UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO GRANDE DO NORTE

CENTRO DE TECNOLOGIA

TRABALHO DE CONCLUSÃO DE CURSO

LUCAS DE MEDEIROS PAULINO

ESTUDO DA RETENÇÃO DE MATÉRIA ORGÂNICA E DA TAXA

DE INFILTRAÇÃO DE ESGOTO TRATADO LANÇADO EM SOLO

ARENOSO RECOBERTO COM GEOTÊXTEIS NÃOTECIDOS

Natal

2016

LUCAS DE MEDEIROS PAULINO

ESTUDO DA RETENÇÃO DE MATERIA ORGÂNICA E DA TAXA

DE INFILTRAÇÃO DE ESGOTO TRATADO LANÇADO EM SOLO

ARENOSO RECOBERTO COM GEOTÊXTEIS NÃOTECIDOS

Trabalho de Conclusão de Curso na modalidade Artigo Científico, submetido ao Departamento de Engenharia Civil da Universidade Federal do Rio Grande do Norte como parte dos requisitos necessários para a obtenção do Título de Bacharel em Engenharia Civil.

Orientador: Prof. Dr. Fagner Alexandre Nunes de França Co-orientadora: Prof. Isabelly Bezerra Braga Gomes de Medeiros

Natal

2016

RESUMO

A utilização de sistemas descentralizados para a disposição de esgoto ainda é

grande no Brasil, isso se deve à sua praticidade construtiva, ao baixo custo de

implantação e a ineficiência do sistema de esgotamento sanitário. Entretanto,

essa é uma prática que vem ocasionando a poluição do solo e de possíveis

fontes de águas subterrâneas, sendo a recuperação dessas áreas bastante

onerosa e por vezes ineficientes. Dessa forma, a utilização de geotêxteis surge

como uma alternativa para a preservação do solo e conservação da capacidade

de infiltração nesses sistemas, tendo em vista que parte da colmatação física

ocorrerá no geotêxtil. Ademais, sua utilização não compromete o funcionamento

do sistema adotado e há possibilidade de troca do geotêxtil quando o mesmo

apresentar sinais de colmatação. O presente trabalho tem como objetivo avaliar

a retenção da matéria orgânica em geotêxteis nãotecidos em dispositivos de

percolação em solo arenoso, associado com a taxa de infiltração do sistema.

Para isso, foram executadas e monitoradas três unidades de colunas de

infiltração, com as seguintes configurações: filtro de areia recoberto com

geotêxtil nãotecido de 130 g/m², filtro de areia recoberto com geotêxtil nãotecido

de 300 g/m² e filtro de areia sem geotêxtil. As unidades foram feitas em triplicatas

com a finalidade de proporcionar resultados com uma maior confiabilidade

estatística. A alimentação das colunas foi feita pelo efluente de um sistema de

tratamento composto por tanque séptico seguido de filtro anaeróbio, simulando

um afluente de sumidouro. Os sistemas foram alimentados continuamente sob

uma carga hidráulica constante de 10 centímetros sobre as colunas de

percolação, induzindo-as a condições anaeróbicas. O experimento foi operado

por 87 dias, porém, no 38ª dia, os geotêxteis de duas colunas de cada triplicata

foram substituídos, em virtude da quantidade de efluente coletado ser

insuficiente para a realização dos demais ensaios do experimento. No 36°e 52°

dias o solo de preenchimento de uma das colunas de percolação foi analisado

para obtenção do teor de matéria orgânica. Enquanto que os valores de

infiltração foram coletados durante todo o experimento.

Palavras-chave: Colmatação; Geotêxteis; Infiltração; Matéria Orgânica.

ABSTRACT

In Brazil is very common to use decentralized systems as sewage treatment

option, for they are simple to construct, they have low implantation costs and

basic sanitation systems are still in slow progress. However, those decentralized

systems are polluting soil and groundwater sources and recovering these areas

can be very expensive and even inefficient. With that in mind, using geotextiles

comes up as an alternative for soil preservation and for maintaining its capacity

of infiltration, because part of clogging will happen in the geotextile. Furthermore,

its utilization does not affect the system operation and with the possibility of

swapping the geotextile when it clogs. This study has as objective to evaluate the

retention of organic matter in a non-woven geotextile as also the infiltration rate

of the system. For this, were build three infiltration columns in triplicate, with the

following configuration: filter + sand covered with 130 g/m² geotextile, filter + sand

covered with 300 g/m² geotextile and filter + sand without geotextile, fed with the

effluent of a treatment system consisting of a septic tank followed by anaerobic

filter. The systems were continuously fed in a way that it was always maintained

constant hydraulic load of 10cm above the percolation columns, inducing them to

anaerobic conditions. The experiment was operated for 87 days; however, at the

38th day, the geotextiles of two columns of each triplicate were replaced, because

the amount of effluent was not enough for analysis. At the 38th and 52th day, the

soil used to fill the percolation columns was analyzed to obtain the organic matter

content. Meanwhile, the infiltration rate was measured during the whole study.

