I CORRELAÇÃO ENTRE A MICROFAUNA E AS CONDIÇÕES OPERACIONAIS DE UM PROCESSO DE LODOS ATIVADOS

Transcrição

1 I CORRELAÇÃO ENTRE A MICROFAUNA E AS CONDIÇÕES OPERACIONAIS DE UM PROCESSO DE LODOS ATIVADOS Silvana Audrá Cutolo (1) Bióloga Sanitarista. Mestre em Saúde Pública do Departamento de Saúde Ambiental da Faculdade de Saúde Pública da Universidade de São Paulo (FSP/USP). Doutoranda em Saúde Pública (FSP/USP). Aristides Almeida Rocha Professor Titular do Departamento de Saúde Ambiental da Faculdade de Saúde Pública da Universidade de São Paulo (FSP/USP). Endereço (1) : Av. Dr. Arnaldo, Cerqueira César - São Paulo - SP - CEP: Brasil - Tel: (11) cutolosa@usp.br RESUMO Por meio de experimentos em bancada no laboratório, verificou-se a composição biológica e a correlação entre as condições impostas aos dois sistemas, simulando o processo convencional de lodos ativados com carga constante e o outro com variação de carga. Para cada experimento foram analisados os parâmetros físico-químicos e biológicos, identificando e quantificando a microfauna. Os objetivos foram alcançados e concluindo-se que a co-dominância de protozoários ciliados de vida livre e ciliados pedunculados propiciaram melhor eficiência dos experimentos, em conjunto aos parâmetros físico-químicos; já os protozoários ciliados livre natantes e os flagelados foram indicadores das fases inicial e de recuperação do processo. PALAVRAS-CHAVE: Microfauna, Condições Operacionais, Análise Estatística, Processo de Lodos Ativados. INTRODUÇÃO Nas estações de tratamento de esgotos, os processos fundamentam-se nas atividades enzimáticas da comunidade microbiológica, que transformam os compostos químicos complexos presentes nos esgotos. Basicamente, as bactérias desempenham papel preponderante na reação de oxidação e a microfauna na clarificação do efluente final. A população microbiana que participa da formação dos flocos no processo de lodos ativados é composta por bactérias, fungos, protozoários e micrometazoários. A estrutura da comunidade, distribuição e frequência dos organismos estão relacionadas com as condições operacionais do tratamento; com a qualidade e quantidade de esgotos que alimenta o sistema, e a uma série de fatores impostos a cada processo de tratamento de esgotos. As comunidades estabelecidas são dinâmicas e fundamentais ao sistema de tratamento, e a cada espécie de organismo possue uma determinada finalidade no controle operacional do processo de lodos ativados. Assim, as bactérias filamentosas são importantes na formação da base estrutural do floco, mas devem ter um controle efetivo no crescimento para evitar o intumescimento de lodo. A presença de fungos no processo de lodos ativados está associada ao ph baixo; à concentrações elevadas de carboidratos e à deficiência de nutrientes. Os protozoários são essenciais na formação dos flocos e na clarificação do efluente final (Branco, 1967; Varma, 1975; Drakides, 1980; Esteban, 1991 e Madoni, 1993, Cowan, 1996, Cutolo, 1996, Amann, 1998, Bouchez, 2000). De acordo com Branco (1986), na estabilização do esgoto no tanque de aeração do processo de lodos ativados, desenvolve-se uma associação de microrganismos relacionados às características dos distintos ambientes ecológicos e que são substituídos no decorrer do tempo. Verifica-se com isso um processo de sucessão extremamente dinâmico entre os grupos de organismos. ABES - Associação Brasileira de Engenharia Sanitária e Ambiental 1

