E URBANISMO
VANESSA GIROLDO PEREIRA
AVALIAÇÃO DE METAIS EM EFLUENTE E LODO DE ESGOTO
DOMÉSTICO DE UM SISTEMA DE LAGOAS AERADAS DE SÃO
JOÃO DA BOA VISTA UTILIZANDO A TÉCNICA SR-TXRF
CAMPINAS 2015
VANESSA GIROLDO PEREIRA
AVALIAÇÃO DE METAIS EM EFLUENTE E LODO DE ESGOTO
DOMÉSTICO DE UM SISTEMA DE LAGOAS AERADAS DE SÃO
JOÃO DA BOA VISTA UTILIZANDO A TÉCNICA SR-TXRF
Dissertação de Mestrado apresentada à Faculdade de Engenharia Civil, Arquitetura e Urbanismo da Universidade Estadual de Campinas para a obtenção do título de Mestra em Engenharia Civil, na Área de Saneamento e Ambiente.
Orientadora: Profa. Dra. Silvana Moreira
ESTE EXEMPLAR CORRESPONDE À VERSÃO
FINAL DA DISSERTAÇÃO DE MESTRADO
DEFENDIDA PELA ALUNA VANESSA GIROLDO PEREIRA E ORIENTADA PELA PROFA. DRA. SILVANA MOREIRA.
_________________
CAMPINAS 2015
DEDICATÓRIA
Ao meu pai (Luis) e minha mãe (Ednéia), pelo amor, força, incentivo, compreensão, apoio, fé, carinho, conselhos e exemplo de vida. Ao meu irmão (Vinícius), pelo apoio, força, incentivo e carinho. Ao meu noivo (Daniel), pelo amor, companheirismo, carinho,
compreensão, incentivo, força, apoio, fé e paciência. À minha terapeuta Jânia (in memorian), pelas conversas, conselhos, incentivo e apoio. A toda minha família, pelo apoio, incentivo e carinho.
AGRADECIMENTOS
À Prof.ª Silvana Moreira, pela orientação, pelo ensino, pela dedicação, pela paciência e pelos conselhos durante todo o mestrado.
À SABESP, a toda sua equipe técnica, operacional e diretoria, em especial ao superintendente José Carlos Carioca, à secretária Ivone, ao encarregado Abraão e aos técnicos Joubert e Isaac, pelo consentimento de coleta de amostras e pelas informações sobre a ETE do município de São João da Boa Vista, SP.
À CETESB, unidade de São João da Boa Vista, em especial ao gerente e engenheiro José Afonso Moreira Filho pelas informações sobre a ETE do município de São João da Boa Vista, SP.
Ao Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico (CNPq), pelo apoio com a concessão da bolsa de mestrado.
Aos laboratórios de Saneamento e Ambiente, e de Fluorescência de Raios X da FEC/UNICAMP, pelo suporte na realização dos ensaios laboratoriais.
Aos técnicos de laboratório Fernando e Tadeu, pelo apoio e auxílio na realização das análises laboratoriais.
Aos colegas de laboratório Felippe, Arthur e Péricles, pelo apoio e auxílio, contribuindo com a conclusão deste trabalho.
Ao Laboratório Nacional de Luz Síncrotron (LNLS), no qual foram realizadas as medidas por Fluorescência de Raios X por Reflexão Total com Radiação Síncrotron (SR-TXRF).
RESUMO
PEREIRA, Vanessa Giroldo. Avaliação de metais em efluente e lodo de esgoto doméstico de um sistema de lagoas aeradas de São João da Boa Vista utilizando a técnica SR-TXRF. Campinas: Faculdade de Engenharia Civil, Arquitetura e Urbanismo – UNICAMP, 2015, 205f. Dissertação (Mestrado).
Face ao crescente desenvolvimento econômico das cidades e ainda da variedade de indústrias e comércios que demandam água para seus processos, neste trabalho foi avaliado a atual situação da estação de tratamento de esgotos (São João) de São João da Boa Vista, cidade interiorana do estado de São Paulo. A cidade passa por um acelerado crescimento populacional, econômico e industrial, resultando no aumento da geração de efluentes domésticos e industriais. Este trabalho teve por objetivo utilizar o método da Fluorescência de Raios X por Reflexão Total com Radiação Síncrotron (SR-TXRF) para avaliar a presença de metais no efluente líquido (teor total e dissolvido) e no lodo das lagoas de decantação, coletados em pontos estratégicos da estação de tratamento. As concentrações dos elementos Pb, Cu, Cr, Ni e Zn, nas amostras de lodo, apresentaram-se abaixo dos valores máximos permitidos estabelecidos pela legislação CONAMA no 375/06. De acordo com esses parâmetros, o lodo analisado pode ser utilizado em atividades agrícolas. Os teores de Fe, Mn e Cu na forma dissolvida no efluente tratado, que foi digerido segundo o método USEPA 3050B, apresentaram concentrações abaixo dos valores máximos permitidos pelo CONAMA no 430/11. Enquanto que os teores totais de Ni e Pb nas amostras digeridas pelo método USEPA 3010A ultrapassaram os valores máximos permitidos. Do período avaliado (janeiro a maio de 2014) apenas o mês de abril apresentou alterações, possivelmente devido a descarga de esgoto com composição específica. O efluente e o lodo não apresentaram concentrações acima dos valores máximos permitidos, com exceção de uma variação pontual, mas que não representa o sistema como um todo.
ABSTRACT
PEREIRA, Vanessa Giroldo. Metal assessment in wastewater and sewage sludge a system of aerated lagoons of São João da Boa Vista using SR-TXRF. Campinas. College of Civil Engineering, Architecture and Urban Design - UNICAMP, 2015. 205f. Master’s Degree.
Given the growing economic development of cities and even the variety of industries and businesses that require water for their processes, this study evaluated the current situation of the sewage treatment plant St. John of São João da Boa Vista, inland city of São Paulo. The city undergoes an accelerated population, economic and industrial growth, resulting in increased generation of domestic, commercial and industrial wastewater. This study aimed to use the Synchroton Radiation Total Reflection X-ray Fluorescence (SR-TXRF) method to assess the presence of metals in the liquid effluent and sludge of the station settling ponds, collected at strategic points of the treatment plant. The concentrations present in the sludge samples, for the elements Pb, Cu, Cr, Ni and Zn, controlled by CONAMA 375/06 legislation, they showed all below maximum allowable values. According to these parameters, the analysis sludge can be used in agricultural activities. The concentrations of Fe, Mn and Cu in the form dissolved in the treated effluent (USEPA 3050B) showed concentrations below the maximum amounts permitted by the CONAMA 430/11. While the total contents of Ni and Pb (USEPA 3010A) exceeded the allowed values. Only the month of April, the evaluation period January-May 2014, introduced changes, possibly due to sewage discharge with specific composition. The effluent and sludge showed no concentrations above the maximum values allowed, except for a punctual variation, but that is not the treatment system.
LISTA DE FIGURAS
Página Figura 3.1: Fluxogramas dos principais sistemas de lagoas de estabilização. Fonte:
Adaptado de VON SPERLING (2002). ... 41 Figura 3.2: Esquema de reator de mistura completa. Fonte: Adaptado de Kellner e Pires
(1998). ... 46 Figura 3.3: Fluxograma do sistema de lagoa aerada de mistura completa seguida de
lagoa de decantação. Fonte: Adaptado de VON SPERLING (2002). ... 50 Figura 3.4: Desenho esquemático das regiões de sedimentação por suspensões
concentradas. Fonte: Lin (2014). ... 57 Figura 3.5: Espectro de radiação eletromagnética. Fonte: Laboratório de Sistemas
Térmicos- PUC/PR - Simulação da Transferência de Calor por Radiação (2007 apud RIBEIRO e PESSOA, 2007). ... 79 Figura 3.6: Emissão de um fóton de raios X característico. Fonte: Adaptado de
SAMPAIO (2007). ... 80 Figura 3.7: Níveis de energia atômicos e as denominações de suas respectivas transições
eletrônicas. Fonte: AVELINO NETO (2008). ... 81 Figura 3.8: Condições para obter reflexão total. Fonte: Adaptado de SAMPAIO (2007). ... 86 Figura 3.9: Arranjo para análise por SR-TXRF. Fonte: LNLS (2014). ... 87 Figura 4.1: Localização de São João da Boa Vista no estado de São Paulo. Fonte: IBGE
(2014). ... 90 Figura 4.2: São João da Boa Vista e suas divisas territoriais. Fonte: Google (2014). ... 91 Figura 4.3: A bacia do Rio Mogi Guaçu (UGRHI-9) e seus compartimentos. Fonte:
Portal SigRH (2013). ... 94 Figura 4.4: Localização da UGRHI 9 dentro do Estado de São Paulo. Fonte: Portal
Figura 4.5: Localização da Bacia Hidrográfica do Rio Grande no Brasil e as UGRHI que compõe esta bacia. Fonte: Portal SigRH (2013). ... 95 Figura 4.6: Localização da Região Hidrográfica do Paraná no Brasil. Fonte: Portal
SigRH (2013). ... 95 Figura 4.7: Compartimento do Rio Jaguari Mirim com o enquadramento de seus cursos
d´águas. Fonte: Adaptado de Portal SigRH (2014). ... 99 Figura 4.8: Localização da Estação de Tratamento de Esgotos São João referente a zona
urbana de São João da Boa Vista. Fonte: Google (2014). ... 102 Figura 4.9: Posição da estação de tratamento de esgoto junto ao Rio Jaguari Mirim.
