comportamento tanques septicos na remoção de MATERIA ORGANICA modelagem matematica

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  • JULIANA SEIXAS PILOTTO

    CONTRIBUIES PARA MODELAGEM MATEMTICA

    DO COMPORTAMENTO DOS TANQUES SPTICOS

    PARA REMOO DE MATRIA ORGNICA

    Dissertao apresentada como requisito parcial obteno do grau de Mestre em Engenharia de Recursos Hdricos e Ambiental, Curso de Ps-Graduao em Engenharia de Recursos Hdricos e Ambiental, Setor de Tecnologia, Universidade Federal do Paran.

    Orientador: Prof. Daniel Costa dos Santos, Dr.

    CURITIBA

    2004

  • JULIANA SEIXAS PILOTTO

    CONTRIBUIES PARA MODELAGEM MATEMTICA

    DO COMPORTAMENTO DOS TANQUES SPTICOS

    PARA REMOO DE MATRIA ORGNICA

    Dissertao apresentada como requisito parcial obteno do grau de Mestre em Engenharia de Recursos Hdricos e Ambiental, Curso de Ps-Graduao em Engenharia de Recursos Hdricos e Ambiental, Setor de Tecnologia, Universidade Federal do Paran.

    Orientador: Prof. Daniel Costa dos Santos, Dr.

    CURITIBA 2004

  • ii

  • iii

    AGRADECIMENTOS

    Ao meu orientador, Daniel Costa dos Santos, que sempre me incentivou e

    acreditou no meu potencial para realizar este trabalho, estando sempre disposio.

    Ao Professor Eduardo Cleto Pires pela sua gentileza e cordialidade nas minhas

    duas visitas So Carlos. Obrigado pela disponibilidade em me receber.

    Ao Professor Cristvo Fernandes e Professora Maria Cristina Braga pelos

    seus esforos na busca do aprimoramento do nosso curso de Mestrado.

    Ao Professor Anselmo Chaves Neto pela ajuda estatstica e pacincia em me

    receber.

    Aos meus professores do mestrado que foram fundamentais para a concluso

    deste trabalho.

    Aos amigos da sala de estudos, em especial aos colegas Rosilete Busato e

    Dalton Lucio Brasil Pereira Filho.

    minha famlia, Pai, Me, Angela e Bernardo, que sempre me incentivaram e

    me apoiaram ao longo da realizao deste trabalho.

    s minhas queridas irms (SADS), pelas palavras de incentivo e carinho. Em

    especial a Fabiola e a Maria Cristina pelas ajudas relmpagos.

    A CAPES pelo incentivo financeiro.

    A todos que direta ou indiretamente colaboraram para a elaborao deste

    trabalho.

  • iv

    Voc v coisas e diz: Por que?; mas eu sonho coisas que nunca existiram e digo:

    Por que no? George Bernard Shaw

    Experincia no o que acontece com um homem; o que um homem faz com o que lhe acontece.

    Aldous Huxley

  • v

    SUMRIO

    LISTA DE FIGURAS ................................................................................................... ix LISTA DE TABELAS ................................................................................................. xii LISTA DE QUADROS .................................................................................................xv LISTA DE SIGLAS .................................................................................................... xvi LISTA DE SMBOLOS ............................................................................................. xvii RESUMO ...................................................................................................................xx ABSTRACT ................................................................................................................ xxi 1 INTRODUO............................................................................................................1 2 OBJETIVOS.................................................................................................................5 3 REVISO BIBLIOGRFICA.....................................................................................6 3.1 CONSIDERAES GERAIS SOBRE OS TANQUES SPTICOS .......................6 3.2 HISTRICO DOS TANQUES SPTICOS..............................................................7 3.3 DESCRIO DOS PROCESSOS OCORRENTES NO TANQUE SPTICO .......8 3.3.1 Consideraes Iniciais ............................................................................................8 3.3.2 Abordagem sobre os Processos Bioqumicos.......................................................12 3.3.2.1 Digesto anaerbia ............................................................................................12 3.3.2.1.1 Consideraes iniciais ....................................................................................12 3.3.2.1.2 Fases do processo de digesto anaerbia .......................................................15 3.3.2.2 Cintica das reaes ..........................................................................................25 3.3.2.3 Cintica da digesto anaerbia ..........................................................................28 3.3.2.3.1 Crescimento bacteriano ..................................................................................28 3.3.2.3.2 Crescimento de substrato limite .....................................................................29 3.3.2.3.3 Crescimento bacteriano e Utilizao do substrato .........................................30 3.3.2.4 Balano de Massa ..............................................................................................40 3.3.2.5 Tipos de reatores................................................................................................43 3.3.2.5.1 Fluxo em pisto ..............................................................................................44 3.3.2.5.2 Mistura completa ............................................................................................47 3.3.2.5.3 Fluxo disperso ................................................................................................51 3.3.2.5.4 Clulas em srie..............................................................................................58

  • vi

    3.3.2.5.5 Clulas em paralelo ........................................................................................59 3.3.3 Fenmenos Fsicos ...............................................................................................61 3.3.3.1 Sedimentao discreta .......................................................................................61 3.3.3.2 Sedimentao floculenta....................................................................................64 3.3.3.3 Sedimentao zonal ...........................................................................................65 3.3.3.4 Sedimentao por compresso ..........................................................................65 3.4 DESINFECO EM TANQUES SPTICOS .......................................................66 3.5 EQUACIONAMENTO PRTICO PARA DIMENSIONAMENTO DE TANQUES SPTICOS .................................................................................................73 3.5.1 De acordo com a Norma Brasileira 7229/93 ........................................................73 3.5.2 De acordo com Andrade Neto et al. (1999b) ........................................................76 3.5.3 De acordo com Norma Americana (1995) ...........................................................79 3.5.4 De acordo com All Septic System Information Website .....................................80 3.5.5 De acordo com Norma Inglesa (1979) .................................................................81 3.5.6 De acordo com a Norma Australiana (1995)........................................................81 3.6 CONFIGURAO, CONSTRUO, OPERAO E MANUTENO DOS TANQUES SPTICOS .................................................................................................82 3.6.1 Configurao dos Tanques Spticos.....................................................................82 3.6.2 Construo de Tanques Spticos ..........................................................................85 3.6.3 Operao e Manuteno dos Tanques Spticos ...................................................86 3.7 EXPERINCIA BRASILEIRA NA AVALIAO DE TANQUES SPTICOS .87 3.7.1 Oliveira (1983) .....................................................................................................87 3.7.2 Vieira e Alm Sobrinho (1983a e b) .......................................................................87 3.7.3 Said e Alm Sobrinho (1989) ...............................................................................88 3.7.4 Andrade Neto et al (2000) ....................................................................................90 3.7.5 Valentim et al. (2003)...........................................................................................91 3.8 MODELAGEM DE PROCESSOS ANAERBIOS ..............................................92 3.8.1 Pawlowsky et al. (1983) .......................................................................................93 3.8.2 Jeyaseelan (1997) .................................................................................................93 3.8.3 Masse e Droste (2000)..........................................................................................96 3.8.4 Keshtkar et al. (2003) ...........................................................................................97 4 METODOLOGIA.....................................................................................................101

  • vii

    4.1 DEFINIO E DESENVOLVIMENTO DAS SIMULAES PROSPECTIVAS PARA AVALIAR A ADERNCIA DO COMPORTAMENTO DE TANQUES SPTICOS AOS MODELOS MATEMTICOS.......................................................101 4.1.1 Definio das Configuraes dos Tanques Spticos..........................................101 4.1.2 Definio dos Modelos Hidrulicos ...................................................................102 4.1.3 Definio dos Parmetros de Modelagem..........................................................104 4.1.4 Coleta e Tabulao dos Dados Bibliogrficos: Estudo 1, 2 e 3 .........................105 4.1.4.1 Estudo 1 ...........................................................................................................105 4.1.4.2 Estudo 2 ...........................................................................................................109 4.1.4.3 Estudo 3 ...........................................................................................................112 4.1.5 Definio e Desenvolvimento de Simulaes Prospectivas...............................115 4.1.5.1 Definio das simulaes prospectivas ...........................................................115 4.1.5.2 Desenvolvimento das simulaes prospectivas...............................................119 4.2 DEFINIO E DESENVOLVIMENTO DAS SIMULAES DA APLICABILIDADE DE TANQUES SPTICOS PARA OBTENO DE MAIOR EFICINCIA PARA REMOO DE MATRIA ORGNICA ..............................120 5 RESULTADOS, DISCUSSES E DEFINIO DO MODELO ...........................121 5.1 RESULTADO DAS SIMULAES PROSPECTIVAS......................................121 5.1.1 Valores de K estimados para a configurao TU1 em funo do modelo hidrulico e dos parmetros de modelagem para o estudo 1 e 2 .................................121 5.1.2 Valores de K estimados para a configurao TU2 em funo do modelo hidrulico e dos parmetros de modelagem para o estudo 1 e 2 .................................123 5.1.3 Valores de K estimados para a configurao TS em funo do modelo hidrulico e dos parmetros de modelagem para o estudo 1 e 2 ..................................................125 5.1.4 Valores de K estimados para a configurao TSP em funo do modelo hidrulico e dos parmetros de modelagem para o estudo 3.......................................127 5.2 DISCUSSES .......................................................................................................128 5.2.1 Discusses sobre os Valores de K......................................................................128 5.2.1.1 Discusso por famlia de simulaes...............................................................129 5.2.1.1.1 Discusso sobre os valores de K estimados para a configurao TU1, estudo 1, famlia de simulaes 1 8 (tabela 39), 9 16 (tabela 40) e 17 24 (tabela 41)...129 5.2.1.1.2 Discusso sobre os valores de K estimados para a configurao TU1, estudo 2, famlia de simulaes 25 32 (tabela 42) ...............................................................131 5.2.1.1.3 Discusso sobre os valores de K estimados para a configurao TU2, estudo 1, famlia de simulaes 33 40 (tabela 43), 41 48 (tabela 44) e 49 56 (tabela 45)....................................................................................................................131

  • viii

    5.2.1.1.4 Discusso sobre os valores de K estimados para a configurao TU2, estudo 2, famlia de simulaes 57 64 (tabela 46) ...................................................133 5.2.1.1.5 Discusso sobre os valores de K estimados para a configurao TS, estudo 1, famlia de simulaes 65 73 (tabela 47), 74 82 (tabela 48) e 83 91 (tabela 49)........................... .........................................................................................133 5.2.1.1.6 Discusso sobre os valores de K estimados para a configurao TS, estudo 2, famlia de simulaes 92 100 (tabela 50) .................................................134 5.2.1.1.7 Discusso sobre os valores de K estimados para a configurao TSP, estudo 3, famlia de simulaes 101 108 (tabela 51) ...........................................................135 5.2.1.2 Discusso comparativa entre as famlias de simulaes .................................135 5.2.1.2.1 Discusso comparativa para configurao TU1, estudo 1 e 2, respectivamente entre as famlias de simulaes 1 8 e 25 32 ...............................135 5.2.1.2.2 Discusso comparativa para configurao TU2, estudo 1 e 2, respectivamente entre as famlias de simulaes 33 40 e 57 64 ...........................137 5.2.1.2.3 Discusso comparativa para configurao TS, estudo 1 e 2, respectivamente entre as famlias de simulaes 65 73 e 92 100 .........................139 5.2.1.3 Discusso comparativa com dados encontrados na bibliografia .....................140 5.2.1.3.1 Discusso comparativa com a bibliografia para configurao TU1, estudo 1, primeiro caso (DQOt DQOt), famlia de simulao 1 8 ......................140 5.2.1.3.2 Discusso comparativa com a bibliografia para configurao TS, estudo 1, segundo caso (DQOs DQOs), famlia de simulao 74 82..................141 5.2.2 Avaliao da variao de K em funo do tempo de deteno..........................142 5.3 DEFINIO DO MODELO.................................................................................146 6 SIMULAES DEMONSTRATIVAS DA APLICABILIDADE..........................148 6.1 RESULTADOS E DISCUSSES DAS SIMULAES DEMONSTRATIVAS DA APLICABILIDADE DE TANQUES SPTICOS ...............................................148 6.2 VARIAO DO VOLUME EM FUNO DA EFICINCIA (%) ...................158 7 CONCLUSO..........................................................................................................163 7.1 RECOMENDAES AOS ESTUDOS FUTUROS ............................................166 8 REFERNCIAS BIBLIOGRFICAS .....................................................................167 APNDICE 1 - FIGURAS 44 56 .............................................................................174

  • ix

    LISTA DE FIGURAS

    FIGURA 1 ESQUEMA ILUSTRATIVO DE UM TANQUE SPTICO....................7 FIGURA 2 FUNCIONAMENTO DE TANQUES SPTICOS.................................10 FIGURA 3 - COMPARAO ENTRE O SISTEMA AERBIO E O SISTEMA

    ANAERBIO............................................................................................14 FIGURA 4 - DIGESTO ANAERBIA .....................................................................16 FIGURA 5 - ESQUEMA DA DIGESTO ANAERBIA PARA LODO

    DOMSTICO, COM AS RESPECTIVAS PORCENTAGENS DO CAMINHO DO SUBSTRATO..............................................................17

    FIGURA 6 - DIGESTO ANAERBIA NA PRESENA DE COMPOSTOS DE ENXOFRE .................................................................................................23

    FIGURA 7 - TAXA DE CRESCIMENTO X CONCENTRAO DE ACETATO ...30 FIGURA 8 - RELAO ENTRE O COEFICIENTE DE PRODUO CELULAR E

    A CARGA ORGNICA ...........................................................................32 FIGURA 9 CURVA TPICA DO CRESCIMENTO BACTERIANO ......................33 FIGURA 10 - REPRESENTAO GRFICA DO BALANO DE MASSA ...........41 FIGURA 11 - ILUSTRAO DO VOLUME DE CONTROLE PARA REATORES

    COM FLUXO EM PISTO......................................................................45 FIGURA 12 ANTECIPAO E RETARDO DE MISTURA DE MATERIAL ......52 FIGURA 13 CONDIES DE CONTORNO...........................................................57 FIGURA 14 - REATOR COM CLULAS EM SRIE. (a) CLULAS IGUAIS. (b)

    CLULAS DIFERENTES ........................................................................58 FIGURA 15 - REATOR COM CLULAS EM PARALELO......................................60 FIGURA 16 - TANQUE IDEAL DE SEDIMENTAO DISCRETA.......................62 FIGURA 17 - ILUSTRAO DA ZONA DE SEDIMENTAO.............................63 FIGURA 18 - SEDIMENTAO DISCRETA NUM TANQUE DE FLUXO

    HORIZONTAL..........................................................................................63 FIGURA 19 - EFICINCIA DE REMOO EM UM DECANTADOR PARA

    DIVERSOS TEMPOSDE DETENO. ..................................................64 FIGURA 20 TANQUE SPTICO NICO PRECONIZADO PELA NBR 7229/93 76 FIGURA 21 TANQUE SPTICO COM CMARAS SOBREPOSTAS..................83 FIGURA 22 TANQUE SPTICO COM CMARA NICA ...................................84 FIGURA 23 TANQUE SPTICO COM CMARAS EM SRIE ...........................84 FIGURA 24 - MODELO DE MISTURA COM 2 REGIES ......................................99

  • x

    FIGURA 25 GRFICO DOS VALORES DE DQO PARA O ESTUDO 1............108 FIGURA 26 - REPRESENTAO GRFICA DO ESTUDO 1 E 2 ........................111 FIGURA 27 - REPRESENTAO GRFICA DO ESTUDO 3...............................114 FIGURA 28 GRFICO DOS VALORES DE K PARA 1o CASO (DQOt

    DQOt), TU1 .............................................................................................137 FIGURA 29 GRFICO DOS VALORES DE K PARA 1o CASO (DQOt

    DQOt), TU2 .............................................................................................138 FIGURA 30 GRFICO DOS VALORES DE K PARA 1o CASO (DQOt

    DQOt), TS................................................................................................139 FIGURA 31 GRFICO DOS VALORES DE K PARA 1o CASO (DQOt

    DQOt), TU1 .............................................................................................141 FIGURA 32 GRFICO DOS VALORES DE K PARA 2o CASO (DQOs

    DQOs), TS ...............................................................................................142 FIGURA 33 GRFICO DE K X TEMPO DE DETENO PARA 1 CASO

    (DQOt DQOt), TS...............................................................................143 FIGURA 34 GRFICO DE K X TEMPO DE DETENO PARA 1 CASO

    (DQOt DQOt), TU1............................................................................144 FIGURA 35 GRFICO DE K X TEMPO DE DETENO PARA 1 CASO (DQOt

    DQOt), TU2 ........................................................................................145 FIGURA 36 RELAO DO VOLUME X VAZO PARA O MODELO I ..........151 FIGURA 37 RELAO DO VOLUME X VAZO PARA O MODELO II.........153 FIGURA 38 RELAO DO VOLUME X TEMPO PARA 5 PESSOAS NO

    MODELO III...........................................................................................155 FIGURA 39 RELAO DO VOLUME X TEMPO PARA 50 PESSOAS NO

    MODELO III...........................................................................................156 FIGURA 40 RELAO DO VOLUME X TEMPO PARA 500 PESSOAS NO

    MODELO III...........................................................................................158 FIGURA 41 RELAO DO VOLUME X EFICINCIA (%) PARA 5

    PESSOAS ................................................................................................159 FIGURA 42 RELAO DO VOLUME X EFICINCIA (%) PARA 50

    PESSOAS ................................................................................................160 FIGURA 43 RELAO DO VOLUME X EFICINCIA (%) PARA 500

    PESSOAS ................................................................................................161 FIGURA 44 GRFICO DO EE X K, PARA 1O CASO (DQOt DQOt), TU1,

    ESTUDO 1 (Famlia 1 - 8) ......................................................................175 FIGURA 45 GRFICO DO EE X K, PARA 2O CASO (DQOs DQOs), TU1,

    ESTUDO 1 (Famlia 9 - 16) ....................................................................176

  • xi

    FIGURA 46 GRFICO DO EE X K, PARA 3O CASO (DQOf DQOf), TU1, ESTUDO 1 (Famlia 17 - 24) ..................................................................177

    FIGURA 47 GRFICO DO EE X K, PARA 1O CASO (DQOt DQOt), TU1, ESTUDO 2 (Famlia 25 - 32) ..................................................................178

    FIGURA 48 GRFICO DO EE X K, PARA 1O CASO (DQOt DQOt), TU2, ESTUDO 1 (Famlia 33 - 40) ..................................................................179

    FIGURA 49 GRFICO DO EE X K, PARA 2O CASO (DQOs DQOs), TU2, ESTUDO 1 (Famlia 41 - 48) ..................................................................180

    FIGURA 50 GRFICO DO EE X K, PARA 3O CASO (DQOf DQOf), TU2, ESTUDO 1 (Famlia 49 - 56) ..................................................................181

    FIGURA 51 GRFICO DO EE X K, PARA 1O CASO (DQOt DQOt), TU2, ESTUDO 1 (Famlia 57 - 64) ..................................................................182

    FIGURA 52 GRFICO DO EE X K, PARA 1O CASO (DQOt DQOt), TS, ESTUDO 1 (Famlia 65 - 73) ..................................................................183

    FIGURA 53 GRFICO DO EE X K, PARA 2O CASO (DQOs DQOs), TS, ESTUDO 1 (Famlia 74 - 82) ..................................................................184

    FIGURA 54 GRFICO DO EE X K, PARA 3O CASO (DQOf DQOf), TS, ESTUDO 1 (Famlia 83 - 91) ..................................................................185

    FIGURA 55 GRFICO DO EE X K, PARA 1O CASO (DQOt DQOt), TS, ESTUDO 2 (famlia 92 - 100) .................................................................186

    FIGURA 56 GR FICO DO EE X K, PARA 1O CASO (DQOt DQOt), TS, ESTUDO 3 (Famlia 101 - 108) ..............................................................187

  • xii

    LISTA DE TABELAS

    TABELA 1 - SITUAO DO ESGOTAMENTO SANITRIO NO BRASIL ............2 TABELA 2 - SITUAO DO ESGOTO SANITRIO DIVIDIDO POR REA

    URBANA E RURAL ..............................................................................2 TABELA 3 - CARACTERSTICAS DO LODO PRODUZIDO E DESCARTADO..10 TABELA 4 - EFICINCIAS NA REMOO DE POLUENTES POR TANQUES

    SPTICOS.............................................................................................11 TABELA 5 - HIDRLISE DE BIOPOLMEROS EM CONDIES ANAERBIAS

    ...............................................................................................................19 TABELA 6 - TEMPO DE DETENO RELATIVO TAXA DE CRESCIMENTO

    DE ORGANISMOS FORMADORES DE METANO .........................22 TABELA 7 - PARMETROS CINTICOS DE ACORDO COM VRIOS

    AUTORES.............................................................................................35 TABELA 8 - PARMETROS DO CRESCIMENTO CINTICO DA

    DEGRADAO ANAERBIA DE CIDOS GRAXOS...................36 TABELA 9 - PARMETROS DO CRESCIMENTO CINTICO DA

    DEGRADAO ANAERBIA DE PROPIONATO E BUTRICO ..36 TABELA 10 - CONSTANTES CINTICAS DE BACTRIAS ACIDOGNICAS E

    ACETOGNICAS ................................................................................37 TABELA 11 - PARMETROS DO CRESCIMENTO CINTICO DA

    DEGRADAO ANAERBIA DE ACETATO EM METANO .......38 TABELA 12 - CONSTANTES CINTICAS DE METANOGNICAS .....................39 TABELA 13 - CONSTANTES CINTICAS PARA CULTURAS ANAERBIAS ..39 TABELA 14 - CONSTANTES CINTICAS PARA REATORES DE MISTURA

    COMPLETA..........................................................................................40 TABELA 15 - PORCENTAGEM DE REMOO DE PATGENOS NOS

    DIFERENTES TIPOS DE TRATAMENTO DE ESGOTO DOMSTICO........................................................................................67

    TABELA 16 - FRMULAS PARA O CLCULO DA CONCENTRAO EFLUENTE DE COLIFORMES ..........................................................68

    TABELA 17 - VALORES DOS COEFICIENTES DE DECAIMENTO BACTERIANO, kd, POR DIFERENTES AUTORES EM LAGOAS DE ESTABILIZAO .........................................................................69

    TABELA 18 - VALORES DOS COEFICIENTES DE DECAIMENTO BACTERIANO, kd, EM FUNO DA CARGA ORGNICA EM LAGOAS ANAERBIAS ....................................................................70

  • xiii

    TABELA 19 - REMOO DE PATGENOS EM TANQUES SPTICOS..............71 TABELA 20 - SOBREVIVNCIA DE MICROORGANISMOS EM TANQUES

    SPTICOS.............................................................................................72 TABELA 21 - CONTRIBUIO DIRIA DE ESGOTO (Contr) E DE LODO

    FRESCO (Lf) POR TIPO DE PRDIO E DE OCUPANTE................74 TABELA 22 - PERODO DE DETENO DOS DESPEJOS, POR FAIXA DE

    CONTRIBUIO DIRIA..................................................................75 TABELA 23 - TAXA DE ACUMULAO TOTAL DE LODO (KNBR), EM DIAS,

    POR INTERVALO ENTRE LIMPEZAS E TEMPERATURA DO MS MAIS FRIO..................................................................................75

    TABELA 24 - PROFUNDIDADE TIL MNIMA E MXIMA, POR FAIXA DE VOLUME TIL....................................................................................76

    TABELA 25 CAPACIDADE DE TANQUES SPTICOS PARA UMA OU DUAS MORADIAS..........................................................................................80

    TABELA 26 CAPACIDADE MNIMA DO TANQUE SPTICO PELA VAZO MDIA ..................................................................................................81

    TABELA 27 - EFICINCIAS DE REMOO DO SISTEMA FOSSA - FILTRO ...88 TABELA 28 CONCENTRAES MDIAS OBTIDAS NO SISTEMA FOSSA

    SPTICA FILTRO ANAERBIO NA CAMPANHA DE AMOSTRAGEM...................................................................................89

    TABELA 29 EFICINCIAS MDIAS OBTIDAS NO SISTEMA FOSSA SPTICA FILTRO ANAERBIO NA CAMPANHA DE AMOSTRAGEM...89

    TABELA 30 VALORES DAS CONSTANTES CINTICAS UTILIZADAS NO MODELO DE JEYASEELAN .............................................................95

    TABELA 31 - EFEITO DO TEMPO DE DETENO NA EFICINCIA DO DIGESTOR ...........................................................................................96

    TABELA 32 - CONCENTRAES REAIS AFLUENTE E EFLUENTE DE DQO TOTAL NO ESTUDO 1 (mg/l) ..........................................................106

    TABELA 33 - CONCENTRAES REAIS AFLUENTE E EFLUENTE DE DQO FILTRADA NO ESTUDO 1 (mg/l)....................................................107

    TABELA 34 EFICINCIAS NA REMOO DE DQO PARA O ESTUDO 1.....108 TABELA 35 - CONCENTRAES REAIS AFLUENTE E EFLUENTE DE DQO

    TOTAL NO ESTUDO 2 (mg/l) ..........................................................109 TABELA 36 - CARACTERSTICAS DO SISTEMA EXPERIMENTAL................110 TABELA 37 - CONCENTRAES REAIS AFLUENTE E EFLUENTE DE DQO

    TOTAL NO ESTUDO 3 (mg/l) ..........................................................113 TABELA 38 - DADOS ENCONTRADOS NA BIBLIOGRAFIA ............................114

  • xiv

    TABELA 39 - VALORES DE K PARA 1O CASO (DQOt DQOt) NO TU1 DO ESTUDO 1 ..........................................................................................122

    TABELA 40 - VALORES DE K PARA 2o CASO (DQOs DQOs) NO TU1 DO ESTUDO 1 ..........................................................................................122

    TABELA 41 VALORES DE K PARA 3o CASO (DQOf DQOf) NO TU1 DO ESTUDO 1 ..........................................................................................123

    TABELA 42 - VALORES DE K PARA 1O CASO (DQOt DQOt) NO TU1 DO ESTUDO 2 ..........................................................................................123

    TABELA 43 - VALORES DE K PARA 1o CASO (DQOt DQOt) NO TU2 DO ESTUDO 1 ..........................................................................................124

    TABELA 44 - VALORES DE K PARA 2o CASO (DQOs DQOs) NO TU2 DO ESTUDO 1 ..........................................................................................124

    TABELA 45 VALORES DE K PARA 3o CASO (DQOf DQOf) NO TU2 DO ESTUDO 1 ..........................................................................................124

    TABELA 46 - VALORES DE K PARA 1o CASO (DQOt DQOt) NO TU2 DO ESTUDO 2 ..........................................................................................125

    TABELA 47 - VALORES DE K PARA 1o CASO (DQOt DQOt) NO TS DO ESTUDO 1 ..........................................................................................125

    TABELA 48 - VALORES DE K PARA 2o CASO (DQOs DQOs) COM TS DO ESTUDO 1 ..........................................................................................126

    TABELA 49 VALORES DE K PARA 3o CASO (DQOf DQOf) NO TS DO ESTUDO 1 ..........................................................................................126

    TABELA 50 - VALORES DE K PARA 1o CASO (DQOt DQOt) NO TS DO ESTUDO 2 ..........................................................................................127

    TABELA 51 - VALORES DE K PARA 1o CASO (DQOt DQOt) NO TSP DO ESTUDO 3 ..........................................................................................128

    TABELA 52 MODELOS DEFINIDOS NAS SIMULAES PROSPECTIVAS.147 TABELA 53 SIMULAO DEMONSTRATIVA PARA MODELO I.................150 TABELA 54 SIMULAO DEMONSTRATIVA PARA MODELO II ...............152 TABELA 55 SIMULAO DEMONSTRATIVA PARA MODELO III PARA 5

    PESSOAS............................................................................................154 TABELA 56 SIMULAO DEMONSTRATIVA PARA MODELO III PARA 50

    PESSOAS............................................................................................155 TABELA 57 SIMULAO DEMONSTRATIVA PARA MODELO III PARA 500

    PESSOAS............................................................................................157 TABELA 58 RESULTADOS PARA TEMPOS DE DETENO MAIS

    ELEVADOS........................................................................................162

  • xv

    LISTA DE QUADROS

    QUADRO 1 - VANTAGENS E DESVANTAGENS DE SISTEMAS ANAERBIOS PARA TRATAMENTO DE ESGOTO.................................................13

    QUADRO 2 - DIFERENTES RELAES EMPRICAS PARA O CLCULO DO NMERO DE DISPERSO, d.............................................................56

    QUADRO 3 - TIPOLOGIA DOS TIPOS DE TANQUES SPTICOS AVALIADOS.............................................................................................................102

    QUADRO 4 - EQUAES DE CADA REGIME HIDRULICO ANALISADO...103 QUADRO 5 - PARMETROS DE ENTRADA NOS MODELOS MATEMTICOS

    DAS SIMULAES PROSPECTIVAS ............................................104 QUADRO 6 - SIMULAES PROSPECTIVAS......................................................116 QUADRO 7 FAMLIA DE SIMULAES PROSPECTIVAS DE ACORDO COM

    QUADRO 6 .........................................................................................118

  • xvi

    LISTA DE SIGLAS

    ABNT Associao Brasileira de Normas Tcnicas

    CETESB Companhia de Tecnologia de Saneamento Ambiental

    CONAMA Conselho Nacional do Meio Ambiente

    CS Clulas em Srie

    DATASUS - Departamento de Informtica do Sistema nico de Sade

    DBO Demanda Bioqumica de Oxignio

    DQO Demanda Qumica de Oxignio

    E1 Estudo 1

    E2 Estudo 2

    E3 Estudo 3

    FD Fluxo Disperso

    FP Fluxo em Pisto

    FUNASA Fundao Nacional de Sade Pblica

    IBGE Instituto Brasileiro de Geografia

    MC Mistura Completa

    OMS Organizao Mundial da Sade

    OPAS Organizao Pan-americana de Sade

    pH Concentrao de Hidrognio Hidrolisvel

    SABESP Companhia de Saneamento Bsico do Estado de So Paulo

    TS Tanques em Srie

    TSP Tanque Sobreposto

    TU Tanque nico

    TU1 1o Tanque nico

    TU2 2o Tanque nico

    USEPA United States Environmental Protection Agency

  • xvii

    LISTA DE SMBOLOS CA - concentrao da substncia reagente A (mg/l)

    KA - constante de reao (d-1)

    nr - ordem da reao

    dX/dt - taxa de crescimento bacteriano (mg/l * d)

    rg - taxa de crescimento bacteriano (mg/l * d)

    - taxa de crescimento especfico (d-1) X - concentrao de microorganismos (mg/l)

    max - taxa de crescimento especfico mxima (d-1) S - concentrao de substrato limitante (mg/l)

    KS - constante de saturao (mg/l)

    Y - coeficiente de produo celular (mg/mg)

    rsu - taxa de utilizao de substrato (mg/l * d)

    rd - decaimento bacteriano (mg/l * d)

    kd - coeficiente de decaimento bacteriano (d-1)

    rg - taxa de crescimento lquido (mg/l * d)

    rT - taxa de reao TC

    r20 - taxa de reao 20C

    - coeficiente de atividade T - temperatura (C)

    C - concentrao do composto em um tempo t (mg/l)

    Co - concentrao afluente do composto (mg/l)

    V - volume do reator (m)

    Q - vazo (m/dia)

    t - tempo de deteno no reator (dias)

    rp - taxa de reao de produo do compostos (mg/m * dia)

    rc - taxa de reao de consumo do compostos (mg/m * dia)

    S - concentrao de substrato no efluente (mg/l)

    So - concentrao de substrato no afluente (mg/l)

    K - constante de remoo de substrato (dias-1)

    C - concentrao de uma substncia C (g/m)

    V - volume diferencial elementar (m)

  • xviii

    rC - taxa de reao da substncia C (g/m * s)

    Xo - concentrao de microorganismos no afluente (mg/m)

    X - concentrao de microorganismos no efluente (mg/m)

    Qm - quantidade de metano por unidade de tempo

    Xv - slidos suspensos volteis anaerbios no reator

    D - coeficiente de disperso longitudinal (m/d)

    x - distncia na direo do fluxo (m)

    U - velocidade mdia ao longo do reator (m/d)

    d - nmero de disperso

    L - comprimento longitudinal do reator (m)

    n - nmero de clulas

    Vs - velocidade de sedimentao (m/s)

    g - acelerao da gravidade (m/s)

    - viscosidade cinemtica da gua (m/s) S - densidade da partcula (kg/m) 1 - densidade da gua (kg/m) d - dimetro da partcula (m)

    B - largura do tanque (m)

    H - altura do tanque (m)

    A - rea da base ou rea horizontal do tanque (m)

    kdT - coeficiente de decaimento bacteriano para qualquer temperatura (dia-1)

    kd2 - coeficiente de decaimento bacteriano na temperatura de 20C (dia-1)

    - coeficiente dependente da temperatura Tgua - temperatura da gua na lagoa (C)

    Xa - concentrao de algas (mg/l)

    Csa - carga aplicada de DQO (kg/Ha * dia)

    N - nmero de contribuintes

    Contr - contribuio de despejos (litro/pessoa * dia)

    KNBR - taxa de acumulao de lodo digerido (dia)

    Lf - contribuio de lodo fresco (litro/pessoa * dia)

    VD - volume destinado decantao (m)

    tD - tempo de deteno na zona de decantao (dia)

  • xix

    VL - volume para acumulao do lodo (m)

    Vdig - volume para digesto do lodo (m)

    Varm - volume para armazenamento do lodo digerido (m)

    Rdig - coeficiente de reduo do volume de lodo por adensamento e destruio de slidos na

    zona de digesto.

    Tdig - tempo para digesto do lodo (dia)

    Rarm - coeficiente de reduo do volume de lodo devido digesto

    Tarm - tempo de armazenamento do lodo digerido (dia)

    EE - erro padro da estimativa

    vci - valor calculado i

    vei - valor experimental i

    Na - nmero de amostras

    V1 - volume da parte lquida, correspondente a remoo de matria orgnica por

    crescimento suspenso da biomassa, para o fluxo disperso.

    V2 - volume de lodo conforme equao 91.

    VT - V1 + V2

  • xx

    RESUMO

    De acordo com dados atuais do IBGE, sabe-se que no Brasil dos 9.848 distritos, apenas 41,6% so atendidos pela rede de coleta de esgoto. Dos 5.751 distritos restantes aproximadamente 48,3% destinam seus esgotos domsticos para sistemas de fossas spticas. Devido a sua enorme utilizao no territrio nacional como alternativa para o tratamento de esgoto sanitrio, este trabalho procura estudar conceitualmente os tanques spticos por meio de uma avaliao matemtica. Esta avaliao procura estudar o comportamento dos tanques spticos com relao remoo de matria orgnica. Neste intuito foram utilizados trs estudos de sistemas de tanques spticos realizados no Brasil. A avaliao matemtica utilizou diferentes regimes hidrulicos, considerando que a cintica das reaes que ocorrem no interior de um tanque sptico seguem uma cintica de primeira ordem, e comparou os resultados obtidos por meio dos regimes hidrulicos com os resultados reais dos estudos utilizados. Realizada a avaliao matemtica dos tanques spticos, procurou-se discutir o comportamento da constante de remoo de substrato, K, e tambm foi realizada uma comparao dos dados obtidos nas simulaes com dados pesquisados na literatura existente. A partir de ento procurou-se definir o modelo hidrulico que melhor pudesse representar a realidade de tanques spticos para posterior simulao da sua aplicabilidade. Nos resultados obtidos nas simulaes matemticas realizadas, percebeu-se que a constante de remoo de substrato, K, diminui conforme a turbulncia no escoamento no interior dos tanques spticos diminui. Atravs da comparao com dados bibliogrficos, pode-se sugerir que o regime hidrulico de tanques spticos o fluxo disperso. Assim sendo, foi realizada uma avaliao da variao do volume em funo do tempo de deteno. Em tal avaliao verificou-se que conforme o volume aumenta, a eficincia na remoo de matria orgnica aumenta. Finalmente, este trabalho sugere, por meio dos resultados obtidos, uma reviso das normas tradicionais para o dimensionamento de tanques spticos.

