22º Congresso Brasileiro de Engenharia Sanitária e Ambiental

Transcrição

1 22º Congresso Brasileiro de Engenharia Sanitária e Ambiental 14 a 19 de Setembro Joinville - Santa Catarina II ESTUDO DA DISTRIBUIÇÃO DE COLIFORMES FECAIS NA MASSA LÍQUIDA DE LAGOAS FACULTATIVAS PRIMÁRIAS PROFUNDAS PROVIDAS DE CHICANAS Salomão Anselmo Silva (1) Engenheiro Civil (1963) e Mestre em Engenharia Civil pela Escola Politécnica da UFPB (1975). PhD pela Universidade de Dundee, Dundee, Escócia (1982). Professor Titular do DEC - UFCG. Chefe de Pesquisas da EXTRABES - UFCG. Izulamar Nepomuceno Almeida Graduado em Química Industrial pela Universidade Estadual da Paraíba (1996). Mestre em Engenharia Civil, subárea Engenharia Sanitária e Ambiental pela UFPB (2001). Rui de Oliveira Engenheiro Civil pela UEMA (1974). Mestre em Engenharia Civil pela UFPB (1983). PhD pela Universidade de Leeds, Leeds, Inglaterra (1990). Professor Adjunto do Departamento de Engenharia Civil da UFCG. Pesquisador EXTRABES UFCG. Gilson Barbosa Athayde Júnior Graduado em Engenharia Civil pela Universidade Federal da Paraíba (1995). PhD em Engenharia Civil pela Universidade de Leeds, Inglaterra (1999). Endereço(1): Rua Monteiro Lobato, 207 Alto Branco Campina Grande Paraíba CEP: Brasil Tel: (0xx) Fax: (0xx) sanselmosilva@uol.com.br

2 RESUMO Este trabalho faz a avaliação da distribuição de coliformes fecais na massa líquida de uma lagoa facultativa primária provida de chicanas durante um período de três meses e estabelece a comparação das concentrações médias dessa variável, ao longo de um ciclo hidrológico completo, nos efluentes dessa lagoa provida de chicanas e de uma lagoa facultativa primária sem chicanas utilizada como controle, ambas tratando esgoto doméstico proveniente do sistema de esgotamento sanitário da cidade de Campina Grande, estado da Paraíba, região nordeste do Brasil. Ambas as lagoas foram caracterizadas por um tempo de detenção hidráulica médio de 15 dias, vazão de 28 m3/d e carga orgânica média de 330 kgdbo5/ha.d. O estudo do sistema experimental foi dividido em duas etapas: 1ª?monitorarão de rotina das concentrações de coliformes fecais efluentes, no período de 15/10/1997 a 14/12/1998; e 2ª? análise da distribuição da temperatura, ph, OD, DBO, clorofila a e coliformes fecais ao longo da coluna líquida e do comprimento da lagoa provida de chicanas, entre setembro e novembro de A lagoa com chicanas apresentou estratificação térmica durante as horas iluminadas do ciclo diário e uma predominância da condição de anaerobiose durante a noite, permanecendo aeróbia somente a camada superficial da lagoa. Análise de tendência aplicada aos dados de coliformes fecais ao longo do comprimento da lagoa permitiu a observação dos valores da taxa específica de decaimento bacteriano (kb), os quais indicaram uma discreta remoção das bactérias coliformes. Em relação aos efluentes da lagoa de controle e da provida de chicanas, a análise de variância de fator único não reconheceu diferenças significativas para as variáveis analisadas levando à conclusão que a utilização de chicanas em lagoas facultativas primárias submetidas a elevadas cargas orgânicas não contribui significativamente para a melhoria do seu desempenho operacional, particularmente em termos da remoção de indicadores de contaminação fecal. Palavras-chave: Lagoas de estabilização, Lagoas profundas, Chicanas longitudinais, Coliformes fecais, Distribuição de coliformes. INTRODUÇÃO No âmbito da Engenharia Sanitária as lagoas de estabilização têm sido tradicionalmente definidas como grandes reservatórios de pequena profundidade, geralmente limitados por diques de terra ou paredes de contenção, os quais recebem águas residuárias brutas ou parcialmente tratadas, e têm como uma de suas finalidades principais a estabilização da matéria orgânica biodegradável (proteínas, carboidratos e gorduras) através de processos naturais, merecendo destaque a atividade microbiana envolvendo principalmente bactérias e algas. Nesse contexto, visa-se fundamentalmente a remoção de poluentes, especialme nte a matéria orgânica biodegradável. Mais recentemente (de Oliveira, 2002), tem ocorrido uma tendência da conceituação de lagoas como ecossistemas aquáticos lênticos submetidos a um elevado nível de eutrofização sustentando uma comunidade que promove uma ampla série de processos naturais de transformação de materiais entre os quais merece destaque a cadeia de decomposição do material orgânico. Também, merece especial destaque a relação

