I ESTUDO DE ESPÉCIES DE FÓSFORO E NITROGÊNIO EM LAGOAS DE ESTABILIZAÇÃO

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1 I ESTUDO DE ESPÉCIES DE FÓSFORO E NITROGÊNIO EM LAGOAS DE ESTABILIZAÇÃO Gilson Barbosa Athayde Júnior (foto) Graduado em Engenharia Civil pela Universidade Federal da Paraíba (1995). Ph.D. em Engenharia Sanitária pela Universidade de Leeds, Inglaterra (1999). Bolsista CNPq categoria DCR na Universidade Estadual da Paraíba. Valderi Duarte Leite (1) Engenheiro químico pela Universidade Federal da Paraíba (1980). Mestre em engenharia civil pela Universidade Federal da Paraíba (1986). Doutor em Engenharia Civil pela Escola de Engenharia de São Carlos - USP (1997). Professor da Universidade Estadual da Paraíba. Hélvia Welswka Casullo de Araújo Engenheira Química pela Universidade Federal da Paraíba (1995). Mestre em Desenvolvimento e Meio Ambiente, sub-área Saneamento Ambiental, pela Universidade Federal da Paraíba - Universidade Estadual da Paraíba (1998). Professora da Universidade Estadual da Paraíba - Departamento de Química. João Batista Pereira da Silva Químico Industrial e licenciado em química pela Universidade Estadual da Paraíba (1993, 1994). Mestre em Engenharia Civil pela Universidade Federal da Paraíba (1998). Bolsista CNPq categoria DCR na Universidade Estadual da Paraíba. Vandecí Dias dos Santos Graduada em Química pela Universidade Federal do Rio Grande do Norte (1991). Doutora em Química Inorgânica pela USP (1997). Professora da Universidade Estadual da Paraíba - Departamento de Química. José Tavares de Sousa Engenheiro Químico pela Universidade Federal da Paraíba (1980). Mestre em Engenharia Civil pela Universidade Federal da Paraíba (1986). Doutor em Engenharia Civil pela Escola de Engenharia de São Carlos - USP (1996). Professor da Universidade Estadual da Paraíba - Departamento de Química. Wellington Regis da Silva Graduando em Química Industrial pela Universidade Estadual da Paraíba. Bolsista CNPq categoria IC na Universidade Estadual da Paraíba. Endereço (1) : Rua Vigário Calixto, Catolé - Campina Grande - PB - CEP: Brasil - Tel: +55 (0xx83) valderi@paqtc.rpp.br RESUMO A região semi-árida do nordeste brasileiro é caracterizada por precipitação escassa e de distribuição irregular, de modo que atividades agrícolas são viáveis apenas quando da utilização de irrigação. O reuso de águas residuárias na agricultura, embora não considerado na política brasileira é prática comum em várias regiões do planeta. Além de servir como fonte hídrica, o reuso de águas residuárias na agricultura apresenta também o benefício do aproveitamento da matéria orgânica (nutrientes principalmente fósforo e nitrogênio) inerente aos esgotos domésticos, resultando em incrementos na produtividade agrícola e economia em fertilizantes. Este trabalho analisa o comportamento de espécies de fósforo (fósforo total e ortofosfato solúvel) e nitrogênio (orgânico, amoniacal, nitrito e nitrato) contidas em esgotos tratados numa série de lagoas de estabilização, em escala piloto, com um tempo de detenção hidráulica total de 11 dias. Tal sistema se mostrou insuficiente para remoção do excesso de nitrogênio total presente no esgoto de Campina Grande-PB, apresentando uma concentração final de nitrogênio total de 50,11 mg/l, correspondendo a uma eficiência de remoção de apenas 33%. Reduções mais expressivas no teor de nitrogênio seriam alcançadas se o sistema fosse operado com TDH total mais elevado. O reuso de águas residuárias na agricultura ocasiona uma redução, ou até eliminação, das necessidades de fertilizantes artificiais, com conseqüentes incrementos na receita líquida. As quantidades anuais de fósforo e nitrogênio adicionadas ao solo através da irrigação com o efluente do sistema aqui estudado, seriam de 160 kg/ha e mais que 100 kg/ha, respectivamente. PALAVRAS-CHAVE: Lagoas de Estabilização, Fósforo, Nitrogênio, Reuso, Irrigação. ABES - Associação Brasileira de Engenharia Sanitária e Ambiental 1