    Palavras chave: Tanque Sptico; Remoo de Matria Orgnica; Balano de massa; Cintica de Reaes; Modelagem Matemtica.

  • xxi

    ABSTRACT

    In accordance with IBGE data, it is known that in Brazil from a total of 9,848 districts, only 41.6% are attended by the sewage collection system. From the 5,751 districts left, 48.3% destine theirs domestic wastewater to septic tanks systems. Due to its enormously utilization in the Brazilian national territory, this work has the objective to study the conception of septic tanks by a mathematical estimation. This estimation studies the septic tanks behavior, in specific the organic matter removal. Nevertheless with this intention, three studies with septic tanks done in Brazil were used. The mathematical estimation used different hydraulics models, taking into account that the reaction rate inside the reactors follow a first order reaction, and these results of the estimation were compared with the ones found in existent literature. According to the mathematical estimation done, this work has the objective to analyze the behavior of the constant K, and compare the data obtained in the estimation with the one found in literature researched. On account of this, it was defined the model that could better represent the real data used, to demonstrate the applicability of the septic tanks. Within the results obtained in the mathematical estimation, it was noticed that as the model goes from a complete dispersion situation to a plug flow reactor, the constant K reduce. As a consequence of literature data researched, it is suggested that the hydraulic model inside a septic tank is the dispersion model. Finally, this work recommends, by the results obtained, a deep analysis and a revision of the traditional methods being used.

    Key-words: Septic Tank; Organic Matter Removal; Mass Balance; Reaction Kinetics; Mathematical Model.

  • 1

    1 INTRODUO

    Em 2000 foi publicado pela Organizao Mundial da Sade (OMS,2000) o

    Relatrio Global de abastecimento de gua e esgotamento sanitrio que mostrou que

    dos 6 bilhes de habitantes da Terra, 1,1 bilhes no tem acesso a sistemas de

    abastecimento de gua e 2,4 bilhes no tem acesso a sistemas de esgotamento

    sanitrio. Estes dados se agravam principalmente nos pases em desenvolvimento

    como os pases situados nos continentes Africano, Asitico e Americano. No

    continente americano, mais especificamente na Amrica Latina e no Caribe os servios

    de esgotamento sanitrio cobrem 79% da populao, sendo que destes 79%, 31% dos

    esgotos so destinados para sistemas de fossas spticas (OPAS, 2001).

    No Brasil estes nmeros tambm no so muito diferentes, de acordo com

    dados atuais do IBGE dos 9.848 distritos brasileiros apenas 4.097 dispe de sistemas

    de coleta de esgoto sanitrio, sendo que destes 41,6% coletados, apenas 33,8% dos

    esgotos recebem algum tipo de tratamento. Os outros 66,2% do esgoto coletado nos

    domiclios e despejados em crregos, rios, mares, baas, lagos, entre outros. Dos

    58,4% dos domiclios onde no coletado em rede de coleta de esgoto, 48,3%

    destinam o seu esgoto para sistemas individuais de tratamento como fossas spticas e

    sumidouros. Sabe-se tambm que a populao urbana, tanto no Brasil como

    especificamente na Regio Sul, apresenta melhores ndices de cobertura do que

    comparados com as reas rurais. As tabelas 1 e 2 mostram a situao atual do

    esgotamento sanitrio no pas e no sul segundo dados atuais do IBGE.

  • 2

    TABELA 1 - SITUAO DO ESGOTAMENTO SANITRIO NO BRASIL Total de distritos Distritos atendidos

    Rede coletora de Esgoto 9848 (100%) 4097 (41,60%)

    Rede coletora + tratamento 4097 (100%) 1383 (33,76%)

    Rede coletora sem tratamento 4097 (100%) 2714 (66,24%)

    Sem Rede coletora de Esgoto 9848 (100%) 5751 (58,40%)

    Sem Rede coletora com Fossa Sptica 5751 (100%) 2776 (48,27%)

    Sem Rede coletora com Fossa Seca 5751 (100%) 2431 (42,27%) FONTE: IBGE, Esgotamento Sanitrio 2000.

    TABELA 2 - SITUAO DO ESGOTO SANITRIO DIVIDIDO POR REA URBANA E RURAL rea Urbana rea Rural

    Populao total no Brasil 137.015.685 31.355.208

    Porcentagem atendida por Rede de Coleta 53,8% 3,1%

    Porcentagem atendida por Fossa Sptica 16,2% 8,7%

    Porcentagem atendida por outro tipo de esgoto sanitrio 26,9% 50,6%

    Populao total na Regio Sul 20.191146 2.858.580

    Porcentagem atendida por Rede de Coleta 34,6% 1,5%

    Porcentagem atendida por Fossa Sptica 36,9% 21,1%

    Porcentagem atendida por outro tipo de esgoto sanitrio 36,9% 70,3% FONTE: IBGE - Indicadores de desenvolvimento sustentvel: Brasil 2002

    Isto posto cabe salientar que as doenas parasitarias e intestinais, como diarria,

    clera, esquistossomose e ascaridase, so causadas principalmente pela falta de

    sistemas de esgoto sanitrio. O saneamento e a sade pblica esto relacionados entre

    si de tal forma que, segundo a Fundao Nacional de Sade Pblica (FUNASA), para

    cada real investido em saneamento, economiza-se 4 reais em medicina curativa.

    Segundo o DATASUS 65% das internaes hospitalares de crianas com at 10 anos

  • 3

    so decorrentes de doenas em reas sem saneamento. O mesmo relatrio produzido

    pela OMS citado acima, mostra que:

    a) os 4 bilhes de casos de diarria anuais causam aproximadamente 2,2

    milhes de mortes;

    b) as infeces causadas por vermes afetam 10% da populao dos pases em

    desenvolvimento;

    c) 200 milhes de pessoas no mundo so infectadas por esquistossomose por

    ano.

    Como podemos observar existe uma enorme demanda de sistemas de

    esgotamento sanitrio, tanto em reas urbanas como em reas rurais. Porm para

    concretizar a universalizao destes sistemas, os pases devem dispor de altos

    investimentos no setor de saneamento. Logo, existe uma grande necessidade de

    estudar alternativas eficazes e de baixo custo para o tratamento do esgoto de

    comunidades de pequeno porte.

    A maioria das pequenas comunidades existentes no Brasil no dispe de

    sistemas de tratamento de esgoto, sendo todo esgoto gerado por essas populaes

    despejado em cursos dgua ou no solo, causando enormes conseqncias ambientais,

    sociais e econmicas.

    No obstante, existem diversas alternativas de sistemas de tratamento de esgoto

    para pequenas comunidades que podem servir como solues individuais ou coletivas,

    aliando baixo custo, fcil operao e manuteno e eficincias na remoo de certos

    poluentes presentes no esgoto domstico.

    Entre esses sistemas podemos destacar os seguintes tipos:

    a) tanque sptico;

    b) filtro anaerbio;

  • 4

    c) lagoa de estabilizao;

    d) valo de oxidao;

    e) vala de infiltrao;

    f) vala de filtrao;

    g) reator anaerbio de manta de lodo;

    h) disposio no solo (escoamento superficial e infiltrao rpida).

    Entre eles, a fossa sptica apresenta-se como uma soluo muito interessante,

    pois percebe-se uma ampla utilizao desse sistema em locais onde no existe rede

    coletora de esgoto ou locais afastados de ncleos urbanos com infra-estrutura

    consolidada. Assim sendo, a fossa sptica ser objeto de estudo deste trabalho.

  • 5

    2 OBJETIVOS

    Este trabalho tem como objetivo contribuir para o estudo de tanques spticos,

    utilizando uma abordagem conceitual dos fenmenos que ocorrem no interior dos

    tanques. Neste sentido pretende-se avaliar matematicamente o comportamento de

    tanques spticos para o tratamento de esgoto domstico, no que diz respeito

    principalmente remoo de matria orgnica.

    Assim espera-se aprimorar ferramentas conceituais e matemticas para prover

    melhorias na concepo, projeto e dimensionamento dos tanques spticos, de maneira

    que os mesmos tenham sua eficincia na remoo de matria orgnica incrementada a

    partir de dimenses otimizadas.

  • 6

    3 REVISO BIBLIOGRFICA

    3.1 CONSIDERAES GERAIS SOBRE OS TANQUES SPTICOS

    O Tanque Sptico, tambm conhecido como Fossa Sptica ou Decanto-

    Digestor, um sistema para tratamento de esgoto de nvel primrio. So aplicados para

    pequenas vazes, contudo podem tambm tratar mdias e grandes vazes, sendo de

    fcil aplicabilidade devido a construo e operao bastante simples. Alm disso, so

    dispositivos que dispensam pr-tratamento. De acordo com JORDO e PESSOA

    (1995, p. 260), as fossas spticas so compartimentos devidamente construdos onde o

    esgoto domstico e/ou industrial retido por um perodo de tempo previamente

    determinado. No interior do tanque ocorre a sedimentao dos slidos e a reteno do

    material graxo caracterstico dos despejos.

    A Associao Brasileira de Normas Tcnicas ABNT define o tanque sptico

    como sendo uma unidade cilndrica ou prismtica retangular de fluxo horizontal para

    tratamento de esgotos por processos de sedimentao, flotao e digesto. A figura 1

    mostra um esquema ilustrativo de um tanque sptico convencional.

    Os tanques spticos, porm, no realizam milagres. No se trata de uma caixa mgica, onde entram coelhos e saem flores...

    Sua funo , principalmente, a de transformar matrias slidas em lquidas, isto , digeri-las:

    o tanque sptico , pois, um digestor biolgico. Mas ele no elimina todo o poder poluidor dos esgotos e,

    principalmente no destri quantidade significativa de patognicos.

    Samuel Murgel Branco (2002)

  • 7

    FIGURA 1 ESQUEMA ILUSTRATIVO DE UM TANQUE SPTICO

    ESGOTOAFLUENTE ESGOTO

    EFLUENTE

    ESCUMA

    LODO

    TANQUE SPTICO

    FONTE: A autora

    3.2 HISTRICO DOS TANQUES SPTICOS

    A expresso Tanque Sptico foi registrada e patenteada na Inglaterra em 1895

    pelo inventor ingls Donald Cameron, porm j em 1860 Jean Louis Mouras havia

    construdo um tanque de alvenaria para receber os despejos de uma residncia na

    Frana, que recebeu o nome de Mouras Automatic Scavenger. As fossas foram

    usadas primeiramente na Europa e em 1883 foram adotadas nos EUA quando Edward

    S. Patrick construiu uma fossa com dois compartimentos (JORDO e PESSOA, 1995,

    p. 259 e McCARTY, 1981).

    O tanque sptico recebeu este nome por Donald Cameron pois o mesmo teve a

    inteno de lembrar populao que a eficincia do tanque dependia das bactrias que

  • 8

    nele vivem. Por volta de 1903 foram desenvolvidos outros tipos de tanques, como o

    Travis e o Imhoff, sendo este ltimo o tanque sptico de cmaras sobrepostas.

    A partir de 1930 as fossas spticas comearam a ser difundidas no Brasil e trinta

    anos depois, por volta de 1963, foi confeccionada pela Associao Brasileira de

    Normas Tcnicas - ABNT uma norma para o projeto dos mesmos. A norma mais

    recente data de 1993 e recebe a seguinte denominao: NBR 7229 - Projeto,

    construo e operao de tanques spticos.

    3.3 DESCRIO DOS PROCESSOS OCORRENTES NO TANQUE SPTICO

    3.3.1 Consideraes Iniciais

    Segundo ANDRADE NETO et al. (1999b, p. 119) o tanque sptico funciona

    como um decantador e um digestor em uma mesma unidade. No tanque ocorrem

    simultaneamente processos de decantao, flotao dos slidos, assim como a

    respectiva digesto do material sedimentado (lodo) e do flutuante (escuma).

    O processo de sedimentao dos slidos presentes nos esgotos ocorre por meio

    da ao da gravidade. Quanto maior for o tempo de deteno mdio do esgoto no

    tanque e menor for a turbulncia hidrulica, maior ser a sedimentao dos slidos.

    Porm, o processo fsico tem um certo limite e a partir de um determinado tempo de

    deteno a eficincia na remoo dos materiais sedimentveis no ter nenhum

    incremento.

    A camada de escuma formada na parte superior do tanque pode apresentar

    espessura entre 20 e 25 cm. A escuma formada principalmente por leos e graxas, ou

  • 9

    seja, produtos orgnicos biodegradveis que sero decompostos de forma progressiva

    (ANDRADE NETO et al., 1999b, p. 119).

    A camada de lodo sedimentada no fundo da fossa composta principalmente

    por slidos que sero degradados atravs da digesto anaerbia. O lodo decantado

    deve permanecer tempo suficiente no interior da fossa para garantir a sua completa

    digesto. Na digesto anaerbia do material sedimentado pequenas bolhas de gases so

    produzidas e ascendem em direo superfcie do tanque, juntando-se a camada de

    escuma (leos e graxas).

    Alm de decantador e digestor, as fossas propiciam tambm o tratamento

    anaerbio da fase lquida por meio do crescimento suspenso, aumentando a eficincia

    na remoo de matria orgnica dissolvida, principal limitao do uso de tanques

    spticos. ANDRADE NETO et al. (1999b, p. 120) salientam que a maior atividade

    biolgica ocorre no lodo decantado, contudo no se pode desprezar a ao biolgica da

    fase lquida principalmente em regies de clima quente. De acordo com o modelo e

    mistura do reator esta atividade na fase lquida pode ser muito significativa.

    A figura 2 ilustra os processos correntes nos tanques spticos.

  • 10

    FIGURA 2 FUNCIONAMENTO DE TANQUES SPTICOS

    Entrada

    Lodo digerido

    Lodo em digesto

    Desprendimento de gasesborbulhamento

    Partculas pesadas sedimentamPartculas leves

    flutuam

    Lquido emsedimentao

    Esgotobruto

    Acumulao de escumafrao emersa

    Acumulao de escumafrao submersa

    Sada

    efluente

    Nvel degua

    FONTE: ABNT, NBR 7229/1993.

    Aps algum tempo de funcionamento de um tanque sptico, formam-se duas

    camadas de lodo, uma de lodo digerido e outra de lodo em digesto. Esta camada de

    lodo digerido deve ser retirada do tanque periodicamente. O lodo produzido e

    descartado de um tanque sptico apresenta as caractersticas mdias de acordo com a

    tabela 3.

    TABELA 3 - CARACTERSTICAS DO LODO PRODUZIDO E DESCARTADO kgSS / kgDQO

    aplicada Teor de Slidos

    Secos (%) Massa de Lodo (gSS/hab . d)

    Volume de Lodo (l/hab . d)

    Lodo desidratado - 30 - 40 20 - 30 0,05 0,10 Lodo removido da fase lquida 0,20 0,30 3 6 20 - 30 0,3 1,0

    FONTE: Adaptado de JORDO E PESSOA, CHERNICHARO1, apud ANDREOLI et al., 2001, p. 40.

    Normalmente o processo mais utilizado para disposio do lodo removido de

    uma fossa sptica a desidratao, como por exemplo, o emprego de leitos de

    secagem.

  • 11

    Os tanques spticos so reatores anaerbios de baixa taxa (BOUNDS, 1997, p.

    2) e diferem dos outros tipos de reatores, pois nos reatores como o UASB o fluxo

    atravs do lodo ativo, disperso na massa lquida em flocos ou em grnulos, e j nos

    tanques spticos o fluxo no ocorre na zona de acumulao do lodo (ANDRADE

    NETO et al., 1999b, p. 123). Os tanques so menos sensveis s variaes e flutuaes

    quantitativas e qualitativas do esgoto afluente e so menos dependentes de pr-

    tratamento.

    Com relao a eficincia dos tanques spticos os dados fornecidos pela

    literatura variam bastante pois as condies locais podem influenciar nos resultados,

    conforme tabela 4.

    TABELA 4 - EFICINCIAS NA REMOO DE POLUENTES POR TANQUES SPTICOS Eficincia na Remoo (%) Contaminante Azevedo Neto Jordo e Pessoa Metcalf & Eddy Chernicharo

    Slidos em Suspenso 50 70 60 78,9 85 20 90 DBO5, 20C 30 60 35 61 33,3 62,3 30 55 Coliformes 40 - 60 - - -

    FONTE: AZEVEDO NETO (1963, p. 323); JORDO E PESSOA (1985, p. 273); METCALF & EDDY (1991); CHERNICHARO (1997, p. 137). (-) Dado no disponvel.

    Como foi exposto acima o funcionamento do tanque sptico caracterizado

    pela reteno e decantao do esgoto, digesto anaerbia do lodo e reduo de volume

    do lodo (JORDO E PESSOA, 1995, p. 261). A seguir sero descritos os dois

    principais processos que ocorrem no interior de um tanque sptico: Digesto

    Anaerbia e Decantao.

  • 12

    3.3.2 Abordagem sobre os Processos Bioqumicos

    No interior do Tanque Sptico ocorrem processos bioqumicos caractersticos

    da digesto anaerbia. Estes processos sero descritos a seguir.

    3.3.2.1 Digesto anaerbia

    3.3.2.1.1 Consideraes iniciais

    A digesto anaerbia um processo bioqumico que envolve a decomposio

    de matria orgnica sem a presena de oxignio dissolvido. A digesto anaerbia um

    processo natural que envolve principalmente microrganismos anaerbios e alguns

    facultativos. BOUNDS (1997, p. 3) salienta que a digesto que ocorre em tanques

    spticos desenvolvida predominantemente por bactrias, as quais so normalmente

    espiraladas e esfricas. Observar que, apesar da existncia de fungos e protozorios

    nas fossas spticas, predominam as bactrias conforme BITTON (1999, p. 282).

    O quadro 1 mostra algumas vantagens e desvantagens dos processos anaerbios

    para o tratamento de esgoto.

  • 13

    QUADRO 1 - VANTAGENS E DESVANTAGENS DE SISTEMAS ANAERBIOS PARA TRATAMENTO DE ESGOTO

    Vantagens Desvantagens - baixa produo de slidos, cerca de 5 a 10 vezes inferior que ocorre nos processos aerbios; - baixo consumo de energia, usualmente associado a uma elevatria de chegada. Isso faz com que os sistemas tenham custos operacionais muito baixos; - baixa demanda de rea; - baixos custos de implantao, da ordem de 20 a 30 dlares per capita; - produo de metano (gs combustvel de elevado teor calorfico) - possibilidade de preservao da biomassa, sem alimentao do reator, por vrios meses; - tolerncia a elevadas cargas orgnicas; aplicabilidade em pequena e grande escala; - baixo consumo de nutrientes.

    - as bactrias anaerbias so susceptveis inibio por um grande nmero de compostos; - a partida do processo pode ser lenta na ausncia de lodo de semeadura adaptado; - alguma forma de ps-tratamento usualmente necessria; - a bioqumica e a microbiologia da digesto anaerbia so complexas e ainda precisam ser mais estudadas; - possibilidade de gerao de maus odores, porm controlveis; - possibilidade de gerao de efluente com aspecto desagradvel; - remoo de nitrognio, fsforo e patognicos insatisfatria.

    FONTE: Adaptado de CHERNICHARO, 1997, p. 17.

  • 14

    J um comparativo entre os processos aerbio e anaerbio apresentado na

    figura 3.

    FIGURA 3 - COMPARAO ENTRE O SISTEMA AERBIO E O SISTEMA ANAERBIO

    CO2; DQO (40 50%)

    DQO (100%) Reator Aerbio Efluente; DQO (5- 10%) PROCESSO

    AERBIO

    Lodo; DQO (50 60%)

    Biogs; DQO (70 90%)

    DQO (100%) Reator Anaerbio Efluente; DQO (10 30%) PROCESSO

    ANAERBIO

    Lodo; DQO (5 15%)

    FONTE: Adaptado de CHERNICHARO, 1997, p. 18.

    Observa-se na figura 3 que a quantidade de lodo gerado no processo anaerbio

    significativamente menor do que quando comparado ao processo aerbio. Na

    oxidao aerbia tem-se a formao de gs carbnico (CO2) e j no processo

    anaerbio tem-se como produto do metabolismo bacteriano o biogs, que algumas

    vezes pode ser aproveitado para fins energticos.

  • 15

    Especificamente quanto aos sistemas de tratamento anaerbio, alguns fatores

    so importantes para garantir a eficincia na remoo do material orgnico

    biodegradvel (VAN HAANDEL e LETTINGA, 1994, p. II-11):

    a) natureza do material orgnico a ser digerido;

    b) existncia de fatores ambientais adequados para digesto anaerbia;

    c) tamanho da populao bacteriana;

    d) intensidade de contato entre o material orgnico afluente e as populaes

    bacterianas;

    e) tempo de permanncia do esgoto no sistema de tratamento.

    De acordo com VAN HAANDEL e LETTINGA (1994, p. II-11), os quatro

    primeiros fatores estabelecem as condies ambientais e operacionais no reator,

    enquanto que o quinto fator uma varivel funo do nvel de eficincia esperado

    relativo remoo do material orgnico.

    Assim, nos sistemas anaerbios temos como principais produtos finais o gs

    metano (CH4) e o gs carbnico (CO2). O gs metano, que compe o biogs, possui

    um poder calorfico em torno de 9.000 kcal/m e pode ser queimado para gerar calor

    para digestores.

    3.3.2.1.2 Fases do processo de digesto anaerbia

    Todo processo anaerbio se d em quatro fases: Hidrlise, Acidognese,

    Acetognese e Metanognese. Nestas quatro fases, trs grupos de bactrias participam

    do processo: as bactrias fermentativas, as acetognicas e as arqueobactrias

    metangenas. O produto final das bactrias fermentativas (hidrolticas e acidognicas)

  • 16

    ser substrato para as acetognicas, as quais, por sua vez fornecero o substrato

    necessrio para as metanognicas. A figura 4 ilustra essas quatro etapas e a figura 5

    mostra um esquema das reaes e das porcentagens do balano de DQO que ocorre na

    digesto anaerbia, por exemplo, de lodo de ETE de origem domstica.

    A figura 4 apresenta o processo anaerbio esquematicamente com suas fases.

    FIGURA 4 - DIGESTO ANAERBIA

    Compostos Orgnicos Complexos

    Compostos Orgnicos Simples

    Hidrlise

    Acidognese

    cidos Orgnicos

    Acetognese

    AcetatoH2 + CO2

    CH4 + CO2

    Metanognese

    FONTE: Adaptado de CHERNICHARO, 1997, p. 25

    A figura 5 apresenta o processo anaerbio de forma mais detalhada, mostrando

    as respectivas porcentagens do substrato em todo processo.

  • 17

    FIGURA 5 - ESQUEMA DA DIGESTO ANAERBIA PARA LODO DOMSTICO, COM AS RESPECTIVAS PORCENTAGENS DO CAMINHO DO SUBSTRATO

    Carboidratos

    Hidrlise

    Material orgnico particuladoLipdeoProtena

    ~ 21% ~ 40% ~ 39%

    66%

    Aminocidos, Acares

    34%5%

    cidos Graxos

    Fermentao

    Produtos Intermedirios(Propionato, Butirato, etc.)

    20% Oxidao Anaerbia34%

    HidrognioAcetato

    8%

    20%

    12%

    Metano100% DQO

    35%11% 23%

    11%

    100% DQO

    FONTE: Adaptado de GUJER e ZEHNDER, 1983, p. 129.

    A hidrlise a quebra de material orgnico complexo em material orgnico

    simples atravs de exo-enzimas excretadas pelas bactrias fermentativas hidrolticas.

    As bactrias liberam enzimas que por meio da hidrlise, reduzem os compostos

    complexos em compostos simples adicionando gua s molculas orgnicas. Como

    exemplo de enzimas extracelulares podemos citar a celulose, as proteases e as lpases.

    Esta etapa ocorre pois os compostos complexos no podem atravessar a parede celular

    das bactrias e atravs da hidrlise, estes polmeros so degradados monmeros ou

    polmeros solveis que, sendo absorvidos pela parede celular, podero ser degradados

  • 18

    pelas bactrias fermentativas acidognicas. Como exemplo podemos citar os seguintes

    compostos complexos: os carboidratos, as protenas e os lipdeos, que so hidrolisados

    acares, aminocidos e peptdeos. (BOUNDS, 1997, p. 3 e CHERNICHARO, 1997,

    p. 25).

    Vrios fatores podem afetar a hidrlise (LETTINGA et al., apud

    CHERNICHARO, 1997, p. 26):

    a) temperatura operacional do reator;

    b) tempo de residncia do substrato no reator;

    c) composio do substrato;

    d) tamanho das partculas;

    e) pH do meio;

    f) concentrao de NH4+-N;

    g) concentrao de produtos da hidrlise.

    HENZE e HARREMOES (1983, p. 4) destacam uma grande influncia do pH e

    do tempo de residncia celular na taxa de reao da hidrlise.

    Vrios autores afirmam que as reaes de hidrlise seguem uma cintica de

    primeira ordem (ver item 3.3.1.3) e que nem todo material particulado presente no

    substrato ser degradado com igual facilidade, devido aos vrios fatores que podem

    influenciar o processo (GUJER e ZEHNDER, 1983, p. 133). A tabela 05 mostra, de

    acordo com diversos autores, alguns valores encontrados para a taxa de reao de

    hidrlise (kp) que foi calculada baseada nos dados encontrados em artigos onde

    assumiu-se que todo material hidrolisado foi considerado biodegradvel.

  • 19

    TABELA 5 - HIDRLISE DE BIOPOLMEROS EM CONDIES ANAERBIAS Tipo de

    polmero Produto da hidrlise

    Taxa aparente da hidrlise, kp (d-1)

    Temperatura (C) Referncia

    Lipdeos cidos graxos, glicerol, lcoois 0,8 34 Woods e Melina (1965)

    Protenas Polipeptideos Oligopetides 0,02 0,03

    34 35

    Woods e Melina (1965) Ghosh et. al. (1980)

    Celulose Polisacardeos Oligosacardeos 0,04 0,13

    35 34

    Ghosh et. al. (1980) Woods et. al. (1965)

    FONTE: Adaptado de GUJER e ZEHNDER, 1983, p. 142.

    Um valor mais geral para a taxa de hidrlise seria de 0,3 d-1 a 35C, valor este

    estimado em um reator anaerbio (GUJER e ZEHNDER, apud HENZE e

    HARREMOES, 1983, p. 4).

    A segunda etapa da digesto anaerbia consiste na acidognese, onde os

    compostos mais simples (exemplo: acares, aminocidos e peptdeos) so

    metabolizados no interior das clulas, formando cidos orgnicos (produtos

    intermedirios), como o butrico e o propinico. Observou-se, baseado no fluxo de

    substrato e produo de biomassa, que a produo mais significativa de biomassa

    ocorre durante a fermentao dos aminocidos e acares em cidos intermedirios

    (GUJER e ZEHNDER, 1983, p. 133). De acordo com a figura 05, aproximadamente

    20% dos aminocidos e aucares so convertidos em propionato e butrico, 35% em

    acetato e os restantes 11% em hidrognio. GUJER e ZEHNDER (1983, p. 141)

    afirmam que, de acordo com a bibliografia existente, as reaes cinticas de

    fermentao indicam que esta etapa no considerada como limitante dentro de todo o

    processo de digesto anaerbia e no dependente do pH.

    1 GUJER, W.; ZEHNDER, J. B. Conversion process in anaerobic digestion. Presented at IAWPR Seminar on

    anaerobic treatment. Denmark: [s.n.], 1982.

  • 20

    Na terceira etapa ocorre a acetognese, que se caracteriza pela formao de

    cido actico, hidrognio (H2) e gs carbnico (CO2) pelas bactrias acetognicas.

    Estas bactrias transformam os cidos orgnicos em compostos que sero utilizados

    pelas bactrias metanognicas para formao de metano e outros compostos. Pela

    figura 5 observamos que as reaes de oxidao anaerbia dos cidos graxos e dos

    produtos intermedirios formam o acetato e o hidrognio. De acordo com GUJER e

    ZEHNDER (1983, p. 143) a oxidao anaerbia pode ser inibida em pH baixo devido

    acumulao de hidrognio.

    A formao de metano um processo lento que se d por dois grupos de

    arqueobactrias, as metanognicas acetoclsticas, que utilizam como substrato o

    acetato, e as metanognicas hidrogenotrficas, que utilizam como substrato o H2 e o

    CO2. Uma pequena quantidade de metano pode ser formada a partir do metanol e do

    cido frmico, porm essas reaes tm reduzida importncia prtica (HENZE e

    HARREMOES, 1983, p. 5). Simplificadamente, as equaes que definem as

    transformaes da metanognese so as seguintes:

    243 COCHCOOHCH + (1) OHCHCOH 2422 24 ++ (2)

    Estima-se que 70% de cido actico (CH3COOH) ser degradado CH4 e CO2,

    e que 30% de H2 e CO2 sero degradados CH4 e H2O, de acordo com a figura 05. As

    arqueobactrias do grupo metangenas apresentam baixas taxas de crescimento

    (reduzidos dias) comparadas com as taxas das bactrias das etapas anteriores

    (reduzidas horas), por isso, o metabolismo destas bactrias considerado como fator

    limitante no processo de digesto anaerbia. Assim, a produo de metano a etapa

    limitante de toda a degradao anaerbia (METCALF & EDDY, 1991, p. 424).

    HENZE e HARREMOES (1983, p. 6) ainda comentam que as metanognicas

  • 21

    hidrogenotrficas crescem mais rapidamente se comparadas s acetoclsticas. O tempo

    de gerao do gs metano pode variar de 3 dias um temperatura de 35C at 50 dias

    uma temperatura de 10C (BITTON, 1999, p. 286). Isto posto, deve-se garantir que o

    tempo de deteno no reator seja maior do que a taxa de crescimento das

    metanognicas. importante mencionar que existem diversas espcies de

    arqueobactrias formadoras de metano num sistema anaerbio, onde cada espcie

    possue diferentes taxas de crescimento. ANDREWS1 et al., apud ECKENFELDER

    (1980, p. 94) mostraram que alguns organismos com altas taxas de crescimento (< 2

    dias) produzem metano da fermentao do metanol, CO2, H2 e, possivelmente, cidos

    volteis. Outros organismos necessitam de tempos de deteno superiores 20 dias. A

    tabela 06 mostra os tempos de deteno relativos taxa de crescimento das

    metanognicas.

    1 ANDREWS, J. F. , et al. Kinetics and Characteristics of Multi-Stage Methane Fermentations. SERL, Rep. 64

    11, University of California, Berkley, 1962

  • 22

    TABELA 6 - TEMPO DE DETENO RELATIVO TAXA DE CRESCIMENTO DE ORGANISMOS FORMADORES DE METANO

    Substrato Temperatura (C) Tempo de deteno (dias) Autor Metanol 35 2.0 Speece e McCarty Formato 35 3.0 Speece e McCarty Acetato 35 5.0 Speece e McCarty

    Propionato 35 7.5 Speece e McCarty Acetato 35 2 4.2 Lawrence e McCarty Acetato 25 4.2 Lawrence e McCarty

    Propionato 25 2.8 Lawrence e McCarty Butirato 35 2.7 Lawrence e McCarty

    FONTE: SPEECE e McCARTY1, apud ECKENFELDER, 1980, p. 95; LAWRENCE e McCARTY2, apud ECKENFELDER, 1980, p. 95.

    Outra etapa que tambm pode ocorrer na digesto anaerbia, caso o efluente

    contenha compostos de enxofre, a sulfetognese. A figura 6 demonstra como a

    seqncia metablica com a presena de compostos com enxofre.

    1 SPEECE, R. E. e McCARTY, P. L. Nutrient Requirements and Biological Solids Accumulation in Anaerobic

    Digestion. Advances in Water Pollution Research. v. 2. Ed. Pergamon Presse, Oxford, Englandd, 1964. 2 LAWRENCE, A. e McCARTY, P. L. Kinetics of methane Fermentation in Anaerobic Waste Treatment. Tech.

    Rep. 75, Departament of Civil Engineering, Stanford Univ., 1967.

  • 23

    FIGURA 6 - DIGESTO ANAERBIA NA PRESENA DE COMPOSTOS DE ENXOFRE

    H2 + CO2

    Metanognese

    CH4 + CO2

    Acetato

    cidos Orgnicos

    Acetognese

    Compostos Orgnicos Simples

    Acidognese

    Compostos Orgnicos Complexos

    Hidrlise

    H2S + CO2

    Sulfetognese

    FONTE: Adaptado de CHERNICHARO, 1997, p. 29.

    Neste caso um grupo de bactrias denominada sulforredutoras reduzem os

    compostos com enxofre (sulfato, sulfito e outros compostos sulforados) sulfeto,

    formando o gs sulfdrico, H2S. De acordo com a figura 6 observa-se que as bactrias

    sulforredutoras competem pelos substratos disponveis com as bactrias responsveis

    pelas etapas da figura 4, quais sejam a acidognese, a acetognese e a metanognese

    (CHERNICHARO, 1997, p. 28). A sulfetognese pode acarretar srios problemas no

    tratamento de certos efluentes pois o H2S um composto inibidor da metanognese,

    podendo diminuir a atividade das bactrias responsveis por esta etapa. Estudos

    mostram que as bactrias redutoras de sulfato apresentam mais afinidade com o

    acetato (Ks = 9,5 mg/l) do que as metanognicas (Ks = 32,8 mg/l). Isto significa que as

    bactrias redutoras de sulfato podem competir com as metanognicas sob baixas

  • 24

    concentraes de acetato (BITTON, 1999, p. 290). Outros problemas observados na

    sulfetognese so o mau cheiro e a elevada demanda bioqumica de oxignio no

    efluente (LETTINGA 1 , apud CHERNICHARO, 1997, p. 44 e VISSER 2 , apud

    CHERNICHARO, 1997, p. 44).

    Isto posto, faz-se oportuno discorrer sobre alguns requisitos ambientais que

    devem ser obedecidos no intuito de se obter eficincia no processo anaerbio em

    reatores. Para as bactrias acidognicas o pH timo fica entre 5,0 e 6,0, e para as

    metanognicas fica em torno de 7,0. Os reatores anaerbios so operados normalmente

    com pH prximo de 7,0 estimulando assim a formao de metano. Mesmo o pH timo

    das bactrias acidognicas sendo entre 5,0 e 6,0, num ambiente neutro (pH = 7,0) estes

    organismos apresentam taxas de crescimento favorveis. Fora da faixa de pH entre 6,0

    e 8,0 a atividade das arqueobactrias formadoras de metano diminui

    consideravelmente (DROSTE, 1997, p. 626).

    Quanto a temperatura, a mesma deve permanecer acima de 20C, sendo que

    entre 30 e 40C estar na temperatura tima da faixa mesfila, e entre 50 e 60C para a

    faixa termfila. Alm do pH e temperatura, os nutrientes so de extrema importncia

    para o crescimento dos organismos envolvidos na digesto anaerbia.

    De acordo com CHERNICHARO (1997, p. 58) os nutrientes presentes nos

    esgotos domsticos esto em concentraes adequadas para o desenvolvimento de um

    ambiente ideal para a digesto anaerbia. A relao C:N:P (carbono: nitrognio:

    fsforo) deve ficar em torno de 700:5:1 para o desenvolvimento das bactrias

    1 LETTINGA, G. Introduction. In: International course on anaerobic treatment. Wageningen Agricultural

    university IHE Delft. Wageningen: [s.n.], 1995. 2 VISSER, A. Anaerobic treatment of sulphate containing waste water. In: International course on anaerobic

    treatment. Wageningen Agricultural university IHE Delft. Wageningen: [s.n.], 1995.

