metodologias para gerenciamento de lodo...

UNIVERSIDADE ESTADUAL DE CAMPINAS Faculdade de Engenharia Civil, Arquitetura e Urbanismo

RODRIGO CUSTODIO URBAN

METODOLOGIAS PARA GERENCIAMENTO DE LODO DE ETA E ETE

CAMPINAS 2016

UNIVERSIDADE ESTADUAL DE CAMPINAS Faculdade de Engenharia Civil, Arquitetura e Urbanismo

METODOLOGIAS PARA GERENCIAMENTO DE LODO DE ETA E ETE

Rodrigo Custodio Urban

Tese de Doutorado aprovada pela Banca Examinadora, constituída por:

Prof. Dr. Ricardo de Lima Isaac Presidente e Orientador/UNICAMP

Prof. Dr. Edevar Luvizotto Júnior UNICAMP

Profa. Dra. Emilia Wanda Rutkowski UNICAMP

Profa. Dra. Dione Mari Morita USP

Prof. Dr. Ronaldo Stefanutti UFC

A Ata da defesa com as respectivas assinaturas dos membros encontra-se no processo de vida acadêmica do aluno.

Campinas, 29 de julho de 2016

AGRADECIMENTOS

Ao Prof. Dr. Ricardo de Lima Isaac pela orientação, por me acolher em um momento difícil, e

por auxiliar na conclusão da Tese após diversos imprevistos e desafios;

Ao Prof Dr. Paulo Barbosa e ao Prof. Dr. Edevar Luvizzoto Júnior, pelas considerações

pertinentes no exame de qualificação e por instigar a busca por modelos estocásticos, de

simulação e de otimização, para representar o problema da Tese;

Ao Prof. Dr. Edevar Luvizzoto Júnior, Profa. Dra Emilia Wanda Rutkowski, Profa. Dra.

Dione Mari Morita e Prof. Dr. Ronaldo Stefanutti por aceitarem o convite e fazerem parte da

comissão julgadora da defesa da Tese. Além disso, por elucidarem diversas questões que

ainda estavam em aberto na pesquisa, contribuírem de maneira significativa para o

enriquecimento da Tese, conforme suas áreas de atuação e instigarem uma discussão mais

profunda sobre os assuntos abordados;

À CAPES pela concessão da bolsa de estudo durante o meu primeiro ano do Doutorado;

À Secretaria da Pós-Graduação, pelo atendimento sempre solícito e rápido.

À minha mãe Margarida Maria Custodio Urban e minha irmã Beatriz Custodio Urban pelo

incondicional apoio e por entenderem meus períodos de ausência em todos os anos de

graduação, mestrado e doutorado. Ao meu pai Valdemir Urban pelo suporte em minha

trajetória acadêmica.

À Liane Yuri Kondo Nakada pela companhia inspiradora, pelo apoio nos momentos mais

difíceis e por me auxiliar em diversas questões técnicas, científicas e de escrita.

A todos meus amigos e familiares, que de alguma forma me apoiaram e ajudaram a vencer

esta etapa da vida acadêmica.

RESUMO A gestão integrada de resíduos pressupõe que os resíduos gerados em estações de tratamento de água (ETA) e de esgoto (ETE) recebam destinação final ambientalmente adequada. O objetivo desta Tese é propor metodologias baseadas em sistemas de informação geográfica (SIG), otimização linear e simulação pela abordagem da dinâmica de sistemas (DS), para auxiliar o gerenciamento de lodo de ETA e ETE. Por meio de dados tabulares e vetoriais de diversas fontes, programas computacionais de SIG, de simulação e planilhas de cálculos, quatro metodologias foram propostas. A primeira metodologia consiste em um cruzamento preliminar das potenciais áreas de recepção de lodo com agrupamentos de estações (clusters). Como etapa auxiliar foi adaptada uma metodologia de identificação de aptidão do solo à recepção de lodo de esgoto. A segunda metodologia utiliza SIG para determinação das distâncias rodoviárias entre as estações e os potenciais receptores. Por meio da resolução de um problema de otimização linear é definido o local de destinação e quantidade de lodo a ser enviada em cada caso. A terceira metodologia consiste de um modelo DS elaborado para auxiliar o gerenciamento de lodo de uma ETA, a partir de simulação de custos dos sistemas de saneamento em função do tempo. A quarta metodologia integra as três anteriores para determinar a viabilidade da implantação de unidades de gerenciamento de lodo. À exceção da primeira, todas as metodologias se mostraram robustas o suficiente para subsidiar a tomada de decisão de gestores de empresas de saneamento e podem ser usadas para o gerenciamento individual ou conjunto de resíduos de saneamento. Pode-se afirmar que as ferramentas utilizadas individualmente tem menor potencial do que quando utilizadas em conjunto. Por isso, para tomada de decisão melhor subsidiada sobre o gerenciamento de lodo de ETA e ETE, a utilização conjunta de diferentes ferramentas tecnológicas é essencial. Para avaliação das metodologias foram utilizadas como estudo de caso as bacias dos rios Piracicaba, Capivari e Jundiaí, isso permitiu identificar que o maior problema para adoção dos métodos é a disponibilidade qualitativa e quantitativa dos dados das empresas de saneamento. É essencial que haja um plano de coleta e organização de dados de: custos operacionais do tratamento de água e esgoto; quantificação e caracterização dos resíduos e insumos usados nas estações de tratamento. A combinação das metodologias apresentadas nesta Tese permite a execução da análise detalhada da solução ótima de envio de lodo dentro de uma unidade territorial, assim como de simulação de custos de sistemas complexos de gerenciamento de lodo, subsidiando de maneira robusta a tomada de decisão de gestores de empresas de saneamento. As técnicas utilizadas são replicáveis, podendo ser utilizadas em diferentes unidades territoriais que necessitem de um plano de gerenciamento de resíduos. Palavras-chave: Sistemas de Informação Geográfica, Otimização Linear, Dinâmica de Sistemas, Modelos de Simulação, Gerenciamento de Resíduos

ABSTRACT The integrated solid waste management assumes that the waste generated in water treatment plants (WTP) and wastewater treatment plants (WWTP) must be sent to an environmentally friendly final destination. The aim of the present thesis is to propose methodologies based on Geographic Information Systems (GIS), linear optimization and simulation by the System Dynamics approach (SD), as means to assist both the WTP and the WWTP sludge management. Four methodologies were proposed based on tabulate and vector data from several sources, softwares of GIS and simulation, and calculus spread sheet. The first methodology consists of overlaying potential areas for the application of sludge with WTP and WWTP clusters. A subsidiary methodology for identification of land feasibility to receiving WWTP sludge was developed. The second methodology uses GIS for determining the distances among several treatment plants and the potential sites for sludge application. The amount of sludge for each reception site was defined by solving a linear optimization problem. The third methodology consisted of elaborating a SD model to assist the sludge management in a WTP, by simulating the costs of sanitation systems as a function of time. The fourth methodology integrated the three previous methods to determining the feasibility of sludge management units (SMU) implementation. Exception for the first method, all methodologies showed to be robust enough to support the decision makers from sanitation companies and can be applied for individual as well as pool management of sanitation residues. It can be stated that the tools used individually have lower potential than when used together. Therefore for better decision making subsidized on sludge management WTP and WWTP, the joint use of different technological tools is essential. In order to evaluate the methodologies the basins of the rivers Piracicaba, Capivari and Jundiaí, were used as a case study. It was verified that a lack of qualitative and quantitative data availability was the biggest problem for the adoption of the methods by sanitation companies. It is essential to have a survey plan and organization of data: operating costs of water and wastewater treatment; quantification and characterization of materials and wastes in treatment plants. The combination of methodologies presented in this work allows the execution of the detailed analysis of the optimal solution of sludge disposal within a territorial unit, as well as simulation of complex sludge management systems costs, subsidizing robustly the managers decision making of sanitation companies. The techniques used are replicable and can be applied to different territorial units that need an integrated waste management plan. Key-words: Geographic Information System, Linear Optimization, System Dynamics, Simulation Models, Waste Management

LISTA DE FIGURAS Figura 3-1. Linhas de produção de resíduos em uma ETA de ciclo completo considerando

alternativas de tratamento, aproveitamento e disposição. ...................................................... 24

Figura 3-2. Formas de redução do volume de lodo de ETA. ................................................. 26

Figura 3-3. Fluxograma de uma estação de esgotos utilizando o método de lodos ativados. .. 27

Figura 3-4. Fluxograma de um sistema composto por reator UASB seguido por lodos

ativados................................................................................................................................ 28

Figura 3-5. Seis cenários de tratamento de lodo estudados por Miyanoshita et al. (2009) ..... 44

Figura 3-6. Relação entre os elementos geométricos e tabulares em SIG. ............................. 47

Figura 3-7. Exemplo de a) diagrama de ciclo causal e b) diagrama de estoque e fluxo, partes

integrantes de um modelo de dinâmica de sistemas. ............................................................. 51

Figura 3-8. Passos iterativos na modelagem em dinâmica de sistemas .................................. 52

Figura 3-9. Sistemas de tratamento de água e de esgoto nas Bacias PCJ . ............................. 53

Figura 3-10. Localização das bacias dos rios Piracicaba, Capivari e Jundiaí. ........................ 55

Figura 4-1. Passos iniciais da metodologia simplificada baseada em SIG. ............................ 57

Figura 4-2. Mapa de áreas de gerenciamento de lodo de ETA e indústrias cerâmicas nas

bacias PCJ e ao redor. .......................................................................................................... 59

Figura 4-3. Mapa de áreas de geração de lodo de ETE e uso do solo nas Bacias PCJ. ........... 63

Figura 4-4. Resultado da análise de correspondência múltipla entre as áreas, tecnologias de

tratamento de esgoto e produção de lodo de esgoto nas bacias PCJ. ...................................... 64

Figura 4-5. Gráfico da quantidade de ETE em função da produção de lodo separado por áreas.

............................................................................................................................................ 64

Figura 5-1. Mapa de aptidão do solo da bacia PCJ à aplicação de lodo de esgoto.................. 70

Figura 5-2. Uso e ocupação de áreas com classe de restrição 1, 2 e 3 à aplicação de lodo de

esgoto – bacia PCJ. .............................................................................................................. 72

Figura 5-3. Uso e ocupação de áreas com classe de restrição 1 e 2 à aplicação de lodo de

esgoto – Bacia PCJ............................................................................................................... 73

Figura 6-1. Resumo da metodologia baseada em SIG e otimização linear para a seleção de

locais para envio de lodo de ETA ......................................................................................... 79

Figura 6-2. Resumo da metodologia baseada em SIG e otimização linear para a seleção de

locais para envio de lodo de ETA ......................................................................................... 80

Figura 6-3. Mapa de produção de lodo de ETA e localização de indústrias cerâmicas nas

Bacias PCJ e proximidades. ................................................................................................. 83

Figura 6-4. Áreas de recepção de lodo e capacidade, com a incorporação de 10% de lodo no

processo produtivo, utilizada por envio das ETA. ................................................................. 86





Figura 6-7. Mapa de produção de lodo de ETE e classes de restrição à aplicação de lodo de

ETE em uso do solo de plantação de cana de açúcar e reflorestamento, nas Bacias PCJ. ...... 91

Figura 6-8. Localização das ETE das bacias PCJ e capacidade de recepção disponível das

áreas aptas à recepção de lodo, considerando aceitação de até 100% da capacidade. ............. 94


áreas aptas à recepção de lodo, considerando aceitação de até 50% da capacidade................ 95


áreas aptas à recepção de lodo, considerando aceitação de até 10% da capacidade................ 96

Figura 7-1. Diagrama de ciclo causal de uma estação de tratamento de água ...................... 100

Figura 7-2. Diagrama de ciclo causal de um sistema de gerenciamento integrado de lodo .. 101

Figura 7-3. Modelo DS do gerenciamento integrado de lodo de ETA ................................. 113

Figura 7-4. Modelo DS do gerenciamento integrado de lodo de ETE.................................. 114

Figura 7-5. Processo de tratamento das ETA 3 e 4 de Campinas. ........................................ 115

Figura 7-6. Processo de tratamento de esgoto da ETE Anhumas de Campinas .................... 115

Figura 7-7. Sequência de cenários indicados para envio do lodo de ETA, conforme resultado

da simulação. ..................................................................................................................... 121

Figura 7-8. Tarifa cobrada pelo uso da água em função do tempo, para os cenários estudados

.......................................................................................................................................... 122

Figura 7-9. Comparação do custo final anual do sistema de tratamento e abastecimento de

água entre os cenários propostos ........................................................................................ 123

Figura 7-10. Comparação do custo final anual do gerenciamento de lodo das ETA 3 e 4 .... 124

Figura 7-11. Comparação dos custos finais anuais das etapas de gerenciamento do lodo das

ETA 3 e 4 .......................................................................................................................... 124

Figura 7-12. Sensibilidade dos custos anuais e acumulados (R$) do sistema em função da

demanda de água per capita. .............................................................................................. 128

Figura 7-13. Sensibilidade dos custos anuais e acumulados (R$) do sistema do tratamento e

abastecimento de água em função da concentração média de sólidos em suspensão totais no

manancial........................................................................................................................... 129

Figura 7-14. Sensibilidade dos custos anuais e acumulados (R$) do sistema de afastamento e

tratamento de esgoto em função da densidade do lodo secundário da ETE. ........................ 130

Figura 7-15. Sensibilidade dos custos anuais e acumulados (R$) do sistema de afastamento e

tratamento de esgoto em função da concentração média de sólidos em suspensão no afluente

da ETE ............................................................................................................................... 131

Figura 7-16. Sensibilidade dos custos anuais e acumulados (R$) do sistema de tratamento de

água em função da dosagem de coagulante utilizada na ETA. ............................................ 132

Figura 7-17. Sensibilidade dos custos anuais e acumulados (R$) do sistema de tratamento de

água em função da constante de coagulação adotada na estimativa de lodo. ....................... 133

Figura 8-1. Diagrama de ciclo causal de um sistema de tratamento e abastecimento de água

.......................................................................................................................................... 138

Figura 8-2. a) Diagrama de ciclo casual do sistema de tratamento de água enviando o lodo

para UGL e b) diagrama de ciclo causal de uma UGL ........................................................ 138

Figura 8-3. Modelo DS do sistema simplificado de tratamento e abastecimento de água de

uma ETA ........................................................................................................................... 142

Figura 8-4. Modelo DS do sistema de gerenciamento de lodo de ETA de uma UGL .......... 143

Figura 8-5. Mapa de calor (densidade espacial de pontos) com raio de influência de 25 km em

torno da localização das ETA das Bacias PCJ. ................................................................... 146

Figura 8-6. Mapa de calor (densidade espacial de pontos) com raio de influência de a) 10 km,

b) 20 km, c) 30 km e d) 40 km em torno da localização das ETA das Bacias PCJ. .............. 147

Figura 8-7. Mapa de localização das UGL propostas para as Bacias PCJ e as respectivas ETA

que enviariam o lodo gerado para essas UGL. .................................................................... 149

Figura 8-8. Mapa da localização das UGL e dos centros cerâmicos, com sua capacidade

potencial de absorção de lodo utilizada. ............................................................................. 152

Figura 8-9. Comparativo de incremento de custos do cenário de implantação das UGL em

relação ao cenário de gerenciamento individual de lodo das Bacias PCJ. ............................ 153

Figura 8-10. Resultados da análise de sensibilidade do modelo de simulação dos custos com o

tratamento de água para uma ETA no cenário da implantação das UGL ............................. 154

Figura 9-1. Hierarquização do gerenciamento de resíduos sólidos. ..................................... 167

Figura 9-2. Fluxograma das etapas do gerenciamento de lodo de ETA ou ETE com base nas

metodologias elaboradas e ferramentas estudadas............................................................... 167

Figura 9-3. Fluxograma das etapas do planejamento de implantação de UGL ..................... 168

LISTA DE TABELAS Tabela 3-1. Alguns parâmetros de caracterização de lodos de ETA para utilização benéfica. 27

Tabela 3-2. Características gerais de lodos de ETA e características de lodos usados com

sucesso na produção de blocos cerâmicos e agregados (% massa seca). ................................ 30

Tabela 3-3. Métodos de recuperação de coagulantes de lodos de ETA e pontos favoráveis e

contrários à sua aplicação. .................................................................................................... 33

Tabela 3-4. Limitantes da utilização de biossólidos na agricultura. ....................................... 37

Tabela 3-5. Limites legais para o uso de biossólidos na agricultura em alguns países. .......... 39

Tabela 3-6. Compostos orgânicos possivelmente encontrados em lodo de ETE. ................... 40

Tabela 3-7. Custo de disposição do lodo de ETA no Reino Unido. ....................................... 43

Tabela 4-1. Informação quantitativa das áreas de gerenciamento de lodo propostas .............. 60

Tabela 5-1. Critérios para classificação da aptidão do solo à recepção de lodo de esgoto.

Critérios adaptados de Andreoli et al. (2000), Andreoli et al (2007) e Souza et al. (2008). ... 69

Tabela 5-2. Porcentagem da área ocupada e capacidade de recepção de cada uso do solo em

relação ao grau de restrição à aplicação de lodo de esgoto. ................................................... 75

Tabela 6-1. Características dos centros cerâmicos estabelecidos para a recepção de lodo de

ETA ..................................................................................................................................... 84

Tabela 6-2. Quantidade de ETA com lodo enviado para cada centro cerâmico ..................... 90

Tabela 7-1. Parâmetros para a simulação DS do gerenciamento do lodo das ETA 3 e 4 e ETE

Anhumas, Campinas, Brasil ............................................................................................... 116

Tabela 7-2. Variáveis dos cenários e seus respectivos valores ............................................ 119

Tabela 7-3. Variáveis de decisão e valores ótimos das funções objetivo. ............................ 121

Tabela 7-4. Parâmetros selecionados para a análise de sensibilidade, agrupados em função do

objetivo da análise.............................................................................................................. 126

Tabela 8-1. Parâmetros fixos para as simulações DS dos sistemas simplificados de tratamento

e abastecimento de água das ETA e do gerenciamento do lodo das possíveis UGL das Bacias

PCJ. ................................................................................................................................... 144

Tabela 8-2. Parâmetros variáveis para as simulações DS dos sistemas simplificados de

tratamento e abastecimento de água das ETA e do gerenciamento do lodo das possíveis UGL

das Bacias PCJ ................................................................................................................... 144

Tabela 8-3. Informações sobre os municípios componentes das UGL propostas para as Bacias

PCJ .................................................................................................................................... 148

Tabela 8-4. Valores adotados no modelo DS para as UGL em função dos resultados obtidos

em análise preliminar dos dados ......................................................................................... 151

Tabela 9-1. Potencialidades e fragilidades das principais formas de uso dos lodos de ETA e

ETE. .................................................................................................................................. 156

Tabela 9-2. Potencialidades e fragilidades das principais formas de uso dos lodos de ETA. 157

Tabela 9-3. Partes envolvidas na gestão de lodos de ETA e ETE, suas participações e

interesses. .......................................................................................................................... 158

Tabela 9-4. Potencialidades e fragilidades das ferramentas utilizadas para a elaboração das

metodologias auxiliares de gerenciamento de lodo de ETA e ETE. .................................... 159

SUMÁRIO 1 INTRODUÇÃO ........................................................................................................... 17

1.1 Apresentação da Estrutura da Tese ......................................................................... 20

2 OBJETIVOS ................................................................................................................ 22

2.1 Objetivo geral ........................................................................................................ 22

2.2 Objetivos específicos ............................................................................................. 22

3 REVISÃO BIBLIOGRÁFICA ..................................................................................... 23

3.1 Geração de lodo em sistemas de saneamento .......................................................... 23

3.1.1 Estações de tratamento de água (ETA) ............................................................ 23

3.1.2 Estações de tratamento de esgoto (ETE).......................................................... 27

3.2 Formas de destinação final de lodo de ETA ........................................................... 28

3.2.1 Uso do lodo de ETA como material de construção civil .................................. 29

3.2.2 Uso de lodo de ETA em processos de recuperação de coagulantes .................. 32

3.2.3 Uso do lodo de ETA como adsorvente de poluentes ........................................ 33

3.2.4 Disposição de lodo de ETA no solo ................................................................ 34

3.2.5 Outros possíveis usos do lodo de ETA ............................................................ 35

3.3 Formas de destinação final do lodo de ETE ............................................................ 36

3.3.1 Disposição de lodo de ETE no solo ................................................................. 36

3.3.2 Outras possíveis aplicações de lodo de ETE .................................................... 41

3.4 Aspectos gerenciais do lodo de ETA e ETE ........................................................... 42

3.4.1 Logística e sua aplicação nas etapas de produção e disposição do lodo ............ 42

3.4.2 Utilização de geotecnologias na otimização de processos de destinação final de

lodos ....................................................................................................................... 46

3.4.3 Pesquisa operacional, modelagem, métodos de simulação e dinâmica de

sistemas ....................................................................................................................... 48

3.5 Bacias hidrográficas dos Rios Piracicaba, Capivari e Jundiaí.................................. 52

4 METODOLOGIA SIMPLIFICADA BASEADA EM SIG PARA AUXILIAR O

GERENCIAMENTO DE LODO DE ETA E ETE ................................................................ 56

4.1 Desenvolvimento da metodologia simplificada baseada em SIG ............................ 56

4.1.1 Seleção das áreas de destinação do lodo gerado .............................................. 56

4.1.2 Dados e SIG.................................................................................................... 57

4.2 Resultados do estudo de caso e discussão da aplicabilidade da metodologia

simplificada ..................................................................................................................... 58

4.2.1 Mapa temático de lodo de ETA ....................................................................... 58

4.2.2 Mapa temático de lodo de ETE ....................................................................... 61

4.3 Considerações finais sobre a metodologia simplificada .......................................... 65

5 MAPA DE APTIDÃO DO SOLO À APLICAÇÃO DE LODO DE ESGOTO: ESTUDO

DE CASO DAS BACIAS PCJ ............................................................................................. 67

5.1 Elaboração do mapa de aptidão do solo à recepção de lodo de esgoto..................... 67

5.2 Resultados e discussão ........................................................................................... 68

5.3 Considerações finais sobre a elaboração do mapa de aptidão .................................. 75

6 METODOLOGIA BASEADA EM SIG E OTIMIZAÇÃO LINEAR PARA O

GERENCIAMENTO DE LODO DE ETA E ETE ................................................................ 77

6.1 Desenvolvimento da metodologia baseada em SIG e otimização linear .................. 77

6.1.1 Seleção do local de destinação do lodo............................................................ 77

6.1.2 Banco de dados e softwares utilizados............................................................. 78

6.1.3 Metodologia baseada em SIG e otimização linear ........................................... 78

6.2 Resultados e discussão ........................................................................................... 81

6.2.1 Lodo de ETA .................................................................................................. 82

6.2.2 Lodo de ETE .................................................................................................. 90

6.3 Considerações finais da metodologia baseada em SIG e otimização linear ............. 97

7 UMA ABORDAGEM DE DINÂMICA DE SISTEMAS PARA O GERENCIAMENTO

DE LODO DE ETA ............................................................................................................. 98

7.1 Abordagem DS ...................................................................................................... 99

7.1.1 Definição do problema .................................................................................... 99

7.1.2 Equações do modelo DS para o gerenciamento de lodo de ETA .................... 102

7.1.3 Modelo DS para o gerenciamento de lodo de ETA ........................................ 112

7.2 Estudo de caso para aplicação do modelo DS no gerenciamento de lodo .............. 115

7.3 Resultados e discussão relativos ao modelo DS de gerenciamento de lodo ........... 120

7.3.1 Análise de sensibilidade do modelo DS de gerenciamento de lodo de ETA ... 125

7.4 Considerações finais do modelo DS para o gerenciamento de lodo de ETA .......... 131

8 METODOLOGIA BASEADA EM SIG E ABORDAGEM DE DINÂMICA DE

SISTEMAS PARA AVALIAÇÃO DA VIABILIDADE DE UNIDADES DE

GERENCIAMENTO DE LODO DE ETA ......................................................................... 134

8.1 Desenvolvimento da metodologia ........................................................................ 135

8.1.1 Definição dos possíveis locais de implantação das UGL ............................... 135

8.1.2 Estimativa de lodo gerado nas ETA .............................................................. 136

8.1.3 Abordagem DS na metodologia para avaliação da viabilidade de implantação de

UGL ..................................................................................................................... 137

8.1.4 Definição dos locais de recepção na análise da viabilidade da implantação de

UGL ..................................................................................................................... 141

8.1.5 Parâmetros adotados no modelo DS utilizado para análise da viabilidade da

implantação de UGL .................................................................................................. 143

8.2 Resultados e discussão relativos à implantação de UGL ....................................... 145

8.2.1 Possíveis locais de implantação das UGL e suas características ..................... 145

8.2.2 Determinação dos parâmetros das UGL para o modelo DS ........................... 150

8.2.3 Comparação da simulação para os dois cenários propostos............................ 151

8.3 Considerações finais da metodologia de análise da viabilidade de implantação de

UGL ............................................................................................................................ 155

9 DISCUSSÃO GERAL ............................................................................................... 156

10 CONCLUSÕES ......................................................................................................... 170

11 REFERÊNCIAS ......................................................................................................... 172

12 APÊNDICES ............................................................................................................. 191

APÊNDICE A: Glossário das equações do sistema apresentado no capítulo 7, como

definidas no software Vensim (ordem alfabética) ........................................................... 192

APÊNDICE B: Glossário das equações do sistema de estações de tratamento de água,

apresentado no capítulo 8, como definidas no software Vensim (ordem alfabética) ........ 198

APÊNDICE C: Glossário das equações do sistema de unidades de gerenciamento de lodo,

apresentado no capítulo 8, como definidas no software Vensim (ordem alfabética) ........ 200

APÊNDICE D: Parâmetros dependentes do sistema de tratamento de água para as

simulações DS dos sistemas simplificados de tratamento e abastecimento de água das ETA

e do gerenciamento do lodo das possíveis UGL das Bacias PCJ ..................................... 202

APÊNDICE E: Comparação de custos entre os dois cenários propostos para análise da

viabilidade de implantação de UGL nas Bacias PCJ ....................................................... 204

17

1 INTRODUÇÃO O tratamento e distribuição de água e a coleta, afastamento e tratamento e de esgoto

são essenciais para a promoção da saúde da população e para minimizar o impacto do descarte

de águas residuárias em corpos hídricos. Entretanto, como qualquer processo industrial, os

sistemas de saneamento têm como subprodutos diversos tipos de resíduos. O resíduo mais

importante gerado nessas estruturas é o lodo, resultado dos processos físico-químicos e

biológicos do tratamento, e justamente por isso, de grande variabilidade (BABATUNDE e

ZHAO, 2007).

O lodo de estações de tratamento de água (ETA) é um resíduo mais simples que o lodo

de estações de tratamento de esgoto (ETE), proveniente das operações físico-químicas do

tratamento, principalmente dos decantadores. Sua composição básica contém partículas

sólidas minerais, material húmico e os produtos químicos usados como coagulantes

(hidróxidos metálicos) ou auxiliares de coagulação (polímeros) (OWEN, 2002). Entretanto, a

proporção desses componentes, ou mesmo a presença de componentes diferentes, pode variar

conforme a qualidade da água bruta, que varia ao longo do ano, ou mesmo ao longo do dia

(AHMAD et al., 2016).

O lodo de ETE é um resíduo mais complexo. As características do esgoto,

principalmente a carga orgânica, exigem que as águas residuárias passem por processos

biológicos, para correta degradação da matéria orgânica e o seu consequente tratamento. A

princípio doméstico, o esgoto pode ter em sua composição uma série de contaminantes

complexos dessa fonte, além de outros provenientes de descartes na rede ilegais, não

controlados ou mesmo permitidos por legislação (DELATORRE JUNIOR e MORITA, 2007).

De composição bastante diversa, o lodo de esgoto é composto por grande proporção de

matéria orgânica e possivelmente metais, organismos patogênicos, contaminantes orgânicos e

emergentes, além de partículas minerais (VON SPERLING e ANDREOLI, 2007).

É nítida a tendência de aumento da demanda por água potável diante de uma realidade

de crescimento populacional e maior acesso ao saneamento. Em compensação, os cursos

d’água se encontram em um processo de degradação histórico, exigindo diferenciadas

técnicas para o seu tratamento. Diante desse cenário, existe a tendência de crescimento,

18

quantitativo e qualitativo, dos processos de tratamento de água e esgoto e, com isso o

aumento da geração de lodo de ETA e ETE.

Apesar do grande teor de umidade, os lodos do saneamento são considerados resíduos

sólidos. Dessa forma o seu descarte em corpos d’água, prática comum em muitas estações de

tratamento, não é apropriada, pois deve-se respeitar a legislação adequada para resíduos

sólidos. Isso torna a gestão desses resíduos um desafio para o setor de saneamento (ACHON

et al., 2013).

Diante das poucas opções para disposição do lodo, a solução normalmente encontrada

é o envio do material para aterros sanitários. Dispendiosa, essa alternativa também encontra

restrições ou impedimentos na legislação ambiental brasileira. A Política Nacional dos

Resíduos Sólidos (PNRS) (BRASIL, 2010) direciona a utilização benéfica dos resíduos como

matéria prima de outros processos, buscando minimizar o material enviado para aterro.

Mundialmente também existe uma tendência do máximo aproveitamento dos resíduos, devido

às restritas áreas para dispor resíduos sólidos, além do possível impacto destes aterros nas

mudanças climáticas (BHADA-TATA e HOORNWEG, 2016).

Com base nessa realidade, estudos que buscam alternativas para a destinação adequada

dos lodos de ETA e ETE foram e continuam sendo realizados. As características dos lodos

são diferentes e influenciam os processos que podem incorporar esses resíduos. O lodo de

ETA, devido ao seu caráter de produto mineral, parcialmente composto por argilominerais, já

teve sua aplicação estudada, com maior ou menor sucesso, na incorporação no processo

produtivo de tijolos cerâmicos, blocos de concreto não estrutural, cimento, base de

pavimentos, aplicação em áreas degradadas, como condicionador de solo agrícola na

silvicultura, corretivo de pH em solos agrícolas, processos de co-compostagem, desaguamento

de lodo de esgoto, entre outros (CORNWELL et al., 2000; BABATUNDE e ZHAO, 2007;

BOTERO et al., 2009; BITTENCOURT et al., 2012; SILVA et al., 2015; AHMAD et al.,

2016; TONY et al., 2016).

O lodo de ETE tem característica de material biológico, e possíveis riscos e

consequentes restrições sanitárias. O uso mais indicado desse resíduo é o condicionamento de

solos agrícolas (MURRAY et al., 2008; SINGH e AGRAWAL, 2008; KELESSIDIS e

STASINAKIS, 2012; LU et al., 2012). Entretanto, apesar do bom desempenho, deve-se

respeitar uma série de regras legais (CONAMA, 2006; ANDREOLI et al, 2008; BEECHER,

2008; LU et al., 2012; HESPANHOL, 2014) e operacionais (ANDREOLI et al., 2008) para

que o material não traga riscos à população consumidora dos produtos e aos trabalhadores das

áreas agrícolas. Outros usos benéficos também estão sendo estudados como alternativa ao uso

19

agrícola, mas ainda sem tanta ênfase e com a mesma necessidade de cuidado rígido com o

uso: compostagem, controle de erosão, fabricação de materiais de construção, em

pavimentação e como cobertura de aterros sanitários (CAKMAKCI et al., 2005; BEECHER,

2008; MARTÍNEZ-GARCÍA et al., 2012; LUCENA et al., 2014).

Diante dos aspectos apresentados, diversas dificuldades das empresas de saneamento

podem ser apontadas: a variabilidade dos resíduos; as opções de uso benéfico; a necessidade

de alteração do tipo de tratamento ou dos produtos utilizados, para atender as exigências de

determinado uso; a necessidade de desaguamento (aumento do teor de sólidos) diferenciado

para diminuir o custo de transporte ou para atender a exigência da destinação final. Estes

aspectos tornam a tomada de decisão do gerenciamento do lodo complexa, e com vários

processos inter-relacionados. Dentro desse cenário também é importante que se busquem

alternativas que ocasionem as menores despesas possíveis, senão receitas.

Várias técnicas e procedimentos se propõem a facilitar o gerenciamento dos resíduos

sólidos, e podem ser aplicadas ao caso específico de lodos de ETA e ETE. Pode-se citar a

análise de custo-benefício e modelos de previsão, simulação e otimização. Estes sistemas

podem ter diversas plataformas de análise, como os de gerenciamento de informações e

suporte à decisão, além de usar ferramentas específicas para avaliação como:

desenvolvimento de cenários; análise de fluxo de material; avaliação de ciclo de vida;

avaliação de risco; avaliação de impactos ambientais; avaliação socioeconômica e avaliação

de sustentabilidade (CHANG et al., 2011; BUONOCORE, et al., 2016). As técnicas

mencionadas têm grande possibilidade de aplicação, mas podem ter sua análise agilizada.

Métodos adaptados para a realidade computacional têm seu desempenho otimizado,

possibilitando a simulação de mais opções, antes da tomada de decisão. Também é importante

mencionar a avaliação da localização espacial de geradores e receptores como uma etapa

indissociável à tomada de decisão bem subsidiada do gerenciamento de resíduos.

Partindo-se do princípio de gestão integrada e gerenciamento de lodos gerados em

ETA e ETE de uma mesma companhia de saneamento, bem como de várias empresas de uma

determinada região, percebe-se que a logística de gerenciamento dos lodos de ETA e ETE é

imprescindível para que os custos com tratamento, transporte e disposição/uso sejam

minimizados. Ferramentas computacionais de otimização e simulação e o uso de sistemas de

informações geográficas mostram-se bastante úteis para o auxílio nessa questão. A quantidade

de estudos e desenvolvimento de metodologias com o uso dessas ferramentas, aplicadas

especificamente ao problema de engenharia sanitária e ambiental ora apresentado, ainda é

incipiente no Brasil, demonstrando a necessidade de pesquisas nessa área.

20

1.1 Apresentação da Estrutura da Tese Esta Tese foi elaborada para atingir os objetivos apresentados no capítulo 2 e testar a

seguinte hipótese:

Uma vez que os resíduos de operações de saneamento fazem parte de um complexo

sistema, onde a localização espacial dos locais de geração, as diferentes tecnologias de

tratamento e as diversas opções de destinação finais são importantes, então existem

metodologias baseadas em sistemas de informações geográficas e métodos de

otimização e simulação que possam auxiliar a tomada de decisão sobre o

gerenciamento de lodo de ETA e ETE por gestores de empresas de saneamento.

Quatro premissas foram seguidas, considerando o referencial teórico relacionado ao

gerenciamento de lodos provenientes de tratamento de água e esgoto:

1. Visão sistêmica da gestão dos resíduos sólidos, considerando variáveis ambientais,

econômicas e tecnológicas;

2. Destinação final ambientalmente adequada dos resíduos dos serviços de Saneamento

(lodo de ETA e lodo de ETE), considerados como materiais a serem utilizados em

outros processos e produtos, ou disposição ambientalmente segura.

3. Arranjo institucional decorrente da PNRS que contempla a livre formação de

associações entre empresas públicas de saneamento, e.g., na forma de consórcios, na

busca de maior eficiência técnico-econômica; deste modo, para elas o poder de

barganha junto a fornecedores, prestadores de serviços e potenciais usuários dos

resíduos deve aumentar; centrais regionais de lodo podem reduzir os custos de

tratamento (avançado) do lodo; na direção oposta, empresas privadas podem atuar

independentemente no mercado, com menor poder de barganha em relação a

consórcios; custos logísticos são significativos e devem ser otimizados (minimizados);

4. Pequenas ETA ou ETE isoladas, em contrapartida, devem enfrentar maiores

dificuldades técnico-econômicas para alcançar qualidade e preços competitivos para

os seus resíduos e/ou pagar mais caro (preço unitário) por transporte e destinação

final.

Considerando as premissas supracitadas, a hipótese foi testada a partir da elaboração

de modelos que contemplem uma ou mais das ferramentas propostas. Esses modelos são

apresentados em capítulos separados. Desta forma o capítulo 3 apresenta a revisão

bibliográfica do tema, com ênfase nas formas de destinação final do lodo de ETA e ETE e

como isso influencia no gerenciamento dos resíduos pelas empresas de saneamento.

21

O capítulo 4 apresenta um modelo simplificado e preliminar de gerenciamento do lodo

de ETA e ETE, baseado em sistema de informações geográficas, que considera as distâncias

entre as estações de tratamento e os potenciais receptores de lodo para indicar potenciais

consórcios de empresas de saneamento, assim como selecionar o melhor local para destinação

benéfica dos resíduos. Nesse modelo o uso ideal para lodo de ETA e ETE é pré-definido. A

área de estudo para aplicação do modelo foi a das Bacias dos rios Piracicaba, Capivari e

Jundiaí.

Conforme as limitações apresentadas ao final do capítulo 4, no capítulo 5 foram

aplicados conceitos de geoprocessamento e SIG para adaptar uma metodologia de elaboração

de mapa de aptidão do solo à recepção de lodo de esgoto, que serviu de suporte para o

desenvolvimento das metodologias desenvolvidas e apresentadas nos três capítulos seguintes.

O capítulo 6 apresenta um modelo mais complexo baseado em SIG, utilizando

também técnicas de otimização linear, para uma definição quantitativa e mais precisa dos

locais ideais para envio do lodo de cada estação de tratamento. Nesse capítulo também são

apresentados cenários otimistas ou pessimistas da aceitação do lodo pelos locais selecionados

para envio.

Após identificar a lacuna dos custos integrados envolvidos no processo de tratamento

de água, no capítulo 7 é proposto um modelo, baseado na abordagem da Dinâmica de

Sistemas, do gerenciamento de uma ETA, com a possibilidade de ampliação para o sistema de

saneamento (ETA + ETE). Esse modelo possibilita selecionar o melhor destino para o lodo

gerado nas estações de tratamento com base nas diversas alterações que uma decisão pode ter

em todo o funcionamento do sistema de saneamento.

O capítulo 8 busca integrar os modelos apresentados anteriormente, para avaliar de

forma mais precisa a viabilidade econômica de implantação de centrais de lodo para as ETA.

A metodologia sugerida utiliza o modelo do capítulo 7 simplificado, considerando os critérios

de distância do capítulo 4 e a otimização linear usada no capítulo 6.

O capítulo 9 apresenta uma discussão geral dos resultados obtidos nos capítulos

anteriores, no âmbito do questionamento científico desta Tese. A aplicabilidade das

metodologias propostas é avaliada. No capítulo 10 é apresentada a conclusão da pesquisa,

considerando a aplicabilidade e replicabilidade das metodologias apresentadas. No capítulo 11

são apresentadas as referências bibliográficas do trabalho.

22

2 OBJETIVOS

2.1 Objetivo geral O objetivo desta Tese é desenvolver metodologias auxiliares de suporte à decisão no

gerenciamento integrado de lodo de ETA e ETE, baseadas em sistemas de informação

geográfica (SIG), otimização linear e simulação pela abordagem da dinâmica de sistemas

(DS), com ênfase no uso benéfico do material.

2.2 Objetivos específicos

Elaborar uma metodologia simplificada, baseada em SIG, para auxiliar o

gerenciamento de lodo de ETA e ETE;

Adaptar uma metodologia de elaboração de mapa de aptidão do solo à recepção de

lodo de ETE, com critérios legais e socioeconômicos restritivos;

Elaborar uma metodologia baseada em SIG e otimização linear, para auxiliar o

gerenciamento conjunto de lodo de ETA e ETE;

Elaborar uma metodologia, baseada em conceitos de simulação, para auxiliar o

gerenciamento individual de lodo em ETA ou ETE;

Elaborar uma metodologia auxiliar para avaliar a viabilidade econômica da

implantação de unidades de gerenciamento de lodo de ETA;

Elaborar uma estratégia de gerenciamento de lodo de ETA e ETE com base nas

ferramentas estudadas e metodologias elaboradas.

23

3 REVISÃO BIBLIOGRÁFICA

3.1 Geração de lodo em sistemas de saneamento

3.1.1 Estações de tratamento de água (ETA)

Caracterização e quantificação do lodo

O processo de tratamento de água potável tem como objetivo a remoção de

contaminantes, visando a distribuição para a população. Dependendo das características de

tratamento, o processo em Estações de Tratamento de Água (ETA) gera diferentes tipos de

resíduos: sólidos, líquidos ou gasosos. Destaca-se, pela quantidade gerada, o lodo, que é o

resíduo produzido no processo de decantação, e a água de lavagem de filtros em estações de

tratamento de ciclo completo (AWWARF, 2007).

No Brasil o sistema de tratamento de água mais utilizado é o convencional ou de ciclo

completo. Este é composto por coagulação, floculação, decantação ou flotação, filtração

descendente, desinfecção e, conforme a necessidade, adição de flúor, ajuste de pH, entre

outros processos e operações Os coagulantes mais utilizados são sulfato de alumínio,

hidróxido de ferro ou policloreto de alumínio (PAC). Além dos coagulantes, a eventual

utilização de cal, polímeros auxiliares de coagulação, oxidantes e carvão ativado nas ETA

alteram a composição dos lodos gerados (TSUTIYA e HIRATA, 2001; DI BERNARDO e

SABOGAL-PAZ, 2008).

Pensando no lodo como o “resíduo líquido que contém sólidos em suspensão

provenientes da água bruta e da reação de produtos químicos inseridos no processo de

tratamento”, é possível apontar diversos processos como geradores desse resíduo: pré-

sedimentação; coagulação; lavagem de filtros; remoção de ferro e manganês; etc. (NDWC,

1998). Na Figura 3-1 pode-se observar um fluxograma com a geração de resíduos em ETA de

ciclo completo.

24

Figura 3-1. Linhas de produção de resíduos em uma ETA de ciclo completo considerando alternativas de tratamento, aproveitamento e disposição. Fonte: Di Bernardo e Sabogal-Paz (2008).

25

Como anteriormente citado, a composição do lodo de ETA depende dos produtos

químicos inseridos durante o tratamento e das características da água bruta.

Proveniente da composição da água bruta, a fração sólida do lodo de ETA contém:

sólidos em suspensão, que incluem material inorgânico (silte, areia, argila e óxidos metálicos

hidratados) e matéria orgânica (partículas coloidais floculadas e componentes que conferem

cor à água); e sólidos dissolvidos que são formados primordialmente por compostos

inorgânicos dissolvidos (USEPA, 2011). Além disso, pode haver organismos patogênicos

removidos da água bruta (DI BERNARDO et al., 2012) e metais provenientes de descargas

industriais (USEPA, 2011).

Dos produtos químicos adicionados ao tratamento de água, o lodo pode conter: metais

provenientes dos coagulantes usados (sais de alumínio, sais de ferro) e suas impurezas,

polímeros auxiliares de coagulação, permanganato de potássio (controlador de sabor e odor),

soda cáustica (redução de dureza) (USEPA, 2011), cal, carvão ativado em pó (DOE, 1990),

entre outros aditivos (oxidantes).

Os lodos de ETA têm a umidade elevada como característica inerente, podendo atingir

valores superiores a 95%. Sendo um resíduo predominantemente em forma fluida, um dos

objetivos de seu tratamento é a redução desse volume, de forma a diminuir custos de

transporte, disposição e poluição (REALI, 1999).

Outros problemas inerentes ao tratamento de lodos de ETA são: a variabilidade das

características do resíduo e o potencial poluente dos mesmos em função da qualidade da água

bruta e da variabilidade de produtos químicos e tecnologias usadas no processo de tratamento

da água. Isso faz com que a solução acabe sendo individualizada, dificultando a definição de

ações (REALI, 1999; DI BERNARNDO et al., 2012).

A redução do volume dos lodos pode-se dar pela remoção da água livre e dos

interstícios dos sólidos. Para isso existem métodos naturais e mecânicos (Figura 3-2). Apesar

desses sistemas serem os mais comuns, outros inovadores vêm sendo estudados por

pesquisadores ao redor do mundo (REALI, 1999).

O fluxo completo de tratamento do lodo, inserido no tratamento de água de ciclo

completo, pode ser observado no fluxograma da Figura 3-1. Esse fluxo pode ser composto por

adensamento, desaguamento e destinação ou disposição, dependendo das características do

lodo. Mais detalhes sobre as etapas de tratamento de lodo podem ser consultados em Di

Bernardo et al. (2012).

26

Figura 3-2. Formas de redução do volume de lodo de ETA. Fonte: Reali (1999).

Os parâmetros utilizados na caracterização dos lodos de ETA podem ser relacionados

com os aspectos ambientais necessários para a sua disposição, nesse caso: pH, sólidos, metais,

DBO, biodegradabilidade, toxicidade, etc. Ou podem estar relacionados com os aspectos

geotécnicos, relacionados com a remoção de água, para sua posterior utilização, como:

tamanho e distribuição das partículas, limites de consistência, resistência e sedimentabilidade

(CORDEIRO, 2002).

Essa caracterização também pode variar conforme o gerenciamento adotado no

processo de tratamento, dependendo de fatores como a tecnologia de tratamento, tipo e

dosagem de coagulante, características da floculação e filtração, características e dosagem de

polímeros, uso de oxidante e carvão ativado pulverizado se for o caso, método de limpeza dos

decantadores e lavagem dos filtros, entre outros de interesse específico (DI BERNARDO et.

al., 2011).

A dosagem de polímeros pode influenciar na turbidez, tornando o lodo mais ou menos

concentrado. O pH pode influenciar na compressibilidade do lodo. A utilização de sais de

ferro ou alumínio pode alterar as características do lodo, inclusive na concentração de sólidos.

(VERRELLI, 2008).

É importante que a caracterização do lodo de ETA esteja relacionada com a alternativa

de disposição/utilização desejada, e não apenas seguindo a caracterização das normas vigentes

(TSUTIYA e HIRATA, 2001). Na Tabela 3-1 são apresentados alguns possíveis parâmetros

de caracterização de lodos de ETA que podem indicar a viabilidade de possíveis usos.