2 INTRODUÇÃO A região semi-árida do nordeste brasileiro é caracterizada por precipitação escassa (600 mm anuais) e de distribuição irregular (3-4 meses), de modo que atividades agrícolas são viáveis apenas quando da utilização de irrigação. O reuso de águas residuárias na agricultura, embora não considerado na política brasileira é prática comum (Shuval et al., 1986; Pescod & Arar, 1988; Mara & Carincross, 1989; Strauss & Blumenthal, 1989) em várias regiões do planeta. Além de servir como fonte hídrica, o reuso de águas residuárias na agricultura apresenta também o benefício do aproveitamento da matéria orgânica (nutrientes principalmente fósforo e nitrogênio) inerente aos esgotos domésticos, resultando em incrementos na produtividade agrícola e economia em fertilizantes (Marecos do Monte & Sousa, 1992; Mota et al., 1997). Este trabalho analisa o comportamento de espécies de fósforo (fósforo total e ortofosfato solúvel) e nitrogênio (amoniacal, orgânico, nitrito e nitrato) contidas em esgotos tratados numa série de lagoas de estabilização. Considerações sobre as formas de nitrogênio O nitrogênio é um dos elementos essenciais à vida, fazendo parte do protoplasma de organismos vivos e dos processos vitais de plantas e animais (Sawyer et al.1994). Embora podendo o nitrogênio agir como fertilizante, quantidades excessivas dos compostos deste elemento podem causar problemas às culturas agrícolas. Segundo Ayers & Westcot (1985) teores de nitrogênio total abaixo de 5 mg/l são tidos como não causadores de problemas, afetando muito pouco as culturas agrícolas mais sensíveis. Acima de 30 mg/l pode ser absorvido pelas plantas, sendo muito perigoso para algumas culturas. Além disso, crescimento vegetativo excessivo em detrimento à produção agrícola é característico de culturas irrigadas com água contendo excesso de nitrogênio. Ainda segundo Ayers & Westcot (1985) a forma de nitrogênio mais tóxica é o nitrito (NO - 2 ) e as mais facilmente assimiláveis são o nitrato (NO - 3 ) e o íon amônio (NH + 4 ), sendo ainda o nitrogênio total de extrema importância devido às freqüentes transformações promovidas por bactérias sobre as várias formas de nitrogênio. De acordo com Metcalf & Eddy (1991) o nitrogênio está presente em esgotos domésticos sob as seguintes formas e frações: nitrogênio amoniacal (12 50 mg/l), nitrogênio orgânico (8 35mg/L), nitrito (desprezível) e nitrato (desprezível). Portanto, faz-se necessário uma remoção parcial de teor de nitrogênio contido nos esgotos, antes de sua reutilização na irrigação de culturas agrícolas. De uma forma geral, as remoções de amônia em lagoas de estabilização chegam a alcançar 80% (Silva, 1982; da Silva, 1994; Silva et al. 1997), sendo os principais mecanismos de remoção os seguintes: volatilização (ph > 8,0) A difusão de amônia para a atmosfera é considerada por muitos autores como o principal mecanismo de remoção de nitrogênio em lagoas de estabilização, tendo como fatores intervenientes o ph e a temperatura (Toms et al, 1975; Idelovitch & Michail, 1981; Pano & Middlebrooks, 1982). assimilação pela biomassa de algas Uma das principais formas de reciclagem de nitrogênio em lagoas de estabilização é a assimilação por algas e bactérias (Ferrara & Avci, 1982; Arceivala, 1986). processos de nitrificação-desnitrificação. Este último mecanismo de remoção, embora citado na literatura, é sugerido (Pano & Middlebrooks, 1982) como pouco representativo em lagoas de estabilização. Considerações sobre as formas de fósforo Quanto ao fósforo, este se encontra presente em esgotos domésticos principalmente como fosfastos e segundo Araújo (1993) seus teores são geralmente de 6,5 9,0 mg/l de fósforo total e 2,0 7,0 mg/l de ortofosfato solúvel. Ao contrário do nitrogênio, teores excessivos dos compostos de fósforo não são reportados na literatura como causadores de problemas às culturas agrícolas, podendo ser reaproveitado em sua totalidade. O ortofosfato solúvel é a forma de fósforo mais prontamente assimilável por organismos aquáticos e plantas (Sawyer et al., 1994). A principal forma de remoção de fósforo em lagoas de estabilização é a precipitação de ortofosfato com íons de cálcio formando hidroxiapatita em condições de altos valores de ph. Quantidades apreciáveis de ortofosfato solúvel também são removidas através da assimilação pela biomassa de algas existente em lagoas de estabilização. ABES - Associação Brasileira de Engenharia Sanitária e Ambiental 2

3 MATERIAIS E MÉTODOS O experimento foi desenvolvido nas dependências da EXTRABES Estação Experimental de Tratamentos Biológicos de Esgotos Sanitários, Campina Grande-PB. O sistema experimental era constituído por um tanque séptico (TS), alimentado com esgoto bruto (EB) da cidade de Campina Grande-PB, seguido por lagoas de estabilização em série, sendo uma facultativa (LF), e duas de maturação (LM 1 e LM 2 ), todos em escala piloto. O tempo de detenção hidráulica (TDH) total do sistema era de 11 dias. As lagoas de estabilização eram providas de chicanas (tipo vai-e-vem) objetivando melhorias no regime hidráulico. Um esquema do sistema experimental é apresentado na Figura 1 enquanto que suas características físicas e operacionais estão descritas na Tabela 1. A coleta para análise dos principais parâmetros era realizada semanalmente às 08:00, do esgoto bruto (EB) e do efluente de cada unidade de tratamento. Para ph e temperatura, além das amostras de 08:00, eram coletadas também amostras nos seguintes horários: 11:00, 14:00 e 17:00. Com exceção da clorofila a, que foi determinada de acordo com Jones (1979), a determinação dos parâmetros seguiu as recomendações de APHA et al. (1992). TS LF LM 1 LM 2 Afluente Efluente Figura 1: Esquema em planta do sistema experimental estudado. Tabela 1: Características físicas e operacionais do sistema experimental estudado. Largura (m) Comprimento (m) Profundidade (m) Área a (m 2 ) Volume a (m 3 ) TDH (dias) TS 0,79 1,68 1,95 1,33 2,59 0,7 LF 0,79 1,68 1,09 1,27 1,38 4,0 LM1 0,79 1,68 0,83 1,27 1,03 3,0 LM2 1,25 1,46 0,74 1,00 1,15 3,3 a descontando as chicanas ABES - Associação Brasileira de Engenharia Sanitária e Ambiental 3

4 RESULTADOS As Figuras 2 e 3 mostram respectivamente o comportamento (média aritmética do experimento) das formas de nitrogênio e fósforo determinados nos pontos amostrados. As formas de nitrogênio nitrito e nitrato não são apresentadas devido ao fato dos reduzidos valores (menos que 1 mg/l) encontrados em relação às outra duas formas, confirmando ser desprezível a nitrificação em lagoas de estabilização, como sugerida por Pano & Middlebrooks, (1982). A Figura 4 mostra as variações sofridas pela clorofila a (a partir da lagoa facultativa) e ph ao longo da série (média aritmética do experimento). Na Figura 5 são apresentadas as variações de temperatura e ph sofridas