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Vol. 8, n. 2, 2013

EDITORIAL

Fico muito feliz em escrever o editorial deste segundo número do volume 08 ...
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IMPLANTAÇÃO DE WETLANDS CONSTRUÍDAS EM ESCALA REAL
PARA O TRATAMENTO DE ESGOTO...
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demonstra a técnica e materiais utilizados na construção de sistemas de wetlan...
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1. INTRODUÇÃO

Os recursos hídricos têm implicações importantes para uma série...
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2. REVISÃO DA LITERATURA

No Brasil, os investimentos em sistemas descentraliz...
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sistemas de wetlands construídos em pequenas cidades e vilarejos para o tratam...
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al., 2005). Outros estudos focaram no tratamento de esgoto bruto e esgotos dom...
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2013).
O bairro em questão é um exemplo de comunidade isolada e carente em
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(WC) seguido de sumidouro. Esclarece-se aqui, que o dimensionamento seguiram a...
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beneficiado.
Os WC híbridos são constituídos de uma associação em série dos we...
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Figura 1: Exemplo das Macrófitas utilizadas no estudo

4. RESULTADOS E DISCUSS...
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A construção dos sistemas é relativamente simples. A construção das wetlands
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4.2 Wetlands construídos

O sistema de alimentação da WC de fluxo horizontal i...
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Para sustentação do módulo horizontal da WC-Híbrida foi instalado uma armação
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sólidos superiores a 90%. Em relação à remoção dos nutrientes, a WC-Híbrida po...
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7. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS

ANSOLA, Gemma; GONZÁLEZ, Juan Manuel; CORTIJO, ...
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DIERBERG, Forrest E; DEBUSK, Thomaz A; JACKSON, Scott D.; CHIMNEY; M.J.;
and P...
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SOLANO, M.L., SORIANO, P., CIRIA, M.P. Constructed wetlands as a sustainable
s...
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DIMENSIONAMENTO DE UM REATOR UASB PARA O TRATAMENTO DE
ÁGUAS RESIDUÁRIAS DE SU...
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respectivamente. Além disso, considerando o teor de 75% de gás metano, a água
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1.

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INTRODUÇÃO

O Brasil possui o quarto plantel de suínos do mundo, sendo a s...
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Figura 1: Fluxo ascendente em um reator com leito de lodo denso.

Um dos princ...
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A alta geração de resíduos provenientes da suinocultura tem como principal
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de ser uma solução apropriada para regiões de clima tropical (CAMMAROTA, 2003)...
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Tabela 1: Eficiência no tratamento de águas residuárias de suinocultura com
re...
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Tabela 2: Característica das águas residuárias de suinocultura.
Categoria
Este...
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UASB, para tratamento de águas residuárias de suinocultura localizada em uma F...
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4.3.

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Dimensionamento do reator

Conforme metodologia adaptada a partir de CHE...
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Onde:

𝑉 = 𝑇𝐷𝐻 ∗ 𝐷

𝑚é𝑑𝐵𝑎

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V: volume total do reator (m³)
TDH: tempo de d...
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DHQmáx: tempo de detenção hidráulico da vazão máxima (horas)
V: volume total d...
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A correta distribuição do esgoto, de modo a garantir um contato efetivo com a
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0,35: constante empírica.
𝐸 𝐷𝐷𝐷 = 100 ∗ (1 − 0,70 ∗ 𝑡 −0,50 )

[12]

Onde:
EDB...
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CHERNICHARO (2007), a determinação da parcela de DQO convertida em gás metano
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𝑄 𝐵𝐵𝐵𝐵á𝑠 =

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𝑄 𝐶𝐶4

𝐶 𝐶𝐶4

Onde:
Qbiogás: produção volumétrica de biogás (...
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2.280,60

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EDQO (%)

67

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(KgSST/di...
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Figura 2: Reator anaeróbio de manta de lodo.

Devido à alta carga de matéria o...
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baixa produção de lodo e o lodo em excesso já sai estabilizado e com elevada
c...
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DARTORA,V.; PERDOMO, C.C.; TUMELERO, I.T. Manejo de dejetos suínos.
Concórdia:...
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tratamento de efluente de suinocultura. Revista Brasileira de Agrociência, v.1...
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DIMENSIONAMENTO DE UM SISTEMA DE CAPTAÇÃO DE ÁGUA
PLUVIAL PARA USO DOMÉSTICO E...
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um sistema de captação para uma residência com 525m², no município de São Bern...
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1.

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INTRODUÇÃO

A água é o símbolo comum da humanidade, respeitada e valorizad...
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água pluvial para uma residência hipotética, cuja área de cobertura é de 525m²...
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lavar roupa, que gastam em média 155 litros por lavagem (Tajiri, Cavalcanti e ...
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armazenada no reservatório inferior para um reservatório
elevado; (vi) Válvula...
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Todas as águas do município pertencem a duas bacias hidrográficas fundamentais...
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Considerando uma residência hipotética com área de 525 m² (21m x 25m), no
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água precipitada (Oliveira, 2008). O coeficiente de Runoff varia entre 0,90 a ...
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Para o dimensionamento da tubulação vertical deve-se considerar a vazão
calcul...
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TORRES, MORAES e JÚNIOR, 2012). Além disso, os filtros lentos de areia também
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V

Q=T
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(vi) Tubulação interna

De acordo com o Zocoler et. al (2004), o d...
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∅ = diâmetro da tubulação

Re = Número de Reynolds

V = velocidade de escoamen...
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Hr =f x
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x

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2.g

Onde:
Hr = perda de carga do recalque
f = fator ...
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Onde:
H = altura manométrica da bomba que se deseja obter
h = perda de carga t...
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Figura 03 - Sistema de Captação de Água da Chuva.

Para o dimensionamento da c...
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projetista. Considerando o mês mais chuvoso, cuja vazão é de ou 4,08 m³/dia, o...
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A InterfacEHS é uma Publicação Científica do Centro Universitário Senac que publica artigos científicos originais e inéditos, resenhas, relatos de estudos de caso, de experiências e de pesquisas em andamento nas áreas de Saúde, Meio Ambiente e Sustentabilidade.

Confira na edição Vol. 8 n.2 o dossiê “Biotecnologia” e artigos relacionados aos assuntos:

- Cosmetologia genética
- Alternativas para redução de CO2
- Sistema de captação de água pluvial

Entre outros!

Acesse a revista na íntegra!

http://www3.sp.senac.br/hotsites/blogs/InterfacEHS/

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Revista InterfacEHS edição completa Vol. 8 n2

