II AVALIAÇÃO DA REMOÇÃO DO NITROGÊNIO AMONIACAL EM UMA SÉRIE DE LAGOAS DE ESTABILIZAÇÃO NO NORDESTE DO BRASIL

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1 II AVALIAÇÃO DA REMOÇÃO DO NITROGÊNIO AMONIACAL EM UMA SÉRIE DE LAGOAS DE ESTABILIZAÇÃO NO NORDESTE DO BRASIL Renata Carolina Pifer Abujamra (1) Engenheira Agrônoma pela Universidade Federal do Paraná, Mestre em Engenharia Sanitária pela Universidade Federal do Rio Grande do Norte, Bolsista (DTI/CNPq) do PROSAB/RN - Programa de Pesquisa em Saneamento Básico. Maria del Pilar Durante Ingunza Geologa pela Universidade Complutense de Madri/Espanha. Mestre em Avaliação de Impactos Ambientais pela Universidade Politécnica de Madri/ Espanha. Doutora em Engenharia Sanitária e Ambiental pela Universidade Politécnica de Madri/ Espanha. Professora da Universidade Federal do Rio Grande do Norte Centro de Tecnologia/RN. Luiz Pereira de Brito Engenheiro Civil pela Universidade Federal do Rio Grande do Norte. Mestre em Engenharia Química pela Universidade Federal da Paraíba. Doutor com Pós Doutorado em Engenharia Sanitária e Ambiental pela Universidade Politécnica de Madrid. Professor Adjunto IV da UFRN/Programa de Pós-graduação em Recursos Hídricos e Saneamento Ambiental. Endereço (1) : Av. praia de Tibau, 2169 Ponta Negra Natal/RN - cep: Tel (84) (84) / Fax: (84) abujamra_renata@interjato.com.br RESUMO O tratamento de esgotos por Lagoas de Estabilização apresenta baixo custo de implantação e grande facilidade operacional, tornando-se assim bastante atrativo na concepção de uma estação de tratamento de águas residuárias, mesmo quando comparado a outros processos mais modernos de tratamento. Em países de clima tropical e onde a disponibilidade de área não é fator limitante esta preferência é ainda maior. Apesar de produzirem efluentes com excelentes condições sanitárias e satisfatórias remoção de matéria orgânica, entretanto, as lagoas de estabilização, não são eficientes na redução do nitrogênio contido nos esgotos, os quais causam sérios danos quando lançados em corpos d água. O presente trabalho tem como objetivo avaliar, em escala real, o comportamento e a remoção de nitrogênio amoniacal em uma série de lagoas de estabilização, em escala real no nordeste do Brasil. Para realização da pesquisa foram acompanhados os teores de nitrogênio amoniacal, nitrato, ph, oxigênio dissolvido, temperatura, sólidos suspensos e clorofila a, durante um período de 4 meses, em amostras de esgoto bruto, efluente da lagoa facultativa, efluente da lagoa de maturação 1 e efluente da lagoa de maturação 2 (efluente final). Este estudo faz parte de um programa de monitoração completa da ETE de Ponta Negra (Natal/RN) e envolve o estudo da remoção de carga orgânica, microorganismos, ciclo de nutrientes e viabilidade de reuso do efluente final. Os resultados obtidos mostraram que a eficiência média global da remoção de amônia foi de 91,11%, acontecendo principalmente na lagoa facultativa, apresentando pequenas alterações nas lagoas de maturação I e maturação II. Indicam ainda que o principal mecanismo de remoção foi a assimilação pela algas. PALAVRAS-CHAVE: Lagoas de estabilização, Remoção de amônia, ETE Ponta Negra. INTRODUÇÃO A necessidade de preservar os recursos hídricos impulsionou o desenvolvimento de diversos processos de tratamento de esgotos para minimizar os efeitos adversos ocasionados no ambiente. Atualmente, no Brasil, várias técnicas de tratamento de esgotos vêm sendo aplicadas: fossas sépticas, lagoas de