COMPORTAMENTO DE AMÔNIA E FORMAS DE ENXOFRE EM UMA SÉRIE LONGA DE LAGOAS DE ESTABILIZAÇÃO

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1 COMPORTAMENTO DE AMÔNIA E FORMAS DE ENXOFRE EM UMA SÉRIE LONGA DE LAGOAS DE ESTABILIZAÇÃO Salomão Anselmo Silva (1) Graduado em Engenharia Civil pela Escola Politécnica da Universidade Federal da Paraíba (1963). Mestre em Engenharia Civil pela Escola Politécnica da Universidade Federal da Paraíba (1975). PhD pela Universidade de Dundee, Dundee, Escócia (1982). Professor Titular do Departamento de Engenharia Civil da Universidade Federal da Paraíba. Chefe de Pesquisas da EXTRABES-UFPB. André Luis Calado Araújo Graduado em Engenharia Civil pela Universidade Federal do Pará (1990). Mestre em Engenharia Civil pela Universidade Federal da Paraíba (1993). Professor da Área de Tecnologia Ambiental da Escola Técnica Federal do Rio Grande do Norte. Aluno de doutorado em Engenharia Civil da Universidade de Leeds, Inglaterra. Rui de Oliveira Graduado em Engenharia Civil pela Escola de Engenharia do Maranhão (1974). Mestre em Engenharia Civil pela Universidade Federal da Paraíba (1983). PhD pela Universidade de Leeds, Leeds, Inglaterra (1990). Professor Adjunto do Departamento de Engenharia Civil da Universidade Federal da Paraíba. Pesquisador da EXTRABES-UFPB. Gilson Barbosa Athayde Júnior Graduado em Engenharia Civil pela Universidade Federal da Paraíba (1995). Aluno de doutorado em Engenharia Civil da Universidade de Leeds, Inglaterra. Bolsista do CNPq. Salena Tatiana Anselmo Silva Graduada em Ciências Biológicas pela Universidade Estadual da Paraíba (1994). Aluna de doutorado em Microbiologia na Universidade de Liverpool, Inglaterra. Bolsista do CNPq. Endereço (1) : Estação Experimental de Tratamentos Biológicos de Esgotos Sanitários - EXTRABES - Catolé - Campina Grande - PB - CP CEP: Brasil - Tel: (083) / RESUMO Este trabalho descreve o comportamento de formas de enxofre (sulfeto total e sulfato) e amônia, numa série de dez lagoas de estabilização, em escala-piloto, com 1,5 m de profundidade, tratando esgotos domésticos da cidade de Campina Grande, região nordeste do Brasil. O sistema foi avaliado durante dois períodos experimentais distintos, caracterizados por diferentes condições operacionais. O tempo de detenção hidráulica total da série foi de 19 dias no primeiro experimento e 28,5 dias no segundo. Nos dois experimentos foram verificadas remoções de amônia superiores a 80%, sendo verificadas no efluente final, concentrações médias de amônia menores que a máxima concentração (5 mgn/l) recomendada pela Legislação Ambiental Brasileira para descarga em corpos receptores. As transformações envolvendo as formas de enxofre foram observadas principalmente nas lagoas anaeróbia e facultativa secundária. Na lagoa anaeróbia as concentrações de sulfeto aumentaram, em relação 19 o Congresso Brasileiro de Engenharia Sanitária e Ambiental 823

