I RESERVATÓRIOS PROFUNDOS TRATANDO ESGOTO DOMÉSTICO BRUTO NO NORDESTE DO BRASIL: CICLO DO FÓSFORO

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1 I RESERVATÓRIOS PROFUOS TRATAO ESGOTO DOMÉSTICO BRUTO NO NORDESTE DO BRASIL: CICLO DO FÓSFORO André Luis Calado Araújo (1) Graduado em Engenharia Civil pela Universidade Federal do Pará, UFPA (1990). Mestre em Engenharia Civil pela Universidade Federal da Paraíba, UFPB (1993). Ph.D. em FOTOGRAFIA Engenharia Civil pela Universidade de Leeds, Leeds, Inglaterra (1999). Professor da Área de Recursos Naturais do Centro Federal de Educação Tecnológica do Rio Grande do NÃO Norte, CEFET-RN. DISPONÍVEL Rui de Oliveira Graduado em Engenharia Civil pela Escola de Engenharia do Maranhão (1974). Mestre em Engenharia Civil pela Universidade Federal da Paraíba, UFPB (1983). Ph.D. em Engenharia Civil pela Universidade de Leeds, Leeds, Inglaterra (1990). Professor Adjunto do Departamento de Engenharia Civil da Universidade Federal da Paraíba. Pesquisador da EXTRABES-UFPB. Salomão Anselmo Silva 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). Ph.D. em Engenharia Civil 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. Endereço (1) : Alameda das Mansões, Bloco 12 - apto Condomínio Bairro Latino - Candelária - Natal - RN - CEP: Brasil - acalado@cefet-rn.br RESUMO A região nordeste do Brasil apresenta uma grande carência de recursos hídricos, o que entre outros fatores, dificulta o desenvolvimento econômico da região. Além disso os poucos recursos existentes vem sendo continuamente degradados devido ao lançamento de esgotos e a retirada de uma maior quantidade de água do que a capacidade de reposição pela precipitação. As características climáticas do nordeste brasileiro favorecem o uso de sistemas simples de tratamento de esgotos domésticos tais como lagoas e reservatórios de estabilização, que utilizam como fonte de energia apenas a luz solar. Tais sistemas apresentam uma elevada eficiência na remoção de material orgânico e microorganismos patogênicos e dessa forma seus efluentes são adequados para reutilização, particularmente, na irrigação. Este trabalho apresenta os resultados referentes a remoção de fósforo (fósforo total e ortofosfato solúvel), obtidos durante dois experimentos realizados em um reservatório profundo de estabilização (RE-3), alimentado diretamente com esgoto bruto. Cada experimento foi caracterizado em ciclos de enchimento-repouso-esvaziamento. No primeiro experimento RE-3 foi cheio em 74 dias (λs = 180 kgdbo/ha.d) enquanto que no segundo o reservatório foi cheio em 36 dias (λs = 380 kgdbo/ha.d). Depois de cheio o reservatório permaneceu em repouso até que atingisse ao logo da profundidade (6,50 m) uma concentração de coliformes fecais inferior a 100 ufc/100 ml, sendo esvaziado em seguida. Os resultados obtidos durante as fazes de enchimento e repouso mostraram que os reservatórios profundos alimentados com esgoto bruto não foram eficientes na remoção de fósforo confirmando aqueles obtidos em reservatórios alimentados com efluentes de lagoas anaeróbias. As elevadas cargas orgânicas iniciais favoreceram ao predomínio de condições anaeróbias associadas a baixos valores de ph, não favorecendo dessa forma os mecanismos de remoção de fósforo tais como a precipitação química e assimilação biológica. PALAVRAS-CHAVE: Assimilação, Ciclo do Fósforo, Precipitação, Sedimentação, Remoção de Nutrientes, Reservatórios Profundos, Reuso de Efluentes, Ressolubilização. INTRODUÇÃO Os reservatórios de estabilização foram idealizados em Israel no início da década de 70 com o objetivo exclusivo de armazenar efluentes durante a estação chuvosa para posterior uso no verão na irrigação. Durante o armazenamento, que pode durar até oito meses, logo tornou-se evidente que eles promoviam um tratamento adicional, passando os mesmos a serem também projetados como unidades de tratamento. Tais reservatórios ABES - Associação Brasileira de Engenharia Sanitária e Ambiental 1

