II WETLANDS COMO POLIMENTO DE EFLUENTES DE LAGOAS DE ESTABILIZAÇÃO DE DEJETOS DE SUÍNOS - INÍCIO DE OPERAÇÃO

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1 II WETLANDS COMO POLIMENTO DE EFLUENTES DE LAGOAS DE ESTABILIZAÇÃO DE DEJETOS DE SUÍNOS - INÍCIO DE OPERAÇÃO Pablo Heleno Sezerino (1) Engenheiro Sanitarista e Mestre em Engenharia Ambiental pela Universidade Federal de Santa Catarina (UFSC). Doutorando em Engenharia Ambiental (UFSC). Bolsista do CNPq - Brasil. Valeria Reginatto Bioquímica pela Universidade Federal de Santa Catarina (UFSC). Mestre em Ciências de Alimentos pela Universidade Estadual de Campinas (UNICAMP). Doutora em Ciências pela UNICAMP. Bolsista programa PROFIX - CNPq no Departamento de Engenharia Química e Engenharia de Alimentos (UFSC). Hugo Moreira Soares Engenheiro Químico pela Universidade Federal do Rio de Janeiro (UFRJ). Mestre em Engenharia Química pela Universidade de São Paulo (USP). Ph.D. em Engenharia Ambiental pela University of Massachusetts (EUA). Professor do Departamento de Engenharia Química e Engenharia de Alimentos da UFSC. Luiz Sérgio Philippi Engenheiro Civil pela Universidade Federal de Santa Catarina (UFSC). Mestre em Hidráulica e Saneamento pela Escola de Engenharia de São Carlos (EESC/USP). Doutor em Saneamento Ambiental pela Université de Montpellier I (França). Professor do Departamento de Engenharia Sanitária e Ambiental da UFSC. Endereço (1) : Rua Santos Saraiva, 739 / Estreito - Florianópolis - SC - CEP: Brasil - Tel: (48) phsezerino@hotmail.com RESUMO Esse trabalho apresenta a concepção e os resultados iniciais de operação de um sistema de wetlands de fluxo vertical para o tratamento de efluentes de dejetos suínos provenientes de lagoas de estabilização. O sistema de wetlands foi concebido e operado com o objetivo principal de transformar e/ou remover elevadas concentrações de nitrogênio e fósforo remanescentes no efluente. O estudo foi realizado em uma granja de produção de matrizes de suínos no oeste de Santa Catarina, onde quatro módulos de wetlands em escala piloto foram operados, sendo dois (wetlands 1 e 3) preenchidos com areia 1 (contendo 57% de areia fina) e os outros dois módulos (wetlands 2 e 4) com areia 2 (contendo 29 % de areia fina). Os parâmetros físico-químicos analisados no decorrer dos primeiros 280 dias de operação foram: ph, NH 4 -N, NO 3 -N, DQO e PO 4 -P. Os módulos contendo areia 1 apresentaram indícios de colmatação após o 111 o dia de operação. Após o mesmo período, foi observado nos módulos com areia 2 (wetlands 2 e 4) 38 % de transformação de NH 4 -N em NO 3 -N (nitrificação), aumentado para 42 % do 112 o ao 280 o dia de operação. Para o fósforo os módulos apresentaram retenções variando de 84% a 57% durante o período de operação avaliado. As intervenções operacionais promovidas na unidade experimental são descritas e discutidas. PALAVRAS-CHAVE: Dejetos de Suínos, Wetlands de Fluxo Vertical, Remoção de Nutrientes, Polimento. INTRODUÇÃO Os efluentes gerados pela produção de suínos caracterizam-se pela sua elevada concentração de matéria carbonácea, de nitrogênio nas suas formas reduzidas (amônio, uréia) e de fósforo. No Brasil, por questões econômicas, culturais e devido as condições climáticas favoráveis, efluentes dessa natureza são freqüentemente tratados por lagoas de estabilização (Medri, 1997; Manhães da Silva, 1998; Dalavéquia, 2000; Costa et al., 2000; Zanotelli et al., 2000; Belli Filho, 2001). Apesar das lagoas apresentarem uma remoção razoável de material carbonáceo, o nitrogênio e o fósforo permanecem no efluente em concentrações bastante elevadas (cerca de 600 mgn.l -1 e 70 mg PO 4 -.L -1 ), necessitando de um pós-tratamento para atender aos padrões de emissão de efluentes líquidos previstos na legislação ambiental - 10,0 mgn.l -1 e 1,0 mg PO 4 -.L -1 - (Santa Catarina, 1998). ABES - Associação Brasileira de Engenharia Sanitária e Ambiental 1

