análise do comportamento da pluma de efluente de - CTEC

ANÁLISE DO COMPORTAMENTO DA PLUMA DE EFLUENTE DE FOSSA
SÉPTICA NO LENÇOL FREÁTICO
Eduardo Lucena Cavalcante de Amorim1; Antonio Pedro de Oliveira Netto2; Márcio Gomes
Barboza3; Cleuda Custódio Freire4.
Resumo – Diante do acentuado crescimento populacional vem sendo observado que a rede coletora
de esgoto está se tornando cada vez mais incapaz de suprir as necessidades da população. Segundo
CASAL (2000) estima-se que o sistema coletor de esgotos sanitários na cidade de Maceió atinge
por volta de 27% da população. Através da ineficiência do sistema de coleta de esgoto a utilização
do sistema fossa séptica/sumidouro pode agravar o problema da qualidade da água subterrânea. O
objetivo deste trabalho consiste na análise do comportamento da pluma de esgoto doméstico tratado
em sistemas de tanques sépticos no lençol freático, utilizando 02 métodos: o experimental, que
consiste na utilização de uma coluna de vidro contendo solo da região estudada, visando analisar em
laboratório o transporte e comportamento de substâncias químicas; e o método numérico, que
consiste na simulação numérica da propagação da mesma pluma no lençol freático utilizando a
ferramenta VisualMODFLOW. A análise de parâmetros estatísticos indicaram êxito na modelagem
do comportamento da pluma de efluente de fossa séptica, possibilitando que simulações fossem
executadas com novos cenários.
Abstract - Ahead of the accented population growth it comes being observed that the collecting net
of sewer is if becoming each time more incapable to supply the necessities of the population.
According CASAL (2000) esteem itself that the collecting system of sanitary sewage in the city of
Maceió reaches for return of 27% of the population. Through the inefficiency of the sewage system
collection the use of the septic system can aggravate the problem of the quality of the groundwater.
The objective of this work consists of the analysis of the behavior of the pen of domestic sewage
treated in systems to septic tanks in the groundwater, using 02 methods: the experimental, that it
1
Mestrando em Hidráulica e Saneamento e bolsista CNPq da Universidade de São Paulo/USP – Rua
Américo Jacomino Canhoto – 175 – Jardim Nova Santa Paula – São Carlos-SP. 13564-350, tel.
(0**16) 3361-1508, [email protected]
2
Mestrando em Hidráulica e Saneamento e bolsista CNPq da Universidade de São Paulo/USP,
[email protected]
3
Professor do Departamento de Construção Civil e Transportes CCT/ CTEC / UFAL,
[email protected]
4
Professora do Departamento de Águas e Energia DAE/ CTEC / UFAL, [email protected]
consists of the use of a glass column contend soil of the studied region, aiming at to analyze in
laboratory the transport and behavior of chemical substances; and the numerical method, that
consists of the numerical simulation of the propagation of the same pen in the groundwater using
the Visual MODFLOW. The analysis of statistical parameters indicated success in the modeling of
the behavior of the effluent pen of septic tanks, making possible that simulations were executed
with new scenes.
Palavras-chave – Lençol freático, fossa séptica, Visual MODFLOW.
INTRODUÇÃO
Mundialmente, o volume de água doce estocado nos mananciais subterrâneos do planeta é
estimado, atualmente, em 10,5 milhões de quilômetros cúbicos. Isto é, desconsiderando a parcela
congelada (cerca de 68,7% da água doce), 98% da água doce disponível encontra-se nos poros e
fissuras milimétricas do subsolo de continentes e ilhas da Terra (SETTI, 2001).
Considerando que nos últimos cinqüenta anos a disponibilidade de água por habitante
diminuiu 60%, enquanto nesse mesmo período a população cresceu cerca de 50% (ASSOCIAÇÃO
BRASILEIRA DE ÁGUAS SUBTERRÂNEAS - ABAS, 2003), a procura pela água subterrânea
aumenta significantemente a cada ano, apesar de ser considerada uma reserva estratégica para a
humanidade. De acordo com o Instituto Brasileiro de Geografia e Estatística – IBGE (RECURSOS
NATURAIS E MEIO AMBIENTE, 1998 citado em Águas Subterrâneas: PROGRAMA DE
ÁGUAS SUBTERRÂNEAS, 2001) estima-se que, no Brasil, 51% do suprimento de água potável
seja originado do recurso hídrico subterrâneo.
