Desenvolvimento Sustentável, Demandas Contemporâneas e

Responsabilidade Socioambiental

18 a 22 de MARÇO de 2013

Belo Horizonte, MG

Sistemas de saneamento no contexto do

Desenvolvimento Sustentável

Fatores iniciais a considerar

1- físicos e ambientais

2- tecnológicos e legais

3- sócio-culturais e econômicos

4- institucionais e de regulamentação (incluindo organizacional, competências, recursos humanos, conhecimentos e habilidades, bem como capital financeiro)

A mudança de paradigma dos sistemas de

saneamento (em direção a um saneamento mais

sustentável)

incentiva o desenvolvimento de sistemas que:

• baseiam-se nos princípios de uma economia de circuito fechado de reciclagem e os 3 Rs (reduzir, reutilizar, reciclar);

• sejam eficientes no uso de de recursos e reduzam a dependência de longo prazo em energia e custos de transporte;

• abram novas opções e oportunidades para a criação de emprego local;e

• baseiam-se no uso múltiplo do espaço urbano e na integraçãode sistemas de saneamento e reuso no desenho urbano.

Para um SISTEMA DE SANEAMENTO SUSTENTÁVEL

Considerar

Resíduos como recursos (água para

reuso, lodo para uso agrícola,

recomposição de solo, biogás como fonte

energética)

Redução do consumo de água (segregação

e reuso)

Aproveitamento energético (biogás)

Processos inovativos

vantagens dos sistemas de saneamento ecológico

No geral, os sistemas de saneamento

sustentáveis devem ser projetados para ser:

-abrangentes (considerando todos os fluxos de resíduos,

especialmente aqueles que são subprodutos de operações

de processamento, por exemplo lodo fecal ou água rica em

nutrientes).

-- orientados para o Reuso (usando fluxos de resíduos

sempre que possível e descartá-los de forma segura e

adequada se o reuso ou reciclagem não for possível).

-• Apropriados (examinando um conjunto abrangente de

opções tecnológicas para determinar soluções específicas

mais adequadas ao local).

International Water Association

(IWA, 2006) S21O S21 divide a cidade em diferentes domínios de tomada

de decisão e intervenção: da residência para o nível da

cidade. A estrutura usa cada domínio como base para a

análise de interesses e opções do sistema de

saneamento.

Estes domínios incluem casa, bairro/distrito, cidade e o

nível além da cidade

cada um dos quais pode ser caracterizado por um

conjunto distinto de características que influenciam a

forma mais apropriada de um sistema de saneamento.

opções de saneamento mais

sustentáveis (pedem)

• criação de nova estrutura organizacional e institucional [novas regulamentações e arranjos organizacionais];

• Ampliar capacidade para operação e manutenção;

• Ampliar capacidade para gestão de sistemas descentralizados (lodo de TS, p.e);

• Implantação de projetos pilotos inovadores, visando validação de processos e tecnologia

DESAFIOS

• Outro desafio para a introdução de novos sistemas de saneamento é a mudança de hábitos dos usuários;

• fatores sócio-culturais podem resultar em entraves para a utilização de sistemas de saneamento ecológico (que promovam a utilização de excretas humanos para a produção de alimentos)

ALTERNATIVAS DE

GERENCIAMENTO SEGURO DE

LODO DE ESGOTO SOB A ÓTICA DO

SANEAMENTO DESCENTRALIZADO

Coordenador:

Luiz Sérgio Philippi

Universidade Federal de Santa Catarina

Departamento de Engenharia Sanitária e Ambiental

Grupo de Estudos em Saneamento Descentralizado

Belo Horizonte, Março de 2013

INTRODUÇÃO E JUSTIFICATIVAS

O Brasil ainda apresenta carências no saneamento básico

Índice de coleta de esgotos no país: 48% em áreas urbanas (SNIS, 2007).

12

Em Santa Catarina cerca de 70% das residências

utilizam o tanque séptico para o tratamento de esgotos

sanitários (SANTA CATARINA, 2006).

Tanques sépticos – mais de 12 milhões de domicílios brasileiros utilizam

tanque séptico como forma de tratamento de esgoto doméstico, o

equivalente a 22 % da população (IBGE, 2008) .