27

Tabela 3-1. Alguns parâmetros de caracterização de lodos de ETA para utilização benéfica. Parâmetros Físicos Unidade Parâmetros Químicos Unidade

Concentração de sólidos % Nitrogênio total mg/kg Cor Fósforo total mg/kg Textura Potássio mg/kg Teor de umidade % Nitrogênio Amoniacal mg/kg Granulometria % Nitrato/Nitrito mg/kg Limite de liquidez % de umidade Cálcio mg/kg Limite de plasticidade % de umidade Carbonato de cálcio % Massa específica kg/m³ Metais Peso específico kN/m³ Radionuclídeos Retração Matéria orgânica Ruptura por cisalhamento Coliformes totais Perda ao fogo % pH Fonte: Adaptado de AWWA (1999) e Di Bernardo et al. (2012)

3.1.2 Estações de tratamento de esgoto (ETE)

Os processos de tratamento de esgotos, assim como o tratamento de água, geram

resíduos. O tratamento de esgotos difere do tratamento de água pela preponderância de

processos biológicos de degradação/estabilização da matéria orgânica nele contida. Segundo

Von Sperling (2005) existem sistemas de tratamento de esgotos aeróbios (lodos ativados,

reatores aeróbios com biofilmes, lagoas de estabilização aeróbias) e anaeróbios (filtro

anaeróbio, reator anaeróbio de manta de lodo e fluxo ascendente – UASB, lagoas de

estabilização anaeróbias). Um fluxograma do tratamento do tipo lodo ativado pode ser

observado na Figura 3-3.

Figura 3-3. Fluxograma de uma estação de esgotos utilizando o método de lodos ativados. Fonte: SABESP, 2011.

28

Na Figura 3-4 é possível observar um exemplo de tratamento anaeróbio (UASB)

seguido de tratamento por lodos ativados. Informações mais detalhadas sobre os processos e

operações unitárias empregadas no tratamento de esgotos podem ser encontradas em Metcalf

e Eddy (1991).

Figura 3-4. Fluxograma de um sistema composto por reator UASB seguido por lodos ativados. Fonte: Von Sperling et al. (2001).

Os lodos de ETE, pelas próprias características do afluente, têm alguns agravantes em

relação ao lodo de ETA. Nos lodos de ETE existe maior probabilidade de contaminação por

metais pesados, microrganismos patogênicos (GANTZER et al., 2001) e poluentes orgânicos

(KATSOYIANNIS e SAMARA, 2004). Os contaminantes citados são determinantes no uso

do lodo em áreas agrícolas, inclusive nas restrições da legislação brasileira.

O tratamento do lodo de ETE segue os mesmo processos convencionais do tratamento

de lodo de ETA, somados à estabilização e higienização (KELESSIDIS e STASINAKIS,

2012). Esses processos específicos para o lodo de ETE são importantes para estabilizar a

matéria orgânica e inativar microrganismos patogênicos.

3.2 Formas de destinação final de lodo de ETA Entre os potenciais usos benéficos para o lodo de ETA, podem-se destacar aqueles no

setor ceramista (MONTEIRO et al., 2008; SILVA e FUNGARO, 2011; TARTARI et al.,

2011; CORNWELL et al., 2011; KIZINIEVIC et al., 2013; SILVA et al, 2015); fabricação de

blocos de concreto para vedação (CHÁVEZ-PORRAS et al., 2008), fabricação de cimento

(HOPPEN et al., 2006; KYNCL, 2008), pavimentação (TSUTYIA e HIRATA, 2001;

29

FADANELLI e WIECHETECK., 2010), aplicação em áreas degradadas (TEIXEIRA e

MELO, 2007; MOREIRA et al., 2009), como condicionador de solo na silvicultura

(eucaliptos) (CORNWELL et al., 2000), como co-condicionador (LAI e LIU, 2004; YANG et

al., 2006; BABATUNDE e ZHAO, 2007) e uso agrícola (VERLICCHI e MASOTTI, 2001;

BOTERO et al., 2009). O lodo de ETA pode ter efeito benéfico em sistemas de esgoto no

controle de H2S (TSUTYIA e HIRATA, 2001; AWWARF, 2007) e na remoção de fósforo

(GEORGANTAS e GRIGOROPOULOU, 2005; MORTULA e GAGNON, 2007;

BABATUNDE e ZHAO, 2010; CHAO et al, 2011; GIBBONS e GAGNON, 2011; ZHAO et

al., 2011b). A recuperação de coagulantes também é um uso tecnicamente viável (KYNCL,

2008; DASSANAYAKE et al., 2015), mas não há relato sobre experiências em escala real de

longo prazo.

A distribuição da destinação final do lodo de ETA pode variar bastante, dependendo

das características de cada local. Nos EUA o uso benéfico predominante dos lodos de ETA e

ETE é agrícola, enquanto a França tem destinação bastante variada (CORNWELL et al.,

2000; ADLER, 2002). Estudos na República Checa apontaram que a maior parte do lodo de

ETA vai para os aterros sanitários, enquanto que na Holanda o percentual de uso benéfico

pode chegar a 25% (KYNC, 2008).

Além de cumprir as diretrizes da Política Nacional de Resíduos Sólidos (BRASIL,

2010), o tratamento e uso de lodos de ETA pode ser considerado como oportunidade de

redução de custos e de impactos ambientais em empresas de saneamento (TSUTIYA e

HIRATA, 2001).

A forma de utilização do lodo depende da quantidade, do teor de sólidos e

características físico-químicas do mesmo (REALI, 1999). A quantidade e característica dos

lodos variam em relação à tecnologia de tratamento, qualidade da água bruta, tipo e dosagem

de produtos químicos utilizados. O teor de sólidos varia conforme o processo de

desaguamento do lodo, que pode ser por secagem natural (leitos de secagem, lagoas de lodo)

ou desaguamento mecânico (filtro prensa, centrífuga) (TSUTIYA e HIRATA, 2001).

3.2.1 Uso do lodo de ETA como material de construção civil

O uso do lodo de ETA em materiais de construção civil é uma boa alternativa.

Entretanto, existe uma preocupação com as características no produto final que utiliza o lodo,

devido à variabilidade na sua composição (química e biológica) e umidade. Logo, um dos

desafios para a incorporação dos resíduos de ETA nos processos industriais de materiais de

construção civil é manter a estabilidade de sua composição (BABATUNDE e ZHAO, 2007).

30

Uso no setor ceramista

A matéria-prima utilizada na fabricação de cerâmica vermelha – argilas e os resíduos

originados nos decantadores de ETA têm composição química semelhante (MONTEIRO et

al., 2008; TARTARI et al., 2011; VICTORIA, 2012). A princípio, o lodo férrico apresenta-se

mais adequado para esse uso, devido ao conteúdo de ferro e matéria orgânica (BABATUDE e

ZHAO, 2007). Entretanto, estudos com lodo de alumínio indicam também sua viabilidade na

substituição de parte da argila em materiais cerâmicos (HEGAZY et al., 2011; HEGAZY et

al., 2012a, 2012b, SILVA et al, 2015).

Alguns pontos devem ser observados sobre a substituição. Devido à grande

variabilidade de qualidade dos lodos (Tabela 3-2), estudos devem ser realizados para cada

caso, verificando a compatibilidade entre os materiais e o processo de fabricação envolvido

(MORITA et al., 2002). As relações mássicas lodo/argila devem ficar entre 5% e 12,5%, para

que não ocorram alterações significativas nas propriedades mecânicas das peças cerâmicas

produzidas (MORITA et al., 2002; MONTEIRO et al., 2008; TARTARI et al., 2011;

VICTORIA, 2012). O lodo também pode ser incorporado na cerâmica vermelha em uma

mistura com outros resíduos, como sílica, cinzas de casca de arroz e sedimentos, variando a

sua quantidade (HUANG et al., 2001; HEGAZY et al., 2011; HEGAZY et al., 2012a, 2012b).

Tabela 3-2. Características gerais de lodos de ETA e características de lodos usados com sucesso na produção de blocos cerâmicos e agregados (% massa seca).

Constituinte Lodo de alumínio

Lodo férrico Lodo de cal LA em blocos cerâmicos

Alumínio 29,7 ± 13,3 10,0 ± 4,8 0,5 ± 0,8 23,3 ± 9,5 Ferro 10,2 ± 12 26,0 ± 15,5 3,3 ± 5,8 9,8 ± 5,5 Cálcio 2,9 ± 1,7 8,32 ± 9,5 33,1 ± 21,1 1,8 ± 2,6

Magnésio 0,89 ± 0,8 1.6 2,2 ± 1,04 0,5 ± 0,3 SiO2 33,4 ± 26,2 Sd 54,57 33,0 ± 9,6 TiO2 Sd Sd Sd 1,3 ± 0,8 K2O Sd Sd Sd 0,5 ± 0,3

Notas: sd: sem dados; LA: Lodo de Alumínio. Dados de lodo de alumínio, férrico e de cal compilados por Babatunde e Zhao (2007). Dados de lodo de alumínio em blocos cerâmicos compilados de Huang et al. (2001); Monteiro et al. (2008); Hegazy et al. (2011); Tartari et al. (2011); Victoria (2012).

Altos teores de umidade no lodo de ETA podem ser prejudiciais, obstruindo

passagens, aderindo nas paredes dos equipamentos do processo produtivo ou não permitindo a

conformação do bloco. Quanto mais próxima a granulometria do lodo à da argila, melhor sua

aplicabilidade. A presença de carvão ativado (causa expansão e consequentes rachaduras no

tijolo) e grandes teores de cal (devido à formação de CO2) podem inviabilizar sua aplicação.

31

Lodos com hidróxido de ferro dão coloração avermelhada ao tijolo, desejada pelos

consumidores (CORNWELL et al., 2000).

É importante salientar que o sucesso da aplicação do lodo em peças cerâmicas não

depende apenas das características físico-químicas dos resíduos, coagulantes e outros

produtos químicos utilizados no processo de tratamento, mas também da proximidade entre a

indústria cerâmica e a estação de tratamento de água, da aceitação do lodo pelo fabricante de

blocos cerâmicos, e dos custos de transporte e armazenamento desse material (PRADICELLI

e MELCHIADES, 1997).

A produção de cerâmica branca com lodo de ETA também tem sido estudada, mas a

utilização de um material com composição tão variável dificulta o atendimento às restritas

especificações de qualidade desse material (SIMPSON et al., 2002).

Fabricação de cimento e materiais relacionados

Podem-se apontar algumas vantagens dessa aplicação: normalmente, o lodo de ETA

não é perigoso; tem alta concentração de sólidos; a composição química é semelhante aos

materiais utilizados na fabricação de cimento; lodos com coagulantes de alumínio formam

hidratos de cálcio e alumínio, que ajudam a prevenir a corrosão do cloro de estruturas de aço;

não há efeitos prejudiciais sobre a resistência em longo prazo. Podem-se apontar as seguintes

desvantagens: o teor de matéria orgânica no produto final (no caso de queima incompleta no

processo) pode afetar as propriedades mecânicas; o risco de geração de hidrogênio; expansão

de alumínio; elevado teor de água; risco de corrosão em fornos de cimento e a produção de

óxidos de ferro provenientes de lodo férrico pode produzir uma cor indesejável ao produto

final (PAN et al., 2004; BABATUNDE e ZHAO, 2007).

O lodo de ETA também pode substituir o cimento na produção de pavimento

intertravado de concreto (paver) para uso externo. Testes realizados com lodo férrico foram

satisfatórios para uma relação mássica lodo-cimento de até 40%. Todas as peças produzidas

foram consideradas não-vítreas e a absorção de água esteve em torno de 10% (ALQAM,

2011).

A produção de agregado leve também é possível. Huang e Wang (2013) avaliaram dez

amostras de lodo de alumínio de ETA em Taiwan e todas se mostraram adequadas para a

fabricação de agregados leves. A incorporação de lodo de ETA como agregado fino na

produção de blocos foi estudada por Kaosol (2010), que apontou sua viabilidade para uma

proporção de 10 a 20%, em massa, na mistura. Novamente, um problema encontrado foi a

variabilidade das características do lodo, o que torna necessária a análise de cada material.

32

Chávez-Porras et al. (2008) avaliaram a incorporação de lodo de ETA e agregado de

reciclado miúdo de resíduos de construção civil, na fabricação de blocos cerâmicos

estabilizados com cimento. Apenas com teores de umidade abaixo de 50% foi possível

produzir blocos cerâmicos, e mesmo assim os produtos obtidos não atenderam as normas

brasileiras de qualidade.

3.2.2 Uso de lodo de ETA em processos de recuperação de coagulantes

Uma fração significativa do custo do tratamento convencional de água é a aquisição

dos coagulantes (BABATUNDE e ZHAO, 2007). Por isso, a recuperação e reúso desses

produtos químicos diminui os custos com o tratamento e reduz a quantidade de lodo a ser

disposto.

Historicamente, as pesquisas sobre tecnologias de recuperação de coagulantes

iniciaram-se em 1903 por meio de processos de acidificação (JEWELL, 1903 apud KEELEY

et al., 2014). Diferentes métodos foram estudados para a recuperação de alumínio

(PETRUZZELLI et al., 1998) e ferro (VAEZI e BATEBI, 2001; KEELEY et al., 2016a).

Métodos para o reúso e recuperação de coagulantes, suas potencialidade e fragilidades são

mostrados na Tabela 3-3. O uso do lodo como fonte de coagulante em tratamento de águas

residuárias pode ser feito através de métodos mais simples de recuperação (por exemplo, a

acidificação).

Deve-se considerar os gastos com transporte e com o próprio processo, para que os

custos não excedam os benefícios econômicos (MIYANOSHITA et al., 2009). No Japão, a

recuperação de alumínio antes de 1972 era praticada em, pelo menos, 15 estações, até perder a

força devido à preocupação com possíveis impurezas no produto final (OGILVIE, 1997).

Keeley et al. (2016b) fizeram uma análise de custos para demonstrar a viabilidade da

recuperação de coagulantes para uso na remoção de fósforo de águas residuárias. Os autores

chegaram a um limite de 240km de transporte para que a recuperação seja economicamente

viável. O trabalho de Keeley et al. (2016b) foi elaborado para a realidade da Europa e deve

ser validado às realidades regionais, no caso da aplicação em outros locais.

Os estudos realizados apontam a viabilidade dos métodos (RUSSEL e PECK, 1998),

assim como a viabilidade econômica destes (PARSONS e JEFFERSON, 2006). Entretanto

existem dificuldades na passagem das escalas de bancada de alguns métodos para escalas

maiores, assim como com a variabilidade da composição dos lodos, pontos que devem ser

levados em consideração.

33

Tabela 3-3. Métodos de recuperação de coagulantes de lodos de ETA e pontos favoráveis e contrários à sua aplicação.

Abordagem de recuperação Potencialidades Fragilidades

Reú

so q

uím

ico

Solu

biliz

ação

Solubilização ácida simples

Método simples, baixo custo e bom entendimento da técnica

Não-seletiva, possibilidade de contaminação de metais pesados

e compostos orgânicos

Solubilização alcalina simples

Método simples, rejeita metais pesados

Custo alto, específico para alumínio, baixa eficácia na

recuperação

Tecn

olog

ias d

e se

para

ção

e re

cupe

raçã

o de

coa

gula

ntes

Sepa

raçã

o po

r m

embr

ana Ultrafiltração

Relativamente seletivo, baixo custo e bom entendimento da

tecnologia

Permeabilidade de compostos orgânicos considerável e

incrustação

Processo de recuperação de

alumínio (ReAl)

Capacidade de recuperar alumínio muito puro e

concentrado

Abordagem multi-estágio elevando custos e complexidade

Sepa

raçã

o ba

sead

a em

car

ga

Troca iônica líquida

Permite que altas concentrações sejam atingidas

na etapa de extração, bem restritivo

Risco de extravasamento de solvente tóxico, complexidade do

processo

Resinas de troca catiônica Altos rendimentos e pureza Regeneração é ineficiente e

custosa, problemas no scale-up

Resinas de troca aniônica

Potencial de reduzir os níveis de contaminantes orgânicos

em outros processos

Desempenho inadequado se usado individualmente

Teoria do equilíbrio de

membranas de Donnan

Forte desempenho em termos de pureza e concentração

Cinética lenta, requer grande área de membrana ou tempo de

contato.

Eletrodiálise

Pode ser capaz de acelerar a cinética lenta de outros

processos de membrana de troca iônica

Propenso a enfrentar problemas com incrustação, escala e alta

demanda de energia

Rec

icla

gem

de

coag

ulan

te n

o tra

tam

ento

de

água

s re

sidu

ária

s Dosagem para águas

residuárias

Pode gerar benefícios no tratamento.

Falha em resolver o problema da demanda de coagulante em ETA.

O transporte de coagulante recuperado entre os locais é dependente da proximidade

Fonte: Adaptado de Babatunde e Zhao (2007) e Keeley et al. (2014).

3.2.3 Uso do lodo de ETA como adsorvente de poluentes

O desenvolvimento de adsorventes a partir de subprodutos de diferentes processos

produtivos vem sendo considerada uma alternativa, pois é uma forma de minimizar resíduos e

economizar insumos (BABATUNDE e ZHAO, 2007).

34

Entre os poluentes passíveis de remoção a partir do lodo de ETA, cita-se o chumbo

(CHU, 1999), o cobre (WU et al., 2004) e o flúor (SUJANA et al., 1998), além de corantes de

efluentes têxteis (CHU, 2001). O fósforo merece destaque entre os compostos, pois seu

excesso pode promover a eutrofização nos corpos d’água receptores (CHAO et al, 2011;

BABATUNDE e ZHAO, 2010).

A remoção de fósforo a partir do lodo de alumínio de ETA pode ocorrer de algumas

maneiras: i) lodo na forma líquida para co-condicionamento e desaguamento de lodo ativado

anaeróbio digerido (YANG et al., 2007); ii) utilização de lodo desaguado em leito fixo para a

imobilização de fósforo (YANG et al., 2009).

Segundo Babatunde e Zhao (2010), a aplicação prática da adsorção de fósforo com

lodo de alumínio pode incluir: i) remoção de fósforo em sistema de tratamento de águas

residuárias; ii) redução do escoamento superficial de água contendo fósforo em áreas

agrícolas; iii) construção de barreira reativa; iv) implantação filtros de lodo para remoção de

fósforo em ETE já existentes.

3.2.4 Disposição de lodo de ETA no solo

Lodos de ETA têm sido utilizados em solos agrícolas por diversas empresas de

saneamento dos EUA. Testes realizados no Reino Unido demonstraram resultados positivos

para a aplicação de lodos em pastagens, plantação de trigo e turfa (SIMPSON et al., 2002).

A melhoria estrutural do solo é uma das aplicações com maior possibilidade de

resultado. O lodo de ETA não é utilizado como um condicionador de solo, mas como um

substituto do mesmo. As características de lodos de dezessete ETA nos EUA mostraram-se

adequadas para o crescimento de cultura de tomate, em sua maioria. Entretanto, baixos

valores de umidade, a densidade natural e a redução de fósforo (em torno de 10%) no local de

disposição devem ser observados com cuidado (DAYTON e BASTA, 2001). Dez amostras de

lodos de ETA africanas também foram avaliadas para aplicação no solo (TITSHALL e

HUGHES, 2005). Os autores do estudo enfatizaram que os seguintes cuidados devem ser

tomados: i) manter o pH em níveis que não provoquem liberação excessiva de metais pesados

do solo (principalmente aqueles ligados em compostos de carbonato); ii) utilizar coagulantes

com poucas impurezas; iii) verificar as características do solo base e as finalidades do terreno

onde será disposto o lodo.

Haraldsen et al. (2014) utilizaram lodo de ETA misturado com lodo de ETE e

composto orgânico de parques e jardins públicos, para melhorar a qualidade de solos

35

superficiais de gramados urbanos, tendo resultados positivos na adoção de proporção

volumétrica de 0,1 m³ de cada componente por m³ de solo.

As propriedades alcalinas do lodo de ETA também podem ser utilizadas para a

correção do pH do solo (BABATUNDE e ZHAO, 2007). Entretanto, em lodos com hidróxido

de alumínio, a fitotoxicidade desse elemento pode ser um problema em solos com pH acima

de 6,5 (TSUTIYA e HIRATA, 2001).

Três fatores são apontados por Babatunde e Zhao (2007) como cruciais para o sucesso

das aplicações de lodo de ETA no solo: i) a taxa ótima de aplicação com o mínimo de

impactos; ii) as características do lodo; iii) a intenção exata da aplicação.

Walsh et al. (2008) apontam alguns pontos negativos: i) custos de transporte e

aplicação; ii) potencial do lodo de alumínio se ligar ao fósforo e reduzir os nutrientes do solo;

iii) estigma negativo da aplicação de resíduos no solo em diversas comunidades; iv)

competição com outros resíduos sólidos (biossólidos, composto, etc.).

A capacidade do lodo de ETA como fixador de fósforo também pode ser usada para

reduzir o carreamento de nutrientes por escoamento superficial (CODLING et al., 2000;

ELIZABETH et al., 2003) Entretanto Novak e Watts (2004) apontam alguns limitantes para

essa prática: i) desafio logístico do transporte de grandes quantidades de lodo; ii)

preocupações sobre a estabilidade e longevidade da imobilização de fósforo, especialmente

com a variação de pH. As características locais também devem ser levadas em conta. No

Brasil existe uma grande necessidade de uso de fertilizantes fosfatados, pois os solos de várias

regiões tem grande capacidade de fixação de fósforo, sendo, desta forma, desnecessário o uso

de um fixador de P (ANDREOLI et al., 2001)

3.2.5 Outros possíveis usos do lodo de ETA

Estudos iniciais apontam a possibilidade de uso do lodo de ETA incorporado em

mistura betuminosa em obras de pavimentação, como material estabilizado na sub-base de

rodovia ou como liner de aterros sanitários (BABATUNDE e ZHAO, 2007).

Caniani et al. (2013) apresentaram um protocolo para a produção de um “biossolo”,

com a mistura de lodo de ETA e fração orgânica estabilizada de resíduos sólidos urbanos.

Esse material apresenta-se como possível aplicação em camadas de cobertura de aterros

sanitários. O “biossolo” não apresentou grandes riscos ambientais mesmo com quantidades

maiores que 2000 toneladas de sólidos em suspensão por hectare.

O lodo de ETA também pode ser utilizado como componente do substrato de wetlands

construídas, para reduzir os teores de fósforo e adsorver vários poluentes (YANG et al., 2006;

36

ZHAO e ZHAO, 2009; BABATUNDE et al., 2010; WU et al., 2011; YANG et al., 2011;

ZHAO et al., 2011b; HU et al., 2012).

3.3 Formas de destinação final do lodo de ETE Diferentemente do lodo de ETA, os resíduos provenientes de tratamento de esgoto

apresentam maior quantidade de matéria orgânica e maior possibilidade de conter organismos

patogênicos, poluentes orgânicos e metais pesados (GONÇALVES, 1999; SILVA et al.,

2001). Todas as aplicações possíveis desse material têm de ser avaliadas com muito cuidado,

para que não haja risco ambiental e sanitário.

As características físico-químicas dos lodos dependem da composição das águas

residuárias e dos processos que compõem o tratamento tanto da fase líquida quanto da fase

sólida. Sabe-se que estas características podem variar anualmente, sazonalmente ou até

mesmo diariamente, em consequência das variações nas características das águas residuárias.

Estas variações são mais acentuadas em sistemas que recebem grandes quantidades de

descargas industriais (TCHOBANOGLOUS et al., 2002). Por isso, é essencial que haja um

programa de recebimento de efluentes não domésticos adequado, para a que a variabilidade e

os contaminantes do lodo de ETE sejam minimizados.

Devido a essa variabilidade em relação à composição, os processos de tratamento de

esgoto, assim como de lodo devem ser projetados considerando a forma de destinação

(FERNANDES et al., 2001) . Alguns fatores podem limitar a utilização benéfica do lodo de

ETE, ou mesmo direcionar seu uso (Tabela 3-4).

Apesar da forma mais comum de uso benéfico do lodo de ETE ser a reciclagem

agrícola, outras formas são relatadas: recuperação de áreas degradadas, matéria-prima de

composto orgânico, telhados verdes, controle de erosão, silvicultura; uso em fornos de

cimento, fabricação de materiais de construção, pavimentação, cobertura diária e final de

aterro sanitário (BEECHER, 2008; CHEN e KUO, 2016).

3.3.1 Disposição de lodo de ETE no solo

O lodo de ETE pode ser chamado de biossólido, ou seja, é a matéria orgânica sólida

recuperada no processo de tratamento de esgoto (BEECHER, 2008).

A aplicação de lodo de ETE na agricultura ocorre há algumas décadas. Nos EUA, com

a proibição de lançamento nos corpos d’água, a disposição do lodo de ETE no solo passou a

ser encorajada nos anos 1970 (LU et al., 2012). Na Europa, regulamentações foram

elaboradas durante a década de 1980 (MATTHEWS, 2008). No Brasil, os Estados do Paraná e

37

de São Paulo regulamentaram o uso do biossólido na agricultura durante a década de 1990, o

que ocorreu a nível federal apenas em 2006 (ANDREOLI et al., 2008).

Tabela 3-4. Limitantes da utilização de biossólidos na agricultura.

Critério Fator Limitantes ou direcionantes

Qua

lidad

e do

esg

oto

Grau de contaminação

Origem doméstica

Sem restrições ao uso benéfico do lodo, desde que não tenha a presença de patógenos.

Águas residuárias industriais

Restrição ao uso agrícola ou necessidade de tratamento para melhoria da qualidade.

Tecn

olog

ia d

e tra

tam

ento

do

esgo

to

Decantação primária Existente Produção de lodo nesta etapa com alto teor de matéria

orgânica, e emissão de odores.

Precipitação química (se existente)

Pré-precipitação

Aumenta a produção de lodo primário e amplia capacidade de tratamento biológico. Lodo instável e de

difícil desaguamento. Pós-

precipitação Reduz a carga orgânica do final do efluente, precipita o

fósforo. Lodo instável e de difícil desaguamento.

Tratamento biológico

Processos aeróbios Maior quantidade de lodo biológico gerada.

Processos anaeróbios Menor quantidade de lodo gerado.

Proc

essa

men

to d

o lo

do

Desaguamento do lodo

Alternativas mecânicas

Vantagem com volumes de lodo que permitam o uso contínuo do equipamento.

Leitos de secagem Volumes de lodo menores ou descontínuos.

Estabilização Importante para reciclagem agrícola. Importância moderada para outros usos.

Condiciona-mento Avaliação dependendo das condições locais.

Desaguamento

Importante para minimizar custos de transporte e armazenamento. Influencia no comportamento mecânico do lodo. Áreas de agricultura próximas podem preferir

lodo líquido.

Higienização Essencial para usos com contato humano ou ambiental. Torna o lodo sanitariamente seguro.

Flexibilidade de tecnologia

Todas etapas possíveis

Importante para permitir vários tipos de valorização e destino final.

Custos

Instalação Itens como área necessária, equipamentos, obras civis e instalações elétricas.

Operação Obras civis de reparo e ampliação, manutenção de

equipamentos, energia, matérias-primas, mão de obra e controle de qualidade do lodo.

Transporte Proximidade e necessidade de teor de sólidos do lodo da destinação final.

Estocagem Área necessária, impermeabilização, maquinário.

Destinação Monitoramento do destino, necessidade de pagamento ou possibilidade de cobrança para o destino do lodo.

Fonte: Adaptado de Fernandes et al. (2001).

38

A aplicação de lodo de ETE na agricultura traz uma série de benefícios, entre os quais

pode-se citar: i) ciclagem de nutrientes; ii) a fixação de carbono no solo e consequente

contribuição contra o efeito estufa antropogênico; iii) controle da erosão pela contribuição na

agregação das partículas (ANDREOLI et al., 2001) iv) como condicionante do solo,

melhorando características como a densidade natural, porosidade, umidade, capacidade de

troca catiônica, aeração, drenagem, comunidade microbianas (LU et al., 2012)

Para a reciclagem agrícola, o lodo de ETE tem de respeitar alguns limites, buscando a

segurança sanitária do uso desse material. Na Tabela 3-5 podem-se observar os limites

estabelecidos de poluentes em alguns países. É importante acrescentar que na Europa a

diretiva é usada como princípio básico, sendo que cada país adota medidas mais restritivas a

partir dela (BEECHER, 2008). Na África do Sul, existem três classes de biossólido na

legislação (SNYMAN, 2008), sendo aqui apresentados os mais restritivos.

Algumas normas incluem também limites para compostos orgânicos e outros

microrganismos patogênicos. Outros aspectos importantes são a taxa de aplicação e critérios

para monitoramento (SANTOS, 2001). Preocupações com a proliferação de vetores e emissão

de odores também são discutidos e soluções são propostas pelas normas (LU et al., 2012).

Segundo Hespanhol (2014), as normas de aplicação do biossólido no solo podem ser

baseadas: i) na prevenção do acúmulo de poluentes no solo e ii) na maximização da

capacidade do solo em assimilar e atenuar o efeito dos poluentes. O autor afirma que o

segundo critério é o mais adequado, por identificar rotas de exposição, permitindo a aplicação

do biossólido em países sem recursos financeiros para disposição do lodo de ETE.

Patógenos podem ser encontrados no esgoto devido à contaminação de fezes humanas

ou animais. Os coliformes fecais termotolerantes são indicadores amplamente utilizados.

Entretanto, a inativação de agentes patogênicos depende da sua natureza, ou seja, a ausência

de um indicador não necessariamente indicará a ausência do patógeno no biossólido (SIDHU

e TOZE, 2009).

Alguns dos organismos com comportamento diferenciado são denominados

emergentes (na maioria vírus) e a informação sobre eles ainda é incipiente. Outros organismos

de preocupação crescente, apesar de já serem identificados há algum tempo, são os

protozoários (como Giardia spp. e Cryptosporidium spp.) e helmintos. Os métodos de

detecção são complexos, por isso são atualmente buscados outros indicadores correlacionados

com a presença desses organismos (SIDHU E TOZE, 2009).

39

Tabela 3-5. Limites legais para o uso de biossólidos na agricultura em alguns países. Variável Brasil EUA União

Europeia China *

África do Sul

Conama 375/2006

U.S.EPA 40 Part 503

Diretiva de 1986

N.S.: GB 4284-84

wastewater guidelines

Arsênio (mg/kg BS) 41 75 - 75/75 < 40 Bário (mg/kg BS) 1300 - - 150/150 - Cádmio (mg/kg BS) 39 85 20-40 20/5 40 Cromo (mg/kg BS) 1000 3000 - 1000/600 1200 Cobre (mg/kg BS) 1500 4300 1000-1750 1500/800 1500 Chumbo(mg/kg BS) 300 840 750-1200 1000/300 300 Mercúrio (mg/kg BS) 17 57 16-25 15/5 15 Molibdênio (mg/kg BS) 50 75 - - - Níquel (mg/kg BS) 420 420 300-400 200/100 420 Selênio (mg/kg BS) 100 100 - - - Zinco (mg/kg BS) 2800 7500 2500-4000 3000/2000 2800 Col. Term. (NMP/gMS)

< 1000 < 1000 - - < 1000

Helmintos (Ovos/gST) <0,25 - - - <0,25 Vírus (UFP/gST) < 0,25 < 1,0 - N.D. - Legenda: mg/kg BS: miligrama por kilograma em base seca; NMP/gMS: número mais provável por miligrama de matéria seca; Ovos/gMS: número de ovos por grama de sólidos totais; UFP/gST: unidade formadora de placa por grama de sólidos totais;Col. Term.: coliformes termotolerantes; N.D.: não detectado; N.S.: National Standard;* A China apresenta valores regulatórios diferentes para solos com pH>6,5/pH<6,5 Fonte: Adaptado de Beecher (2008), He (2008), Matthews (2008), Snyman (2008) e Hespanhol (2014).

Os compostos orgânicos emergentes, tais como fármacos e disruptores endócrinos,

também são uma crescente preocupação de contaminação. Essenciais na sociedade moderna,

são produzidos dezenas de milhares desses compostos para os mais diversos fins. Apesar da

maioria deles, no biossólido, não ser considerada de risco para a saúde humana, alguns

compostos tem evidência de efeitos adversos no ambiente (CLARKE e SMITH, 2011).

Na Tabela 3-6 são mostrados alguns dos compostos orgânicos extensivamente

estudados e com evidências de ecotoxicidade, persistência no solo ou biacumulação em

receptores ecológicos. Os compostos foram identificados pelas siglas em Língua Inglesa,

auxiliando futuras pesquisas em bases de dados internacionais. Todos os possíveis efeitos

descritos na Tabela 3-6 são controversos; as pesquisas são iniciais e ainda não se tem certeza

dos impactos de pequenas concentrações em longo prazo.

O controle de odores é uma preocupação com os biossólidos, apesar de não fazer parte

da maioria das normas nacionais. O principal problema em relação a esse aspecto é a difícil

aceitação pública de um material que tem odor desagradável. A legislação de alguns locais

dos EUA proíbem o uso de biossólidos devido ao seu odor. Os efeitos potenciais dos odores à

saúde e qualidade de vida das comunidades submetidas ainda precisam ser mais estudados.

40

Por isso a eliminação ou mitigação desses incômodos odores é um dos grandes desafios para a

aceitação do uso de biossólidos (LU et al., 2012).

Tabela 3-6. Compostos orgânicos possivelmente encontrados em lodo de ETE. Composto Descrição Efeitos possíveis Fármacos1 Compostos usados em medicina humana e

veterinária Aumento de resistência de bactérias do solo.

Benzotiazóis2 Agentes de vulcanização da borracha Grau de toxicidade aquática, fungicida herbicida e algicida

Bisfenol A3 Plastificante usado como monômero na fabricação de policarbonato e resinas plásticas

Disruptor endócrino

OT2 Usado na fabricação de PVC, fungicidas, bactericidas, inseticidas, catalisadores industriais e conservantes de madeira

Toxicidade aquática

PBDE3 Usado na fabricação de resinas e plásticos (PVC), adesivos e alguns cosméticos


PCA2 Retardador de chama usado em plásticos, têxteis, circuitos eletrônicos e outros

Disruptor endócrino, problemas no desenvolvimento neurológico e câncer

PCN2 Aditivos para lubrificantes e tintas, retardador de chama, plastificantes

Câncer

PDMS2 Fluidos dielétricos, aditivos de óleo, compostos de galvonoplastia, conservantes de madeira, lubrificantes, corantes

Toxicidade

PAE2 Produtos resistentes ao calor, óleo, manchas, gordura e água


QAC4 Surfactantes catiônicos (amaciantes de roupas, condicionadores de cabelo, desinfetantes, biocidas e outros aditivos

Baixa toxicidade aquática, possível resistência bacteriana

Esteróides1 Anticoncepcionais Alterações hormonais Almis. Sint.4 Fragrâncias em detergentes, cosméticos,

xampu, perfume e alimentos Toxicidade

TCS e TCC4 Agentes antimicrobianos usados em produtos de cuidado pessoal (xampus, sabonetes, desodorantes, cosméticos, enxaguatórios bucais, loções e cremes para pele

Atividade antibiótica e antifúngica, inibição de crescimento de algas, disruptor endócrino

Legenda: OT: Organoestânicos; PBDE: Éteres difenil-polibromados; PCA: Alcanos policlorados; PCN: Naftalenos policlorados; PDMS: Polidimetilsiloxano; PAE: Ésteres de ácidos ftalatos; QAC: Composto quaternário de amônio; Almic. Sint.: Almíscares sintéticos; TCS: Triclosan; TCC Triclocarban. Fonte da contaminação: 1Dejetos humanos e animais; 2Efluentes industriais; 3Efluentes industriais e lixiviação do produto final; 4Esgoto doméstico Fonte: Adaptado de Clarke e Smith (2011).

A falta de estabilidade da matéria orgânica (dada por excesso de sólidos voláteis),

além da liberação de odores, pode atrair vetores (insetos e pequenos mamíferos). O controle

desses vetores também é essencial para a aceitação do produto e segurança sanitária daqueles

que tem contato com o mesmo (ANDREOLI et al., 2001).

41

A estabilização do lodo de ETE pode ocorrer por diversos processos, entre eles pode-

se citar a estabilização em leito de secagem, estabilização com o uso de anelídeos,

estabilização anaeróbia e posterior recuperação do biogás (CIÉSLIK et al., 2015). A seleção

do método de estabilização ocorre baseado nas características de cada local.

Considerando ou não os patógenos emergentes, o biossólido já estabilizado que ainda

apresenta algum tipo de contaminação deve ser submetido a processos de higienização. Esses

processos podem ser relativamente simples como a caleação ou compostagem ou mais

complexos como a secagem térmica por irradiação beta ou gama. O processo de higienização

deve fazer parte do gerenciamento da destinação do lodo de ETE. Por exemplo a adição de cal

pode dar ao biossólido a característica de corretivo agrícola (ANDREOLI et al., 2001;

FERNANDES et al., 2001).

Conforme Andreoli et al. (2001), outros pontos importantes a serem observados na

aplicação de biossólidos no solo agrícola são: i) distâncias seguras da aplicação em relação a

cursos d’água, lagos, poços, áreas de mananciais, áreas residenciais e de frequentação pública;

ii) aptidão dos solos para recebimento do biossólido; iii) culturas recomendadas para o uso do

biossólido iv) controle da taxa de aplicação; v) armazenamento e transporte adequado; vi)

operação dos sistemas; vii) distância dos locais de aplicação; viii) mercado receptor; ix)

estimativa de custos de todas as etapas, de modo a tornar o processo economicamente

sustentável; x) estabilização da matéria orgânica para controle de odores e proliferação de

vetores.

3.3.2 Outras possíveis aplicações de lodo de ETE

Uma forma alternativa potencial de uso do lodo de ETE é como adsorvente. A forma

mais indicada de produzir esse material com alta área superficial é a ativação química, usando

hidróxidos alcalinos metálicos. O lodo de ETE tem sido usado como adsorvente de corantes e

metais (SMITH et al., 2009).

Na indústria de cimento, o lodo de ETE pode ser utilizado individualmente (LIN et al.,

2012), ou em conjunto com outros materiais (RODRÍGUEZ et al., 2012). O lodo desaguado

de ETE tem sido satisfatoriamente usado no processo de queima do clínquer com teores de até

15%, apesar de ligeira queda na resistência à compressão (LIN et al., 2012).

É possível adicionar o lodo de ETE ao solo usado como base de rodovias (DAS e

SWAMY, 2014). A aplicação pode ser de até 10% em massa. Para melhorar os desempenhos

mecânico e econômico, pode ser realizada uma estabilização com aditivos (cimento, cal e

42

emulsão asfáltica), para incrementar as propriedades do lodo e satisfazer as condições

mínimas exigidas (LUCENA et al., 2014).

O uso de lodo de ETE em fabricação de produtos cerâmicos é controverso. Testes de

lixiviação e toxicidade em blocos cerâmicos com adição de lodo de ETE não apresentaram

restrições ao seu uso (CUSIDÓ e CREMADES, 2012). Estruturalmente, a proporção de lodo

é importante. A incorporação de até 20%, em massa, não induz alterações nas características

funcionais dos blocos cerâmicos. No entanto, em relações mássicas de lodo/argila acima de

20%, as características mecânicas do tijolo são afetadas (LIEW et al., 2004a). A perda ao fogo

é prejudicada pelo teor de matéria orgânica do material (LIEW et al., 2004b).

Também existem relatos da recuperação de materiais por meio da pirólise, ou de

metais preciosos por processos de oxidação ou redução (CIÉSLIK et al., 2015)

O uso do lodo de esgoto em outras aplicações apresenta os mesmos problemas da

aplicação na agricultura, existe possibilidade de presença de patógenos e metais pesados.

Essas formas de destinação diversas são menos praticadas, pois não se aproveita o potencial

agrícola do material. O potencial de geração de gases de efeito estufa, durante o tratamento e

a destinação também pode ser considerada, de forma a subsidiar melhor escolha pra a

destinação final do lodo de ETE (CHEN e KUO, 2016).

3.4 Aspectos gerenciais do lodo de ETA e ETE

3.4.1 Logística e sua aplicação nas etapas de produção e disposição do lodo

O processo de destinação final ou utilização dos resíduos de ETA e ETE envolve

tomadas de decisão relativas ao condicionamento, estabilização do lodo gerado, grau de

desaguamento, formas de transporte e armazenamento, potencial agrícola do lodo de ETE,

possível formas de utilização do lodo de ETA, proximidade dos centros receptores, eventuais

impactos e riscos ambientais, além dos aspectos econômicos inerentes (MANZOCHI, 2008).

O custo é um dos mais importantes fatores na escolha do método de processamento

dos lodos de ETA e ETE, mas não é o único. Uma série de outras variáveis de ordem

econômica e ambiental deve ser analisada em conjunto, a fim de selecionar o método de

processamento mais apropriado para a utilização do lodo em determinada região (CANZIANI

et al., 1999).

A logística adotada, com especial destaque para as áreas de armazenamento, estruturas

para higienização do lodo de ETE, distâncias de transporte, a análises para controle e

43

monitoramento da qualidade dos lodos, podem onerar em demasia os custos agregados ao

sistema de tratamento de águas e esgotos (MANZOCHI, 2008).

Por estes motivos Manzochi (2008) enfatiza que: “ainda não foi estabelecida uma

metodologia que defina os critérios e parâmetros necessários para qualificar e quantificar os

vários elementos a serem considerados em uma análise de custo-benefício para estruturação

de um sistema de gestão de lodo, ou por falta de conhecimento dos dados que devem ser

monitorados e controlados, ou por desconhecimento dos processos e técnicas envolvidos”.

Diante do exposto, percebe-se que a quantidade de estudos científicos com o tema da

logística da disposição e utilização do lodo de ETA e ETE é pequena.. A seguir serão

apresentados alguns dados de custos obtidos na literatura além de dois estudos de casos

brasileiros que propuseram sistema de gestão do lodo de ETA e ETE.

Owen (2002) apresentou algumas estratégias alternativas para o gerenciamento de

lodo das ETA. O autor enfatiza a importância de investigar cada planta individualmente em

função da variação das propriedades do lodo e dos custos de disposição final. Dentre as

opções de disposição e utilização do lodo apresentadas para o Reino Unido, o autor destaca a

utilização na agricultura e utilização em cerâmicas. Na Tabela 3-7 são mostrados os custos de

disposição do lodo por empresas de saneamento do Reino Unido.

Tabela 3-7. Custo de disposição do lodo de ETA no Reino Unido.

Método de Disposição Custo reportado (₤/ano) Custo Médio (₤/tSD) Custo no Reino

Unido (%) Aterro Sanitário 3.745.270,00 53,93 75,7 Transporte para ETE 816.770,00 161,67 16,5 Disposição no solo 320.000,00 30,40 6,5 Materiais de construção 25.000,00 41,67 0,5 Total 4.948.040,00 41,11 100 Fonte: Adaptado de Owen (2002)

Outra avaliação econômica de tratamento do lodo de ETA foi realizada por

Miyanoshita et al. (2009). Os autores enfatizam que os serviços públicos de abastecimento de

água japoneses precisam renovar suas instalações de tratamento de lodo. O estudo avaliou o

tratamento do lodo de plantas de tratamento de água para consumo humano por duas

abordagens: um sistema individual e um sistema combinado. No cenário de tratamento

individual, a ETA trata o lodo usando suas próprias instalações, enquanto que no cenário de

tratamento combinado, o lodo de ETA é transportado para um sistema de esgoto (Figura 3-5).

O custo de construção apresentou-se menor para o tratamento combinado do que para o

44

tratamento individual, enquanto que o custo de funcionamento é mais elevado para o

tratamento combinado, devido à carga de esgoto.

Figura 3-5. Seis cenários de tratamento de lodo estudados por Miyanoshita et al. (2009)

No entanto, a carga de esgoto adicional é menor do que o aumento dos custos para a

construção de um sistema de tratamento de lodo individual. Com o sistema de tratamento

combinado, os lodos têm de ser transportadas da ETA para uma estação de tratamento de

esgoto (ETE). Uma análise de custo revela que o transporte de lodos por estrada é menos

benéfico do que por dutos no sistema de esgoto, a menos que as duas estações estejam nas

proximidades. Em termos econômicos, o tratamento combinado em conjunto com o

“lododuto” é o mais vantajoso de todos os casos. O custo total depende das condições dadas e

os custos unitários assumidos (MIYANOSHITA et al., 2009).

A avaliação econômica foi conduzida para os seis casos mostrados na Figura 3-5. O

custo total do tratamento do lodo, incluindo a construção de instalação e operação, foi

determinado e comparado. Supôs-se que uma estação de tratamento de água potável trata

50000 m3/dia de água do rio com turbidez de 10 uT (sólidos em suspensão de

aproximadamente 14mg/L) utilizando uma dose média de cloreto de polialumínio (PAC) de

15mg/L, e produz 0,815 tonelada/dia de lodo úmido com teor de água de 65%. O sistema de

tratamento de lodo para ETA foi classificado em dois cenários: o tratamento individual e

45

tratamento combinado (MIYANOSHITA et al., 2009). Os dados em questão foram pensados

para o lodo gerado em uma planta de tratamento japonesa, com características de custo

regionais, mas a ideia pode servir de base para estudo em outros locais.

Em relação às pesquisas sobre os usos dos lodos de ETE, pode-se destacar o estudo

realizado por Manzochi (2008). O referido estudo teve por objetivo estruturar um Plano de

Gestão de Lodos de Estações de Tratamento de Esgotos através de uma avaliação estratégica

de gerenciamento, onde as variáveis mais importantes a serem consideradas na seleção de

alternativas para logística de implantação de UGL (Unidades Gerenciais de Lodo) foram

determinadas. Adicionalmente foi desenvolvida uma ferramenta informatizada para auxiliar

no processo de tomada de decisão para reciclagem agrícola, tendo em vista a infraestrutura

necessária para adequação dos resíduos; a logística operacional, de transporte, de

monitoramento e de controle; e os custos envolvidos. O desenvolvimento do modelo

conceitual teve por base a experiência e os dados do Estado do Paraná, através de um estudo

de caso da Gerência Regional de Sistemas de Saneamento de Ponta Grossa. O custo final do

tratamento e destinação final do lodo de ETE visando uso agrícola resultou em R$ 305,57/t

MS, sendo que as parcelas mais significativas para o processo decisório foram relativas ao

transporte do lodo, R$ 65,17/t MS (21,30% do custo total) e às análises do lodo e do solo R$

39,31/t MS (12,36%).

Considerando os volumes de lodo desaguado, o porte das instalações existentes, a

existência de processos mecanizados e a produtividade média de higienização, o estudo

propôs 4 alternativas de implantação das UGL, comparando diversos parâmetros de custos,

transporte e armazenamento. A alternativa 1 propunha uma UGL, a alternativa 2 duas UGL, a

alternativa 3 três UGL e a alternativa 4 com uma UGL recebendo lodos de três cidades e os

demais municípios da região com UGL local.