3 simbiótica mutualística entre bactérias e algas e cianobactérias que pode resultar num importante saldo positivo de oxigênio dissolvido na massa líquida da lagoa. Nesse complexo ecossistema o grande número de interações entre as diversas populações de microrganismos causa mudanças nos fatores bióticos e abióticos que determinam o controle (homeostase) dessas populações. A literatura (James, 1987, de Oliveira, 1990, Curtis et al., 1992), tem se referido a conjuntos desses fatores que exercem controle sobre a população de coliformes fecais: o ph elevado tem sido o fator abiótico mais freqüentemente citado como responsável pela maior eliminação de coliformes fecais desde o trabalho de Parhad e Rao (1974) mas o oxigênio dissolvido elevado e, especialmente, o efeito da radiação solar (Moeller e Calkins, 1980; Curtis et al., 1992) e a temperatura têm sido enfatizados, de modo isolado ou atuando sinergisticamente com outros (Curtis et al., 1992; Pearson et al., 1987), como importantes fatores de resistência ambiental desses organismos. O parasitismo de colifagos, o predatismo por protozoários, o amensalismo devido à produção de substâncias tóxicas por cianobactérias e a competição por matéria orgânica e nutrientes minerais têm sido as relações simbióticas desarmônicas citadas como relevantes no controle da população de coliformes fecais. O tempo de exposição desses organismos intestinais ao ambiente inóspito fora do corpo das pessoas e de outros animais homeotérmicos é o fator que pode ser usado para resumir a diversidade dos fatores ecológicos que constituem a resistência à sobrevivência dos coliformes fecais. A carga orgânica aplicada às lagoas é o parâmetro básico na definição da constituição dos elementos do ecossistema (biótopo e biocenose) bem como das alterações ambientais possíveis de ocorrer, sendo, portanto, o parâmetro fundamental na definição das diferentes classes de lagoas. O projeto de lagoas em série representa uma abordagem que leva ao melhor aproveitamento do que cada uma dessas classes de lagoas tem para oferecer em termos da remoção de contaminantes e, portanto, à obtenção de efluentes finais que atendam aos padrões regulamentadores tanto para o lançamento em corpos receptores como para a utilização na agricultura e na aqüicultura. A utilização de águas residuárias domésticas tratadas, na irrigação, tem o propósito de diminuir o consumo de água de boa qualidade para esse fim. Por isso, deve-se prover a redução da concentração fecal a níveis compatíveis com o tipo de cultura agrícola e de irrigação que se deseja praticar. Para a obtenção de efluentes dentro dos padrões de lançamento ou reuso, devem ser levados em conta a forma da lagoa, a existência de espaços mortos, a ocorrência de curtos-circuitos e os padrões de fluxo de entrada e saída (Middlebrooks et al., 1982), pois são fatores fundamentais que influenciam na qualidade do fluxo hidráulico da lagoa e a sua conseqüente eficiência. O uso de chicanas, preferencialmente longitudinais, representa uma possibilidade prática (Middlebrooks et al., 1982; Johansson et al., 1996) para o ordenamento do fluxo hidráulico em lagoas de estabilização.

