POLIMENTO DE EFLUENTES DE LAGOAS DE ESTABILIZAÇÃO UTILIZANDO Eichhornia crassipes (AGUAPÉS) EM ESCALA REAL

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1 POLIMENTO DE EFLUENTES DE LAGOAS DE ESTABILIZAÇÃO UTILIZANDO Eichhornia crassipes (AGUAPÉS) EM ESCALA REAL Klaus Dieter Neder (*) Especialista em Engenharia Sanitária pela Universidade de Aachen na Alemanha. Engenheiro Civil pela Universidade de Brasília-UnB. Superintendente de Expansão do Sistema de Esgotos da Companhia de Saneamento do Distrito Federal CAESB. Tarcísio dos Reis Queiroz Mestre em Tecnologia Ambiental e Recursos Hídricos pela Universidade de Brasília-UnB. Engenheiro civil pela Universidade Federal de Ouro Preto - UFOP/MG. Coordenador de Expansão do Sistema de Esgotos da Companhia de Saneamento do Distrito Federal - CAESB. Vice-Presidente da ABES/DF. Adalete Figueiredo Machado Especialista em Engenharia Sanitária pela Universidade Federal de Minas Gerais-UFMG. Engenheira Química pela Universidade Federal de Minas Gerais-UFMG. Coordenadora Operacional Centro Norte da Companhia de Saneamento do Distrito Federal CAESB. Maurício Leite Luduvice PhD em Engenharia pela University of Newcastle Inglaterra (1992), MSc em Engenharia Ambiental pela mesma universidade (1988), Engenheiro Químico pela Universidade Federal de Sergipe (1982). Possui diversos cursos sobre tratamento de efluentes domésticos, industriais e água para abastecimento público. Atualmente é engenheiro da Diretoria de Sistemas de Esgotos da Companhia de Saneamento do Distrito Federal - CAESB. Marco Antonio Almeida de Souza PhD pela Universidade de Birmingham na Inglaterra. Mestre em Hidráulica e Saneamento pela Escola de Engenharia de São Carlos da Universidade de São Paulo - EESC/USP. Engenheiro Químico pela Universidade Federal do Paraná UFPr. Professor Adjunto da Universidade de Brasília, junto aos cursos de graduação em Engenharia Civil e de Mestrado em Tecnologia Ambiental e Recursos Hídricos (UnB). Endereço (*): Setor Comercial Sul - SCS Quadra 04 Conjunto A Número 67/97 Edifício CAESB CEP Brasília DF Brasil Tel.: + 55(61) Fax: +55(61) kneder@wom.com.br RESUMO A presença de algas nos efluentes de lagoas de estabilização tem levado à busca de processos de polimento que permitam sua remoção, sem que seja necessária a mecanização excessiva do processo, de forma a manter as características de simplicidade e facilidade operacional que torna as lagoas atrativas como solução de tratamento de esgotos. A Caesb em Brasília tem efetuado pesquisas na busca de processos naturais de polimento de efluentes de lagoas de estabilização, tendo concluído pela utilização do Aguapé Eichhornia Crassipes como uma das alternativas mais atraentes para este fim (Neder et al., 2001). Tradicionalmente a utilização de aguapés no tratamento de esgotos tem esbarrado na dificuldade de sua remoção dos tanques em que são cultivados, motivo pelo qual a Caesb optou por testar uma modalidade em que não se efetua a sua retirada, permitindo que o mesmo passe por todos os ciclos de seu desenvolvimento, chegando mesmo a sua morte e renascimento. No modelo proposto a retirada dos aguapés somente se daria por ocasião de uma significativa perda de qualidade do efluente, mediante o esvaziamento da lagoa e retirada da biomassa por meios convencionais, após sua secagem natural. O presente trabalho apresenta os resultados da utilização, em escala real, de uma célula com aguapés como unidade de polimento de uma lagoa de alta taxa, com o objetivo de avaliar a remoção das algas do efluente, medida como sólidos em suspensão, bem como os efeitos resultantes nos parâmetros DBO, TKN e SS. Os resultados de 10 meses de operação da unidade indicaram que é possível utilizar o aguapé como polimento de lagoas, sem que seja necessária sua constante retirada do processo. Neste período, utilizando uma taxa de aplicação de 0,013 m 3 /m 2.dia, as eficiência obtida foram de 56,92%, 64,23%, 1,25% e 8,64%, respectivamente, para SS, DBO 5, NTK e Pt. 1

