under constant flow and load condi tions and r e c e i v i n g raw sewage of the C i t y of Campina Grande North East B r a z i l for hydraulic retention times between 0.72 and 1.47 d. Also the effect of passing the s e p t i c tank effluent through an anaerobic upflow f i l t e r was observed. A f u l l s c a l e experimental model of the s e p t i c tank-upflow f i l t e r was operated for a period of about s i x t e e n months.
I t was observed that the f i r s t chamber of the s e p t i c tank behaves as the main b i o l o g i c a l reactor i n which about 70 per cent of BOD and 80 per cent of the f e a c a l coliforms of the influent are eliminated. The second chamber contributes to r a i s e the o v e r a l l e f f i c i e n c y of the s e p t i c tank. The anaerobic functions as a u n i t to p o l i s h the s e p t i c tank effluent and increases the o v e r a l l BOD and f e a c a l coliform removal e f f i ciency to 85 and 90 per cent r e s p e c t i v e l y .
From the experimental r e s u l t s i t was concluded that the e f f i c i ency of the experimental model under the used operating conditions i s quite high. T h i s conclusion i s believed to be important as i t i n d i c a t e s the a p p l i c a b i l i t y of small anaerobic u n i t s i n i n d i v i d u a l excreta dispo s a l systems.
fi 1/ I N D I C E Página OFERECIMENTO I I I AGRADECIMENTOS W FOLHA DE APROVAÇÃO V SUMARIO VI RESUMO V I I ABSTRACT IX INTRODUÇÃO . v 1
1. A DISPOSIÇÃO DAS EXCRETAS 6
1.1. A excreta 6 1.1.1. Características físico-químicas 6 1.1.1.1. Quantidades 1.1.1.2. Composição 7 1.1.2. Características biológicas • 8 1.2. O esgoto 11 1.2.1, Características gerais 11
1.3. Decomposição da matéria orgânica 12 1.4. Classificação dos sistemas de disposição de excretas ; 15
2. O PROCESSO ANAERÓBIO APLICADO A REATORES DE TRATAMENTO
DE ESGOTOS 19 2.1. Considerações gerais 19
2.2. Microbiologia e bioquímica do processo anaeróbio ... 20 2.3. Condições ambientais requeridas pelo processo anaerõ
bio 24 2.3.1. O equilíbrio pH-alcalinidade 26
2.4.1. Remoção de DBO 28 2.4.1.1. Cinética de remoção de DBO ... 28
2.4.2. Remoção de bactérias 30 2.5. Cargas de DBOj. aplicadas ao processo anaeróbio .... 32
3. TANQUES SÉPTICOS 33 3.1. Referências histéricas 33
3.2. Funcionamento dos tanques sépticos 34 3.3. Forma do tanque . 34
3.4. Localização . 36
3.5. Dimensionamento 36 3.5.1. Capacidade do tanque - critério da ABNT-NB-41 ... 36
3.5.2. Definição de termos e dados de projeto 37 3.5.2.1. Quota per-capita de contribuição de esgotos e
contribuição per-capita de lodo f r e s c o ... 37 3.5.2.2. Período de detenção hidráulica, período de d i
gestão de lodo, período de limpeza e período de
armazenamento *• 38
3.5.2.3. Coeficientes de redução de volume de lodo em d i
gestão e lodo digerido (R£ e R^) 40 3.5.3. Capacidade do tanque - outros critérios 42 3.5.3.1. Critério recomendado nos Estados Unidos 42 3.5.3.2. Critério do B r i t i s h Standards I n s t i t u t i o n 43
3.5.3.3. Critério empírido de F a i r e Gayer 43 3.5.4. Relações entre as dimensões dos tanques sépticos. 43
3.6. Construção 47 3.7. Compartimentação 48
Pagina
3.8. Dispositivos de entrada, saída e de intercomunica
ção entre compartimentos 49 3.9. Eficiência dos tanques sépticos ... 51
3.10. Operação e manutenção 52 3.10.1. Início da oeração 52
í
3.10.2. A Qualidade das ãguas influentes. 52
3.10.3. Inspeções 53 3.10.4. Limpeza 53 3.10.5. Operações e s p e c i a i s .. 54
3.11. Disposição f i n a l do efluente de tanques sépticos .. 55 3.11.1. Utilização de f i l t r o s anaeróbios de fluxo ascen
dente no tratamento de efluentes de tanques sêp
t i c o s 56 4. MATERIAIS E MÉTODOS UTILIZADOS NA PESQUISA 60
4.1. Descrição do modelo experimental 60
4.1.1. Considerações g e r a i s 60 4.1.2. O f i l t r o biológico 61 4.1.3. D i s p o s i t i v o s de entrada e saída e de intercomuni
cação entre as câmaras do tanque séptico ... 61
4.2. Cronograma da pesquisa 61 4.3. Funcionamento do modelo experimental 64
4.4. Prê-dimensiònamento do sistema 64 4.4.1. Estudo da carga hidráulica
4.4.2. Estudo da carga orgânica 4.5. Metodologia da pesquisa .... 4.5.1. Objetivos da amostragem . 4.5.2. Procedimento
4.5.4. Métodos u t i l i z a d o s nas determinações ... 69 4.5.4.1. Determinações físicas 69 4.5.4.2. Determinações químicas 70 4.5.4.3. Determinação físico-química 71 4.5.4.4. Determinações biológicas 71 4.5.4.5. Determinações bioquímicas 75
5. APRESENTAÇÃO E ANALISE DE RESULTADOS 76 5.1. O sistema em condições estáticas 76
5.2. O lodo do sistema 80 5.2.1. Aspectos geométricos do lodo depositado no tanque.
séptico 80 5.2.2. Caracterização do lodo acumulado no i n t e r i o r do
tanque séptico 81 5.2.3. Caracterização do lodo removido do f i l t r o biolõgi
co 84 5.2.4. A redução do volume de lodo f r e s c o no tanque sêp
t i c o 87 5.2,5 EstudOidé contribuição de-ilodo .Ü V ' . ; » - . V . . S . . . . 89
5.3. Apresentação e análise dos dados de temperatura ... 89 5.4. Apresentação e análise dos resultados de pH e a l c a
unidade t o t a l 90 5.5. Apresentação e análise dos resultados de DB05 ... 101
5.5.1. Eficiência de remoção de DBO 107
5.5.2. Cargas de DB05 aplicadas ao sistema ... 115
5.5.3. Elementos de cinética do processo 118
5.5.3.1. Análise do sistema 118 5.5.3.2. Análise da câmara TS, 130
Pagina
5.5.3.3. Uma proposta de modelo para interpretar a remo ção de DBO na câmara de entrada do tanque sep_
t i c o 132 5.6. Apresentação e análise dos resultados de DQO 140
5.6.1. Eficiência de remoção de DQO 141
5.6.2. Elementos de cinética 142 5.7. Apresentação e análise dos resultados de sólidos em
suspensão e sólidos em suspensão voláteis 143 5.8. Apresentação e análise dos resultados de s u l f e t o to
t a l 151 5.9. Apresentação e análise dos resultados de c l o r e t o .. 162
5.10. Apresentação e análise dos resultados de fósforo .. 162 5.11. Apresentação e análise dos resultados de nitrogênio 168 5.12. Apresentação e análise dos resultados de condutivi
dade a 25°C 176 5.13. Apresentação e análise de resultados dos indicado
r es bacteriológicos 176 . 5.13.1. Coliformes f e c a i s (CF) 176
5.13.1.1. O sistema analisado como uma série de reatores 185
5.13.1.2. A câmara TS1 187 5.13.1.3. Proposta de um outro modelo para a compreensão
da cinética de eliminação de coliformes f e c a i s
na câmata TS1 196 5.13.2. Estreptococos f e c a i s 201
5.13.3. Salmonella sp 201 5.14. Análise e discussão de resultados dos indicadores
6. CONCLUSÕES 222 6.1. A câmara de entrada do tanque séptico ... 222
6.2. - ,.A câmara de saída do tanque séptico 225 6.3. 0 f i l t r o biológico como elemento de polimento do
efluente do tanque séptico 226 6.4. Analise comparativa dos resultados obtidos, com a
experiência 227 6.5. Os resultados obtidos e a norma NB-41 228
7. SUGESTÕES E RECCMENDAODTiS 229 7.1. Sobre o projeto de tanques sépticos . 229
7.2. Sobre o f i l t r o biológico 230 7.3., Sugestões para pesquisas futuras 231
I N T R O D U Ç Ã O
Quando águas residuárias, especialmente esgotos domésticos, são descarregados num corpo receptor, produzem-se modificações nas caracte rísticas físicas, químicas e biológicas das águas desse corpo receptor.
