II IDENTIFICAÇÃO DE ALGAS E CLOROFILA a EM LAGOAS FACULTATIVAS NO TRATAMENTO DE DEJETOS SUÍNOS

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1 II IDENTIFICAÇÃO DE ALGAS E CLOROFILA a EM LAGOAS FACULTATIVAS NO TRATAMENTO DE DEJETOS SUÍNOS Cladir Teresinha Zanotelli (1) Dra. em Engenharia de Produção (UFSC) Professora da UnC Universidade do Contestado- Concórdia, SC. Ana Claudia Peres Dra do Dep. Ecologia e Biologia Evolutiva DEBE da Universidade Federal de São Carlos- UFSCar. Carlos Cláudio Perdomo Dr. Em Produção Animal- Professor da UnC Universidade do Contestado- Concórdia, SC. Rejane Helena Ribeiro da Costa Dra. em Qualidade e Tratamento de Águas (INSA, Toulouse, França) Professora Titular do Departamento de Engenharia Sanitária e Ambiental da Universidade Federal de Santa Catarina - UFSC Endereço (1) : Rua Vitor Sopelsa, 3000, Bairro Salete, Concórdia (SC)- CEP Brasil- Fone (049) cladir@uncnet.br RESUMO As algas geram o oxigênio molecular que mantém a aerobiose de lagoas facultativas e constituem uma fonte potencial de proteína. O conhecimento qualitativo e quantitativo das algas e a concentração da biomassa algal do meio líquido fornecem indicações úteis do tipo de lagoa e da eficiência do tratamento. Os gêneros e espécies de algas variam de acordo com as características das águas, intensidade de radiação solar, quantidade de luz solar e temperatura, dentre outros. Este trabalho foi conduzido em dois sistemas diferentes de lagoas facultativas, tratando dejetos de suínos, sendo uma lagoa facultativa em escala real (73m 3 ) com aerador e quatro lagoas facultativas em escala piloto (3,44m 3 ) com chicanas, sendo a primeira sem chicana; a segunda com 1 chicana; a terceira com 2 chicanas e a quarta lagoa com 4 chicanas, todas alimentadas com dejetos oriundos de uma lagoa anaeróbia em escala real. As lagoas operaram com carga superficial de 200 kgdbo 5 /ha/dia. Foram realizadas coletas no período de outubro de 2000 a junho de Foram efetuadas medidas de temperatura, ph, oxigênio dissolvido (OD), demanda química de oxigênio (DQO), nitrogênio total (NT), fósforo total (PT), sólidos totais, fixos e voláteis (ST, SF, SV), identificação e quantificação das algas, clorofila a e feofitina. Foram encontrados 13 gêneros e 10 espécies de algas durante todo o período estudado. Sendo que as Clorofíceas foi o gênero que apresentou a maior riqueza de espécies, e a espécie Chlorella vulgaris a mais abundante. As concentrações de clorofila a e a identificação e quantificação de algas mostram que embora as lagoas funcionem como lagoas facultativas, o meio líquido esteve com baixos valores de ph e concentrações de OD, resultando em remoção de nutrientes inferior à esperada. PALAVRAS-CHAVE: Algas, Clorofila a, lagoas facultativas. INTRODUÇÃO As algas constituem o grupo de microorganismos mais diversificado encontrado nas lagoas facultativas e geram o oxigênio molecular que mantém a aerobiose do sistema. Os gêneros e espécies de algas variam de acordo com as características das águas, temperatura, intensidade de radiação e quantidade de luz solar, dentre outros. A quantificação da biomassa algal presente nas lagoas é estimada por meios indiretos que incluem o peso úmido e seco dos microorganismos em um volume conhecido de amostra, ou por métodos diretos como a identificação e contagem dos indivíduos, ou a determinação da concentração de clorofila a. Nas lagoas facultativas a concentração de clorofila a é maior que nas lagoas de maturação, pois nas lagoas facultativas as concentrações de biomassa das algas do efluente se aproximam das suas concentrações na massa líquida no interior da lagoa (König, 2000). O tratamento de dejetos de suínos através de lagoas de estabilização tem sido estudado por vários pesquisadores, na busca de parâmetros de projetos dessas lagoas e do conhecimento dos mecanismos desse tratamento com esse efluente rico em matéria carbonácea e em nutrientes como nitrogênio e fósforo (Costa ABES - Associação Brasileira de Engenharia Sanitária e Ambiental 1