2 Particularmente o nitrogênio, proveniente da proteína da ração animal, encontra-se nesses efluentes e na sua forma mais tóxica (NH NH 3 ) para o meio ambiente. Além da sua toxicidade, o nitrogênio, em combinação com o fósforo, são responsáveis pelo fenômeno da eutrofização de corpos d água. A utilização dos wetlands construídos no tratamento dos despejos líquidos da suinocultura está relacionado ao controle destes macronutrientes - nitrogênio e fósforo, bem como na remoção da matéria carbonácea e sólidos em suspensão remanescentes (Sezerino et al., 2002; Junsan et al., 2000; Kantawanichkul et al., 2000, Finlayson et al., 1987). Sistemas de fluxo vertical - vertical constructed wetlands, são os mais empregados na promoção da etapa de oxidação biológica do nitrogênio - a nitrificação, devido, principalmente, a incorporação de oxigênio via convecção e difusão atmosférica e transporte pelas macrófitas no solo reconstituído e rizosfera (Platzer, 1999; Brix, 1997). Este solo reconstituído, também conhecido por material filtrante, é na maioria das vezes composto por areia, brita e cascalho, sendo o conhecimento de suas características físicas e químicas fundamental para o dimensionamento e a otimização das transformações bioquímicas nos wetlands (Kadlec & Knight, 1996). Os mecanismos de retenção e remoção de fósforo incluem processos físicos, químicos e biológicos, envolvendo fenômenos de precipitação, sedimentação e adsorção no solo reconstituído, bem como na incorporação na biomassa das macrófitas seguido de poda regular (Arias et al., 2001; Brix, 1997). O presente trabalho tem como objetivo avaliar o potencial dos wetlands de fluxo vertical como sistema de polimento para efluentes de dejetos suínos previamente tratados em lagoas de estabilização. As ações realizadas durante o período inicial de operação (280 dias) do sistema serão discutidas e os resultados avaliados. MATERIAIS E MÉTODOS LOCAL DO ESTUDO O estudo em escala piloto (módulos de wetlands com fluxo vertical) está sendo conduzido em uma propriedade criadora de suínos localizada no oeste do estado de Santa Catarina, Brasil. Nesta propriedade criase cerca de animais, gerando aproximadamente 600 m 3.d -1 de dejetos. SISTEMA DE LAGOAS DE ESTABILIZAÇÃO O efluente utilizado nesse estudo foi previamente tratado num sistema de lagoas de estabilização composto por uma seqüência de 7 lagoas, quais sejam: anaeróbia 1 (V= 4991 m 3 ; A=26 m 2 ), anaeróbia 2 (V=5720 m 3 ; A=1970 m 2 ), facultativa (V=7280 m 3 ; A=3640 m 2 ), aerada (V=7280 m 3 ; A=3640 m 2 ), maturação 1 (V=4320 m 3 ; A=2880 m 2 ), maturação 2 (V=3456 m 3 ; A=2880 m 2 ) e maturação 3 (V=2880 m 3 ; A=2880m 2 ). O sistema de lagoas de estabilização produz um efluente, em média, com as seguintes características físicoquímicas: ph em torno de 8,00, DQO de 630 mg.l -1, NH 4 -N de 360 mg.l -1 e PO 4 -P de 63 mg.l -1. CARACTERIZAÇÃO DO MATERIAL FILTRANTE Através do ensaio de granulometria (curva granulométrica), as areias utilizadas como material filtrante nos wetlands foram caracterizadas conforme destacado na Tabela 1. A escolha das areias foi baseado na disponibilidade destas na região de estudo, obedecendo critérios visuais (areia 1 visualmente mais fina; areia 2 visualmente mais grossa). ABES - Associação Brasileira de Engenharia Sanitária e Ambiental 2