Fonte: Google (2014). ... 103 Figura 4.10: Foto aérea do sistema de tratamento composto pelas lagoas de
estabilização. Fonte: Adaptado de Google (2014). ... 104 Figura 4.11: Layout geral da Estação de Tratamento de Esgoto de São João da Boa
Vista. Fonte: SABESP (2013)... 105 Figura 4.12: Canal de saída da calha Parshall (a figura da direita focaliza o efluente do
canal, o mesmo da figura da esquerda). ... 107 Figura 4.13: Sistema de desarenação (1 – caixa da esquerda; 2 – caixa da direita). ... 107 Figura 4.14: Saída do efluente do sistema de desarenação (foto de uma das quatro
comportas das caixas de areia). ... 108 Figura 4.15: Dispositivo de entrada da tubulação do efluente nas lagoas aeradas. Fonte:
Adaptado de VON SPERLING (2002). ... 109 Figura 4.16: Fluxo de entrada do efluente em uma das lagoas aeradas. ... 110 Figura 4.17: Dispositivo de saída da tubulação do efluente nas lagoas aeradas. Fonte:
Adaptado de VON SPERLING (2002). ... 110 Figura 4.18: Vista superior do dispositivo de saída de uma das lagoas aeradas. ... 111 Figura 4.19: Distribuição das tubulações de entrada e saída nas lagoas aeradas. Fonte:
Adaptado de VON SPERLING (2002). ... 111 Figura 4.20: Uma das duas lagoas de decantação. ... 113
Figura 4.21: Vista superior de um dos dispositivos de saída do efluente de uma das
lagoas de decantação. ... 113
Figura 4.22: Distribuição das tubulações de entrada e saída nas lagoas de decantação. Fonte: Adaptado de VON SPERLING (2002)... 114
Figura 4.23: Calha Parshall antes do tanque de contato. ... 115
Figura 4.24: Tanque de contato com chicanas. ... 115
Figura 4.25: Dispositivo de saída do efluente do tanque de contato. ... 116
Figura 4.26: Margem do ponto de lançamento do efluente tratado da estação de tratamento de esgoto de São João da Boa Vista no rio Jaguari Mirim. ... 116
Figura 4.27: Fluxograma da Estação Central de Tratamento de Esgoto São João. ... 118
Figura 4.28: Ilustração do coletor de lodo. ... 119
Figura 4.29: Coletor de lodo (à esquerda – extremidade superior; ao meio – o encaixe entre os tubos; à direita – extremidade inferior). ... 120
Figura 4.30: Leito de secagem do lodo retirado das lagoas de decantação. ... 121
Figura 4.31: Local de coleta do lodo desidratado. ... 121
Figura 4.32: Fluxograma do método utilizado para analisar a DQO nas amostras de efluente. ... 124
Figura 4.33: Fluxograma do método utilizado para aferir a alcalinidade nas amostras de efluente. ... 125
Figura 4.34: Fluxograma do método utilizado para avaliar a série de sólidos suspensos nas amostras de efluente. ... 126
Figura 4.35: Fluxograma do método utilizado para avaliar a série de sólidos totais nas amostras de lodo. ... 126
Figura 4.36: Procedimento de preparo das amostras de lodo desde a secagem (a), moagem (b), peneiramento (c) e condicionamento final (d). ... 128
Figura 4.37: Fluxograma dos métodos de digestão utilizados... 129
Figura 4.39: Amostras no Eppendorf (à esquerda) e amostras nas placas de Petri (à direita). ... 133 Figura 4.40: Vista superior do anel de armazenamento do LNLS. ... 134 Figura 4.41: Linha de luz de Fluorescência de Raios X (1- início da linha; 2-
continuação da linha; 3- final da linha com dispositivo para inserir amostras). ... 134 Figura 4.42: Vista interna e externa da câmara de excitação. ... 136 Figura 5.1: Médias de precipitação nos meses em estudo comparadas com os anos de
2012 e 2013. ... 142 Figura 5.2: Resultados de pH deste estudo comparados com os obtidos pela SABESP. ... 143 Figura 5.3: Resultados obtidos para a concentração de alcalinidade nos efluentes bruto e
tratado da estação em estudo relacionados com os valores de pH. ... 144 Figura 5.4: Concentrações de DQO em efluentes bruto e tratado da estação de
tratamento de esgoto. ... 145 Figura 5.5: Porcentagem de remoção de DQO mensal na estação de tratamento de
esgoto. ... 145 Figura 5.6: Resultados de DQO deste estudo comparados com os obtidos pela SABESP. ... 146 Figura 5.7: Concentrações de sólidos suspensos voláteis e fixos presentes no efluente
bruto e tratado na estação de tratamento de esgoto... 147 Figura 5.8: Porcentagem de remoção de sólidos suspensos totais na estação de
tratamento de esgoto. ... 148 Figura 5.9: Concentração de sólidos fixos e voláteis das amostras de lodo da lagoa de
decantação 1. ... 149 Figura 5.10: Concentração de sólidos fixos e voláteis das amostras de lodo da lagoa de
decantação 2. ... 149 Figura 5.11: Concentração de sólidos fixos e voláteis no lodo desidratado do leito de
secagem. ... 150 Figura 5.12: Sensibilidade relativa (SRi) experimental e ajustada para os elementos
Figura 5.13: Sensibilidade relativa (SRi) experimental e ajustada para os elementos contidos na série L. ... 157 Figura 5.14: Concentrações de Manganês nas amostras de efluente bruto e tratado,
ambientalmente disponíveis (USEPA 3050B). ... 159 Figura 5.15: Concentração de Ferro nas amostras de efluente bruto e tratado,
ambientalmente disponíveis (USEPA 3050B). ... 160 Figura 5.16: Concentração de Cobre nas amostras de efluente bruto e tratado,
ambientalmente disponíveis (USEPA 3050B). ... 160 Figura 5.17: Concentração total de Chumbo nas amostras de efluente bruto e tratado
(USEPA 3010A). ... 161 Figura 5.18: Concentração total de Níquel nas amostras de efluente bruto e tratado
(USEPA 3010A). ... 162 Figura 5.19: Concentração total de Zinco nas amostras de efluente bruto e tratado
(USEPA 3010A). ... 162 Figura 5.20: Concentrações de Chumbo nas lagoas de decantação das amostras
digeridas pelo método USEPA 3050B. ... 165 Figura 5.21: Concentrações de Cobre nas lagoas de decantação das amostras digeridas
pelo método USEPA 3050B. ... 166 Figura 5.22: Concentrações de Cromo nas lagoas de decantação das amostras digeridas
pelo método USEPA 3050B. ... 166 Figura 5.23: Concentrações de Níquel nas lagoas de decantação das amostras digeridas
pelo método USEPA 3050B. ... 167 Figura 5.24: Concentrações de Zinco nas lagoas de decantação das amostras digeridas
pelo método USEPA 3050B. ... 167 Figura 5.25: Concentrações dos elementos analisados na amostra de lodo desidratado
LISTA DE TABELAS
Página
Tabela 3.1: Níveis do tratamento de esgoto. ... 35
Tabela 3.2: Principais características dos níveis de tratamento de esgoto. ... 36
Tabela 3.3: Sistemas de tratamento em nível secundário e suas subdivisões. ... 38
Tabela 3.4: Fatores interferentes controláveis e incontroláveis no sistema de lagoas. ... 47
Tabela 3.5: Algumas das características típicas de diferentes tipos de lagoas aeradas tratando esgoto sanitário. ... 51
Tabela 3.6: Faixas usuais de operação dos aeradores de alta rotação. ... 53
Tabela 3.7: Recursos mundiais de alguns metais. ... 59
Tabela 3.8: Elementos-traço importantes em águas naturais. ... 64