2 ao esgoto bruto, devido principalmente à redução dissimilatória do sulfato, sendo posteriormente reduzida na lagoa facultativa devido principalmente aos processos de oxidação de sulfeto para sulfato. A série longa apresentou-se como uma excelente alternativa para o tratamento de esgotos domésticos, capaz de produzir um efluente de elevada qualidade para ser utilizado na irrigação. PALAVRAS-CHAVE: Tratamento de Esgotos, Lagoas de Estabilização, Reutilização de Efluentes. INTRODUÇÃO Os principais problemas ocasionados por elevadas concentrações de sulfeto em lagoas de estabilização são a liberação de odores e a inibição da vida aquática. O sulfeto é produzido principalmente através da redução dissimilatória do sulfato, particularmente em lagoas anaeróbias. Essas lagoas favorecem a liberação de odores pois não apresentam camada superficial aeróbia, além do ph variando entre 6,5-7,5 (Mara e Pearson, 1986). Além disso, o sulfeto é inibidor da vida aquática, particularmente as algas, onde este penetra na célula destruindo o aparelho fotossintético (de Oliveira, 1990). A amônia é um importante parâmetro a ser considerado no tratamento de esgoto devido aos problemas de eutrofização, toxidez e o encarecimento dos processos de tratamento de água para uso doméstico. Dos principais mecanismos de remoção de amônia em lagoas de estabilização (volatilização, assimilação pela biomassa de algas e nitrificação-desnitrificação biológica) (Middlebrooks, et al. 1982), a volatilização é considerada o mais importante. A experiência tem demonstrado que sistemas de lagoas com menores profundidades são mais eficientes na remoção de amônia que sistemas mais profundos, pois apresentam um ambiente mais favorável à volatilização, em vista dos valores mais elevados de ph. Este trabalho descreve o comportamento de formas de enxofre (sulfeto total e sulfato) e amônia, em uma série longa de lagoas de estabilização, em escala-piloto, tratando esgotos domésticos da cidade de Campina Grande, região nordeste do Brasil. O sistema foi estudado durante dois períodos distintos caracterizados por diferentes condições operacionais e faz parte de um programa de pesquisas da EXTRABES sobre a otimização do uso de lagoas de estabilização em série objetivando a economia de terreno e a reutilização de efluentes. MATERIAIS E MÉTODOS DESCRIÇÃO DO SISTEMA EXPERIMENTAL A série longa de dez lagoas de estabilização em escala-piloto, que faz parte de um complexo experimental operado pela EXTRABES-UFPB, era constituída por uma lagoa anaeróbia (A11) seguida por uma lagoa facultativa secundária (F26) e oito lagoas denominadas de maturação 19 o Congresso Brasileiro de Engenharia Sanitária e Ambiental 824

3 (M25, M32). O comprimento, a largura e a profundidade da lagoa A11 eram, respectivamente, 1,80; 1,20 e 1,50 m. As outras lagoas da série tinham largura e profundidade idênticas às da lagoa anaeróbia e comprimento de 3,60 m. As lagoas foram construídas com paredes verticais de alvenaria de tijolos, revestidas interna e externamente com argamassa de cimento e areia, e apoiadas sobre piso de concreto simples. O sistema experimental estava instalado nas dependências da Estação de Tratamento de Esgotos de Campina Grande ( Estação da Catingueira ) a cerca de 10 km do centro da cidade ( S, O, 550 m acima do nível do mar). A Figura 1 mostra a situação da série longa dentro do complexo experimental em escala-piloto. Esgoto bruto (EB) Tanque de nível constante (TNC) Casa de bombas (CB) Canal de acesso à ETE da Catingueira Caixa de inspeção A11 F26 M25 M26 M27 M28 M29 M30 M31 M32 Figura 1 - Planta do complexo experimental de lagoas instalado na Estação da Catingueira. ALIMENTAÇÃO DO SISTEMA A água residuária bruta era bombeada (bomba submersível de 1,2 hp e 3380 rpm da DYNAPAC EQUIPAMENTOS INDUSTRIAIS LTDA, São Paulo, Brasil) do canal de entrada da ETE da cidade (ETE da Catingueira), num ponto entre a caixa de areia e a Calha Parshall, para um tanque de nível constante (TNC) situado no interior da casa de bombas (CB) (ver Figura 1). O excesso de esgoto que alimentava o TNC, voltava, através de uma canalização de retorno (Φ 100mm) para o canal de entrada da ETE. Do TNC, o esgoto era bombeado (bomba peristáltica WATSON-MARLOW, modelo HRSV, numa vazão de 3,14 m 3 /d e 2,16 m 3 /d, para a lagoa anaeróbia A11, respectivamente nos experimentos 1 e 2. Todas as outras lagoas da série eram alimentadas por gravidade com o efluente da lagoa precedente, isto é, a lagoa F26 ara alimentada com o efluente de A11, a lagoa de maturação M25 recebia o efluente da lagoa facultativa secundária e assim por diante. Os dispositivos de entrada e saída de cada lagoa eram constituídos de tubos e conexões de PVC de 50 mm de diâmetro. A extremidade da canalização de entrada se situava a cerca de 50 cm acima do fundo da lagoa, de modo a permitir um fluxo ascendente, da entrada para a saída. Os efluentes das lagoas eram coletados a 5 cm abaixo da superfície líquida, do nível que corresponde à profundidade de submergência do retentor de escuma (seção de tubo de PVC de 200 mm de diâmetro e altura) circundando a canalização de saída. O efluente final da série longa era descarregado numa caixa de inspeção (Figura 1) e daí para o canal de entrada da ETE. 19 o Congresso Brasileiro de Engenharia Sanitária e Ambiental 825