3 Tabela 1. Características físico-químicas das areias utilizadas nos módulos wetlands. Valores para d 10, d 60, coeficiente de uniformidade (d 60 /d 10 ), condutividade hidráulica (Ks), ph, ferro (Fe), cálcio (Ca), magnésio (Mg) e porcentagem de finos. Areias d 10 d 60 d 60 /d 10 Ks ph Fe Ca Mg % de Finos (mm) (mm) (m s -1 ) (mg kg -1 ) (mg kg -1 ) (mg kg -1 ) Areia 1 0,21 0,45 2, 4, ,1 ND 20 12,5 57 Areia 2 0,23 1,38 6,00 5, ,0 ND 40 12,5 29 ND - não detectado UNIDADE EXPERIMENTAL - WETLANDS DE FLUXO VERTICAL A unidade experimental, em escala piloto, é composta por quatro módulos de wetlands de fluxo vertical, com possibilidade de ampliação para seis módulos, e está instalada a jusante das lagoas, conforme a Figura 1. Figura 1: Esquema da unidade experimental - wetlands de fluxo vertical ABES - Associação Brasileira de Engenharia Sanitária e Ambiental 3

4 INTERVENÇÕES REALIZADAS NA OPERAÇÃO DOS MÓDULOS EXPERIMENTAIS As intervenções realizadas no período inicial de operação (novembro/2000 a novembro/2001) encontram-se descritas, resumidamente, na Tabela 2. Tabela 2: Intervenções executadas nos módulos wetlands durante o período estudado (entre novembro de 2000 a novembro de 2001). Período Intervenções Observações - novembro / 2000 I. construção dos módulos em escala piloto - janeiro / 2001 I. testes hidráulicos nos módulos: - saturação com água; - teste de estanqueidade; construídos 04 módulos em alvenaria de tijolo e revestidos com manta plástica (Figura 2 a e b) necessário para identificar possíveis vazamentos e para promover uma lavagem na areia - material filtrante II. 1 o plantio das macrófitas as macrófitas (Typha spp) foram plantadas numa densidade de 4 mudas.m -2 - a partir do dia 31 (1 o dia de operação) - fevereiro e início de março / 2001 (entre o 6 o e o 34 o dias de operação) III. início da aplicação do efluente das lagoas de estabilização nos módulos wetlands I. permanência do estado de saturação (água + efluente das lagoas) no interior da massa filtrante dos 04 módulos wetlands alimentação realizada 01 vez ao dia - aplicado 30mm.d -1 (num total de 230L.d -1, por módulo) o estado de saturação foi mantido devido a elevação do dispositivo de controle de nível (mangote flexível) - durante este período os módulos atuaram em condições aeróbias e anaeróbias, simultaneamente - a partir do 34 o dia de operação - maio / a partir 96 o dia de operação II. rebaixamento do dispositivo de controle de nível (mangote flexível) I. aplicação intermitente do efluente final das lagoas nos módulos wetlands litros diários (3 vezes de 76,6 litros por dia) o mangote flexível foi rebaixado em 0,50m em relação a superfície dos módulos aplicação intermitente (de 8 em 8 horas) - aplicado as 9:00hs, 17:00hs e 01:00hs (Figura 3-a) - a partir do 111 o dia de operação II. rebaixo do dispositivo hidráulico de controle de nível até o nível mínimo - próximo da base inferior dos módulos módulos começam a atuar como filtros de fluxo vertical - agosto / 2001 (184 o dia de operação) III. interrupção das análises físicoquímicas nos wetlands 1 e 3 I. realizado o replantio das macrófitas redução significativa do potencial de drenagem nos módulos 1 e 3 - indício do processo de colmatação realizado a proteção dos módulos contra roedores e replantado as macrófitas na mesma densidade do primeiro plantio (4 mudas.m -2 ) II. adição de alcalinidade no afluente pela adição de carbonato - numa razão de 7 mg CO 3 por mg de NH 4 - N no afluente medida corretiva adotada para fornecer alcalinidade ao processo de nitrificação ABES - Associação Brasileira de Engenharia Sanitária e Ambiental 4