  • 25

    anaerbias. No entanto, alguns pesquisadores sustentam que a relao C/N tima para

    produo de gs metano deve permanecer em torno de 25-30:1 (POLPRASERT1, apud

    BITTON, 1999, p. 290). Observar tambm que a alcalinidade deve permanecer na

    faixa de 1000 at 5000 mg/l.

    3.3.2.2 Cintica das reaes

    No sentido de projetar sistemas para tratamento de esgoto, necessrio

    conhecer o comportamento da variao da composio e da concentrao dos

    materiais no reator, assim como a taxa em que tais variaes ocorrem. Muitas das

    reaes que ocorrem em sistemas para tratamento de esgoto so lentas e sua cintica

    considerada importante.

    A equao geral que relaciona a taxa de variao da concentrao da substncia

    no tempo com a prpria concentrao da substncia, pode ser expressa (ARCEIVALA,

    1981, p. 562):

    nrAA

    A CKdt

    dC *= (3)

    onde CA = concentrao da substncia reagente A (mg/l)

    KA = constante de reao (dia-1)

    nr = ordem da reao (para n = 1 reao de primeira ordem, para n = 2 reao de

    segunda ordem, e assim por diante)

    1 POLPRASERT, C. Organic Waste Recycling. Ed. John Wiley & Sons. Chichester, UK. 357 p. 1989.

  • 26

    Os principais fatores que podem afetar os valores de KA so:

    a) temperatura;

    b) presena de catalisadores;

    c) presena de substncias txicas;

    d) disponibilidade de nutrientes e fatores de crescimento;

    e) outras condies ambientais.

    As reaes de ordem zero (n = 0) no dependem da concentrao CA e portanto

    a taxa dCA/dt constante, como mostra a equao:

    AA K

    dtdC = (4)

    Certas reaes catalisadoras ocorrem de acordo com esta cintica de ordem

    zero.

    As reaes de primeira ordem (n =1) so aquelas onde a taxa de mudana da

    concentrao da substncia A proporcional primeira potncia da concentrao:

    AAA CK

    dtdC *= (5)

    Neste tipo de reao a taxa dCA/dt diminui com o tempo. Uma reao de

    primeira ordem aquela onde uma nica substncia (por exemplo: H2O2 ou Ca(OCl)2)

    decomposta. A estabilizao biolgica da matria orgnica em sistemas por batelada

    um tpico exemplo de uma pseudo reao de primeira ordem. Embora envolva

    diversas variveis, como oxignio dissolvido, nmero de organismos e concentrao

    de matria orgnica, a taxa da reao proporcional concentrao de uma nica

    substncia fornecida (matria orgnica neste caso). Caso a matria orgnica

    (concentrao de substrato) seja mantida dentro de uma escala estreita, como num

    sistema contnuo (ex: reator de mistura completa), a taxa de reao ser praticamente

  • 27

    constante e o reator se comportar segundo uma pseudo reao de ordem zero.

    Existem vrios processos complexos na natureza onde a taxa total de reao

    aproximadamente de primeira ordem. GUJER e ZEHNDER (1983, p. 134) concluram

    que as reaes de hidrlise podem ser descritas segundo uma cintica de primeira

    ordem.

    Integrando a equao (5) dentro dos limites de concentrao (C1 e C2) e tempo

    (t1 e t2), teremos:

    = dtKCdC AAA (6) ou

    ( ) ( )1221ln ttKCC A = (7) ou, se a concentrao Co no incio (t = 0), ento a concentrao Ct para qualquer

    tempo t : tK

    otAeCC ** = (8)

    As reaes de segunda ordem (n = 2) ocorrem com uma taxa de reao

    proporcional segunda potncia da concentrao:

    2* AAA CKdtdC = (9)

    Nas reaes de segunda ordem pequenas mudanas na concentrao da

    substncia podem afetar consideravelmente a taxa de reao. Integrando a equao (9)

    teremos:

    12

    12

    11

    ttCCK A

    = (10)

    Como exemplo de aplicao podemos citar que demgrafos notaram que a taxa

    de crescimento da populao segue uma cintica de segunda ordem.

  • 28

    Existem outros tipos de reaes que incluem reaes de ordem superior

    segunda, reaes de ordem fracional, reaes seqenciais onde uma substncia

    removida primeiro e a outra depois, e reaes onde vrios passos intermedirios

    ocorrem (exemplo: NH3 NO2- NO-).

    3.3.2.3 Cintica da digesto anaerbia

    A cintica do crescimento biolgico muito importante para o estudo do

    processo de digesto anaerbia pois a cintica descreve o comportamento do

    metabolismo bacteriano e assim pode-se prever a qualidade final do efluente. Neste

    sentido, ser apresentado na seqncia a formulao cintica que descreve o

    crescimento bacteriano, o crescimento de substrato limite e a utilizao de substrato.

    3.3.2.3.1 Crescimento bacteriano

    A taxa de crescimento bacteriano pode ser definida como (METCALF &

    EDDY, 1991, p. 370):

    XrdtdX

    g *== (11) onde dX/dt = taxa de crescimento bacteriano (mg/l * d)

    = taxa de crescimento especfico (d-1) X = concentrao de microorganismos (mg/l)

    Esta equao foi definida tanto para um sistema descontnuo, como para

    sistemas contnuos.

  • 29

    3.3.2.3.2 Crescimento de substrato limite

    A Equao de Monod define o efeito do substrato limitante para sistemas

    contnuos (METCALF & EDDY, 1991, p. 370):

    SKS

    S += max (12)

    onde = taxa de crescimento especfico (d-1) max = taxa de crescimento especfico mxima (d-1) S = concentrao de substrato limitante (mg/l)

    KS = constante de saturao (mg/l)

    A constante de saturao, KS, definida como a concentrao de substrato onde

    a taxa de crescimento especfico ser igual a metade da taxa de crescimento especfico

    mxima ( = 0,5 max). Ao substituirmos a equao 11 na equao 12, teremos:

    SKSXr

    dtdX

    Sg +==

    **max (13)

    A figura 7 mostra o efeito da concentrao de substrato (acetato) na taxa de

    crescimento bacteriano para as Metanognicas Metanotrix e Metanosarcina, que

    apresentam valores da taxa de crescimento especfico mxima, max, de 0,1 e 0,3 d-1 respectivamente. A constante de saturao, KS, para Metanotrix de 30 mg/l e para

    Metanosarcina de 200 mg/l. Pelo grfico pode-se observar que at uma concentrao

    de aproximadamente 55 mg/l de acetato a taxa de crescimento especfico da bactria

    Metanotrix mais elevada, ou seja, nessas condies este tipo de bactria prevalecer.

    Para concentraes acima de 55 mg/l de acetato, a bactria Metanosarcina cresce a

  • 30

    uma taxa especfica maior e ser o microorganismo predominante. (VAN HAANDEL

    e LETTINGA, 1994, p. II-7)

    FIGURA 7 - TAXA DE CRESCIMENTO X CONCENTRAO DE ACETATO

    0

    0.05

    0.1

    0.15

    0.2

    0.25

    0 100 200 300 400 500 600

    Concentrao de acetato (mg/L)

    Taxa

    de

    cres

    cim

    ento

    (1/d

    )

    Ks2Ks1

    Metanosarcina

    Metanotrix

    FONTE: Adaptado de VAN HANDEEL e LETTINGA, 1994, p. II-7.

    3.3.2.3.3 Crescimento bacteriano e Utilizao do substrato

    Nos sistemas contnuos e em batelada ao mesmo tempo em que o substrato

    convertido em produtos oxidados, parte do substrato convertido em novas clulas. A

    seguinte relao foi desenvolvida relacionando o crescimento bacteriano com a

    utilizao do substrato (METCALF & EDDY, 1991, p. 371):

  • 31

    sug rYr *= (14) onde rg = taxa de crescimento bacteriano (mg/l * d)

    Y = coeficiente de produo celular (mg/mg)

    rsu = taxa de utilizao de substrato (mg/l * d)

    Com relao aos valores do coeficiente de produo celular, Y, verifica-se que

    nos processos anaerbios os valores de Y so menores se comparados aos processos

    aerbios para tratamento de esgotos. O valor do coeficiente de produo, Y, decresce

    com o decrscimo da carga orgnica, fazendo com que a frao disponvel de

    biomassa tambm decresa (HENZE e HARREMOES, 1983, p. 13). A figura 8 ilustra

    a relao entre o coeficiente de produo e a carga orgnica para processos anaerbios.

  • 32

    FIGURA 8 - RELAO ENTRE O COEFICIENTE DE PRODUO CELULAR E A CARGA ORGNICA

    0.05

    0.10

    0.15

    0.5 1.0

    Pette et al (1981)

    Lettinga et al (1980)

    Mximo terico

    Young and McCarty (1967)

    Frostell(1981)

    Benjamin et al (1981)

    Y - Coeficiente de produo observadoobs

    (kgSSV/kgDQOsolvel removida)

    (kgDQO/kgSSV * dia)Carga orgnica

    FONTE: Adaptado de HENZE e HARREMOES, 1983, p. 14.

    Se substituirmos a equao (13) na equao (14), teremos:

    )(***maxSKYSXr

    Ssu +=

    (15)

    sabendo-se que

    Yk max= (16)

    Logo, a equao (16) ir resultar na expresso:

    )(**SKSXkr

    Ssu += (17)

    A cintica dos processos anaerbios envolve tambm processos de respirao

    endgena que representa o decaimento bacteriano, onde h uma reduo da

    concentrao de bactrias no meio. Assume-se que um decrscimo na massa

  • 33

    proporcional concentrao de microrganismos presentes no meio. O decaimento

    bacteriano recebe a seguinte expresso:

    Xkdrd *= (18) onde rd = decaimento bacteriano (mg/l * d)

    kd = coeficiente de decaimento bacteriano (d-1)

    Combinando as equaes (18), (13) e (14), teremos a seguinte expresso,

    definindo a taxa de crescimento lquido:

    XkdSK

    SXrS

    g *)(**max' +=

    (19)

    XkdrYr sug **' = (20)

    onde rg = taxa de crescimento lquido (mg/l * d)

    A figura 9 mostra a curva tpica do crescimento bacteriano, relacionando o

    tempo de deteno com o nmero de organismos (VON SPERLING, 1996, p.108).

    FIGURA 9 CURVA TPICA DO CRESCIMENTO BACTERIANO

    0

    FONTE: Adaptado de VON SPERLING, 1996, p. 108.

  • 34

    Na cintica da digesto anaerbia a temperatura um fator muito importante.

    Todas as taxas definidas acima so calculadas para uma temperatura constante de

    20C. Caso a temperatura seja diferente a seguinte equao expressa o efeito da

    temperatura nas taxas de reao dos processos biolgicos: )20(

    20 *= TT rr (21)

    onde: rT = taxa de reao TC

    r20 = taxa de reao 20C

    = coeficiente de atividade T = temperatura em C

    Outras expresses foram desenvolvidas para expressar a cintica das reaes,

    como por exemplo (METCALF & EDDY, 1991, p. 373):

    krsu = (22) SXkrsu **= (23)

    Estas expresses foram obtidas de forma emprica e ilustram a necessidade de

    estudos aprofundados na cintica de processos biolgicos. O mais importante a

    aplicao de taxas cinticas coerentes na anlise do balano de massa dos reatores.

    Para se ter uma completa idia da cintica do crescimento microbiano e da utilizao

    do substrato nos sistemas anaerbios, os parmetros cinticos de todos os grupos

    microbianos devem ser caracterizados. Devido s complexas interaes entre os

    grupos microbiolgicos a maioria dos estudos cinticos dos processos de tratamento

    anaerbio tem medido taxas associadas comunidades inteiras preferivelmente do que

    grupos individuais (GRADY et al., 1999, p. 94).

    Em conseqncia do crescimento na compreenso das interaes

    microbiolgicas nos processos anaerbios, pesquisadores buscam modelar os sistemas

    anaerbios incluindo as reaes dos grupos microbiolgicos mais importantes, como

  • 35

    por exemplo considerar as quatro principais fases da digesto anaerbia (hidrlise,

    acidognese, acetognese e metanognese). Com relao aos valores cinticos,

    respectivos s diversas fases da digesto anaerbia, vrios autores apresentam

    contribuies. GRADY et al. (1999, p. 94), apresentam valores de parmetros,

    conforme tabela 07. A temperatura mais comum utilizada nas operaes anaerbias em

    laboratrio de 35C.

    TABELA 7 - PARMETROS CINTICOS DE ACORDO COM VRIOS AUTORES

    FONTE: GRADY et al., 1999, p. 94

    J os estudos realizados por EASTMAN e FERGUSON 1 , apud GUJER e

    ZEHNDER (1983, p. 141) mediram as caractersticas de crescimento cintico relativo

    fermentao de lodo primrio e obtiveram os seguintes valores: para uma

    temperatura de 35C e pH de 5,2, obteve-se uma taxa de crescimento especfico

    mxima (max, d-1) maior que 2,7, um coeficiente de produo de biomassa Y de 0,48 (gDQO / gDQO utilizada), e um coeficiente de decaimento bacteriano, kd, de 0,43 d-1.

    1 EASTMAN, J. A. e FERGUSON, J. F. Solubulization of particulate organic carbon during the acid phase of anaerobic digestion. Journal WPCF. v. 53. pp. 352 366. 1981.

    Tipo de bactrias max (hr-1) KS (mg/l) Autores Bactrias

    fermentativas 0,25 20 25 Grady et al., 1999

    Bactrias Acidogenicas 0,01 500 Bryers, 1985

    Bactrias que degradam cido

    propionico 0,0065 250 Gujer e Zehnder, 1983

    Methanosarcina 0,014 300 Grady et al., 1999 Methanothrix 0,003 30 40 Grady et al., 1999

  • 36

    A tabela 8 mostra resultados de um estudo realizado por NOVAK e

    CARLSON 1 , apud GUJER e ZEHNDER (1983, p. 145) onde foram degradados

    anaerobiamente 37C, cidos graxos como nica fonte de carbono. Observar que na

    tabela os valores mdios so dos parmetros cinticos respectivos a todos os

    experimentos realizados.

    TABELA 8 - PARMETROS DO CRESCIMENTO CINTICO DA DEGRADAO ANAERBIA DE CIDOS GRAXOS

    cido Graxo max (d-1) Y (kg SSV/kgDQO) kd (d-1) KS (g DQO/m) k = max/Y Esterico (C-18) 0,10 ~ 0,11 ~ 0,01 417 0,909 Palmtico (C-19) 0,12 ~ 0,11 ~ 0,01 143 1,0909 Myristic (C-14) 0,11 ~ 0,11 ~ 0,01 105 1,00

    Oleic (C-18) 0,45 ~ 0,11 ~ 0,01 3180 4,0909 Linoleic (C-18) 0,56 ~ 0,11 ~ 0,01 1816 5,0909

    FONTE: Adaptado de GUJER e ZEHNDER, 1983, p. 145.

    Os experimentos realizados por LAWRENCE e McCARTY2, apud GUJER e

    ZEHNDER (1983, p. 146), com um reator tipo chemostat degradando anaerobiamente

    apenas produtos intermedirios, revelaram os seguintes parmetros cinticos:

    TABELA 9 - PARMETROS DO CRESCIMENTO CINTICO DA DEGRADAO ANAERBIA DE PROPIONATO E BUTRICO

    Composto T (C) max (d-1) Y (kg biomassa/kgDQO) kd (d-1) KS (g DQO/m) k = max/Y Propionato* 35 0,31 0,042 0,01 60 7,38 Propionato 25 0,36 0,051 0,04 1146 7,059

    Butrico 35 0,37 0,047 0,027 13 7,87 FONTE: Adaptado de GUJER e ZEHNDER, 1983, p. 146. NOTA: * valores mdios para dois grupos de experimentos com diferentes concentraes.

    GUJER e ZEHNDER (1983, p. 147) observaram em experimentos de

    laboratrio que na degradao do propionato em acetato, H2 e CO2, os parmetros

    1 NOVAK, J. T. e CARLSON, D. A. The kinetics of anaerobic long chain fatty acid degradation. Journal WPCF. v. 42. pp. 1932 1943. 1970. 2 LAWRENCE, A. W. e McCARTY, P. C. Kinetics of methane fermentation in anaerobic treatment. Journal

    WPCF. v. 42. pp. R1 R17. 1969.

  • 37

    cinticos obtidos foram os seguintes: para uma temperatura de 33C, max de 0,155 d-1, Ks de 246 g DQO/m, Y de 0,025 kg biomassa/kg propionato (em termos de DQO) e k

    (max /Y) de 6,2 d-1. Para expressar o crescimento de bactrias anaerbias, acidognicas e

    acetognicas, so apresentados valores de constantes, na tabela 10, conforme diversos

    autores.

    TABELA 10 - CONSTANTES CINTICAS DE BACTRIAS ACIDOGNICAS E ACETOGNICAS

    max (d-1)

    Y (kgSSV/kgDQO)

    KS (g DQO/m) k = max/Y

    kd (d-1) C

    Substrato (cultura) Autor

    - - 0,15 1 - - anaerbio misto Mueller e

    Mancini (1975)

    - 0,12 - - 0,08 - anaerbio misto Young e

    McCarty (1967)

    > 1,33 0,54 - - 0,87 38 cultura mista Andrews e

    Pearson (1965)

    3,8 0,28 18,3 - - 35 lodo de esgoto Ghosh e Klass

    (1978) FONTE: Adaptado de HENZE e HARREMOES (1983, p. 8)

    Tratando-se especificamente de metanognese, esta caracteriza-se pela

    degradao de acetato em metano, onde a tabela 11 mostra valores para o crescimento

    cintico deste processo:

  • 38

    TABELA 11 - PARMETROS DO CRESCIMENTO CINTICO DA DEGRADAO ANAERBIA DE ACETATO EM METANO

    T (C)

    max (d-1)

    Y (kg biomassa/kgDQO)

    kd (d-1)

    KS (g DQO/m)

    k = max/Y Autores

    35 0,34 0,04 0,015 165 8,5 Lawrence e McCarty (1969)

    30 0,24 0,054 0,037 356 4,44 Lawrence e McCarty (1969)

    25 0,24 0,050 0,011 930 4,8 Lawrence e McCarty (1969)

    35 ~ 0,44 ~ 0,05 * ~ 250 8,8 Smith e Mah (1980)

    37 ~ 0,11 ~ 0,023 * 28 4,78 Huser (1981), Zehnder et. al. (1980) FONTE: Adaptado de GUJER e ZEHNDER, 1983, p.150. NOTA: * estes valores no foram informados

    Para a metanognese a partir do hidrognio, os seguintes valores foram

    observados considerando culturas puras de Methanobrevibacter arboriphilus em

    digestores supernadantes com pH de 7,0 e temperatura de 33C (GUJER e

    ZEHNDER, 1983, p.150):

    a) max = 1,4 d-1; b) Y = 0,04 g biomassa / g DQO;

    c) Ks = 0,6 mg DQO/l;

    d) k = max/Y = 35 d-1.

    Valores encontrados, por diferentes autores, para algumas constantes cinticas

    de bactrias metanognicas so apresentados na tabela 12.

  • 39

    TABELA 12 - CONSTANTES CINTICAS DE METANOGNICAS max (d-1)

    Y (kgSSV/kgDQO)

    KS (g DQO/m)

    k = max/Y

    kd (d-1) C

    Substrato (cultura) Autor

    - - 0,002 4 - - anaerbio misto Mueller e

    Mancini (1975)

    - 0,05 - - 0,04 - anaerbio misto Young e

    McCarty (1967)

    0,40 0,06 0,002 - - - mista Andrews e Graef (1971)

    > 1,33 0,14 - 0,02 38 mista Andrews e Pearson (1965)

    0,5 0,7 0,03 0,04 0,3 - - 36 pura Smith e Mah (1978) FONTE: Adaptado de HENZE e HARREMOES (1983, p.10)

    Baseado nas tabelas 10 e 12 HENZE e HARREMOES (1983, p. 13) prope a

    tabela 13 com constantes do crescimento anaerbio para culturas anaerbias, com

    temperatura mdia de 35C:

    TABELA 13 - CONSTANTES CINTICAS PARA CULTURAS ANAERBIAS

    max (d-1) Ymax (kgSSV/kgDQO) KS (g DQO/m) k = max/Y max C 0,4 0,18 - 2,2 35

    FONTE: Adaptado de HENZE e HARREMOES (1983, p. 13)

    J METCALF & EDDY (2003, p. 1000) apresenta a seguinte tabela para

    reatores de mistura completa com crescimento suspenso, tratando DQO solvel. As

    taxas referem-se ao processo anaerbio global:

  • 40

    TABELA 14 - CONSTANTES CINTICAS PARA REATORES DE MISTURA COMPLETA Valor Parmetro Unidade Faixa Tpico

    Coeficiente de produo celular, Y mg SSV/mg DQO 0,05 0,10 0,08

    Coeficiente de decaimento, kd d-1 0,02 0,04 0,03 35C 0,30 0,38 0,35 30C 0,22 0,28 0,25 Taxa de crescimento

    especfico mxima, max 25C d-1

    0,18 0,24 0,20 35C 60 - 200 160 30C 300 - 500 360 Constante de saturao, KS 25C

    mg/l 800 - 1100 900

    FONTE: Adaptado de METCALF & EDDY (2003, p. 1000)

    De acordo com o exposto acima fica claro que a cintica anaerbia um

    assunto complexo e que a maioria dos parmetros cinticos encontrados na

    bibliografia referem-se s etapas isoladas da digesto. Pouco se conhece sobre valores

    cinticos globais, que permitam ter uma idia de como o processo da digesto se

    comporta como um todo e no considerando as etapas separadamente. METCALF &

    EDDY (2003, p. 1000) e HENZE e HARREMOES (1983, p. 10) propem valores

    globais como os verificados nas tabelas 13 e 14.

    3.3.2.4 Balano de Massa

    O balano de massa de reatores envolve a entrada e sada de materiais no reator

    e reaes cinticas de produo e consumo de substrato e biomassa. Como o balano

    de massa baseia-se na lei da conservao de massa, a quantidade de material

    acumulado deve ser igual quantidade de material que entra menos a quantidade que

    sai mais a quantidade transformada dentro de um volume qualquer.

    Acmulo = Entrada Sada + Produo Consumo

  • 41

    O balano de massa em um reator qualquer pode ser configurado da seguinte

    maneira:

    FIGURA 10 - REPRESENTAO GRFICA DO BALANO DE MASSA

    Sada (Q * C)Entrada (Q * Co)

    Consumo (rc * V)

    Produo (rp * V)

    Isto posto, a expresso matemtica do balano de massa :

    VrVrCQCQdt

    VCdcpO ****

    )*( += (24)

    onde C = concentrao do composto em um tempo t (mg/l)

    Co = concentrao afluente do composto (mg/l)

    V = volume do reator (m)

    Q = vazo (m/dia)

    t = tempo (dia)

    rp = taxa de reao de produo do compostos (mg/m * dia)

    rc = taxa de reao de consumo do compostos (mg/m * dia)

    No tratamento de esgoto considera-se como fixo o volume do reator,

    simplificando a equao 24:

  • 42

    VrVrCQCQdtCdV cpO ****

    )(* += (25)

    No obstante, TCHOBANOGLOUS e SCHROEDER1, apud VON SPERLING

    (1996, p. 48), definiram os seguintes passos para o equacionamento e estruturao do

    balano de massa:

    a) preparar um esquema ou fluxograma simplificado do sistema ou processo

    para o qual ser feito o balano de massa;

    b) desenhar os limites do sistema para definir onde o balano de massa se

    aplicar;

    c) listar todos os dados pertinentes que sero usados na preparao do balano

    de massa no esquema ou fluxograma elaborado;

    d) listar todas as equaes das reaes qumicas ou biolgicas que se julga

    representarem o processo;

    e) selecionar uma base conveniente na qual os clculos numricos sero

    efetuados.

    O balano de massa pode ser estruturado para duas situaes: o estado

    estacionrio ou o estado dinmico. No estado estacionrio no h acmulo de massa

    no sistema, e o lado esquerdo da equao 25 iguala-se a zero, pois dC/dt = 0. No

    estado dinmico existe acmulo de massa no sistema dC/dt 0. ESTADO ESTACIONRIO:

    VrVrCQCQ cpO ****0 += (26)

    1 TCHOBANOGLOUS, G. e SCHROEDER, E. D. Water quality: characteristics, modeling, modification.

    Addison-Wesley, Reading, MA. 1985.

  • 43

    ESTADO DINMICO:

    VrVrCQCQdtdCV cpO ***** += (27)

    Nota-se que o estado estacionrio uma particularidade do dinmico. Em

    termos prticos e reais, o estado dinmico representa mais adequadamente o

    funcionamento de reatores, porm apresenta maior complexidade na resoluo das

    equaes. (VON SPERLING, 1996, p. 49)

    3.3.2.5 Tipos de reatores

    Denomina-se reator todo tanque ou volume genrico que possibilita o

    acontecimento de reaes qumicas ou bioqumicas no seu interior (VON SPERLING,

    1996b, p. 50). Nesse sentido, todos os tanques e lagoas utilizados para o tratamento de

    esgoto podem ser denominados de reatores (ARCEIVALA, 1981, p. 566). Alm

    disso, podem ser divididos de acordo com o tipo de fluxo em sistemas contnuos ou

    descontnuos. Os reatores podem apresentar diferentes configuraes e mecanismos de

    transporte dos materiais. De acordo com sua hidrulica, os reatores classificam-se em:

    a) fluxo em pisto;

    b) mistura completa;

    c) fluxo disperso;

    d) clulas em srie e/ou paralelo.

  • 44

    3.3.2.5.1 Fluxo em pisto

    Caractersticas:

    Os reatores de fluxo em pisto apresentam fluxo contnuo e os materiais saem

    do reator na mesma ordem em que entram. Cada elemento exposto ao tratamento

    pelo mesmo perodo de tempo, denominado tempo de deteno terico. O fluxo se

    assemelha a um mbolo e a disperso longitudinal mnima pois no ocorre mistura.

    (VON SPERLING, 1996b, p. 51) As substncias biodegradveis reduzem as suas

    concentraes durante a passagem pelo reator devido atividade biolgica. A remoo

    de substrato ocorre por meio de uma reao de primeira ordem : tK

    O eSS** = (28)

    onde S = concentrao de substrato no efluente (mg/l)

    So = concentrao de substrato no afluente (mg/l)

    t = tempo de deteno no reator (dias)

    K = taxa de remoo de substrato (dias-1)

    Do incio ao fim do reator a taxa de remoo de substrato, K, constante mas a

    concentrao do substrato degradvel diminui gradualmente com o fluxo. Assim, no

    incio do reator a concentrao de substrato alta e a remoo alta para reaes de

    primeira e maiores ordens. No final do reator a concentrao de substrato baixa e,

    portanto a remoo baixa tambm. Isto ocorre no caso de reatores longos e

    retangulares ou lagoas utilizadas no tratamento de esgoto. (ARCEIVALA, 1981, p.

    569)

    BOUNDS (1997, p. 2) afirma em seu trabalho que o tanque sptico opera como

    um reator de fluxo em pisto, pois em geral no ocorre mistura ou aquecimento e as

  • 45

    partculas no interior do reator ascendem ou descendem e uma estratificao se

    desenvolve. No entanto, veremos no decorrer deste trabalho que esta afirmao no

    condiz com a realidade dos tanques spticos.

    Balano de massa de reatores de fluxo em pisto:

    A derivada pelo tempo da equao do balano de massa para reatores com fluxo

    em pisto pode ser ilustrada atravs da figura 10.

    FIGURA 11 - ILUSTRAO DO VOLUME DE CONTROLE PARA REATORES COM FLUXO EM PISTO

    QCVolume Diferencial AV = A x

    QCA x + x

    A x Seo transversal A

    x

    x + x

    x

    FONTE: Adaptado de METCALF & EDDY, 1991, p. 1266.

  • 46

    Para o volume diferencial V, o balano de massa para um reagente C escrito da seguinte forma:

    VrCQCQVtC

    CXXX +=

    + **** (29)

    onde C = concentrao de uma substncia C (g/m)

    V = volume diferencial elementar (m) Q = vazo (m/dia)

    rC = taxa de reao da substncia C (g/m * s)

    Substituindo a forma diferencial do termo Q * CX + X na equao (29), teremos:

    VrxxCCQCQV

    tC

    C +

    +=

    ***** (30) Substituindo V por A * x:

    VrxxCQxA

    tC

    c +

    =

    *** (31) e dividindo por A e x:

    crxxC

    xAQ

    tC +

    =

    * (32)

    Tomando o limite x prximo de zero:

    CrxC

    AQ

    tC +

    = * (33)

    Considerando o estado estacionrio (C/t = 0) e que a taxa de reao definida como sendo rC = - k * Cn:

    0** ==

    nCkxC

    AQ

    tC (34)

  • 47

    Reorganizando a equao (34), teremos:

    dxQA

    CkdC

    n **= (35)

    Integrando a equao (35) entre os limites C = Co e C = C e x = 0 e x = L:

    h

    L

    tQV

    QLAdx

    QA ==== =

    = 0

    CC

    CCn

    *C*k

    dC

    o

    (36)

    onde th = tempo de deteno hidrulico (dias)

    A equao (36) representa a soluo, no estado estacionrio, para o balano de

    massa de reatores com fluxo em pisto.

    3.3.2.5.2 Mistura completa

    Caractersticas:

    Os reatores de mistura completa apresentam fluxo contnuo e ocorre uma

    disperso mxima das substncias que entram no reator. Desta forma, o contedo do

    reator homogneo e as concentraes so iguais em qualquer ponto do reator. No

    estado estacionrio temos a concentrao afluente constante implicando numa

    concentrao efluente constante, ou seja, no varia ao longo do tempo.

    O balano de massa para um reator de mistura completa no estado estacionrio,

    para uma substncia biodegradvel seguindo uma cintica de primeira ordem (dS/dt =

    -K * S), nos fornece a seguinte equao:

    VSKSQSQdt

    VSdO ****0

    )*( == (37)

    onde S = concentrao de substrato no efluente (mg/l)

  • 48

    So = concentrao de substrato no afluente (mg/l)

    Q = vazo no reator (m/dia)

    K = taxa de remoo de substrato (dia-1)

    V = volume do reator (m)

    A equao (37) pode se reescrita na seguinte forma, possibilitando uma

    estimativa da concentrao de substrato no efluente:

    )/(*1 QVKSS O+= (38)

    ou

    )(*1 tKSS O+= (39)

    Tanques quadrados ou circulares com alto grau de agitao, como por exemplo

    lodos ativados, usados no tratamento de esgoto com freqncia se aproximam de

    condies ideais de mistura completa. (ARCEIVALA, 1981, p. 572)

    Balano de massa de reatores de mistura completa

    De acordo com a equao (37), o balano de massa de um reator de mistura

    completa considerando como compostos os microorganismos existentes, estes

    representando a biomassa, e o substrato afluente, teremos:

    VrXQXQdtdXV gO ****

    '+= (40)

    onde dX/dt = taxa de variao na concentrao de microorganismos (mg/m * dia)

    V = volume do reator (m)

    Q = vazo (m/s)

    Xo = concentrao de microorganismos no afluente (mg/m)

  • 49

    X = concentrao de microorganismos no efluente (mg/m)

    rg = taxa de crescimento lquido (mg/m * dia)

    Na equao (40) e nas equaes que dela sero derivadas, a concentrao de

    microorganismos representada pelos slidos suspensos volteis (SSV). Esta

    representao parte da idia de que a poro voltil proporcional atividade da

    massa microbiana em questo (METCALF & EDDY, 1991, p. 376). Ao substituirmos

    a taxa lquida, r`g, pela expresso (19), teremos:

    VXkdSK

    SXXQXQdtdXV

    SO **

    ***** max ++= (41)

    onde S = concentrao de substrato no efluente do reator (mg/l)

    Considerando que a concentrao de microrganismos no afluente seja

    praticamente inexistente e que o estado estacionrio prevalea, a equao (41) pode ser

    simplificada para a seguinte expresso:

    VXkdSK

    SXXQQS

    *****0*0 max ++= (42)

    hS tkd

    SKS

    VQ 1*max =+=

    (43)

    onde th = tempo de deteno hidrulica (dias)

    A equao (40) e conseqentemente a equao (41) representam o balano de

    massa da massa de microorganismos num reator de mistura completa. O balano de

    massa correspondente ao substrato expresso da seguinte maneira:

    VrSQSQdtdSV SUO **** += (44)

    onde So = concentrao de substrato no afluente (mg/m)

    S = concentrao de substrato no efluente (mg/m)

  • 50

    Substituindo a equao (17) na equao (44) e considerando o estado

    estacionrio, teremos:

    SKVSXkSQSQ

    dtdSV

    SO +

    += ****** (45)

    e

    ( ) 0** =+ SKSXktSS

    ShO (46)

    As concentraes no efluente do substrato e dos microorganismos podem ser

    obtidas atravs das equaes acima descritas, e as seguintes simplificaes podem ser

    realizadas: resolvendo a equao (43) pelo termo S/(KS + S), substituindo-a na

    equao (46) e simplificando pelo termo (16), teremos a seguinte expresso para a

    concentrao no efluente de microorganismos:

    ( )( )h

    O

    tkdSSYX

    *1+= (47)

    A expresso para a concentrao no efluente do substrato pode ser obtida

    igualando as equaes (46) e (47):

    ( )( ) 1**

    *1*

    +=kdkYt

    kdtKSh

    hS (48)

    As equaes (47) e (48) podem ser utilizadas para fazer uma previso da

    qualidade final do efluente quando os coeficientes cinticos so conhecidos ou

    estimados. importante notar que essas equaes que prevem a qualidade final do

    efluente so baseadas na frao solvel do afluente e no levam em conta a frao dos

    slidos suspensos que podem estar presentes no afluente. (METCALF & EDDY, 1991,

    p. 376)

    DROSTE (1997, p. 633) derivou uma equao para a produo de metano para

    um reator de mistura completa. Esta equao depende da taxa de remoo de substrato

  • 51

    e do fator de converso de DQO (demanda qumica de oxignio) em metano (0,25 g

    CH4 / g DQO):

    SKSXkQ Vm +=

    **25,0 (49)

    onde Qm = quantidade de metano por unidade de tempo

    Xv = slidos suspensos volteis anaerbios no reator

    3.3.2.5.3 Fluxo disperso

    Sabe-se que tanto o fluxo em pisto como o de mistura completa so fluxos

    idealizados e que na prtica o escoamento no interior de reatores sempre se desvia de

    qualquer uma dessas duas condies. O escoamento intermedirio entre esses ideais

    denominado fluxo disperso. O fluxo disperso contnuo, arbitrrio e pode ser utilizado

    para descrever as condies de fluxo da maioria dos reatores.

    Neste sentido, LEVENSPIEL (1999, p. 214) comenta que existem trs fatores

    que governam o tipo de escoamento. So eles: a distribuio do tempo de residncia

    do material que est escoando; o estado de agregao do material em escoamento; e a

    antecipao ou o retardo de mistura do material. No caso do fluxo disperso esses trs

    fatores se desviam da situao ideal do fluxo em pisto ou em mistura completa.