4 Na EXTRABES-UFCG, a investigação sobre a utilização de chicanas em lagoas facultativas primárias teve por objetivo verificar sua viabilidade técnica e econômica, contribuindo para o estabelecimento de parâmetros regionais de projeto. OBJETIVO O experimento objeto deste trabalho deu seqüência a um conjunto de experimentos, em escala-piloto, e teve o objetivo principal de avaliar a distribuição de coliformes fecais na massa líquida de uma lagoa facultativa primária, provida de chicanas longitudinais do tipo vai-e-vem, por um período de três meses, além de comparar as concentrações médias dessas bactérias, no efluente dessa lagoa e no de uma unidade de controle do experimento, sem chicanas, durante um ciclo hidrológico completo. MATERIAIS E MÉTODOS A pesquisa foi realizada num sistema experimental, em escala-piloto, na cidade de Campina Grande (7º 13 11" Sul, 35º 52 31" Oeste, a 550 m acima do nível do mar), alimentado com água residuária predominantemente doméstica do sistema de esgotamento sanitário da cidade captada de um de seus interceptores (Interceptor Leste ou "da Depuradora"). O esgoto era bombeado de um poço úmido, adjacente a um dos poços de visita do interceptor, para um tanque de nível constante (TNC), localizado no interior de uma casa de bombas, e daí para cada lagoa do sistema. O sistema experimental estudado era constituído de duas lagoas profundas (2,3 m), denominadas F28 e F29. O estudo foi levado a efeito predominantemente na massa líquida da unidade F29, tendo sido demarcados cinco pontos de coleta, subdivididos em três níveis de profundidade (5, 50 e 200 cm), conforme representado na Figura 1. A lagoa F29 era provida de duas chicanas longitudinais do tipo vai-e-vem, fazendo-a funcionar como um longo canal de cerca de 75 m de comprimento. A vazão de alimentação de cada lagoa era de 28 m3/d e a carga orgânica superficial média era de 330 kg DBO5/ha.d. F29 F28 Figura 1 - Esquema das lagoas F29 e F28, mostrando o posicionamento dos diversos pontos de coleta de amostras. Na monitoração de rotina, no período de 15 / 10 / 97 a 14 / 12 / 98, foram amostrados semanalmente, os efluentes de ambas as lagoas, para a determinação de coliformes fecais. Entre setembro e dezembro de 1998 (período tipicamente de estiagem), foram feitas amostragens periódicas (nos diversos pontos e níveis demarcados: A = 5 cm; B = 50 cm e C

5 = 200 cm), apenas na lagoa F29, sendo uma pela manhã, às 6h 30min, e outra à tarde, às 13h 30min, para a determinação das variáveis coliformes fecais, ph, temperatura, clorofila a, oxigênio dissolvido e DBO5. Com exceção de clorofila a, determinada de acordo com Jones (1979), as variáveis foram analisadas em conformidade com os procedimentos padrões descritos em APHA et al. (1992). Os dados amostrais foram submetidos a várias análises estatísticas através da planilha eletrônica EXCEL 97 e com base no texto de Sokal & Rohlf (1981). Numa primeira abordagem foi analisada a distribuição espaço-temporal de todas as variáveis determinadas na massa líquida da lagoa F29 seguido por análise de tendência baseada em modelos gráficos e em seguida foi feito um estudo de matrizes de correlação com o objetivo de estabelecer coeficientes de correlação significativos entre as variáveis. Análise de variância (ANOVA fator único), foi aplicada aos dados de coliformes fecais, clorofila a, ph, DBO5 e oxigênio dissolvido tanto para os dados da monitoração da massa líquida como para os dados da monitoração de rotina dos efluentes das lagoas F28 e F29 com o objetivo de observar diferenças significativas entre as médias das diversas amostras de dados. DISCUSSÃO DOS RESULTADOS As lagoas F28 e F29 foram caracterizadas por parâmetros de operação (tempo de detenção hidráulica e carga orgânica superficial) dentro das faixas comumente recomendadas para o projeto de lagoas facultativas primárias. A carga orgânica se situou abaixo do limite máximo (380 kgdbo5/ha.d) recomendado para a área de Campina Grande, pelo critério de McGarry & Pescod modificado por Mara (Mara, 1976), mas, mesmo assim, pode ser considerada uma carga elevada para a operação de uma lagoa mais profunda que o normal para esse tipo de lagoa. Pela manhã, as amostras analisadas nos diferentes níveis e posições da lagoa F29 representaram basicamente as condições noturnas da massa líquida e indicaram concentrações predominantemente nulas de oxigênio dissolvido, ausência de estratificação térmica (temperaturas entre 24 e 26 C), homogeneidade de DBO5 (predominantemente entre 60 e 90 mg/l), clorofila a (entre 200 e 1000 m g/l), ph (7,40 8,18) e coliformes fecais (predominantemente entre 0,03 e 2,0E07), considerando-se o conjunto dos seis experimentos realizados entre 25/09 e 16/11 de À tarde, as temperaturas variaram entre 24 e 33 C sendo as médias para os níveis A, B e C, respectivamente, de aproximadamente 32, 28 e 27 C, caracterizando a ocorrência de estratificação térmica. As concentrações de oxigênio foram predominantemente nulas nos níveis B e C e de 1 até mais de 20 mg/l no nível A, mais superficial. A DBO5 predominou entre 40 e 140 mg/l no nível mais superficial e entre 40 e 90 mg/l nos outros níveis. A clorofila a sempre se apresentou menor que 1000 m g/l nos níveis mais profundos e predominantemente acima desse valor no nível superficial, atingindo valores superiores a 8000 m g/l. O ph na superfície foi predominante entre 8,5 e 9,1 e nos outros níveis ficou