ao longo do ciclo diário (média aritmética do experimento). O nitrogênio total (soma de todas as formas) no EB foi de cerca de 80 mg/l, o que segundo Ayers & Westcot (1985) seria nocivo às culturas agrícolas, tornando necessário o tratamento do esgoto para remoção parcial do teor de nitrogênio. Mesmo após o tratamento no sistema experimental em estudo, o nitrogênio amoniacal e o orgânico (formas predominantes) foram reduzidos em cerca de 30 e 50% respectivamente, resultando em cerca de 50 mg/l de nitrogênio total no efluente final, ainda nocivo às culturas agrícolas. As diminuições nos teores de nitrogênio amoniacal foram correspondidas por aumentos na biomassa de algas (clorofila a) e ph, confirmando os mecanismos de assimilação e volatilização para a remoção de amônia em lagoas de estabilização. A incorporação de mais reatores à série dos 4 já existentes, proporcionaria um aumento mais acentuado do ph com melhorias na remoção de amônia por volatilização. De fato, análise de regressão (Figura 6) mostrou que o limite de 5 mg/l de nitrogênio total sugerido por Ayers & Westcot (1985) como não causador de problemas às culturas agrícolas, seria alcançado com um TDH total de 31,8 dias. Este tempo é bastante próximo a 29,5 dias, encontrado (de Araújo et al. 2000) como sendo necessário para obtenção de um efluente com 10 3 ufc/100ml, em termos de coliformes fecais, no mesmo experimento relatado neste trabalho padrão recomendado pela OMS para irrigação irrestrita (WHO, 1989). Em comparação com outros experimentos com lagoas de estabilização já realizados na EXTRABES (Silva, 1982; de Oliveira, 1990; Silva et al. 1997) este tempo de 31,8 dias parece elevado. Entretanto, como ilustrado na Figura 7, percebe-se que o EB do presente trabalho foi mais concentrado (1,5 a 3 vezes) que o dos estudos já referidos. Uma possível causa para tal pode está relacionada ao racionamento de água de abastecimento realizado pela CAGEPA (Companhia de água e esgoto da Paraíba) em Campina Grande no período do experimento em estudo (4 dias por semana sem água). Dessa forma, o retardamento na obtenção de uma determinada concentração de amônia se deveu mais ao fato de suas elevadas concentrações no EB que ao desempenho do sistema de tratamento. Vale a pena salientar que para uma concentração de nitrogênio total de 5 mg/l, limite para o qual a água não prejudica as culturas agrícolas segundo Ayers & Westcot (1985), e para uma aplicação de 2000 mm anuais (quantidade de água suficiente para a grande maioria da culturas em regiões semi-áridas), o incremento de nitrogênio no solo seria de 100 kg/ha.ano. O fósforo total manteve-se praticamente constante ao longo do sistema enquanto que o ortofosfato solúvel (forma de fósforo prontamente assimilável pelas plantas) sofreu leve declínio da penúltima para a última lagoa. Parte dessa redução foi devido à incorporação à biomassa de algas (assimilação) denotado por um aumento na concentração de clorofila a (e fósforo total) e parte devido ao aumento do ph (precipitação sob a forma de hidroxiapatita), como ilustrado nas Figuras 3 e 4. Os mecanismos da assimilação e da precipitação são assim confirmados para a remoção de fósforo em lagoas de estabilização. Para uma aplicação de 2000 mm anuais com o efluente do sistema em estudo, a quantidade de fósforo adicionada ao solo seria de 160 kg/ha.ano. A Figura 5 demonstra que os valores de ph e temperatura, intervenientes no mecanismo de remoção de amônia por volatilização, são maiores ao longo do dia que no horário de 08:00. Dessa forma, os valores médios de amônia contidos no efluente do sistema de lagoas de estabilização estudado, são provavelmente inferiores aos encontrados para amostra de 08:00, o que consiste em ponto conservativo em relação às conclusos deste trabalho no que diz respeito aos danos que o excesso de nitrogênio pode causar às culturas agrícolas. ABES - Associação Brasileira de Engenharia Sanitária e Ambiental 4