2 et al., 2000; Estrada & Hernández, 2000; Zanotelli et al., 2002), porém poucas referências existem sobre a ocorrência e os gêneros de algas presentes nessas lagoas. Segundo Sevrin-Reyssac et al. (1995), poucas espécies de algas podem sobreviver em águas ricas em elementos nutritivos. A seleção natural é feita em benefício de algumas espécies resistentes que são encontradas nas águas poluídas; em geral, nas águas receptoras de dejetos suínos, são as algas verdes pertencentes ao grupo das Clorofíceas (Chlorella, Scenedesmus, Oocystis, Chlamydomonas, Ankistrodesmus). O objetivo deste trabalho foi identificar e quantificar a produção de algas e de clorofila a, em lagoas facultativas de um sistema de tratamento de dejetos suínos e sua relação com o tratamento. MATERIAIS E MÉTODOS O trabalho foi conduzido em dois sistemas diferentes de lagoas facultativas, sendo um em escala real e o outro em escala piloto, para estudar os mecanismos de tratamento de dejetos de suínos nesse tipo de lagoa. Utilizouse uma lagoa facultativa em escala real (73m 3 ) com aerador e quatro lagoas facultativas em escala piloto (3,44m 3 ) com chicanas, sendo a primeira sem chicana; a segunda com 1 chicana; a terceira com 2 chicanas e a quarta lagoa com 4 chicanas, todas alimentadas com dejetos oriundos de uma lagoa anaeróbia em escala real. As lagoas operaram com carga superficial de 200 kgdbo 5 /ha/dia. Foram realizadas coletas no período de outubro de 2000 a junho de 2001, no período da manhã (9:00 horas), sendo uma batelada por mês, em 10 pontos de coleta distribuídos da seguinte maneira: lagoa facultativa (LF) em escala real (P1 e P2) e as lagoas em escala piloto: LF1 (P3 e P4), LF2 (P3, P5 e P6), LF3 (P3, P7 e P8) e LF4 (P3, P9 e P10). Foram efetuadas medidas de temperatura, ph, oxigênio dissolvido (OD), demanda química de oxigênio (DQO), nitrogênio total Kjeldhal (NTK), fósforo total (PT), sólidos totais, fixos e voláteis (ST, SF, SV), segundo os métodos padrões do Standard Methods (APHA, 1995). As coletas para análise qualitativa das algas foram feitas através de rede de arrasto com abertura de malha de 20µm; as amostras foram divididas em duas partes: uma para ser observada viva e a outra fixada com Lugol (solução de Ácido acético e Iodo). A identificação da comunidade algal foi feita através de lâminas de amostras vivas e fixadas. As medidas convencionais foram determinadas com uma régua micrometrada acoplada ao sistema óptico do microscópio de marca Zeiss (Germany), tipo AXIOSKOP, equipado com contraste-de-fase e câmara-clara dotada de zoom, filtros e equipamento fotográfico (aumento máximo de 2560 vezes). A contagem do fitoplâncton foi realizada através do método de sedimentação de UTERMÖHL e o cálculo do número de indivíduos por unidade de volume seguiu TORGAN. A contagem foi feita em microscópio invertido marca Carl Zeiss com capacidade de aumento máximo de 400 vezes, em cubetas de sedimentação de 2 ml. Foram necessárias diluições do material diluições do material, para cada amostra foi feita uma diluição de 1:10 ml e em cada lâmina foram contados 50 