Tabela 3.9: Fontes de metais em esgoto doméstico por tipo de produto. ... 70
Tabela 4.1: Valores do PIB do município de São João da Boa Vista no período de 2001 a 2011... 92
Tabela 4.2: Valores do PIB do município de São João da Boa Vista dividido por setores. ... 93
Tabela 4.3: Classificação de qualidade das águas doces segundo a resolução CONAMA 357/05. ... 98
Tabela 4.4: Sistema de tratamento de água e esgotamento sanitário realizado pela SABESP no município de São João da Boa Vista. ... 100
Tabela 4.5: Parâmetros previstos para serem atendidos pela estação de tratamento de esgoto São João para o ano de 2010. ... 105
Tabela 4.6: Características do sistema de desarenação. ... 106
Tabela 4.7: Características do sistema de lagoas aeradas. ... 109
Tabela 4.9: Variáveis envolvidas na amostragem. ... 117
Tabela 4.10: Metodologia, frequência e período de realização de cada parâmetro. ... 123
Tabela 4.11: Análises físico-químicas que serão realizadas em cada ponto de coleta amostral na estação de tratamento de esgoto de São João da Boa Vista. ... 124
Tabela 4.12: Características do anel de armazenamento e da estação de fluorescência de raios X do LNLS. ... 135
Tabela 4.13: Características da linha de fluorescência de raios X do LNLS. ... 136
Tabela 4.14: Condições experimentais utilizadas durante as análises no LNLS... 137
Tabela 4.15: Valores máximos permitidos de parâmetros inorgânicos para o lançamento de efluentes (CONAMA 430/11)... 138
Tabela 4.16: Padrões de qualidade de água doce Classe 2 (CONAMA 357/05). ... 139
Tabela 4.17: Concentração máxima permitida no lodo de esgoto ou produto derivado de substâncias inorgânicas CONAMA 375/06. ... 140
Tabela 5.1: Medidas de pH efetuadas na coleta de cada amostra realizada no período em estudo. ... 142
Tabela 5.2: Teste-t (duas amostras presumindo variâncias diferentes) para o fator pH. ... 151
Tabela 5.3: Teste-t (duas amostras presumindo variâncias diferentes) para DQO. ... 152
Tabela 5.4: Teste-t (duas amostras presumindo variâncias diferentes) para alcalinidade. ... 152
Tabela 5.5: Teste-t (duas amostras presumindo variâncias diferentes) para sólidos suspensos totais. ... 153
Tabela 5.6: Concentração (mg L-1) dos elementos contidos nas soluções padrão da série K. ... 155
Tabela 5.7: Concentração (mg L-1) dos elementos contidos nas soluções padrão da série L. ... 155
Tabela 5.8: Comparação dos valores medidos e certificados (µg L-1) com os correspondentes intervalos de confiança para a amostra de referência contendo poluentes em água potável (DWP) medidos por SR-TXRF. ... 158
Tabela 5.9: Comparação dos valores medidos e certificados com os correspondentes intervalos de confiança para a amostra de referência de esgoto doméstico (NIST 2781) medidos por SR-TXRF. ... 158 Tabela 5.10: Concentrações medidas dos elementos no efluente tratado comparadas as
concentrações máximas na Classe 2 exigidas pela legislação (CONAMA 357/05). ... 164
LISTA DE ABREVIATURAS, SÍMBOLOS E SIGLAS
∞ Infinito λ Comprimento de onda °C Graus Celsius µL Microlitro µm Micrômetro Å Ångström ABR Abril Ag Prata Al Alumínio Al2O3 Bauxita As Arsênio As2O3 Óxido de arsênico ATP Trifosfato de adenosinaB Boro
Be Berílio
BG Background
Bi Bismuto
Ca Cálcio
CaPO4 Fosfato de cálcio CaWO4 Scheelita
Cd Cádmio
CH2O Poliidroaldeído
CH3COOH Ácido metilcarboxílico
CH4 Metano
(CH3)2Se Dimetilseleneto
cm Centímetros
CNPEM Centro Nacional de Pesquisa em Energia e Materiais
Co Cobalto
CO3S4 Lineita
CO2 Dióxido de carbono
CP Componente Principal cps Contagem por segundo
Cr Cromo
Cr3+ Cromo trivalente Cr6+ Cromo hexavalente
Cu Cobre
CV Cavalo-vapor
DBO Demanda bioquímica de oxigênio DNA Ácido desoxirribonucleico
DQO Demanda química de oxigênio DWP Drinking Water Pollution
ED-XRF Fluorescência de Raios X por Dispersão de Energia (Energy Dispersive X-Ray Fluorescence) eV Elétron-volt F- Íon flúor Fe Ferro Fe2O3 Hematita Fe2O3.H2O Goetita Fe3O4 Magnetita FeS Sulfeto de ferro
FEV Fevereiro
Ga Gálio
Ge Germânio
ge Gravidade específica GeV Giga elétron-volt
GHz Giga hertz H Altura H2O Água H2S Sulfeto de hidrogênio H3PO4 Ácido fosfórico hab Habitante
HCO3- Ânion bicarbonato
Hg2+ Mercúrio iônico bivalente
HgS Cinábrio
HP Hiperpuro
Hz Hertz
IAEA Agência Internacional de Energia Atômica (International Atomic Energy Agency)
IBGE Instituto Brasileiro de Geografia e Estatística IDHM Índice de desenvolvimento humano médio
JAN Janeiro
K Potássio
keV Quilo eletronvolt
kg Quilograma
km Quilômetro
km2 Quilômetro quadrado
kW Quilowatt
L Litro
LMD Limite mínimo de detecção
LNLS Laboratório Nacional de Luz Síncrotron
m Metro m2 Metro quadrado m3 Metro cúbico mA Miliampère MAI Maio MAR Março Mg Magnésio mg Miligrama MG Minas Gerais mm Milímetros Mn Manganês Mo Molibdênio MoS2 Molibdenita mrad Miliradianos
Na Sódio
NaI(Tl) Iodeto de sódio ativado com tálio
NH3 Amônia Ni Níquel nm Nanômetro O2 Oxigênio Pb Chumbo PbMoO4 Wulfenita PbS Galena
PCA Análise de Componentes Principais (Principal Component Analysis) pE Potencial padrão
PEC Ponto de efluente para coleta pf Ponto de fusão
pH Potencial hidrogeniônico PIB Produto interno bruto PLC Ponto de lodo para coleta PO4-3 Ânion fosfato
ppb Partes por bilhão ppm Partes por milhão
ppmv Partes por milhão por volume
PR Paraná
PVC Policloreto de vinil (Polyvinyl chloride)
S2 Sulfeto
SABESP Companhia de Saneamento Básico do Estado de São Paulo
Sb Antimônio
Se Selênio
SeO32- Selenito SeO42- Selenato
Si(Li) Silício dopado com lítio
Sn Estanho
SR-XRF Fluorescência de Raios X por Reflexão Total com Radiação Síncrotron (Syncrotron Radiation Total Reflection X-Ray Fluorescence)
SST Sólidos Suspensos Totais SSF Sólidos Suspensos Fixos SSV Sólidos Suspensos Voláteis
T Tesla
t Tempo
Ta Tântalo
Ti Titânio
TiO2 Óxido de titânio
TXRF Fluorescência de Raios X por Reflexão Total (Total Reflection X-Ray Fluorescence)
UASB Reator de manta de lodo e fluxo ascendente (Upflow Anaerobic Sludge Blanket Reactor)
UGRHI Unidade de gerenciamento de recursos hídricos
US/EPA Agência de Proteção Ambiental dos Estados Unidos (United States Environmental Protection Agency)
V Volume
V Vanádio
WD-XRF Fluorescência de Raios X por Dispersão de Comprimento de Onda (Wavelenght Dispervise X-Ray Fluorescence)
WinQXAS Quantitative X-ray analysis system for Windows XRF Fluorescência de raios X (X-Ray Fluorescence)
Y Ítrio
SUMÁRIO