  1. 1. ISSN 1980-0894 Vol. 8, n. 2, 2013 EDITORIAL Fico muito feliz em escrever o editorial deste segundo número do volume 08 de InterfacEHS – Revista de Saúde, Meio Ambiente e Sustentabilidade, que tem como Dossiê “Biotecnologia”. Satisfeita porque, a revista continua mantendo excelente padrão de qualidade com artigos sendo avaliados por “peer review”. Outro motivo da minha alegria é o fato de estarmos cumprindo o compromisso de produzir uma publicação que abrange as áreas de saúde, meio ambiente e sustentabilidade. O leitor poderá confirmar por si o Dossiê sobre Biotecnologia tratado pelos artigos: “Implantação de wetlands construídas em escala real para o tratamento de esgoto sanitário em residências da Barra do Ribeira no município de Iguape – São Paulo” e “Dimensionamento de um reator anaeróbio de fluxo ascendente para tratamento de efluente de suinocultura”. O conteúdo desta publicação é, ainda, ricamente abordado o estudo de caso de uma empresa certificada com manejo florestal, seguindo o dimensionamento de um sistema de captação de água pluvial para uso doméstico em são Bernardo do Campo – SP e a atuação da cosmetologia genética sobre os tratamentos antienvelhecimento. Segue a Seção InterfacHES contendo artigos produzidos por dois alunos do Curso de Bacharelado em Engenharia Ambiental e Sanitária, intitulados: “Processos de preparação de restos mortais humanos: Identificação dos contaminantes químicos e dos resíduos da saúde” e “Células a combustível como alternativa para redução de CO2 equivalente na frota de veículos leves”. Boa leitura a todos! Emília Satoshi Miyamaru Seo Editor 1
  2. 2. ISSN 1980-0894 Dossiê, Vol. 8, n. 2, 2013 IMPLANTAÇÃO DE WETLANDS CONSTRUÍDAS EM ESCALA REAL PARA O TRATAMENTO DE ESGOTO SANITÁRIO EM RESIDÊNCIAS DA BARRA DO RIBEIRA NO MUNICÍPIO DE IGUAPE – SÃO PAULO IMPLEMENTATION OF CONSTRUCTED WETLANDS IN REAL SCALE FOR THE TREATMENT OF WASTEWATER IN RESIDENCES OF BARRA DO RIBEIRA AT MUNICIPALITY OF IGUAPE - SÃO PAULO BUENO, R. F. 1 FIORE, F. A. 2 VICTORETTI, M. 3 INÁCIO, A. R. 4 CAPELLARI, B. 5 CHAGAS, R. K. 6 RESUMO Sistemas de tratamento de esgotos que integram a tecnologia de tratamentos naturais como as wetlands construídas são alternativas ao tratamento de esgotos sanitários provenientes de comunidade isoladas, ou seja, residências de baixa renda ou de pequenas coletividades, sob a perspectiva da descentralização. O presente estudo 1 Doutorando em Engenharia Civil pela Escola Politécnica da Universidade de São Paulo; Professor Pesquisador do Centro Universitário Senac. Avenida Engenheiro Eusébio Stevaux, 823 - Santo Amaro, São Paulo – SP. E-mail: rodrigo.fbueno@sp.senac.br 2 Doutora em Engenharia Civil pela Universidade de Campinas; Coordenadora do curso de Engenharia Ambiental do Centro Universitário Senac. 3 Graduação em Engenharia Ambiental pelo Centro Universitário Senac. 4 Graduação em Engenharia Ambiental pelo Centro Universitário Senac. 5 Doutor em Geografia pela Universidade de São Paulo; Professor Pesquisador do Centro Universitário Senac. 6 Doutor em Dinâmica Florestal pela Universidade de São Paulo; Professor Pesquisador do Centro Universitário Senac. 2
  3. 3. ISSN 1980-0894 Dossiê, Vol. 8, n. 2, 2013 demonstra a técnica e materiais utilizados na construção de sistemas de wetlands construídas na Barra do Ribeira, município de Iguape, no estado de São Paulo. Esta tecnologia possui custos reduzidos para implantação e manutenção, e mostra-se eficiente na remoção de poluentes, afirmando sua aplicação em regiões onde não há coleta e tratamento de esgotos. Palavras-chave: Zonas de raízes, wetlands construídos, saneamento descentralizado, tratamento de esgoto sanitário. ABSTRACT Sewage treatment systems that integrate the technology of natural treatments such as constructed wetlands are alternatives to the treatment of wastewater from isolated community, other words, low-income households or small communities, from the perspective of decentralization. The present study demonstrates the technique and materials used in the construction of constructed wetlands systems in Barra do Ribeira, municipality of Iguape, in the state of São Paulo. This technology has reduced costs for implementation and maintenance, and proves efficient in removing pollutants, affirming its application in areas where there is no collection and treatment of sewage. Key-words: Root zones, constructed wetlands, decentralized sanitation, wastewater treatment. 3
  4. 4. ISSN 1980-0894 Dossiê, Vol. 8, n. 2, 2013 1. INTRODUÇÃO Os recursos hídricos têm implicações importantes para uma série de campos com interesses convergentes em reduzir “vulnerabilidades" e "resistências crescentes", incluindo desenvolvimento comunitário, gestão de ecossistemas, preparação para desastres, sustentabilidade e saúde pública. A rápida expansão das áreas urbanas e industriais é frequentemente associada com grande volume de geração de efluentes, que requer tratamento extensivo antes da disposição final em sistemas aquáticos. Nos países em desenvolvimento, apenas uma pequena parcela de esgotos produzidos é tratada por estações de tratamento de esgotos. A disposição contínua de esgotos podem produzir danos irreversíveis ao meio ambiente e à saúde humana. O lançamento de esgotos domésticos sem tratamento ou parcialmente tratados nos cursos d´água são fatores de risco, em decorrência da presença de patógenos presentes nos excretas e do excesso de nutrientes. A remoção do nitrogênio e do fósforo existente no esgoto sanitário tem sido cada vez mais necessária dada à necessidade de se controlar o processo de eutrofização dos corpos d’água, cujos efeitos maléficos são amplamente conhecidos. As cidades pequenas, médias e nas metrópoles no Brasil, onde não há espaço e nem recursos para investimento para construção de grandes estações de tratamento de esgotos, além da ocupação em áreas de risco por comunidades de baixa renda, há uma necessidade crescente de investimento em inovação e em tecnologias. Dentre as tecnologias disponíveis os processos naturais de tratamento mostram-se promissores. As condições climáticas no Brasil favorecem a aplicação de sistemas naturais como as wetlands construídas e podem ser aplicados de acordo com o contexto local, apresentando diversas vantagens como: auxílio na gestão integrada dos recursos hídricos; reciclagem de nutrientes; auxílio no ciclo da água; redução dos impactos das enchentes na drenagem urbana; melhoria do microclima local com a recuperação de habitats em áreas próximas a córregos, rios e represas. Dentro deste contexto, este estudo de caso refere-se a uma discussão sobre os materiais e técnicas utilizados na implantação de unidades demonstrativas em escala real de sistemas de tratamento de esgoto por meio de wetlands construídas em residências da Barra do Ribeira do município de Iguape, São Paulo. 4
  5. 5. ISSN 1980-0894 Dossiê, Vol. 8, n. 2, 2013 2. REVISÃO DA LITERATURA No Brasil, os investimentos em sistemas descentralizados ainda são escassos e o mesmo acontece para o uso de tecnologias simplificadas. O clima tropical do Brasil pode ser uma vantagem para o tratamento de esgotos por processos naturais e sistemas descentralizados com baixos custos de construção, gestão e manutenção. Dentre os principais processos naturais estão: 1) Tecnologias anaeróbicas, tais como lagoas anaeróbias e reatores UASB; e 2) Tecnologias fotossintéticas, como lagoas facultativas, maturação e sistemas de zonas de raízes “wetlands construídas”. Os sistemas wetlands ocorrem em ecossistemas naturais (mangues, pantanal, zonas de raízes com transição entre ecossistemas aquáticos e terrestres) em todos os continentes, com exceção da Antártica. No Brasil, as “wetlands” são reconhecidas como as várzeas dos rios e brejos e podem ser encontradas na bacia do rio Amazonas, no Pantanal, em formações lacustres de baixa profundidade, em zonas úmidas de regiões tropicais e subtropicais como os manguezais brasileiros. Como característica principal dessas áreas naturais tem-se a saturação com água, de forma permanente ou sazonalmente, de tal forma que ela assume as características de um ecossistema distinto com vegetação característica e adaptada às condições originais do solo como as macrófitas ou plantas aquáticas (Salati et al., 2009; Keddy, 2010). Quanto aos sistemas de wetlands construídos, os mesmos foram projetados para terem funcionamento semelhante ao que ocorre nos sistemas naturais, mas dentro de um sistema com mais controle (Wang et al., 2009). Muitos estudos confirmaram os benefícios dos sistemas de wetlands construídos tais como a eficiência elevada de purificação, consumo de CO2 e produção de O2, o custo relativamente baixo, fácil manutenção, além de ser uma tecnologia sustentável e integrada ao manejo de recursos hídricos, auxiliando na manutenção do ciclo hidrológico (Gross et al., 2008). De acordo com Cole (1998), o uso de sistemas de wetlands construídos está bem consolidado na Europa, onde a tecnologia se originou há cerca de 30 anos na Alemanha, sendo que a norma estabelece o uso de sistemas de fluxo subsuperficial, pois o tratamento é mais intensivo e em menor espaço em regiões com restrição de área. De fato, na Europa, há preferência para sistemas de tratamento de esgotos compactos e descentralizados, onde o espaço aberto é limitado. Na Dinamarca existem cerca de 150 5
  6. 6. ISSN 1980-0894 Dossiê, Vol. 8, n. 2, 2013 sistemas de wetlands construídos em pequenas cidades e vilarejos para o tratamento de esgotos domésticos. Na Polônia existem cerca de 100 sistemas. Os sistemas de wetlands construídos na América do Norte foram concebidos principalmente para o tratamento de esgotos domésticos em grande escala. Por meio de uma pesquisa em 1993, cerca de 300 sistemas de wetlands construídos foram avaliadas para o tratamento de esgotos, demonstrando o desempenho para a mistura de tipos de sistemas, sendo que a Demanda Bioquímica de Oxigénio (DBO) foi reduzida de 73% para 8 mg/L, sólidos totais em suspensão foram reduzidos em 72% (13 mg/L), nitrogênio total foi reduzido em 53% (4,5 mg/L), e de fósforo total foi reduzido em 56% (1,7 mg/L). Desde os anos 90, cerca de 70 sistemas de wetlands construídos foram implantados em escala real para tratamento de efluentes industriais, agrícolas, escoamento de drenagem pluvial e de efluentes de atividades agropecuárias. Esses foram desenvolvidos para tratar efluentes de suínos, gado e produção de laticínios, predominantemente, no estado de Kentucky (EUA). Na Flórida, o sistema de wetland foi implementado para controle de águas pluviais como reservatórios de contenção, promovendo a restauração de habitats e da biodiversidade (Cole, 1998). Gross et al. (2008) verificaram a eficiência na redução da concentração da DBO, sólidos em suspensão e dos nutrientes como Nitrogênio e Fósforo, além de contribuir na redução de metais, compostos químicos orgânicos e de patógenos. Além disso, observaram que os sistemas de wetlands construídos estão integrados à paisagem, fornecem habitat para os seres vivos e para a qualidade de vida dos seres humanos. Dentre alguns dos benefícios indiretos estão: a redução do impacto das chuvas em áreas de drenagem; aplicação de tecnologia natural para a gestão integrada de recursos hídricos em bacias hidrográficas; e inovação em tecnologia para melhoria do microclima com o aumento de áreas úmidas em escala local. Entretanto, tais sistemas precisam de manutenção adequada, pois a falta de componentes operacionais pode levar a uma sobrecarga de oxigênio, perda da eficiência da remoção de demanda bioquímica de oxigénio (DBO) e de compostos nitrogenados, resultando na produção de odor e formação de criadouros de mosquitos vetores (Mara, 2004). Vários estudos foram realizados em diversas regiões do mundo, utilizando o sistema de wetland construído para o tratamento de esgotos em nível secundário e terciário (Gomez Cerezo et al., 2001; Rousseau et al., 2004; Greenway, 2005; Toet et 6
  7. 7. ISSN 1980-0894 Dossiê, Vol. 8, n. 2, 2013 al., 2005). Outros estudos focaram no tratamento de esgoto bruto e esgotos domésticos (Ansola et al., 2003; Belmont et al., 2004; Solano et al., 2004; Brix and Arias, 2005), para água de chuva (Walker, 2001), (Dierberg et al., 2002), escoamento de aquacultura (Tilley et al., 2002), escoamento em rodovias (Shutes et al., 1999), efluente da agroindustria (Knight et al., 2000) e chorume de aterros sanitários (Bulc et al., 1997). Diversos são os tipos de sistemas de wetland construídos que podem ser empregados no tratamento de esgotos como: wetlands com plantas flutuantes, wetlands com plantas emergentes, sistemas de macrófitas com fluxo superficial, sistema de wetland de fluxo horizontal subsuperficial, sistema de wetland de fluxo vertical, sistemas com macrófitas fixas submersas, sistemas de wetlands com solos filtrantes e sistemas de wetlands combinados (Kivaisi, 2001; Griggs & Grant 2001; Weedon, 2001; Salati et al., 2009). 3. MATERIAIS E MÉTODOS 3.1 Caracterização da área de estudo O projeto foi realizado no bairro Barra do Ribeira, na cidade de Iguape, localizada no Vale do Ribeira, que compreende a bacia hidrográfica do rio Ribeira de Iguape com área de 24.980 km2 abrangendo 23 municípios paulistas e 5 paranaenses (ISA, 2001). A cidade de Iguape encontra-se no litoral sul do Estado de São Paulo e é tombada como patrimônio histórico pelo Condephaat. Devido a sua beleza histórica e as riquezas naturais da cidade, o turismo torna-se sua principal fonte de renda (Ministério do Turismo, 2013). Iguape é considerada uma ilha artificial por ter sido originada pela abertura de um canal de ligação entre o Mar Pequeno e o Rio Ribeira de Iguape em 1832 (LIMA, 2010), e serviu de porta de entrada para o interior do Estado, através do Rio Ribeira. Segundo Queiroz (1999), a região é caracterizada por restinga, que necessita da manutenção do seu equilíbrio natural para fixar as dunas, estabilizar mangues e proporcionar um ambiente de reprodução para muitos animais aquáticos. O bairro Barra do Ribeira, localizado a 20 km do centro de Iguape, está cercado de belezas naturais, atraindo turistas à praia da Juréia, trilhas, cachoeiras, rios, lagos e fica próxima a entrada da Estação Ecológica Juréia-Itatins, onde a visitação pública é proibida, por ser uma Unidade de Conservação de uso integral (Ministério do Turismo, 7
