FORTALEZA 2014
UNIVERSIDADE FEDERAL DO CEARÁ CENTRO DE TECNOLOGIA
DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA HIDRÁULICA E AMBIENTAL
PÓS-GRADUAÇÃO EM ENGENHARIA CIVIL – SANEAMENTO AMBIENTAL
SISTEMAS DE ESCOAMENTO SUPERFICIAL COMO
ALTERNATIVA DE PÓS-TRATAMENTO DE ESGOTOS
TENDO A PALMA FORRAGEIRA (
Opuntia fícus indica L.Mill
)
COMO VEGETAÇÃO SUPORTE
PEDRO ALVES DA SILVA FILHO
SISTEMAS DE ESCOAMENTO SUPERFICIAL COMO
ALTERNATIVA DE PÓS-TRATAMENTO DE ESGOTOS
TENDO A PALMA FORRAGEIRA (
Opuntia fícus indica L.Mill
)
COMO VEGETAÇÃO SUPORTE .
Tese apresentada ao Programa de Pós-Graduação em Engenharia Civil, da Universidade Federal do Ceará, como requisito parcial à obtenção do Grau de Doutor em Engenharia Civil.
Área de Concentração: Saneamento Ambiental
Orientador: Prof. Dr. Ronaldo Stefanutti
Dados Internacionais de Catalogação na Publicação Universidade Federal do Ceará
Biblioteca de Pós-Graduação em Engenharia - BPGE
S58s Silva Filho, Pedro Alves da.
Sistemas de escoamento superficial como alternativa de pós-tratamento de esgotos tendo a palma forrageira (Opuntia fícus indica L. Mill) como vegetação suporte / Pedro Alves da Silva Filho. – 2014.
200 f. : il. color., enc. ; 30 cm.
Tese (doutorado) – Universidade Federal do Ceará, Centro de Tecnologia, Departamento de Engenharia Hidráulica e Ambiental, Programa de Pós-Graduação em Engenharia Civil, Fortaleza, 2014.
Área de Concentração: Saneamento Ambiental. Orientação: Prof. Dr. Ronaldo Stefanutti.
1. Saneamento. 2. Escoamento superficial. 3. Nutrientes - Absorção. 4. Matéria orgânica. I. Título.
PEDRO ALVES DA SILVA FILHO
SISTEMAS DE ESCOAMENTO SUPERFICIAL COMO
ALTERNATIVA DE PÓS-TRATAMENTO DE ESGOTOS
TENDO A PALMA FORRAGEIRA (
Opuntia fícus indica L.Mill
)
COMO VEGETAÇÃO SUPORTE .
Tese apresentada ao Programa de Pós-Graduação em Engenharia Civil, da Universidade Federal do Ceará, como requisito parcial à obtenção do Grau de Doutor em Engenharia Civil.
Área de Concentração: Saneamento Ambiental
Aprovada em
_____/_____/______.
BANCA EXAMINADORA
_________________________________________
Prof. Dr. Ronaldo Stefanuti (Orientador)
Universidade Federal do Ceará
–
UFC
_________________________________________
Prof. Dr. Francisco Suetonio Bastos Mota
Universidade Federal do Ceará
–
UFC
________________________________________
Dr. Silvano Porto Pereira
Companhia de Água e Esgoto do Ceará - CAGECE
_________________________________________
Profa. Dra. Ana Bárbara de Araújo Nunes
Universidade Federal do Ceará - UFC
________________________________________
AGRADECIMENTOS
À Universidade Federal do Ceará, pela oportunidade.
Ao meu Orientador, Prof. Dr. Ronaldo Stefanutti, pela atenção e empenho no processo de construção deste trabalho, bem como pela liberdade na construção desta pesquisa. À Companhia de Água e Esgoto do Rio Grande do Norte(CAERN) - em especial à Bióloga Fátima Bezerra Barbosa de Medeiros -, pelo apoio indispensável nas realizações das análises laboratoriais, juntamente com as colegas Liana Cristina da Silva Pinheiro, Margarida Maria Mendes, Elza Bezerra Pinheiro de Freitas e todo o pessoal do Laboratório, pela contribuição significativa nessa etapa da pesquisa. Também merecem créditos de muitos agradecimentos os Engenheiros Marco Antônio Calazans Duarte e Paula Ângela Melo Liberato, que viabilizaram o acesso e o apoio logístico nessa Instituição e depositaram confiança no desenvolvimento da pesquisa.
Ao amigo Prof. Dr. Sérgio Luiz Lopes, pelo companheirismo, pelas análises críticas de cunho socioambiental indispensáveis no decorrer de toda a pesquisa.
Aos amigos do Doutorado/Mestrado na UFC Fernando Pedro, Cláudia Germana, Ivan José, Rodrigo Codes, Gilmar Nascimentos, Francisca Lívia e todos que fazem parte do Programa de Pós-Graduação em Engenharia Civil da UFC, pelas parcerias nos bons e mais difíceis momentos do Curso.
Aos Professores Suetonio Mota, André Bezerra, Marisete Dantas, Raimundo Oliveira, Ronaldo Nascimento e outros, pelo apoio na construção do referencial teórico das aulas do Programa.
À Profa. Ofélia Carneiro da UFRR, pela oportunidade e compreensão para a conclusão desta pesquisa. À Prefeitura de Santa Maria/RN, na pessoa do senhor Nilson Urbano, pela cessão do local e credibilidade da pesquisa.
À Profa. Maria José Nascimento Soares da UFS, que, por acreditar desde o início na realização desta pesquisa, sempre a apoiou.
Aos amigos de Roraima/Rio Grande do Norte, pela força.
SILVA FILHO, P.A. Sistemas de escoamento superficial como alternativa de pós-tratamento de esgotos tendo a palma forrageira (Opuntia fícus indica L.Mill) como vegetação suporte. (Tese – Doutorado em Engenharia Civil – Saneamento ambiental) da Universidade Federal do Ceará. Fortaleza/CE, UFC, 2014. 200p.
RESUMO
A pesquisa teve como objetivo avaliar o desempenho de ETEs do tipo fossas sépticas-filtros anaeróbios localizados no Estado do Rio Grande do Norte, tendo como estudo de pós-tratamentos a técnica de escoamento superficial com vistas à remoção de nutrientes (N e P) e patógenos, buscando-se adequar as características físico-químicas e microbiológicas aos padrões exigidos para o reuso e atender a legislações para lançamento em corpo receptor hídrico. Tais estudos foram avaliados nas escalas temporal/sazonal, tendo a palma forrageira (Opuntia fícus-indica (L.) Mill) como espécie vegetal cultivada nas rampas de escoamento superficial. Para este trabalho, foi utilizada a referida espécie de palma, por ser esta de fácil adaptação às fortes estiagens e ser nativa no Nordeste Brasileiro, e também pelo ineditismo no cultivo dessa vegetação com o uso de esgotos domésticos. A pesquisa foi realizada na ETE Santa Maria, localizada no município de Santa Maria, Rio Grande do Norte. Foram construídas três rampas de escoamento superficial com inclinações diferentes, 2%, 4% e 8% com 30 metros de comprimento e 10 metros adicionais na rampa de 8% de inclinação. O líquido aplicado nas rampas era esgoto sanitário in natura, com tratamento primário e com tratamento secundário, proveniente de fossas sépticas e filtros anaeróbios. As taxas de aplicação de esgoto testadas foram 0,20m³/h.m, 0,30m³/h.m e 0,4m³/h.m. Avaliou-se a capacidade do sistema em remover nutrientes, nitrogênio e fósforo, bem como matéria orgânica. Com a realização de análises quantitativas, foi possível determinar qual inclinação permitia maior remoção e em qual vazão de operação. Das três etapas, a taxa de 0,40m³/h.m e inclinação de 8% foi a que apresentou melhores eficiências, sendo 93,55% e concentração de 25,67mg/L para DBO; 56,10% e concentração de 17,65mg/L para N-Total; 25,94% e concentração de 5,98mg/L para P-total; 4 logs e concentração de 1,89x103NMP/100mL de coliformes termotolerantes e 22,20% e concentração final de 534,29µS/cm de condutividade elétrica. O esgoto afluente à ETE para os parâmetros de DBO, N-Total, P-total, Coliformes Termotolerantes e Condutividade elétrica para a 3ª etapa foram 398,12mg/L; 40,22mg/L; 8,08mg/L; 2,81x107NMP/100mL e 686,75µS/cm, respectivamente. A fossa séptica e o filtro anaeróbio, bem como o sistema de pós-tratamento, apresentaram valores de DBO dentro da faixa citada pela literatura, a saber: 34,68% e concentração final de 260,02mg/L; 78,61% e concentração final de 85,14mg/L e 93,55% e concentração final de 25,67mg/L para a 1ª, 2ª e 3ª etapas, respectivamente. A melhor taxa de aplicação foi a de 0,40m³/h.m e declividade de 8%. Em todos os aspectos analisados, o sistema melhorou a qualidade final do efluente, mostrando-se como alternativa, com técnica simples e barata compatível com a realidade econômica do nordeste brasileiro. Embora as taxas de 0,20m³/h.m e 0,30m³/h.m tenham apresentado uma eficiência um pouco abaixo da 0,40m³/h.m, estas não podiam ser descartadas, uma vez que os valores encontrados encontravam-se parcialmente dentro das faixas citadas pela literatura. Quanto aos parâmetros de morfometria, a palma forrageira teve crescimento dentro dos limites encontrados pela literatura técnica, para o comprimento, número de cladódios, largura, espessura, IAC e altura do cladódio, sendo as taxas de aplicação de efluentes de 0,40m³/h.m e declividade de 2% as que mostraram melhores resultados.