2 O processo de plantas aquáticas flutuantes, em escala real, mostrou-se, como em escala piloto, bastante eficiente na remoção de SS e DBO 5, não tendo apresentado desempenho elevado em relação à remoção de NTK e Pt. Palavras-Chave: Polimento de efluentes, Efluentes de lagoas, Lagoas de estabilização, Polimento com aguapés, Polimento com Eichhornia crassipes. INTRODUÇÃO O Distrito Federal (Brasil) possui seis unidades de tratamento de esgotos domésticos utilizando o processo de lagoas de estabilização, que atendem atualmente a uma população da ordem de habitantes. Estas unidades apresentam grande quantidade de algas em seu efluente, causando grande impacto visual nos corpos receptores em que são lançados, dando uma coloração esverdeada aos mesmos. Das lagoas em operação, três dispõe de sistemas de disposição no solo como unidades de polimento de efluentes, implantadas como uma tentativa de melhorar a qualidade do efluente destas unidades. Como os resultados alcaçados não foram muito expressivos, com remoções da ordem de 50% dos sólidos afluentes, a Caesb desenvolveu um processo de pesquisa, com apoio da Fundação de Apoio a Pesquisa do Distrito Federal, visando o desenvolvimento de um processo de tratamento de efluentes de lagoas, que atendesse às características citadas, foram avaliados em escala piloto, na Etapa I, 05 (cinco) processos naturais de tratamento, escolhidos entre os que têm se mostrado especialmente promissores na capacidade de remoção de SS. Os processos avaliados foram filtro intermitente de areia, filtro de pedra, escoamento superficial (aplicação no solo), terras alagadas construídas de fluxo subsuperficial (cultivadas com Typha sp.) e plantas aquáticas flutuantes (cultivadas com Eichhornia crassipes) (Queiroz, 2001). Os processos que se mostraram mais promissores, em escala piloto, foram o filtro de pedra e as plantas aquáticas flutuantes (cultivadas com Eichhornia crassipes) (Queiroz, 2001). Numa Etapa II, em face aos resultados obtidos em escala piloto, passou-se a avaliar, em escala real, o processo de plantas aquáticas flutuantes (cultivadas com Eichhornia crassipes), que apresentou a melhor avaliação técnico operacional dos processos testados. A utilização de aguapés como polimento de lagoas já foi objeto de vários experimentos anteriores, sempre apresentando como uma das principais dificuldades do processo, a questão da remoção das plantas dos tanques utilizados. A preocupação da remoção das plantas sempre se baseou no principio de procurar manter as mesmas em sua fase de crescimento, de forma a maximizar o potencial de absorção dos poluentes presentes nos efluentes. Como o emprego de lagoas se dá geralmente em áreas que não possuem exigências elevadas em termos de remoção de nutrientes, se procurou focar a pesquisa na remoção de sólidos em suspensão apenas, aceitando baixos níveis de remoção de nutrientes. Este enfoque sugere a possibilidade de manter a planta por mais tempo no processo, mesmo que por mais de uma geração, já que as plantas que morrem poderão vir a formar uma biomassa que vai atuar como um filtro às algas afluentes. Se objetiva verificar a possibilidade de formar um processo de tratamento que vai entrar em uma espécie de equilíbrio natural, formando com o tempo uma espécie de wetland que digere as plantas retidas e que morrem, incluindo aí as algas filtradas. Na