2 são basicamente tanques com grandes áreas superficiais, profundidades variando entre 6 e 15 m e geralmente operados em ciclos de enchimento-esvaziamento-enchimento. Em 1994 foi iniciado no nordeste do Brasil o estudo com reservatórios profundos de estabilização alimentados com esgoto bruto e efluente de lagoa anaeróbia como parte de um amplo programa de pesquisa com os seguintes objetivos principais: a) determinar as melhores estratégias de operação; b) determinar as cargas orgânicas apropriadas para dimensionamento; c) comparar os processos de tratamento entre reservatórios e lagoas de estabilização; d) análise custo-benefício; e) avaliação do impacto ambiental. Resultados do desempenho de reservatórios profundos, alimentados com efluente de lagoa anaeróbia, foram apresentados anteriormente em Araújo et al. 1997, Araújo et al. 1998, Araújo, Muitas transformações cíclicas que ocorrem com o fósforo num reservatório de estabilização são similares aquelas que ocorrem em lagoas de estabilização. Estas transformações podem ocorrer na coluna líquida e nos sedimentos, envolvendo transformações físico-químicas e processos biológicos. O fósforo é assimilado principalmente na forma de ortofosfato e, é liberado para o meio também nesta forma através da hidrólise de compostos orgânicos excretados pelos microorganismos, autólise e mineralização da matéria orgânica. O fósforo liberado pode ser novamente assimilado ou ficar retido nos sedimentos via precipitação química ou reações de adsorsão. Os sedimentos tem um importante papel no ciclo do fósforo atuando principalmente como um ambiente de retenção. No entanto, sob certas condições, os sedimentos podem liberar nutrientes para a massa líquida, atuando como uma fonte interna de fósforo, dificultando, por exemplo, a recuperação de uma ambiente aquático após o corte do aporte externo de nutrientes. Esse trabalho tem como objetivo particular determinar a eficiência de remoção de fósforo num reservatório profundo de estabilização, em escala-piloto, alimentado com esgoto bruto em dois experimentos com diferentes características operacionais. Vale salientar que como efluente desses reservatórios devem ser reutilizados na irrigação é desejável a manutenção das concentrações de nutrientes presentes no esgoto bruto. MATERIAIS E MÉTODOS O sistema experimental, ilustrado nas Figuras 1 e 2, faz parte de um programa de pesquisas envolvendo sistemas de reservatórios profundos e lagoas de estabilização situado na cidade de Campina Grande, Pb. O reservatório de estabilização RE-3, objeto desse estudo, foi adaptado de um antigo digestor anaeróbio de lodo, após a remoção de todo o material metálico e vedação de todos as canalizações e furos na parede. Um pilar central foi construído para dar apoio a uma plataforma de amostragem. RE-3 foi alimentado com esgoto bruto da cidade de Campina Grande e apresentava 10,75 m de diâmetro, 6,50 m de profundidade média e um volume útil de 580 m 3. O esgoto bruto foi coletado do poço úmido adjacente ao interceptor que passa pela área do sistema experimental. O esgoto foi bombeado (bomba submersível ABS, 1,2 hp e 3380 rpm.) para um tanque de nível constante (TNC-1) situado no interior da casa de bombas e, a partir deste, foi bombeado para RE-3 através de uma bomba peristáltica de velocidade variável que era aferida semanalmente e