SILVA FILHO, P.A. Systems runoff as an alternative post-treatment of sewages with spineless cactus (Opuntia ficus indica L.Mill) to support vegetation. (Thesis - Doctor in Civil Engineering - Environmental Sanitation) of the Federal University of Ceará. Fortaleza / CE, UFC, 2014. 200p.
ABSTRACT
The research aimed to evaluate the performance of sewage treatment plants septic-type anaerobic filters located in the state of Rio Grande do Norte and its study of post-treatment technique runoff aimed at removing nutrients (N and P) and pathogens, tailoring the physico-chemical and microbiological standards required for the reuse and considering legislation to launch in the receptor fluid, evaluating such studies in the temporal / spatial having spineless cactus (Opuntia ficus-indica (L.) Mill) as plant species grown on the slopes of runoff. For this work we used the cactus pear (Opuntia ficus indica L.Mill) because it has great adaptation to drought and strong native to northeastern Brazil, as well as the uniqueness in the cultivation of aquatic vegetation using domestic sewage. The survey was conducted in Santa Maria, located in Wastewater Treatment Plant of in Santa Maria, Rio Grande do Norte. Ramps were built three runoff with different slopes, 2%, 4% and 8% with 30 meters long and 10 meters further on ramp 8% incline. The liquid was applied to the ramps sewage in nature, with primary treatment and secondary treatment, from septic tanks and anaerobic filters. Application rates of sewage tested were 0.20 m³ / hm, 0.30 m³ / hm and 0.4 m³ / hm. We evaluated the ability of the system to remove nutrients, nitrogen and phosphorus as well as organic matter. With the realization of quantitative analysis was possible to determine which slope allowed greater removal and which operating flow. Of the three steps, the rate of 0.40 m³ / hm and inclination of 8% showed the best efficiency, being 93.55% and the concentration of 25.67 mg / L for BOD, 56.10% and concentration of 17.65 mg / L for N-total, 25.94% and the concentration of 5.98 mg / L for P -N-total, 4 logs and 1.89 x103 NMP/100mL concentration of coliforms and 22.20% to 534.29 final concentration µS / cm electrical conductivity. The influent wastewater to the WTP parameters of BOD, N-total, P-total coliforms Thermotolerant and Electrical Conductivity for the 3rd stage were 398.12 mg / L, 40.22 mg / L, 8.08 mg / L; 2.81 x107NMP / 100mL and 686.75 mS / cm respectively. A septic tank and anaerobic filter, and the post-treatment system had values within the range mentioned in the literature were 34.68% and the final concentration of 260.02 mg / L, 78.61% and the final concentration of 85.14 mg / L to 93.55% and the final concentration of 25.67 mg / L respectively, for the best rate of application was 0.40 m³ / um and a gradient of 8%. In all aspects examined, the system has improved the quality of the final effluent, showing up as an alternative, with simple, inexpensive technique compatible with the economic reality of the Brazilian Northeast, although the rate of 0.20 m³ / hm and 0.30 m³ / hm showed a slightly lower efficiency of 0.40 m³ / um, they can not be discarded, since the values found are partially within the ranges quoted in the literature.
LISTA DE FIGURA
Figura 01 - Fases de funcionamento de um tanque séptico ... 24
Figura 02 - Tanque Séptico de câmara única ... 24
Figura 03 - Tanque Séptico de câmara em série ... 25
Figura 04 - Tanque Séptico de câmara sobreposta ... 26
Figura 05 - Filtro anaeróbio de fluxo ascendentes e materiais de enchimentos usados ... 30
Figura 06 - Método de infiltração lenta com irrigação por gotejamento ... 36
Figura 07 - Método de infiltração rápida ... 36
Figura 08 - Método de escoamento superficial ... 37
Figura 09 - Métodos de infiltração subsuperficial ... 38
Figura 10 - Corpo do estudo do modelo de tratamento de esgoto pelo método do escoamento superficial ... 54
Figura 11 - Fisiologia e morfologia da palma forrageira... 64
Figura 12 - Localização do Município onde ocorreu a Pesquisa – Santa Maria/RN ... 77
Figura 13 - Planta baixa dos sistemas de tratamento de esgoto – ETE Santa Maria ... 80
Figura 14 - Perspectiva dos sistemas de tratamento de esgoto – ETE Santa Maria ... 80
Figura 15 - Corte esquemático da fossa séptica – ETE Santa Maria ... 81
Figura 16 - Corte esquemático do filtro anaeróbio de fluxo ascendente – ETE Santa Maria .. 81
Figura 17 - Etapas de construção do locus da pesquisa, rampa de escoamento superficial ... 84
Figura 18 - ETE Santa Maria e as rampas de escoamento superficial definitivas... 85
Figura 19 - ETE Santa Maria e as rampas de escoamento superficial, cultivo das plantas ... 86
Figura 20 - Arranjo das rampas ... 90
Figura 21 - Plantio da palma forrageira ... 93
Figura 22 - Avaliação morfométrica da palma forrageira e amostragem de tecidos de cladódios e colheita ... 96
Figura 23 - Curvas de ajuste do modelo de dimensionamento - Taxa 0,2m³/m.h ... 102
Figura 24 - Curvas de ajuste do Modelo de Dimensionamento - Taxa 0,3m³/m.h... 104
Figura 25 - Curvas de ajuste do Modelo de Dimensionamento - Taxa 0,4m³/h.m... 106
Figura 26 - Variação da vazão afluente ao longo do monitoramento ... 117
Figura 27 - Comportamento da Temperatura ao longo da pesquisa – 1ª ETAPA ... 120
Figura 28 - Comportamento da Temperatura ao longo da Pesquisa – 2ª ETAPA... 120
Figura 29 - Comportamento da Temperatura ao longo da Pesquisa – 3ª ETAPA... 121
Figura 30 - Comportamento do pH ao longo da Pesquisa – 1ª ETAPA ... 123
Figura 31 - Comportamento do pH ao longo da Pesquisa – 2ª ETAPA ... 123
Figura 32 - Comportamento do pH ao longo da Pesquisa – 3ª ETAPA ... 124
Figura 33 - Comportamento da DBO ao longo da Pesquisa – 1ª ETAPA ... 126
Figura 34 - Comportamento da DQO ao longo da Pesquisa – 1ª ETAPA ... 126
Figura 35 - Evolução da eficiência na remoção de DBO e DQO na 1ª ETAPA ... 128
Figura 36 - Comportamento da DBO ao longo da Pesquisa – 2ª ETAPA ... 129
Figura 37 - Comportamento da DQO ao longo da Pesquisa – 2ª ETAPA. ... 129
Figura 38 - Evolução da eficiência na remoção de DBO e DQO na 2ª ETAPA ... 131
Figura 39 - Comportamento da DBO ao longo da Pesquisa – 3ª ETAPA ... 132
Figura 40 - Comportamento da DQO ao longo da Pesquisa – 3ª ETAPA ... 133
Figura 41 - Evolução da eficiência na remoção de DBO e DQO na 3ª ETAPA ... 134
Figura 42 - Comportamento de Coliformes Termotolerantes – 1ª ETAPA ... 136
Figura 43 - Comportamento de Coliformes Termotolerantes – 2ª ETAPA ... 136
Figura 44 - Comportamento de Coliformes Termotolerantes – 3ª ETAPA ... 137
Figura 45 - Evolução da eficiência na remoção de CT - 1ª ETAPA ... 139
Figura 47 - Evolução da eficiência na remoção de CT - 3ª ETAPA ... 141
Figura 48 - Comportamento do NT ao longo da Pesquisa – 1ª ETAPA ... 143
Figura 49 - Comportamento do NT ao longo da Pesquisa – 2ª ETAPA ... 144
Figura 50 - Comportamento do NT ao longo da Pesquisa – 3ª ETAPA ... 144