5 Tabela 2: Continuação - a partir do 213 o dia de operação - outubro e novembro / 2001 III. troca constante das macrófitas, pois estas apresentavam-se amareladas I. manutenção do funcionamento somente dos módulos wetlands 2 e 4 (areia2) - os wetlands 1 e 3, apresentavam-se colmatados indicativo de alta concentração de amônia no ambiente - rizosfera e/ou falta de umidade II. troca constante das macrófitas as macrófitas ainda permaneciam com aspecto amarelado e não cobriam por completo a área superficial dos referidos módulos (Figura 3-b) (252 o dia de operação) - novembro / 2001 (280 o dia de operação) III. Início da recirculação do efluente tratado no wetland 4 (areia 2) para o próprio módulo I. aumento da carga hidráulica para 50mm.d -1 (380 L.d -1 ) recirculação efetuada a fim de promover a redução da concentração de NH 4 -N no afluente em operação somente os módulos wetlands 2 e 4 (areia 2) (a) Escavação dos módulos no solo Figura 2: Etapa inicial da construção dos módulos wetlands (b) Impermeabilização e drenagem de fundo ACOMPANHAMENTO DAS CARACTERÍSTICAS FÍSICO-QUÍMICAS DO EFLUENTE A amostragem e caracterização dos efluentes foi realizada duas vezes por semana e os parâmetros físicoquímicos utilizados para caracterizar a performance do sistema de tratamento, foram: DQO, ph, NH 4 -N, NO 3 - N e PO 4 -P. A demanda química de oxigênio (DQO) foi determinada pelo método do refluxo fechado de acordo com Standard Methods for Examination of Water and Wastewater (APHA, AWWA, WEF, 1995). A determinação do ph foi realizada com o auxílio de um potenciômetro. O nitrogênio amoniacal (NH 4 -N) foi analisado pelo método colorimétrico de Nessler segundo Vogel (1981). Nitrato e Fosfato foram determinados por colorimetria utilizando kits de reagente Permachem reagents (HACH ). A nitrificação, ou seja, a transformação de nitrogênio amoniacal em nitrato foi determinada conforme a equação 1: [ (NO 3 -N afluente - NO 3 -N efluente ) * 100 ] / (NH 4 -N afluente - NH 4 -N efluente ) equação (1) ABES - Associação Brasileira de Engenharia Sanitária e Ambiental 5

6 (a) Aplicação do afluente no módulo wetland Figura 3: Módulos wetlands de fluxo vertical em operação AVALIAÇÃO ESTATÍSTICA DOS RESULTADOS (b) Crescimento das macrófitas (Typha spp) Os resultados obtidos nos pares de wetlands (wetlands 1 e 3 - areia 1; wetlands 2 e 4 - areia 2) foram tratados por meio de teste análise de variância de fator único (ANOVA - Excell ), com grau de confiabilidade de 95%. RESULTADOS E DISCUSSÃO Os resultados apresentados referem-se ao período compreendido entre o 1 o e o 280 o dia de operação dos wetlands em escala piloto. Estes resultados são expressos como a média entre os resultados obtidos nos pares dos wetlands preenchidos com o mesmo material filtrante, pois conforme comprovado no teste ANOVA não houve diferença significativa entre os pares (Tabela 3). Tabela 3: Valores obtidos com a análise de variância (ANOVA) fator único (α = 0,05). Hipóteses do teste: se p < α = há diferença significativa; se p > α = não há diferença significativa. Parâmetros analisados Módulos ph DQO NT NH 4 -N NO 2 -N NO 3 -N PO 4 -P wetlands 0,02 < α* 0,32 > α 0,90 > α 0,99 > α 0,72 > α 0,99 > α 0,24 > α 1 e 3 wetlands 0,80 > α 0,30 > α 0,39 > α 0,63 > α 0,27 > α 0,07 > α 0,02 < α* 2 e 4 * para os parâmetros ph e PO 4 -P adotou-se valores obtidos nos wetland 1 e wetland 4, respectivamente. O propósito de se trabalhar com dois módulos wetlands para cada tipo de areia testada, fora o de permitir maior flexibilidade para se processar diferentes cargas aplicadas, quer seja por variações nas cargas hidráulicas (expressas em mm.d -1 ), quer seja por meio de reciclos do efluente drenado (diminuindo a concentração afluente). Porém, ao longo do experimento optou-se por trabalhar com os módulos como se estes fossem duplicatas. Contudo, ao final do período avaliado, implementou-se uma recirculação para o módulo wetland 4. Estes resultados, após recirculação, não são considerados no presente estudo devido a realização de poucas amostragens. As performances de remoção nos módulos wetlands foram divididos em dois períodos: - 1 o Período (compreendido entre o 1 o e o 111 o dia de operação): As ações foram voltadas aos testes hidráulicos, à aclimatação das macrófitas e à formação de biofilme aderido ao material filtrante. A ABES - Associação Brasileira de Engenharia Sanitária e Ambiental 6