avaliação se pretende evitar a necessidade de retirada das plantas. Este procedimento só se efetuaria quando se verificasse uma grande queda na qualidade do efluente. Para tanto se prevê o esvaziamento da célula de polimento, sua secagem natural e a retirada da massa restante por meios mecânicos convencionais. Este procedimento permite a secagem do aguapé na própria célula, dispensando sua retirada ainda com grandes volumes de água. A possibilidade de sua retirada com trator e caminhão também simplifica o processo, já que este tipo de equipamento encontra-se disponível na maioria das localidades onde existe uma lagoa de estabilização. O presente trabalho apresenta o resultado dos dez primeiros meses de operação da unidade de polimento com aguapés, sem que se tenha retirado qualquer planta durante este período. OBJETIVO DO TRABALHO O objetivo deste trabalho é o de estudar em escala real, o desempenho das plantas aquáticas flutuantes ( Eichhornia crassipes) no polimento de efluentes de lagoas de estabilização, sem promover a retirada das plantas do processo e comparar com o desempenho obtido em escala piloto, tendo como objetivo principal a avaliação da remoção dos Sólidos Suspensos do efluente, avaliando ainda as implicações desta remoção nos demais parâmetros de controle de efluentes. 2

3 METODOLOGIA EMPREGADA A pesquisa, na Etapa II, foi efetuada através de uma avaliação experimental em escala real, utilizando, para tal, a Estação de Tratamento de Esgotos da Cidade do Paranoá (ETE - Paranoá), que é operada pela CAESB Companhia de Saneamento do Distrito Federal. O projeto da ETE-Paranoá foi concebido de forma a possibilitar o tratamento do esgoto afluente a nível secundário, com a combinação de processos de tratamento que atendessem ao binômio eficiência e baixo custo de implantação e operação. A ETE Paranoá foi construída em 1997, para atender a uma população de projeto de 60 mil habitantes. Atualmente está recebendo uma vazão de m3/d, correspondendo a aproximadamente 30% da vazão de projeto, relativa a cerca de 75% da população de projeto, ou seja, aproximadamente 45 mil residentes daquela cidade (Luduvice et al., 2000). Os principais parâmetros de projeto da ETE-Paranoá são apresentados na Tabela 1, com os valores concebidos à época de projeto e os valores operacionais verificados atualmente. As eficiências globais de remoção e as principais características médias do afluente e efluente da ETE Paranoá, para o período de janeiro a dezembro de 2000, são mostradas na Tabela 2. Tabela 1- Principais parâmetros de projeto da ETE Paranoá (Luduvice et al., 2000; Neder e Harada, 1997). Parâmetro Unidade Valor de projeto Valor verificado na operação População contribuinte Hab , ,00 Per capita de DBO g/hab.dia 54,00 66,88 Per capita de esgoto l/hab.dia 120,00 66,00 Vazão média m 3 /d 8.752, ,00 Carga de DBO Kg/dia 3.240, ,00 Carga de SS Kg/dia 2.520, ,94 Tabela 2- Eficiências de remoção e as principais características médias do afluente e efluente da ETE Paranoá (Caesb, 2000a). Característica Afluente (mg/l) Efluente (mg/l) Remoção (%) DQO 1.825, SS 620, Pt 15,79 10,74 32 NTK 93,60 46,8 50 DBO 1.023, Os esgotos sanitários da cidade são coletados e encaminhados por gravidade a um tratamento preliminar mecanizado, onde são retirados o material grosseiro e areia. A primeira etapa do tratamento consiste de três reatores anaeróbios de fluxo ascendente (UASB), compartimentados, em paralelo. Já a segunda etapa de tratamento consiste de nove lagoas de alta taxa, sendo o efluente de cada reator dividido para um grupo de três lagoas em paralelo. Finalmente, na terceira etapa de tratamento os efluentes das lagoas de alta taxa são conduzidos para patamares de escoamento superficial no solo. Na Figura 1, é apresentado o fluxograma da ETE-Paranoá. 3