Figura 51 - Evolução da eficiência na remoção de NT na 1,ª 2ª e 3ª ETAPA ... 146
Figura 52 - Comportamento do PT (Fósforo Total) ao longo da Pesquisa – 1ª ETAPA ... 148
Figura 53 - Comportamento do PT (Fósforo Total) ao longo da Pesquisa – 2ª ETAPA ... 149
Figura 54 - Comportamento do PT (Fósforo Total) ao longo da Pesquisa – 3ª ETAPA ... 149
Figura 55 - Evolução da eficiência na remoção de PT (Fósforo Total) - 1,ª 2ª e 3ª ETAPA . 150 Figura 56 - Comportamento da CE ao longo da Pesquisa – 1ª ETAPA ... 152
Figura 57 - Comportamento da CE ao longo da Pesquisa – 2ª ETAPA ... 153
Figura 58 - Comportamento da CE ao longo da Pesquisa – 3ª ETAPA ... 153
Figura 59 - Evolução da eficiência e concentrações de CE - 1ª ETAPA ... 154
Figura 60 - Evolução da eficiência e concentrações de CE - 2ª ETAPA ... 155
Figura 61 - Evolução da eficiência e concentrações de CE - 3ª ETAPA ... 156
Figura 62 – Média do número de cladódios por planta de palma forrageira, aos 105 DAP e 210 DAP, cultivada sob o único espaçamento (1,00 x 1,00)m e nas diferentes taxas de aplicação. ... 160
Figura 63 – Comprimento médio dos cladódios por planta de palma forrageira, aos 105 DAP e 210 DAP, cultivada sob o único espaçamento (1,00 x 1,00)m e nas diferentes taxas de aplicação ... 163
Figura 64 – Espessura média dos cladódios por planta de palma forrageira, aos 105 DAP e 210 DAP, cultivada sob o único espaçamento (1,00 x 1,00)m e nas diferentes taxas de aplicação de efluentes ... 167
LISTA DE TABELAS
Tabela 01 - Características médias do esgoto afluente à ETE Santa Maria- Santa Maria/RN –
Outubro/2010. ... 78
Tabela 02 - Médias pluviométricas mensais na última década – Santa Maria/RN ... 79
Tabela 03 - Características físicas da ETE Santa Maria – Santa Maria/RN... 82
Tabela 04 - Cronograma de desenvolvimento da pesquisa na ETE Santa Maria ... 84
Tabela 05 - Atributos químicos e físicos do solo para o cultivo de palma forrageira ... 88
Tabela 06 - Cronograma de limpeza e aplicação de herbicidas nas rampas ... 92
Tabela 07 - Parâmetros físico-químicos e bacteriológicos, métodos usados e referências ... 98
Tabela 08 - Taxa de aplicação hidráulica mínima adotada. ... 100
Tabela 09 - Valores do coeficiente de ajuste para vazão 0,2m³/m.h ... 102
Tabela10-Valores teóricos calculados pela equação de dimensionamento - Taxa 0,2m³/m.h102 Tabela 11 - Valores do coeficiente de ajuste para vazão 0,3m³/h.m ... 104
Tabela 12 - Valores teóricos calculados pela equação de dimensionamento - Taxa 0,3m³/h.m. ... 104
Tabela 13 - Valores do coeficiente de ajuste para vazão 0,4m³/m.h ... 106
Tabela 14 - Valores teóricos calculados pela equação de dimensionamento - Taxa 0,4m³/h.m. ... .106
Tabela 15 - Caracterização média dos efluentes da ETE e o seu comportamento nas rampas de pós-tratamento na 1ª ETAPA com taxa de aplicação 0,20m³/h.m ... 108
Tabela 16 - Caracterização média dos efluentes da ETE e o seu comportamento nas rampas de pós-tratamento na 2ª ETAPA com taxa de aplicação 0,30m³/h.m ... 111
Tabela 17 - Caracterização média dos efluentes da ETE e o seu comportamento nas rampas de pós-tratamento na 3ª ETAPA com taxa de aplicação 0,40m³/h.m ... 114
Tabela 18 - Comparação entre concentrações afluentes s na ETE Santa Maria/RN. ... 119
Tabela 19 – Número de cladódios por planta de palma forrageira, aos 105 e 210 dias após o plantio, em função das diferentes taxas de aplicação nas três Etapas estudadas ... 158
Tabela 20 – Valores médios de comprimento (cm) dos cladódios durante o período experimental, aos 105 e 210 dias após o plantio, em função das diferentes taxas de aplicação nas três Etapas estudadas. ... 161
Tabela 21 – Valores médios de largura (cm) dos cladódios durante o período experimental, aos 105 e 210 dias após o plantio, em função das diferentes taxas de aplicação nas três Etapas estudadas ... 164
Tabela 22 – Valores médios de espessura (mm) dos cladódios durante o período experimental, aos 105 e 210 dias após o plantio, em função das diferentes taxas de aplicação nas três Etapas estudadas ... 166
Tabela 23 – Valores médios de área (cm²) dos cladódios durante o período experimental, aos 105 e 210 dias após o plantio, em função das diferentes taxas de aplicação nas três Etapas estudadas ... 168
Tabela 24 – Valores médios de IAC (Índice de Área dos Cladódios) durante o período experimental, aos 105 e 210 dias após o plantio, em função das diferentes taxas de aplicação nas três Etapas estudadas ... 170
Tabela 25 – Valores médios de altura da planta (cm) palma forrageira tipo Opuntia ficus durante o período experimental, aos 105 e 210 dias após o plantio, em função das diferentes taxas de aplicação nas três Etapas estudadas ... 172
LISTA DE QUADROS
Quadro 01 - Características dos filtros anaeróbios de diferentes sentidos de fluxos ... 32
Quadro 02 - Características gerais dos sistemas de tratamento de esgoto por disposição no solo... 34
Quadro 03 - Tempo de sobrevivência de microrganismos patogênicos no solo, na água e nos vegetais ... 41
Quadro 04 - Critérios para utilização de águas residuárias, segundo a EPA (1981) ... 42
Quadro 05 – Diretrizes da OMS para o uso agrícola de esgotos sanitários (2006). ... 43
Quadro 06 - Parâmetros relacionados à técnica de Escoamento Superficial ... 44
Quadro 07 - Eficiências de sistemas de Escoamento Superficial, em diferentes condições de implantação e operação. ... 50
Quadro 08 - Parâmetros de projetos para tratamento de esgoto por Escoamento Superficial com períodos de aplicação de 8 a 12 horas/dia e frequência de 5 a 7 dias/semana ... 58
LISTA DE ABREVIATURAS
CT/CF
-
Coliformes Termotolerantes/Fecal CE-
Condutividade ElétricaDAP
-
Dias Após o PlantioDBO
-
Demanda Bioquímica de Oxigênio DQO-
Demanda Química de Oxigênio EB-
Esgoto BrutoEFS
-
Efluente Fossa Séptica EFA-
Efluente Filtro Anaeróbio EF-
Efluente finalEPI
-
Equipamento de Proteção Individual hab-
HabitantesIAC
-
Índice de Área do CladódioMPC
-
Valores Médios de Peso dos Cladódios NA-
Nível de águaNMP
-
Número Mais Provável NT-
Nitrogênio Total OD-
Oxigênio Dissolvido OH--
HidroxilapH
-
Potencial Hidrogeniônico PMS-
Produção de Matéria Seca PMV-
Produção de Matéria Verde PT-
Fósforo TotalQafluente
-
Vazão AfluenteQte
-
QuantidadeT
-
TemperaturaTS
-
Tanque SépticoV
-
VolumeUFC
-
Unidade Formadora de ColôniaLISTA DE SIGLAS APHA - American Public Health Association ABNT - Associação Brasileira de Normas Técnicas
CAERN - Companhia de Águas e Esgotos do Rio Grande do Norte CETESB - Companhia de Tecnologia de Saneamento Ambiental CPATSA - Centro de Pesquisa Agropecuária do Trópico Semiárido
DEHA - Departamento de Engenharia Hidráulica e Saneamento Ambiental ETE - Estação de Tratamento de Esgoto
EXTRABES - Estação Experimental de Tratamentos Biológicos de Esgotos Sanitários EMBRAPA - Empresa Brasileira de Pesquisa Agropecuária
EMPARN - Empresa de Pesquisa Agropecuária do RN IPA - Instituto Agronômico de Pernambuco FEAM - Fundação Estadual do Meio Ambiente