As p r i n c i p a i s modificações de natureza física são as alterações da cor, turbidez e temperatura. Das modificações químicas prováveis, destacam-se a alteração da salinidade da água, o aumento da concentra ção de m a t e r i a l orgânico e as variações de pH e da concentração de ga ses d i s s o l v i d o s , particularmente Oxigênio e Dióxido de Carbono. As mo dificações biológicas incluem a alteração do plancton próprio do corpo receptor, com aumento da população de bactérias heterotrõficas e com a incorporação de organismos patogênicos (bactérias, v i r u s , protozoários e helmintos)..
Desta forma, a descarga de esgotos num corpo receptor não deve ex ceder a, sua capacidade de autodepuração, a fim de não produzir sua des truição e/ou eutroficação. Além do mais, o número de organismos patoge nicos lançados ao corpo receptor, deve s e r o menor possível, de modo a e v i t a r a disseminação de doenças.
A reutilização de águas servidas se reveste de e s p e c i a l importân c i a , principalmente em regiões áridas e semi-áridas, v i s t o que efluen t e s de sistemas de tratamento de esgotos podem v i r a s e r úteis na desse dentação do gado e na irrigação, desde que observados determinados pa drões de qualidade.
Assim sendo, o lançamento de águas residuárias em corpos recepto r e s está condicionado, na maioria das vezes, ao tratamento prévio des sas águas.
^critério ecológico) e de reutilização de efluentes, o tratamento dos esgotos implica, principalmente, na degradação da matéria orgânica ne l e s contida e na destruição de organismos patogênicos provenientes das fezes.
0 t i p o de tratamento selecionado deve t e r em v i s t a o objetivo f i n a l para o qual o efluente será u t i l i z a d o , sem deixar de s e r considera do o problema dos custos das instalações e que o sistema deve s e r com patível com os hábitos l o c a i s da população.
Nas áreas urbanas, a solução i d e a l para o afastamento das excre tas humanas, sob o ponto de v i s t a sanitário, s e r i a a utilização de um sistema de drenagem das águas residuãrias, incluindo uma Estação de Tratamento de'Esgotos, As rápidas variações demográficas r e s u l t a n t e s do Êxodo R u r a l , principalmente nos países em desenvolvimento, contribu em para o surgimento e/ou crescimento.de aglomerados humanos nas p e r i f e r i a s das cidades. Na maioria dos países em desenvolvimento as taxas de urbanização se situam entre 7 e 10% ao ano (Nimouno, 1977) e as ãre as r e s i d e n c i a i s urbanas, surgidas, muitas vezes não dispõem de s i s t e mas viários, sistemas de distribuição de água, bem como de sistemas de drenagem, v i s t o que não há o planejamento adequado na ocupação fundia r i a e a expansão de sistemas, t a i s como o de disposição de excretas, se c o n s t i t u i em verdadeiro desafio, principalmente quando s e considera a pouca disponibilidade de recursos económicos. Agravando mais o qua dro do planejamento urbano físico, entra uma outra componente: 0 baixo nível de educação sanitária dessas populações.
E x i s t e , portanto, um problema grave que exige solução de modo que a condição de v i d a , das populações marginais, melhore. Além d i s s o , as populações r u r a i s devem ser convenientemente atendidas, v i s t o que o campo responde p e l a grande responsabilidade do setor primário da econo
3
mia, principalmente no que d i z respeito à produção de alimentos.
0 mais recente exame da situação de suprimento de agua e d i s p o s i ção de excretas r e a l i z a d o pela Organização Mundial de Saúde -OMS -data de 1975 (WOLMAN, 1977).. E s t e exame representa uma sequência para o l e vantamento menos detalhado de 1963, f e i t o pela mesma agência.
No levantamento de 1975, 901 da população t o t a l dos países em desenvolvimento (exceção f e i t a ã Republica Popular da China) foram co bertos. F o i v e r i f i c a d o que ocorreu, desde 1963, um progresso r e a l , po rém a obtenção de metas esteve aquém do esperado. No que d i z r e s p e i t o ã disposição de excretas, que em muitas instâncias ê o ponto crítico da saúde p u b l i c a , v e r i f i c o u - s e que a.população servida adequadamente, através de sistemas públicos e i n d i v i d u a i s , ê de 435 milhões para as áreas urbanas * ou 751, e somente 195 milhões, ou 14%, para as áreas r u r a i s (Wolman, 1977). Com base nesses dados, pode-se c o n c l u i r que, da população examinada, c e r c a de 681 não dispõem de instalações c l a s s i f i cadas sequer como razoáveis para a disposição de suas excretas.
Raciocinando sobre esses números e tendo em v i s t a os a l t o s invés timentos que terão de ser f e i t o s para a implantação e/ou expansão de sistemas de disposição adequada dos dejetos humanos, e considerando, ainda, o nível de educação sanitária da população, parece obvio que a tecnologia a a p l i c a r não deve s e r s o f i s t i c a d a e c a r a , mas aquela que, resguardando a saúde da comunidade, Ofereça f a c i l i d a d e s de implantação operação e manutenção do sistema. £ importante e n f a t i z a r que as s o l u ções empregadas para milhões de habitantes urbanos não são necessária mente as.mesmas que as u t i l i z a d a s nos núcleos r u r a i s . As opções tecno
lógicas não dependem somente de grandes generalizações, mas de cada s i tuação l o c a l . A i n v i a b i l i d a d e de determinada tecnologia não deve cons t i t u i r motivo para que todo um aglomerado humano s e j a privado das ações
do Saneamento, pois ha a possibilidade da utilização de tecnologias a l t e r n a t i v a s . Quando não e x i s t i r água em abundância para s e r v i r de veí culo para o afastamento dos dejetos, hã a possibilidade da utilização de privadas higiênicas, t a i s como fossas secas e fossas de fermentação as quais não requerem água para o transporte das exretas. Quando não f o r possível a implantação de um sistema público de drenagem de águas s e r v i d a s , há a possibilidade da opção por ôistemas individuais de v e i culação hídrica com a utilização de fossas sépticas.
Fossas ou tanques sépticos são d i s p o s i t i v o s universalmente u t i l i zados e nos Estados Unidos, entre os anos de 1947 e 1953, o Serviço de Saúde Pública desenvolveu extensa pesquisa para esclarecer os mínimos problemas derivados do seu uso. Desta pesquisa, saíram as recomenda ções sobre o projeto desses d i s p o s i t i v o s para os Estados Unidos. No B r a s i l , a norma NB-41, que t r a t a da Construção e Instalação de Fossas Sépticas, recomenda um critério de dimensionamento semelhante aquele recomendado nos Estados Unidos (Vide Capítulo 3 ) . Pelo critério do Brítish Standards I n s t i t u t i o n , a capacidade de um tanque séptico para um mesmo número de usuários ê, i n c l u s i v e , maior aquela obtida pelo c r i têrio americano. Outros critérios devem e x i s t i r nos vários países do mundo.