4 Figura 1- Fluxograma da ETE-Paranoá. Dos resultados alcançados na estação, cabe ressaltar a elevada eficiência dos reatores anaeróbios de fluxo ascendente, que durante o período da experiência, apresentaram uma eficiência da ordem de 90% em termos de remoção de DBO. Já na etapa seguinte de tratamento, através da utilização de lagoas rasas, denominadas de lagoas de alta taxa, a DBO teve uma ligeira alta, apesar da intensa coloração esverdeada do efluente e da boa remoção de nitrogênio verificada indicarem que as lagoas tinham bom funcionamento no período. A Figura 2 apresenta os resultados da DBO afluente à estação e efluente dos reatores anaeróbios (UASB) e lagoas de alta taxa (LAT) durante o período do experimento. Valores de DBO 2000 DBO (mg/l) DBO Afluente DBOefluenteUASB DBOefluenteLAT Análise Figura 2- Resultados de concentrações de DBO afluentes e efluentes no período do experimento. Para a realização da pesquisa foram necessárias algumas alterações no conjunto A de lagoas de alta taxa. O efluente do Reator UASB 1 passou a ser dividido para as lagoas de alta taxa A1 e A2, sendo os efluentes das duas, por sua vez, conduzidos à lagoa de alta taxa A3, a qual recebeu as plantas aquáticas flutuantes, passando ela, portanto, a ter a função de efetuar o polimento dos mesmos. 4

5 DESENVOLVIMENTO DO TRABALHO EXPERIMENTAL O desenvolvimento do trabalho de pesquisa na Etapa II, em larga escala, a exemplo da Etapa I, em escala piloto, iniciou-se quando a superfície da lagoa de alta taxa A3 estava totalmente ocupada pelas plantas aquáticas flutuantes, estendendo se de 27/09/2001 a 25/07/2002. Nessa etapa de experimentos, ao contrário da Etapa I, optouse por não efetuar a colheita rotineira das plantas aquáticas flutuantes, deixando para se efetuar a remoção das mesmas e do lodo de fundo, de forma mecanizada, ao final dos experimentos. A taxa de aplicação utilizada, de 0,013 m 3 /m 2.d, foi estabelecida levando-se em consideração a vazão total afluente à Estação de Tratamentode Esgotos do Paranoá ETE Paranoá, profundidades possíveis de operação das lagoas de alta taxa e o intervalo de taxas de aplicação utilizado na Etapa I em escala piloto, 0,024 m 3 /m 2.d a 0,096 m 3 /m 2.d. A altura de lâmina d água adotada, de 0,60m, foi o dobro da utilizada em escala piloto, porém atendeu a literatura, a qual recomenda menor que 0,90m. O tempo de detenção, de 4,8 d -1, também, por sua vez, atendeu a literatura, que recomenda menor que 6 d -1. Por outro lado, a carga orgânica aplicada, de 205,50 Kg/ha.d, foi bem superior ao recomendado, menor que 50 Kg/ha.d. MÉTODOS DE ANÁLISE E EQUIPAMENTOS Na Tabela 3 são apresentadas as características de qualidade da água analisadas em laboratório, bem como os métodos e equipamentos utilizados. Tabela 3- Métodos e equipamentos utilizados para as análises das características de qualidade da água. Característica Método/Equipamentos DBO Manométrico/Sistema respirométrico da HACH e incubadora SS Seco a ºC/Balança analítica, forno de secagem e bomba de vácuo NTK Macro Kjeldahl/Chapa de aquecimento, Balão Kjeldahl, aparelho para digestão Kjeldahl e aparelho para destilação de Kjeldahl Pt Cloreto estanoso/recipiente para digestão, autoclave e espectrofotômetro HACH, modelo DR-4000U RESULTADOS OBTIDOS Na Tabela 4, são apresentados os resultados de desempenho na Etapa II, em larga escala, no período de 27/09/2001 a 25/07/2002, em termos de DBO 5, SS, NTK e Pt, bem como as concentrações médias afluente e efluentes. Tabela 4: Resultados de desempenho e concentrações médias afluente e