SNSA - Secretaria Nacional de Saneamento Ambiental CONAMA - Conselho Nacional do Meio Ambiente
RN - Rio Grande do Norte
IBGE - Instituto Brasileiro de Geografia e Estatística
IDEMA - Instituto de Desenvolvimento Econômico e Meio Ambiente DBO5 - Demanda Bioquímica de Oxigênio em cinco dias a 20°C
DQO - Demanda Química de Oxigênio PERH - Plano Estadual de Recursos Hídricos PCOD - Planilha de Controle Operacional Diário SAAE - Sistema Autônomo de Água e Esgoto TDH - Tempo de Detenção Hidráulica OMS - Organização Mundial de Saúde
OPS - Organização Pan-Americana de Saúde UFC - Universidade Federal do Ceará
SUMÁRIO
1.0 - INTRODUÇÃO ... 17
2.0 – OBJETIVOS ... 21
2.1 - OBJETIVO GERAL: ... 21
2.2 – OBJETIVOS ESPECÍFICOS: ... 21
3.0 – REVISÃO DE LITERATURA ... 22
3.1 - ALTERNATIVAS DE TRATAMENTO DE ESGOTO PARA PEQUENAS E MÉDIAS LOCALIDADES ... 22
3.1.1 - Tanque Séptico ... 22
3.1.2 – Filtros Anaeróbios ... 27
3.2 – ALTERNATIVAS DE PÓS-TRATAMENTO POR DISPOSIÇÃO CONTROLADA NO SOLO ... 32
3.2.1 – Indicadores ambientais e microbiologia do Escoamento Superficial ... 38
3.2.2 – Parâmetros de projetos para tratamento de esgoto por Escoamento Superficial 44 3.2.3 - Parâmetros de monitoramento de eficiência do sistema com a técnica de Escoamento Superficial ... 51
3.2.4 - Modelo matemático de dimensionamento de ETE – disposição de esgoto no solo 54 3.3 – CARACTERIZAÇÃO DA ESPÉCIE VEGETAL CULTIVADA NAS FAIXAS DE TRATAMENTO – A PALMA FORRAGEIRA (OPUNTIA FÍCUS-INDICA (L.) MILL) ... 60
3.3.1 – Aspectos da cultura da palma forrageira - origem ... 61
3.3.2- Características botânicas e morfológicas da palma forrageira ... 62
3.3.3 - Exigências edafoclimáticas da palma forrageira ... 64
3.3.4- Importância da palma forrageira para o Semiárido Brasileiro ... 67
3.3.5 - Importância do sistema radicular e a influência do fósforo no seu desenvolvimento ... 69
3.3.6 - Influência do espaçamento na cultura da palma forrageira ... 73
4.0 – MATERIAL E MÉTODOS ... 77
4.1 - CARACTERIZAÇÃO DA ÁREA DE ESTUDO ... 77
4.2 – DELINEAMENTO DA PESQUISA ... 83
4.2.1 – 1ª ETAPA: Esgoto Bruto + Escoamento Superficial ... 84
4.2.2 – 2ª ETAPA: Tratamento Primário (Fossas Sépticas) + Escoamento Superficial ... 89
4.2.3 – 3ª ETAPA: Tratamento Secundário (Fossas Sépticas + Filtros Anaeróbios Ascendentes) + Escoamento Superficial ... 89
4.3 – DELINEAMENTO EXPERIMENTAL/OPERAÇÕES REALIZADAS E TRATAMENTOS ... 89
4.3.1 – Preparo do Solo e Rampas ... 89
4.3.1.1 - Curva de avanço ... 90
4.3.2 – Plantio de vegetação nas rampas ... 91
4.3.3 – Aplicação do efluente e frequência de aplicação... 96
4.3.4 – Pontos de coleta ... 97
4.3.5 – Parâmetros de controle avaliados ... 98
4.3.6 - Análise dos Dados e Tratamento Estatístico ... 98
5.0 – RESULTADOS E DISCUSSÕES ... 100
5.1 – TAXA DE APLICAÇÃO MÍNIMA POR MEIO DAS CURVAS DE AVANÇO ... 100
5.2 - MODELO DE DIMENSIONAMENTO, USANDO PADRÕES DE MODELAGEM DE SMITH; SCHROEDER (1985) E VALORES DA USEPA (1981). ... 101
5.2.2 – Modelo de dimensionamento racional, proposto por Smith e Schroeder: esgoto
pré-tratado (oriundo do conjunto fossaséptica) ... 103
5.2.3 – Modelo de dimensionamento racional, proposto por Smith e Schroeder: esgoto oriundo de tratamento secundário (oriundo do conjunto “fossa séptica” + filtro anaeróbio) ... 105
5.3 – CARACTERIZAÇÃO E ANÁLISES DOS RESULTADOS DOS EFLUENTES TRATADOS E LANÇADOS NO SISTEMA DE PÓS-TRATAMENTOS ... 107
5.3.1 – Temperatura ... 119
5.3.2 - pH ... 122
5.3.3 – DBO e DQO ... 125
5.3.4 – Coliformes Termotolerantes (CT) ... 135
5.3.5 – Nitrogênio Total ... 142
5.3.6 – Fósforo Total ... 147
5.3.7 – Condutividade Elétrica ... 151
5.4 – PARÂMETROS MORFOMÉTRICOS DA PALMA FORRAGEIRA... 157
5.4.1 - Número de cladódios por planta ... 157
5.4.2 - Comprimento do cladódio ... 161
5.4.3. Largura do cladódio ... 164
5.4.4. Espessura do cladódio ... 165
5.4.5. Área do cladódio ... 168
5.4.6. Índice de área do cladódio ... 169
5.4.7. Altura da planta ... 172
5.4.8. Produção de massa verde e massa seca ... 175
6.0 – CONCLUSÕES ... 179
7.0 – RECOMENDAÇÕES ... 182
1.0 - INTRODUÇÃO
Historicamente, os modelos de desenvolvimento adotados no Brasil resultaram em impactos sociais, econômicos e ambientais, provocando excessiva concentração de riqueza e renda, com exclusão social latente e aumento das desigualdades regionais. A inadequação desses modelos tem gerado um verdadeiro descompasso entre a demanda e a oferta dos serviços. As mudanças nos padrões de consumo resultaram em uma maior necessidade por recursos naturais, bem como em uma maior produção de resíduos sólidos e líquidos e em uma alteração nas características físico-químicas decorrente dos avanços tecnológicos, com um consequente aumento potencial de poluição e contaminação dos corpos hídricos, do ar e do solo, exigindo, assim, tecnologias novas de tratamento.
Hoje, como agente capaz de reduzir esses impactos, o saneamento básico ainda é considerado o marco principal nas políticas públicas de um país e o mais essencial de todos os serviços públicos, sob qualquer ângulo que se queira analisar. É através do saneamento que se verificam diversas mudanças no índice de qualidade de vida de uma população. Como exemplo disto, pode-se citar o nosso País, que, devido a um incipiente crescimento nas ações preventivas, ainda é afetado por dores sociais na área da saúde pública. A ineficácia no fornecimento e no tratamento de água potável tem desencadeado várias doenças, sendo a população de baixo nível socioeconômico a mais atingida. Atualmente, têm-se números alarmantes de contaminação por geohelmintoses, a qual poderia ser sanada com políticas preventivas de saúde pública. Essa precariedade no serviço de saneamento encontra-se mais acentuada nas regiões mais pobres do Brasil: a Norte e a Nordeste.
contrapartida, as regiões mais pobres são beneficiadas através de recursos não onerosos, ou seja, o financiamento de recursos que não exige retorno.
Embora o tratamento de efluentes doméstico e industrial no Brasil seja previsto pela Resolução CONAMA n° 430/11, que estabelece o enquadramento dos corpos d’água em classes e os padrões de enquadramento que veio complementar e alterar a antiga Resolução CONAMA nº 357/2005, e embora tenha-se em vigência a Lei nº 9433/97, que trata da POLÍTICA NACIONAL DOS RECURSOS HÍDRICOS, ainda são diminutas as ações de saneamento básico no País. Apenas uma pequena porcentagem do esgoto coletado é tratada, sendo que muitas regiões ainda não dispõem de coleta de esgoto nem de abastecimento de água. Segundo o IBGE (2010), dos 5.507 municípios existentes no ano da pesquisa, somente 52% e 33,5% dos domicílios brasileiros são atendidos por rede geral de esgoto. Do volume de esgoto urbano coletado, apenas 35,5% são submetidos a tratamento para remoção de poluentes e 84,6% do esgoto não tratado são despejados nos rios. Onde não há coleta de esgoto, 48% dos dejetos vão para fossa séptica e 42%, para valas abertas.