    Na distribuio do tempo de residncia podem ocorrer desvios decorrentes da

    formao de canais preferenciais de fluxo, de zonas mortas e de curtos-circuitos. O

    estado de agregao do material depende da sua natureza e pode ser chamado de

    macro ou microfluido. O macrofluido um estado em que as molculas esto

    agrupadas em agregados, como por exemplo, partculas slidas ou lquidos muito

    viscosos. J o microfluido um estado de agregao onde as molculas individuais se

  • 52

    movem e se misturam livremente. Gases e lquidos comuns no muito viscosos so

    exemplos do estado de agregao microfluido. (LEVENSPIEL, 1999, p. 215)

    A antecipao ou o retardo de mistura de material no reator pode ser observado

    atravs da figura 12:

    FIGURA 12 ANTECIPAO E RETARDO DE MISTURA DE MATERIAL

    a) ANTECIPAO DE MISTURA

    mistura intensa perfil de velocidades

    b) RETARDO DE MISTURA

    nenhuma mistura mistura intensa

    c) MISTURA UNIFORME

    mesma mistura ao longo do tanque inteiro

    FONTE: Adaptado de LEVENSPIEL, 1999, p. 217

    Pela figura 12 verificamos que quando ocorre antecipao de mistura de

    material, primeiramente temos a condio de mistura completa e posteriormente um

    perfil de velocidades arbitrrio. J quando ocorre o retardo de mistura, verificamos o

  • 53

    comportamento hidrulico contrrio ao verificado na primeira condio analisada. Para

    a terceira condio verifica-se o mesmo perfil de velocidades ao longo de todo

    comprimento do reator. LEVENSPIEL (1999, p.216) comenta que esse fator pouco

    influencia no comportamento global de um nico fludo em escoamento.

    Enfim, LEVENSPIEL (1999, p.216) adverte que para algumas situaes estes

    trs fatores podem ser essenciais e que em outras um deles pode ser facilmente

    ignorado. Na maioria dos casos este fato depende do tempo de reao, tempo de

    mistura e do tempo de permanncia das partculas no reator.

    O desvio das condies ideais caractersticas do modelo de disperso pode ser

    representado pelo coeficiente de disperso longitudinal. Utilizando a segunda lei de

    Fick, porm substituindo o coeficiente de difuso molecular pelo coeficiente de

    disperso longitudinal, D, a variao na concentrao dada pela equao (50):

    2

    2

    xCD

    tC

    =

    (50)

    onde C = concentrao da substncia (g/m)

    D = coeficiente de disperso longitudinal (m/d)

    x = distncia na direo do fluxo (m)

    O coeficiente de disperso longitudinal um parmetro adimensional que mede

    a extenso da disperso axial no interior de um reator. longitudinal pois este

    coeficiente caracteriza o grau de mistura na direo do escoamento.

    Admitindo o estado estacionrio no balano material para qualquer seo no

    reator, LEVENSPIEL 1 , apud ARCEIVALA (1981, p. 574) forneceu a seguinte

    equao genrica para qualquer reagente seguindo uma cintica de ordem n:

    1 LEVENSPIEL, O. Chemical Reaction Engineering. 1 ed. New York: John Wiley and Sons, 1962.

  • 54

    0*22

    =

    nrCKxCU

    xCD (51)

    onde U = velocidade mdia ao longo do reator (m/d)

    K = taxa de remoo de constante (dia-1)

    nr = ordem da reao

    Vrios fatores podem afetar a disperso nos reatores, ARCEIVALA (1981, p.

    575) listou os seguintes:

    a) magnitude da mistura;

    b) geometria da unidade;

    c) energia introduzida por unidade de volume;

    d) tipo e disposio das entradas e sadas;

    e) velocidade do fluxo de entrada e suas flutuaes;

    f) diferenas de temperatura e densidade entre o fluxo de entrada e o contedo

    do reator;

    g) nmero de Reynolds.

    Em 1956, WEHNER e WILHEM (1956, p. 89) resolveram a equao (51) para

    reaes de primeira ordem em processos qumicos. A aplicao desta equao para o

    projeto de processos de tratamento de esgoto est cada vez mais crescente. A equao

    resolvida por Wehner e Wilhem portanto:

    dada

    d

    O eaeaeaSS 2/22/2

    2/1

    )1()1(**4

    += (52)

    onde S = concentrao efluente de substrato (mg/l)

    So = concentrao afluente de substrato (mg/l)

    )***41( dtKa +=

  • 55

    d = nmero de disperso

    t = tempo de deteno (dia)

    K = constante de remoo de substrato (dia-1)

    O nmero de disperso (d) caracteriza as condies de mistura dos reatores, e

    para os reatores ideais este nmero representa uma condio limite.

    LUDd*

    = (53)

    onde d = nmero de disperso

    D = coeficiente de disperso longitudinal (m/dia)

    U = velocidade horizontal mdia (m/dia)

    L = comprimento longitudinal do reator (m)

    O nmero de disperso, d, pode variar de 0 a . Quando d aproxima-se de 0 (fluxo em pisto), a equao (52) fornece praticamente o mesmo resultado da

    concentrao efluente S do que se calculado pela equao (28). Da mesma forma,

    quando d se aproxima de (mistura completa), a equao (52) fornece dados da concentrao efluente S praticamente iguais quelas fornecidas pela equao (39).

    Na bibliografia existente a determinao do parmetro d bastante ampla e

    baseada principalmente em estudos empricos aplicados em sistemas de lagoas de

    estabilizao e em mtodos experimentais especficos.

    A seguir so apresentadas algumas equaes empricas que podem ser utilizadas

    para determinar o valor do nmero de disperso para o clculo do projeto de lagoas de

    estabilizao (facultativas ou de maturao):

  • 56

    QUADRO 2 - DIFERENTES RELAES EMPRICAS PARA O CLCULO DO NMERO DE DISPERSO, d

    Equao Autor

    489,1

    511,1489,0

    )*(*)2(***814,0

    HLBHBTd += Posprasert e Batharai (1983)

    )*385,1981,0(410,0

    )(*)(****4

    )**)2(*3(*102,0 BHBH

    LH

    HBLTHBd +

    += Agunwamba et al (1992)

    2)(*014,1)(*254,0261,0)(

    BLBLBLd ++= Yanez (1993)

    BLd 1= Von Sperling (2000)

    onde: B = largura (m); H = altura (m); L = comprimento (m); d = nmero de disperso. FONTE: Adaptado de VON SPERLING (2000, p. 39) e YANEZ (1993, p. 203)

    Utilizando mtodos experimentais especficos, existe uma outra maneira de se

    determinar o nmero de disperso em reatores, a mesma consta do mtodo de anlise

    das curvas de passagem (KELLNER e PIRES, 1999, p. 153). Este mtodo consiste na

    introduo de uma quantidade conhecida de um traador fsico ou no-reativo na

    entrada do reator e posterior medio do mesmo ao longo do tempo. A introduo do

    traador pode ser realizada continuamente ou de forma instantnea. O que vai

    caracterizar o espalhamento do traador no interior do reator o coeficiente de

    disperso, D. Assim, teremos que para (LEVENSPIEL, 1999, p. 246):

    D grande espalhamento rpido da curva do traador; D pequeno espalhamento lento; D = 0 espalhamento inexistente. Quando o valor do nmero de disperso, d, for menor que 0,01, ou seja

    pequeno, admitimos pequenas extenses de disperso. Neste caso o espalhamento na

    curva do traador no muda significativamente conforme o mesmo passa pelo ponto

    onde medido. (LEVENSPIEL, 1999, p. 249)

  • 57

    Para valores de d maiores que 0,01, admite-se um grande desvio do modelo de

    fluxo em pisto. Na medida em que o traador medido ocorrem mudanas em sua

    forma, ou seja, a curva se espalha atravs do escoamento. Para este caso a condio de

    contorno pode afetar o escoamento. Em recipientes abertos (ver figura 12) o

    escoamento no sofre qualquer alterao ao passar pelos contornos de entrada e sada.

    J nos recipientes fechados, o escoamento antes e depois dos contornos de entrada e

    sada, o fluxo pistonado. Estas condies de contorno podem ser melhor

    compreendidas na figura 13.

    FIGURA 13 CONDIES DE CONTORNO

    a) RECIPIENTE ABERTO

    mesmo d em qualquer lugar

    b) RECIPIENTE FECHADO

    escoamento pistonado (d = 0) mudana de escoamento nos contornos

    FONTE: Adaptado de LEVENSPIEL, 1999, p. 252

  • 58

    3.3.2.5.4 Clulas em srie

    Outro modelo hidrulico utilizado o reator com clulas em srie, onde a sua

    utilizao possvel para reaes de qualquer ordem. Neste tipo de reator considera-se

    que haja n nmeros de clulas de tamanhos iguais ou diferentes. Para um reator de

    clulas em srie com tamanhos iguais cada clula um reator com mistura completa

    de volume V e tempo de deteno t (ARCEIVALA, 1981, p. 587). Assim:

    V = volume total das clulas em srie

    QnV

    t*

    ' = = tempo de deteno por clula n = nmero de clulas

    A figura 14 ilustra esquematicamente possveis arranjos de reatores com clulas

    em srie.

    FIGURA 14 - REATOR COM CLULAS EM SRIE. (a) CLULAS IGUAIS. (b) CLULAS DIFERENTES

    So(a)

    1 2

    S1 S2

    n

    S

    21

    So(b)

    S1

    n

    S2 S

    FONTE: Adaptado de ARCEIVALA (1983, p. 586).

    Para o caso de reaes de primeira ordem, obedecendo o mesmo critrio visto

    para um reator de mistura completa, a concentrao efluente da primeira clula ser:

  • 59

    )'(*11 tKSS O+= (54)

    O efluente da primeira clula se torna o afluente da segunda clula, assim:

    )'*1(*)'*1('*11

    2 tKtKS

    tKSS O ++=+= (55)

    Generalizando desta maneira para n clulas de igual tamanho, teremos:

    nO

    tKSS

    )'*1( += (56)

    Para as clulas de tamanhos diferentes, ou seja, com volumes diferentes e

    conseqentemente tempos de deteno hidrulica diferentes, a abordagem aquela

    desenvolvida pela equao (55).

    Nota-se que quando o nmero de clulas (n) tende a infinito, o volume

    requerido pelas clulas em srie assemelha-se ao reator com fluxo em pisto,

    reduzindo a equao (56) a equao (28). Seguindo o mesmo raciocnio, quando n

    tende a um, a equao (56) fica igual equao (39). (Arceivala, 1981, p. 587)

    3.3.2.5.5 Clulas em paralelo

    As clulas podem estar arranjadas em paralelo como mostra a figura 14. Este

    tipo de arranjo usualmente utilizado em sistemas de tratamento atravs de lagoas de

    estabilizao. As clulas podem ser de tamanho igual ou diferente, apresentando neste

    ltimo caso diferentes volumes. Para reatores com clulas em paralelo os seguintes

    aspectos devem ser observados (ARCEIVALA, 1981, p. 589):

    a) as clulas podem ser de tamanho igual ou diferente j que elas operam

    independentemente;

  • 60

    b) mesmo apresentando tamanhos diferentes, as clulas podem operar com

    tempos de deteno iguais, atravs do ajuste das vazes de entrada;

    c) cada clula pode ser projetada individualmente utilizando o modelo para

    fluxo disperso e seu apropriado valor de d (D/U * L) para cada clula. O

    valor do nmero de disperso, d, pode variar de clula para clula;

    d) assume-se que cada clula um reator de mistura completa logo o resultado

    obtido se o sistema for de uma nica clula de volume equivalente ser de:

    )(*1 += QVKSS O

    (57)

    e) para um dado volume, a eficincia na remoo de substrato ser menor para

    clulas em paralelo do que para clulas em srie. No entanto, muitas vezes

    prefere-se o arranjo em paralelo por razes de operao do sistema de

    tratamento e rea de implantao disponvel.

    FIGURA 15 - REATOR COM CLULAS EM PARALELO

    q1 q2

    1 2

    qn

    n

    S1 S2 Sn

    So, Q

    S, Q

    FONTE: Adaptado de ARCEIVALA, 1981, p. 586.

  • 61

    3.3.3 Fenmenos Fsicos

    Na sedimentao as partculas do esgoto decantam atravs da ao da

    gravidade, quando possuem densidade superior gua e a velocidade do escoamento

    for relativamente baixa. Os tanques spticos so considerados dispositivos de

    tratamento de esgoto primrio com decantao primria, a qual responsvel pela

    sedimentao dos slidos em suspenso (VON SPERLING, 1996, p. 139). Foram

    definidos quatro tipos de sedimentao em funo da concentrao crescente de

    slidos: a discreta, a floculenta, a zonal e por compresso.

    3.3.3.1 Sedimentao discreta

    Na Sedimentao Discreta as partculas decantam individualmente, suas

    propriedades fsicas so mantidas e no h interao entre as partculas. Este tipo de

    sedimentao explicada atravs das leis de Newton e Stokes, quando a partcula

    sedimenta com uma velocidade constante e as foras de atrito e gravitacional se

    igualam. De acordo com a lei de Stokes, a velocidade de sedimentao (Vs) de uma

    partcula em fluxo laminar :

    21 ***181 dgV

    S

    SS

    = (58) onde Vs = velocidade de sedimentao (m/s)

    g = acelerao da gravidade (m/s)

    = viscosidade cinemtica da gua (m/s)

  • 62

    S = densidade da partcula (kg/m) 1 = densidade da gua (kg/m) d = dimetro da partcula (m)

    Nos tanques spticos estima-se que a sedimentao discreta remova as

    partculas mais densas e irregulares que esto presentes nos esgotos domsticos.

    (SEABLOOM, 2002, p. 16)

    Com a finalidade de um maior entendimento de tal fenmeno, foi idealizado um

    tanque de sedimentao retangular. Nesse tanque de sedimentao ideal existem

    quatro zonas: entrada, sedimentao, lodo e sada. A figura 16 mostra estas quatro

    zonas:

    FIGURA 16 - TANQUE IDEAL DE SEDIMENTAO DISCRETA

    FONTE: Adaptado de VON SPERLING, 1996b, p. 145.

    Para o tanque ideal algumas hipteses so admitidas:

    a) a sedimentao se assemelha uma coluna ou cilindro de sedimentao;

    b) as partculas esto distribudas uniformemente na zona de entrada e o

    escoamento uniforme;

    c) as partculas que atingem a zona de lodo permanecem por l;

    d) todas as partculas so individuais e mantm a mesma forma e tamanho.

    A figura 17 representa a zona de sedimentao do tanque ideal e suas

    respectivas dimenses.

    ZONA DE

    SEDIMENTAO

    ZONA DE LODO

    ZONA DE

    SADA

    ZONA DE ENTRADA

  • 63

    FIGURA 17 - ILUSTRAO DA ZONA DE SEDIMENTAO H

    A B

    L

    FONTE: Adaptado de VON SPERLING, 1996b, p. 146.

    onde B = largura do tanque (m)

    L = comprimento do tanque (m)

    H = altura do tanque (m)

    A = rea da base ou rea horizontal do tanque (m)

    Assim teremos a rea da base definida pelo produto da largura pelo

    comprimento. A sedimentao discreta de uma partcula no tanque ideal com

    velocidade constante representada na figura 18 a seguir:

    FIGURA 18 - SEDIMENTAO DISCRETA NUM TANQUE DE FLUXO HORIZONTAL

    TANQUE DE FLUXO HORIZONTAL

    vs

    vh

    vs

    H

    FONTE: Adaptado de VON SPERLING, 1996b, p. 146. onde Vh = velocidade horizontal da partcula (m/s)

  • 64

    O tempo para a partcula alcanar o fundo do tanque dado pela razo entre o

    volume e a vazo do tanque, onde o volume calculado pela multiplicao da rea (A)

    pela altura (H). (VON SPERLING, 1996, p. 146)

    A figura 19 mostra a relao do tempo de deteno com a remoo de matria

    orgnica (DBO) e slidos suspensos totais (SST), pode-se observar que a partir de 2

    horas de deteno o acrscimo na remoo pouco significativo.

    FIGURA 19 - EFICINCIA DE REMOO EM UM DECANTADOR PARA DIVERSOS TEMPOSDE DETENO.

    FONTE: Adaptado de AISSE, 2000, p. 66.

    3.3.3.2 Sedimentao floculenta

    A Sedimentao Floculenta pode ser observada principalmente em decantadores

    primrios. Na Sedimentao Floculenta as partculas, a partir da formao de flocos,

  • 65

    decantam para o fundo do tanque formando o lodo que ir se decompor

    anaerobiamente. Com a formao do floco, as partculas se tornam maiores e mais

    densas, aumentando a velocidade de sedimentao. Na floculao as partculas

    formam os flocos na medida que sedimentam para o fundo, ou seja, quanto maior for o

    contato entre elas, maior ser a formao de flocos. Assim, pode-se dizer que na

    sedimentao floculenta a eficincia de remoo aumenta com o aumento da

    profundidade e do tempo. (VON SPERLING, 1996, p. 154)

    Nos Tanques Spticos a sedimentao floculenta responsvel pela remoo de

    partculas mais leves que com a formao do floco se tornam mais pesadas e

    sedimentam. (SEABLOOM, 2002, p. 16)

    3.3.3.3 Sedimentao zonal

    A Sedimentao Zonal caracterizada pela tendncia das partculas

    permanecerem em posies fixas, criando uma interface slidolquido, que ir

    decantar como um todo.

    Em um tanque sptico este tipo de fenmeno ocorre quando um floco biolgico

    formado. (SEABLOOM, 2002, p. 16)

    3.3.3.4 Sedimentao por compresso

    O fenmeno de compresso se d pelo peso das partculas que esto

    constantemente sedimentando. Este tipo de sedimentao pode ocorrer num tanque

  • 66

    sptico na massa de lodo que est mais prxima ao fundo do tanque (SEABLOOM,

    2002, p. 16).

    3.4 DESINFECO EM TANQUES SPTICOS

    Organismos patognicos o nome genrico dado aos diversos microorganismos

    como os vrus, bactrias, protozorios e helmintos. Alguns destes microorganismos

    so responsveis pela transmisso de diversas doenas como diarria, disenteria, febre

    tifide, clera, entre outras. Devido dificuldade na quantificao de todos os

    patgenos que podem estar presentes numa amostra de esgoto bruto, escolheu-se como

    indicador da qualidade sanitria de uma gua um grupo de bactrias conhecido por

    coliformes fecais. Outros grupos de microorganismos podem ser utilizados como

    indicadores de contaminao como os coliformes totais, os estreptococos fecais e os

    ovos de helmintos.

    Estima-se que a concentrao de coliformes fecais (CF) no esgoto bruto seja de

    108 a 109 CF/100ml (JORDO e PESSOA, 1995, p. 45). Porm a resoluo

    CONAMA n20/86 determina um valor limite de coliformes fecais no corpo receptor.

    Este valor limite de no mximo 1.000 organismos por 100ml, para corpos de gua

    Classe 2. Para se obter tal eficincia na remoo de coliformes fecais, apenas com um

    nico sistema de tratamento de esgoto, seria preciso um tratamento com eficincia de

    99,999% para atender s exigncias do rgo regulamentador.

    Dos atuais processos biolgicos e fsicos para tratar esgoto domstico, apenas as

    lagoas de estabilizao chegam a eficincias acima de 99,99% na remoo de

    organismos patognicos. Esta observao pode ser constatada pela tabela 15:

  • 67

    TABELA 15 - PORCENTAGEM DE REMOO DE PATGENOS NOS DIFERENTES TIPOS DE TRATAMENTO DE ESGOTO DOMSTICO

    Tipo de Tratamento Vrus Bactrias Protozorios Helmintos Sedimentao 0 30 50 90 10 50 30 90

    Lodos Ativados 90 99 90 99 50 50 90 Fossa Sptica 50 50 90 0 50 90

    Lagoas: 3 sries (Td > 25 dias) > 99,99 99,99 100 100

    * Td = tempo de deteno hidrulico FONTE: Adaptado de JORDO e PESSOA, 1995, p. 550.

    A remoo dos ovos de helmintos ocorre atravs da sedimentao ou pela

    adsoro dos ovos nos flocos de lodo, ou seja, nesta remoo predominam processos

    fsicos. De acordo com diversos autores, a remoo eficiente de ovos de helmintos em

    reatores requer tempos de deteno hidrulica de alguns dias. (CAVALCANTI, 2001,

    p. 120)

    J para a remoo dos coliformes fecais, o processo biolgico contribui

    significativamente pois a reduo da concentrao de CF resulta do metabolismo de

    decaimento bacteriano. Este metabolismo lento e em funo da eficincia desejada

    determina-se o tempo de deteno hidrulico. Observa-se na tabela 15 que o processo

    de lagoas aparece como o mais eficiente na remoo de patgenos, no entanto o tempo

    de deteno bastante elevado (~ 25 dias) se comparado aos outros processos (~ 0,1

    1 dias).

    Como visto anteriormente (ver item 3.3.2.1), a modelagem cintica do

    decaimento bacteriano segue uma cintica de primeira ordem com um coeficiente de

    decaimento bacteriano, kd. Da mesma forma como foi visto no item 3.3.4, o regime

    hidrulico dos reatores tem grande influncia na eficincia de remoo de coliformes

    fecais. No entanto, no clculo da determinao da concentrao final de coliformes

    fecais, a taxa de remoo de substrato K ser substituda pela constante de decaimento

    bacteriano kd. Logo a frmula de cada regime hidrulico ser a seguinte:

  • 68

    TABELA 16 - FRMULAS PARA O CLCULO DA CONCENTRAO EFLUENTE DE COLIFORMES

    Tipo de Regime Hidrulico Frmula Fluxo em Pisto S = So * e kd * t

    Mistura Completa S = So / (1 + kd * t)

    Fluxo Disperso S = So * 4 a e1/2d_______

    (1 + a) ea/2d (1 - a) e-a/2d

    Clulas em Srie S = So / (1 + kd * (t/n) )n onde: S = concentrao efluente de coliformes (org/100ml); So = concentrao afluente de coliformes (org/ml); kd = coeficiente de decaimento bacteriano (dia-1); t = tempo de deteno (volume / vazo) (dias); a = (1 + 4 . kd . t . d)1/2; d = nmero de disperso; n = nmero de cmaras. FONTE: Adaptado de VON SPERLING, 2000, p. 88.

    O coeficiente de decaimento bacteriano kd depende de diversos fatores como

    temperatura, profundidade e pH. A literatura sobre este coeficiente kd bastante ampla

    e o mesmo normalmente estimado e/ou obtido em pesquisas com lagoas de

    estabilizao. Com relao influncia da temperatura na determinao do kd,

    diversos autores utilizam a seguinte expresso de Arrehnius: ( )20

    20 *= TT kdkd (59)

    onde: kdT = coeficiente de decaimento bacteriano para qualquer temperatura (dia-1)

    kd20 = coeficiente de decaimento bacteriano na temperatura de 20C (dia-1)

    = coeficiente dependente da temperatura T = temperatura (C)

    A tabela 17 mostra o resultado de algumas pesquisas com relao

    determinao do kd a uma temperatura de 20C.

  • 69

    TABELA 17 - VALORES DOS COEFICIENTES DE DECAIMENTO BACTERIANO, kd, POR DIFERENTES AUTORES EM LAGOAS DE ESTABILIZAO

    Pesquisador Temperatura (C) kd (d-1) MARA (1974) 20 2,60 1,20

    SHERRY & PARKER (1979) 20 1,50 1,06 KLOCK (1971) 20 1,10 1,07 YANEZ (1993) 20 0,84 1,07

    FONTE: Adaptado de CAVALCANTI, 2001, p. 130.

    VON SPERLING (2000, p. 94), atravs de uma regresso no-linear,

    determinou uma equao, relacionando a profundidade (H) e o tempo de deteno (t),

    a partir de dados de 33 lagoas facultativas e de maturao: 329,0877,0 **917,0 = tHkd (60)

    Com relao variao do coeficiente kd em funo do pH, vrios autores

    verificaram uma certa constncia no valor de kd para uma faixa neutra de pH. Apenas

    ressaltam que o valor de kd pode variar se houver uma elevao do pH para valores

    acima de 9,5.

    YANEZ (1993, p. 198) comenta sobre estudos realizados na Jordnia com

    lagoas anaerbias, onde os resultados dos coeficientes de decaimento bacteriano, kd,

    foram obtidos em funo da carga orgnica, conforme pode ser observado na tabela

    18.

  • 70

    TABELA 18 - VALORES DOS COEFICIENTES DE DECAIMENTO BACTERIANO, kd, EM FUNO DA CARGA ORGNICA EM LAGOAS ANAERBIAS

    Carga orgnica (kgDBO/Ha . d) Coeficiente de decaimento bacteriano, kd (d-1)400 0,60 600 0,55 800 0,50

    1000 0,46 1200 0,41 1400 0,37

    FONTE: Adaptado de YANEZ, 1993, p. 198.

    Esses valores de kd obtidos so menores do que se comparados aos valores do

    coeficiente kd para lagoas facultativas (YANEZ, 1993, p. 198). GAMINI 1 , apud

    YANEZ (1993, p. 199) realizou uma pesquisa com lagoas facultativas e determinou

    uma equao para avaliar o coeficiente kd. O estudo foi realizado em escala piloto e

    foram recolhidas amostras de esgoto bruto e tratado para contagem de coliformes

    fecais na entrada e sada do sistema. GAMINI calculou o valor de kd utilizando o

    modelo de fluxo disperso e, atravs de uma regresso mltipla, chegou na seguinte

    expresso:

    ( ) CSaXaTkde 9994,0*0016,1*0281,1*6351,0*1274,1= (61) onde: T = temperatura da gua na lagoa (C)

    Xa = concentrao de algas (mg/l)

    Csa = carga aplicada de DQO (kg/Ha * dia)

    kd = coeficiente de decaimento bacteriano (dia-1)

    Os valores de kd encontrados na bibliografia referem-se a sistemas de lagoas de

    estabilizao, principalmente as lagoas facultativas e as de maturao ou polimento.

    No foram encontrados valores de kd especficos para sistemas de tanques spticos. A

    1 GAMINI, M. Kinetics of bacterial die off in waste stabilization ponds. Dissertation presented to the Asian

    Institute of Technology. 1981.

  • 71

    nica referncia que procurou estimar valores de kd para sistemas de tanques spticos

    foi o estudo realizado por OLIVEIRA (1983, p. 185), onde um tanque sptico de duas

    cmaras em srie foi analisado como uma srie de reatores e posteriormente cada

    cmara foi analisada isoladamente. No estudo admitiu-se que cada cmara operava

    como um reator de mistura completa. Os resultados de kd obtidos levando em

    considerao as duas cmaras variaram de 1,43 a 5,91 d-1 e o autor atribui essa

    variao s alteraes na temperatura no interior do reator. Para a 1a cmara analisada

    isoladamente tem-se os seguintes resultados: kd variando de 3,89 14,99 d-1. Para a 2a

    cmara os valores de kd variaram de 0,05 1,92 d-1.

    A bibliografia existente pouco comenta sobre a capacidade de remoo de

    organismos patognicos atravs da utilizao de tanques spticos. Alguns autores

    apenas mencionam que os tanques spticos no tm funo de desinfeco

    (GARCEZ1, apud OLIVEIRA, 1983, p. 51). De acordo com FEACHEM et al.2, apud

    RODRIGUEZ et al. (1987, p. 7) a tabela 19 apresenta as unidades de remoo de

    microorganismos obtidas em tanques spticos:

    TABELA 19 - REMOO DE PATGENOS EM TANQUES SPTICOS Microorganismos Unidades log de remoo Eficincia de Remoo

    Vrus 0 2 0 99% Bactrias 0 2 0 99%

    Protozorios 0 2 0 99% Helmintos 0 2 0 99%

    FONTE: FEACHEM et al., apud RODRIGUEZ et al., 1987, p. 7.

    1 GARCEZ, L. N. Elementos de Engenharia Hidrulica e Sanitria. 2. ed. [s.l.]: Edgar Blcher, 1974. 2 FEACHEM, R. et al. Appropiate Technology for water supply and sanitation. Health aspects for water supply

    and sanitation - The World Bank. [s.l.]:[s.n.]: 1980.

  • 72

    O mesmo estudo realizado por RODRIGUEZ et al (1987, p. 8) mostra uma

    tabela com dados de sobrevivncia de alguns microorganismos em sistemas de

    tratamento com tanques spticos:

    TABELA 20 - SOBREVIVNCIA DE MICROORGANISMOS EM TANQUES SPTICOS Microorganismo Dados de sobrevivncia Salmonella Typhi Menos de 6 dias Salmonella Typhi De 14 a 18 dias com pH antre 7.4 a 7.8

    Ovos de Ascaris sp 99,4% de remoo FONTE: RODRIGUEZ et al.,1987 (p. 8)

    SHUVAL1, apud OLIVEIRA (1983, p. 51) afirma que um tanque sptico pode

    remover aproximadamente 70% dos ovos de helmintos.

    1 SHUVAL, M. R. The use pf wastewater for irrigation with Special reference to enteric pathogenic protozoans and helminths. Sanitation in Developing Countries Today Conference sponsored by OXFAM with the Ross Institute of Tropical Hygiene. Oxford: [s.n.], 1977.

  • 73

    3.5 EQUACIONAMENTO PRTICO PARA DIMENSIONAMENTO DE

    TANQUES SPTICOS

    Este item procura apresentar diferentes maneiras de dimensionamento de

    tanques spticos. O dimensionamento proposto pela ABNT amplamente utilizado no

    Brasil. So apresentados tambm critrios internacionais no intuito de comparar as

    diferentes metodologias para definio da capacidade de tanques spticos.

    3.5.1 De acordo com a Norma Brasileira 7229/93

    A fossa um reator anaerbio que pode apresentar geometria cilndrica ou

    prismtica retangular e o seu projeto, construo e operao foram normalizados pela

    ABNT Associao Brasileira de Normas Tcnicas segundo o nmero 7229 em

    1993. De acordo com a NBR-7229/93, o sistema de fossa sptica se aplica a esgoto

    domstico e em alguns casos para despejos de hospitais, clnicas, laboratrios de

    anlises clnicas e postos de sade. A Norma restringe despejos oriundos da rede

    pluvial e aqueles que podem causar interferncias em qualquer uma das fases do

    tratamento, como por exemplo, as guas de lavagem de reservatrios de gua. A fossa

    uma alternativa indicada para reas com ausncia de rede coletora de esgotos e

    tratamento dos mesmos. (ABNT, NBR 7229/93)

    A seguir so apresentados os critrios e tabelas da referida norma para o

    dimensionamento das fossas spticas:

    ( )LfKtCNV NBRontr **1000 ++= (62) onde: V = volume til (litros)

  • 74

    N = nmero de contribuintes

    Contr = contribuio de despejos (litro/pessoa * dia)

    t = tempo de deteno (dia)

    KNBR = taxa de acumulao de lodo digerido (dia)

    Lf = contribuio de lodo fresco (litro/pessoa * dia)

    Nota-se que a norma estabelece um volume til mnimo de 1,0 m. Para a

    definio dos parmetros contribuio de despejos, C, e contribuio de lodo fresco,

    Lf, a referida norma apresenta a tabela 19:

    TABELA 21 - CONTRIBUIO DIRIA DE ESGOTO (Contr) E DE LODO FRESCO (Lf) POR TIPO DE PRDIO E DE OCUPANTE

    Prdio Unidade Contribuio, de esgotos (Contr) e lodo fresco (Lf) (litro/pessoa . dia) Ocupantes Permanentes: - Residncia Padro alto Padro mdio Padro baixo - Hotel - Alojamento provisrio

    pessoa pessoa pessoa pessoa pessoa

    160 130 100 100 80

    1 1 1 1 1

    Ocupantes temporrios Fbrica em geral Escritrio Edifcios pblicos ou comerciais Escolas e locais de longa permanncia Bares Restaurantes e similares Cinemas, teatros e locais de curta permanncia Sanitrios pblicos

    pessoa pessoa pessoa pessoa pessoa

    refeio

    lugar bacia

    sanitria

    70 50 50 50 6

    25

    2

    480

    0,30 0,20 0,20 0,20 0,10 0,10

    0,02

    4,0

    FONTE: ABNT, NBR 7229/1993

    O tempo de deteno, t, e a taxa de acumulao de lodo digerido, K, so

    definidos atravs das tabelas 20 e 21 que seguem:

  • 75

    TABELA 22 - PERODO DE DETENO DOS DESPEJOS, POR FAIXA DE CONTRIBUIO DIRIA

    Tempo de deteno Contribuio diria (L) Dias Horas At 1500 1,00 24

    1501 - 3000 0,92 22 3001 4500 0,83 20 4501 6000 0,75 18 6001 7500 0,67 16 7501 9000 0,58 14

    Mais que 9000 0,50 12 FONTE: ABNT, NBR 7229/93

    TABELA 23 - TAXA DE ACUMULAO TOTAL DE LODO (KNBR), EM DIAS, POR INTERVALO ENTRE LIMPEZAS E TEMPERATURA DO MS MAIS FRIO

    Valores de KNBR por faixa de temperatura ambiente (t), em CIntervalo entre limpezas (anos) t U 10 10 U t U 20 t > 20

    1 94 65 57 2 134 105 97 3 174 145 137 4 214 185 177 5 254 225 217

    FONTE: ABNT, NBR 7229/1993

    Pela tabela 23 verifica-se que a taxa de acumulao de lodo descresse com o

    aumento da temperatura para um dado intervalo de limpeza, pois sabe-se que em

    regies de climas quentes a atividade biolgica mais intensa, ocasionando uma maior

    estabilizao e reduo do material orgnico no interior do tanque (CHERNICHARO,

    1997, p. 129).

    Quanto geometria dos tanques spticos, a NBR faz as seguintes

    recomendaes:

    a) dimetro interno mnimo de 1,10 m;

    b) largura interna mnima de 0,80m;

    c) relao comprimento/largura de no mnimo 2:1, e no mximo 4:1.

    Valores limites de profundidade so apresentados na tabela 24.

  • 76

    TABELA 24 - PROFUNDIDADE TIL MNIMA E MXIMA, POR FAIXA DE VOLUME TIL Volume til (m) Profundidade til mnima (m) Profundidade til mxima (m)

    At 6,0 1,20 2,20 6,0 10,0 1,50 2,50

    Mais que 10,0 1,80 2,80 FONTE: ABNT, NBR 7229/1993

    A figura 20 mostra diversas condies geomtricas preconizadas pela NBR

    7229:

    FIGURA 20 TANQUE SPTICO NICO PRECONIZADO PELA NBR 7229/93

    EfluenteAfluente

    > 5 cm> 5 cm

    5 cm

    5 cm

    NA

    H h

    > 5 cm

    1/3 h

    FONTE: Adaptado de CHERNICHARO, 1997, p. 133.

    3.5.2 De acordo com Andrade Neto et al. (1999b)

    ANDRADE NETO et al. (1999b, p. 127) dimensionam o tanque sptico

    dividindo o volume total do tanque em volume destinado decantao e volume

    destinado acumulao do lodo. Assim o volume do tanque separado pela fase

    lquida e fase slida. Primeiramente temos o clculo do volume destinado decantao

    que caracteriza a fase lquida dentro do tanque.

    h: profundidade til do tanque (min 120 cm)H: profundidade interna total do tanque

  • 77

    DD tQV *= (63) onde: VD= volume destinado decantao (m)

    Q = vazo do afluente (m/dia)

    tD = tempo de deteno na zona de decantao (dia)

    A vazo afluente estimada em funo do nmero de contribuintes e sua

    respectiva contribuio por dia, que pode ser obtida atravs da tabela 21 apresentada

    anteriormente, que pertence a NBR 7229/93. O tempo de deteno pode ser obtido

    utilizando a referida norma brasileira (ver tabela 22). De acordo com ANDRADE

    NETO et al (1999b, p. 127) a reduo do tempo de deteno com o aumento da vazo

    pode ser justificado pela reduo da relao entre as vazes mxima e mdia afluentes

    ao tanque. Os autores colocam tambm que com o aumento do volume do tanque em

    funo de um aumento na vazo, diminui-se a influncia relativa das reas de

    turbulncia na zona destinada decantao. A experincia mostra que em

    decantadores convencionais, com tempos de deteno superiores a 2 horas, os

    acrscimos na eficincia de remoo de slidos suspensos e matria orgnica

    carboncea mostraram-se insignificantes. (ANDRADE NETO et al., 1999b, p. 127)

    Para dimensionar o volume para acumulao do lodo, o mesmo foi separado em

    dois: um destinado digesto do lodo propriamente dito e outro para o armazenamento

    do lodo j digerido. Logo, tem-se:

    VarmVdigVL += (64) onde: VL = volume para acumulao do lodo (m)

    Vdig = volume para digesto do lodo (m)

    Varm = volume para armazenamento do lodo digerido (m)

    Separadamente teremos:

    TdigRdigLfNVdig ***= (65)

  • 78

    onde: N = nmero de contribuintes

    Lf = contribuio de lodo fresco (litro/pessoa * dia)

    Rdig = coeficiente de reduo do volume de lodo por adensamento e destruio de

    slidos na zona de digesto.