4 MONITORAMENTO DO SISTEMA EXPERIMENTAL O sistema foi operado entre janeiro e dezembro de 1992 (primeiro experimento) com um tempo de detenção hidráulica (TDH) de 1 d na lagoa anaeróbia e 2 d nas demais. No segundo experimento (novembro de 1993 a setembro de 1994) a lagoa anaeróbia apresentou um TDH de 1,5 d enquanto que as demais apresentaram um TDH de 3 d. O monitoramento de rotina do sistema foi baseado na análise de amostras pontuais dos efluentes das lagoas coletadas, por sifonamento, a cada duas semanas, às 8h da manhã, do nível 5 cm abaixo da superfície líquida dentro do retentor de escuma. Uma amostra composta diária do esgoto bruto era analisada uma vez por semana. Essa amostra era obtida pela mistura de parcelas de 500 ml de amostras coletadas, a cada hora, do TNC através de um autoamostrador (modelo SM008/24A, Sirco Control Ltd, UK) provido de refrigerador para manter as amostras à temperatura de 4 C. PARÂMETROS ANALÍTICOS Os métodos analíticos seguintes foram levados a efeito de acordo com os procedimentos padrões descritos em APHA et al. (1992). Clorofila a foi medida pelo método de extração a quente com metanol 90% (Jones, 1979) Temperatura foi medida, nas amostras de efluentes das lagoas, no momento da coleta, com um termômetro de filamento de mercúrio. ph foi determinado eletrometricamente através de um medidor de ph Jenway 3030 provido de um eletrodo combinado Russell BNC e um sensor compensador de temperatura Jenway PCT 121. Oxigênio dissolvido foi determinado pelo método eletrométrico utilizando-se um eletrodo de membrana seletiva de oxigênio (YSI 5720A) acoplado a um medidor YSI modelo 54A. A DBO foi determinada pelo método dos frascos padrões com medidas de oxigênio dissolvido sendo feitas pelo método acima descrito. Amônia foi analisada por nesslerização com leituras a 450 nm após procedimento de destilação das amostras. Sulfato e sulfeto total foram analisados, respectivamente, pelos métodos turbidimétrico e do azul de metileno. APRESENTAÇÃO E ANÁLISE DOS RESULTADOS A Tabela 1 apresenta os valores médios dos parâmetros ph, oxigênio dissolvido (OD), Clorofila a, amônia (NH 3 ), sulfeto total (S = ) e sulfato (SO 4 ), analisados no esgoto bruto 19 o Congresso Brasileiro de Engenharia Sanitária e Ambiental 826

5 composto e amostras dos efluentes das lagoas da série durante os monitoramentos de rotina do sistema experimental (janeiro-dezembro 1992, experimento 1; novembro/ setembro/1994, experimento 2). 19 o Congresso Brasileiro de Engenharia Sanitária e Ambiental 827