Deste percentual, 87% referem-se a áreas urbanas e13% a áreas rurais.

INTRODUÇÃO E JUSTIFICATIVAS

Tanque séptico: custo relativamente baixo de construção e

simplicidade operacional.

Manutenção periódica – retirada do lodo acumulado no

interior do mesmo.

13

Lodo

Caminhão limpa

fossa

Caminhão limpa fossa

operando ilegalmente

A disposição do lodo no meio ambiente pode oferecer

problemas de saúde pública e impactos ambientais aos

corpos d’água e ao solo.

Atualmente a limpeza dos tanques sépticos está

condicionada aos serviços de empresas conhecidas como

“desentupidoras” ou “caminhões limpa-fossa”.

Essas empresas não fornecem destinação adequada para

o lodo.

INTRODUÇÃO E JUSTIFICATIVAS

Tratamentos utilizados: digestão anaeróbia seguida pela disposição em aterros

sanitários.

Desafio: desenvolver alternativas de tratamento do lodo de forma

descentralizada e sob a ótica da sustentabilidade, com:

baixo custo de implantação, simplicidade operacional, baixo consumo

energético e passível de ser implantado nas mais diversas situações.

14

Os filtros plantados são uma tecnologia consolidada em alguns países da

Europa e Ásia, mas no Brasil o processo ainda é pouco explorado. Neste

sentido, se justifica o desenvolvimento deste estudo, com vistas a explorar o

desempenho dos filtros plantados sob condições de clima subtropical.

Filtros plantados com macrófitas: sistema natural de tratamento de lodo,

com bom desempenho no desaguamento e mineralização do mesmo.

OBJETIVOSG

ER

AL

Avaliação de alternativas tecnológicas

para o tratamento de lodos sob a ótica

do saneamento descentralizado, ou

seja, buscando atender às demandas

de pequenas comunidades ou

unidades residenciais.

15

OBJETIVOS ESPECÍFICOSE

SP

EC

ÍFIC

OS

2 linhas de tratamento:

Filtros plantados com macrófitas de fluxo vertical

para o desaguamento do lodo:

Estudo de duas taxas distintas de aplicação de

sólidos, 250 e 125 kgST/m2.ano, buscando a

obtenção de parâmetros de projeto e operacionais;

Sistema piloto de higienização térmica de lodo

transformando a energia solar em energia térmica..

16

METODOLOGIAL

OC

AL

DA

PE

SQ

UIS

A

Atividades de campo:

CETRE/EPAGRI, em Florianópolis/SC.

Análises de laboratório:

UFSC/LIMA/GESADFiltro Plantado

Tanque séptico

17

Sistema experimental

Dois filtros plantados com macrófitas de fluxo vertical idênticos,

com 4,3m², 75 cm de meio filtrante e plantados com Zizaniopsis

bonariensis.

Filtro 1 (250 kgST/m².ano)

Filtro 2 (125 kgST/m².ano)

METODOLOGIAC

OM

PO

NE

NT

ES

18

Representação esquemática do filtro plantado

METODOLOGIAC

OM

PO

NE

NT

ES

Sistema de coleta do

efluente

Sistema de

ventilação

Tubulação de alimentação dos

filtros

Caixas para armazenamento do

percolado

Sistema para extravasar o

percolado

19

METODOLOGIAM

AC

RÓ

FIT

AS

Retirada do Zizaniopsis

bonariensis do filtro do CETRE

Z. bonariensis

com as folhas

cortadas

Plantio das macrófitasFiltro com as macrófitas

plantadas

20

METODOLOGIAF

LU

XO

GR

AM

A

21

Tanque séptico -

CETRE

Caixa

Percolado

Caixa

Percolado

Filtro plantado -

CETRE

B2

B3

B1

Tanque de

Armazenamento

de lodo

Filtro 2

Tanque de

Armazenamento

de lodo

Filtro 1

Os filtros estavam cobertos para

evitar a interferência da chuva

METODOLOGIAV

ISÃ

O G

ER

AL

Vista da entrada do sistema Vista da saída do sistema

22

Tanque de

armazenamento

F1F2

METODOLOGIAO

PE

RA

ÇÃ

O

FaseDuração

(dias)Observações

Partida 1 75

Alimentação diária com esgoto para formação

de biomassa e adaptação das plantas. Taxa

hidráulica: 50mm/d.