2 As bactérias heterotróficas ocupam um nicho físico constituído pelo floco formado pelas bactérias filamentosas, e que se torna o principal elemento ativo, adsorvente-oxidante no processo de depuração do esgoto (Branco, 1967, Drakides, 1980, Bouchez, 2000). A sucessão de protozoários e micrometazoários parece estar relacionada mais com a natureza física dos substratos nutritivos do que com a composição química. Dentre os protozoários, os flagelados e rizópodos competem com as bactérias pelo alimento solúvel, e são substituídos pelos ciliados de vida livre e sésseis que se nutrem das próprias bactérias. Finalmente, quando o nível energético do sistema declina a valores baixos, podem surgir os micrometazoários como os rotíferos e anelídeos e que se alimentam de protozoários e fragmentos de flocos. A ocorrência e abundância dos protozoários mais importantes no processo de clarificação do efluente final decorre da relação entre as condições operacionais do sistema. Em particular, as amebas com carapaça como os gêneros e espécies de Arcella sp e Euglypha sp e ciliado séssil Vaginicola crystallina estariam relacionados com a nitrificação. Em oposição, os ciliados sésseis Vorticela microstoma e Opercularia ssp teriam correlações com baixas concentrações de oxigênio dissolvido (OD) no tanque de aeração e elevada demanda bioquímica de oxigênio (DBO) no efluente final. A finalidade do presente estudo foi conhecer a composição biológica desenvolvida em dois experimentos do processo de lodos ativados e correlacioná-la com as condições operacionais impostas no processo de estabilização da matéria orgânica presente nos esgotos. MATERIAIS E MÉTODOS Os ensaios experimentais foram desenvolvidos em laboratório através de 2 (dois) reatores biológicos operados na faixa do processo de lodos ativados convencional, sendo que um ensaio foi alimentado com uma carga constante e outro com carga variável de esgoto. Os reatores biológicos foram inicialmente inoculados com lodo proveniente de um sistema semelhante e em seguida receberam alimentação contínua com esgotos monitorados por um programa de análises laboratoriais. Para cada ensaio foram analisados os parâmetros Demanda Bioquímica de Oxigênio (DBO 5d,20o C ); Demanda Química de Oxigênio (DQO); Sólidos Totais (ST), Sólidos Fixos (SF) e Sólidos Voláteis (SV); Sólidos Suspensos Totais (SST), Sólidos Suspensos Fixos (SSF) e Sólidos Suspensos Voláteis (SSV); Sólidos Sedimentáveis (SS); Oxigênio Dissolvido (OD); ph; Temperatura; Identificação e Quantificação da Microfauna com auxílio de microscópio óptico. Os parâmetros físico-químicos foram analisados nas entradas dos experimentos, no lodo do tanque de aeração e no efluente final (AWWA, 1992). Para identificação e contagem da microfauna foram analisadas amostras de lodo do tanque de aeração (CETESB, 1990). A tabela 1 apresenta os parâmetros analisados, os pontos de amostragem e a frequência das análises para cada ensaio. Tabela 1 - Parâmetros, pontos de amostragem e frequência das análises para cada ensaio experimental. Parâmetros Pontos de amostragem Frequência da análises DBO 5d,20o C (mg O 2 /L) Esgoto à entrada e saída 2 x por semana DQO (mg O 2 /L) Esgoto à entrada e saída 2 x por semana ST, SF, SV (mg/l) Esgoto à entrada e saída, e lodos 2 x por semana do tanque de aeração SST, SSF, SSV(mg/L) Esgoto à entrada e saída, e lodos 2 x por semana do tanque de aeração SS (mg/l) Esgoto à entrada e saída, e lodos 2 x por semana do tanque de aeração OD (mg O 2 /L) Lodos do tanque de aeração 2 x por semana ph Esgoto à entrada e saída 2 x por semana Temperatura ( o C) Esgoto à entrada e saída 2 x por semana Microfauna (n o org/ml) Lodos do tanque de aeração 1 x por dia ABES - Associação Brasileira de Engenharia Sanitária e Ambiental 2