6 Tabela 1 - Valores médios dos parâmetros analisados durante o monitoramento de rotina da série longa. Parâmetros Experimento 1 Experimento 2 ph OD Cl a NH 3 S = SO 4 ph OD Cl a NH 3 S = SO 4 EBC 7,3 0,2 ND 27,2 0,60 17,1 7,6 0,2 ND 23,8 0,70 12,5 A11 7,2 0,2 ND 33,2 7,60 11,8 7,4 0,1 ND 26,5 13,23 3,5 F26 7,4 0, ,6 0,93 12,6 7,6 0, ,1 4,39 3,4 M25 7,6 2, ,6 0,06 13,6 7,8 1, ,4 0,41 6,8 M26 7,7 2, ,3 0,03 14,4 7,9 0, ,1 0,09 7,9 M27 7,7 3, ,2 0,03 14,2 7,9 1, ,7 0,04 8,2 M28 7,8 4, ,4 0,01 14,3 7,9 1, ,5 0,05 8,6 M29 7,9 4, ,5 0,01 14,4 8,0 2, ,5 0,02 8,3 M30 8,1 5, ,6 0,00 13,8 8,2 3, ,6 0,01 7,4 M31 8,2 6, ,5 0,00 14,0 8,4 3, ,6 0,01 6,9 M32 8,4 7, ,0 0,00 14,3 8,6 4, ,6 0,01 7,8 ND = Não determinado. No primeiro experimento a temperatura média na lagoa anaeróbia foi de 23 o C enquanto que as demais apresentaram a temperatura média de 22 o C. No segundo experimento as temperaturas foram 1 o C superiores em todas as lagoas. O esgoto bruto apresentou valores médios de ph de 7,3 (Exp 1) e 7,6 (Exp 2). Ao longo da série ocorreu um aumento gradativo dos valores de ph de 7,2 e 7,4, na lagoa anaeróbia, até 8,4 e 8,6, no efluente final da série, respectivamente nos experimentos 1 e 2. Ao longo da série também foram observadas concentrações crescentes de oxigênio dissolvido, que aumentou de valores praticamente nulos na lagoa anaeróbia para 7,5 mg/l e 4,7 mg/l, no efluente da lagoa M32, respectivamente nos experimentos 1 e 2. Os valores médios de OD no segundo experimento foram conseqüência das cargas orgânicas mais elevadas nesse experimento. Os valores de clorofila a variaram entre 76 e 282 µg/l e 98 e 242 µg/l, respectivamente no experimento 1 e 2. Nos dois experimentos as concentrações mais elevadas foram observadas na lagoa facultativa secundária. A série longa apresentou nos dois experimentos eficiência de remoção de DBO em torno de 95%. No primeiro experimento, a DBO do esgoto bruto foi de 186 mg/l. Tal valor foi drasticamente reduzido para 35 mg/l no efluente da lagoa anaeróbia e, mais lentamente ao longo do sistema até atingir no efluente final um valor inferior a 10 mg/l. No segundo experimento o esgoto bruto apresentou DBO de 240 mg/l, sendo reduzida para 92 mg/l, na lagoa anaeróbia e, sucessivamente até atingir 12 mg/l nas últimas lagoas da série. Os valores médios de DBO no efluente final foram inferiores a todos os outros já observados em sistemas de lagoas investigados pela EXTRABES (Silva, 1982; Soares, 1985; de Oliveira, 1990). Tais valores são também inferiores aos limites padrões estabelecidos para descargas de efluentes em rios do Reino Unido (20 mg/l) e nos Estados Unidos (30 mg/l), de acordo com Bartone (1986). 19 o Congresso Brasileiro de Engenharia Sanitária e Ambiental 828

