II AVALIAÇÃO PRELIMINAR DE DUAS SÉRIES DE LAGOAS DE ESTABILIZAÇÃO NA GRANDE NATAL-RN

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1 II AVALIAÇÃO PRELIMINAR DE DUAS SÉRIES DE LAGOAS DE ESTABILIZAÇÃO NA GRANDE NATAL-RN André Luis Calado Araújo (1) Graduado em Engenharia Civil - UFPA (1990). Mestre em Engenharia Civil na Área de FOTO Engenharia Sanitária e Ambiental - UFPB (1993). PhD em Engenharia Civil na Área de Engenharia de Saúde Pública - Universidade de Leeds, Inglaterra (1999). Professor da NÃO Área de Recursos Naturais do Centro Federal de Educação Tecnológica do Rio Grande do DISPONIVEL Norte, CEFET-RN. Marco Antonio Calazans Duarte Graduado em Engenharia Civil e Especialista em Engenharia Sanitária - UFRN (1980;1991). Mestre em Engenharia Civil, área de Recursos Hídricos/Engenhasria Sanitária - UFPB (1999). Engenheiro da Companhia de Águas e Esgotos do RN-CAERN (1982). Professor da Área de Recursos Naturais do Centro Federal de Educação Tecnológica do Rio Grande do Norte, - CEFET-RN (1996). Professor convidado da Universidade Potiguar do curso de Engenharia Civil, disciplinas Tratamento de Águas e Ciências do Meio Ambiente (1998). Endereço (1) : Alameda da Mansões, Condomínio Bairro Latino, Bloco 12/203. Candelária. Natal - RN. CEP: acalado@cefetrn.br RESUMO Foram monitorados dois sistemas de lagoas em série, em escala real, que tratam os esgotos domésticos do bairro de Jardim Lola, município de São Gonçalo do Amarante, na grande Natal. Os sistemas estão localizados em área de mangue no estuário do rio Potengi. Os sistemas, denominados de Jardim Lola I (Bacia 04) e Jardim Lola II (Bacia 03) são constituídos por uma lagoa facultativa primária (LFP) seguida de duas lagoas de maturação (LM1 e LM2). As duas ETE s foram monitoradas no período de abril/2000 a abril de 2001, com base na coleta mensal de amostras puntuais de esgoto bruto e efluentes das lagoas entre 8:00 e 12:00 h. O esgoto bruto era coletado durante o tratamento preliminar, logo após a calha Parshall, enquanto que os efluentes foram coletados nas caixas de saída dos reatores. As duas séries de lagoas de estabilização estudadas apresentaram eficiências bem inferiores àquelas previstas no projeto. As séries obtiveram remoções médias de DBO, DQO, coliformes fecais e amônia entre 61-65%, 54-67%, 99,60-99,97% e 6%, respectivamente. Os efluentes finais apresentaram concentrações médias de DBO e DQO superiores a 200 e 300 mg/l, respectivamente. As concentrações finais de amônia foram superiores a 30 mg/l e as de coliformes fecais superiores a 10E4 ufc/100 ml. Este desempenho está diretamente relacionado com as elevadas cargas orgânicas aplicadas nos dois sistemas que foi duas vezes maior que a estimativa de projeto. Como conseqüência, os efluentes da lagoas apresentaram baixas concentrações de oxigênio dissolvido (1,9-5,8 mg/l) assim como valores de ph (7,2-7,7) próximos ao neutro indicando que os sistemas operavam na maior parte do ciclo diário em condições próximas ao estado de anaerobiose. A DBO medida no esgoto bruto foi de 670 mg/l, sendo cerca de duas vezes superior que aquela considerada no projeto. A proximidade da bacia contribuinte da estação de tratamento assim como a maior concentração de sólidos no esgoto devido ao menor consumo per-capita de água podem ter influenciado na elevada concentração média de DBO do esgoto bruto. Estes fatos devem ser levados em consideração quando em fase de projeto, para que sejam adotados valores de DBO no esgoto mais realísticos. Provavelmente, para este caso em particular, a DBO no esgoto bruto de cerca de 350 mg/l, utilizada no projeto, tenha sido um valor muito conservador. No entanto, faz-se necessário um estudo mais aprofundado, baseado em ciclos nictemerais, para obtenção de um valor mais realístico para a DBO do esgoto bruto. PALAVRAS-CHAVE: Lagoas de estabilização, carga orgânica, eficiência de tratamento, remoção de matéria orgânica, tempo de detenção hidráulica. ABES Trabalhos Técnicos 1