    Tdig = tempo para digesto do lodo (dia)

    e

    TarmRarmLfNVarm ***= (66) onde: N = nmero de contribuintes

    Lf = contribuio de lodo fresco (litro/pessoa * dia)

    Rarm = coeficiente de reduo do volume de lodo devido digesto

    Tarm = tempo de armazenamento do lodo digerido (dia)

    O valor recomendado pela NBR para o coeficiente de reduo do volume, Rdig,

    de 0,50, mas esse valor pode variar em funo da temperatura mdia de cada local.

    Como por exemplo em regies de clima quente a reduo do volume de lodo pode ser

    maior. (ANDRADE NETO et al., 1999b, p. 128) Para o tempo de digesto do lodo,

    Tdig, teremos valores que variam conforme a temperatura do local. Este valor do Tdig

    pode variar de 25 60 dias. Nos decanto-digestores utilizados no Brasil os Tdig so

    normalmente de 50 dias.

    O volume para armazenamento do lodo calculado em funo do tempo em

    que ser realizada a limpeza do tanque e bem menor do que o Vdig pois o lodo

    acumulado no fundo da unidade vai se adensando e sendo digerido com o tempo,

    reduzindo seu volume. No calculo do Varm o coeficiente de reduo do volume,

    Rarm, pode ser de 0,25. (ANDRADE NETO et al., 1999b, p. 129)

    Portanto, o volume total da fase slida ser:

    ( )TarmRarmTdigRdigLfNVarmVdigV L **** +=+= (67)

  • 79

    ou

    NBRL KLfNV **= (68) onde KNBR a taxa de acumulao total de lodo j mencionada na NBR 7229/93,

    descrita acima.

    O volume total do tanque ser de:

    LDT VVV += (69) Podemos verificar que este volume difere do volume proposto pela NBR

    7229/93, apenas pelo valor mnimo de 1000 litros. De acordo com ANDRADE NETO

    et al. (1999b, p. 130) este valor foi introduzido na frmula aps a realizao de

    pesquisa em Normas estrangeiras que indicaram que quanto menor a vazo, maior

    deve ser o volume relativo do tanque. Esses 1000 litros mostram-se pouco

    significativos para vazes maiores, porm quando se trata de vazes menores, pode

    aumentar significativamente o volume do tanque.

    Este critrio de dimensionamento utilizado por ANDRADE NETO et al (1999b)

    o mesmo que o desenvolvido pela ABNT na antiga norma sobre Fossas Spticas

    denominada NB-41, que atualmente foi substituda pela NBR 7229.

    3.5.3 De acordo com Norma Americana (1995)

    O conselho internacional de cdigo (International Code Council ICC)

    apresenta a seguinte tabela que especifica a capacidade do tanque sptico em funo

    do nmero de dormitrios para uma ou duas moradias. A tabela 25 foi obtida em

    documento da agncia de proteo ambiental americana.

  • 80

    TABELA 25 CAPACIDADE DE TANQUES SPTICOS PARA UMA OU DUAS MORADIAS Volume do Tanque Sptico Nmero de dormitrios

    gales m 1 750 2,84 2 750 2,84 3 1.000 3,79 4 1.200 4,54 5 1.425 5,39 6 1.650 6,25 7 1.875 7,10 8 2.100 7,95

    FONTE: U. S. EPA, 2002, p. 200.

    A maioria dos cdigos americanos, tanto os estaduais quanto os municipais,

    estabelecem um volume mnimo para os tanques spticos de 1000 gales, que seria

    equivalente a 3,785 m (U. S. EPA, 2002, p. 200). Observar que este valor mnimo das

    normas americanas aproximadamente o triplo do valor mnimo estabelecido pela

    norma brasileira.

    3.5.4 De acordo com All Septic System Information Website

    Foi encontrada tambm a tabela 26 que relaciona a vazo mdia de esgoto pela

    capacidade mnima do tanque:

  • 81

    TABELA 26 CAPACIDADE MNIMA DO TANQUE SPTICO PELA VAZO MDIA Vazo mdia de esgoto Volume do Tanque Sptico

    gales/dia m/dia gales m 0 500 0 1,89 900 3,41

    601 700 2,28 2,65 1200 4,54 801 900 3,03 3,41 1500 5,68

    1001 1240 3,79 4,69 1900 7,19 2001 2500 7,57 9,46 3200 12,11 4501 5000 17,04 18,93 5800 21,95

    FONTE: All Septic System Information Website

    3.5.5 De acordo com Norma Inglesa (1979)

    A norma inglesa para o dimensionamento de tanques spticos leva em

    considerao apenas o nmero de pessoas e recomenda a aplicao do sistema para no

    mximo 300 pessoas. A frmula para o clculo do volume (MANN1 apud VIEIRA e

    ALEM SOBRINHO, 1983, p. 51):

    V = 180 * N + 2000 (70)

    onde: V = volume til (litros)

    N = nmero de contribuintes

    3.5.6 De acordo com a Norma Australiana (1995)

    Com o intuito de encontrar critrios de dimensionamento de tanques spticos de

    outros pases, foi encontrado na Comisso de Sade do Sul da Austrlia (South

    1 MANN, H. T. Technical Report 107. Septic Tank and Small Sewage Treatment Plants. Water Research

    Centre. [s.l.]:[s.n.], 1979.

  • 82

    Australian Health Commission) critrios para definio da capacidade de um tanque

    sptico para moradias residenciais. A norma australiana considera os seguintes

    critrios de dimensionamento:

    a) vazo diria mnima de 150 litros/pessoa * dia;

    b) tempo de deteno mnimo de 24 horas;

    c) taxa de acumulao de lodo de 80 litros/pessoas * ano;

    d) freqncia de retirada do lodo de 4 anos.

    Tal norma declara que para uma residncia com mais de seis pessoas, o volume

    do tanque deve ser de 3000 litros, e que para cada adicional de 2 pessoas somar 1000

    litros ao volume inicial de 3000 litros. Para residncias mltiplas como apartamentos,

    a capacidade do tanque calculada com base no nmero total de quartos somado um

    quarto, considerando que em cada quarto dormem duas pessoas. (Waste Control

    System, 1995, p. 12)

    3.6 CONFIGURAO, CONSTRUO, OPERAO E MANUTENO DOS

    TANQUES SPTICOS

    3.6.1 Configurao dos Tanques Spticos

    Os tanques spticos apresentam 3 configuraes:

    a) cmara nica;

    b) cmaras em srie;

    c) cmaras sobrepostas.

  • 83

    O tanque sptico de cmaras sobrepostas semelhante ao Tanque Imhoff e

    neste tipo de tanque introduziu-se um compartimento de decantao na parte superior

    do tanque. Este compartimento pode ser observado na figura 21. Este compartimento

    tem a funo de favorecer a decantao dos slidos sem a interferncia dos gases

    gerados na digesto anaerbia. (CHERNICHARO, 1997, p. 125)

    FIGURA 21 TANQUE SPTICO COM CMARAS SOBREPOSTAS

    Afluente

    Compartimentode decantao

    FONTE: Adaptado de Chernicharo, 1997, p. 126.

    A fossa de cmara nica composta de apenas um compartimento, a fossa com

    duas cmaras apresenta dois compartimentos e assim sucessivamente. As figuras 22 e

    23 ilustram, respectivamente, o tanque nico e o tanque com duas cmaras srie.

  • 84

    FIGURA 22 TANQUE SPTICO COM CMARA NICA

    AfluenteEfluente

    FONTE: Adaptado de Chernicharo, 1997, p. 126.

    FIGURA 23 TANQUE SPTICO COM CMARAS EM SRIE

    AfluenteEfluente

    FONTE: Adaptado de Chernicharo, 1997, p. 126.

    No tanque de cmara nica existe apenas um compartimento e todos os

    fenmenos ocorrem num mesmo ambiente. J nos tanques de cmaras em srie, os

    compartimentos so separados atravs de uma parede perfurada ou vazada.

    Usualmente utiliza-se tanques com duas cmaras em srie onde o volume da primeira

    cmara aproximadamente 2/3 maior do que o da segunda. Foi observado por

    OLIVEIRA (1983, p. 222) e ANDRADE NETO et al (1999b, p. 122) que num tanque

    de duas cmaras, o primeiro compartimento se comporta como um reator biolgico,

    acumulando maior quantidade de lodo decantado. Na segunda cmara, devido a uma

  • 85

    maior tranqilidade do fluxo, a sedimentao dos slidos mais eficiente. Os autores

    concluem que em tanques com duas cmaras em srie, a primeira se encarrega da

    digesto e a segunda da decantao dos slidos. OLIVEIRA (1983, p. 225) ainda

    ressalta que a segunda cmara pode contribuir para a remoo de coliformes fecais e

    slidos em suspenso.

    A existncia de dispositivos de entrada e sada no tanque sptico visa

    principalmente melhorar o escoamento no interior do tanque, diminuir a ocorrncia de

    zonas mortas e curto-circuito e reter a camada de escuma no interior do tanque. A

    posio adequada para estes dispositivos considera que o lquido efluente seja

    exatamente aquele sob a camada de escuma e sobre a camada de lodo (ANDRADE

    NETO et al., 1999b). A NBR 7229/93 apresenta recomendaes e distncias mnimas

    que devem ser adotadas nos projetos de tanques spticos.

    3.6.2 Construo de Tanques Spticos

    A construo de tanques spticos bastante simples e os mesmos podem ser

    construdos in loco ou pr-fabricados. Usualmente so confeccionados de alvenaria de

    tijolos e para um bom funcionamento do tanque, a estanqueidade uma condio

    imprescindvel (ANDRADE NETO et al., 1999b). A norma brasileira (ABNT, 1993)

    aconselha a construo da laje de fundo antes da construo das paredes do tanque.

  • 86

    3.6.3 Operao e Manuteno dos Tanques Spticos

    Os aspectos operacionais e de manuteno esto intimamente ligados e so

    bastante simples. Uma boa operao consiste na retirada e destinao adequada e

    peridica do lodo e escuma que se desenvolve no interior do tanque. Para uma efetiva

    retirada deste material, devem ser previstas caixas de inspeo suficientemente

    grandes para a retirada do material.

    A SABESP tem utilizado freqentemente o sistema tanque sptico seguido de

    filtro anaerbio em comunidades de pequeno porte, onde a empresa no dispe de

    funcionrios exclusivos para a manuteno e operao do sistema. KAMIYAMA

    (1993, p. 1) realizou por volta de 1992 um levantamento dos sistemas existentes, que

    haviam sido implantados pela SABESP. No levantamento, verificou-se que a maioria

    dos sistemas implantados teve seu funcionamento interrompido aps um a trs anos de

    funcionamento. Isto se deu devido a falta de uma operao e manuteno adequada

    dos sistemas implantados. Outro fator de relevante interesse ambiental diz respeito

    disposio do lodo retirado periodicamente dos tanques spticos. Em muitos casos

    devido falta de unidades para disposio final do lodo, os responsveis pela limpeza

    dos tanques, tm lanado este lodo em crregos prximos, aniquilando a funo

    ambiental e sanitria do sistema de tratamento.

  • 87

    3.7 EXPERINCIA BRASILEIRA NA AVALIAO DE TANQUES SPTICOS

    3.7.1 Oliveira (1983)

    OLIVEIRA (1983, p. 60) estudou um modelo experimental em escala natural de

    um sistema de fossa sptica com duas cmaras seguido de um filtro anaerbio. O

    estudo ocorreu em duas fases: a primeira entre junho de 1978 a maio de 1979, e a

    segunda fase entre junho de 1979 a setembro de 1979. O modelo experimental operou

    num regime contnuo no intuito de garantir uma distribuio uniforme da carga

    hidrulica. O sistema foi dimensionado inicialmente para um tempo de deteno de 1

    dia.

    O tanque sptico apresentou eficincia mdia de DBO de 72,5% e aps a

    passagem do esgoto pelo filtro esta remoo aumentou para 84,4%. O sistema mostrou

    resultados superiores queles encontrados na bibliografia existente, de acordo com o

    autor (OLIVEIRA, 1983, p. 115). No item 4.1.4, este estudo ser abordado mais

    profundamente.

    3.7.2 Vieira e Alm Sobrinho (1983a e b)

    A CETESB pesquisou de 1980 dezembro de 1982 o desempenho de um

    sistema composto por uma fossa sobreposta seguida de um filtro anaerbio. O sistema

    tratava o esgoto proveniente da estao de tratamento de esgoto do Caxingui. O esgoto

    bruto passava por um gradeamento, caixa de areia e era encaminhado para o sistema

    de fossa filtro. O volume da fossa sobreposta era de 1,5m e o do filtro de 2,0m,

  • 88

    tendo capacidade de atender 15 e 8 pessoas respectivamente. A vazo do esgoto

    afluente variou de 1,5 a 3,0 m/dia. Durante toda operao do sistema foram

    observadas as seguintes porcentagens mdias na remoo, reproduzidos na tabela 27.

    TABELA 27 - EFICINCIAS DE REMOO DO SISTEMA FOSSA - FILTRO Eficincia mdia (%)

    DBO 85 DQO 79

    SS 86 Coliformes 90

    FONTE: VIEIRA e ALEM SOBRINHO (1983b, pg. 117).

    Este estudo realizado pela CETESB ser melhor abordado na seqncia deste

    trabalho, no item 4.1.4.

    3.7.3 Said e Alm Sobrinho (1989)

    Em 1987 foi realizada uma campanha de amostragem no sistema construdo e

    implantado por FURNAS Centrais Eltricas S.A., que recebia os esgotos

    provenientes dos trabalhadores da subestao de Campinas. O sistema era composto

    por duas alas, cada uma com trs tanques spticos em srie e 1 filtro anaerbio. O

    esgoto afluente era conduzido para cada ala atravs de uma caixa de distribuio e

    antes de cada srie de tanques, afluente passava por uma caixa com gradeamento.

    Aps receber este tratamento o efluente final era conduzido para um poo que lanava

    o efluente num pequeno crrego. Os tanques spticos da ala direita foram construdos

    de forma tal que as tubulaes de entrada terminam prximas ao fundo de cada tanque.

    Cada tanque tinha volume de 3,888 m e o filtro com volume de 3,2 m. A campanha

    de amostragem constou de 20 amostras que comearam em novembro de 1987 e

    terminaram em maro de 1989. Os parmetros analisados nas campanhas foram:

  • 89

    Alcalinidade, DBO, DQO, fsforo, nitrognio, pH, slidos, coliformes fecais e

    temperatura. As coletas foram realizadas em 3 pontos do sistema: no afluente da srie

    dos 3 tanques; na sada do terceiro tanque e entrada do filtro; e na sada do filtro. O

    sistema apresentou os resultados mdios reproduzidos na tabela 28 e 29:

    TABELA 28 CONCENTRAES MDIAS OBTIDAS NO SISTEMA FOSSA SPTICA FILTRO ANAERBIO NA CAMPANHA DE AMOSTRAGEM

    Ala Direita Ala Esquerda Parmetros analisados Esgoto Bruto 3 Tanques Filtro 3 Tanques Filtro

    DBO (mg/l) 286 88 44 105 63 DQO (mg/l) 583 178 138 241 141

    SS (mg/l) 100 649 25 - 254 6 - 318 12 - 155 6 243 SSV (mg/l) 47 317 7 - 208 3 -102 6 - 95 3 46

    Nitrognio amoniacal 8 14 16 11 12 Fsforo total 3 4 3 3 2

    Coliformes Fecais (NMP/100 ml)

    200 2,3E108

    170000 8E107

    3000 5E107

    3E107 - 1,3E108

    1,3E106 2,3E108

    pH 5,4 7,7 6 - 7 6,1 7,3 6,1 - 7 6 7,3 Alcalinidade 84 143 151 111 126

    Tempo de deteno (horas) - 12 - 40 2 - 7 17 - 34 3 5 FONTE: Adaptado de SAID e ALM SOBRINHO, 1989, p. 51.

    TABELA 29 EFICINCIAS MDIAS OBTIDAS NO SISTEMA FOSSA SPTICA FILTRO ANAERBIO NA CAMPANHA DE AMOSTRAGEM

    Ala Direita Ala Esquerda Eficincia Mdia 3 Tanques Filtro 3 Tanques Filtro DBO (%) 61 51 65 39 DQO (%) 70 27 59 41

    SS (%) 4 - 84 12 - 28 18 91 14 92 SSV (%) 55 - 95 10 - 90 51 96 17 - 88

    FONTE: Adaptado de SAID e ALM SOBRINHO, CETESB 1989, pg. 52.

    Pode-se observar que o sistema apresentou bons resultados na remoo da

    matria orgnica, confirmando assim a aplicabilidade deste tipo de sistema para tratar

    esgotos domsticos. Os valores de pH e temperatura se mostraram adequados ao

    tratamento e no influenciaram no desempenho do sistema. Com relao remoo de

    coliformes fecais os valores observados tiveram uma variao muito grande e a

    remoo no foi significativa. As modificaes construtivas no dispositivo de entrada

  • 90

    dos 3 tanques da ala direita contriburam para aumentar a remoo da matria

    orgnica, porm ocasionaram um declnio na porcentagem de remoo dos slidos

    suspensos, de acordo com o relatrio do sistema (SAID e ALM SOBRINHO, 1989,

    p. 92).

    O relatrio conclui que o sistema fossa sptica - filtro anaerbio como

    alternativa de tratamento de esgoto domstico para pequenas comunidades se mostrou

    bastante vivel.

    3.7.4 Andrade Neto et al (2000)

    ANDRADE NETO et al. (2000, p. 815) analisaram o desempenho de um tanque

    sptico com duas cmaras em srie com volume total de 8,82 m numa regio com

    clima quente (Rio Grande do Norte). A primeira cmara apresentou resultados bastante

    satisfatrios com relao remoo de DQO total e filtrada, confirmando que em

    regies de clima quente, os tanques com duas cmaras em srie apresentam atividade

    biolgica no s no lodo decantado como na fase lquida tambm. Na primeira etapa

    da pesquisa o tanque sptico foi alimentado com uma vazo constante de 10 m/dia e

    apresentou eficincia na remoo de DQO total e filtrada em torno de 63% e 47%

    respectivamente (GUIMARES et al., 1999, p. 21). Este resultado revelou atividade

    biolgica tanto nos slidos sedimentveis como na parcela de slidos solveis do

    afluente. Quanto aos slidos totais, slidos suspensos e slidos dissolvidos, o tanque

    sptico apresentou as seguintes remoes: 38%, 71% e 19%. Os slidos sedimentveis

    tiveram uma eficincia de remoo da ordem de 96% na segunda cmara do decanto-

    digestor. Na segunda etapa da pesquisa o sistema recebeu uma vazo constante de 15

    m/dia e apresentou eficincia na remoo dos slidos suspensos da ordem de 65% na

  • 91

    primeira cmara e 73% na segunda. A segunda etapa mostrou-se mais significativa

    com relao ao afluente e teve remoo de DQO total e filtrada da ordem de 52% e

    31%. Mais informaes sobre este estudo sero apresentados no item 4.1.4 deste

    trabalho.

    3.7.5 Valentim et al. (2003)

    VALENTIM et al. (2003, p. 2) estudou um sistema com tanques spticos

    modificados, onde trs tanques em srie recebiam esgotos com vazo de 4,3 m/dia e

    tempo de deteno de 11 horas. Os tanques foram constitudos de reservatrios de

    gua com volume igual a 1000, 500 e 500 litros cada. Os reservatrios eram

    conectados atravs de tubulao de PVC e o dispositivo de entrada do efluente em

    cada cmara distribui o esgoto na parte inferior de cada tanque. Foram coletadas

    amostras do afluente e do efluente dos tanques modificados entre o perodo de abril

    outubro de 2001. Observaram-se eficincias de DQO e slidos suspensos totais em

    torno de 45% e 68%. A remoo de DQO ocorreu principalmente no primeiro tanque

    modificado devido maior remoo de slidos suspensos e sedimentveis. O sistema

    obteve eficincia de 100% na remoo dos slidos sedimentveis, sendo que a maior

    parte deles foi removido na primeira cmara do tratamento. Valentim ressalta que o

    sistema no operou apenas como um processo de tratamento primrio de esgotos, mas

    tambm como um sistema secundrio pois, removeu alm dos slidos sedimentveis e

    DQO, slidos suspensos totais, turbidez. Observou-se tambm uma remoo de 5% na

    concentrao de nitrognio amoniacal, nitrato e fsforo total principalmente no

    terceiro tanque. (VALENTIM, 2003, p. 5)

  • 92

    3.8 MODELAGEM DE PROCESSOS ANAERBIOS

    A modelagem matemtica dos processos anaerbios, de acordo com

    CHERNICHARO (1997, p. 56), no tem sido muito aplicada, em parte devido ao

    enorme nmero de fatores que podem influenciar e intervir na cintica da digesto

    anaerbia. Os parmetros cinticos podem ser muitos suscetveis a variaes de

    temperatura, tipo de substrato e de lodo, natureza da cultura de microrganismo, entre

    outros. Outro fator limitante na modelagem matemtica dos processos anaerbios a

    complexidade de tal processo e a sua no linearidade. Nos reatores anaerbios ocorrem

    fenmenos no s biolgicos, mas tambm fenmenos fsicos como visto nos itens

    anteriores.

    A Associao Internacional de gua (IWA - International Water Association)

    por meio de um grupo responsvel pela modelagem matemtica de processos

    anaerbios criou o ADM - Anaerobic Digestion Model (Modelo de Digesto

    Anaerbia). O modelo genrico e permite simulaes dinmicas de variados

    processos anaerbios. O modelo foi desenvolvido no intuito de promover um aumento

    na aplicao de modelagem e simulaes como uma ferramenta de pesquisa, projeto,

    operao e otimizao de processos anaerbios. (IWA, 2003)

    A seguir veremos alguns modelos que foram desenvolvidos no intuito de

    descrever matematicamente os processos de digesto anaerbia em reatores.

  • 93

    3.8.1 Pawlowsky et al. (1983)

    Um estudo desenvolvido por PAWLOWSKY et al. (1985, p. 5) pesquisou a

    eficincia de um reator tipo filtro anaerbio na degradao de um despejo de uma

    indstria de laticnios. O tempo de deteno variou de 0,659 a 3,78 dias e a eficincia

    de remoo em termos de DQO permaneceu na faixa de 59 a 95%. O estudo contribui

    significativamente na aplicao dos modelos cinticos apresentados na bibliografia

    para reatores. Foram aplicados os modelos de mistura completa e o de fluxo em pisto.

    Considerou-se uma cintica de primeira ordem com velocidade de remoo de

    substrato K. Atravs da equao para os regimes de mistura completa e fluxo em

    pisto, calculou-se um valor de K para cada tempo de deteno aplicado ao sistema.

    Definido o valor de K e utilizando a mdia dos valores calculados, e para uma

    eficincia de 90%, calculou-se o tempo de deteno. Isto posto, analisou-se a

    coerncia do resultado matemtico com os resultados obtidos empiricamente. De

    acordo com os clculos utilizados o regime de mistura completa mostrou-se mais

    adequado com os resultados obtidos em prtica. J o regime de fluxo em pisto

    apresentou valores muito acima dos esperados.

    3.8.2 Jeyaseelan (1997)

    JEYASEELAN (1997, p. 186) desenvolveu um modelo matemtico simples

    para o processo da digesto anaerbia, onde agrupou todas as etapas da digesto

    anaerbia em dois processos. Primeiramente, os componentes do esgoto so

    convertidos em cidos volteis pelas bactrias acetognicas, onde a atividade

  • 94

    microbiana descrita pelas equaes cinticas de Monod. Posteriormente os cidos

    produzidos na primeira fase so convertidos a metano e dixido de carbono pelas

    bactrias metanognicas, seguindo a cintica de Monod separadamente da primeira

    fase. Isto posto, para a formulao do modelo algumas simplificaes foram feitas: o

    esgoto composto por carboidratos, protenas, lipdeos e outros; esses compostos

    biodegradam sem nenhuma interao com os compostos intermedirios, exceto na

    segunda etapa onde os cidos volteis so degradados a metano e dixido de carbono;

    na segunda etapa os cidos orgnicos dos carboidratos, protenas, lipdeos e outros so

    considerados como um nico substrato.

    O balano de massa tanto para o substrato, como para a massa microbiana, foi

    desenvolvido para um sistema de fluxo contnuo, estado estacionrio e reator com

    regime hidrulico de mistura completa. Logo as equaes para o clculo da biomassa

    (X) e substrato efluente (S) foram:

    ( )( )tkd

    SSYX O*1+= (71)

    ( )( ) 1*

    *1

    +=kdkYt

    kdtKS S (72)

    Como este modelo considera separadamente os carboidratos, protenas, lipdeos

    e outros, as equaes acima foram substitudas pelas seguintes expresses:

    ( )tkdSSY

    Xi

    iiO

    *11

    1 += (i = C, L, P, O) (73)

    ( )( ) 1*

    *1*1

    += iii

    iSi

    kdkYtkdtK

    S (i = C, L, P, O) (74)

    O substrato para a fase de formao de cido representado por S1 e a

    quantidade de cidos volteis produzidos. Os parmetros X1 e S1 representam o

  • 95

    alimento para a segunda etapa do modelo e as concentraes finais no efluente do

    substrato e da massa microbiana so definidas pelas expresses:

    ( )tkdSSY

    X*1

    212 +

    = (75) ( )

    ( ) 1**1*

    222

    222

    += XXX

    XXS

    kdkYtkdtK

    S (76)

    Nesta expresso, a concentrao afluente do esgoto, compreendido por

    carboidratos, protenas, lipdeos e outros, foi expressa como uma frao da

    concentrao total do substrato afluente. A eficincia da digesto, baseada nos slidos

    totais, expressa em porcentagem, foi dada por:

    10000*100** 212

    O

    OO

    CXXSaCE = (77)

    A aplicao coerente do modelo depende da escolha certa dos coeficientes

    cinticos. Aps uma vasta reviso da bibliografia existente, o autor optou pelos

    coeficientes cinticos da tabela 30:

    TABELA 30 VALORES DAS CONSTANTES CINTICAS UTILIZADAS NO MODELO DE JEYASEELAN

    Componente Y (g SSV/gDBO) k (d-1) KS (mg/l) kd (d-1) Fase cida Carboidrato Protena Lipdeo

    0,14 0,128 0,10

    90 20 12

    450 500 850

    6,1

    0,014

    Fase do Metano cido actico/acetato

    0,03

    6

    400

    0,037

    FONTE: JEYASEELAN, 1997, p. 189

    Como um exemplo de aplicao do modelo, foi utilizado lodo de esgoto com

    vazo de 250 m/d com 3 % de concentrao de slidos e um digestor com volume til

    de 5390 m. O modelo foi rodado para diversas concentraes de slidos volteis, e

    para os coeficientes cinticos selecionados, a eficincia do digestor em relao aos

  • 96

    slidos volteis variou de 92 a 97%. A tabela 31 mostra o comportamento do digestor

    atravs do modelo:

    TABELA 31 - EFEITO DO TEMPO DE DETENO NA EFICINCIA DO DIGESTOR Tempo de deteno (dias) 10 20 30 40

    Eficincia dos slidos volteis (%) 90,14 94,92 95,88 96,42 Eficincia dos slidos totais (%) 63,09 66,44 67,12 67,49

    FONTE: JEYASEELAN, 1997, p. 190

    O modelo mostrou que variando a composio do substrato e o tempo de

    deteno do digestor a eficincia afetada. O modelo simples e pode ser usado para

    analisar a digesto de um substrato conhecido, respeitando variaes operacionais

    como tempo de deteno e temperatura. (JEYASEELAN, 1997, p. 190)

    3.8.3 Masse e Droste (2000)

    Um modelo matemtico complexo foi desenvolvido para simular a digesto

    anaerbia de dejetos sunos. O modelo foi desenvolvido para o estado dinmico e

    reator descontnuo, isto , reator em batelada. O modelo simula as interaes entre as

    fases biolgica, lquida (fsico-qumica) e gasosa. O modelo considera que: 1) seis

    tipos de bactrias esto presentes no reator; 2) o hidrognio da fase gasosa no est em

    equilbrio com o hidrognio dissolvido na fase lquida; 3) a produo dos cidos

    graxos volteis regulada pela concentrao de hidrognio da fase lquida; 4) o

    processo da digesto no sofre efeito algum pela grande concentrao de cidos

    volteis e amnia. O modelo contm um nmero variado de constantes cinticas e

    capaz de prever a produo de metano e as concentraes de cido actico, propinico

    e butrico e DQO solvel em funo do tempo de deteno. Os coeficientes para o

  • 97

    modelo foram determinados a partir de dados reais, que foram deduzidos a partir de

    digestores operados em escala piloto.

    Vrias simulaes foram realizadas e aps cada uma o erro da estimativa (ver

    equao 78) foi calculado no intuito de avaliar a diferena entre o valor medido e o

    valor estimado pelo modelo. As taxas de utilizao de substrato especfico e outros

    parmetros foram ajustados pelo menor erro obtido.

    ( ) = Ni

    ii NvevcEE2 (78)

    onde: EE = erro padro da estimativa

    vci = valor calculado i

    vei = valor experimental i

    Na = nmero de amostras

    i = 1 a Na

    Com o modelo devidamente calibrado, foi possvel calcular a produo de

    metano, as concentraes de DQO solvel, cido actico, propinico e butrico com

    um timo grau de preciso para uma faixa de condies de operao em reatores em

    batelada.

    3.8.4 Keshtkar et al. (2003)

    O modelo matemtico proposto por KESHTKAR et al. (2003, p. 115) foi

    desenvolvido para descrever o comportamento dinmico de um reator no ideal de

    mistura completa, utilizando como substrato dejetos de gado. As expresses cinticas

    foram vinculadas a um modelo com duas regies misturadas, que considera o volume

    dividido em duas sees separadas, uma de passagem e outra de reteno. O modelo

  • 98

    proposto distingue 5 diferentes processos na digesto anaerbia: hidrlise,

    acidognese, acetognese do butirato e do propionato e metanognese. A acidognese

    considera o consumo de substrato solvel pelas bactrias acidognicas. A acetognese

    representa o consumo dos cidos volteis, formando o acetato atravs do butirato e do

    propionato. Finalmente ocorre o consumo do acetato e formao de metano pelas

    bactrias metanognicas. O modelo inclui algumas inibies, como a dos cidos

    volteis na hidrlise, do acetato na acetognese, da amnia livre na metanognese e do

    pH em todos os passos biolgicos do modelo. No modelo o substrato representado

    por unidades de carboidrato solvel (s) e insolvel (is), com a frmula bsica de

    C6H10O5(s) e C6H10O5 . nNH3(is) respectivamente. O processo de hidrlise descrito

    segundo uma reao de primeira ordem. O consumo do substrato solvel e do cido

    voltil, assim como o crescimento dos microorganismos anaerbios, seguem a cintica

    de Monod.

    O modelo considera que o volume do reator est dividido em 2 sees: uma

    regio de passagem e outra de reteno. Ambas regies esto perfeitamente

    misturadas, porm a transferncia de material entre as regies limitada. A regio de

    reteno apresenta caractersticas de comportamento de uma zona estagnada. Uma

    representao conceitual do modelo apresentada na figura 24:

  • 99

    FIGURA 24 - MODELO DE MISTURA COM 2 REGIES

    Regio de passagem

    Cf, Qf

    Ce, Qe

    Regio de reteno FONTE: KESHTKAR et al., 2003, p. 116.

    O modelo consiste de um conjunto de equaes diferenciais que representam o

    balano de massa utilizando variveis diferentes. Essas variveis incluem as

    concentraes totais de substrato, produtos intermedirios e grupos de bactrias. O

    modelo faz algumas consideraes e as simulaes so realizadas atravs de um

    programa de computador (Fortran). Os coeficientes cinticos e os parmetros fsico-

    qumicos foram extrados diretamente da literatura. Foram realizadas algumas

    simulaes do processo de digesto anaerbia do dejeto de gado para trs diferentes

    graus de mistura. Os trs diferentes graus de mistura foram testados para simular o

    comportamento dos seguintes reatores: completamente misturado, mistura imperfeita e

    mistura incompleta.

    As simulaes mostraram que as derivaes de um reator ideal resultam num

    decrscimo no desempenho do reator anaerbio. Foi verificado que a produo de

    metano depende do pH do reator e que a sua produo tem um acrscimo com tempos

    de deteno maiores e graus de mistura mais elevados. Reatores de mistura completa

    requerem menores tempos de deteno do que reatores incompletos para atingirem a

    mesma produo de metano. Por outro lado, percebeu-se que toda vez em que o tempo

    de deteno em funo das caractersticas hidrulicas era significadamente maior do

    que o tempo de deteno em funo das caractersticas de mistura, as diferenas na

    a V

    (1 a) V

  • 100

    produo de metano para os reatores imperfeitos diminuam. (KESHTKAR et al.,

    2003, p. 122)

  • 101

    4 METODOLOGIA

    4.1 DEFINIO E DESENVOLVIMENTO DAS SIMULAES

    PROSPECTIVAS PARA AVALIAR A ADERNCIA DO

    COMPORTAMENTO DE TANQUES SPTICOS AOS MODELOS

    MATEMTICOS

    Este item apresenta a metodologia para definir qual regime hidrulico melhor

    representa o comportamento dos dados reais de sistemas de tanques spticos. Assim

    pode se definir o modelo mais adequado para representar o comportamento de um

    tanque, o qual para um cenrio pr-estabelecido, poder contribuir para a estimativa da

    concentrao de substrato no efluente.

    Dada a diversidade de denominaes (fossa sptica, tanque sptico e decanto-

    digestor) para o sistema estudado neste trabalho, a partir de ento ser somente

    utilizado o termo Tanque Sptico. Esta denominao foi escolhida, pois o termo fossa

    sptica imprprio e de acordo com BRANCO (2002), fossa um buraco e no uma

    caixa.

    4.1.1 Definio das Configuraes dos Tanques Spticos

    Dos trs tipos existentes de tanque sptico, o modelo de um nico tanque o

    mais utilizado. Porm, neste trabalho, foram avaliados os trs tipos de tanque

  • 102

    existentes. Foram avaliados os tanques de cmara nica, os de duas cmaras em srie e

    os de cmaras sobrepostas. Estas avaliaes foram realizadas em funo dos dados

    disponveis encontrados na bibliografia.