as correções efetuadas quando necessárias. A tubulação de entrada do RE-3 era feita com tubos de PVC rígido de 50 mm que permitia a descarga a 50 cm do fundo. Dois experimentos foram caracterizados em RE-3 em ciclos de enchimento-repouso-esvaziamento (regime de bateladas). No experimento 1, RE-3 foi alimentado com esgoto bruto em 74 dias, resultando numa carga orgânica superficial inicial de 180 kgdbo 5 /ha.d. No segundo experimento a vazão foi duplicada e RE-3 encheu em 36 d, resultando numa carga orgânica superficial inicial de 380 kgdbo 5 /ha.d. Depois de cheio o reservatório permaneceu em repouso até atingir ao longo da profundidade uma concentração de coliformes fecais inferior a 100 ufc/100 ml que é 10 vezes menor que o recomendável pela OMS para irrigação irrestrita (WHO, 1989), sendo em seguida esvaziado na mesma vazão de enchimento. Os resultados dos cinco experimentos foram realizados em RE-1 e RE-2 (alimentados com efluente de lagoa anaeróbia) estão apresentados em Araújo (1999) e não são objeto desse estudo. ABES - Associação Brasileira de Engenharia Sanitária e Ambiental 2

3 interceptor (esgoto bruto) bomba bomba poço úmido TNC-1 A12 bomba TNC-2 RE- 1 RE- 2 bomba RE- 3 Figura 1 - Detalhe do complexo experimental existente na EXTRABES (em destaque o fluxo de alimentação dos sistemas). Figura 2. Vista do reservatório de estabilização RE-3. ABES - Associação Brasileira de Engenharia Sanitária e Ambiental 3

4 Durante a fase de repouso o monitoramento foi baseado na coleta de amostras semanais às 8:00 h nos níveis (cm) 5, 25, 50, 75, 100, 150, 200, 300, 400, 500 e 600. Na fase de enchimento as amostras foram coletadas somente quando o nível no reservatório subia 1 m. O reservatório não foi monitorado durante o esvaziamento. Com o objetivo de verificar as variações nos perfis ao longo da profundidade dos parâmetros ph, temperatura e oxigênio dissolvido, também foram coletadas amostras às 15 horas apenas para a determinação desses parâmetros. As amostras foram coletadas com uma mangueira de polietileno de 12 mm de diâmetro e 10 m de comprimento conectada a uma bomba peristáltica de velocidade variável WATSON MARLOW modelo 604S. A extremidade da mangueira que era abaixada no reservatório estava conectada a um dispositivo de coleta constituído por dois discos de PVC rígido de 25 cm de diâmetro dispostos em paralelo e separados por 5 cm. A água era coletada por entre os discos sem que ocorresse turbulência. Durante o período de enchimento amostras do esgoto bruto (EB) eram coletadas semanalmente às 8:00 h. As amostras coletadas eram analisadas para oxigênio dissolvido (OD), ph, temperatura, DBO, clorofila a, fósforo total e ortofosfato solúvel. Os parâmetros foram determinados seguindo os procedimentos padrões descritos em APHA, et al. (1992) com exceção da clorofila que foi analisada pela técnica de extração à quente com metanol (Jones, 1979). APRESENTAÇÃO DOS RESULTADOS Os resultados de todos os parâmetros analisados durante o monitoramento de rotina nos experimentos 1 e 2 estão apresentados na Tabela 1. A média aritmética foi usada como medida de tendência central para fósforo total, ortofosfato solúvel, ph e temperatura, haja visto que estes parâmetros apresentaram pouca variação ao longo da profundidade com coeficientes de variação inferiores a 10% ao longo de todo o monitoramento. Para clorofila a e DBO, que apresentaram coeficientes de variação acima de 20% foi adotada a média ponderada utilizado a profundidade como fator de ponderação. Tabela 1. Valores médios e faixa de variação (mínimo e máximo) obtidos durante os períodos de repouso dos experimentos 1 e 2 nas seguintes dadas: primeiro dia de repouso (A); coliformes fecais < 100 ufc/100 ml (B); primeiro dia de monitoramento após 50 dias de repouso (C) e; último dia de monitoramento (D). Experimento 1 Experimento 2 Parâmetros 2 dias 51 dias 88 dias 4 dias 53 dias 89 dias A B=C D A B=C D F-total (mgp/l) 5,1 4,7-6,5 4,9-5,5 4,9 4,8-5,5 5,3-6,4 5,5 5,1-6,0 6,0 5,1-7,4 F-solúvel (mgp/l) 3,9 3,3-4,0 4,5 4,3-4,6 4,5-4,8 3,5 1,2-3,9 3,4 3,1-3,6 4,6 4,4- ph 7,7 7,7-7,9 8,2 8,0-8,3 8,0 8,0-8,0 7,7 7,5-7,8 7,7 7,6-7,8 7,7 7,4-7,8 OD (mg/l) 0,0-0,4 0,0-8,4 0,0-2,0 0,0-4,1 0,0-3,0 0,0-0,4 T ( o C) 25,5 25,5-25,5 26,8 26,0-27,0 26,5 26,5-26,5 26,0 26,0-26,0 25,8 25,5-26,0 26,0 26,0-26,0 Cl a (µg/l) DBO 5 (mg/l) Não determinado ABES - Associação Brasileira de Engenharia Sanitária e Ambiental 4

5 Nos dois experimentos ficou evidenciado o predomínio de condições anaeróbias associados a baixos valores de ph (geralmente menores que 7,5) ao longo de toda a profundidade de RE-3. Este comportamento era esperado uma vez que o reservatório foi submetido a elevadas cargas orgânicas (180 e 380 kg/ha.dia) e, além disso, sua característica física (grande profundidade em relação a área) não favorecia a ação de ventos, dificultando dessa forma a mistura da massa líquida. O grau de anaerobiose em cada experimento foi avaliado com base nas freqüências relativas de concentrações de oxigênio dissolvido iguais a zero na camada superior (até 1 m de profundidade) e inferior (abaixo de 1 m de profundidade)(tabela 2). Contudo, com o aumento do tempo de repouso as características da massa líquida melhoraram sendo observados valores mais elevados de oxigênio dissolvido e ph, particularmente, até 1 m de profundidade. Também foram verificados valores mais elevados desses parâmetros nas amostras coletadas às 15 horas no entanto, predominantemente, até 1 m de profundidade. A Figura 3 apresenta perfis de oxigênio dissolvido e ph no experimento 1. A temperatura em todos os pontos amostrados foi sempre superior a 25 o C ao longo de todo o monitoramento nos dois experimentos. Tabela 2. Freqüências de concentrações de oxigênio dissolvido iguais a zero nos experimentos 1 e 2. Horário de coleta Experimento 1 Experimento 2 Até 1 m Abaixo de 1 m Até 1 m Abaixo de 1 m 8 horas 75 % 97 % 45 % 100 % 15 horas 25 % 92 % 30 % 95 % DO (mg/l) ph ,8 7,2 7,6 8,0 8,4 8, Profundidade (cm) Profundidade (cm) h 2-15h 51-8h 51-15h Figura 3. Variação das concentrações de oxigênio dissolvido e ph ao longo da profundidade de RE-3 às 8 e 15 horas, após 2 e 51 dias de repouso no experimento h 2-15h 51-8h 51-15h RE-3 foi muito eficiente na remoção de matéria orgânica. Durante a fase de enchimento a DBO 5 foi reduzida de 210 mg/l, no esgoto bruto, para 25 mg/l (74 dias) e 84 mg/l (36 dias) nos experimentos 1 e 2, respectivamente, representando remoções de 88 e 60%, respectivamente. Da mesma forma como ocorreu nos experimentos em que os reservatórios foram alimentados com o efluente de uma lagoas anaeróbia (Araújo, 1999), as concentrações de DBO 5 estão correlacionadas (p < 0,05) inversamente com o tempo de enchimento (r = -0,80) e consequentemente diretamente com as cargas orgânicas iniciais (r = 0,89). Durante o repouso no experimento 1, os valores de BDO 5 sempre estiveram abaixo de 25 mg/l. No experimento 2 este mesmo ABES - Associação Brasileira de Engenharia Sanitária e Ambiental 5