7 saturação dos módulos com água, realizado para permitir o crescimento das plantas, levou os wetlands a atuarem em anaerobiose durante boa parte do período, impossibilitando a nitrificação. Neste primeiro período, percebeu-se a colmatação dos módulos com areia 1; - 2 o Período (entre 112 o e o 280 o dia de operação): As ações foram efetuadas a fim de promover condições para que a nitrificação ocorresse, tais como a indução do fluxo vertical e a adição contínua de alcalinidade no afluente aos wetlands. A Tabela 4 destaca as concentrações médias do afluente, dos efluentes tratados nos wetlands e performances obtidas nos dois períodos distintos. Tabela 4: Concentrações médias do afluente, dos efluentes tratados nos wetlands e das performances obtidas nos dois períodos de estudo. Afluente aos módulos 1 o período (entre o 1 o e o 111 o dia de operação) 2 o período (entre 112 o e 280 o dias) Parâmetros (efluente final das lagoas) wetlands com wetlands com wetlands com areia 1 mg.l -1 * mg.l -1 Remoção % ** areia 2 mg.l -1 Remoção % ** areia 2 mg.l -1 Remoção % ** ph 8,24 ± 0,09 7,36 ± 0,22 7,59 ± 0,29 7,75 ± 0,25 DQO 630 ± ± ± ± NH 4 -N 360 ± ± ± ± NO 3 -N 52 ± ± ± ± 46 PO 4 -P 63 ± 8 10 ± ± ± 6 57 * média sob 20 amostragens ** % de Remoção em função ao afluente dos wetlands A nitrificação nos wetlands com areia 2 ficou evidenciada com o aumento na concentração de NO 3 -N no efluente tratado, em relação ao afluente. Contudo, a concentração de NO 3 -N variou ao longo do 2 o período conforme variaram as concentrações de NH 4 -N no afluente e, consequentemente, a carga do íon amônio aplicada. A Figura 4 destaca a variação da nitrificação ao longo do estudo. 200 afluente aos wetlands 100% wetlands com areia wetlands com areia 1 wetlands com areia carga aplicada % % 9 61% % 45% 49% 41% % % % dias de operação dias de o peração Figura 4: Concentração de NO 3 -N no efluente dos wetlands e % de nitrificação obtido Nestas cargas de NH 4 -N afluente aplicadas, não se verifica na literatura performances de nitrificação semelhantes. Kantawanichkul et al. (2000) reportaram 99% de remoção de amônia para uma carga de 9,52 g.m -2.d -1 (obtendo 64% de transformação a nitrato), porém com um dejeto diluído - concentração do afluente de 170 mgnh 4 -N.L -1. Ao longo do 2 o período estudado (entre o 112 o e o 280 o dia de operação), a média de remoção da amônia esteve em torno dos 49%, sendo que destes, 42% foram transformados a nitrato (nitrificação). Mesmo que este percentual de nitrificação não se mostre como ideal, pois wetlands de fluxo vertical têm como um dos objetivos promover a nitrificação por completo, quando se comparam estes resultados com aqueles descritos ABES - Associação Brasileira de Engenharia Sanitária e Ambiental 7

8 na literatura especializada, a qual recomenda uma carga máxima de 6,5 gntk.m -2.d -1 (Platzer, 1999) em sistemas tipo wetlands, verifica-se uma potencialidade nos módulos estudados direcionados à nitrificação. Deve-se ressaltar ainda, que mesmo com elevada concentração de carbono no afluente (concentração média de 630 ± 42 mg.l -1 ), potencial consumidor de oxigênio, e uma entrada de oxigênio na massa filtrante somente pela convecção e difusão atmosférica, obteve-se uma nitrificação elevada comparado com os demais trabalhos empregando wetlands no pós tratamento de dejetos de