  8. 8. ISSN 1980-0894 Dossiê, Vol. 8, n. 2, 2013 2013). O bairro em questão é um exemplo de comunidade isolada e carente em saneamento básico. A baixa renda predomina entre os moradores, advinda da pesca e/ou do turismo. O bairro não possui rede coletora de esgoto, tampouco tratamento adequado, o esgoto gerado no bairro é direcionado à ‘fossas negras’, que são buracos abertos no solo, sem qualquer impermeabilização e que possibilitam a infiltração do esgoto, e o lençol freático encontra-se próximo à superfície, condições que proporcionam a contaminação do solo e corpos d’água da região (BRAGA, 2005; Comitê da Bacia Hidrográfica do Ribeira de Iguape e Litoral Sul, 2011; ITESP, 2008; PAIVA, 2009; VON SPERLING 1996). Nos períodos de alta temporada do turismo, nos quais a população aumenta extraordinariamente, são notáveis o mau odor e a proliferação de doenças (WILDERER, 2001; QUEIROZ, 1999). 3.2 Escolha do local de implantação dos sistemas de tratamento Após avaliação técnica e socioeconômica foram escolhidas 02 residências no Bairro da Barra do Ribeira em Iguape para implantação dos sistemas de tratamento de esgoto. Os principais critérios de escolha foram: necessidade de tratamento, ou seja, residências sem nenhum tipo de tratamento de esgoto, moradores locais e renda familiar. As duas residências se encontram a 200 metros da praia da Juréia, enquanto a residência 2 ainda encontra-se a 150 metros do rio Ribeira de Iguape, evidenciando a necessidade do tratamento adequado do esgoto gerado. As famílias residentes nas casas escolhidas possuem baixa renda familiar vinda, principalmente, da pesca e, não possuíam qualquer sistema para disposição do esgoto, nem mesmo a ‘fossa negra’, o esgoto era encaminhado para fora da residência e disposto na superfície do solo, gerando mau cheiro e possibilitando o desenvolvimento de vetores de doenças. 3.3 Dimensionamento dos sistemas de tratamento O projeto propôs, para as duas residências, a construção de um sistema constituído de caixa de gordura, tanque séptico, filtro anaeróbio, wetland construído 8
  9. 9. ISSN 1980-0894 Dossiê, Vol. 8, n. 2, 2013 (WC) seguido de sumidouro. Esclarece-se aqui, que o dimensionamento seguiram as recomendações previstas nas normas da ABNT/NBR 7229 (1993) e ABNT/NBR 13969 (1997) respectivamente. Devido ao amplo conhecimento do dimensionamento dos sistemas de tanque séptico e filtro anaeróbio o estudo abordará os critérios de escolha das WC. 3.4 Wetlands Construídos (WC) Os wetlands construídos (WC) podem apresentar 2 regimes de escoamento: superficial e subsuperficial. No primeiro, a lâmina d’água permanece acima do material filtrante, formando uma lâmina livre, enquanto no segundo, a lâmina d’água permanece logo abaixo do limite do material filtrante. Para compor os sistemas propostos nesse projeto foi escolhido o regime de escoamento subsuperficial que diminui, significativamente, a possibilidade de desenvolvimento de animais vetores de doenças, como mosquitos e moscas, além de evitar o mau cheiro e dificultar o contato direto entre as pessoas e o esgoto. Wetland de escomento subsuperficial podem apresentar-se em 3 modalidades de fluxo: horizontal, vertical (neste caso, descendente) e, híbrido que associa os dois anteriores. Nos WC de fluxo horizontal o esgoto a ser tratado é inserido na zona de entrada do leito, e, impulsionada por uma declividade de fundo do leito, percola pelo material de enchimento horizontalmente até a zona de saída. Esta configuração possui, de forma geral, boa performance na remoção da matéria orgânica e sólidos (Cooper et al., 1996), além de apresentar simplicidade e baixo custo construtivo e operacional. Porém, conforme citado por Philippi & Sezerino (2004), esse tipo de sistema possui uma limitada capacidade de transferência de oxigênio, que limita o processo de nitrificação. Nos WC de fluxo vertical o esgoto a ser tratado é inserido intermitentemente sobre a superfície do filtro e percolado verticalmente. Da mesma forma que nos wetlands de fluxo horizontal, seu interior é preenchido por material filtrante e as macrófitas são plantadas diretamente sobre ele. O efluente tratado é coletado no fundo por um sistema de drenagem. Segundo Drizo et al. (1997 apud CAMPOS), a remoção de nitrogênio é muito dependente do suprimento de oxigênio do sistema, e nos wetlands de fluxo vertical a aplicação intermitente de carga proporciona maior oxigenação do sistema, e com o interior do sistema em condições aeróbias, o processo de nitrificação é 9
  10. 10. ISSN 1980-0894 Dossiê, Vol. 8, n. 2, 2013 beneficiado. Os WC híbridos são constituídos de uma associação em série dos wetlands de fluxo horizontal e vertical. Nestes sistemas, as vantagens e desvantagens dos FV e FH podem ser combinadas de maneira a complementar cada um deles individualmente. É possível produzir um efluente com baixa concentração de matéria orgânica, completamente nitrificado e parcialmente desnitrificado. (PHILIPPI & SEZERINO, 2004) A vantagem dessa associação é obter boa taxa de nitrificação no sistema de fluxo vertical, uma vez que são bem oxigenados, e, no sistema de fluxo horizontal, obter boa taxa de desnitrificação, pois nesse tipo de sistema é encontrada uma condição de anoxia, que favorece o processo. 3.5 Escolha da vegetação As macrófitas são vegetais superiores que apresentam adaptações morfológicas e/ou fisiológicas que permitem a sobrevivência e desenvolvimento em ambientes saturados de água. Para os WC das casas 1 e 2 foram escolhidas macrófitas de acordo com sua resistência, se eram nativas, e apresentação estética, visando um ambiente agradável na casa receptora do sistema de tratamento. As espécies foram cedidas pelo Viveiro Itubanaiá localizado no município de Miracatu, próximo ao local de estudo. As espécies foram: Rainha-do-lago (Potenderia cordata L.) que é tolerante ao frio, multiplica-se rapidamente, é nativa da América tropical e apresenta flores violetaarroxeadas; Lírio-do-brejo (Hedychium coronarium), apresenta flores brancas e perfumadas, nativa das Américas; Papirinho (Cyperus prolifer), tem grande efeito ornamental, pouco sensível a baixas temperaturas; Inhame-preto (Colocasia esculenta var. aquatilis) de folhagem decorativa, flexibilidade de cultivo a pleno sol ou a sombra; Inhame-imperial (Colocasia esculenta var. illustris) apresenta flexibilidade de cultivo a pleno sol ou a sombra (LORENZI & SOUZA, 2008). As macrófitas foram plantadas alternando-se as espécies e obedecendo ao critério de 4 mudas a cada m² , conforme literatura. Na figura 1 é possível observar as principais espécies utilizadas no estudo. 10
  11. 11. ISSN 1980-0894 Dossiê, Vol. 8, n. 2, 2013 Figura 1: Exemplo das Macrófitas utilizadas no estudo 4. RESULTADOS E DISCUSSÕES 4.1 Sistemas de tratamento Mediante os princípios do projeto foram construídos 02 sistemas de tratamento de esgoto sanitário para no máximo 5 habitantes/ dia. Cada wetland construída (WC) teve como pré-tratamento caixa de gordura, tanque séptico e filtro anaeróbio. A WC da residência 1, foi de fluxo horizontal com alimentação sub-superficial onde se obterá somente a remoção de material orgânico e a WC implantada na residência 2 foi híbrida, com fluxo vertical seguida de fluxo horizontal onde se obterá a remoção conjunta de matéria orgânica e nutrientes. A Tabela 1 mostra as principais dimensões das unidades de tratamento levando em conta as instruções normativas e conhecimento da literatura. Tabela 1: Principais dimensões e características dos sistemas de tratamento implantados ETAPA DE RESIDÊNCIA 1 RESIDÊNCIA 2 TRATAMENTO Caixa de Gordura 20 litros 20 litros Tanque Séptico 1000 litros 1000 litros Filtro Anaeróbio 1000 litros 1000 litros Wetland Construída 10 m2 10 m2 2 * A área das wetlands foi considerada de ± 2m /hab., valor recomendado pela literatura. 11
  12. 12. ISSN 1980-0894 Dossiê, Vol. 8, n. 2, 2013 A construção dos sistemas é relativamente simples. A construção das wetlands pode ser realizada por meio de lona plástica, no entanto o material deve garantir a impermeabilização do solo. Esse tipo de material é recomendado onde há uma grande variação do lençol freático garantindo uma resistência mecânica no sistema. A alternativa é a construção em alvenaria, essa mais recomendada, pois permite uma melhor impermeabilização e resistência ao tempo. Em relação ao tanque séptico e ao filtro biológico, os sistemas podem ser realizados com material alternativo, como é o caso do uso de containers de transporte de líquidos, bombonas de poliuretano, etc. No entanto, recomenda-se o uso de alvenaria clássica devido à durabilidade e manutenção do sistema ao decorrer dos anos, conforme disposto na ABNT/NBR 13969 (1997). O sistema implantado na residência 1 foi realizado em alvenaria, tendo como meio suporte no filtro anaeróbio e na WC pedra britada número 2. Na residência 2, os sistemas foram realizados em alvenaria, com exceção da WC de fluxo horizontal que foi realizada com lona plástica Agrofort 250 micras. A declividade do solo no interior das wetlands foi ajustada a uma queda de 3% para promover o escoamento satisfatório do esgoto dentro da unidade. Seguindo as dimensões sugeridas, os custos de materiais para cada sistema de tratamento (completo) foi em média de R$1.500,00 (um mil e quinhentos reais), desconsiderando a mão de obra, a qual foi realizada pelos próprios moradores locais. A Figura 2 mostra os sistemas de tanque séptico e filtro anaeróbio implementados nas residências. Figura 2: Tanque séptico e filtro anaeróbio fase de implantação. Residência 12 1 (A) e Residência 2 (B).
  13. 13. ISSN 1980-0894 Dossiê, Vol. 8, n. 2, 2013 4.2 Wetlands construídos O sistema de alimentação da WC de fluxo horizontal implantado na residência 1 foi instalado sob o regime subsuperficial, onde o tubo de alimentação foi colocado cerca de 10cm da superfície do material de enchimento. A drenagem do esgoto percolado é feita por meio de drenos que foram instalados no fundo do WC. Ao redor dos drenos foram colocados resíduos de construção civil, que devido a maior granulometria potencializam a ação dos drenos. No WC-Híbrido implantado na residência 2, o módulo de fluxo horizontal teve o mesmo princípio do sistema anterior. Já no fluxo vertical a alimentação foi realizada por tubos perfurados colocados na superfície do sistema e a drenagem do esgoto percolado foi semelhante ao do WC de fluxo horizontal. A Figura 3 mostra os sistemas de tratamento de WC em fase de construção nas residências 1 e 2 e a Figura 4 se observam as principais características do sistema de alimentação e de drenagem dos WC´s implantados nas residências. Figura 3: WC de fluxo horizontal (Residência 1) e WC-Híbrida (Residência 2) Figura 4: Sistema de drenagem da WC de fluxo horizontal e sistema de alimentação do fluxo vertical da WC-Híbrida 13
  14. 14. ISSN 1980-0894 Dossiê, Vol. 8, n. 2, 2013 Para sustentação do módulo horizontal da WC-Híbrida foi instalado uma armação feita com peças recicladas. No entanto, essa armação pode ser suprimida sem problemas. A Figura 5 mostra a instalação da armação e disposição da lona impermeabilizante do solo. Todas as wetlands foram preenchidas com pedra britada e na parte superior com a própria terra do local. Para separar as camadas foi utilizada tela mosquiteiro, impedindo que a areia ocupe os espaços vazios entre as pedras, o que causaria uma rápida colmatação do módulo. Figura 5: Construção do módulo de fluxo horizontal do WC-Híbrido. Armação de sustentação (A) e lona de impermeabilização com pedra britada (B) Na Figura 6 pode-se observar o sistema de WC em operação. A figura mostra o sistema de WC-Híbrido implantado na residência 2. O WC implantado na residência 1 foi semelhante ao representado na Figura 6 (B). Os WC são eficientes na remoção de matéria orgânica podendo atingir remoções de DBO, coliformes termotolerantes e 14
  15. 15. ISSN 1980-0894 Dossiê, Vol. 8, n. 2, 2013 sólidos superiores a 90%. Em relação à remoção dos nutrientes, a WC-Híbrida pode atingir elevadas eficiências o que dificilmente se atinge nas WC de fluxo horizontal. Figura 6: Sistema de WC-Híbrido em operação (C) implantado na residência 2. Módulo de fluxo vertical (A) e fluxo horizontal (B). 5. CONCLUSÕES E RECOMENDAÇÕES Pode-se concluir que os sistemas de tratamento de esgotos que integram as wetlands construídas apresentaram potencial de utilização a fim de minimizar problemas correlacionados ao déficit de saneamento básico, com elevada eficiência de tratamento. Os custos associados à construção destes aparatos podem ser reduzidos pela utilização de materiais alternativos, possibilitando desta forma, maior acessibilidade para as populações não atendidas por sistemas convencionais de tratamento de esgotos em terem seus direitos assegurados e evidentes melhorias em suas vidas. 6. AGRADECIMENTOS À Prefeitura de Iguape pelo apoio; ao Centro Universitário Senac pelo transporte dos alunos e financiamento do projeto; aos alunos do 8º período noturno da Engenharia Ambiental que participaram ativamente do planejamento à execução deste projeto; à coordenação do curso de Engenharia Ambiental e Sanitária; ao Viveiro Itubanaiá pela doação das mudas; à AMBAR – Associação de Moradores da Barra do Ribeira, e aos moradores pela recepção e participação durante toda a fase de implantação do projeto. 15
