JULIANA SEIXAS PILOTTO

CONTRIBUIES PARA MODELAGEM MATEMTICA

DO COMPORTAMENTO DOS TANQUES SPTICOS

PARA REMOO DE MATRIA ORGNICA

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

Orientador: Prof. Daniel Costa dos Santos, Dr.

CURITIBA

2004

JULIANA SEIXAS PILOTTO

CONTRIBUIES PARA MODELAGEM MATEMTICA

DO COMPORTAMENTO DOS TANQUES SPTICOS

PARA REMOO DE MATRIA ORGNICA

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

Orientador: Prof. Daniel Costa dos Santos, Dr.

CURITIBA 2004

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iii

AGRADECIMENTOS

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

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

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

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

Ao Professor Cristvo Fernandes e Professora Maria Cristina Braga pelos

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

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

receber.

Aos meus professores do mestrado que foram fundamentais para a concluso

deste trabalho.

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

Dalton Lucio Brasil Pereira Filho.

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

me apoiaram ao longo da realizao deste trabalho.

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

especial a Fabiola e a Maria Cristina pelas ajudas relmpagos.

A CAPES pelo incentivo financeiro.

A todos que direta ou indiretamente colaboraram para a elaborao deste

trabalho.

iv

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

Por que no? George Bernard Shaw

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

Aldous Huxley

v

SUMRIO

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

vi

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

vii

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

viii

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

ix

LISTA DE FIGURAS

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

x

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

xi

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

xii

LISTA DE TABELAS

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

xiii

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

xiv

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

xv

LISTA DE QUADROS

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

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

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

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

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

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

xvi

LISTA DE SIGLAS

ABNT Associao Brasileira de Normas Tcnicas

CETESB Companhia de Tecnologia de Saneamento Ambiental

CONAMA Conselho Nacional do Meio Ambiente

CS Clulas em Srie

DATASUS - Departamento de Informtica do Sistema nico de Sade

DBO Demanda Bioqumica de Oxignio

DQO Demanda Qumica de Oxignio

E1 Estudo 1

E2 Estudo 2

E3 Estudo 3

FD Fluxo Disperso

FP Fluxo em Pisto

FUNASA Fundao Nacional de Sade Pblica

IBGE Instituto Brasileiro de Geografia

MC Mistura Completa

OMS Organizao Mundial da Sade

OPAS Organizao Pan-americana de Sade

pH Concentrao de Hidrognio Hidrolisvel

SABESP Companhia de Saneamento Bsico do Estado de So Paulo

TS Tanques em Srie

TSP Tanque Sobreposto

TU Tanque nico

TU1 1o Tanque nico

TU2 2o Tanque nico

USEPA United States Environmental Protection Agency

xvii

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

KA - constante de reao (d-1)

nr - ordem da reao

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

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

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

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

KS - constante de saturao (mg/l)

Y - coeficiente de produo celular (mg/mg)

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

rd - decaimento bacteriano (mg/l * d)

kd - coeficiente de decaimento bacteriano (d-1)

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

rT - taxa de reao TC

r20 - taxa de reao 20C

- coeficiente de atividade T - temperatura (C)

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

Co - concentrao afluente do composto (mg/l)

V - volume do reator (m)

Q - vazo (m/dia)

t - tempo de deteno no reator (dias)

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

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

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

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

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

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

V - volume diferencial elementar (m)

xviii

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

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

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

Qm - quantidade de metano por unidade de tempo

Xv - slidos suspensos volteis anaerbios no reator

D - coeficiente de disperso longitudinal (m/d)

x - distncia na direo do fluxo (m)

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

d - nmero de disperso

L - comprimento longitudinal do reator (m)

n - nmero de clulas

Vs - velocidade de sedimentao (m/s)

g - acelerao da gravidade (m/s)

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

B - largura do tanque (m)

H - altura do tanque (m)

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

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

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

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

Xa - concentrao de algas (mg/l)

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

N - nmero de contribuintes

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

KNBR - taxa de acumulao de lodo digerido (dia)

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

VD - volume destinado decantao (m)

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

xix

VL - volume para acumulao do lodo (m)

Vdig - volume para digesto do lodo (m)

Varm - volume para armazenamento do lodo digerido (m)

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

zona de digesto.