A adoção de um critério de dimensionamento de tanques sépticos ou de qualquer outro d i s p o s i t i v o de tratamento biológico de esgotos, no entanto, deveria ..sempre levar em conta fatores relacionados com a a t i vidade dos organismos que proporcionam a degradação do m a t e r i a l organi
co. Tem sido demonstrado que a performance de reatores biológicos de tratamento nos trópicos é significativamente d i f e r e n t e da performance desses reatores em regiões temperadas. Portanto, sempre que possível,
5
rando as condições l o c a i s , especialmente aquelas relacionadas ao clima e aos hábitos da população.
E s t e trabalho tem, como objetivo p r i n c i p a l , a avaliação d a - p e r formance de um tanque séptico compartimentado trabalhando num :•• regime de f l u x o contínuo e recebendo esgoto bruto do sistema de esgotos da c i dade de Campina Grande, no Estado da Paraíba, região Nordeste do Bra s i l , para períodos de detenção hidráulica entre 0,72 d i a e 1,47 diasem levar em conta o espaço para digestão de lodo f r e s c o considerado no critério recomendado p e l a norma NB41. Além d i s s o , pretendese v e r i f i -car os e f e i t o s da passagem do efluente do tanque séptico através de um f i l t r o anaeróbio de f l u x o ascendente, tendo em v i s t a que em algumas r e gioes do mundo, especialmente na índia, f o i v e r i f i c a d o que t a l d i s p o s i t i v o c o n t r i b u i , sobremaneira, para melhorar a qualidade dos efluentes de f o s s a s .
1.1. A excreta
A excreta ê um produto r e s iduãrio do metabolismo humano e c o n s t i t u i - s e , basicamente, de fezes e u r i n a (Ehlers § B t e e l , 1958).
1.1.1. Características físico-químicas
1.1.1.1. Quantidades
A quantidade de excretas produzida per-eapita ê, indubitavelmen t e , influenciada por condições l o c a i s , não somente fisiológicas, mas também c u l t u r a i s e s o c i a i s . Através dosr tempos foram realizados vários levantamentos estatísticos com o fim de determinar valores médios para esse parâmetro. A p a r t i r de uma revisão publicada, f i c o u conhecido que, na Ásia, a quantidade de fezes produzida por cada pessoa, diária mente, v a r i a entre 200 e 400 g (peso úmido) e que, em países europeus e da América, a variação ê de 100 a 150.g. (Wagner § Lanoix, 1958). Os mesmos autores fazem referência a um estudo realizado nas F i l i p i n a s on de f o i dada, como produção média de excreta t o t a l (fezes e u r i n a ) , a quantidade de 665 g p e r - c a p i t a por d i a . Mann, H.T. (1976) r e f e r e - s e , para países t r o p i c a i s , ao seguinte:
, Fezes: 400 g/pessoa . d i a Urina: 1200 g/pessoa . d i a
Gotaas (1956) num estudo de caráter mundial, a t r i b u i para áreas r u r a i s e v i l a s agrícolas, a seguinte variação de quantidades:
Fezes: 135 a 270 g per-capita por d i a (peso úmido) 35 a 70 g per-capita por d i a (peso seco) Urina: 1,0 a 1,3 l i t r o s per-capita por d i a
7
50 a 70 g de sólidos secos per-capita por d i a .
As quant idades, em peso, citadas em v a r i a s publicações, variam de autor para autor, mas parece haver concordância quanto ao volume diã r i o t o t a l de 1,5 l i t r o s de excreta per-capita, pois os já citados, Wag ner Ç Lanoix, atribuem ao estudo F i l i p i n o uma considerável margem de
erro.
1.1.1.2. Composição
De acordo com E h l e r s fj S t e l l (1958) a excreta i n c l u i grandes quan tidades de água e matéria orgânica putrescível, sendo que os percentu a i s para e s t a última são em torno de 20% nas fezes e 2,5% na u r i n a . Além d i s s o , somam-se, ainda, pequenas quantidades de nitrogénio, ácido
fosfórico, enxofre e outras substâncias inorgânicas.
Gotaas (1956) sumariza a composição aproximada da excreta, repro duzida no quadro 1.1.
QUADRO 1.1. 4
Composição aproximada da excreta
COMPOSIÇÃO
FEZES * . .URINA., . COMPOSIÇÃO
% % . . . : .
Matéria Orgânica (com base no peso seco) ....
Fósforo (como P2O5)
Potássio (como l^O) ...
66 a 88 88 a 97 5,0 a 7,0 3,0 a 5,4 1,0 a 2 , 5 40 a 55 5,0 a 10 93 a 96 65 a 85 ; 15 a 19 2 , 5 a 5,0 3,0 a 4,5 11 a 17 4,5 a 6,0
FONTE: Gotaas, Composting - Sanitation and Reclamation of Organic Wastes, W.H.O., 1956
1.1.2. Características biológicas
As fezes de animais de sangue quente contem um grande número de organismos v i v o s , t a i s como bactérias, vírus, protozoários e helmintos
No que d i z respeito às bactérias, muitas delas fazem parte da f l o r a i n t e s t i n a l normal de todo animal sadio, sendo que e s t a microflo r a ê constituída por organismos aeróbios e anaeróbios e o seu peso r e presenta algo como 25 a 351 do peso seco t o t a l das fezes (Costa, L.J.P
1980).
Dentre as bactérias próprias do t r a t o i n t e s t i n a l estão as bactê r i a s do grupo coliforme ou grupo coli-aerogenes, que i n c l u i a E s c h e r i c h i a c o l i , enterobacter aerogenes, K l e b s i e l l a , Proteus e Citrobacter. Além dos coliformes, merecem destaque os Streptococos f e c a i s e o Cios tridium perfringens. Todas essas bactérias não são patogênicas no seu habitat n a t u r a l , o i n t e s t i n o .
As bactérias do grupo coliforme: e os Streptococus f e c a i s são, em conjunto ou isoladamente, na prática da Engenharia Sanitária, os i n dfbadores mais comuns de contaminação de águas.por m a t e r i a i s f e c a i s . 0 índice CF/EF ê um importante fator para a avaliação da contaminação de águas por seres humanos ou por animais domésticos, v i s t o que diferen t e s animais eliminam coliformes f e c a i s e estreptococus f e c a i s em d i f e rentes quantidades, conforme demonstra o quadro 1.2.*
De acordo com Mara, D.D. (1974) o índice CF/EF para fezes huma nas ê maior que o índice para as fezes de animais domésticos que .."são menores que a unidade. Dependendo do v a l o r encontrado para a relação Coliformes Fecais/Estreptococus F e c a i s numa determinada água podem s e r dadas a s seguintes interpretações:
CF/EF - 4,0 - Forte evidência de que a poluição ê causada por excretas humanas (com perigo de transmissão de
9
doenças).
2,0 * CF/EF < 4,0 Evidência da predominância de contaminação
1,0 < CF/EF < 2,0 0,7 < CF/EF < 1,0
por excretas humanas, numa poluição mista. A interpretação ê i n c e r t a
Evidência da predominância de contaminação por excretas de animais domésticos numa polu ição mista
CF/EF < 0,7 Forte evidência de que a contaminação ê cau sada por animais domésticos. (Perigo de d i s seminação de doenças dé animais que, no en tanto, podem s e r transmitidas ao homem como, por exemplo, a brucelose e o anthrax).
Algumas restrições são f e i t a s a essas interpretações:
- O pH da amostra deve e s t a r entre 4 e 9, o que e x c l u i o e f e i t o tóxico do pH sobre os microorganismos em questão.
- As contagens de Coliformes F e c a i s e de Estreptococus F e c a i s devem ser f e i t a s de uma mesma amostra.