3 Para cada ensaio experimental biológico foi proposta uma condição operacional, simulando uma estação de tratamento de esgoto recebendo carga constante e outra, carga variável simulando estação funcionando em período de tempo com carga constante, mas que sofre picos em determinadas épocas do ano, como exemplo as estações construídas em cidades litorâneas, onde há um aumento populacional nos períodos de verão. Na tabela 2 são apresentados os valores das condições operacionais impostas nos ensaios biológicos. Tabela 2 - Aspectos operacionais dos sistema de lodo ativado convencional com carga constante e com carga variável. Aspectos operacionais Carga Constante Carga Variável Fator de carga (ƒ) - Kg DBO/Kg SS x dia 0,3 0,3 Volume tanque aeração - L 6,5 6,5 DBO 5d,20o C - mg/l Concentração sólidos suspensos (SS) - mg/l Vazão média de alimentação - L/dia 18,6 18,6 Tempo de detenção hidráulico - horas 8,4 8,4 Vazão de alimentação - L 18,62 18,62 3,15* Idade do lodo - dia 8 8 Vazão de descarte 0,81 0,81 * o experimento n o 2 recebe em dois dias da semana uma vazão menor. Pode-se por meio da identificação das espécies de organismos encontrados nos experimentos agrupá-las em classes. Para verificar a correlação entre essas classes de organismos e os parâmetros físico-químicos foram construídas duas matrizes, uma para cada experimento com os valores de densidade média das populações biológicas e valores médios das condições operacionais como temperatura, ph, OD, DBO, DQO, série de sólidos totais e suspensos, fator de carga, relação alimento/microrganismos, idade do lodo e IVL. Para a análise de correlação empregou-se o pacote estatístico Statigraphics (versão 5.0), por meio do teste nãoparamétrico de correlação por rank de Spearman (Siegel, 1975; Legendre, 1983). RESULTADOS E DISCUSSÃO A dinâmica populacional nos experimentos foi muito peculiar, devido as condições impostas e, principalmente, a alimentação contínua, a recirculação do lodo, aos descartes do excesso de lodo, a quantidade de oxigênio, sendo observada uma sucessão de espécies ao longo do tempo e do espaço, associadas provavelmente as características de cada meio. Ao todo, foram identificadas 23 espécies agrupadas em subclasses e classes de organismos. As espécies da microfauna das amostras de lodo do tanque de aeração foram agrupadas para tratamento estatístico (tabela 3). Entre os gêneros e espécies comumente encontrados em todos os dias dos experimentos estão Aspidisca costata, Epistylis plicatillis, Opercularia coarctata, Philodina sp. ABES - Associação Brasileira de Engenharia Sanitária e Ambiental 3

4 Tabela 3 - Lista de gêneros e espécies de organismos encontradas em ambos experimentos. Classes Gêneros e Espécies Ciliata Amphileptus sp Subclasse Holotrichia (ciliados livre-natantes) Chilodonella uncinata Litonotus sp Paramecium caudatum Subclasse Spirotrichia (ciliados de vida livre) Aspidisca costata Blepharisma lateritium Euplotes sp Spirostomum teres Subclasse Peritrichia (ciliados pedunculados) Epistylis plicatilis Operacularia coarctata Vorticella sp Suctoria Podophrya fixa Sarcodina (amebas) Amoeba sp Arcella sp Difflugia oblonga Euglypha sp Mastigophora (flagelados) Heteronema sp Monas sp Peranema sp Nematoda Rotifera Tardigrada Oligochaeta Rabditis sp Epiphanes sp Philodina sp Philodinavus sp Macrobiotus sp Aelosoma sp Os valores médios dos parâmetros para caracterização dos esgotos utilizados na alimentação dos experimentos são apresentados na tabela 4. Tabela 4 - Média dos parâmetros (mg/l) dos esgotos para alimentação dos experimentos. Parâmetros Esgoto DBO 160 DQO 381 ST 471 STF 196 STV 275 SST 190 SSF 49 SSV 91 Ssed. 4 Os valores médios dos parâmetros físicos e químicos da cada ensaio biológico, sendo estes utilizados na inferência estatística são apresentados na tabela 5. ABES - Associação Brasileira de Engenharia Sanitária e Ambiental 4