suínos. Conforme destacado anteriormente, as areias empregadas como material filtrante no presente estudo (areia 1 e areia 2), foram escolhidas visualmente sem que sofressem modificações na composição. Estas areias, conforme a Tabela 1, não apresentavam teores de Fe e teores mínimos de Ca e Mg quando comparados com a literatura (Arias et al., 2001; Rustige & Platzer, 2000; Drizo et al., 1999). Estas areias, portanto, não foram efetivas na promoção da adsorção por completo das frações solúveis do fósforo presente no afluente aos módulos wetlands. Contudo, mesmo com estes baixos teores de minerais nas areias testadas, cargas elevadas de fósforo foram aplicadas nos módulos, variando de 1 a 2g PO 4 -P.m -2.d -1 ao longo do estudo, apresentando performances médias de remoção de 84% para os wetlands com areia 1 e 57% para os wetlands com areia 2. Apesar da porcentagem média de remoção de PO 4 -P nos wetlands ser elevada quando comparada com os demais estudos que empregam wetlands no tratamento de dejetos de suínos, tais como aqueles realizados por Finlayson et al. (1987) que reportaram remoções variando de 9% a 12% e Reddy et al. (2000) com valores variando de 30% a 45%, os valores absolutos das concentrações efluentes ainda permanecem elevados para lançamento no ambiente. CONCLUSÕES A partir deste início de operação junto aos módulos de wetlands de fluxo vertical como polimento de lagoas de estabilização de suínos, pôde-se verificar que das areias escolhidas para compor o material filtrante, a areia 1 mostrou-se ineficiente como pós-tratamento, devido principalmente a alta porção de finos (em torno de 57%), o qual conduziu a mesma à colmatação. Por outro lado, os módulos com areia 2 mantiveram seu potencial de percolação, porém os valores absolutos das concentrações de nutrientes no efluente tratado nestes wetlands são elevados para o lançamento no ambiente (média de 193 mgnh 4 -N.L -1 e 27 mgpo 4 -P.L -1 ) mostrando assim, que há necessidade de se aumentar a área superficial e volume dos módulos, identificar materiais filtrantes com maiores teores de Fe, Ca, Al e Mg, diminuir a concentração afluente de NH 4 -N por meio de reciclos e promover o desenvolvimento por completo das macrófitas, bem como, otimizar os processos de remoção da matéria carbonácea e as frações de sólidos no sistema de lagoas de estabilização a montante. Cabe ressaltar, também, que o NO 3 -N formado a partir do processo de nitrificação deve ser encaminhado para uma etapa de desnitrificação. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS 1. APHA, AWWA, WEF. (1995). Standard Methods for the Examination of Water and Wastewater. 19th. edn. American Public Health Association, Washington, DC. 2. ARIAS, C.A., DEL BUBBA, M., BRIX, H. (2001). Phosphorus removal by sands for use as media in subsurface flow constructed reed beds. Wat. Res., v.35, n.5, pp BELLI FILHO, P., CASTILHOS JR., A.B. DE, COSTA, R.H.R. DA, SOARES, S.R., PERDOMO, C.C. (2001). Tecnologias para o tratamento de dejetos de suínos. Revista Brasileira de Engenharia Agrícola e Ambiental, v.5, n.1, pp BRIX, H. (1997). Macrophytes play a role in constructed treatment wetlands? Wat. Sci. Tech., v.35, n.5, pp COSTA, R.H.R., BAVARESCO, A.S.L., MEDRI, W., PHILIPPI, L.S. (2000). Tertiary treatment of the piggery wastes in water hyacinth ponds. Wat.Sci.Tech., v.42, n.10-11, pp DALAVÉQUIA, M.A. (2001). Avaliação de lagoas de estabilização para tratamento de dejetos de suínos. Dissertação de Mestrado em Engenharia Ambiental, Departamento de Engenharia Sanitária e Ambiental, Universidade Federal de Santa Catarina, 180 p. ABES - Associação Brasileira de Engenharia Sanitária e Ambiental 8

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