Keywords – Clogging; Geotextile; Infiltration; Organic matter.

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1 INTRODUÇÃO

De acordo com a NBR 13969/97, o sumidouro é a unidade de depuração

e de disposição final do efluente de tanque séptico verticalizado em relação à

vala de infiltração. Os mesmos consistem em escavações no solo com paredes

revestidas por pedras, tijolos ou anéis de concreto, perfurados de forma

planejada, de modo que, permita o correto funcionamento do dispositivo. Não

devem ser rejuntados, permitindo, assim, a infiltração do líquido no terreno.

Estão ocorrendo casos, cada vez mais frequentes, em que o sumidouro

está colmatando muito antes que o previsto. Isso pode estar ocorrendo em

virtude de o afluente do tanque séptico não apresentar uma redução de sólidos

totais esperada, ou por alguma particularidade do solo da região.

Palmeira (2003), define colmatação como o termo geral utilizado para

caracterizar o mau funcionamento de um meio filtrante, sendo causado pela

incompatibilidade entre as dimensões das partículas e dos poros do filtro. Dessa

incompatibilidade, resulta severa perda de capacidade de descarga, alterando

as condições inicialmente propostas para o regime de fluxo.

Com a finalidade de encontrar uma solução para a extensão da vida útil

dos sumidouros e diminuir a contaminação do solo, realizou-se o estudo da

infiltração de esgoto em solo coberto por geotêxtil, de modo que parte da

colmatação ocorra sobre este. Dessa maneira, em dispositivos como sumidouros

seria possível a substituição do geotêxtil e a continuação da utilização do

sistema.

A Sociedade Internacional de Geossintéticos (IGS) define os

geossintéticos como elementos planos, produzidos a partir de polímeros

sintéticos ou naturais, e utilizados em combinação com solo, rocha e/ou outros

materiais geotécnicos como parte integral de um projeto, estrutura ou sistema

em engenharia civil.

Os geotêxteis distinguem-se pelos elementos que os constituem, as

fibras, e também pela sua estrutura, resultante do processo de fabricação. Os

geotêxteis podem agrupar-se essencialmente em dois grandes grupos: tecidos

e nãotecidos. Obtém-se um geotêxtil tecido por entrelaçamento, geralmente em

ângulo reto, de dois filamentos, de vários feixes de filamentos ou em bandas. Os

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geotêxteis nãotecidos são constituídos por fibras orientadas direcional ou

aleatoriamente e ligadas em uma estrutura plana. Os geotêxteis apresentam

essencialmente cinco funções: proteção, separação, filtração, drenagem e

reforço. Nesse trabalho o geotêxtil foi utilizado por causa da sua propriedade de

filtração, além de possuir propriedades físicas compatíveis com os esforços

solicitantes.

Desta forma, este trabalho dará ênfase ao desempenho de geotêxteis

sob esgotos percolados, apresentando os parâmetros de retenção de matéria

orgânica e da taxa de infiltração de esgoto no solo.

2 MATÉRIAIS E MÉTODOS

Para avaliar e comparar o desempenho de geotêxteis quanto a sua taxa de

infiltração e a retenção de matéria orgânica, foi realizado um experimento com

disposição de esgotos tratados, com e sem a utilização de geotêxteis como

recobrimento superficial, em colunas de acrílico preenchidas com solo arenoso.

No presente trabalho foram utilizados dois tipos de efluentes: (a) proveniente do

sistema de tratamento de esgoto constituído por tanque séptico seguido de filtro

anaeróbio (TS+FAN), com carga hidráulica constante de 10 cm sobre a camada

filtrante de solo arenoso; (b) água potável captada de poço profundo.

O experimento foi conduzido sob três condições de operação

SG – sem cobertura de geotêxtil;

G130 – com cobertura de geotêxtil não tecido de gramatura 130

g/m²;

G300 – com cobertura de geotêxtil também não tecido, porém de

gramatura 300 g/m².