5 70 60 Nitrogenio (mg/l) EB TS LF LM1 LM2 Nitrog.org Nitrog.amon Figura 2: Concentrações de nitrogênio orgânico e amoniacal nos pontos estudados. 10,0 9,0 8,0 Fosforo (mg/l) 7,0 6,0 5,0 4,0 3,0 2,0 1,0 0,0 EB TS LF LM1 LM2 Fosf.total Ortofosf.sol Figura 3: Concentrações de fósforo total e ortofosfato solúvel nos pontos estudados. ABES - Associação Brasileira de Engenharia Sanitária e Ambiental 5

6 800 8, Clorofila a (ug/l) ,85 7,60 7,35 ph 0 EB TS LF LM1 LM2 7,10 Clorofila a ph (08:00) Figura 4: Variações de clorofila a e ph nos pontos estudados. 30 8,6 29 8,4 Temperatura (oc) ,2 8,0 7,8 7,6 ph 24 7, :00 11:00 14:00 17:00 7,2 LF temp. LM1 temp. LM2 temp. LF ph LM1 ph LM2 ph Figura 5: Variações de temperatura e ph ao longo do ciclo diário. ABES - Associação Brasileira de Engenharia Sanitária e Ambiental 6

7 80 70 Nitrogenio total (mg/l) y = -2,26x + 76,97 R 2 = 0, TDH cumulativo (dias) Figura 6: Remoção de nitrogênio total ao longo da série de lagoas de estabilização estudada. Remocao de amonia em lagoas de estabilizacao Amonia (mg/l) TDH cumulativo (dias) este trabalho Silva (1982) exp1 Silva (1982) exp2 Silva (1982) exp3 de Oliveira (1990) exp1 de Oliveira (1990) exp2 Silva et al (1997) exp1 Silva et al (1997) exp2 Figura 7: Remoção de amônia em séries de lagoas de estabilização. ABES - Associação Brasileira de Engenharia Sanitária e Ambiental 7

8 CONCLUSÕES O sistema de lagoas de estabilização aqui estudado, com um TDH total de 11 dias se mostrou insuficiente para remoção do excesso de nitrogênio total presente no esgoto de Campina Grande-PB. Reduções mais expressivas no teor de nitrogênio seriam alcançadas se o sistema fosse operado com TDH total mais elevado. Um TDH total de cerca de 32 dias seria suficiente para obtenção de um efluente com 5 mg/l de nitrogênio total, concentração esta tida como não causadora de problemas às culturas agrícolas. Os mecanismos de assimilação e volatilização para a remoção de amônia e assimilação e precipitação para ortofosfato solúvel em lagoas de estabilização foram confirmados neste trabalho. Para uma concentração de nitrogênio total de 5 mg/l, limite para o qual a água não prejudica as culturas agrícolas segundo Ayers & Westcot (1985), e para uma aplicação de 2000 mm anuais (quantidade de água suficiente para a grande maioria da culturas em regiões semi-áridas), o incremento de nitrogênio no solo seria de 100 kg/ha.ano. Tal valor para o fósforo seria de 160 kg/ha.ano, mostrado que o reuso de águas residuárias na agricultura ocasiona uma redução ou até mesmo eliminação da necessidades de fertilizantes artificiais, com conseqüentes incrementos na receita líquida. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS 1. APHA, AWWA, WEF (1992). Standard Methods for the Examination of Water and Wastewater. 