O estudo de Ribeiro (2008) abordou a utilização de um sistema de informações

geográficas como auxiliar na tomada de decisão para a gestão dos lodos gerados em dezenas

de ETA, utilizando-se do conceito de manutenção dos resíduos dentro da bacia hidrográfica

onde foram gerados. Diversos cenários foram gerados de forma a verificar a seleção de

alternativas mais adequadas para a gestão do lodo. Foram considerados cenários onde o gestor

era uma companhia de saneamento ou um consórcio de todas as companhias da bacia.

Também foram utilizadas alternativas de disposição em aterro sanitário e destinação para uso

em indústrias cerâmicas. O estudo procurou comprovar a eficácia do SIG no planejamento e

gerenciamento de resíduos de ETA.

46

Mitchell e Beasley (2011) apresentaram um modelo de programação linear para o

problema de tratamento e distribuição do lodo. O modelo foi implementado em uma grande

companhia de saneamento do Reino Unido. O software desenvolvido a partir do modelo pode

ser usado para planejar a manutenção de estações de tratamento, examinar o efeito das

mudanças nos tamanhos dos caminhões utilizados para transporte de lodo, examinar o efeito

de mudanças na entrada (geração) de lodo de plantas satélite (por exemplo: durante as

alterações populacionais).

3.4.2 Utilização de geotecnologias na otimização de processos de destinação final de

lodos

No presente item pretende-se definir os conceitos de geotecnologia pertinentes ao

estudo. Algumas aplicações técnicas foram apresentadas no item 3.4.1. (MANZOCHI, 2008;

RIBEIRO, 2008). De forma geral pode-se dizer que a Ciência de Informações Geográficas é

um campo da Ciência da Informação que trata de informações geográficas, já que se pode

definir Ciência da Informação um estudo sistemático da natureza e das propriedades da

informação (GOODCHILD et al., 1999).

Sistema de Informação Geográfica (SIG)

A seleção das áreas mais adequadas para a recepção, e consequente uso benéfico de

lodo de ETA ou de ETE, é um desafio para os gestores. Métodos utilizados para seleção de

locais para a implantação de aterros sanitários e usinas de incineração podem ser adaptados

para esse fim. Entre os métodos com grande potencial de utilização podem-se citar aqueles

baseados em Sistemas de Informação Geográfica (SIG) (CHIUEH et al., 2008;

NASCIMENTO e SILVA, 2014); SIG associado com avaliação multicriterial (ERSOY e

BULUT, 2009; NAS et al., 2010; DE FEO e DE GISI, 2014) ou mesmo SIG associado com

avaliação multicriterial e lógica fuzzy (CHANG et al., 2008; BAIOCCHI, et al., 2014;

DEMESOUKA et al., 2014).

Os Sistemas de Informação Geográfica são poderosos conjuntos de ferramentas para

amostrar, armazenar, transformar e apresentar dados espaciais do mundo real, de acordo com

as necessidades (SILVA, 2003; SILVA et al., 2008). Os dados geográficos representam

fenômenos do mundo real em termos de sua posição, seus atributos e suas possíveis inter-

relações. A visão do SIG pode girar em torno do banco de dados espaciais, que enfatiza as

diferenças na organização de dados para lidar com localização, atributos e topologia, ou do

47

aspecto organizacional, que destaca o papel dos institutos e pessoas que trabalham com

informações espaciais (BURROUGH e McDONELL, 1998).

Pode-se dizer que os SIG utilizam uma grande quantidade de ferramentas que, quando

abastecidas por informações e bases de dados, sejam socioeconômicos, topográficos ou

ambientais, provêm produtos e serviços úteis para diversas áreas do conhecimento como

planejamento urbano e regional, transportes, administração pública, indústria, comércio,

turismo, geologia, geomorfologia, ecologia, entre outros. (SABOYA, 2000).

Umas das principais características dos SIG é a capacidade de trabalhar com dados

geométricos e tabulares, que constituem os dados geográficos. Um exemplo pode ser

observado na Figura 3-6, onde cada lote possui sua forma geométrica e localização

específicas e seus respectivos dados sobre proprietário, abastecimento de água e coleta de

esgoto. Os dados geográficos podem ser representados na forma vetorial (ponto, linha e área)

ou na forma matricial e os dados tabulares podem expressar informações qualitativas e

quantitativas (MAGUIRE, 1991).

Figura 3-6. Relação entre os elementos geométricos e tabulares em SIG. Fonte: Saboya (2000).

Resumidamente os SIG têm como funcionalidades básicas: entrada e conversão de

dados, gerenciamento e recuperação de dados, manipulação, análise, exibição e produção

cartográfica. O processo de entrada e conversão de dados consiste na conversão de dados

analógicos para o meio digital e inclui etapas como: digitalização de dados gráficos e

digitação de dados alfanuméricos, associação de imagens digitais a bancos de dados, detecção

de erros e correção de dados (BURROUGH e McDONELL, 1998).

O gerenciamento e recuperação de dados relaciona-se com a manutenção da

consistência do banco de dados, o controle do acesso simultâneo no banco de dados, execução

48

de operações de backup e recuperação e garantia de segurança, eficiência e rapidez no acesso

às informações. A manipulação e análise são relacionadas com as análises geográficas,

processamento digital de imagens, modelagem digital de terreno, análises geodésicas e

fotogramétricas, modelagem de redes, entre outros. E a exibição e produção cartográfica

consistem na produção automatizada de mapas e relatórios proporcionando facilidade de

consulta para o usuário (ROCHA, 2007).

Além disso, os softwares de SIG executam operações espaciais como: seleção,

classificação, proximidade, topologia, álgebra de mapas, entre outras. Essas operações podem

ser executadas de forma local, regional ou global, permitindo análises, matriciais e vetoriais,

de diversos tipos (SABOYA, 2000).

As operações de seleção podem ser realizadas de forma manual, de acordo com

atributos específicos, por coordenadas ou utilizando operadores algébricos em dados

tabulares. A classificação consiste na divisão dos dados geográficos em categorias, de acordo

com condições e critérios. As funções de proximidade consistem em operações que definem

áreas de abrangência, permitindo análises de distâncias, por exemplo. Funções de topologia

permitem análises matemáticas que identificam os objetos e as relações entre eles, realizando

funções de recorte, interseção e união (ROCHA, 2007).

De maneira geral, os SIG possuem grande potencial de análise e geração de dados,

tornando-se importantes ferramentas e essenciais para o suporte à tomada de decisão, pois

facilitam a compreensão dos processos e suas inter-relações.

Diante da amplitude de aplicações, os SIG são constantemente utilizados em estudos

de gerenciamento de resíduos sólidos, além de estudos de gerenciamento de lodo apresentados

no item anterior. No gerenciamento de resíduos sólidos existem estudos que aplicam o uso de

SIG para: seleção de locais para implantação de aterros sanitários; planejamento local para o

gerenciamento de resíduos sólidos; gerenciamento descentralizado; avaliação de risco de

aterros sanitários; seleção de local para estação de transbordo; estimativa de geração de

resíduos e otimização de rotas de coleta de resíduos (HANNAN et al., 2015).

3.4.3 Pesquisa operacional, modelagem, métodos de simulação e dinâmica de sistemas

A Pesquisa Operacional envolve métodos de estudos quantitativos para o auxílio na

tomada de decisão. Os métodos de Pesquisa Operacional têm por objetivo auxiliar no

processo de seleção das alternativas para se operar um sistema, geralmente em situações com

recursos limitados (CAIXETA-FILHO, 2009).

49

Em geral, para a solução de problemas práticos é necessário que se utilize sistema de

suporte à decisão, que oferecem opções de modelagem matemática e métodos quantitativos

para a tomada de decisão. Os modelos matemáticos utilizados nessas situações são geralmente

modelos de otimização, pois provêm soluções ótimas, tentando equacionar da melhor maneira

possível todas as variáveis (WINSTON, 1991). Também é possível se utilizar de lógicas de

simulação, ou ainda de uma combinação entre as relações matemáticas e lógica de simulação

(MORABITO et al., 2015)

Quando há dificuldades no processo de tomada de decisão, por inexperiência do

tomador de decisão ou pela complexidade do problema, são utilizados métodos quantitativos,

que requerem uma estruturação do problema, representação matemática e utilização de

métodos de análise adequados. Essas análises são baseadas em dados quantitativos e modelos

descritos por expressões matemáticas que os relacionam (WINSTON, 1991).

Os modelos são representações de uma realidade complexa, possibilitando testar

teorias, suas implicações e contradições. É comum se formar modelos mentais, dando sentido

ao mundo que nos rodeia, já os modelos matemáticos são formas de representar os problemas

de maneira científica. Os modelos matemáticos permitem testar comportamentos do mundo

real em um ambiente artificial, sendo rápido e de baixo custo efetuar repetições, ou formar

diferentes cenários (WINZ et al., 2009).

Considerando-se que, os modelos matemáticos são aproximações da realidade, é

importante que: se defina o problema; se construa o modelo; obtenha-se uma solução baseada

no modelo; verifique-se o realismo da solução e implemente-se a solução (TAHA, 2008).

Por sua vez, a simulação dinâmica permite a observação do comportamento de um

sistema modelado, em função de intervenções ao longo do tempo. Modelos de simulação

dinâmica consistem em equações que descrevem as mudanças dinâmicas: se o estado de um

sistema é conhecido em um determinado lugar no tempo, pode-se calcular seu comportamento

em tempos futuros (WINZ et al., 2009).

A simulação dinâmica permite que se faça previsões de estados futuros dos sistemas

estudados. Enquanto o modelo tenta descrever a realidade com certa acurácia, o processo de

modelagem também é útil, pois permite uma melhor compreensão do problema estudado

(WINZ et al., 2009).

Dinâmica de Sistemas

No contexto dos métodos de simulação dinâmica, a metodologia de dinâmica de

sistemas (system dynamics) foi desenvolvida entre as décadas de 1950 e 1960 por Jay

50

Forrester no MIT para subsidiar os gestores corporativos a entenderem os processos

industriais. (RADZICKI e TAYLOR, 1997; YEARWORTH, 2014).

Pode-se definir a dinâmica de sistemas (DS) como uma ferramenta (ou abordagem) de

modelagem quantitativa que usa sistemas com o objetivo de analisar o impacto de feedbacks

loops em sistemas complexos e dinâmicos. A partir de uma tradução não literal, pode-se

entender os feedbacks loops como ciclos de retorno ou realimentação, que servem como

representações da autorregulação dos sistemas ao longo do tempo. Uma alteração em uma

parte do sistema afeta outra, que em seguida afeta outras que retornarão à primeira alteração,

atenuado ou amplificando seus efeitos. Resumindo, um modelo DS é capaz de reconhecer que

as mudanças em um sistema não ocorrem de maneira isolada, e que muitos sistemas não

respondem instantaneamente a tais mudanças (COLLINS et al., 2013).

Diante da potencialidade da dinâmica de sistemas, essa abordagem pode ser adotada

em diversos problemas dinâmicos complexos que surjam em sistemas sociais,

administrativos, econômicos, ecológicos, gerenciais, ou qualquer outro sistema dinâmico que

seja caracterizado pela interdependência, feedback de informação e causalidade circular

(RICHARDSON, 2011).

A modelagem em dinâmica de sistemas é baseada em alguns pressupostos: um modelo

DS expressado por padrões de feedback é suficiente para explicar o comportamento de

sistemas complexos para intervenções bem sucedidas; os modelos podem ser parametrizados

para simulação, que pode reproduzir as condições observadas atualmente e o comportamento

histórico do sistema, possibilitando a predição futura com algum grau de confiança; a visão

adquirida a partir da modelagem permite avaliar em que pontos se pode intervir no sistema e

como avaliar os efeitos das interferências; as interferências podem ocorrer pela remoção ou

inclusão de caminhos de retroalimentação (feedback) (YEARWORTH, 2014).

Para a modelagem em dinâmica de sistemas é necessária a elaboração de diagramas de

ciclo causal (DCC) ou diagramas de estoque e fluxo (DEF) (DYSON e CHANG, 2005). Os

diagramas de ciclo causal são utilizados para transcrever modelos mentais do comportamento

de elementos (variáveis) do sistema expressados como relações causais e ciclos de feedback

(YEARWORTH, 2014). O DCC inclui setas (chamadas ligações causais) ligando elementos

com um sinal (+ ou -) em cada ligação (Figura 3-7a). O sinal positivo (+) indica que o

acréscimo em um elemento A causa mudanças em um elemento B posterior na mesma direção

(A aumenta B), enquanto que o sinal negativo (-) indica que as mudanças em A causam

mudanças em direção oposta em B (A diminui B) (CHAERUL et al., 2008).

51

Um ciclo de é chamado de feedback positivo (reforço) se contiver um número par de

ligações causais negativas. Em um ciclo de feedback positivo, um distúrbio inicial leva a uma

maior mudança, sugerindo a presença de um equilíbrio instável (CHAERUL et al., 2008).

Um ciclo é chamado de feedback negativo (balanço) se contiver um número ímpar de

ligações causais negativas. Após um distúrbio o sistema busca voltar a uma situação de

equilíbrio (CHAERUL et al., 2008).

O DEF é construído a partir de “blocos de construção” (variáveis) categorizados como

bloco de estoque, fluxo, conectores, e conversores. As variáveis de estoque (simbolizadas por

retângulos) representam as maiores acumulações no sistema; as variáveis de fluxo

(simbolizadas por válvulas) representam a taxa de alteração nas variáveis de estoque e as setas

largas representam as entradas ou saídas dos estoques; os conversores (representados por

círculos) são as variáveis intermediárias usadas para cálculos diversos; as nuvens representam

a fonte ou drenagem de algum fluxo para fora dos limites do modelo; os conectores

(representados por setas simples) são as ligações que representam as causas e efeitos na

estrutura do modelo (CHAERUL et al., 2008; ZHAO et al., 2011a). Uma representação de

um DEF é demonstrada na Figura 3-7b

Figura 3-7. Exemplo de a) diagrama de ciclo causal e b) diagrama de estoque e fluxo, partes integrantes de um modelo de dinâmica de sistemas. Fonte: Adaptado de Chaerul et al. (2008)

Com conhecimento dos conceitos teóricos necessários para o entendimento da

modelagem em dinâmica de sistemas, pode-se resumir essa abordagem em cinco passos

iterativos (Figura 3-8) apontados por Zhao et al. (2011a):

1. Definição do objetivo de pesquisa. De acordo com o problema, quais fatores são

importantes para serem incluídos no modelo e quais fatores podem ser excluídos e,

portanto, serem usados para encontrar os limites do sistema estudado. O

comportamento hipotético do sistema e o horizonte do tempo devem ser identificados.

2. Desenvolvimento de uma hipótese dinâmica em termos de diagramas de ciclo causal e

diagramas de estoque e fluxo.

a) b)

52

3. Implementação do modelo para simulação.

4. Avaliação do modelo. Os testes podem auxiliar a avaliar a viabilidade e precisão da

estrutura do modelo e filtrar variáveis. A flexibilidade da modelagem permite testar a

sensibilidade de modelos com estruturas alternativas. A avaliação da sensibilidade dos

parâmetros é útil para decidir o esforço que deve ser dedicado ao aumento da precisão

dos parâmetros.

5. Quando uma confiança razoável no modelo é alcançada, a avaliação de diferentes

políticas e cenários pode ser realizada. Os resultados de mudança de cenários são

automaticamente listados ou descritos como gráficos pelos softwares específicos, e

auxiliam os tomadores de decisão.

Todas as etapas listadas podem requerer revisões dos passos anteriores. Essa revisão

pode incluir, inclusive, a definição inicial do problema. Pode-se dizer que a modelagem em

dinâmica de sistemas é, portanto, um processo altamente interativo (ZHAO et al., 2011a).

Figura 3-8. Passos iterativos na modelagem em dinâmica de sistemas Fonte: Adaptado de Zhao et al. (2011a).

3.5 Bacias hidrográficas dos Rios Piracicaba, Capivari e Jundiaí Para avaliação das metodologias desenvolvidas foi necessária a seleção de uma área

para estudo de caso. Devido à localização da Universidade Estadual de Campinas, assim

como a disponibilidade de informações, a área administrativa das bacias hidrográficas dos

Rios Piracicaba, Capivari e Jundiaí foi selecionada. A seleção da bacia hidrográfica se

justifica, pois pode ser considerada uma unidade territorial adequada para o gerenciamento de

53

saneamento, assim como de recursos hídricos (IVEY et al., 2002; PIRES, 2004; GIRI et al.,

2012).

As bacias dos rios Piracicaba, Capivari e Jundiaí (PCJ) tem área total de 15.303,67

km², sendo 92,6 % localizados dentro do Estado de São Paulo e 7,4 % no Estado de Minas

Gerais. As bacias hidrográficas situam-se entre os meridianos 46º e 49º O e latitudes 22º e

23,5º S (COBRAPE, 2011). A localização das bacias pode ser observada na Figura 3-10.

Setenta e seis municípios estão, total ou parcialmente, dentro da bacia PCJ. Desses, 63

possuem sede administrativa dentro da área das bacias, totalizando uma população de

5.268.798 habitantes em 2010. A população urbana corresponde a 96,13% dos habitantes da

área. A cobertura do abastecimento de água alcança 96% na área dos municípios das bacias

PCJ. A coleta de esgotos tem percentual médio de atendimento de 84,9%. O tratamento de

esgotos ainda apresenta deficiências (59%), mas tem uma tendência de crescimento

(COBRAPE, 2011). Um resumo das principais características dos sistemas de tratamento

dentro das Bacias PCJ pode ser observado na Figura 3-9.

Figura 3-9. Sistemas de tratamento de água e de esgoto nas Bacias PCJ . Fonte: CBH-PCJ (2011).

Além da importância econômica regional e nacional das bacias PCJ, o seu comitê já

tinham encomendado um estudo sobre o lodo, possibilitando o uso da informação quantitativa

da geração de lodo estimada nas estações de tratamento.

54

Os usos do solo predominantes na região são o cultivo de cana-de-açúcar (33,61 % da

área) e as áreas de pastagem (39,06 % da área). Por se tratar de uma região extensa e com

relativa variação de relevo e geologia, existem vários tipos de solos nas bacias PCJ

(COBRAPE, 2011). Outra característica importante da região são as indústrias cerâmicas

localizadas dentro das áreas das bacias e nas proximidades (RIBEIRO, 2008).

As opções apresentadas para o uso benéfico de lodos de sistemas de saneamento são

promissoras. Diante da realidade das bacias PCJ pode-se pressupor que a incorporação de

lodo em ETA em produtos cerâmicos é uma interessante alternativa, assim como a reciclagem

de lodo de ETE na agricultura é uma alternativa viável, desde que cumpridos os padrões

mínimos de qualidade para ser seguro ao ambiente e saúde pública.

55

Figura 3-10. Localização das bacias dos rios Piracicaba, Capivari e Jundiaí. Fonte: COBRAPE (2011)

56

4 METODOLOGIA SIMPLIFICADA BASEADA EM SIG PARA

AUXILIAR O GERENCIAMENTO DE LODO DE ETA E ETE

Além da dificuldade da definição de um uso benéfico para o lodo de ETA e ETE, que

seja compatível com a qualidade do lodo gerado, os aspectos logísticos também podem

influenciar a tomada de decisão dos gestores. A proximidade pode ser um fator determinante

para seleção de locais receptores, para decisão de gerir o lodo individualmente ou em

conjunto com outras estações de tratamento. Os sistemas de informação geográfica são

importantes ferramentas para auxiliarem a tomada de decisão. Metodologias que usem os

dados espacializados são necessárias e úteis para auxiliar no gerenciamento do lodo

(ALBUQUERQUE et al., 2015).

4.1 Desenvolvimento da metodologia simplificada baseada em SIG

4.1.1 Seleção das áreas de destinação do lodo gerado

A seleção de destinação final de lodo de ETA e ETE deve considerar as características

socioeconômicas e ambientais da área de estudo. Estudos específicos de cada estação de

tratamento devem ser realizados, para selecionar a melhor opção local (BABATUNDE e

ZHAO, 2007; URBAN e ISAAC, 2016).

Para viabilizar a gestão compartilhada do lodo das estações, é interessante a seleção de

opções regionais mais viáveis para a destinação do resíduo. No desenvolvimento das

metodologias desta Tese serão consideradas as opções apontadas em um estudo encomendado

pelo órgão de gerenciamento das bacias PCJ (BIOCICLO, 2012).

A destinação final considerada pra o lodo de ETA convencionais foi a incorporação

em tijolos cerâmicos, devido à presença de diversas indústrias cerâmicas na região. Além

disso, a viabilidade técnica, econômica e ambiental dessa solução já foi confirmada (ISAAC

et al., 2002; SILVA et al., 2015). A grande quantidade de argila vermelha processada nas

indústrias cerâmicas deve permitir a recepção dos lodos de hidróxidos de alumínio e ferro de

todas as estações de tratamento das Bacias PCJ.

No que diz respeito ao lodo de ETE, o uso em solos agrícolas é indicado para as bacias

PCJ. O uso em áreas de cana de açúcar e o uso em reflorestamento foram definidos como

57

viáveis no estudo técnico encomendado pelo Comitê das bacias PCJ (BIOCICLO, 2012). O

uso em solos com plantação de cana de açúcar foi selecionado, em detrimento ao solo de

reflorestamento, devido às maiores áreas ocupadas nas bacias PCJ.

4.1.2 Dados e SIG

Para o trabalho foram usados variados dados tabulares e cartográficos: localização e

identificação de cada indústria cerâmica (JUCESP, 2015); localização e dados de cada ETA e

ETE (BIOCICLO, 2012); localização de rodovias que cortam a área de estudo (AGÊNCIA

PCJ, 2013); uso do solo da área de estudo (AGÊNCIA PCJ, 2013); limites municipais da área

de estudo (AGÊNCIA PCJ, 2013).

Todo o conteúdo foi carregado em SIG (QGIS 2.6©) e a localização das cerâmicas foi

confirmada no website Google Maps©.

Os dados foram inicialmente preparados para a metodologia qualitativa conforme os

passos descritos na Figura 4-1.

As “áreas de influência” ao redor das estações de tratamento, formadas por buffers de

10km de raio, foram consideradas viáveis após comparação com buffers de diferentes

distâncias (1, 5, 10, 25, 50, 100km). O raio de 10km foi o que possibilitou a formação de um

número viável de grupos de estações de tratamentos, em locais de características semelhantes.

Figura 4-1. Passos iniciais da metodologia simplificada baseada em SIG.

Pesquisa de dados espaciais

Mapa temático de lodo de ETA

Arquivo vetorial de pontos com

informação padronizada e

geração do lodo das ETA.

Buffer de raio de10 km em torno

de cada ETA

Definição das coordenandas

geográficas das indústrias

cerâmicas com a busca de

endereços no Google Maps©

Checagem da consistência das

localidades usando Google

Earth©

Mapa temático de lodo de ETE

Arquivo vetorial de pontos com

informação padronizada e

geração do lodo das ETA..

Buffer de raio de10 km em torno

de cada ETE

Mapa de uso do solo (Agência

PCJ, 2013)

Reclassificação do mapa de uso

do solo, destacando as

áreas de cana de açúcar

58

A estimativa de lodo gerado em cada estação de tratamento foi obtida na pesquisa

regional feita por Biociclo (2012). Como muitas estações de tratamento não tinham bancos de

dados atualizados, Biociclo (2012) empregou estimativas semi-empíricas para determinação

da quantidade de lodo gerado. Todos os dados foram convertidos para a mesma unidade,

toneladas de sólidos totais por dia (t ST dia-1), considerando 20% de sólidos na torta após o

tratamento (adensamento e desaguamento).

Após os primeiros procedimentos, uma análise individual foi realizada para cada mapa

temático gerado. A análise qualitativa resultou na criação de áreas de produção de lodo,

considerando a proximidade entre as estações de tratamento, objetivando identificar possíveis

agrupamentos que deem suporte às ações de gerenciamento conjunto e também identificar as

estações localizadas em áreas mais isoladas. A determinação das áreas foi realizada a partir da

sobreposição dos buffers originais e conhecimento prévio da área.

Para avaliar a relação entre os diferentes tipos de tratamento, as áreas estabelecidas e a

geração de lodo de cada estação de tratamento, uma Análise de Correspondência Múltipla

(ACM) foi executada. A ACM é uma análise estatística multivariada indicada para variáveis

explicativas categóricas (ABDI e VALENTIN, 2007). A produção de lodo das áreas de

estações de tratamento agrupadas foi dividida em 5 categorias, para a análise: muito baixa,

baixa, média, alta e muito alta.

4.2 Resultados do estudo de caso e discussão da aplicabilidade da metodologia

simplificada

4.2.1 Mapa temático de lodo de ETA

Apesar da existência de grandes cidades nas bacias PCJ, a maior parte das ETA

(74,5%) gera menos de 20 t ST dia-1 de lodo. Apenas 4,5% das ETA geram acima de 80 t ST

dia-1. Este é um dado importante, pois evidencia o potencial de gerenciamento conjunto do

lodo de ETA gerado nas bacias.

Para uma melhor visualização das “áreas de influência” de produção de lodo de ETA e

potenciais opções para a recepção do material, um mapa temático foi elaborado (Figura 4-2).

Este mapa divide as principais áreas geradoras de lodo por proximidade e características

regionais.

59

Figura 4-2. Mapa de áreas de gerenciamento de lodo de ETA e indústrias cerâmicas nas bacias PCJ e ao redor.

60

As indústrias cerâmicas são distribuídas em “centros” próximos às áreas de extração

de argila e principais rodovias, para permitir o escoamento da produção. Essas características

facilitam a adoção dessas indústrias como destino final do lodo de ETA.

A área com maior geração de lodo, acima de 185 t ST dia-1, é localizada na região

central das bacias PCJ. Essa área contém a região metropolitana de Campinas, importante

região industrial e comercial brasileira. Baseado nos dados apresentados, as outras regiões das

bacias PCJ geram, predominantemente, 22 t ST dia-1.

A divisão possibilita um melhor gerenciamento dos resíduos gerados nas ETA. As

bacias foram divididas em 9 áreas e 4 estações isoladas, considerando o buffer de 10km ao

redor de cada estação. Na tabela 4-1 as características comuns de cada área são apresentadas.

Essas características incluem a produção de lodo de todas as estações dentro da área

estabelecida, a quantidade de estações e sua classificação como convencional ou compacta. A

análise de correspondência múltipla não apresentou relações relevantes. A discrepância entre

os dados ocorre, pois a quantidade de lodo varia de estação para estação, de acordo com a taxa

de fluxo, qualidade da água, dosagens de produtos químicos e eficiência do processo. As

características do tratamento de lodo não foram consideradas no momento, pois podem ser

modificadas em função da destinação final proposta para uma estação de tratamento.

Inicialmente o transporte de lodo pode ser feito pelas rodovias. Entretanto, pode-se considerar

a possibilidade de construção de dutos de transporte (MIYANOSHITA et al., 2009).

Tabela 4-1. Informação quantitativa das áreas de gerenciamento de lodo propostas

Área Número de ETA ETA convencional ETA compacta

Geração de lodo (t ST dia-1)

1 10 5 5 24,96 2 10 8 2 37,02 3 4 3 1 22,22 4 4 4 0 92,64 5 4 4 0 27,67 6 6 5 1 113,14 7 12 12 0 303,56 8 26 21 5 663,67 9 5 3 2 33,38

Isolada A 2 1 1 4,19 Isolada B 1 0 1 0,84 Isolada C 1 1 0 0,81 Isolada D 1 1 0 52,68

61

A análise combinada da Tabela 4-1 e da Figura 4-2 demonstra que a área 8 tem a

maior produção, o maior número de ETA e abrange a região metropolitana de Campinas. Essa

área é importante economicamente para o Brasil, e contém um grande aeroporto, a maior

refinaria da América Latina, além de importante produção industrial e tecnológica. Algumas

indústrias cerâmicas estão distribuídas por essa área e existe um “centro ceramista” ao sul das

Bacias PCJ. Eventualmente, a área 8 pode ser dividida, caso haja a necessidade de se obter

otimização do processo de gerenciamento.

Dependendo da quantidade de lodo gerado, as empresas de saneamento podem ter

maior poder de negociação para a destinação de resíduos sob uma gestão conjunta. Por outro

lado, a gestão conjunta pode ter dificuldades em encontrar indústrias cerâmicas que aceitem

todo o montante de lodo gerado. Por isso é importante procurar destinos alternativos para as

áreas de gestão conjunta propostas. Considerando a concorrência de mercado, as maiores

ETA podem não ter interesse em aderir a um consórcio.

Entre as outras áreas, destacam-se aquelas numeradas como 2, 5 e 9, pela pequena

quantidade de cerâmicas inseridas na área, ou mesmo pela ausência das mesmas. A baixa

produção de lodo das estações nessas áreas (em torno de 30 t ST dia-1) causa dificuldades no

transporte para indústrias cerâmicas mais remotas, por elevar os custos relativos. Assim, para

estas áreas pode ser necessário estocar o material até se obter uma quantidade viável para ser

enviada. Os custos operacionais e a exigência de qualidade do lodo também devem ser

levados em consideração. As estações isoladas tem o mesmo problema. A situação das

estações isoladas A e D é pior devido à distância geográfica para as outras estações.

Por fim, os círculos indicados pelas letras a, b, c, d na Figura 4-2 representam “centros

ceramistas” identificados em áreas externas, mais distantes das bacias. Esses “centros” são

potencialmente considerados como possíveis destinos para o lodo, em caso de ausência de

alternativas mais próximas. Esses “centros” são conectados com a bacia hidrográfica por meio

de estrutura viária identificada e visualizada também na Figura 4-2.

4.2.2 Mapa temático de lodo de ETE

Semelhante o que foi apresentado para as ETA das bacias PCJ, a maior parte de suas

ETE (83%) gera menos que 6 t ST dia-1. Apenas 6% das ETE tem produção de lodo maior que

24 t ST dia-1. Diversos tipos de tratamento de esgoto são usados nas bacias PCJ, com destaque

para: Lodo Ativado (29,5%), UASB (18%) e Tanques Sépticos (com ou sem filtros) (15,5%).

A principal diferença para o mapa temático de lodo de ETA foi a identificação das

áreas potenciais de recepção de lodo. No caso das indústrias cerâmicas estas áreas eram, na

62

representação do SIG, vetores pontuais. No caso das plantações de cana de açúcar foram

utilizados polígonos, pois é mais lógico devido às características agrícolas.

No mapa temático de lodo de ETE (Figura 4-3) as estações foram divididas em áreas

baseadas no buffer de raio de 10km por local. Estas áreas foram indicadas para auxiliar as

operações de gerenciamento. A separação foi mais simples que a realizada para as ETA

(Figura 4-2), devido às características poligonais da área de recepção. As estações foram

reunidas em três áreas e nenhuma estação isolada foi identificada (uma planta mais distante

está próxima à área de cana de açúcar, então não foi considerado isolamento).

A análise visual do mapa indica que a área 1 está totalmente inserida na área de cultivo

de cana de açúcar A área 2 está próxima e a área 3 mais distante. Segundo a ordem da

numeração das áreas, a geração de total de lodo de cada uma é: 211,84, 208,78 e 7,19 t ST

dia-1. O número de estações de cada área é, respectivamente, 66, 20 e 9. Mesmo considerando

apenas as áreas com solo apto à recepção do lodo de esgoto (URBAN e ISAAC, 2016), as

características consideradas se mantém.

A geração da área 2 é semelhante à área 1, mesmo tendo um número menor de

estações. Como sugestão de gerenciamento, a área 1 pode enviar todo seu lodo para uso na

áreas de cultivo de cana de açúcar, a área 2 necessita de outras possíveis soluções, para o caso

da demanda não ser atendida. A área 3 encontra-se em situação mais delicada por gerar pouco

e as estações estarem mais distantes da área de cana de açúcar. A solução para a área 3 é a

busca individual de áreas de reflorestamento, essas áreas necessitam estar próximas às ETE e

aceitarem receber o material. A gestão conjunta não é necessariamente a melhor opção para a

área 3. Entretanto, se o gestor de uma estação de tratamento escolher o gerenciamento

conjunto, pode usar um modelo diferente para identificar as melhores áreas para um centro de

armazenamento. Albuquerque et al. (2015) desenvolveram um metodologia usando SIG e

ferramentas multicritério para auxiliar a seleção de locais para o reúso de lodo de esgoto. Os

critérios técnicos e ambientais podem ser integrados a presente metodologia.

Para melhor entender as características de cada área estabelecida, foi feita uma análise

de correspondência múltipla, com o resultado apresentado na Figura 4-4. Também foi

determinada a porcentagem de ETA de cada área em relação à produção de lodo (Figura 4-5).

A produção de lodo foi dividida em cinco categorias, divididas igualmente em intervalos de 6

t ST.dia-1.

63

Figura 4-3. Mapa de áreas de geração de lodo de ETE e uso do solo nas Bacias PCJ.

64

Figura 4-4. Resultado da análise de correspondência múltipla entre as áreas, tecnologias de tratamento de esgoto e produção de lodo de esgoto nas bacias PCJ.

Figura 4-5. Gráfico da quantidade de ETE em função da produção de lodo separado por áreas.

65

É possível observar no gráfico biplot da ACM (Figura 4-4) as relações das três áreas

estabelecidas. As áreas 1 e 3 tem características semelhantes, com diversos tipos de

tratamento e produção de lodo considerada “muito baixa”. A produção de lodo pode ser

confirmada no gráfico da Figura 4-5, em que a produção “muito baixa” corresponde a 100%

das ETE da área 3 e mais de 90% das ETE da área 1.

A área 2 tem características diferentes. Com a produção de lodo apresentando melhor

distribuição entre “muito baixa”, “média” e “alta”. A localização dessa área ajuda a explicar

essa diferença. A parte central da bacia PCJ tem a característica industrial e populacional

diferenciada, relatada na análise do mapa temático do lodo de ETA.

A ACM também indica que o processo de lodos ativados gera mais lodo do que o

UASB e outros destacados. Isso pode ser confirmado em estudos de Von Sperling e

Gonçalves (2007), e ajuda a validar e confirmar a utilidade da ACM.

Embora a localização geográfica ajude o gerenciamento, a disposição de lodo de

esgoto em solos agrícolas tem outras complicações. Além da legislação restritiva (que visa,

corretamente, proteger o ambiente e a saúde pública), existe alguma resistência pela

comunidade rural. Um documento das European Communities (2001) apresenta algumas

restrições indicadas em pesquisa com os stakeholders: perda de mercado e queda no lucro

devido às exigências de qualidade ou restrição da utilização do lodo de esgoto pelos

consumidores; preocupação com a segurança alimentar; odores causados pelo uso do lodo no

solo, entre outros.

4.3 Considerações finais sobre a metodologia simplificada A metodologia sugerida nesta etapa mostrou-se eficiente para auxiliar na tomada de

decisão do gerenciamento conjunta ou individual de lodo de ETA e ETE. A metodologia

qualitativa pode ser adaptada e aplicada em outros lugares e com diferentes destinações.

Esta etapa do estudo identificou maiores dificuldades para a destinação do lodo gerado

nas ETA e ETE da porção leste da bacia PCJ, pois a geração destas bacias é pequena e elas

estão distantes dos locais de destinação pré-definidos. É importante que sejam feitos estudos

de viabilidade econômica para essas estações, considerando outras possibilidades de

destinação, com ou sem o gerenciamento conjunto. Isso demonstra a importância desta etapa

do estudo, pois as soluções pré-definidas não são necessariamente as melhores para todos os

casos.

A presente etapa da Tese auxiliou a identificar as necessidades para a sequência dos

estudos e elaboração das metodologias auxiliares para o gerenciamento de lodo: determinação

66

da viabilidade econômica de cada opção de destinação final, auxiliando a tomada de decisão

individual das estações de tratamento; um estudo espacializado quantitativo, para determinar a

quantidade de lodo que pode ir para cada destinação selecionada, otimizando o gerenciamento

de lodo da bacia PCJ.

67

5 MAPA DE APTIDÃO DO SOLO À APLICAÇÃO DE LODO DE

ESGOTO: ESTUDO DE CASO DAS BACIAS PCJ

Para dar sequência nas etapas apontadas no capítulo 4 identificou-se a necessidade de

elaboração de um mapa de aptidão do solo à recepção do lodo de ETE, para servir como

auxiliar aos métodos de gerenciamento de lodo.

Além da regulamentação dos limites de contaminantes permitidos, discutidos no

capítulo 3, a aplicação do lodo de esgoto no solo agrícola deve considerar aspectos como a

distância segura de corpos d’água e áreas residenciais, cultura recomendada para o uso e

aptidão dos solos para o seu recebimento (ANDREOLI et al., 2001; CONAMA, 2006).

Considerando a reciclagem do lodo de ETE como uma alternativa viável, desde que as

normas para segurança de saúde pública e ambiental sejam cumpridas, e visando facilitar a

tomada de decisão dos gestores, a presente etapa da Tese tem como objetivo organizar um

mapa de aptidão do solo à recepção de lodos de ETE em uma importante região do Estado de

São Paulo: a bacia dos rios Piracicaba, Capivari e Jundiaí, e avaliar a sua aplicação como

etapa auxiliar de metodologias de gerenciamento de lodo.

5.1 Elaboração do mapa de aptidão do solo à recepção de lodo de esgoto Para a organização do mapa de aptidão do solo à recepção de lodo de esgoto, foi

adaptada a metodologia de Andreoli et al. (2000) e Souza et al. (2008), acrescentando

critérios restritivos de uso do solo, considerados pertinentes ao estudo e respeitando as

indicações da resolução 375 (CONAMA, 2006). A metodologia consiste na adoção de graus

de restrição (0 a 5) para critérios relacionados às características do solo e de uso do solo.

Mapas preliminares foram criados para cada critério, no formato de arquivo matricial. Foi

realizada a sobreposição de todos os mapas elaborados, sendo atribuído a cada pixel o maior

valor de grau dos critérios superpostos. O sistema de classificação é apresentado na Tabela 5-

1. Todo o procedimento foi realizado em ambiente SIG. A base de dados foi obtida em

Biociclo (2012).

68

Foi adotado o maior valor dado ao pixel, independentemente do critério, como o valor

do grau de restrição do solo. Os solos foram classificados, quanto aos critérios de restrição,

conforme a lista a seguir, adaptada de Andreoli et al. (2001):

Classe de restrição 0: Potencial muito alto para a aplicação de lodo de esgoto;

Classe de restrição 1: Potencial alto para a aplicação de lodo de esgoto;

Classe de restrição 2: Potencial moderado para a aplicação de lodo de esgoto. Devem

ser recomendadas práticas rigorosas de conservação de solos, para a permissão do uso

do material;

Classe de restrição 3: Potencial baixo para a aplicação dos lodo de esgoto. Devem ser

apresentados critérios atenuantes, como alternativas de manejo e práticas culturais. Se

as medidas não forem efetivamente tomadas haverá risco;

Classe de restrição 4: Não recomendada a aplicação do lodo de esgoto. Existe grave

risco ao ambiente e à população no caso da aplicação do material;

Classe de restrição 5: Restrição total à aplicação de lodo de esgoto.

A taxa de aplicação do lodo de esgoto no solo dependerá: do seu conteúdo em

nutrientes, não devendo gerar aportes de nitrogênio superiores às quantidades necessárias ao

desenvolvimento das culturas receptoras (ANDREOLI et al., 2001; CONAMA, 2006); da

elevação do pH provocado pelo lodo de esgoto, que não deve ultrapassar o limite de 7,0 na

mistura lodo-solo (CONAMA, 2006); e da concentração de substâncias inorgânicas, que não

deverão exceder as indicações da resolução 375 (CONAMA, 2006).

Conforme a resolução 375 (CONAMA, 2006), a taxa de aplicação de lodo de esgoto

depende do quociente entre a quantidade de nitrogênio recomendado para a cultura e o teor de

nitrogênio disponível no lodo de esgoto. Entretanto, nem todas as ETE disponibilizam os

dados de nitrogênio Kjeldahl, amoniacal, nitrato e nitrito. Por isso, para uma estimativa

conservadora da capacidade de recepção, foi considerado metade do valor obtido para o solo

mais restritivo estudado por Marin et al. (2010) no estado do Paraná. Foi utilizado metade do

valor para considerar áreas com menor capacidade de recepção. O referido estudo utilizou o

critério do poder corretivo de acidez do solo. Assim a capacidade anual de recepção

considerada foi de 15 toneladas de matéria seca por hectare.

5.2 Resultados e discussão Após a aplicação do método descrito anteriormente foi possível elaborar o mapa de

aptidão para aplicação de lodo de esgoto na bacia PCJ (Figura 5-1).

69

Tabela 5-1. Critérios para classificação da aptidão do solo à recepção de lodo de esgoto. Critérios adaptados de Andreoli et al. (2000), Andreoli et al (2007) e Souza et al. (2008). Critério Restrição Características

Profundidade

0-nula Latossolos, cambissolos ou argissolos profundos. 2-moderado Cambissolos ou argissolos com citação de pouca

profundidade 3-forte Neossolos litólicos ou outras unidades com citação de

solos rasos

Textura superficial

0-nula Textura argilosa (35-60 % de argila) 1-fraco Textura muito argilosa (> 60 % de argila)

Textura média (15-35 % de argila) 2-moderada Textura siltosa (< 35 % de argila e < 15 % de areia) 3-forte Textura arenosa (< 15 % de argila)

Susceptibilidade à erosão

0-nula Solos em relevo plano 1-fraca Solos argilosos ou muito argilosos em relevo suave

ondulado 2-moderada Textura média ou siltosa em relevo suave ondulado e

textura argilosa em relevo ondulado 3-forte Relevo ondulado com textura arenosa e/ou caráter

abrupto. Relevo forte ondulado com textura muito argilosa

4-muito forte Relevo forte ondulado, com textura média e arenosa. Relevo montanhoso ou escarpado independente da classe textural.

Relevo

0-nula Relevo plano (0-3 %) 1-fraco Relevo suave ondulado (3-8 %) 2-moderada Relevo ondulado (8-20 %) 3-forte Relevo forte ondulado (20-45 %) 4-muito forte Montanhoso ou escarpado (> 45 %)

Hidromorfismo 0-nulo Sem indicação 3-forte Hidromórfico

Área de conservação

0-nulo Área sem unidades de conservação 5-total Área de conservação

Reservatórios 0-nulo Área sem reservatório 5- total Reservatórios e área de 30 metros no entorno

Cursos d’água 0-nulo Áreas sem rios 5- total Rios e respectiva área de preservação permanente

Vulnerabilidade de aquíferos

0-nulo Área sem recarga de aquíferos 5- total Área de recarga de aquíferos

Áreas urbanas 0-nulo Uso do solo diferente de urbano 5- total Uso do solo urbano

Fonte: Urban e Isaac (2016)

70

Figura 5-1. Mapa de aptidão do solo da bacia PCJ à aplicação de lodo de esgoto. Fonte: Urban e Isaac (2016).

71

A partir do mapa pode-se perceber que a bacia PCJ tem grande parte de sua área

proibida (classe 5) à aplicação de lodo de esgoto. Isso se deve principalmente a localização de

quatro grandes áreas de preservação ambiental (APA): APA Corumbataí na parte leste da

bacia, na parte oeste a APA Piracicaba - Juqueri Mirim Área 2, a APA Fernão Dias e a APA

Sistema Cantareira. Enfatiza-se aqui que a resolução 375 (CONAMA, 2006) permite a

aplicação de lodo de esgoto em APA, desde que estas não protejam mananciais de

abastecimento. Entretanto, para evitar riscos ambientais, preferiu-se uma abordagem mais

conservadora, excluindo-se todas as APA das áreas aptas à recepção de lodo de esgoto.

As áreas urbanas das grandes cidades da região (Campinas, Piracicaba e Limeira)

também contribuíram para as áreas proibidas à aplicação de lodo de esgoto. É importante

apontar essas cidades porque são elas também as maiores geradoras de lodo de ETE na bacia.

Não existem áreas na bacia PCJ com classe de restrição 0, que seriam aqueles solos

muito aptos a receberem o lodo de esgoto.

Conforme a lista baseada em Andreoli et al. (2001), as classes de restrição 4 e 5 não

são adequadas para a recepção de lodo. Para tornar as áreas aptas mais visíveis foi feito um

recorte do mapa apresentado na Figura 4-1. Esse novo mapa apresenta as classes de restrição

1, 2 e 3 conjuntamente. Nessas áreas, consideradas aptas, é apresentado o uso e ocupação do

solo, como última medida de restrição. A localização das ETE da bacia também é apresentada

(Figura 5-2).

Visualmente, percebe-se no mapa que as áreas cobertas por plantação de cana de

açúcar e pastagem são predominantes nas classes de restrição 1, 2 e 3. Entretanto, a resolução

375 (CONAMA, 2006) proíbe a aplicação de lodo de esgoto em pastagem. A maior parte das

ETE está concentrada nas proximidades das áreas consideradas aptas, com exceção de

algumas da porção oeste da bacia PCJ.

Entretanto, solos de classe 3 de restrição ainda têm risco de aplicação, conforme

Andreoli et al. (2001). Por isso optou-se por fazer um segundo recorte, apenas com as áreas

de classe 1 e 2 de restrição. Novamente as ETE foram representadas no mapa gerado (Figura

5-3).

A análise do mapa permite observar que a área disponível para a aplicação do lodo de

esgoto diminui consideravelmente com a retirada dos solos de classe 3 de restrição. As ETE

da porção oeste da bacia ficam agora mais distantes dos possíveis pontos de aplicação, o que

acarreta custos maiores com transporte para a disposição final.

72

Figura 5-2. Uso e ocupação de áreas com classe de restrição 1, 2 e 3 à aplicação de lodo de esgoto – bacia PCJ.

73

Figura 5-3. Uso e ocupação de áreas com classe de restrição 1 e 2 à aplicação de lodo de esgoto – Bacia PCJ.

74

Para confirmar as análises visuais realizadas, foram extraídas as áreas dos polígonos

que caracterizam o uso e ocupação do solo das áreas com as classes de restrição 1, 2 e 3. Os

valores percentuais em relação à área total da bacia PCJ são apresentados na Tabela 5-2.