A existência de inúmeras doenças de veiculação hídrica causadas pelo lançamento de
poluentes no solo, sendo transportados para os lençóis freáticos, que por sua vez vem sendo
bastante explorados no Brasil de maneira desordenada para o consumo humano, vem despertando a
atenção de muitos pesquisadores.
Em Maceió, diante do seu acentuado crescimento populacional e da falta de investimentos
em saneamento básico, vem sendo observado que a rede coletora de esgoto está se tornando cada
vez mais incapaz de atender as necessidades da população. Estima-se que o sistema coletor de
esgotos sanitários na cidade de Maceió beneficia apenas 170.000 habitantes, por volta de 27% da
população da cidade. Diante desse quadro, cresce o número de sistemas individuais de tratamento
de esgotos através de fossa séptica.
O sistema de tratamento utilizando fossa séptica consiste em câmaras convenientemente
construídas para reter os despejos domésticos e/ou industriais, por um período de tempo
especificamente estabelecido, de modo a permitir sedimentação dos sólidos e retenção do material
graxo contido nos esgotos, transformando-os, bioquimicamente, em substâncias e compostos mais
simples e estáveis. No entanto, estudos realizados (GERBA, 1984) mostram que este tipo de
tratamento primário de esgotos, não atinge eficiências maiores que 50% de redução de sólidos em
suspensão e DBO de 30%, podendo aumentar o risco de contaminação do lençol freático.
A utilização do sistema fossa séptica/sumidouro, em larga escala, pode agravar o problema
da qualidade da água subterrânea em Maceió, face à propagação da pluma dos efluentes domésticos
jogados no solo, percolando até chegar ao lençol freático. Portanto, é de extrema relevância, no
âmbito dos cuidados com as águas subterrâneas, simular o comportamento de poluentes lançados
nos aqüíferos para se evitar ou criar mecanismos de descontaminação, com objetivo de eliminar a
ação do agente poluidor.
O software Visual MODFLOW (Modular Three-Dimensional Finite-Difference GroundWater Flow Model, McDonald e Harbaugh, 1988) será aplicado como uma ferramenta para se obter
a simulação do comportamento da pluma de contaminante no lençol freático. O trabalho utilizará
como estudo de caso solos da área alta de Maceió, situado no bairro do Tabuleiro do Martins. A
região mostra casos reais de contaminação de aqüífero, através de efluentes oriundos do tratamento
do sistema fossa séptica/sumidouro (CASAL, 2000), daí surge a necessidade de estudar e simular o
comportamento do contaminante ao longo do lençol freático, com o objetivo de propor soluções
para remediação e evitar a contaminação de poços perfurados em regiões próximas ao lançamento
da carga poluidora. O modelo representará exatamente o experimento criado em laboratório, para
efeito de correlação e ampliação de sua simulação.
OBJETIVOS
O trabalho tem como objetivo principal analisar o comportamento da pluma de esgoto
doméstico, tratado em sistemas de tanques sépticos, no lençol freático, utilizando 02 (dois)
métodos: o experimental, que consiste na utilização de uma coluna de vidro contendo solo da região
estudada, visando analisar em laboratório o transporte e comportamento de substâncias químicas
posteriormente definidas; e o método numérico, que consiste na simulação numérica da propagação
da mesma pluma no lençol freático utilizando a ferramenta Visual MODFLOW.
Entre os objetivos específicos que são imprescindíveis ao desenvolvimento do trabalho,
destacam-se:
•
Análise da Eficiência de remoção de matéria orgânica na fossa séptica;
•
Obter a direção e o contorno da pluma formada a partir do efluente de fossa séptica.
JUSTIFICATIVA
A humanidade já passou por diversas crises, como de epidemias, de alimentos e de petróleo;
provavelmente, as próximas serão de energia e de disponibilidade de água de boa qualidade. A crise
de disponibilidade de água afetará a irrigação e será afetada por ela. Já surgem disputas pela água: o
uso para irrigação, para hidrelétricas e para consumo humano e industrial. A implantação de vários
projetos de irrigação, sem a prévia quantificação da vazão possível de ser usada, tem acarretado, em
algumas bacias, falta de água para as áreas situadas a jusante. Tem-se chegado ao extremo da total
falta de água para o consumo humano, animal e da fauna, causando sérios impactos ambientais e
conflitos entre os usuários.
