i-107 - avaliação da aeração de efluentes de lagoas

XXVII Congresso Interamericano de Engenharia Sanitária e Ambiental
I-107 - AVALIAÇÃO DA AERAÇÃO DE EFLUENTES DE LAGOAS
FACULTATIVAS POR ESCADA (ESTUDO DE CASO)
Antonio Eduardo Giansante(1)
Engenheiro Civil pela Escola de Engenharia Mauá. Mestre em Hidráulica e Saneamento
pela Escola de Engenharia de São Carlos (EESC/USP). Doutor em Hidráulica e
Saneamento na EESC/USP. Consultor do DAE Jundiaí. Prof. Titular do Centro
Universitário Nove de Julho.
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RESUMO
O estado dos corpos d’água receptores que atravessam as áreas urbanas é em geral bastante ruim, devido à
falta de sistemas de esgotos sanitários - SES, de forma que há um grande aporte de cargas poluidora e
contaminante. Em alguns casos, mesmo quando há SES implantados, os cursos d’água também se
apresentam degradados, porque a carga poluidora remanescente presente no efluente da estação de
tratamento pode ser elevada em face da sua capacidade de assimilá-la. Essa situação é bastante presente nas
cidades do interior do Estado de São Paulo, pois estas foram muitas vezes construídas nos espigões locais,
dificultando tanto a captação de águas como a diluição e a depuração dos esgotos sanitários tratados. Nesse
contexto, as escadas de aeração posicionadas à jusante de unidades de tratamento de esgotos podem
contribuir significativamente para elevar a concentração de oxigênio dissolvido - OD presente no efluente, o
que implicará significativa melhora na sua qualidade, desde que a escada seja dimensionada corretamente.
Este artigo tem por objetivo apresentar e analisar os resultados da campanha de monitoramento efetuada no
período janeiro e fevereiro de 2.000 na escada situada à jusante da segunda lagoa facultativa da estação de
tratamento de Rubião Jr. O monitoramento foi feito em cooperação entre a operadora de saneamento local e a
universidade que desenvolve pesquisas nessa área. Assim, busca-se comprovar que o estado de qualidade do
corpo receptor só não é pior em função da existência dos degraus da escada que, pela turbulência provocada,
permitem um aumento razoável do teor de oxigênio dissolvido. Procurou-se, neste estágio da pesquisa em
andamento, avaliar a real capacidade de aeração das escadas, de modo que esse dispositivo possa ser aplicado
de forma consistente em outros locais, a partir das diretrizes obtidas neste artigo.
As campanhas, ainda que não exaustivas, e a análise decorrente já possibilitaram verificar a potencialidade
do uso das escadas como dispositivos de aeração, conforme de maneira a aumentar a concentração de OD do
efluente lançado no corpo receptor, melhorando as suas condições de mistura e de autodepuração. Desde que
bem projetada, inclusive considerando os diferentes regimes hidráulicos como o fluvial, o crítico e o
torrencial, a escada tem potencial para se constituir em importante dispositivo de reaeração de efluentes,
diminuindo o custo de implantação de emissários de esgotos tratados, de maneira a reduzir o custo das ETEs.
PALAVRAS-CHAVE: Tratamento de Esgotos, Sistema de Lagoas, Efluente de Lagoa Facultativa, Aeração
Por Escada.
INTRODUÇÃO
Tem-se constituído num grande problema ambiental a concentração de oxigênio dissolvido dos efluentes de
lagoa facultativa em função das suas características e as do corpo receptor. Conforme VIDAL e
TREMAROLI ( 1983), a concentração de OD atinge valores elevados durante o dia, mesmo superiores à de
saturação, quando há luz solar e, portanto, fotossíntese, mas é igual a zero durante períodos determinados na
madrugada, quando não há fotossíntese. Esse fenômeno faz com que se deva verificar as condições de
mistura e de autodepuração do corpo receptor para a situação crítica, i.é, OD igual a 0 mg/l do efluente de
lagoa facultativa e vazão média das mínimas de sete dias consecutivos, para um período de retorno de 10
anos (Q7,10) para o corpo receptor. Essa situação tem implicado dificuldades para o licenciamento de Estações
de Tratamento de Esgotos Sanitários - ETE no interior do Estado de São Paulo, porque grande parte das
cidades foram construídas ao longo dos espigões naturais locais, por onde se construíram as ferrovias, de
maneira que os corpos d’água receptores drenam bacias muito pequenas, com respectiva baixa vazão mínima,
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incapaz de depurar e diluir os esgotos tratados provenientes de lagoas. Em face dessa dificuldade, foi
implantada na ETE de Rubião Jr., operada pela SABESP, uma escada que visa aerar o efluente da lagoa
facultativa local, visando obter parâmetros referentes à escada, possibilitando o seu uso em outras estações
depuradoras no interior paulista.
