Segundo Sperling (2014), o modelo de Streeter-Phelps pode ser aplicado para qualquer substância presente nos efluentes, controlando os parâmetros K para cada. Como o exemplo da relação de Demanda Bioquímica de Oxigênio (DBO) e Oxigênio Dissolvido (OD), as equações são apresentadas da seguinte forma:

[• Equação de DBO:]

[• Equação de OD:]

O lançamento de efluentes em cursos d’água causa diversos impactos na biota local, culminando em um decréscimo dos teores de oxigênio dissolvido. Este decréscimo está ligado ao DBO, que é a quantidade de oxigênio necessária para estabilizar a matéria orgânica, como mostrado no livro “Introdução à qualidade das águas e ao tratamento de esgotos” de Marcos Von Sperling (2014), matematicamente, relacionando o avanço do consumo de oxigênio ao longo do tempo.

As equações apresentadas neste livro foram estabelecidas pelos pesquisadores Streeter e Phelps em 1925, que propiciou grande impulso para o entendimento do fenômeno de autodepuração em águas receptoras de cargas poluentes (ANDRADE, 2010), onde foram considerados somente o consumo e a produção de OD. Também foram definidos que a difusão advectiva é nula, que a dispersão longitudinal é instantânea, e que o escoamento do rio é permanente. Para os estudos nessas condições, as equações (I) e (II) foram reescritas, de tal forma que:

Onde Kd é a constante de remoção da DBO no rio (dia^-1), t o tempo contado em dias e L a concentração de DBO remanescente (mg/L). Esta equação representa a carga pontual lançada na origem do rio. Isso quer dizer que a taxa de decomposição da matéria orgânica é proporcional a mesma em um dado período de tempo.

Andrade (2010) explana que “o consumo de oxigênio dissolvido (OD) no meio líquido ocorre simultaneamente à reação de reoxigenação desse meio, na qual, por meio de reações exógenas, o oxigênio passa da atmosfera para a água.” A equação é da por:

O autor ainda define que KS sendo o coeficiente de reaeração, que é reposição natural de oxigênio dissolvido em corpos d'água (dia^-1) e o D o déficit de oxigênio dissolvido, ou seja, a diferença entre a concentração de saturação e a concentração existente em um tempo t (mg/l). Somando a equação 1 e 2, obtém-se a taxa de déficit de oxigênio dissolvido com tempo:

Na equação 3 é possível compreender que tanto a concentração de DBO remanescente, quanto o déficit de oxigênio dissolvido são variantes em função do tempo decorrido. (ANDRADE, 2010).

Os estudos para determinar a taxa de oxigênio dissolvido em um dado curso d’água podem ser bem complexos, visto que rios, lagos e afins não possuem uma superfície totalmente regular para que se possa fazer as análises. Dado este problema, podemos analisar um curso delimitando uma região, criando um sistema fechado para estudo.

Assim, tornam-se aplicáveis alguns cálculos para que se possa analisar a área e o volume em uma dada zona de depuração e, por consequência, antever o comportamento de todo o processo de autodepuração da matéria orgânica. Como será tratado mais adiante, este tipo de estudo pode ser muito útil para previsão de prazos e custos de procedimentos para reutilização de águas residuais em indústrias de diversos tipos.

2.2.2 Cálculo da área a partir da integral dupla

A área da seção transversal do rio poderá ser comparada a um cilindro cortado transversalmente e a partir da integral dupla será obtido a área da face desta cônica. O cálculo será dado por:

onde,

R é a profundidade da zona determinada.

[• Resolução da integral:]

Um exemplo prático, o rio Tietê, localizado no estado de São Paulo, possui 1136 km de extensão total. Nos 15 km onde começa a ficar poluído, o rio apresenta 100 m de largura e 7 m de profundidade. Pode-se calcular a área deste trecho pela equação:

Obtendo-se a função da área transversal (A) e substituindo por valores arbitrários, o resultado poderá ser utilizado no cálculo de OD e DBO e, consequentemente na taxa de déficit de oxigênio dissolvido com o tempo.

No ambiente aquático, a matéria orgânica biodegradável existe naturalmente e tem origem em fontes como a decomposição da massa vegetal. Segundo Bárbara (2006), para que o equilíbrio do meio seja alcançado, os micro-organismos presentes nesse ambiente decompõe essa matéria e se feito em condições aeróbicas ocorrerá o consumo de oxigênio. Todo curso d’água é detentor de uma determinada capacidade de se depurar que é chamada de autodepuração.