7 A Tabela 2 apresenta os valores de DBO e as cargas orgânicas nas lagoas da série longa nos dois experimentos. Embora o tempo de detenção hidráulica tenha sido maior no segundo experimento, as cargas orgânicas foram superiores às do primeiro devido ao esgoto bruto ter sido mais concentrado. Este aumento pode ser atribuído a alterações na rede coletora de esgotos sanitários da cidade. Tabela 2 - DBO e Cargas orgânicas na série longa nos experimentos 1 e 2. DBO 5 Carga orgânica Superficial (kg/ha.d) Volumétrica (g/m 3.d) Exp. 1 Exp. 2 Exp. 1 Exp. 2 Exp. 1 Exp. 2 A F M M M M M M M M A Figura 2 ilustra as alterações nas concentrações de sulfeto total e sulfato ao longo do sistema experimental, nos dois experimentos. As concentrações médias de sulfeto total (mgs/l) aumentaram de 0,60 (Exp. 1) e 0,79 (Exp. 2) no esgoto bruto para respectivamente 7,60 e 13,22 no efluente da lagoa anaeróbia, como conseqüência principalmente da redução dissimilatória de sulfato promovida por bactérias anaeróbias, particularmente Desulfovibrio sp. Vale destacar que o ambiente oferecia condições propícias à proliferação dessas bactérias tais como anaerobiose e matéria orgânica em excesso. Por outro lado, as concentrações (mgs/l) de sulfato diminuíram de 17,1 (Exp. 1) e 12,5 (Exp. 2) no esgoto bruto para respectivamente 11,8 e 3,5 no efluente da lagoa anaeróbia. O sulfeto foi reduzido na lagoa facultativa e, nas últimas lagoas da série, foram observadas concentrações praticamente nulas nos dois experimentos. Os valores de sulfato aumentaram gradativamente, como resultado da oxidação biológica de sulfeto para sulfato, apresentando no final do sistema valores (mgs/l) de 14,3 (Exp. 1) e 7,8 (Exp. 2). Provavelmente a oxidação bioquímica do sulfeto ocorreu pela ação de bactérias do gênero Thiobacillus que em seu metabolismo produzem sulfato, e pela ação de bactérias verdes e púrpuras do enxofre que realizam a fotossíntese anoxigênica, convertendo sulfeto para enxofre elementar. Além disso pode ter ocorrido a oxidação expontâneo do sulfeto com o oxigênio, particularmente nas lagoas de maturação, onde foram observadas concentrações de oxigênio dissolvido superiores a 2,0 mg/l, no primeiro experimento, e 1,0 mg/l no segundo. As concentrações de sulfato no efluente final da série, foram inferiores às concentrações originalmente presentes no esgoto bruto (17,1 e 12,5 mgs/l, respectivamente nos experimentos 1 e 2), indicando que parte do sulfeto presente na lagoa anaeróbia tenha sido, após a redução bioquímica, oxidado para enxofre elementar através do mecanismo químico e/ou bioquímico (de Oliveira, 1990). 19 o Congresso Brasileiro de Engenharia Sanitária e Ambiental 829

8 18 Sulfeto-exp1 Sulfeto-exp2 Sulfato-exp1 Sulfato-exp2 Enxôfre (mgs/l) EBC A11 F26 M25 M26 M27 M28 M29 M30 M31 M32 Figura 2 - Variação das concentrações de sulfeto total e sulfato ao longo da série de lagoas nos experimentos 1 e 2. A Figura 3 apresenta as concentrações de amônia ao longo da série. O nitrogênio amoniacal (mgn/l) cresceu do esgoto bruto (27,2 e 23,8 - respectivamente nos experimentos 1 e 2) até o efluente da lagoa anaeróbia (33,2 e 26,5 - respectivamente nos experimentos 1 e 2) em conseqüência do predomínio da atividade degradadora de bactérias, responsável pela conversão de nitrogênio orgânico em amoniacal. A partir daí as concentrações de amônia foram sendo reduzidas gradativamente, apresentando no efluente da última lagoa concentrações de 5,0 mgn/l e 3,6 mgn/l, respectivamente nos experimentos 1 e 2. è importante destacar que os maiores valores de ph observados na lagoa de maturação devem ter contribuído para remoção da amônia através da volatilização. Por outro lado, a assimilação deve ter contribuído de maneira mais discreta para a remoção devido à baixa biomassa de algas indicada pelos baixos valores de clorofila a. Vale salientar, ainda, que a legislação ambiental brasileira recomenda o valor máximo de 5 mgn/l para descarga de efluentes de estações de tratamento de esgotos em corpos receptores (SEMA/MHU, 1988). No experimento 1 houve uma remoção de amônia de 81,5% enquanto que no segundo experimento tal remoção foi de 85%. Tais valores foram superiores àquelas observados por de Oliveira (1990), numa série de lagoas profundas (2,2 m) e Silva (1982) numa série de lagoas rasas (1,0 m). Amônia-exp 1 Amônia-exp Amônia (mgn/l) EBC A11 F26 M25 M26 M27 M28 M29 M30 M31 M32 Figura 3 - Variação das concentrações de amônia ao longo da série 19 o Congresso Brasileiro de Engenharia Sanitária e Ambiental 830