18th edition. Public Health Association Inc., New York. 2. ARAÚJO, A.L.C. Comportamento de formas de fósforo em sistemas de lagoas de estabilização, em escala piloto, sob diferentes configurações, tratando esgoto doméstico. Campina Grande, Dissertação de mestrado Departamento de Engenharia Civil, Universidade Federal da Paraíba, Campus II, ARCEIVALA, S.J. Wastewater treatment for pollution control. New Delhi. McGraw-Hill Publishing Company Limited AYERS, R.S., WESTCOT, D. Water Quality for Agriculture. Food and Agriculture Organization of the United Nations, Rome, Irrigation and Drainage Paper Number DA SILVA, F.J.A. Estudo do ciclo do nitrogênio em lagoas de estabilização tratando esgotos domésticos no nordeste do Brasil. Campina Grande, Dissertação de mestrado Departamento de Engenharia Civil, Universidade Federal da Paraíba, Campus II, DE ARAÚJO, H.W.C., LEITE, V.D., DA SILVA, J.B.P., ATHAYDE JÚNIOR, G.B., GOMES, F. Remoção de patógenos em tanque séptico e lagoas de estabilização tratando esgoto doméstico. IX simpósio luso-brasileiro de engenharia sanitária e ambiental Anais. III-019. p Porto Seguro-BA, DE OLIVEIRA, R. The performance of deep waste stabilization ponds in northeast Brazil. Leeds Tese de doutorado. University of Leeds, UK FERRARA, R.A., AVCI, C. Nitrogen dynamics in waste stabilization ponds. Journal of the water pollution control federation, v.54, n.4, p IDELOVITCH, E., MICHAIL, M. Nitrogen removal by free ammonia stripping from high ph ponds. Journal of the water pollution control federation, v.53, n.9, p JONES, G.J. A guide to methods for estimating microbial numbers and biomass in fresh water. Ambleside: Freshwater Biological Association Scientific Publication MARA, D.D., CAIRNCROSS, S. Guidelines for the safe use of wastewater and excreta in agriculture and aquaculture. World Health Organization/ United Nations Environment Programme MARECOS DO MONTE, M.H.F., SOUSA, M.S. Effects on crop of irrigation with facultative pond effluent. Water Science and Technology. v.26, n.7-8, p METCALF & EDDY. Wastewater Engineering - Treatment, Disposal, Reuse. 3rd Edition. McGraw- Hill MOTA, S., BEZERRA, F.C., TOMÉ, L.M. Avaliação do desempenho de culturas irrigadas com esgoto tratado. 19 Congresso Brasileiro de Engenharia Sanitária e Ambiental Anais. I-003, p Foz do Iguaçú-PR, PANO, A. e MIDDLEBROOKS, E.J. Ammonia nitrogen removal in facultative wastewater stabilization ponds. Journal of the Water Pollution Control Federation. v. 54, n.4, p ABES - Associação Brasileira de Engenharia Sanitária e Ambiental 8

9 16. PESCOD, M.B., ARAR, A. Treatment and Use of Sewage Effluents for Irrigation. FAO regional seminar on the treatment and use of sewage effluents for irrigation. Nicosia, Butterworths, London, UK SAWYER, C.N., MCCARTY, P.L., PARKIN, G.F. Chemistry for environmental engineering. 4 th edition. McGraw-Hill SHUVAL, H.I., ADIN, A., FATTAL, B., RAWITZ, E., YEKUTIEL, P. Wastewater irrigation in developing countries: health effects and technological solutions. World Bank Technical Paper Number 51. The World Bank, Washington, DC SILVA, S.A. On the treatment of domestic sewage in waste stabilization ponds in northeast Brazil. Dundee Tese de doutorado. University of Dundee, Scotland SILVA, S.A., ARAÚJO, A.L.C., DE OLIVEIRA, R., ATHAYDE JÚNIOR, G.B., SILVA, S.T.A. Comportamento amônia e formas de enxofre em uma série longa de lagoas de estabilização. 19 Congresso Brasileiro de Engenharia Sanitária e Ambiental Anais. I-145, p Foz do Iguaçú-PR, STRAUSS, M., BLUMENTHAL, U.J. Human wastes use in agriculture and aquaculture - utilisation practices and health perspectives. IRCWR Report N o 1/ TOMS, I.P., OWENS, M., MINDENHALL, M.J. Observations on the performance of polishing lagoons at a large regional works. Water Pollution Control..v.74, p WHO. Health Guidelines for the Use of Wastewater in Agriculture and Aquaculture. World Health Organisation Technical Report Series, No 778. World Health Organisation, Geneva ABES - Associação Brasileira de Engenharia Sanitária e Ambiental 9