Com a crescente competição pela água, alguns setores da sociedade e os movimentos
ecológicos vêm conscientizando a população sobre a importância da preservação do meio ambiente;
a legislação, por sua vez, vem sendo aperfeiçoada. Com isso, deverá haver maior pressão para que a
irrigação seja praticada com maior eficiência e com o mínimo possível de impacto no meio
ambiente, notadamente no que diz respeito à disponibilidade e qualidade de água para as múltiplas
atividades.
As águas subterrâneas são muito importantes, e em múltiplos casos essenciais, para o
fornecimento de água potável de muitas áreas urbanas e rurais da região da América Latina e do
Caribe. Contudo, na maioria dos casos a prevenção da poluição das fontes de águas subterrâneas e a
proteção do conjunto de aqüíferos têm recebido pouca atenção.
Algumas áreas, essencialmente os grandes centros urbanos ou as áreas vizinhas, apresentam
ocorrências de poluição de águas subterrâneas que geram riscos potenciais para a saúde pública e
causam o abandono das fontes existentes de fornecimento de água, com a decorrente perda de
investimento financeiro e de recursos naturais. No referido às águas subterrâneas, a poluição tem
tendência a aparecer devagar, mais é muito persistente e, muitas vezes, a purificação é tecnicamente
problemática, excessivamente custosa e, em geral, pouco prática.
A poluição mais comum das águas subterrâneas associa-se ao saneamento de áreas que não
dispõem de redes de esgoto, à disposição final de efluentes líquidos industriais e às práticas atuais
de cultivo agrícola. O crescente incremento das concentrações de nitratos nas águas subterrâneas e
os freqüentes episódios de penetração na subsuperfície de hidrocarbonetos halogenados voláteis,
constituem um sério perigo para a qualidade da água potável em relação com as guias atuais para a
potabilidade da água estabelecidas.
Através da ineficiência do sistema de coleta de esgoto a utilização do sistema fossa
séptica/sumidouro pode agravar o problema da qualidade da água subterrânea em Maceió, devido à
propagação da pluma dos efluentes domésticos jogados no solo, percolando até chegar ao lençol
freático. É de extrema relevância, no âmbito dos cuidados com as águas subterrâneas, simular o
comportamento de poluentes lançados nos aqüíferos para se evitar ou criar mecanismos de
descontaminação, com objetivo de eliminar a ação do agente poluidor.
METODOLOGIA
Foi criado no Laboratório de Saneamento da UFAL um protótipo contendo um tubo de vidro
com amostra de solo de sumidouro escavado na região alta da cidade de Maceió (Tabuleiro) que
simulou a propagação da pluma de efluente de fossa séptica através do fluxo subterrâneo. Esse
protótipo recebeu efluente de fossa séptica que foi montada em escala de bancada (escala 1/10),
alimentado com esgoto sanitário sintético.
Numa segunda etapa do trabalho, realizou-se uma análise numérica utilizando a ferramenta
Visual MODFLOW da WATERLOO HYDROGEOLOGIC para efeito de correlação com os
estudos feitos em laboratório.
Etapa experimental
O protótipo foi constituído de uma coluna de vidro contendo solo, ligada a uma fossa séptica
de vidro, em escala de bancada de 1/10, onde trata esgoto sintético. O protótipo foi armazenado em
uma câmara com temperatura constante e foi alimentado com esgoto sanitário sintético a uma vazão
de 5,2 mL/min.
Figura 1 - Esquema do protótipo
Figura 2 - Câmara que armazena o protótipo.
Descrição
O experimento contempla duas etapas. A primeira etapa, chamada de experimental, consistiu
na utilização de uma coluna de vidro contendo amostra de solo da região alta de Maceió (Tabuleiro
do Martins), visando analisar em laboratório o transporte e o comportamento de substâncias
químicas, sem análise microbiológica, posteriormente definidas.
A etapa experimental, que consistiu na construção de uma coluna de vidro contendo
amostra de solo e uma fossa séptica, todos em material transparente, para poder ter uma melhor
visualização da experiência.
A segunda etapa, chamada de simulação computacional utilizando o VisualMODFLOW,
consistiu na calibração dos parâmetros do modelo a partir dos dados obtidos em laboratório, para a
simulação de outros cenários.
Coluna de solo
A coluna foi preenchida com amostra de solo. O solo coletado na zona alta de Maceió
(Tabuleiro do Martins) é predominantemente arenoso (97%) com apenas 2% de argila, com pH =
4,5. A Tabela 1 mostra as características físicas e químicas do solo, cujas análises foram realizadas
pelo Laboratório de Mecânica dos Solos - Núcleo de Pesquisas Tecnológicas da UFAL.