A análise da Tabela 5-2 permite afirmar que a ocupação de cana de açúcar e pastagem

é predominante em toda a área apta à recepção de lodo de esgoto. Novamente, enfatizando a

proibição da aplicação em pastagem pela resolução 375 (CONAMA, 2006). A classe de

restrição 1 representa menos de 2 % do total da bacia, apresentando pouca opção de área

receptiva. A classe de restrição 2 cobre área maior que a classe de restrição 3, e deve ser

usado prioritariamente, quando as áreas de classe 1 não estiverem disponíveis.

Menos de 30% da área da bacia PCJ é apta à recepção de lodo. Esse valor diminui para

menos de 17%, quando considerados apenas as classes menos restritivas (1 e 2). Entretanto, a

capacidade de recepção de lodo dessas áreas pode ser considerável.

Para a análise da capacidade de recepção, estimou-se que cada hectare poderia receber

15 toneladas de lodo de esgoto por ano, vide metodologia. Considerando as porcentagens da

área total, tem-se uma capacidade de recepção anual, conforme a Tabela 5-2.

A classe de restrição 1, mesmo ocupando menos de 2 % da área da bacia, ainda é

capaz de receber 365,5 mil toneladas de lodo de esgoto anualmente. Com esta capacidade

seria possível receber o equivalente ao lodo produzido por 7,5 cidades do porte de Curitiba,

conforme dados apresentados por Pegorini et al. (2003).

Deve-se observar, assim como as pastagens, que nem todos os usos do solo

representados podem receber o lodo de esgoto, apesar de serem considerados aptos. A

resolução 375 (CONAMA, 2006) indica que, além da pastagem, a aplicação de lodo de esgoto

é proibida em “cultivo de olerícolas, tubérculos e raízes e culturas inundadas, além de outras

culturas cuja parte comestível entre em contato com o solo”. Se houver a necessidade de

cultivar as culturas citadas deve-se respeitar o prazo de 4 anos da última aplicação de lodo de

esgoto. Isso acaba inviabilizando a aplicação nas culturas anuais ou mesmo nas perenes.

Andreoli et al. (2001) recomendam a aplicação de lodo de esgoto em “grandes culturas

cujos produtos são industrializados ou não são consumidos in natura”. Dessa forma, pode-se

inserir nessa definição as áreas de cana de açúcar, que são aquelas que têm maior capacidade

de recepção de lodo de esgoto (mais de 3.900 103 t ST ano-1). Conforme os mesmo autores,

também é viável a aplicação em reflorestamento. Essa opção deve ser considerada, apesar de

ocupar menos de 0,15 % da área da bacia PCJ, pois pode ser um destino para as ETE que se

encontram na parte oeste da bacia, e mais distantes das áreas de cana de açúcar. Os usos

citados não desrespeitam as indicações da resolução 375 (CONAMA, 2006).

75

Tabela 5-2. Porcentagem da área ocupada e capacidade de recepção de cada uso do solo em relação ao grau de restrição à aplicação de lodo de esgoto.

Classe Uso (%)

Cana de açúcar

Culturas anuais

Culturas perenes Pastagem Reflores. Outros Total

1 1,42 0,01 < 0,01 0,11 < 0,01 0,06 1,59 2 9,83 0,53 0,24 4,94 0,08 0,61 16,22 3 5,96 0,17 0,03 5,24 0,06 0,54 12,00

Total 17,21 0,70 0,27 10,28 0,14 1,20 29,81

Classe Capacidade de recepção do uso (10³ t)

Cana de açúcar

Culturas anuais

Culturas perenes Pastagem Reflores. Outros Total

1 325,9 1,2 0,7 24,6 0,1 13,0 365,5 2 2.256,8 121,1 54,6 1.133,2 18,0 140,1 3.723,8 3 1.367,1 39,0 7,3 1.202,5 14,5 123,1 2.753,6

Total 3.949,8 161,3 62,6 2.360,3 32,6 276,3 6.842,9 Fonte: Urban e Isaac (2016).

Considerando apenas as classes de restrição do solo que permitam a aplicação de lodo

de esgoto, restringiram-se as áreas de plantação de cana de açúcar e reflorestamento para a

recepção de lodo. Juntas essas áreas ocupam 17,36 % da área total da bacia PCJ, e tem

capacidade de receber 3.982,4 10³ t ST ano-1 de lodo de esgoto, com predominância absoluta

das áreas com cana de açúcar.

Excluindo a classe de restrição 3, pois demanda maior cuidado para a aplicação do

lodo de esgoto, as áreas de cana de açúcar da bacia PCJ passam a ter capacidade de recepção

de 2.582,7 10³ t ST ano-1, se mostrando a via com maior potencial de recepção de lodo de

esgoto na área de estudo.

Uma importante ressalva sobre o uso das áreas de pastagem para a aplicação de lodo

de esgoto deve ser feita, devido à possibilidade de receber pouco mais de 2.300 mil t ano-1.

Apesar de proibida a aplicação direta, existe a possibilidade de aplicação do lodo de esgoto e

posterior implantação da pastagem. Entretanto, a entrada de animais deve ocorrer após 2 anos

da última aplicação do lodo de esgoto (CONAMA, 2006), tornando essa opção pouco viável.

5.3 Considerações finais sobre a elaboração do mapa de aptidão A metodologia adaptada para a elaboração do mapa de aptidão do solo à aplicação de

lodo de esgoto da bacia PCJ se mostrou coerente e aplicável. O mapa gerado para a área de

estudo pode ser usado como consulta auxiliar na tomada de decisão dos gestores das empresas

76

de saneamento da bacia. A metodologia pode ser utilizada em outras áreas, desde que sejam

consideradas, e incluídas nos critérios, as especificidades legais regionais.

Recomenda-se a aplicação do lodo de esgoto nos solos cultivados com cana de açúcar

e reflorestamento. Considerando os usos citados e apenas as duas menores classes de

restrição, 11,33% da área da bacia PCJ é considerada apta à recepção de lodo, com uma

capacidade estimada de recepção de 2.600,8 mil t ST ano-1, conforme o critério de limitação

da quantidade de lodo pela alteração do pH do solo.

Os mapas apresentados são de abrangência regional, e devem ser usados em uma

avaliação preliminar dos locais aptos à recepção. Estudos complementares devem ser

realizados para a seleção dos locais específicos para a aplicação do lodo de esgoto de cada

ETE. Para cada local escolhido deve-se fazer o cálculo da capacidade de recepção anual,

considerando as características específicas do lodo da ETE e do solo onde este será lançado.

77

6 METODOLOGIA BASEADA EM SIG E OTIMIZAÇÃO LINEAR

PARA O GERENCIAMENTO DE LODO DE ETA E ETE

Sob os princípios de gerenciamento integrado, a logística é extremamente importante no

gerenciamento de lodo de ETA e ETE, seja para uma estação ou um grupo de empresas de

saneamento. Os custos de tratamento, transporte e destinação devem ser minimizados. Os

sistemas de informação geográfica (SIG) podem ser importantes ferramentas para esse

propósito, principalmente na seleção da melhor área para destinação. Essa parte da Tese tem

como objetivo testar uma metodologia baseada em SIG e otimização linear para auxiliar o

planejamento e gerenciamento dos resíduos de ETA e ETE, utilizando dados quantitativos, o

mapa de aptidão do solo e critérios de distância, diminuindo as dificuldades de interpretação

observadas nos resultados do capítulo 4.

6.1 Desenvolvimento da metodologia baseada em SIG e otimização linear A metodologia proposta será dividida em duas partes: escolha de local para a

destinação final de lodo de ETA e a escolha para lodo de ETE. Os procedimentos serão

testados em uma bacia hidrográfica, de características econômicas diversificadas.

6.1.1 Seleção do local de destinação do lodo

O primeiro passo da metodologia consiste em escolher o uso benéfico do resíduo.

Como exposto no capítulo 4, a seleção do destino final do lodo de ETA e ETE deve

considerar as características locais. As escolhas realizadas neste estudo de caso não são

necessariamente as melhores para outras áreas de estudo. Um estudo caso a caso de

alternativas deve ser realizado antes da definição. Outros usos benéficos são descritos em

Babatunde e Zhao (2007) e no capítulo 3 da presente tese.

A destinação final considerada para o lodo de ETA gerado nas Bacias PCJ foi a

incorporação em tijolos cerâmicos, devido às diversas indústrias cerâmicas instaladas na

região. O uso agrícola foi selecionado como destinação do lodo de ETE na avaliação, pois a

área de estudo concentra uma considerável área agrícola (vide capítulo 4).

78

6.1.2 Banco de dados e softwares utilizados

Este estudo fez uso de variadas informações em forma de dados digitais. Os dados

foram divididos em formato tabular e cartográfico e foram apresentados no capítulo 4.

Dados tabulares: Localização e identificação de cada indústria cerâmica (JUCESP,

2015); localização e geração de lodo de cada ETA e ETE (BIOCICLO, 2012).

Todos os dados relativos à quantidade de lodo gerado foram convertidos para base

seca. Originalmente, o valor da geração de lodo era dado por toneladas de sólidos totais por

dia (ton ST dia-1), considerando 20% de sólidos na torta após tratamento (adensamento,

desaguamento).

Os seguintes dados cartográficos foram obtidos da Agência PCJ (2013): rodovias, uso

do solo, limites municipais, limites das Bacias PCJ, mapas físicos.

Os softwares usados no desenvolvimento da pesquisa foram QGIS 2.6© e LibreOffice

4.4©. O código fonte aberto desses softwares permite a interação com complementos externos

e outros softwares de desenvolvimento livre.

Similarmente ao desenvolvido no capítulo 4, os dados foram apropriadamente

organizados, tabulados e georreferenciados, antes de carregamento do SIG. Os dados das

indústrias cerâmicas não tinham informações geográficas integradas. As coordenadas

geográficas foram obtidas a partir de busca pelo endereço das indústrias nos softwares Google

Earth© e no site Google Maps©.

6.1.3 Metodologia baseada em SIG e otimização linear

Primeiramente, foi realizada uma análise preliminar para verificar: i) áreas com maior

geração de lodo de ETA e ETE e ii) a proximidade das estações e possíveis destinos finais

com as rodovias. Simplificada, essa análise consistiu na sobreposição dos dados mencionados

e a reclassificação dos valores da produção de lodo pelo método da quebra natural (Jenks). Os

dados de geração do lodo foram obtidos da pesquisa regional (BIOCICLO, 2012).

Seleção de locais para a destinação do lodo de ETA

Os passos da metodologia proposta para o lodo de ETA estão resumidos no

fluxograma da Figura 6-1. O detalhamento dos passos é apresentado a seguir. O método de

otimização linear foi o mesmo para o lodo de ETE e será apresentado posteriormente.

79

Figura 6-1. Resumo da metodologia baseada em SIG e otimização linear para a seleção de locais para envio de lodo de ETA

A seleção de indústrias de cerâmicas vermelhas como potencial receptor de lodo de

ETA foi justificada anteriormente. Foram levantadas as informações de cerâmicas localizadas

dentro da área das Bacias PCJ e das proximidades. As indústrias externas foram consideradas

para o caso da produção de lodo da bacia ser superior à capacidade de recepção interna.

A produção das indústrias no Estado de São Paulo é fornecida em função da produção

total de peças cerâmicas no Estado de São Paulo. A produção cerâmica representa 21,2% da

produção brasileira, com um total de 731.106 peças mês-1, sendo 92,6% de blocos. A média da

produção por planta industrial é elevada, atingindo 975.103 peças empresa-1mês-1 e o

processamento de argila é de cerca de 1,8.106 t mês-1 (RODRIGUES, 2012). Essa média foi

utilizada para estimar a produção das áreas de recepção de lodo.

As áreas de recepção de lodo foram obtidas a partir de aglomeração das indústrias

próximas. Foi utilizado o módulo QGIS marker cluster, em função da distância. Variou-se a

distância até se obter um limite de 20 grupos. Desses 20 grupos foram excluídos os cinco com

menor quantidade de indústrias (<6). Essa exclusão foi realizada, pois essas áreas eram

distantes das outras, e com capacidade de recepção pequena. As áreas com maior

concentração de indústrias cerâmicas foram privilegiadas, pois aumentam a possibilidade de

aceitação do material, considerando toda a área da bacia PCJ.

A capacidade de recepção mensal de cada área receptora foi estabelecida com base nas

informações de Rodrigues (2012), conforme a equação 6-1, elaborada neste estudo:

= × ×100

(6-1)

Onde: CR: Capacidade de recepção da área (t mês-1); MP: Média da produção de peças por

indústria (peças mês-1); TP: Total de peças produzidas regionalmente (peças mês-1); RM:

Estabelecer um processo industrial

regional capaz de incorporar o

lodo

Definir a localização das

ETA e a produção de

lodo

Definir a produção total do processo e capacidade de recepção de

lodo

Determinar a localização das

unidades receptoras

Criar áreas (por cluster analysis) de recepção de

lodo

Montar uma matriz de

distância linear entre áreas de recepção e ETA

Determinar a função objetivo (mínimo

valor) e executar o método de

otimização linear

Apresentar resultados

espacialmente (uso de SIG)

80

Matéria-prima processada regionalmente (t mês-1); ILR: Proporção do lodo incorporado como

matéria-prima (%).

Foram estabelecidos três cenários de capacidade de recepção. Considerando 10%, 5%

e 2% de incorporação do lodo, em substituição à argila usada como matéria prima. Esses

valores foram considerados pertinentes como máximo, intermediário e mínimo, conforme a

literatura pesquisada e apresentada na introdução do presente capítulo e no capítulo 3.

A localização das ETA da área de estudo e a geração de lodo foram obtidas de

Biociclo (2012).

Seleção dos locais para a destinação do lodo de ETE

A metodologia resumida da escolha de locais para a destinação de lodo de ETE é

apresentada no fluxograma da Figura 6-2.

Figura 6-2. Resumo da metodologia baseada em SIG e otimização linear para a seleção de locais para envio de lodo de ETA

Os centróides das áreas aptas foram obtidos a partir da ferramenta “centróide do

polígono”, do software de SIG utilizado. Antes disso foi elaborado um mapa de áreas aptas à

recepção do lodo de esgoto conforme um método específico, apresentado no capítulo 5.

Do mapa elaborado e apresentado no capítulo 5 foi feito um recorte (clip) das áreas

com o uso do solo considerado adequado para a recepção de lodo. Foram considerados como

aptos os solos que apresentaram graus de restrição entre 0 e 2.

A taxa de aplicação do lodo de esgoto no solo dependerá do seu conteúdo em

nutrientes, não devendo gerar aportes de nitrogênio superiores às quantidades necessárias ao

desenvolvimento das culturas receptoras (CONAMA, 2006; ANDREOLI et al., 2007).

Entretanto, é válido considerar um valor padrão de capacidade de recepção, como estimativa.

Estabelecer áreas agrícolas a

partir de mapa de uso e

ocupação do solo

Definir a localização das

ETE e a produção de

lodo

Verificar a aptidão do solo à recepção de lodo mediante

método específico

Selecionar as áreas aptas e

sua capacidade de recepção do

lodo

Estabelecer centróides das

áreas aptas

Montar uma matriz de

distância linear entre os

centróides das áreas de

recepção e ETA

Determinar a função objetivo (mínimo

valor) e executar o método de

otimização linear

Apresentar resultados

espacialmente (uso de SIG)

81

Para isso foi considerada uma capacidade anual de recepção de 15 toneladas de massa seca

por hectare (URBAN e ISAAC, 2016).

Foram estabelecidos três cenários, simulando situações mais pessimistas para a

recepção do lodo de ETE. No primeiro considerou-se que todas as áreas aceitariam o máximo

da sua capacidade anual, no segundo aceitaram apenas metade da capacidade de recepção e no

terceiro aceitariam apenas 10% da capacidade total.

Análise de otimização

O procedimento de otimização do envio do lodo para os destinos propostos foi

semelhante nos dois casos (lodo de ETA e ETE).

A partir da matriz de distância obtida entre as camadas vetoriais de pontos, foi

modelado um problema de fluxo de redes do tipo grafo (otimização linear). A resolução do

mesmo foi realizada com o auxílio do algoritmo solver linear do LibreOffice 4.4©.

A função objetivo do problema foi elaborada de modo a minimizar a distância total do

transporte do lodo para os destinos finais. A função objetivo consistia na minimização do

valor da soma do produto de matrizes, onde a matriz A continha as distâncias de cada ETA

para cada área de recepção, e a matriz B continha a quantidade de lodo de cada ETA enviada

para cada área de recepção. Os valores da matriz B foram considerados variáveis, e os da

matriz A fixos. O problema elaborado para o lodo de ETE foi semelhante, considerando os

polígonos formados pelas áreas com cobertura do solo apta à recepção do lodo como as áreas

de recepção, e os centroides desses polígonos para a geração da matriz de distâncias.

Três restrições foram adotadas, para a resolução do problema: i) o montante de lodo

enviado para cada área de recepção deve ser igual ou menor a capacidade de recepção da

mesma, ii) a obrigatoriedade de envio de toda a produção de lodo de cada estação e iii) a

restrição ao uso de valores negativos.

O problema de otimização foi resolvido para cada cenário proposto e os resultados foram

espacializados e apresentados na forma de mapas temáticos.

6.2 Resultados e discussão O método apresentado é adaptável, podendo ser utilizado em outras áreas de interesse,

diferentes unidades territoriais e para diferentes destinações de lodo. A integração do SIG

com a otimização linear pode ser adaptada tanto para indústrias isoladas quanto para centros

industriais, como considerado. O estudo do envio de lodo de ETE para uso industrial também

82

é possível, trabalhando com a metodologia apresentada aqui para o lodo de ETA. Os

procedimentos podem ser adaptados e usados em diferentes softwares ou planilhas de cálculo,

não sendo restritos a um sistema específico.

É importante salientar que esta metodologia deve ser utilizada como um estudo

preliminar da capacidade de recepção de determinadas soluções. Antes da definição do local

de envio as empresas de saneamento devem negociar com os locais de recepção e verificar se

o processo de tratamento de água e esgoto gera um lodo com as características necessárias

para o uso benéfico pré-definido.

6.2.1 Lodo de ETA

O primeiro produto obtido foi o mapa que contém as informações cruzadas de

produção de lodo de ETA, localização de indústrias cerâmicas e rodovias da área de estudo

(Figura 6-3). A análise do primeiro mapa indica que a metodologia proposta possibilita a

identificação de proximidade entre as indústrias receptoras, fontes de resíduos e rodovias. O

mesmo princípio foi utilizado na metodologia preliminar apresentada no capítulo 4.

Similar ao avaliado no capítulo 4, a área com maior geração de lodo é localizada na

região central das Bacias PCJ. Nessa área encontra-se a região metropolitana de Campinas,

contendo 20 municípios, um dos mais importantes aeroportos internacionais brasileiros

(Viracopos), a maior refinaria de petróleo da América Latina (Replan) entre outras indústrias,

pois as principais atividades econômicas são a produção industrial e o comércio. A população

da região metropolitana é pouco maior de 3 milhões de habitantes, e apresenta uma taxa de

crescimento anual em torno de 1,5% (AGEMCAMP, 2016). Baseado nos dados apresentados

(Figura 6-3) a maior produção de lodo, acima de 67 t ST dia-1 (considerando 20% de sólidos

após tratamento), ocorre na região central, como esperado. As outras regiões das Bacias PCJ

geram, predominantemente, em torno de 0 – 5 t ST dia-1 de lodo de ETA.

As indústrias cerâmicas estão distribuídas em “centros” devido à necessidade de

instalação próximo às áreas de extração de argila. Outra característica favorável é a

proximidade com as principais rodovias, facilitando o escoamento da produção. A esperada

existência de centros cerâmicos foi confirmada no capítulo 4 e pela presente análise do SIG.

Outra importante observação é que a área de maior produção de lodo não tem um grande

número de indústrias cerâmicas próximas, sugerindo assim maiores distâncias percorridas por

caminhões. As regiões nordeste e sudeste, fora das Bacias PCJ, com grande concentração de

indústrias cerâmicas, são uma boa alternativa para a recepção de lodo de ETA.

83

Figura 6-3. Mapa de produção de lodo de ETA e localização de indústrias cerâmicas nas Bacias PCJ e proximidades.

84

Como apresentado na metodologia, foram estabelecidos 15 centros cerâmicos, para a

recepção de lodo. Para calcular a estimativa de argila processada em cada centro cerâmico foi

utilizada a equação 6-1. As características de cada centro cerâmico são apresentadas na

Tabela 6-1.

Pela Tabela 6-1 percebe-se que existem duas grandes concentrações de cerâmicas na

região estudada. Os centros denominados “F” e “O” têm, respectivamente, 47 e 51 cerâmicas

inclusas, e, consequentemente, tem a maior quantidade estimada de argila processada e

maiores capacidades de recepção de lodo. Evidencia-se que esses centros cerâmicos

encontram-se fora da área de estudo, e serviriam como alternativa, caso as cerâmicas das

Bacias PCJ não sejam capazes de absorver todo o lodo gerado pelas ETA.

O centro cerâmico “K” tem apenas oito indústrias, e só foi considerado pela sua

proximidade com o centro “D”. Ambos estão localizados na parte leste da bacia PCJ, que tem

uma densidade de cerâmicas menor que as outras regiões.

A capacidade de recepção de lodo foi estimada a partir do total de argila processado.

Conforme justificado anteriormente, é possível substituir a argila processada por lodo em

algumas proporções. Para melhor avaliação foram considerados três cenários: 10% (máximo),

5% (intermediário) e 2% (mínimo). A capacidade de recepção é proporcional ao número de

indústrias de cada centro cerâmico (Tabela 6-1).

Tabela 6-1. Características dos centros cerâmicos estabelecidos para a recepção de lodo de ETA Denominação do centro cerâmico

Número de cerâmicas

Argila usada (t/mês)

Capacidade de recepção de lodo (10%)



A 13 28901,08 2890,11 1445,05 578,02 B 31 68917,96 6891,80 3445,90 1378,36 C 22 48909,52 4890,95 2445,48 978,19 D 28 62248,48 6224,85 3112,42 1244,97 E 36 80033,76 8003,38 4001,69 1600,68 F 47 104488,52 10448,85 5224,43 2089,77 G 10 22231,60 2223,16 1111,58 444,63 H 13 28901,08 2890,11 1445,05 578,02 I 17 37793,72 3779,37 1889,69 755,87 J 12 26677,92 2667,79 1333,90 533,56 K 8 17785,28 1778,53 889,26 355,71 L 15 33347,40 3334,74 1667,37 666,95 M 14 31124,24 3112,42 1556,21 622,48 N 28 62248,48 6224,85 3112,42 1244,97 O 51 113381,16 11338,12 5669,06 2267,62

85

Para estabelecer o centro cerâmico receptor de cada ETA, foi resolvido o problema de

otimização linear descrito na metodologia. Para cada cenário estabelecido foi elaborado um

mapa, para a visualização espacial da resolução do problema de otimização.

Os mapas elaborados apresentam o centro cerâmico que cada ETA pode enviar seu

lodo, na situação ótima de distância e qual a capacidade total de recepção é utilizada em cada

centro. Nas Figuras 6-4, 6-5 e 6-6 são apresentados, respectivamente, os cenários de recepção

máxima, intermediária e mínima de lodo de ETA.

O primeiro cenário, que considera o máximo de recepção para as indústrias cerâmicas

(Figura 6-4), se mostra bastante favorável à gestão do lodo da bacia PCJ. Os centros

cerâmicos de fora da bacia, e consequentemente mais distantes das ETA, não se mostram

necessários para o recebimento do lodo. Mesmo o centro cerâmico localizado na parte central

da bacia, região de grande população e uso de água, receberia em torno de 70% da sua

capacidade mensal, enquanto os outros centros teriam menos da metade de sua capacidade

utilizada. As ETA enviariam o lodo produzido para os centros mais próximos.

O cenário de 10% de envio de lodo demonstra a grande capacidade de recepção das

indústrias cerâmicas, e corrobora a hipótese inicial de manter o resíduo dentro da unidade

territorial e de gerenciamento de recursos hídricos e de saneamento, onde ele foi gerado.

Entretanto, o sucesso da aplicação do lodo em indústrias cerâmicas, além da

viabilidade técnica, depende da aceitação do lodo pelo fabricante (PRADICELLI e

MELCHIADES, 1997) e aplicação correta do lodo pelos mesmos. Por isso, foram

considerados cenários menos otimistas (Figuras 6-5 e 6-6).

O segundo cenário considera que os centros cerâmicos só aceitariam substituir 5% da

argila por lodo de ETA. Esse cenário também pode representar a situação em que apenas

metade das indústrias aceitariam incorporar o lodo no seu processo produtivo, considerando

os 10% de substituição.

Mesmo com o cenário menos favorável, os centros cerâmicos de fora da bacia PCJ não

seriam utilizados (Figura 6-5). Entretanto, o centro cerâmico da parte central da bacia operaria

com a sua capacidade máxima de recepção. Outros centros próximos à área de maior

contingente populacional operariam próximos a 90% da sua capacidade. Isso faz com que

algumas ETA dessa área central da bacia tenham de efetuar maiores deslocamentos quanto ao

envio do lodo.

86

Figura 6-4. Áreas de recepção de lodo e capacidade, com a incorporação de 10% de lodo no processo produtivo, utilizada por envio das ETA.

87


88

O terceiro cenário simula uma situação menos favorável, considerando que os centros

cerâmicos aceitariam a substituição de apenas 2% da matéria-prima pelo lodo de ETA. Esse

cenário pode representar uma taxa menor de substituição dentro das indústrias cerâmicas, ou a

não aceitação do material por algumas indústrias.

Esse cenário já torna o uso benéfico do lodo de ETA mais complicado, com oito dos

centros cerâmicos considerados operando com 100% da capacidade de recepção (Figura 6-6).

Mais estações têm de efetuar maiores deslocamentos (transporte) do lodo para centros

cerâmicos. Os centros externos à bacia, da parte sul, teriam de ser utilizados para absorver

todo o lodo gerado. Os centros cerâmicos externos ao norte da bacia ainda não precisariam ser

utilizados, mas constituiriam uma possibilidade no caso de ocorrer algum problema nos

outros centros. Ainda assim, toda a produção de lodo de ETA seria absorvida pelas indústrias

cerâmicas das proximidades da bacia hidrográfica.

Um cenário de incorporação de menos de 2% do lodo pelos centros cerâmicos já se

torna menos vantajoso. Nesse caso, poderia se procurar outras formas de recepção do lodo.

Para melhor visualização dos resultados foi elaborada a Tabela 6-2, considerando o

número de ETA atendidas por cada centro cerâmico, em cada cenário estabelecido.

A leitura da Tabela 6-2 mostra que a variação entre os cenários máximo e mínimo

ocorre entre os centros C, A, B e I, que são aqueles localizados na parte central da bacia PCJ.

Os outros centros mantém, no cenário intermediário, o número de ETA atendidas. No cenário

intermediário ainda existe uma ETA (Figura 6-5) que deve enviar o lodo para dois centros

cerâmicos diferentes.

O cenário mínimo apresenta diversas mudanças. Apenas os centros G e K não

alterariam o número de ETA atendidas. Os centros localizados na área central diminuíram o

número de ETA atendidas. Ao mesmo tempo, cinco ETA deveriam enviar seu lodo para mais

de um centro cerâmico (Figura 6-6), sendo que duas delas enviariam para três centros

diferentes. Essas duas estações localizam-se na área central da bacia, sendo uma delas

localizada na maior cidade da região, Campinas.

A situação observada no cenário mínimo pode comprometer o gerenciamento de lodo.

O envio do lodo para mais de um centro aumentaria os custos, e possivelmente causaria uma

disputa entre as empresas de saneamento. Esse cenário só seria viável com um acordo de

gerenciamento coletivo, respeitando o cenário ótimo criado. Uma possível concorrência

comercial levaria as ETA a procurarem outras alternativas para o uso benéfico, ou disposição

do seu lodo.

89


90

Tabela 6-2. Quantidade de ETA com lodo enviado para cada centro cerâmico Cenário

Centro cerâmico Máximo (10%) Intermediário (5%) Mínimo (2%)

A 15 16 7 B 4 6 10 C 14 8 2 D 4 4 14 E 3 3 12 F 0 0 1 G 4 4 4 H 1 1 6 I 7 9 3 J 12 12 5 K 10 10 10 L 12 12 5 M 0 0 1 N 0 0 0 O 0 0 0

Em relação à sugestão do gerenciamento conjunto, deve-se considerar a peculiaridade

de cada estação de tratamento. Owen (2002) apresentou estratégias alternativas de

gerenciamento de lodo de ETA nos Reino Unido. No seu estudo o autor destaca a importância

de investigar cada estação individualmente, em relação à variação de propriedades do lodo e

os custos de disposição final.

6.2.2 Lodo de ETE

O uso da terra da bacia PCJ é dividido entre plantações de cana de açúcar, pastagem,

uso urbano, reflorestamento, culturas anuais e perenes. Entretanto, deve-se observar que nem

todos os usos da terra são indicados para receber o lodo. Andreoli et al. (2007) indicam que

culturas de contato primário não deverão ser efetuadas em um período de 12 meses após a

aplicação do lodo de esgoto. Isso acaba inviabilizando a aplicação nas culturas anuais ou

mesmo nas perenes.

Ainda conforme Andreoli et al. (2007) a aplicação de lodo de esgoto é indicada em

grandes culturas, com produtos que não são consumidos in natura. Da área das Bacias PCJ, o

solo ocupado por cana de açúcar e reflorestamento atende os requisitos (URBAN e ISAAC,

2016). Portanto, para a seleção dos locais aptos à recepção de lodo, foram consideradas

apenas as áreas cobertas com plantação de cana de açúcar ou reflorestamento (Figura 6-7).

91

Figura 6-7. Mapa de produção de lodo de ETE e classes de restrição à aplicação de lodo de ETE em uso do solo de plantação de cana de açúcar e reflorestamento, nas Bacias PCJ.

92

Em uma primeira análise visual do mapa da Figura 6-7 pode-se notar que as ETE com

maior geração de lodo estão próximas das ETA com maiores produções (Figura 6-3). Isso era

esperado devido às características regionais já apresentadas: área metropolitana, grande

população, um importante parque industrial, comércio variado e consequente consumo de

água e geração de esgoto. É importante citar que, apesar de todos os municípios das bacias

terem coleta e afastamento de esgoto, apenas 59% dos domicílios dentro da área de estudo são

atendidos pelo serviço de tratamento de esgoto (AGÊNCIA PCJ, 2012), sugerindo que a

produção de lodo deve crescer conforme esse déficit é superado. Para avaliação de locais para

instalação de novas ETE pode-se utilizar a metodologia baseada em análise multicriterial e

SIG, apresentada por Zhao et al. (2009).

Ainda conforme o mapa da Figura 6-7 percebe-se que a área de cana de açúcar cobre

boa parte da região oeste da bacia PCJ, enquanto o reflorestamento ocupa pequenos

fragmentos espalhados pela área da bacia. A maior parte das ETE está concentrada nas

proximidades das áreas cobertas por plantação de cana de açúcar.

Para analisar os possíveis locais de envio de lodo de ETE foram considerados apenas

os solos aptos (graus 1 e 2), conforme o capítulo 5, e uma capacidade de recepção anual do

lodo de 15 toneladas de massa seca por hectare, conforme mencionado na metodologia.

A partir dos critérios estabelecidos afirma-se que a plantação de cana de açúcar apta à

recepção do lodo ocupa apenas 11,25% da área da bacia PCJ. Apesar disso, tem capacidade

de recepção de 2582,7.103 t ST ano-1. Apesar de ocupar menos de 0,08% da área da bacia

PCJ, a aplicação em reflorestamento também pode ser considerada, pois é uma opção de

destino para as ETE que se encontram na região leste da bacia, mais distantes das áreas de

cana de açúcar. Dessa forma, as áreas aptas ocupam 11,33% da área da bacia PCJ e tem

capacidade de recepção de 2600,8.103 t ST ano-1.

Os valores apresentados foram considerados na resolução do problema de otimização

linear, para a seleção dos melhores locais para a recepção do lodo. Em um primeiro cenário

foi considerado que todas as áreas aptas aceitariam receber o lodo de ETE, portanto 100% da

capacidade de recepção estaria disponível. No mapa da Figura 6-8 é apresentado esse cenário,

ilustrando a porcentagem de capacidade de recepção não utilizada das áreas aptas. Quanto

maior a porcentagem apresentada, menor a utilização da capacidade de recepção da área.

No mapa da Figura 6-8 pode-se observar que a maior parte das áreas aptas à recepção

de lodo teria mais de 90% da sua capacidade ainda disponível. Algumas áreas mais centrais

encontram-se no limite de uso, pela proximidade com as ETE que tem maior geração.

Entretanto, pode-se afirmar que, neste cenário, o lodo de esgoto é completamente absorvido

93

pelas áreas aptas, e existe uma boa folga para o aumento do tratamento de esgotos das cidades

da bacia PCJ no que se refere à destinação final do lodo.

Cenários menos otimistas foram elaborados, considerando que nem todos os

produtores aceitariam o lodo de ETE. Muitos fatores podem fazer com que os produtores

agrícolas recusem o uso de biossólido, desde a rejeição dos clientes às safras usuárias de lodo

de esgoto ou mesmo uma preocupação com a segurança sanitária das suas terras e produtos

(EUROPEAN COMMUNITIES, 2001). A fim de superar a rejeição do uso do lodo de esgoto,

o uso da cana de açúcar para produção de álcool combustível pode ser um facilitador, por não

haver consumo direto do produto agrícola. Apesar desta ser uma característica específica do

sudeste brasileiro, outro locais, em diferentes Estados ou países, podem usar a mesma

metodologia, considerando suas próprias características regionais.

Considerando as situações menos otimistas, foi elaborado um cenário onde metade da

capacidade total da bacia PCJ seria usada (Figura 6-9) e outro cenário onde seriam usados

apenas 10% da capacidade das áreas aptas (Figura 6-10). Os cenários são importantes para

verificar os limites da solução proposta para o lodo de ETE.

Apesar de contar com mais áreas com a capacidade de recepção próxima do limite, o

cenário apresentado no mapa da Figura 6-9 ainda demonstra boa capacidade para a recepção

do lodo de ETE proveniente do esperado crescimento do tratamento de esgoto da bacia PCJ.

Já o cenário considerando 10% de uso da capacidade total, apresentado no mapa da

Figura 6-10, mostra sinais de saturação. A área central seria praticamente toda utilizada,

restando maior deslocamento do lodo de ETE da região para outras áreas. As áreas de cana de

açúcar mais distantes também teriam diminuição da capacidade de recepção do lodo de ETE,

com valores entre 70 e 90% da capacidade não utilizada. Apesar disso, ainda há um bom

espaço para o crescimento da geração de lodo de ETE na bacia. Isso evidencia que o uso do

lodo de ETE em solo agrícolas é uma solução viável e com boa capacidade de recepção na

área de estudo, ou mesmo outras áreas. Fica a necessidade das ETE adequarem seus resíduos

para atender os requisitos para a aplicação no solo, e garantir a aceitação da população aos

produtos cultivados com o auxílio do lodo de esgoto.

94

Figura 6-8. Localização das ETE das bacias PCJ e capacidade de recepção disponível das áreas aptas à recepção de lodo, considerando aceitação de até 100% da capacidade.

95


96


97

6.3 Considerações finais da metodologia baseada em SIG e otimização linear A metodologia proposta para auxiliar o gerenciamento de lodo de ETA e ETE se

mostrou útil. Os mapas temáticos se mostraram uma forte ferramenta, oferecendo aos

gestores, através da visualização espacial da proximidade entre as estações de tratamento e as

consideradas áreas potenciais de recepção de lodo, um auxílio na decisão sobre soluções de

gerenciamento individuais ou conjuntas. Questões de planejamento também podem ser

respondidas, como a melhor localização de um tipo de consórcio de empresas de saneamento

para a criação de uma central de tratamento de lodo.

Os critérios estabelecidos para a determinação das áreas com solo apto para a recepção

de lodo de esgoto se mostraram fortes, e podem ser adotados para locais diferentes e para

culturas diferentes. Possíveis adaptações podem ocorrer para seguir leis locais, que restrinjam

a aplicação de lodo de esgoto em locais específicos.

Especificamente sobre as bacias PCJ, pode-se afirmar que a solução proposta de envio

do lodo de ETA para indústrias cerâmicas e de lodo de ETE para aplicação em plantação de

cana de açúcar e reflorestamento é perfeitamente viável. Existe, inclusive, a possibilidade de

absorção de um possível excedente de lodo a ser gerado nos anos seguintes com o

crescimento e desenvolvimento das cidades, do consumo de água, da maior geração de esgoto

sanitário municipal, da eliminação do déficit de tratamento de esgoto das bacias e maior

geração de lodo de ETA e ETE daí decorrente.

Os cenários criados demonstraram que a própria área da bacia PCJ é capaz de absorver

o lodo gerado, desde que a incorporação de lodo de ETA pelas cerâmicas seja maior que 2%

do total de material-prima processada. O lodo de ETE não apresenta problemas de locais para

incorporação, desde que a legislação seja atendida e os produtores aceitem receber o lodo de

esgoto.

Apesar de positivos, os resultados carecem de um estudo detalhado sobre os impactos

financeiros dentro das ETA ou ETE, devido à escolha da destinação final do lodo gerado.

Gastos excessivos podem inviabilizar a adoção de uma ou outra opção de destino. No

próximo capítulo é apresentada uma metodologia auxiliar para essa avaliação individual.

98

7 UMA ABORDAGEM DE DINÂMICA DE SISTEMAS PARA O

GERENCIAMENTO DE LODO DE ETA

Maior detalhamento da definição, importância e geração dos lodos de ETA e ETE já

foi apresentada nos capítulos 1 e 3.

Para a presente aplicação é importante destacar que a composição básica do lodo de

ETA contém partículas sólidas minerais, material húmico e os produtos químicos usados

como coagulantes ou auxiliares de coagulação (OWEN, 2002). Entretanto a proporção desses

componentes, ou mesmo a presença de componentes diferentes, pode variar conforme a

qualidade da água bruta, que pode variar ao longo do ano, ou mesmo ao longo do dia.

Os diversos aspectos apresentados nos capítulos anteriores trazem uma série de

dificuldades para as empresas de saneamento. A variabilidade dos resíduos, as opções de uso

de benéfico, a necessidade de alteração do tipo de tratamento, ou dos produtos utilizados, para

atender as exigências de determinado uso, a necessidade de um desaguamento (aumento do

teor de sólidos) diferenciado para diminuir o custo de transporte ou para atender a exigência

da disposição final, entre outros aspectos, tornam a tomada de decisão complexa, e com vários

processos inter-relacionados.

Diante das diversas conexões, a decisão da destinação do lodo não pode se basear

apenas em um ou outro critério. Por isso, pode-se pensar em decisões sobre o gerenciamento

do lodo de ETA e ETE, dentro de um contexto mais complexo que é o gerenciamento

integrado dos recursos hídricos, mais especificamente, dos recursos usados nas ETA e ETE.

Essa abordagem pressupõe que todas as decisões estão conectadas e interferem nos resultados

dos processos subsequentes, considerando a quantidade e qualidade de água utilizada e do

esgoto gerado, quantidade de lodo gerado, custos dos tratamentos de água, esgoto e lodo,

custos com armazenamento, transporte, disposição do lodo entre outros critérios técnicos e

econômicos (LI et al., 2009; LIU e TONG, 2011; DEVINEY JR et al., 2012).

Para melhor explicação da complexidade do gerenciamento dos recursos de ETA e

ETE, pode-se indicar a utilização de um método de simulação que considere as variações do

sistema, ao longo do tempo, para subsidiar uma decisão mais fundamentada pelos gestores de

saneamento.

99

A abordagem da modelagem em Dinâmica de Sistemas (DS) tem grande potencial de

aplicação em problemas de gerenciamento complexos em grande escala (ZHAO et al, 2011a),

sistemas sócio econômico ambientais complexos (KHAN et al., 2009; WINZ et al., 2009) e

na criação de modelos de representação de sistemas do mundo real (YUAN et al., 2011).

Devido ao exposto anteriormente, o uso da DS é bastante condizente com a

característica sistêmica inerente aos problemas relacionados à engenharia sanitária e

gerenciamento de recursos hídricos. Aplicações bem sucedidas de modelos DS no

gerenciamento de resíduos de construção (YUAN et al., 2011; ZHAO et al., 2011a), no

gerenciamento de recursos hídricos em áreas rurais e urbanas (XU et al., 2002; SANCHÉZ-

ROMÁN et al., 2010; GONZÁLEZ et al., 2011; REHAN et al., 2011; ZARGHAMI e

AKBARIYEH, 2012) e no planejamento de reúso de água urbana (NASIRI et al., 2013)

confirmam a possibilidade de uso da abordagem DS.

Diante desse cenário, o presente estudo propõe um modelo de gerenciamento de lodo

de ETA baseado na abordagem DS. A aplicabilidade do modelo proposto é testada em um

estudo de caso das ETA 3 e 4 e da ETE Anhumas localizadas em Campinas, principal cidade

da bacia dos rios Piracicaba, Capivari e Jundiaí.

7.1 Abordagem DS

7.1.1 Definição do problema

A abordagem de modelagem DS tem como objetivo simular o comportamento de

problemas complexos, com foco em sua estrutura. Como forma de iniciar um modelo DS

podem ser elaborados diagramas de ciclos causais (DCC), que são usados com o intuito de

identificar as relações entre os elementos individuais de um sistema. Os DCC representam

ciclos de resposta, que podem ser positivos, de equilíbrio ou negativos, interferindo, dessa

forma, no processo original (NASIRI et al., 2013).

As relações nos DCC são representadas por setas com sinais positivos (+) ou negativos

(-). Valores positivos indicam que, quando aquela variável sofre algum acréscimo, a variável

resultante também será acrescida. Inversamente, os valores negativos indicam que quando

uma variável cresce, a variável resultante diminui. Pode-se considerar os DCC uma

representação de sistemas de causa e efeito (REHAN et al., 2011).

Um DCC simplificado de um sistema de tratamento-abastecimento de água é

apresentado na Figura 7-1. Esse DCC é baseado na representação do sistema de infraestrutura

convencional proposto por Nasiri et al. (2013), desconsiderando a estrutura de reúso de água e

incluindo a geração e o custo do tratamento de lodo como componentes críticos. Enfatiza-se

100

que esse DCC representa uma ETA, mas pode ser adaptado para um sistema que englobe

outras estações.

Figura 7-1. Diagrama de ciclo causal de uma estação de tratamento de água

O sistema apresentado na Figura 7-1 consiste de três ciclos causais (de resposta), que

representam três caminhos que influenciam no custo operacional da ETA. O primeiro ciclo é

similar ao proposto por Nasiri et al. (2013): caso a Quantidade de água extraída do manancial

aumente, o Custo do tratamento de água também aumenta, e, consequentemente, também há

acréscimo no Custo unitário operacional da ETA (esse custo representa a relação unitária

entre o valor gasto para o tratamento da água bruta em função do volume tratado). Os dois

riscos entre a Quantidade de água extraída do manancial e o Custo do tratamento de água

representam um atraso no efeito causado pela primeira situação, devido à necessidade de

incremento da capacidade de tratamento da estação para suportar o maior volume de água

bruta. Isso acaba entrando no segundo ciclo, pois indica que um aumento da Quantidade de

água extraída do manancial aumenta a Quantidade de água tratada. Entretanto, quanto maior a

Quantidade de água tratada, menor o Custo unitário operacional da ETA.

Em compensação, conforme a Quantidade de água tratada aumenta, o Lodo gerado

sofre um acréscimo e, consequentemente, o Custo do tratamento do lodo também aumenta,

isso incrementa o Custo unitário operacional da ETA. Esse Custo operacional da ETA pode

representar um acréscimo na tarifa de água, o que representaria uma queda na demanda, e

consequente efeito em todo o sistema.

Custo unitáriooperacional da ETA

Preço da água

Demanda deágua

Quantidade de águaextraída do manancial

Custo dotratamento de água

Quantidade deágua tratada

Lodo gerado

Custo dotratamento de lodo +

-

+

+

+

+

++

101

Para uma representação mais completa do sistema de gerenciamento de lodo de uma

ETA, outros componentes críticos podem ser considerados. Entre as inserções, pode-se

elaborar um novo ciclo representado efetivamente o sistema de gerenciamento de lodo de

ETA e incorporando seus efeitos no sistema de tratamento/abastecimento de água. Outra

importante relação se dá com o sistema de tratamento de esgotos, que depende diretamente do

consumo de água tratada. O preço de tratamento de esgoto também pode influenciar na

demanda de água da população.

Na Figura 7-2 é apresentado o DCC do sistema de gerenciamento integrado de lodo,

considerando os aspectos levantados anteriormente. É importante salientar que o diagrama

agora não representa apenas o gerenciamento de lodo de ETA, mas dos lodos de ETA e ETE

conjuntamente, considerando que existe uma relação entre os sistemas de

tratamento/abastecimento de água e afastamento/tratamento de esgoto. Caso haja a

necessidade de se trabalhar com apenas um sistema, o mesmo princípio pode ser usado,

apenas excluindo as informações do sistema que não será estudado.

Figura 7-2. Diagrama de ciclo causal de um sistema de gerenciamento integrado de lodo

Em relação ao diagrama apresentado na Figura 7-1, o diagrama da Figura 7-2

acrescenta uma série de pequenos novos ciclos ao sistema de tratamento/abastecimento de

água. O ciclo do gerenciamento de lodo considera os aspectos logísticos inerentes a essa

atividade, o acréscimo de lodo de ETA gerado incrementa o Custo do transporte do lodo de

ETA, o Custo de armazenamento de lodo de ETA e o Custo de disposição de lodo de ETA.

Esses três custos específicos, em conjunto com o Custo de tratamento de lodo de ETA


Preço da água

Demanda deágua




Lodo de ETAgerado

Custo do Tratamentode lodo de ETA

+

-

+

++

+

Custo degerenciamento do

lodo de ETA

Custo do transportedo lodo de ETA

Custo dearmazenamento de

lodo de ETA

Custo de disposiçãode lodo de ETA

+

Custo unitáriooperacional da ETE

Quantidade deesgoto coletado

Custo do tratamentode esgoto

Quantidade deesgoto tratado

Lodo de ETEgerado

Custo do tratamentodo lodo de ETE

+

+

+

Custo dogerenciamento de

lodo de ETE

Custo de transportedo lodo de ETE

Custo doarmazenamento de

lodo de ETE

Custo de disposiçãodo lodo de ETE

+

-

+

+

+

+

+-

-

+

+

++

102

aumentam o Custo do gerenciamento do lodo de ETA que aumenta o Custo unitário

operacional da ETA.