6 entre 7,3 e 7,8. Nesse turno os coliformes fecais no nível superficial foram predominantes em concentrações abaixo de 1,00E07; de fato predominantemente menores que 6,0E06. Nos níveis mais profundos as concentrações de coliformes fecais variaram tipicamente na faixa observada no período da manhã. Essa primeira abordagem dos dados da monitoração da massa líquida da lagoa facultativa provida de chicanas evidenciou que tal tipo de lagoa funciona mais tipicamente como um reator anóxico apresentando menos de um quarto do seu volume aeróbio e somente na fase clara do ciclo diário. A combinação de elevadas cargas orgânicas com grande profundidade é um fator determinante desse quadro em vista da relativamente baixa penetração de luz durante o dia e o conseqüente baixo resíduo positivo no balanço de oxigênio. O estudo de matrizes de correlação demonstrou a ocorrência de coeficientes de correlação significantes (a = 0,05) em proporção variada, nos dois horários de amostragem, nos diferentes níveis da lagoa F29, conforme demonstrado na Tabela 1. O que chama a atenção na tabela é que nos níveis mais superficiais, a análise conjunta dos dados das duas amostragens revelou a ocorrência de um número muito grande de correlações significantes nos níveis mais superficiais. De fato, tal análise conjunta contribuiu para um aumento expressivo do número de correlações significantes com relação à análise isolada em cada período. Isso pode ser atribuído a variações concorrentes da maioria das variáveis entre as duas amostragens no ciclo diário (p. ex. uma variação positiva do ph ocorrendo simultaneamente com variações positivas de clorofila a e oxigênio dissolvido e diminuição de coliformes fecais entre a primeira e a segunda amostragem). No estudo das matrizes de correlação foi dada uma ênfase especial aos dados coletados à tarde em vista do estado de modificação em que se encontrava a massa líquida bem como das mudanças observáveis entre os diferentes níveis e pontos demarcados ao longo da extensão da lagoa. Nesse período, principalmente nas camadas mais superficiais (A e B). ficou bastante evidente a associação significante e positiva entre ph e clorofila a, refletindo a intensa atividade fotossintética de algas e cianobactérias. Também, nesses níveis ficou evidenciada, não somente à tarde, a significante associação positiva entre ph e oxigênio dissolvido. Outras associações significativas de destaque foram DBO5 e OD (negativa), ph e coliformes fecais (negativa), coliformes fecais e DBO5 (positiva). Não ocorreu associação significante e positiva entre oxigênio e clorofila e isso é compreensível em vista da ocorrência freqüente de elevada biomassa com baixas e até mesmo nulas concentrações de oxigênio e vice-versa. No primeiro caso, é possível que em determinadas circunstâncias (especialmente pela manhã) algas móveis mixotróficas migrem de camadas profundas (próximas da camada de lodo) para a superfície da lagoa ainda desprovida de oxigênio. No segundo caso, ocorre que, muito freqüentemente, mas especialmente à tarde algas motoras, fugindo das elevadas temperaturas e intensa radiação solar da superfície, migram para camadas mais profundas, principalmente logo abaixo da termoclina, deixando um rasto de elevadas concentrações de oxigênio dissolvido. A análise dos dados das duas amostragens em conjunto, em particular para os níveis superficiais, revelou significantes correlações positivas entre temperatura e ph (devido à ocorrência simultânea de variações positivas dessas variáveis entre os períodos da manhã e