estabilização, lagoas aeradas, filtro biológico, lodos ativados, reator anaeróbio de manto de lodo, sistema de tanque séptico seguido de filtro anaeróbio com leito de pedras e disposição controlada no solo. Contudo, as lagoas de estabilização são atualmente a opção mais simples dos sistemas de tratamento de esgotos. O tratamento de esgotos por Lagoas de Estabilização apresenta baixo custo de implantação e grande facilidade operacional, tornando-se assim bastante atrativo na concepção de uma estação de tratamento de águas ABES - Associação Brasileira de Engenharia Sanitária e Ambiental 1

2 residuárias, mesmo quando comparado a outros processos mais modernos de tratamento. Em países de clima tropical e onde a disponibilidade de área não é fator limitante esta preferência é ainda maior. Na cidade de Natal/RN, de acordo com a Companhia de Águas e Esgotos do Rio Grande do Norte (CAERN) (2001), o problema do esgotamento sanitário da pode ser representado na visão de três temáticas distintas: falta de atendimento à população por serviço público de coleta e disposição de esgotos; contaminação do Rio Potengi e das praias; contaminação dos recursos de água potável por nitrogênio. A contaminação por nitrogênio acarreta eutrofização dos corpos aquáticos, resultando na deterioração da qualidade da água, pelo crescimento de algas e plantas aquáticas. Além de resultar numa aparência desagradável, a presença de algas e plantas aquáticas podem interferir nos usos dos recursos hídricos, especialmente quando estes são empregados para abastecimento público. Por ser predominante nas águas residuárias, e pelas implicações ambientais, a amônia é a forma de nitrogênio mais investigada. Na água residuária bruta, o nitrogênio amoniacal se encontra na forma de íon amônio (NH 4 + ) como na forma livre não ionizada (NH 3 ) e sua distribuição relativa está relacionada com o ph e com a temperatura. As lagoas de estabilização produzem efluentes com excelentes condições sanitárias e satisfatória remoção de matéria orgânica, entretanto, não são eficientes na redução do nitrogênio contido nos esgotos, os quais causam sérios danos quando lançados em corpos d água. O presente trabalho teve como objetivo avaliar o comportamento e a remoção de nitrogênio amoniacal em uma série de lagoas de estabilização, em escala real no nordeste do Brasil. MATERIAIS E MÉTODOS O estudo foi desenvolvido na Estação de Tratamento de Esgotos de Ponta Negra/Natal-RN. De um modo geral, o Sistema de Esgotamento Sanitário (SES) de Ponta Negra compreende uma rede coletora, estações elevatórias de linha, tratamentos preliminares, e um sistema conjugado de lagoas para estabilização e calhas de infiltração dos rejeitos coletados. O sistema de coleta está dividido em três sub-bacias de drenagem, incluindo tanto zonas de alta e de baixa densidade populacional, que posteriormente é unificado em um único conduto e destinado para as lagoas. Ao todo são m de rede coletora, 7 estações elevatórias e m de emissário de recalque. Após a coleta, os esgotos passam por um tratamento preliminar (gradeamento e caixas de areia). O Quadro 1 apresenta as características físicas e operacionais das unidades de tratamento preliminar. QUADRO 1: Características Físicas e Operacionais das Unidades de Tratamento Preliminar GRADE CAIXA DE AREIA CALHA PARSHALL Características Dimensões Características Dimensões Características Dimensões Seção das 10 x 40 mm Intervalo de limpeza 15 dias Largura da garganta 9,0 barras Espaçamento 25 mm Lâmina máxima 0,26 m