Na Região Nordeste, a proporção de municípios com serviço de esgotamento sanitário é de 42,9%, sendo 14,7% a proporção dos domicílios atendidos por rede geral de esgoto. Do volume de esgoto urbano coletado, apenas 13,3% são submetidos a tratamento para remoção de poluentes e 65,8% do esgoto não tratado são despejados nos rios. Onde não há coleta de esgoto, 47,9% dos dejetos vão para fossa séptica e 40,21%, para fossas secas (IBGE, 2010).
A importância do saneamento e sua associação à saúde humana remontam às mais antigas culturas, desenvolvendo-se de maneira distinta entre as diversas civilizações. Os sistemas de tratamento de esgotos por processos biológicos têm se mostrado nas últimas décadas como predominantes no norte e nordeste do Brasil. Esses sistemas têm mostrado elevadas eficiências na remoção de matéria orgânica e microrganismos patogênicos, todavia, como a prática de reúso, em muitos estados brasileiros, principalmente do Norte-Nordeste, não se consolidou definitivamente, seja pela ausência de informações à sociedade, seja até mesmo pela ausência de legislações específicas que regulamentem essa prática, a consequência verificada é o frequente lançamento de esgotos nos corpos receptores hídricos com carga orgânica e concentrações de microrganismos patogênicos ainda remanescentes, somados a uma elevada concentração de nutrientes presentes nesses esgotos.
eficiência de remoção de poluentes orgânicos e patógenos, como também devido ao aproveitamento dessas técnicas de tratamento para a prática de reúso. Todavia, sabe-se que o lançamento de esgotos com carga excessiva de nutrientes em corpo aquático, principalmente N e P, promove condições suscetíveis a intensa proliferação de cianobactérias e consequente produção de toxinas, originando o que denominamos de “eutrofização”, como também a uma carga de patógenos, que, embora diminuta, ainda é remanescente. Este fato aponta para a necessidade de uma reavaliação do uso com critérios de tecnologia de pós-tratamento de esgotos, principalmente quando o corpo receptor do efluente tratado for utilizado como manancial de abastecimento e /ou de lançamento final.
A aplicação do esgoto doméstico sobre a superfície do solo como processo de tratamento possibilita a remoção dos poluentes por meio de mecanismos de ordens física (sedimentação, filtração, radiação, volatilização e desidratação), química (oxidação e reações químicas, precipitação, adsorção e troca iônica) e biológica (absorção, biodegradação e predação). Além do efeito depurador do esgoto, essa prática proporciona o suprimento de água para as culturas e a adição de matéria orgânica no solo.
A discussão sobre essas técnicas de pós-tratamento de efluentes tem ressaltado o tratamento de efluentes por meio de várias alternativas de tratamento de esgoto a baixo custo para pequenas e médias localidades. Dentre essas técnicas de pós-tratamento, podem-se citar lagoas de polimento, wetlands, escoamento superficial, valas de filtração/infiltração etc. São técnicas de pós-tratamento em nível terciário de esgotos, cujos objetivos principais são a remoção de nutrientes e remoção de remanescentes de patógenos/matéria orgânica. As vantagens são elevadas, pois permitem remover esses condicionantes dos esgotos em processos de pós-tratamento, como também usá-los para a prática de reúso em regiões de escassez hídrica. Atrelados a estas características, diversos fatores socioeconômico-ambientais também fazem jus, no Brasil, à sua aceitabilidade perante os demais processos e técnicas de tratamento de efluentes, tais como: suficiente disponibilidade de área em um grande número de localidades; clima favorável (temperatura e insolação elevada) durante o ano todo e, sobretudo, a necessidade de pouco ou nenhum equipamento.
O propósito da pesquisa é destacar a importância e eficiência da técnica de tratamento de esgoto, com a utilização de fossas sépticas, seguida de filtros anaeróbios e, como pós-tratamento, o uso da técnica de escoamento superficial. A sua operacionalização, quando bem monitorada, tem mostrado elevados percentuais na eficiência, no que concerne à remoção de DBO5 e de Coliformes Termotolerantes. E, como pós-tratamento, as rampas ou
e coliformes. Quando há intenção da prática de reúso do efluente tratado, a maioria dos parâmetros enquadra-se neste tipo de prática, seja ela agrícola, de aquicultura ou de reúso urbano.
A pesquisa teve como objetivo estudar a eficiência do conjunto “fossa séptica-filtro anaeróbio”, tratando-se o esgoto predominantemente doméstico numa localidade em escala real no Rio Grande do Norte. E, como técnica de pós-tratamento, faz-se uso do escoamento superficial, usando-se o efluente pré-tratado como prática de reúso agrícola, no cultivo da palma, vegetação comum e características de regiões semiáridas no Nordeste Brasileiro.
2.0 – OBJETIVOS
2.1 - OBJETIVO GERAL:
Avaliar o desempenho de ETEs do tipo “fossas sépticas-filtros anaeróbios”, localizados no Estado do Rio Grande do Norte, tendo como pós-tratamento a técnica de escoamento superficial com vistas à remoção de nutrientes (N e P) e patógenos, adequando as características físico-químicas e microbiológicas aos padrões exigidos para o reúso, avaliando-se tais estudos nas escalas temporal/espacial e tendo-se a palma forrageira (Opuntia fícus-indica (L.) Mill) como espécie vegetal cultivada nas rampas de escoamento superficial.
2.2 – OBJETIVOS ESPECÍFICOS:
Avaliar o modelo de dimensionamento racional, proposto por Smith e Schroeder (1985), para dimensionamento de sistemas de escoamento superficial, e comparar com valores reais obtidos para as taxas propostas.
Verificar a eficiência do sistema de tratamento de esgoto por disposição controlada no solo para os parâmetros de pH, T, DBO, DQO, Coliformes Termotolerantes e nutrientes (N e P) e CE em três modalidades, usando a vegetação palma forrageira: in natura, após tratamento primário (fossas sépticas), seguido de tratamento secundário (filtros anaeróbios).
Analisar a variação das concentrações de pH, T, DBO, DQO, Coliformes Termotolerantes e nutrientes (N e P) ao longo da faixa de pós-tratamento (disposição no solo), nas respectivas rampas.
Definir a melhor taxa de aplicação hidráulica para o cultivo da palma forrageira (Opuntia fícus-indica (L.) Mill) empregada no tratamento de esgoto pelo método de escoamento superficial.
3.0 – REVISÃO DE LITERATURA
A palavra esgoto costumava ser usada para definir tanto a tubulação condutora das águas servidas de uma comunidade, quanto o próprio líquido que flui por essas canalizações. Atualmente, tal palavra é usada para caracterizar os despejos oriundos das diversas modalidades do uso e da origem das águas, como uso doméstico, comercial, industrial, agrícola e outros (JORDÃO; PESSOA, 2005).
Geralmente os esgotos são classificados em dois grupos principais: os sanitários e os industriais, sendo os primeiros constituídos essencialmente de despejos domésticos, águas pluviais e de infiltração e, eventualmente, uma contribuição de despejos industriais, que podem ser misturados ao esgoto doméstico quando lançados na rede pública. Os esgotos domésticos provêm de residências, edifícios comerciais, instituições ou quaisquer edificações que contenham banheiros, lavanderias, cozinhas, sendo formados por água de banho, urina, fezes, papel, sabão, restos de comida, detergentes. Quanto aos esgotos industriais, estes são bastante diversos e por isto possuem características próprias em função do processo industrial empregado, necessitando de estudos e tratamento específicos.
As alternativas de tratamento mais usadas para pequenas e médias localidades são listadas a seguir:
3.1 - ALTERNATIVAS DE TRATAMENTO DE ESGOTO PARA PEQUENAS E MÉDIAS LOCALIDADES
3.1.1 - Tanque Séptico
O tanque séptico é um dispositivo de tratamento primário de esgoto que surgiu no século XIX na França, quando Jean Louis Mouras observou que o volume de sólidos acumulado por mais de uma década em um tanque de alvenaria era muito menor do que ele havia imaginado. Baseando-se nas descobertas de Pasteur, ele acreditava que a redução no volume da matéria sedimentável era decorrente da atividade bacteriana que produzia liquefação e gaseificação dos sólidos orgânicos, em ambiente anaeróbio, num processo denominado de “fermentação” (ANDRADE NETO, 1997).
tratar esgotos de residências e de cidades, sendo essa técnica a mais empregada devido a sua fácil construção e operação, destaca Andrade Neto (1997).
No Brasil, os tanques sépticos foram difundidos como solução individual para o destino dos esgotos a partir da década de 30, em virtude da ausência total ou parcial de serviços públicos de esgotos sanitários nas áreas urbanas, suburbanas e rurais, bem como pela necessidade de se evitar a contaminação do solo e da água por microrganismos patogênicos.
No Rio Grande do Norte, a CAERN (Companhia de Águas e Esgotos do Estado) utiliza tanques sépticos de câmaras em série, prismáticos retangulares em sistemas condominiais de esgoto, com tempo de detenção de 6 a 8 horas. Eles se localizam antes das lagoas de estabilização facultativas, necessitando de uma menor área, uma vez que substituem as lagoas anaeróbias; e realizam o tratamento primário antes da disposição no solo por valas de filtração (ANDRADE NETO, 1997).
Para Jordão e Pessoa (2005), o funcionamento dessa unidade de tratamento pode ser dividido em quatro fases, a saber: retenção do esgoto, decantação do esgoto, digestão anaeróbia do lodo e redução de volume do lodo, como pode ser observado na Figura 1. Na primeira fase, o esgoto é retido por um período estabelecido de acordo com a contribuição do afluente, podendo variar de 24 horas, quando a contribuição for até 6.000 L/dia, a 12 horas, para uma contribuição de mais de 14.000 L/dia. Na segunda fase, ocorre a sedimentação de 60 a 70% dos sólidos em suspensão, formando uma camada semilíquida chamada de “lodo”, e a parcela não sedimentável (composta por óleos, graxas, gorduras e gases) emerge para a superfície, originando a escuma. Em seguida, o lodo e a escuma são digeridos por bactérias anaeróbias, reduzindo, assim, a matéria volátil total ou parcialmente e os organismos patogênicos. Da fase anterior, resultam gases, líquidos e uma redução acentuada no volume dos sólidos retidos e digeridos, tornando-os estáveis e passíveis de serem dispostos com segurança em outro local.
Figura 1 -Fases de funcionamento de um tanque séptico
FONTE: BRASIL (2006).
Figura 2 - Tanque Séptico de câmara única
Figura 3 - Tanque Séptico de câmara em série
FONTE: JORDÃO ; PESSOA (2005).
As de câmaras sobrepostas (Figura 4) possuem divisões internas dispostas verticalmente com placas inclinadas que têm como função separar as fases de sólidos, líquidos e gases, além de permitirem a passagem do lodo da câmara superior para a inferior. Assim, Andrade Neto (1997) destaca que:
Figura 4 - Tanque Séptico de câmara sobreposta
FONTE: JORDÃO & PESSOA (2005).
Oliveira (1983) sugeriu em sua Dissertação que o tanque séptico deveria ser considerado como um conjunto de, no mínimo, duas câmaras anaeróbias. A primeira devia agir como um reator biológico de grande atividade, oferecendo uma elevada eficiência de remoção de material orgânico; a segunda teria a função de melhorar a qualidade do efluente, sobretudo no que diz respeito à remoção de coliformes fecais e de sólidos em suspensão.
A aplicação dos tanques sépticos apresenta algumas vantagens, conforme seguem:
É uma tecnologia simples, compacta e de baixo custo;
Produz um efluente razoável que pode ser encaminhado para pós-tratamento ou destino final;
Por ser um reator de lodo passivo sobre a fase líquida, é mais resistente a variações e flutuações quantitativas e qualitativas do afluente.
Outro fator importante que influencia na eficiência dos tanques sépticos é o acúmulo de lodo e de escuma. Esses resíduos devem ser removidos, segundo a NBR 7229 (1997), em intervalos equivalentes ao período de limpeza do projeto. Tal norma recomenda uma remoção periódica em intervalos de um (1) a cinco (5) anos para lodo e, mais frequente, para a escuma.
Se a retirada do lodo, porém, não for feita no tempo previsto, o volume do tanque séptico, destinado para a sedimentação, irá se reduzindo, o que prejudica o processo e faz com que o tanque passe a funcionar como uma simples caixa de passagem, produzindo um efluente de má qualidade, com muitos sólidos sedimentáveis. Além desses aspectos, o seu efluente apresenta ainda uma quantidade de matéria orgânica considerável. Os sólidos não retidos são arrastados com o esgoto, juntamente com o produto solúvel do lodo, apresentando uma cor escura e um odor característico provocado pela presença de gás sulfídrico, principalmente.
Com relação ao processo biológico, essa unidade apresenta um grande número de bactérias, embora, devido à fase anaeróbia, as bactérias patogênicas não sejam eliminadas totalmente - o que se verifica é a predominância da ação física na fase líquida (JORDÃO; PESSOA, 2005).
Sendo assim, o lançamento desse esgoto diretamente no solo provocará um transporte vertical e horizontal das matérias poluidoras, cuja distância e direção vão variar com a porosidade do solo e a localização do lençol freático. Por este motivo, os seus efluentes produzidos continuamente precisam ter um destino adequado e necessitam de um tratamento complementar, como filtros biológicos anaeróbios, filtro de areia, vala de infiltração, escoamento superficial, lodo ativado com batelada. Para a disposição final, a ABNT cita a vala de infiltração, o sumidouro e a diluição em corpos receptores d’água.
Em Natal/RN, a Prefeitura Municipal editou a Lei n° 4867/97, que obriga as Imunizadoras que coletam despejos sanitários, residenciais ou comerciais, públicos ou particulares, a manterem sistemas de lagoas de estabilização para tratamento complementar dos resíduos de tanque séptico (GUIMARAES, 2006).
3.1.2 – Filtros Anaeróbios
De acordo com Young e McCarty (1969), o filtro anaeróbio é um tipo de reator empregado no tratamento de esgotos que se caracteriza pela presença de um material suporte estacionário e inerte ao qual a biomassa adere ou fica retida nos interstícios, formando um biofilme que degrada o substrato contido na água residuária.
No Brasil, o filtro anaeróbio começou a ser aplicado na década de 1970, apresentando bons resultados no tratamento de despejos industriais. Para tratamento de esgotos sanitários, tornou-se mais popular a partir de 1982, quando a ABNT (Associação Brasileira de Normas Técnicas) incorporou diretrizes básicas para projeto e construção de filtros anaeróbios, incentivando o seu uso associado aos tanques sépticos como unidade de pós-tratamento de efluentes (NBR 7229/82) (CAMPOS, 1999).
O filtro anaeróbio ascendente é basicamente uma unidade de contato, na qual os esgotos passam através de uma massa de sólidos biológicos contidos dentro do reator. A biomassa retida neste pode se apresentar sob três formas distintas (CHERNICHARO, 2007), a saber:
na forma de uma fina camada de biofilme aderido às superfícies do material de suporte;
na forma de biomassa dispersa retida nos interstícios do material de suporte; e,
na forma de flocos ou grânulos retidos no fundo falso, abaixo do material de suporte.
Os compostos orgânicos solúveis contidos no esgoto afluente entram em contato com a biomassa, difundindo-se através das superfícies do biofilme ou do lodo granular, sendo então convertidos em produtos intermediários e finais, especificamente metano e gás carbônico (CHERNICHARO, 2007).
O material de suporte deve ter uma estrutura resistente, ser biológica e quimicamente inerte, ter leveza, grande área específica, porosidade elevada, possibilitar a colonização acelerada dos microrganismos, grande disponibilidade e custo reduzido.
Tendo-se em vista a preocupação em atender a estes requisitos, podem-se adotar diversos materiais, dentre eles: blocos cerâmicos, anéis plásticos, pedra britada e cilindros ou esferas perfuradas (SPEECE, 1996) - sempre ponderando o seu uso em função da eficiência e do custo.
O processo anaeróbio gera gases e odores fortes. Por isto, geralmente os filtros são cobertos para evitar a propagação destes, embora a construção da cobertura possa representar uma parcela significativa no orçamento final, devido às dificuldades estruturais que apresenta. A norma da ABNT NB-41 - “Norma para Construção e Instalação de Fossas Sépticas” - de 1963 recomendava a utilização de sistemas de valas de filtração para “polimento” de tanques sépticos. Esses sistemas, conquanto bastante eficientes, são relativamente caros, pois constituem-se de canalizações de esgotos sobrepostas, com a camada entre elas ocupada com areia (JORDÃO; PESSÔA, 2005).
Em 1982, a NB-41 foi revisada e renomeada como NBR-7229/93. Nessa oportunidade, foi proposta uma alternativa em casos de inviabilidade de infiltração do efluente do reator no terreno e também em casos de lançamento em corpos d’água cujos padrões de qualidade exigidos são altos. Essa alternativa era a utilização de filtros biológicos anaeróbios de fluxo ascendente como pós-tratamento de tanques sépticos.
Apesar de ter difundido a tecnologia do filtro anaeróbio, a NBR 7229/93 apresentava deficiências construtivas, de projeto e de operação, principalmente no que se refere à remoção do lodo acumulado na câmara inferior de entrada. Em 1997, a ABNT publicou a NBR 13969 com o título “Tanques Sépticos - Unidades de Tratamento Complementar e Disposição Final dos Efluentes Líquidos –Projeto, Construção e Operação”, apresentando modelos de filtros anaeróbios de fluxo ascendente mais detalhados e com cuidado nos aspectos operacionais.
Figura 5 - Filtro anaeróbio de fluxo ascendente e materiais de enchimentos usados
Fonte: Autor (2014).
Em comparação a outros reatores anaeróbios, as principais desvantagens dos filtros anaeróbios são: risco de obstrução dos interstícios, sendo, portanto, mais indicados para trabalhar com esgotos com contaminantes predominantemente solúveis (baixa concentração de sólidos suspensos), a fim de evitar a colmatação do meio; volume relativamente grande, devido ao espaço ocupado pelo meio filtrante; e alto custo (CAMPOS, 1999).
Campos (1999) define o efluente do filtro anaeróbio da seguinte maneira: "De forma geral, o efluente do filtro anaeróbio é bastante clarificado e tem relativamente baixa concentração de matéria orgânica, inclusive dissolvida, porém é rico em sais minerais. Presta-se muito bem para a disposição no solo, não somente por infiltração, mas também para irrigação (revitalização do solo com fins de produção vegetal). Evidentemente, pode receber tratamento complementar para remoção de nutrientes eutrofizantes por meio de variados processos, quando necessário ou conveniente. Contém ainda grande quantidade de microrganismos patogênicos e, quando necessário, deve sofrer desinfecção, para a qual podem ser aplicados quaisquer dos processos usuais."
uma boa estabilidade ao efluente, com baixa perda dos sólidos biológicos retidos no leito fixo. Dentre outras vantagens encontram-se a remoção de parte significativa da matéria orgânica disso1vida; a baixa produção de lodo; e o não consumo de energia; além de tais filtros possibilitarem enorme liberdade de projeto, em termos de configurações e dimensões.
Quanto à eficiência na remoção de cargas orgânicas, pesquisas em escalas-piloto de unidades de filtros anaeróbios precedidas apenas de tratamento preliminar (gradeamento e caixa de areia) indicaram eficiências médias de remoção de DBO e DQO, numa variação de 68% a 79%, em filtros operando com tempos de detenção hidráulica na faixa de seis (6) a oito (8) horas (PINTO ; CHERNICHARO, 1995).
Contudo, apesar das vantagens oferecidas pelos sistemas anaeróbios de tratamento, esses filtros não podem ser encarados como uma forma completa de tratamento, uma vez que são sistemas que apresentam dificuldades para produzir efluentes que atendam aos padrões estabelecidos pela legislação ambiental. A solução aparente para este tipo de problema parece ser a utilização de sistemas combinados de tratamento, visando assim a cumprir as metas estabelecidas. Araújo (1998), após pesquisas em escala-piloto utilizando o método de disposição no solo, mais especificamente o método de escoamento superficial no solo, como pós-tratamento do efluente de um reator anaeróbio do tipo UASB, alcançou resultados bastante satisfatórios, inclusive quanto a níveis de remoção de nutrientes e coliformes fecais.
De acordo com Andrade Neto et al. (1999b), o principal objetivo dos reatores anaeróbios com fluxo através do lodo ativo é propiciar maior tempo de retenção celular, para obter contato longo entre biomassa ativa e o esgoto a ser tratado. Esses reatores exploram a imobilização das bactérias, na forma de biofilme, flocos ou grânulos, em maior tempo e concentração possíveis.
Nos filtros de fluxo ascendente ou horizontal, o leito é necessariamente submerso (afogado). Os de fluxo descendente podem trabalhar afogados ou não. O sentido do fluxo através do leito acarreta grandes diferenças funcionais para as várias configurações de filtro anaeróbio, como pode ser observado no Quadro 1.
Quadro 1 - Características dos filtros anaeróbios de diferentes sentidos de fluxos
Tipo de Fluxos Características gerais
FLUXO ASCENDENTE
1. Maior retenção de lodo em excesso;
2. Bom tempo de contato entre o esgoto e o biofilme devido aos lodos em sustentação hidráulica;
3. Propicia alta eficiência e baixa perda dos sólidos que são arrastados no efluente;
4. É mais indicado para esgotos com baixa concentração;
5. Maiores riscos de entupimento dos interstícios.
FLUXO DESCENDENTE
1. Apresenta facilidade para remoção de lodo em excesso;
2. Menor risco de entupimento no leito;
3. Pode receber esgotos com maior concentração de sólidos;
4. Indicado para altas e baixas cargas orgânicas; 5. Os filtros com fluxo não afogado apresentam baixa
eficiência.
FLUXO HORIZONTAL
1. Funciona com características intermediárias entre o fluxo ascendente e o descendente;
2. Maior dificuldade na distribuição do fluxo; 3. Desempenho diferenciado ao longo do leito; 4. Concentração de lodo em excesso mal distribuída; 5. Remoção do lodo difícil;
6. Deve ser usado com baixas taxas de carga orgânica. Fonte: Adaptado de Ávila (2005).
A norma NBR-13969/97 apresenta a faixa de eficiência esperada para os filtros anaeróbios em conjunto com o tanque séptico, em função da temperatura. Para a DBO5, 20 , a
eficiência pode variar de 40% a 75%, para DQO, de 40% a 70%, para sólidos suspensos, de 60% a 90% e, para sólidos sedimentáveis, 70% ou mais. Os limites inferiores correspondem às temperaturas abaixo de 15ºC e os superiores, às temperaturas acima de 25ºC.
3.2 – ALTERNATIVAS DE PÓS-TRATAMENTO POR DISPOSIÇÃO CONTROLADA NO SOLO
A maior proliferação dos sistemas de aplicação de esgoto doméstico no solo ocorreu durante a segunda metade do século XIX, principalmente em países como Austrália, França, Alemanha, Inglaterra, Índia, Polônia, Estados Unidos e México. Isso ocorreu porque tais países sofriam sérios problemas de poluição ambiental, devido ao lançamento de esgotos sanitários sem tratamento, diretamente nos rios. A única alternativa então disponível era o transporte do esgoto bruto até as áreas rurais, para disposição e irrigação - áreas que se tornaram conhecidas como Fazendas de Esgotos (FONSECA, 2005).
Embora no início do século XX tenha se dado uma redução na aplicação de esgoto em solos agrícolas, devido ao receio de riscos sanitários e em razão do desenvolvimento de sistemas modernos de tratamento de esgoto, no período Pós-Guerra, a crescente necessidade de otimização dos recursos hídricos, aliada ao desenvolvimento de critérios científicos de avaliação dos riscos sanitários, renovou o interesse por esse tipo de prática de aplicação de resíduos na agricultura irrigada em diversos países como Argentina, Austrália, Chile, China, Alemanha, Índia, Israel, Kuwait, México, Peru, Arábia Saudita, África do Sul, Sudão, Tunísia e EUA, destacando-se a China com uma área irrigada de 1.330.000 hectares. (FLORENCIO et al, 2006; FONSECA, 2005).