  16. 16. ISSN 1980-0894 Dossiê, Vol. 8, n. 2, 2013 7. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS ANSOLA, Gemma; GONZÁLEZ, Juan Manuel; CORTIJO, Rubén; LUIS, Estanislao de. Experimental and full–scale pilot plant constructed wetlands for municipal wastewater treatment. Ecology Engineering, v. 21, nº 1, p. 43-52, 2003. ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DE NORMAS TÉCNICAS. NBR 13969 - Tanques sépticos - Unidades de tratamento complementar e disposição final dos efluentes líquidos - Projeto, construção e operação. Rio de Janeiro: 1997. ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DE NORMAS TÉCNICAS. NBR 7229 - Projeto, construção e operação de sistemas de tanques sépticos. Rio de Janeiro: 1993. BRAGA, Y. S. Avaliação do impacto de efluente doméstico tratado lançado no estuário do Rio Sauípe. Bahia: UFBA, 2005. 94 p. Dissertação (Mestrado) - Pós– Graduação em Ecologia e Biomonitoramento, Instituto de Biologia, Universidade Federal da Bahia, Bahia, 2005. BRIX, Hans; ARIAS, Carlos. Danish guidelines for small-scale constructed wetland systems for onsite treatment of domestic sewage. Water Science. Technology, v. 51 nº 9, p. 1–9, 2005. CAMPOS, Juacyara Carbonelli. Tratamento do chorume do aterro sanitários de Piraí (RJ) utilizando wetlands. VI Simpósio Ítalo-Brasileiro de Engenharia Sanitária e Ambiental. Comitê da Bacia Hidrográfica do Ribeira de Iguape e Litoral Sul. Relatório de Situação dos Recursos Hídricos da UGRHI 11. Registro: 2011 – ano base 2010. COOPER et al., Reed beds and constructed wetlands for wastewater treatment, Swindon: WRc plc. 1996. 16
  17. 17. ISSN 1980-0894 Dossiê, Vol. 8, n. 2, 2013 DIERBERG, Forrest E; DEBUSK, Thomaz A; JACKSON, Scott D.; CHIMNEY; M.J.; and PIETRO, K. Submerged aquatic vegetation-based treatment wetlands for removing phosphorus from agricultural runoff: response to hydraulic and nutrient loading. Water Research 36, 2002. p. 1409-1422. GÓMEZ CEREZO, R., Suárez, M. L. and Vidal-Abarca, M. R. (2001). The performance of a multi-stage system of constructed wetlands for urban wastewater treatment in a semiarid region of SE Spain. Ecol. Eng., 16, 501-517. Instituto Socioambiental (ISA) – Campanha contra barragem do Ribeira. 2001 KIVAISI, A. K., “The potential for constructed wetlands for wastewater treatment and reuse in developing countries: a review. Ecological Engeneering. Nº 16, p. 545 – 560, 2001. LORENZI, Harri & SOUZA, Hermes Moreira de. Plantas ornamentais no Brasil: arbustivas, herbáceas e trepadeiras. 4ª ed. Instituto Plantarum, 2008. PHILIPPI, Luiz Sérgio & SEZERINO, Pablo Heleno, Aplicação de sistemas tipo wetland no tratamento de águas residuárias - Utilização de filtros plantados com macrófitas, Ed. Do Autor, Florianópolis, 2004. ROUSSEAU D.P.L., P.A. Vanrolleghem and N. De Pauw (2004). Constructed wetlands in Flanders: a performance analysis. Ecological Engineering, 23, 151. SALATI, E. et al., 2009, Estimativas da oferta de recursos hídricos no brasil em cenários futuros de clima (2015 – 2100) In: Margulis, S., Marcovitch J., Dubeaux, C.B.S. (org), Economia das Mudanças do Clima no Brasil: custos e oportunidades (www.economiadoclima.org.br), In Press. SHUTES, R. B. E., Revitt, D. M., Lagerberg, I. M., BarrauD, V. C. E. The design of vegetative constructed wetlands for the treatment of highway runoff. Sci Total Environ 1999; 235:189 ± 97. 17
  18. 18. ISSN 1980-0894 Dossiê, Vol. 8, n. 2, 2013 SOLANO, M.L., SORIANO, P., CIRIA, M.P. Constructed wetlands as a sustainable solution for wastewater treatment in small villages. Biosystems Engineerig, 87, (1), 109-118, 2004. TILLEY, D. R.; Badrinarayanan, H.; Rosati, R. and Son, J. (2002), Constructed wetlands as recirculation filters in large-scale shrimp aquaculture. Aquac. Eng., 26, 81-109. TOET S., Logtestijn R.S.P.V., Schreijer M., Kampf R., Verhoeven J.T.A. (2005) The functioning of a wetland system used for polishing effluent from a sewage treatment plant. Ecol. Eng. 25:101-124. VON SPERLING, M. Princípios do Tratamento Biológico de Águas Residuárias; Vol. 1, 2ª Edição revisada; Introdução à qualidade das águas e ao tratamento de esgotos. DESA. UFMG. 243 p. 1996. WANG, R.; Korboulewsky, N.; Prudent, P.; Baldy, V.; Bonin, G. Can vertical-flow wetland systems treat high concentrated sludge from a food industry? A mesocosm experiment testing three plant species. Ecological Engineering, v.35, p.230-237, 2009. WEEDON, C.M., 2003. Compact vertical flow constructed wetland systems—first two years’ performance. Water Sci. Technol. 48 (5), 15–23. Data de Recebimento 23/9/13 Data de Aceite 24/9/13 18
  19. 19. ISSN 1980-0894 Dossiê, Vol. 8, n. 2, 2013 DIMENSIONAMENTO DE UM REATOR UASB PARA O TRATAMENTO DE ÁGUAS RESIDUÁRIAS DE SUINOCULTURA SIZING OF A UASB REACTOR FOR THE TREATMENT OF SWINE WASTEWATER CAPASSI, C. M. 1 COSTA, J. C. 2 CANTIL, M. E. S. 3 NAVARRO, R. S. 4 ROMERA, Y. F. 5 SUBTIL, E. L. 6 CHAGAS, R. K. 7 RESUMO O Brasil possui o quarto plantel de suínos do mundo, porém o baixo índice de tratamento das águas residuárias geradas pelo setor é um dos graves problemas para o meio ambiente e para a sociedade. O reator anaeróbio de fluxo ascendente (UASB) utiliza um processo biológico de tratamento com biomassa dispersa, no qual os compostos orgânicos são biodegradados e digeridos por meio de uma transformação anaeróbia, resultando na remoção de altas cargas orgânicas e aproveitamento energético do biogás. Neste trabalho avaliou-se a viabilidade técnica de utilizar o reator UASB para tratamento de 89 m³/dia de águas residuárias de suinocultura provenientes de um plantel com 3.835 suínos, situado no município de Pedranópolis-SP. Os resultados apresentaram alta eficiência para remoção de DQO e DBO, 67% e 75%, 1 Graduação em Engenharia Ambiental pelo Centro Universitário Senac. Graduação em Engenharia Ambiental pelo Centro Universitário Senac. 3 Graduação em Engenharia Ambiental pelo Centro Universitário Senac. 4 Graduação em Engenharia Ambiental pelo Centro Universitário Senac. 5 Graduação em Engenharia Ambiental pelo Centro Universitário Senac. 6 Doutor em Engenharia Hidráulica e Ambiental pela Universidade de São Paulo; Professor Pesquisador do Centro Universitário Senac. 7 Doutor em Ecologia de Ecossistemas Terrestres e Aquáticos pela Universidade de São Paulo; Professor Pesquisador do Centro Universitário Senac. rubens.kchagas@sp.senac.br 2 19
  20. 20. ISSN 1980-0894 Dossiê, Vol. 8, n. 2, 2013 respectivamente. Além disso, considerando o teor de 75% de gás metano, a água residuária apresenta um potencial de vazão de 451,13 m3/dia de metano e 601,5 m3/dia de biogás total. O reator UASB é uma alternativa viável para tratamento de águas residuárias de suinocultura, porém é necessário pós-tratamento para alcançar maior eficiência. Palavras chave: Reator UASB; Águas residuárias; Suinocultura; Tratamento Anaeróbio. ABSTRACT Brazil has the fourth herd of pigs in the world, but the low treatment rate of effluents is one of the serious problems for the environment and for society. The upflow anaerobic reactor (UASB) using for a process a biological treatment biomass disperses, in which the organic compounds are biodegradable and digested by anaerobic transformation, resulting in the removal of high organic loads and energy use of biogas. Tis study evaluated the technical feasibility of using UASB reactor for treatment of 89 m3/day of effluent from a squad with 3,835 pigs, located in the county of PedranópolisSP. The results showed high efficiency for the removal of COD and BOD, 67% and 75%, respectively. Moreover, considering the level of 75% methane, the effluent has a potential flow of 451.13 m3/day of methane and biogas total 601.5 m3/day. The UASB reactor is a viable alternative for the treatment of effluent from pig, but it is necessary post-treatment to achieve greater efficiency. Keywords: UASB Reactor, Wastewater, Swine, Anaerobic Treatment. 20
  21. 21. ISSN 1980-0894 1. Dossiê, Vol. 8, n. 2, 2013 INTRODUÇÃO O Brasil possui o quarto plantel de suínos do mundo, sendo a suinocultura um setor que contribui de maneira significativa para a economia do país. No entanto, é um setor com baixa qualidade ambiental, poluindo as águas, os solos, afetando a qualidade do ar através da emissão de maus odores, e pela proliferação descontrolada de insetos, ocasionando desconforto ambiental às populações (BELLI et al., 2001). Existem diversos tratamentos para águas residuárias provenientes da suinocultura, um deles é o uso de reatores anaeróbios de fluxo ascendente (reator UASB), objeto desta pesquisa. O reator UASB (Upflow Anaerobic Sludge Blanket), foi desenvolvido na década de 70 pelo Dr. Gatze Lettinga e colaboradores na universidade Wageningen na Holanda. Originalmente foi desenvolvido para o tratamento de efluentes industriais de alta concentração a partir de estudos anteriores efetuados com o filtro anaeróbio ascendente. No Brasil o reator é utilizado desde a década de 80 no Paraná (SANEPAR) e em São Paulo (CETESB) e atualmente, é o país que mais faz uso dessa tecnologia devido às suas características técnicas e econômicas (FAEDO, 2010). O reator UASB é um processo que consiste no fluxo ascendente de esgotos através de um leito de lodo denso e de elevada atividade (Figura 1). O perfil de sólidos no reator varia de muito denso e com partículas granulares de elevada capacidade de sedimentação, próximas ao fundo (leito de lodo), até um lodo mais disperso e leve, próximo ao topo do reator (manta de lodo) e a estabilização da matéria orgânica ocorre em todas as zonas de reação (leito e manta de lodo), sendo a mistura do sistema promovida pelo fluxo ascensional do esgoto e das bolhas de gás (CHERINCHARO, 2007). 21
  22. 22. ISSN 1980-0894 Dossiê, Vol. 8, n. 2, 2013 Figura 1: Fluxo ascendente em um reator com leito de lodo denso. Um dos princípios fundamentais do processo é sua habilidade de desenvolver uma biomassa de elevada atividade. Essa biomassa pode apresentar na forma de flocos ou de grânulos (1 a 5 mm). Os reatores UASB apresentam elevado tempo de resistência hidráulica, o que é uma característica dos sistemas de alta taxa, além disso, o sistema deve ter um separador trifásico bem projetado, capaz de separar de forma adequada o biogás, o liquido e os sólidos, liberando os dois primeiros e permitindo a retenção do último (CHERINCHARO, 2007; SOUZA, 2008). Este tratamento possui facilidades operacionais e hidrodinâmica mais eficiente que outros tratamentos, boa adaptação às condições climáticas do Brasil e produz biogás com elevada concentração de metano (BELLI et al., 2001). Dessa maneira, o objetivo desde trabalho é verificar a viabilidade técnica do reator UASB para tratamento de águas residuárias de suinocultura no setor de reprodução de suínos (matrizes e leitões, a fase dos leitões termina quando atingem o tamanho ideal para venda, 25 kg), em sistema intensivo (fechado), composto por 1.300 matrizes. 2. JUSTIFICATIVA Segundo o IBGE (2009), o plantel brasileiro de suínos é estimado em 36 milhões de cabeças, com equivalente populacional médio, em termos de demanda bioquímica de oxigênio (DBO5,20) de 3,5 habitantes por suíno (MIRANDA, 2005). 22
  23. 23. ISSN 1980-0894 Dossiê, Vol. 8, n. 2, 2013 A alta geração de resíduos provenientes da suinocultura tem como principal destino a simples deposição no solo e essa prática origina o excesso de nutrientes, metais e organismos patogênicos no solo, contribuindo para a degradação dos corpos d'água superficiais e subterrâneos pela lixiviação e/ou percolação dos resíduos (PERDOMO; OLIVEIRA; KUNZ, 2003). O interesse pelo tratamento anaeróbio, de resíduos líquidos e sólidos provenientes da agropecuária e da agroindústria, tem aumentado nos últimos anos por apresentar vantagens significativas quando comparado aos processos comumente utilizados de tratamento aeróbio de águas residuárias ou aos processos convencionais de compostagem aeróbia de resíduos orgânicos sólidos (MORAES; PAULA-Jr., 2004). Estimativas recentes indicam que os dejetos de animais são responsáveis por 5 a 10% das emissões de metano no mundo, contribuindo para o aumento da concentração atmosférica dos gases de efeito estufa, considerado outro grave problema ambiental (PEREIRA, 2009). O baixo índice de tratamento adequado à grande quantidade de dejetos produzidos é justamente um dos graves problemas que a intensificação da produção de suínos trouxe para o meio ambiente e para a sociedade (GALBIATTI et al., 2010). O reator UASB é um importante equipamento destinado ao tratamento de efluentes com alta carga orgânica, como é o caso das águas residuárias provenientes da suinocultura, que comparadas com o efluente doméstico possuem concentração de DBO até 260 vezes superior, enquanto a DBO para esgoto doméstico é de 200 mg/litro, a DBO dos dejetos de suínos oscila entre 30.000 e 52.000 mg/litro (GALBIATTI et al., 2010). Dentre as vantagens apresentadas pelo reator UASB, pode-se destacar: não emissão de odores; não proliferação de insetos; baixa produção de lodo biológico; e o lodo em excesso já sai estabilizado e com elevada concentração, podendo ser secado diretamente em leitos de secagem. Além disso, sua operação e manutenção são extremamente simples podendo ser realizada por pessoal não especializado (SOUZA, 2008). Do ponto de vista econômico, a digestão anaeróbia é uma solução de baixo custo para o tratamento de águas residuárias com elevadas cargas orgânicas, com as vantagens da baixa produção de lodo, da conservação dos nutrientes e da produção de biogás, além 23