9 longa. 19 o Congresso Brasileiro de Engenharia Sanitária e Ambiental 831

10 CONCLUSÕES Com base na análise dos resultados podemos concluir que a série longa apresentou um efluente, em termos das concentrações de sulfeto total e amônia, de elevada qualidade. As concentrações desses elementos no efluente final da série estão abaixo dos valores máximos recomendáveis para a prática da irrigação (5,0 mgn/l, para nitrogênio amoniacal, e 0,1 mgs/l, para sulfeto). Além disso, tal efluente também apresentou elevada qualidade em termos da concentração de matéria orgânica (remoção de DBO 5 superior a 90%) e coliformes fecais (remoção superior a 99,999%) (de Oliveira, 1993, 1995). Pelo exposto, foi verificado que a série longa de dez lagoas é uma alternativa viável para o tratamento de esgotos domésticos, particularmente quando se tem em vistas a reutilização do efluente na irrigação. O efluente além de apresentar baixos níveis de matéria orgânica e microorganismos patogênicos pode fornecer uma fonte contínua de nutrientes para a culturas a serem irrigadas. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS 1. APHA, AWWA, WPCF. The Standard Methods for the Examination of Water and Wastewater. 18th Edition. Washington: Americam Public Health Organization ARAÚJO, A. L. C. Comportamento de formas de fósforo em sistemas de lagoas de estabilização em série, em escala-piloto, com diferentes configurações, tratando esgotos domésticos. Dissertação de Mestrado. Universidade Federal da Paraíba BARTONE, C.R. Reuse of wastewater at the San Juan de Miraflores stabilization ponds: public health, environmental and socioeconomic implications. PAHO Bulletin, v.19, n.2, p DE OLIVEIRA, R. The performance of deep waste stabilization ponds in northeast Brazil. PhD Thesis. The University of Leeds, UK DE OLIVEIRA, R. Avaliação do desempenho de uma série longa de lagoas de estabilização tratando esgoto doméstico. Relatório Técnico. CNPq. 1 a etapa DE OLIVEIRA, R. Avaliação do desempenho de uma série longa de lagoas de estabilização tratando esgoto doméstico. Relatório Técnico. CNPq. 2 a etapa 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. & PEARSON, H.W. Artificial freshwater environment: Waste Stabilization Ponds. In: Biotechnology - A comprehensive treatise, v.8, Chapter 4. (Ed. H.J. Rehm e G. Reed) MIDDLEBROOKS, E.J.; MIDDLEBROOKS,C.H.; REYNOLDS, J.H.; WATTERS, G.Z.; REED, S.C. & GEORGE, D.B. Wastewater stabilization lagoons design, performance and upgrading. Ne York: Macmillan Publishing Co, Inc SEMA/MHU (1988). Lesgilação Básica do CONAMA. Brasília - DF. 11. SILVA, S.A. On the treatment of domestic sewage in waste stabilization ponds in northeast Brazil. PhD Thesis. University of Dundee, UK SOARES, J. Avaliação do comportamento de um sistema de lagoas de estabilização profundas em série. Dissertação de Mestrado. Universidade Federal da Paraíba o Congresso Brasileiro de Engenharia Sanitária e Ambiental 832

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