Tdig - tempo para digesto do lodo (dia)

Rarm - coeficiente de reduo do volume de lodo devido digesto

Tarm - tempo de armazenamento do lodo digerido (dia)

EE - erro padro da estimativa

vci - valor calculado i

vei - valor experimental i

Na - nmero de amostras

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

crescimento suspenso da biomassa, para o fluxo disperso.

V2 - volume de lodo conforme equao 91.

VT - V1 + V2

xx

RESUMO

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

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

xxi

ABSTRACT

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

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

1

1 INTRODUO

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

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

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

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

sanitrio. Estes dados se agravam principalmente nos pases em desenvolvimento

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

2

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

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

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

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

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

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

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

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

Populao total no Brasil 137.015.685 31.355.208

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

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

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

Populao total na Regio Sul 20.191146 2.858.580

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

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

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

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

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

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

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

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

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

3

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

pela OMS citado acima, mostra que:

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

milhes de mortes;

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

desenvolvimento;

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

ano.

Como podemos observar existe uma enorme demanda de sistemas de

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

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

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

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

comunidades de pequeno porte.

A maioria das pequenas comunidades existentes no Brasil no dispe de

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

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

sociais e econmicas.

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

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

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

poluentes presentes no esgoto domstico.

Entre esses sistemas podemos destacar os seguintes tipos:

a) tanque sptico;

b) filtro anaerbio;

4

c) lagoa de estabilizao;

d) valo de oxidao;

e) vala de infiltrao;

f) vala de filtrao;

g) reator anaerbio de manta de lodo;

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

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

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

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

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

5

2 OBJETIVOS

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

utilizando uma abordagem conceitual dos fenmenos que ocorrem no interior dos

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

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

principalmente remoo de matria orgnica.

Assim espera-se aprimorar ferramentas conceituais e matemticas para prover

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

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

partir de dimenses otimizadas.

6

3 REVISO BIBLIOGRFICA

3.1 CONSIDERAES GERAIS SOBRE OS TANQUES SPTICOS

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

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

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

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

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

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

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

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

material graxo caracterstico dos despejos.

A Associao Brasileira de Normas Tcnicas ABNT define o tanque sptico

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

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

mostra um esquema ilustrativo de um tanque sptico convencional.

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

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

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

principalmente no destri quantidade significativa de patognicos.

Samuel Murgel Branco (2002)

7

FIGURA 1 ESQUEMA ILUSTRATIVO DE UM TANQUE SPTICO

ESGOTOAFLUENTE ESGOTO

EFLUENTE

ESCUMA

LODO

TANQUE SPTICO

FONTE: A autora

3.2 HISTRICO DOS TANQUES SPTICOS

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

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

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

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

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

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

p. 259 e McCARTY, 1981).

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

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

8

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

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

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

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

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

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

construo e operao de tanques spticos.

3.3 DESCRIO DOS PROCESSOS OCORRENTES NO TANQUE SPTICO

3.3.1 Consideraes Iniciais

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

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

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

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

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

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

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

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

deteno a eficincia na remoo dos materiais sedimentveis no ter nenhum

incremento.

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

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

9

seja, produtos orgnicos biodegradveis que sero decompostos de forma progressiva

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

A camada de lodo sedimentada no fundo da fossa composta principalmente

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

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

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

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

escuma (leos e graxas).

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

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

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

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

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

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

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

A figura 2 ilustra os processos correntes nos tanques spticos.

10

FIGURA 2 FUNCIONAMENTO DE TANQUES SPTICOS

Entrada

Lodo digerido

Lodo em digesto

Desprendimento de gasesborbulhamento

Partculas pesadas sedimentamPartculas leves

flutuam

Lquido emsedimentao

Esgotobruto

Acumulao de escumafrao emersa

Acumulao de escumafrao submersa

Sada

efluente

Nvel degua

FONTE: ABNT, NBR 7229/1993.