7 da tarde), ph e OD e ph e clorofila a (ambas devido à fotossíntese de algas e cianobactérias) e associação negativa significativa entre ph e coliformes fecais. Tabela 1 Porcentagens de coeficientes de correlação significantes (a = 0,05) na monitoração da massa líquida da lagoa F29 Nível Período Manhã Tarde Manhã e tarde A 60,0 73,3 93,3 B 73,3 80,0 86,6 C 80,0 60,0 73,3 A análise de tendência aplicada aos dados de coliformes fecais obtidos da análise das amostras da massa líquida demonstrou que os modelos polinomial e exponencial foram, com vantagem para o polinomial, os que mais fielmente interpretaram a diminuição da concentração de coliformes fecais ao longo da extensão (também com o transcorrer do tempo de detenção) da lagoa facultativa primária provida de chicanas. Tal definição foi

8 devida aos elevados coeficientes de determinação (R2) obtidos. Para os dados médios de coliformes no nível A o coeficiente foi de 0,57 pela manhã e 0,78 para o período da tarde para o modelo polinomial e respectivamente 0,46 e 0,23 para o modelo exponencial. Nos outros níveis ho uve uma tendência dos coeficientes serem mantidos para o modelo polinomial e diminuírem para o modelo exponencial. Isto significa que um polinômio de segundo grau parece interpretar melhor o decaimento de coliformes fecais com o tempo ao longo da extensão de uma lagoa facultativa primária provida de chicanas do que uma equação exponencial. Quando aplicados aos dados médios ao longo da profundidade novamente o modelo polinomial demonstrou um desempenho muito melhor (R2 = 1,00, pela manhã e à tarde) que o modelo exponencial (R2 = 0,12 pela manhã e 0,22 à tarde). Isto, parece representar uma contradição com relação a tudo aquilo que tradicionalmente aprendemos e ensinamos sobre o decaimento de coliformes fecais. Mas convém examinar a questão com muita parcimônia considerando até mesmo a maior simplicidade de aplicação do modelo exponencial. Na análise de variância de fator único das variáveis CF, Cla, ph, DBO5 e OD nos efluentes das duas lagoas e na massa líquida da lagoa com chicanas, foram analisados 17 conjuntos de médias para cada variável, cobrindo os dados dos diferentes níveis, pontos e horários de coleta. Treze dos 17 conjuntos de dados de coliformes fecais apresentaram médias na faixa 0,5 1,0E07 devendo ficar registrado que pela manhã no nível mais superficial as concentrações médias predominaram acima da faixa referida mas à tarde as médias desse nível (4,24E06 2,93E06) foram as menores dentre todos os conjuntos. O resultado mais relevante da ANOVA, no entanto, foi a demonstração que a utilização de chicanas longitudinais em lagoas facultativas primárias, nas condições operacionais aqui definidas, não contribui para alterar a eficiência de remoção de coliformes fecais tendo em vista a não existência de diferenças significativas entre as médias dos efluentes da lagoa com chicanas e da lagoa de controle. O efluente da lagoa provida de chicanas, de acordo com a análise de variância aplicada aos dados de coliformes fecais, não apresentou diferenças significativas em relação ao efluente da lagoa de controle, para o período anual analisado. Foi observado que as concentrações médias anuais dos efluentes das lagoas F29 (6,44 x 106 UFC/100 ml) e F28 (6,86 x 106 UFC/100 ml) foram bastante elevadas, não se situando dentro dos padrões estabelecidos e demonstrando haver a necessidade da aplicação de um tratamento posterior, através de lagoas de maturação, tanto para o lançamento em um corpo receptor como para o reuso na agricultura. CONCLUSÕES A lagoa F29 apresentou, no ciclo diário, estratificação térmica ao lo ngo da coluna líquida e uma condição de anaerobiose quase que em sua totalidade, permanecendo aeróbia apenas na camada superficial da lagoa, de modo similar ao que ocorre em lagoas facultativas primárias convencionais; As concentrações de coliformes fecais apresentaram uma maior tendência de decaimento, observada através dos valores de Kb, durante a tarde. Nesse período, são mais expressivos