O trabalho foi executado em colaboração com a SABESP que efetuou as campanhas de monitoramento de
variáveis como OD e demanda bioquímica de oxigênio - DBO, dentre outras, na chegada do esgoto bruto,
após a lagoa anaeróbia, após as facultativas 1 e 2, antes de se misturarem, e a montante da escada e a jusante
desta, já tendo sido misturado o efluente tratado da ETE com a água proveniente de uma pequena nascente
local, contribuinte do corpo receptor.
As campanhas, ainda que não exaustivas, já possibilitaram verificar a potencialidade do uso das escadas
como dispositivos de aeração, aumentando a concentração de OD do efluente lançado no corpo receptor,
melhorando as suas condições de mistura e de autodepuração. Desde que bem projetada, inclusive
considerando os diferentes regimes hidráulicos como o fluvial, o crítico e o torrencial, a escada tem potencial
para se constituir em importante dispositivo de reaeração de efluentes, diminuindo consideravelmente o custo
de implantação de emissários de esgotos tratados, de maneira a reduzir o custo das ETEs.
REVISÃO CONCEITUAL
Para uma melhor compreensão dos conceitos utilizados, inicialmente aqui se apresenta uma revisão da
literatura, já que os conceitos envolvidos o requerem.
A capacidade de autodepuração de um curso d’água refere-se mais especificamente ao potencial assimilador
de carga orgânica, avaliada pela demanda bioquímica de oxigênio - DBO, que o corpo receptor tem. Quando
uma fonte lança matéria orgânica em um rio, caso de um efluente tratado de uma lagoa facultativa, as
bactérias de vida livre, pertencentes ao ecossistema aqüático, vão paulatinamente a consumindo. Esse
processo biológico é aeróbio, pois na degradação da matéria orgânica há consumo do oxigênio dissolvido na
água, diminuindo o seu teor. Normalmente um curso d’água tem dissolvida uma quantidade de oxigênio que
corresponde a sua concentração de saturação - CS. As fontes de oxigênio são a atmosfera e as algas. Quanto à
primeira fonte, há transferência de oxigênio atmosférico, que é abundante, para a água, de forma que esta o
tem na quantidade máxima quando não poluída. A concentração máxima de OD na água é função da
temperatura e pressão atmosférica local, por sua vez, função da altitude. A 20º C, o corpo receptor do efluente
deveria ter uma concentração igual a 8,5 mg/l. As algas constituem a segunda fonte de OD, em função da
reação de fotossíntese.
A aeração depende do montante da mistura turbulenta, o qual se relaciona com a velocidade do escoamento e
com o volume total de água exposta à superfície, localizada na interface ar - água, conforme mostrou
GIANSANTE (1985). O mesmo princípio se aplica quando se tem escada de aeração. Os degraus
adequadamente dimensionados provocam uma turbulência nas águas em queda, aumentando a superfície
exposta à atmosfera e a assimilação de oxigênio.
BUTTS e EVANS (1983) estudaram vários pequenos córregos que tinham no seu curso pequenas represas,
com respectivos vertedouros, sejam de parede espessa ou delgada. Identificaram 9 classes diferentes dessas
estruturas e quantificaram a aeração por estas provocada, em função também da qualidade das águas e da
altura total de queda das águas. A aeração é dada pela seguinte equação:
r = Cs - Cu = 1 + 0,38.a.b.h.( 1 - 0,11.h ).( 1 + 0,046.T)
Cs - Cd
equação (1)
Onde:
a = fator de qualidade da água ( varia de 0,65 para rios fortemente poluídos a 1,8 para os limpos);
b = coeficiente de tipo de vertedouro ( varia de 0,05 para tomadas de água superficiais de
descarregadores de fundo a 1,05 para os de parede delgada);
h = desnível geométrico, m;
T = temperatura da água, °C;
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Cs = concentração de saturação do OD na água, mg/l,
Cu = concentração de OD na água no topo da escada, mg/l,
Cs = concentração de OD na água no pé da escada, mg/l,
r = taxa de reaeração.