Partida 2 30

Alimentação uma vez por semana com lodo

com aumento gradativamente do volume de

lodo, estando a saída do efluente aberta.

Operação com

lodo200

Alimentação uma vez por semana com lodo,

com o sistema coberto e um período de

detenção de seis dias.

Taxa hidráulica: 944 L/ aplicação (F1) e

473 L/aplicação (F2)

23

RESULTADOSF

AS

EO

PE

RA

ÇÃ

OC

OM

LO

DO

Lodo de alimentação24

Dados Média Mínimo Máximo D P

pH 7,4 7,0 7,8 0,2

Alcalinidade (mgCaCO3/L) 645,2 301,6 968,7 177,2

DQOt (mg/L) 14.666 2.000 27.875 9.122

BDO5 (mg/L) 1.014 310 1.900 618

Umidade (%) 98,2 96,6 99,6 0,9

Teor de sólidos (%) 1,8 0,4 3,4 0,9

Sólidos Totais Voláteis (mg/L) 7.995,5 1.625,5 16.617,0 4.625,3

Sólidos Totais Fixos (mg/L) 10.680,6 1.853,0 20.196,5 5.582,6

NTK (mg/L) 386,0 95,2 739,2 288,9

Nitrogênio amoniacal (mg/L) 37,6 12,9 66,3 14,2

Nitrogênio nitrato (mg/L) 2,5 0,8 5,5 1,4

RESULTADOSF

AS

EO

PE

RA

ÇÃ

OC

OM

LO

DO

Desempenho dos filtros plantados

25

Eficiência

DQO 94% F1 e 99% F2

ST 94% F1 e 96% F2

SS 96% F1 e 99,9% F2

F1 F2

F1 – 250 kgST/m²

F2 – 125 kgST/m²

RESULTADOSF

AS

EO

PE

RA

ÇÃ

OC

OM

LO

DO

Líquido percolado

26

Filtro 1

Filtro 2

41%

F1 – 250 kgST/m²

F2 – 125 kgST/m²

RESULTADOSF

AS

EO

PE

RA

ÇÃ

OC

OM

LO

DO

Remoção da matéria nitrogenada nos filtros

27

Pontos

amostrados

TAS

(kgST/m2.a

no)

Parâmetros (mg/L)

(Média ± DP)

NTK N-NH4+ N-NO2

- N-NO3-

Líquido

percolado F1250

39,0

±33,3

(90%)

22,3

±13,3

(44%)

0,4

±0,7

18,5

±27,0

Líquido

percolado F2125

13,9

±8,0

(96%)

10,7

±6,9

(68%)

0,6

±0,7

59,3

±30,8

Lodo TA 386,0 37,6 0,2 2,5

RESULTADOSF

AS

EO

PE

RA

ÇÃ

OC

OM

LO

DO

Lodo acumulado

28

Lodo acumulado no F1. Lodo acumulado no F2.

Filtros

Altura (cm)

90 dias 105 dias 115 dias 120 dias 126 dias

Filtro 1 15 16 20 16 13

Filtro 2 5 8 10 9 8

RESULTADOSF

AS

EO

PE

RA

ÇÃ

OC

OM

LO

DO

Lodo acumulado

29

Filtro 1

Filtro 2

Lodo TA

RESULTADOSE

VO

LU

ÇÃ

O D

AS

PL

AN

TA

S

30

Janeiro Março

Maio Julho

RESULTADOSE

VO

LU

ÇÃ

O D

AS

PL

AN

TA

S

31

Agosto

Setembro

Final de setembro – Floração

do Junco nos F1 e F2

CONCLUSÕES32

O lodo TA apresentou grandes variações, com 18.676,6 mg/L de sólidos totais e

14.666 mg/L de DQOt.