Página 1. INTRODUÇÃO ... 25 2. OBJETIVOS ... 29 2.1. OBJETIVOGERAL ... 29 2.2. OBJETIVOSESPECÍFICOS... 29 3. FUNDAMENTOS TEÓRICOS ... 30 3.1. TRATAMENTODEESGOTO ... 30 3.1.1. Características do esgoto ... 30 3.1.2. Níveis de tratamento ... 32 3.2. LAGOASDEESTABILIZAÇÃO ... 38 3.3. LAGOASAERADASSEGUIDASDELAGOASDEDECANTAÇÃO ... 48 3.3.1. Lagoa aerada mecanicamente ... 52 3.3.2. Lagoa de sedimentação (ou decantação) ... 54 3.4. METAIS ... 58 3.4.1. Toxicidade – formas elementares e compostas ... 61 3.4.2. Indicadores de poluição aquática ... 62 3.4.3. Interação dos compostos metálicos em sistemas aquáticos ... 65 3.4.4. Transformações microbianas de metais ... 67 3.4.5. Fonte de metais em esgoto doméstico ... 67 3.4.6. Remoção de metais no tratamento de esgoto... 71 3.5. FLUORESCÊNCIADERAIOSX ... 76 3.5.1. Espectro eletromagnético ... 78 3.5.2. Excitação e/ou ionização dos elementos ... 82 3.5.3. Dispersão dos raios X ... 82 3.5.4. Detecção e medida dos raios X... 83 3.5.5. Fluorescência de raios X por reflexão total (TXRF) ... 83 3.5.6. Fonte de radiação Síncrotron ... 88 4. MATERIAIS E MÉTODOS ... 90 4.1. CARACTERIZAÇÃODOLOCALDEESTUDO... 904.1.1. Rio Jaguari Mirim ... 93 4.1.2. Estação de Tratamento de Esgoto São João ... 101 4.1.3. Aspectos Construtivos ... 104 4.2. AMOSTRAGEM ... 116 4.3. ANÁLISESFÍSICO-QUÍMICAS ... 122 4.4. ANÁLISE QUANTITATIVA POR FLUORESCÊNCIA DE RAIOS X POR
REFLEXÃOTOTAL ... 130 4.5. LIMITEDEDETECÇÃO ... 127 4.6. PREPARAÇÃODASAMOSTRASPARADIGESTÃO ... 128 4.7. MÉTODOSDEDIGESTÃO ... 129 4.8. PREPARAÇÃODASAMOSTRASPARAANÁLISENOLNLS ... 130 4.9. ANÁLISESNOLABORATÓRIONACIONALDELUZSÍNCROTRON ... 133
4.10. VALORES MÁXIMOS PERMITIDOS DE METAIS SEGUNDO A
LEGISLAÇÃOBRASILEIRA ... 137 5. RESULTADOS ... 141 5.1. ANÁLISESFÍSICO-QUÍMICAS ... 141 5.1.1. Amostras de efluente bruto e tratado ... 141 5.1.2. Amostras de lodo ... 148 5.1.3. Análises estatísticas ... 151 5.2. ANÁLISESQUANTITATIVASPORSR-TXRF ... 154 5.2.1. Cálculo da Sensibilidade Relativa ... 154 5.2.2. Validação da metodologia ... 157 5.2.3. Amostras de efluente bruto e tratado ... 159 5.2.4. Amostras de lodo ... 165 6. CONCLUSÕES ... 169 7. SUGESTÃO DE TRABALHOS FUTUROS ... 171 8. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS ... 172 ANEXO 1 – CONCENTRAÇÕES AMBIENTALMENTE DISPONÍVEIS DE AL, SI, S, CL, K, CA, TI, CR, NI, ZN, BR, RB, SR E PB NAS AMOSTRAS DE EFLUENTE BRUTO E TRATADO (USEPA 3050B) ... 183 ANEXO 2 – CONCENTRAÇÕES TOTAIS DE AL, SI, S, CL, K, CA, TI, CR, MN, FE, CU, BR, RB E SR NAS AMOSTRAS DE EFLUENTE BRUTO E TRATADO. ... 191
ANEXO 3 – CONCENTRAÇÕES AMBIENTALMENTE DISPONÍVEIS DE AL, SI, P, S, K, CA, TI, MN, FE, RB E SR NAS AMOSTRAS DE LODO (USEPA 3050B) ... 199
1. INTRODUÇÃO
A ação humana tem provocado mudanças ambientais que geralmente contribuem para uma degradação acelerada das condições naturais do meio ambiente e uma redução da qualidade de vida animal e vegetal. Tais impactos são resultantes do progresso e desenvolvimento acelerados responsáveis por um aumento na velocidade de consumo dos recursos naturais. Desde a Revolução Industrial, o consumo de produtos e serviços obteve um aumento significante acompanhado do consumo da água. Esta é utilizada como matéria-prima no processo produtivo de produtos, bem como meio de transporte, agente de limpeza, sistema de refrigeração, fonte de vapor ou produção de energia.
Após a segunda guerra mundial ocorreu uma expansão acelerada da indústria petroquímica promovendo um aumento da poluição do solo, ar e água. Os poluentes, resultantes do despejo de efluentes industriais, mais preocupantes são os inorgânicos, especialmente os sintéticos e os metais.
Com o crescimento desenfreado das cidades metropolitanas, as indústrias, protagonistas do desenvolvimento urbano, perdem espaço geográfico para edificações, vias públicas, rodovias e viadutos. Vendo, em cidades que margeiam as grandes metrópoles, a solução para a falta de espaço, aliada a outras vantagens como mão de obra barata, incentivos fiscais e proximidade com a fonte de suas matérias-primas, novas instalações industriais se instalam em cidades interioranas. Porém, ao se instalarem trazem, além do benefício de empregar a população das cidades interioranas, o sedento consumo por recursos hídricos disponíveis.
Um impacto é gerado, com a presença das indústrias, entre os corpos hídricos que, recebiam lançamentos de esgotos antes apenas domésticos, com efluentes industriais de diversas composições químicas entre elas a presença de metais. As estações de tratamento de esgotos de cidade interioranas caracterizam-se em remover matéria orgânica, típica de esgotos domésticos, e frente a efluentes industriais seus processos podem se tornar obsoletos havendo a necessidade de se reavaliá-los perante o novo contexto inserido na cidade.
Além da presença dos efluentes industriais no corpo receptor destas cidades, há a presença de uma quantidade maior de efluentes domésticos e comerciais, pois com a instalação de novas indústrias, a cidade toda se desenvolve a partir delas, sua população cresce e novas atividades econômicas se iniciam para atender as necessidades da população crescente.
Vários estudos como os de Rule et al. (2006), Sörme e Lagerkvist (2002) e Houhou et at. (2009) direcionam como fontes de metais no esgoto produtos de higiene pessoal, materiais de construção, tinturas, medicamentos, inclusive o efluente de várias atividades econômicas como lava carros, consultórios odontológicos, salões de beleza, mecânica de autos, lavanderias.
A presença de metais caracteriza-se por ser um importante parâmetro de identificação de poluição resultante de diferentes atividades econômicas, a maioria delas industriais, embora atividades agrícolas e a disposição de rejeitos domésticos também contribuam para a liberação de metais no meio ambiente. Pelo fato de os metais apresentarem uma elevada toxicidade no meio aquático, mesmo depois da água tratada, é possível que esta não esteja totalmente livre de contaminação.
Os metais podem aparecer em grandes concentrações no despejo de efluentes industriais não tratados. Os efluentes que mais preocupam são os oriundos de curtumes (Cromo hexavalente) e galvanoplastia (Cádmio, Cromo, Níquel, Cobre, Zinco, Prata). Outros processos podem apresentar elementos metálicos potencialmente tóxicos como o Chumbo, Mercúrio, Molibdênio, Selênio e Arsênio, que em determinadas concentrações, podem promover toxidade tanto a plantas, animais e ao homem, sendo possível também sua transferência através da cadeia alimentar.
De acordo com Avelino Neto (2008), os metais são liberados ou transportados em ambientes aquáticos ou terrestres, principalmente sob a forma dissolvida ou particulada, e podem alcançar altas concentrações, particularmente próximas ao ponto de lançamento dos efluentes. Por apresentarem uma elevada toxicidade no meio aquático, mesmo depois da água tratada, é possível que esta não esteja totalmente livre de contaminação. Por se conhecer os efeitos deletérios das altas concentrações de metais, no organismo humano e na biota, estes se constituem uma fonte de preocupações constantes, tanto aos órgãos governamentais pertinentes como à sociedade em geral.