  24. 24. ISSN 1980-0894 Dossiê, Vol. 8, n. 2, 2013 de ser uma solução apropriada para regiões de clima tropical (CAMMAROTA, 2003). A produção de biogás a partir do reator UASB além de produzir energia necessária às atividades agropecuárias, pode gerar um excedente energético que pode ser comercializado com concessionárias de energia (PECORA et al., 2006). Segundo CHERNICHARO (2007), o projeto de reator UASB é simples, não demandando a implantação de equipamentos sofisticados ou meio suporte para a retenção da biomassa, porém é de fundamental importância que os diversos critérios e parâmetros de projeto sejam expressos de uma forma compreensível e sequencial, permitindo o dimensionamento das câmaras de reação, decantação e captura de gases. Os reatores UASB possuem facilidades operacionais, hidrodinâmica mais eficiente que outros sistemas convencionais e boa adaptação às condições climáticas do Brasil (BELLI et al., 2001). Este reator utiliza um processo biológico de tratamento com biomassa dispersa, no qual os compostos orgânicos são biodegradados e digeridos por meio de uma transformação anaeróbia, resultando na produção de biogás e na manutenção de um consórcio de microrganismos (PEREIRA-RAMIRES et al., 2004). O desenvolvimento do reator anaeróbio de fluxo ascendente (UASB) combina vantagens, as quais possibilitaram a sua utilização para uma grande variedade de águas residuárias e, consequentemente, adoção em larga escala. Esse tipo de reator pode ser construído e operado de forma a minimizar os custos do tratamento com baixa produção de sólidos (SOUZA, 2008). Os estudos acerca do reator estão crescendo por todo mundo para aplicação no tratamento de esgoto sanitário e águas residuárias agropecuárias. Alguns autores afirmam que os trabalhos utilizando o reator UASB ainda são limitados (DUDA; OLIVEIRA, 2011). No entanto, conforme observa-se na Tabela 1, a seguir, estudos recentes realizados no Brasil com reatores UASB em escala piloto, tratando águas residuárias de suinocultura, indicam que o reator é uma alternativa de tratamento viável, dispensando o tratamento preliminar. 24
  25. 25. ISSN 1980-0894 Dossiê, Vol. 8, n. 2, 2013 Tabela 1: Eficiência no tratamento de águas residuárias de suinocultura com reator UASB em escala piloto. Eficiências de COV Estudo remoção de Autor gDQOtotal (L.d)-1 DQOtotal (%) 1 34,4 73 RAMIRES, 2005 2 26 86 SANTANA, 2008 1. CARACTERIZAÇÃO DAS ÁGUAS RESIDUÁRIAS DE SUINOCULTURA A quantidade de dejetos líquidos oriundos da suinocultura varia de acordo com desenvolvimento ponderal dos animais, cerca de 8,5 a 4,9% do seu peso vivo/dia, para a faixa de 15 a 100 kg, sendo a produção de urina um aspecto importante na quantidade de dejetos líquidos produzidos (DARTORA; PERDOMO; TUMELERO, 1998). O termo dejetos refere-se aos excrementos frescos, incluindo fezes e urina, mais o material de cama, restos de alimento, água e produtos de limpeza, utilizados para a lavagem dos confinamentos. A quantidade de resíduo produzido varia com vários fatores como: porte do animal, tipo de alimentação, quantidade de água ingerida, quantidade de água utilizada para a lavagem das instalações, água da chuva, evaporação, estação do ano, entre outros (CAMPOS et al., 2006). Quando comparado com bovinos e considerando a mesma base (450 kg de peso vivo), os suínos excretam 1,9 vezes mais dejetos que um bovino de corte e 1,3 vezes mais que um bovino leiteiro (aproximadamente 16 ton.ano-1) (ENSMINGER; OLDFIELD; HEINEMANN, 1990). Dartora, Perdomo e Tumelero (1998) afirmam que a Demanda Bioquímica de Oxigênio (DBO5) dos dejetos de suínos chega a apresentar valores de até 52.000 mg.L-1, enquanto no esgoto humano a DBO5 é cerca de 200 a 300 mg.L-1, pois o suíno é um animal monogástrico e aproximadamente 30% dos seus alimentos tornam-se dejetos (Tabela 2). 25
  26. 26. ISSN 1980-0894 Dossiê, Vol. 8, n. 2, 2013 Tabela 2: Característica das águas residuárias de suinocultura. Categoria Esterco Urina Esterco + Estrutura de estocagem (kg/dia) (kg/dia) Dejetos m³/animal/mês líquidos (litros/dia) Esterco + Dejetos Urina Líquidos Suínos 25-100 kg 2,30 4,90 7,00 0,16 0,25 Porcas Gestação 3,60 11,00 16,00 0,34 0,48 Porcas lactação+leitões 6,40 18,00 27,00 0,52 0,81 Cachaço 3,00 6,00 9,00 0,18 0,28 Leitões na 0,35 0,95 1,40 0,04 0,05 creche 2,35 5,80 8,60 0,17 0,27 Media Fonte: adaptado de Konsen (1983), Oliveira (1983), Fernandes e Oliveira (1995), apud Santos (2000). Contudo, a produção total dos dejetos provenientes da suinocultura é muito variável, levantamentos realizados pelo Serviço de Extensão Rural de Santa Catarina – UFF, em 1999, citados em CAMPOS et al. (2005), mostram que apenas 10 a 15% dos produtores de suínos possuem sistemas de tratamento ou aproveitam os dejetos em alguma atividade agrícola, e mostram ainda que cerca de 85% das fontes de água no meio rural das regiões produtoras estão contaminadas por coliformes fecais oriundos do lançamento de dejetos sem qualquer tratamento em corpos hídricos receptores. Os dejetos brutos de suínos apresentam, em média, 25.625 mg.L-1 de DQO e 10.250 mg.L-1 de DBO (EMBRAPA/CNPSA, 1980 apud ABREU-NETO, 2007). Para cada fonte de matéria orgânica temos uma produção diferente de biogás (CAMPOS et al., 2005), o potencial de geração de biogás a partir de resíduos da suinocultura varia de acordo com a atividade explorada, obtendo maior produção no sistema de reprodução, em média, 0,933 m³/animal/dia (COLDEBELLA, 2006). 3. METODOLOGIA 4.1. Área de estudo O estudo baseou-se no dimensionamento de um sistema anaeróbio, reator 26
  27. 27. ISSN 1980-0894 Dossiê, Vol. 8, n. 2, 2013 UASB, para tratamento de águas residuárias de suinocultura localizada em uma Fazenda com criação de suínos, situada no município de Pedranópolis, São Paulo. O munícipio de Pedranópolis faz parte da microrregião de Fernandópolis. Localiza-se a uma latitude 20º14'51"S, uma longitude 50º06'37"W e uma altitude de 475 metros em relação ao nível do mar. Segundo estudo da Secretaria Estadual de Saúde, a microrregião de Fernandópolis possui um clima tropical semi-úmido com inverno seco e verão chuvoso, com precipitações médias em torno de 1362 mm. As temperaturas mínimas e máximas atingem, respectivamente, 17 ºC e 33,5 ºC, com oscilações bruscas durante o ano (FERNANDÓPOLIS, 2013). A área da propriedade é de 726 hectares, considerando a atividade de suinocultura com 1.300 matrizes, tem-se um total de 3.835 suínos. 4.2. Coleta e tratamento dos dejetos O processo de coleta e tratamento dos dejetos provenientes da suinocultura iniciará a partir do piso das baias liso e que possui uma leve declividade, cerca de 2% a partir do corrimão (baia publicitária), facilitando a coleta dos dejetos no fosso situado na parte mais baixa da baia. Os dejetos coletados no fosso (por gravidade) passam, inicialmente por uma grade grossa com espaçamento de 40 mm entre barras com 10 mm de espessura para remoção de sólidos grosseiros (ex. galhos de arvores) evitando a obstrução do sistema, em seguida um desarenador remove a areia contida no efluente, que danifica equipamentos eletromecânicos, seguido de uma Calha Parshall que mantém a velocidade “constante” (regime laminar) facilitando a vazão afluente variável. O efluente é finalmente bombeado para uma caixa de equalização (utilizada para superar os problemas operacionais advindos das variações que são observadas na vazão e nas características dos efluentes líquidos) direcionando o efluente para o reator UASB. 27
  28. 28. ISSN 1980-0894 4.3. Dossiê, Vol. 8, n. 2, 2013 Dimensionamento do reator Conforme metodologia adaptada a partir de CHERNICHARO (2007), os cálculos de dimensionamento, a partir de dados secundários, de um reator UASB em escala real para o tratamento de desejos de suínos estão demonstrados nas equações (1 a 10). A vazão máxima é calculada em função de dois coeficientes de maior consumo e da vazão média afluente, como segue: 𝐷 𝑚á𝑥 = 𝐾1 ∗ 𝐾2 ∗ 𝐷 Onde: 𝑚é𝑑. [1] Qmáx: vazão máxima afluente (m³/dia) Qméd.: vazão média afluente (m³/dia) K1 = coeficiente do dia de maior consumo (1,2) K2 = coeficiente da hora de maior consumo (1,5) O coeficiente no dia de maior descarga é a relação entre a descarga que ocorre entre a média do dia e a média do ano. E o coeficiente da hora de maior descarga é a relação entre a descarga que ocorre entre a média da hora máxima e da média do dia. Os valores de K1 e de K2 antes apresentados (1,2 e 1,5) são os recomendados pela NBR 9649 (ABNT, 1986). A estimativa das concentrações diária de DBO e DQO no afluente são obtidas a partir da igualdade entre ambos, ou seja: Onde: 𝐶 𝑑𝐵á𝑟𝐵𝑎 = 𝐷 𝑚é𝑑𝐵𝑎 ∗ 𝐶 [2] Cdiária: concentração diária de DBO ou DQO no afluente (Kg/dia) Qmédia: vazão média do afluente (m³/dia) C: concentração de DBO ou DQO (Kg/m³) O tempo de detenção hidráulica (TDH) varia conforme a temperatura do ambiente, sendo mais utilizado na faixa de 8 a 10 horas. Considerando uma a temperatura média anual em torno de 23ºC o TDH recomendado é de 8 horas. Consequentemente, o volume é calculado em função do tempo de detenção hidráulica do sistema, logo: 28
  29. 29. ISSN 1980-0894 Onde: 𝑉 = 𝑇𝐷𝐻 ∗ 𝐷 𝑚é𝑑𝐵𝑎 Dossiê, Vol. 8, n. 2, 2013 [3] V: volume total do reator (m³) TDH: tempo de detenção hidráulico (h) Qmédia: vazão média afluente (m³/h) A carga hidráulica volumétrica (CHV) é a quantidade (volume) de esgotos aplicados diariamente ao reator, por unidade de volume dos mesmos (CHERNICHARO, 2007), dada da seguinte forma: Onde: CHV = Qmédia V [4] CHV: carga hidráulica volumétrica (m³/m³.d) Qmédia: vazão média afluente (m³/dia) V: volume total do reator (m³) A carga orgânica volumétrica (COV) é a quantidade (massa) de matéria orgânica aplicada diariamente ao reator, por unidade de volume do mesmo: COV = [5] Qmédia ∗S0 V Onde: COV: carga orgânica volumétrica (KgDQO/m³.d-1) Qmédia: vazão média afluente (m³/dia) V: volume total do reator (m³) So: concentração de substrato afluente (KgDQO/m³) O TDH da vazão máxima é calculado através da equação abaixo: Onde: 𝐷𝑇𝐻 𝑄 𝑚á𝑥. = 𝑉 𝑄 𝑚á𝑥𝑖𝑚𝑎 [6] 29
  30. 30. ISSN 1980-0894 Dossiê, Vol. 8, n. 2, 2013 DHQmáx: tempo de detenção hidráulico da vazão máxima (horas) V: volume total do reator (m³) Qmáxima: vazão máxima afluente (m³/dia) A velocidade de escoamento pode variar de 0,5 m/h a 0,7 m/h, contudo a velocidade adotada será um valor médio de 0,6 m/h, dessa maneira, é possível calcular a altura do reator UASB em função da velocidade de escoamento: Onde: 𝐻 = 𝑣 ∗ 𝑇𝐷𝐻 [7] H: altura (m) v: velocidade (m/h) TDH: tempo de detenção hidráulico (horas) Da mesma forma, é possível calcular a área total do reator, de acordo com a equação abaixo: Onde: 𝐴= 𝑉 𝐶 [8] A: área útil do reator (m²) H: altura (m) v: velocidade (m/h) Em função da área, tem-se o diâmetro do reator: Onde: 𝐴= 𝜋∗ A: área útil do reator (m²) d: diâmetro do reator (m) 3,14 30 𝑑² 4 [9]
  31. 31. ISSN 1980-0894 Dossiê, Vol. 8, n. 2, 2013 A correta distribuição do esgoto, de modo a garantir um contato efetivo com a biomassa presente no reator, constitui-se em um dos aspectos mais importantes para o correto funcionamento do reator. O número de distribuidores é determinado em função da área da seção transversal do reator e da área de influência adotada para cada distribuidor, como segue: Onde: 𝑁𝑑 = 𝐴𝑡 𝐴𝑑 [10] Nd: número de dutos (unidade); At: da área da seção transversal do reator (m²); Ad: área de influência de cada distribuidor (m²). Portanto, a área de influência de distribuidores de vazão em um reator UASB é determinada em função do tipo de lodo e das cargas orgânicas aplicadas no sistema. O lodo proveniente dos dejetos de suinocultura foi classificado como denso e floculento, para uma carga orgânica aplicada maior que 2 KgDQO/m³.d-1, a área de influência de cada distribuidor variou de 2 a 3 m², adotando-se a área de 2 m². 4.4. Estimativa de eficiência do reator A estimativa de remoção de DQO e DBO é calculada a partir das equações 11 a 14, e permitem estimar a eficiência de reatores UASB operando na faixa de 20 a 27 0C, em função do tempo de detenção hidráulica: 𝐸 𝐷𝑄𝐷 = 100 ∗ (1 − 0,68 ∗ 𝑡 −0,35 ) [11] Onde: EDQO: eficiência do reator UASB, em termos de remoção de DQO (%); t: tempo de detenção hidráulica (h); 0,68: constante empírica; 31
  32. 32. ISSN 1980-0894 Dossiê, Vol. 8, n. 2, 2013 0,35: constante empírica. 𝐸 𝐷𝐷𝐷 = 100 ∗ (1 − 0,70 ∗ 𝑡 −0,50 ) [12] Onde: EDBO: eficiência do reator UASB, em termos de remoção de DBO (%); t: tempo de detenção hidráulica (h); 0,70: constante empírica; 0,50: constante empírica. A partir da eficiência esperada para o sistema, pode-se estimar a concentração de DQO e de DBO no efluente final, como a seguir: 𝑆= [13] 𝐸 ∗ 𝑆0 100 Onde: S: concentração de DQO ou de DBO efluente (mg/L); S0: concentração de DQO ou de DBO afluente (mg/L); E: eficiência de remoção de DQO ou de DBO (%). A concentração de sólidos suspenso totais (SST) no efluente final de reatores UASB é calculado através da equação: Onde: 𝐶 𝑆𝑆𝑇 = 102 ∗ 𝑡 −0,24 [14] CSST: concentração de Sólidos Suspensos Totais no efluente (mg/L) t: tempo de detenção hidráulica 102: constante empírica 0,24: constante empírica Para avaliar a produção de biogás é necessário estimar a carga de DQO afluente no reator, que é convertida em gás metano. De maneira simplificada, segundo 32