campos. RESULTADOS E DISCUSSÃO Desempenho das lagoas Os resultados obtidos durante o período de estudo, para as medidas de ph, temperatura, OD, sólidos, DQO e nutrientes (NTK e PT) são apresentados na tabela 1. Observa-se que as lagoas facultativas removem DQO (~30 a 40%) e sólidos (~15 a 30%) em complemento ao tratamento anaeróbio anterior. Quanto aos nutrientes, que deveria ser o principal objetivo desse estágio do tratamento, observa-se eficiência similar nas 5 lagoas (46-50%) para o nitrogênio, enquanto a remoção de fósforo nas lagoas piloto (33-41%) foi superior à da lagoa em escala real (21%). Em relação aos resultados obtidos em estudos anteriores, com a lagoa facultativa em escala real sem chicanas (Medri, 1997), as lagoas com chicanas foram mais eficientes apenas na remoção do fósforo, indicando um efeito positivo das chicanas para a remoção deste parâmetro, através da sedimentação dos sólidos ao longo de cada compartimento. ABES - Associação Brasileira de Engenharia Sanitária e Ambiental 2

3 Tabela 1. Valores médios e o desvio padrão (N = 9) observados nas lagoas. ph Temp. C OD ST NTK PT DQO LF Af 8,24 ± 0,23 21,5 ± 3,11 0,39 ± 0, ± ± ± 6, ± 352 Efl. 8,27 ± 0,20 21,4 ± 2,96 0,47 ± 0, ± ± ± ± 231 Efic. (%) LF1 Af 8,35 ± 0,28 21,1 ± 4,19 0,52 ± 0, ± ± ± ± 431 Efl. 8,40 ±0,32 21,5 ±4,12 0,73 ± 1, ± ± ± ± 278 Efic. (%) LF2 Af 8,35 ± 0,28 21,1 ± 4,19 0,52 ± 0, ± ± ± ± 431 Efl. 8,40 ± 0,41 20,8 ± 4 0,74 ± 1, ± ± ± ± 227 Efic. (%) LF3 Af 8,35 ± 0,28 21,1 ± 4,19 0,52 ± 0, ± ± ± ± 431 Efl. 8,38 ± 0,35 20,6 ± 3,7 0,74 ± 1, ± ± ± ± 215 Efic. (%) LF4 Af 8,35 ± 0,28 21,1 ± 4,19 0,52 ± 0, ± ± ± ±431 Efl. 8,31 ± 0,30 20,5 ± 3,97 0,63 ± 0,9 1788± ± ± ± 507 Efic. (%) Em meios de cultura intensiva de algas, onde em geral durante à tarde o ph é superior a 10, grande parte do nitrogênio amoniacal é perdida para a atmosfera devido à sua volatilização; igualmente ocorre a precipitação química do fósforo em compostos insolúveis de cálcio e/ou ferro (Picot et al., 1993). Neste estudo, porém, os valores médios de ph foram inferiores a 9. As lagoas operaram sob condições de temperaturas médias de 21 C e OD entre 0,3 e 0,8. Neste caso, embora a temperatura permitisse um bom desenvolvimento de algas, este ainda não foi suficiente para oxigenar bem a massa líquida, suprindo a demanda carbonácea e deixando-a em condições de meio saturado em oxigênio, o que pode ter contribuído para uma eficiência não superior a 50% na remoção dos nutrientes. Análises das algas e resultados da clorofila a Na tabela 2 estão apresentados os gêneros e espécies que predominaram em todas as lagoas. Tabela 2. Gêneros e espécies de algas encontradas nas lagoas facultativas. Chlorophyceae Cyanophyceae Euglenophyceae Baccilariophyceae Carteria cf. polistica Aphanothece cf. nidulans Euglena polimorpha Eunotia sp. Carteria cf. subartica Cyanodictyon sp. Trachelomonas sp Carteria coccifera Coelastrum pulchrum Chlamydomonas sp. Chlorella vulgaris Monoraphydium contortum Scenedesmus cf. histrix Scenedesmus quadricauda ABES - Associação Brasileira de Engenharia Sanitária e Ambiental 3