Assim como o ser humano tem o direito de criar tecnologias e promover o desenvolvimento para suprir suas necessidades, tem o dever de encontrar um equilíbrio entre seus engenhos e a capacidade de recuperação ambiental. A poluição de corpos hídricos pode ter causas naturais ou antropogênicas. Dentre as naturais estão o aspecto geológico, o ciclo climático, e a dinâmica ecológica. A intervenção humana, de forma direta, diz respeito a descargas de detritos e efluentes diversos diretamente no meio aquático. A forma indireta inclui desmatamentos intensivos e ocupações irregulares nas margens e a impermeabilização das áreas urbanas adjacentes aos corpos de água, o que favorece o arraste pluvial de resíduos para o leito dos rios.
A qualidade da água está relacionada à sua composição e ao conjunto de propriedades físicas, químicas e biológicas. Sua composição pode ser variável nas diversas etapas do ciclo hidrológico. De acordo com Sampaio (2007), elementos presentes no ar passam a incorporar-se à água durante a precipitação. Ao contato com o solo, novos elementos e substâncias, antes ausentes, são também adicionados ao corpo de água alterando suas características, num processo contínuo ao longo de todo o ciclo.
São de interesse para o monitoramento ambiental, metodologias analíticas que permitam obter limites de detecção cada vez menores, pois a presença de elementos em baixas concentrações, no solo ou na água, que não seja de origem natural para determinada região, pode ser investigada com caráter preventivo.
Segundo Sampaio (2007), muitas são as técnicas utilizadas para análise química de metais disponíveis em águas e sedimentos. Contudo, não existe um único critério que aponte a mais indicada em cada caso. Assim, muitas vezes por simples tradicionalismo ou até por desinformação, acaba-se perpetuando o uso de tecnologias, que sob alguns aspectos já estariam suplantadas por outras, talvez mais simples e mais adequadas.
Um método analítico que tem sido muito utilizado na avaliação qualitativa e quantitativa da composição química em vários tipos de amostras ambientais é a espectrometria de raios X que permite a análise de vários elementos simultaneamente em uma única medida com rapidez, praticidade e ótima relação custo/benefício. É uma técnica instrumental não destrutiva, que apresenta baixos limites de detecção (podendo atingir a faixa de parte por bilhão – ppb), e pode ser aplicada na análise de amostras de águas, soluções diversas, metais, solos, rochas, ar, sangue, fluidos corporais, alimentos, vegetais e tecidos humanos.
Uma das variantes da fluorescência de raios X é denominada Reflexão Total (TXRF) a qual utiliza o fenômeno de reflexão total em uma fina camada de amostra, de modo a otimizar a excitação e evitar outras perturbações. É indicada especialmente para a análise de elementos-traço em amostras líquidas. O aparato experimental consiste basicamente de uma fonte de raios X para excitação da amostra, a qual é depositada sobre um suporte refletor, um detector de alta resolução com eletrônica associada, e um microcomputador.
O enfoque dado por este trabalho em saneamento, especificamente em tratamento de esgotos, baseia-se no histórico de impactos ao meio ambiente gerados por resíduos líquidos, resultantes do acelerado consumo de recursos naturais pelo homem, que cada vez mais busca aperfeiçoar técnicas e processos para a manufatura de variadas matérias-primas, mas pouco se empenha para desenvolver tratamentos eficazes aos resíduos gerados de seus processos para que possam ser descartados no meio ambiente sem impactá-lo.
Face ao crescente desenvolvimento econômico das cidades e ainda da variedade de indústrias e comércios que demandam água para seus processos e serviços, este trabalho avaliou a presente situação de uma estação de tratamento de esgotos de São João da Boa Vista, cidade interiorana de São Paulo, que está passando por uma acelerada industrialização e crescimento populacional. A escolha desta cidade, em especial, deve-se a facilidade encontrada para coleta de dados e materiais para as análises pertinentes ao desenvolvimento do presente trabalho. Por ser um importante parâmetro de identificação de poluição resultante de diversas atividades econômicas inclusive industriais, os metais foram escolhidos para avaliar o grau de poluição apresentado pelo esgoto da cidade de São João da Boa Vista.
Na busca por uma metodologia analítica para identificar a presença de metais, a técnica de espectrometria de fluorescência de raios X mostrou-se eficiente por agrupar vantagens como a análise de vários elementos simultaneamente em uma única medida com rapidez, praticidade, ótima relação custo/benefício e, por ser uma técnica instrumental não destrutiva. Entretanto, a principal vantagem da técnica para este trabalho é apresentar baixos limites de detecção, possibilitando um estudo mais profundo quanto a presente situação da estação de tratamento de esgotos de São João da Boa Vista.
2. OBJETIVOS
2.1. OBJETIVO GERAL
Este trabalho teve por objetivo utilizar o método da fluorescência de raios X por reflexão total com radiação síncrotron para avaliar a presença de metais no lodo e no efluente (bruto e tratado), coletados em pontos estratégicos do sistema de tratamento de esgoto do município de São João da Boa Vista.
2.2. OBJETIVOS ESPECÍFICOS Este trabalho buscou:
- Avaliar a presença de metais no esgoto dos pontos afluente e efluente na estação de tratamento de esgoto, bem como o lodo das lagoas de decantação da estação;
- A partir da dinâmica do sistema de lagoas aeradas, avaliar a eficiência de remoção de metais no efluente, comparando os resultados com os valores máximos permitidos pela legislação vigente quanto a lançamento de efluentes e o uso agrícola do lodo tratado;
- Comparar os resultados obtidos para o efluente tratado pela estação com os valores máximos permitidos na legislação vigente de enquadramento e classificação do Rio Jaguari Mirim.
3. FUNDAMENTOS TEÓRICOS
Para o melhor entendimento do estudo proposto por esta dissertação de mestrado, alguns tópicos foram abordados, e compreendidos como essenciais para a formação do conhecimento preliminar ante esta pesquisa acadêmica.
3.1. TRATAMENTO DE ESGOTO
3.1.1. Características do esgoto
Para Lin (2014), águas residuais, também conhecidas como "esgoto", provêm de resíduos domésticos, resíduos humanos e animais, efluentes industriais, água das enxurradas e infiltração de águas subterrâneas. Esgoto, basicamente, é o fluxo de água utilizada a partir de uma comunidade, sendo 99,94% de água e os 0,06% restantes é material dissolvido ou suspenso na água.
Segundo Silva e Mara (1979), águas residuárias compõem-se das águas servidas de uma comunidade podendo ter origem puramente doméstica ou conter também águas residuárias de origem industrial ou agrícola. Os autores descrevem-nas como um líquido turvo, de coloração parda e odor similar ao do solo quando recém-produzidas e, sépticas pela perda de oxigênio dissolvido, apresentando um odor desagradável.
A compreensão das características biológicas, físicas, químicas de águas residuais é muito importante no projeto, operação e gestão de coleta, tratamento e disposição de lodos (LIN, 2014). As características físicas, químicas e biológicas dos esgotos variam quantitativa e qualitativamente com a sua utilização.
Segundo Jordão e Pessoa (1975), as características físicas de um esgoto podem ser interpretadas pela obtenção das grandezas correspondentes às determinações de teor de matéria sólida, temperatura, odor, cor, turbidez e variação de vazão. Esta última é de grande
importância em termos de dimensionamento e controle de operações das unidades de tratamento.
Para Gloyna (1971), embora haja semelhança considerável no conteúdo básico, o volume e as características do esgoto variam de um país para outro. As condições climáticas e os costumes sociais são apenas dois dos muitos fatores que causam as diferentes características dos esgotos.
Normalmente, a temperatura nos esgotos está acima da temperatura do ar, com exceção nos meses mais quentes de verão. Está, em geral, numa faixa de 20° a 25°C, pouco superior à das águas de abastecimento, podendo apresentar valores reais elevados devido a contribuição de despejos industriais. Os odores característicos são causados pelos gases formados no processo de decomposição, assim como a cor e turbidez também indicam o estado de decomposição do esgoto, sendo cor acinzentada e pouca turbidez, típica de esgoto fresco e, cor preta e elevada turbidez, típica de esgoto velho (JORDÃO e PESSOA, 1975).