  33. 33. ISSN 1980-0894 Dossiê, Vol. 8, n. 2, 2013 CHERNICHARO (2007), a determinação da parcela de DQO convertida em gás metano pode ser feita, como a seguir: 𝑄 ∗ (𝑆0 − 𝑆) − 𝑦 ∗ 𝑄 ∗ 𝑆0 𝐷𝐷𝐷 𝐶𝐶4 = [15] Onde: DQOCH4: carga de DQO convertida em metano (KgDQOCH4/d); Q: vazão média afluente (m³/dia); SO: concentração de DQO afluente (KgDQO/m³); S: Concentração de DQO efluente (KgDQO/m³); Y: coeficiente de produção de sólidos no sistema, em termos de DQO (0,11 a 0,23 KgDQOlodo/KgDQOapl). A conversão da massa de metano (KgDQOCH4/d) em produção volumétrica (m³CH4/d) pode ser feita utilizando-se as equações 16 a 18, seguintes: Onde: 𝑓𝑇 = 𝑃∗𝐾𝐵 𝐷𝑄𝑂 𝑅∗ (273+𝑇) [16] P: pressão atmosférica (1 atm) KgDQO: DQO correspondente a um mol CH4 (64 gDQO/mol); R: constante dos gases (0,08206 atm.L/mol.K); T: temperatura operacional do reator (°C) Onde: 𝐷 𝐶𝐶4 = 𝐷𝑄𝐷 𝐶𝐶4 𝑓(𝑇) [17] QCH4: produção volumétrica de metano (m³/d); f(T): fator de correção para a temperatura operacional do reatar (kgDQO/m³) Uma vez obtida à produção de metano, pode-se estimar a produção total de biogás, a partir do teor esperado de metano, de acordo coma a equação de 18: 33
  34. 34. ISSN 1980-0894 𝑄 𝐵𝐵𝐵𝐵á𝑠 = [18] Dossiê, Vol. 8, n. 2, 2013 𝑄 𝐶𝐶4 𝐶 𝐶𝐶4 Onde: Qbiogás: produção volumétrica de biogás (m³/d); QCH4: produção volumétrica de metano (m³/d); QCH4: produção volumétrica de metano no biogás, usualmente da ordem de 70 a 80% (m³/d); Os teores de metano no biogás encontram-se entre 70 a 80% (CHERNICHARO, 2007), neste trabalho foi considerado um valor médio em torno de 75% de metano no biogás. 4. DISCUSSÃO DOS RESULTADOS A Tabela 3 apresenta os resultados obtidos nesta pesquisa. Tabela 3: Resultados do dimensionamento do Reator UASB para tratamento de águas residuárias de suinocultura. Parâmetros Q (m³/mês) Qmédia (m³/dia) Resultados 2.663,60 89 Qmáxima (m³/dia) 160,2 Volume (m³) 29,6 TDH (horas) 8 CHV (m³/m³.dia) 3 COV (KgDQO/m³.d1) CDBO (KgDBO/dia) 34 2,3 912,25
  35. 35. ISSN 1980-0894 CDQO (KgDQO/dia) Dossiê, Vol. 8, n. 2, 2013 2.280,60 EDBO (%) 75 EDQO (%) 67 CSSTefluente (KgSST/dia) 5,51 Qmetano (m3/dia) 451,13 Qbiogás (m3/dia) 601,5 A vazão de águas residuárias de suinocultura é de aproximadamente 2.663,6 m3 de dejetos líquidos com uma vazão média afluente de 89 m3/dia e a máxima de 160,2 m3/dia. As águas residuárias provenientes de suinocultura têm altas taxas de cargas de DBO e DQO, neste estudo estas são da ordem de 912,25 e 2.280,60 Kg/dia, respectivamente. Considerando que o TDH é de 8 horas, tratando cerca de 89m³/dia de águas residuárias de sionocultura, utilizando como tratamento anaeróbio o reator UASB, a estimativa de eficiência de remoção de DBO é de 75% e 67% para DQO. Porém, é importante ressaltar, no entanto, que as equações utilizadas para calcular a eficiência de DBO e DQO em função do tempo de detenção hidráulica são limitadas devido ao número bastante limitado de dados utilizados para a determinação das constantes empíricas, que entre si apresentam grandes desvios. O reator tem capacidade para operar com volume de 29m³, possuindo 4,8m de altura, 2,8m de diâmetro e área total de 6,2m², conforme mostra a Figura 2. 35
  36. 36. ISSN 1980-0894 Dossiê, Vol. 8, n. 2, 2013 Figura 2: Reator anaeróbio de manta de lodo. Devido à alta carga de matéria orgânica presente no afluente e a correta distribuição do esgoto, de modo a garantir o contato efetivo com a biomassa presente no reator, a distribuição do afluente no reator é feita a partir da base através de 3 tubos que se ramificarão a partir do coletor principal. Com relação à produção de biogás, às características das águas residuárias de suinocultura, favorecem a geração de biogás. Considerando o teor de 75% metano, o afluente apresenta um potencial de vazão de 451,13 m3/dia de metano e 601,5 m3/dia de biogás total, podendo ser utilizado para geração de energia. 5. CONCLUSÕES Analisando os resultados obtidos, o reator UASB apresenta condições favoráveis para o tratamento de águas residuárias de suinocultura, além disso, este tipo de tratamento requer menor área de instalação, baixo custo e sua operação e manutenção são extremamente simples. É importante destacar, também, que o reator UASB tem 36
  37. 37. ISSN 1980-0894 Dossiê, Vol. 8, n. 2, 2013 baixa produção de lodo e o lodo em excesso já sai estabilizado e com elevada concentração, podendo ser secado diretamente em leitos de secagem. 6. REFERÊNCIAS ABREU-NETO, M. S. Tratamento de águas residuárias de suinocultura em reator anaeróbio compartimentado seguido de reator UASB. Jaboticabal, 2007.xv, 170 f. : il. ; 28 cm. ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DE NORMAS TÉCNICAS. Projeto de redes coletoras de esgoto sanitário. NBR 9649. Rio de Janeiro: ABNT, 1986. BELLI, P.F; CASTILHOS, A.B.; COSTA, R.H.R.; SOARES, S.R.; PERDOMO, C. C. Tecnologias para o tratamento de dejetos de suínos. Revista Brasileira de Engenharia Agrícola e Ambiental - vol.5 n°1. Campina Grande Jan./Abr. 2001. CAMMAROTA, Magali Christe. Curso de tratamento biológico de efluentes. Escola de Química – Universidade Federal do Rio de Janeiro. Rio de Janeiro, 2003. CAMPOS, C. M. M.; MOCHIZUKI, E. T.; DAMASCENO, L. H. S.; BOTELHO, C. G. Avaliação do potencial de produção de biogás e da eficiência de tratamento do reator anaeróbio de manta de lodo (UASB) alimentado com dejetos de suínos. Ciência e Agrotecnologia, v.29, n.4, p.848-856, 2005. CAMPOS, C.M.M.; DO CARMO, F.R.; BOTELHO, C. G.; DA COSTA, C. C. Desenvolvimento e operação de reator anaeróbio de manta de lodo (UASB) no tratamento dos efluentes da suinocultura em escala laboratorial. Revista Brasileira de Agrociências. Lavras, 2006. vol.30 n.1. CHERNICHARO, C. A. L. Princípios do Tratamento Biológico de Águas Residuárias: Reatores anaeróbios. Vol 5. 2ª Edição. Belo Horizonte: Ed. UFMG, 2007. COLDEBELLA, A. Viabilidade do uso do biogás da bovinocultura e suinocultura para geração de energia elétrica e irrigação em propriedades rurais. Universidade Estadual do Oeste do Paraná – UNIOESTE. Cascavel – Paraná, 2006. 37
  38. 38. ISSN 1980-0894 Dossiê, Vol. 8, n. 2, 2013 DARTORA,V.; PERDOMO, C.C.; TUMELERO, I.T. Manejo de dejetos suínos. Concórdia: EMBRAPA - CNPSA/EMATER/RS, 1998. 41p. (EMBRAPA- CNPSA/EMATER/RS). DUDA, R. M.; OLIVEIRA, R.A.de. Tratamento de águas residuárias de suinocultura em reator UASB e filtro anaeróbio em série seguidos de filtro biológico percolador. Eng. Sanit. Ambient. [online]. 2011, vol.16, n.1, pp. 91-100. ENSMINGER M. E.; OLDFIELD, J.E.; HEINEMANN W.W.. Feeds & Nutrition. 2 ed. Clovis, California, The Ensminger Publishing Company, 1990. 1544 p. FAEDO, A.M. Tecnologias convencionais e novas alternativas para o tratamento de efluentes domésticos. Universidade do Sul de Santa Catarina. Florianópolis, 2010. FERNANDÓPOLIS. Meio natural. Prefeitura Municipal de Fernandópolis – PMF. Disponível em: http://www.fernandopolis.sp.gov.br/Portal/Principal.asp?ID=7. Acesso em 27 de Setembro de 2013. GALBIATTI, João A.; CARAMELO, Anaira D.; SILVA, Flavia G.; GERARDI, Eliana A. B.; CHICONATO Denise A. Estudo qualiquantitativo do biogás produzido por substratos em biodigestores tipo batelada. Revista Brasileira de Engenharia Agrícola e Ambiental, vol. 14, no 4, Campina Grande, abril de 2010. IBGE. Produção da Pecuária Municipal. Ministério do Planejamento, Orçamento e Gestão. Brasil, 2009. V.27. MIRANDA, C.R. de. Avaliação de estratégias para sustentabilidade da suinocultura. Universidade Federal de Santa Catarina, Florianópolis, 2005. 264. MORAES, L.M.; PAULA-Jr., D.R. Avaliação da biodegradabilidade anaeróbia de resíduos da bovinocultura e da suinocultura. Engenharia Agrícola, v.24, no 2, p.445454, 2004. PECORA, V. Implantação de uma unidade demonstrativa de geração de energia elétrica a partir do biogás de tratamento do esgoto residencial da USP – Estudo de Caso. USP, 2006. 152 p. PERDOMO, C.C.; OLIVEIRA, P.A.V.; KUNZ, A. Sistemas de tratamento de dejetos de suínos: inventário tecnológico. Concórdia: Embrapa Suínos e Aves, 2003. P.83. PEREIRA-RAMIRES, O.; QUADRO, M. S.; ANTUNES, R. M.; KOETZ, P. R. Influência da recirculação e da alcalinidade no desempenho de um reator UASB no 38
  39. 39. ISSN 1980-0894 Dossiê, Vol. 8, n. 2, 2013 tratamento de efluente de suinocultura. Revista Brasileira de Agrociência, v.10, n.1, p.103-110, 2004. PEREIRA, Gilberto. Viabilidade econômica da instalação de um biodigestor em propriedades rurais. Departamento de Física, Estatística e Matemática DeTEC Departamento de Tecnologia – Universidade Regional do Noroeste do Estado do Rio Grande do Sul. Ijuí, Rio Grande do Sul, 2009. RAMIRES, R. dél ARCO. Produção de metano e remoção de matéria orgânica, nutrientes e microrganismos patogênicos em reatores anaeróbios de fluxo ascendente com manta de lodo (UASB) em dois estágios tratando águas residuárias de suinocultura. 2005. Dissertação (Mestrado em Microbiologia Agropecuária) – Faculdade de Ciências Agrárias e Veterinárias, Universidade Estadual Paulista, Jaboticabal, 2005. 136 p. SANTANA, A. M. Avaliação de sistema composto por reatores anaeróbios e aeróbio para tratamento de águas residuárias de suinocultura. 2008. Tese (Doutorado em Microbiologia Agropecuária) – Faculdade de Ciências Agrárias e Veterinárias, Universidade Estadual Paulista, Jaboticabal, 2008. 261 p. SOUZA, V.R.S. Estudo da eficiência de digestores anaeróbios de fluxo ascendente em série. Departamento de Tecnologia. Curso de Engenharia Civil – Universidade Estadual de Feira de Santana. Feira de Santana – Bahia, 2008. Monografia (Engenharia Civil). Data de Recebimento 11/7/13 Data de Aceite 25/9/13 39
  40. 40. ISSN 1980-0894 Artigo, Vol. 8, n. 2, 2013 DIMENSIONAMENTO DE UM SISTEMA DE CAPTAÇÃO DE ÁGUA PLUVIAL PARA USO DOMÉSTICO EM SÃO BERNARDO DO CAMPO - SP SCALING OF A RAINWATER HARVESTING SYSTEM FOR DOMESTIC USES IN SÃO BERNARDO DO CAMPO – SP INÁCIO, A. R 1 DINIZ, A. F. 2 CANDIA. M. M. 3 OLIVEIRA, T. M. 4 CHAGAS, R. K. 5 RESUMO Há pouca quantidade de áreas verdes para percolação da água das chuvas nos centros urbanos, pois, ao longo dos anos, os mesmos sofreram com a impermeabilização do solo , o que contribui com o aumento da velocidade da água escoada superficialmente, originando enxurradas e enchentes. O Sistema de Captação de Água Pluvial por Gravidade (SCAP) é uma alternativa viável para melhoria desses problemas. No Estado de São Paulo a Lei nº 12.526/07 estabelece que em lotes edificados ou não com área superior à 500m² o SCAP seja implementado. Esse estudo visa dimensionar 1 Graduanda do último período de Engenharia Ambiental pelo Centro Universitário Senac. Monitora, pelo Centro Universitário Senac, das disciplinas de Prevenção e Controle de Poluição Hídrica I, e Projeto Interativo VIII com foco em Biomonitoramento. Avenida Engenheiro Eusébio Stevaux, 823 - Santo Amaro, São Paulo – SP. E-mail: amanda_rodrigues_02@hotmail.com. 2 Graduanda do último período de Engenharia Ambiental pelo Centro Universitário Senac. 3 Graduanda do último período de Engenharia Ambiental pelo Centro Universitário Senac. 4 Graduanda do último período de Engenharia Ambiental pelo Centro Universitário Senac. 5 Doutor em Ecologia de Ecossistemas Terrestres e Aquáticos pela Universidade de São Paulo; Professor Pesquisador do Centro Universitário Senac. 40
  41. 41. ISSN 1980-0894 Artigo, Vol. 8, n. 2, 2013 um sistema de captação para uma residência com 525m², no município de São Bernardo do Campo, ou seja, trata-se de um estudo de caso, considerando a Lei Estadual nº 12.526 e uma vazão de 76,86L/h, cujo volume captado pode chegar a 1844,64 L, possibilitando diversos usos não potáveis para a água captada, como vaso sanitário, máquina de lavar, lavagem de carros e regas em jardins. Para a construção desse sistema, pode ser utilizada tubulação de PVC facilmente encontrada no comércio, atendendo as especificações da NBR 10.844/89. O SCAP é um sistema promissor, que também poderá ser utilizado para residências com menor dimensão. Palavras – Chave: Sistema de Captação de Água Pluvial, impermeabilização do solo, enchentes, Lei Estadual nº 12.526. ABSTRACT There is little amount of green areas for rainwater percolation in urban centers because, over the years, they have suffered from soil impermeability, what contributes to the increase of surface runoff speed, causing great superficial stream of water and floods. The Rainwater Harvesting System by gravity (RHS) is a viable alternative to improve these problems. In the state of São Paulo, the 12.526/07 Act establishes that, in lands for constructions, built or not, with an area greater than 500m ² RHS should be implemented. This study aims to calculate a Rainwater Harvesting System for a residence with 525m², in São Bernardo do Campo. Therefore, it is a case study considering the 12.526/07 Act and a flow rate of 76,86 L/h, in which the collected volume can reach 1844,64 L, allowing different non-potable uses for the rainwater harvested, such as in toilets, washing machines, washing cars and watering gardens. For the construction of this system, it can be used PVC pipings, easily found in the market,which meets the ISO 10.844/89 technical specifications. The RHS is a promising system which can also be used for smaller houses. Keywords: Rainwater Harvesting System, soil impermeability, floods, 12.526 Act. 41