O fenômeno de autodepuração, segundo Sperling (2014, p.135) “[...] está vinculado ao restabelecimento do equilíbrio no meio aquático, após as alterações induzidas pelos despejos afluentes”. Os compostos orgânicos são parte integrante da autodepuração e são convertidos em gás carbônico e água, tornando-se compostos estáveis, que não são prejudiciais do ponto de vista ecológico.

Figura 1:
Zonas de depuração
Sperling (2014).

A autodepuração realiza-se por meio de processos químicos (oxidação), biológicos e físicos (diluição e sedimentação). Segundo Braga et al. (2005), a decomposição da matéria orgânica corresponde a um processo biológico integrante do processo de depuração. Essa matéria é consumida pelos decompositores aeróbios que transformam proteínas e gorduras em compostos como dióxido de carbono, amônia e aminoácidos.

Dentre os efeitos relatados pelo estudo em questão, sobretudo acerca da taxa de variação de oxigênio dissolvido, a área de Engenharia de Produção fornece o material necessário para uma análise sobre a viabilidade de técnicas que possam mitigar os efeitos dos lançamentos de efluentes em um dado curso d’água, bem como a aplicação desses conhecimentos para a indústria.

De acordo com Borges, Galbiatti e Ferraudo (2003), algumas medidas podem ser adotadas para monitoramento e controle da qualidade hídrica e eficiência em cursos d'água urbanos, dentre eles a implantação de um plano de monitoramento contínuo da qualidade da água dos cursos d’água; de estações hidrométricas para conhecimento adequado do regime de vazões dos córregos; a execução o tratamento do esgoto domiciliar e industrial, impedindo seu despejo in natura nos cursos d’água; Impedir o lançamento de esgoto clandestino humano ou animal nos cursos d’água; fiscalizar efetivamente os estabelecimentos que apresentam uso intenso de produtos químicos e que tem acesso direto aos córregos.

O objetivo da análise de viabilidade econômica é verificar se os benefícios que são gerados com os investimentos irão suprir os custos com os mesmos. Deve-se observar segundo Hastenreiter (2013), se os custos envolvidos na implantação, funcionamento e manutenção são viáveis ou não. Os custos devem ser analisados de forma minuciosa e detalhada para que se obtenha precisão nos resultados.

Neste estudo, a análise será feita comparando se os custos com o tratamento de efluentes nas próprias indústrias é viável. Para essa análise, é avaliado o tempo de retorno do dinheiro investido, os benefícios que esse processo trará para o meio ambiente e a sustentabilidade, visto que é um investimento de custo elevado.

Até este ponto, foram estudados parâmetros para análise da qualidade das águas e o processo de recuperação de um curso d’água, ao sofrer poluição por matéria orgânica. O próximo objetivo é demonstrar como esses estudos podem auxiliar nos processos industriais, minimizando desperdícios e contribuindo no reaproveitamento de água.

Com o aumento constante da população e a necessidade de se preocupar com as questões ambientais devido à qualidade da saúde humana e legislação, surgem as denominadas Estações de Tratamento, como os descritos a seguir.

• Estação de Tratamento de Esgoto - ETE, que é a unidade operacional do sistema de esgotamento sanitário que por meio de processos físicos, químicos ou biológicos removem as cargas poluentes do esgoto, devolvendo ao ambiente o produto final, ou seja, o efluente tratado, em conformidade com os padrões exigidos pela legislação ambiental;

• Estação de Tratamento de Água- ETA, que é um local onde é realizada a purificação da água captada de alguma fonte, para torná-la propícia para consumo e, assim, utilizá-la para abastecer uma determinada população. A captação da água bruta é feita em rios ou represas, que possam suprir a demanda por água da população e das indústrias abastecidas, levando em conta o ritmo de crescimento, antes que vá para o sistema de distribuição de água através de adutora.

Segundo Anze (2013), técnicas de redução de água e efluentes podem reduzir a demanda de água fresca e, como consequência, a geração de efluentes. O uso de tais técnicas, partidas dos estudos de desempenho das práticas de tratamento de água e esgoto, culminam para uma redução de gastos com a produção, otimizando e maximizando resultados pela eliminação de custos.