Para a escada da ETE Rubião Jr., o vertedouro é do tipo parede espessa, de maneira que o respectivo
coeficiente é igual a 0,80.
Já Von Sperling (1987) determinou para as cascatas naturais da Região Metropolitana de Belo Horizonte, a
seguinte equação empírica:
Ce = Co + k.( Cs - Co)
equação (2)
Onde:
Ce = concentração de OD efluente da cascata, mg/l;
Co = concentração de OD afluente da cascata, mg/l;
Cs = concentração de saturação de OD, mg/l;
k = coeficiente de eficiência, que é dado pela equação 3.
k = 1 - 1,343. H-0,128. ( Cs - Co)-0,903
equação (3)
Onde:
H = altura da queda livre, m.
Finalmente Giansante (1998) apresentou o efeito que as pequenas corredeiras do córrego Jacaré, Itatiba, São
Paulo, tem sobre a reaeração das suas águas, aumentando a concentração do OD medido em vários pontos.
Verificou-se que o coeficiente de reaeração - k2 chega a valores superiores a 10 dia-1, enquanto que o mais
aceito é que seu valor seja inferior a 3 dia-1.
Esses estudos mostram que aeração provocada por pequenas cascatas, corredeiras e mesmo vertedouros tem
sido estudada por vários autores, principalmente em função da necessidade de quantificar mais exatamente a
capacidade de autodepuração dos córregos que possuem essas características quando são corpos receptores de
efluentes de ETEs, de maneira a propor soluções compatíveis com as exigências ambientais.
O trabalho desses autores serviu de referência para o estudo efetuado e que é detalhado a seguir, após uma
breve discussão dos materiais e métodos utilizados.
MATERIAIS E MÉTODOS
Os pontos monitorados foram sete, conforme o quadro 1.
Quadro 1: pontos monitorados.
Ponto
1
2
Local
Afluente Efluente
ETE
anaeróbia
3
Efluente
facultativa
1
4
Efluente
facultativa
2
5
Montante da
contribuição
da nascente
6
7
Jusante
da Jusante escada
contribuição
da nascente
O ponto 1 mostra as características do esgoto bruto; o 2, o afluente da lagoa anaeróbia, uma única para as
duas facultativas que trabalham em paralelo; os pontos 3 e 4 situam-se exatamente nas estruturas hidráulicas
de saída das lagoas facultativas 1 e 2, antes de se misturarem, servindo para avaliar a eficiência de cada uma
destas. O ponto 5 mostra a qualidade das águas provenientes da nascente situada na área da ETE, antes de
receber o efluente tratado, vindo da mistura das lagoas facultativas 1 e 2, e, finalmente, o ponto 7 está no pé
da escada, a poucos metros do lançamento no corpo receptor. Devido a problemas de execução não foi
possível separar a contribuição da nascente da originada das lagoas, de maneira a analisar somente a aeração
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desse efluente. Contudo, mesmo aumentando a concentração de OD após a mistura no topo da escada, ainda
sim se constatou um aumento dessa concentração após a escada de aeração.
As características analisadas das amostras coletadas nos pontos apresentados são: pH, DBO5, DQO,
nitrogênio amoniacal, e resíduos total, volátil e fixo, além dos não filtráveis, voláteis e fixos, bem como os
sedimentáveis para todos os pontos. Para os pontos 5 e 6 foram também determinados os coliformes totais e
fixos. A concentração de OD foi determinada para os pontos 3, 4, 5, 6 e 7. As amostras foram coletadas e
analisadas pelo laboratório da Divisão de Controle Sanitário da Unidade de Negócio do Médio Tietê da
SABESP, de acordo com padrões estabelecidos. Os procedimentos de análise laboratorial estão de acordo
com as diretrizes do Standard Methods. As variáveis foram selecionadas em função da disponibilidade de
equipamento e do pessoal responsável pelas coletas.
Além das características descritas, foram ainda anotados o horário de coleta e as temperaturas do ar e da
amostra.
RESULTADOS
A escada é composta por sete degraus consecutivos, totalizando uma altura de 4,30 m. A extensão é de 15 m.