4 Foram encontrados 13 gêneros e 10 espécies de algas durante todo o período estudado. Sendo que as Clorofíceas foi o gênero que apresentou a maior riqueza de espécies e a espécie Chlorella vulgaris a mais abundante. A distribuição das algas identificadas nas lagoas facultativas fica evidenciada nas freqüências em que apareceram nas lagoas (Figura 1). Figura 1. Freqüência das algas predominantes nas cinco lagoas (%) LF LF1 LF2 LF3 LF4 Chlorella vulgaris Chlamydomonas sp. Carteria cf. polistica A densidade total de algas se caracterizou pela presença maciça de Chlorella vulgaris, em todas as lagoas estudadas (figura 1). A maior concentração de C. vulgaris foi 2,40x10 11 ind/ml na LF4, e a menor foi de 1,04x10 11 ind/ml na LF1. A maior concentração de Chlamydomonas sp. ocorreu na LF2 e a menor na LF, 2,09x ind/ml e 4,99x 10 8 ind/ml, respectivamente. A presença de Carteria cf. polistica ocorreu principalmente na LF1 (4,77x10 10 ind/ml). A identificação e a quantificação das algas permitem uma avaliação da sua diversidade e oferecem indicações sobre a carga orgânica da lagoa e o grau de tratamento alcançado. A elevada concentração da matéria orgânica presente no afluente das lagoas (DQO 1500 ) foi um dos fatores principais para a diversidade de algas presentes no meio. Em geral, à medida que ocorre o tratamento, o número de gêneros vai diminuindo, conforme observado por Athayde et al. (2000). Segundo Branco (1978), junto à entrada das lagoas predominam gêneros de flagelados pigmentados, tais como Euglena, Pyrobotrys, Chlamydomonas, Lepocinclis, Phacus; nas regiões onde já se encontra degradada a maior parte da matéria orgânica, passam a dominar algas verdes como: Chlorella, Scenedesmus, Micractinium, Actinastrum; algumas formas filamentosas, como Stigeoclonium; algas azuis, como Microcystis e outros flagelados pigmentados como Pandorina, Gonium, etc. Os resultados obtidos nas lagoas facultativas escala real e piloto, mostram que a ocorrência de flagelados (Carteria, Chlamydomonas, Euglena e Trachelomonas), foi bem menor que da alga verde Chlorella, caracterizando um bom nível do tratamento. Do mesmo modo, a presença de diatomáceas indica eficiência do tratamento. A ocorrência de Cianobactérias, ou algas azuis, em menor escala que as algas verdes indica baixa toxicidade do efluente. Análise de Componentes Principais (ACP) ABES - Associação Brasileira de Engenharia Sanitária e Ambiental 4

5 Foi realizada uma análise fatorial (ACP) para verificar a relação entre a qualidade das algas em cada lagoa, os fatores extraídos e suas respectivas variâncias explicativas estão apresentados na tabela 3. Na Figura 2 estão os fatores artificiais que apresentaram maior influência, em relação às demais, na lagoa. Foram considerados apenas os fatores com autovalor maior que um, conforme o critério de Kaiser. Tabela 3. Resumo dos fatores artificiais obtidos para o sistema em escala real Lagoa Fator extraído Explicação (%) LF Carteria cf. subartica 55,58 LF1 LF2 LF3 LF4 Chlorella vulgaris Cyanodictyon sp. Carteria coccifera Carteria cf. polistica Carteria cf. polistica Trachelomonas sp. Chlorella vulgaris Cyanodictyon sp. Carteria coccifera Cyanodictyon sp. Carteria cf. subartica Chlorella vulgaris 20,93 40,04 19,64 15,28 47,45 26,36 15,41 56,11 19,74 60,41 17,70 9,95 Explicação Acumulada (%) 55,58 76,51 40,04 59,69 74,97 47,45 73,81 89,23 56,11 75,85 60,41 78,12 88,08 O resultado dos fatores artificiais demonstra que em cada lagoa predominam diferentes tipos de algas, embora a Chlorella vulgaris e a Cyanodictyon sp. apareceram em três lagoas. O fato destes fatores não aparecerem como predominantes nas demais lagoas significa que, nesta amostragem os demais fatores foram mais significantes. Figura 2. Fatores artificiais e suas variâncias explicativas em cada lagoa. 70 Carteria cf. subartica Chlorella vulgaris Cyanodictyon sp. Carteria coccifera Carteria cf. polistica Trachelomonas sp variância(%) LF LF1 LF2 LF3 LF4 A quantificação da biomassa algal foi feita através das medidas de concentração das algas, clorofila a e feofitina. A clorofila a representa o principal pigmento constituinte das células fitoplanctônicas e a feofitina é um dos produtos resultante da degradação da clorofila. Os resultados são apresentados na tabela 4. ABES - Associação Brasileira de Engenharia Sanitária e Ambiental 5