2 INTRODUÇÃO Existe hoje no Brasil um grande déficit de saneamento básico. Embora uma grande parcela da população seja atendida pelo abastecimento de água, apenas uma pequena parcela tem seus esgotos coletados e, uma fração ainda menor tem seus esgotos tratados antes do seu destino final. Este panorama também é realidade em Natal, Rio Grande do Norte, que tem apenas cerca de 30% de sua população ( habitantes) atendida por rede coletora de esgotos sanitários, sendo estes lançados na sua grande maioria sem nenhum tratamento no estuário do rio Potengi. É consenso entre os profissionais do saneamento a necessidade de buscar soluções que possam ampliar os serviços de saneamento a uma parcela bem maior da população, sem distinção da situação econômica, social, urbanística ou habitacional dos seus vários extratos. O sistema condominial de esgotos é um bom exemplo de uma solução alternativa para coleta de esgotos. Esse sistema tem como idéia principal a democratização dos serviços que são: adequação à realidade, gradualismo, disseminação, diferenciação do padrão, integração dos serviços e municipalização. Além disso, os esgotos são tratados em sistemas simplificados como lagoas de estabilização e sempre que possível, próximo da área contribuinte. Lagoas de estabilização são sistemas simples onde os esgotos são tratados biologicamente por processos naturais envolvendo principalmente algas e bactérias. Quando comparadas com outros processos de tratamento as lagoas apresentam muitas vantagens, como por exemplo, elevada eficiência na remoção de matéria orgânica e de microorganismos patogênicos, capacidade de suportar cargas orgânicas e hidráulicas de choque, simplicidade na operação e manutenção, não necessitam de energia elétrica, além do baixo custo de construção. No entanto, lagoas de estabilização têm uma grande desvantagem que é a necessidade de grandes áreas para sua implantação. Várias pesquisas realizadas no Nordeste do Brasil vêm demonstrando o elevado grau de tratamento das lagoas, produzindo via de regra efluentes com menos de 30 mg/l de DBO 5 e 1000 ufc/100 ml de coliformes fecais (Silva, 1982; de Oliveira, 1990; Araújo, 1993). Estas mesmas pesquisas também têm demostrado a possibilidade de otimizar o projeto no sentido de minimizar a área ocupada pelo sistema, como por exemplo, combinando lagoas anaeróbias e facultativas profundas com lagoas de maturação mais rasas. Vários sistemas de lagoas foram implantados no Estado do Rio Grande do Norte e devido aos problemas relacionados com a produção e destino de lodo e geração de odores, os projetistas têm evitado o uso de lagoas anaeróbias, dando preferência por séries combinando lagoas facultativas primárias e de maturação. Apesar de ocuparem maiores áreas, estão menos sujeitas aos problemas decorrentes da falta de operação e manutenção adequados. Embora existam vários sistemas de lagoas em operação, ainda não existe por parte dos responsáveis pela operação e manutenção um programa sistemático de monitoramento de tais sistemas para verificar suas eficiências e obter dados para futuros projetos. Este trabalho tem como objetivo fazer um diagnóstico preliminar de duas série de lagoas de estabilização na grande Natal e estabelecer metodologias de monitoramento para os sistemas de lagoas de estabilização operados e mantidos no Estado. É também objeto desta avaliação verificar se a eficiência dos sistemas esta dentro das faixas previstas no