    QUADRO 3 - TIPOLOGIA DOS TIPOS DE TANQUES SPTICOS AVALIADOS Tipo de taque sptico Tipologia Simbologia

    A C1 Tanque nico TU1 TU2 C1 C2 Tanque em Srie TS A C2

    Tanque Sobreposto TSP A E NOTA: O smbolo A C1 representa o 1o tanque e C1 C2 representa o 2o tanque

    4.1.2 Definio dos Modelos Hidrulicos

    Os regimes hidrulicos que sero trabalhados nas avaliaes dos tanques

    spticos so mistura completa, fluxo em pisto, clulas em srie e fluxo disperso. Pela

    simplicidade dos modelos hidrulicos, adotou-se a condio de estado estacionrio,

    embora reconhea-se que seja uma simplificao dos processos dinmicos que

    ocorrem nos tanque spticos. Na tabela 32 seguem as equaes de cada regime

    hidrulico analisado que foram utilizadas nas simulaes matemticas. Todas as

    equaes aqui utilizadas j foram descritas previamente na reviso bibliogrfica deste

    trabalho.

  • 103

    QUADRO 4 - EQUAES DE CADA REGIME HIDRULICO ANALISADO Regime Hidrulico Smbolo Equaes

    Fluxo em Pisto FP tKO eSS** =

    Mistura Completa MC )(*1 tK

    SS O+=

    Fluxo Disperso FD dadad

    O eaeaeaSS 2/22/2

    2/1

    )1()1(**4

    +=

    Clulas em Srie CS ( )[ ]nO ntKSS += 1

    onde: S = concentrao efluente de substrato (mg/l)

    So = concentrao afluente de substrato (mg/l)

    K = constante de remoo de substrato (dia-1)

    t = tempo de deteno (dia)

    d = coeficiente ou nmero de disperso

    )***41( dtKa += n = nmero de clulas

    O modelo de clulas em srie foi analisado na configurao do tanque em srie,

    onde o nmero de clulas era o mesmo nmero de cmaras do tanque, ou seja, dois (n

    = 2,0).

    O nmero de disperso, que define o grau de mistura no fluxo disperso,

    apresenta uma variao muito grande (de 0 a ) e a sua determinao atravs de modelos matemticos para tanques spticos escassa na literatura. Por esta razo,

    conforme indica a experincia com reatores curtos, neste trabalho optou-se por adotar

    uma faixa de valores para d, que variam de 0,05 a 0,5.

  • 104

    4.1.3 Definio dos Parmetros de Modelagem

    Os parmetros de modelagem que esto sendo utilizados nos modelos

    hidrulicos como dados de entrada so: DQO total, DQO filtrada, DQO suspensa,

    nmero de disperso (d), vazo (Q), volume (V) e tempo de deteno hidrulica (t). J

    o parmetro a ser calculado a constante de remoo de substrato (K). A DQO

    representa a matria orgnica afluente e efluente.

    QUADRO 5 - PARMETROS DE ENTRADA NOS MODELOS MATEMTICOS DAS SIMULAES PROSPECTIVAS

    Tipologia dos parmetros de modelagem Substrato afluente Substrato efluente Caso

    DQO Smbolo DQO Smbolo 1o Caso DQO total DQOt DQO total DQOt 2o Caso DQO suspensa DQOs DQO suspensa DQOs 3o Caso DQO filtrada DQOf DQO filtrada DQOf

    FONTE: A autora

    Quanto s simulaes prospectivas, o quadro 5 mostra a tipologia dos

    parmetros. As simulaes so realizadas para os trs tipos de tanque sptico sob

    estudo. Entretanto foi feita uma restrio com relao simulao matemtica do

    tanque sptico sobreposto (TSP), pois foram encontrados dados de DQO total apenas.

    Logo, para este modelo de tanque, foram realizadas somente as prospeces relativas

    ao primeiro caso do quadro 5. Para os outros tipos de tanques (TU e TS) que so

    avaliados, so utilizados dois estudos, sendo que apenas um deles fornece dados de

    DQO suspensa e DQO filtrada e, portanto somente para este so aplicados todos os

    casos apresentados no quadro 5.

    Cumpre aqui salientar que os dados de DQO suspensa foram calculados por

    meio da expresso: DQO total = DQO suspensa + DQO filtrada.

  • 105

    4.1.4 Coleta e Tabulao dos Dados Bibliogrficos: Estudo 1, 2 e 3

    A coleta dos dados bibliogrficos refere-se a estudos ou pesquisas de sistemas

    de tanque sptico fornecidos atravs de artigos, relatrios e dissertaes. Os dados

    bibliogrficos coletados que exemplificam um tanque nico ou em srie so referentes

    a dois estudos, aqui denominados estudo 1 e estudo 2. O estudo com cmaras

    sobrepostas denominado estudo 3.

    4.1.4.1 Estudo 1

    O estudo 1 foi realizado na Universidade Federal do Rio Grande do Norte -

    UFRN, que implantou um sistema de 2 tanques spticos em serie e volume total de

    8,82 m. O primeiro tanque tinha volume de 5,88 m e o segundo de 2,94 m, conforme

    figura 24. O sistema operou com vazo constante de 15 m/dia. O estudo se deu em

    trs etapas, sendo a segunda delas a mais representativa. Na primeira e terceira etapas

    ocorreram problemas como greve e interrupo de coleta de amostra nos tanques. O

    esgoto afluente ao tanque foi oriundo do Campus Central da UFRN, mais

    especificamente das residncias universitrias, restaurante e departamento de educao

    fsica. A operao do sistema foi iniciada em agosto de 1997 e a segunda etapa da

    pesquisa durou de dezembro de 1998 a maro de 1999. Nas coletas realizadas os

    seguintes parmetros foram analisados: temperatura, pH, cidos volteis, alcalinidade,

    carbono orgnico total, demanda bioqumica de oxignio (DQO) total e filtrada,

    slidos totais, suspensos, dissolvidos e sedimentveis. Na segunda etapa as coletas de

    amostras foram realizadas semanalmente, sempre s 8:30h. Os pontos analisados

  • 106

    foram: no afluente do tanque (E); no interior do 1o tanque (T1), prximo passagem

    para o 2o tanque; e no interior da 2o tanque (T2), prximo sada do efluente. O

    efluente do 2o tanque era destinado um pequeno filtro ascendente. Com relao

    temperatura no interior do tanque, foi verificada uma mdia de 29C com pequena

    amplitude de variao. O pH afluente na segunda etapa variou de 7,2 a 8,6,

    apresentando um certo decrscimo no pH do primeiro tanque, diminuindo para 7,3. Os

    autores comentam que este fato ocorreu devido aos cidos da digesto anaerbia

    (ANDRADE NETO et al. 2000). As tabelas 32 e 33 correspondem s anlises de DQO

    total e DQO filtrada na etapa 2.

    TABELA 32 - CONCENTRAES REAIS AFLUENTE E EFLUENTE DE DQO TOTAL NO ESTUDO 1 (mg/l)

    N DQO afluente da 1a

    cmara (A) DQO na passagem da 1

    cmara para a 2a cmara (C1) DQO efluente da 2a cmara (C2)

    1 195 126 112 2 216 133 126 3 153 133 136 4 174 147 140 5 533 160 167 6 326 153 153 7 488 202 202 8 312 222 202 9 298 202 188

    10 326 153 153 11 340 243 257 12 429 188 160 13 409 160 181 14 353 291 236 15 333 153 133 16 305 209 188 17 257 153 98 18 416 95 112 19 212 147 91 20 498 140 160

    FONTE: Adaptado de ANDRADE NETO et al, 2000, p. 819

  • 107

    TABELA 33 - CONCENTRAES REAIS AFLUENTE E EFLUENTE DE DQO FILTRADA NO ESTUDO 1 (mg/l)

    N DQO afluente da 1a

    cmara (A) DQO na passagem da 1

    cmara para a 2a cmara (C1) DQO efluente da 2a cmara (C2)

    1 52 39 68 2 83 58 73 3 75 73 89 4 75 73 89 5 310 64 81 6 110 68 81 7 179 114 152 8 168 139 98 9 110 85 100

    10 85 81 106 11 152 156 189 12 202 164 110 13 118 114 131 14 214 210 152 15 164 73 73 16 148 139 166 17 85 43 56 18 216 52 52 19 104 64 52 20 273 89 75

    FONTE: Adaptado de ANDRADE NETO et al, 2000, p. 820

    A figura 25 mostra as remoes de DQO total, suspensa e filtrada para o estudo

    1 de acordo com valores mdios de DQO.

  • 108

    FIGURA 25 GRFICO DOS VALORES DE DQO PARA O ESTUDO 1

    0,00

    50,00

    100,00

    150,00

    200,00

    250,00

    300,00

    350,00

    A T1 T2

    Val

    ores

    md

    ios d

    e D

    QO

    (mg/

    l)

    Total

    Suspensa

    Filtrada

    FONTE: A autora

    De acordo com a figura 25 observam-se as seguintes eficincias na remoo de

    DQO:

    TABELA 34 EFICINCIAS NA REMOO DE DQO PARA O ESTUDO 1 Eficincias mdias na remoo de DQO

    A T1 T1 T2 A T2 1o caso

    (DQOt DQOt) 48,11 % 6,3 % 51,4% 2o caso

    (DQOs DQOs) 58,6 % 20,0 % 66,96% 3o caso

    (DQOf DQOf) 35,0 % - 4,83% 31,9% FONTE: Adaptado de ANDRADE NETO et al., 2000

  • 109

    4.1.4.2 Estudo 2

    No sentido de comparar os resultados para diferentes vazes foi utilizado outro

    estudo desenvolvido por OLIVEIRA (1983, p. 61). Oliveira avaliou um modelo

    experimental composto por um tanque sptico com dois tanques em srie seguido de

    um filtro biolgico para tratamento de esgoto domstico. O volume til total do tanque

    era de 4,57m (1o tanque com 2,31 e 2o tanque com 2,26m) e o mesmo recebia uma

    vazo de 4,8 m/dia na primeira fase da pesquisa e posteriormente uma vazo de 2,4

    m/dia, de acordo com a figura 26. Foram coletadas amostras do esgoto afluente ao

    tanque sptico, do efluente do tanque 1, do efluente do tanque 2 e da sada do filtro

    biolgico. Foram analisados os seguintes parmetros: temperatura, pH, DBO5, DQO,

    Slidos, Alcalinidade, Indicadores Patognicos, entre outros. A temperatura mdia no

    interior dos tanques ficou prxima de 26C. Na tabela 35 so apresentados os dados de

    DQO obtidos no estudo:

    TABELA 35 - CONCENTRAES REAIS AFLUENTE E EFLUENTE DE DQO TOTAL NO ESTUDO 2 (mg/l)

    N DQO afluente da 1a

    cmara (A) DQO na passagem da 1

    cmara para a 2a cmara (C1) DQO efluente da 2a cmara

    (C2) 1 493 135 151 2 586 168 144 3 603 190 155 4 757 248 250 5 859 268 271 6 820 266 269 7 775 279 226 8 662 209 191 9 806 250 210

    10 526 206 187 11 501 188 193

    FONTE: Adaptado de OLIVEIRA (1983, p. 144)

  • 110

    Segue a tabela 36 com todos os dados e caractersticas do modelo experimental:

    TABELA 36 - CARACTERSTICAS DO SISTEMA EXPERIMENTAL

    TS1 TS2 TS1 + TS2 Filtro Anaerbio Unidade 1a fase 2a fase 1a fase 2a fase 1

    a fase

    2a fase

    1a fase

    2a fase

    Profundidade til (m) 1,74 1,74 1,69 1,69 - - 1,24 1,24Profundidade total (m) 1,97 1,97 1,97 1,97 - - 1,97 1,97

    Comprimento (m) 1,68 1,68 1,69 1,69 3,37 3,37 1,67 1,67Largura (m) 0,79 0,79 0,79 0,79 0,79 0,79 0,79 0,79

    Volume til (m) 2,31 2,31 2,26 2,26 4,57 4,57 0,88 - Vazo (m/dia) 4,8 2,4 4,8 2,4 4,8 2,4 4,8 2,4

    Perodo de Deteno (dias) 0,48 - 0,47 - 0,95 - 0,183 - Carga orgnica (gDBO/m . d) - - - - 297 150 - -

    FONTE: OLIVEIRA, 1983, p. 66

    OLIVEIRA (1983, p. 119) admitiu em seu trabalho que, sendo o tanque sptico

    um reator biolgico, o mesmo constituiu-se em uma srie de dois reatores de mistura

    completa com iguais volumes, onde o segundo reator recebe o efluente do primeiro

    reator, e que a remoo do material orgnico no interior do tanque segue uma cintica

    de primeira ordem. Assim foi utilizada a equao do regime hidrulico para mistura

    completa para as clulas em srie objetivando calcular o valor da respectiva constante

    de remoo de substrato K. A equao utilizada foi a seguinte:

    nO

    tKSS

    )'*1( += (79)

    Onde S e So representam, respectivamente, as concentraes de DBO5 ou DQO

    efluente e afluente ao tanque sptico, t o tempo de deteno (volume total / vazo), K

    a constante de remoo de substrato e n o nmero de cmaras, que neste caso

    igual a dois. Primeiramente o autor admite que a remoo de DBO5, em ambas as

    cmaras, foi governada por um mesmo coeficiente K. Fazendo uma mdia dos valores

    de K calculados, chegou-se a um valor de aproximadamente 2,11 dia-1.

  • 111

    Posteriormente foi realizada uma avaliao isolada de cada cmara, mantendo a

    equao 1, porm com n igual a 1 e com os volumes especficos para cada cmara.

    Para a primeira cmara obteve-se um valor mdio de K igual 4,55 dia-1 e para a

    segunda cmara um valor mdio de 0,49 dia-1. OLIVEIRA (1983) concluiu que esses

    valores indicam que a velocidade de reao na primeira cmara bastante alta, pois o

    valor da constante calculada elevado. J na segunda cmara, os valores de K

    calculados indicaram uma velocidade de reao muito lenta e praticamente desprezvel

    se comparada com os valores da primeira cmara. A partir desta anlise Oliveira

    (1983) concluiu que o reator biolgico do sistema a cmara 1 e que a segunda

    cmara tem importncia secundria na remoo de matria orgnica. O trabalho

    tambm aplicou variados tratamentos estatsticos nos dados reais e nos calculados, na

    tentativa de se prever eficincias na remoo de matria orgnica para uma

    determinada faixa de tempo de deteno e temperatura.

    FIGURA 26 - REPRESENTAO GRFICA DO ESTUDO 1 E 2 DQOA (mg/l) DQOT1 (mg/l) DQOT2 (mg/l)

    1o tanque (TU1) 2o tanque (TU2)

    DQOA (mg/l) DQOT2 (mg/l)

    tanque em srie (TS)

    Volume (m)

    Volume (m)

    Volume (m)

  • 112

    4.1.4.3 Estudo 3

    Representando o tanque sptico sobreposto foi encontrado na bibliografia um

    estudo realizado pela CETESB que instalou uma estao de tratamento experimental

    do Caxingui composta por um tanque sptico seguido de um filtro anaerbio. Este

    estudo foi iniciado em 1980 e o relatrio consultado refere-se aos trabalhos realizados

    at dezembro de 1982, quando foi desativada a estao experimental do Caxingui. O

    tanque sptico era do tipo sobreposto, em concreto e com volume total de 2,0m,

    conforme figura 27. O tanque de decantao apresentava volume de 0,5m e rea

    superficial de 0,71m, e o tanque de digesto e armazenamento do lodo de 1,5m. O

    sistema recebia esgoto domstico que antes de ser encaminhado para o sistema tanque-

    filtro, o efluente passava por um sistema de grade fina e caixa de areia. Foram

    coletadas amostras em trs pontos do sistema: no afluente, na sada do tanque e na

    sada do filtro. Nestes pontos foram analisados DQO, DBO, slidos suspensos e

    coliformes totais. O sistema operou durante 500 dias e as amostras eram coletadas de

    hora em hora, duas vezes por semana. Durante toda a pesquisa o sistema operou com

    diferentes vazes de esgoto domstico. As vazes mdias aplicadas ao decanto-

    digestor foram: 2,1, 1,5, 1,6, 1,5, 1,9, 2,2, 3,0, 3,1, 2,6 e 6,6 m/dia. O relatrio observa

    que os primeiros 100 dias foram necessrios para uma aclimatao do sistema e que os

    400 dias seguintes apresentaram melhores resultados na remoo da carga orgnica.

    Do 100 ao 500 dia de operao do sistema o tempo de deteno na cmara de

    decantao do decanto-digestor variou de 0,17 a 0,33 dias. Toda pesquisa operou o

    sistema das 8 s 12 horas dirias, havendo uma interrupo durante o perodo da noite,

    numa tentativa de simular a prtica da operao de tanques spticos, onde existem

    perodos de pico e outros de ausncia de esgoto.

  • 113

    A tabela 37 apresenta os dados de DQO total afluente e efluente ao tanque para

    a vazo de 2,6 m/dia.

    TABELA 37 - CONCENTRAES REAIS AFLUENTE E EFLUENTE DE DQO TOTAL NO ESTUDO 3 (mg/l)

    N DQOt afluente DQOt efluente

    1 1190 337 2 434 374 3 274 325 4 903 479 5 387 395 6 771 383 7 453 394 8 1010 481 9 597 413

    10 632 389 11 756 645 12 540 401 13 587 487 14 638 532 15 555 487 16 587 510 17 509 596 18 732 481 19 1720 532 20 752 555 21 1050 481 22 1260 454 23 447 376 24 586 448 25 475 628 26 613 621 27 549 526 28 653 601 29 767 373 30 777 736

    FONTE: Adaptado de VIEIRA e ALM SOBRINHO, 1983b, p. 81.

  • 114

    FIGURA 27 - REPRESENTAO GRFICA DO ESTUDO 3

    DQOA (mg/l) DQOE (mg/l)

    Tanque Sobreposto

    Os dados de DQO afluente e efluente que foram coletados foram reproduzidos

    conforme encontrados na bibliografia, isto , no sofreram nenhum tratamento

    estatstico.

    Isto posto, segue a tabela 38 com um resumo dos dados encontrados na

    bibliografia e utilizados neste trabalho:

    TABELA 38 - DADOS ENCONTRADOS NA BIBLIOGRAFIA Caractersticas de cada sistema (dados fornecidos)

    Estudo Simbologia Tipo de Tanque Volume (m) Vazo

    (m/dia) Tempo de

    deteno (dias) 1oTanque 5,88 0,392 Tanque nico 2o Tanque 2,94 15,0 0,196 Andrade

    Neto et al. Estudo 1 Tanque em Srie 8,82 15,0 0,588

    1o Tanque 2,31 0,481 Tanque nico 2o Tanque 2,26 4,80 0,471 Oliveira Estudo 2 Tanque em Srie 4,57 4,80 0,952

    Cetesb Estudo 3 Tanque Sobreposto 2,00 2,60 0,769 FONTE: Adaptado de ANDRADE NETO et al (2000); OLIVEIRA (1983); VIEIRA e ALM SOBRINHO, 1983b.

    Volume (m)

  • 115

    4.1.5 Definio e Desenvolvimento de Simulaes Prospectivas

    Neste item foram desenvolvidas uma srie de simulaes prospectivas por meio

    da aplicao dos modelos matemticos aos trs tipos de tanques spticos que esto

    sendo estudados. Os modelos matemticos utilizados foram relacionados no item

    4.1.2. e os diferentes tipos de tanque sptico foram descritos anteriormente, no item

    4.1.1.

    4.1.5.1 Definio das simulaes prospectivas

    apresentada a seguir a nomenclatura que foi utilizada para identificar as

    diversas simulaes matemticas realizadas. As simulaes prospectivas buscam a

    definio do modelo matemtico mais representativo e a estimativa de constantes

    como K e d. Nas simulaes matemticas as concentraes afluentes foram

    representadas de acordo com o quadro 5 exposto no item 4.1.3 (p.100).

    O quadro 6 apresenta a tipologia das simulaes prospectivas. O mesmo

    apresenta para cada estudo (1, 2 e 3), a configurao de tanque (TU1, TU2, TS ou

    TSP) e o modelo hidrulico (MC, FP, FD e CS), alm dos parmetros de modelagem

    para o primeiro caso (DQOt DQOt), segundo caso (DQOs DQOs) e terceiro caso (DQOf DQOf). Ao todo tem-se 13 famlias de simulaes, o que abrange 108 simulaes. Observar quadro 07.

  • 116

    QUADRO 6 - SIMULAES PROSPECTIVAS (continua) Parmetros de Modelagem

    Estudo Configurao

    e Modelo Hidrulico

    1o Caso (DQOt DQOt)

    2o Caso (DQOs DQOs)

    3o Caso (DQOf DQOf)

    TU1 / MC 1) E1 / TU1 / MC / DQOt DQOt 9) E1 / TU1 / MC /

    DQOs DQOs 17) E1 / TU1 / MC /

    DQOf DQOf

    TU1 / FP 2) E1 / TU1 / FP / DQOt DQOt 10) E1 / TU1 / FP /

    DQOs DQOs 18) E1 / TU1 / FP /

    DQOf DQOf Estudo 1

    TU1 / FD* 3 8) E1 / TU1 / FD / DQOt DQOt 11 16) E1 / TU1 /

    FD / DQOs DQOs 19 24) E1 / TU1 /

    FD / DQOf DQOf

    TU1 / MC 25) E2 / TU1 / MC / DQOt DQOt - -

    TU1 / FP 26) E2 / TU1 / FP / DQOt DQOt - - Estudo 2

    TU1 / FD* 27 32) E2 / TU1 / FD / DQOt DQOt - -

    TU2 / MC 33) E1 / TU2 / MC / DQOt DQOt 41) E1 / TU2 / MC /

    DQOs DQOs 49) E1 / TU2 / MC /

    DQOf DQOf

    TU2 / FP 34) E1 / TU2 / FP / DQOt DQOt 42) E1 / TU2 / FP /

    DQOs DQOs 50) E1 / TU2 / FP /

    DQOf DQOf Estudo 1

    TU2 / FD* 35 40) E1 / TU2 / FD / DQOt DQOt 43 48) E1 / TU2 /

    FD / DQOs DQOs 51 56) E1 / TU2 /

    FD / DQOf DQOf

    TU2 / MC 57) E2 / TU2 / MC / DQOt DQOt - -

    TU2 / FP 58) E2 / TU2 / FP / DQOt DQOt - - Estudo 2

    TU2 / FD* 59 - 64) E2 / TU2 / FD / DQOt DQOt - -

  • 117

    Parmetros de Modelagem

    Estudo Configurao

    e Modelo Hidrulico

    1o Caso (DQOt DQOt)

    2o Caso (DQOs DQOs)

    3o Caso (DQOf DQOf)

    TS / MC 65) E1 / TS / MC / DQOt DQOt 74) E1 / TS / MC / DQOs DQOs

    83) E1 / TS / MC / DQOf DQOf

    TS / FP 66) E1 / TS / FP / DQOt DQOt 75) E1 / TS / FP / DQOs DQOs

    84) E1 / TS / FP / DQOf DQOf

    TS / FD* 67 - 72) E1 / TS / FD / DQOt DQOt 76 - 81) E1 / TS / FD

    / DQOs DQOs 85 - 90) E1 / TS / FD

    / DQOf DQOf Estudo 1

    TS / CS 73) E1 / TS / CS / DQOt DQOt 82) E1 / TS / CS / DQOs DQOs

    91) E1 / TS / CS / DQOf DQOf

    TS / MC 92) E2 / TS / MC / DQOt DQOt - -

    TS / FP 93) E2 / TS / FP / DQOt DQOt - -

    TS / FD* 94 - 99) E2 / TS / FD / DQOt DQOt - - Estudo 2

    TS / CS 100) E2 / TS / CS / DQOt DQOt - -

    TSP / MC 101) E3 / TSP / MC / DQOt DQOt - -

    TSP / FP 102) E3 / TSP / FP / DQOt DQOt - - Estudo 3

    TSP / FD* 103 - 108) E3 / TSP / FD / DQOt DQOt - -

    FONTE: A autora NOTA: * simulaes realizadas para 6 valores de d (0,05; 0,10; 0,20; 0,30; 0,40 e 0,50)

    onde: E1 - Estudo 1

    E2 - Estudo 2

    E3 - Estudo 3

    TU Tanque nico

  • 118

    TU1 1o Tanque nico

    TU2 2o Tanque nico

    TS Tanques em Srie

    TSP Tanque Sobreposto

    MC Mistura Completa

    FP Fluxo em Pisto

    FD Fluxo Disperso

    CS Clulas em Srie

    QUADRO 7 FAMLIA DE SIMULAES PROSPECTIVAS DE ACORDO COM QUADRO 6 Famlias de simulaes prospectivas

    Estudo Configurao 1o Caso (DQOt DQOt)

    2o Caso (DQOs DQOs)

    3o Caso (DQOf DQOf)

    Estudo 1 1 8 9 16 17 24

    Estudo 2 TU1

    25 32 - -

    Estudo 1 33 40 41 - 48 49 56

    Estudo 2 TU2

    57 64 - -

    Estudo 1 65 73 74 82 83 91

    Estudo 2 TS

    92 100 - -

    Estudo 3 TSP 101 108 - -

    FONTE: A autora

    Para simular fenmenos no Tanque nico (TU) foram utilizados os dados

    bibliogrficos do primeiro tanque com volume de 5,88m do estudo 1 e os dados do

    primeiro tanque do estudo 2 com volume de 2,31m. O Tanque em srie (TS) foi

    simulado pelo estudo 1, considerando os dois tanques do sistema com volume total de

    8,82m e pelo estudo 2 com volume total de 4,57m. O Tanque Sobreposto (TSP) foi

  • 119

    representado pelo estudo 3, onde o volume total do tanque era de 2,0m. Para efeito

    das simulaes que sero realizadas foram utilizados somente os dados referentes

    vazo de 2,6 m/dia. Isto se deve ao maior nmero de dias de operao nesta vazo e

    conseqentemente maior nmero de dados de DQO total na entrada e sada do tanque

    sobreposto.

    4.1.5.2 Desenvolvimento das simulaes prospectivas

    Atendendo as premissas anteriores e ao quadro 6 (p. 113) e 7 (p. 115) seguem

    as simulaes matemticas. Os grficos resultantes das simulaes prospectivas

    encontram-se no apndice 1 do trabalho. As simulaes foram realizadas para

    definio do modelo mais representativo do comportamento do tanque sptico e para

    estimativa de constantes cinticas, no intuito de abordar o quanto so verossmeis.

    Para definio do modelo matemtico mais representativo, utilizou-se o quadro

    6, onde o modelo matemtico mais representativo foi definido como aquele cujo erro

    entre a concentrao real efluente e a concentrao simulada efluente foi o menor

    obtido, em funo do valor da constante de remoo de substrato (K). Esta anlise foi

    realizada para os casos do quadro 5. Associado a esta anlise, j surgem algumas

    definies de K e d.

    Como salientado, o critrio estatstico utilizado para definir valores de K foi o

    erro padro da estimativa (EE) definido por SPIEGEL (1970, p. 404) na equao 80.

    Este critrio tambm foi utilizado por DROSTE e MASSE (2000, p. 3098), no intuito

    de comparar dados simulados com dados obtidos experimentalmente. O valor de K foi

    definido pelo menor EE obtido nas simulaes matemticas.

  • 120

    ( ) = Ni

    ii NvevcEE2 (80)

    onde: EE = erro padro da estimativa

    vci = valor calculado i

    vei = valor experimental i

    Na = nmero de amostras

    i = 1 a Na

    4.2 DEFINIO E DESENVOLVIMENTO DAS SIMULAES DA

    APLICABILIDADE DE TANQUES SPTICOS PARA OBTENO DE

    MAIOR EFICINCIA PARA REMOO DE MATRIA ORGNICA

    Conhecido o modelo mais representativo e os respectivos valores de K e d,

    foram estabelecidos cenrios que consideraram a variao do nmero de contribuintes,

    na busca de dimenses otimizadas de tanques spticos para remover matria orgnica.

    Tais simulaes geraram resultados, apresentados e discutidos no captulo seqente.

  • 121

    5 RESULTADOS, DISCUSSES E DEFINIO DO MODELO

    5.1 RESULTADO DAS SIMULAES PROSPECTIVAS

    Os valores de K obtidos nas simulaes matemticas referem-se aos 3 casos (1

    caso: DQOt DQOt; 2 caso: DQOs DQOs; 3 caso: DQOf DQOf) expostos na metodologia nos quadros 5 e 6.

    Os grficos que mostram a variao do EE em funo do valor de K (d-1) para

    cada simulao realizada e seu respectivo menor EE seguem no apndice 1 deste

    trabalho.

    5.1.1 Valores de K estimados para a configurao TU1 em funo do modelo

    hidrulico e dos parmetros de modelagem para o estudo 1 e 2

    Os resultados apresentados constam nas tabelas 39 42 e referem-se as famlias

    de simulaes: 1 8, 9 16, 17 24 e 25 32, conforme apresentados no quadro 7.

  • 122

    TABELA 39 - VALORES DE K PARA 1O CASO (DQOt DQOt) NO TU1 DO ESTUDO 1 TU1

    Estudo 1 Famlia de simulao

    (1 8)

    Modelo Hidrulico K (d-1) EE

    1 MC 2,795 62,7352 2 FP 1,888 62,7352 3 FD (d = 0,50) 2,310 62,7352 4 FD (d = 0,40) 2,257 62,7352 5 FD (d = 0,30) 2,195 62,7352 6 FD (d = 0,20) 2,114 62,7352 7 FD (d = 0,10) 2,014 62,7352 8 FD (d = 0,05) 1,955 62,7352

    FONTE: A autora

    onde: EE = erro padro da estimativa

    K = taxa de remoo de substrato (dias-1)

    TABELA 40 - VALORES DE K PARA 2o CASO (DQOs DQOs) NO TU1 DO ESTUDO 1 TU1

    Estudo 1 Famlia de simulao (9 16)

    Modelo Hidrulico K (d-1) EE

    9 MC 4,360 34,3062 10 FP 2,542 34,3062 11 FD (d = 0,50) 3,320 34,3062 12 FD (d = 0,40) 3,220 34,3062 13 FD (d = 0,30) 3,100 34,3062 14 FD (d = 0,20) 2,955 34,3062 15 FD (d = 0,10) 2,770 34,3062 16 FD (d = 0,05) 2,663 34,3062

    FONTE: A autora

  • 123

    TABELA 41 VALORES DE K PARA 3o CASO (DQOf DQOf) NO TU1 DO ESTUDO 1 TU1

    Estudo 1 Famlia de simulao (17 24)

    Modelo Hidrulico K (d-1) EE

    17 MC 1,890 49,2134 18 FP 1,415 49,2134 19 FD (d = 0,50) 1,645 49,2134 20 FD (d = 0,40) 1,620 49,2134 21 FD (d = 0,30) 1,585 49,2134 22 FD (d = 0,20) 1,540 49,2134 23 FD (d = 0,10) 1,485 49,2134 24 FD (d = 0,05) 1,450 49,2134

    FONTE: A autora

    TABELA 42 - VALORES DE K PARA 1O CASO (DQOt DQOt) NO TU1 DO ESTUDO 2 TU1

    Estudo 2 Famlia de simulao (25 32)

    Modelo Hidrulico K (d-1) EE

    25 MC 4,313 19,2676 26 FP 2,335 19,2676 27 FD (d = 0,50) 3,145 19,2676 28 FD (d = 0,40) 3,040 19,2676 29 FD (d = 0,30) 2,915 19,2676 30 FD (d = 0,20) 2,762 19,2676 31 FD (d = 0,10) 2,571 19,2676 32 FD (d = 0,05) 2,459 19,2676

    FONTE: A autora

    5.1.2 Valores de K estimados para a configurao TU2 em funo do modelo

    hidrulico e dos parmetros de modelagem para o estudo 1 e 2

    Os resultados aqui apresentados constam nas tabelas 43 46. Referem-se as

    famlias de simulaes: 33 40, 41 48, 49 56 e 57 64, conforme apresentados no

    quadro 7.

  • 124

    TABELA 43 - VALORES DE K PARA 1o CASO (DQOt DQOt) NO TU2 DO ESTUDO 1 TU2

    Estudo 1 Famlia de simulao (33 40)

    Modelo Hidrulico K (d-1) EE

    33 MC 0,385 22,3417 34 FP 0,372 22,3417 35 FD (d = 0,50) 0,380 22,3417 36 FD (d = 0,40) 0,379 22,3417 37 FD (d = 0,30) 0,378 22,3417 38 FD (d = 0,20) 0,377 22,3417 39 FD (d = 0,10) 0,375 22,3417 40 FD (d = 0,05) 0,374 22,3417

    FONTE: A autora

    TABELA 44 - VALORES DE K PARA 2o CASO (DQOs DQOs) NO TU2 DO ESTUDO 1 TU2

    Estudo 1 Famlia de simulao (41 48)

    Modelo Hidrulico K (d-1) EE

    41 MC 1,680 23,2017 42 FP 1,45 23,2017 43 FD (d = 0,50) 1,57 23,2017 44 FD (d = 0,40) 1,56 23,2017 45 FD (d = 0,30) 1,55 23,2017 46 FD (d = 0,20) 1,52 23,2017 47 FD (d = 0,10) 1,49 23,2017 48 FD (d = 0,05) 1,47 23,2017

    FONTE: A autora

    TABELA 45 VALORES DE K PARA 3o CASO (DQOf DQOf) NO TU2 DO ESTUDO 1 TU2

    Estudo 1 Famlia de simulao (49 56)

    Modelo Hidrulico K (d-1) EE

    49 MC 0,09 27,3431 50 FP 0,09 27,3431 51 FD (d = 0,50) 0,09 27,3431 52 FD (d = 0,40) 0,09 27,3431 53 FD (d = 0,30) 0,09 27,3431 54 FD (d = 0,20) 0,09 27,3431 55 FD (d = 0,10) 0,09 27,3431 56 FD (d = 0,05) 0,09 27,3431

    FONTE: A autora

  • 125

    TABELA 46 - VALORES DE K PARA 1o CASO (DQOt DQOt) NO TU2 DO ESTUDO 2 TU2

    Estudo 2 Famlia de simulao (57 64)

    Modelo Hidrulico K (d-1) EE

    57 MC 0,158 20,3880 58 FP 0,153 20,3880 59 FD (d = 0,50) 0,156 20,3880 60 FD (d = 0,40) 0,155 20,3880 61 FD (d = 0,30) 0,155 20,3880 62 FD (d = 0,20) 0,154 20,3880 63 FD (d = 0,10) 0,154 20,3880 64 FD (d = 0,05) 0,153 20,3880

    FONTE: A autora

    5.1.3 Valores de K estimados para a configurao TS em funo do modelo

    hidrulico e dos parmetros de modelagem para o estudo 1 e 2

    Os resultados aqui apresentados constam nas tabelas 47 50. Referem-se as

    famlias de simulaes: 65 73, 74 82, 83 91 e 92 100, conforme apresentados

    no quadro 7.

    TABELA 47 - VALORES DE K PARA 1o CASO (DQOt DQOt) NO TS DO ESTUDO 1 TS

    Estudo 1 Famlia de simulao (65 73)

    Modelo Hidrulico K (d-1) EE

    65 MC 2,035 51,2674 66 FP 1,338 51,2674 67 FD (d = 0,50) 1,655 51,2674 68 FD (d = 0,40) 1,615 51,2674 69 FD (d = 0,30) 1,568 51,2674 70 FD (d = 0,20) 1,508 51,2674 71 FD (d = 0,10) 1,433 51,2674 72 FD (d = 0,05) 1,387 51,2674 73 CS (n = 2,0) 1,640 51,2674

    FONTE: A autora

  • 126

    TABELA 48 - VALORES DE K PARA 2o CASO (DQOs DQOs) COM TS DO ESTUDO 1 TS

    Estudo 1 Famlia de simulao (74 82)

    Modelo Hidrulico K (d-1) EE

    74 MC 3,920 26,0726 75 FP 2,035 26,0726 76 FD (d = 0,50) 2,790 26,0726 77 FD (d = 0,40) 2,690 26,0726 78 FD (d = 0,30) 2,575 26,0726 79 FD (d = 0,20) 2,430 26,0726 80 FD (d = 0,10) 2,255 26,0726 81 FD (d = 0,05) 2,150 26,0726 82 CS (n = 2,0) 2,785 26,0726

    FONTE: A autora

    TABELA 49 VALORES DE K PARA 3o CASO (DQOf DQOf) NO TS DO ESTUDO 1 TS

    Estudo 1 Famlia de simulao (83 91)

    Modelo Hidrulico K (d-1) EE

    83 MC 1,275 53,6536 84 FP 0,950 53,6536 85 FD (d = 0,50) 1,110 53,6536 86 FD (d = 0,40) 1,090 53,6536 87 FD (d = 0,30) 1,065 53,6536 88 FD (d = 0,20) 1,037 53,6536 89 FD (d = 0,10) 1,000 53,6536 90 FD (d = 0,05) 0,975 53,6536 91 CS (n = 2,0) 1,098 53,6536

    FONTE: A autora

  • 127

    TABELA 50 - VALORES DE K PARA 1o CASO (DQOt DQOt) NO TS DO ESTUDO 2 TS

    Estudo 2 Famlia de simulao (92 100)

    Modelo Hidrulico K (d-1) EE

    92 MC 2,415 24,6055 93 FP 1,254 24,6055 94 FD (d = 0,50) 1,718 24,6055 95 FD (d = 0,40) 1,658 24,6055 96 FD (d = 0,30) 1,586 24,6055 97 FD (d = 0,20) 1,498 24,6055 98 FD (d = 0,10) 1,389 24,6055 99 FD (d = 0,05) 1,325 24,6055

    100 CS (n = 2,0) 1,715 24,6055 FONTE: A autora

    5.1.4 Valores de K estimados para a configurao TSP em funo do modelo

    hidrulico e dos parmetros de modelagem para o estudo 3

    Os resultados aqui apresentados constam na tabela 51. Refere-se as famlias de

    simulaes: 101 108, conforme apresentado no quadro 7.

  • 128

    TABELA 51 - VALORES DE K PARA 1o CASO (DQOt DQOt) NO TSP DO ESTUDO 3 TSP

    Estudo 3 Famlia de simulao

    (101 108)

    Modelo Hidrulico K (d-1) EE

    101 MC 0,916 200,4679 102 FP 0,693 200,4679 103 FD (d = 0,50) 0,803 200,4679 104 FD (d = 0,40) 0,790 200,4679 105 FD (d = 0,30) 0,774 200,4679 106 FD (d = 0,20) 0,753 200,4679 107 FD (d = 0,10) 0,727 200,4679 108 FD (d = 0,05) 0,711 200,4679

    FONTE: A autora

    5.2 DISCUSSES

    5.2.1 Discusses sobre os Valores de K

    A discusso ser conduzida em trs nveis. No primeiro sero discutidos os

    resultados por famlia de simulaes. Posteriormente sero discutidos os resultados

    comparando as simulaes entre as famlias. E enfim sero discutidos os casos em que

    foram encontradas identidades dos dados calculados com os encontrados na

    bibliografia.

    Cabe adiantar que para cada famlia foi observado o mesmo menor erro da

    estimativa. Credita-se tal ocorrncia ao fato de que as equaes dos regimes

    hidrulicos guardam entre si uma relao constante, a qual reflete-se nos resultados

    encontrados.

    De acordo com as tabelas 39 51, verificamos que em todos os casos estudados

    conforme a disperso do fluxo no interior do reator diminui, isto , da condio de

  • 129

    mistura completa (MC) para uma condio de sem mistura (FP), o valor da constante

    de remoo de substrato, K, diminui. Isto sugere que nos regimes de maior turbulncia

    hidrulica, a velocidade de reao mais alta, provavelmente pelo fato de existir um

    maior contato entre as partculas.

    5.2.1.1 Discusso por famlia de simulaes

    5.2.1.1.1 Discusso sobre os valores de K estimados para a configurao TU1, estudo

    1, famlia de simulaes 1 8 (tabela 39), 9 16 (tabela 40) e 17 24 (tabela

    41)

    Para o estudo 1 as simulaes com a configurao TU1 apresentaram menores

    erros de estimativa de 34,31 para o segundo caso (DQOs DQOs), com os valores de K variando de 2,54 (FP) 4,36 (MC), conforme tabela 40. Estes valores indicam que a

    anlise via matria orgnica suspensa melhor explica os fenmenos de remoo da

    mesma no primeiro tanque do sistema. Contudo os valores de K calculados para o TU1

    no primeiro (DQOt DQOt) e terceiro (DQOf DQOf) casos no podem ser desprezados.

    No primeiro caso (DQOt DQOt) do estudo 1, analisando o primeiro tanque (TU1), foram observados valores de K variando de 1,888 (FP) 2,795 (MC),

    conforme tabela 39. Estes valores indicam que a velocidade de reao alta no

    primeiro tanque, provavelmente pelo fato de que a carga de matria orgnica afluente

    ao tanque tambm alta. Este fato tem como conseqncia a ocorrncia da maior parte

    das reaes cinticas da digesto anaerbia neste primeiro tanque. Assim pode-se

  • 130

    argir que a digesto anaerbia mais intensa no tanque TU1, como j salientado pelo

    autor do estudo 1.

    J no segundo caso (DQOs DQOs) para o mesmo estudo, as simulaes prospectivas indicaram valores de K maiores do que os observados no primeiro caso.

    Os valores de K variaram de 2,54 (FP) 4,36 (MC), sugerindo velocidades de reao

    mais elevadas na matria orgnica suspensa do que se comparada matria orgnica

    total (suspensa + filtrada). Isto confirma a realidade do estudo 1, pois pelos dados reais

    obtidos no estudo, verificou-se uma remoo de DQO suspensa bastante elevada no

    primeiro tanque (TU1), conforme figura 23 e tabela 33.

    Ao avaliarmos os resultados referentes ao terceiro caso (DQOf DQOf), verificamos valores de K menores do que se comparados aos outros dois casos. Estes

    valores de K representam apenas a parte dissolvida da matria orgnica presente no

    esgoto. Esta parcela dissolvida a matria orgnica facilmente biodegradvel. O fato

    do 3 caso apresentar valores de K menores, pode indicar que a atividade biolgica na

    digesto da matria orgnica filtrada menor do que na matria orgnica suspensa.

    Observa-se tambm que os valores de K para o primeiro caso (DQO t DQOt) so intermedirios aos valores para o segundo (DQOs DQOs) e terceiro (DQOf DQOf) casos, sugerindo que no clculo dos modelos hidrulicos para o primeiro caso

    o valor de K sofre influncia tanto da matria orgnica suspensa como da filtrada. Este

    fato tambm comprova a realidade observada no estudo 1 quanto s remoes de cada

    substrato, conforme figura 23 e tabela 33. Verifica-se que o valor para a remoo de

    DQO total tambm fica situado entre os valores de eficincia de DQO suspensa e

    filtrada.

  • 131

    5.2.1.1.2 Discusso sobre os valores de K estimados para a configurao TU1, estudo

    2, famlia de simulaes 25 32 (tabela 42)

    Os valores de K observados nas simulaes do estudo 2 para a configurao

    TU1 oscilaram de 2,335 (FP) 4,313 (MC) e apresentaram menor erro de estimativa

    de 19,27, conforme tabela 42. Estes valores indicam altas taxas de remoo de

    substrato e conseqentemente elevadas velocidades de reao. Altas velocidades de

    reao indicam elevada atividade biolgica na massa lquida, indicando que h um

    significativo fenmeno de remoo da DQO total no primeiro tanque pela degradao

    da matria orgnica. Ou seja, induz-se que importante parcela de matria orgnica, no

    primeiro tanque (~ 67%) do estudo 2, removida pela atividade biolgica relacionada

    mistura natural do lquido no interior do tanque.

    5.2.1.1.3 Discusso sobre os valores de K estimados para a configurao TU2, estudo

    1, famlia de simulaes 33 40 (tabela 43), 41 48 (tabela 44) e 49 56

    (tabela 45).

    Ao observar as tabelas 43, 44 e 45 verifica-se que para a configurao TU2 do

    estudo 1 o menor erro de estimativa (22,34) foi encontrado no primeiro caso (DQOt DQOt). Neste caso, o valor de K variou de 0,372 (FP) 0,385 (MC). Nota-se que os

    menores erros para o segundo (DQOs DQOs / EE = 23,20) e terceiro (DQOf DQOf / EE = 27,34) casos mostraram-se prximos dos valores observados no primeiro

    caso, porm com valores de K bastante diferentes, conforme tabelas 44 e 45.

  • 132

    Apesar dos valores de K encontrados nas simulaes prospectivas para o TU2

    no estudo 1 sejam diferentes, variando de 0,09 (FP / 3o caso) 1,68 (MC / 2o caso), os

    mesmos se mostraram baixos se comparados aos valores de K encontrados para o TU1

    do estudo 1. Este fato provavelmente indica que entre os fenmenos que ocorrem no

    interior do TU2, a atividade biolgica no deva ser o processo predominante, pois

    valores baixos de K indicam baixas velocidades de reaes bioqumicas caractersticas

    da digesto anaerbia. Sugere-se ento que o fenmeno que caracteriza a remoo de

    matria orgnica no TU2 de ordem fsica, como a decantao.

    O segundo caso (DQOs DQOs) caracteriza-se pelos valores de K mais elevados quando comparados aos outros casos. Os valores de K variam de 1,45 (FP)

    1,68 (MC) e de certa forma indicam uma atividade biolgica reduzida no segundo

    tanque, quando comparado ao primeiro tanque. Isto sugere que no segundo tanque h

    uma menor parcela de DQO suspensa que removida por fenmenos biolgicos. Isto

    pode indicar que a DQO removida tanto por mecanismos biolgicos quanto por

    processos fsicos, conforme esperado.

    Para o terceiro caso (DQOf DQOf) foram observados que os valores de K calculados para os diferentes modelos hidrulicos so os mesmos (K = 0,09 d-1). Os

    valores de K sugerem que a atividade biolgica da matria orgnica dissolvida bem

    reduzida. Pode-se observar portanto, de acordo com os valores calculados, que a

    remoo de material dissolvido ocorre principalmente no primeiro tanque (TU1) e que

    o material dissolvido que passa para o segundo tanque pode ser removido atravs de

    outros fenmenos que no de natureza biolgica.

  • 133

    5.2.1.1.4 Discusso sobre os valores de K estimados para a configurao TU2, estudo

    2, famlia de simulaes 57 64 (tabela 46)

    O menor erro da estimativa encontrado para o TU2 do estudo 2 foi de 20,39 e

    os valores de K calculados variaram de 0,153 (FP) 0,158 (MC). Estes valores de K

    so considerados baixos e indicam baixas velocidades de reao dos fenmenos

    bioqumicos. O resultado encontrado pode indicar que o principal fenmeno de

    remoo da DQO total para esta situao no seja a atividade biolgica. OLIVEIRA

    (1983) comenta que a digesto anaerbia ocorre de modo mais atenuado na segunda

    cmara do sistema experimental. Pode-se dizer ento que os valores calculados

    puderam de certa forma representar a realidade do TU2 do estudo 2.

    5.2.1.1.5 Discusso sobre os valores de K estimados para a configurao TS, estudo 1,

    famlia de simulaes 65 73 (tabela 47), 74 82 (tabela 48) e 83 91

    (tabela 49)

    O menor erro da estimativa encontrado nos trs casos simulados para o TS no

    estudo 1 foi de 26,07 observado no segundo caso (DQOs DQOs) onde os valores de K oscilaram entre 2,035 (FP) 3,920 (MC). Estes valores de K indicam que

    possivelmente o fenmeno de remoo da matria orgnica suspensa de ordem

    biolgica significativo, pois para valores relativamente altos de K temos altas

    velocidades de reao no interior do tanque. Comprova-se este fato atravs da anlise

    dos dados reais, onde sabe-se que a eficincia mdia de DQO suspensa para o TS de

    aproximadamente 67% (ver tabela 33).

  • 134

    Para o primeiro caso (DQOt DQOt) do TS no estudo 1 temos valores de K um pouco abaixo dos que foram observados no segundo caso (DQOs DQOs), variando de 1,34 (FP) 2,40 (MC). possvel que estes valores tambm indiquem que

    a atividade biolgica seja significativa na remoo de matria orgnica total.

    J no terceiro caso (DQOf DQOf), temos valores de K oscilando entre 0,95 at 1,28, para os regimes de fluxo em pisto e mistura completa respectivamente. Estes

    valores indicam uma atividade biolgica reduzida em relao aos valores obtidos para

    os outros dois casos (DQOt DQOt e DQOs DQOs) do TS no estudo 1. Este fato pode indicar que a remoo de matria orgnica dissolvida atravs da digesto

    anaerbia ocorre em menor escala do que se comparado ao primeiro e segundo caso.

    5.2.1.1.6 Discusso sobre os valores de K estimados para a configurao TS, estudo 2,

    famlia de simulaes 92 100 (tabela 50)

    Verifica-se atravs da tabela 50 que o menor erro de estimativa encontrado na

    configurao TS do estudo 2 foi de 24,61. Para este erro foram encontrados valores de

    K de 1,25 para a condio de fluxo pisto e 2,42 para mistura completa. Estes valores

    de K indicam que a velocidade das reaes bioqumicas no interior do tanque

    relativamente alta e possivelmente sugere que parcela da remoo da matria orgnica

    total ocorra por atividade biolgica expressiva.

  • 135

    5.2.1.1.7 Discusso sobre os valores de K estimados para a configurao TSP, estudo

    3, famlia de simulaes 101 108 (tabela 51)

    Na simulao do tanque sobreposto (TSP) os valores de K obtidos variaram de

    0,693 (FP) at 0,916 (MC). Estes valores so considerados baixos, indicando baixas

    velocidades de reao. De acordo com os valores calculados, possvel que o principal

    fenmeno de remoo da matria orgnica no TSP no seja a digesto anaerbia.

    Entretanto, a geometria deste tipo de tanque no nos permite anlises mais profundas

    em relao aos valores calculados pelos modelos hidrulicos. No tanque sobreposto

    existe um compartimento para a decantao do esgoto afluente (ver figura 21) fazendo

    com que o fluxo do lquido no interior do tanque no se assemelhe com nenhum dos

    fluxos propostos pelos modelos hidrulicos analisados neste trabalho.

    5.2.1.2 Discusso comparativa entre as famlias de simulaes

    5.2.1.2.1 Discusso comparativa para configurao TU1, estudo 1 e 2,

    respectivamente entre as famlias de simulaes 1 8 e 25 32

    Para a configurao TU1, comparando o estudo 1 e 2 no primeiro caso (DQOt

    DQOt) verificamos, de acordo com a figura 28, que os valores de K calculados para o estudo 2 mostram-se superiores aos valores para o estudo 1. Observou-se que a

    diferena entre os valores de K ao longo dos diversos regimes hidrulicos no

    constante e varia de 1,52, para o regime de mistura completa, 0,45, para o regime de

    fluxo em pisto. O fato do estudo 2 apresentar valores de K superiores pode indicar

  • 136

    que a atividade biolgica no interior do TU1 maior nesse estudo. Ao calcularmos a

    eficincia mdia de remoo de DQO total do TU1 para ambos estudos, verificamos

    que o estudo 1 apresenta uma eficincia mdia de 48% e o estudo 2 uma eficincia

    mdia de 67%, e com isso podemos argir que o TU1 do estudo 2 mais eficiente na

    remoo de DQO total do que o TU1 do estudo 1, justificando assim os valores mais

    elevados de K para o estudo 2.

    Neste ponto, cabe salientar que algumas variveis podem explicar o fato do K

    ser maior no estudo 2. So elas, por exemplo, a temperatura, a carga orgnica de DQO

    e a concentrao afluente de DQO.

    No caso da temperatura, observou-se que, mesmo com a temperatura mdia do

    estudo 1 em torno de 29C, os valores de K para o estudo 2 foram maiores, apesar da

    temperatura mdia ter sido inferior nesse estudo (26C).

    Ao observar o efeito da carga orgnica de DQO, percebeu-se que ao realizar

    uma comparao entre as cargas orgnicas mdias de cada estudo, tem-se que o estudo

    1, com carga mdia de 4,93 kgDQOt/dia, apresenta valores mais elevados do que o

    estudo 2, com carga mdia de 3,22 kgDQOt/dia. Esperava-se valores mais elevados de

    carga orgnica para o estudo 2, pois o mesmo apresentou valores de K superiores ao

    estudo 1.

    E, quanto a influncia da concentrao de DQO, percebe-se que o estudo 2

    apresenta valores de DQOt afluente mais elevados do que se comparados ao estudo 1

    (DQOtestudo2 = 672 mg/l; DQOtestudo1 = 329 mg/l). Esta constatao pode vir a justificar

    os valores elevados de K no estudo 2, mesmo quando este apresenta valores de

    temperatura e de carga orgnica inferiores aos observados no estudo 1.

  • 137

    FIGURA 28 GRFICO DOS VALORES DE K PARA 1o CASO (DQOt DQOt), TU1

    0,00

    0,50

    1,00

    1,50

    2,00

    2,50

    3,00

    3,50

    4,00

    4,50

    MC

    FD (d = 0,50)

    FD (d = 0,40)

    FD (d = 0,30)

    FD (d = 0,20)

    FD (d = 0,10)

    FD (d = 0,05)

    FPC

    onst

    ante

    de

    Rem

    oo

    de

    Subs

    trato

    , K (d

    ia-1

    )

    Estudo 1

    Estudo 2

    FONTE: A autora

    5.2.1.2.2 Discusso comparativa para configurao TU2, estudo 1 e 2,

    respectivamente entre as famlias de simulaes 33 40 e 57 64

    Avaliando o TU2 para o primeiro caso (DQOt DQOt) dos estudos 1 e 2, conforme figura 29, verifica-se que os valores de K para o estudo 2 so menores do

    que no estudo 1. Pode-se observar entre os estudos que a diferena entre a constante K

    constante ao longo dos diversos modelos (~ 0,22). Analisando cada estudo

    separadamente, percebe-se que a diferena entre os valores de K bem reduzida.

    Ao observarmos a diferena dos valores de K para ambos estudos, tanto no

    primeiro tanque como no segundo, verificamos que no primeiro tanque, o estudo 2

    apresenta valores de K mais elevados, e que no segundo tanque o estudo 1 apresenta

  • 138

    valores de K mais elevados. J para o segundo tanque, verificou-se que esta condio

    se inverteu, pois o estudo 1 apresentou valores de K mais elevados do que o estudo 2.

    Sabe-se que a remoo de matria orgnica no primeiro tanque do estudo 2 maior e

    os valores de K calculados tambm so. Logo, sobra menos matria orgnica para o

    segundo tanque, onde os valores de K so menores.

    Percebe-se tambm que a diferena entre os valores de K no TU1 (de 0,45

    1,52), para os diversos regimes hidrulicos, significativamente maior do que a

    mesma diferena para a configurao TU2 (~ 0,22). Estas variaes dos valores de K

    podem justificar os valores de eficincia mais elevados no estudo 2 para o TU1

    (Eestudo1 = 48,1%; Eestudo2 = 67,4%), e valores praticamente iguais em ambos estudos no

    TU2 (Eestudo1 = 6,3%; Eestudo2 = 6,6%).

    FIGURA 29 GRFICO DOS VALORES DE K PARA 1o CASO (DQOt DQOt), TU2

    0,00

    0,10

    0,20

    0,30

    0,40

    0,50

    0,60

    0,70

    0,80

    0,90

    1,00M

    C

    FD (d = 0,50)

    FD (d = 0,40)

    FD (d = 0,30)

    FD (d = 0,20)

    FD (d = 0,10)

    FD (d = 0,05)

    FPC

    onst

    ante

    de

    Rem

    oo

    de

    Subs

    trato

    , K (d

    ia-1

    )

    Estudo 1

    Estudo 2

    FONTE: A autora

  • 139

    5.2.1.2.3 Discusso comparativa para configurao TS, estudo 1 e 2, respectivamente

    entre as famlias de simulaes 65 73 e 92 100

    Na comparao entre os dados obtidos nas simulaes do TS para os estudos 1 e

    2 no primeiro caso (DQOt DQOt), a figura 28 sugere uma aproximao numrica dos valores de K, principalmente no modelo hidrulico de fluxo disperso. Os valores

    numricos de K para os diferentes coeficientes de disperso (d) no regime de FD esto

    muito prximos e verifica-se inclusive um ponto em comum para os dois estudos onde

    K 1,53 d-1 e d 0,23, conforme figura 30. importante salientar que mesmo com

    temperaturas diferentes, pode-se observar este ponto em comum entre os estudos.

    FIGURA 30 GRFICO DOS VALORES DE K PARA 1o CASO (DQOt DQOt), TS

    1,00

    1,25

    1,50

    1,75

    2,00

    2,25

    2,50

    MC

    FD (d = 0,50)

    CS (n = 2,0)

    FD (d = 0,40)

    FD (d = 0,30)

    FD (d = 0,20)

    FD (d = 0,10)

    FD (d = 0,05)

    FPC

    onst

    ante

    de

    Rem

    oo

    de

    Subs

    trato

    , K (d

    ia-1

    )

    Estudo 1

    Estudo 2

    FONTE: A autora

    Pela figura 30 percebe-se que tanto no estudo 1 como no estudo 2, para a

    configurao TS no primeiro caso (DQOt DQOt), o valor de K para o modelo

  • 140

    hidrulico de CS (n = 2,0) encontra-se entre os valores dos modelos de MC e FP. Este

    fato confirma que a condio de CS realmente uma transio entre os modelos

    extremos de MC e FP. Analisando ainda os valores de K para CS, percebe-se que em

    ambos estudos o mesmo situa-se entre os valores de K para o modelo de FD com

    nmero de disperso entre 0,4 e 0,5. Esta observao indica que provavelmente o

    modelo de CS pode ser utilizado na modelagem de reatores com fluxo arbitrrio.

    5.2.1.3 Discusso comparativa com dados encontrados na bibliografia

    Neste item sero discutidos os casos onde foram encontradas identidades dos

    valores de K calculados com valores de K obtidos na bibliografia. Esta avaliao est

    sendo realizada devido ao fato de que no foi encontrado um menor erro da estimativa

    entre os modelos hidrulicos para definio do modelo mais representativo.

    O valor de K encontrado na bibliografia que melhor poderia ser comparado aos

    valores obtidos nas simulaes prospectivas foi de 2,2 d-1. Este valor foi obtido

    empiricamente em reatores com culturas anaerbias. (Henze e Harremoes, 1983)

    Sero apresentados somente as configuraes de tanque, casos e estudos onde a

    identidade do valor de K bibliogrfico (2,2) foi verificada.

    5.2.1.3.1 Discusso comparativa com a bibliografia para configurao TU1, estudo 1,

    primeiro caso (DQOt DQOt), famlia de simulao 1 8

    Verificando a figura 31 percebe-se que a identidade foi encontrada para o

    modelo hidrulico de FD com nmero de disperso de 0,31. Isto sugere que num

  • 141

    tanque sptico com tempo de deteno em torno de 0,392 dias, o fluxo no interior do

    tanque se assemelha com o fluxo disperso com d igual a 0,31.

    FIGURA 31 GRFICO DOS VALORES DE K PARA 1o CASO (DQOt DQOt), TU1

    0,00

    0,50

    1,00

    1,50

    2,00

    2,50

    3,00

    3,50

    4,00

    4,50

    MC

    FD (d = 0,50)

    FD (d = 0,40)

    FD (d = 0,30)

    FD (d = 0,20)

    FD (d = 0,10)

    FD (d = 0,05)

    FPC

    onst

    ante

    de

    Rem

    oo

    de

    Subs

    trato

    , K (d

    ia-1

    )

    Estudo 1

    K = 2,2

    FONTE: A autora

    5.2.1.3.2 Discusso comparativa com a bibliografia para configurao TS, estudo 1,

    segundo caso (DQOs DQOs), famlia de simulao 74 82

    A figura 32 indica que para este caso a identidade do valor de K bibliogrfico

    foi identificada no fluxo disperso com disperso de 0,073. Isto sugere que para tanques

    spticos com duas cmaras em srie, tempo de deteno igual a 0,588 dias e matria

    orgnica suspensa afluente e efluente, que o tipo de modelo hidrulico caracterstico

    seja de fluxo disperso com disperso de 0,073.

  • 142

    FIGURA 32 GRFICO DOS VALORES DE K PARA 2o CASO (DQOs DQOs), TS

    1,00

    1,50

    2,00

    2,50

    3,00

    3,50

    4,00

    4,50

    5,00

    MC

    FD (d = 0,50)

    CS (n = 2,0)

    FD (d = 0,40)

    FD (d = 0,30)

    FD (d = 0,20)

    FD (d = 0,10)

    FD (d = 0,05)

    FPC

    onst

    ante

    de

    Rem

    oo

    de

    Subs

    trato

    , K (d

    ia-1

    )

    Estudo 1

    K = 2,2

    FONTE: A autora

    5.2.2 Avaliao da variao de K em funo do tempo de deteno

    Este item tem o intuito de avaliar o comportamento da constante de remoo de

    substrato, K, em funo do tempo de deteno. Esta anlise ser feita apenas para o

    primeiro caso (DQOt DQOt) pois foi o nico caso que apresentou dados de variao de K com o tempo de deteno.

    A figura 33 relaciona a constante K com o tempo de deteno para o tanque em

    srie (TS):

  • 143

    FIGURA 33 GRFICO DE K X TEMPO DE DETENO PARA 1 CASO (DQOt DQOt), TS

    1,00

    1,20

    1,40

    1,60

    1,80

    2,00

    2,20

    2,40

    2,60

    0,50 0,60 0,70 0,80 0,90 1,00 1,10

    Tempo de deteno (dias)

    Con

    stan

    te d

    e re

    mo

    o d

    e su

    bstra

    to, K

    (dia

    -1)

    MCFD (d = 0,50)CS (n = 2,0)FD (d = 0,40)FD (d = 0,30)FD (d = 0,20)FD (d = 0,10)FD (d = 0,05)FP

    FONTE: A autora

    Observando a figura 33 percebemos que para o regime de mistura completa

    conforme o tempo de deteno aumenta, a constante de remoo K tambm aumenta.

    Para este regime (MC) a variao da constante praticamente igual variao do

    tempo de deteno, isto para cada unidade de variao de Td, varia uma unidade de

    K. Nos outros regimes analisados, conforme a turbulncia no fluxo diminui com o

    aumento do tempo de deteno, a tendncia da constante K diminuir. Para o regime

    pistonado ocorre que quanto maior o tempo de deteno, menor ser a constante de

    remoo, ressaltando que o aumento de K para o regime de MC se mostrou mais

    significativo do que o abaixamento de K para o regime de FP. Cada regime apresentou

    variaes distintas nos valores de K com o aumento do tempo. Para os regimes de

    fluxo disperso (0,3 < d < 0,1) e clulas em srie, a variao de K com o tempo

  • 144

    praticamente nula. A variao de K comea a se mostrar significativa para FD com d

    de 0,05.

    A figura 34, por sua vez, relaciona a constante K com o tempo de deteno para

    o primeiro tanque (TU1):

    FIGURA 34 GRFICO DE K X TEMPO DE DETENO PARA 1 CASO (DQOt DQOt), TU1

    1,00

    1,50

    2,00

    2,50

    3,00

    3,50

    4,00

    4,50

    0,35 0,40 0,45 0,50 0,55

    Tempo de deteno (dias)

    Con

    stan

    te d

    e re

    mo

    o d

    e su

    bstra

    to, K

    (dia

    -1)

    MC

    FD (d = 0,50)

    FD (d = 0,40)

    FD (d = 0,30)

    FD (d = 0,20)

    FD (d = 0,10)

    FD (d = 0,05)

    FP

    FONTE: A autora

    Considerando o primeiro tanque isoladamente, temos para todos os regimes

    avaliados a observao de que conforme o tempo de deteno aumenta, a constante K

    tambm aumenta. Como ocorreu para o tanque em srie, as variaes dos valores de K

    para o regime de mistura completa se mostraram mais significativos do que se

    comparados aos outros regimes avaliados. A figura 34 mostra que as variaes nos

    valores de K para todos os fluxos se mostraram constantes.

  • 145

    A figura 34 mostra que com o aumento do tempo de deteno a velocidade de

    reao aumenta, conseqentemente aumentando a atividade biolgica no interior do

    tanque. O aumento da constante K com o tempo de deteno observado no primeiro

    tanque pode ser explicado pelo fato de que o tempo seja aproximadamente o tempo de

    crescimento bacteriano que, conforme se sabe, o perodo de tempo no qual a tanto a

    taxa de crescimento bacteriano, quanto a taxa de remoo de substrato so mximas.

    J a figura 35 relaciona a constante K com o tempo de deteno para o segundo

    tanque:

    FIGURA 35 GRFICO DE K X TEMPO DE DETENO PARA 1 CASO (DQOt DQOt), TU2

    0,10

    0,15

    0,20

    0,25

    0,30

    0,35

    0,40

    0,45

    0,15 0,20 0,25 0,30 0,35 0,40 0,45 0,50

    Tempo de deteno (dias)

    Con

    stan

    te d

    e re

    mo

    o d

    e su

    bstra

    to, K

    (dia

    -1)

    MC

    FD (d = 0,50)

    FD (d = 0,40)

    FD (d = 0,30)

    FD (d = 0,20)

    FD (d = 0,10)

    FD (d = 0,05)

    FP

    FONTE: A autora

    Portanto, no caso do segundo tanque (TU2) temos que para todos os regimes

    analisados observou-se que conforme o tempo de deteno aumenta, o valor de K

    diminui. A figura 35 mostra que as diferenas de K com o aumento do tempo so

  • 146

    praticamente constantes para todos os modelos hidrulicos. Sabe-se que significativa

    a influncia da decantao no segundo tanque e que, pela figura 33, percebe-se que o

    aumento do tempo de deteno no ocasiona um aumento na velocidade de reao (K).

    Este fato pode indicar que para tanques com duas cmaras em srie, o aumento do

    tempo de deteno da segunda cmara no vai aumentar a atividade biolgica no

    interior do tanque.

    Observa-se tambm que a figura 33 indica provavelmente que a faixa de tempo

    de deteno em questo seja aproximadamente congruente quela referente fase de

    decrscimo exponencial do crescimento bacteriano, onde a concentrao de substrato

    tende a ficar escassa.

    5.3 DEFINIO DO MODELO

    Na busca do modelo matemtico mais representativo por meio do menor erro da

    estimativa (EE), observou-se nos grficos (ver apndice 1) resultantes das simulaes

    prospectivas, que o menor erro era o mesmo em todos os regimes analisados para

    diferentes valores de K. Acredita-se que tal fato mostra que as equaes dos regimes

    hidrulicos guardam entre si uma relao constante, a qual reflete-se nos resultados

    encontrados.

    Logo, procurou-se uma identidade dos valores de K calculados com valores

    encontrados na bibliografia para culturas anaerbias (K = 2,2 dia-1). Tal semelhana

    foi observada nos seguintes casos:

    a) 1o caso (DQOt DQOt) do estudo 1 (TU1) para o regime hidrulico de fluxo disperso com d de 0,31 (famlia 1 - 8).

  • 147

    b) 2o caso (DQOs DQOs) do estudo 1 (TS) para o regime hidrulico de fluxo disperso com d de 0,073 (famlia 74 - 82).

    Como o modelo de fluxo disperso apresenta respostas que melhor se aderem as

    faixas encontradas na bibliografia, sugere-se que o regime hidrulico em tanques

    spticos seja fluxo disperso.

    Outra semelhana observada diz respeito ao primeiro caso (DQOt DQOt) analisado, onde para a configurao de TS foi observado uma aproximao numrica

    dos valores de K entre os estudos 1 e 2 (famlias 65 - 73 e 92 - 100). Com isso

    podemos definir ento que, para um tempo de deteno variando de aproximadamente

    0,6 1,00 dia, temos num tanque sptico com duas cmaras em srie e regime de fluxo

    disperso com K de 1,53 dia-1 e d de 0,23. Podemos ento sugerir novamente que o

    modelo hidrulico que melhor representa o comportamento de tanques spticos o de

    fluxo disperso.

    Assim, no prximo item sero realizadas simulaes demonstrativas da

    aplicabilidade de tanques spticos de acordo com o definido neste item. Isto , as

    simulaes demonstrativas obedecero ao regime de fluxo disperso para os trs

    modelos definidos na tabela 52. Estes modelos foram definidos neste item e resumidos

    na tabela 52.

    TABELA 52 MODELOS DEFINIDOS NAS SIMULAES PROSPECTIVAS Caractersticas de aplicabilidade

    Configurao Natureza do Parmetro Tempo de deteno (dias) K (dia-1) d MODELO I Tanque nico DQOt DQOt 0,392 2,2 0,31 MODELO II Tanque em srie DQOs DQOs 0,588 2,2 0,073 MODELO III Tanque em srie DQOt DQOt 0,588 0,952 1,53 0,23

    FONTE: A autora

  • 148

    6 SIMULAES DEMONSTRATIVAS DA APLICABILIDADE

    Este item procura, por meio de um cenrio preestabelecido simular

    matematicamente a aplicabilidade do regime hidrulico mais representativo no

    dimensionamento de tanques spticos, principalmente no que diz respeito remoo

    de matria orgnica. Foram realizadas tambm comparaes com o dimensionamento

    proposto pelas normas brasileira, americana, inglesa e australiana de tanque sptico. O

    critrio de cada umas dessas normas foi descrito no item 3.5.

    6.1 RESULTADOS E DISCUSSES DAS SIMULAES DEMONSTRATIVAS

    DA APLICABILIDADE DE TANQUES SPTICOS

    Este item tem o intuito de mostrar a aplicabilidade do que foi definido no item

    5.3. Na tabela 52 temos um resumo dos trs modelos definidos nas simulaes

    prospectivas realizadas.

    Dentro desses trs modelos definidos sero dimensionados sistemas de tanques

    spticos para um dado cenrio e comparados com os equacionamentos expostos no

    item 3.5. Sero utilizadas as seguintes normas e critrios: Norma Brasileira 7229/93,

    ANDRADE NETO et al. (1999), Norma Americana (ICC EUA), Norma Inglesa

    (WRC UK) e Norma Australiana (WCS AU). Observar que o critrio proposto por

    ANDRADE NETO et al. (1999) difere da Norma Brasileira apenas pelo valor de 1000

    litros. Para efeito de comparao, sero calculados para cada modelo e norma o

    volume til do tanque sptico no intuito de comparar qual a forma de

  • 149

    dimensionamento que apresenta o menor volume til. O clculo do volume pelas

    normas existentes foi efetuado segundo o dimensionamento apresentado na reviso

    bibliogrfica.

    O clculo do volume do tanque de acordo com o modelo proposto neste

    trabalho obedece o seguinte:

    Primeiramente temos, para uma dada vazo (Q) e tempo de deteno (Td), um

    volume (V1 = Q * Td) que corresponde somente ao tempo que foi definido pelo

    modelo, ou seja, parte respectiva ao crescimento suspenso. Somado a este, temos um

    volume (V2) que corresponde ao volume de acmulo do lodo, o qual em funo do

    intervalo de limpeza do tanque. Logo, teremos que o volume (VT) para o modelo

    proposto ser a soma de V1 (vazo pelo tempo de deteno especifico para cada

    modelo) com V2 (referente ao acmulo do lodo para o intervalo de tempo definido). O

    volume para acmulo e digesto do lodo foi calculado por meio da expresso:

    V2 = N * KNBR * Lf (91)

    Onde V2 o volume para acmulo do lodo

    N o nmero de contribuintes

    KNBR a taxa de acumulao de lodo em dias

    Lf contribuio de lodo fresco em litros/pessoa * dia

    Os parmetros K e Lf foram retirados da NBR 7229/93 (tabelas 21 e 23), que

    considera que o intervalo de limpeza ser de um ano.