efluentes na Etapa II, em escala real. Característica Concentração afluente (mg/l) Concentração efluente (mg/l) Remoção (%) SS 182,00 76,00 58,14 DBO 5 202,54 76,57 62,19 NTK 56,92 56,21 1,25 Pt 11,00 10,05 8,64 As médias apresentadas na tabela 4 não retratam a influência que o ciclo de vida dos aguapés teve na qualidade do efluente. Na Figura 3 são apresentados os valores de Sólidos em suspensão afluente e efluente à unidade de polimento ao longo do período do experimento. Pode-se verificar uma acentuada melhora de qualidade do efluente na primeira fase de crescimento dos aguapés, que segue até o momento que os mesmos começam a morrer. Isto ocorre após cerca de 7 meses após iniciado o experimento. Depois de uma redução na eficiência, se nota uma melhora da mesma nos últimos meses do experimento, ocasião em que as plantas já apresentavam nova fase de crescimento. 5

6 SS efluente SS efluente ( mg/l) Análise Efluente LAT Efluente Polimento Figura 3- Resultados de desempenho e concentrações médias afluente e efluentes de SS ao longo do tempo. A Figura 4 apresenta as remoções obtidas no período para os parâmetros Sólidos em Suspensão e Fósforo. Pode-se verificar que a remoção de Sólidos é positiva durante todo o período e que a remoção de fósforo varia muito, apresentando mesmo períodos em que houve aumento na concentração de saída do conjunto. O gráfico demonstra que o processo, nas taxas de aplicação utilizadas não pode ser utilizado com o objetivo de remover fósforo do efluente. Remoções obtidas - % % de remoção 120,00 100,00 80,00 60,00 40,00 20,00 0,00-20,00-40, Análises Remoção de SS Remoção de PT Figura 4- Resultados de remoção verificada na célula com aguapés para os parâmetros sólidos em suspensão e fósforo total. CONCLUSÕES A não retirada das plantas durante o experimento resultou em dois períodos distintos de desempenho na remoção de Sólidos em suspensão, vinculados à condição de desenvolvimento das plantas. Nos três primeiros meses (setembro, outubro e novembro de 2001) as plantas apresentavam-se em fase de crescimento e, consequentemente, foram verificados desempenhos crescentes na remoção de sólidos. Por outro lado, em dezembro de 2001, iniciou-se um processo de morte das plantas e uma diminuição na remoção das mencionadas características. Nos meses de março, abril e maio de 2002, período em que houve a morte total das plantas, houve queda na eficiência de remoção de sólidos suspensos e mesmo acréscimos nas concentrações efluentes de nitrogênio e fósforo, ou seja, ocorreram contribuições de descarga da lagoa de plantas aquáticas para o efluente. Já em julho de 2002, quando as plantas voltaram a se desenvolver novamente, as remoções de NTK e PT voltaram a ser positivas, como também se verifica 6

7 uma tendência de melhora na remoção de sólidos em suspensão. Em termos de SS e DBO 5, não foram observadas mudanças tão acentuadas na eficiência de remoção em função do desenvolvimento das plantas. Se conclui que para localidades em que não é necessária a remoção de nutrientes dos efluentes, a alternativa de se utilizar uma célula de polimento com aguapés, sem que se retire rotineiramente as plantas da unidade, pode levar a uma significativa melhoria do efluente da unidade. O manejo do processo, com mais unidades em paralelo, pode permitir que na ocasião da morte das plantas em uma determinada célula, se mantenha a unidade fora de carga, até que a natural recuperação das plantas volte a ocorrer, ocasião em que o processo volta a apresentar elevados níveis de eficiência. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS CAESB (2000a). Sinopse do Sistema de Esgotamento Sanitário do Distrito Federal SIESG DIGITAL. Companhia de Saneamento do Distrito Federal CAESB, dezembro/2000, Brasília, DF. CONAMA (1986). Resolução CONAMA nº 20, de 18 de junho de Conselho Nacional do Meio Ambiente-CONAMA, 22p. DINGES, R. (1978). Upgrading stabilization pond effluent by water hyacinth culture. Journal WPCF, maio, LUDUVICE, M., NEDER, K. D. E PINTO, M. T. (2000). Utilização de lagoas rasas no pós-tratamento de efluentes de reatores anaeróbios de fluxo ascendente (UASB). In: Chernicharo, C. A. L. (coordenador) Pós-Tratamento de Efluentes de Reatores Anaeróbios. Programa de Pesquisa em Saneamento Básico-PROSAB, Belo Horizonte, LUDUVICE, M. L., QUEIROZ, T. R., NEDER, K. D. E SOUZA, M. A. A. (2001). Sólidos suspensos como indicador da densidade de algas em lagoas de estabilização. XXI Congresso Brasileiro de Engenharia Sanitária e Ambiental, João Pessoa, Paraíba, Brasil. MCDONALD, R. C. E WOLVERTON, B. C. (1980). Comparative study of wastewater lagoon with and without water hyacinth. Economic Botany, 34(2), METCALF & EDDY, INC. (1991). Wastewater Engineering Treatment, Disposal, Reuse. MacGraw Hill International Editions, 3ª Edição, New York, EUA, 1334p. MIDDLEBROOKS, E. J. (1995). Upgrading pond effluents: an overview. Water Science & Technology, 31(12), MIDDLEBROOKS, E. J., PORCELLA, D. B., GEARHEART, R. A., MARSHALL, G. R., REYNOLDS, J. H. E GRENNEY, W. J. (1974). Techniques for algae removal from wastewater stabilization ponds. Journal WPCF, 46(12), NEDER, K. D., CARNEIRO, G. A., QUEIROZ, T. R. E SOUZA, M. A. A. (2001). Seleção de processos naturais de tratamento, quando empregados para remoção de SS de efluentes de lagoas de estabilização, utilizando métodos multicritério. XXI Congresso Brasileiro de Engenharia Sanitária e Ambiental, João Pessoa, Paraíba, Brasil. NEDER, K. D., QUEIROZ, T.R., SOUZA, M. A. A. (2000). Remoção de sólidos suspensos de efluentes de lagoas de estabilização por meio de processos naturais. XXVII Congresso Interamericano de Engenharia Sanitária e Ambiental, Porto Alegre - RS, de 03 a 08 de dezembro de NEDER, K. D. E HARADA, A. L. (1997). Projeto da estação de tratamento de esgotos do Paranoá-UASB compartimentado seguido de lagoa de alta taxa e escoamento no solo. Anais (meio magnético CD-ROM) do XIX Congresso Brasileiro de Engenharia Sanitária e Ambiental, Foz do Iguaçu, RS, Brasil. OLIVEIRA, F. F. E GONÇALVES, R. F. (1999). Principais tecnologias empregadas no polimento do efluente de lagoas de estabilização. Anais (meio magnético CD-ROM) do XX Congresso Brasileiro de Engenharia Sanitária e Ambiental, Rio de Janeiro, RJ, Brasil. ORTH, H. M. E SAPKOTA, D. P. (1988). Upgrading a facultative pond by implanting water hyacinth. Water Research, 22(12), QUEIROZ, T. R. (2001). Remoção de Sólidos Suspensos de Efluentes de Lagoas de Estabilização por meio de Processos Naturais. Dissertação de Mestrado, Publicação MTARH. DM 033A/2001, Departamento de Engenharia Civil e Ambiental, Universidade de Brasília, DF, 229p, abril de ROMITELLI, M. S. E BRANCO, S. M. (1983). Remoção de fósforo em efluentes secundários com emprego de macrófitas aquáticas do gênero Eichhornia. Revista DAE, 133, STANDARD METHODS FOR THE EXAMINATION OF WATER AND WASTEWATER (1995). American Public Health Association, American Water Works Association & Water Polluition Control Federation, Washington, D. C., 19ª ed., 1268p. WOLVERTON, B. C. E MCDONALD, R. C. (1979). Upgrading facultative wastewater lagoons with vascular aquatic plants. Journal WPCF, 51(2), WPCF (1990). Manual of Practice FD-16. Natural Systems for Wastewater Treatment. Water Pollution Control Federation, Alexandria, VA, U. S. A., 270p. 7

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