projeto, e, caso não estando, tentar identificar quais os fatores que influenciaram nesse comportamento. MATERIAIS E MÉTODOS Os dois sistemas de lagoas em série, em escala real, tratam os esgotos domésticos do bairro de Jardim Lola, município de São Gonçalo do Amarante, na grande Natal. Os sistemas estão localizados em área de mangue no estuário do rio Potengi. Os sistemas denominados de Jardim Lola I (Bacia 04) e Jardim Lola II (Bacia 03) são constituídos por uma lagoa facultativa primária (LFP) seguida de duas lagoas de maturação (LM1 e LM2). As características físicas e operacionais das duas séries estão apresentadas na Tabela 1. A alimentação dos sistemas é feita com esgoto bruto proveniente da rede coletora de esgotos sanitários do bairro de Jardim Lola. O sistema Jardim Lola I é alimentado pela bacia de esgotamento 04, com cerca de 1600 ligações, enquanto que a bacia 03, com aproximadamente 1300 ligações, alimenta o sistema Jardim 2 ABES Trabalhos Técnicos

3 Lola II. Após a reunião no último poço de visita de cada bacia o esgoto bruto é conduzido através de um emissário até a entrada da respectiva estação de tratamento. Tabela 1. Características físicas e operacionais dos sistemas de lagoas estudados. Sistemas Característica Jardim Lola I (bacia 04) Jardim Lola II (bacia 03) LFP-I LM1-I LM2-I LFP-II LM1-II LM2-II Comprimento (m) Largura (m) 70, , Profundidade (m) 1,2 1,2 1,2 1,2 1,2 1,2 Área (m 2 ) Volume (m 3 ) λs (kgdbo/ha.d) 400* * - - TDH (d) ,5 2,8 3,5 Vazão (m 3 /d) 887** 748** *λs - Carga orgânica superficial de projeto baseada numa DBO do esgoto bruto de 350mg/l; **Vazão de projeto; TDH - Tempo de detenção hidráulica de projeto Nas duas séries a descarga do esgoto bruto é feita na superfície da lagoa facultativa primária. A alimentação das lagoas seguintes é feita por gravidade, com o efluente da lagoa precedente, através de tubulações que permitem a descarga do afluente a aproximadamente 15 cm abaixo da superfície livre do líquido. As tubulações entre as lagoas e os dispositivos de entrada e saída são constituídos por tubos e conexões de PVC rígido de 300 mm de diâmetro. Um tê de 300 mm conectado à tubulação de saída e submerso 15 cm permitia que o efluente de cada lagoa fosse coletado 15 cm abaixo da superfície. Os dois sistemas foram monitorados no período de abril/2000 a abril de 2001, com base na coleta de amostras puntuais de esgoto bruto e efluentes das lagoas entre 8:00 e 12:00 h. Cada sistema foi monitorado mensalmente. O esgoto bruto era coletado durante o tratamento preliminar, logo após a calha Parshall, enquanto que os efluentes foram coletados nas caixas de saída dos reatores. As amostras para determinação de oxigênio dissolvido foram tomadas em frascos de DBO e fixadas no próprio campo. As amostras para determinação de coliformes fecais foram coletadas em frascos de polietileno esterilizados. Para as determinações dos demais parâmetros as amostras foram coletadas em frascos plástico de 2 l. Após a coleta as amostras foram levadas imediatamente ao laboratório para análise. Todos os parâmetros foram determinados de acordo com os procedimentos padrões descritos em APHA et al. (1992). A temperatura foi medida durante o procedimento de coleta com a utilização de um termômetro de filamento de mercúrio. O oxigênio dissolvido (OD) foi determinado pelo método iodométrico. As medidas de ph foram feitas eletrometricamente. A DBO 5 foi determinada pelo método dos frascos padrões. O método da refluxação fechada do dicromato de potássio foi utilizado para a determinação da DQO. O método da nesslerização direta foi aplicado em amostras submetidas ao pré-tratamento da precipitação química para determinação do nitrogênio amonical (N-NH 4 + ). Coliformes fecais termotolerantes (CF) foram enumerados pela técnica do substrato definido ONPG-MUG (APHA et al., 1995). Os resultados foram submetidos ao tratamento estatístico através do programa STATISTICA 5.5 versão de 2000 (Statsoft.com, 2001). Os dados foram submetidos a estatística descritiva para obtenção dos valores de tendência central (média), desvios padrões e faixas de variação. Através do uso de histogramas em conjunto com os testes de Kalmogorov-Smirnov e Shapiro-Wilks'W foi verificada a normalidade dos dados. A análise de variância (ANOVA) foi utilizada para verificar diferenças significativas entre os dados obtidas nos dois sistemas enquanto que o teste de Tukey para amostras desiguais foi utilizado para determinar quais médias de dados eram diferentes (Statsoft.com, 2001). ABES Trabalhos Técnicos 3

4 APRESENTAÇÃO E DISCUSSÃO DOS RESULTADOS A Tabela 2 apresenta os valores médios e desvios padrões dos parâmetros analisados, durante o período de abril/2000 a abril/2001, no esgoto bruto afluente e efluentes dos reatores dos dois sistemas estudados. A verificação da normalidade indicou que todos os parâmetros apresentaram distribuição normal, com exceção de coliformes fecais. Dessa forma, a média aritmética foi utilizada como medida de tendência central para todos os parâmetros, com exceção de coliformes (média geométrica). Tabela 2. Média e desvio padrão dos parâmetros analisados durante a monitoração das séries de lagoas Jardim Lola I e II (Natal/RN), durante abril de 2000 a abril de Parâmetros Jardim Lola I (bacia 04) Jardim Lola II (bacia 03) LFP-1 LM-1 LM-2 LFP-2 LM-3 LM-4 Temperatura ( C) 29,0 28,1 28,8 28,2 28,1 29,4 28,9 (1,45) (1,6) (1,5) (1,7) (1,0) (1,7) (1,6) OD (mg/l) - 2,7 2,9 5,8 1,9 4,7 2,8 (1,5) (1,9) (4,9) (1,5) (4,0) (2,4) ph 7,2 7,7 7,4 7,4 7,4 7,3 7,4 (0,6) (0,4) (0,5) (0,6) (0,4) (0,3) (0,3) DBO 5 (mg/l) (304) (72) (129) (94) (104) (92) (160) DQO (mg/l) (509) (146) (118) (171) (158) (308) (278) N-NH + 4 (mgn/l) 32,2 26,1 28,0 30,2 28,3 26,9 30,4 CF (ufc/100 ml)* (9,1) 1,08E8 (2,6) 6,8E5 (4,3) 1,1E5 (7,8) 3,2E4 (5,8) 1,7E6 (5,4) 5,3E5 (13,2) 4,3E5 ND - não determinado *média geométrica As temperaturas de todas as amostras variaram em torno de 26,0 e 31,0 o C. Os valores médios variaram entre 28 e 29 o C. O ph médio do esgoto bruto foi de 7,2, sendo observado pequenas variações ao longo das duas séries, cujos efluentes finais apresentaram um valor médio de 7,4. Este baixo valor obtido nos efluentes das duas lagoas de maturação secundária é um indício de que os sistemas estão operando com elevadas cargas orgânicas que favorecem o predomínio de condições próximas da anaerobiose. A Figura 1 apresenta a variação dos valores de ph e oxigênio dissolvido nas séries estudadas e no esgoto bruto afluente. Foi observado um aumento nas concentrações de oxigênio dissolvido ao longo das séries, sendo verificado nos efluentes finais em LM2-I e LM2-II concentrações de 5,8 e 2,8 mg/l, respectivamente. Vale salientar que embora os efluentes tenham sido coletados próximo à superfície das lagoas pela manhã (horas de elevada intensidade luminosa), os valores medidos podem ser considerados baixos para lagoas de maturação (Silva, 1982; de Oliveira, 1990; Araújo, 1993). Mais um indício de que nos dois sistemas predominaram condições próximas à anaerobiose, particularmente no sistema Jardim Lola II, cujo tempo de detenção hidráulica total é de apenas 16 dias (10 dias menos que no outro sistema - TDH = 27 dias). 4 ABES Trabalhos Técnicos