No F1, 55% da água presente no lodo saíram na forma de líquido percolado, 4%

ficaram armazenadas no lodo acumulado no leito e 41% foram perdidas. Para o

F2, as perdas de água foram de 63%, enquanto que 35% saíram com o

líquido percolado e apenas 2% ficou armazenada no lodo acumulado sobre o

leito.

O F2 apresentou remoção média de 96% de sólidos totais com concentração

efluente de 471,9 mg/L . Em relação aos SS, a remoção média foi de 99,9%,

produzindo um efluente final com 18,2 mg/L, enquanto o F1 a concentração final

de SS foi 330,2 mg/L.

As eficiências de DQO foram 99 e 94% para o F2 e F1, respectivamente.

Em relação às concentrações finais de DQOt, o F2 produziu um efluente

com 85 mg/L, enquanto que o F1 gerou um efluente com 507 mg/L.

CONCLUSÕES33

O F1 removeu 41% da amônia, enquanto o F2 72%, produzindo efluentes com

concentração média de 22,3 mg/L e 10,7 mg/L, respectivamente. No F2, do

percentual de amônia removido, 100% sofreu nitrificação total, com

concentração efluente de nitrato de 59,3 mg/L. Para o F1, apenas 42% da

amônia foi oxidada a nitrato, produzindo um efluente com 18,5 mg/L.

A concentração de sólidos totais do lodo acumulado foi de 68.551,2 mg/L no

F2 e 52.089,7 mg/L no F1. O lodo acumulado no F1 apresentou 76% de umidade,

enquanto que o F2, a umidade foi de 67%.

Em relação ao lodo TA, o F1 aumentou o valor de sólidos totais de 1,8% para 24%,

enquanto que no F2, esse aumento foi de 1,8% para 33%.

A altura lodo acumulado no F1 atingiu 13 cm aos 126 dias de operação, enquanto

que no F2, a altura foi de 8 cm.

CONCLUSÕES34

Os filtros plantados com macrófitas podem ser considerados uma forma

passiva de estabilização do lodo, uma vez que a transferência de oxigênio

a partir da rizosfera das macrófitas, bem como o movimento das hastes

das plantas possibilitaram a aeração da superfície do lodo. Juntamente

com o processo de evapotranspiração, o qual permitiu maiores perdas de

água do lodo, foi possível promover a estabilização biológica e

mineralização inicial do lodo.

RECOMENDAÇÕES35

Para os estudos futuros:

Avaliação da componente microbiológica – capacidade dos

filtros de promover a inativação de organismos patogênicos.

Avaliação do lodo produzido de acordo com o padrão de

qualidade microbiológica requerido pela Resolução

CONAMA 375/2006.

Linha experimental 2 – Higienização de lodo por processo térmico

O tratamento térmico é muito utilizado na inativação microbiana em diversos

produtos e vem sendo cada vez mais pesquisado na desinfecção de lodo de esgoto.

Descrição da Pesquisa

Determinação de parâmetros cinéticos de inativação da

Escherichia coli:

Avaliação do reator com aquecimento solar:

Procedimento experimental:

Testes realizados em duplicata nas temperaturas de 45, 50, 55, 60 e 65°C, pelo

método do frasco de três bocas (método do balão) adaptado de Stumbo

(1973).

Meio: lodo esterilizado

Inoculo: lodo bruto concentrado através de centrifugação.

Análise dos Dados

Obtenção de kd , Ed, constante térmica C, DT e z.

Determinação de Parâmetros Cinéticos de Inativação da

Escherichia coli

Reator (1)

Coletores solares (3)

Bomba

água(5)

Controlador (6)

Tanque de

armazenamento (8)

Lodo aquecido

(2)

Lodo Bruto

(Tanque séptico)

Trocador

de calor (4)Fluxo de Lodo

Fluxo de Água

Termopares (7)

Sensor temperatura

Sensor temperatura

Configuração do Sistema

Processo de Desinfecção Térmica Utilizando Aquecimento Solar

Reator de aquecimento

Componentes do Sistema

Coletores solares planos

OMS: Guidelines for the safe use of wastewater, excreta and

greywater/2006.

Environmental Protection Agency/EPA: Control of Pathogens and

Vector Attraction in Sewage Sludge. EPA/625/R-92/013/2003.

CONAMA/Brasil: Resolução n° 375/2006.

Exemplos de normas e orientações para utilização agrícola de lodo de esgoto

• Res. n.375/2006 : Col. Termotolerantes < 103 NMP/g de ST (Tipo A)

• OMS: Redução E. coli de pelo menos 4 unid. log e concentração

< 103 NMP/100ml (aplicação sem restrições)

Determinação de Parâmetros Cinéticos de Inativação da Escherichia

coli em Lodo de Esgoto

0

2

4

6

8

10

0 30 60 90 120

lnN

(N

MP

/ml)

t (min)

45°C

0

2

4

6

8

10

0 9 18 27 36 45

ln N

(N

MP

/ml)

t (min)

50°C

0

2

4

6

8

10

0 3 6 9 12

ln N

(N

MP

/ml)

t (min)

55°C

Curvas de inativação térmica da Escherichia coli em lodo de esgoto a 45, 50 e

55°C, testes em duplicada ( repetição 1; repetição 2).

0

2

4

6

8

10

12

0 1 2 3 4 5

ln N

(N

MP

/ml)

t (min)

60°C

0

2

4

6

8

10

12

0,0 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5

ln N

(N

MP

/ml)

t (min)

65°C

Curvas de inativação térmica da Escherichia coli em lodo de esgoto a 60 e

65°C, testes em duplicada ( repetição 1; repetição 2).

ST ( DP) = 3.980 ( 1.560) mg.L-1.

STV ( DP) = 2.449 ( 815) mg.L-1

Resistência Térmica e Parâmetros Cinéticos de Inativação da Escherichia

coli em Lodo de Esgoto

20

30

40

50

60

70

80

0 120 240 360 480

Tem

per

atu

ra (

°C)

03/12/2009

Tobs. Tpredito

20

30

40

50

60

70

0 120 240 360 480

Tem

per

atu

ra (

°C)

07/12/2009

20

30

40

50

60

70

80

0 120 240 360 480

Tem

per

atu

ra (

°C)

Tempo (min)

20/12/2009

20

30

40

50

60

70

80

0 120 240 360 480

06/02/2010

Tobs. Tpredito

20

30

40

50

60

70

80

0 120 240 360 480

Tempo (min)

20/02/2010

Ensaios com

irradiação solar média > 700 W.h.m-2

Temperatura Média do Lodo

20

30

40

50

60

70

0 120 240 360 480

13/03/2010

Tobs. Tpredito

20

30

40

50

60

70

0 120 240 360 480

Tem

per

atu

ra (

°C)

30/01/2010

Tobs. Tpredito

20

30

40

50

60

70

0 120 240 360 480

Tem

per

atu

ra (

°C)

Tempo (min)

17/04/2010

20

30

40

50

60

70

80

0 120 240 360 480

Tempo (min)

01/05/2010

Ensaios com irradiação solar média entre 500 e 700 W.h.m-2

Temperatura Média do Lodo

Eficiência do Processo na Desinfecção de Lodo ao Longo do Ano –

E. coli

0

250

500

750

1000

0,0

2,0

4,0

6,0

8,0

Irrad

iaçã

o (W

.h.m

-2)-

log

(N

f/N

o)

Ensaios

Inativação (E. coli) Radiação Solar Média

Letras iguais indicam que não há diferença na desinfecção ao nível de significância de 5% entre as

faixas de irradiação solar pelo teste de Tukey.

a

a

b

Inativação de E. coli nos ensaios realizados em dias com céu aberto ao longo do ano, e a

irradiação solar média incidente no período de cada ensaio.

0

1

2

3

4L

og

N

Ensaios

Nf (NMP/g ST) Nr (NMP/g ST) após 24 horas

0

1

2

3

4

Lo

gN

Ensaios

Nf (NMP/g ST) Nr (NMP/g ST) após 24 horas

Logaritmo da concentração final

(Nf)[1] e recrescimento após 24 horas

(Nr) para E. coli e coliformes totais

nos ensaios com irradiação solar

média acima de 500 W.h.m-2.

[1] Para as amostras onde não foi detectado E. coli ou coliformes totais, assumiu-se N = 1 NMP/g de ST, assim log N é igual a zero.

Recrescimento Microbiano

Col. totais

E. coli

10

20

30

40

50

60

70

0,0

0,4

0,8

1,2

1,6

2,0

2,4

2,8

0 120 240 360 480

Tem

peratu

ra (°C)

N (

NM

P/m

l) x

10

3

tempo (min)

03/07/2010

10

20

30

40

50

60

70

0

3

6

9

12

15

0 120 240 360 480

Tem

peratu

ra (°C)

N (

NM

P/m

l) x

10

2

tempo (min)

31/07/2010

10

20

30

40

50

60

2

4

6

8

10

12

0 120 240 360 480

Tem

peratu

ra (°C)

N (

NM

P/m

l) x

10

2

tempo (min)

12/06/2010

Observado Modelo Temperatura

10

20

30

40

50

60

0

2

4

6

8

0 120 240 360 480

Tem

peratu

ra (°C)

N (

NM

P/m

l)

x 1

03

tempo (min)

27/06/2010

Ensaios com irradiação solar média < 500 W.h.m-2 ; Céu aberto

Concentração de E. coli ao longo do tempo (experimental e modelo) e temperatura média do lodo

Parâmetros de inativação térmica E. coli:

o A E. coli demonstrou seguir uma cinética de primeira ordem.

o Os principais parâmetros cinéticos de inativação obtidos em lodo de esgoto

foram

- D55°C = 3,61 min;

- D60°C = 1,41 min;

- z = 8,3°C;

- Ed = 2,48 x 105 J.mol-1.

CONSIDERAÇÕES FINAIS

Desinfecção de lodo com aquecimento solar:

o Para os ensaios realizados com índices de irradiação solar média superior a 500

W.h.m-2, a temperatura do lodo ficou acima de 53°C por pelo menos três

horas, chegando em alguns casos a 73°C.

o A redução de E. coli nesses ensaios foi considerável, ficando entre 4,2 - 7,1

unidades logarítmicas. E para coliformes totais a redução ficou entre 4,8 - 7,4

unidades logarítmicas.

o Dos nove ensaios realizados nessas condições, apenas um apresentou

reaparecimento de E. coli e coliformes totais após 24 horas do tratamento.

Considerações finais

o Para ensaios realizados com índices menores de irradiação solar, a inativação

de E. coli e coliformes totais foi comprometida pelas baixas temperaturas do

lodo, ficando abaixo de 2,27; e de 3,5 unidades

logarítmicas, respectivamente.

o A eficiência do tratamento nesses ensaios foi significativamente (5%) inferior

aos demais.

o O modelo de predição da concentração de E. coli no reator foi satisfatório:

- os coeficientes de determinação ficaram entre 0,768 - 0,971;

- a porcentagem de variância ficou entre 65,1% – 96,4%.

Considerações finais

PARTICIPANTES

Prof. Dr. Luiz Sérgio Philippi – coordenador / pesquisador (GESAD/ENS/UFSC).

PARTICIPANTES DO PROJETO DE PESQUISA

Engª Msc. Maria Elisa Magri – pesquisadora/doutoranda (GESAD/PPGEA/UFSC);

Engª Carla Suntti – pesquisadora/mestranda (GESAD/PPGEA/UFSC);

Engº Daniel Furtado – pesquisador/mestrando (GESAD/PPGEA/UFSC);

Engº Odinei Fogolari – pesquisador/mestrando (GESAD/PPGEA/UFSC);

Téc. Ambiental Joceli Gorresen Zaguini – bolsista DTI (GESAD/UFSC);

Acadêmico Caio Angel Voltolinni – bolsista de IC (GESAD/UFSC);

Acadêmica Camila Haiml – bolsista de IC (GESAD/UFSC).

Acadêmico Djesser Zechner Sergio – bolsista de IC (GESAD/UFSC);

Acadêmico Ricardo Regi – bolsista de IC (GESAD/UFSC);

Acadêmica Sandra Regina Alexandre Ramos – bolsista de IC (GESAD/UFSC).

AGRADECIMENTOS52