6 Tabela 4. Valores médios e desvio padrão de algas, clorofila a e feofitina dos 10 pontos de coletas. (N=9) Pontos Clorofila a (µg/l) Feofitina (µg/l) Algas (ind/ml) P1 P2 P3 P4 P5 P6 P7 P8 P9 P10 753,84 ± 407,90 707,99 ± 379,40 407,01 ± 229,88 859,75 ± 258,16 924,62 ± 359,16 931,26 ± 336,24 942,96 ± 254,49 996,34 ± 271,05 901,96 ± 359,24 993,34 ± 302,36 135,22 ± 76,29 141,32 ± 78,26 164,29 ± 189,06 263,75 ± 213,65 146,17 ± 119,11 372,53 ± 351,64 385,46 ± 261,91 272,70 ± 179,03 339,42 ± 314,77 240,21 ± 242,59 6,27E+09 ± 8,46E+09 6,70E+09 ± 1,05E+10 9,34E+09 ± 1,64E+10 1,53E+10 ± 1,50E+10 1,15E+10 ± 9,13E+09 1,36E+10 ± 8,78E+09 9,12E+09 ± 7,16E+09 1,00E+10 ± 6,36E+09 1,23E+10 ± 9,18E+09 1,36E+10 ± 9,64E+09 A concentração do número de organismos em cada lagoa (médias dos pontos de coleta no interior das lagoas), em relação aos meses de observação, é apresentada na Figura 3. Figura 3. Concentração média de algas (ind/ml) nas lagoas facultativas ao longo dos meses de estudo. 5,00E+10 LF LF1 LF2 LF3 LF4 4,50E+10 4,00E+10 3,50E+10 (ind/ml) 3,00E+10 2,50E+10 2,00E+10 1,50E+10 1,00E+10 5,00E+09 0,00E+00 out nov dez jan fev mar abr mai jun Em média, as lagoas facultativas em escala piloto (LF1, 2, 3 e 4) apresentaram concentrações de algas superiores àquela da lagoa facultativa com aeração (LF), uma vez que esta última funciona parcialmente como facultativa, sofrendo influência do regime de aeração noturna. Nas lagoas piloto, nos meses mais quentes e ensolarados (novembro a abril), as concentrações foram maiores que nos meses de menor insolação (maio, junho e outubro), com máximas em janeiro e fevereiro. Variações sazonais das concentrações de indivíduos, com máximas nos meses mais ensolarados, também foram encontradas nos estudos de Oswald (1988) e Zulkifli (1992), entre outros. Quanto à clorofila a, o ponto P3 (Tabela 3) caracteriza o afluente das lagoas piloto (saída da lagoa anaeróbia), sua presença nesta lagoa deve-se à ocorrência de algas no canal de transporte desse afluente. A LF3 apresentou a maior concentração (pontos P7 e P8) e a LF, em escala real, menor concentração (pontos P1 e ABES - Associação Brasileira de Engenharia Sanitária e Ambiental 6

7 P2); sabe-se que a diminuição da concentração de clorofila a está relacionada principalmente à carga orgânica, e consequentemente ao aumento de turbidez e de amônia. Os valores encontrados são próximos aos obtidos por Sambuco et al. (2002) (média de 506 µg/l de clorofila a) em uma lagoa facultativa com alimentação escalonada (step-fed), e àqueles relatados por Mara e Pearson (1986) para lagoas facultativas com cargas entre 100 e 200kg DBO 5 /ha.dia (média de 1000 µg/l de clorofila a ). A Figura 4 apresenta a concentração de clorofila a nas lagoas durante o período de monitoramento. Observase que as variações sazonais para a clorofila a (Figura 4) foram menores que aquelas obtidas nas concentrações de indivíduos (Figura 3). Figura 4. Concentração de clorofila a (µg/l) nas lagoas facultativas ao longo dos meses de estudo LF LF1 LF2 LF3 LF concentração(u /L) out nov dez jan fev mar abr mai jun As lagoas piloto, nos meses de maio e junho, tiveram as menores concentrações de clorofila a (Figura 4). Ressalta-se que a lagoa piloto LF1, sem chicanas, apresentou