9 os principais efeitos bactericidas, tais como temperaturas elevadas, radiação solar, ph e oxigênio dissolvido; Através da análise comparativa das concentrações médias anuais dos efluentes das lagoas F28 e F29, não foram observadas diferenças significativas com relação aos coliformes fecais, demonstrando que a utilização de chicanas em lagoas facultativas primárias profundas, submetidas a elevadas cargas orgânicas, não é significativa; De um modo geral, os efluentes apresentaram-se fora dos padrões estabelecidos, demonstrando haver a necessidade da aplicação de um tratamento posterior, tais como lagoas de maturação em série, tanto para o lançamento em um corpo receptor como para o reuso na irrigação. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS APHA, AWWA, WEF. Standard methods for the examination of water and wastewater, 18th edition. Washington DC: American Public Health Association, CURTIS, T.P., MARA, D.D., DIXO, N.G.H. AND SILVA, S.A. The effect of sunlight on faecal coliforms in ponds: implications for research and design. Water Science and Technology, v. 26, n.7-8, p , DE OLIVEIRA, R. The Performance of deep waste stabilization ponds in northeast Brazil. PhD Thesis, The University of Leeds, U. K DE OLIVEIRA, R. Notas de Aula da disciplina Tópicos Especiais em Engenharia Civil (TEEC) Lagoas de Estabilização. Departamento de Engenharia Civil do Centro de Ciências e Tecnologia da Universidade Federal de Campina Grande JAMES, A. An alternative approach to the design of waste stabilization ponds. Water Science and Technology, v.19, n.12, p , JOHANSSON, P., PERNRUP, M. AND RANGEBY, M. Low-cost upgrading of an oversized wastewater stabilization pond system in Mindelo, Cape Verde. Water Science and Technology, v.33, n.7, p , JONES, J.G. A guide to methods for estimating microbial numbers and biomass in freshwater. Ambleside: Freshwater Biological Association Scientific Publication 39, MARA, D.D. Sewage treatment in hot climates. Chichester: John Wiley & Sons Ltd., MOELLER, J.R. AND CALKINS, J. Bactericidal agents in wastewater lagoons and lagoon design. Journal of The Water Pollution Control Federation, v.52, n.10, p , 1980.

10 MIDDLEBROOKS, E.J., MIDDLEBROOKS, C.H., REYNOLDS, J.H., WATTERS, G.Z., REED, S.C. AND GEORGE, D.B. Wastewater stabilization lagoon design, performance and upgrading. New York: Macmillan Publishing Co., Inc., PARHAD, N.M. AND RAO, N.U. Effect of ph on survival of Escherichia coli. Journal of the Water Pollution Control Federation, v.46, n.5, p , PEARSON, H.W.; MARA D.D. & BARTONE, C.R. Guidelines for the minimum evaluation of the performance of full-scale waste stabilization pond systems. Water Research, v. 21, n. 9, p , SOKAL, R.R. AND ROHLF, F.J. Biometry: The principles and practice of statistics in biological research, 2nd edition. San Francisco: W.H. Freeman and Company, 1981.