5 Tabela 5- Média dos parâmetros dos experimentos com cargas constante e variável. Parâmetros Carga constante Carga variável Temperatura ( o C) ph 6,5 5,9 OD (mg/l) 4,3 4,7 DBO 5d,20oC (mg/l) DQO (mg/l) Relação F/M* 0,18 0,12 Fator de carga** 0,1 0,07 IVL (ml/g) 92,5 118 Nota: * expresso em Kg DBO/ Kg SSV no tanque de aeração x dia **expresso em Kg DBO/ Kg SS no tanque de aeração x dia No 1º experimento verificou-se que as classes Sarcodina e Rotifera possuem correlação negativa (-0,80) com ph; as classes Holotrichia e Suctoria apresentaram, respectivamente, correlação positiva de 0,82 e 0,80 com a relação alimento/microrganismo; e por fim, a classe Suctoria possui correlação positiva (0,82) com o índice volumétrico do lodo. A relação alimento/microrganismo com valor médio de 1,8 Kg DBO/Kg SSV tanque de aeração x dia apresentou correlação positiva com as classes Holotrichia (0,82) e Suctoria (0,80) e negativa com a classe Mastigophora (-0,81). Quanto à correlação positiva (0,80) entre a relação alimento/microrganismo e a classe Suctoria, não há registros na literatura, possilvemente por esta classe não ser determinante no processo de formação dos flocos e na depuração do esgoto. A classe mastigophora, representada pelos protozoários com flagelos, apresentou correlação negativa (-0,81) com a relação alimento/microrganismo. A classe Sarcodina, amebas com e sem carapaça, apresentou correlação positiva (0,82) com índice volumétrico do lodo, este constituído pela relação entre sólidos decantáveis e sólidos em suspensão totais (tabela 6). Tabela 6 - Coeficientes de correlação de Spearman (rs) do 1 o experimento com carga constante. Holotrichia Suctoria Sarcodina Mastigophora Rotifera PH - 0,80-0,80 Relação A/M 0,82 0,80-0,81 IVL 0,82 Quanto ao ensaio biológico com carga variável, verificou-se a correlação negativa (-0,87) entre oxigênio dissolvido e a classe Sarcodina; e a correlação positiva (0,92) entre a demanda bioquímica de oxigênio (DBO) e a classe Holotrichia (tabela 7). Tabela 7 - Coeficientes de correlação de Spearman (rs) do 2 o experimento com variação de carga. Holotrichia Sarcodina OD - 0,87 DBO 0,92 Segundo Sasahara e Ogawa (1983), alguns sistemas de lodos ativados apresentam elevado número de amebas com carapaça (Arcella, Difflugia e Euglypha) em processos com efluente final de boa qualidade. Poole (1984) observou amebas sem e com carapaça em sistemas com baixa carga de lodo, elevado tempo de retenção e elevado teor de oxigênio. O desenvolvimento da classe Sarcodina no primeiro experimento com carga constante provavelmente está relacionado com o teor de oxigênio e com valor médio de 4,0 mg/l. No 1 o experimento, obteve-se na relação alimento/microrganismos um valor médio de 1,8 Kg DBO/KgSSVta x dia, sendo baixo para processo de lodos ativados convencional (Metcalf, 1991), e constatou-se a correlação positiva (0,82) entre este parâmetro e a classe Holotrichia. De acordo com Madoni (1994), a ocorrência deste grupo está relacionada com um pobre processo de depuração de esgoto e com um efluente final de baixa ABES - Associação Brasileira de Engenharia Sanitária e Ambiental 5