5 Figura 1. Variação dos valores médios, mínimos e máximo de ph e oxigênio dissolvido obtidos nasete s Jardim Lola I e II, Natal/RN. 8,2 12 7, ph 7,4 7,0 Oxigênio dissolvido (mg/l) ,6 0 6,2-2 Não foi observado nos dois sistemas remoção de nitrogênio amoniacal. A concentração verificada no esgoto bruto (32,2 mgn-l) pouco variou ao longo das séries sendo observado nos efluentes finais valores de 28,0 e 30,4 mgn/l, respectivamente para LM2-I e LM2-II. Esse baixo desempenho está associado aos baixos valores de ph verificados ao longo das duas séries uma vez que a volatilização da amônia, fortemente influenciada por valores elevados de ph, é o mecanismo de remoção de nitrogênio mais importante nesse tipo de tratamento (Soares, 1996). A Figura 2 apresenta a variação dos valores de amônia ao longo das duas séries monitoradas. O esgoto bruto apresentou uma concentração média de coliformes fecais de 1,08E8 ufc/100 ml. A série Jardim Lola I produziu um efluente final médio de 3,2E4 ufc/100 ml enquanto que na outra série o afluente final apresentou 4,3E5 ufc/100 ml. Os sistemas JL-I e JL-II obtiveram eficiências de remoção de 99,97% e 99,60%, respectivamente. Vale salientar que os projetos previam efluentes finais com menos de 10E3 ufc/100 ml. No entanto, como conseqüência das elevadas cargas orgânicas aplicadas, levando os sistemas a trabalharem em condições próximas à anaerobiose, com valores de ph próximos ao neutro, as duas séries não foram completamente eficientes na remoção de coliformes fecais. Devido à grande variabilidade dos dados de coliformes, a análise de variância (ao nível de confiança de 5%) demonstrou não haver diferenças significativas entre as médias obtidas no esgoto bruto e nos efluentes de todas as lagoas estudadas (p > 0,05) Amônia (mg/l) LFP-I LM1-I LM2-I LFP-II LM1-II LM2-II Figura 2. Variação dos valores médios, mínimos e máximo de amônia obtidos nasete s Jardim Lola I e II, Natal/RN. ABES Trabalhos Técnicos 5

6 Nos dois sistemas a remoção de DBO ocorreu praticamente nas lagoas facultativas. A DBO foi reduzida de 670 mg/l, no esgoto bruto, para 215 e 279 mg/l nos efluentes das lagoas LFP-I e LFP-II, respectivamente, atingindo eficiências de remoção de 68 e 58%, respectivamente. No entanto, os efluentes finais das duas séries apresentaram valores de 231 (LM2-I) e 257 mg/l (LM2-II) não diferindo muito das concentrações verificadas nos efluentes das lagoas facultativas. A análise de variância aplicada aos dados de DBO dos dois sistemas e do esgoto bruto, ao nível de significância de 0,05, demonstrou haver diferenças significativas entre as médias de DBO (p < 0,05). No entanto, o teste de Tukey, ao nível de 0,05, determinou que os efluentes das lagoas facultativas e de maturação, nos dois sistemas, formam um único grupo de médias que não diferem significativamente entre si (p > 0,05), mas diferem da média obtida no esgoto bruto (p < 0,05). Em outras palavras, os reatores após as lagoas facultativas primárias não proporcionam remoção significativa de DBO. Vale salientar ainda que as eficiências de remoção de DBO estão muito abaixo das previstas no projeto e, provavelmente estão associadas ao elevado valor de DBO encontrado no esgoto bruto (670 mg/l) resultando numa carga orgânica superficial nas lagoas facultativas cerca de duas vezes superior que a prevista no projeto. O elevado valor médio de DBO verificado no esgoto bruto pode estar relacionado com a pequena distância que se verifica entre as bacias contribuintes e suas respectivas estações de tratamento. Durante as coletas de amostras foi constatado que o esgoto era muito fresco, com uma elevada concentração de matéria orgânica em suspensão, inclusive sólidos grosseiros flutuantes. Além disso, a população contribuinte é de baixa renda, apresentando um consumo per-capita de água abaixo da média tornando o esgoto mais concentrado. A DQO foi reduzida de 1026 mg/l no esgoto bruto para, 520 (LFP-I) e 585 mg/l (LFP-II) nos efluentes das lagoas facultativas primárias, correspondendo a eficiências de remoção de 49 e 43%. As lagoas de maturação promoveram uma remoção adicional de DQO, no entanto, de forma discreta. Os efluentes finais das séries apresentaram concentrações médias de 340 e 472 mg/l, nos sistemas Jardim Lola I e Jardim Lola II, representando eficiências de remoção de apenas 67 e 54%, respectivamente. Uma característica marcante com relação a DQO foi a grande variabilidade dos resultados. A análise de variância ao nível de 0,05, demonstrou, por exemplo, haver diferença significativa entre as médias de DQO. No entanto, a comparação entre as médias feita pelo teste de Tukey (0,05) constatou que as diferenças significativas foram obtidas entre as médias dos efluentes das lagoas de maturação secundárias (LM2-I e LM2-II) com a média do esgoto bruto (p < 0,05). As demais médias formam grupos sigficativamente iguais (p > 0,05). A Figura 3 apresenta a variação dos valores DBO e DQO ao longo das duas séries monitoradas DBO (mg/l) DQO (mg/l) Figura 3. Variação dos valores médios, mínimos e máximo de DBO E DQO obtidos nasete s Jardim Lola I e II, Natal/RN. 0 6 ABES Trabalhos Técnicos

7 CONCLUSÕES As duas séries de lagoas de estabilização estudadas apresentaram eficiências bem inferiores àquelas previstas no projeto. As séries obtiveram remoções médias de DBO, DQO, coliformes fecais e amônia entre 61-65%, 54-67%, 99,60-99,97% e 6%, respectivamente. Os efluentes finais apresentaram concentrações médias de DBO e DQO superiores a 200 e 300 mg/l, respectivamente. As concentrações finais de amônia foram superiores a 30 mg/l e as de coliformes fecais superiores a 10E4 ufc/100 ml. Este desempenho está diretamente relacionado com as elevadas cargas orgânicas aplicadas nos dois sistemas que foi duas vezes maior que a estimativa de projeto. Como conseqüência, os efluentes da lagoas apresentaram baixas concentrações de oxigênio dissolvido (1,9-5,8 mg/l) assim como valores de ph (7,2-7,7) próximos ao neutro indicando que os sistemas operavam na maior parte do ciclo diário em condições próximas ao estado de anaerobiose. A DBO medida no esgoto bruto foi de 670 mg/l, sendo cerca de duas vezes superior que aquela considerada no projeto. A proximidade da bacia contribuinte da estação de tratamento assim como a maior concentração de sólidos no esgoto devido ao menor consumo per-capita de água podem ter influenciado na elevada concentração média de DBO do esgoto bruto. Estes fatos devem ser levados em consideração quando em fase de projeto, para que sejam adotados valores de DBO no esgoto mais realísticos. Provavelmente, para este caso em particular, a DBO no esgoto bruto de cerca de 350 mg/l, utilizada no projeto, tenha sido um valor muito conservador. No entanto, faz-se necessário um estudo mais aprofundado, baseado em ciclos nictemerais, para obtenção de um valor mais realístico para a DBO do esgoto bruto. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS 1. APHA et al. (1992). Standard methods for the examination of water and wastewater. 18a edição. American Public Health Association. Washington, DC. 2. Araújo, A.L.C. (1993). Comportamento de formas de fósforo em sistemas de lagoas de estabilização, em escala-piloto, sob diferentes configurações, tratando esgoto doméstico. Dissertação de Mestrado. Universidade Federal da Paraíba. 3. De Oliveira, R. (1990). The performance of deep waste stabilization ponds in northeast Brazil. Tese de Doutorado. Universidade de Leeds, UK. 4. Silva, S.A. (1982). On the treatment of domestic sewage in waste stabilization ponds in northeast Brazil. Tese de Doutorado. Universidade de Dundee, UK. ABES Trabalhos Técnicos 7