- A amostra deve s e r tomada com um tempo de fluxo não superior a 24 horas, â jusante do ponto de lançamento, de modo que, com i s s o , minimiza-se o erro, devido a taxas de morte diferentes entre os Coliformes F e c a i s e Estreptococus F e c a i s .
Além dos organismos normalmente presentes no i n t e s t i n o , o homem pode e l i m i n a r , de forma intermitente, bactérias patogênicas provenien t e s dé indivíduos doentes e de portadores sãos. Dentre as bactérias patogênicas - podemos destacar: o v i b r i o cholera, a salmonella typhi, a salmonella paratyphi, a s h i g e l l a dysenteriae e/ou a s h i g e l l a flexne r i , l e p t o s p i r a , b r u c e l l a e t c . , agentes i n f e c c i o s o s , respectivamente, de doenças como cólera, febre tifóide, febre paratifõide, d e s i n t e r i a
b a c i l a r , leptospirose e brucelose.
Dentre os vírus eliminados nas fezes de pessoas doentes ou de portadores sadios, merece destaque o vírus da hepatite. Dos protozoã r i o s , que parasitam os s e r e s humanos; podem ser evidenciados, nas f e zes, c i s t o s de Entamoeba histolítica. Dos helmintos, também p a r a s i t a s , pode ocorrer a presença de ovos dos três grupos mais importantes: Nema tóide, Cestóide e Trematóide.
Devido a. presença de agentes infecciosos nas excretas, e x i s t e o i
r i s c o de transmissão de doenças i n f e c c i o s a s de veiculação hídrica, s e material f e c a l é lançado no corpo receptor.*
E s t i m a t i v a de indicadores de
QUADRO 1.2.
Contribuição Per-Capita de microorganismos contaminação f e c a l por alguns animais e
pelo homem ANIMAL D E N S I D A D E MED: DICADOR POR FEZES - : . (Em IA DO IN ({RAMA DË Milhões) CONTRIBUIÇÃO MEDIA PER-CAPITA/24 HORAS . (EmMilhões) C F EF C F EE Í N D I C E C F / E F Homem Pato Ovelha Galinha Vaca Peru Porco 13,00 33,00 16,00 1,3 0,23 0,29 3,3 3,0 54,0 38,0 3,4 1,3 2,8 84,0 2000 11000 18000 240 5400 130 8900 450 18000 43000 620 31000 1300 230000 4,4 0,6 0,4 0,4 0,2 0,1 0,04
11
1.2. O esgoto
1.2.1. Características gerais
A excreta, quando veiculada cera ãgua, c o n s t i t u i o esgoto s a n i t a r i o que, juntamente com a s descargas das lavanderias c a s e i r a s , com as ãguas da higiene corporal, de lavagens de utensílios de cozinha e de preparação de comida, além de papel higiênico e outros refugos, c o n s t i t u i o esgoto doméstico, ou s e j a , 0 ESGOTO, como normalmente nos r e f e r i mos; é o conjunto de aguas residuãrias de origem domestica.
De um modo g e r a l , o esgoto doméstico ê composto de aproximadamen t e 99,9$ de água e 0,1$ de m a t e r i a l sólido, sendo que a parte inorgâni ca desses sólidos ê devida ã presença de s a i s , metais e a r e i a (Mara, 1976).
Dependendo da concentração de m a t e r i a l residuário no esgoto, es t e pode s e r c l a s s i f i c a d o como fraco, médio, f o r t e e muito f o r t e , sendo que ê comum l e v a r em conta a concentração de matéria orgânica para f a zer t a l classificação. Os parâmetros u t i l i z a d o s para a avaliação da concentração de matéria orgânica são, usualmente, a Demanda Bioquímica de Oxigênio (DBO) e a Demanda Química de Oxigênio (DQO).
Mara (1976) dá a classificação do esgoto doméstico em função de sua DBO5 e sua DQO, de acordo com o quadro 1.3.
No esgoto c l a s s i f i c a d o como médio, cerca de 75$ dos sólidos em suspensão (SS) e 40% dos sólidos filtráveis (SF) são de natureza orgâ n i c a . Dos compostos orgânicos presentes no esgoto, os p r i n c i p a i s gru pos são as proteínas (40 a 60%) os carboidratos (25 a 50%) e a s gordu r a s (10%). A uréia, p r i n c i p a l composto da u r i n a , decompõe-se rápida e principalmente para amónia. (Metcalf § Eddy, I n c . , 1972).
mas localidades, baseado em valores médios, conforme os elementos do quadro 1.4.
QUADRO 1.3.
Classificação do esgoto doméstico em função da DBOr e da DQO
ESGOTO DB05 : (mg t y i ) DQO (mg 02/ l ) ESGOTO Fraco 200 400 Médio 350 700 • Forte 500 1000 Muito Forte 750 1500
FONTE: Mara, Sewage;Treatment i n Hot Climates, 1976
~ - "
K 3 . Decomposição da matéria orgânica
A reação de oxidação do composto AH pode s e r representada p e l a equação:
AH. -»• A+ + 2e" + H+ eq. 1.1
o que- s i g n i f i c a que, simultaneamente â remoção de elétrons do composto, há a liberação de prétons. Os elétrons e os prótons do com posto AH serão, finalmente, a c e i t o s pelo agente oxidante B, que é redu
zido durante a reação.
B+ + H+ + 2e~ -+ BH eq. 1.2
QUADRO 1.4
Análise de esgotos em l o c a i s de climas temperados e t r o p i c a i s
CONCENTRAÇÃO EM mg/l COMPONENTE COMPONENTE Nairobi (Kenya) Nakuruu (Kenya) Kodun-Gaiyur (índia) Lima (Peru) H e r z l i y a ( I s r a e l ) A l lentown (USA) Y e o v i l (Reino Unido) DB05 448 940 282 175 285 213 324
ss
550 662 402 196 427 186 321 SF : 503 . 611 1060 1187 1094 502-C l " 50 62 205
-
163 96 315 N-NH3 67 72 30-
76 12 29ralmente da mesma forma que os organismos superiores, através de - r e a ções de oxi-redução. Nessas reações, as bactérias promovem a oxidação de compostos orgânicos e inorgânicos, não pela adição simples de oxigê nio, mas p e l a remoção de elétrons desses compostos, os quais são combi nados com um aceptor f i n a l de elétrons que poderá s e r oxigênio molecu l a r , um composto orgânico ou uma forma oxidada de enxofre ou nitrogê nio.
0 metabolismo c e l u l a r , para obtenção de energia, i n c l u i dois me canismos p r i n c i p a i s : Respiração e Fermentação. A respiração é o meca nismo no qual o oxigênio molecular ou o oxigênio quimicamente combina do (SO^, NC3) ê o aceptor f i n a l de elétrons. A respiração ê dita aerõ b i a quando o aceptor f i n a l de elétrons ê o oxigênio molecular, e ê d i t a anaeróbia quando esse papel de aceptor ê desempenhado por compostos inorgânicos (SO^, NOp desde que sejam utilizados sob condições anae rõbicas.
A fermentação se r e f e r e àquelas reações de oxidação-redução, nas quais compostos orgânicos atuam simultaneamente como doadores e como aceptores de elétrons.
0 m a t e r i a l orgânico contido na excreta pode s e r bioquimicamente degradado. Na natureza são caracterizados dois importantes processos de degradação bioquímica da matéria orgânica. As Figuras 1.1. e 1.2 ilustram os c i c l o s aerõbio e anaeróbio da matéria orgânica, c u j a s f a ses de degradação são governadas, respectivamente, pelos processos ae rõbio e anaeróbio de conversão ou estabilização da matéria orgânica morta.