Hmin lâmina d água 0,14 m Inclinação 45º Larg. canal caixa areia 1,31 m Hmáx lâmina d água 0,41 m Comp. Do canal 0,66 m Comp. cx areia 8,44 m Rebaix. garganta 0,07 m Largura real 0,97 m Prof de acumulação 0,25 m - - Nº de barras 27 barras Fonte: ENGESOFT (1998). Após o tratamento preliminar os rejeitos líquidos são enviados por gravidade para as lagoas de estabilização sendo uma lagoa facultativa (LF) seguidas de duas lagoas de maturação (LM1 e LM2). As três unidades, definidas tecnicamente nos Quadros 2 e 3 e na Figura 1. ABES - Associação Brasileira de Engenharia Sanitária e Ambiental 2

3 QUADRO 2: Características Físicas do Sistema de Lagoas de Ponta Negra REATOR Volume (m 3 ) Área (m 3 ) Dimensões (m) Comprimento Largura Profundidade Lagoa Facultativa ,00 Lagoa de Maturação I ,67 1,50 Lagoa de Maturação II ,67 1,50 QUADRO 3: Características Operacionais do Sistema de Lagoas de Ponta Negra REATOR Vazão * (m 3 /dia ) Tempo de Detenção Hidráulica (dias) Carga Orgânica Superficial (kgdbo 5 /ha.dia) Lagoa Facultativa ,5 180 Lagoa de Maturação I Lagoa de Maturação II Total - 55,5 - * A vazão medida diariamente através de um medidor ultra-sônico, composto por um transmissor e um indicador de nível por ultrassom, de fabricação PROSONIC. Calhas de Infiltração EM2 EF Tratamento Preliminar EM1 Legenda: EB = Ponto de coleta do Esgoto bruto EF = Ponto de coleta - Efluente da lagoa facultativa EM1 = Ponto de coleta Efluente da lagoa de maturação 1 EM2 = Ponto de coleta Efluente da lagoa de maturação 2 FIGURA 1 Representação Esquemática do Sistema de Lagoas de Estabilização de Ponta Negra Natal/RN EB No período em que foram realizadas as coletas a Estação de Tratamento de Esgotos de Ponta Negra atendia aproximadamente 3082 economias, sendo, portanto atendidos uma média de habitantes. Num primeiro momento se procedeu a um monitoramento de rotina. As coletas foram realizadas semanalmente, em dia pré-determinado (quarta-feira), no período da manhã, entre 8 e 10 horas, durante um período de 20 semanas, compreendidas entre os dias 26/04/02 à 02/09/02. ABES - Associação Brasileira de Engenharia Sanitária e Ambiental 3

4 As amostras foram coletadas em quatro (04) pontos distintos a saber: Esgoto bruto (EB) Efluente da lagoa facultativa (EF) Efluente da lagoa de maturação I (EM1) Efluente da lagoa de maturação II (EM2) (efluente final). Os pontos de coleta podem ser visualizados na Figura 1. Os parâmetros parâmetros avalidos foram: ph, temperatura (T), oxigênio dissolvido (OD), clorofila a (Cla), sólidos suspensos (SS), nitrogênio amoniacal e nitrato. As análises foram realizadas conforme as determinações do Standard Methods for the Examination of Water and Wastewater (1995). Depois de realizadas as análises dos parâmetros, os dados foram submetidos a um tratamento estatístico. A estatística básica teve por função descrever os dados obtidos. Para isso foram calculados os valores médios, máximos e mínimos - para definir a taxa de variação, utilizando o programa computacional MICROSOFT EXCELL FOR WINDOWS (versão , 2000). Para melhor visualização dos dados foram ainda obtidos gráficos da variação temporal de todos os parâmetros ao longo da pesquisa, através do mesmo programa. Por último, através do programa computacional STATISTICA FOR WINDOWS (versão 4.3, Copyright Stal Soft, Inc. 1993) foram obtidos gráficos Box & Whisker, usados para visualização da tendência central e variabilidade de algumas variáveis analisadas. RESULTADOS E DISCUSSÕES A fim de se interpretar melhor