Similarmente ao exposto para o sistema de tratamento/abastecimento de água, o

sistema de esgoto representado no lado direito do DCC da Figura 7-2 tem o Custo unitário

operacional da ETE incrementado pelas variáveis equivalentes ao outro sistema, e pode

diminuir no caso de aumento da quantidade de esgoto tratado.

Com o DCC base elaborado, a modelagem tem sequência com as equações necessárias

para representar as relações definidas.

7.1.2 Equações do modelo DS para o gerenciamento de lodo de ETA

Para implementar o modelo de gerenciamento de lodo de ETA foi utilizado como base

o trabalho de Nasiri et al. (2013). O trabalho citado usou a DS para planejar o reúso urbano de

água em na região dos Grandes Lagos, nos EUA. Como produto intermediário do artigo

citado, foi elaborado um modelo para o abastecimento de água. Por isso, as equações

relacionadas com a produção e distribuição de água foram adaptadas do modelo de Nasiri et

al. (2013). As equações do modelo relacionadas ao afastamento e tratamento de esgoto foram

elaboradas conforme pesquisa bibliográfica e usando os mesmos princípios do modelo para

ETA. As equações dos modelos de gerenciamento de lodo foram elaboradas considerando

aspectos gerenciais levantados no capítulo 3.

As decisões sobre o gerenciamento dos resíduos de ETA passam pelo levantamento de

custos das alternativas. A influência do custo do gerenciamento de lodo no custo do

tratamento como um todo também é essencial na tomada de decisão. Por isso todas as

equações foram elaboradas com o objetivo de mostrar a importância de cada etapa gerencial

nos custos operacionais e gerenciais.

Dessa forma a solução ótima para o sistema de gerenciamento de lodo, consiste na

minimização dos custos do tratamento de água e de esgoto (quando houver utilização de sua

estrutura), representado pelas equações 7-1 e 7-2:

= [ ( ) + ( )] (7-1)

onde πwt é custo total da ETA (R$), T é o tempo de projeto (anos), t0 é o tempo inicial (ano),

Cwt(t) é o custo do tratamento de água no ano ‘t’ (R$/ano), , Cws(t) é o custo do gerenciamento

de lodo da ETA no ano ‘t’ (R$/ano).

103

= [ ( ) + ( )] (7-2)

onde πwt é custo total da ETE (R$), T é o tempo de projeto (anos), t0 é o tempo inicial (ano),

Cwwt(t) é o custo do tratamento de esgoto no ano ‘t’ (R$/ano), Cwws(t) é o custo do

gerenciamento de lodo da ETE no ano ‘t’ (R$/ano).

Os elementos de custos foram estabelecidos em função do tempo, com base em

variações periódicas de custos iniciais e operacionais devido à criação de novas estruturas e

manutenção das existentes.

Primeiramente serão apresentadas as equações relacionadas aos custos da ETA. O

custo do tratamento de água (Cwt(t)) é a soma dos custos operacionais e de implantação de

estruturas e é função das estruturas construídas e quantidade de água tratada (Equação7- 3). Já

o custo de gerenciamento de lodo (Cws(t)) é a soma dos custos com tratamento, transporte,

armazenamento e disposição final do lodo (Equação 7-4). Desta forma as equações são:

( ) = ( )( ). ( ) + ( )( ). ( ) (7-3)

( ) = ( ) + ( )( ) + ( )( ) + ( )( ) (7-4)

onde ( )( ) é o custo unitário de implantação da estrutura de tratamento de água no ano ‘t’

(R$/m³), Iw(t) é a capacidade de tratamento de água adicionada no ano ‘t’ (m³/ano), ( )( ) é

o custo operacional unitário do tratamento de água no ano ‘t’ (R$/m³), xw(t) é a quantidade de

água tratada no ano ‘t’ (m³/ano), para ( )( ) = ( )( ). (1 + ) , onde ip é a taxa de

inflação média anual. Cwst(t) é o custo do tratamento do lodo de ETA (R$/ano), ( )( ) são os

custos com transporte do lodo de ETA no ano ‘t’ (R$/ano), ( )( ) são os custos com o

armazenamento de lodo de ETA no ano ‘t’ (R$/ano) e ( )( ) são os custos com a disposição

de lodo de ETA no ano‘t’ (R$/ano).

O custo operacional do tratamento de água ( ( )( )) depende da operação em si e do

gasto com produtos químicos. Aqui optou-se por separar o custo com produtos químicos, pois

a decisão do local de destinação do lodo pode influenciar na escolha do tipo de coagulantes e

outros produtos adicionados no tratamento de água, influenciando o custo. ( )( ) = ( )( ) + ( )( ) (7-5)

onde ( )( ) é o custo unitário operacional do tratamento de água no ano ‘t’ (R$/m³), ( )( )é o custo unitário dos produtos químicos utilizados no tratamento de água no ano ‘t’

(R$/m³), para ( )( ) = ( )( ). (1 + ) e ( )( ) = ( )( ). (1 + )

104

A ampliação da estrutura de tratamento de água vai depender da necessidade de água

para o abastecimento da população e da estrutura depreciada devido ao uso contínuo, por isso

as determinações de capacidade de água adicionada (Iw(t)) e quantidade de água tratada (xw(t))

são determinadas através das equações 7-6 e 7-7:

( ) = {[ ( ). (1 + ) − ( )]⁄ , ( )} (7-6)

( ) = í { ( ), ( )} (7-7)

onde e(t) é a extração de água no ano ‘t’ (m³/ano), μw é a razão de reserva de capacidade de

tratamento de água, Xw(t) é a capacidade de tratamento de água no ano ‘t’ (m³), Tw é o atraso

no desenvolvimento da capacidade de tratamento de água (anos), sw(t) é a capacidade de

tratamento de água depreciada no ano ‘t’ (m³/ano).

Dessa forma a quantidade de água tratada será o valor mínimo entre a capacidade de

tratamento de água ou a quantidade de água extraída do manancial. O acréscimo de

capacidade de tratamento de água considerará o valor máximo da necessidade de aumento da

estrutura devido ao aumento da demanda ou de sua depreciação.

Os elementos que são função do tempo, usados nas equações 7-6 e 7-7 são

identificados nas equações 7-8, 7-9 e 7-10, a seguir:

( ) = í { ( ), ( )} (7-8)

onde d(t) é a demanda de água no ano ‘t’ (m³/ano) e αw(t) é a quantidade de água disponível

no manancial no ano ‘t’ (m³/ano).

A equação 7-8 indica que a extração de água será influenciada pela quantidade de água

disponível no manancial no ano de estudo. Caso a quantidade de água disponível seja menor

que a demanda, será retirado o menor volume.

( ) = ( ) + ( ) − ( ) (7-9)

( ) = . ( ) (7-10)

onde sw é a taxa média de depreciação da capacidade de tratamento de água

A demanda de água (d(t)) e a quantidade de água no manancial (αw(t)) são dependentes

das seguintes relações:

( ) = ( ). ( ) (7-11)

onde η(t) é a população atendida pelo serviço de abastecimento de água no ano t’ (pessoas), ( ) é a demanda per capita de água (m³/pessoa).

Para determinar a população atendida pelo serviço deve-se considerar o crescimento

populacional. A taxa de crescimento pode considerar as estimativas dos órgãos

105

governamentais, como o IBGE, ou modelos matemáticos mais complexos como o usado por

Nasiri et al. (2013). Neste estudo utilizou-se uma taxa de crescimento média estimada por

órgãos governamentais, conforme a equação 7-12:

( ) = ( ) + ( ( ). ) (7-12)

onde ν é a taxa de crescimento populacional adotada no modelo.

A quantidade de água no manancial depende da extração e da recarga ocorrida no ano

‘t’. Entretanto esse é um dado de difícil mensuração, sendo influenciado por diversos fatores

ambientais. Para uma estimativa da quantidade pode ser utilizada uma quantidade de recarga

baseada na vazão do curso d’água que abastece a ETA. No caso de uso de água subterrânea

para abastecimento, pode-se utilizar a estimativa de recarga do aquífero.

( ) = ( ) + ( − ( )) (7-13)

onde Rw é a recarga média anual do manancial (m³).

O custo do gerenciamento de lodo de ETA é dividido em diversos outros custos, como

apresentado na Equação 7-4. As equações representativas são apresentadas a seguir.

O custo do tratamento de lodo (Cwst(t)) é a soma dos custos operacionais e de

implantação das estruturas para o tratamento de lodo, e é função das estruturas existentes e da

quantidade de lodo produzida (Equação 7-14).

( ) = ( )( ). ( ) + ( )( ). ( ) + ( )( ). ( ) (7-14)

onde ( )( ) é custo unitário com produtos químicos usados no tratamento de lodo no ano ‘t’

(R$/m³), ( ) é a quantidade de lodo tratado no ano ‘t’ (m³/ano), ( )( ) é o custo unitário

de implantação da estrutura de tratamento do lodo no ano ‘t’ (R$/m³), ( )é a capacidade de

tratamento de lodo adicionada no ano ‘t’ (m³/ano), ( )( ) é o custo operacional unitário do

tratamento de lodo no ano ‘t’ (R$/m³), para ( )( ) = ( )( ). (1 + ) ; ( )( ) =( )( ). (1 + ) , ( )( ) = ( )( ). (1 + ) .

Para estimar a quantidade de lodo tratado foi usado o modelo empírico proposto pela

AWWA (1999 apud DI BERNARDO et al., 2012), com as devidas alterações para resultar na

unidade desejada (m³/ano). A equação utilizada está representada a seguir:

( ) = [ ( ). . ( ) + + + . 10 ] (0,02.1240) (7-15)

106

onde ws é a constante dependente do tipo de coagulante usado, ( ) é a dosagem de

coagulante usado no tratamento de água (mg/L), TSS é a concentração média de sólidos totais

em suspensão no manancial (mg/L), ACP é a concentração média de carvão ativado em pó

utilizado no tratamento de água(mg/L, OA é a concentração média de outros aditivos

utilizados no tratamento de água (mg/L).

Similar à definição para o tratamento de água, o incremente anual da capacidade de

tratamento de lodo pode ser expressa pela equação 7-16:

( ) = {[ ( ). (1 + ) − ( )]⁄ , ( )} (7-16)

onde μws é a razão de reserva de capacidade de tratamento de lodo de ETA, Xws(t) é a

capacidade de tratamento de lodo de ETA no ano ‘t’ (m³), Tws(t) é o atraso no

desenvolvimento da capacidade de tratamento de lodo de ETA (anos), sw(t) é a capacidade de

tratamento de lodo de ETA depreciada no ano ‘t’ (m³/ano).

A partir do mesmo conceito das equações do tratamento de água, a capacidade de

tratamento e sua depreciação são dadas pelas equações 7-17 e 7-18:

( ) = ( ) + ( ) − ( ) (7-17)

( ) = . ( ) (7-18)

onde sws é a taxa média de depreciação da capacidade de tratamento de lodo de ETA

Para o cálculo dos custos de transporte, armazenamento e disposição deve-se utilizar o

volume de lodo desaguado, que é o volume real que será disposto. A tecnologia utilizada pela

Estação de Tratamento de Lodo (ETL) pode influenciar no volume de lodo, características do

mesmo e nos custos operacionais e de manutenção/ampliação da estrutura, por isso a taxa de

desaguamento é um parâmetro decisório importante.

( ) = ( ). (7-19)

onde xdws(t) é quantidade de lodo desaguado no ano ‘t’ (m³/ano), Dews é a taxa de

desaguamento resultante do tratamento de lodo de ETA.

O custo de transporte depende da opção de destinação final, assim como da capacidade

de recepção de cada opção. Entretanto, pode ocorrer do destino escolhido não ter a capacidade

de recepção de todo o lodo gerado pela ETA, por isso decidiu-se considerar uma fórmula que

contemple mais de uma opção de recepção.

( ) = ( ). ( ). (7-20)

107

onde ( ) é o custo unitário do transporte de lodo (R$/(m³.km)), ( ) é o volume de

lodo desaguado enviado para a opção de destino y no ano ‘t’(m³/ano), é a distância

da ETL-ETA até a destinação y (km), para ( ) = ( ). (1 + ) .

Também deve-se considerar a resistência de empresas e produtores a receberem todo o

lodo gerado pela ETA. Por isso, a transição do material disposto em aterro sanitário para o

material disposto/reaproveitado em locais diferentes pode ser considerada gradual. Outra

possibilidade de necessidade de envio do material para o aterro sanitário ocorreria se toda a

capacidade de recepção, das opções de destinação, não fosse capaz de absorver todo o lodo

gerado pela ETA em determinados períodos. Por isso, a opção 0 (op=0) de destinação do lodo

será o aterro sanitário, e será considerada uma taxa de redução do envio do lodo, em função

do tempo. Enfatiza-se que o ideal aqui é que o lodo não seja enviado para o aterro sanitário,

apenas em situações de urgência. Para o correto cálculo do modelo é necessária uma

formatação condicional para as equações dependentes das capacidades de recepção.

( ) = ( ) − ( ). ( ) ≤ ( ) ,

Ã { ( ). }, Ã { ( ) − ( )} (7-21)

onde (t) é a proporção de lodo enviada ao aterro no ano ‘t’, ( ) é a capacidade

total de recepção de lodo pelos locais selecionados no ano ‘t’, descontando o aterro sanitário

(m³/ano).

A quantidade de material enviado ao aterro sanitário também é proveniente de uma

equação condicional, função do tempo estimado para que haja a recepção total do lodo pelos

locais alternativos.

( ) = { − > 0}, Ã {( − )⁄ }, Ã {0} (7-22)

onde Pt é tempo de projeto, estimado para que haja total transição do material enviado

inicialmente para o aterro sanitário para as destinações selecionadas (anos), t é o tempo

decorrido do início da simulação (anos).

Dentro do mesmo princípio, considera-se que as destinações selecionadas podem ter

resistência à aceitação de todo o material no primeiro momento. Pensando em sua necessidade

de adaptação, uma taxa de aceitação pode ser considerada. Por isso, a capacidade de recepção

do lodo não será máxima nos primeiros anos de projeto, variando conforme a aceitação de

cada fonte receptora do mesmo.

( ) = ( )( ) (7-22)

( )( ) = ( ). ( ) (7-23)

108

( ) = Í { . , 1} (7-24)

onde ( )( ) é a capacidade de recepção da opção de destinação y no ano ‘t’ (m³/ano), ( ) é a capacidade de recepção anual total dimensionada para a opção y (m³/ano),

( ) é a taxa de aceitação do lodo de ETA no ano ‘t’, é a constante de aceitação do

material definida no projeto (ano-1).

Para o modelo selecionar automaticamente a quantidade de material que vai para cada

opção, deve-se considerar todo o material enviado para as opções ordenadas anteriormente,

evitando erros na estimativa de envio de quantidade de material maior que a capacidade

receptiva da opção de destinação.

( )( ) = Í ( ) − ( )( ) , ( )( ) (7-25)

O custo de armazenamento vai depender do tempo de espera necessário para envio do

material para o destino final. Quanto maior a necessidade de espera, maior a área necessária.

O tamanho da área vai influenciar no custo com aluguel, se for o caso, no custo de

manutenção e no custo com a estrutura de armazenamento necessária. ( )( ) = ( )( ) + ( )( ) + ( )( ) (7-26)

onde ( )( ) é o custo com o aluguel da área de armazenamento de lodo de ETA no ano ‘t’

(R$/ano), ( )( ) é o custo com a manutenção da área de armazenamento de lodo de ETA

no ano ‘t’ (R$/ano), ( )( ) é o custo de implantação da estrutura de armazenamento de

lodo de ETA no ano ‘t’ (R$/ano).

O custo com o aluguel da área é influenciado pelo preço do aluguel do m² na área de

estudo. Se a ETL já tiver a área necessária, pode-se adotar o valor 0 para o preço do aluguel.

Já a área de armazenamento é influenciada pelo tempo que o lodo de ETA deverá ser

armazenado e o tamanho das pilhas de lodo ou tanques onde o material ficará. O tempo de

armazenamento é dependente das condições deste (céu aberto, local fechado, etc.) e da

capacidade de recepção diária da opção de destino. Também deve-se considerar uma

proporção da área para reserva de área técnica e administrativa. Como os locais de destinação

do lodo também terão a necessidade de armazenamento do lodo, o custo de armazenamento

será a soma do armazenamento na ETL e nos locais de destino. ( )( ) = ( ). ( ) + ∑ ( )( ). ( )( ) (7-27)

( ) = [( ( ). ) ℎ⁄ ]. (1 + ) (7-28)

( )( ) = ( ( )( ). ℎ⁄ . (1 + ) (7-29)

109

onde RP(t) é o custo de locação médio da região de implantação da área de armazenamento

do lodo no ano ‘t’ (R$/m²), Area (t) é a área necessária para o armazenamento de lodo no ano

‘t’ (m²), StD é o período máximo de armazenamento de lodo de ETA (ano), h é a altura

máxima do armazenamento de lodo de ETA (m), é a constante de reserva de área técnica e

administrativa, para ( ) = ( ). (1 + ) e ( )( ) = ( )( ). (1 + )

O custo de manutenção da área é um dado de difícil mensuração, pois depende de

variados fatores, assim como da operação prevista para cada área de armazenamento. A ETL

deve fazer uma estimativa dos seus gastos, em função das tecnologias utilizadas, máquinas

existentes e funcionários contratados. No presente trabalho utilizou-se uma estimativa deste

custo com base no preço de armazenagem de produtos agrícolas (CAIXETA FILHO e PÉRA,

2015). ( )( ) = ( )( ). (1 + ) (7-30)

O custo de implantação da estrutura de armazenamento de lodo pode ser dividido pelo

tempo de projeto, diluindo o seu custo dentro de um período estimado. ( )( ) = ( ) (7-31)

onde ( ) é o custo total de implantação da estrutura de armazenamento de lodo de ETA

(R$), tproj é o tempo de projeto, no qual será diluído o custo com a implantação da estrutura de

armazenamento (anos).

O custo de disposição do lodo de ETA é dependente do valor pago à administração do

aterro sanitário, assim como para os locais de destinação alternativa. Como uma das hipóteses

aceitas sobre a destinação alternativa de lodo de ETA é a sua utilização como matéria-prima

ou como produto, justifica-se que, ao menos, não haja cobrança pela recepção do material.

Considerando uma possível resistência inicial dos potenciais locais de recepção, decidiu-se

aqui considerar um preço de disposição inicial similar ao cobrado pelo aterro sanitário, que

decairá com o tempo, conforme uma taxa pré-estabelecida. Essa é uma consideração

importante para uma estimativa mais real dos possíveis gastos com disposição. Caso

pretenda-se estimar um valor a ser recebido pelo envio do lodo, pode-se utilizar essa taxa

negativa, variando com o tempo, ou um valor fixo.

( )( ) = ( )( )( ) + ( )( ) ( ) (7-32)

( )( )( ) = ( )( ). ( ) (7- 33) ( )( )( ) = ( )( ). ( ) (7- 34)

110

( )( ) = ( )( ). (7-35)

= { − > }, Ã {( − )⁄ }, Ã { } (7-36)

onde ( )( )( ) é o custo de disposição do lodo de ETA enviado ao aterro sanitário no ano

‘t’ (R$/ano), ( )( )( ) é o custo de disposição do local de recepção y de lodo de ETA no

ano ‘t’ (R$/ano), ( ) é o preço da disposição em aterro sanitário no ano ‘t’ (R$/m³), ( )( ) é o preço de disposição do lodo de ETA nos locais alternativos no ano ‘t’ (R$/m³),

é a taxa de declínio do preço de disposição benéfica do lodo de ETA, LP é o valor limite

da taxa de declínio do preço de disposição benéfica do lodo de ETA, para ( )( ) =( )( ). (1 + ) .

O modelo para auxiliar o gerenciamento do lodo de Estações de Tratamento de Esgoto

(ETE) é similar ao apresentado anteriormente, alterando todos os volumes de água tratada e

de lodo de ETA produzidos para a quantidade de esgoto tratado e lodo de ETE gerado.

Também deve-se ajustar os custos unitários para a realidade do tratamento de esgoto. Pela

similaridade das equações, optou-se por não reescrevê-las aqui, apenas destacando aquelas

que são diferentes.

Para a resolução da função objetivo apresentada na equação 7-2, enfatiza-se apenas a

necessidade de estabelecer equações diferentes para a quantidade de esgoto tratado e para a

quantidade de lodo de ETE gerado.

A quantidade de esgoto tratado ( ( )) será definida com base na população

atendida pelo tratamento de esgoto, para a ETE em questão, e pelo recebimento, ou não, de

lodo de ETA. É importante salientar que essa última opção tem restrições técnicas e legais

(MORITA, 2008; BRASIL, 2010). Entretanto, para efeitos de simulação e uso mais

abrangente do modelo, essa possibilidade foi considerada.

( ) = í { ( ), ( )} (7-37)

( ) = ( ). ( ) + ( . ( )) (7-38)

( ) = ( ) + ( ( ). ) (7-39)

onde ww(t) é a quantidade de esgoto gerado no ano ‘t’ (m³/ano), Xww(t) é a capacidade de

tratamento de esgoto no ano ‘t’ (m³/ano), ηww(t) é a população atendida pelo serviço de

tratamento de esgoto no ano ‘t’ (pessoas), ( ) é a demanda per capita de água (m³/pessoa),

é a taxa de envio do lodo de ETA para a ETE, ( ) é a quantidade de lodo de ETA

tratado no ano ‘t’ (m³/ano), ν é a taxa de crescimento populacional adota no modelo.

111

É importante salientar que foi utilizada a demanda per capita de água, pois estima-se

que o volume de esgoto gerado seja igual a 80% do volume de água consumida.

As equações 7-37, 7-38 e 7-39 representam os parâmetros da ETE similares aos

apresentados nas equações 7-7,7-8 e 7-12 para as ETA. Já a capacidade de tratamento de

esgoto (Xww(t)), e as equações geradas a partir de sua definição, pode ser considerada similar à

equação 7-9 e as equações derivadas dessa.

O cálculo da quantidade de lodo de ETE gerado ( ( )) seguiu as orientações de

Von Sperling e Gonçalves (2007), sendo considerada a soma da produção de lodo primário e

secundário. Enfatiza-se que a proporção de lodo gerado em cada etapa do tratamento de

esgoto dependerá do tipo de tratamento. Caso haja a produção do lodo em apenas uma etapa,

pode-se zerar a produção do lodo primário e considerar apenas o que for gerado de lodo

secundário.

( ) = ( )( ) + ( )( ) (7-40) ( )( ) = ( )( ) ( ). ( ) (7-41)

( )( ) = ( )( ) ( ). ( ) (7-42)

( )( ) = ( ). ( ). (7-43) ( )( ) = ( ). ( ). (7-44)

onde ( )( ) é o volume de lodo primário gerado no ano ‘t’ (m³/ano), ( )( ) é o volume

de lodo secundário gerado no ano ‘t’ (m³/ano), ( )( ) é a carga de sólidos em suspensão

removidos no tratamento primário no ano ‘t’ (kgSS/ano), ( ) é a taxa de sólidos no lodo

primário, ( ) é a massa específica do lodo primário (kg/m³), ( )( ) é a carga de sólidos

em suspensão removidos no tratamento secundário no ano ‘t’ (kgSS/ano), ( ) é a taxa de

sólidos no lodo secundário, ( ) é a massa específica do lodo secundário (kg/m³), ( ) é a

taxa (proporção) de sólidos em suspensão removidos no tratamento primário, é

concentração média de sólidos em suspensão no esgoto tratado na ETE (kg/m³), ( ) é a taxa

(proporção) de sólidos em suspensão removidos no tratamento secundário.

As equações de 7-40 a 7-44 representam o volume de lodo ETE gerado no ano ‘t’,

equivalente ao resultado da equação 7-15, que representa o volume de lodo de ETA gerado no

ano ‘t’. As equações posteriores, do custo de gerenciamento do lodo de ETE, são similares às

equações do gerenciamento do lodo de ETA já apresentadas. A taxa de desaguamento do lodo

também segue a mesma lógica apresentada para o lodo de ETA.

112

No presente estudo foram utilizados valores de massa específica do lodo, taxa de

sólidos no lodo primário e secundário e a carga de sólidos em suspensão removidos no

tratamento conforme valores médios observados na literatura. Esses valores podem ser

ajustados conforme o tipo de tratamento e bancos de dados de resultados de caracterização do

lodo gerado na ETE de estudo.

Pode-se apontar o preço final do tratamento de água, repassado ao consumidor, como

um importante resultado de todos os custos estimados. Dentro do processo decisório, este

pode ser um fator determinante para escolha de uma opção para a destinação de lodo. Como a

cobrança do afastamento de esgoto é feita a partir de uma proporção do valor cobrado pelo

tratamento de água, optou-se aqui por realizar o levantamento apenas do preço do tratamento

de água (WP(t)). Entretanto, com o crescimento do tratamento de esgoto no Brasil, é de se

esperar que a cobrança pelo mesmo siga relações próprias e isso deverá ser considerado

posteriormente no modelo de gerenciamento do lodo de ETE.

( ) = . ( ) + ( ) ( )⁄ (7-45)

( ) = Á ( ) + ( ) ( )⁄ − ( ) . ( ), 0 (7-46)

onde é a razão de recuperação dos gastos com o tratamento de água, conforme a

seguinte proporção: se < 1 é necessário um subsídio governamental, se = 1 os

custos são cobertos, se > 1 existe lucro; ( ) = é o valor necessário de subsídio para

cobrir os gastos com tratamento de água

7.1.3 Modelo DS para o gerenciamento de lodo de ETA

Com base no diagrama de ciclo causal da Figura 7-2 e nas equações que representam

as diversas relações no sistema integrado de gerenciamento de lodo, um modelo DS foi

elaborado com a utilização do software de simulação Vensim PLE Plus© (2015). O modelo é

dividido em duas partes. Na Figura 7-3 é apresentada a parte do modelo referente ao

gerenciamento do lodo de ETA. Na Figura 7-4 é apresentada a segunda parte do modelo,

relacionada ao gerenciamento de lodo de ETE. Os modelos apresentados nas Figuras 7-3 e 7-4

foram elaborados em Língua Inglesa para sua posterior publicação internacional.

A funcionalidade do sistema com os aspectos gerenciais de lodo foi testada para

identificar a solução ótima para envio do lodo de ETA. Para isso foram considerados cinco

possíveis cenários de destinação, baseados nas características da região, que serão detalhados

no próximo item. As variáveis de decisão podem auxiliar na tomada de decisão da seleção de

locais para destinação do lodo de ETA, assim como subsidiar a escolha de tecnologias para o

tratamento do lodo de ETA ou ETE.

113

Figura 7-3. Modelo DS do gerenciamento integrado de lodo de ETA

PopulationNet Population

Growth

WaterInventoryWater Recharge

(Scenario)

WaterTreatment-Suppl

y CapacityWTSCDevelopment-Maintenance

Population GrowthRate (Scenario)

Water Extraction

WTSCDepreciation

Water Demand

WTSCDevelopment Delay

WTSCConfidence Level WTSC

Depreciation Rate

Capital Cost ofWTSC

Unit Capital Costof WTSC

<TIME STEP>

<TIME STEP><TIME STEP>

Per Capita WaterDemand

Water Price

Water Cost RecoveryRatio (Decision)

Water Subsidy

<WaterExtraction>

WaterTreatment

WaterTreatment-Supply

Operation Cost

Unit WaterTreatment-Supply

Operation Cost

Unit WaterTreatment Chemicals

Cost

WaterTreatment-Supply Cost

Inflation Rate

<Time>

<TIME STEP>

Cumulative WaterTreatment-Supply

Cost


Cost

Final WaterTreatment-Supply

Cost

WTP SludgeTreatmentCapacityWTPSTC

Development-MaintenanceWTPSTC

Depreciation

Unit Capital Costof WTPSTC

Capital Cost ofWTPSTC

<TIME STEP>WTPSTC

Development DelayWTPSTC

Confidence Level WTPSTCDepreciation Rate

WTP SludgeProduction

<WaterTreatment>

WT CoagulantConstant WT Coagul

ant Dosage

TSS ACPOA

Dewatering rateUnit WTP Sludge

Treatment OperationCost

WTP SludgeTreatment Operation

Cost

Unit WTP SludgeTreatment Chemicals

Cost

WTP SludgeTreatment Cost

<InflationRate>

<Time><TIME STEP>

DWTPSDisposition 1

DWTPSDisposition 2

DWTPSDisposition 3

DWTPS LandfillDisposition

DWTPS Landfilldecreasins rate

Total DWTPSDisposition Capacity

DWTPS CapacityDisposition 1


DWTPSAcceptance Rate

DWTPSAcceptance<FINAL

TIME>

<Time>

Total DWTPSCapacity Disposition 1

Total DWTPSCapacity Disposition 2

Total DWTPSCapacity Disposit ion 3

<Time>


<DWTPS CapacityDisposition 1>



<DWTPSDisposition 1> Distance DWTPS

Landfill DispositionDistance DWTPS

Disposition 1Distance DWTPSDisposition 2

Distance DWTPSDisposition 3

<DWTPS LandfillDisposition>

<DWTPSDisposition 1>



WTP SludgeTransport Cost

Transport CostUnit Transport

Cost<InflationRate>

<Time><TIME STEP>

DWTPSStorage Time

DWTPS StorageHeight

Storage ReservationArea Rate

DWTPSStorage Area

Price of RentArea <Inflation

Rate>

DWTPS StorageArea Cost

<FINALTIME>

DWTSP StorageArea Maintenance<Time>

<TIME STEP>

DWTSP StorageCapital Cost WTP Sludge

Storage Cost

WTP SludgeManagement Cost

(Objective)

DWTPS LandfillDisposition Price

WTP SludgeDisposition Cost

DWTPS BeneficalDisposition Price


Decline Rate

<FINALTIME>

<Time><DWTPS Landfill

Disposition>


<DWTPSDisposition 2> <DWTPS

Disposition 3>

<TIME STEP>

Cumulative WTPSludge Management

Cost

<Population Growth <WTP Sludge

Dewatered WTPSludge Production

<Dewatered WTPSludge Production>


114

Figura 7-4. Modelo DS do gerenciamento integrado de lodo de ETE

Disposition 3>

PopulationServed By

WastewaterTreatmentPopulation

Growth

<Population GrowthRate (Scenario)>

WastewaterQuantity

<Per Capita WaterDemand>

<TIME STEP>

WastewaterTreatment-Transport CapacityWWTTC

Development-MaintenanceWWTTC

Depreciation

WWTTC CapacityConfidence Level

WWTTCDevelopment Delay

Capital Cost ofWWTTC

Unit Capital Costof WWTTC

<TIME STEP>

WWTTCDepreciation Rate

WastewaterTreatment

WastewaterTreatment-Transport

Operation CostUnit Wastewater


Unit WastewaterChemicals Cost

WastewaterTreatment-Transport

Cost

<Capital Cost ofWWTTC>

<InflationRate>

<Time>

<TIME STEP>

WWTP SludgeTreatmentCapacityWWTPSTC

Development-MaintenanceWWTPSTCDepreciation

Unit Capital Cost ofWWTPSTC

Capital Cost ofWWTPSTC

<TIME STEP>WWTPSTC

Development DelayWWTPSTC

Confidence Level WWTPSTCDepreciation Rate

WWTP SludgeProduction

Dewatered WWTPSludge Production

WWTPSDewatering rate

(Scenario)Unit WWTP SludgeTreatment Operation

Cost

WWTP SludgeTreatment Operation

Cost

Unit WWTP SludgeTreatment Chemicals

Cost

WWTP SludgeTreatment Cost

<InflationRate>

<Time><TIME STEP>

<Dewatered WWTPSludge Production> DWWTPS

Disposition 1

DWWTPSDisposition 2

DWWTPSDisposition 3

DWWTPS LandfillDisposition

DWWTPS Landfilldecreasins rate

Total DWWTPSDisposition Capacity

DWWTPSCapacity

Disposition 1

DWWTPSCapacity

Disposition 3

DWWTPSAcceptance Rate

DWWTPS Acceptance<FINALTIME>

<Time>

Total DWWTPSCapacity Disposition 1



<Time>

DWWTPSCapacity

Disposition 2

<Dewatered WWTPSludge Production>

<DWWTPSCapacity

Disposition 1><DWWTPS

CapacityDisposition 2>

<DWWTPSCapacity

Disposition 3>

<DWWTPSDisposition 1> Distance DWWTPS

Landfill DispositionDistance DWWTPS

Disposition 1 Distance DWWTPSDisposition 2

Distance DWWTPSDisposition 3

<DWWTPS LandfillDisposition>

<DWWTPSDisposition 1>



WWTP SludgeTransport Cost

DWWTPSStorage Time

DWWTPSStorage Height

WWTPS StorageReservation Area Rate

DWWTPSStorage Area

<InflationRate>

DWWTPSStorage Area Cost <FINAL

TIME>

DWWTSP StorageArea Maintenance<Time>

<TIME STEP>

DWWTSP StorageCapital Cost WWTP Sludge

Storage Cost

WWTP SludgeManagement Cost

(Objective)

DWWTPS LandfillDisposition Price

WWTP SludgeDisposition Cost

DWWTPS BeneficalDisposition Price

DWWTPS BeneficalDisposition Price Decline

Rate

<FINALTIME>

<Time><DWWTPS Landfill

Disposition>


<DWWTPSDisposition 2> <DWWTPS

Disposition 3>

<TIME STEP>

Cumulative WWTPSludge Management

Cost

<Price ofRent Area>

Final WastewaterTreatment-Trans

port Cost

Cumulative WastewaterTreatment-Transport

Cost

<TransportCost>

WWTP PrimarySludge Production

WWTP SecundarySludge Production

SS PrimaryLoad

SS SecondaryLoad

Dry SecondarySolids Rate

Secondary SludgeDensity

Primary SludgeDensity

Dry PrimarySoilds Rate

SS Affluent

<WastewaterTreatment>

<SS Affluent>

<WastewaterTreatment>

<Dewatered WWTPSludge Production>

<WTP SludgeProduction>

115

7.2 Estudo de caso para aplicação do modelo DS no gerenciamento de lodo As ETA 3 e 4 captam 74,7% do volume de água extraído para abastecimento do

município de Campinas. As duas ETA estão localizadas na mesma área operando

conjuntamente. As ETA são consideradas do tipo convencional, precedidas de unidades de

sedimentação e oxidação (Figura 7-5). Existe uma estação de tratamento de lodo (ETL) com

capacidade de tratamento de todo o resíduo gerado na ETA. A capacidade de tratamento de

água atual é de 4,0 m³/s (SMVDS, 2013).

Figura 7-5. Processo de tratamento das ETA 3 e 4 de Campinas.

A ETE Anhumas é a maior estação de tratamento de esgotos de Campinas, e foi

projetada para atender cerca de 250000 pessoas. Sua capacidade de tratamento é de 1,2 m³/s.

O processo de tratamento do esgoto é considerado misto, devido à associação de processos

físico-químicos ao processo biológico de reatores anaeróbios de fluxo ascendente e manto de

lodo (UASB). Um esquema simplificado do processo de tratamento do esgoto na ETE

Anhumas é apresentado na Figura 7-6. O tratamento do lodo é realizado com a adição de

polímeros para condicionamento do lodo, centrífugas e galpões de secagem (SMVDS, 2013).

Figura 7-6. Processo de tratamento de esgoto da ETE Anhumas de Campinas

No modelo DS desenvolvido optou-se por considerar um tempo de projeto (Pt) de 10

anos, avaliando os custos do tratamento de água e de esgoto nesse período. Como o objetivo

do presente estudo é avaliar as opções de destino de lodo, não se considerou o possível lucro

ou subsídio para as empresas de saneamento, sendo a recuperação dos gastos = 1.

Os parâmetros que consideram os anos de atraso no desenvolvimento da estrutura das

ETA, ETE e ETL ( , , , ), assim como os valores iniciais do investimento na

estrutura dos tratamentos, foram considerados nulos, pois o objetivo desse trabalho não era

avaliar o custo para ampliação da estrutura, mas sim a diferença de custos entre os cenários

estudados.

Pré-sedimentação

e oxidação

Coagulação/ Floculação Decantação Filtração em

dupla camadaCaixa de contato

Gradeamento e Desarenadores Reator UASB Coagulação/

Floculação Flotação

116

Para a simulação foi considerado que as empresas já possuem as áreas de

armazenamento, e por isso foi considerado custo nulo para implantação dessas estruturas

( ( ), ( )), assim como um custo nulo de aluguel de área ( ( )).

As variáveis para a inserção no modelo DS de gerenciamento de lodo são apresentadas

na Tabela 7-1. Os dados operacionais, de volume de água e esgoto tratado e os custos capitais

foram obtidos diretamente de documentos oficiais (SMVDS, 2013; ARES-PCJ, 2015) e

trabalhos científicos (SIQUEIRA e ISAAC, 2013). O custo de tratamento de água foi

determinado com base em valores médios atualizados monetariamente, de custos apresentados

por Mierzwa et al. (2008).

Tabela 7-1. Parâmetros para a simulação DS do gerenciamento do lodo das ETA 3 e 4 e ETE Anhumas, Campinas, Brasil Parâmetro Símbolo Valor Unidade

Água extraída dos mananciais no primeiro ano do modelo ( ) 80,63∙106 m³/ano

Altura do armazenamento de lodo de ETA e ETE ℎ 1,5 m

Capacidade inicial de tratamento de esgoto ( ) 37,84∙106 m³/ano 2

Capacidade inicial de tratamento de água ( ) 1,26∙108 m³/ano

Capacidade inicial de tratamento de lodo de ETA ( ) 2,34 m³/h 2

Capacidade inicial de tratamento de lodo de ETE ( ) 2,9 m³/ano 18

Carga inicial de SS no lodo secundário ( )( ) 30,63∙105 kg/ano

Concentração média de carvão ativado em pó usado 0 mg/L 1

Concentração média de SST na água bruta da ETA 55,86 mg/L 10

Concentração média de sólidos em suspensão do esgoto 0,243 kg/m³ 9

Custo inicial de manutenção da área de armazenamento ( )( ) 18,2 R$/m³ 5

Custo inicial do tratamento de lodo de ETA ( ) 2,74∙106 R$/ano 1

Custo inicial do tratamento de lodo de ETE ( ) 3,47∙106 R$/ano

Custo unitário capital inicial da ETA ( )( ) 0,43 R$/m³ 11

Custo unitário capital inicial da ETE ( )( ) 0,45 R$/m³ 11

Custo unitário capital inicial da ETL-ETA ( )( ) 0,42 R$/m³ 11

Custo unitário capital inicial da ETL-ETE ( ) ( ) 0,44 R$/m³ 11

Custo unitário dos produtos químicos usados na ETE ( )( ) 0,007 R$/m³ 13

Custo unitário dos produtos químicos usados na ETL-ETE ( ) ( ) 0,39 R$/m³ 13

Custo unitário inicial de operação da ETA ( )( ) 0,23 R$/m³ 1

Custo unitário inicial de operação da ETE ( )( ) 0,204 R$/m³ 13

Custo unitário inicial de operação da ETL-ETE ( ) ( ) 10,85 R$/m³ 13

Custo unitário inicial do transporte ( ) 0,6 R$/m³.km 12

Demanda de água inicial, para tratamento na ETA ( ) 80,63∙106 m³/ano 2

Demanda de água per capita no ano inicial do modelo ( ) 100,3 m³/ano

Massa específica do lodo primário da ETE ( ) 1030 kg/m³ 4

Massa específica do lodo secundário da ETE ( ) 1240 kg/m³ 4

117

Distância da ETA ao aterro sanitário 35 Km

Distância da ETE ao aterro sanitário 27,5 Km

Média da concentração de SST na água bruta da ETA 55,86 mg/L

População inicial atendida pelo serviço de água ( ) 804241 Pessoas 7

População inicial atendida pelo serviço de esgoto ( ) 254274 Pessoas 7

Porcentagem de sólidos no lodo primário da ETE ( ) 2 % 2

Porcentagem de sólidos no lodo secundário da ETE ( ) 30 % 2

Preço inicial (tarifa) da água ( ) 0,34 R$/m³ 15

Preço inicial da disposição em aterro sanitário ( )( ) 90,9 R$/m³ 3

Quantidade de água em estoque, inicial ( ) 43,49∙107 m³/ano 14

Quantidade de água recarregada, por ano 30,18∙107 m³/ano 16

Quantidade de esgoto inicial tratado na ETE ( ) 25,49∙106 m³/ano

Taxa de crescimento anual da população 0,0101 8

Taxa de depreciação anual da ETA 2% 1/ano 17

Taxa de depreciação anual da ETE 10% 1/ano 17

Taxa de depreciação anual da ETL- ETE 10% 1/ano 17

Taxa de depreciação anual da ETL-ETA 2% 1/ano 17

Taxa de desaguamento de lodo de ETE 0,067 v/v 2

Taxa de reserva da capacidade de tratamento da ETL-ETA 0,1 17

Taxa de reserva da capacidade de tratamento da ETL-ETE 0,1 17

Taxa de reserva da capacidade de tratamento de água 0,1 17

Taxa de reserva da capacidade de tratamento de esgoto 0,1 17

Taxa de reserva de área para armazenamento de lodo 0,2

Taxa média de inflação 0,068 6

Tempo de armazenamento máximo de lodo 30 dias 4

Volume de água retirada para tratamento ( ) 80,63∙106 m³/ano 1Siqueira e Isaac (2013), 2SMVDS (2013), 3FRAL Consultoria (2009), 4Andreoli et al. (2007), 5Caixeta Filho e Péra (2015), 6Banco Central do Brasil (2015), 7SMVDS (2013) e SEADE (2016), 8SEADE (2016), 9Ariano (2009), 10CETESB (2015), 11Fernandez et al. (2006), 12França et al. (2011), 13SNIS(2012), 14SSPCJ (2015), 15Mierzwa et al. (2008), 16SMVDS (2013) e SSPCJ (2015), 17Nasiri et al. (2013), 18Souza (2013)

Para os valores de algumas variáveis foi necessário estabelecer uma média de dados

coletados em determinados períodos. A vazão do Rio Atibaia, utilizada para determinar a

quantidade de água possivelmente disponível, foi estimada a partir da média das vazões do rio

Atibaia durante o ano de 2015 (SSPCJ, 2015). O ano de 2015 foi selecionado por ser o mais

recente no momento da elaboração do modelo e fazer parte de um período de seca na região,

não havendo risco de superestimar a quantidade de água disponível.

A concentração média de sólidos em suspensão totais (SST) do Rio Atibaia foi obtida

a partir de uma série histórica de 32 anos, com alguns períodos falhos, do sistema de

informação InfoÁGUAS (CETESB, 2015).

118

A inflação média foi calculada conforme os índices oficiais dos últimos 15 anos,

provenientes do Banco Central do Brasil (2015).

As taxas de depreciação foram retiradas do trabalho de Nasiri et al. (2013). Os dados

característicos do lodo de ETA foram retirados de Di Bernardo et al. (2012) e os dados

característicos de lodo de ETE de Andreoli et al. (2007).

Os custos de manutenção de área de armazenamento foram estimados com base nos

valores cobrados para o armazenamento de grãos, divulgados por Caixeta Filho e Péra (2015),

devido à ausência de informações mais específicas. O custo do transporte utilizado foi a

atualização monetária do maior valor apresentado em cenários do estudo de França et al.

(2011). Como esses valores são calculados em função da massa e não do volume, utilizou-se a

densidade dos lodos de ETA e ETE desaguados indicadas por Di Bernardo et al. (2012) e

Andreoli et al. (2007) para a transformação de unidades.

Como não foram avaliadas opções de locais para a destinação do lodo de ETE, optou-

se por utilizar os locais com solos de maior aptidão apresentados no capítulo 6.

Consequentemente, as distâncias entre a ETL-ETE e as três opções para envio do lodo de

ETE ( ) são, respectivamente, 3,13km; 9,16km e 12,21km. Já a capacidade de

recepção de cada uma das três opções ( ( )) é, respectivamente: 37488,33 m³/ano;

10549,67 m³/ano e 37380,33 m³/ano. As três opções apresentadas são solos com cobertura de

plantação de cana de açúcar.

Na Tabela 7-2 é possível observar os valores das variáveis que podem sofrer variações

em função dos quatro cenários pré-estabelecidos. Os valores custo e concentração de produtos

químicos utilizados nas ETA ou na estação de tratamento de lodo da ETA (ETL-ETA) foram

obtidos de Siqueira e Isaac (2013). As constantes do coagulante foram estabelecidas conforme

as orientações da Equação 7-15.

Os cenários foram definidos com base nas opções para envio do lodo de ETA para

destinação final. Pelas características da região e estudos prévios (BIOCICLO, 2012), uma

boa alternativa para o uso benéfico do lodo de ETA é o envio para substituição da argila

constituinte da matéria-prima de tijolos em indústrias cerâmicas, características já levantadas

nos capítulos 3 e 6. Outra opção seria a incorporação em pastagem, como condicionador

agrícola. A aplicação agrícola do lodo de ETA não é muito usual, pois este tem características

inferiores ao lodo de ETE, para essa finalidade. Por isso, a opção pela aplicação no solo de

pastagem, onde a aplicação do lodo de ETE é proibida (CONAMA, 2006).

119

Tabela 7-2. Variáveis dos cenários e seus respectivos valores

Variáveis Símbolo Cenário 1 2 3 4

Capacidade de recepção de lodo de ETA da opção 1 (10³ m³/ano)

( ) 851 851 1,7 -


( ) 1440 1440 15159 -


( ) 1832 1832 15159 -

Concentração média de outros aditivos aplicados na ETA (mg/L) 10,74 35,03 35,03 10,74

Constante de aceitação do lodo de ETA 0,1 0,25 0,25 0 Constante de aceitação do lodo de ETE 0,25 0,25 0,25 0 Constante do coagulante usado na ETA 0,80 2,90 2,90 0,8 Custo unitário dos produtos químicos usados na ETA (R$/m³)

( )( ) 0,051 0,086 0,086 0,051

Custo unitário dos produtos químicos usados na ETL-ETA (R$/m³)

( )( ) 0,39 0,39 0,39 0,39

Custo unitário inicial de operação da ETL-ETA (R$/m³)

( )( ) 10,85 10,85 10,85 10,85

Distância da opção 1 de disposição de lodo de ETA (km) 11,16 11,16 3,34 -



Dosagem do coagulante usado na ETA (mg/L) ( ) 55,66 108,85 108,85 55,66 Taxa de declínio do preço da disposição benéfica do lodo de ETA (R$) Eq.35 Eq.35 Eq.35 Eq.35

Taxa de desaguamento de lodo de ETA Dews 0,067 0,067 0,067 0,067 Taxa de envio de lodo para ETE 0 0 0 0 Taxa de redução do envio do lodo de ETA para o aterro (%a.a) 10 10 10 0

Dentro desse contexto foram definidos cenários, considerando o uso de coagulante

cloreto férrico ou policloreto de alumínio (PAC), com base nas características de cada opção

de envio. O PAC é o coagulante usado atualmente nas ETA 3 e 4, e apresenta bom custo-

benefício. Entretanto, como mencionado no capítulo 3, as indústrias cerâmicas tem

preferência em aceitação de lodos avermelhados, devido ao uso de coagulantes férricos, pois

conferem uma coloração interessante para os tijolos. A aplicação do lodo no solo também é

preferencial para lodos férricos, devido à toxicidade do alumínio (ECHART e CAVALLI-

MOLINA, 2001).

120

Para estimar a aceitação do material, valor cobrado para a recepção e mudança gradual

da forma de disposição do lodo, foi considerado que: haverá mais resistência à aceitação do

lodo alumínico pelas indústrias cerâmicas; o envio do lodo para ETE pode ser direto; o preço

cobrado para recepção do lodo obedecerá à equação 7-35; e o envio de material para o aterro

sanitário cairá 10% por ano para as destinações para usos benéficos.

Dois cenários foram elaborados considerando a destinação para indústrias cerâmicas

(mantendo o coagulante ou alterando para cloreto férrico) e um considerando o envio do lodo

para solos de pastagem (usando coagulante cloreto férrico). O quarto cenário considera a

possibilidade de envio do lodo de ETA e de ETE exclusivamente para um aterro sanitário.

Apesar das indicações contrárias a essa prática (BRASIL, 2010), é importante considerar esse

cenário para comparar os custos de disposição.

Dessa forma, os cenários estudados são os seguintes:

- Cenário 1: Uso de PAC e envio para Indústricas Cerâmicas

- Cenário 2: Uso de cloreto férrico e envio para Indústrias Cerâmicas

- Cenário 3: Uso de cloreto férrico e envio para disposição em solo de pastagem

- Cenário 4: Uso de PAC e disposição em aterro sanitário

As potenciais pastagens para a aplicação do lodo de ETA foram estabelecidas com

base no mapa uso do solo e as áreas de pastagem próximas à ETA. O procedimento para

identificar as distâncias foi semelhante ao utilizado no capítulo 6.

Para aplicação das equações desenvolvidas no software Vensim é necessária sua

adaptação em linhas de comando e valores iniciais. Para auxiliar a aplicação posterior do

modelo, todas as configurações utilizadas no software Vensim estão descritas no Apêndice A.

7.3 Resultados e discussão relativos ao modelo DS de gerenciamento de lodo A Tabela 7-3 apresenta os resultados da simulação, minimizando os custos

acumulados do tratamento de água e esgoto, em razão dos custos acumulados do

gerenciamento do lodo.

Na Figura 7-7 pode-se observar a sequência de indicação dos cenários com base nos

valores resultantes das funções objetivo, e as suas principais diferenças.

Com base no exposto na Tabela 7-3 e na Figura 7-7 algumas considerações podem ser

feitas. A alteração do coagulante para cloreto férrico não é indicada em um primeiro

momento. A comparação entre os cenários 1 e 2 demonstra que a troca se mostra mais

custosa, apesar de ser um lodo melhor aceito nas cerâmicas. Para que essa opção torne-se

121

viável é necessária a cobrança do envio do lodo para os usos benéficos, e, ao menos até a

completa absorção e confiança do material no mercado, não existe perspectiva de cobrança

em curto período de tempo. Caso a cobrança não ocorra, o valor excedente acabará sendo

repassado ao consumidor (Figura 7-8), gerando insatisfação e prejudicando o envio do lodo

para usos benéficos.

Tabela 7-3. Variáveis de decisão e valores ótimos das funções objetivo.

Cenário

Variáveis de decisão Funções objetivo ( )

Custo Acumulado do gerenciamento de lodo de ETA (106R$)

Custo Acumulado do gerenciamento de lodo de ETE (106R$)

Custo acumulado do tratamento e abastecimento de água (106R$)

Custo acumulado do afastamento e tratamento de esgoto (106R$)

1 81,66 17,83 562,66 84,50 2 299,08 17,83 820,37 84,50 3 296,08 17,83 817,37 84,50 4 92,49 20,40 573,50 87,07

Figura 7-7. Sequência de cenários indicados para envio do lodo de ETA, conforme resultado da simulação.

As variáveis que tornam as opções do lodo férrico mais custoso são a constante de

coagulação e a experiência com o uso do coagulante nas ETA 3 e 4, que demonstra a

necessidade de aplicação de maior quantidade do produto para atingir a coagulação desejada.

Esses dados podem ser consultados na Tabela 7-2. Isso faz que a produção de lodo seja muito

maior que nas opções com PAC, refletindo em todas as outras etapas do processo.

Os cenários 2 e 3 apresentam custos bastante semelhantes, com uma diferença menor

que 1% nos custos finais do tratamento de água e de lodo. Como a relação de custos de

disposição adotada foi semelhante, a influência da destinação final fica por conta da

necessidade de alterações no processo (não considerada para esse caso) e distâncias

(semelhantes).

Os custos do cenário 1 são cerca de 12% menores, em relação ao tratamento de lodo, e

2% menores, em relação ao tratamento de água. Esse resultado é muito importante, pois

Cenário 1

•PAC•Indústria Cerâmica

Cenário 4

•PAC•Disposição em Aterro Sanitário

Cenário 3

•Cloreto Férrico

•Solo de Pastagem

Cenário 2

•Cloreto Férrico

•Indústria Cerâmica

122

indica que um uso benéfico tem potencial de ser menos custoso que o envio do material para o

aterro sanitário, além dos benefícios ambientais. Entretanto, os valores devem ser avaliados

com cautela, pois existe uma incerteza nos dados quantitativos de geração de lodo e custos

operacionais adotados. As hipóteses adotadas de queda do valor cobrado pelas destinações

finais, assim como adoção gradual do destino benéfico ajudam a explicar os custos mais

baixos do cenário 1, assim como indicam as necessidades para viabilização de um programa

de uso benéfico do lodo de ETA.

As mesmas observações do parágrafo anterior são válidas para os custos do tratamento

de esgoto. Ao alterar a opção benéfica (envio para solo agrícola de cana-de-alcóol) para o

envio para o aterro sanitário há acréscimos de custos de cerca de 14,5% para o tratamento de

lodo de ETE e cerca de 3,5% no tratamento de esgoto. Aqui vale outra observação importante,

o controle da qualidade do lodo de esgoto para atender os critérios legais de segurança

sanitária é bastante difícil, e a recepção de efluentes não domésticos na ETE prejudica

bastante esse controle e pode inviabilizar os usos benéficos.

Figura 7-8. Tarifa cobrada pelo uso da água em função do tempo, para os cenários estudados

Apesar de o resultado apontar para um cenário menos custoso de envio do lodo da

indústria cerâmica, duas dificuldades podem ser enfrentadas: a aceitação de um resíduo como

matéria-prima pelas indústrias cerâmicas e o controle qualitativo do mesmo para que não haja

problemas no processo produtivo de cerâmica.

Para um estudo mais detalhado das diferenças entre os cenários, alguns gráficos dos

custos anuais em função do tempo podem ser apresentados.

123

Na Figura 7-9 é apresentado o gráfico da evolução dos custos anuais do tratamento e

abastecimento de água. Observa-se que a variação é praticamente linear e segue o definido

anteriormente. Os cenários 2 e 3 tem custos bastante superiores desde o começo da simulação,

chegando a ser cerca de 35% superiores aos outros cenários estudados.

Para um melhor detalhamento dos custos com o gerenciamento de lodo de ETA, foram

elaborados os gráficos do próprio custo anual de gerenciamento de lodo (Figura 7-10), e os

custos anuais com o tratamento, armazenamento, transporte e disposição do lodo de ETA

(Figura 7-11). A avaliação é importante para verificar quais os aspectos logísticos que mais

interferem nos custos finais.

Figura 7-9. Comparação do custo final anual do sistema de tratamento e abastecimento de água entre os cenários propostos

O gráfico da Figura 7-10 apresenta tendências de crescimento até o 8º ano de projeto

para todos os cenários e uma tendência de queda a partir daí para os cenários de usos

benéficos. Isso se deve à hipótese adotada de queda do envio do material para aterro e,

principalmente, devido à queda do valor cobrado para o recebimento de lodo pelos locais de

destinação benéfica. Isso indica que é essencial que não haja cobrança, ou que a mesma seja

muito baixa, para viabilizar a adoção de destinos benéfico para o lodo de ETA. Além disso,

também percebe-se que os custos dos cenários com cloreto férrico mantém a tendência de

custos maiores. Caso essas opções forem adotadas, um estudo detalhado de tratabilidade deve

124

ser realizado para otimização das condições de tratamento da água e uma possível queda na

geração de lodo.

Figura 7-10. Comparação do custo final anual do gerenciamento de lodo das ETA 3 e 4

Figura 7-11. Comparação dos custos finais anuais das etapas de gerenciamento do lodo das ETA 3 e 4

A análise dos gráficos apresentados na Figura 7-11 permite observar alguns pontos

importantes. O custo do tratamento comanda a tendência do custo total do gerenciamento de

125

lodo. Isso se deve ao fato do custo do tratamento representar mais de 90% do custo de

gerenciamento. Por isso as tendências de alteração anual das outras etapas do gerenciamento

tem uma contribuição pequena em relação ao custo total. Entretanto, os custos de

armazenamento, transporte e disposição do lodo de ETA podem inviabilizar algumas

aplicações, mesmo representando porcentagens menores do custo final.

O custo de armazenamento segue a quantidade de lodo gerado. O custo do transporte

de lodo de ETA é aquele que apresenta maiores discrepâncias tendenciais entre os cenários.

Dependente do volume de lodo gerado e da distância percorrida, a evolução anual desse custo

apresenta comportamentos diversos.

O custo com o transporte é crescente nos cenários 1, 2 e 4, devido à correção do valor

do frete considerado pela inflação. Entretanto, no cenário 3 é apresentada uma queda em

função do tempo. Esse comportamento se deve à distância dos possíveis usos benéficos ser

inferior à distância do aterro sanitário. Como a troca do destino final é gradual, aos poucos

deixa-se de enviar o lodo para as maiores distâncias. Após a absorção total do lodo pelo uso

benéfico, a tendência do custo com o transporte é crescer em função do tempo.

O custo com a disposição final do lodo apresenta um incremento inicial, devido às

correções do valor de disposição com a inflação e depois tem uma queda acentuada, devido à

tendência de queda do preço cobrado pela disposição nos locais de uso benéfico e diminuição

do material enviado para o aterro sanitário.

7.3.1 Análise de sensibilidade do modelo DS de gerenciamento de lodo de ETA

Para melhor avaliação dos resultados obtidos no modelo foi elaborada uma análise de

sensibilidade de valores de parâmetros que não fazem parte dos cenários.

Utilizando a ferramenta de análise de sensibilidade do software Vensim PLE Plus©

(2015), os valores dos parâmetros considerados foram variados de maneira uniforme,

conforme procedimento adotado por Nasiri et al. (2013). Os valores sofreram variações de ±

50% dos valores adotados no modelo. O método usado na análise de sensibilidade é o método

de simulação de Monte Carlo, empregado em simulações estocásticas de diversas áreas do

conhecimento (VALENTE e VETTORAZZI, 2009). Esse método destaca-se por selecionar

valores aleatoriamente dentro de um limite pré-estabelecido, semelhante a jogos de azar,

avaliando a sensibilidade do modelo a parâmetros que não são alvos, e determinando a

robustez do mesmo (BUTLER et al., 1997; BUENO, 2010).

Para a avaliação de sensibilidade foram utilizados quatro grupos de parâmetros, o

primeiro relacionado com aspectos logísticos do gerenciamento do lodo de ETA e ETE,

126

buscando identificar a sensibilidade do modelo para esses aspectos, o segundo grupo com

parâmetros socioeconômicos para avaliar o comportamento do modelo em parâmetros que

devem ter maior interferência no resultado final, o terceiro grupo com parâmetros de

características dos afluentes ao tratamento de água e esgoto e um quarto grupo relacionado

com as características dos insumos do tratamento de água (estes tiveram os limites

estabelecidos conforme valores mínimos e máximos apresentados na Tabela 7-4). Os

parâmetros selecionados são apresentados na Tabela 7-4.

Tabela 7-4. Parâmetros selecionados para a análise de sensibilidade, agrupados em função do objetivo da análise. Grupo Parâmetro

1 – Aspectos logísticos Custo unitário do transporte Tempo de armazenamento do lodo de ETA e ETE

2 – Critérios socioeconômicos Demanda de água per capita Taxa de crescimento populacional

3 – Qualidade dos afluentes Concentração de sólidos em suspensão do esgoto Concentração dos sólidos em suspensão totais da água bruta Densidade do lodo secundário de ETE

4 – Características dos insumos Dosagem de coagulante na ETA (de 10 – 200 mg L-1) Constante do coagulante (de 0 – 10)

Dos parâmetros estudados, a influência dos parâmetros logísticos foi mínima nos

resultados da simulação, corroborando o observado anteriormente. O custo do gerenciamento

de lodo é majoritariamente definido pelo custo do tratamento, entretanto é importante

salientar que os aspectos logísticos podem ser determinantes na seleção de um local de

destino final, mesmo que interfiram em baixas proporções no custo total do gerenciamento.

Após a análise o modelo apresentou maior sensibilidade aos parâmetros: demanda de

água per capita, concentração dos sólidos em suspensão do esgoto, concentração dos sólidos

em suspensão totais da água bruta, densidade do lodo de ETE, dosagem de coagulante na

ETA e constante do coagulante usado na ETA.

A análise de sensibilidade dos parâmetros do grupo 2 foram realizadas com base na

hipótese do modelo ser sensível às mesmas. Por sua vez, a demanda de água per capita deve

influenciar diretamente na quantidade de água extraída e esgoto e lodo gerados.

Consequentemente, todos os custos do modelo devem ser influenciados por esse parâmetro.

Essa hipótese é confirmada pela observação da Figura 7-12, que indica uma alta sensibilidade

do modelo. Esse dado aponta para necessidade financeira de uso racional da água. Além de

problemas socioambientais inerentes ao uso excessivo de água, a sensibilidade da simulação

127

indica os impactos econômicos causados por possíveis incrementos da demanda de água per

capita.

Na Figura 7-13 é apresentada a análise de sensibilidade da concentração de sólidos em

suspensão totais do manancial nos custos do tratamento de água e gerenciamento de lodo de

ETA. Os custos relacionados com a ETE foram omitidos, pois não tem relação direta com

esse parâmetro.

A análise dos resultados apresentados na Figura 7-13 indica que os custos do

gerenciamento do lodo de ETA são mais sensíveis à variação da qualidade da água bruta

afluente à ETA que o custo total do sistema de tratamento e abastecimento de água. Isso se

deve à relação direta da quantidade de SST com a geração do lodo representada na Equação

7-14, e indicada por Di Bernardo et al., (2012). Deve-se usar com cautela essa observação,

pois ainda existem controvérsias sobre a relação direta entre a quantidade de lodo gerado e a

quantidade de SST do manancial. Por isso, muitas vezes, as estimativas das equações

empíricas não correspondem à realidade.

Nas Figuras 7-14 e 7-15 são apresentadas, respectivamente, as análises de

sensibilidade realizadas para os seguintes parâmetros: concentração de sólidos em suspensão

no afluente da ETE e densidade do lodo secundário da ETE. A análise desses parâmetros

utilizou apenas os resultados dos custos do sistema de afastamento e tratamento de esgoto,

pois esses parâmetros não influenciam diretamente o tratamento de água. O objetivo dessa

análise foi verificar a sensibilidade do modelo às características do afluente e do lodo gerado

no processo.

A análise da Figura 7-14 indica uma sensibilidade alta dos custos do gerenciamento de

lodo de ETE e uma sensibilidade menor, mas existente, nos custos do tratamento de esgoto à

densidade do lodo secundário. Isso ocorre devido à dependência da quantidade de lodo gerado

em função da densidade do lodo secundário. A sensibilidade é maior para custos maiores do

que para custos menores.

128

Figura 7-12. Sensibilidade dos custos anuais e acumulados (R$) do sistema em função da demanda de água per capita.

129

Figura 7-13. Sensibilidade dos custos anuais e acumulados (R$) do sistema do tratamento e abastecimento de água em função da concentração média de sólidos em suspensão totais no manancial.

A análise de sensibilidade apresentada na Figura 7-15 demonstra que o modelo é

sensível às alterações na concentração de sólidos em suspensão, mais nos custos de

gerenciamento do lodo de ETE do que no custo total de tratamento de esgoto. Similarmente

ao exposto para a sensibilidade do modelo de tratamento de água para a concentração de SST,

o aumento dos custos ocorre devido ao acréscimo da quantidade de lodo gerado, conforme

indicado pelas Equações 7-40 a 7-44. Isso indica que o modelo é fortemente influenciado

pelas equações que estimam a quantidade de lodo gerada no tratamento de esgoto.

130

Figura 7-14. Sensibilidade dos custos anuais e acumulados (R$) do sistema de afastamento e tratamento de esgoto em função da densidade do lodo secundário da ETE.

A avaliação das Figuras 7-16 e 7-17 corroboram a grande sensibilidade do modelo aos

parâmetros do coagulante adotados. Isso leva à dois pontos principais. Inicialmente percebe-

se que um descontrole no processo, com a aplicação em excesso de coagulante influenciará

negativamente na quantidade de lodo gerado, resultando em gastos excessivos no

gerenciamento de lodo. Outro aspecto importante é a influência que a constante do coagulante

tem nos resultados do modelo, pois influencia na quantidade de lodo gerado. Entretanto,

Katayama et al. (2015) identificaram grandes variações entre os valores estimados por

equações empíricas com os valores reais de lodo gerado em processos de tratamento. Por isso

é importante que sejam feitas estimativas mais realistas da quantidade de lodo gerada no

sistema, pois seu impacto nos valores da simulação é muito grande.

Para a adoção de valores mais exatos da estimativa de lodo gerado pode-se efetuar

ensaios de tratabilidade, estudos de balanço de massa ou determinar a quantidade real lodo

gerado (no caso de estações existentes e com sistema em operação).

131

Figura 7-15. Sensibilidade dos custos anuais e acumulados (R$) do sistema de afastamento e tratamento de esgoto em função da concentração média de sólidos em suspensão no afluente da ETE

7.4 Considerações finais do modelo DS para o gerenciamento de lodo de ETA Este estudo desenvolveu um modelo para a o gerenciamento individual do lodo de

ETA. A abordagem DS foi utilizada para identificar o complexo processo de tomada de

decisão em função do tempo com base em diversos critérios técnicos e econômicos. Funções

de custos foram elaboradas de forma a minimizar o custo final dos sistemas de tratamentos de

água e esgoto. O problema foi modelado para a seleção de locais para envio do lodo gerado

pelas ETA e ETE, em função dos custos técnicos, gerenciais e logísticos da operação de

estações de tratamento de lodo.

Além da aplicação do estudo de caso das ETA 3 e 4 e ETE Anhumas da cidade de

Campinas, o modelo tem potencial de utilização para o gerenciamento do lodo gerado em uma

ETA, em uma ETE, em um sistema de ETA e ETE, além da possibilidade de uso, mediante

adaptações, para o gerenciamento de lodo de sistemas que englobem mais ETA e/ou ETE,

como estudos sobre a viabilidade de implantação de centrais de lodo.

132

Figura 7-16. Sensibilidade dos custos anuais e acumulados (R$) do sistema de tratamento de água em função da dosagem de coagulante utilizada na ETA.

No estudo de caso realizado para dados das ETA 3 e 4, localizadas na cidade de

Campinas, Brasil, foram avaliados quatro cenários de disposição de lodo, variando a

utilização do coagulante (cloreto férrico ou PAC) e o local de destinação (indústria cerâmica,

solo de pastagem ou disposição em aterro sanitário). A opção de envio para indústrias

cerâmicas, sem troca do coagulante usado (PAC) se mostrou a mais econômica. Os resultados

devem ser usados com cautela, pois existe uma grande defasagem de banco de dados

quantitativos e qualitativos do lodo gerado e custos operacionais dos sistemas de saneamento.

No estudo de caso, diversas variáveis foram estimadas com base em dados da literatura e de

equações empíricas com alta incerteza.

133

Figura 7-17. Sensibilidade dos custos anuais e acumulados (R$) do sistema de tratamento de água em função da constante de coagulação adotada na estimativa de lodo.

O modelo pode ser utilizado para auxiliar a tomada de decisão da destinação do lodo

de ETA ou ETE de outros locais, com características e opções de destinação diversas do

estudo de caso. As variáveis fixas podem ser alteradas conforme a necessidade da área em

questão. Por fim, o modelo pode ser expandido para a inclusão de parâmetros de consumo de

energia ou geração de outros resíduos sólidos, líquidos ou gasosos.

134

8 METODOLOGIA BASEADA EM SIG E ABORDAGEM DE

DINÂMICA DE SISTEMAS PARA AVALIAÇÃO DA VIABILIDADE

DE UNIDADES DE GERENCIAMENTO DE LODO DE ETA

Como consequência às informações expostas nos capítulos anteriores, as ETA devem

adequar sua operação para o correto tratamento, desaguamento e adensamento do lodo gerado

em suas depedências, para direcioná-lo ao uso benéfico, ou destinação adequada, e também

diminuir os custos logísticos de armazenamento e transporte.

Uma possível forma de otimizar as etapas do gerenciamento do lodo de ETA é a

implantação de unidades de gerenciamento de lodo (UGL), também denominadas centrais de

lodo (BIOCICLO, 2012). A definição de UGL é apresentada na Resolução 375 (CONAMA,

2006), como forma de auxiliar a aplicação agrícola do lodo de esgoto. Considerando uma

definição mais abragente, as UGL podem ser consideradas estruturas capazes de gerenciar o

lodo de uma ou mais estações de tratamento de água ou esgoto.

A utilização de UGL em ETE já é realidade no Brasil, com os resultados do seu

tratamento sendo indiretamente estudados em alguns trabalhos científicos (SERRAT et al.,

2011; QUINTANA et al., 2012). Enfatiza-se que esses trabalhos não tem como objetivo

avaliar a operação de uma UGL, mas sim avaliar a qualidade do lodo de suas respectivas áreas

de estudo ou aspectos logísticos do envio do material para usos benéficos. Entretanto, não

foram obtidas informações sobre a operação de UGL, ou estruturas semelhantes, para lodo de

ETA.

Um estudo encomendado pelo Comitê das Bacias Piracicaba, Capivari e Jundiaí

buscou levantar informações sobre a viabilidade e definir diretrizes para a instalação e

operação de centrais de lodo nas Bacias PCJ (BIOCICLO, 2012), tanto para auxiliar as

operações das ETE quanto das ETA. Entretanto, as indicações para as centrais de lodo de

ETA, que podem ser consideradas UGL, deixam algumas questões em aberto, pela ausência

de experiências anteriores em estruturas deste tipo. A seleção de possíveis locais para a

construção das UGL de lodo de ETA e sua viabilidade econômica em função do

gerenciamento individual do material, são aspectos que permitem maior aprofundamento.

135

Diante disso, o objetivo desta etapa do estudo é elaborar uma metodologia para avaliar

a viabilidade de implantação e operação de UGL para o gerenciamento conjunto de lodo de

ETA em uma unidade geográfica, com o uso de SIG e otimização linear como ferramentas e a

adaptação do modelo de simulação de abordagem da dinâmica de sistemas apresentado no

capítulo 7, utilizando como estudo de caso as Bacias PCJ.

8.1 Desenvolvimento da metodologia Para analisar a viabilidade da implantação das UGL algumas etapas foram

desenvolvidas e estão descritas nos itens a seguir. A metodologia desenvolvida utilizou um

banco de dados da geração de lodo e localizaçãos das ETA das Bacias PCJ obtido dos

documentos elaborados por Biociclo (2012). As bases de dados espaciais foram obtidas da

Agência PCJ (2013) e o banco de dados foi obtido e elaborado conforme indicações dos

outros capítulos da presente Tese.

O destino selecionado para o lodo de ETA é o envio para incorporação em cerâmica

vermelha, seguindo o indicado por Biociclo (2012) e estudado nos outros capítulos da

presente Tese. A opção é viável tecnicamente (SILVA et al., 2015) e considera as

características particulares da área de estudo (BIOCICLO, 2012).

Para a análise da viabilidade da implantação das UGL foi realizada uma comparação

de custos de gerenciamento de lodo e influência nos gastos com tratamento de água em dois

cenários: no primeiro cenário serão levantados os custos considerando o envio do lodo para

gerenciamento em UGL e, no segundo, toda a etapa de gerenciamento será realizada pela

ETA. A simulação dos sistemas propostos foi realizada com base em uma abordagem de

Dinâmica de Sistemas (DS). O tempo de simulação proposto foi de dez anos, para adequação

do estudo de caso com o plano de bacias das Bacias PCJ que é elaborado em períodos de 10

anos.

8.1.1 Definição dos possíveis locais de implantação das UGL

O estudo de viabilidade elaborado por Biociclo (2012) indica a localização das UGL

próximas aos pólos ceramistas situados dentro e fora das Bacias PCJ, mas não define quais os

mais viáveis. Para sugestão do número e localização das UGL uma análise de proximidade

das ETA em ambiente de sistema de informações geográficas foi realizada.

Com a utilização do software QGIS 2.6© optou-se pela utilização da ferramenta

“mapa de calor”, que gera um produto matricial a partir de uma camada vetorial de pontos. O

produto resultante indica a densidade de pontos dentro de uma área de influência pré-

estabelecida. Essa área de influência é definida pelo usuário, com a aplicação de um raio em

136

cada ponto de estudo. Inicialmente, foram elaborados mapas para raios de 10, 20, 30, 40 e 50

km. Os maiores raios de influência impossibilitaram a análise das áreas com maior densidade

de pontos. Os melhores resultados obtidos foram para os raios de 20 e 30 km, por isso uma

nova análise foi realizada para um raio de 25 km, sendo este o selecionado para a elaboração

do mapa de calor das ETA das Bacias PCJ.

Do mapa de calor gerado foram selecionadas cinco áreas de possível implantação das

UGL, considerando a densidade de pontos e uma distribuição adequada na área de estudo. As

coordenadas dos locais selecionados foram capturadas e um arquivo tabular foi elaborado e

inserido no ambiente SIG, gerando um novo arquivo vetorial de pontos.

O arquivo vetorial de pontos que representa os “centros cerâmicos” foi carregado no

SIG e com a ferramenta de análise vetorial “matriz de distâncias”, foram determinadas as

distâncias entre as UGL e as ETA e entre as UGL e os centros industriais cerâmicos.

As ETA pertencentes à cada UGL foram definidas por simples análise de distância. A

UGL mais próxima da ETA foi selecionada, sem limite de ETA por UGL. Com a distância

das UGL para os centros cerâmicos foi elaborada uma matriz de distâncias para posterior

definição dos locais de destino do lodo tratado em cada UGL.

8.1.2 Estimativa de lodo gerado nas ETA

Para realizar a simulação proposta algumas informações são necessárias. Entre as mais

importantes está a quantidade de lodo gerada por cada ETA. O valor utilizado foi obtido dos

documentos de Biociclo (2012). Entretanto, os próprios autores indicam a ausência de

controle do lodo gerado em diversas estações e a grande dificuldade de levantamento de

parâmetros médios de qualidade da água e posterior definição da quantidade de lodo gerado.

Para a estimativa da quantidade de lodo de ETA gerado, e sequência das análises do projeto

os autores utilizaram a equação empírica proposta pela American Public Health Association

(APHA), que depende de um fator S representado a seguir.

= (0,2 + ( . ) + ( . ))/1000 (8-1)

onde: S é a massa de sólidos secos precipitada por unidade de volume de água tratada (kg/m³);

C é a cor da água bruta (ºH); T é a turbidez da água bruta (UNT), D é a dosagem de

coagulante (mg/L); K1 é um coeficiente dado pela relação de sólidos em suspensão totais e

turbidez variando entre 0,5 e 2,0; K2 é um coeficiente dado em função do coagulante usado.

Apesar das grandes inconsistências da correlação entre turbidez e SST, e de possíveis

erros intrínsecos ao resultado gerado pelo uso de equações empíricas, principalmente quando

137

do uso de coeficientes retirados da literatura (KATAYAMA et al., 2015), a equação 8-1 foi

considerada a única forma de estimativa, diante da ausência de outros dados.

Como o objetivo do presente estudo foi elaborar uma comparação entre o

gerenciamento individual e conjunto do lodo de ETA, com as condições de geração do lodo

consideradas idênticas nos cenários propostos, as estimativas falhas terão mínima influência

na análise dos resultados. Mas fica a necessidade de um estudo mais detalhado de cada ETA,

para definição adequada do montante de lodo gerado para tomada de decisão mais subsidiada.

Para a estimativa da geração de lodo foi encontrado o fator S, com base nos dados de

Biociclo (2012) e os valores de demanda de água, e consequente volume de água tratada,

obtidos em documento de COBRAPE (2011). Esse fator foi incluído na adaptação do modelo

DS descrita no próximo item.

8.1.3 Abordagem DS na metodologia para avaliação da viabilidade de implantação de

UGL

Para a estimativa dos custos dos dois cenários foi utilizado como base o modelo

desenvolvido no capítulo 7. Entretanto, pela ausência de informações mais detalhadas de

todas as ETA das Bacias PCJ (BIOCICLO, 2012), e as ligeiras diferenças entre os sistemas

considerando ou não as UGL, uma adaptação do modelo foi necessária.

Para a adaptação do modelo foram elaborados três diagramas de ciclos causais,

levando em consideração as diferentes relações entre os cenários. Na Figura 8-1 é apresentado

o diagrama de ciclo causal do sistema de tratamento de água. Esse sistema não considerará as

ETE.

O diagrama da Figura 8-1 é semelhante à parte esquerda do diagrama apresentado no

capítulo 7. Composto de seis ciclos de retorno, o DCC demonstra que o custo operacional de

uma ETA aumenta conforme aumentam a quantidade de água extraída no manancial, e o lodo

gerado. Em compensação esse custo unitário diminui conforme se aumenta a quantidade de

água tratada.

Na Figura 8-2 são apresentados os diagramas causais do cenário onde o lodo de ETA é

enviado para UGL. Nessa situação os custos de armazenamento e disposição do lodo de ETA

são transferidos para a UGL. Entretanto, uma etapa de tratamento ainda precisa ser realizada

na ETA, para adensar parcialmente o lodo, viabilizando o transporte. A etapa de tratamento

também é existente na UGL, que utilizará outros processos de desaguamento e adensamento

para minimizar o teor de líquido do material.

138

Figura 8-1. Diagrama de ciclo causal de um sistema de tratamento e abastecimento de água

Figura 8-2. a) Diagrama de ciclo casual do sistema de tratamento de água enviando o lodo para UGL e b) diagrama de ciclo causal de uma UGL

Equações

As alterações necessárias, devido às características inerentes ao novo sistema da UGL

proposto, ou à falta de informações mais detalhadas, foram transformadas em equações para

alimentação do modelo proposto.

Em relação ao modelo do capítulo 7, todas as equações relativas ao tratamento de

esgoto e gerenciamento de lodo de esgoto foram excluídas do modelo, por não ser esse o

objetivo do presente estudo.


Preço da água

Demanda deágua




Lodo de ETAgerado

Custo do Tratamentode lodo de ETA

+

-

+

++

+

Custo degerenciamento do

lodo de ETA

Custo do transportedo lodo de ETA

Custo dearmazenamento de

lodo de ETA

Custo de disposiçãode lodo de ETA

+

+

+

+

+-

139

De forma a acertar a função objetivo do problema, em função do objetivo exposto, a

equação 8-2 representa a solução ótima para o sistema de gerenciamento de lodo com ou sem

UGL.

= [ ( ) + ( ) + ( )] (8-2)

onde πwt é custo total da ETA (R$), T é o tempo de projeto (anos), t0 é o tempo inicial (ano),

Cwt(t) é o custo do tratamento de água no ano ‘t’ (R$/ano), , Cws(t) é o custo do gerenciamento

de lodo da ETA no ano ‘t’ (R$/ano), Cugl(t) é o custo proporcional da UGL no ano

‘t’(R$/ano). No caso do cenário sem a UGL, o custo referente à mesma não é considerado.

O custo com tratamento da água segue o indicado no capítulo 7, sendo a soma de

custos operacionais e de implantação de estruturas, todos em função das estruturas existentes

e da quantidade de água tratada.

A quantidade de água extraída e tratada é considerada igual à demanda, sendo

excluídas do modelo simplificado as equações que representam a quantidade de água

disponível no manancial e a quantidade de água recarregada. Isso se deve à falta de

informações dos corpos hídricos de todas as ETA das Bacias PCJ. No caso dessas

informações serem existentes, essa alteração da metodologia não é recomendada.

( ) = ( ) (8-3)

onde e(t) é a extração de água no ano ‘t’ (m³/ano), d(t) é a demanda de água no ano ‘t’

(m³/ano)

Os custos com o gerenciamento de lodo na ETA também seguem o apresentado no

capítulo 7, sendo a soma dos custos com tratamento, transporte, armazenamento e disposição

do lodo de ETA. No caso do cenário com a UGL os custos com armazenamento e disposição

do lodo de ETA são retirados do modelo.

Para estimar quantidade de lodo gerada e consequentemente tratadas nas dependências

das ETA foi encontrado o fator S (Equação 8-1) de cada ETA, por meio dos dados obtidos

dos documentos de Biociclo (2012), considerando a estimativa de lodo gerada , em função da

população, em 2010 e 2020. Assumindo-se que esse fator não seria alterado nos anos de

projeto, apesar das limitações já expostas (KATAYAMA et al., 2015), a equação 8-4

representa a geração do lodo no modelo modificado proposto.

( ) = [ . ( )]. 50 (8-4)

140

onde ( ) é a quantidade de lodo tratado no ano ‘t’ (m³/ano). Como o fator S resulta na

massa de sólidos gerados, o resultado é multiplicado por 50 para considerar um lodo inicial

com teor de sólidos de 2%.

Para avaliar apenas a questão da implantação ou não da UGL, considerando que sua

construção tem a finalidade de envio do lodo para uso benéfico, a possibilidade de envio do

lodo para aterro sanitário foi desconsiderada, assim como a taxa de aceitação do material e a

taxa de declínio do material enviado para o aterro. O valor cobrado pelo aterro foi mantido,

para estimar um valor inicial cobrado pelas indústrias cerâmicas potenciais receptoras de lodo.

A avaliação da tarifa cobrada pelo tratamento de água também foi excluída do modelo

simplificado, pois está fora da ideia inicial da avaliação dos cenários.

O custo proporcional da UGL é regido pelas equações 8-5 e 8-6.

( ) = ( )⁄ (8-5)

= ( ) ( ) ( ) (8-6)

onde ( ) é o custo total do gerenciamento de lodo na UGL no ano ‘t’ (R$/ano), Ratio é

a razão entre a quantidade de lodo desaguado enviado para a UGL e o total de lodo desaguado

recebido pela UGL no ano ‘t’, ( ) é a quantidade de lodo desaguado e enviado para UGL

do ano ‘t’ (m³/ano), ( ) ( ) é a quantidade de lodo desaguado da ETA (y) enviado pra UGL

no ano ‘t’ (m³/ano).

Pela dificuldade de inserir a soma anual do lodo de todas as ETA das Bacias PCJ no

modelo, foi elaborada uma equação para estimar essa soma. Essa equação é baseada na

equação da reta obtida pelo ajuste linear da soma, no período de projeto, do lodo gerado em

todas as ETA que enviam o material para UGL em função do tempo. Como a geração do lodo

nas ETA depende da demanda de água e da população, que, por sua vez, depende de uma taxa

de crescimento populacional anual, a relação com o tempo é fortemente linear. Dessa forma o

somatório do lodo recebido pela UGL no ano ‘t’ pode ser estimado pela equação 8-7.

( ) ( ) ~ . ( ) + (8-7)

onde é o coeficiente angular obtida da regressão linear da somatória de lodo gerado em

todas as ETA com o tempo; ( ) é o tempo ‘t’; é o intercepto de correção da equação da

reta

O custo total da UGL é resultado da soma dos custos de tratamento, armazenamento,

transporte para a destinação seleciona e disposição do lodo tratado na unidade. As equações

141

que representam esses custos são semelhantes às propostas para ETL-ETA no modelo do

capítulo 7.

Modelo

Com base nos diagramas de ciclos causais apresentados nas Figuras 8-1 e 8-2,

equações originais apresentadas no capítulo 7, e nas modificações apresentadas no item

anterior, dois modelos com abordagem de dinâmica de sistemas (DS) foram elaborados no

software de simulação Vensim PLE Plus© (2015). O primeiro modelo considera as

simplificações propostas para o sistema de tratamento e abastecimento de água do capítulo 7,

e está apresentado na Figura 8-3. Esse modelo pode ser usado nos dois cenários. No caso do

uso para o cenário da instalação das UGL força-se o valor zero nos parâmetros de custos de

armazenamento e disposição do lodo. O segundo modelo representa o gerenciamento de lodo

de ETA em uma UGL, e pode auxiliar nas tomadas de decisão de estruturas desse tipo e está

representado na Figura 8-4.

Os modelos foram elaborados em Língua Inglesa para facilitar uma posterior

publicação em periódico científico internacional. As linhas de comando, valores iniciais e

configurações utilizadas no software Vensim são apresentadas nos Apêndice B e C, para os

modelos do sistema simplificado de tratamento e abastecimento de água e do gerenciamento

do lodo de ETA em UGL, respectivamente.

8.1.4 Definição dos locais de recepção na análise da viabilidade da implantação de

UGL

Para o cálculo dos custos de gerenciamento de lodo é necessária a definição dos locais

de recepção para o lodo gerado em cada ETA ou em cada UGL. O local de destinação

influenciará diretamente nos custos de transporte.

Para o cenário do gerenciamento individual do lodo gerado na ETA foram

considerados os locais de recepção indicados no capítulo 6, para o cenário da substituição de

10% da matéria prima da indústria cerâmica por lodo de ETA.

Para o cenário de instalação de UGL foi realizado procedimento semelhante ao usado

no capítulo 6. Com a capacidade de recepção de lodo de ETA pelos centros de indústrias

cerâmicas calculados no referido capítulo, considerando a incorporação de lodo de ETA para

substiutição de 10% da matéria prima das indústria, e a matriz de distâncias obtida por meio

do SIG (item 8.2.1), foi modelado um problema de fluxo de redes do tipo grafo (otimização

142

linear). A resolução do mesmo foi realizada com o auxílio do algoritmo solver linear do

LibreOffice 4.4©.

Similarmente ao capítulo 6, a função objetivo do problema consistiu na minimização

do produto entre duas matrizes, a primeira continha as distâncias das UGL para cada opção de

destinação, e a segunda continha a quantidade de lodo enviada de cada UGL para cada opção

de destinação. Os valores da segunda matriz foram considerados variáveis e os da primeira

matriz fixos. Para a resolução do problema pelo algoritmo do software foram adotadas as três

restrições indicadas no capítulo 6: o montante de lodo enviado para o polo cerâmico não pode

ser maior que a capacidade total do mesmo; é obrigatório o envio de todo o lodo gerado em

cada UGL; não foi admitido o uso de valores negativos.

Figura 8-3. Modelo DS do sistema simplificado de tratamento e abastecimento de água de uma ETA

PopulationNet Population

Growth

WaterTreatment-Suppl

y CapacityWTSCDevelopment-Maintenance

Population GrowthRate (Scenario)

WTSCDepreciation

Water Demand

WTSCDevelopment Delay

WTSCConfidence Level WTSC

Depreciation Rate

Capital Cost ofWTSC

Unit Capital Costof WTSC

<TIME STEP>

<TIME STEP><TIME STEP>

Per Capita WaterDemand

WaterTreatment

WaterTreatment-Supply

Operation Cost


Operation Cost

Unit WaterTreatment Chemicals

Cost

WaterTreatment-Supply Cost

Inflation Rate

<Time>

<TIME STEP>

Cumulative WaterTreatment-Supply

Cost


Cost

Final WaterTreatment-Su

pply Cost



Depreciation



<TIME STEP>

WTPSTCDevelopment Delay

WTPSTCConfidence Level WTPSTC

Depreciation Rate

WTP SludgeProduction

<WaterTreatment>WTP Sludge

Production Rate

Dewatering rate(Scenario) Unit WTP Sludge



Cost


Cost


<InflationRate>

<Time><TIME STEP>

DWTPSDisposition 1



Transport Cost

Unit TransportCost

<InflationRate>

<Time><TIME STEP>

DWTPSStorage Time

DWTPS StorageHeight


DWTPSStorage Area

Price of RentArea

<InflationRate>


<FINALTIME>

DWTSP StorageArea Maintenance

<Time>

<TIME STEP>

DWTSP StorageCapital Cost

WTP SludgeStorage Cost


(Objective)


WTP SludgeDisposition CostDWTPS Benefical

Disposition Price


Decline Rate

<FINALTIME>

<Time>


<TIME STEP>


Cost




<WaterDemand>

Sludge CenterRate

143

Figura 8-4. Modelo DS do sistema de gerenciamento de lodo de ETA de uma UGL

Com a otimização linear foi possível estabelecer os melhores locais de recepção para

cada UGL, sem o risco de se tornarem concorrentes.

8.1.5 Parâmetros adotados no modelo DS utilizado para análise da viabilidade da

implantação de UGL

Para fazer as simulações dos custos para cada ETA e UGL da melhor forma possível,

foi necessário estabelecer alguns valores para os parâmetros usados no modelo. Alguns deles

são os mesmos parâmetros adotados no capítulo 7, onde foi apresentada sua justificativa.

Alguns valores foram considerados fixos nos modelos, outros variaram conforme o cenário e

outros eram variáveis em função da ETA estudada.

Os parâmetros fixos em todos os modelos usados estão representados na Tabela 8-1.

Esses parâmetros foram obtidos das diversas fontes apresentada no capítulo 7. Não foi

considerado atraso no desenvolvimento das estruturas de tratamento. Outros parâmetros

necessários no modelo são dependentes de cada ETA, além do cenário estudado.

Alguns parâmetros apresentam diferenças de valores entre os cenários propostos. O

custo capital da operação e dos produtos químicos do tratamento de lodo foram adaptados de

WTPSludge

ReceivedWTP SludgeProduction

Slope of the line(Scenario)

Inflation Rate



Depreciation



<TIME STEP>WTPSTC

Development DelayWTPSTC

Confidence Level WTPSTCDepreciation Rate

Dewatering rate(Scenario)

Unit WTP SludgeTreatment Operation

Cost


Cost


Cost


<Time><TIME STEP>

DWTPSDisposition 1

DWTPSDisposition 2

DWTPSDisposition 3






Distance DWTPSDisposition 2 Distance DWTPS

Disposition 3





Transport Cost

Unit TransportCost<Inflation

Rate>

<Time>

<TIME STEP>

DWTPSStorage Time

DWTPS StorageHeight


DWTPSStorage Area

Price of RentArea <Inflation

Rate>


<FINALTIME>

DWTSP StorageArea Maintenance<Time>

<TIME STEP>

DWTSP StorageCapital Cost WTP Sludge

Storage Cost


(Objective)


WTP SludgeDisposition Cost



Decline Rate

<FINALTIME>

<Time>



<TIME STEP>


Cost





Intercept <Time>

144

Siqueira e Isaac (2013), com valores proporcionais à taxa de desaguamento de cada

tratamento.

Na tabela 8-2 são apresentados os valores para cada cenário, a considerar: cenário 1 –

gerenciamento individual do lodo de ETA em sistema simplificado de tratamento e

abastecimento de água; cenário 2 – gerenciamento conjunto de lodo, sendo a – dados do

sistema simplificado de tratamento e abastecimento de água e b – dados do sistema de

gerenciamento de lodo em UGL.

Tabela 8-1. Parâmetros fixos para as simulações DS dos sistemas simplificados de tratamento e abastecimento de água das ETA e do gerenciamento do lodo das possíveis UGL das Bacias PCJ. Parâmetro Valor Unidade Altura do armazenamento de lodo de ETA e ETE 1,5 m Custo inicial de manutenção da área de armazenamento 18,2 R$/m³ Custo unitário capital inicial da ETA 0,43 R$/m³ Custo unitário capital inicial da ETL-ETA 0,42 R$/m³ Custo unitário inicial de operação da ETA 1,43 R$/m³ Custo unitário dos produtos químicos usados na ETA 0,051 R$/m³ Custo unitário inicial do transporte 0,3 R$/m³.km Preço inicial (tarifa) da água 1,77 R$/m³ Preço inicial da disposição em aterro sanitário 90,9 R$/t Preço inicial de locação de área de armazenamento 40 R$/m³ Taxa de depreciação anual da ETA 2% 1/ano Taxa de depreciação anual da ETL-ETA 2% 1/ano Taxa de reserva da capacidade de tratamento da ETL-ETA 0,1 Taxa de reserva da capacidade de tratamento de água 0,1 Taxa de reserva de área para armazenamento de lodo 0,2 Taxa média de inflação 0,068 Tempo de armazenamento máximo de lodo 30 dias Tabela 8-2. Parâmetros variáveis para as simulações DS dos sistemas simplificados de tratamento e abastecimento de água das ETA e do gerenciamento do lodo das possíveis UGL das Bacias PCJ

Parâmetros Cenário

1 2a 2b Custo unitário dos produtos químicos usados na ETL (R$/m³) 1,32 2,05 2,20 Custo unitário inicial de operação da ETL (R$/m³) 36,13 56,50 60,20 Taxa de desaguamento de lodo de ETA 0,067 0,1 0,4

Em relação ao cenário 1 tem-se a distância da ETA para o centro industrial cerâmico

de destino, o custo capital de compra da área de armazenamento, a demanda de água per

capita, a taxa de crescimento populacional, a população inicial atendida pelo sistema de

tratamento de água, a demanda de água inicial, o fator S de produção de lodo, o custo inicial

do sistema de tratamento de água, a capacidade inicial de tratamento de água e o custo inicial

145

de tratamento de lodo. Em relação ao cenário 2, além dos valores anteriores existe a distância

da ETA pra a UGL receptora. Esses dados podem ser observados no Apêndice D.

Os dados populacionais foram retirados dos documentos de COBRAPE (2011),

Biociclo (2012) e SEADE (2016).

8.2 Resultados e discussão relativos à implantação de UGL

8.2.1 Possíveis locais de implantação das UGL e suas características

Conforme a metodologia apresentada no item 8.2.1. foi gerado um “mapa de calor”,

que indica a densidade espacial de vetores na forma de pontos, considerando um raio de

influência de 25km em torno da localização das ETA das Bacias PCJ. Esse mapa é

apresentado na Figura 8-5.

Observando o mapa da Figura 8-5 percebem-se três áreas com maior densidade de

pontos, na região central das Bacias PCJ. Esses três pontos são potenciais locais de

implantação das UGL. Para melhor distribuição das opções de locais para implantação de

UGL, outros dois locais foram selecionados próximos aos extremos leste e oeste.

A utilização do raio de influência de 25 km se justifica, pois foi a melhor opção de

visualização de densidade de pontos. Os raios de aplicação de 10, 20, 30 e 40 km podem ser

visualizados na Figura 8-6. Mesmos com a elaboração do mapa com os raios citados, percebe-

se as mesmas tendências de densidade de pontos, com a área central das Bacias se

configurando como área com maior densidade e a necessidade de implantação de UGL nos

extremos, para absorver o lodo gerado pelas ETA mais afastadas do centro. Isso confirma as

áreas definidas anteriormente.

Com a seleção dos locais de possível implantação das UGL, e a matriz de distância

gerada entre esses locais e as ETA, foi possível selecionar as ETA que poderiam enviar o lodo

gerado para cada UGL. A visão espacial dessa seleção pode ser observada no mapa

apresentado na Figura 8-7.

Para melhor visualização das características de cada UGL, em relação às ETA que

possivelmente lhes enviariam o lodo, foi elaborado um resumo das principais informações de

cada UGL. Esse resumo está representado na Tabela 8-3.

146

Figura 8-5. Mapa de calor (densidade espacial de pontos) com raio de influência de 25 km em torno da localização das ETA das Bacias PCJ.

147

Figura 8-6. Mapa de calor (densidade espacial de pontos) com raio de influência de a) 10 km, b) 20 km, c) 30 km e d) 40 km em torno da localização das ETA das Bacias PCJ.

148

Tabela 8-3. Informações sobre os municípios componentes das UGL propostas para as Bacias PCJ Dado UGL 1 UGL 2 UGL 3 UGL 4 UGL 5 Número de ETA 25 26 11 14 10 População total (hab) 1.730.902 2.365.212 207.940 398.913 451.480 Demanda de água per capita média (m³/hab) 121,89 120,52 134,14 140,05 129,99

Taxa de crescimento populacional média (%) 1,34 1,37 1,36 1,15 0,85

Os dados médios de demanda de água per capita e taxa de crescimento populacional

foram calculados de forma ponderada, considerando a população dos municípios como o peso

do dado relativo àquele município. Dessa forma evitam-se distorções do uso dos dados

considerando a média simples. As principais cidades de cada UGL são, UGL 1: Limeira,

Americana, Hortolândia, Rio Claro e Sumaré; UGL 2: Campinas, Indaiatuba e Jundiaí; UGL

3: Jaguariúna e Pedreira; UGL 4: Bragança Paulista e Atibaia; UGL 5: Piracicaba.

Com base nos dados das Bacias PCJ apresentados na Tabela 8-3 percebe-se que as

duas UGL da parte central da área de estudo apresentam características semelhantes de taxa

de crescimento e demanda de água per capita, além de terem alta população e serem as

maiores UGL em relação ao número ETA atendidas. Isso se deve ao fato de serem regiões

com características semelhantes, abrangendo Campinas e sua região metropolitana, além de

grandes cidades da região como Limeira e Rio Claro. Pode ser considerada uma região

industrial e de grande densidade populacional.

A UGL 3 representa uma área de transição das áreas atendidas pelas UGL 1 e 2. Ainda

dentro da região metropolitana de Campinas, o município de Jaguariúna marca a transição

para uma área turística e rural. A taxa de crescimento populacional média é menor, o número

de ETA atendidas é inferior à metade das UGL 1 e 2 e a população desses municípios é cerca

de 10% da população das UGL citadas.

As UGL 4 e 5 representam áreas mais rurais das Bacias PCJ, apesar de terem maior

densidade populacional que a UGL 3. Maiores representantes da região abrangida pela UGL

4, Bragança Paulista e Atibaia estão relativamente próximas à cidade de São Paulo, e tem

grande atrativo turístico, além de atividades industriais e agrícolas. Em relação à UGL 5,

Piracicaba é um importante polo do interior paulista, não fazendo parte das regiões

metropolitanas, e tem grandes características de desenvolvimento tecnológico agrícola,

repassado para as cidades próximas. Pelas características próprias as duas regiões tem menor

crescimento populacional e maior demanda de água per capita que as UGL centrais

149

Figura 8-7. Mapa de localização das UGL propostas para as Bacias PCJ e as respectivas ETA que enviariam o lodo gerado para essas UGL.

150

8.2.2 Determinação dos parâmetros das UGL para o modelo DS

Para efetuar a simulação com o modelo DS proposto para as UGL, só é possível

determinar os dados relativos à equação 8-7 após a definição das ETA atendidas pela UGL.

Os parâmetros de distância das áreas de recepção também necessitam da definição da

localização aproximada das UGL.

Para a determinação dos parâmetros das equações da reta da geração de lodo enviado

para cada UGL foi realizada uma regressão linear do volume total de lodo gerado em cada

ETA, em função do tempo de projeto. Para determinar o lodo gerado foi realizada uma

simulação de geração para cada ETA, com base no modelo DS de custos do tratamento e

distribuição de água elaborado para o cenário da implantação de UGL. Para cada UGL foi

feito o somatório de todo o lodo possivelmente enviado para suas dependências.

A expectativa da alta dependência linear da produção de lodo em função do tempo foi

atendida, com todos os coeficientes de determinação (R²) resultando acima de 0,999. O

coeficiente de determinação é baseado no quadrado do coeficiente de correlação linear de

Pearson e fornece a porcentagem da variação da variável dependente (Y) que pode ser

explicada pela variação da variável independente (X) (LIRA e CHAVES NETO, 2006).

Para determinar a distância para os possíveis locais de recepção é necessário

selecioná-los antes. Para isso utilizou-se a estimativa de lodo gerado em cada ETA e enviado

para as UGL. Considerando o valor do último ano (maior valor) e a taxa de desaguamento

adotada para as UGL (Tabela 8-2) obteve-se o lodo tratado em cada UGL no último ano. Esse

valor foi utilizado para limitar o modelo de otimização linear descrito no item 8.2.4 da

metodologia.

Com base nos resultados da otimização linear foram estabelecidas apenas quatro

potenciais áreas de recepção. Os centros industriais cerâmicos indicados para a recepção do

lodo são os denominados A, C, G e K no capítulo 6. Esses centros são aqueles mais próximos

das possíveis UGL, justificando sua escolha. Nenhum dos centros cerâmicos teve sua

capacidade excedida, inclusive o centro C que é indicado para a recepção do lodo das maiores

UGL (1 e 2). Enfatiza-se que foi considerada a substituição de até 10% da argila utilizada nas

cerâmicas, proporções menores de substituição podem influenciar na capacidade de recepção

e alterar a escolha das áreas, conforme visto no capítulo 6.

A simulação indica que no décimo ano os centros cerâmicos A, C, G e K terão,

respectivamente, 4,5%, 79,5%, 35,5% e 10,7% da sua capacidade total de recepção de lodo

utilizada. Os outros centros cerâmicos podem ser opções no caso de problemas para envio

151

para as opções ótimas. Por isso o modelo DS considera três possíveis opções de envio do

lodo, representadas pelas menores distâncias para as UGL. Uma visão espacial das UGL, e os

respectivos locais de recepção, são representados no mapa da Figura 8-8.

É importante salientar que os valores dos parâmetros de regressão linear obtidos só são

válidos para a simulação em questão, durante o tempo de projeto de 10 anos, para a situação

específica estudada. Esses valores são aproximações específicas e não devem ser utilizados

em simulações diferentes desta. Entretanto, a forma de obtenção desses valores é válida e

pode ser repetida em outros cenários e/ou outras áreas de estudo.

Tabela 8-4. Valores adotados no modelo DS para as UGL em função dos resultados obtidos em análise preliminar dos dados Parâmetros UGL 1 UGL 2 UGL 3 UGL 4 UGL 5 Regressão linear de determinação do lodo recebido

Coeficiente angular da reta 1259,9 1861,4 102,86 116,05 363,09

Intercepto 82869 118750 6779 10267 43743 Distância da opção de destinação 1 (km) 30,07 14,55 14,41 7,4 10,44 Distância da opção de destinação 2 (km) 38,18 18,19 37,2 16,58 27,62 Distância da opção de destinação 3 (km) 38,35 20,31 40,89 58,01 33,93 Capacidade receptiva da opção 1 (m³/ano) 11738 11738 6936 4268 5335 Capacidade receptiva da opção 2 (m³/ano) 16540 6402 14939 14939 6936 Capacidade receptiva da opção 3 (m³/ano) 8003 9070 11738 6402 8003

8.2.3 Comparação da simulação para os dois cenários propostos

Os modelos com abordagem DS foram calculados para os dois cenários propostos.

Com base na função objetivo (Equação 8-2), os resultados foram analisados em função do

custo total tanto do gerenciamento exclusivo do lodo de ETA quanto do tratamento completo

de água. A análise da diferenças de custos de cada ETA pode ser observada no Apêndice E.

Na Figura 8-9 é apresentado um gráfico comparativo da diferença de custos entre os dois

cenários propostos, considerando as ETA agrupadas por UGL sugerida. O cálculo percentual

foi feito em relação ao quociente da diferença de custos entre o cenário 2 e o cenário 1 e os

valores do cenário 1.

Com base nos resultados obtidos, foi elaborado um resumo com os últimos dados

faltantes para rodar a simulação do cenário de instalação das UGL. Esses dados podem ser

observados na tabela 8-4.

As menores diferenças relativas dos custo de gerenciamento de lodo ocorrem nas duas

maiores UGL. Já as UGL 3 e 4 apresentam as maiores diferenças relativas.

152

Figura 8-8. Mapa da localização das UGL e dos centros cerâmicos, com sua capacidade potencial de absorção de lodo utilizada.

153

Figura 8-9. Comparativo de incremento de custos do cenário de implantação das UGL em relação ao cenário de gerenciamento individual de lodo das Bacias PCJ.

A observação do gráfico da Figura 8-9 permite identificar incremento do custos de

gerenciamento de lodo e de tratamento de água quando existe a implantação das UGL. A

diferença de custos oscila entre 13 e 22% para o gerenciamento de lodo e entre 1 e 3% para o

tratamento de água.

O resultado apresentado indica que a implantação da UGL não necessariamente faz

com que os custos com o gerenciamento de lodo sejam menores que a operação individual de

uma estação de tratamento de lodo. Esse fato se deve a alguns fatores. Existe a necessidade de

desaguamento do lodo gerado na ETA, para diminuir o volume de materiais para as UGL. Os

custos de tratamento influenciam fortemente os custos de gerenciamento do lodo da ETA,

como pode ser observado na análise de sensibilidade do modelo apresentada na Figura 8-10.

O custo final do tratamento de água tem baixa sensibilidade aos custos com o tratamento do

lodo. Os custos totais com o gerenciamento de lodo e tratamento de água são menos sensíveis

aos custos com transporte e armazenamento.

Enfatiza-se aqui que os custos de tratamento foram adaptados do trabalho de Siqueira

e Isaac (2013), por não haver dados específicos para cada ETA. Os custos com o cenário da

UGL foram estimados com base nestes. Essa é uma fragilidade dos dados obtidos, pois

existem grandes diferenças entre as ETA, devido aos processos operacionais, características

da água tratada e tecnologias adotadas. Um estudo detalhado da operação da ETL pode

indicar custos menores para o tratamento em diferentes condições, assim como o uso de

0%

5%

10%

15%

20%

25%

1 2 3 4 5

Incr

emen

to d

e cu

stos

do

cená

rio U

GL

UGL

Gerenciamento de lodo

Tratamento de água

154

técnicas menos dispendiosas para o primeiro desaguamento, antes do envio para UGL. Esses

fatores, como indica a análise de sensibilidade, afetariam consideravalmente os custos finais,

podendo aumentar a viabilidade da implantação das UGL.

Figura 8-10. Resultados da análise de sensibilidade do modelo de simulação dos custos com o tratamento de água para uma ETA no cenário da implantação das UGL Outro fator importante é o custo de implantação da estrutura de tratamento de lodo. A

compra/aluguel da área foi estimada com base em valores médios obtidos em pesquisa em

imobiliárias da região. Entretanto, custos imobiliários são extremamente suscetíveis à

variações econômicas e de localização. A compra de uma área na região metropolitana de

Campinas terá valor superior à compra de uma área semlhante nos locais extremos, de uso

rural, das Bacias PCJ.

Outras dificuldades podem ser apresentadas para a operação individual de uma ETL e

consequente encaminhamento para destinação final, como as dificuldades de controle de

operação para estabelecer um resíduo com características padronizadas. A variabilidade dos

resíduos pode prejudicar a sua utilização em cerâmicas, dificultando a aceitação do material

(CORNWELL et al., 2000; MORITA et al., 2002). A operação conjunta do lodo auxilia nessa

questão, já que a responsibilidade da UGL será o controle do tratamento e consequente

qualidade do lodo. Indiretamente esse controle pode refletir em queda dos custos totais.

Um cenário possível de pagamento pelo lodo gerado pelas ETA, pode constribuir para

a queda de custo e para a viabilidade da UGL.

155

Todas as características apresentadas visam auxiliar a operação, e podem ser melhor

consideradas em ETA de pequeno porte. As maiores ETA tem mais condições da operação

individual, como as ETA 3 e 4 de Campinas (SIQUEIRA e ISAAC, 2013).

8.3 Considerações finais da metodologia de análise da viabilidade de

implantação de UGL Os modelos apresentados se mostraram coerentes e úteis para a análise de viabilidade

de implantação de unidades de gerenciamento de lodo de estações de tratamento de água. Os

modelos permitem a análise dos custos individuais das ETA e dos custos da UGL, permitindo

verificar as etapas do tratamento com maiores gastos, para otimizar os custos de

gerenciamento de lodo.

O estudo de caso realizado nas Bacias PCJ demonstra que a implantação de UGL não

necessariamente resultará em economia à curto prazo para as ETA. Entretanto, muitas outras

dificuldades operacionais podem ser sanadas com as UGL, principalemente em ETA de

pequeno porte.

Os valores totais e relativos apresentados no presente estudo devem ser vistos com

ressalvas, pois muitos dados foram estimados. Os custos operacionais e com produtos

químicos foram uniformizados, por não haver um banco de dados desses valores.

A questão mais relevante é a estimativa da produção de lodo, que utilizou fórmulas

empíricas, com várias incertezas em seus parâmetros. Para um correto dimensionamento da

capacidade de produção de uma ETL ou UGL sugere-se um estudo detalhado da geração de

lodo de cada ETA, em função dos produtos e tipo de tratamento adotado, baseado no método

do balanço de massa ou na determinação direta do lodo gerado.

Mesmo com as ressalvas expostas, o modelo demonstra que o acréscimo de custos

com o gerenciamento de lodo nas Bacias PCJ não é proibitivo em relação ao custo final do

tratamento de água. Isso demonstra a viabilidade da implantação de UGL, desde que sejam

realizadas campanhas de coleta de dados, para correto dimensionamento das estruturas e para

que as simulações tenham maior confiabilidade de resultados finais.

156

9 DISCUSSÃO GERAL

A maioria dos usos benéficos de lodos de ETA e de ETE apresentados no capítulo 3

pode ser considerada viável. Entretanto, a escolha para a destinação reflete características

locais, culturais, históricas, geográficas, legais, políticas e econômicas. A flexibilidade de uso

vai variar de local para local (FYTILI e ZABANIOTOU, 2008). Um exemplo desse aspecto

pode ser observado no estudo de caso das Bacias PCJ. A escolha do envio do lodo de ETA

para indústrias cerâmicas e do lodo de ETE para áreas agrícolas reflete as características

econômicas da região levantadas por Biociclo (2012). Nos mapas apresentados nos capítulos

5 e 6 também é possível perceber a boa distribuição dessas atividades econômicas na área das

Bacias PCJ. Nas Tabelas 9-1 e 9-2 são sintetizados aspectos de alguns usos benéficos dos

lodos de ETE e ETA, que podem subsidiar a seleção de uma ou outra destinação final.

Tabela 9-1. Potencialidades e fragilidades das principais formas de uso dos lodos de ETA e ETE.

Uso/Destinação Potencialidades Fragilidades

LOD

O D

E ET

E

Usos variados Substituição de parte de matérias-primas em processos industriais.

Desperdício do potencial fertilizante; riscos sanitários; poucas informações sobre os processos; variabilidade do lodo.

Uso na agricultura Fonte de nutrientes de baixo custo; estímulo a empresas que atuam nessa área.

Possíveis prejuízos devido a incertezas sobre a segurança dos alimentos; competição com demais fertilizantes; odores; possível contaminação no meio subterrâneo.

Uso na silvicultura Baixo custo da solução; Riscos sanitários reduzidos.

Poucas informações sobre os efeitos do lodo nos solos de reflorestamento; Possível contaminação do meio subterrâneo.

Recuperação de áreas degradadas

Uso da matéria orgânica do lodo sem a entrada da mesma na cadeia de alimentos, efeito coesivo do lodo, que reduz a erosão.

Possíveis riscos ao ambiente devido à grande quantidade de lodo utilizado (poucas informações sobre o tema).

Uso em áreas verdes Uso da matéria orgânica do lodo sem a entrada da mesma na cadeia de alimentos.

Riscos da exposição pública; Aceitação social; odor; possibilidade de contaminação do meio subterrâneo.

Fonte: Adaptado de Aubain et al. (2002) e Morita (2008).

157

Tabela 9-2. Potencialidades e fragilidades das principais formas de uso dos lodos de ETA. Uso/Destinação Potencialidades Fragilidades

LOD

O D

E ET

A

Uso do lodo na cerâmica

Substituição de parte da argila usada na fabricação de cerâmica; Redução das emissões gasosas.

Em excesso, não se consegue a conformação das peças, o lodo reduz a resistência à flexão, aumenta absorção de água e porosidade; Aumento da quantidade de combustível usado no forno da cerâmica.

Regeneração de coagulantes

Utilização do coagulante regenerado no tratamento de águas residuárias para remoção de sólidos e de fósforo.

Necessidade de armazenamento e manipulação de ácidos ou bases fortes concentrados; Geração de resíduo sólido perigoso; falta de experiência em escala real de longo prazo; eficiência e eficácia da regeneração depende do mecanismo de coagulação, o processo produtivo não é a atividade fim da concessionária de saneamento, qualidade do coagulante regenerado.

Uso no concreto Incorporação de até 10% (em massa) de lodo de ETA é economicamente viável.

Não há melhoria nas características do concreto.

Fonte: Adaptado de Aubain et al. (2002) e Morita (2008).

Apesar de diversas opções para a seleção técnica da destinação dos lodos gerados nas

empresas de saneamento é importante ressaltar que diferentes setores da sociedade têm

interesses e opiniões em relação ao gerenciamento de lodo de ETE, que devem ser levados em

consideração. Na Tabela 9-3 são apontadas as ações e interesses de cada ator integrante da

gestão de lodo. A atuação constante de todos os setores da sociedade é essencial para que o

gerenciamento dos resíduos de saneamento seja bem sucedido.

Independente da utilização a ser dada para o lodo de ETA ou ETE e da participação da

sociedade, os problemas não são restritos às dificuldades técnicas de adequação à legislação,

uniformidade de características ou tecnologia inadequada. Problemas de ordem logística,

como custos de armazenamento e transporte podem e devem ser considerados na tomada de

decisão do destino final dos lodos. A etapa do gerenciamento dos resíduos é extremamente

importante.

Dentre as possíveis ferramentas utilizadas para o gerenciamento de resíduos, nos

capítulos da presente Tese foi avaliado o uso de Sistemas de Informações Geográficas, o

método de otimização linear e o método de simulação da Dinâmica de Sistemas, de forma

individual ou conjunta. O SIG foi escolhido pela evidente problemática espacial do

gerenciamento de resíduos. A otimização linear foi selecionada pela facilidade de aplicação e

utilização. Já a Dinâmica de Sistemas é um método que representa bem sistemas complexos,

permitindo a simulação e avaliação de diferentes cenários.

158

Tabela 9-3. Partes envolvidas na gestão de lodos de ETA e ETE, suas participações e interesses. Âmbito Ator Ações Interesse

União, Estado e Município

Órgãos de Meio Ambiente

Regulamento dos procedimentos gerenciais dos lodos de ETA e ETE; Emissão de licenças ambientais e registros para centrais de tratamento, fiscalização. Incentivos fiscais.

Opinião pública; Bem-estar social e ambiental.

Empresa pública ou mista

Companhias de Saneamento

Operação, gerência técnica, setor comercial, responsabilidade socioambiental, operação de aterro próprio.

Redução de custos; Cumprimento da legislação, responsabilidade social e ambiental.

Empresas privadas

Prestadores de serviços

Implantação e operação de UGR ou UGL (unidade de gestão de resíduos ou de lodo).

Redução de custos cumprimento da legislação, responsabilidade social e ambiental.

Receptores Usos benéficos, geração de empregos, obtenção de lucro, diminuição de custos, marketing ambiental.

Lucro/Redução de custos

Serviços de coleta e transporte

Estabelecer rotas dos veículos, rotinas de trabalho, horários, logística do transporte.

Lucro

População Comunidade local

Tarifa de tratamento de água e esgoto, geração de empregos em atividades de aproveitamento de lodo, melhorias de sistema de saneamento.

Bem-estar social e ambiental

Organizações Civis

ONG, OSCIP e movimentos sociais.

Fiscalização civil de empresas, projetos e participação em programas sociais e ambientais advindos da utilização benéfica do lodo.


Ciência e Tecnologia

Universidades e Institutos de Pesquisa

Desenvolvimento tecnológico de alternativas de tratamento e reaproveitamento do lodo. Auxílio na tomada de decisão dos processos.


A partir da avaliação das ferramentas selecionadas, foi possível identificar algumas

potencialidades e fragilidades de cada uma delas, resumidas na Tabela 9-4. É importante

salientar que os aspectos apresentados na Tabela 9-4 dizem respeito à aplicação específica do

gerenciamento de resíduos de ETA e ETE. As potencialidades da ferramenta apontadas para

essa aplicação podem ser consideradas fragilidades em aplicações distintas, não consistindo

em uma análise determinante das ferramentas estudadas.

É importante mencionar que o SIG por si só não pode ser considerado uma ferramenta,

mas sim uma tecnologia, ou um conjunto de ferramentas que são capazes de consultar e

manipular dados espaciais, a partir de diversas ações como a sua aquisição, verificação,

armazenamento, atualização, alteração, gerenciamento, apresentação, combinação e análise

(CANDEIAS et al., 1998; CÂMARA, 1999; SILVA et al., 2008). Por isso, devido à ampla

159

variedade de ferramentas que podem ser usadas, dependendo da plataforma (software)

adotada, suas atualizações e pacotes adicionais, enfatiza-se que as potencialidades e

fragilidades apontadas correspondem às ferramentas usadas no desenvolvimento das

metodologias apresentadas nos capítulos anteriores (avaliação de distâncias; agrupamentos de

arquivos vetoriais em forma de ponto, em função da distância; manipulação de banco de

dados; sobreposição de mapas; cálculo de máximo valor de pixel de arquivos matriciais).

Outras ferramentas mais complexas, dentro do ambiente SIG, podem apresentar fragilidades e

potencialidades diferentes.

Tabela 9-4. Potencialidades e fragilidades das ferramentas utilizadas para a elaboração das metodologias auxiliares de gerenciamento de lodo de ETA e ETE. Ferramenta Potencialidades Fragilidades

SIG

Avaliação espacial para seleção de locais, definição de áreas potenciais de recepção e definição de distâncias entre geradores e receptores de resíduos. Permite avaliação qualitativa e quantitativa de dados tabulares, vetoriais e matriciais. Permite a integração com outras ferramentas.

Utilizado isoladamente necessita de uma pré-definição dos locais de envio de lodo. Não permite a otimização das quantidades de lodo enviadas para cada local receptor. Isoladamente não permite o estudo detalhado de custos dos sistemas de tratamento.

Otimização Linear

Permite estudo para o gerenciamento conjunto de diversos geradores e receptores. Permite a otimização de gastos com transporte. Diminui a concorrência entre geradores de resíduos. Quantifica a quantidade de resíduo que deve ser enviada para cada local receptor. Permite estabelecer diferentes cenários para avaliação.

Diminuindo a concorrência entre as estações de tratamento, pode estagnar o melhoramento qualitativo das etapas de tratamento. Por ser um modelo linear não permite a inserção de outras variáveis importantes. Com o objetivo de definir a quantidade de resíduos enviados para cada receptor, não permite a otimização de rotas (rotas pré-definidas).

Dinâmica de Sistemas

Permite inserir o gerenciamento de resíduos dentro de sistemas mais complexos que influenciam ou são influenciados pelas decisões tomadas. Permite uma avaliação detalhada do impacto de alterações pontuais nos custos globais dos sistemas estudados. Permite a avaliação de diversos cenários e da sensibilidade dos modelos propostos às diferentes variáveis que os compõe. Permite uma avaliação da evolução de variáveis em função do tempo.

Para o estudo do gerenciamento conjunto de estações de tratamento é necessário simplificar diversas variáveis, perdendo algumas características específicas de cada receptor. Altamente dependente da qualidade das variáveis inseridas no modelo. Dificuldades de avaliação de cenários sem dados reais existentes.

De posse de informações prévias sobre as características das ferramentas utilizadas, a

Tese foi desenvolvida a partir da elaboração de metodologias com a utilização individual ou

conjunta das ferramentas. A aplicação conjunta das ferramentas foi uma forma de minimizar

suas fragilidades para a utilização no gerenciamento de resíduos. As metodologias foram

desenvolvidas para que fossem simples o suficiente para permitir a atualização constante de

160

dados, mas robustas o suficiente para permitir uma análise bem subsidiada para a tomada de

decisão. Por isso, os capítulos apresentam uma escala de evolução do desenvolvimento das

metodologias.

Primeiramente foi estudada apenas a utilização do SIG, como auxiliar no

gerenciamento de lodo de ETA e ETE. A seleção pelo SIG se deu pela evidente característica

espacial do problema com o gerenciamento de lodo, principalmente dentro de uma proposta

de gerenciamento integrado. Diversos geradores e diversos possíveis receptores distribuídos

geograficamente dificultam a tomada de decisão entre as diferentes opções de gerenciamento.

No capítulo 4 é desenvolvida uma metodologia simplificada e qualitativa para auxílio

do gerenciamento do lodo de ETA e ETE. A metodologia parte da premissa que as melhores

formas de destinação final do lodo já foram selecionadas. A partir dessa definição, são

identificados os locais potenciais receptores, que podem ser arquivos vetoriais poligonais

(como áreas agrícolas) ou pontuais (como indústrias cerâmicas). As estações de tratamento

são agrupadas em função de sua proximidade.

A metodologia do capítulo 4 falha por não permitir o desenvolvimento de cenários,

pois nele não é utilizada a capacidade receptiva dos locais selecionados. O agrupamento em

centros industriais é realizado de forma mais grosseira e intuitiva e a divisão de áreas aptas à

recepção utiliza apenas as informações de uso do solo.

Apesar das evidentes limitações, o método apresentado no capítulo 4 permite o

agrupamento das ETA e ETE em áreas, com base na proximidade dos centros receptores.

Pode-se afirmar que o método tem aplicação restrita e é mais indicado para o uso para

agrupamento de estações de tratamento em relação a grandes áreas receptivas e não a centros

de recepção. Outro possível, e mais indicado, uso do método é a análise preliminar de uma

área, para posterior aplicação de métodos mais robustos.

As limitações apontadas na metodologia do capítulo 4 não podem ser atribuídas ao uso

do SIG, mas à limitação de dados para o seu desenvolvimento. Os resultados são importantes

para salientar a necessidade de utilização de maior diversidade de dados para melhor

avaliação. A ideia de uma metodologia simplificada parece interessante para uma avaliação

mais rápida, mas acaba auxiliando pouco no processo decisório. Diante das necessidades

observadas destaca-se a necessidade de identificação correta de áreas e locais que poderiam

receber os lodos gerados, além da quantificação dessa capacidade receptiva.

Diante do cenário estabelecido, como etapa preliminar, foi adaptada uma metodologia

de avaliação dos solos aptos à recepção de lodo de esgoto (capítulo 5). A metodologia

proposta consistiu na adoção de critérios restritivos à metodologia proposta por Andreoli et al.

161

(2000) e Souza et al. (2008), inserindo critérios de restrição legais e socioeconômicas.

Demonstrando o potencial do uso de SIG, a metodologia pode ser considerada bem sucedida,

permitindo a quantificação de lodo de esgoto que cada área apta à recepção pode receber. No

caso de aplicação de lodo de ETA em solos, também é possível se valer dos resultados da

aplicação da metodologia do capítulo 5.

Apesar dos resultados positivos, é importante salientar que os critérios de aptidão

respeitam a resolução 375 (CONAMA, 2006). Mesmo os solos sendo considerados aptos, a

aplicação do lodo deve respeitar fielmente as normas de cada país. Isso se torna mais difícil

em casos de recebimento de efluentes não domésticos (END) no sistema de esgoto. O ideal é

que esse resíduo seja proveniente apenas do tratamento de esgoto doméstico. Entretanto,

exemplificando a partir do exemplo do Estado de São Paulo, o Decreto Estadual 15425 (SÃO

PAULO, 1980) estabelece a obrigatoriedade do lançamento de efluentes de qualquer fonte

poluidora em rede pública, mediante o atendimento a padrões de emissão, o que aumenta a

variabilidade do resíduo e dificulta que sua qualidade respeite o exigido na resolução 375

(CONAMA, 2006). Além disso, mesmo dentro dos critérios, os END possivelmente causam

interferências físicas e operacionais no sistema de esgotamento sanitário, justificando uma

revisão do decreto para melhoramento de sua eficácia (DELATORRE JUNIOR e MORITA,

2007). Essa dificuldade em relação ao recebimento de END também se aplica em outros

locais, causando a mesma dificuldade de controle de qualidade do lodo de esgoto.

Outro problema decorrente da seleção de locais para a destinação dos resíduos gerados

em empresas de saneamento é a possível concorrência com os resíduos de outras estações de

tratamento. Para isso uma adequação da metodologia do capítulo 4, considerando a etapa

auxiliar do capítulo 5, foi realizada no capítulo 6. Para sanar o problema da concorrência entre

as estações de tratamento foi associada ao SIG a utilização de otimização linear.

A metodologia do capítulo 6 também parte da premissa que as destinações do lodo

sejam pré-definidas. Entretanto, por utilizar dados quantitativos de capacidade de recepção e a

otimização linear para definir o local de envio do lodo, a metodologia permite a adoção de

diferentes cenários, possibilitando estudos considerando diferentes opções de envio. Apenas

esse fato já demonstra a maior aplicabilidade da metodologia em relação àquela apresentada

no capítulo 4.

O uso de SIG também é importante para a identificação de locais para a destinação do

lodo gerado. Diferentemente da elaboração de um mapa de aptidão, que gera áreas

(polígonos) de características semelhantes, a seleção de locais de destinação, como indústrias,

consiste em identificar a localização desses potenciais receptores e sua transformação em um

162

arquivo vetorial de pontos. O estudo de envio do lodo para esses “pontos” receptores pode ser

feito individualmente, ou pode-se agrupar por proximidade e estudar o envio do lodo para

“centros industriais”. Essa última etapa foi desenvolvida no capítulo 6 e se mostra bastante

promissora, pois permite a seleção prévia dos melhores locais de destinação, com base na

distância e rodovias de ligação, sem necessariamente selecionar a exata indústria destinatária.

Isso permite a negociação da estação de tratamento ou UGL com as diferentes indústrias ou

associação de produtores desses centros selecionados.

A utilização de otimização linear, também apresentado no capítulo 6, possibilita um

estudo conjunto das áreas receptoras de lodo. Esse estudo permite a otimização dos gastos

com transporte do lodo, selecionando os locais mais próximos da geração, e evita o envio de

material em excesso, considerando a capacidade de recepção de cada área destinatária. Por

outro lado, isso prejudica a possível concorrência, evitando a negociação dos receptores com

as empresas de saneamento. A concorrência pode ser positiva para que o resíduo destinado

como matéria-prima atenda a critérios de qualidade exigidos pelo mercado e,

consequentemente, obtidos pelo aprimoramento dos insumos, processos e operações unitárias

empregados nos sistemas de saneamento, com benefícios socioambientais.

A concorrência entre empresas de saneamento por locais de destinação de lodo

também pode ser considerada prejudicial para àquelas instaladas em cidades menores e com

menos recursos disponíveis para investimento em sua estrutura. Para essas empresas de

saneamento, o estudo conjunto de locais para destinação dos lodos é benéfico.

Quanto à utilização do método de otimização linear, outra característica observada é a

possibilidade de estabelecer diversos cenários, considerando diferentes capacidades de

recepção, com base na aceitação do material. Esse passo é importante, pois define se as

opções feitas dentro de uma gestão conjunta do lodo de ETE são viáveis, considerando

percalços e desconsiderando superestimativas de capacidade de recepção de lodo.

A utilização de SIG no gerenciamento de lodo de ETA e ETE é essencial, devido ao

aspecto espacial das informações de locais de geração e destinação. A integração com outra

ferramenta produziu resultados melhores que a utilização exclusiva do SIG, demonstrando

que a potencialidade das ferramentas é maior quando utilizadas em conjunto. Entretanto, é

extremamente importante salientar a importância da qualidade dos dados inseridos no SIG. Se

o banco de dados não tiver qualidade, os produtos finais serão gerados, mas também sem a

qualidade necessária para subsidiar a tomada de decisão. Em outras palavras, a utilização do

SIG não garante uma informação final boa se não houver qualidade nos dados inseridos no

sistema (SILVA, 2003).

163

Aqui fica uma ressalva aos dados utilizados por Biociclo (2012) para estimar a

quantidade de lodo gerada nas ETA e ETE das Bacias PCJ e adotada nos estudos de caso da

presente Tese. A utilização de equações semi-empíricas estimadas pode subestimar ou

superestimar a produção de lodo e fugir muito dos valores reais gerados nas estações de

tratamento (KATAYAMA et al., 2015) Devido a essa incerteza, os resultados obtidos para o

estudo de caso não devem ser considerados plenamente confiáveis. Isso não gera problemas

quanto ao objetivo real desta Tese, que é o desenvolvimento de metodologias auxiliares ao

gerenciamento de lodo, mas indica que os dados das estações das bacias PCJ precisam ser

revistos e redimensionados para que estudos mais aprofundados sejam realizados.

Apesar das potencialidades da metodologia apresentada no capítulo 6, o tratamento e

disposição de lodo devem ser considerados como parte integral dos tratamentos de água e

esgoto (FYTILI e ZABANIOTOU, 2008). Por isso, pré-definir um local de recepção para as

estações de tratamento, sem estabelecer os aspectos operacionais para que o lodo gerado tenha

as características necessárias para àquela aplicação, pode inviabilizar a destinação adequada

do resíduo. Outro aspecto que a metodologia do capítulo 6 não contempla são as alterações

necessárias nas etapas de tratamento, para que as características do lodo gerado em cada

estação de tratamento correspondam às necessidades da destinação final pré-definida. Para

isso é importante que os impactos de alterações no tratamento sejam avaliados, buscando

efetivar a viabilidade econômica de uma ou outra destinação final.

Considerando que a destinação final do lodo de ETE é mais restrita, sendo enviado

para aterro sanitário ou uso agrícola (CIÈSLIK, et al., 2015), o problema abordado no

parágrafo anterior foi estudado sob a perspectiva de uma ETA. Esse pressuposto não exclui a

necessidade de estudos econômicos em ETE, que pode ser realizado com o modelo gerado

para as ETE e apresentado no capítulo 7.

Considerando que o sistema de tratamento de água, em conjunto ou não com o sistema

de tratamento de esgoto, seja um sistema complexo e com muitas variáveis (NASIRI et al.,

2013), um modelo de simulação, baseado na abordagem de Dinâmica de Sistemas (DS) foi

elaborado para auxiliar o gerenciamento do lodo de uma ETA.

O modelo DS apresentado no capítulo 7 é abrangente, possibilitando ligeiras

modificações para incluir ou não o gerenciamento do lodo de ETE, assim como integrar

informações de outros custos não considerados em sua elaboração. O modelo pode ser

utilizado pela estação de tratamento para: selecionar a melhor opção de destino final em

função das tecnologias de tratamento, a partir da avaliação de cenários; selecionar o melhor

local para destinação final, considerando custos de transporte, destinação e armazenamento;

164

verificar a influência nos custos de tratamento para se adaptar a uma destinação final pré-

definida para o gerenciamento conjunto; ou comparar custos de destinação benéfica com o

envio para o aterro sanitário.

O modelo foi elaborado de forma a permitir a simulação de aumento gradativo da

aceitação do resíduo em função do tempo. Ao estabelecer essa variável, mesmo considerando

custo de envio para o destino benéfico nos primeiros anos de projeto, foi possível observar

custos finais ligeiramente menores no cenário do envio do lodo com coagulante de alumínio

para indústrias cerâmicas, em relação ao envio para aterro sanitário, no estudo de caso (ETA 3

e 4 de Campinas) usado para elaboração do modelo.

Apesar dos resultados interessantes, principalmente em relação à possibilidade do uso

benéfico acarretar em menores custos para a estação de tratamento, estes valores não podem

ser considerados reais, apenas indicativos. Da mesma forma que o SIG não resultará em

resultados bons no caso de um banco de dados frágil, o mesmo pode ser dito para o modelo de

simulação de Dinâmica de Sistemas. Os dados utilizados no estudo de caso foram estimados a

partir de valores reais informados em estudos científicos, ou valores aproximados da

literatura, ou mesmo adaptados de outras finalidades, fragilizando os resultados finais do

estudo de caso. Novamente, isso não prejudica o objetivo geral da Tese, mas deve ser levado

em consideração ao avaliar os resultados quantitativos do estudo de caso. Por isso, pode-se

afirmar que o grande desafio para usar o modelo DS é o levantamento preciso e adequado de

dados para correta simulação, assim como sua série histórica, para avaliação precisa da

viabilidade do modelo.

Em relação às equações elaboradas no modelo pode-se apontar como ponto frágil a

fórmula de estimativa do lodo gerado pela ETA. Esta depende de coeficientes retirados da

literatura e fórmulas empíricas que apresentam muitos erros embutidos. O trabalho de

Katayama et al. (2015) elucida bem essa questão, comprovando o erro de estimativa das

fórmulas empíricas fornecidas pela AWWA (1999) e amplamente usadas nas estimativas

quantitativas de lodo. Os autores indicam o uso da técnica do balanço de massa para uma

precisão maior das estimativas de lodo gerado, ou a determinação dos coeficientes por meio

de ensaios de tratabilidade. Também é possível fazer estudos diretos de geração, a partir de

série histórica, no caso de simulações realizadas sem a necessidade de alterações nos tipos de

coagulante e tecnologia de tratamento.

A transcrição do método do balanço de massa para uma equação em função do tempo

pode ser considerado uma necessidade para inserção no modelo DS. Outro problema consiste

no fato de que poucas ETA têm estudos aprofundados da geração de lodo em suas

165

dependências, dificultando estimativas mais realistas da geração de lodo. Um banco de dados

atualizado sobre a qualidade e quantidade de lodo gerado em estações de tratamento é

essencial para uma análise correta das opções de aplicação sustentável do material e,

consequente, decisão do uso benéfico (AHMAD et al., 2016).

Apesar dos problemas nas estimativas de lodo gerado, se forem considerados os

mesmos coagulantes e fixada a qualidade de água do manancial, mesmo com falhas, o modelo

proposto ainda se apresenta como uma forte ferramenta auxiliar de decisão, pois permite

identificar as pequenas variações de custo, devido às mudanças de tecnologias necessárias

para envio do lodo para uma destinação ou outra, ou mesmo a variação de custos com

transporte e armazenamento.

O modelo do capítulo 7 também foi elaborado para o gerenciamento de lodo de ETE,

apesar de não ser realizada uma aplicação de estudo de caso. A limitação do uso do modelo

no gerenciamento do lodo de ETE também consiste na estimativa da quantidade de lodo

gerado. Devido à grande variabilidade de tecnologias de tratamento de esgoto, a quantidade

de lodo pode variar muito de uma aplicação para outra (ANDREOLI et al., 2007). Por isso a

adoção de estimativas mais realistas é essencial para melhorar a qualidade dos resultados.

Uma possível forma de contornar o problema da estimativa de lodo gerado é fazer um

procedimento semelhante ao realizado no capítulo 8. De posse da quantidade de lodo gerado

em função da quantidade de água (ou esgoto) tratada, elabora-se um gráfico de geração do

lodo versus tempo, identificando sua tendência e usando esses parâmetros no modelo. Apesar

da limitação, esse procedimento pode ser repetido com os dados históricos de geração de lodo

ou mesmo de balanço de massa, necessitando de testes para avaliar sua viabilidade.

No capítulo 8 o modelo DS foi simplificado, pela ausência de todas as informações

necessárias para todas as estações de tratamento. Esse é um problema que pode ocorrer ao

utilizar o modelo DS para o gerenciamento conjunto. Nesse caso é essencial que todas as

estações de tratamento que farão parte de consórcios, ou estudos de gerenciamento conjunto,

tenham um banco de dados robusto, para melhor subsidiar as decisões conjuntas. Apesar de

disso, a alteração proposta foi útil no caso do objetivo do modelo do capítulo 8: avaliação da

viabilidade econômica das unidades de gerenciamento de lodo.

O uso de SIG para identificação de potenciais locais para implantação das UGL se

mostrou promissor. Pode-se cogitar o uso de métodos multicritério para a seleção específica

de um local, considerando parâmetros econômicos, logísticos e ambientais, semelhante aos

modelos usados para identificar locais próprios para implantação de aterros sanitários

(BAIOCCHI, et al., 2014; DE FEO e DE GISI, 2014; DEMESOUKA et al., 2014

166

NASCIMENTO e SILVA, 2014). No presente estudo optou-se apenas por elaborar a

metodologia para selecionar locais potenciais, e avaliar a viabilidade de implantação das

UGL. Considerando o gerenciamento conjunto, a otimização linear foi selecionada para evitar

conflitos do envio de lodo para as destinações pré-definidas.

Apesar de ser considerada uma destinação benéfica pré-definida no estudo de caso do

capítulo 8, a metodologia elaborada possibilita um estudo mais detalhado com o modelo DS.

O objetivo inicial da metodologia era a avaliação da implantação de UGL, e por isso era

importante manter as condições de geração de lodo iguais para os dois cenários do estudo de

caso. Entretanto, a metodologia permite uma avaliação individual de cada ETA, para a

definição mais adequada da destinação final, ou do impacto da necessidade de alterações no

tratamento devido à escolha de uma área. Dessa forma pode-se afirmar que a utilização

integrada das três ferramentas propostas permite análises muito mais robustas, com alto

potencial de subsídio à tomada de decisão. A utilização das ferramentas conjuntas, com

destaque para a dinâmica de sistemas e SIG, permite a avaliação individual ou conjunta do

gerenciamento de lodo.

É importante salientar que, apesar das metodologias terem sido elaboradas com vistas

à seleção de locais de destinação e gerenciamento do lodo de ETA e ETE, a ação primordial

para um bom gerenciamento de resíduos é a não geração seguida da minimização (Figura 9-

1). Nesse ponto pode-se destacar outra aplicabilidade da metodologia apresentada no capítulo

7: é possível simular alterações nas tecnologias de tratamento e avaliar, além do custo final do

tratamento, a quantidade de lodo gerado. Essa análise pode ser feita sem alterações do modelo

e contribui para a minimização do resíduo gerado, permitindo avaliar quais características que

mais influenciam na geração de resíduo.

Diante do exposto e após a elaboração das metodologias pode-se elaborar um plano de

uso das metodologias, para maximizar as suas potencialidades, obtendo-se os melhores

resultados possíveis e, consequentemente, os melhores subsídios para auxiliar na tomada de

decisão do gerenciamento individual e conjunto do lodo de ETA e ETE.

Inicialmente, deve-se ter um programa de coleta de dados intensivo nas estações de

tratamento. As informações de geração de lodo, custos operacionais, custos de insumos,

caracterização detalhada do lodo gerado, avaliação dos possíveis receptores (isso pode ser

realizado de forma conjunta, conforme as metodologias dos capítulos 4, 5 e 6) e capacidade

de tratamento devem ser levantadas, em cada estação de tratamento, para a formação de um

banco de dados robusto.

167

Figura 9-1. Hierarquização do gerenciamento de resíduos sólidos. Fonte: Sampaio (2013).

Com o banco de dados individual formado, deve-se proceder conforme os passos

apresentados no fluxograma da Figura 9-2.

Figura 9-2. Fluxograma das etapas do gerenciamento de lodo de ETA ou ETE com base nas metodologias elaboradas e ferramentas estudadas.

168

Ressalta-se que a sequência apontada na Figura 9-2 pode ser utilizada para o

gerenciamento individual de cada estação de tratamento ou para um plano de gerenciamento

conjunto, ou ainda, o que é mais indicado, para que os dois planos sejam realizados e sejam

compatíveis.

Algumas outras ferramentas podem ser inseridas na sequência de etapas auxiliares ao

gerenciamento de lodo. Antes da avaliação espacial de possíveis destinos e/ou durante a etapa

de seleção conjunta dos melhores locais para a destinação, pode-se utilizar a avaliação

multicritério para auxiliar a decisão, quando houver aspectos ambientais e sociais de difícil

comparação com aspectos técnicos e econômicos (ZUFFO et al., 2002).

Entre as etapas complementares citadas no fluxograma da Figura 9-2 pode-se apontar

a necessidade de adaptação do gerenciamento individual das estações de tratamento em

função das escolhas conjuntas de destinação final, assim como um estudo da viabilidade de

implantação de unidades de gerenciamento de lodo. Outras atividades que os gestores

julgarem necessárias também devem ser inseridas nesta etapa, anterior à decisão.

No caso de estudos sobre a implantação de UGL, a metodologia desenvolvida no

capítulo 8 deve ser inserida na etapa de estudos complementares. Um fluxograma com o

resumo dessas etapas é apresentado na Figura 9-3.

Figura 9-3. Fluxograma das etapas do planejamento de implantação de UGL

169

Uma vez selecionados os locais de destinação, um estudo paralelo de otimização de

rotas deve ser feito para otimizar os custos com transporte do resíduos. Os dados para esse

estudo já estarão organizados e espacializados, pois fazem parte do banco de dados individual

e conjunto das estações de tratamento.

Após a execução dos estudos complementares, um plano de gerenciamento de

gerenciamento conjunto de lodo deve ser elaborado. No caso de locais onde não haja acordo

de cooperação entre diferentes empresas de saneamento o fluxo pode ser seguido até o plano

de gerenciamento individual. Após a elaboração dos planos deve-se passar para a etapa de

implantação (definindo de onde virão os recursos), manutenção (sendo feitos ajustes para

otimizar os resultados dos planos ao longo do tempo de projeto) e, por fim, a revisão

periódica do plano. A sugestão aqui é que a revisão seja feita a cada 10 anos, correspondendo

ao período do Plano das Bacias Hidrográficas dos Rios Piracicaba, Capivari e Jundiaí, que

tem bons resultados de aplicação. A utilização de período semelhante ao usado pelo comitê de

bacias é importante, para se adequar às decisões tomadas no gerenciamento de recursos

hídricos, do qual o gerenciamento de lodo faz parte. Cada área de estudo deve adotar o

período de plano local. Se não houver planos para se basear pode-se adotar o período de 10

anos ou mais, conforme se julgar necessário.

170

10 CONCLUSÕES Com os resultados obtidos nessa pesquisa pode-se afirmar que as metodologias que

integram SIG, otimização linear e a abordagem de simulação da Dinâmica de Sistemas

permitem identificar as áreas para envio do lodo, assim como a escolha da melhor destinação

em função dos custos do sistema de saneamento e avaliar a viabilidade da implantação de

unidades de gerenciamento de lodo. As metodologias apresentadas podem ser usadas para o

gerenciamento individual ou conjunto por parte das empresas de saneamento.

As ferramentas utilizadas individualmente tem aplicabilidade bem menor do que

utilizadas em conjunto. Por isso, para tomada de decisão melhor subsidiada sobre o

gerenciamento de lodo de ETA e ETE, a utilização de diferentes ferramentas tecnológicas em

conjunto é essencial, para que as fragilidades de uma sejam compensadas pelas

potencialidades das outras. O fluxo de estudos para um plano de gerenciamento de lodo com a

utilização de SIG, otimização linear e Dinâmica de Sistemas tem grande potencial de

aplicação, com destaque para o uso conjunto de SIG e Dinâmica de Sistemas que apresenta

resultados mais robustos.

Os métodos de simulação propostos mostraram maior sensibilidade aos custos de

tratamento, evidenciando a importância da adequação do uso benéfico do lodo proposto às

tecnologias empregadas para o tratamento de água e de lodo. O mesmo pode ser inferido para

os custos do sistema de coleta, afastamento e tratamento e de esgoto.

A principal limitação dos métodos desenvolvidos é a estimativa da geração de lodo

por meio de fórmulas empíricas. Pesquisas futuras têm a necessidade de inserir métodos mais

exatos de estimativa, como o balanço de massa ou estimativa direta de geração de lodo, nos

modelos de Dinâmica de Sistemas. Além disso, sugere-se que estudos futuros insiram os

gastos com energia separadamente dos gastos operacionais, e sejam desenvolvidos métodos

de seleção mais exata de locais de implantação de unidades de gerenciamento de lodo.

A avaliação dos estudos de caso das Bacias PCJ, como etapa da elaboração das

metodologias de gerenciamento, permitiu identificar que o maior problema para adoção dos

métodos é a disponibilidade qualitativa e quantitativa dos dados das empresas de saneamento.

Por isso é essencial que haja um plano de coleta e organização de dados de custos

operacionais do tratamento de água e esgoto, quantificação e caracterização dos resíduos e

171

insumos usados nas estações de tratamento. Além de permitir a simulação de cenários mais

próximos da realidade e o correto planejamento do gerenciamento de resíduos, esse banco de

dados possibilita a otimização dos processos de tratamento, que podem se valer da

metodologia de simulação de Dinâmica de Sistemas elaborada na presente Tese.

Apesar de da adoção dos resultados obtidos nos estudos de caso das Bacias PCJ não

ser completamente confiável, devido às limitações apresentadas, eles permitiram levantar

alguns aspectos que precisam ser avaliados com a utilização de dados mais precisos: os custos

de gerenciamento de lodo, sem a substituição de coagulantes, com destinação benéfica para

substituição de parte da argila usada em indústrias cerâmicas são menores que os custos para a

disposição do lodo em aterros sanitários, desde que os aspectos de aceitação do material,

controle da qualidade e baixo custo de destinação sejam respeitados; todo o lodo gerado nas

Bacias PCJ pode ser absorvido pelas indústrias cerâmicas (lodo de ETA) e solos agrícolas de

plantações de cana-de-açúcar (para álcool) e reflorestamento (lodo de ETE); a implantação de

unidade de gerenciamento de lodo para ETA apresenta custos maiores que o gerenciamento

individual, mas pode ser viável devido à dificuldade de operação de estações de tratamento de

lodo pelas ETA de menor porte.

A combinação dos resultados apresentados nesta Tese permite a execução da análise

detalhada da solução ótima de envio de lodo dentro de uma unidade territorial e geográfica,

assim como de simulação de custos de sistemas complexos de gerenciamento de lodo,

subsidiando de maneira robusta a tomada de decisão de gestores de empresas de saneamento.

As técnicas utilizadas são replicáveis, podendo ser utilizadas em outras regiões e outras

unidades territoriais que necessitem de um plano de gerenciamento de lodo.

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191

12 APÊNDICES

192

APÊNDICE A: Glossário das equações do sistema apresentado no capítulo 7, como definidas no software Vensim (ordem alfabética)

ACP= 0 Capital Cost of WTPSTC= ACTIVE INITIAL (Unit Capital Cost of WTPSTC*"WTPSTC

Development-Maintenance", 0) Capital Cost of WTSC= ACTIVE INITIAL (Unit Capital Cost of WTSC*"WTSC

Development-Maintenance", 0) Capital Cost of WWTPSTC= ACTIVE INITIAL (Unit Capital Cost of

WWTPSTC*"WWTPSTC Development-Maintenance", 0) Capital Cost of WWTTC= ACTIVE INITIAL (Unit Capital Cost of WWTTC*"WWTTC

Development-Maintenance", 0) "Cumulative Wastewater Treatment-Transport Cost"= INTEG ("Final Wastewater Treatment-

Transport Cost", 0) "Cumulative Water Treatment-Supply Cost"= INTEG ("Final Water Treatment-Supply Cost",

1.77*8.06325e+007) Cumulative WTP Sludge Management Cost= INTEG ("WTP Sludge Management Cost

(Objective)", 0) Cumulative WWTP Sludge Management Cost= INTEG ( "WWTP Sludge Management Cost

(Objective)",0) Dewatered WTP Sludge Production= WTP Sludge Production*"Dewatering rate (Scenario)" Dewatered WWTP Sludge Production= WWTP Sludge Production*"WWTPS Dewatering

rate (Scenario)" "Dewatering rate (Scenario)"= 0.067 Distance DWTPS Disposition 1= 11.16 Distance DWTPS Disposition 2= 21.4 Distance DWTPS Disposition 3= 51.5 Distance DWTPS Landfill Disposition= 12 Distance DWWTPS Disposition 1= 3.13 Distance DWWTPS Disposition 2= 9.16 Distance DWWTPS Disposition 3= 12.21 Distance DWWTPS Landfill Disposition= 27.5 Dry Primary Soilds Rate= 0.02 Dry Secondary Solids Rate= 0.05 DWTPS Acceptance= 0.1 DWTPS Acceptance Rate= MIN(DWTPS Acceptance*Time, 1 ) DWTPS Benefical Disposition Price= DWTPS Landfill Disposition Price*DWTPS Benefical

Disposition Price Decline Rate DWTPS Benefical Disposition Price Decline Rate= IF THEN ELSE( FINAL

TIME<=10 , ((FINAL TIME-Time))/FINAL TIME , 0) DWTPS Capacity Disposition 1= Total DWTPS Capacity Disposition 1*DWTPS Acceptance

Rate DWTPS Capacity Disposition 2= Total DWTPS Capacity Disposition 2*DWTPS Acceptance

Rate DWTPS Capacity Disposition 3= Total DWTPS Capacity Disposition 3*DWTPS Acceptance

Rate DWTPS Disposition 1= MIN(Dewatered WTP Sludge Production-DWTPS Landfill

Disposition, DWTPS Capacity Disposition 1) DWTPS Disposition 2= MIN(Dewatered WTP Sludge Production-DWTPS Landfill

Disposition-DWTPS Disposition 1, DWTPS Capacity Disposition 2 )

193

DWTPS Disposition 3= MIN(Dewatered WTP Sludge Production-DWTPS Landfill Disposition-DWTPS Disposition 1-DWTPS Disposition 2, DWTPS Capacity Disposition 3)

DWTPS Landfill decreasins rate= IF THEN ELSE( FINAL TIME<=10 , ((FINAL TIME-Time))/FINAL TIME , 0)

DWTPS Landfill Disposition= IF THEN ELSE((Dewatered WTP Sludge Production-(Dewatered WTP Sludge Production *DWTPS Landfill decreasins rate)) <=Total DWTPS Disposition Capacity , Dewatered WTP Sludge Production*DWTPS Landfill decreasins rate , Dewatered WTP Sludge Production-Total DWTPS Disposition Capacity)

DWTPS Landfill Disposition Price= 90.9*(1+Inflation Rate)^(Time/TIME STEP) DWTPS Storage Area= ((Dewatered WTP Sludge Production*DWTPS Storage

Time)/DWTPS Storage Height)*(1+Storage Reservation Area Rate) DWTPS Storage Area Cost= (Price of Rent Area*DWTPS Storage Area)*(1+Inflation

Rate)^(Time/TIME STEP) DWTPS Storage Height= 1.5 DWTPS Storage Time= 0.083 DWTSP Storage Area Maintenance= (18.2*Dewatered WTP Sludge

Production*0.083)*(1+Inflation Rate)^(Time/TIME STEP) DWTSP Storage Capital Cost= 0/FINAL TIME DWWTPS Acceptance= 0.25 DWWTPS Acceptance Rate= MIN(DWWTPS Acceptance*Time, 1 ) DWWTPS Benefical Disposition Price= DWWTPS Landfill Disposition Price*DWWTPS

Benefical Disposition Price Decline Rate DWWTPS Benefical Disposition Price Decline Rate= (FINAL TIME-Time)/FINAL TIME DWWTPS Capacity Disposition 1= Total DWWTPS Capacity Disposition 1*DWWTPS

Acceptance Rate DWWTPS Capacity Disposition 2= Total DWWTPS Capacity Disposition 2*DWWTPS

Acceptance Rate DWWTPS Capacity Disposition 3= Total DWWTPS Capacity Disposition 3*DWWTPS

Acceptance Rate DWWTPS Disposition 1= MIN(Dewatered WWTP Sludge Production-DWWTPS Landfill

Disposition, DWWTPS Capacity Disposition 1) DWWTPS Disposition 2= MIN(Dewatered WWTP Sludge Production-DWWTPS Landfill

Disposition-DWWTPS Disposition 1, DWWTPS Capacity Disposition 2 ) DWWTPS Disposition 3= MIN(Dewatered WWTP Sludge Production-DWWTPS Landfill

Disposition-DWWTPS Disposition 1-DWWTPS Disposition 2, DWWTPS Capacity Disposition 3 )

DWWTPS Landfill Disposition= IF THEN ELSE((Dewatered WWTP Sludge Production-(Dewatered WWTP Sludge Production *DWWTPS Landfill decreasins rate)) <=Total DWWTPS Disposition Capacity , Dewatered WWTP Sludge Production*DWWTPS Landfill decreasins rate , Dewatered WWTP Sludge Production-Total DWWTPS Disposition Capacity)

DWWTPS Landfill Disposition Price=75.6*(1+Inflation Rate)^(Time/TIME STEP) DWWTPS Storage Area Cost= (Price of Rent Area*DWWTPS Storage Area)*(1+Inflation

Rate)^(Time/TIME STEP) DWWTPS Storage Height= 1.5 DWWTSP Storage Area Maintenance= (Dewatered WWTP Sludge

Production*0.083*18.2)*(1+Inflation Rate)^(Time/TIME STEP) FINAL TIME = 10

194

"Final Wastewater Treatment-Transport Cost"= "Wastewater Treatment-Transport Cost"+"WWTP Sludge Management Cost (Objective)"

"Final Water Treatment-Supply Cost"= "Water Treatment-Supply Cost"+"WTP Sludge Management Cost (Objective)"

DWWTPS Landfill decreasins rate= (FINAL TIME-Time)/FINAL TIME DWWTPS Storage Area= ((Dewatered WWTP Sludge Production*DWWTPS Storage

Time)/DWWTPS Storage Height)*(1+WWTPS Storage Reservation Area Rate) DWWTPS Storage Time= 0.083 DWWTSP Storage Capital Cost= 0/FINAL TIME Inflation Rate= 0.068 INITIAL TIME= 0 Net Population Growth= Population*"Population Growth Rate (Scenario)" OA= 10.74 Per Capita Water Demand= 100.3 Population= INTEG ( Net Population Growth, 804241) Population Growth= Population Served By Wastewater Treatment*"Population Growth Rate

(Scenario)" "Population Growth Rate (Scenario)"= 0.0101 Population Served By Wastewater Treatment= INTEG (Population Growth, 254274) Price of Rent Area= 0 Primary Sludge Density= 1030 SAVEPER = TIME STEP Secondary Sludge Density= 1240 SS Affluent= 0.243 SS Primary Load= Wastewater Treatment*0*SS Affluent SS Secondary Load= Wastewater Treatment*1*SS Affluent Storage Reservation Area Rate= 0.2 TIME STEP = 1 Total DWTPS Capacity Disposition 1= 850718 Total DWTPS Capacity Disposition 2= 1.43968e+006 Total DWTPS Capacity Disposition 3= 1.83232e+006 Total DWTPS Disposition Capacity= DWTPS Capacity Disposition 1+DWTPS Capacity

Disposition 2+DWTPS Capacity Disposition 3 Total DWWTPS Capacity Disposition 1= 37488.3 Total DWWTPS Capacity Disposition 2= 10549.7 Total DWWTPS Capacity Disposition 3= 37380.3 Total DWWTPS Disposition Capacity= DWWTPS Capacity Disposition 1+DWWTPS

Capacity Disposition 2+DWWTPS Capacity Disposition 3 Transport Cost= Unit Transport Cost*(1+Inflation Rate)^(Time/TIME STEP) TSS= 55.86 Unit Capital Cost of WTPSTC= 0.42 Unit Capital Cost of WTSC= 0.43 Unit Capital Cost of WWTPSTC= 0.44 Unit Capital Cost of WWTTC= 0.45 Unit Transport Cost= 0.3 Unit Wastewater Chemicals Cost= 0.037 Unit Wastewater Treatment Operation Cost= 1.062 Unit Water Treatment Chemicals Cost= 0.051 "Unit Water Treatment-Supply Cost"= "Final Water Treatment-Supply Cost"/Water

Extraction

195

"Unit Water Treatment-Supply Operation Cost"= 1.43 Unit WTP Sludge Treatment Chemicals Cost= 2.05 Unit WTP Sludge Treatment Operation Cost= 56.5 Unit WWTP Sludge Treatment Chemicals Cost= 2.04 Unit WWTP Sludge Treatment Operation Cost= 56.23 Wastewater Quantity= (Population Served By Wastewater Treatment*Per Capita Water

Demand)+(0*WTP Sludge Production) Wastewater Treatment= MIN( Wastewater Quantity , "Wastewater Treatment-Transport

Capacity"/TIME STEP) "Wastewater Treatment-Transport Capacity"= INTEG ("WWTTC Development-

Maintenance"-WWTTC Depreciation, 3.78432e+007) "Wastewater Treatment-Transport Cost"= (Capital Cost of WWTTC+"Wastewater

Treatment-Transport Operation Cost")*(1+Inflation Rate)^(Time/TIME STEP) "Wastewater Treatment-Transport Operation Cost"= (Unit Wastewater Chemicals Cost+Unit

Wastewater Treatment Operation Cost)*Wastewater Treatment "Water Cost Recovery Ratio (Decision)"= 1 Water Demand= DELAY FIXED(Per Capita Water Demand*Population, TIME STEP ,

8.06325e+007) Water Extraction= ACTIVE INITIAL (IF THEN ELSE(Water Inventory>0, MIN( Water

Demand , Water Inventory/TIME STEP) , 0), 8.06325e+007) Water Inventory= INTEG ("Water Recharge (Scenario)"-Water Extraction, 4.34881e+008) Water Price= ACTIVE INITIAL ("Water Cost Recovery Ratio (Decision)"*"Unit Water

Treatment-Supply Cost", 1.77) "Water Recharge (Scenario)"= 3.01768e+008 Water Subsidy= MAX(("Unit Water Treatment-Supply Cost"-Water Price)*Water Extraction

,0) Water Treatment= MIN( Water Extraction , "Water Treatment-Supply Capacity"/TIME STEP

) "Water Treatment-Supply Capacity"= INTEG ("WTSC Development-Maintenance"-WTSC

Depreciation, 1.26144e+008) "Water Treatment-Supply Cost"= ACTIVE INITIAL ((Capital Cost of WTSC+"Water

Treatment-Supply Operation Cost")*(1+Inflation Rate)^(Time/TIME STEP), 1.43*8.06325e+007)

"Water Treatment-Supply Operation Cost"= ("Unit Water Treatment-Supply Operation Cost"+Unit Water Treatment Chemicals Cost)*Water Treatment

WT Coagulant Constant= 0.8 WT Coagulant Dosage= 55.66 WTP Sludge Disposition Cost= (DWTPS Landfill Disposition*DWTPS Landfill Disposition

Price)+(DWTPS Benefical Disposition Price*(DWTPS Disposition 1+DWTPS Disposition 2+DWTPS Disposition 3))

"WTP Sludge Management Cost (Objective)"= WTP Sludge Disposition Cost+WTP Sludge Storage Cost+WTP Sludge Transport Cost+WTP Sludge Treatment Cost

WTP Sludge Production= (Water Treatment*((WT Coagulant Constant*WT Coagulant Dosage)+TSS+ACP+OA)*(10^(-3)))/(0.02*1240)

WTP Sludge Storage Cost= DWTPS Storage Area Cost+DWTSP Storage Area Maintenance+DWTSP Storage Capital Cost

WTP Sludge Transport Cost= Transport Cost*(Distance DWTPS Disposition 1*DWTPS Disposition 1+Distance DWTPS Disposition 2*DWTPS Disposition 2+Distance DWTPS Disposition 3*DWTPS Disposition 3+Distance DWTPS Landfill Disposition*DWTPS Landfill Disposition)

196

WTP Sludge Treatment Capacity= INTEG ("WTPSTC Development-Maintenance"-WTPSTC Depreciation, 35*24*365)

WTP Sludge Treatment Cost= ACTIVE INITIAL ( (Capital Cost of WTPSTC+WTP Sludge Treatment Operation Cost)*(1+Inflation Rate)^(Time/TIME STEP), 1.4272e+007)

WTP Sludge Treatment Operation Cost= (Unit WTP Sludge Treatment Operation Cost+Unit WTP Sludge Treatment Chemicals Cost)*WTP Sludge Production

WTPSTC Confidence Level= 0.1 WTPSTC Depreciation= WTP Sludge Treatment Capacity*WTPSTC Depreciation Rate WTPSTC Depreciation Rate= 0.02 WTPSTC Development Delay= 1 "WTPSTC Development-Maintenance"= ACTIVE INITIAL (MAX(((WTP Sludge

Production*TIME STEP*(1+WTPSTC Confidence Level))-WTP Sludge Treatment Capacity)/WTPSTC Development Delay, WTPSTC Depreciation ), 0)

WTSC Confidence Level= 0.1 WTSC Depreciation= "Water Treatment-Supply Capacity"*WTSC Depreciation Rate WTSC Depreciation Rate= 0.02 WTSC Development Delay= 1 "WTSC Development-Maintenance"= ACTIVE INITIAL (MAX((Water Extraction*TIME

STEP*(1+WTSC Confidence Level)-"Water Treatment-Supply Capacity")/WTSC Development Delay, WTSC Depreciation), 0)

WWTP Primary Sludge Production= SS Primary Load/(Dry Primary Soilds Rate*Primary Sludge Density)

WWTP Secundary Sludge Production= SS Secondary Load/(Dry Secondary Solids Rate*Secondary Sludge Density)

WWTP Sludge Disposition Cost= DWWTPS Landfill Disposition*DWWTPS Landfill Disposition Price+DWWTPS Benefical Disposition Price*(DWWTPS Disposition 1+DWWTPS Disposition 2+DWWTPS Disposition 3)

"WWTP Sludge Management Cost (Objective)"= WWTP Sludge Disposition Cost+WWTP Sludge Storage Cost+WWTP Sludge Transport Cost+WWTP Sludge Treatment Cost

WWTP Sludge Production= WWTP Primary Sludge Production+WWTP Secundary Sludge Production

WWTP Sludge Storage Cost= DWWTPS Storage Area Cost+DWWTSP Storage Area Maintenance+DWWTSP Storage Capital Cost

WWTP Sludge Transport Cost= Transport Cost*(Distance DWWTPS Disposition 1*DWWTPS Disposition 1+Distance DWWTPS Disposition 2*DWWTPS Disposition 2+Distance DWWTPS Disposition 3*DWWTPS Disposition 3+Distance DWWTPS Landfill Disposition*DWWTPS Landfill Disposition)

WWTP Sludge Treatment Capacity= INTEG ("WWTPSTC Development-Maintenance"-WWTPSTC Depreciation, 44*24*365)

WWTP Sludge Treatment Cost= ACTIVE INITIAL ((Capital Cost of WWTPSTC+WWTP Sludge Treatment Operation Cost)*(1+Inflation Rate)^(Time/TIME STEP), 1.80493e+007)

WWTP Sludge Treatment Operation Cost= (Unit WWTP Sludge Treatment Operation Cost+Unit WWTP Sludge Treatment Chemicals Cost)*WWTP Sludge Production

"WWTPS Dewatering rate (Scenario)"= 0.067 WWTPS Storage Reservation Area Rate= 0.2 WWTPSTC Confidence Level= 0.1 WWTPSTC Depreciation= WWTP Sludge Treatment Capacity*WWTPSTC Depreciation

Rate WWTPSTC Depreciation Rate= 0.1

197

WWTPSTC Development Delay= 1 "WWTPSTC Development-Maintenance"= ACTIVE INITIAL (MAX((WWTP Sludge

Production*TIME STEP*(1+WWTPSTC Confidence Level)-WWTP Sludge Treatment Capacity)/WWTPSTC Development Delay, WWTPSTC Depreciation ), 0)

WWTTC Capacity Confidence Level= 0.1 WWTTC Depreciation= WWTTC Depreciation Rate*"Wastewater Treatment-Transport

Capacity" WWTTC Depreciation Rate= 0.02 WWTTC Development Delay= 1 "WWTTC Development-Maintenance"= MAX((Wastewater Quantity*TIME

STEP*(1+WWTTC Capacity Confidence Level)-"Wastewater Treatment-Transport Capacity")/WWTTC Development Delay, WWTTC Depreciation)

198

APÊNDICE B: Glossário das equações do sistema de estações de tratamento de água, apresentado no capítulo 8, como definidas no software Vensim (ordem alfabética)

Capital Cost of WTPSTC= ACTIVE INITIAL (Unit Capital Cost of WTPSTC*"WTPSTC Development-Maintenance", 0)

Capital Cost of WTSC= ACTIVE INITIAL (Unit Capital Cost of WTSC*"WTSC Development-Maintenance",0)

"Cumulative Water Treatment-Supply Cost"= INTEG ("Final Water Treatment-Supply Cost",0)

Cumulative WTP Sludge Management Cost= INTEG ("WTP Sludge Management Cost (Objective)", 0)

Dewatered WTP Sludge Production=WTP Sludge Production*"Dewatering rate (Scenario)" "Dewatering rate (Scenario)"= 0.1 Distance DWTPS Disposition 1= 4.11 DWTPS Benefical Disposition Price=DWTPS Landfill Disposition Price*DWTPS Benefical

Disposition Price Decline Rate DWTPS Benefical Disposition Price Decline Rate= IF THEN ELSE( FINAL TIME<=10 ,

((FINAL TIME-Time))/FINAL TIME , 0) DWTPS Disposition 1= Dewatered WTP Sludge Production DWTPS Landfill Disposition Price= 90.9*(1+Inflation Rate)^(Time/TIME STEP) DWTPS Storage Area= ((Dewatered WTP Sludge Production*DWTPS Storage


Rate)^(Time/TIME STEP) DWTPS Storage Height= 1.5 DWTPS Storage Time= 0.083 DWTSP Storage Area Maintenance= (18.2*Dewatered WTP Sludge

Production*0.083)*(1+Inflation Rate)^(Time/TIME STEP) DWTSP Storage Capital Cost= 69714/FINAL TIME FINAL TIME = 10 "Final Water Treatment-Supply Cost"="Water Treatment-Supply Cost"+"WTP Sludge

Management Cost (Objective)" Inflation Rate= 0.068 INITIAL TIME = 0 Net Population Growth= Population*"Population Growth Rate (Scenario)" Per Capita Water Demand= 138.7 Population= INTEG ( Net Population Growth, 32689) "Population Growth Rate (Scenario)"= 0.0228 Price of Rent Area= 40+(Time*0) SAVEPER = TIME STEP Sludge Center Rate= 0 Storage Reservation Area Rate= 0.2 TIME STEP = 1 Transport Cost= Unit Transport Cost*(1+Inflation Rate)^(Time/TIME STEP) Unit Capital Cost of WTPSTC= 0.42 Unit Capital Cost of WTSC= 0.43 Unit Transport Cost= 0.3 Unit Water Treatment Chemicals Cost= 0.051 "Unit Water Treatment-Supply Cost"= "Final Water Treatment-Supply Cost"/Water Demand "Unit Water Treatment-Supply Operation Cost"= 1.43

199

Unit WTP Sludge Treatment Chemicals Cost= 1.32 Unit WTP Sludge Treatment Operation Cost= 36.13 Water Demand= DELAY FIXED(Per Capita Water Demand*Population, TIME STEP , Per

Capita Water Demand*Population) Water Treatment= MIN( Water Demand , "Water Treatment-Supply Capacity"/TIME STEP ) "Water Treatment-Supply Capacity"= INTEG ("WTSC Development-Maintenance"-WTSC

Depreciation, 1.26144e+008) "Water Treatment-Supply Cost"= ACTIVE INITIAL ((Capital Cost of WTSC+"Water

Treatment-Supply Operation Cost")*(1+Inflation Rate)^(Time/TIME STEP), 1.43*Water Treatment)

"Water Treatment-Supply Operation Cost"= ("Unit Water Treatment-Supply Operation Cost"+Unit Water Treatment Chemicals Cost)*Water Treatment

WTP Sludge Disposition Cost= (DWTPS Benefical Disposition Price*(DWTPS Disposition 1))

"WTP Sludge Management Cost (Objective)"= ((WTP Sludge Disposition Cost+WTP Sludge Storage Cost)*Sludge Center Rate)+WTP Sludge Transport Cost+WTP Sludge Treatment Cost

WTP Sludge Production= Water Treatment*WTP Sludge Production Rate WTP Sludge Production Rate= 0.0028 WTP Sludge Storage Cost=DWTPS Storage Area Cost+DWTSP Storage Area

Maintenance+DWTSP Storage Capital Cost WTP Sludge Transport Cost=Transport Cost*(Distance DWTPS Disposition 1*DWTPS

Disposition 1) WTP Sludge Treatment Capacity= INTEG ("WTPSTC Development-Maintenance"-

WTPSTC Depreciation, Water Treatment*WTP Sludge Production Rate) WTP Sludge Treatment Cost= ACTIVE INITIAL ( (Capital Cost of WTPSTC+WTP Sludge

Treatment Operation Cost)*(1+Inflation Rate)^(Time/TIME STEP), Capital Cost of WTPSTC+WTP Sludge Treatment Operation Cost)

WTP Sludge Treatment Operation Cost= (Unit WTP Sludge Treatment Operation Cost+Unit WTP Sludge Treatment Chemicals Cost)*WTP Sludge Production

WTPSTC Confidence Level= 0.1 WTPSTC Depreciation=WTP Sludge Treatment Capacity*WTPSTC Depreciation Rate WTPSTC Depreciation Rate= 0.02 WTPSTC Development Delay= 1 "WTPSTC Development-Maintenance"= ACTIVE INITIAL (MAX(((WTP Sludge

Production*TIME STEP*(1+WTPSTC Confidence Level))-WTP Sludge Treatment Capacity)/WTPSTC Development Delay, WTPSTC Depreciation ), 0)

WTSC Confidence Level= 0.1 WTSC Depreciation= "Water Treatment-Supply Capacity"*WTSC Depreciation Rate WTSC Depreciation Rate=0.02 WTSC Development Delay = 1 "WTSC Development-Maintenance"= ACTIVE INITIAL (MAX((Water Demand*TIME

STEP*(1+WTSC Confidence Level)-"Water Treatment-Supply Capacity")/WTSC Development Delay, WTSC Depreciation), 0)

200

APÊNDICE C: Glossário das equações do sistema de unidades de gerenciamento de lodo, apresentado no capítulo 8, como definidas no software Vensim (ordem alfabética)

Capital Cost of WTPSTC= ACTIVE INITIAL (Unit Capital Cost of WTPSTC*"WTPSTC Development-Maintenance", 0)

Cumulative WTP Sludge Management Cost= INTEG ("WTP Sludge Management Cost (Objective)", 0)

Dewatered WTP Sludge Production= WTP Sludge Received*"Dewatering rate (Scenario)" "Dewatering rate (Scenario)"= 0.4 Distance DWTPS Disposition 1= 10.44 Distance DWTPS Disposition 2= 27.62 Distance DWTPS Disposition 3= 33.93 DWTPS Benefical Disposition Price= DWTPS Landfill Disposition Price*DWTPS Benefical

Disposition Price Decline Rate DWTPS Benefical Disposition Price Decline Rate= IF THEN ELSE( FINAL TIME<=10 ,

((FINAL TIME-Time))/FINAL TIME , 0) DWTPS Capacity Disposition 1= 5335.58 DWTPS Capacity Disposition 2= 6936.26 DWTPS Capacity Disposition 3= 8003.38 DWTPS Disposition 1= MIN(Dewatered WTP Sludge Production, DWTPS Capacity

Disposition 1 ) DWTPS Disposition 2= MIN(Dewatered WTP Sludge Production-DWTPS Disposition 1,

DWTPS Capacity Disposition 2 ) DWTPS Disposition 3= MIN(Dewatered WTP Sludge Production-DWTPS Disposition 1-

DWTPS Disposition 2, DWTPS Capacity Disposition 3 ) DWTPS Landfill Disposition Price= 90.9*(1+Inflation Rate)^(Time/TIME STEP) DWTPS Storage Area= ((Dewatered WTP Sludge Production*DWTPS Storage


Rate)^(Time/TIME STEP) DWTPS Storage Height= 1.5 DWTPS Storage Time= 0.083 DWTSP Storage Area Maintenance=(18.2*Dewatered WTP Sludge

Production*0.083)*(1+Inflation Rate)^(Time/TIME STEP) DWTSP Storage Capital Cost= 25892/FINAL TIME FINAL TIME = 10 Inflation Rate= 0.068 INITIAL TIME = 0 Intercept= 43736 Price of Rent Area= 40 SAVEPER = TIME STEP "Slope of the line (Scenario)"= 363.09 Storage Reservation Area Rate= 0.2 TIME STEP = 1 Transport Cost= Unit Transport Cost*(1+Inflation Rate)^(Time/TIME STEP) Unit Capital Cost of WTPSTC= 0.42 Unit Transport Cost= 0.3 Unit WTP Sludge Treatment Chemicals Cost= 2.2 Unit WTP Sludge Treatment Operation Cost= 60.2

201

WTP Sludge Disposition Cost= (DWTPS Benefical Disposition Price*(DWTPS Disposition 1+DWTPS Disposition 2+DWTPS Disposition 3))

"WTP Sludge Management Cost (Objective)"= WTP Sludge Disposition Cost+WTP Sludge Storage Cost+WTP Sludge Transport Cost+WTP Sludge Treatment Cost

WTP Sludge Production= ("Slope of the line (Scenario)"*Time)+Intercept WTP Sludge Received= INTEG (WTP Sludge Production, 0) WTP Sludge Storage Cost= DWTPS Storage Area Cost+DWTSP Storage Area

Maintenance+DWTSP Storage Capital Cost WTP Sludge Transport Cost= Transport Cost*(Distance DWTPS Disposition 1*DWTPS

Disposition 1+Distance DWTPS Disposition 2*DWTPS Disposition 2+Distance DWTPS Disposition 3*DWTPS Disposition 3)

WTP Sludge Treatment Capacity= INTEG ("WTPSTC Development-Maintenance"-WTPSTC Depreciation, 0)

WTP Sludge Treatment Cost= ACTIVE INITIAL ( (Capital Cost of WTPSTC+WTP Sludge Treatment Operation Cost)*(1+Inflation Rate)^(Time/TIME STEP), Capital Cost of WTPSTC+WTP Sludge Treatment Operation Cost)

WTP Sludge Treatment Operation Cost=(Unit WTP Sludge Treatment Operation Cost+Unit WTP Sludge Treatment Chemicals Cost)*WTP Sludge Received

WTPSTC Confidence Level= 0.1 WTPSTC Depreciation= WTP Sludge Treatment Capacity*WTPSTC Depreciation Rate WTPSTC Depreciation Rate= 0.02 WTPSTC Development Delay= 1 "WTPSTC Development-Maintenance"= ACTIVE INITIAL (MAX(((WTP Sludge

Received*TIME STEP*(1+WTPSTC Confidence Level))-WTP Sludge Treatment Capacity)/WTPSTC Development Delay, WTPSTC Depreciation ), 0)

202 APÊNDICE D: Parâmetros dependentes do sistema de tratamento de água para as simulações DS dos sistemas simplificados de tratamento e abastecimento de água das ETA e do gerenciamento do lodo das possíveis UGL das Bacias PCJ

203 APÊNDICE D: Parâmetros dependentes do sistema de tratamento de água para as simulações DS dos sistemas simplificados de tratamento e abastecimento de água das ETA e do gerenciamento do lodo das possíveis UGL das Bacias PCJ

204

APÊNDICE E: Comparação de custos entre os dois cenários propostos para análise da viabilidade de implantação de UGL nas Bacias PCJ

Nome do Sistema Cidade Custo Acumulado de Gerenciamento de Lodo (R$)

Custo Acumulado de tratamento de água (R$)

UGLCusto Acumulado de Gerenciamento de Lodo (R$)

Custo Acumulado de tratamento de água (R$)

Lodo Água

ETA Águas de São Pedro Àg. São Pedro 2,95E+06 2,49E+07 5 3377878,725 25359458,73 15% 2%ETA I - Cordenonsi Americana 8,16E+07 3,64E+08 1 91895752,19 373775052,2 13% 3%ETA II - Cordenonsi Americana 8,16E+07 3,64E+08 1 91892652,19 373772052,2 13% 3%ETA I Amparo 5,74E+06 6,58E+07 3 6989201,542 67078051,54 22% 2%ETA II Amparo 5,74E+06 6,58E+07 3 6989201,542 67078051,54 22% 2%ETA III - Três Pontes Amparo 5,74E+06 6,58E+07 3 6998031,542 67086851,54 22% 2%ETAIV-Arcadas Amparo 5,72E+06 6,58E+07 3 6995531,542 67084351,54 22% 2% Represa Cotrins Artur Nogueira 6,96E+06 8,75E+07 1 7935846,938 88519006,94 14% 1% Ribeirão Boa Vista Artur Nogueira 6,96E+06 8,75E+07 1 7938536,938 88521706,94 14% 1%ETA Central Atibaia 1,59E+07 1,56E+08 4 19406960,5 159801710,5 22% 2%ETA Cerejeiras Atibaia 1,60E+07 1,56E+08 4 19442660,5 159836710,5 22% 2%ETA Portão Atibaia 1,60E+07 1,56E+08 4 19488440,5 159882710,5 22% 2%ETA B J. dos Perdões B. J. dos Perdõe 4,73E+06 8,54E+07 4 5772802,86 86435322,86 22% 1%ETA Salv. Marckowicz Brag. Paulista 1,49E+07 4,71E+08 4 18184835,29 474651735,3 22% 1% ETA Cabreúva (sede) Cabreúva 1,18E+07 8,06E+07 2 13358057,98 82171607,98 13% 2% ETA Jacaré Cabreúva 1,19E+07 8,07E+07 2 13320197,98 82133707,98 12% 2%ETA Camanducaia Camanducaia 1,60E+06 5,84E+07 4 1954037,133 58753211,13 22% 1% ETAS 1 E 2 Campinas 1,50E+08 9,92E+08 2 168375734,4 1010714634 12% 2% ETAS 3 E 4 Campinas 1,50E+08 9,92E+08 2 168752034,4 1011090634 13% 2% ETA Capivari Campinas 1,50E+08 9,92E+08 2 167822234,4 1010161634 12% 2%ETA Cpo Limpo Pta Campo Limpo Pta 4,45E+07 1,70E+08 2 50078925,04 175475725 12% 3%ETA Cpo Limpo Pta Campo Limpo Pta 4,45E+07 1,70E+08 2 50078925,04 175475725 12% 3% ETA I - Alcindo Gatti Capivari 3,49E+06 8,71E+07 1 3986587,897 87562667,9 14% 1% ETA II – M. do Prado Capivari 3,49E+06 8,71E+07 1 3990097,897 87566167,9 14% 1%ETA I Charqueada 6,72E+06 4,50E+07 5 7695338,811 46019418,81 15% 2%ETA II Charqueada 6,71E+06 4,50E+07 5 7722598,811 46046618,81 15% 2% ETA - Cordeirópolis Cordeirópolis 7,02E+06 8,87E+07 1 8096765,274 89787605,27 15% 1%ETA Corumbataí 1,34E+06 2,55E+07 5 1550715,228 25738395,23 16% 1% ETA 1 – R. Pirapitingu Cosmópolis 1,22E+07 1,20E+08 1 13849685,39 121549735,4 14% 1% ETA 2 - Vila Cosmo Cosmópolis 1,22E+07 1,20E+08 1 13865895,39 121566735,4 14% 1%ETA I Extrema 4,60E+06 7,40E+07 4 5604631,979 75009351,98 22% 1% ETA Holambra Holambra 2,27E+06 5,55E+07 1 2605874,399 55869354,4 15% 1%ETA Boa Esperança Hortolândia 1,14E+08 6,37E+08 1 129526235,5 652796835,5 14% 2% ETA I - Vila Avaí Indaiatuba 4,41E+07 1,95E+08 2 49765481,1 200946181,1 13% 3% ETA III - Pimenta Indaiatuba 4,42E+07 1,95E+08 2 49821481,1 201002181,1 13% 3%ETA IV - Jardim Brasil Indaiatuba 4,42E+07 1,95E+08 2 49609181,1 200790181,1 12% 3%ETA V - Morada do Sol Indaiatuba 4,41E+07 1,95E+08 2 49838681,1 201020181,1 13% 3%ETA - Iracemápolis Iracemápolis 8,19E+06 8,78E+07 1 9405064,009 89035454,01 15% 1% ETA Itapeva Itapeva 830755 2,79E+07 4 1013168,691 28129538,69 22% 1%ETA Itatiba Itatiba 4,09E+07 3,69E+08 2 46103851,6 373761551,6 13% 1% ETA Lagoa Itupeva 1,44E+07 1,01E+08 2 16247865,23 102541355,2 12% 2% ETA São José Itupeva 1,45E+07 1,01E+08 2 16239525,23 102533055,2 12% 2%ETA Central Jaguariúna 8,89E+06 9,20E+07 3 11008715,12 94078285,12 24% 2%ETA II Jaguariúna 8,89E+06 9,20E+07 3 10997575,12 94067185,12 24% 2%ETA Joanópolis Joanópolis 3,02E+06 5,38E+07 4 3682455,208 54436235,21 22% 1% ETA Anhangabaú Jundiaí 4,73E+07 5,73E+08 2 53352056,43 579464756,4 13% 1%ETA Eloy Chaves Jundiaí 4,73E+07 5,73E+08 2 53227356,43 579340756,4 13% 1%ETA Limeira Limeira 1,30E+08 8,31E+08 1 148525599,5 849221099,5 14% 2%ETA 1 Louveira 1,63E+07 1,48E+08 2 18366544,28 150561054,3 13% 1%ETA I Monte A. do Su 2,11E+06 3,86E+07 3 2571247,509 39054007,51 22% 1%ETA Monte Mor Monte Mor 3,68E+06 1,64E+08 1 4217697,539 164734687,5 15% 0%ETA Morungaba Morungaba 1,39E+06 5,30E+07 3 1718498,452 53341821,45 23% 1%ETA Nazaré Paulista Nazaré Paulist 2,81E+06 6,87E+07 4 3416061,511 69276041,51 22% 1%ETA Nova Odessa Nova Odessa 1,68E+07 1,79E+08 1 18977927,69 180864127,7 13% 1%ETA Paulínia Paulínia 3,93E+07 3,28E+08 1 44777586,79 333228786,8 14% 2%ETA Pedreira Pedreira 7,46E+06 1,41E+08 3 9179517,904 142296177,9 23% 1% ETA Pinhalzinho Pinhalzinho 2,39E+06 5,77E+07 3 2944157,371 58261327,37 23% 1%ETA Piracaia Piracaia 5,55E+06 5,80E+07 4 6726196,841 59151906,84 21% 2%ETA Piracaia II Piracaia 5,55E+06 5,80E+07 4 6726196,841 59151906,84 21% 2% ETA 01 Piracicaba 1,12E+08 4,57E+08 5 129806171,2 474172271,2 15% 4% ETA 02 Piracicaba 1,12E+08 4,57E+08 5 129806171,2 474172271,2 15% 4% ETA 03 Capim Fino Piracicaba 1,13E+08 4,57E+08 5 130175471,2 474541271,2 15% 4%ETA I Rio Claro 2,64E+07 2,73E+08 1 30290768,08 276997368,1 15% 1%ETA II Rio Claro 2,64E+07 2,73E+08 1 30290768,08 276997368,1 15% 1% ETA 3 Rio das Pedras 1,38E+07 1,15E+08 1 13346298,28 114325048,3 -3% 0%ETA Luiz Delfine Saltinho 1,47E+06 3,81E+07 5 1706665,554 38381260,55 16% 1% ETA Bela Vista Salto 2,98E+07 1,49E+08 2 33635392,24 152560292,2 13% 3% ETA João Jabour Salto 2,98E+07 1,49E+08 2 33656892,24 152581292,2 13% 3% ETA Nações Salto 2,98E+07 1,49E+08 2 33615292,24 152540292,2 13% 3%ETA 1 Santa B. Oeste 1,68E+07 1,42E+08 1 18995900,1 143963600,1 13% 2%ETA 2 Santa B. Oeste 1,68E+07 1,42E+08 1 18999000,1 143966600,1 13% 2%ETA 3 Santa B. Oeste 1,68E+07 1,42E+08 1 18972400,1 143940600,1 13% 2%ETA 4 Santa B. Oeste 1,68E+07 1,42E+08 1 18989300,1 143956600,1 13% 2% ETA - Santa Gertrudes Santa Gertrudes 4,16E+06 8,98E+07 5 4842004,523 90466934,52 16% 1%ETA - Santo Antônio de Posse Santo A. Posse 8,34E+06 8,70E+07 3 10252269,36 88887689,36 23% 2% ETA I São Pedro 2,87E+07 1,32E+08 5 32756099,68 135778199,7 14% 3%ETA - 1 Sumaré 5,21E+07 3,83E+08 1 59014719,82 389577819,8 13% 2%ETA - 2 Sumaré 5,20E+07 3,83E+08 1 59069819,82 389632819,8 14% 2%ETA I Toledo 1,05E+06 2,14E+07 4 1282879,203 21655984,2 22% 1%ETA-I Valinhos 1,82E+07 2,00E+08 2 20528094,44 202141594,4 13% 1%E.T.A. II Valinhos 1,83E+07 2,00E+08 2 20536594,44 202150594,4 12% 1% ETA Vargem Vargem 577246 4,28E+07 4 704501,9362 42974533,94 22% 0%ETA Palmeiras Várzea Paulista 1,29E+07 1,89E+08 2 14586340,09 190740400,1 13% 1%ETA Felicidade Várzea Paulista 1,29E+07 1,89E+08 2 14597140,09 190751400,1 13% 1% ETA 1 Vinhedo 1,19E+07 1,28E+08 2 13380895,77 129247905,8 12% 1% ETA 2 Santa Cândida Vinhedo 1,19E+07 1,28E+08 2 13345715,77 129211905,8 12% 1%

CENÁRIO 1 (Sem UGL) CENÁRIO 2 (Com UGL) Variação relativa

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