0 processo aerõbio de decomposição envolve mecanismos de Respira ção Aeróbia e a ação biológica é exercida por bactérias aeróbias e aerõbio-facultativas. 0 metabolismo dessas bactérias pode s e r d e s c r i
15
to pelas seguintes equações:
Catabolismo eq. 1.3 material orgânico Anabolismo eq. 1.4 células bacterianas Autõlise eq. 1.5
0 processo anaeróbio de degradação envolve mecanismos combinados de respiração anaeróbia e fermentação e a ação biológica ê exercida
ca da Engenharia Sanitária, a reatores de tratamento de esgotos.
Devido à sua importância, neste trabalho, o processo anaeróbio aplicado a reatores é estudado mais detidamente no Capítulo 2.
1.4. Classificação dos sistemas de disposição de excretas
Os sistemas de disposição de excretas, sob o ponto de v i s t a da sua utilização, são c l a s s i f i c a d o s em Municipais e I n d i v i d u a i s . Um s i s tema municipal ê aquele que compreende um sistema de c o l e t a u t i l i z a d o pela canunidade compreendida como um conjunto e uma ou mais estações de lançamento do m a t e r i a l coletado. Normalmente, a utilização de t a i s sistemas é f e i t a com o uso de um ramal p r e d i a l , que recolhe as aguas r e siduãrias da residência e as despeja no coletor publico. £ um sistema que, pelo menos nos países ocidentais, é sempre de veiculação hídrica. por bactérias anaeróbias e anaerobio-facultativas. Assim como o pro cesso aerõbio, ê possível a aplicação do processo anaeróbio, na prãti
Sistemas individuais servem a uma ou a um grupo"dé residências" isoladas, instituições como escolas e hospitais, acampamentos e r e s i dências das p e r i f e r i a s das cidades, não atingidas pelo. sistema munici p a i . T a i s sistemas são largamente empregados nas ãreas r u r a i s onde, em virtude das grandes distâncias entre as propriedades, não ê possí v e l a instalação de um sistema integrado. Dependendo da existência de
suprimento de água, os sistemas i n d i v i d u a i s de disposição da excreta podem compreender.
1. Sistemas i n d i v i d u a i s sem veiculação hídrica, que compreendem as fossas secas, as fossas de fermentação e t c ;
2. Sistemas individuais com veiculação hídrica, que compreendem os tanques sépticos e os tanques hnhoff.
1 - N I T R O 6 E N 0 S 0 2 - C A R B O N Á C E O 3 - S U L F U R O S O reTOMPOSIpXd co2
t ü
1 - A M Ó N I A 2 - C 02 3 - H2S I - P R O T E Í N A S 2 - G O R D U R A S CO, M A T E R I A A N I M A L V I D A MATERIA ORGÂNICA M O R T A PRODUTOS I N I C I A I S or & O < A T M O S F E R A PRODUTOS INTERMEDIÁRIOSI 1 - N I T R A T O S 2 - C 02 3 - E N X O F R E or M A T E R I A VEGETAL V I V A PRODUTOS F I N A I S E S T A B I L I Z A D O S I - P R O T E Í N A S 2 . G R A X A S 3 - CARBOHIDRATOS VIDA VEGETAL 1 - N I T R A T O S 2 - C 02 3 - S U L F A T O S ü < co2 o2 ' C O -F I G , t . l - C I C L O A E R O B I O De M e t c o l f E d d y , 1 9 7 2 , 0 p o r t i r de Mc g a u h e y , ft H : E n g m e e n n g M a n a g e m e n t o f W a t e r Q u a l i t y , M c g r o w H i l l , N . Y . , 1 9 6 8 .I - N I T R 0 6 E N 0 S 0 2 - C A R B O N A C E O 3 - S U L F U R O S O DECOMPOSIÇÃO 1 - PROTEÍNAS 2 - G O R D U R A S C O , MATERIA A N I M A L V I V A 1 - ÁCIDOS ORGÂNICOS 2 - BICARBONATO, CCLj 3 - H „ S MATERIA ORGÂNICA MORTA O •< u. 55 O Q. z O A T M O S F E R A PRODUTOS INTERMEDIÁRIOS 1 - A M Ó N I A 2 . CARBOHIDRATOS ÁCIDOS, C O j S » S U L F E T O S . O l< </> o £L M A T E R I A VEGETAL V I V A I - M A T E R I A I S GRAXOS 2 - P R O T E I N A S 3 - CARBOHIDRATOS t/IDA VEGETAL T I - AMÓNIA, C 02 2 - H U M U S , C H4 3 - S U L F E T O S N H , GASES D E DECOMPOSIÇÃO CO„ O 2 2 2 F I G . | . 2 - O C I C L O ANAERÓBIO De M e t c a l f E d d y , 1 9 7 2 , a p o r t i r d e M c g a u h e y , P. H . " . E n g i n e e r i n g M o n a g e m e n t o f W a t e r Q u a l i t y , M c g r a w H i l l , N . Y . , 1 9 6 8 .
2 , O P R O C E S S O A N A E R Ó B I O A P L I C A D O A R E A T O R E S D E T R A T A M E N T O D E E S G O T O S
2.1. Considerações Gerais ~
A vantagem mais s i g n i f i c a t i v a do tratamento anaeróbio sobre o t r a I
tamento aerõbio é que o crescimento da população de microrganismos ê mi nimizado, acarretando, como consequência, um dispêndio menor de i n s t a l a ções para a disposição de lodo biológico, além de requerer frações meno res de n u t r i e n t e s biológicos, t a i s como nitrogênio e fósforo (Mc Carty,
1968).
0 crescimento de organismos é limitado porque num r e a t o r anaerõ bio há uma menor quantidade de energia disponível para:- as bactérias, quando comparado a um reator aerõbio. Para a constatação d i s s o , campa re-se as reações de degradação do ácido acético pelos dois processos e se v e r i f i q u e as quantidades de energia desprendidas pelas reações nos dois casos (Sawyer § Mc Carty, 1968).
Processo Aerõbio - Respiração
CH3C00H + 2 02 -*• 2 C 02 + 2H20 eq. 2.1
AF° = - 206,4 k c a l
Processo Anaeróbio - Fermentação
CH3COOH •*• CH4 + C 02 eq. 2.2
AF° = - 10,9 k c a l
Processo Anaeróbio - Respiração
CK^CCOH + | N0~ -* | HCO~ + I N2 + ^ C 02 + I H20 eq. 2.3
Sendo um processo no qual o m a t e r i a l orgânico ê, finalmente, con v e r t i d o para dióxido de carbono e metano, advém, daí, outra vantagem de inegável v a l o r , do ponto de v i s t a econômico, de vez que o gás metano r e sultante pode s e r aproveitado como combustível.
No passado, t a l processo e r a empregado de forma mais ostensiva, na estabilização de lodos de estações municipais de tratamento de esgo tos e de lodos i n d u s t r i a i s ; no entanto, no decorrer dos anos f i c o u de monstrada sua aplicação ao tratamento de águas residuárias concentradas
e diluídas.
O tratamento anaeróbio de águas residuárias relativamente diluí das, tornou-se possível de a p l i c a r , pelo desenvolvimento de vários Pro cessos Anaeróbios de Contato,, nos quais a manutenção de uma a l t a concen tração de microorganismos, no reator, contribui para um tratamento mais rápido e e f i c i e n t e .
2.2. Microbiologia e bioquímica do processo anaeróbio
A Figura 2.1. representa, de forma s i m p l i f i c a d a , os estágios do tratamento anaeróbio da matéria orgânica.