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Configuração experimental dos ensaios de percolação

Fonte: Adaptado de Medeiros (2016)

As colunas em acrílico possuem seção e base retangulares. Optou-se

por material transparente (acrílico) para que fosse possível realizar a análise

visual da colmatação do solo e do geotêxtil. Foram realizados experimentos em

triplicatas, as colunas têm lados de 4,5 cm, altura de 40 cm e sua base retangular

de dimensões 10,4 x 10,4 cm. As colunas foram cobertas externamente por

papel alumínio, para reduzir a incidência de radiação solar, bem como o aumento

da temperatura do sistema.

Para acondicionamento do sistema foi construído na Estação de

Tratamento de Esgoto (ETE) da UFRN um abrigo, que também serviu de suporte

para os reservatórios onde foram armazenados os afluentes. Os reservatórios

têm função de homogeneizar as vazões dos afluentes.

No 38ª dia de experimento, quando a taxa de infiltração nas colunas

G130 e G300 atingiram respectivamente 150 l/m2.dia e 106 l/m2.dia, tornou-se

inviável a coleta do efluente para realização dos ensaios de laboratório, tendo

em vista que as colunas possuíam uma área de infiltração muito pequena. Então,

deu-se início o procedimento de substituição dos geotêxteis, em duas das

configurações de cada repetição, abastecidas com TS+FAN. Assim, após a

troca, o sistema passou a funcionar em duplicata até o 86ª dia.

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2.1 CARACTERIZAÇÃO DO AFLUENTE

O afluente utilizado para a alimentação das colunas era proveniente de

tratamento anaeróbio, em sistema composto por tanque séptico seguido de filtro

anaeróbio, o qual operava na própria ETE-UFRN. A caracterização de

parâmetros importantes do afluente foi realizada e representada na Tabela 1.

Tabela 1 – Caracterização do efluente.

Parâmetro Valor

Turbidez (NTU) 43,97

pH 7,34

Nitrogênio amoniacal (mg N/l) 72,50

Nitrogênio orgânico (mg N/l) 4,25

Nitrogênio Total (mg N/l) 76,75

Nitrato (mg/l) 0,72

Fósforo total (mg/l) 8,87

Sólidos totais (mg/l) 526,14

Sólidos suspensos totais (mg/l) 36,14

Sólidos dissolvidos totais (mg/l) 490,00

Fonte: Medeiros (2016)

2.2 CARACTERIZAÇÃO DO SOLO

O solo utilizado no experimento foi uma areia com granulometria média

uniforme. As amostras tipo deformadas foram coletadas na Universidade Federal

do Rio Grande do Norte, que fica nas imediações do Parque das Dunas em

Natal/RN.

A coleta foi realizada de modo a conservar o teor de umidade de campo.

No laboratório, o solo secou naturalmente e foi peneirado (abertura da peneira:

2 mm), de forma a eliminar folhas, pedras ou qualquer constituinte que não

fizesse parte do mesmo. A caracterização física do solo foi realizada previamente

por FONTOURA (2015).

Índices físicos do solo empregado nas colunas

Índice físico Valor

Massa específica dos sólidos (g/cm³) 2,62

Coeficiente de uniformidade 1,86

7

Coeficiente de Curvatura 0,97

Diâmetro efetivo, D10 (mm) 0,15

Diâmetro médio, D50 (mm) 0,25

Índice de vazios mínimo 0,59

Índice de vazios máximo 0,80

Fonte: Medeiros (2016 apud Fountoura, 2015).

Curva da Distribuição Granulométrica da areia

0 .0 0 1 0 .0 1 0 .1 1 1 0

1 0 0

1 0 2 0

1 0 4 0

1 0 6 0

1 0 8 0

1 0 1 0 0

D iâ m e tro d a p a r t íc u la (m m )

Pe

rce

ntu

al

qu

e p

as

sa

FONTE: FONTOURA (2015)

2.3 ENSAIO DE TAXA DE INFILTRAÇÃO

O ensaio de taxa de infiltração foi realizado com carga hidráulica

constante em todas as colunas de solo. Medindo-se, o tempo necessário para a

coleta de determinado volume do efluente e, conhecendo a área da seção

transversal da coluna, foi possível a determinação da taxa de infiltração. Os

valores da taxa de infiltração foram coletados semanalmente e serão exibidos

em l/m².dia.

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2.4 ENSAIO DA RETENÇÃO DE MATÉRIA ORGÂNICA

Ao término da utilização de cada coluna de percolação, no 38o e no 52o

dia, o solo de preenchimento das mesmas foi analisado para obtenção do teor

de matéria orgânica ao longo da altura das colunas.