Os resultados indicados na Tabela 1 foram obtidos e realizados pelos autores, através de
ensaios de granulometria e pH da amostra do solo coletado para estudo.
Tabela 1 - Características físico-químicas dos solos das colunas
Parâmetro
Solo
Fração do Solo
Argila
2%
Silte
1%
Fração de Areia
Areia fina (0,06-0,2mm)
10%
Areia média (0,2-0,6mm)
55%
Areia grossa (0,6-2mm)
32%
Textura
Arenosa
PH
4,5
A coluna de solo foi montada no Laboratório de Saneamento Ambiental do Núcleo de
Pesquisas Tecnológicas da UFAL. A Tabela 2 mostra o tipo de solo, o comprimento da coluna
montada e o valor médio observado da condutividade hidráulica K.
Tabela 2 - Comprimento e condutividade hidráulica das colunas de solos
Coluna
Comprimento Cond. Hidráulica K
L (m)
(m/s)
0,48
0,00104
Solo
arenoso
Fossa séptica
A fossa séptica foi montada no Laboratório de Saneamento Ambiental do Núcleo de
Pesquisas Tecnológicas da UFAL, feita em vidro na escala de 1/10, com dimensões de 8cm x 25cm
x 150 cm.
Esgoto sintético
Foi adotado esgoto sintético para o experimento, com o objetivo de trazer mais segurança ao
manuseá-lo, caso houvesse algum vazamento, sem trazer prejuízos à saúde do operador. O esgoto
possui as mesmas características do doméstico. Sua composição foi adaptada de TORRES (1992).
O esgoto sintético foi armazenado em refrigerador com objetivo de diminuir a atividade de
degradação microbiológica e manter a concentração inicial.
Análises Físico-Químicas
As análises físico-químicas que foram realizadas nesta pesquisa estão apresentadas,
juntamente com os métodos utilizados para suas determinações e a freqüência das análises, na
Tabela 3.
Tabela 3 - Parâmetros analisados e referências bibliográficas dos métodos.
Parâmetro
Método
Freqüência
Referências
Bibliográficas
pH (unidade)
DQO (mg/L)
Sólidos (mg/L)
Ácidos Voláteis
(mg/L)
Alcalinidade
(mgCaCO3/L)
Potenciométrico
Calorímetro
Gravimétrico
2 vezes por semana
2 vezes por semana
semanalmente
APHA; AWWA;
WPCF (1997)
Titulométrico
semanalmente
Titulométrico
semanalmente
DILLALO &
ALBERTSON (1961)
RIPLEY ET AL.
(1986)
Etapa de simulação
Na etapa de simulação computacional foi realizada uma análise numérica utilizando a
ferramenta Visual MODFLOW da WATERLOO HYDROGEOLOGIC, pois o objetivo foi
encontrar uma correlação entre os estudos desenvolvidos em laboratório e a análise computacional.
Para a fase de análise numérica realizou-se simulação da propagação da pluma de efluente de fossa
séptica na coluna de solo mostrada na Figura 1, tendo como dados de entrada para a simulação, a
DQO afluente da amostra de solo do 82° dia operação do sistema fossa séptica/sumidouro.
Para se processar o software Visual MODFLOW, é necessário que se definam alguns
parâmetros de execução, que são opções selecionadas durante o procedimento de simulação. A
opção inicial para a simulação do fluxo foi o Regime Estacionário de Circulação, onde todos os
parâmetros definidos para o modelo se mantêm constantes ao longo do tempo. A escolha dessa
simulação estacionária foi com o objetivo de se obter um modelo calibrado com base nos níveis
freáticos estáticos medidos nos poços de observação para um determinado período; avaliar os dados
de campo e o modelo hidrogeológico proposto; verificar a sensibilidade do modelo em função da
variação de parâmetros; e produzir, como resultado da simulação, um banco de dados contendo a
distribuição espacial final das cargas hidráulicas, calculadas na simulação.
Considerou-se que o modelo estava calibrado quando os dados empregados na simulação
foram coerentes. Esse processo consistiu na realização de ajustes no conjunto de valores
inicialmente definidos para os parâmetros hidrodinâmicos e condições de contorno, de modo a se
estabelecer um novo conjunto de valores, capazes de permitir ao modelo uma melhor reprodução
das alturas médias dos níveis freáticos observados nos poços monitorados no período de 98 dias de
operação do experimento, representando de forma satisfatória o modelo experimental.
RESULTADOS
Considerações iniciais
A apresentação dos resultados se dará em duas fases distintas. Inicialmente, são
apresentados os resultados dos ensaios de laboratório (sete ensaios de pH e DQO, cinco de sólidos
totais, fixos e voláteis e três de Alcalinidade e ácidos voláteis) realizados no protótipo, quando se
discutem os resultados dos parâmetros de monitoração do sistema fossa séptica – sumidouro e
características do seu afluente e efluente. Também é feita uma discussão sobre o desempenho da
fossa séptica no tratamento de efluente doméstico.
Na segunda fase são apresentados os resultados da simulação feita utilizando o software
visual MODFLOW, fazendo a simulação do comportamento da pluma de contaminante disposto no
solo que se infiltra no lençol freático, para efeito de comparação com o experimento montado em
laboratório.
Avaliação de desempenho do sistema Fossa séptica/Sumidouro – Etapa Experimental
Neste momento serão apresentados os resultados das análises físico-químicas realizadas no
Laboratório de Saneamento da UFAL. Serão mostrados gráficos com variações temporais e
espaciais de pH, alcalinidade, DQO (Demanda Química de Oxigênio), ácidos voláteis e sólidos
totais, fixos e voláteis.
Parâmetros de Monitoramento do Sistema
Foram estudados seis pontos de coleta de amostras no protótipo criado em laboratório. O
ponto 1 corresponde a entrada da fossa séptica, o ponto 2 a saída da fossa séptica, o ponto 3 a
primeira torneira da coluna de solo, o ponto 4 a segunda torneira da coluna de solo o ponto 5 a
terceira torneira da coluna de solo e o ponto 6 a saída da coluna de solo (Ver Figura 1).
pH e Alcalinidade
As variações temporais de pH e alcalinidade no efluente da fossa séptica, conforme
apresentado na Figura 3 e na Figura 4, indicam que o pH esteve sempre em torno da neutralidade.
8,0
7,5
Ponto 1
unidade
7,0
Ponto 2
6,5
Ponto 3
Ponto 4
6,0
Ponto 6
5,5
5,0
50
55
60
65
70
75
80
85
90
95
100
Tempo (dia)
Figura 3 - Variação temporal do pH .
Concentração (mg/L)
O pH no efluente de fossa séptica (ponto 2) variou 6,5 a 7,2, com valor médio de 6,8 e
desvio padrão de 0,061.
50
40
30
Entrada da
Fossa Séptica
20
Saída da Fossa
Séptica
10
0
54
82
98
Tempo (dia)
Figura 4 - Variação temporal da Alcalinidade no protótipo.
A alcalinidade no efluente variou 34,9 a 43,5 mgCaCO3/L, com valor médio igual a 37,9
mgCaCO3/L e desvio padrão de 3,5 mgCaCO3/L.
DQO
As eficiências de remoção de DQO foram determinadas considerando afluente bruto e o
efluente filtrado. A remoção média de DQO, após alcançar o equilíbrio dinâmico aparente, foi da
ordem de 64,3% até o 98° dia de operação do protótipo de fossa séptica. A variação temporal da
Concentração (mg/L)
DQO no protótipo é mostrada a seguir:
1000.0
900.0
800.0
700.0
600.0
500.0
400.0
300.0
200.0
100.0
0.0
PONTO 1
PONTO 2
PONTO 3
PONTO 4
PONTO 5
PONTO 6
45
50
55
60
65
70
75
80
85
90
95 100
Tempo (dia)
Figura 5 - Variação temporal da DQO
No ponto 1, Figura 6, observa-se que a DQO possui dois valores de concentração
considerados elevados quando comparados com esgoto sanitário, no 49° dia de operação foi
encontrado 786.5 mg/L de DQO e no 98° dia 938 mg/L de DQO. Possivelmente, houve
carreamento de partículas sólidas na hora da coleta da amostra, ou erro na preparação do substrato.
Este fato também ocorreu para a DQO filtrada (Figura 6).
1000.0
900.0
Concentração (mg/L)
800.0
PONTO 1
700.0
PONTO 2
600.0
PONTO 3
500.0
PONTO 4
400.0
PONTO 5
300.0
PONTO 6
200.0
100.0
0.0
45
50
55
60
65
70
75
80
85
90
95 100
Tempo (dia)
Figura 6 - Variação temporal da DQO centrifugada
A capacidade de hidrólise dos sólidos em sistemas de tratamento biológicos pode ser
observada através dos resultados de DQO bruta afluente e efluente. Os resultados mostram, através
da Figura 7, ponto 2, que a fossa séptica apresenta características de hidrólise inferior aos sistemas
de tratamento de efluentes utilizando reatores acidogênicos para pré-tratamento de efluentes de
acordo com pesquisa realizada por BARBOZA E FORESTI (2002).
800.0
700.0
DQO(mg/L)
600.0
DQO BRUTA
500.0
400.0
DQO
CENTRIFUGADA
300.0
200.0
100.0
0.0
1
2
3
4
5
6
Ponto de Am ostragem
Figura 7 - Análise espacial da DQO no 47°dia de operação.
O gráfico mostrado na Figura8, que apresenta o perfil espacial da DQO no 82° dia de
operação da fossa a 25ºC, foi traçado considerando a DQO bruta afluente e DQO centrifugada nos
demais pontos do protótipo. A fossa apresentava DQO bruta afluente de 235,6 mg/L no primeiro
ponto (Ponto 1) de amostragem e a DQO efluente (Ponto 2) centrifugada
apresentou uma
concentração de 195,8 mg/L. Estes resultados mostram a baixa capacidade de conversão da parcela
de DQO.
DQO(mg/L)
800.0
700.0
600.0
500.0
400.0
300.0
200.0
100.0
0.0
DQO BRUTA
DQO
CENTRIFUGADA
1
2
3
4
5
6
Ponto de Am ostragem
Figura 8 - Análise espacial da DQO no 82° dia de operação.
Sólidos Totais, fixos totais e voláteis
Os valores médios de sólidos totais no protótipo foram 1115 mg/L no afluente e 658 mg/L
no efluente da fossa séptica, para o período de 82° ao 98° dia de operação, com temperatura de
25°C. Os valores nos mostram uma eficiência de 41% na remoção de sólidos.
Os valores médios de sólidos fixos totais no protótipo foram 622 mg/L no afluente e 307
mg/L no efluente, para o período de 82° ao 98° dia de operação, com temperatura de 25°C. Os
valores nos mostram uma eficiência de 50,6% na remoção de sólidos.
Os valores médios de sólidos voláteis no protótipo foram 493 mg/L no afluente e 351 mg/L
no efluente, para o período de 82° ao 98° dia de operação, com temperatura de 25°C. Os valores nos
mostram uma eficiência de 28,8% na remoção de sólidos.
Esses resultados mostram confirmam que a fossa séptica não tem boa eficiência na remoção
de sólidos comparada com o tratamento de efluentes utilizando filtro anaeróbio de bambú para prétratamento de diversos tipos de efluentes de acordo com pesquisas realizadas por (CAMARGO E
NOUR, 2000).
1400
Concentração (mg/L)
1200
1000
ST
800
SFT
600
SV
400
200
0
1
2
3
4
5
6
Ponto de Amostragem
Figura 9 - Análise espacial dos valores médios de Sólidos Totais, Fixos Totais e Voláteis no 82°dia
de operação.
1400
Concentração (mg/L)
1200
1000
ST (mg/L)
800
SFT (mg/L)
600
SV (mg/L)
400
200
0
1
2
3
4
5
6
Ponto de Amostragem
Figura 10 - Análise espacial dos Sólidos Totais, Fixos Totais e Voláteis no 82°dia de operação.
Ácidos Voláteis
A variação espacial da concentração de ácidos voláteis na fossa séptica, determinada por
titulação, está apresentada na Figura 11. A análise dos resultados quando a temperatura de operação
foi de 25°C foi realizada em duas etapas. A primeira etapa corresponde ao período inicial de
operação até o 82° dia de operação. A segunda etapa compreende o período de operação até o 98°
Concentração (mg/L)
dia.
50
40
30
Entrada da
Fossa Séptica
20
10
Saída da Fossa
Séptica
0
54
82
98
Tempo (dia)
Figura 11 - Variação temporal de Ácidos Voláteis.
O valor médio de ácidos voláteis, determinados por titulação, a partir do equilíbrio aparente
foi de 30,7 mg/L.
Apresentação e Discussão dos Resultados da Simulação Computacional
A Figura 12 mostra o mapa do contorno obtido, após calibração para a camada de solo.
Figura 12 - Mapa com as linhas equipotenciais na camada de solo. Figura gerada pelo Visual
MODFLOW.
Conforme está apresentado no mapa (Figura 13), as setas indicam a direção do fluxo da água
subterrânea. As cores das setas estão relacionadas com a direção do fluxo, as quais são adotadas
pelo MODFLOW: em planta, as setas verdes indicam o fluxo no plano horizontal.
Figura 13 - Mapa com as linhas equipotenciais em corte vertical na seção central do plano
horizontal. Os tubos em branco, representam os poços de observação. Figura gerada pelo Visual
MODFLOW.
De uma forma geral, as setas azuis sempre representarão o fluxo no plano da seção em corte;
as verdes sempre indicarão o fluxo que penetra no plano de corte.
Em conformidade com isso, pode-se observar que o fluxo as água subterrânea é basicamente
horizontal, segundo é comprovado na Figura 13.
Modelagem do transporte do esgoto sintético
Concluída a modelagem do fluxo do esgoto na coluna de solo, iniciou-se a etapa de
simulação do transporte do contaminante. A simulação teve o objetivo de determinar a pluma
formada pelo contaminante, a fim de prever possível grau de contaminação.
Para simular o transporte do efluente de fossa séptica, foi selecionado o código MT3D - A
Modular Three-Dimensional Transport Model for Simulation of Advection, Dispersion and
Chemical Reactions of Contaminants, in Groundwater Systems (ZHENG, 1990 apud FREIRE,
2002).
Utilizou-se a distribuição de velocidades em regime permanente calculada para a área pelo
modelo de fluxo mostrado anteriormente, visando simular o transporte de contaminantes.
O uso do fluxo em regime estacionário em simulações transientes de transporte de
contaminantes é justificado devido à falta de dados do fluxo ao longo de todo o período simulado.
Além disso, como a simulação de transporte envolve longos períodos de tempo, as pequenas
variações transientes no fluxo geralmente não exercem grande influência na condução do
contaminante, sendo apenas necessário utilizar os valores médios de velocidade para considerar a
parte advectiva do transporte.
Concentração Inicial
Para a simulação do transporte de contaminantes no solo, o MT3D requer que se defina uma
concentração inicial (no tempo t=0) para todas as células da malha.
Considerou-se essa concentração inicial 216 mg/L para todo o solo, que corresponde a uma
concentração de DQO encontrada em laboratório para o protótipo construído, para se poder, então,
determinar a pluma formada a partir das fontes de contaminação após determinados períodos de
tempo.
Fontes de contaminação
O MT3D considera as fontes de contaminante como sendo condições de contorno para o
sistema, as quais são: Constant Concentration (Concentração Constante), Recharge Concetration
(Concentração
de
Recarga),
Evapotranspiration
Concentration
(Concentração
de
Evapotranspiração) e Point Source Concetration (Concentração de Fonte Pontual).
Considerando-se que a condição de contorno denominada de concentração constante está
definida pelo modelo como sendo aquela semelhante às condições que se tem no experimento, foi
determinado que a contaminação do solo será adotada como sendo uma Concentração Constante
(Constant Concentration) de contaminação, sendo o valor da concentração utilizado no modelo
igual ao valor obtido pela análise de laboratório realizada no 82° dia de operação da fossa séptica
no ponto de 216 mg/L.
Não foi considerada inicialmente a contaminação através da recarga do aqüífero nem através
da evapotranspiração.
A seguir, mostra-se na Figura 14 a localização da fonte contaminante simulada dentro da
coluna de solo.
Figura 14 - Mapa com a fonte de contaminação. Em azul observa-se a entrada do efluente de fossa
séptica no solo. Figura gerada pelo Visual MODFLOW.
Dispersividade
Foram considerados valores típicos da literatura para dispersividade. Visando obter uma
medida da sensibilidade do modelo ao valor desse parâmetro, foi simulado um valor para a
dispersividade longitudinal: 1 metro. Para a dispersividade transversal horizontal e vertical,
utilizou-se o valor de 10% da dispersividade longitudinal. Essa relação é bem aceita na literatura,
onde se recomenda utilizar valores de 1 a 2 ordens de magnitude menores para as dispersividades
transversais do que a dispersividade longitudinal (ACIOLI E ARAUJO, 2002).
Reações Químicas e Físico-Químicas
Não foi considerado nenhum tipo de reação química ou físico-química nas simulações
realizadas.
Apresentação e Análise dos Resultados Finais
A seguir são apresentados os dois tipos de simulação de contaminante feitas para o solo.
O primeiro tipo mostra a simulação considerado a dispersividade longitudinal de 1 metro,
para um tempo de simulação de 98 dias. A Figura 15 mostra as linhas de isoconcentrações
resultantes da fonte de contaminação simulada.
Figura 15 - Visão geral das plumas de contaminante. Tempo de simulação de 98 dias. Figura gerada
pelo Visual MODFLOW.
Pode-se verificar que o contaminante liberado da fonte convergiu da entrada do solo (face
esquerda da coluna de solo) para a saída do solo (face direita da coluna de solo) do domínio
simulado. Isso era previsto devido ao gradiente hidráulico gerado pelo fluxo.
Observou-se ainda que a pluma de contaminante atingiu todos os poços de observação, o
que pode ser comprovado analisando-se a Figura 16, que mostra o perfil em 3D do solo.
Figura 16 - Mapa em 3D das concentrações no solo. Tempo de simulação de 98 dias. O vermelho
corresponde a uma concentração de 216 mg/L e azul de aproximadamente 73 mg/L. Figura gerada
pelo Visual MODFLOW.
Figura 17 - Visão geral das plumas de contaminante. Tempo de simulação de 50 dias e
dispersividade longitudinal de 10 m. Figura gerada pelo Visual MODFLOW.
De acordo com o que pode ser observado na Figura 15 e na Figura 17 a dispersividade não é
um fator determinante no comportamento da pluma, nem no tempo de simulação de 50 dias, nem no
de 98 dias.
Tabela 4 - Comparação entre os valores de concentração de DQO calculados pelo modelo e
medidos diretamente nos poços de observação.
Poço
TC1
TC2
TC3
Concentração de Concentração de
DQO
DQO
calculada(mg/L) observada(mg/L)
216
216
158
150
73
90
Erro (mg/L)=Cal-Obs
0
8
-17
A coluna de solo foi expandida de 48 cm para 1 m de comprimento. Observou-se que a
pluma gerada pelo lançamento do efluente de fossa séptica chegou a uma distância de cerca de 90
cm do ponto de lançamento (ver Figura18).
Figura 18 - Mapa em 3D das concentrações no solo com 1 metro de comprimento. Tempo de
simulação de 98 dias. O vermelho escuro corresponde a uma concentração de 216 mg/L e o azul à
pequenas concentrações. Figura gerada pelo Visual MODFLOW.
CONCLUSÃO
Diante dos resultados obtidos e do estudo desenvolvido ao longo do trabalho, pode-se dizer
que:
•
Observou-se que foi obtido êxito na modelagem do comportamento da pluma de efluente de
fossa séptica, uma vez que os indicadores de calibração do programa indicaram a fidelidade
da simulação (coeficiente de correlação igual a 0,972);
•
Detectou-se que a concentração da pluma de efluente de fossa séptica, atinge valores
pequenos para distâncias superiores a 90 cm, o que pôde ser visualizado na simulação da
concentração (Ver Figura 18), obtida na simulação. Vale ressaltar que esse resultado foi
obtido com dados de entrada do programa idênticos aos utilizados na simulação do protótipo
em seu tamanho real.
Os baixos valores de concentração do contaminante nunca chegam a se anular devido ao fato
de existir uma certa faixa em que os microrganismos não conseguem digerir a matéria orgânica.
Isso se explica pelo fato da reação cinética ser de primeira ordem, sempre restando certa quantidade
de resíduos a serem degradados.
No entanto, em regiões que possuem solo silto-arenoso, ou outros de boa absorção, com
níveis freáticos de grandes profundidades, tornam a solução individual fossa séptica/sumidouro a
mais utilizada e a mais recomendada para baixos níveis de densidade demográfica, cuja utilização
da rede de esgoto torna-se inviável economicamente.
Vale lembrar que a eficiência de remoção de matéria orgânica na fossa séptica ficou em
torno de 60%, devido ao fato do protótipo permanecer em condições muito favoráveis de
temperatura, que permanecia constante dentro da bancada, o que acelerou o processo de degradação
da matéria orgânica pelos microrganismos.
Há estudos de caracterização hidrogeológica nos mananciais de Maceió, porém, ainda existe
uma carência de pesquisas que indiquem a situação atual da influência dos contaminantes nos
aqüíferos. Este presente trabalho vem com o intuito de ajudar na minimização da carência dessas
informações, pelo menos no que diz respeito à influência do efluente doméstico.
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