6 patamar foi atingido em torno de 40 dias de repouso e um tempo total de operação de 76 dias que é equivalente ao tempo de enchimento no experimento 1(Figura 4) Experimento 1 Experimento 2 60 DBO 5 (mg/l) Figura 4. Variação das concentrações médias de DBO 5 ao longo do período de repouso nos experimentos 1 e 2. As concentrações de clorofila a aumentaram gradualmente durante o enchimento do reservatório sendo observado valores médios de 432 µg/l e 123 µg/l no início da fase de repouso dos experimentos 1 e 2, respectivamente. Durante a fase de enchimento as concentrações médias de fósforo total foram praticamente constantes. No experimento 1 ocorreu uma pequena diminuição em relação ao esgoto bruto (5,4 5,1 mgp/l) enquanto que no segundo experimento foi verificado um pequeno aumento (5,4 5,5 mgp/l). Nos dois experimentos a análise de variância demonstrou não haver diferenças significativas entre as médias de fósforo total durante esta fase (p > 0,05). Por outro lado as médias de ortofosfato solúvel aumentaram gradualmente em relação ao esgoto bruto de 2,4 mgp/l para 3,9 e 3,5 mgp/l, nos experimentos 1 e 2, respectivamente. Estes aumentos foram decorrentes da mineralização da matéria orgânica que liberou para a massa líquida uma maior quantidade de ortofosfato do que aquela removida por sedimentação, assimilação e precipitação. A Figura 5 apresenta perfis típicos de fósforo total e ortofosfato solúvel ao longo da profundidade de RE-3. Com poucas exceções os valores de fósforo total foram praticamente constantes ao longo da profundidade enquanto que os valores de ortofosfato solúvel tiveram uma faixa de variação maior, apresentando, particularmente até 1 m de profundidade valores menores que a média da coluna líquida, estando variações associados com valores mais elevados de clorofila a. Durante o período de repouso as concentrações de fósforo total também foram praticamente constantes variando de 5,1 4,9 mgp/l no experimento 1, e 5,5 6,0 mgp/l no experimento 2. A análise de variância mostrou que para cada experimento as médias são significativamente diferentes (p < 0,05), no entanto, a comparação entre médias utilizando o teste-t demonstrou que 70 e 85% das médias nos experimentos 1 e 2, respectivamente, formam grupos de médias significativamente iguais. As concentrações de ortofosfato solúvel continuaram aumentando durante o repouso em decorrência da predominância do processo de mineralização e liberação de fósforo em relação aos mecanismos de remoção. No primeiro experimento o ortofosfato aumentou de 3,9 4,6 mgp/l e no segundo de 3,5 4,6 mgp/l. Nos dois experimentos foi observado uma correlação significativa (p < 0,05) entre as concentrações médias de ortofosfato solúvel e o período experimental total (fase de enchimento + fase de repouso). As Figuras 6 e 7 apresentam as variações das ABES - Associação Brasileira de Engenharia Sanitária e Ambiental 6

7 concentrações médias e os limites de confiança (mínimo e máximo) baseados no test-t, de fósforo total e ortofosfato solúvel durante o período de repouso dos experimentos 1 e 2. Fósforo (mgp/l) 3,0 3,5 4,0 4,5 5,5 6, Profundidade (cm) F-Solúvel - 2 F-Solúvel - 51 F-Total - 2 F-Total Figura 5. Variação das concentrações de fósforo total e ortofosfato solúvel ao longo da profundidade de RE-3 no experimento 1, após 2 e 51 dias de repouso. 5,4 5,4 4,6 4,6 F-total (mgp/l) 4,2 3,8 F-solúvel (mgp/l) 4,2 3,8 3,4 3,4 3,0 3,0 Figura 6. Variação das concentrações médias ao longo da profundidade de fósforo total (F-total) e ortofosfato solúvel (F-solúvel) ao longo do período de repouso do experimento 1. As barras verticais indicam os limites de confiança mínimos e máximos das médias baseados no Teste-t. ABES - Associação Brasileira de Engenharia Sanitária e Ambiental 7