Essas características geométricas, juntamente com as baixas declividades dos canais de montante e de
jusante, fizeram com que o regime hidráulico predominante fosse o fluvial, exceto nas proximidades de cada
queda, onde passava para crítico e após torrencial, voltando à fluvial no próximo degrau, depois de um
pequeno ressalto hidráulico. A altura normal do escoamento é baixa, cerca de 7 cm, bem como, estima-se a
turbulência.
Neste texto, apresenta-se somente os resultados das análises efetuadas nos pontos 1, 4, 5, 6 e 7, para as
características de OD, DBO e DQO, objeto principal (quadro 2) do artigo.
Quadro 2: Características médias das águas estudadas na ETE -Rubião Jr.
Ponto
OD
DBO
DQO
pH
T
0
C
(mg/l)
(mg/l)
(mg/l)
304,5
797,5
6,3
22
1
2,47
38
207,8
7,9
22
4
5,8
2,5
13,1
6,8
22
5
5,4
7,2
44
6,4
22
6
5,6
11,1
81
7,1
22
7
O quadro 2 mostra que consistentemente houve acréscimo na concentração de OD entre topo e o pé da
escada. Embora esse valor seja baixo, cerca de 0,2 mg/l, alcançando até 0,5 mg/l numa das campanhas, o
dispositivo que o provocou é uma escada sem qualquer mecanização, sem custos adicionais, exceto aqueles de
construção.
Os resultados obtidos na escada de reaeração da ETE de Rubião Jr. foram aplicados nos modelos matemáticos
mencionados. Verificou-se que o modelo de BUTTS e EVANS (1983) apresentou valores bastante próximos
dos encontrados nas campanhas de monitoramento, pois a taxa de reaeração calculada pela razão entre
concentrações de OD foi igual a 1,062, enquanto que, considerando as características do efluente e também
da escada, o seu valor é igual a 1,130, com um desvio de cerca de 6%, pouco significativo, considerando as
condições locais.
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CONCLUSÕES E RECOMENDAÇÕES
Com base no trabalho realizado, concluiu-se que:
Os resultados apontam para valores de aeração de cerca de 0,2 mg/l para o efluente tratado de uma lagoa
facultativa, o que foi conseguido sem o uso de equipamentos mecânicos, num dispositivo de dimensões
reduzidas e de baixo custo como a escada, além de aproveitar as condições favoráveis do relevo. Continuando
as campanhas e utilizando simulações matemáticas, será possível verificar o potencial que as escadas tem
para aerar efluentes tratados de lagoas facultativas, o que pode facilitar a seleção de locais para implantar
futuras estações de tratamento de esgotos sanitários ou mesmo melhorar os níveis atuais de OD dos efluentes
das lagoas em operação.
A equação de BUTTS e EVANS (1983) mostrou uma coerência muito boa com os resultados encontrados
através das campanhas de monitoramento, de forma que tem um potencial grande de utilização, lembrando
porém, que mais monitoramentos devem ser efetuados para que não seja simplesmente empregada no projeto
de escadas indiscriminadamente e sem critérios.
Já a equação de Von Sperling (1987) não apresentou boa coerência, pois o resultado previsto teve um desvio
de cerca de 50% em relação às campanhas de monitoramento, embora também indicasse um aumento na
concentração de OD, mesmo que maior que a efetivamente conseguida pela escada. Provavelmente as
condições em que foi obtida a equação são razoavelmente diferentes das que existem na ETE Rubião Jr.
Recomenda-se que na construção dos canais de acesso às escadas sejam impostos regimes torrenciais,
colocando estreitamentos ou soleiras de forma a provocar ressalto hidráulico, no qual há grande aeração.
Outras recomendações são: procurar não misturar o efluente tratado com outras águas, pois estas podem
alterar os resultados e efetuar as campanhas de monitoramento de preferência um pouco antes do amanhecer,
pois é nesse período que se tem as menores concentrações de OD.
Finalmente, para que seja possível efetivamente concluir o efeito das escadas na reaeração de efluentes
tratados de lagoas, é necessário projetar e executá-las de acordo com o aqui sugerido, bem como monitorá-las
continuamente. Isso se justifica pelo potencial que tem a escada para reaeração, conforme aqui mostrado.
REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS
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