    Os cenrios propostos so, primeiramente, uma residncia de 5 pessoas, depois

    uma comunidade com 50 pessoas e enfim uma comunidade com 500 pessoas. Para o

    clculo da vazo consideraremos que esta comunidade apresenta contribuio de

    esgoto de 100 l/pessoa * dia.

    Para o modelo I, os resultados constam na tabela 53.

  • 150

    TABELA 53 SIMULAO DEMONSTRATIVA PARA MODELO I

    N Q

    (m/ dia)

    Td (dias)

    V1, m (lquido)

    V2, m

    (lodo)

    VT, m (modelo I total)

    E (%) do FD

    V, m (NBR

    7229/93)

    Td (dias) NBR

    7229/93

    V, m (ANDRADE NETO et al.)

    V, m (ICC - EUA)

    V, m (WRC - UK)

    V, m (WCS - AU)

    5 0,5 0,392 0,20 0,285 0,481 52,3 1,79 1,00 0,79 3,31 2,90 3,0 50 5,0 0,392 1,96 2,85 4,81 52,3 7,60 0,75 6,60 - 11,00 25,0

    500 50,0 0,392 19,60 28,5 48,10 52,3 54,50 0,50 53,50 - 92,00 250,0 FONTE: A autora NOTAS: N = nmero de pessoas; Q = vazo; Td = tempo de deteno; VT = V1 + V2; V1 = volume da parte lquida, correspondente a remoo de matria orgnica por crescimento suspenso da biomassa, para o fluxo disperso; V2 = volume de lodo conforme equao 91.

    A eficincia calculada na tabela 53 refere-se ao modelo de fluxo disperso

    considerando um efluente com DQO mdia de 500 mg/l. Para o clculo do volume

    atravs da NBR 7229/93 foram utilizados os dados e tabelas do item 3.5.1 e

    considerou-se um intervalo de limpeza de 1 ano e temperatura superior 20 oC.

    Ressalta-se que o tempo de deteno utilizado no clculo do volume pela NBR

    7229/93 corresponde ao tempo definido pela norma para diferentes contribuies

    dirias, conforme apresentado na tabela 22. A temperatura considerada no clculo pela

    NBR foi considerada superior 20C pois o modelo obtido atravs das simulaes

    corresponde estudos realizados em locais de clima quente com temperatura elevada.

    O mesmo se aplica ao dimensionamento pelo critrio ANDRADE NETO et al. (1999),

    conforme revisado no item 3.5.2. Para o clculo do volume do tanque segundo o ICC,

    considerou-se a moradia com uma famlia morando e 2 pessoas por quarto. Como a

    tabela apresenta dados apenas para uma casa com 8 quartos, foram desconsiderados os

    tanques para 50 e 500 pessoas.

    Observando a tabela 53 e a figura 34, fica claro que o dimensionamento

    considerando o regime hidrulico de fluxo disperso se mostra mais econmico se

    comparado aos outros critrios de dimensionamento. Observa-se que os critrios que

    mais se aproximam, em termos de valores numricos, do critrio proposto neste

  • 151

    trabalho, so a Norma Brasileira e ANDRADE NETO et al. Pela figura 36, verifica-se

    que conforme a vazo aumenta, o volume dimensionado para o tanque sptico, pelos

    critrios, aumenta. Entretanto o volume proposto pelo modelo I mostra-se mais

    reduzido em todos os cenrios calculados.

    FIGURA 36 RELAO DO VOLUME X VAZO PARA O MODELO I

    0,00

    10,00

    20,00

    30,00

    40,00

    50,00

    60,00

    0,00 10,00 20,00 30,00 40,00 50,00

    Vazo (m/dia)

    Vol

    ume

    (m)

    MODELO I

    NBR 7229/93

    ANDRADE NETO

    FONTE: A autora

    Ao comparar as eficincias, do modelo I (52,3%) com a eficincia esperada

    pela NBR (mximo de 55%), o volume do tanque calculado pelo modelo I menor em

    todos os cenrios, para uma mesma eficincia.

    Para o modelo II, tem-se os seguintes resultados, conforme tabela 54.

  • 152

    TABELA 54 SIMULAO DEMONSTRATIVA PARA MODELO II

    N Q

    (m/ dia)

    Td (dias)

    V1, m (lquido)

    V2, m (lodo)

    VT, m (modelo II total)

    E (%) do FD

    V, m (NBR

    7229/93)

    Td (dias) NBR

    7229/93

    V, m (ANDRADE NETO et al.)

    V, m (ICC - EUA)

    V, m (WRC - UK)

    V, m (WCS - AU)

    5 0,5 0,588 0,29 0,285 0,579 69,8 1,79 1,00 0,79 3,31 2,90 3,0 50 5,0 0,588 2,94 2,85 5,79 69,8 7,60 0,75 6,60 - 11,00 25,0

    500 50,0 0,588 29,40 28,5 57,90 69,8 54,50 0,50 53,50 - 92,00 250,0FONTE: A autora NOTAS: N = nmero de pessoas; Q = vazo; Td = tempo de deteno; VT = V1 + V2; V1 = volume da parte lquida, correspondente a remoo de matria orgnica por crescimento suspenso da biomassa, para o fluxo disperso; V2 = volume de lodo conforme equao 91.

    Na tabela 54 o clculo da eficincia para o regime de FD considerou um

    afluente com 350 mg/l de DQO suspensa. Nota-se na tabela que para os

    dimensionamentos que apenas levam em considerao o nmero de pessoas, o

    aumento no tempo de deteno no influencia o tamanho do tanque.

    Como observado na primeira situao, o volume calculado pelo modelo

    proposto neste trabalho se mostrou inferior, para os cenrios com 5 e 50 pessoas, se

    comparado aos outros dimensionamentos propostos.

    A eficincia calculada aproxima-se de 70% e esta porcentagem diz respeito

    apenas a parcela suspensa da matria orgnica, ou seja, se considerarmos a remoo da

    parcela solvel somada suspensa, teremos uma eficincia acima de 70%, que de

    acordo com a literatura existente, alta considerando o padro de remoo de matria

    orgnica em tanques spticos (ver tabela 4).

    Ressalta-se que para o cenrio com 500 contribuintes o volume total

    dimensionado pelo modelo II mostrou-se maior do que se comparado ao volume

    dimensionado pela NBR 7229/93 e por ANDRADE NETO et al. Este fato pode ser

    melhor observado na figura 37.

  • 153

    FIGURA 37 RELAO DO VOLUME X VAZO PARA O MODELO II

    0,00

    10,00

    20,00

    30,00

    40,00

    50,00

    60,00

    0,00 10,00 20,00 30,00 40,00 50,00

    Vazo (m/dia)

    Vol

    ume

    (m) MODELO II

    NBR 7229/93

    ANDRADE NETO

    FONTE: A autora

    Pela figura 37, verifica-se que a partir de aproximadamente 12 m/dia, o critrio

    ANDRADE NETO et al. torna-se mais vantajoso, apresentando o volume til mais

    reduzido, se comparado aos outros apresentados.

    Para a aplicao do modelo III, observa-se os seguintes resultados, conforme

    tabela 55:

  • 154

    TABELA 55 SIMULAO DEMONSTRATIVA PARA MODELO III PARA 5 PESSOAS

    N Q

    (m/ dia)

    Td (dias)

    V1, m (lquido)

    V2, m (lodo)

    VT, m (modelo

    III total)

    E (%) do FD

    V, m (NBR

    7229/93)

    Td (dias) NBR

    7229/93

    V, m (ANDRADE NETO et al.)

    V, m (ICC - EUA)

    V, m (WRC -

    UK)

    V, m (WCS - AU)

    5 0,5 0,6 0,30 0,285 0,585 55,2 1,79 1,00 0,79 3,11 2,90 3,0 5 0,5 0,7 0,35 0,285 0,635 60,1 1,79 1,00 0,79 3,11 2,90 3,0 5 0,5 0,8 0,40 0,285 0,685 64,3 1,79 1,00 0,79 3,11 2,90 3,0 5 0,5 0,9 0,45 0,285 0,735 68,0 1,79 1,00 0,79 3,11 2,90 3,0 5 0,5 1,0 0,50 0,285 0,785 71,3 1,79 1,00 0,79 3,11 2,90 3,0

    FONTE: A autora NOTAS: N = nmero de pessoas; Q = vazo; Td = tempo de deteno; VT = V1 + V2; V1 = volume da parte lquida, correspondente a remoo de matria orgnica por crescimento suspenso da biomassa, para o fluxo disperso; V2 = volume de lodo conforme equao 91.

    Pela tabela 55 observa-se que conforme o tempo de deteno aumenta, a

    eficincia de remoo de DQO para o modelo proposto tambm aumenta. Para o

    tempo de deteno de 24 horas, a eficincia se mostra superior quela esperada pela

    bibliografia existente (ver tabela 4). Como nas duas situaes anteriormente simuladas,

    o volume de acordo com o dimensionamento proposto se mostrou bastante reduzido se

    comparado aos volumes calculados pelas outras normas. Nota-se que para a ltima

    condio, onde o tempo de deteno de 1,00 dia, o volume calculado pelo modelo III

    mostra-se congruente ao volume calculado pelo critrio ANDRADE NETO et al.

    Observar figura 38.

  • 155

    FIGURA 38 RELAO DO VOLUME X TEMPO PARA 5 PESSOAS NO MODELO III

    0,40

    0,65

    0,90

    1,15

    1,40

    1,65

    1,90

    0,50 0,60 0,70 0,80 0,90 1,00 1,10

    Tempo de deteno (dias)

    Vol

    ume

    (m)

    MODELO III

    NBR

    ANDRADE NETO

    FONTE: A autora

    J para o cenrio de 50 pessoas, temos a seguinte aplicao do modelo III,

    conforme tabela 56.

    TABELA 56 SIMULAO DEMONSTRATIVA PARA MODELO III PARA 50 PESSOAS

    N Q

    (m/ dia)

    Td (dias)

    V1, m (lquido)

    V2, m (lodo)

    VT, m (modelo

    III total)

    E (%) do FD

    V, m (NBR

    7229/93)

    Td (dias) NBR

    7229/93

    V, m (ANDRADE NETO et al.)

    V, m (WRC -

    UK)

    V, m (WCS - AU)

    50 5,0 0,6 3,0 2,85 5,85 55,2 7,60 0,75 6,60 11,00 25,0 50 5,0 0,7 3,5 2,85 6,35 60,1 7,60 0,75 6,60 11,00 25,0 50 5,0 0,8 4,0 2,85 6,85 64,3 7,60 0,75 6,60 11,00 25,0 50 5,0 0,9 4,5 2,85 7,35 68,0 7,60 0,75 6,60 11,00 25,0 50 5,0 1,0 5,0 2,85 7,85 71,3 7,60 0,75 6,60 11,00 25,0

    FONTE: A autora NOTAS: N = nmero de pessoas; Q = vazo; Td = tempo de deteno; VT = V1 + V2; V1 = volume da parte lquida, correspondente a remoo de matria orgnica por crescimento suspenso da biomassa, para o fluxo disperso; V2 = volume de lodo conforme equao 91.

    Nota-se na tabela 56 que para tempos de deteno acima de 0,75 dias, o modelo

    III se mostrou maior do que o proposto por ANDRADE NETO et al. Para tempos

  • 156

    acima de 0,83 dias, o mesmo mostrou-se maior do que o calculado pela norma

    brasileira, observar figura 39. Percebe-se que a diferena de volume no muito

    significativa, no entanto, para tempos de deteno mais elevados, o modelo apresenta

    eficincias na remoo de matria orgnica maiores do que as esperadas pela norma

    brasileira, conforme tabela 56.

    FIGURA 39 RELAO DO VOLUME X TEMPO PARA 50 PESSOAS NO MODELO III

    4,00

    4,50

    5,00

    5,50

    6,00

    6,50

    7,00

    7,50

    8,00

    0,50 0,60 0,70 0,80 0,90 1,00 1,10

    Tempo de deteno (dias)

    Vol

    ume

    (m)

    MODELO III

    NBR 7229/93

    ANDRADE NETO

    FONTE: A autora

    Enfim, para o cenrio de 500 pessoas, a simulao demonstrativa pode ser

    observada na tabela 57.

  • 157

    TABELA 57 SIMULAO DEMONSTRATIVA PARA MODELO III PARA 500 PESSOAS

    N Q

    (m/ dia)

    Td (dias)

    V1, m (lquido)

    V2, m (lodo)

    VT, m (modelo

    III total)

    E (%) do FD

    V, m (NBR

    7229/93)

    Td (dias) NBR

    7229/93

    V, m (ANDRADE NETO et al.)

    V, m (WRC -

    UK)

    500 50,0 0,6 30,0 28,5 58,5 55,2 54,60 0,50 53,60 92,00 500 50,0 0,7 35,0 28,5 63,5 60,1 54,60 0,50 53,60 92,00 500 50,0 0,8 40,0 28,5 68,5 64,3 54,60 0,50 53,60 92,00 500 50,0 0,9 45,0 28,5 73,5 68,0 54,60 0,50 53,60 92,00 500 50,0 1,0 50,0 28,5 78,5 71,3 54,60 0,50 53,60 92,00 FONTE: A autora NOTAS: N = nmero de pessoas; Q = vazo; Td = tempo de deteno; VT = V1 + V2;

    Observa-se que ao aumentar o nmero de contribuintes para 500 pessoas,

    conseqentemente aumentando a vazo, temos que o volume calculado pelo modelo

    III, mostra-se superior quele calculado pela norma brasileira e pelo critrio

    ANDRADE NETO et al. Observar este fato na figura 40.

  • 158

    FIGURA 40 RELAO DO VOLUME X TEMPO PARA 500 PESSOAS NO MODELO III

    50,00

    55,00

    60,00

    65,00

    70,00

    75,00

    80,00

    0,50 0,60 0,70 0,80 0,90 1,00 1,10

    Tempo de deteno (dias)

    Vol

    ume

    (m)

    MODELO III

    NBR

    ANDRADE NETO

    FONTE: A autora

    Observa-se ainda que conforme o tempo de deteno aumenta, a diferena entre

    os volumes se torna maior.

    6.2 VARIAO DO VOLUME EM FUNO DA EFICINCIA (%)

    Das situaes definidas no item 5.3, apenas a terceira delas possibilita

    relacionar o volume calculado, pelo modelo definido, com a variao do tempo de

    deteno. Para esta condio o tempo de deteno varia de aproximadamente 0,6 1,0

    dia. Para o clculo da eficincia considerou-se:

    DQO afluente = 500 mg/l K = 1,53 dia-1 d = 0,23

  • 159

    Q = 0,5, 5,0 e 50,0 m/dia Td = 0,6 1,0 dia Estes resultados j foram apresentados previamente nas tabelas 55, 56 e 57 e as

    figuras 41, 42 e 43 exemplificam melhor a relao Volume X Eficincia.

    FIGURA 41 RELAO DO VOLUME X EFICINCIA (%) PARA 5 PESSOAS

    50,0

    55,0

    60,0

    65,0

    70,0

    75,0

    0,50 0,55 0,60 0,65 0,70 0,75 0,80 0,85 0,90

    Volume (m)

    Efic

    inc

    ia n

    a re

    mo

    o d

    e D

    QO

    (%)

    FONTE: A autora

  • 160

    FIGURA 42 RELAO DO VOLUME X EFICINCIA (%) PARA 50 PESSOAS

    50,0

    55,0

    60,0

    65,0

    70,0

    75,0

    5,0 5,5 6,0 6,5 7,0 7,5 8,0 8,5 9,0

    Volume (m)

    Efic

    inc

    ia n

    a re

    mo

    o d

    e D

    QO

    (%)

    FONTE: A autora

  • 161

    FIGURA 43 RELAO DO VOLUME X EFICINCIA (%) PARA 500 PESSOAS

    50,0

    55,0

    60,0

    65,0

    70,0

    75,0

    50,0 55,0 60,0 65,0 70,0 75,0 80,0 85,0 90,0

    Volume (m)

    Efic

    inc

    ia n

    a re

    mo

    o d

    e D

    QO

    (%)

    FONTE: A autora

    Pelos grficos das figuras 36, 37 e 38 observamos que o volume do tanque

    influencia a eficincia calculada pelo modelo, conforme esperado. Observamos que

    um aumento de aproximadamente 10 horas (de 0,6 para 1,0 dia) proporciona um

    aumento de aproximadamente 16% na eficincia (de 55,2 para 71,3%). Ao

    extrapolarmos o tempo de deteno para 5 e 10 dias teremos os seguintes acrscimos

    de eficincia e volume:

  • 162

    TABELA 58 RESULTADOS PARA TEMPOS DE DETENO MAIS ELEVADOS N (nmeros de pessoas)

    Tempo de deteno (dias)

    Vazo (m/dia)

    V (modelo de FD)

    E (%) do FD

    5 5 0,5 2,785 98,57 5 10 0,5 5,285 99,88

    50 5 5,0 27,85 98,57 50 10 5,0 52,85 99,88

    500 5 50,0 278,50 98,57 500 10 50,0 528,50 99,88

    FONTE: A autora

    Com relao a influncia do tempo de deteno na eficincia, idealmente pode-

    se perceber que as eficincias calculadas para tempos de deteno maiores

    apresentam-se muito satisfatrias. Diz-se idealmente, pois, em realidade, tal grau de

    crescimento de eficincia com o aumento do tempo de deteno no esperado na

    prtica uma vez que outros fenmenos influenciam no desempenho do tanque sptico.

    O que seria interessante observar em estudos futuros a real contribuio do aumento

    do tempo de deteno na eficincia de reatores como o tanque sptico.

  • 163

    7 CONCLUSO

    No que diz respeito ao comportamento da constante de remoo de susbtrato

    nos tanques spticos, foi observado, por meio de simulaes prospectivas, que a

    constante K diminui conforme a turbulncia do escoamento no interior do reator

    diminui, para todas as situaes analisadas. Ou seja, os valores de K variam de um

    valor mximo, para o regime de mistura completa, um valor mnimo, para o regime

    de fluxo em pisto. Ressaltando que os valores de K intermedirios concernem aos

    regimes de fluxo disperso e clulas em srie.

    Observou-se neste trabalho que as famlias de simulaes que apresentaram

    valores elevados de K, indicaram que o principal fenmeno de remoo da matria

    orgnica, para aquela famlia de simulao especfica, era a atividade biolgica. Este

    fato foi observado para as famlias 1 - 8, 9 - 16, 17 - 24, 25 - 32, 65 - 73, 74 - 82, 83 -

    91 e 92 - 100, nas configuraes TU1 e TS. J para a configurao de TU2 e para as

    famlias 33 - 40, 41 - 48, 49 - 56 e 57 - 64, percebeu-se valores mais reduzidos de K,

    indicando que o principal mecanismo de remoo de matria orgnica no a

    atividade biolgica.

    Com a anlise da variao da constante K em funo do tempo de deteno,

    percebeu-se que, para a configurao TU1, conforme o tempo aumenta, a constante

    tambm aumenta. Este aumento de K com o tempo pode ser justificado pelo fato de

    que talvez este tempo de deteno seja equivalente ao tempo de crescimento

    bacteriano. J para a configurao TU2, observou-se que conforme o tempo aumenta,

    a constante diminui. Este fato indica que, provavelmente o tempo de deteno nesta

  • 164

    fase do tratamento, seja anlogo quele de decrscimo exponencial do crescimento

    bacteriano.

    As simulaes prospectivas foram realizadas no intuito de se obter o modelo

    mais representativo dos dados reais, por meio do clculo do menor erro da estimativa.

    No entanto, o menor erro da estimativa encontrado foi o mesmo para os diversos

    regimes hidrulicos em cada famlia de simulao. Logo, procurou-se uma identidade

    dos valores de K calculados com valores obtidos na bibliografia. Esta semelhana foi

    observada em duas situaes, nas famlias 1 - 8 e 74 - 82, e pode indicar que o modelo

    de fluxo disperso melhor representa os dados reais. Assim, podemos sugerir que o

    regime hidrulico em tanques spticos seja de fluxo disperso, conforme esperado.

    Percebeu-se ainda que nas famlias 65 - 73 e 92 - 100, ocorreu uma

    aproximao numrica nos valores de K calculados, existindo at um ponto em

    comum. Este ponto em comum pode sugerir outra vez que o regime hidrulico em

    tanques spticos seja fluxo disperso.

    Definido os modelos mais representativos, foram realizadas simulaes

    demonstrativas da aplicabilidade de tanques spticos. Esta aplicabilidade foi avaliada

    por meio da comparao com normas tradicionais de dimensionamento, onde se

    calculou o volume til do tanque para trs cenrios preestabelecidos (5, 50 e 500

    pessoas).

    No primeiro modelo (I), com base nas famlias 1 - 8, observou-se que, o clculo

    levando em considerao o modelo de fluxo disperso se mostrou mais vantajoso pois,

    em todos os cenrios, o mesmo apresentou volumes teis mais baixos se comparados

    aos outros critrios e normas de dimensionamento.

    Na aplicao do segundo modelo (II), com base nas famlias 74 - 82, percebeu-

    se que at uma vazo de 12 m/dia (120 contribuintes), o volume til menor calculado

  • 165

    foi para o modelo de fluxo disperso. Porm a partir desta vazo, o modelo que

    apresentou o menor volume til, foi aquele dimensionado seguindo o critrio

    ANDRADE NETO et al.

    No terceiro modelo (III), verificou-se que para vazes menores, o clculo pelo

    modelo de fluxo disperso, apresentou menores volumes se comparados aos outros

    critrios. J para vazes maiores, esta situao tende a inverter-se. No entanto, as

    eficincias, na remoo de matria orgnica, so maiores para o modelo de fluxo

    disperso em todos os cenrios. Ou seja, tanto para volumes menores, como para

    volumes maiores, a eficincia esperada pelo modelo III maior se comparada

    eficincia esperada pela NBR 7229/93.

    Finalmente, fez-se uma avaliao da variao do volume em funo do tempo

    de deteno. Verificou-se que conforme o volume aumenta, a eficincia na remoo de

    DQO aumenta, nos trs cenrios estudados.

    Sugere-se com os resultados deste trabalho, uma reviso dos critrios tradicionais

    do dimensionamento de tanques spticos, no sentido de se procurar dimenses timas

    e melhores eficincias na remoo de matria orgnica.

  • 166

    7.1 RECOMENDAES AOS ESTUDOS FUTUROS

    Baseado nas concluses obtidas, recomenda-se:

    a) avanar no estudo de tanques spticos e contribuir para solues otimizadas

    do sistema;

    b) construo de um modelo em escala de laboratrio, para definir constantes

    cinticas;

    c) utilizao de traadores para determinaes experimental do nmero de

    disperso;

    d) aprimorar as relaes de forma, ampliando os mnimos e mximos

    recomendados pela atual norma brasileira (NBR 7229/93);

    e) estudar a remoo de organismos patognicos.

  • 167

    8 REFERNCIAS BIBLIOGRFICAS

    ABNT. Projeto, construo e operao de tanques spticos. NBR: 7229, Rio de Janeiro, p.15. 1993 AISSE, M. M. Sistemas econmicos de tratamento de esgotos sanitrios. 1 ed. Rio de Janeiro: ABES, 2000. ALM SOBRINHO, P.; SAID, M. A. Decanto-Digestor/Filtro Anaerbio Experincia de campo Proposies para alterao do mtodo de dimensionamento do filtro anaerbio proposto pela NBR-7229-ABNT. In: Anais do 16o Congresso Brasileiro de Engenharia Sanitria e Ambiental. v. 2, Tomo I, p.202-224, ALL SEPTIC SYSTEM INFORMATION WEBSITE. Septic Tank Capacity vs Usage. Disponvel em: Acesso em: 15 jan. 2004. ANDRADE NETO, C. O.; SOUZA NETO, H. N.; LUCAS FILHO, M. Anlise do desempenho das duas cmaras de um decanto-digestor de cmaras em srie. In: CONGRESSO BRASILEIRO DE ENGENHARIA SANITRIA E AMBIENTAL, 18., 1997, Joo Pessoa. Anais do 18 Congresso Brasileiro de Engenharia Sanitria e Ambiental. Joo Pessoa: ABES, 1997. ANDRADE NETO, C. O. Sistemas para tratamento de esgotos domsticos sanitrios: experincia brasileira. 1. ed. Rio de Janeiro: ABES, 1997. ANDRADE NETO, C. O.; GUIMARES, P.; PEREIRA, M. G.; SOUZA MELO, H. N. Decanto-Digestor seguido de filtros anaerbios de fluxo ascendente e descendente afogados. In: CONGRESSO BRASILEIRO DE ENGENHARIA SANITRIA E AMBIENTAL, 20., 1999, Rio de Janeiro. Anais do 20 Congresso Brasileiro de Engenharia Sanitria e Ambiental. Rio de Janeiro: ABES, 1999. ANDRADE NETO, C. O.; ALM SOBRINHO, P.; SOUZA MELO, H. N.; AISSE, M. M. Decanto-digestores. In: CAMPOS, J. R. (Coord.). Tratamento de esgoto

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  • 174

    APNDICE 1 - FIGURAS 44 56

  • 175

    FIGURA 44 GRFICO DO EE X K, PARA 1O CASO (DQOt DQOt), TU1, ESTUDO 1 (Famlia 1 - 8)

    55,00

    60,00

    65,00

    70,00

    75,00

    80,00

    1,00 1,50 2,00 2,50 3,00 3,50 4,00Valores de K (dia-1)

    E

    E

    (

    E

    r

    r

    o

    p

    a

    d

    r

    o

    d

    a

    E

    s

    t

    i

    m

    a

    t

    i

    v

    a

    )

    FP

    FD (d = 0,05)

    FD (d = 0,10)

    FD (d = 0,20)

    FD (d = 0,30)

    FD (d = 0,40)

    FD (d = 0,50)

    MC

    EE = 62,7352

    1 8765432

    Fonte: A autora

  • 176

    FIGURA 45 GRFICO DO EE X K, PARA 2O CASO (DQOs DQOs), TU1, ESTUDO 1 (Famlia 9 - 16)

    30,00

    35,00

    40,00

    45,00

    50,00

    55,00

    1,00 2,00 3,00 4,00 5,00 6,00 7,00 8,00 9,00

    Valores de K (dia-1)

    E

    E

    (

    E

    r

    r

    o

    p

    a

    d

    r

    o

    d

    a

    E

    s

    t

    i

    m

    a

    t

    i

    v

    a

    )

    FP

    FD (d = 0,05)

    FD (d = 0,10)

    FD (d = 0,20)

    FD (d = 0,30)

    FD (d = 0,40)

    FD (d = 0,50)

    MC

    EE = 34,3062

    9 16151413121110

    Fonte: A autora

  • 177

    FIGURA 46 GRFICO DO EE X K, PARA 3O CASO (DQOf DQOf), TU1, ESTUDO 1 (Famlia 17 - 24)

    45,00

    50,00

    55,00

    60,00

    65,00

    0,50 1,00 1,50 2,00 2,50 3,00 3,50 4,00

    Valores de K (dia-1)

    E

    E

    (

    E

    r

    r

    o

    p

    a

    d

    r

    o

    d

    a

    E

    s

    t

    i

    m

    a

    t

    i

    v

    a

    )

    FPFD (d = 0,05)FD (d = 0,10)FD (d = 0,20)FD (d = 0,30)FD (d = 0,40)FD (d = 0,50)MCEE = 49,2134

    17

    24232221201918

    Fonte: A autora

  • 178

    FIGURA 47 GRFICO DO EE X K, PARA 1O C ASO (DQOt DQOt), TU1, ESTUDO 2 (Famlia 25 - 32)

    15,0

    22,5

    30,0

    37,5

    2,00 2,50 3,00 3,50 4,00 4,50 5,00 5,50

    Valores de K (dia-1)

    E

    E

    (

    E

    r

    r

    o

    p

    a

    d

    r

    o

    d

    a

    E

    s

    t

    i

    m

    a

    t

    i

    v

    a

    ) FPFD (d = 0,05)FD (d = 0,10)FD (d = 0,20)FD (d = 0,30)FD (d = 0,40)FD (d=0,50)MCEE = 19,2676

    25313029282726 32

    Fonte: A autora

  • 179

    FIGURA 48 GRFICO DO EE X K, PARA 1O CASO (DQOt DQOt), TU2, ESTUDO 1 (Famlia 33 - 40)

    10,00

    15,00

    20,00

    25,00

    30,00

    35,00

    40,00

    45,00

    50,00

    0,00 0,20 0,40 0,60 0,80 1,00 1,20 1,40 1,60 1,80 2,00Valores de K (dia-1)

    E

    E

    (

    E

    r

    r

    o

    P

    a

    d

    r

    o

    d

    a

    E

    s

    t

    i

    m

    a

    t

    i

    v

    a

    )

    MC - 33FP - 34FD (d = 0,05) - 35FD (d = 0,10) - 36FD (d = 0,20) - 37FD (d = 0,30) - 38FD (d = 0,40) - 39FD (d = 0,50) - 40EE = 22,3417

    Fonte: A autora

  • 180

    FIGURA 49 GRFICO DO EE X K, PARA 2O CASO (DQOs DQOs), TU2, ESTUDO 1 (Famlia 41 - 48)

    20,00

    23,50

    27,00

    30,50

    34,00

    0,00 0,50 1,00 1,50 2,00 2,50 3,00 3,50 4,00Valores de K (dia-1)

    E

    E

    (

    E

    r

    r

    o

    P

    a

    d

    r

    o

    d

    a

    E

    s

    t

    i

    m

    a

    t

    i

    v

    a

    )

    FPFD (d = 0,05)FD (d = 0,10)FD (d = 0,20)FD (d = 0,30)FD (d = 0,40)FD (d = 0,50)MCEE = 23,2017

    41

    42434445

    48

    4647

    FONTE: A autora

  • 181

    FIGURA 50 GRFICO DO EE X K, PARA 3O CASO (DQOf DQOf), TU2, ESTUDO 1 (Famlia 49 - 56)

    20,00

    25,00

    30,00

    35,00

    40,00

    45,00

    0,00 0,50 1,00 1,50 2,00 2,50 3,00

    Valores de K (dia-1)

    E

    E

    (

    E

    r

    r

    o

    P

    a

    d

    r

    o

    d

    a

    E

    s

    t

    i

    m

    a

    t

    i

    v

    a

    )

    MC - 49

    FP - 50

    FD (d = 0,05) - 51

    FD (d = 0,10) - 52

    FD (d = 0,20) - 53

    FD (d = 0,30) - 54

    FD (d = 0,40) - 55

    FD (d = 0,50) - 56

    EE = 27,3431

    FONTE: A autora

  • 182

    FIGURA 51 GRFICO DO EE X K, PARA 1O CASO (DQOt DQOt), TU2, ESTUDO 1 (Famlia 57 - 64)

    15,00

    18,00

    21,00

    24,00

    27,00

    30,00

    33,00

    36,00

    0,00 0,10 0,20 0,30 0,40 0,50Valores de K (dia-1)

    E

    E

    (

    E

    r

    r

    o

    p

    a

    d

    r

    o

    d

    a

    E

    s

    t

    i

    m

    a

    t

    i

    v

    a

    ) MC - 57FP - 58FD (d = 0,05) - 59FD (d = 0,10) - 60FD (d = 0,20) - 61FD (d = 0,30) - 62FD (d = 0,40) - 63FD (d = 0,50) - 64EE = 20,3880

    FONTE: A autora

  • 183

    FIGURA 52 GRFICO DO EE X K, PARA 1O CASO (DQOt DQOt), TS, ESTUDO 1 (Famlia 65 - 73)

    40,00

    50,00

    60,00

    70,00

    80,00

    0,50 1,00 1,50 2,00 2,50 3,00 3,50 4,00Valores de K (dia-1)

    E

    E

    (

    E

    r

    r

    o

    P

    a

    d

    r

    o

    d

    a

    E

    s

    t

    i

    m

    a

    t

    i

    v

    a

    ) FPFD (d = 0,05)FD (d = 0,10)FD (d = 0,20)FD (d = 0,30)FD (d = 0,40)CS (n = 2,00)FD (d = 0,50)MCEE = 51,2674

    65

    66 7170696867 7273

    FONTE: A autora

  • 184

    FIGURA 53 GRFICO DO EE X K, PARA 2O CASO (DQOs DQOs), TS, ESTUDO 1 (Famlia 74 - 82)

    20,00

    30,00

    40,00

    50,00

    60,00

    0,50 1,50 2,50 3,50 4,50 5,50 6,50 7,50Valores de K (dia-1)

    E

    E

    (

    E

    r

    r

    o

    P

    a

    d

    r

    o

    d

    a

    E

    s

    t

    i

    m

    a

    t

    i

    v

    a

    )

    FPFD (d = 0,05)FD (d = 0,10)FD (d = 0,20)FD (d = 0,30)FD (d = 0,40)CS (n=2,00)FD (d = 0,50)MCEE = 26,0726

    74

    75 767778798081

    82

    FONTE: A autora

  • 185

    FIGURA 54 GRFICO DO EE X K, PARA 3O CASO (DQOf DQOf), TS, ESTUDO 1 (Famlia 83 - 91)

    50,00

    52,50

    55,00

    57,50

    60,00

    62,50

    65,00

    67,50

    70,00

    0,25 0,75 1,25 1,75 2,25 2,75 3,25Valores de K (dia-1)

    E

    E

    (

    E

    r

    r

    o

    P

    a

    d

    r

    o

    d

    a

    E

    s

    t

    i

    m

    a

    t

    i

    v

    a

    )

    FPFD (d = 0,05)FD (d = 0,10)FD (d = 0,20)FD (d = 0,30)FD (d = 0,40)CS (n=2,00)FD (d = 0,50)MCEE = 53,6536

    84 85 86 87 88 89 9091

    83

    FONTE: A autora

  • 186

    FIGURA 55 GRFICO DO EE X K, PARA 1O CASO (DQOt DQOt), TS, ESTUDO 2 (famlia 92 - 100)

    20,00

    22,50

    25,00

    27,50

    30,00

    32,50

    35,00

    37,50

    40,00

    1,00 1,20 1,40 1,60 1,80 2,00 2,20 2,40 2,60 2,80 3,00

    Valores de K (dia-1)

    E

    E

    (

    E

    r

    r

    o

    p

    a

    d

    r

    o

    d

    a

    E

    s

    t

    i

    m

    a

    t

    i

    v

    a

    )

    FPFD (d=0,05)FD (d=0,10)FD (d=0,20)FD (d=0,30)FD (d=0,40)FD (d=0,50)CS (n=2,0)MCEE = 24,6055

    93 94 95 96 97 98 99100 92

    FONTE: A autora

  • 187

    FIGURA 56 GR FICO DO EE X K, PARA 1O CASO (DQOt DQOt), TS, ESTUDO 3 (Famlia 101 - 108)

    185,0

    195,0

    205,0

    215,0

    225,0

    235,0

    245,0

    0,25 0,45 0,65 0,85 1,05 1,25 1,45 1,65 1,85

    Valoes de K (dia-1)

    E

    E

    (

    E

    r

    r

    o

    p

    a

    d

    r

    o

    d

    a

    E

    s

    t

    i

    m

    a

    t

    i

    v

    a

    )

    FPFD (d = 0,05)FD (d = 0,10)FD (d = 0,20)FD (d = 0,30)FD (d = 0,40)FD (d = 0,50)MCEE = 200,4679

    101102 103 104105106 107 108

    FONTE: A autora