8 7,0 7,0 6,5 6,5 6,0 6,0 5,5 5,5 F-total (mgp/l) 4,5 F-solúvel (mgp/l) 4,5 4,0 4,0 3,5 3,5 3,0 3,0 Figura 7. Variação das concentrações médias ao longo da profundidade de fósforo total (F-total) e ortofosfato solúvel (F-solúvel) ao longo do período de repouso do experimento 2. As barras verticais indicam os limites de confiança mínimos e máximos das médias baseados no Teste-t. CONCLUSÕES Todos os resultados mostraram que as condições favoráveis para remoção de fósforo não foram predominantes. As elevadas cargas orgânicas iniciais favoreceram o predomínio da anaerobiose estimulando a mineralização do material orgânico e consequentemente a liberação de fósforo inorgânico para a massa líquida. Além disso os valores de ph foram bem inferiores aqueles referidos como o mínimo (ph > 8,2) para estimular a precipitação química do fósforo como hidroxiapatita que é o principal mecanismo de remoção de fósforo nesse tipo de reator. Comparando os resultados apresentados neste trabalho com aqueles obtidos em RE-1 e RE-2, que fazem do mesmo sistema experimental mas foram alimentados com o efluente de uma lagoa anaeróbia (Araújo et al, 1997; Araújo et al, 1998; Araújo, 1999) observamos que para a faixa de carga orgânica estudada não houve diferenças significativas no que se refere a remoção de fósforo. De Oliveira (1990) estudando séries profundas (2,2 m) de lagoas de estabilização também observou que a pouca eficiência na remoção de fósforo estava associada aos baixos valores de ph e oxigênio dissolvido. Por outro lado, Araújo et al. (1995) obtiveram remoções de ortofosfato solúvel superiores a 50% em séries que apresentavam lagoas de maturação com menos de 1 m de profundidade que apresentavam valores médios de ph geralmente acima de 9.0. Os resultados demonstraram que reservatórios profundos são eficientes no tratamento de esgotos domésticos no nordeste do Brasil atingindo remoções de DBO 5 acima de 85%, mesmo quando alimentados com esgoto bruto, e coliformes fecais inferiores ao padrão recomendado para irrigação irrestrita (< 1000 ufc/100 ml) pela Organização Mundial da Saúde (WHO, 1989). Além disso, os reservatórios profundos de estabilização promovem a conservação de fósforo (total e ortofosfato), resultando num efluente de boa qualidade para reuso na irrigação devido o seu elevado teor de nutrientes. Vale salientar ainda que como os reservatórios passam por um período de repouso o efluente pode ser utilizado apenas quando for realmente necessário, por exemplo, no verão e, ao atingir a qualidade desejada de acordo com a cultura que esta sendo irrigada. Como o efluente é armazenado nos meses em que a irrigação não é necessária, uma maior área pode ser irrigada. ABES - Associação Brasileira de Engenharia Sanitária e Ambiental 8

9 REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS 1. APHA, AWWA e WEF. Standard methods for the examination of water and wastewater. 18 th edition. American Public Health Organization, Washington D.C ARAÚJO, A.L.C., et al. Estudo do ciclo do fósforo em reservatórios profundos de estabilização tratando esgoto doméstico. XIX CONGRESSO BRASILEIRO DE ENGENHARIA SANITÁRIA E AMBIENTAL - ANAIS. ABES, ARAÚJO, A.L.C. et al. Reservatórios profundos de estabilização tratando esgoto doméstico: Remoção de fósforo. VIII CONGRESSO LUSO-BRASILEIRO DE ENGENHARIA SANITÁRIA E AMBIENTAL - ANAIS. ABES, ARAÚJO, A.L.C. The phosphorus and sulphur cycles in wastewater storage and treatment reservoirs in northeast Brazil. PhD thesis. University of Leeds - UK JONES, J.G. A guide to methods for estimating microbial numbers and biomass in fhesh water. Ambleside: Freshwater Biological Association - Scientific Publication (39) WHO. Health guidelines for the use of wastewater in agriculture and aquaculture. Geneva: World Health Organization ABES - Associação Brasileira de Engenharia Sanitária e Ambiental 9