6 qualidade. As espécies encontradas no sistema são mais abundantes na fase inicial de desenvolvimento do processo, quando os flocos são poucos e os protozoários ciliados pedunculados estão ausentes, pois fixam-se nos flocos mais estruturados tendo uma maior eficiência na remoção de bactérias em suspensão. A classe Mastigophora, representada pelos protozoários flagelados, apresentou correlação negativa (-0,81) com relação alimento/microrganismos. De acordo com Curds e Cockburn (1970 b), as formas flageladas são frequentes em processos com o valor da relação maior que 0,9 Kg DBO/KgSSVta x dia, fato não ocorrido neste experimento, sendo um ambiente desfavorável para o aparecimento dos protozoários flagelados. Para Madoni (1994), a abundância dos flagelados está relacionada ao início do sistema, quando as bactérias formadoras de flocos ainda são escassas. A correlação positiva entre a classe Sarcodina e o índice volumétrico do lodo (IVL) pode ser explicada pela presença e abundância de amebas e baixos valores de fator de carga e o IVL (Madoni, 1993). Quanto ao experimento com variação de carga, verificou-se a correlação negativa entre o oxigênio dissolvido e a classe Sarcodina. De acordo com Madoni (1993), este grupo está associado a teores elevados de oxigênio dissolvido (OD) no tanque de aeração. Neste experimento, verificou-se que o valor médio de OD foi de 4,7 mg/l, considerado elevado. Houve uma correlação positiva entre demanda bioquímica de oxigênio (DBO) e classe Holotrichia, entretanto verificou-se um valor de DBO médio de 13 mg/l, sendo um valor baixo para processo (1991). CONCLUSÃO O presente estudo permite concluir que por meio da identificação e quantificação da microfauna atuante na depuração dos esgotos que houve a co-dominância das subclasses Spirotrichia e Peritrichia, e estas juntamente com as condições operacionais foram importantes para a eficiência do processo de lodos ativados; a presença de classes como Holotrichia e Mastigiphora podem estar indicando o início ou fase de recuperação do processo de lodos ativados, onde os flocos estão sendo formados pelas bactérias e protozoários ciliados de vida livre (subclasse Spirotrichia); as condições operacionais impostas nos ensaios propiciaram a correlação entre os parâmetros físicos e químicos e a dinâmica populacional; o emprego de testes estatísticos permite verificar correlações entre a classe Sarcodina e o parâmetros ph, índice volumétrico do lodo (IVL) e oxigênio dissolvido (OD); classe Holotrichia e os parâmetros relação alimento/microrganismo e demanda química de oxigênio (DBO); classe Mastigophora e relação alimento/microrganismo; classe Rotifera e o ph. Com isso, verificou-se a importância do monitoramento do lodo no tanque de aeração com identificação e quantificação da microfauna, utilizando-a como indicadora do processo de estabilização do esgoto, da eficiência ou deficiência do processo, da constituição dos flocos e como este está populacionalmente; o processo de lodos ativados é muito dinâmico e a relação entre microfauna e condições operacionais em conjunto indica a eficiência do tratamento de esgoto, sendo que ambos devem ser determinados, e não analisados isoladamente. RECOMENDAÇÕES À vista das características do processo de lodos ativados, que em geral trata grandes vazões de águas residuárias e industriais em sistema compacto, como se verifica principalmente nos grandes centros urbanos localizados nas regiões Sul e Sudeste do Brasil, onde os cursos d'água estão altamente poluídos e contaminados pela recepção de despejos domésticos e industriais. Este trabalho, portanto, pode auxiliar no monitoramento da microfauna dos lodos do tanque de aeração nessas estações de tratamento de esgotos de grande porte, que utilizam o processo de lodos ativados, visando a melhoria da eficiência do tratamento e na prevenção do crescimento de bactérias filamentosas, e assim, do intumescimento do lodo. Necessário é então o treinamento em microbiologia de lodos ativados destinado à formação e capacitação dos técnicos responsáveis pela manutenção das estações de tratamento de esgoto por esse. Paralelamente, devem ser desenvolvidas pesquisas nas próprias estações para auxiliar na resolução de problemas operacionais do tratamento. ABES - Associação Brasileira de Engenharia Sanitária e Ambiental 6