  42. 42. ISSN 1980-0894 1. Artigo, Vol. 8, n. 2, 2013 INTRODUÇÃO A água é o símbolo comum da humanidade, respeitada e valorizada em todas as religiões e culturas, tornou-se também um símbolo da equidade social, pois a crise da água é, sobretudo, de distribuição, conhecimento e recursos, e não de escassez absoluta (VASCONCELOS & FERREIRA, 2007). As técnicas de captação e reúso de águas pluviais são alternativas sustentáveis, que além de contribuírem para um consumo racional, proporcionam a conservação dos recursos hídricos. Além disso, com a captação de águas pluviais, eventos como alagamento e enchentes poderão ser minimizados, pois o volume de água escoada na superfície é reduzido significativamente se um sistema de captação for implantado nas residências. Por isso tecnologias e projetos são desenvolvidos, a fim de minimizar os possíveis efeitos de uma redução de água potável (TAJIRI; CAVALCANTI; POTENZA, 2012). No Brasil, a gestão dos recursos hídricos segue a Lei das Águas n° 9.433/97, entre outras, que defende a conservação e o uso racional da água sob a Política Nacional de Recursos Hídricos. Um de seus principais objetivos é assegurar a disponibilidade de água, em padrões de qualidade adequados, bem como promover uma utilização racional e integrada de tais recursos. O Estado de São Paulo foi pioneiro em implantar uma lei estadual que defendesse os recursos hídricos. A Lei Estadual nº 7.663/91 estabelece normas de orientação à Política Estadual de Recursos Hídricos bem como ao Sistema Integrado de Gerenciamento de Recursos Hídricos do Estado de São Paulo. Ainda no estado de São Paulo, como medida de caráter mandatório, surgiu a Lei Estadual nº 12.526, vigente desde 2007, que torna obrigatória a implantação de sistema para captação e retenção de águas pluviais em lotes edificados ou não que possuam área impermeabilizada superior a 500 m², visando à redução do escoamento superficial em áreas impermeabilizadas para minimização de enchentes, e que diretamente, contribui para o uso e conservação dos recursos hídricos, uma vez que com os sistemas de captação de água da chuva é possível utilizar água pluvial em fins não potáveis, ou em fins potáveis quando recebido tratamento prévio. Dessa maneira, o dimensionamento técnico, considerando as variáveis ambientais é necessário antes da implantação do sistema de captação de água pluvial, portanto o trabalho tem como objetivo promover o dimensionamento de um sistema de captação de 42
  43. 43. ISSN 1980-0894 Artigo, Vol. 8, n. 2, 2013 água pluvial para uma residência hipotética, cuja área de cobertura é de 525m², situada no município de São Bernardo do Campo, atendendo à legislação pertinente ao reaproveitamento de água pluvial no estado de São Paulo. 2. JUSTIFICATIVA Segundo ANNECCHINI (2005), vários países sofrem com a escassez da água, em decorrência do desenvolvimento desordenado das cidades, da poluição dos recursos hídricos, do crescimento populacional e industrial, gerando aumento na demanda de água potável. É crescente a necessidade de encontrar meios de conservar os recursos hídricos, onde as alternativas para aumentar a quantidade e a qualidade da água passam, necessariamente, por uma revisão do uso já em meios urbanos, objetivando a redução do consumo, melhorando a qualidade e distribuição desse recurso natural. No Estado de São Paulo, tem-se a Lei Estadual nº 12.526/2007, que determina a implantação de sistemas de captação e águas pluviais, em lotes edificados ou não, com área de superfície de 500m² ou mais, visando ganhos ambientais em relação ao consumo de água, bem como na ocorrência de enchentes, uma vez que com a implantação destes sistemas, diminui-se também a quantidade de água escoada. O Município de São Bernardo do Campo sofre com o crescimento desordenado, ocupação irregular, e ações antrópicas, como a impermeabilização do solo, fazendo com que a cidade tenha grandes problemas em relação à ocorrência de enchentes, principalmente nos meses mais chuvosos (Sumário de Dados, 2010). Estudos realizados por Tajari, Cavalcanti e Potenza (2012) apontam que dos 3,4 bilhões de litros de água/dia produzidos para a cidade de São Paulo, 30% são perdidos em vazamentos nas tubulações e por problemas relacionados a medições e fraudes. Um cidadão brasileiro gasta em média de 50 a 200 litros de água tratada diariamente em sua residência, dependendo da região em que habita, sendo a maior quantidade decorrente do uso do chuveiro, responsável por 55% do consumo, contabilizando gastos de água em torno de 27,5 a 110 litros (Tajiri, Cavalcanti e Potenza, 2012). Entre os usos não potáveis da água, ou seja, que não necessitam de um tratamento anterior para alcançar padrões de potabilidade destacam-se o uso de bacias sanitárias convencionais que consomem até 12 litros de água por ciclo de descarga, e máquinas de 43
  44. 44. ISSN 1980-0894 Artigo, Vol. 8, n. 2, 2013 lavar roupa, que gastam em média 155 litros por lavagem (Tajiri, Cavalcanti e Potenza, 2012). Para padronizar e regularizar os sistemas de captação de água pluvial foi implementada em 2007 a NBR 15.527 que dispõe sobre o aproveitamento de água da chuva de coberturas em áreas urbanas para fins não-potáveis após um tratamento adequado. A norma estabelece que o estudo do sistema de captação deve ter o alcance do projeto, a população que utilizará a água pluvial e a demanda da projeto. Além disso, institui a necessidade de elaborar um estudo sobre a precipitação da região onde será implantado o aproveitamento de água da chuva para uma melhor concepção do sistema. Sistemas de captação de água da chuva captam volumes que caem e escoam sobre telhados ou lajes que, depois é conduzida até o ponto de armazenagem através de calhas e condutores, passando por equipamentos de filtragem e descarte de impurezas. Após passar pelo filtro, a água é armazenada em um reservatório e é bombeada a um segundo reservatório (caixa d’água), onde tubulações irão distribuir a água não potável para o consumo na edificação (JÚNIOR & PÊGO, 2012). A Organização Mundial de Saúde – OMS, não recomenda o reúso direto de águas da chuva para fins potáveis, uma vez que pode expor a saúde humana a riscos de diversas naturezas, sempre de elevado grau de periculosidade. Desta forma, o reúso de águas pluviais, para que não haja ingestão pelo ser humano, terá finalidade não potável, como rega de jardins, descargas sanitárias, lavagens de pisos, reservas contra incêndios, lagoas artificiais, lavagens de carros e espelhos d’água (PALAZZOLO et. al, 2010). “Um sistema de captação de água da chuva possui os seguintes componentes: (i) Área de captação da água da chuva (telhado do imóvel);(ii) Calhas e Condutores: do telhado a chuva migra para as calhas e em seguida para os condutores, os quais devem ser fabricados com de materiais inertes, como o PVC; (iii) Mecanismos de Remoção de Impureza: utilizado para o tratamento da água, como o filtro lento de areia, que é constituído de um leito de areia o qual está apoiado por um leito de cascalho; (iv) Reservatório: local para armazenamento da água da chuva; (v) Bomba: usada para bombear a água captada e 44
  45. 45. ISSN 1980-0894 Artigo, Vol. 8, n. 2, 2013 armazenada no reservatório inferior para um reservatório elevado; (vi) Válvula de retenção: utilizada após a bomba para que a água não retorne” (JUNIOR & PÊGO, 2012). Com um sistema constituído desta forma, é possível fazer a distribuição da água por gravidade, uma vez que a água captada e filtrada ficará armazenada, no final do processo, em um reservatório elevado. Isto diminui gastos em relação à implantação do projeto, uma vez que com um reservatório elevado, necessita-se apenas de uma bomba para bombear a água do reservatório inferior para o reservatório superior e assim distribuir a água por gravidade, como dito anteriormente. 3. MÉTODO DE TRABALHO 3.1. Caracterização da área de estudo São Bernardo do Campo se localiza no Planalto Paulistano, nos contrafortes da Serra do Mar, numa posição intermediária entre o Porto de Santos e a Capital do Estado de São Paulo (Figura 1). Simultaneamente, com os municípios de Santo André, São Caetano do Sul, Diadema, Ribeirão Pires, Rio Grande da Serra e Mauá, compõe a SubRegião Sudeste da Região Metropolitana de São Paulo. A geomorfologia do município divide-se em Planalto Atlântico (com cerca de 5.000 km², e altitudes médias entre 715 e 900 m) e Serra do Mar (Sumário de Dados, 2010). Figura 01 - Localização do Município de São Bernardo do Campo na Região do Grande ABC. Fonte: Adaptado de Sumário de Dados, 2010. 45
  46. 46. ISSN 1980-0894 Artigo, Vol. 8, n. 2, 2013 Todas as águas do município pertencem a duas bacias hidrográficas fundamentais: Bacia da Baixada Santista e Bacia do Tietê, a qual se apresenta sob dois aspectos, sendo eles Sub-Bacia do Tamanduateí e Sub-Bacia do Pinheiros. Em relação à vegetação, o município apresenta três áreas distintas: região próxima à Serra do Mar, com alta densidade de cobertura vegetal nativa, composta por Mata Atlântica secundária em estágio inicial de regeneração e Mata Atlântica primária ou secundária nos estágios médio e avançado de regeneração; região de vegetação secundária (área desmatada, abandonada e regenerada) de média densidade, com predominância de capoeiras, áreas de intervenção antrópica, compostas por gramíneas e arbustos baixos e esparsos, principalmente nas vertentes da Bacia do Sistema Billings; e região correspondente ao restante da área do município, caracterizada pela ausência de mata, intensamente urbanizada e vegetação restrita a praças e canteiros (Sumário de Dados, 2010). De acordo com o Sumário de Dados (2010), o índice pluviométrico do município é de 1607 mm/ano. O município possui dois períodos distintos no que se refere à pluviosidade, a saber: i)Período mais chuvoso, de outubro a março, variando os meses mais chuvosos entre janeiro, fevereiro e março. ii) Período mais seco, de abril a setembro, em que junho é, predominantemente, o mês mais seco. A Figura 02 mostra a distribuição mensal de chuvas no município de São Bernardo do Campo: Figura 02: Média mensal de pluviosidade (mm) São Bernardo do Campo, 2000, 2005, 2009. Fonte: Sumário de Dados, 2010. 46
  47. 47. ISSN 1980-0894 Artigo, Vol. 8, n. 2, 2013 Considerando uma residência hipotética com área de 525 m² (21m x 25m), no município de São Bernardo do Campo, pretende-se dimensionar um sistema de captação de águas pluviais, considerando os seguintes aspectos descritos nas equações de 1 a 19 abaixo descritas: (i) Área de captação de água da chuva Pode ser obtida multiplicando-se a largura e o comprimento do telhado, como pode ser visto na equação (1): A =L x C (1) (ii) Volume de água captada Para o cálculo de volume de água captada adotou-se o Método Prático Australiano descrito na NBR 15.527, conforme pode ser visto na equação (2): V= IxAxC 1000 (2) Onde: V = volume de água captada, em m³ I = precipitação, em mm/h A = área de captação, em m² C = Coeficiente de Runoff 1000 = fator de conversão Segundo Carvalho e Silvia (2006), a estimativa da vazão de água captada da chuva é essencial para o dimensionamento das tubulações e calhas. Existem várias equações para estimar esta vazão, porém o método racional é o mais usado mesmo o seu uso sendo limitado a pequenas áreas (até 80 ha). Este método racional foi desenvolvido pelo irlandês Thomas Mulvaney em 1851, sendo utilizado quando há grande disponibilidade de dados pluviométricos e poucos registros sobre vazão de água da chuva. A equação racional estima a vazão máxima de escoamento de água sobre determinada área quando a mesma estiver sujeita a máxima intensidade de precipitação, com determinado tempo de concentração. No entanto, o volume de água que pode ser aproveitada não corresponde integralmente àquele que foi precipitado. Para corrigir essa dissintonia faz-se uso do Coeficiente de Runoff que representa a razão entre a água que escoa superficialmente pelo total da 47
  48. 48. ISSN 1980-0894 Artigo, Vol. 8, n. 2, 2013 água precipitada (Oliveira, 2008). O coeficiente de Runoff varia entre 0,90 a 0,67, porém, para telhas de cerâmicas e de metal varia de 0,80 a 0,90. Neste caso, considerando um telhado cerâmico de 525m², considera-se C = 0,80, o que significa uma perda de 20% da quantidade de água pluvial que precipita para o que é aproveitada (TOMAZ, 2003). (iii) Calha e tubulação externa O material utilizado nas calhas e tubulações na residência foi o PVC, assim os cálculos consideraram esse tipo de material e as respectivas dimensões seguem os requisitos estabelecidos pela norma ABNT NBR 10.844/89. Dessa forma, uma cobertura com comprimento de 25 m – caso da situação presente - deverá ter uma calha com largura (L) de 0,5 m, e altura (H) de 0,16 m, permitindo calcular a área (A) e o perímetro molhado (P) da calha pelas equações (3) e (4): A =L x H (3) P =L+2 x H (4) Com o valor do perímetro molhado, é possível determinar então o raio hidráulico (RH) da calha, pela equação (5): A RH = P (5) De acordo com a NBR 10.844/89, utilizando a fórmula de Manning-Strickler é possível dimensionar a vazão máxima que esta calha suportará, a partir da aplicação da Qmáx= 60.000 x � n � x RH 2/3 x S1/2 equação (6): A Onde: Qmáx = vazão máxima 60.000 = fator de conversão A = área da calha n = coeficiente de rugosidade de Manning (para PVC = 0,011) RH = raio hidráulico S = declividade (0,005 m / m) 48 (6)