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

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

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

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

tabela 3.

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

aplicada Teor de Slidos

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

Volume de Lodo (l/hab . d)

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

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

Normalmente o processo mais utilizado para disposio do lodo removido de

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

secagem.

11

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

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

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

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

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

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

tratamento.

Com relao a eficincia dos tanques spticos os dados fornecidos pela

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

conforme tabela 4.

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

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

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

Como foi exposto acima o funcionamento do tanque sptico caracterizado

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

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

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

Anaerbia e Decantao.

12

3.3.2 Abordagem sobre os Processos Bioqumicos

No interior do Tanque Sptico ocorrem processos bioqumicos caractersticos

da digesto anaerbia. Estes processos sero descritos a seguir.

3.3.2.1 Digesto anaerbia

3.3.2.1.1 Consideraes iniciais

A digesto anaerbia um processo bioqumico que envolve a decomposio

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

processo natural que envolve principalmente microrganismos anaerbios e alguns

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

spticos desenvolvida predominantemente por bactrias, as quais so normalmente

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

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

O quadro 1 mostra algumas vantagens e desvantagens dos processos anaerbios

para o tratamento de esgoto.

13

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

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

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

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

14

J um comparativo entre os processos aerbio e anaerbio apresentado na

figura 3.

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

CO2; DQO (40 50%)

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

AERBIO

Lodo; DQO (50 60%)

Biogs; DQO (70 90%)

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

ANAERBIO

Lodo; DQO (5 15%)

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

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

significativamente menor do que quando comparado ao processo aerbio. Na

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

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

vezes pode ser aproveitado para fins energticos.

15

Especificamente quanto aos sistemas de tratamento anaerbio, alguns fatores

so importantes para garantir a eficincia na remoo do material orgnico

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

a) natureza do material orgnico a ser digerido;

b) existncia de fatores ambientais adequados para digesto anaerbia;

c) tamanho da populao bacteriana;

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

bacterianas;

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

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

primeiros fatores estabelecem as condies ambientais e operacionais no reator,

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

relativo remoo do material orgnico.

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

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

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

para digestores.

3.3.2.1.2 Fases do processo de digesto anaerbia

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

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

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

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

16

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

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

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

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

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

FIGURA 4 - DIGESTO ANAERBIA

Compostos Orgnicos Complexos

Compostos Orgnicos Simples

Hidrlise

Acidognese

cidos Orgnicos

Acetognese

AcetatoH2 + CO2

CH4 + CO2

Metanognese

FONTE: Adaptado de CHERNICHARO, 1997, p. 25

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

as respectivas porcentagens do substrato em todo processo.

17

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

Carboidratos

Hidrlise

Material orgnico particuladoLipdeoProtena

~ 21% ~ 40% ~ 39%

66%

Aminocidos, Acares

34%5%

cidos Graxos

Fermentao

Produtos Intermedirios(Propionato, Butirato, etc.)

20% Oxidao Anaerbia34%

HidrognioAcetato

8%

20%

12%

Metano100% DQO

35%11% 23%

11%

100% DQO

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

A hidrlise a quebra de material orgnico complexo em material orgnico

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

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

complexos em compostos simples adicionando gua s molculas orgnicas. Como

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

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

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

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

18

pelas bactrias fermentativas acidognicas. Como exemplo podemos citar os seguintes

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

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

p. 25).

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

CHERNICHARO, 1997, p. 26):

a) temperatura operacional do reator;

b) tempo de residncia do substrato no reator;

c) composio do substrato;

d) tamanho das partculas;

e) pH do meio;

f) concentrao de NH4+-N;

g) concentrao de produtos da hidrlise.

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

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

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

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

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

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

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

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

assumiu-se que todo material hidrolisado foi considerado biodegradvel.