os dados obtidos, foi aplicado um tratamento estatístico nos dados brutos de cada variável. Foram calculados os valores médios e a faixa de variação (valores máximos e mínimos). O esgoto bruto foi caracterizado com base nas médias dos resultados das análises das amostras semanais. Os principais resultados da estatística básica, para todos os pontos podem ser observados na Tabela 1. TABELA 1 - Estatística Básica dos Parâmetros Analisados: Variáveis Unidade Parâmetros Estatístico EB EF EM1 EM2 Temperatura C 29,2 23,8 31,5 27,8 25,3 29,5 27,7 23,6 30,2 27,9 25,7 31,5 ph - Oxigênio Dissolvido Nitrogênio Amoniacal mg O 2 /l mg N/l Nitrato mg N/l Sólidos Suspensos Totais mg/l Clorofila a μg/l 7,46 6,57 8,21 0,3 0,1 0,8 39,60 21,50 51,71 0,20 0,00 0, ND ND ND 7,36 6,85 7,90 4,0 2,8 5,4 8,01 3,92 16,94 0,30 0,20 0, ,76 533, ,60 7,28 6,69 7,99 4,4 2,3 5,8 4,59 1,12 7,62 0,40 0,20 0, ,63 279, ,10 7,19 6,16 7,88 3,3 1,8 4,7 3,52 1,57 8,18 0,30 0,10 0, ,70 176, ,80 Legenda: EB = Esgoto bruto; EF = Efluente lagoa facultativa; EM1 = Efluente lagoa de maturação I; EM2 = Efluente lagoa maturação II; N = número de dados amostrais; ND = Não Determinado. Segundo dados da CAERN, a concentração média de DBO 5 e de DQO no período da pesquisa foi de 283 mg/l e 551 mg/l respectivamente, correspondendo a um esgoto de concentração média, segundo Jordão & Pessoa (1995). A carga orgânica superficial média, calculada a partir da DBO média, foi de 180 kgdbo/ha.dia. Os valores médios de concentração do nitrogênio amoniacal indicam uma remoção de 91,11% em todo o sistema de tratamento, sendo de aproximadamente 87% na lagoa facultativa, 9,48% na lagoa de maturação I e ABES - Associação Brasileira de Engenharia Sanitária e Ambiental 4

5 de 2,97% na lagoa de maturação II. Segundo Souza (1988), a amonificação ocorre a partir da degradação biológica do nitrogênio orgânico que nos esgotos domésticos, é oriundo principalmente das fezes e urina humana. A decomposição ocorre pela ação enzimática de bactérias heterotróficas em condições anaeróbias e aeróbias, em uma larga faixa de ph e temperatura. A degradação do nitrogênio orgânico ocorre tanto em lagoas anaeróbias como em lagoas facultativas, porém em menor proporção nas lagoas de maturação. Como os processos de remoção de amônia se iniciam logo após a amonificação era de se esperar que a maior remoção ocorresse na primeira lagoa. REMOÇÃO DA AMÔNIA % 9,48% 2,97% REMOÇÃO TOTAL 91,11% 87,48% EF EM10 EM2 Figura 2 - % Remoção N amoniacal Os principais mecanismos envolvidos na remoção do nitrogênio em lagoas de estabilização são (VON SPERLING, 1996): Volatilização da amônia para atmosfera; Assimilação do nitrogênio amoniacal pela biomassa de algas; Nitrificação e desnitrificação biológica. Brockett (1977), Silva (1982) e Reed (1985), citados por Silva (1994) reconhecem ainda o processo de sedimentação como outro importante mecanismo de remoção de nutrientes, principalmente em lagoas anaeróbias e facultativas primárias. Na água residual bruta, o nitrogênio amoniacal se encontra na forma de íon amônio (NH 4 + ) como na forma livre não ionizada (NH 3 ) e o seu equilíbrio em ambientes aquáticos, é estabelecido através da relação da temperatura com o ph. Com uma temperatura constante (25ºC), com o aumento do ph, o nitrogênio amoniacal passa para a forma de amônia (NH 3 ), possibilitando assim, a sua volatilização para atmosfera. As médias de ph obtidas para o EB, EF, EM1 e EM2 foram 7,46, 7,36, 7,99 e 7,88, respectivamente, mantendo-se portanto, praticamente