F I G U R A 2.1. M A T E R I A L O R G Â N I C O COM P L E X O Bactérias Forma doras dè l9 Estágio Á C I D O S O R G A N I
cos "
Bactérias Meta nogenicas 2' Estágio METANO E D I Õ X I D O D E CARBONO C O N V E R S Ã O D A M A T É R I A O R G Â N I C A E S T A B I L I Z A Ç Ã O D A M A T É R I A O R G Â N I C A21
As bactérias do primeiro estágio (formadoras de ácido) são orga nismos anaerõbio-facultativos e constituem um grupo heterogêneo ; que, através de mecanismos combinados de h i d r o l i s e e de fermentação, conver tem proteínas, carbohidratos e gorduras em ácidos orgânicos, p r i n c i p a l mente ácido acético e ácido propiônico (Metcalf Ç Eddy, 1972), (Mc Car ty, 1968). 0 primeiro estágio, de conversão, pelas bactérias formado r a s de ácido, ê caracterizado pela pouca estabilização da matéria orgâ n i c a em suspensão ou em solução. Aqui acontece, simplesmente, uma mu dança na forma do m a t e r i a l orgânico, ou s e j a , uma parte dele ê converti da a ácidos orgânicos e outra é convertida a novas células de bactérias A equação de conversão de um carbohidrato i l u s t r a , de forma s i g n i f i c a t i v a , o que acontece, inicialmente, nas condições do processo (Os wald, 1968).
5 ( C H20 )x -*•• ( C H20 )x + 2CH3C00H + energia eq. 2.4
(Carbohidrato) (Células Novas) (Acido Acético)
No estágio de estabilização do processo, bactérias estritamente anaeróbias e que constituem um grupo e s p e c i a l denominado de formadoras de metano ou metanogênicas, decompõem os ácidos orgânicos, já formados no primeiro estágio, resultando o seguinte:
2 i /CHECOU -> ( C H20 )x + 2CH4 + 2C02 + energia ) eq. 2.5
(Ácido Acético) (Células (Metano) (Dióxido de Carbono) Novas)
E s t a reação ê também denominada de fermentação metânica e ê impor tante mencionar que álcoois podem ser fermentados também por bactérias produtoras de metano.
que somente bactérias metanogênicas podem levar a efeito ambos os está gios do processo anaeróbio (Mc Carty, 1968).
As bactérias produtoras de metano compreendem várias espécies d i ferentes de organismos anaeróbios e a característica mais s i m i l a r entre elas ê que todas tém a capacidade de produzir, metano a p a r t i r de compôs tos orgânicos simples, por fermentação, sob condições anaeróbias. Tem sido evidenciado, no entanto, que cada espécie tem necessidades especí f i c a s e pode fermentar somente um grupo relativamente r e s t r i t o de com postos orgânicos. Por i s s o , várias espécies de organismos metanogêni cos são necessárias para r e a l i z a r a estabilização de um substrato sim p i e s , Para s e t e r uma idéia a r e s p e i t o desse caráter específico de c a da espécie, pode-rse contemplar as reações de fermentação do ácido propi õnico (Mc Carty,P.L, 1968).
Primeiro Passo
CH3CH2COOH + i H20 -»• O^COOH + | C 02 + | CH4 eq. 2.6
Segundo Passo
CH3COOH •* CH4 + C 02
Logo,
CH3CH2CCOH + |.H20 + | C 02 + | CH4 eq. 2.7
Conforme v i s t o nas reações representadas pelas equações anterio r e s , o ácido propiônico ê, num primeiro passo, fermentado a ácido a c e t i co e sua fermentação completa exige mais um outro passo. Cada um desses passos é levado a e f e i t o por um grupo separado de bactérias metanogêni cas.
Como já f o i estabelecido no Capítulo 1, o processo anaeróbio de decomposição da matéria orgânica envolve mecanismos de Fermentação eRes
23
piração. A equação 2.2. representa, tipicamente, a reação de conversão por fermentação, do ácido acético para metano e gás carbônico. A outra forma ou método de degradação, a Respiração, ê i l u s t r a d a de forma s i g n i f i c a t i v a , p e l a reação representada pela equação 2.3, pela qual o ácido acético ê convertido em a l c a l i n i d a d e de bicarbonato, nitrogênio gasoso, gás carbônico e água (Sawyer ç McCarty, 1967).
Um outro caso, ondé são envolvidas reações de respiração, é o pro cesso de desnitrificação.
2CH3OH).+ 6N0~ > 6N02 + 2C02 + 4H20 eq. 2.8
3CH3OH + 6N0~ 3N2 + 3C02'+ 3H20 •+ 60H" eq. 2.9
Aqui, metanol ê u t i l i z a d o por bactérias d e s n i t r i f i c a n t e s que usam sucessivamente n i t r a t o s e n i t r i t o s como aceptores de elétrons no traba lho de conversão do álcool. A equação 2.10. representa a reação no seu todo:
5CH30H + 6N03 5C02 + 3N2 + 7H20 + 6 OH" eq. 2.10
Outro processo, muito importante, associado à anaerobiose, é o de redução de íons s u l f a t o (SOp a íons s u l f e t o (S~) também através de Res piração. Aqui, a bactéria do grupo Desulfovíbrio degrada a matéria or gânica, u t i l i z a n d o SO^ como aceptor f i n a l de elétrons. A equação 2.11 representa a reação quando o m a t e r i a l u t i l i z a d o ê o ácido acético (Mara D.D., 1974).
CH3COOH + S 04 •> 2C02 + 2H20 + S= eq. 2.11
No que pese o papel desempenhado p e l a bactéria Desulfovíbrio na remoção de matéria orgânica, surge, em decorrência do seu trabalho, um problema de ordem ambiental, v i s t o que o s u l f e t o r e s u l t a n t e da redução de s u l f a t o s contribui para a formação de gás sulfídrico, responsável em
parte pela exalação de maus odores no processo anaeróbio. A formação de gãs sulfídrico se dã de acordo com a reação representada pela equação 2.12.
2H+ + S= 'v H2S eq. 2.12
Além dos produtos obtidos a p a r t i r da fração carbonãcea do materi a l orgânico (gás carbônico e metano) e de hidrogênio, nitrogênio e gãs sulfídrico, resultam, ainda, devido â degradação incompleta das proteí nas, muitos outros compostos, entre os quais amónia, aminoácidos, ami nas, indéis e escatéis, a p a r t i r do nitrogênio orgânico. Dos compostos sulfurosos r e s u l t a n t e s , as mercaptanas têm importância secundária em r e lação ao gãs sulfídrico. .
2.3. Condições ambientais requeridas pelo processo anaeróbio
Um sistema de tratamento de esgotos que u t i l i z e o processo anaerõ bio deve, para funcionar adequadamente, e s t a r permanentemente submetido a um estado de equilíbrio dinâmico, no que d i z respeito â ação das bac t e r i a s formadoras de ácido e das bactérias metanogênicas ; (Metcalf § Eddy, 1972). T a l estado de equilíbrio dinâmico depende de condições a s quais incluem f a t o r e s ambientais, como temperatura, pH, a l c a l i n i d a d e e t c .
Oswald (1968) num trabalho sobre o projeto de Sistema de Lagoas Anaeróbias, preconiza l i m i t e s mínimo, ótimo e máximo para a boa perfor mance dos dois estágios do processo. Esses elementos estão resumidos
no quadro 2.1.
As concentrações de álcalis e s a i s de metais a l c a l i n o - t e r r o s o s , t a i s como cálcio, sódio, potássio e magnésio, podem s e r bastante a l t a s em despejos i n d u s t r i a i s e são a causa frequente da ineficiência ou do colapso do tratamento anaeróbio aplicado a t a i s despejos. E s s a t o x i c i d a
QUADRO 2.1.