19

TABELA 5 - HIDRLISE DE BIOPOLMEROS EM CONDIES ANAERBIAS Tipo de

polmero Produto da hidrlise

Taxa aparente da hidrlise, kp (d-1)

Temperatura (C) Referncia

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

Protenas Polipeptideos Oligopetides 0,02 0,03

34 35

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

Celulose Polisacardeos Oligosacardeos 0,04 0,13

35 34

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

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

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

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

HARREMOES, 1983, p. 4).

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

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

metabolizados no interior das clulas, formando cidos orgnicos (produtos

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

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

ocorre durante a fermentao dos aminocidos e acares em cidos intermedirios

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

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

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

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

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

processo de digesto anaerbia e no dependente do pH.

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

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

20

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

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

Estas bactrias transformam os cidos orgnicos em compostos que sero utilizados

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

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

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

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

acumulao de hidrognio.

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

arqueobactrias, as metanognicas acetoclsticas, que utilizam como substrato o

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

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

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

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

transformaes da metanognese so as seguintes:

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

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

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

arqueobactrias do grupo metangenas apresentam baixas taxas de crescimento

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

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

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

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

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

21

hidrogenotrficas crescem mais rapidamente se comparadas s acetoclsticas. O tempo

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

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

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

metanognicas. importante mencionar que existem diversas espcies de

arqueobactrias formadoras de metano num sistema anaerbio, onde cada espcie

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

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

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

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

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

metanognicas.

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

11, University of California, Berkley, 1962

22

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

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

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

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

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

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

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

seqncia metablica com a presena de compostos com enxofre.

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

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

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

23

FIGURA 6 - DIGESTO ANAERBIA NA PRESENA DE COMPOSTOS DE ENXOFRE

H2 + CO2

Metanognese

CH4 + CO2

Acetato

cidos Orgnicos

Acetognese

Compostos Orgnicos Simples

Acidognese

Compostos Orgnicos Complexos

Hidrlise

H2S + CO2

Sulfetognese

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

Neste caso um grupo de bactrias denominada sulforredutoras reduzem os

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

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

sulforredutoras competem pelos substratos disponveis com as bactrias responsveis

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

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

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

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

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

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

bactrias redutoras de sulfato podem competir com as metanognicas sob baixas

24

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

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

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

CHERNICHARO, 1997, p. 44).

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

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

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

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

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

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

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

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

consideravelmente (DROSTE, 1997, p. 626).

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

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

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

para o crescimento dos organismos envolvidos na digesto anaerbia.

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

esgotos domsticos esto em concentraes adequadas para o desenvolvimento de um

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

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

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

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

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

25

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

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

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

faixa de 1000 at 5000 mg/l.

3.3.2.2 Cintica das reaes

No sentido de projetar sistemas para tratamento de esgoto, necessrio

conhecer o comportamento da variao da composio e da concentrao dos

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

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

considerada importante.

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

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

1981, p. 562):

nrAA

A CKdt

dC *= (3)

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

KA = constante de reao (dia-1)

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

segunda ordem, e assim por diante)

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

26

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

a) temperatura;

b) presena de catalisadores;

c) presena de substncias txicas;

d) disponibilidade de nutrientes e fatores de crescimento;

e) outras condies ambientais.

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

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

AA K

dtdC = (4)

Certas reaes catalisadoras ocorrem de acordo com esta cintica de ordem

zero.

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

concentrao da substncia A proporcional primeira potncia da concentrao:

AAA CK

dtdC *= (5)

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

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

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

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

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

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

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

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

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

27

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

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

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

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

ordem.

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

(t1 e t2), teremos:

= dtKCdC AAA (6) ou

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

tempo t : tK

otAeCC ** = (8)

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

proporcional segunda potncia da concentrao:

2* AAA CKdtdC = (9)

Nas reaes de segunda ordem pequenas mudanas na concentrao da

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

teremos:

12

12

11

ttCCK A

= (10)

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

de crescimento da populao segue uma cintica de segunda ordem.