7 REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS 1. ADAMS,C.E. et al. Development of desing an operational criteria for wastewater treatment. [s.l.], Enviro Press, 1981, p AMANN, R. et al. Modern methods in subsurface microbiology: in situ identification of microorganisms with nucleic acid probes. Fems Microbiology Reviews, 20 (3-4): , jul BRANCO,S.M. A dinâmica de populações microbiológicas na estabilização aeróbia de resíduos orgânicos de fecularias de mandioca. Rev.Saúde Públ., São Paulo, 1(2): , dez BRANCO,S.M. Hidrobiolgia aplicada à Engenharia Sanitária, 3rd ed., São Paulo, CETESB, 1986, 620p. 5. BOUCHEZ, T. et al. Ecological study of a bioaugmentation failure. Environmental Microbiology, 2 (2): , apr CETESB. Relatório Final. Microbiologia de lodos ativados. Convênio DAEE/CETESB. Superintendência de pesquisa COWAN, R. et al. Activated sludge and other aerobic suspended culture processes. Water Environment Research, 68 (4): , CURDS, C.R. & COCKBURN, A. Protozoa in biological sewage treatment process. Protozoa as indicators in the activated-sludge process. Water Research, 4: , 1970b. 9. CUTOLO, S.A. Dinâmica populacional da microfauna em sistemas de tratamento de esgotos pelo processo de lodos ativados. Dissertação de Mestrado do Departamento de Saúde Ambiental da Faculdade de Saúde Pública da Universidade de São Paulo, São Paulo, DRAKIDES,C. La microfaune des boues activées. Étude d une methode,d observation et application en suivi dúne pilote en phase de démarrage. Water Research, 14: , EIKELBOOM,D.H. et al. Microscopic sludge investigation manual. TNO. Research Institute for Enviromental Hygiene the Netherlands, 1981,70p. 12. ESTEBAN,G. et al. Dynamics of Ciliated Protozoa Communities in Activated sludge process. Water Research, 25 (8): , KLIMOWICZ,H. Microfauna of activated sludge. Part I. Assemblage of microfauna in laboratory models of activated sludge. Acta Hydrobiol 12, , LEGENDRE, L & Legendre, P. Numerical Ecology. Developments in Enviromental Modelling, 3. Amsterdan Elsevier Scentific Publish Co., MADONI,P. & GHETTI,P.F. The structure of ciliated protozoa communities in biological sewagetreatement plants. Hydrobiologia 83: , MADONI,P. et al. Comparative analysis of the Activated Sludge Microfauna in Several Sewage Treatment Works. Wat.Res.27(9): , MADONI,P.et al. A sludge biotic index (SBI) for the evaluation of the biological performance of activated sludge plants based on the microfauna analysis. Wat.Res., 28: 67-75, METCALF & EDDY, INC. Wastewater Engineering: Treatement, Disposal, Reuse. 3 a ed. New York, Mcgraw-Hill, 1991, 920p. 19. POOLE,J.E. A study of the relationship between the mixed liquor fauna and plant performance for a variety of activated sludge sewage treatment works. Wat. Res. 18: , SASAHARA, T. e OGAWA,T. Treatment of brewery effluent. Part VIII: protozoa and metazoa found in the activated sludge process for brewery effluent. Monats. Brauwiss. 11: , SIEGEL, S. Estatística não-paramétrica. 1a Ed. São Paulo: McGraw-Hill, STANDARD METHODS FOR THE EXAMINATION OF WASTEWATER. 18 ed. WASHINGTON, APHA-AWWA-WPCF, VAZOLLER,R.F. et al. Microbiologia de lodos Ativados. São Paulo. CETESB p. 24. VARMA, M.M. et al. Population dynamics of protozoa in wastewater. Journal WPCF, 47(1):85-92, jan ABES - Associação Brasileira de Engenharia Sanitária e Ambiental 7