  49. 49. ISSN 1980-0894 Artigo, Vol. 8, n. 2, 2013 Para o dimensionamento da tubulação vertical deve-se considerar a vazão calculada anteriormente, utilizando a maior pluviométrica mensal: ou seja, neste caso aquela registrada ao longo do mês de dezembro, de 300 mm/mês (0,403 mm/h). De acordo com a NBR 10.844/89 o diâmetro mínimo de uma tubulação vertical é 70 mm (7cm), dessa forma, é necessário verificar se esse diâmetro mínimo atende a vazão calculada anteriormente. Sendo assim, primeiramente calcula-se a área da tubulação (A) pela equação (7): A= Π x d2 4 (7) Em seguida, calcula-se a velocidade de escoamento (V) dividindo-se a vazão (Q) pela área da tubulação (A) – nos termos da equação (8), verificando se o diâmetro é condizente com à vazão do projeto. Q v= A (8) Para o redimensionamento da vazão e da velocidade da tubulação vertical, adotouse as informações de chuva crítica do município de São Paulo para averiguação da adequação do diâmetro de uma tubulação com diâmetro de 70 mm. Dessa maneira, conforme o estudo das Equações de Chuvas Intensas no Estado de São Paulo elaborado pelo DAEE, Sistema Integrado de Gerenciamento de Recursos Hídricos de São Paulo, em 1999 ocorreu uma precipitação crítica com duração de 30 minutos, com tempo de recorrência de 10 anos e precipitação média de 92 mm/h. Para esta precipitação, aplicase novamente a equação 2, obtendo-se um novo volume de água captada, onde posteriormente verifica-se qual será a vazão resultante deste volume em uma hora. Considerando tal vazão obtida e um condutor vertical de 5 m é possível verificar qual é o diâmetro necessário para suportar a vazão da chuva crítica utilizando o gráfico de diâmetro interno mínimo dos condutores verticais que consta na NBR 10.844/89. (iv) Filtro lento de areia A filtragem da água de chuva é um processo necessário para a retirada dos elementos em suspensão que são arrastados pela água da chuva ao passar pelas coberturas das edificações. Uma alternativa de baixo custo é o filtro lento de areia, que pode ser de construído em alvenaria, PVC ou fibra de vidro, composto de material inerte de granulometria diferente, desde o mais fino até o mais grosso (OLIVEIRA, 2005 apud 49
  50. 50. ISSN 1980-0894 Artigo, Vol. 8, n. 2, 2013 TORRES, MORAES e JÚNIOR, 2012). Além disso, os filtros lentos de areia também apresentam potencial de remoção de microrganismos, o que contribui para a melhoria da qualidade da água (FARIAS, 2011). De acordo com Murça (2011) para um funcionamento adequado do filtro lento de areia, ainda que a taxa de filtração seja variável, esta deve ser no máximo de 6 m³/m².dia. Dessa forma, adotou-se a taxa de filtração de 3m³/m².dia e, consequentemente, um filtro com área de 2,25 m² , uma vez que com tal dimensão será possível filtrar 4,08 m³/dia, valor este que representa a precipitação considerada mais crítica no município de São Bernardo do Campo. (v) Reservatórios Serão considerados dois reservatórios para o SCAP, uma vez que se faz necessário um reservatório que receba a água filtrada do filtro lento de areia, e um reservatório elevado onde haverá a dosagem de cloro e posterior distribuição da água por gravidade. Considerando o Método Prático Inglês (NBR 15.527, 2007) para dimensionamento de reservatórios, chegou-se a um volume anual de captação aproximado de 42m³, através da equação 9: V =0,05 x P x A (9) Onde: V = Volume do reservatório, em L P = Precipitação média anual, em mm A = Área de captação, em m² Considerando que São Bernardo do Campo possui 6 meses de chuva intensa, e adotando que tal reservatório deve suportar a vazão destes meses, adotou-se como fator de segurança, reservatórios com volume de 7 m³ cada (1,4m x 2m x 2,5m), com uma vazão de saída (Q) dos reservatórios sendo obtida pela divisão do volume (V) pelo tempo (T): 50
  51. 51. ISSN 1980-0894 Artigo, Vol. 8, n. 2, 2013 V Q=T (10) (vi) Tubulação interna De acordo com o Zocoler et. al (2004), o dimensionamento da tubulação de ∅ =1,3 x T 0,25 x �Q recalque para escoamento não contínuo é feito pela equação de Forchheimer: (11) ∅ = diâmetro Onde: 1,3 = fator de conversão T = tempo de horas trabalhadas Q = vazão que sai do reservatório em m³/s De acordo com Mello e Carvalho (1998), a rugosidade do PVC é de 0,06 mm, ou seja, 0,00006 m. Sabendo-se esta informação e o diâmetro da tubulação, é possível calcular a rugosidade relativa do material pela equação (12), que é necessária para a determinação do fator de atrito quando correlacionado ao número de Reynolds no Diagrama de Moody, que será abordado no item vii. Rugosidade relativa = (12) ∅ E PVC (vii) Bomba Para a residência considerada nesse estudo é adequado a utilização de uma bomba para transportar a água do reservatório 1 para o reservatório 2 consequentemente para calcular a potência da bomba os seguintes fatores, deverão ser considerados nas equações de 13 a 19. O número de Reynolds expressa a relação entre força de inércia e força viscosa. A partir do Número de Reynolds e da rugosidade relativa é possível calcular o fator de atrito através do Diagrama de Moody. Re = ∅xV v (13) Onde: 51
  52. 52. ISSN 1980-0894 Artigo, Vol. 8, n. 2, 2013 ∅ = diâmetro da tubulação Re = Número de Reynolds V = velocidade de escoamento v = viscosidade cinemática da água (1 . 10-6 m²/s) O fator de atrito ou coeficiente de resistência de Darcy-Weisbach, por vezes citado como fator de fricção (f), é outro parâmetro adimensional utilizado para calcular a perda de carga em uma tubulação devido ao atrito. As perdas de carga da sucção e do recalque da bomba também devem ser calculadas, pois as sobre pressões podem acarretar, nos casos mais críticos, ruptura de canalizações que não apresentam coeficientes de segurança suficientes (SOUZA, 2009). Para calcular a perda de carga da sucção (Hs), utiliza-se a equação (13) descrita por Gomes et al. (2010): Hs =f x (14) ∅ L x V2 2.g Onde: Hs = perda de carga da sucção f = fator de atrito ∅ = diâmetro da tubulação L = comprimento dos trechos retos, em metros (reservatório até a bomba) V = velocidade de escoamento em m/s g = força gravitacional, adotado como 10 m/s² Para cálculo do comprimento dos trechos retos (L), somam-se todas as perdas de carga dos componentes hidráulicos desde a bomba até o reservatório 2. Para situação objeto da presente avaliação, foram adotados valores de perda de carga que constam na NBR 5.626/1998. Nesse estudo, somaram-se os valores referentes à válvula de retenção hidráulica, curva de 90º, trecho reto e saída, como se pode ver na equação (15): L = válvula de retenção hidráulica + curva 90º + trecho reto + saída (15) Semelhante à sucção, a perda de carga do recalque (Hr) pode ser calculado pela equação (16) descrita por GOMES et al. (2010): 52
  53. 53. ISSN 1980-0894 Hr =f x (16) ∅ L x Artigo, Vol. 8, n. 2, 2013 V2 2.g Onde: Hr = perda de carga do recalque f = fator de atrito ∅ = diâmetro da tubulação L = recalque V = velocidade de escoamento em m/s G = força gravitacional, adotado como 10 m/s² Dessa forma, a perda de carga total será a somatória da perda de carga da sucção e perda de carga do recalque (Hr). De acordo com Souza (2009), a altura manométrica total pode ser obtida pela somatória da altura geométrica (Hg) e perda de carga total, ou seja, a altura manométrica corresponde à energia por unidade de peso que o sistema solicita para transportar o fluido do reservatório de sucção para o reservatório de descarga, com uma determinada vazão. Essa energia será fornecida por uma bomba, que será o parâmetro fundamental para o selecionamento da mesma. No entanto, é preciso primeiramente calcular o N.P.S.H. (Net Positive Suction Head) da bomba afogada, pois é necessário saber qual é a energia ou carga total na entrada da bomba. O N.P.S.H. pode ser obtido pela equação (17) descrita pela NBR 12.214/1992: NPSH=Z+Hatm+Hv+ ∆Hs (17) Onde: NPSH = energia ou carga total na entrada da bomba Z = posição da bomba em relação ao solo Hatm = pressão atmosférica ∆Hs = perda de carga na sucção Hv = pressão de vapor d’água para uma determinada temperatura Para se obter a altura manométrica da bomba, utiliza-se a Equação de Bernoulli, H-h= �ρ . g +Z2 + 2 .2g� - �ρ . g +Z1 + 2 .1g� descrita por MOREIRA (2007): P2 V2 P1 V2 (18) 53
  54. 54. ISSN 1980-0894 Artigo, Vol. 8, n. 2, 2013 Onde: H = altura manométrica da bomba que se deseja obter h = perda de carga total P = pressão atmosférica (no ponto 1 e 2) Z = altura ρ = densidade da água (1.00 g/cm³) g = força gravitacional, adotado como 10 m/s² Finalmente, de posse dos valores para as demais variáveis será então possível calcular a potência da bomba (Pot) pela equação (19): Pot= 9,8 x Q x H n (19) Onde: Pot = potência da bomba Q = vazão em m³/s H = altura manométrica da bomba n =eficiência da bomba Para verificar se esta bomba é viável comercialmente, é necessário saber sua potência em CV (cavalos), transformando a potência obtida de kW para W, ou seja, multiplicando-o por 1000 e dividindo-se por 735 (fator de conversão) para encontrar o valor em cavalos. 4. RESULTADOS E DISCUSSÃO Os cálculos realizados demonstraram que a vazão de captação de água pluvial será de 0,07686 m³/h, ou seja, 76,86 L/h. Através deste resultado, estima-se, então, que em um dia consiga ser captado um volume total de 1.844,64 L considerando a média pluviométrica para o município de São Bernardo do Campo. Na Figura 03 é possível ver os principais elementos dimensionados para o SCAP. 54
  55. 55. ISSN 1980-0894 Artigo, Vol. 8, n. 2, 2013 Figura 03 - Sistema de Captação de Água da Chuva. Para o dimensionamento da calha de captação, considerou-se o valor de referência, ou seja, 0,5m e 0,16m de altura. Contudo, os cálculos de área, perímetro molhado, raio hidráulico, considerando a vazão do mês mais chuvoso, levam a uma vazão máxima que calha suportará de 6.485 l/min. Porém, a vazão é muito superior à projetada, 1,281L/min, ou seja, a calha poderia ser redimensionada em função da vazão. Dessa maneira, para o redimensionamento da calha, adotou-se a largura usual de 0,3 m, chegando a uma vazão máxima que a calha suportará de 691,62 L/min, aproximadamente. Para o dimensionamento da tubulação vertical também é necessário utilizar a vazão de água do mês mais chuvoso. Conforme descrito pela NBR 10.844/89 o diâmetro mínimo dessa tubulação deverá ser de 70 mm, cuja velocidade de escoamento obtida foi de 1,22 cm/s, ou seja, a tubulação de 70 mm suportará a vazão prevista inclusive no mês mais chuvoso. E, ainda uma tubulação com 70 mm será capaz de captar uma precipitação mais intensa com 92 mm/h, duração de 30 minutos e tempo de recorrência a cada 10 anos. Considerando uma tubulação vertical projetada de 5 m de comprimento o valor de diâmetro mínimo necessário para a captação das águas pluviais e transporte até o filtro lento de areia será de aproximadamente 62 mm. Para o filtro lento de areia, adotou-se uma taxa de filtração de 3m³/m².dia, uma vez que a mesma pode variar entre 1 e 6m³/m².dia, sendo este um valor à critério do 55
  56. 56. ISSN 1980-0894 Artigo, Vol. 8, n. 2, 2013 projetista. Considerando o mês mais chuvoso, cuja vazão é de ou 4,08 m³/dia, o filtro lento de areia deverá ter uma área de 2,25 m² para suportar a vazão do mês mais chuvoso, porém esse dimensionamento não impede que o filtro funcione corretamente com vazões menores. Para os reservatórios 1 e 2, embora a vazão máxima de água pluvial captada seja de 0,170 m³/h, o volume mínimo necessário em cada reservatório seria de 0,170 m³, porém, considera-se necessário dimensionar reservatórios com volumes superiores ao mínimo necessário, para armazenamento adequado em situações de chuvas intensas. Dessa maneira, considerando o Método Prático Inglês, adotou-se um volume de 7m³ para ambos os reservatórios com uma vazão de saída de água de 0,00194 m³/s. A tubulação interna deverá ser dimensionada seguindo as especificações da ABNT para escoamento não contínuo, ou seja, através da equação de Diâmetro Econômico, obteve-se o valor de 2,6 cm, porém foi adotado o valor de 3,175 cm que equivale a 11/4, pois de acordo com a NBR 5.626/98 é possível trabalhar com tubulações de 1 polegada, equivalente a 2,54 cm, porém não seria adequado para a vazão calculada, sendo necessário utilizar um diâmetro superior, mais próximo do valor obtido, ou seja 3,175 cm. Para calcular a velocidade de escoamento na tubulação interna considera-se a rugosidade do PVC (0,06 mm) e a rugosidade relativa de 0,00189, que é a relação da rugosidade do PVC com o diâmetro da tubulação, e a área da tubulação (5,3 x 10-4 m²), obtendo-se então como um valor de 3,66m/s. E finalmente, para calcular a potência da bomba, diversos fatores devem ser levados em consideração, iniciando pelo Número de Reynolds, cujo valor obtido foi de 11,62 x 105 . e obtendo o fator de atrito de 0,03. Esse valor é necessário para calcular a perda de carga da sucção, de 1,266 m , e a perda de carga do recalque, de 17,95 m. A partir da perda de carga de sucção e de recalque, a perda de carga total será de 19,216 m. Somando-se a perda de carga total e a altura geométrica (diferença de nível entre o reservatório 1 e 2) que é de 6 m , obtém-se então a altura manométrica, que será 25,216 m. Para se obter a altura manométrica da bomba, é necessário, entre outros fatores, saber a perda de carga total na entrada da bomba (NPSH), que é influenciada pela posição da bomba em relação ao solo, pressão atmosférica e pressão de vapor d’água para uma determinada temperatura. Considerando essas variáveis, o valor obtido para a 56

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