Alguns fatores que influem no processo anaeróbio
FATORES AMRTF.NTATS
FORMAÇÃO DE ÁCIDOS ORGÂNICOS FERMENTAÇÃO METÂNICA Mínimo • õtimo.. Maximo Mínimo .õtimo. Máximo
Mínimo • õtimo.. .õtimo. Máximo
População de Bactérias (N9/m£)
Heterotrõficas F a c u l t a t i v a s
IO8 I O1 0 I O1 2
Bactérias Mesofílicas, • • Desconhecido o Numero Nutrientes Carbohidratos, Proteínas, Gorduras Ácidos Orgânicos e Álcoois
Oxigênio (mg/£) • o j . o 1 0 0 0
Tempo (d) 5 - 10 40 - 120
Temperatura (°C) 4 25 ; 40 15 ... 32 40
pH 4,3 • 6,5 6,8 7,0 7,2
A l c a l i n i d a d e (mgCaC03/<íV) Desconhecido .500 2000
-Reações Anteriores Síntese Orgânica Formação de Ácidos Orgânicos
Predadores Desconhecido Desconhecido
Substâncias Tóxicas S a i s e Metais Pesados Oxigênio, Cobre, Cromo, S a l , Metais Pesados
Fonte de Energia Nutrientes . Nutrientes
Potencial de Oxi-Redução em mv -0,1
-
+ 0,2 0,1 .0,5-Adaptado de Oswald - Advances i n Anaerobic Pond Systems Design, 1968
de de s a i s está associada mais com o cãtion que com o ânion do s a l . A natureza do e f e i t o inibitório desses s a i s ê bastante complexa mas, em linhas g e r a i s , podem s e r dadas indicações de quando a inibição pode ser suspeitada e como e l a pode s e r controlada. Em g e r a l , concentrações ;de cãtions de até 100 a 400 mg/l, podem até estimular o processo mas con centrações, variando de 1000 a 5000 mg/l tem um e f e i t o geralmente adver so e concentrações maiores podem retardar, de maneira marcante, o desen volvimento das bactérias de metano e o tratamento anaeróbio pode não s e r p r a t i c o (McCarty, 1968).
Amónia e s t a presente como NH4 ou como a forma mais t o x i c a NH^, de
pendendo do pH.' A um pH 7,0 concentrações de N amoniacal de até 1000 mg/l não terão e f e i t o adverso. Concentrações maiores, no entanto, po
dem s e r perigosas, especialmente a a l t o s v a l o r e s de pH, quando prevale ce a forma mais tóxica NH^. Concentrações acima de 3000 mg/l èm qual quer pH são muito perigosas (McCarty, 1968).
Em g e r a l , concentrações muito a l t a s de s u l f e t o em solução podem s e r muito tóxicas para bactérias metanogênicas. Concentrações de s u l f e tos solúveis de 50 a 100 mg/£ podem s e r toleradas com.pouco e f e i t o ad verso; concentrações de até 200 mg/£ podem requerer-aclimatação pelas bactérias de metano e, concentrações maiores que esta geralmente : .são muito tóxicas (Mc Carty, 1968).
2.3.1. O equilíbrio pH-alcalinidade
Na degradação anaeróbica de esgotos, os ácidos orgânicos produzi dos no primeiro estágio podem não ser convertidos a gás metano tão r a p i damente quanto estejam sendo formados e i s s o pode r e s u l t a r num abaixa mento do pH. Os p r i n c i p a i s materiais tamponadores num reator anaeróbio
27
guiar a concentração de íons de hidrogênio (Sawyer d, McCarty, 1967). As equações de equilíbrio são as seguintes:
[ H +] [ H C O - ]
— = ^ eq. 2.14
[ H2C 03]
eq. 2.15
Os ácidos orgânicos acumulados num digestor destroem a a l c a l i n i d a de de bicarbonatos e aumentam a concentração de C 02 da seguinte forma
(Sawyer § McCarty, 1967).
R - COOH + HCO" R - COO" + H20 + C 02 eq. 2.16
Quando a concentração de bicarbonato diminui abaixo de 1000 mg CaC03/£, ,a'acumulação dèüácidos diminui o pH muito rapidamente e,por i s
to ê necessário manter a capacidade de tamponação p e l a adição de materi. a i s a l c a l i n o s (Sawyer § McCarty, 1967).
Se, na equação 2.16., R-COOH f o r o ácido acético,
CH3COOH + HC03 •*• CH3C00" + H20 + C 02 eq. 2.17
Um ácido fraco e seu ânion são um par conjugado ãcido-base e o ânion de um ácido fraco tende a s e comportar como uma base f o r t e . O ãci do acético ê um ácido moderadamente fraco; assim, o íon acetato é uma base moderadamente f o r t e e receberá prõtons em solução aquosa, de acor do com a equação (Mahan, 1972).
CH3COO" + H20 s » CH3COOH + OH" eq. 2.18
Malina (1968) c i t a , através de Pohland, que cerca de 83,3% da con centração de ácidos voláteis contribuem para a alcalinidade como " s a i s de ácidos voláteis."
Amónia, produto dé degradação de compostos orgânicos nitrogenados também s e comporta como agente a l c a l i n i z a n t e numa solução.
NH3 + H20 < v NH* + OH" eq. 2.19
2.4. Eficiência do processo anaeróbio no tratamento de águas residuári as
2.4.1. Remoção de DBO
Dados referentes à eficiência de remoção de DBO restringem-se, na l i t e r a t u r a , praticamente a percentuais de remoção em lagoas anaeróbias.
Mara (1976) f r i s a que a eficiência de remoção de DBO em l :lagoas anaeróbias ê uma função da temperatura e da carga de DBO aplicada e com resultados operacionais de lagoas anaeróbias em I s r a e l , A f r i c a e Austrã l i a , sugere valores de p r o j e t o de redução de DBO^ para três d i s t i n t o s períodos de detenção a temperaturas maiores que 2D°C.
Tempo de Detenção (d) Redução de DB05 (%)
1 50 2,5 60
5 70
Dados a respeito da Eficiência de Remoção de DBO em tanques sêpti cos encontram-se no Capítulo 3.
2.4.1.1. Cinética de iiemoção de DBO
29
parâmetro fundamental no projeto de processos biológicos de Tratamento de Esgotos (Mara, 1976). A remoção de DBO num reator biológico na prã t i c a da Engenharia Sanitária ê, geralmente, entendida como obedecendo a uma cinética de primeira ordem; i s t o s i g n i f i c a que a taxa de oxidação da matéria orgânica num tempo t é proporcional a quantidade de DBO pre sente no sistema nesse tempo t .
Ou s e j a :
- dL
— = K.L. eq. 2.20
dt M
Onde,
L é a quantidade de DBO remanescente'no sistema no tempo t K ê o coeficiente constante de primeira ordem de remoção de DBO
As unidades de tratamento de esgotos operam, normalmente, com en trada contínua de esgotos e saída também contínua de efluente tratado. Considerando o caso de reatores de mistura completa, e fazendo um balan ço de massa de matéria orgânica através de um reator biológico operado continuamente, pode-se propor que: A quantidade de material orgânico que entra no reator por d i a deve s e r igual a quantidade de m a t e r i a l orgâni co que s a i do reator mais a quantidade removida por bio-oxidação.
A quantidade de DBO que entra no reator ê: L i . Q A quantidade de DBO que s a i do reator é: Le . Q A quantidade removida por bio-oxidação ê: K . Le . V Onde,
L i ê a DBO i n f l u e n t e Le ê a DBO efluente Q ê a vazão de esgotos V é o volume do reator
K ê a constante de velocidade de bio-oxidação L i .Q = Le . Q + K . Le . V., eq. 2.21 e, — i f — = ± eq. 2.22 L i 1 +K . — ou, onde: i £ - = 1 ' eq. 2.23 L i 1 +K . t
t é o período de detenção hidráulica médio
A constante K ê fortemente influenciada pela temperatura e a sua variação ê normalmente d e s c r i t a p e l a equação de Van't Hoff-Arrhenius.do t i p o :
T -T
IC, = IL, . 0 2 1 eq. 2.24
Kp e L representam os valores de K, respectivamente para as
A2 A l
temperaturas de T2 e T^, enquanto 0 é um c o e f i c i e n t e constante cujo
v a l o r está usualmente entre 1,01 e 1,09 (Mara, 1976). 0 ou c o e f i c i e n t e de atividade de temperatura é e l e próprio sensível ã. temperatura, de mo do que Q para a f a i x a de 5 a 20°C não deve s e r o mesmo para a f a i x a de
20 a 35°C. O quadro 2.2. dá os v a l o r e s típicos de 0 para alguns proces sos de tratamento de esgotos.
