UNIVERSIDADE TECNOLÓGICA FEDERAL DO PARANÁ
DEPARTAMENTO ACADÊMICO DE ENGENHARIA CIVIL
CURSO DE ENGENHARIA CIVIL
ERICK FELIPE IENKE
GABRIEL SCHWAB D’ALVES VALENTE DOS SANTOS
ANÁLISE COMPARATIVA ENTRE PROTÓTIPO DE CAIXA DE
GORDURA E CAIXA DE GORDURA PRÉ-FABRICADA COMERCIAL
TRABALHO DE CONCLUSÃO DE CURSO
CURITIBA
ERICK FELIPE IENKE
GABRIEL SCHWAB D’ALVES VALENTE DOS SANTOS
ANÁLISE COMPARATIVA ENTRE PROTÓTIPO DE CAIXA DE
GORDURA E CAIXA DE GORDURA PRÉ-FABRICADA COMERCIAL
Trabalho de Conclusão de Curso de Graduação, apresentado à disciplina de Trabalho de Conclusão de Curso 2, do Curso de Bacharelado em Engenharia Civil do Departamento Acadêmico de Construção Civil – DACOC – da Universidade Tecnológica Federal do Paraná – UTFPR, como requisito parcial para obtenção do título de Engenheiro Civil.
Orientador: Prof. Dr. Flavio Bentes Freire
CURITIBA
Ministério da Educação
UNIVERSIDADE TECNOLÓGICA FEDERAL DO PARANÁ Campus Curitiba – Sede Ecoville
Departamento Acadêmico de Construção Civil Curso de Engenharia Civil
FOLHA DE APROVAÇÃO
ANÁLISE COMPARATIVA ENTRE PROTÓTIPO DE CAIXA DE
GORDURA E CAIXA DE GORDURA PRÉ-FABRICADA COMERCIAL
Por
ERICK FELIPE IENKE
GABRIEL SCHWAB D’ALVES VALENTE DOS SANTOS
Trabalho de Conclusão de Curso apresentado ao Curso de Engenharia Civil da Universidade Tecnológica Federal do Paraná, defendido e aprovado em 24 de novembro de 2016, pela seguinte banca de avaliação:
__________________________________ ___ Prof. Orientador – Flavio Bentes Freire, Dr.
UTFPR
__________________________________ ___ Prof. Fernando Oliveira de Andrade, Dr.
UTFPR
___________________________________ _____ Prof. Roberto Levi Sprenger, Dr.
UTFPR
UTFPR - Deputado Heitor de Alencar Furtado, 4900 - Curitiba - PR Brasil
www.utfpr.edu.br dacoc-ct@utfpr.edu.br telefone DACOC: (041) 3279-4500
RESUMO
IENKE, Erick F.; SCHWAB, Gabriel S. D. V. S. Análise comparativa entre protótipo de caixa de gordura e caixa de gordura pré-fabricada comercial. 2016, 71 p. Trabalho de Conclusão de Curso (Bacharelado em Engenharia Civil) - Universidade Tecnológica Federal do Paraná. Curitiba, 2016.
O presente trabalho consiste no desenvolvimento de um protótipo de caixa de gordura com chicanas removíveis, a análise comparativa entre o protótipo, com e sem chicanas, e uma caixa de gordura pré-fabricada comercial de 19 litros. O protótipo possui as dimensões internas de 50 x 26 x 26 cm (comprimento, largura e altura), e uma altura útil de 15,5 cm. O mesmo foi executado em madeira compensada tipo naval, tratada com hidrofugante, fixada com pregos e parafusos, e vedada com silicone. Montou-se um sistema com três dispositivos, um reservatório de entrada, onde despejava-se a mistura, a caixa de gordura a ser analisada e um reservatório com o efluente passante. Ensaiou-se as caixas com uma mistura controlada de água e óleo de soja, em três concentrações distintas: 50 g/L, 100 g/L e 150 g/L. Determinou-se um tempo de detenção hidráulica médio de 500 Determinou-segundos para o ensaio de todas as caixas, e comparou-se a diferença entre a concentração retida dentro da caixa e a concentração da mistura passante. O protótipo mostrou-se mais eficiente em comparação ao modelo pré-fabricado. Os ensaios também mostraram que a utilização de obstáculos melhora o desempenho da mesma caixa. Enquanto a caixa pré-fabricada tinha uma retenção que variava de 32,1%, para as concentrações mais baixas, a 61,3% para as concentrações mais altas, a retenção do protótipo com chicanas se manteve acima de 96%. Já o protótipo sem chicanas teve sua retenção variando de 65,4% a 94,5%, para a menor e a maior concentração respectivamente.
Palavras-chave: Caixa de gordura; Protótipo; Chicanas; Obstáculos; Projeto; Análise comparativa; Gordura; graxa; óleo; Pré-fabricada.
ABSTRACT
IENKE, Erick F.; SCHWAB, Gabriel S. D. V. S. Comparative analysis between grease trap prototype and commercial prefabricated grease trap. 2016, 71 p. Term Paper (Bachelor of civil Engineering) - Federal Technological University of Paraná UTFPR, 2016.
The present study consists in the development of a grease trap prototype with removable obstacles (baffles), and a comparative analysis between the prototype, with and without the obstacles, and a 19 liters commercial prefabricated grease trap. The developed prototype has the internal dimensions equal to 50 x 26 x 26 cm (length, width and height), and a working height of 15,5 cm. The trap was built with marine plywood, treated with water repellent, fixed with nails and screws, and sealed with silicone. A system was assembled with three devices, an inlet tank, where the mixture was poured, the analyzed grease trap and a tank to contain the passing effluent. The grease traps were tested with a controlled mixture of water and soybean oil, in three different concentrations: 50 g/L, 100 g/L e 150 g/L. It was determined a hydraulic retention time of 500 seconds for each experimental run in each grease trap, and compared the difference between the concentration retained inside the grease trap and the concentration of the effluent. The prototype showed to be more efficient in comparison with the prefabricated model. The experiment showed as well that the use of obstacles improves the performance in the same device. While the prefabricated grease trap had a retention ranging from 32,1%, for the lower concentration rates, and 61,3% to the higher concentrations rates, the retention of the prototype with baffles remained above 96%. The prototype without baffles had its retention varying from 65.4% to 94.5%, for the lowest and the highest concentration respectively.
Keywords: Grease trap; Prototype; Baffles; Obstacles; Project; Comparative analysis; Fat; grease; oil; Prefabricated.
LISTA DE ABREVIATURAS E SIGLAS ABNT ASPE CGD CGP CGS CGPF PGSC PGCC CONAMA DBO pH PVC TDH
Associação Brasileira de Normas Técnicas American Society of Plumbing Engineers Caixa de Gordura Dupla
Caixa de Gordura Pequena Caixa de Gordura Simples Caixa de Gordura pré-fabricada
Protótipo Caixa de Gordura Sem Chicanas Protótipo Caixa de Gordura Com Chicanas Conselho Nacional de Meio Ambiente Demanda Biológica de Oxigênio Potencial hidrogeniônico
Policloreto de vinila
Tempo de detenção hidráulica
LISTA DE FIGURAS
Figura 1 - Rede coletora de esgoto obstruída por gordura ... 18
Figura 2 - Tubulação obstruída por óleo, graxas e gordura ... 19
Figura 3 - Escuma e gordura em estação de tratamento de esgoto ... 20
Figura 4 - Camada de gordura do esgoto doméstico próximo a Pedra do Arpoador, no Rio de Janeiro ... 21
Figura 5 - Diagrama Esquemático de Funcionamento de Caixa de Gordura ... 25
Figura 6 - Limpeza de caixa de gordura domiciliar pré-fabricada ... 28
Figura 7 - Modelos de Caixa de Gordura ... 29
Figura 8 - Caixa de gordura pré-fabricada ... 31
Figura 9 - Desenho da caixa pré-fabricada ... 32
Figura 10 - Perspectiva do projeto “As built” do protótipo desenvolvido (dimensões em milímetros) ... 37
Figura 11 - Seção do projeto “As built” do protótipo desenvolvido (dimensões em milímetros) ... 38
Figura 12 - Plano do projeto “As built” do protótipo desenvolvido (dimensões em milímetros) ... 38
Figura 13 - Detalhes de entrada e saída do projeto “As built”, do protótipo desenvolvido (dimensões em milímetros) ... 39
Figura 14 - Detalhe genérico de sistema de fixação das chicanas, do protótipo desenvolvido ... 40
Figura 15 - Detalhe genérico das chicanas (dimensões em milímetros) ... 40
Figura 16 - Fluxo preferencial na caixa de gordura chicanada ... 41
Figura 17 - Protótipo de caixa de gordura sem chicanas ... 42
Figura 18 - Protótipo de caixa de gordura sem chicanas ... 42
Figura 19 - Protótipo de caixa de gordura com chicanas ... 43
Figura 20 - Chicana utilizada no protótipo ... 43
Figura 21 - Esquema genérico do experimento... 45
Figura 22 - Gráfico das concentrações de óleo retida na caixa e no efluente (mg/L), da retenção relativa (%) e em função da concentração do afluente, referente à caixa de gordura pré-fabricada ... 50
Figura 23 - Gráfico das concentrações de óleo retida na caixa e no efluente (mg/L), da retenção relativa (%) e em função da concentração do afluente, referente ao protótipo de caixa de gordura sem chicanas ... 51 Figura 24 - - Gráfico das concentrações de óleo retida na caixa e no efluente (mg/L), da retenção relativa (%) e em função da concentração do afluente, referente ao protótipo de caixa de gordura com chicanas ... 51 Figura 25 - Porcentagem de volume de óleo retida nas caixas e que chegou ao efluente, tendo o afluente concentração de 50mg/L de óleo ... 52 Figura 26 - Porcentagem da concentração de óleo no afluente retida nas caixas e que chegou ao efluente, tendo o afluente concentração de 100mg/L de óleo. ... 53 Figura 27 - Porcentagem da concentração de óleo no afluente retida nas caixas e que chegou ao efluente, tendo o afluente concentração de 150mg/L de óleo. ... 53 Figura 28 - Gráfico da retenção relativa das caixas de gordura (em %) em função da concentração de óleo no afluente (em mg/L) ... 54 Figura 29 - Concentração de gordura retida na caixa e no efluente (para a CGPF) . 55 Figura 30 - Concentração de gordura retida na caixa e no efluente (para o PGSC) . 55 Figura 31 - Variação de concentração de óleo no líquido dentro da caixa de gordura (para o PGCC) ... 56
LISTA DE TABELAS
LISTA DE QUADROS
Quadro 1 – Composição média aproximada do esgoto sanitário (mg/L) baseada em
400 L/pessoa/dia. ... 15
Quadro 2 – Condições e padrões de lançamento dos efluentes oriundos de sistema de tratamento de esgoto ... 16
Quadro 3 – Densidade de óleos, azeite e gorduras (15,6 °C) ... 23
Quadro 4 – Tempo de ascensão de partículas de óleos ... 24
Quadro 5 – Dimensões mínimas para caixas de gorduras cilíndricas ... 30
SUMÁRIO 1 INTRODUÇÃO ... 11 1.1 JUSTIFICATIVA ... 12 1.2 OBJETIVO GERAL ... 13 1.3 OBJETIVOS ESPECÍFICOS ... 13 2 REVISÃO DA LITERATURA ... 14
2.1 CARACTERÍSTICAS QUALITATIVAS DO ESGOTO SANITÁRIO ... 15
2.2 OS IMPACTOS RELACIONADOS A ÓLEOS, GRAXAS E GORDURAS ... 17
2.3 FORMAS DE TRATAMENTO ... 22
2.3.1 Caixa de gordura ... 22
2.3.2 Outras formas de tratamento ... 32
2.4 PESQUISAS ENVOLVENDO REMOÇÃO DE GORDURA ... 34
3 MATERIAIS E MÉTODOS ... 36
3.1 CAIXA DE GORDURA ... 36
3.1.1 Mistura água e óleo ... 44
3.1.2 Sistema ... 44
3.2 EXPERIMENTO ... 46
3.2.1 Comparação de retenção relativa ... 46
4 RESULTADOS E DISCUSSÕES ... 48
5 CONCLUSÃO ... 57
REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS ... 59
1 INTRODUÇÃO
Os esgotos domésticos provêm principalmente de edifícios (residenciais, comerciais e institucionais), além de outras construções que possuam instalações sanitárias como banheiros, lavanderias, cozinhas, etc. Estas instalações produzem efluentes compostos de água de banho, urina, fezes, papel, restos de comida, sabão, detergentes, água de lavagem (JORDÃO; PESSÔA, 2009).
A destinação do esgoto, tanto doméstico como industrial, deve ser muito bem controlada para que os problemas ambientais sejam minimizados. Para Martinelli et al. (2002), caso uma residência despeje seu efluente em um corpo receptor sem algum tratamento, poderão surgir consequências como a alteração da fauna e flora, e a contaminação do mesmo, tornando-se um problema de saúde pública. Caso haja a presença de óleos e graxas em efluentes, seja pelo despejo em local inadequado, ou pelo fato de muitas edificações não possuírem um sistema de retenção de gordura eficiente, haverá diversos fatores que afetam negativamente o tratamento do esgoto. Metcalf e Eddy (2004) afirmaram que é natural a presença deste tipo de material (graxo ou gorduroso) dentro do esgoto doméstico, representando aproximadamente 10% do total dos principais grupos de substâncias presentes neste tipo de efluente, em concentrações que variam de zero a 150 mg/L. A presença de gordura no sistema de esgoto gera problemas de higiene, mau cheiro, entupimento do sistema, bem como o mau funcionamento das estações de tratamento de esgoto (ALBERICI; PONTES, 2004).
A resolução nº 430 (CONAMA, 2011) prescreve condições de efluentes no corpo receptor e, entre elas, está o limite de 20 mg/L para óleos minerais e 50 mg/L para óleos vegetais e gorduras animais. Porém, como a norma NBR 8160 (ABNT, 1999) apenas recomenda a utilização das caixas de gorduras quando os efluentes contiverem resíduos gordurosos, mas não obriga esta utilização do dispositivo. A legislação brasileira determina que a responsabilidade deste controle recai aos municípios. Em diversos locais, criaram-se leis, como a Lei nº13.634 (CURITIBA, 2010), obrigando o uso de caixas de gorduras domiciliares, mas a fiscalização ainda é falha. E quando ocorre, constam-se dados alarmantes, como o caso da cidade de Pato Branco (Paraná), onde quase metade das casas vistoriadas pela Sanepar
(concessionária de saneamento do estado do Paraná), não possuíam caixa de gordura (SANEPAR, 2011).
Estudos apontam que as dimensões e volumes mínimos, estabelecidos pela norma brasileira, das caixas de gordura, acabam não proporcionando uma resistência satisfatória, agravando os problemas de óleos e gorduras nas águas residuais (FREITAS et al, 2014; GNIPER, 2008). Portanto grande parte dessas substâncias acabam escoando com o efluente, impactando nas estações de tratamento de esgoto, quando existentes, podendo chegar até os corpos receptores, trazendo problemas ambientais e de saúde pública. Dessa maneira, esse trabalho propõe o estudo de um protótipo de caixa de gordura em comparação a uma caixa de gordura pré-fabricada domiciliar padrão.
1.1 JUSTIFICATIVA
As gorduras e óleos na água e no esgoto prejudicam o tratamento, auxiliando na criação de escumas, originando películas que dificultam a oxigenação do esgoto e se aglutinam na rede coletora, causando entupimento. Ademais, se despejadas em corpos receptores, acarretam em problemas ambientais e de saúde pública (doenças, irritações e outros), alterando a fauna, flora e estética.
As caixas de gordura pré-fabricadas, apesar de estarem dentro dos limites estabelecidos pela norma brasileira, não apresentam uma eficiência satisfatória. “Pode-se então afirmar que a caixa de gordura pequena prescrita pela NBR 8160 (ABNT, 1999) apresenta pouca eficiência, atuando mais como mera caixa de passagem ou como caixa de inspeção sifonada, sem exercer a função objetiva a que se propõe” conclui Gniper (2008). Portanto é necessário procurar um novo modelo ou alterar as normas brasileiras para tentar melhorar e solucionar os problemas das gorduras em esgotos, trazendo economia e eficácia no tratamento.
1.2 OBJETIVO GERAL
O objetivo geral deste trabalho foi projetar e desenvolver um protótipo de caixa de gordura, com volume útil próximo a das caixas de gordura pré-fabricadas comercializadas, e analisar comparativamente o desempenho de ambas, utilizando mistura de água e óleo.
1.3 OBJETIVOS ESPECÍFICOS
Para cumprir o objetivo geral, foram propostos os seguintes objetivos específicos:
a) Verificar a influência da concentração inicial na retenção de óleo; b) Verificar a influência da presença de chicanas na retenção de óleos; c) Realizar a análise comparativa entre as caixas de gorduras estudadas.
2 REVISÃO DA LITERATURA
Segundo Nuvolari et al. (2011), a história do saneamento no Brasil começou em 1857, com a primeira rede de esgotos nacional, na capital do país daquela época, no Rio de Janeiro, em um contrato firmado entre o Imperador D.Pedro II e a City (Companhia Inglesa). A partir disto, foram realizados diversos estudos da qualidade da água em rios, como a tese de Geraldo H. Paula Souza, em 1913, da poluição do Rio Tietê a jusante de São Paulo, e também diversas obras de saneamento. Atualmente, segundo o Sistema Nacional de Informações de Saneamento (2016), cerca de 40,8% do total do esgoto gerado no país é tratado, e, quando analisa-se apenas a parcela coletada do esgoto, os números chegam a 70,9%.
A definição da norma brasileira NBR 9648 (ABNT, 1986) para esgoto sanitário é “despejo líquido constituído de esgotos doméstico e industrial, água de infiltração e a contribuição pluvial parasitária”. A mesma norma ainda define esgoto doméstico, esgoto industrial, água de infiltração e contribuição pluvial parasitária. As definições são:
a) Esgoto doméstico: despejo líquido resultante do uso da água para higiene e necessidades fisiológicas humanas;
b) Esgoto industrial: despejo líquido resultante dos processos industriais, respeitados os padrões de lançamento estabelecidos;
c) Água de infiltração: toda água proveniente do subsolo, indesejável ao sistema separador e que penetra nas canalizações;
d) Contribuição pluvial parasitária: parcela de deflúvio superficial inevitavelmente absorvida pela rede coletora de esgoto sanitário.
Nuvolari et al. (2011) afirmaram que, em média, o esgoto sanitário apresenta 99,9% de água e apenas 0,1% de sólidos, sendo que destes sólidos, 75% são formados por matéria orgânica em processo de decomposição. Esta decomposição facilita a proliferação de microrganismos, incluindo ou não patogênicos, dependendo da população que gerou o efluente.
Segundo Jordão e Pessôa (2009), existem parâmetros de qualidade que indicam as características da água, dos corpos d’água e também do esgoto. A resolução número 430 (CONAMA, 2011) dispõe quais são os padrões de qualidade
necessários para o lançamento de efluentes oriundos de sistema de tratamento de esgotos sanitários.
2.1 CARACTERÍSTICAS QUALITATIVAS DO ESGOTO SANITÁRIO
Hammer (1979) apresentou a composição média aproximada do esgoto sanitário (em mg/L) para várias possibilidades de estabelecimentos. Este autor baseia-se em uma contribuição de 400 L/pessoa/dia, para incluir os despejos residenciais, comerciais e infiltração, mas excluindo os despejos industriais. Esta composição é apresentada no Quadro 1.
Parâmetro Esgoto Bruto
Sólidos totais 800
Sólidos voláteis totais 440
Sólidos em suspensão 240
Sólidos em suspensão voláteis 180
DBO5 200
Nitrogênio inorgânico, como N 15
Nitrogênio total, como N 35
Fósforo solúvel, como P 7
Fósforo total, como P 10
Quadro 1 – Composição média aproximada do esgoto sanitário (mg/L) baseada em 400 L/pessoa/dia.
Fonte: HAMMER, 1979.
Segundo Jordão e Pessôa (2009), 70% dos sólidos no esgoto médio (presença de 500 mg/L de matéria sólida total) são de origem orgânica, geralmente uma combinação de carbono, hidrogênio, oxigênio e, em alguns casos, nitrogênio. Destes 70%, cerca de 10% são constituídos por gorduras e óleos, ou seja, 7% do total (35 mg/L).
Para Metcalf e Eddy (2004), os termos óleos e graxas são comumente usados para se referir a substâncias que incluem gorduras, óleos, ceras e outros constituintes relacionados encontrados nas águas residuais. Faria et al. (2002) afirmam que 95% deste tipo de substância são constituídos de triacilglicerídeos (ésteres formados de glicerol e três ácidos graxos). Estes componentes são insolúveis em água e, sob temperatura ambiente, variam em consistência líquida a sólida. Quando sólidos, são chamados de gorduras, quando líquidos, são chamados de óleos. Os mesmos autores consideram que a concentração de óleos e graxas no esgoto varia de 50 mg/L até 100 mg/L. Jordão e Pessôa (2009) classificam os esgotos brutos pela sua concentração de gordura da seguinte maneira:
a) Esgoto de baixa concentração: 6 mg/L b) Esgoto de concentração média: 13 mg/L c) Esgoto de alta concentração: 23 mg/L
Os esgotos possuem uma porção considerável de gorduras, óleos, graxas ceras e outras substâncias com densidade inferior à da água (JORDÃO; PESSÔA 2009). É muito comum encontrar gorduras provenientes de produtos culinários, como manteiga, margarina, óleos vegetais, gordura de carnes vermelhas, entre outros. Há também uma porção dessa gordura, que tem origem de lubrificantes, usados em garagens, postos de gasolina e ambientes industriais. Sperling (2014) afirma que, dentro de toda matéria orgânica presente no esgoto, entre 8 a 12% são gorduras e óleos, sendo que a concentração típica em esgotos varia entre 50 e 150 mg/L (JORDÃO; PESSÔA, 2009).
A resolução número 430 (CONAMA, 2011) classifica óleos e graxas como substâncias solúveis em hexano. Esta também define os padrões de lançamento de efluentes oriundos de sistema de tratamento de esgotos sanitários, que estão detalhadas no Quadro 2.
Padrão de qualidade Condição de lançamento
pH Entre 5 e 9
Temperatura Menor que 40º C, e o corpo receptor não deverá variar mais que 3º C no limite da zona de mistura
Padrão de qualidade Condição de lançamento Materiais sedimentáveis Até 1 mL/L
Substâncias solúveis em hexano Até 100 mg/L
Materiais flutuantes Ausentes
DBO, 5 dias, 20ºC Máximo de 120 mg/L, podendo ser maior caso o efluente do sistema de tratamento tenha eficiência de remoção mínima de 60% de DBO, ou mediante estudo de autodepuração do corpo hídrico comprovando atendimento às metas de enquadramento do corpo receptor
Quadro 2 – Condições e padrões de lançamento dos efluentes oriundos de sistema de tratamento de esgoto
Fonte: CONAMA 430/2011
2.2 OS IMPACTOS RELACIONADOS A ÓLEOS, GRAXAS E GORDURAS
Segundo Jordão e Pessôa (2009), é necessário a remoção de gorduras para evitar diversos problemas relacionados ao processo de tratamento dos esgotos. As gorduras, graxas e óleos, se presentes em grande quantidade, podem trazer problemas como a obstrução dos coletores, aderência em peças especiais da rede de esgoto (como é possível verificar nas Figura 1 e Figura 2), aspectos desagradáveis nos corpos receptores, odores desagradáveis, problemas no funcionamento dos dispositivos de tratamento e outros. Somente na cidade de Curitiba, todo mês há 1730 casos, em média, de obstrução da rede coletora por acumulo de gordura. Cada manutenção desta custa R$ 230,20 para Sanepar, gerando um custo anual de 4,8 milhões de reais (AGÊNCIA DE NOTÍCIAS DO PARANÁ, 2013).
Metcalf e Eddy (2004) citam o problema da saponificação em esgotos. Segundo os autores, a baixa solubilidade de gorduras diminui a taxa de degradação microbiana, podendo levar os ácidos minerais presentes reagirem, resultando em ácidos graxos e glicerina. Se houver a presença de substâncias básicas no esgoto, como hidróxido de sódio, pode ocorrer a reação de saponificação. Nessa reação, a
gordura e os álcalis reagem, e formam-se sais alcalinos provenientes dos ácidos graxos e glicerina. Esses sais básicos são conhecidos como sabões, os quais geralmente são solúveis. No entanto, caso haja uma concentração de cátions multivalentes no esgoto, os sais de sódio podem reagir tornando-se sais de cálcio e magnésio, formando sabões minerais, os quais precipitam e são insolúveis.
Figura 1– Rede coletora de esgoto obstruída por gordura Fonte: Site da Agência de Notícias do Paraná, disponível em
Figura 2 – Tubulação obstruída por óleo, graxas e gordura
Fonte: Site da cidade de Gallup disponível em <http://www.gallupnm.gov/ images/pages/N526/FOG%20-%20pict%202.jpg> Acesso dia 15/05/2016
Nas estações de tratamento de esgoto, uma parcela desses óleos e gorduras é separada nos decantadores primários ou em unidades flotação, se existentes. Porém, a maior parte das estações de tratamento não faz a remoção dessas substâncias nessa etapa e, muitas vezes, esse material graxo mistura-se com o lodo a ser tratado nos digestores anaeróbios (NUVOLARI et al., 2011).
Nuvolari et al (2011), afirmam que as gorduras, se em grande quantidade, causam problemas nos digestores, pois formam uma camada de escuma superficial, dificultando a biodegradação do lodo, isso é visível na Figura 3. E caso essas substâncias não sejam degradadas no digestor anaeróbio, e seguirem para as unidades de desidratação de lodo, elas podem trazer problemas nessa operação.
Figura 3– Escuma e gordura em estação de tratamento de esgoto
Fonte: Petr Grau, Aquanova International Ltd, disponível em < http://www.aquanova.cz/ images/SPL.jpg>, acesso 15/05/2016.
Outro problema está relacionado a alguns óleos derivados do petróleo e do alcatrão de carvão, como querosene, lubrificantes e outros, os quais possuem uma grande quantidade de carbonos e hidrogênios. Eventualmente esses óleos chegam até o esgoto em quantidades consideráveis, devido ao descarte indevido que podem ocorrer em garagens, oficinas mecânicas, e similares (METCALF & EDDY, 2004).
A maior parte desses lubrificantes acaba escoando com as águas residuais, mas uma porção é retida pelo lodo de sedimentação. Esses óleos minerais tendem a criar uma película na superfície do esgoto com um grau superior, quando comparado com as gorduras, óleos e sabões. Isso causa problemas de manutenção no sistema de esgoto e interferem diretamente nos processos biológicos do mesmo (METCALF & EDDY, 2004).
Procura-se evitar uma concentração maior que 20 mg/L de óleos, graxas e gorduras, a fim de evitar a morte dos microrganismos responsáveis por parte do tratamento do esgoto. As gorduras acabam se aglutinando aos flocos biológicos, impedindo a entrada de oxigênio, asfixiando as células bacterianas (NUVOLARI et al, 2011).
Além dos problemas técnicos já mencionados anteriormente, existem também os riscos à saúde, relacionados à exposição direta aos óleos. Havendo contato, há chances de ocorrerem irritações dermatológicas, doenças respiratórias e o aumento de risco de alguns tipos de câncer (Tolbert et al., 1992; Schroeeder et al., 1997; Young et al., 1997).
Atualmente, há uma enorme produção mundial de lubrificantes, estimada entre 250.000 a 300.000 m³ por ano, cuja a maior parte é descartada deliberadamente em solos e águas superficiais, após sua utilização. Esses poluentes podem acarretar diversos problemas (AMARANTE JR et al., 2006).
Por exemplo, 1 litro de óleo despejado em águas produz um filme extremamente fino, de alguns micrômetros, cobrindo uma área de aproximadamente 1000 m². Isso reduz a entrada de luz solar e a oxigenação, impedindo o desenvolvimento da vida aquática. Além disso, óleos e graxas podem se acumular em praias e margens de rios, conforme é verificado na Figura 4, trazendo, além dos problemas já mencionados, um problema estético (AMARANTE JR et al., 2006).
Figura 4– Camada de gordura do esgoto doméstico próximo a Pedra do Arpoador, no Rio de Janeiro
Fonte: Jornal Online O Globo, disponível em: < http://oglobo.globo.com/eu-reporter/mancha-de-esgoto-polui-mar-junto-pedra-do-arpoador-6999482>, acesso em 12/05/2016.
2.3 FORMAS DE TRATAMENTO
Imhoff (1986) afirma que todo recipiente que provoque a redução da velocidade da água e apresente uma superfície tranquila, pode funcionar como um dispositivo de retenção de óleos e gorduras.
O desempenho dos dispositivos removedores de óleos, graxas e gorduras, está relacionado às mesmas ações que ocorrem na sedimentação de sólidos, apenas alterando o sentido do processo. A retirada dessas substâncias pode também ser realizada por métodos de flotação por ar dissolvido, podendo receber assistência de injeção de gás, aeração, adição de substancias químicas, coagulação e floculação (JORDÃO; PESSÔA, 2009).
Jordão e Pessôa (2009) listam algumas características importantes para esses dispositivos, como: ter uma boa capacidade de acumulação de gordura entre cada operação de limpeza; Condições de tranquilidade no fluxo, para permitir a flutuação do material gorduroso; Distância mínima, entre os dispositivos de entrada e saída, para reter as gorduras e graxas, evitando que o material seja arrastado com o efluente; isolamento, a fim de evitar o contato entre insetos, roedores e outros seres vivos.
Existem diversas formas para realizar a remoção de gorduras de esgoto. Jordão e Pessôa (2009) classificam 6 dispositivos que realizam tal função, eles são: Caixa de gordura domiciliar, Caixa de gordura Coletiva, Separadores de óleo, Tanques aerados por ar comprimido, Dispositivo de remoção de gordura em decantadores e Tanques de flotação por ar dissolvido. Esses dispositivos, independentemente da sua localização no sistema, deverão garantir condições favoráveis à retenção de gorduras e facilitar a remoção das mesmas.
2.3.1 Caixa de gordura
Segundo a NBR 8160 (ABNT, 1999), a definição de caixa de gordura é “Caixa destinada a reter, na sua parte superior, as gorduras, graxas e óleos contidos no
esgoto, formando camadas que devem ser removidas periodicamente, evitando que estes componentes escoem livremente pela rede, obstruindo a mesma”.
As caixas retentoras de gordura são aparelhos, os quais permitem a separação de parte dos óleos, gorduras e graxas presentes no esgoto. As caixas podem ser feitas de concreto, alvenaria de tijolo, ferro fundido, fibrocimento e PVC (MACINTYRE, 1996). Seu funcionamento é baseado na flotação natural, dado o fato que as gorduras possuem uma massa específica inferior à da água, conforme consta no Quadro 3.
.
Óleos e gorduras Densidade Relativa
Óleo de algodão 0,880 a 0,930 Óleo de soja 0,930 a 0,980 Óleo de linhaça 0,930 a 0,940 Óleo de cereais 0,924 a 0,930 Óleo de palma 0,924 Óleo de coco 0,925 Azeites 0,912 a 0,918 Banha de porco 0,960 Sebo Animal 0,918
Quadro 3 – Densidade de óleos, azeite e gorduras (15,6 °C) Fonte: Adaptado LENCASTRE (1972) apud GNIPPER (2008)
A flotação consiste na separação de partículas sólidas de um líquido. A flotação natural é um processo de elevação por somente a ação da gravidade. Pode ser comparada como processo inverso da sedimentação gravitacional ou decantação natural, com respostas similares as das partículas em suspensão (FAIR et al., 1979 apud GNIPPER, 2008)
Segundo a American Society of Plumbing Engineers (ASPE, 2013), há uma relação entre a velocidade de flotação das partículas de gordura e sua massa específica. Caso a diferença entre a massa específica do óleo for próximo a massa específica do afluente, as partículas de gordura levarão mais tempo para deslocarem
para a superfície. O contrário também é valido, caso a diferença entre as massas específicas forem grandes, a ascensão das gorduras será mais rápida. Além disso, a velocidade de ascensão é inversamente proporcional à viscosidade do esgoto, portanto a taxa de separação será menor quando o efluente for mais viscoso e vice-versa.
A ASPE (2013) ainda afirma que a temperatura é um fator importante para a separação das gorduras, sendo velocidade de ascensão diretamente proporcional à temperatura, pois as gorduras, quando estão quentes ou aquecidas, ficam com menos arrasto, e mais leves que a água. Em uma temperatura mais elevada, as partículas de óleos, graxas e gorduras, tendem a subirem mais rapidamente, e em temperaturas mais baixas, essa velocidade diminui. Assim como a temperatura influencia na densidade das partículas de óleo. O quadro 4 mostra o tempo de ascensão de óleos, relacionando com sua massa específicas e seu diâmetro.
Tempo de Viagem para uma Distância de 3 Polegadas, a uma Temperatura controlada (h:min:seg)
Diâmetro da gotícula (micrómetro)
Óleo (tempo de ascensão) massa específica 0,85 Óleo (tempo de ascensão) massa específica 0,9 300 00:00:12 00:00:15 150 00:00:42 00:01:03 125 00:01:00 00:01:27 90 00:01:54 00:02:54 60 00:04:12 00:06:36 50 00:06:18 00:09:18 40 00:09:36 00:14:24 30 00:17:24 00:25:48 20 00:38:46 00:58:08 15 01:08:54 01:43:22 10 02:35:02 03:52:33 5 10:02:09 15:30:14 1 258:23:53 387:35:49
Quadro 4 – Tempo de ascensão de partículas de óleos Fonte: Adaptado American Society of Plumbing Engineers (2013)
As caixas de gordura são normalmente dimensionadas para reter a vazão do afluente durante um intervalo de tempo predeterminado. É possível determinar o cálculo para área de uma caixa de gordura, em função da velocidade mínima de ascensão (flotação), correspondente a velocidade da menor partícula que se deseja reter (JORDÃO; PESSÔA, 2009). Logo, pode-se determinar a área de uma caixa de gordura pela equação 1:
Área (m2) = Vazão (
m3 h )
Velocidade mínima de ascensão (mh) (1).
Portanto, o funcionamento de uma caixa de gordura, baseada na flotação natural, pode ser resumida ao diagrama da Figura 5.
Figura 5– Diagrama Esquemático de Funcionamento de Caixa de Gordura Fonte: Adaptado American Society of Plumbing Engineers (2013)
Outro aspecto de suma importância nas caixas de gordura é o tempo de retenção hidráulico. Tomaz (2011) afirma que o tempo de detenção deve ser suficiente para que os óleos, graxas e gorduras sejam emulsionados, separados e flutuem na
superfície do efluente. Segundo a ASPE (2013), o tempo de detenção hidráulico, resume-se ao tempo teórico que o líquido é mantido, neste caso, na caixa de gordura. Utiliza-se a equação 2 para definir o volume da caixa de gordura, sendo uma das variáveis o tempo de detenção hidráulica:
V = QP 7.48 (2). onde: Q: vazão (gpm),
P: Período de retenção em minutos V: volume em pés cúbicos (ft³).
Metcalf e Eddy (2004) recomendam que o tempo de detenção hidráulica deve ser no mínimo de meia hora, para que a caixa de gordura coletiva seja efetiva na flotação. Nunes apud Tomaz (2011) informa que o tempo de detenção deve estar entre 3 a 5 minutos, caso a temperatura for abaixo de 25°C. Nota-se uma diferença significativa entre os tempos, que pode ser interpretado pelo fato dos autores utilizarem métodos diferentes para o cálculo das caixas de gordura, embora o princípio seja o mesmo.
Uma outra forma para dimensionar caixas de gordura, adotando o tempo de detenção hidráulica é dada pela equação 9:
V = 1,5xQxtx0,60 (3).
Onde:
V: volume da caixa (m³) Q: vazão média (m³/h)
t: tempo de detenção hidráulica em horas
0,60: equivalente a 60% de água que passará na caixa 1,5: coeficiente de pico.
Adotando um tempo de detenção hidráulica e com a vazão do esgoto, obtém-se um volume. Calcula-obtém-se também uma área, dada pela equação 1, adotando-obtém-se a
largura uma vez e meia maior que a base, define-se a área superficial, o volume definirá a altura da caixa (NUNES apud TOMAZ, 2011).
Há vários fatores que complicam e diferenciam aplicação prática do dimensionamento com a teoria da flotação. Um deles é a turbulência inevitável na entrada do dispositivo. Esse efeito pode ser reduzido com um projeto que consiga distribuir o afluente o mais uniforme possível. Há também problemas de turbulência na saída, mas é menos pronunciada que os efeitos na entrada (ASPE, 2013).
Para um bom dimensionamento de uma caixa de gordura, o engenheiro precisa não apenas ter experiência na área, mas também precisa conhecer muito bem as leis e códigos que definem os padrões aceitáveis para a retenção de gordura, além do conhecimento da vazão de esgoto de diversos edifícios e empreendimentos similares ao que se deseja projetar a caixa de gordura (ASPE, 2013).
A altura da caixa de gordura tem efeito sobre a eficiência, pois uma profundidade menor proporciona um caminho menor para a flotação das partículas de gordura, o que é algo positivo, mas pode acarretar em uma área maior. Como já mencionado, a entrada e a saída requerem um cuidado por parte do projetista, na entrada é necessário distribuir uniformemente o liquido na seção transversal da caixa, a fim de evitar curto-circuito da corrente (ASPE, 2013).
Para a manutenção, é necessário fazer uma limpeza periódica e uma remoção da gordura acumulada, conforme registrado na Figura 6, evitando que as substancias sejam levadas com o efluente. Recomenda-se que não se utilize mais que 75% do volume da capacidade de retenção da caixa de gordura. O descarte do material acumulado pode ter dois destinos, ser enterrado, ou ser aproveitado em industrias de sabão e glicerina (JORDÃO; PESSÔA, 2009).
Figura 6– Limpeza de caixa de gordura domiciliar pré-fabricada Fonte: Foto por Flavio Bentes Freire
Segundo Macintyre (1996, p. 139), as caixas de gordura devem possuir “fecho hídrico não-sinfonável e deverão ser fechadas hermeticamente, com tampa removível”. Esta deve possuir duas câmaras, uma receptora e outra vertedoura, que se comunicam apenas no inferior do dispositivo, a no mínimo 20 cm abaixo da superfície livre do efluente. Não se pode utilizar septos removíveis, pois podem dar acesso a gases de esgoto. Alguns projetos e modelos são verificados na Figura 7.
Figura 7– Modelos de Caixa de Gordura Fonte: Jordão e Pessôa (2009, p. 216).
A NBR 8160 (ABNT, 1999) enumera alguns fatores que devem ser levados em consideração no dimensionamento da caixa de gordura. Caso a coleta de gordura seja de apenas uma cozinha, poderá ser utilizada uma caixa de gordura pequena ou simples. Para duas cozinhas, pode ser usada uma caixa de gordura simples ou dupla. De 3 até 12 cozinhas, deve ser utilizado uma caixa de gordura dupla, e por fim, para
a coleta de mais de 12 cozinhas, ou ainda, para cozinhas de restaurantes, escolas, hospitais, quartéis, entre outros ambientes, a norma recomenda o uso de caixas de gorduras especiais. As dimensões mínimas, para esses dispositivos, estão discriminadas no Quadro 5. Tipo Diâmetro interno Parte submersa do septo Capacidade de retenção Diâmetro nominal da tubulação de saída Pequena (CGP), Cilíndrica 30 cm 20 cm 18 L DN 75 Simples (CGS), Cilíndrica 40 cm 20 cm 31 L DN 75 Dupla (CGD), Cilíndrica 60 cm 35 cm 120 L DN 100
Quadro 5– Dimensões mínimas para caixas de gorduras cilíndricas Fonte: Adaptado NBR 8160 (ABNT, 1999)
As caixas de gordura especiais, segundo a norma brasileira, devem ser prismáticas, de base retangular, com a distância mínima entre o septo e a saída de 20 cm. A altura molhada deve ser de 60 cm, e a parte submersa do septo de 40 cm. O diâmetro nominal mínimo da tubulação de saída é 100 mm. Por fim, o volume desta classe de caixa de gordura é determinado a partir da equação 4:
V = 2 N + 20 (4).
Onde:
N: quantidade de pessoas servidas pelas cozinhas que contribuem para a caixa de gordura no turno de maior afluxo;
Segundo o catálogo técnico de uma grande empresa de tubos e conexões que desenvolve e comercializa caixas de gordura pré-fabricadas, o dimensionamento destes dispositivos foi feito para atender 1 cozinha residencial, seguindo os critérios especificados na NBR 8160 (ABNT, 1999), sendo classificado como caixa de gordura pequena. Sua capacidade é de 19 L, e suas dimensões são de 558mm x 300mm. Elas são fabricadas em PVC, menos as tampas que são feitas em ABS. A empresa destaca ainda os benefícios deste produto como a fácil instalação, a flexibilidade, facilidade na limpeza, estanqueidade, e outros. A aparência e projeto desta caixa está disponível nas Figuras 8 e 9 e suas dimensões está presente no Quadro 6.
Figura 8– Caixa de gordura pré-fabricada Fonte: Própria
Figura 9– Desenho da caixa pré-fabricada Fonte: Adaptado da ficha técnica fornecedor
Dimensões (mm) Cotas DN 1 100 DN 2 50 DN 3 75 H 567 W 96 X 300 Y 388 Z 217
Quadro 6– Dimensões referente a Figura 9 Fonte: Adaptado da ficha técnica fornecedor
2.3.2 Outras formas de tratamento
Segundo Jordão e Pessôa (2009), em áreas que não possuem acesso às redes de esgoto recorrem a opções econômicas para disposição dos esgotos locais. A mais utilizada é a fossa séptica, processo criado por Jean Louis Mouras em 1860, que é um dispositivo de tratamento de esgoto projetado para receber a contribuição de uma ou várias residências, capaz de tratar o esgoto de maneira compatível com
sua simplicidade e custo. Hammer (1979) define fossa séptica como uma caixa subterrânea de concreto, dimensionada para um período de retenção determinado.
Os mesmos autores dizem que as fossas sépticas possuem as seguintes fases de funcionamento:
a) Retenção do esgoto: o esgoto fica na fossa pelo período determinado racionalmente, podendo variar entre 12 a 24 horas;
b) Decantação do esgoto: durante o tempo em que fica retido, formam-se duas camadas de sólidos. A parte que se sedimenta (cerca de 70% dos sólidos em suspensão contidos no esgoto), é uma substância semilíquida chamada de “lodo”. Já a parte que não se sedimenta (óleos, graxas, gorduras e outros materiais misturados com gases), emerge e permanece na superfície. Esta parcela é denominada “escuma”.
c) Digestão anaeróbia: as duas camadas formadas na etapa anterior são degradadas por bactérias anaeróbias, causando destruição parcial ou total de agentes patogênicos ou de material volátil.
d) Redução de volume do lodo: do processo anterior surgem alguns produtos (gases e líquidos), além de reduzir o volume dos sólidos retidos e digeridos.
Outra maneira de fazer a retirada de óleos e graxas, aumentando a eficiência e/ou quando o efluente possui elevada concentração de óleo, pode-se utilizar os tanques aerados. O dimensionamento deste tipo de tanque é semelhante aos dimensionamentos de caixas de gordura, isto é, a área superficial é uma função da velocidade de ascensão do material e da vazão. Para que tenha sua eficiência maximizada, devido ao melhor aproveitamento da área superficial, este tipo de tanque deve ter forma alongada (JORDÃO; PESSÔA, 2009).
Os mesmos autores afirmam que nos tanques de ar comprimido o ar é insuflado pelo fundo a uma taxa de aproximadamente 4,2 m³ar/m³ de afluente, com auxílio de compressores de ar, tubos perfurados ou difusores ao longo do tanque e o tempo de retenção é de cerca de 180 segundos.
Segundo eles, o tanque deve possuir duas paredes verticais ao longo deste (que não alcançam o fundo, funcionando como chicanas), dividindo o tanque em três câmaras paralelas (sendo que duas das extremidades funcionam como câmara de tranquilização e a central é onde ocorre o efeito de agitação da aeração). E as paredes
laterais devem ser inclinadas, para caso haja sedimentação de partículas, estas retornem à zona de aeração. A escuma formada neste tipo de tanque é retirada por calhas coletoras, e dependendo da quantidade, dispositivos raspadores de superfície auxiliam neste trabalho, encaminhando a escuma até a calha.
Com princípio semelhante ao sistema anterior, os tanques aerados com ar dissolvido se diferenciam em alguns aspectos como posicionamento e funcionamento na estação de tratamento (podendo ser durante o tratamento físico-químico, durante o tratamento de lodos ativados, pós tratamento de um sistema anaeróbio ou como processo de adensamento de lodo ativado em excesso) e também na maneira como o ar é adicionado ao sistema, além de ter etapas como floculação e coagulação, que facilitam o arrasto do material pelas microbolhas (JORDÃO; PESSÔA, 2009).
Segundo os mesmos autores, o ar é dissolvido sob pressão no esgoto a tratar (em todo o efluente, quando as instalações são pequenas ou em partes deste, quando as instalações são maiores). Quando liberado no tanque de flotação à pressão atmosférica, microbolhas da faixa de grandeza de 10 a 100mm são formadas e estas carregam a matéria em suspensão, graxa ou flutuante para a superfície, formando escuma, que é retirada por um braço raspador apropriado e coletada em dispositivos especiais para ser removida.
2.4 PESQUISAS ENVOLVENDO REMOÇÃO DE GORDURA
Gnipper (2008), avaliou a eficiência das caixas retentoras de gordura prescritas pela NBR 8160 (ABNT, 1999). O autor afirma que “a caixa de gordura pequena prescrita pela NBR 8160 (ABNT, 1999) apresenta muito pouca eficiência prática, atuando mais como mera caixa de passagem ou como caixa de inspeção sifonada, sem exercer a função objetiva a que se propõe”. Além disso, Gnipper comenta que a câmera vertedoura (saída) deveria ser modificada, a fim de facilitar manutenções, procurando manter as condições favoráveis dentro da caixa de gordura, evitando turbulências, correntes de curto-circuito e uniformidade das velocidades de aproximação das linhas de fluxo.
Freitas et al. (2014), também analisaram caixas de gordura seguindo a prescrição da NBR 8160 (ABNT, 1999). Foram utilizados dois tipos de caixa, uma pré-fabricada, pequena de 19 L, e outra de maior porte, com 54L e maior área superficial. Tais caixas resultaram em um tempo de detenção hidráulica entre 3 a 60 segundos, sendo que o recomendado é de 180 segundos. No que tange a retenção de óleos e gordura a eficiência ficou abaixo dos 75% em ambas as caixas.
Ambos os trabalhos demonstram uma insatisfação com as caixas de gordura. Freitas et al. (2014), concluem que as caixas de gordura não apresentam uma eficiência significativa no tratamento (em relação aos parâmetros analisados). Gnipper (2008), sugere que seja feita uma revisão da NBR 8160 (ABNT, 1999), alterando-se os critérios geométricos e volumétricos, a fim de melhorar a eficiência de das caixas.
3 MATERIAIS E MÉTODOS
Conforme consta nos objetivos, o intuito desse trabalho foi desenvolver e analisar um protótipo de caixa de gordura com chicanas (PGCC), fazer ensaios comparativos entre o mesmo protótipo de caixa de gordura, porém sem chicanas (PGSC) e a caixa de gordura pré-fabricada (CGPF). Para as análises comparativas, foi definido em manter o mesmo tempo de detenção hidráulica médio para todas as caixas, e então comparar a diferença entre a concentração de óleo retida na caixa e a concentração do efluente. O desenvolvimento do projeto, a execução da caixa, a solução utilizada e a forma como o experimento foi conduzido, estão descritos a seguir.
3.1 CAIXA DE GORDURA
A caixa foi desenvolvida baseada nas caixas pré-fabricadas já mencionadas. Primeiramente foi analisado o projeto das caixas pré-fabricadas, levando em consideração caraterísticas como volume, área, tempo de detenção hidráulica, entre outros. Esses dados foram utilizados como referências nas equações de dimensionamento.
O protótipo foi definido como prismático, sendo de compensado naval. As placas foram fixadas com pregos, cantoneiras e parafusos e a vedação foi feita com adesivo selante de silicone. O dimensionamento foi feito a partir de um volume de base, próximo ao das caixas de gordura pré-fabricadas, e foram feitas iterações, com o volume fixo, para alcançar as dimensões desejadas. A opção de manter o volume igual ou próximo ao das caixas pré-fabricadas, foi tomada para que não fosse necessárias grandes alterações nas vazões, para o mesmo tempo de detenção hidráulica nos ensaios das caixas.
A seção transversal foi definida como quadrada, ou seja, com dimensões de altura e largura iguais, devido ao fato da CGPF ser cilíndrica, ou seja, com uma das faces simétrica. Foi determinado o comprimento interno de 50 cm, pois é um valor
próximo da maior dimensão da caixa pré-fabricada. Portanto, para manter um volume próximo aos 20 litros, a altura e a largura internas foram definidas como 20 cm.
Após essa primeira definição de dimensões, foi necessário fazer certas correções, pois o protótipo estava dimensionado para o volume útil sendo igual ao volume total. Como o recomendado é uma utilização de 60% do volume total da caixa para o volume de efluente, foram alteradas as dimensões da seção transversal de 20 para 26 centímetros. Com um novo volume total igual a 33,8 litros, mas mantendo o volume útil próximo a 20 litros. O projeto da caixa de gordura é apresentado nas Figuras 10, 11, 12 e 13.
Figura 10 – Perspectiva do projeto “As built” do protótipo desenvolvido (dimensões em milímetros)
Figura 11– Seção do projeto “As built” do protótipo desenvolvido (dimensões em milímetros)
Figura 13 – Detalhes de entrada e saída do projeto “As built”, do protótipo desenvolvido (dimensões em milímetros)
O material foi definido como madeira compensada tipo naval (espessura 10 mm), por suas características e comportamento com água e umidade, pelas praticidades do processo construtivo, e pelo preço acessível. A escolha do material foi baseada no processo construtivo e nos custos, pois procurou-se avaliar o formato da caixa. Como sua utilização seria apenas nos ensaios, sua resistência mecânica, seja quanto ao contato com os líquidos ou outras intempéries, não foi crucial para a escolha do material. A entrada e saída foram em tubulação de PVC de DN75.
Foi necessário desenvolver uma forma para que as chicanas pudessem ser fixadas, servindo de obstáculo para o fluxo. Estas fixações foram feitas através de tiras de compensado de 2,5 cm pregadas internamente à caixa, com espaçamento de 0,6cm (tamanho das chicanas), formando um sistema de gavetas, com trilhos em madeira compensada, conforme Figura 14. Essas chicanas precisaram ser travadas de forma que não se deslocassem com a corrente, e também para que fosse viável realizar modificações nas dimensões, espaçamento e quantidades
Figura 14– Detalhe genérico de sistema de fixação das chicanas, do protótipo desenvolvido
As chicanas, também feitas de compensado naval (espessura 6 mm), foram desenvolvidas em formato de “L”, com dimensões de 28 por 26 centímetros, e corte nas dimensões de 9 por 19 centímetros, conforme é apresentado na Figura 15.
As chicanas foram dispostas alternadamente, a fim de criar um fluxo preferencial conforme está apresentado na Figura 16.
Figura 16– Fluxo preferencial na caixa de gordura chicanada
As placas de compensados foram cortadas conforme as dimensões do projeto, com a utilização de uma serra circular de bancada. Para a execução dos trilhos, foram cortados tiras e tacos de compensado, os quais foram pregados em uma base, criando assim o sistema de encaixe, conforme a Figura 14. A fixação e montagem da caixa foram feitas com pregos galvanizados. A caixa pronta pode ser visualizada nas Figuras 17, 18 e 19.
Figura 17– Protótipo de caixa de gordura sem chicanas
Figura 19– Protótipo de caixa de gordura com chicanas
Foram utilizadas cantoneiras para melhorar a estabilidade da caixa, assim como ajustar o prumo das laterais. Para a vedação do protótipo, foi aplicado silicone em todas as interfaces, assim como nos pontos de pregos, parafusos e tubulações. Também foi aplicada uma camada de hidrofugante para tentar reduzir a absorção da mistura e aumentar a durabilidade do protótipo.
3.1.1 Mistura água e óleo
Como água residuária utilizada no experimento, foi estabelecida uma mistura de água (do sistema de abastecimento) e óleo de soja. A massa específica do óleo de soja (917,94 mg/L), foi obtida a partir de uma balança analítica Shimadzu, modelo AUY 220, e uma proveta graduada de base hexagonal, de 25 mililitros. Tarou-se a proveta na balança, e preencheu a proveta com óleo. Obteve-se o valor de 22,9486 gramas em 25 mililitros de óleo.
Foram feitos ensaios com três concentrações iniciais, sendo elas 50 g/L, 100 g/L e 150 g/L, pois, para a forma de análise proposta, a concentração usual de esgoto, indicada pela literatura, é muito baixa, não sendo viável devido as condições de ensaio. Para cada concentração, utilizou-se um único volume em todos os ensaios, havendo a reutilização da mistura em cada ensaio. O volume total de mistura que foi utilizado por ensaio foi de 40 Litros, aproximadamente duas vezes o volume das caixas.
3.1.2 Sistema
Para os ensaios, foram utilizados 3 dispositivos. Um reservatório de entrada, onde seria despejado a mistura água e óleo, a caixa de gordura que seria analisada (CGPF, PGSC ou PGCC), e um reservatório de saída, que continha com o efluente. O esquema do sistema está disponível na Figura 21.
Figura 21– Esquema genérico do experimento
Conforme está indicado na Figura 21, a interligação entre os reservatórios era feita através de tubulações. Entre o reservatório 1 e a caixa de gordura, essa ligação foi feita através de uma mangueira flexível de diâmetro ¾”, e foram utilizados adaptadores e reduções para chegar nos diâmetros DN75 de entrada das caixas. Optou-se pela mangueira flexível para possíveis alterações de altura e posicionamento do reservatório 1 em relação a caixa. A tubulação 2, de saída das caixas, foi feita em tubulação de PVC, simplesmente despejando o líquido diretamente no reservatório, sem nenhum tipo de redutor ou adaptador.
O reservatório 1 foi feito a partir de uma lixeira plástica de 70 Litros, a qual foi adaptado uma torneira. Esse reservatório ficava elevado, em uma altura de 85 centímetros, em relação a caixa de gordura, a qual ficava elevada 35 centímetros em relação ao reservatório 3. Devido a forma como a torneira foi instalada no reservatório 1, ficava retido um volume de 6,35 litros. Portanto, o volume total de mistura era de 46,35 litros, sendo 40 litros para o experimento efetivamente, e 6,35 ficou retido neste volume inutilizado.
3.2 EXPERIMENTO
Os ensaios foram feitos nas 3 caixas (CGPF, PGCC e PGSC), para cada concentração da mistura, foram realizados 3 ensaios em cada caixa, sendo 9 em cada concentração (50 g/L, 100 g/L e 150 g/L), totalizando 27 ensaios. Nestes ensaios, as caixas estudadas iniciaram o ensaio vazias e foram preenchidas por efluente e, após isto, recebeu cerca de mais uma vez o seu volume útil. Conforme já mencionado anteriormente, o volume passante pelas caixas era de aproximadamente 40 Litros. A comparação foi feita mantendo o tempo de detenção hidráulica médio constante para as três caixas.
3.2.1 Comparação de retenção relativa
Para a comparação das caixas, determinou-se em manter o tempo de detenção hidráulica constante em todas as caixas. O TDH ficou fixado em 500 segundos, com uma variação de 5 segundos para mais ou para menos. O valor foi definido por estar dentro da faixa indicada para um bom funcionamento das caixas de gordura, segundo a literatura anteriormente referenciada.
A vazão foi variável, pois apenas deixou-se a mistura escoar do recipiente, com a altura de carga variando, com a vazão no começo do ensaio era maior que a vazão ao final do ensaio. A vazão média ficou em torno de 0,04 L/s.
O líquido era agitado manualmente sem interrupções, durante todo o ensaio, para deixar a mistura mais homogênea possível, proporcionando assim a pior situação para as caixas. Após cada ensaio, com a utilização de um frasco graduado, foram feitas três leituras do volume de óleo sobre o volume total da mistura, retido dentro da caixa de gordura analisada. O mesmo procedimento de leitura repetiu-se para a mistura do reservatório 3. Para a retenção relativa de gordura, utilizou-se a equação 5:
𝑅 =
(𝑐1−𝑐2)𝑐1
∗ 100
(5). Onde:R = Retenção relativa de gordura, em porcentagem
C1 = Concentração de óleo e água retido na caixa de gordura
C2 = Concentração de óleo e água do efluente.
Optou-se em utilizar a retenção relativa, a fim de minimizar possíveis erros e leituras erradas, devido a problemas como por exemplo: a perda de óleo entre os ensaios, a absorção de óleo pela madeira, entre outros. Portanto, a análise por retenção relativa desconsidera tais variações, dando um valor relativo de retenção sem levar em consideração a concentração inicial da mistura, a qual poderia ter sofrido variações entre os ensaios.
Após os dados dos ensaios serem devidamente anotados, compilou-se em tabelas de arquivo eletrônico, e ponderou-se os devidos erros. O erro sistemático do frasco graduado utilizado é de 12,5 ml, e o erro aleatório é variável para cada grupo de ensaio. Calculou-se também a propagação de erros e fez-se todos os tratamentos estatísticos, a fim de uma precisão melhor e resultados mais coerentes.
4 RESULTADOS E DISCUSSÕES
Os ensaios realizados conforme descritos neste trabalho. Na Tabela 1 está expresso o resumo destes, já com tratamento estatístico, levando em consideração erros aleatórios e sistemáticos, e estão separados por concentração e caixa de gordura avaliada.
Tabela 1 – Resumo das concentrações e retenções relativas dos ensaios
Caixa analisada
Caixa Pré-fabricada 66,9 ± 6,0 45,4 ± 6,0 32,1% ± 8,6%
Protótipo sem chicanas 76,0 ± 6,6 26,3 ± 6,5 65,4% ± 4,2%
Protótipo com chicanas 84,6 ± 7,2 2,8 ± 6,3 96,7% ± 0,4%
Caixa Pré-fabricada 146,5 ± 8,1 100,8 ± 7,4 31,2% ± 5,1%
Protótipo sem chicanas 192,2 ± 7,5 22,5 ± 6,5 88,3% ± 0,6%
Protótipo com chicanas 217,3 ± 9,2 7,1 ± 6,6 96,7% ± 0,2%
Caixa Pré-fabricada 274,9 ± 6,8 106,3 ± 8,4 61,3% ± 1,5%
Protótipo sem chicanas 336,9 ± 9,2 18,6 ± 6,9 94,5% ± 0,2%
Protótipo com chicanas 346,8 ± 7,3 12,9 ± 6,3 96,3% ± 0,1%
Retenção relativa (%)
co n ce n tr aç ão in ic ia l d o a fl u en te 5 0 g /L co n ce n tr aç ão in ic ia l d o a fl u en te 1 0 0 g /L co n ce n tr aç ão in ic ia l d o a fl u en te 1 5 0 g /LMédia da concentração
passante no efluente (g/L)
Média da concentração
Analisando os valores para a CGPF verifica-se que a concentração no efluente aumenta juntamente com a concentração inicial do afluente, porém a quantidade retida também aumenta. Pode-se verificar que a retenção relativa da caixa manteve-se praticamente constante nas concentrações de 50g/L e 100g/L, porém quase dobrou na concentração de 150g/L, como pode ser visto na Figura 22.
Figura 22– Gráfico das concentrações de óleo retida na caixa e no efluente (g/L), da retenção relativa (%) e em função da concentração do afluente, referente à caixa de gordura pré-fabricada
E quando a análise é feita para a PGSC, percebe-se que o valor de concentração de óleo no efluente manteve-se praticamente constante. Com isto, pode-se afirmar que a caixa de gordura não teve influência no que diz à concentração de óleo que passa por ela. Nota-se que a eficiência aumenta juntamente com a concentração. No PGCC, a concentração no efluente aumenta levemente conforme a concentração inicial do afluente, porém proporcionalmente com a concentração da mistura que ficou retida na caixa, fazendo com que a eficiência se mantivesse constante. Estes dados são apresentados na Figura 23 e 24, respectivamente.
0,00% 10,00% 20,00% 30,00% 40,00% 50,00% 60,00% 70,00% 80,00% 90,00% 100,00% 0,0 50,0 100,0 150,0 200,0 250,0 300,0 50g/L 100g/L 150g/L
Retenção relativa da CGPF e Concentrações no efluente e retida na caixa
Figura 23– Gráfico das concentrações de óleo retida na caixa e no efluente (g/L), da retenção relativa (%) e em função da concentração do afluente, referente ao protótipo de caixa de gordura sem chicanas
Figura 24– Gráfico das concentrações de óleo retida na caixa e no efluente (g/L), da retenção relativa (%) e em função da concentração do afluente, referente ao protótipo de caixa de gordura com chicanas
0,00% 10,00% 20,00% 30,00% 40,00% 50,00% 60,00% 70,00% 80,00% 90,00% 100,00% 0,0 50,0 100,0 150,0 200,0 250,0 300,0 350,0 400,0 50g/L 100g/L 150g/L
Retenção relativa do PGSC e Concentrações no efluente e retida na caixa
Retido na caixa Efluente Retenção relativa
0,00% 10,00% 20,00% 30,00% 40,00% 50,00% 60,00% 70,00% 80,00% 90,00% 100,00% 0,0 50,0 100,0 150,0 200,0 250,0 300,0 350,0 400,0 50g/L 100g/L 150g/L
Retenção relativa do PGSC e Concentrações no efluente e retida na caixa
Percebe-se que as alterações das concentrações dos afluentes causam diferentes efeitos nas caixas. Na CGPF fez com que a retenção relativa aumentasse, chegando a 61,3 ± 3,2%. No PGSC, apesar da concentração do afluente se manter praticamente constante, a maior alteração aconteceu na concentração retida na caixa, e consequentemente a eficiência aumentou. A retenção relativa variou entre 65,4 ± 9,0 % (na concentração inicial de 50g/L) e 88,3 ± 1,2% (na concentração de 100g/L no afluente).
No PGCC, mesmo mantendo-se constante a retenção relativa, aproximadamente 96%, a concentração de óleo no efluente aumentou. Contudo, mesmo no pior caso, a concentração do efluente ficou em 12,9 ± 6,3 g/L, um resultado melhor quando comparado as outras caixas estudadas.
Quando avalia-se apenas os três modelos de caixas, existe uma variação de eficiência entre elas. Os valores do volume de óleo retido em cada caixa e o volume de óleo passante, sendo o volume total utilizado no ensaio igual a 100%, são apresentadas nas Figuras 25, 26 e 27, nas três concentrações iniciais da mistura (50g/L, 100g/L e 150g/L).
Figura 25 – Porcentagem de volume de óleo retida nas caixas e que chegou ao efluente, tendo o afluente concentração de 50g/L de óleo
0% 10% 20% 30% 40% 50% 60% 70% 80% 90% 100% CGPF PGSC PGCC 50g/l
Porcentagem da concentração de óleo no afluente retida nas caixas e que chegou ao efluente (Afluente com 50g/L de óleo)
Figura 26 – Porcentagem da concentração de óleo no afluente retida nas caixas e que chegou ao efluente, tendo o afluente concentração de 100g/L de óleo
Figura 27 – Porcentagem da concentração de óleo no afluente retida nas caixas e que chegou ao efluente, tendo o afluente concentração de 150g/L de óleo
0% 10% 20% 30% 40% 50% 60% 70% 80% 90% 100% CGPF PGSC PGCC 100g/l
Porcentagem da concentração de óleo no afluente retida nas caixas e que chegou ao efluente (Afluente com 100g/L de óleo)
Caixa Efluente 0% 10% 20% 30% 40% 50% 60% 70% 80% 90% 100% CGPF PGSC PGCC 150g/l
Porcentagem da concentração de óleo no afluente retida nas caixas e que chegou ao efluente (Afluente com 150g/L de óleo)
Houve grande diferença de eficiência nos três tipos de caixa de gordura, como pode-se verificar na Figura 28. A maior delas aconteceu quando a concentração de óleo no afluente foi menor (50g/L), com valores de eficiência que foram de 32,1 ± 17,2% na CGPF, 65,4 ± 8,4% no PGSC e 96,71 ± 0,74% no PGCC.
Figura 28 – Gráfico da retenção relativa das caixas de gordura (em %) em função da concentração de óleo no afluente (em g/L)
Os ensaios entre as diferentes caixas podem ser observados nas Figuras 29, 30 e 31. 0,0% 20,0% 40,0% 60,0% 80,0% 100,0% 50g/L 100g/L 150g/L
Retenção relativa das caixas de gordura x concentração de
óleo do afluente
Figura 29– Concentração de gordura retida na caixa e no efluente (para a CGPF)
Figura 31 – Variação de concentração de óleo no líquido dentro da caixa de gordura (para o PGCC)
É possível perceber que há influência do formato da caixa na retenção de óleo e na quantidade que acaba passando pela caixa, inclusive no momento do ensaio essa característica foi perceptível baseada somente no aspecto visual das amostras, como pode ser observado nas Figuras 29, 30. Na Figura 31 nota-se que o líquido dentro do protótipo com chicanas apresenta variação do início para o final, situação que pode ocorrer devido à baixa possibilidade de mistura do líquido facilmente, diferentemente de como ocorre nas outras caixas
5 CONCLUSÃO
O desenvolvimento deste trabalho de conclusão de curso fornece informações que permitem concluir que as caixas com formato prismático apresentam resultados muito melhores do que as caixas de gordura pré-fabricadas de formato cilíndrico, quando as concentrações de óleos e graxas no afluente são relativamente pequenas. Conforme esta concentração aumenta, todas as caixas apresentam resultados melhores, porém com valor absoluto de concentração de gordura no efluente maiores, ou seja, se a concentração de gordura aumenta no afluente, há grandes chances dela também aumentar no efluente.
Também é possível afirmar que as chicanas melhoram os resultados das caixas de gordura quando as concentrações no afluente são menores, porém, quando estas aumentam, apenas o formato apresenta grande influência sobre a eficiência.
Com todas estas afirmações, pode-se dizer que as caixas de gordura prismáticas apresentam resultados muito melhores que as caixas cilíndricas comumente utilizadas (com diferença de, no mínimo 33,1 ± 3,4%).
Por fim, sem levar em consideração os custos associados, levando em consideração a eficiência das caixas, recomenda-se a utilização e desenvolvimento das caixas com chicanas, tendo em vista que estas mantiveram uma eficiência quase constante em todas as concentrações, e com resultados muito surpreendentes em concentrações mais baixas. Também é possível sugerir uma revisão das normas brasileiras, tendo em vista a baixa eficiência das caixas pré-fabricadas, que seguem as recomendações mínimas, e que é possível, em um mesmo volume, desenvolver uma caixa de gordura com uma eficiência superior.
Para trabalhos futuros, sugere-se que sejam feitas as seguintes investigações:
Realizar os estudos com efluente de cozinha para obter um resultado mais aproximado da realidade destas caixas e conseguir comparar mais fidedignamente estas;
Realizar estudos com obstáculos que forçariam o fluxo na vertical, e não na horizontal, como foi realizado neste trabalho;