Dentre essas técnicas, encontram-se o reuso de água, onde a água de saída de alguns processos pode ser utilizada diretamente como corrente de entrada em outras operações, desde que o nível de contaminantes seja aceitável. Isso pode requerer que esta corrente seja misturada com água residual de outra operação e/ou água fresca.

O resultado é a redução de quantidade de água fresca necessária e de efluentes gerados, enquanto a carga final de contaminante não é afetada. Consiste também na regeneração, onde a água residual possa ser regenerada por meio de tratamento para remover os contaminantes, e assim evitar o seu reuso e reutilização em outras operações. Consequentemente, a carga de contaminante de água/água residual é reduzida. Além disso, a água não pode ser utilizada no mesmo processo. Também podemos citar a regeneração com reciclo, onde a água residual pode ser regenerada para remover os contaminantes acumulados e, em seguida, ser reciclada. Neste caso, a água pode alimentar o processo em que foi utilizada anteriormente. (ANZE 2013).

As técnicas de reaproveitamento de matéria prima, assim como da redução de desperdícios, não é algo novo no cenário produtivo. Esses procedimentos, comumente chamados de produção enxuta ou produção mais limpa, consistem em uma técnica de melhoria contínua, cujo objetivo se foca em questões como eficiência, lucratividade e competitividade. A principal questão dessa metodologia de produção é a necessidade de desenvolver continuamente processos de produção, melhorando e otimizando o processo antigo. Neste cenário, a produção mais limpa se preocupa com processos isolados, nos quais materiais, como água e matéria prima, circulam o máximo possível dentro do processo antes do seu descarte. (GIANNETTI; ALMEIDA E BONILLA, 2007).

A figura 2 mostra como a utilização da produção mais limpa, associada a ecoeficiência e programas de prevenção de poluição, podem auxiliar nos processos econômicos e como há uma interação entre produtividade e responsabilidade social, emitindo menos efluentes e garantindo que os mesmos sejam menos danosos ao curso d’água para seu processo de autodepuração.

Figura 2:
Algumas respostas do sistema industrial aos problemas ambientais
Giannetti, Almeida e Bonilla (2007).

As ações acerca da preservação do meio ambiente têm modificado não apenas a imagem das empresas diante de seus consumidores, mas também a sua forma de produção e descarte de resíduos, muitas vezes influenciando diretamente as suas margens de lucro. Dessa forma, pode-se dizer que a Economia Ambiental, ou Economia do Meio Ambiente, deve ser encarada como uma arma competitiva, uma estratégia de desenvolvimento adotada pelas empresas que pretendem lançar-se ou mesmo permanecer atuantes no mercado. (COSTA, 2005).

Por muito tempo, a preocupação com a geração de efluentes líquidos industriais não era levada em consideração nem os impactos que os mesmos traziam ao meio ambiente. Com a mudança da legislação e a preocupação com a sustentabilidade de algumas indústrias, o cenário mudou e as empresas desenvolveram formas para mitigar a geração dos efluentes e diminuir os custos. Uma das maneiras encontradas foi a criação de estações de tratamento de esgoto dentro das próprias empresas, a fim de reduzir a utilização de água, bem como mitigar o descarte de poluentes em um curso d’água.

Empresas de diversos setores criaram um sistema de tratamento de esgoto e aproveitamento das águas. Um dos motivos que impulsionou esse tratamento foi a constante seca em diversos estados na região sudeste do Brasil e a possibilidade de reduzir gastos com contas de água.

A companhia de Águas e Esgoto de São Paulo (Sabesp) desenvolveu o projeto Aquapolo, um projeto de água de reuso, desenvolvido em parceria com a iniciativa privada, onde são distribuídas águas de reuso para dez fábricas de diferentes ramos, como a Bridgestone, White Martins, Arconic e Braskem.

Segundo Kunz et al (2000), as técnicas de tratamento de efluentes, que são fundamentadas em processos de coagulação seguidos de separação por sedimentação ou flotação, apresentam eficiência na remoção do material particulado. Os processos biológicos utilizados com maior frequência são representados pelos sistemas de lodos ativados, que está representado na imagem abaixo. Esse processo consiste na agitação dos efluentes na presença do ar e micro-organismos durante o tempo necessária para flocular e metabolizar parte da matéria orgânica.

Figura 3:
Esquema de uma estação de tratamento de efluentes utilizando lodo ativado, tipicamente empregada para tratamento de efluente têxtil
Adaptado de Kunz (2000).