28

Existem outros tipos de reaes que incluem reaes de ordem superior

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

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

ocorrem (exemplo: NH3 NO2- NO-).

3.3.2.3 Cintica da digesto anaerbia

A cintica do crescimento biolgico muito importante para o estudo do

processo de digesto anaerbia pois a cintica descreve o comportamento do

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

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

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

3.3.2.3.1 Crescimento bacteriano

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

EDDY, 1991, p. 370):

XrdtdX

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

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

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

sistemas contnuos.

29

3.3.2.3.2 Crescimento de substrato limite

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

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

SKS

S += max (12)

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

KS = constante de saturao (mg/l)

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

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

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

SKSXr

dtdX

Sg +==

**max (13)

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

crescimento bacteriano para as Metanognicas Metanotrix e Metanosarcina, que

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

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

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

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

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

30

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

e LETTINGA, 1994, p. II-7)

FIGURA 7 - TAXA DE CRESCIMENTO X CONCENTRAO DE ACETATO

0

0.05

0.1

0.15

0.2

0.25

0 100 200 300 400 500 600

Concentrao de acetato (mg/L)

Taxa

de

cres

cim

ento

(1/d

)

Ks2Ks1

Metanosarcina

Metanotrix

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

3.3.2.3.3 Crescimento bacteriano e Utilizao do substrato

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

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

seguinte relao foi desenvolvida relacionando o crescimento bacteriano com a

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

31

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

Y = coeficiente de produo celular (mg/mg)

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

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

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

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

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

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

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

32

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

0.05

0.10

0.15

0.5 1.0

Pette et al (1981)

Lettinga et al (1980)

Mximo terico

Young and McCarty (1967)

Frostell(1981)

Benjamin et al (1981)

Y - Coeficiente de produo observadoobs

(kgSSV/kgDQOsolvel removida)

(kgDQO/kgSSV * dia)Carga orgnica

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

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

)(***maxSKYSXr

Ssu +=

(15)

sabendo-se que

Yk max= (16)

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

)(**SKSXkr

Ssu += (17)

A cintica dos processos anaerbios envolve tambm processos de respirao

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

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

33

proporcional concentrao de microrganismos presentes no meio. O decaimento

bacteriano recebe a seguinte expresso:

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

kd = coeficiente de decaimento bacteriano (d-1)

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

definindo a taxa de crescimento lquido:

XkdSK

SXrS

g *)(**max' +=

(19)

XkdrYr sug **' = (20)

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

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

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

FIGURA 9 CURVA TPICA DO CRESCIMENTO BACTERIANO

0

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

34

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

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

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

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

20 *= TT rr (21)

onde: rT = taxa de reao TC

r20 = taxa de reao 20C

= coeficiente de atividade T = temperatura em C

Outras expresses foram desenvolvidas para expressar a cintica das reaes,

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

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

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

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

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

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

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

microbianos devem ser caracterizados. Devido s complexas interaes entre os

grupos microbiolgicos a maioria dos estudos cinticos dos processos de tratamento

anaerbio tem medido taxas associadas comunidades inteiras preferivelmente do que

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

Em conseqncia do crescimento na compreenso das interaes

microbiolgicas nos processos anaerbios, pesquisadores buscam modelar os sistemas

anaerbios incluindo as reaes dos grupos microbiolgicos mais importantes, como

35

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

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

respectivos s diversas fases da digesto anaerbia, vrios autores apresentam

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

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

laboratrio de 35C.

TABELA 7 - PARMETROS CINTICOS DE ACORDO COM VRIOS AUTORES

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Bactrias Acidogenicas 0,01 500 Bryers, 1985

Bactrias que degradam cido

propionico 0,0065 250 Gujer e Zehnder, 1983

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

36

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

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

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

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

experimentos realizados.

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

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

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

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

Os experimentos realizados por LAWRENCE e McCARTY2, apud GUJER e

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

apenas produtos intermedirios, revelaram os seguintes parmetros cinticos:

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

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