concentrações de algas e clorofila a similares às lagoas com chicanas. A lagoa em escala real apresentou baixa concentração no mês de dezembro, quando a ocorrência de indivíduos (Figura 3) também foi próxima de zero, isto pode ser explicado pelo aparecimento do zooplâncton, como relatado por Canovas et al. (1996), algumas vezes a biomassa zooplanctônica (metazoários) é maior nos períodos de primavera/verão, e no outono/inverno (ciliados), essa biomassa se alimenta das algas, reduzindo a níveis mínimos o número de indivíduos e a concentração de clorofila a. CONCLUSÕES Os resultados obtidos neste trabalho permitem concluir que: As Cloroficeas foi o grupo que apresentou a maior riqueza de espécies e a espécie Chlorella vulgaris a mais abundante, espécie normalmente encontrada em lagoas de estabilização. O número de indivíduos sofreu influência da sazonalidade. As concentrações de clorofila a e a identificação e quantificação de algas mostram que as lagoas funcionaram como lagoas facultativas, embora o meio líquido estivesse com baixos valores de ph e concentrações de OD, resultando em remoção de nutrientes inferior à esperada. Não obstante, trata-se de dejetos suínos, cujas concentrações de nutrientes são extremamente elevadas. Os resultados obtidos contribuem, portanto com subsídios para uma reflexão sobre o funcionamento de lagoas facultativas no tratamento desse tipo de despejo, revendo a utilização de variáveis climáticas e operacionais (cargas aplicadas) como base para o dimensionamento. ABES - Associação Brasileira de Engenharia Sanitária e Ambiental 7

8 REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS 1. APHA (1995) Standard Methods for the Examination of Water and Wastewater. 19 Ed., Washington D.C. 2. Canovas, S., Picot, B., Casellas, C., Zulkifli, H., Dubois, A. and Bontoux, J. (1996) Seasonal development of phytoplankton and zooplankton in a high-rate algal pond. Water Science & Technology, v.33, n.07, p Costa, R.H.R., Medri, W. and Perdomo, C.C. (2000) High-rate pond for treatment of piggery wastes. Water Science & Technology, v.42, n.10-11, p Estrada, V. E. E., Hernández, D. E. A. (2000) Tratamiento de efluentes porcicolas en lagunas de estabilización. In: XXVII Congresso Interamericano de Engenharia Sanitária e Ambiental. ABES, Porto Alegre, Rio Grande do Sul, Brasil. 5. König, A. (2000) Biologia de las lagunas de estabilización: algas. In: Sistemas de lagunas de estabilización: como utilizar aguas residuales tratadas en sistemas de regadío. Mendonça, S. R. (Coord.), Colombia: McGraw Hill Interamericana, S.A. 6. Medri, W. (1997) Modelagem e otimização de sistemas de lagoas facultativas para o tratamento de dejetos de suínos. Florianópolis. UFSC. Tese de Doutorado. 7. Picot, B., Moersidik, S., Casellas, C. and Bontoux, J. (1993) Using diurnal variations in a high rate algal pond for management pattern. Water Science & Technology, v.28, n. 10, p Sevrin-Reyssac, J., La Noüe, J. e Proulx, D. (1995) Le Recyclage du Lisier de Porc Par Lagunage. Technique & Documentation Lavoisier, Paris.118p. 9. Sambuco, J. P., Costa, R.H.R., Paing, J. and Picot, B. (2002) Influence of loading distribution and recycling in step-fed facultative ponds with recirculation. Water Science & Technology, v.45, n.01, p Zanotelli, C.T., Medri, W., Belli Filho, P., Perdomo, C.C., Mulinari, M.R. and Costa, R.H.R. (2002) The performance of a facultative pond with baffles in the treatment of swine wastes. Water Science & Technology, v.45, n.01, p ABES - Associação Brasileira de Engenharia Sanitária e Ambiental 8