constante, indicando pouca influência no processo de remoção de amônia por volatilização. A remoção de nitrogênio por meio da assimilação de microrganismos se dá pelo fato destes microrganismos absorverem o material nitrogenado que passa a constituir o material celular. Com a morte destes microrganismos ocorre a sedimentação dos mesmos e a degradação pela atividade bacteriana no fundo da lagoa, ou ainda pela sua saída juntamente com o efluente final. Rohlich (1969); Adams et al. (1971); James (1986); Orth e Sapkota (1988) citados por Silva (1994), salientam que a biomassa presente em efluentes de lagoas é apontada como fator de limitação da eficiência deste mecanismo uma vez que os nutrientes que compõe a estrutura celular das algas continuam presentes nos efluentes. Como pode ser verificada na Figura 3, a maior remoção de nitrogênio amoniacal foi acompanhada pela maior concentração de clorofila a (biomassa de algas), na lagoa facultativa (LF), onde a concentração média de nitrogênio amoniacal de 39,6 mg N/l no esgoto bruto (EB) reduziu para 8,01 mg N/l. Em seguida reduziu para 4,59 mg N/l e 3,52 mg N/l nas lagoas de maturação I e II (LM1 e LM2) respectivamente, onde a concentração de clorofila a permaneceu praticamente constante o que sugere que a remoção amônia foi mais expressiva por meio da assimilação da biomassa de algas. Essa premissa pôde ser comprovada pela análise de correlação, ABES - Associação Brasileira de Engenharia Sanitária e Ambiental 5

6 onde foi obtido uma Equação de regressão de y = 303,97x + 59,198 e um Coeficiente de Correlação de R 2 = 0,9793. Remoção de Nitrogenio Amoniacal vs ph e Clorofila a ph EF EM1 EM Clorofila a (mg/l) ph Remoção N amoniacal Clor Figura 3 - Remoção N amoniacal vs ph e Concentração de Clorofila a O mecanismo de remoção de nitrogênio baseado no processo biológico de nitrificação e desnitrificação não atua consideravelmente em lagoas de estabilização (PANO & MIDDLEBROOKS, 1982 apud ATHAYDE JUNIOR, 2000). Adams et al. (1971); Brocket (1973); Stone et al. (1975); Mara e Pearson (1986); Abeliovich (1987); Alabaster e Mills (1989); Mara et al. (1992) e Abeliovich e Vonshark (1993) citados por Reis (1995), relatam que a desprezível nitrificação encontrada em lagoas de estabilização tem origem nas baixas concentrações de bactérias nitrificantes insuficientes para oxidar a amônia na pequena zona aeróbia existente nas lagoas, bem como nas alterações ambientais representadas pelo ciclo de aerobiose e anaerobiose verificado nas lagoas nos períodos diurno e noturno respectivamente e a falta de suporte para fixação das bactérias nitrificantes. Silva (1994), relata que a nitrificação somente é adequada a lagoas de estabilização desde que haja uma zona aeróbia favorável ao desenvolvimento deste processo. Segundo Van Haandel (1990) citado por Reis (1995) a remoção biológica de nitrogênio pelo processo de nitrificação e desnitrificação só é possível com a presença de nitratos (nitrificação). Uma vez que a nitrificação ocorre em proporções relativamente baixas, a desnitrificação é de pouca significância. As baixas concentrações de oxigênio dissolvido bem como de nitrato presentes observadas indicam que o mecanismo da nitrificação e desnitrificação não foi provavelmente o mais atuantena remoção de nitrogênio amoniacal no sistema de lagoas estudado. É importante ressaltar que, embora a assimilação pela biomassa de algas tenha sido considerada aqui como o principal mecanismo de remoção de nitrogênio na série de lagoas estudada, todos os processos atuam simultaneamente, proporcionando assim a percentagem final de remoção de nitrogênio. CONCLUSÕES A partir da análise dos resultados obtidos durante o monitoramento do Sistema de Tratamento de Esgotos de Ponta Negra, este trabalho permitiu constatar que: A remoção de nitrogênio amoniacal aconteceu principalmente na lagoa facultativa, apresentando pequenas alterações nas lagoas de maturação I e maturação II. As altas concentrações de clorofila a sugerem que a remoção amônia foi mais expressiva por meio da assimilação da biomassa de algas. Os baixos valores médios de ph verificados nas três lagoas indicam uma inibição da remoção da amônia presente na massa líquida, através do mecanismo da volatilização para atmosfera a partir da dissociação ABES - Associação Brasileira de Engenharia Sanitária e Ambiental 6

7 iônica, bem como as baixas concentrações de oxigênio dissolvido e nitrato inferem uma inibição do mecanismo de remoção de amônia pelo processo de nitrificação. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS 1. ABUJAMRA, R.C.P. Avaliação da Eficiência na Remoção de Nitrogênio do Sistema de Tratamento de Esgotos de Ponta Negra Natal/RN. Dissertação de Mestrado. Universidade Federal do Rio Grande do Norte, Programa de Pós-graduação em Engenharia Sanitária. Área de Concentração: Recursos Hídricos e Saneamento Ambiental. Natal RN, Brasil. 2. APHA ; AWW ; WPCF. Stardard Methods for the Examination of Water and Wastewater. Washington-DC (EUA), American Public Health Association, American Water Works and Water Pollution Control Federation ATHAYDE JUNIOR, G. B.; LEITE, V. D.; ARAÚJO, H. W. C. de.; SILVA, J. B. P. da.; SANTOS, V. D. dos.; SOUZA, J. T. de; SILVA, W. R. da. ESTUDO DE ESPÉCIES DE FÓSFORO E NITROGÊNIO EM LAGOAS DE ESTABILIZAÇÃO. In: XXVII Congreso Interamericano de Ingenieria Sanitaria y Ambiental. Anais..., Porto Alegre: ABES, 2000, p COMPANHIA DE ÁGUAS E ESGOTOS DO RIO GRANDE DO NORTE CAERN Diretoria de Projetos e Obras. Estudo preliminar para implantação do sistema de esgotamento sanitário de Natal. Natal/RN: 2001, 15p. 5. ENGESOFT Engenharia e Consultoria Ltda. Projeto Executivo de Esgotamento Sanitário da Praia de Ponta Negra e Via Costeira Relatório Geral. Vol. 1, Fortaleza: JORDÃO, E. P. & PESSOA, C.A. TRATAMENTO DE ESGOTOS DOMÉSTICOS. 3ª ed. Rio de Janeiro: ABES, p. 7. REIS, R. N. N. ESTUDO DA REMOÇÃO DE NITROGENIO AMONIACAL EM UMA SÉRIE LONGA DE LAGOAS DE ESTABILIZAÇÃO TRATANDO ESGOTOS DOMÉSTICOS EM REGIÕES DE CLIMA TROPICAL. Campina Grande: UFPB, p. Dissertação (Mestrado) Departamento de Engenharia Civil, Universidade Federal da Paraíba, Campina Grande, SILVA, F. J. A. da. ESTUDO DO CICLO DO NITROGÊNIO EM LAGOAS DE ESTABILIZAÇÃO TRATANDO ESGOTOS DOMÉSTICOS NO NORDESTE DO BRASIL. Campina Grande: UFPB, p. Dissertação (Mestrado) Departamento de Engenharia Civil, Universidade Federal da Paraíba, Campina Grande, SOUZA, M. F. N. de. Estudo da Influência do Tempo de Detenção no Comportamento de Nutrientes ao Longo de uma Série de Lagoas de Estabilização Lagoas Profundas. Campina Grande: UFPB, p. Dissertação (Mestrado) Departamento de Engenharia Civil, Universidade Federal da Paraíba, Campina Grande, VON SPERLING, M. (1.996) PRINCÍPIOS DO TRATAMENTO BIOLÓGICO DE ÁGUAS RESIDUÁRIAS - Lagoas de estabilização. 1ªed. Belo Horizonte: Departamento de Engenharia Sanitária e Ambiental (DESA), Universidade Federal de Minas Gerais (UFMG), Vol. 3, p. ABES - Associação Brasileira de Engenharia Sanitária e Ambiental 7