Segundo Davis (2010), o consumo de água e a produção de águas residuais mudam com as estações do ano, os dias da semana e as horas do dia. As flutuações são maiores em pequenas comunidades do que em grandes comunidades, e durante curtos períodos de tempo. A variação na taxa de fluxo de águas residuais é normalmente classificada como um fator do dia médio.
As variações de vazão do efluente de um sistema de esgotos estão relacionadas com os costumes dos habitantes e as características do sistema adotado. Em grandes cidades esta variação é amortecida devido a diversidade de costumes e ao volume distribuído ao longo da rede. Os sistemas de esgotos influenciam na variação de vazão através do tipo de rede, tipo de despejos admitidos, existência de elevatórias, declividade dos coletores, qualidade do material empregado, qualidade de execução da obra e existência de indústrias (JORDÃO e PESSOA, 1975).
As características físicas mais importantes de águas residuais são a sua temperatura e a sua concentração de sólidos, sendo fatores muito importantes para os processos de tratamento de águas residuais. A temperatura afeta as reações químicas e as atividades biológicas. Os sólidos, tais como sólidos suspensos totais, sólidos voláteis em suspensão e sólidos sedimentáveis, afetam o funcionamento e dimensionamento de unidades de tratamento. Os sólidos compreendem matéria em suspensão ou dissolvida em águas
residuais. São divididos em várias frações diferentes, e suas concentrações fornecer informações úteis para a caracterização de efluentes e controle de processos de tratamento (LIN, 2014).
As características químicas do esgoto estão relacionadas com sua origem e podem ser classificadas quanto a matéria orgânica e matéria inorgânica. Cerca de 70% dos sólidos presentes nos esgotos tem origem orgânica sendo uma combinação de carbono, hidrogênio, oxigênio e nitrogênio, algumas vezes. São constituídos principalmente por compostos de proteínas (40 a 60%), carboidratos (25 a 50%), gorduras e óleos (10%) e ureia, surfactantes, fenóis, pesticidas (em menor quantidade) (JORDÃO e PESSOA, 1975). A matéria inorgânica é formada pela presença de areia e substâncias minerais dissolvidas, mas também podem incluir, segundo Lin (2014), metais, nutrientes (nitrogênio e fósforo), cloretos, enxofre e outros poluentes inorgânicos.
As características biológicas referem-se aos tipos de micro-organismos encontrados nos esgotos. Os principais grupos de micro-organismos encontrados em águas residuais são bactérias, fungos, protozoários, plantas, animais microscópicos e vírus. A maioria dos micro-organismos é responsável e benéfico para os processos de tratamento biológico de águas residuais. No entanto, alguns patógenos como bactérias, fungos, protozoários e vírus encontrados em águas residuais são de preocupação de saúde pública (LIN, 2014).
3.1.2. Níveis de tratamento
Segundo Lin (2014), as instalações de tratamento de águas residuais são projetadas para acelerar o processo de purificação natural que ocorre em águas naturais e para remover contaminantes nas águas residuais que poderiam interferir com o processo natural nas águas receptoras. O esgoto contém quantidades variáveis de sólidos em suspensão e flutuantes, matéria orgânica, e fragmentos de detritos. Sistemas de tratamento de águas residuais convencionais são combinações de processos físicos, biológicos e químicos para remover suas impurezas.
A remoção de poluentes no tratamento de esgotos visa adequar o efluente tratado aos padrões vigentes de qualidade para lançamento em corpos receptores. O nível e a eficiência do tratamento estão associados a esta qualidade desejada.
Os métodos de tratamento de esgotos domésticos são simplesmente classificados em três categorias principais: primário (processo físico), secundário (processo biológico), e superior ou avançado (combinação dos processos físico, químico e biológico). Cada categoria deve incluir dispositivos de tratamento preliminar, desinfecção e gestão dos lodos (tratamento e eliminação) (LIN, 2014).
Os sistemas preliminares são projetados para remover e/ou cortar materiais maiores em suspensão e flutuantes, bem como remover sólidos inorgânicos pesados e quantidades excessivas de óleo e graxa. O objetivo do tratamento preliminar é proteger o equipamento de bombeamento e as unidades de tratamento subsequentes. Sistemas preliminares consistem em: dispositivos de medição de vazão e reguladores, racks e telas, moedores, cortadores e trituradores, desarenadores, reservatórios de pré-aeração, e cloração. A qualidade das águas residuais não é substancialmente melhorada por tratamento preliminar (LIN, 2014).
Segundo Davis (2010), no sistema de gradeamento, os sólidos passam, em alta velocidade, através de lâminas cortantes de grelhas estacionárias que envolvem o conjunto. Pode estar localizada a jusante das caixas de areia para reduzir o desgaste no mecanismo de corte, mas tipicamente são colocadas em frente das caixas de areia para evitar trapos, sacos, e outros detritos que possam sujar o equipamento de remoção de areia. Tal como as caixas de areia, os canais são construídos com um bypass e dispositivo para isolar o canal, quando é necessária a manutenção.
Toda areia, cascalho, vidro quebrado, casca de ovo, e outros materiais que tenham uma velocidade de sedimentação substancialmente maior do que o material orgânico nas águas residuais é chamado de sólido grosseiro. A remoção destes sólidos é fornecida para proteger equipamentos mecânicos de abrasão e desgaste; reduzir a formação de depósitos em dutos e canais; e reduzir a frequência de limpeza que é necessária por causa de sólidos grosseiros acumulados. Como segundo objetivo, mas não menos importante, o sistema de remoção de sólidos separa a areia a partir do material orgânico nas águas residuais. Esta separação permite que o material orgânico possa ser tratado em processos subsequentes (DAVIS, 2010).
O objetivo do tratamento primário é reduzir a velocidade de fluxo do efluente suficientemente para permitir a sedimentação de materiais sedimentáveis, removendo cerca de 50% a 70% de sólidos totais em suspensão a partir do efluente. Materiais flutuantes também são removidos por raspadores. Quando produtos químicos são aplicados, a maior parte do material coloidal, bem como os sólidos sedimentáveis, é removida totalizando 80% a 90% de sólidos suspensos totais. Unidades auxiliares, tais como dosadores químicos, dispositivos de mistura, floculadores e gestão de lodo (tratamento e descarte do biossólido), são necessários se não há mais tratamento. Durante o processo de tratamento primário, a atividade biológica nas águas residuais é negligenciável (LIN, 2014).
O tratamento secundário é utilizado para remover a matéria orgânica solúvel e coloidal que permanece após o tratamento primário. Apesar de o tratamento secundário remover sólidos em suspensão através de processos físico-químicos, normalmente predominam processos biológicos. Os processos de tratamento secundário podem remover mais de 85% de DBO5 e SST. No entanto, eles não são eficazes para a remoção de nutrientes (N e P), de metais, de matéria orgânica não biodegradável, bactérias, vírus e outros micro-organismos (LIN, 2014).
O tratamento avançado pode ser definido como métodos e processos que eliminam os contaminantes da água residual mais do que o tratamento convencional. O termo, tratamento avançado, pode ser aplicado a qualquer sistema que segue o tratamento secundário, sendo chamado de terciário nestes casos, e ao sistema que modifica ou substitui uma etapa no processo convencional. O objetivo do tratamento avançado é especificamente reduzir SST, SDT, DBO, nitrogênio orgânico, nitrogênio amoniacal, nitrogênio total, ou fósforo (LIN, 2014).
Segundo Von Sperling (2005), o tratamento terciário tem como objetivo a remoção de poluentes específicos (usualmente tóxicos ou compostos não biodegradáveis) ou ainda, a remoção complementar de poluentes não suficientemente removidos no tratamento secundário.
A Tabela 3.1 apresenta os níveis de tratamento de esgotos relacionados a remoção que promovem, enquanto que a Tabela 3.2 mostra as características principais dos níveis de tratamento de esgotos.
Tabela 3.1: Níveis do tratamento de esgoto.
Nível Remoção
Preliminar Sólidos em suspensão grosseiros (materiais de maiores dimensões e areia) Primário Sólidos em suspensão sedimentáveis
DBO em suspensão (associada à matéria orgânica componente dos sólidos em suspensão sedimentáveis)
Secundário DBO em suspensão (caso não haja tratamento primário: DBO associada à matéria orgânica em suspensão, presente no esgoto bruto)
DBO em suspensão finamente particulada (caso haja tratamento primário: DBO associada à matéria orgânica em suspensão não sedimentável, não removida no tratamento primário)
DBO solúvel (associada à matéria orgânica na forma de sólidos dissolvidos, presentes, tantos nos esgotos brutos, quanto no efluente do eventual
tratamento primário, uma vez que sólidos dissolvidos não são removidos por sedimentação)
Terciário Nutrientes
Organismos patogênicos
Compostos não biodegradáveis
Metais
Sólidos inorgânicos dissolvidos
Sólidos em suspensão remanescentes
Fonte: VON SPERLING (2005).