Para tanto, a coluna foi fracionada em camadas com espessura de 2,5

cm, obtendo-se oito camadas, nas quais foram quantificados os teores de

material orgânico. Desta forma, foi possível verificar em qual trecho da coluna

houve maior retenção de partículas.

O método da calcinação foi utilizado para determinação do teor de

matéria orgânica em cada camada de solo. Inicialmente as amostras foram

secas por 24 horas a 105ºC, pesadas e posteriormente levadas à mufla, onde

permaneceram por 5 horas à uma temperatura de 550ºC. Em seguida, cada

amostra foi pesada novamente e a diferença entre o peso inicial e o final,

correspondeu ao teor de matéria orgânica (adaptado de DAVIES, 1974).

3 RESULTADOS E DISCUSSÃO

Nesta seção serão discutidos os resultados encontrados no que diz

respeito ao teor de matéria orgânica presente no solo e da taxa de infiltração do

sistema.

3.1 MATÉRIA ORGÂNICA

Ao término da análise da matéria orgânica presente no solo, notou-

se que a mesma se acumula preferencialmente nas camadas mais superficiais

do solo e que o geotêxtil, principalmente o G300, provocou uma redução

significativa na quantidade de matéria orgânica presente no solo, em relação as

demais colunas (SG e G130).

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O gráfico acima mostra a matéria orgânica em função da profundidade,

por litro de esgoto percolado. Dessa maneira, a interpretação da curva SG aos

38 dias, seria: para cada litro de esgoto percolado, na profundidade de 5 cm,

ficou retido aproximadamente 0,005 g de matéria orgânica no solo. O mesmo

raciocínio pode ser utilizado para as demais curvas.

Analisando os resultados aos 52 dias, depois que a troca do geotêxtil já

foi efetuada, percebe-se uma redução da matéria orgânica de aproximadamente

3,5 vezes nas camadas mais superficiais, quando comparamos o G300 com o

SG, e essa redução ainda aumenta com a profundidade.

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3.2 TAXA DE INFILTRAÇÃO

A taxa de infiltração das colunas com geotêxtil foi um pouco menor do que

quando comparada com a coluna contendo somente o solo, tendo em vista que

o geotêxtil atua como uma barreira física, causando uma perda de carga o que

dificulta a infiltração do percolado.

No 38o dia de experimento foi necessária a realização da troca de geotêxtil

por falta de efluente para a realização de ensaios. Dessa maneira foi utilizada a

taxa de infiltração da coluna sem geotêxtil no 38o dia, como a taxa de infiltração

limite do experimento.

No 38o dia a taxa de infiltração do SG foi de 216,8 l/m2.d, para o G130

essa taxa de infiltração foi alcançada no dia 25,5, dessa maneira o G130 atingiu

a taxa limite em 67,1% do tempo referente a SG. Para a G300 a taxa limite foi

atingida no dia 25, atingido a taxa limite em 65,8% do tempo necessário á SG.

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Depois de efetuada a troca de geotêxtil é possível observar um aumento

na taxa de infiltração, porém esse aumento é seguido de uma queda brusca. No

G130 a taxa de infiltração subiu de 150,46 l/m2.d para 1587,54 l/m2.d, entretanto

passando-se aproximadamente 7 dias a taxa voltou para a casa dos 150 l/m2.d.

Com o G300 a taxa subiu de 106,52 l/m2.d para 1271,69 l/m2.d, sendo

necessários aproximadamente 15 dias para retornar ao valor de antes da troca.

4 CONCLUSÃO E RECOMENDAÇÕES

É possível perceber que o geotêxtil, principalmente o G300,

desempenhou uma função bastante satisfatória com relação a retenção de

matéria orgânica, proporcionando uma redução significativa no nível da mesma

no solo, contribuindo com a manutenção da capacidade infiltração.

No que se refere a taxa de infiltração, os sistemas antes da troca de

geotêxtil apresentaram uma redução da taxa de infiltração muito rápida,

decorrente da forma de alimentação dos sistemas (carga hidráulica constante);

já após à troca, houve um aumento expressivo na taxa de infiltração, seguido da

mesma tendência verificada anteriormente, rápida diminuição.

Para a realização de futuros trabalhos recomenda-se substituição da

alimentação do sistema de fluxo contínuo com carga constante por fluxo em

batelada, de modo a se aproximar do sistema fossa séptica mais sumidouro

convencional; a realização de mais trocas do geotêxtil, de modo a analisar o

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comportamento do mesmo durante as trocas subsequentes e durante essas

trocas, realizar a retirada da camada superior do solo, onde está acumulado a

maior parte de sólidos e da matéria orgânica.

.

REFERÊCIAS

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