Os esgotos, na verdade, constituem rica fonte de nutrientes, apresentando grande potencial de uso na fertirrigação de culturas agrícolas. Na realidade, o uso de esgoto como água de fertirrigação vem desde a metade do século XVIII, tendo se intensificado nas duas últimas décadas, em vários países do Mundo. No Brasil, vem-se adotando essa prática, que tende a aumentar nos próximos anos. Assim, as técnicas de tratamento visando ao aproveitamento desse recurso ganharam impulso, principalmente aquelas que aumentam a produção de biomassa vegetal, utilizada diretamente na alimentação humana ou animal. Uma das técnicas que tem recebido especial atenção refere-se ao tratamento de esgotos pelo método de escoamento superficial.
absorção pelas plantas. O Quadro 2 sintetiza as principais características dos sistemas de tratamento de esgoto por disposição no solo, uma vez que a depuração é decorrente da interceptação dos sólidos em suspensão pelas plantas e pelo próprio solo e da oxidação da matéria orgânica promovida por bactérias que se estabelecem no colo das plantas e no próprio solo. De acordo com Hubbard et al. (1987), o objetivo principal da disposição de águas residuárias sobre o solo é usar o “filtro vivo” formado pelo próprio solo, pelas plantas e pelos microrganismos, para reduzir a concentração de nutrientes e patógenos presentes nessas águas. Soma-se a isto o fato de o material vegetal produzido poder ser utilizado para alimentação animal, na forma in natura ou ensilado.
Quadro 2 - Características gerais dos sistemas de tratamento de esgoto por disposição no solo
Fator Interveniente
Infiltração Lenta – Irrigação
Infiltração –
Percolação Escoamento
Superficial
Critérios de Aplicação do
Esgoto
(1)Evapotranspiração e
Percolação
(1)Percolação (1) Escoamento superficial
e evapotranspiração com alguma percolação Carga Hidráulica
(cm/semana)
(2) 1 a 11 (condições aeróbicas
do solo) e mín. 3-4 a 10 (período seco)
(2) 10 a 50, no caso de
recarga do lençol freático entre 150 e 300.
(2) 6 a 14 (3) 6,3 a 40 (4) 7-49
Declividade do Terreno (%)
(1,2) menor 20%, em solos
cultivados; menor 40%, em solos não cultivados
Não crítica (1,2) (5) 2 a 6, (2) até 8 (6) até 15, (1,4) 2-8, (6) 2
Área requerida para aplicação de
25,33L/s (ha)
(1)23 a 280 (1) 3-33 (1)6,5-44
Textura do Solo (5) Média a grossa (5) Média (argila siltosa) (5,7) argila, argila arenosa
Profundidade (5) > 1,5m (2) 1,60m
(5) >3,0m; (3,6) 4,5m (5) >0,5m (2) Não crítica
Permeabilidade e Drenagem
(5) Moderadamente bem drenado (1,2) Permeabilidade
moderadamente baixa moderadamente alta
(1,2,5) Permeabilidade alta e
bastante bem drenado
(1,5) Permeabilidade baixa e
moderadamente drenado;
(2,7) solos com camada
impermeável. Cultura (5) Gramíneas (pastagens),
cana-de-açúcar e cereais. Pomares, milho, qualquer tipo para silvicultura, café e cana-de-açúcar.
(2) Cultivos herbáceos, florestas
e áreas de recreação.
(5) Indispensável (1,2) Opcional
(5,2) Gramíneas (pastagens)
requeridas
Profundidade do lençol freático
(5) > 1,5m (1,3) 0,6 – 1,0m
(5) >4,5m; (3) 6,0m (1) 1,5m – 3,0m.
(5)> 0,9m
(1,3) não crítico; considera
A disposição de águas residuárias sobre o solo apresenta, segundo Taylor ; Neal (1982), uma série de vantagens, podendo-se citar, dentre elas, o benefício agrícola, o baixo investimento (o custo oscila entre 30% e 50% do custo do tratamento convencional), o pequeno custo de operação e o baixo consumo de energia. Trabalhos recentes indicam que a disposição de águas residuárias no solo pode proporcionar aumento da produtividade, melhorar a qualidade dos produtos colhidos e reduzir a poluição ambiental (MATOS, 2003), além de promover melhorias em algumas propriedades físicas dos solos.
Os esgotos podem ser aplicados ao solo de modo a depurá-los, fundamentalmente por um dos seguintes processos, segundo FONSECA (2005); e VON SPERLING (2005): a) Método de Infiltração Lenta - Irrigação:
Tal método consiste na aplicação do esgoto sobre uma área com vegetação, com a finalidade de fornecer água e nutrientes para o crescimento das plantas, conforme detalha a Figura 6. Parte do esgoto aplicado é evaporada e parte é percolada, podendo atingir o lençol freático, mas a maior parte é absorvida pelas plantas e transpirada para a atmosfera. Esse método é aplicado aos solos com permeabilidade moderada lenta para moderada rápida, e a profundidade do lençol freático deve estar no mínimo 0,6 m da superfície, para que não ocorra sua contaminação. As técnicas de aplicação dos esgotos sobre a superfície podem ser por sulcos, aspersão ou inundação.
A técnica de aplicação do esgoto no solo por meio de sulcos em curva de nível requer a sistematização do terreno, sendo o efluente distribuído pelos sulcos, que, por sua vez, são alimentados por canais de distribuição. Esses sulcos são aplicados em terrenos com declividades de até 10%. Quanto ao tipo de vegetação, o referido método é aplicado para fertirrigação de culturas.
declividades de até 6%. Tal método é utilizado para plantas resistentes a encharcamento do solo, do tipo “forrageiras”.
Figura 6 - Método de Infiltração Lenta com Irrigação por Gotejamento
Fonte: Adaptado de Von Sperling (2005). Fonte: Adaptado de Von Sperling (2005).
b) Método de Infiltração Rápida ou Infiltração-Percolação:
O esgoto é disposto em faixas e, devido às altas taxas de aplicação, as perdas por evaporação terminam por ser pequenas, o que leva a que a maior parte do líquido percole pelo solo, recebendo assim o tratamento. A aplicação é feita de forma intermitente, de modo a permitir um período de descanso para o solo, que pode secar e ter estabelecidas as condições aeróbias. Esse método é aplicado em solos arenosos com alta permeabilidade, devendo a profundidade do lençol freático estar a, no mínimo, 1,5 m e, para uma maior segurança, a profundidades maiores de 4,5m, conforme mostra a Figura 7.
Figura 7 - Método de Infiltração Rápida
c) Método de Escoamento Superficial:
O esgoto é aplicado na parte mais alta do terreno, em faixas com declividade de 2% a 8%, e coletado na parte inferior destas, de onde é captado para lançamento em corpos receptores d’água (Figura 8). Os terrenos utilizados devem possuir baixa permeabilidade, para evitar risco de contaminação do lençol freático. A depuração do esgoto depende da absorção de minerais pelas plantas e da decomposição da matéria orgânica pelos microrganismos, nos filmes biológicos a serem desenvolvidos na interface do colo da planta com a superfície do solo.
Figura 8 - Método de Escoamento Superficial
Fonte: Adaptado de Von Sperling (2005). d) Método de Infiltração Subsuperficial:
Em tal tipo de método, o esgoto pré-tratado é aplicado abaixo do nível do solo, uma vez que os locais de infiltração são preparados em escavações enterradas preenchidas com um meio poroso (Figura 9). É um método semelhante ao da Infiltração-Percolação, tendo como única diferença o fato de a aplicação não ser feita por inundação, sobre a superfície do solo, e sim por formas de condução e aplicação enterradas no solo. Com relação à geometria, os sistemas de Infiltração Subsuperficial podem ser: valas de infiltração (sem efluente final), valas de filtração (com efluente final) e sumidouros (poços absorventes).
Figura 9 - Métodos de Infiltração Subsuperficial
Fonte: Adaptado de Von Sperling (2005).
3.2.1 – Indicadores ambientais e microbiologia do Escoamento Superficial
O tratamento de esgoto por disposição no solo pelo método do escoamento superficial indiretamente se torna um estressor antropogênico do solo, sendo fundamental o monitoramento deste por intermédio de indicadores não somente físico-químicos, mas microbiológicos. O conhecimento da biomassa microbiana sobre os aspectos qualitativos por intermédio da atividade biológica enzimática pode ser um indicador de qualidade do solo, complementando-se aos indicadores recomendados pela OMS (coliformes fecais – E. coli e ovos de helminto), uma vez que esses indicadores avaliam as condições sanitárias e não ambientais. Os indicadores ambientais que envolvem o processo de tratamento de esgoto por escoamento superficial englobam principalmente três fatores primordiais, a saber: solo, temperatura e qualidade do efluente a ser tratado, que são fatores dependentes dos aspectos microbiológicos que ocorrem durante toda a fase de tratamento.
Para Fonseca (2005) e Von Sperling (2005), a sobrevivência dos microrganismos no solo é função dos fatores “umidade”, “pH”, “irradiação solar”, “temperatura” e “concentração de matéria orgânica e de outros microrganismos”. Todavia, os tempos de sobrevivência dos microrganismos no solo variam de acordo com:
• CAPACIDADE DE SOBREVIVÊNCIA DO PRÓPRIO