Segundo Gloyna (1971), os poluentes podem ser classificados como biodegradáveis ou não biodegradáveis. Poluentes como, materiais inorgânicos, não são biodegradados, e uma vez presentes na água podem ser diluídos, mas não reduzidos necessariamente em quantidade. Outros poluentes são alterados por forças físicas, biológicas e químicas, e por causa dessas mudanças o material orgânico instável em águas residuais domésticas pode ser convertido em substâncias inofensivas. Do mesmo modo, alguns resíduos industriais podem ser convertidos em efluentes estáveis.
Tabela 3.2: Principais características dos níveis de tratamento de esgoto.
Item Nível de tratamento
Preliminar Primário Secundário
Poluentes removidos Sólidos grosseiros Sólidos sedimentáveis DBO em suspensão Sólidos não sedimentáveis DBO em suspensão fina DBO solúvel Eventualmente nutrientes Eventualmente patógenos Eficiências de remoção - SS: 60 a 70% DBO: 25 a 35% Coliformes: 30 a 40% DBO: 60 a 98% Coliformes: 60 a 99% Mecanismos de tratamento predominantes
Físico Físico Biológico
Cumpre padrões de lançamento usuais?
Não Não Usualmente sim
Aplicação Montante de elevatória Etapa inicial de todos os processos de tratamento Tratamento parcial Etapa intermediaria de tratamento mais completo Tratamento mais completo (para remoção de matéria orgânica)
O tratamento secundário é composto pelas unidades de tratamento preliminar podendo ou não incluir as unidades do tratamento primário. Tem como objetivo a remoção da matéria orgânica tanto dissolvida quanto em suspensão. Os processos desse tratamento visam acelerar a degradação da matéria orgânica que ocorre naturalmente nos corpos receptores. Para isso, o tratamento secundário conta com uma etapa biológica composta por reações bioquímicas realizadas por micro-organismos sobre a matéria orgânica.
Os dispositivos para tratamento secundário podem ser divididos em dois grupos: processos de crescimento anexos e suspensos. Os processos de crescimento anexados (filme) são filtros biológicos e filtros de areia intermitentes. Os processos de crescimento em suspensão incluem lodos e suas modificações, como tanques de estabilização de contato (aeração), reatores em batelada sequenciais, digestores anaeróbios e aeróbios, filtros anaeróbios, lagoas de estabilização, e lagoas ativadas aeradas (LIN, 2014).
Os métodos de tratamento podem dividir-se em operações e processos unitários que integrados definem os sistemas de tratamento. Os principais sistemas de tratamento de esgotos domésticos, frequentemente empregados em países de clima quente como o Brasil, em nível secundário são apresentados na Tabela 3.3.
Tabela 3.3: Sistemas de tratamento em nível secundário e suas subdivisões.
Sistemas de tratamento Subdivisões de sistemas de tratamento Lagoas de estabilização Lagoa facultativa
Lagoa anaeróbia - lagoa facultativa
Lagoa aerada facultativa
Lagoa aerada de mistura completa-lagoa de decantação
Lagoas de alta taxa
Lagoas de maturação Disposição no solo Infiltração lenta
Infiltração rápida
Infiltração subsuperficial
Escoamento superficial
Terras úmidas construídas Sistemas anaeróbios Filtro anaeróbio
Reator anaeróbio de manta de lodo e fluxo ascendente (UASB)
Reator anaeróbio - pós-tratamento Lodos ativados Lodos ativados convencional
Lodos ativados por aeração prolongada
Lodos ativados de fluxo intermitente
Lodos ativados com remoção biológica de nitrogênio
Lodos ativados com remoção biológica de nitrogênio e fósforo
Reatores aeróbios com biofilmes
Filtro de baixa carga
Filtro de alta carga
Biofiltro aerado submerso
Biodisco
Fonte: VON SPERLING (2005).
3.2. LAGOAS DE ESTABILIZAÇÃO
Lagoa de estabilização é um tanque usado como tratamento de esgoto secundário ou terciário, especialmente nas áreas rurais. As lagoas de estabilização tornaram-se populares em pequenas comunidades por causa de seus baixos custos de construção e operação. Elas são usadas para tratar uma variedade de efluentes domésticos e industriais sob uma ampla gama de condições climáticas (METCALF e EDDY, 2003).
As lagoas de estabilização são grandes tanques de pequena profundidade, definidas por diques de terra, e nas quais as águas residuárias brutas são tratadas por processos naturais, envolvendo algas e bactérias (SILVA e MARA, 1979).
Para Jordão e Pessoa (1975), lagoas de estabilização são sistemas de tratamento biológico em que a estabilização da matéria orgânica é realizada pela oxidação bacteriológica (oxidação aeróbia ou fermentação anaeróbia) e/ou redução fotossintética das algas. Os autores acreditam também, que sejam lagoas naturais ou artificiais onde prevalecem condições técnicas adequadas aos fenômenos físicos, químicos e biológicos que caracterizam a autodepuração.
Os sistemas de lagoas podem ser classificados pelo tipo de reação biológica dominante, duração e frequência de descarga, tipo de tratamento após a lagoa, ou o arranjo das células. A classificação mais básica de lagoas depende do tipo de reação biológica que ocorre na mesma e se dividem em quatro principais tipos: facultativa (aeróbia-anaeróbia), aerada, aeróbia e anaeróbia. Esses tipos de lagoas dependem da interação dos componentes biológicos in-situ para o tratamento e podem ser considerados “sistemas naturais de tratamento” (REED, CRITES e MIDDLEBROOKS, 1995).
Segundo Davis (2010), lagoas de estabilização têm sido usadas para o tratamento de águas residuais há muitos anos, especialmente para sistemas de tratamento de pequenas comunidades. Muitos são os termos utilizados para descrever os diferentes tipos de sistemas de tratamento de águas residuais. O termo mais abrangente usado é lagoa de estabilização que se refere a um lago ou lagoa de tratamento dos resíduos orgânicos por processos biológicos e físicos. Esses processos normalmente se referem à autopurificação como ocorre em um córrego. As lagoas de estabilização são classificadas em:
Lagoas aeróbias: lagoas rasas, menos do que 1 m de profundidade, em que o oxigênio dissolvido é mantido ao longo de toda a profundidade, principalmente pela ação da fotossíntese.
Lagoas facultativas: Lagoas de 1 a 2,5 m de profundidade, que têm uma menor zona anaeróbia, de uma zona secundária facultativa, e uma zona superior aeróbia mantidas por fotossíntese e reaeração da superfície. Lagoas anaeróbias: lagoas profundas que recebem altas cargas orgânicas
tais condições anaeróbias que prevalecem em toda a profundidade da lagoa.
Maturação ou lagoas terciárias: Lagoas utilizadas para polimento de efluentes de outros processos biológicos. O oxigênio dissolvido é fornecido através da fotossíntese e da reaeração da superfície. Este tipo de tanque é também conhecido como uma lagoa de polimento.
As lagoas aeradas: Lagoas oxigenadas através da aeração de superfície ou de aeração por ar difuso.
Segundo Von Sperling (2002), nos sistemas de lagoas de estabilização variam os níveis de simplicidade operacional e requisitos de área de acordo com suas variantes. A Figura 3.1 apresenta fluxogramas dos principais sistemas de lagoas de estabilização.
Instalações de pré-tratamento deve ser mantidas em sistemas de lagoas. Em geral, o único equipamento mecânico ou equipamento de monitoramento e controle necessários para os sistemas de lagoas de águas residuárias são dispositivos de medição de fluxo, sistemas de amostragem e bombas. A medição de vazão pode ser realizada com dispositivos relativamente simples, tais como calhas Parshall. Se o bombeamento for necessário, é utilizado como um ponto de reciclagem de efluentes ou para adicionar produtos químicos para controle de odores (REED, CRITES e MIDDLEBROOKS, 1995).
Figura 3.1: Fluxogramas dos principais sistemas de lagoas de estabilização. Fonte: Adaptado de VON SPERLING (2002).