2.4.2. Remoção de bactérias
Aqui, também o estudo de redução no número de bactérias f e c a i s se r e s t r i n g e a referências sobre a redução de organismos em lagoas anaeró b i a s .
31
QUADRO 2.2,
Valores típicos de 6 para alguns tipos de tratamento biológico de esgotos
PROCESSO 0 FONTE
1,0 - 1,03 Metcalf § Eddy, 1972
1,005 1,030 Mara, 1976
F i l t r o Biológico .. 1,040 • Mara, 1976
F i l t r o Biológico .. 1,02 - 1,04 Metcalf § Eddy, 1972
Lagoas Aeradas .... 1,035 Mara, 1976
Lagoas Aeradas .... 1,06 - 1,09 Metcalf § Eddy, 1972 Lagoas de Estábili
a remoção de bactérias f e c a i s segue aproximadamente uma cinética de p r i meira ordem. Logo, Ne Ni 1 + Kb . t Onde: eq. 2.25
Ne e Ni são, respectivamente, os números de Coliformes f e c a i s por 100 ml no efluente e no i n f l u e n t e da lagoa, Kb ê a constante de primei r a ordem para remoção de coliformes f e c a i s e t o período de detenção h i drãulicâ médio.
Kb ê sensível a temperatura e o seu v a l o r a uma temperatura T°C ê dado pela equação seguinte:
Kb ( T ) = 2 , 6 ( 1 , 1 9 )T-2 0 eq. 2.26
2.5. Cargas de DBO^ aplicadas ao processo anaeróbio
Para lagoas anaeróbias, tem sido sugerido que a carga volumétrica aplicada deve s e r no mínimo de 100g/DBO5/m3. d, e no máximo de 400gDB05
/m3 .d (Mara, 1976). O mínimo de lOOgDBOr/m3 .d se prende à alegação
de que essa carga representa o l i m i t e no qual cargas menores fazem a l a 3
goa funcionar facultativamente, enquanto o máximo de 400gDBO5/m . d i a
3 . T A N Q U E S S É P T I C O S
3.1. Referências históricas
A história do digestor de lodo pode s e r traçada a p a r t i r do ano de 1850, com o desenvolvimento do primeiro tanque projetado para sepa r a r e r e t e r sólidos do esgoto doméstico (Metcalf § Eddy, 1972).
Em 1860 Louis H. Mouras, na localidade de Vesoul, na França, construiu um tanque de alvenaria para coletar os esgotos sanitários, os r e s t o s de cozinha e águas p l u v i a i s de uma residência. Em 1881 o;mes:, mo Louis H. Mouras, em associação com o abade Moigne, r e a l i z o u uma se r i e de experimentos no modelo è r e g i s t r o u patente no d i a 2 de setembro daquele ano (Jordão, 1975). A Fossa Mouras c o n s i s t i a de um tanque her mêtico no qual os esgotos adentravam e saíam através de tubulações sub mersas na massa líquida. A Figura 3.1. apresenta um esquema desse d i s p o s i t i v o .
Donald Cameron, em 1895, f o i o primeiro pesquisador a reconhecer as propriedades combustíveis do gás resultante de um processo anaerõ bio, v i s t o t e r e l e construído um tanque para o tratamento do esgoto da cidade de Exeter, na I n g l a t e r r a , e aproveitado os gases, contendo meta' no, para a iluminação de um pequeno caminho nas proximidades da E s t a
ção (Metcalf § Eddy, 1972).
Em 1904 f o i instalado, em Hampton, I n g l a t e r r a , um tanque com a capacidade de permitir a sedimentação de partículas sólidas, além de promover a digestão do lodo. Esse tanque recebeu a denominação de Tan que Hidrolítico de T r a v i s , ficando em funcionamento até 1936. Ainda em 1904, na Alemanha, o Dr. K a r l Imhoff requereu patente para um tanque de câmaras superpostas cem a dupla finalidade de promover sedimentação na câmara superior e digestão de lodo na i n f e r i o r .
3.2. Funcionamento dos tanques sépticos
Os tanques ou fossas sépticas são u t i l i z a d o s para otratamento da excreta,- através-de-sistenas individuais de veiculação hídrica. São, ( T i primeira instância, um tanque de sedimentação de esgotos que dã, co r/o produtos, ua e f l u e n t e c l a r i f i c a d o e lodo depositado no fundo. Além da função - decantação' desempenhada pela fossa séptica, desenvolve-se o processo de digestão'anaeróbia'do lodo e alguma remoção de DBO do so brenadante-,também por e f e i t o de fermentação. 0 lodo digerido é arma zenado-no fundo:do tanque-até-que se faça necessária sua remoção. •
3.3. Forma do tanque, :
A b i b l i o g r a f i a b r a s i l e i r a sobre o assunto é anânime em afirmar que a forma do tanque séptico não afeta o funcionamento do mesmo, sob a alegação de que tanques com formas d i f e r e n t e s , desde que tenham ames ma capacidade, não apresentam diferenças sensíveis na eficiência d© t r a tamento. Wagner Ç Lanoix (1958) chamam a atenção a esse respeito, v i s to que a forma do tanque,influencia a velocidade do fluxo e a espessu r a da camada de lodo, além de s e r a responsável p e l a existência ou não de cantos mortos. Do ponto de v i s t a da sua morfologia, são bastante comuns as fossas cilíndricas e as prismático-retangulares.
Nos Estados Unidos há quase unanimidade na recomendação do uso de tanques sépticos de seção retangular e apenas dois Estados fazem reco mendação de tanques cilíndricos (Wagner § Lanoix).
A Norma B r a s i l e i r a NB-41 (Norma para a construção e instalação de Fossas Sépticas) de 1963 e, ainda, em estágio experimental f a z reco mendação de ambas as formas.
3.4. Localização
Qualquer tanque séptico deve s e r locado de modo a permitir uma fãcil drenagem das ãguas residuãrias domésticas, bem como para f a c i l i t a r a destinação f i n a l do seu efluente. Para f a z e r face âs inspeções periódicas, não ê conveniente que a f o s s a e s t e j a enterrada a mais de 0,30 a 0,45m abaixo da superfície do solo, mas não deve estar tão â su perf ície de modo que a água da chuva possa entrar através de sua cober t u r a (Wagner Ç Lanoix, 1958).
A Norma NB-41 recomenda que a localização deve s e r f e i t a de f o r ma a atender as seguintes condições:
- Possibilidade de fãcil ligação do coletor p r e d i a l ao futuro coletor público;
- F a c i l i d a d e de acesso, cem v i s t a s à limpeza da fossa; - Afastamento mínimo de 20 metros de qualquer manancial;
- Não comprometimento de mananciais e da estabilidade de prêdi os e terrenos próximos.
O quadro 3.1. apresenta dados das distâncias recomendáveis quan do da locação de fossas sépticas.
3.5. Dimensionamento
3.5.1. Capacidade do tanque - critério da ABNT -NB-41
Sendo o tanque séptico um d i s p o s i t i v o que desempenha a s funções de Sedimentação, Digestão de lodo e Armazenamento de lodo digerido, pa rece lógico que o cálculo de sua capacidade s e resuma a uma soma de par c e l a s de volume que fazem face ao desempenho dessas funções. E s s e ê o raciocínio proposto pela NB-41 e, sendo assim:
