II OCORRÊNCIA DO FITOPLÂNCTON E DESEMPENHO DE LAGOAS DE ALTA TAXA ALGAL E DE MATURAÇÃO NO TRATAMENTO DE DEJETOS SUÍNOS

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1 º Congresso Brasileiro de Engenharia Sanitária e Ambiental a 9 de Setembro Joinville - Santa Catarina II-05 - OCORRÊNCIA DO FITOPLÂNCTON E DESEMPENHO DE LAGOAS DE ALTA TAXA ALGAL E DE MATURAÇÃO NO TRATAMENTO DE DEJETOS SUÍNOS Lígia Barthel Bióloga, Mestre em Engenharia Ambiental pela UFSC (998), doutoranda em Engenharia Ambiental na UFSC. Karine Andréa Rangel Estudante de Biologia na Universidade do Contestado, UNC, Concórdia, SC. Bolsista IC- CNPq. Paulo Armando Victória de Oliveira Pesquisador da Embrapa Suínos e Aves, Concórdia, SC. Doutor pelo INRA, Rennes, França. Rejane Helena Ribeiro da Costa() Professora Titular do Departamento de Engenharia Sanitária e Ambiental da Universidade Federal de Santa Catarina, UFSC, Florianópolis, SC. Doutora em Qualidade e Tratamento de Águas, INSA, Toulouse, França (989), Pós-Doutorado na Université Montpellier I, Montpellier, França (000). Endereço(): Campus Universitário, Trindade, Florianópolis, SC CEP: Brasil - Tel: +55 (8) Fax: +55 (8) rejane@ens.ufsc.br.

2 RESUMO Este trabalho trata de um estudo realizado com lagoas de alta taxa algal () e de maturação (LM), em sistema de batelada, para tratamento de dejetos de suínos. Objetivouse verificar a ocorrência do fitoplâncton nestas lagoas, estabelecendo relações com os parâmetros físico-químicos do meio líquido e a sazonalidade. Observou-se que a remoção da poluição carbonácea foi completada na e LM.O sistema de lagoas de alta taxa algal e de maturação apresentou baixa concentração de nitrogênio amoniacal e fósforo total. As variações do ph e oxigênio dissolvido, bem como elevadas concentrações de clorofila a e de sólidos em suspensão, estão relacionadas ao crescimento algal. A lagoa de alta taxa é responsável pela nitrificação do efluente. A lagoa de maturação remove os nutrientes como o fósforo total, os nitritos e os nitratos. As velocidades empregadas (0,5 e 0,50 m/s) para mistura da massa líquida da não apresentaram influência direta nos parâmetros físicoquímicos analisados. A produtividade e o crescimento algal, determinantes do processo de depuração, dependem principalmente da radiação solar e temperatura, mas também são afetadas pela carga orgânica e disponibilidade de nutrientes. Chorella ssp foi a espécie dominante ao longo de todos os ensaios, seguida por várias espécies de algas diatomáceas. O curto tempo de residência hidráulico ( dias) não permitiu o desenvolvimento do zooplâncton. Palavras-chave: dejetos suínos, fitoplâncton, lagoa de alta taxa, lagoa de maturação, tratamento. INTRODUÇÃO Nas regiões com elevada concentração de suínos, grande parte dos dejetos é lançada no solo como adubo e em cursos de água sem tratamento prévio, transformando-se em importante fonte de poluição ambiental, contribuindo também para o aumento de produção de insetos nocivos. Os sistemas de produção de suínos existentes no sul do Brasil propiciam elevada produção de dejetos líquidos, gerando problemas de manejo, armazenamento, distribuição e poluição. A concepção das edificações, alimentação, tipo de bebedouros, sistema de limpeza e manejo determinam, basicamente, as características e o volume total dos dejetos produzidos (DARTORA et al., 998). O tratamento desses dejetos na região sul de Santa Catarina é feito principalmente pelo armazenamento em esterqueiras ou bioesterqueiras, porém o tratamento não é completo, ficando o efluente fora dos padrões ambientais exigidos por lei. As lagoas de estabilização constituem um processo de tratamento que vem sendo estudado com excelentes resultados (MEDRI, 997; COSTA et al., 000).

3 A lagoa de alta taxa algal é caracterizada por possuir pouca profundidade (30 a 60 cm), com tempo de residência de a dias, e mistura da massa líquida com baixa velocidade (5 a 30 cm/s). É um sistema que permite otimizar a absorção de energia solar, pois a massa de água é homogênea, visando favorecer o desenvolvimento algal (BONTOUX & PICOT, 99). A lagoa elimina a matéria orgânica, dissolvida e particulada, e reduz o número de organismos patogênicos. Esse processo de degradação biológica conduz a uma grande produção de sais nutritivos (eutrofização) que permite a proliferação de microalgas planctônicas (fitoplâncton). É sobre a ação conjugada de algas e bactérias que se baseia o processo de depuração. O zooplâncton representa um grupo biológico não negligenciável, que pode por sua ação e como consumidor primário controlar a proliferação de algas. A produção secundária da lagoa depende da temperatura e da qualidade de alimento disponível que é consumido pelo zooplâncton. Este consumo varia em função das condições físico-químicas do meio líquido, da natureza das algas e da natureza do zooplâncton (CANOVAS, 99). As águas residuárias constituem um meio favorável à proliferação de algas, convertendo a energia solar, por fotossíntese, em biomassa vegetal, produzindo o oxigênio necessário a biodegradação da matéria orgânica contida nestas águas. A aplicação das lagoas de alta taxa no tratamento de águas residuárias apresenta um grande potencial na área biotecnológica, baseada nas microalgas. Seu principal inconveniente está ligado a eliminação, ao final do tratamento, da expressiva produção de biomassa vegetal (CANOVAS, 99). As lagoas de maturação são análogas as lagoas aeróbias, mas com cargas menores (< 50 kgdbo/ha/d) e tempo de passagem mais longos (0 a 00 dias), podendo servir de decantador para algas e melhorar o rendimento depuratório, reduzindo os sólidos em suspensão e nutrientes. Apresentam baixa profundidade (0,8 a,5 m) e elevada concentração de algas. A profundidade, o tempo de residência, a temperatura e o ph são os fatores principais na redução bacteriológica de contaminação fecal dessas lagoas. A montagem em série de lagoas de maturação em relação largura/comprimento permite um escoamento ideal em fluxo pistão, otimizando a depuração bacteriológica. Em uma série de lagoas, a primeira etapa permite eliminar as substâncias carbonáceas e há uma perda de amônia e fosfatos pela asssimilação algal; a segunda etapa permite a volatilização de amônia e a precipitação de fosfatos e a última etapa assegura a fixação de nitrogênio pelas cianofíceas que eliminam o fósforo restante (MOERSIDIK, 99). Este trabalho tem como objetivo verificar a ocorrência do fitoplâncton em lagoas de alta taxa algal () e lagoa de maturação (LM), funcionando em sistema de batelada, estabelecendo relações entre seu desempenho no tratamento com os parâmetros físicoquímicos do meio líquido e a sazonalidade. MATERIAIS E MÉTODOS

4 O experimento foi realizado na Unidade Experimental de Tratamento de Dejetos Suínos UNETDS, da Empresa Brasileira de Agropecuária EMBRAPA, Suínos e Aves, localizada no município de Concórdia, SC. O efluente de dejetos suínos passava inicialmente por um decantador e duas lagoas anaeróbias. O sistema de lagoas de alta taxa algal e de maturação funcionou em regime de batelada, com duração de dias cada, sendo denominadas B para batelada e assim por diante até a B8. A velocidade utilizada foi de 0,5 m/s para a B até a B5, e de 0,50 m/s da B6 até a B8. A lagoa de alta taxa algal () foi construída em alvenaria, baseada no modelo desenvolvido por Oswald (963), com uma área superficial de,6 m², profundidade de 0,50 m e volume de 6,3 m³. O efluente permanecia dias, após os quais parte do volume da lagoa de alta taxa seguia para a lagoa de maturação (Figura ). A lagoa de maturação (LM) tinha m de comprimento por 5 m de largura, com superfície total de 60 m². A profundidade da lagoa era de 0,70 m, com volume de m³, sendo toda revestida com membrana de PVC (0,8 mm de espessura). O efluente também permanecia dias nesta lagoa. A Tabela apresenta os períodos dos ensaios em batelada efetuados no ano de 00. Tabela.Períodos dos ensaios em batelada. Lagoa B B B3 B B5 B6 B7 B8 3/0-0/05

5 /05-3/05 0/06-/06 /06-/07 5/07-0/08 3/08-/09 3/09-0/0 0/0-5/0 LM /05-3/05 0/06-/06 /06-/07 5/07-0/08 3/08-/09 3/09-0/0 0/0-5/ O monitoramento das lagoas foi efetuado através das seguintes análises: Nitrogênio total Kjeldahl (NTK), nitrato (N-NO3), nitrito (N-NO), sólidos em suspensão (SS), fósforo total (PT), amônia (NH3), demanda química de oxigênio (DQO), ph, oxigênio dissolvido (OD) e temperatura da água, conforme o Standard Methods (APHA-AWWA-WEF, 998); e clorofila a, que foi determinada segundo NUSCH (980). Figura. Fotos da Lagoa de Alta Taxa Algal e Lagoa de Maturação.

6 As amostras destinadas à análise do fitoplâncton foram fixadas imediatamente com lugol. A identificação dos microrganismos, a nível genérico, utilizando-se a câmara de Neubauer, foi realizada com auxílio do microscópio Olympus BX 0, com aumentos de 0 e 00 vezes, acoplado a um sistema analisador de imagens (Image Pro-Plus). A identificação e contagem microscópicas seguiram um critério de população relativa (presente, não freqüente, freqüente e muito freqüente), baseado em MENDES et al. (995). RESULTADOS E DISCUSSÃO A temperatura no interior das lagoas variou entre 9,5 e 3 C na lagoa de alta taxa algal e entre 0 e,5 C na lagoa de maturação, ao longo de todos os ensaios. No entanto, a temperatura ultrapassou os 0ºC apenas na batelada B da e durante a última batelada (B8/ e B7/LM). A concentração de oxigênio dissolvido oscilou muito nas lagoas, sendo de 0,3 a mg/l na e 0, a 8 mg/l na LM. Na, observou-se para as três primeiras bateladas (B, B e B3) que os valores de OD foram muito baixos (< mg/l) durante os primeiros dias da batelada, passando em seguida para valores entre e 8 mg/l. As bateladas seguintes apresentaram maior uniformidade na concentração do OD, sendo em média de 5,5 mg/l na B5 e 9,0 mg/l para as outras bateladas (B6 a B8). Na lagoa de maturação, o OD esteve baixo (< mg/l) apenas na B; durante as bateladas B, B3 e B, o OD esteve compreendido entre e 7 mg/l, e nas bateladas B5, B6 e B7 o OD esteve elevado (> 5 mg/l) evidenciando uma supersaturação. O ph variou de 5 a 9 na e de 8 a na LM. Nesta última, observou-se valores entre 8 e 9 durante as bateladas B a B e entre 0 e durante B5 a B7, quando os valores de OD estiveram elevados. PICOT et al. (993) sugerem o valor de 9,5 para ph e concentrações de OD superiores a 0 mg/l para um desempenho ótimo de lagoas facultativas e de alta taxa, visando a remoção de nutrientes. Os valores da radiação solar variaram entre e 8 cal/cm.dia, ficando abaixo do ótimo, recomendado por OSWALD (963), de 00 cal/cm.dia, para um funcionamento otimizado da lagoa de alta taxa. A remoção da matéria orgânica em termos de DQO foi efetuada principalmente nas lagoas anaeróbias que antecedem a. As eficiências observadas em cada batelada após dias de tratamento nas lagoas e LM foram variáveis, em função das condições de funcionamento das lagoas, as vezes com eficiência de 50% na e 00% na LM, outras vezes o efluente manteve-se estável sem queda na DQO em ambas as lagoas. Em relação aos compostos de nitrogênio, observou-se redução nas concentrações de NTK e de amônia na, com produção de nitritos e nitratos, evidenciando nitrificação; enquanto que na LM as concentrações desses foram bem baixas, principalmente de amônia (< mg/l), mostrando que a associação dessas duas lagoas é interessante para eliminar esses compostos. A toxicidade do nitrogênio amoniacal a ph elevado é conhecida, no caso da concentração de NH3 igual ou superior a 8 mg/l e ph superior a 8,, podem aparecer problemas de toxicidade da amônia para as algas (KÖNIG, 000). Estes fatores tóxicos hipotéticos, porém, não afetam o desenvolvimento de Chlorella sp segundo BASSÈRES (990).

7 A lagoa de alta taxa apresentou uma concentração maior de sólidos em suspensão (65 a 60 mg/l) que a lagoa de maturação (3 a 7 mg/l). Isto ocorreu devido a maior quantidade de algas desenvolvidas na, confirmada pela clorofila a e pela contagem nas observações microscópicas. A concentração de clorofila a variou entre 530 e 860 µg/l na e entre 56 e 537 µg/l na LM, situando-se dentro dos valores obtidos por BASSÈRES (990), cuja concentração média de clorofila a foi de 855 µg/l, em lagoas piloto com dejetos de suínos. Nos resultados obtidos verificou-se também uma maior concentração de clorofila a quando os valores de NH3 eram menores. A concentração de fósforo total (PT) ficou entre 9,5 e 8,5 mg/l na e entre 0, a 9,5 mg/l na LM, ao final das bateladas. Na, o ph não esteve muito elevado (< 9), o que resultou em pouca remoção do fósforo (0%), sendo este removido nesta lagoa principalmente pela assimilação algal, uma vez que o aumento da concentração das algas na lagoa coincidiu com a redução do fósforo total. Na LM, o PT foi removido em cerca de 50%, ficando, porém, a concentração no final das bateladas acima do exigido pela Legislação Ambiental de Santa Catarina para lançamento de efluentes (PT < mg/l), exceto na B7, quando a concentração de PT foi mínima (traços) devido ao elevado ph (> ). Segundo CANOVAS et al. (996), a eficiência da remoção do nitrogênio é resultado da mineralização, da assimilação algal, da liberação através da ação do vento e do elevado valor do ph induzido pela fotossíntese. A remoção do fósforo ocorre quando o ph atinge ou excede 9 unidades, o qual é conduzido por precipitação (remoção indireta) mas também pela assimilação de fosfatos pelo fitoplâncton (remoção direta). As figuras a 5 apresentam os resultados de alguns parâmetros medidos nas bateladas B5 e B7, para as duas lagoas, relatados nas discussões acima. Observa-se que a mudança na velocidade de mistura da massa líquida na (B5: 0,5 m/seg e B7: 0,50 m/seg) não teve influência direta nos resultados. Em relação ao fitoplâncton a biodiversidade nas lagoas foi aproximadamente constante. Algumas populações foram substituídas por outras,ao longo das bateladas. No geral, a concentração da biomassa algal variou com as trocas ambientais (radiação solar e temperatura), as quais causaram flutuações na qualidade do tratamento (DQO, compostos de N, PT e SS). As tabelas e 3 apresentam a freqüência dos organismos biológicos e a média das contagens dos indivíduos, em cada lagoa, respectivamente.

8 Tabela. Abundância/freqüência dos organismos biológicos observados nas lagoas em cada batelada. B B B3 B B5 B6 B7 B8 LM LM LM LM LM LM

9 LM Navícula Diatomácea 3

10 3 Chlorella Oscillatoria

11 Cosmarium Gomphonema Outras algas

12 3 3 3 Paramecium 3 Rotífero Anabaena Coscinodiscus Vorticella Microcrustáceo Aspidisca

13 Cistos 3 =presente; =não-freqüente; 3=freqüente; =muito freqüente =lagoa de alta taxa; LM=lagoa de maturação Tabela 3. Média dos microrganismos (X 0 ind./ml) presentes nas lagoas durante as bateladas.

14 LM Clorofíceas,5 878, Cianofíceas,3 --- Diatomáceas 8 7,5 Outras algas,6,6 Zooplâncton 3,5 3,33 Cistos 3,,5 As observações microscópicas (Tabela ) apontaram que Chlorella foi a alga verde dominante em todos os ensaios, seguida por várias espécies de algas diatomáceas (Navícula, Gomphonema, Coscinodiscus), nas duas lagoas (Tabela 3). A ocorrência de Chlorella como alga dominante em lagoa facultativa, com dejetos de suínos, também foi observada por ZANOTELLI et al. (00).

15 A alta taxa de reprodução e a ausência de predadores foram os fatores que determinaram a alga Chlorella ssp como espécie dominante na e LM, ao longo dos ensaios. Segundo ZULKIFLI (99), esta micro-alga é mais tolerante à temperatura e à salinidade, prefere um meio com muita matéria orgânica e utiliza preferencialmente a amônia em relação aos nitratos. A presença de diferentes comunidades fitoplanctônicas na depuração de efluentes por lagoas depende principalmente da carga orgânica. Quando a água é altamente poluída o desenvolvimento de somente algumas espécies é possível. Quando a carga orgânica diminui, outras espécies surgem além de algas verdes, como fitoflagelados, cianobactérias (Oscillatoria, Anabaena), diatomáceas, etc. (LLORENS et al., 993). A quantidade de zooplâncton (Paramecium, rotíferos, Vorticella, Aspidisca, microcrustáceo) foi desprezível durante o período de observação (Tabela 3), provavelmente, devido ao curto tempo de residência hidráulico ( dias) em cada batelada. CONCLUSÕES Com base nos resultados obtidos nos ensaios em batelada, pode-se concluir que: A remoção da poluição carbonácea ocorreu principalmente nas lagoas anaeróbias e foi completada na e LM. O sistema de lagoas de alta taxa algal e de maturação, ao final dos dias dos ensaios em batelada, apresentou baixa concentração de nitrogênio amoniacal e fósforo total. As variações do ph e oxigênio dissolvido, bem como elevadas concentrações de clorofila a e de sólidos em suspensão, são devidas ao crescimento algal. A lagoa de alta taxa é responsável pela nitrificação do efluente. A lagoa de maturação remove os nutrientes como o fósforo total, os nitritos e os nitratos. As velocidades empregadas (0,5 e 0,50 m/s) para mistura da massa líquida da não apresentaram influência direta nos parâmetros físico-químicos analisados. A produtividade e o crescimento algal, determinantes do processo de depuração, foram afetados pela carga orgânica e disponibilidade de nutrientes. Chorella ssp foi a espécie dominante ao longo de todos os ensaios, seguida por várias espécies de algas diatomáceas. O curto tempo de residência hidráulico não permitiu o desenvolvimento do zooplâncton. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS APHA-AWWA-WEF. Standard Methods for the Examination of Water and Wastewater. Washington, DC, 998.

16 BASSÈRES, A. Performance des microphytes et des macrophytes dans l epuration d effluents organiques a forte charge em ammoniaque. Thèse, Université Paul Sebatier, Toulouse, p. BONTOUX, J. et PICOT, B. Possibilités et limites des basins lagunaires dans l epuration des eaux usées. Water Poll. Res. J. Canada, 9():55-556, 99. CANOVAS, S. Structure du zooplancton en traitement des eaux usées par lagunage à haut rendement. Thèse, Université de Montpellier I, p. CANOVAS, S., PICOT, B., CASELLAS, C., ZULKIFLI, H., DUBOIS, A. and BONTOUX, J. Seasonal development of phytoplankton in a high-rate algal pond. Wat. Sci. Tech., 33(7):99-06, 996. COSTA, R.H.R., MEDRI, W. and PERDOMO, C.C. High-rate pond for treatment of piggery wastes. Wat. Sci & Tech., (0-):357-36, 000. DARTORA, V., PERDOMO, C.C. e TUMELERO, I.L. Manejo dos dejetos de suínos. BIPERS, ano 7, nº, 998. p. KÖNIG, A. Biologia de las lagunas de estabilización: algas. In: Sistemas de lagunas de estabilización. McGrawHill, 000. p.-67 LLORENS, M., SAEZ, J., SOLER, A. Primary productivity in a deep sewage stabilization lagoon. Water Research, v.7, n., p , 993. MEDRI, W. Modelagem e otimização de lagoas de estabilização para o tratamento de dejetos de suínos. Tese, UFSC, p. MENDES, B.S., LAPA, N., MORAIS, J., NASCIMENTO, M.J., PEREIRA, M.I. and OLIVEIRA, J.S. Statistical relationships between biological populations and organic matter in a waste stabilization pond system (WSP). III IAWQ International Specialist Conference and Workshop. Waste Stabilization Ponds: Tecnology and Aplications. João Pessoa, PB, 995. MOERSIDIK, S. Traitement des eaux usées par lagunage à haut rendement: gestion de l écosystèmes et comparaison dès performances épuratoires avec un lagunage traditionnel. Thèse, Université de Montpellier I, 99. NUSCH, E. A. Comparation of different methods for clorophyll and phaeopigment determination. Arch. Hydrobiol. Beih. Stuttgart, :-36, 980. OSWALD, W. J. The High-Rate Pond in Waste Disposal. Developments in Industrial Microbiology, v., p

17 PICOT, B.; BAHLAOUI, A; MOERSIDIK, S.; BALEUX, B.; BONTOUX, J. Comparison of the purifying efficiency of high rate algal pond with stabilization pond. Wat. Sci.Tech., v.5, n., p ZANOTELLI, C. T., PERES, A. C., PERDOMO, C.C. e COSTA, R.H.R. Identificação de algas e clorofila a em lagoas facultativas no tratamento de dejetos suínos. In: VI Simpósio Ítalo-Brasileiro de Engenharia Sanitária e Ambiental, Vitória, ES, 00. ZULKIFLI, H. Traitement des eaux usées par lagunage à haut rendement: structure et dynamique des peuplements phytoplanctoniques. Thèse, Université de Montpellier I, 99.