3.2.1. Dinâmica do tratamento
As lagoas de estabilização representam o habitat de uma enorme variedade de organismos vivos, os quais se reproduzem de acordo com a disponibilidade de alimento. A capacidade de um micro-organismo obter o substrato necessário para sua subsistência é função tanto das suas características metabólicas quanto das características ambientais do meio (KELLNER e PIRES, 1998).
Segundo Von Sperling (1996), para que um organismo se desenvolva, ele necessita basicamente de energia, carbono e nutrientes. Os seres autótrofos e heterótrofos utilizam como fonte de carbono o gás carbônico e a matéria orgânica (ou inorgânica), respectivamente. E os seres fototróficos e quimiotróficos utilizam como fonte de energia a luz e a energia de reações químicas.
Segundo CETESB (1975), o sistema ecológico de uma lagoa de estabilização baseia-se em dois princípios biológicos: respiração (realizada pelas bactérias) e fotossíntese (realizada pelas algas). Kellner e Pires (1998) complementam afirmando que, em um ambiente aeróbio, as bactérias metabolizam a matéria orgânica, convertendo-a em dióxido de carbono e água. As algas, por sua vez, utilizam o dióxido de carbono, água, amônia e outros compostos inorgânicos para a síntese celular, liberando oxigênio para o meio líquido. É nessa relação simbiótica entre algas e bactérias que repousa o princípio do tratamento biológico de esgoto nas lagoas de estabilização.
Segundo Von Sperling (1996), a denominação de respiração não é restrita apenas aos processos que envolvem consumo de oxigênio, mas a qualquer reação redox na qual a matéria orgânica é oxidada por um agente oxidante presente no meio líquido (oxigênio, nitrato ou sulfato). Sendo este um dos processos químicos que ocorrem na célula para produção de energia, também chamado de catabolismo oxidativo.
A decomposição da matéria orgânica pode ocorrer em condições aeróbias ou anaeróbias. O processo aeróbio requer um fornecimento contínuo de oxigênio dissolvido e é o método mais eficiente para reduzir o teor de matéria orgânica diluída do esgoto. No entanto, quando há sólidos suspensos altamente concentrados no esgoto, como no caso de sólidos orgânicos sedimentáveis, o processo anaeróbio é extremamente eficaz. A fermentação anaeróbia é um processo de duas etapas. Em primeiro lugar, um grupo especial de bactérias
produtoras de ácido conhecidas como heterotróficas facultativas degradam a matéria orgânica em ácidos, álcoois, aldeídos, etc. Em seguida, um grupo de bactérias, metanogênicas, convertem os produtos intermediários em metano, amônia, dióxido de carbono e hidrogênio (GLOYNA, 1971).
Independentemente da presença ou não do oxigênio livre, as bactérias decompõem o material orgânico complexo presente nos esgotos (proteínas, carboidratos, lipídeos), em material solúvel, possível de ser absorvido pela parede celular, convertendo-se em novas células e gerando produtos finais que variam de acordo com o tipo de bactéria (KELLNER e PIRES, 1998).
Segundo Metcalf e Eddy (2003), os micro-organismos costumam oxidar a matéria orgânica carbonácea particulada e dissolvida em produtos finais simples e biomassa adicional, conforme a equação 3.1 representada.
→
(3.1)
O oxigênio, a amônia e o fosfato representam os nutrientes necessários para a conversão da matéria orgânica em produtos finais como dióxido de carbono e água, além de novas células que representa a biomassa produzida como resultado da oxidação da matéria orgânica. Devido a biomassa ter um peso específico maior que da água, a biomassa pode ser removida pelo líquido tratado por sedimentação por gravidade, não afetando a medida de DBO no efluente final (METCALF e EDDY, 2003).
Já para Gloyna (1971), as principais reações que podem ocorrer em um sistema de lagoas de estabilização aeróbio são descritas nas equações 3.2, 3.3, 3.4 e 3.5.
(3.2) (3.3)
(3.4) (3.5)
O oxigênio necessário para estabilizar a matéria orgânica no esgoto é fornecido por meio da fotossíntese, transferido através da interface ar-água, ou obtido a partir de compostos que contenham oxigênio tais como nitratos, fosfatos e sulfatos. O oxigênio tem de ser fornecido continuamente durante o processo aeróbio, por isso atua como receptor de hidrogênio final durante a oxidação da matéria orgânica e a reação cessa se ele não está disponível. Durante esta transferência de hidrogênio ocorre a liberação de energia (GLOYNA, 1971).
Em sistemas de água natural, a decomposição aeróbia é o principal meio da autopurificação. Devido à grande quantidade de energia libertada na oxidação aeróbia, a maioria dos organismos aeróbios atingem elevadas taxas de crescimento. Consequentemente, mais lodo biológico é gerado na oxidação aeróbia do que em outros sistemas de oxidação (DAVIS, 2010).
Como o processo aeróbio, o processo anaeróbio converte carbono, nitrogênio, fósforo e outros nutrientes para a formação de novas células. O oxigênio também é necessário para o processo anaeróbio, mas sua fonte é de compostos químicos, e não oxigênio dissolvido livre. Há sempre alguma atividade anaeróbica no lodo e sedimentos de fundo, mesmo em tanques projetados para operar em condições aeróbias. Em lagoas profundas, também, é provável que haja uma camada de líquido perto do fundo que sustenta organismos anaeróbios. As reações bioquímicas, que ocorrem na decomposição anaeróbia de esgoto, podem ser expressas pelas equações 3.6, 3.7, 3.8 e 3.9 (GLOYNA, 1971).
(3.6) (3.7) (3.8) (3.9)
Segundo Davis (2010), na decomposição anaeróbia, o oxigênio e o nitrato não devem estar presentes como receptores de elétrons. A decomposição anaeróbia (fermentação) da matéria orgânica é geralmente considerada como sendo um processo de três passos. No primeiro passo, os componentes de resíduos são hidrolisados. No segundo passo, os compostos orgânicos complexos são fermentados a ácidos voláteis, enquanto no terceiro passo, os ácidos orgânicos são convertidos em metano. A decomposição anaeróbica produz dióxido de carbono, metano, e água, como os produtos finais principais, incluindo amônia, sulfeto de hidrogênio, e mercaptanos. Como apenas pequenas quantidades de energia são liberadas durante a oxidação anaeróbia, a quantidade de produção de células é baixa, assim como a produção de lodo.
De acordo com Horan (1990), as reações que ocorrem no processo de tratamento de esgotos podem ser consideradas como uma mudança na concentração de uma substância ou organismo. Essas mudanças resultam de processos físicos, químicos e biológicos, e podem ser modeladas usando uma teoria simples de taxa de reação.
Segundo Von Sperling (1996), grande parte das reações que ocorrem no tratamento de esgotos são lentas e, frequentemente de ordem zero e de primeira ordem, ou seja, independente e diretamente proporcional à concentração do reagente, respectivamente. Há vários exemplos de reações que ocorrem segundo a cinética de primeira ordem: a introdução de oxigênio pela aeração artificial, a remoção da matéria orgânica, o decaimento de organismos patogênicos e a estabilização biológica da matéria orgânica.
O comportamento hidráulico de um reator do tipo de uma lagoa é denominado escoamento disperso ou não ideal de fluxo contínuo, sendo descrito como uma combinação das duas condições ideais possíveis: mistura completa e escoamento em pistão ou tubular. Em lagoas de mistura completa (Figura 3.2), as características do líquido contido na mesma são iguais em qualquer ponto (KELLNER e PIRES, 1998).
Figura 3.2: Esquema de reator de mistura completa. Fonte: Adaptado de Kellner e Pires (1998).
As condições hidráulicas e biológicas do processo de depuração das lagoas podem ser afetadas por fatores muitas vezes controláveis ou adaptáveis ao projeto, mas outros incontroláveis que devem ser considerados no projeto. A Tabela 3.4 mostra os fatores interferentes incontroláveis e controláveis nas lagoas (JORDÃO e PESSOA, 1975).
Numa estação de tratamento de esgotos, as características do afluente raramente permanecem constantes. A própria variação de vazão e concentração ao longo do dia é responsável pelo fato de que, na realidade o sistema opera sempre no estado dinâmico. Além disto, vários outros fatores podem contribuir para uma maior variabilidade, tais como vazão pluvial e descargas industriais. Uma estação de tratamento de esgotos deve estar apta a receber as sobrecargas que ocorrem rotineira ou frequentemente e boa parte das de ocorrência imprevista (VON SPERLING, 1996).
