CARACTERIZAÇÃO RESPIROMÉTRICA DA DEMANDA BIOQUÍMICA DE OXIGÊNIO DO SEDIMENTO (DBOS) E MODELAGEM DE SEUS IMPACTOS SOBRE A QUALIDADE DA ÁGUA

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1 CARACTERIZAÇÃO RESPIROMÉTRICA DA DEMANDA BIOQUÍMICA DE OXIGÊNIO DO SEDIMENTO (DBOS) E MODELAGEM DE SEUS IMPACTOS SOBRE A QUALIDADE DA ÁGUA Letícia Mothé do N. Rodrigues 1, Renato P. de Andrade 2, Aloísio J. B. Cotta 3 1 CEUNES-UFES/Departamento de Engenharias e Tecnologia, São Mateus-ES, leticiamothe15@gmail.com ²Instituto Federal de Educação, Ciência e Tecnologia do Sudeste de MG - Campus Juiz de Fora-MG, renato.andrade@ifsudestemg.edu.br 3 CEUNES-UFES/Departamento de Ciências Naturais, São Mateus-ES, aloisio.cotta@ufes.br Resumo A contribuição da matéria orgânica acumulada nos sedimentos do leito do rio São Mateus sobre a dinâmica do oxigênio dissolvido nas águas foi avaliada mediante a coleta e caracterização respirométrica de amostras de água e sedimento. A constante de desoxigenação do sedimento (K1- sedimento) foi determinada e incluída nos parâmetros de entrada do modelo da capacidade autodepurativa desenvolvido para o rio São Mateus. Variações na constituição (teor de matéria orgânica e sua taxa de biodegradação) entre amostras de sedimento coletadas em dois pontos, um antes e outro após o rio receber os despejos da cidade de São Mateus-ES, foram estudados e revelaram que depois da cidade o teor de matéria orgânica é mais de 30 vezes superior e que a velocidade de consumo de OD é mais de 5 vezes superior com relação ao ponto antes da cidade. Os valores obtidos para a constante K1, em ambos os pontos, estão de acordo com as referências e demonstram o impacto da elevada descarga dos efluentes municipais, ricos em esgoto sanitário não tratado, sobre a qualidade dos sedimentos e das águas no ponto a jusante da cidade. Palavras-chave: Respirometria, consumo de oxigênio e sedimento. Área do Conhecimento: Ciências Exatas e da Terra Introdução A falta de saneamento básico impacta, de forma significante, a qualidade e a disponibilidade da água para abastecimento da população do município de São Mateus-ES. Sendo o rio São Mateus e seu afluente, rio Abissínia, o destino final de todo o esgoto doméstico não tratado da cidade, situação essa que se repete nas mais de 20 cidades de sua bacia hidrográfica. O esgoto doméstico, descartado ainda em sua forma bruta, possui elevado teor de material orgânico biodegradável (MOB), cuja estabilização pelos mecanismos naturais de autodepuração, implica em um grande consumo do oxigênio dissolvido (OD) nas águas. Este elevado consumo compromete a dinâmica dos ecossistemas aquáticos e prejudica seriamente as populações que se vale deste recurso (Sperling, 2007). Para avaliar os impactos causados pelo lançamento desses efluentes em rios, alguns parâmetros são monitorados, dentre eles, a demanda bioquímica de oxigênio (DBO), a qual consiste na medida da quantidade de OD consumido por microorganismos durante a degradação da matéria orgânica presente na água. O estudo da capacidade autodepurativa do Rio São Mateus demonstrou que, para sua vazão de referência, os níveis de OD podem cair abaixo do valor mínimo estipulado pela Resolução CONAMA 357 de 2005 (VARGAS et al. 2013), isto acontece como resultado do excessivo lançamento de esgoto doméstico nas águas, o qual apresenta uma elevada DBO. Estima-se que isso implique no lançamento diário de mais de 4,3 t de DBO no rio São Mateus. A situação é ainda mais grave, pois no modelo empregado, a contribuição da demanda bioquímica de oxigênio do sedimento (DBOS) não foi incluída nas variáveis de entrada, uma vez que ainda não haviam dados sobre as características dos sedimentos de fundo do rio São Mateus. Visando avaliar a contribuição da DBOS para o consumo de OD e, consequentemente, sua influência sobre a qualidade das águas do rio São Mateus, o presente trabalho descreve a caracterização de amostras de água e sedimento coletadas em dois pontos do rio São Mateus, Figura 1, com o objetivo de determinar a velocidade de consumo de OD associado ao sedimento (K1-sedimento) e o uso desta informação para complementar o modelo de avaliação da capacidade de autodepuração desenvolvido para o rio. 1

2 Figura 1 Localização da área de estudo, mapa do ES com indicação da bacia do rio São Mateus e destaque para o entorno da cidade de São Mateus-ES, com a indicação dos locais de amostragem 1 e 2 no rio São Mateus, identificados respectivamente como: Antes e Depois da cidade. O ponto 2 foi estabelecido a jusante da descarga dos efluentes municipais, ricos em esgoto sanitário não tratado, sobre o rio São Mateus. Metodologia Ensaio respirométrico Para a realização dos ensaios, amostras de sedimento superficial foram coletadas em dois pontos, antes (Ponto 1) e após a cidade (Ponto 2) com draga Eckman (5 litros), lançada a partir de um barco ancorado na porção central da calha do rio, onde também foram coletados 2 L de água, que conjuntamente com as amostras de sedimento foram acondicionadas em caixa de isopor, com gelo, e transportados para o laboratório para início dos ensaios. Antes dos ensaios o oxímetro (Hanna, HI 9146) foi calibrado conforme recomenda o fabricante. Para sua fixação ao frasco, foi utilizado um alonga pequeno, no qual o sensor foi inserido de forma que evitasse a entrada de ar no reator, que possui as seguintes dimensões: área da base de 0,0064 m² e altura de 15,7 cm. O sistema utilizado é mostrado na Figura 2, no ensaio uma porção de aproximadamente 50,0±0,5 g de sedimento (previamente drenado por filtração à vácuo), foi inserida no frasco reator de 1 L que foi preenchido completamente com a própria água do rio contendo nutrientes e solução tampão previamente, adicionados dois dias antes do ensaio, juntamente com 60 mg de sacarose para aclimatação dos microorganismos decompositores da amostra. Antes de adicionar a amostra de sedimento, um respirograma era registrado para confirmar a constância do consumo de OD. Isto é, a taxa endógena do sistema (estes ensaios são citados abaixo como: sem sedimento). O teste se inicia com a agitação, por meio de barra magnética, mantida constante conforme demanda o sensor de OD, e aeração da amostra com sedimento (com bomba de aquário injetando ar em pedra porosa posicionado do interior do frasco reator) até se alcançar valores de OD próximos ou superiores a 6 mg/l. Em seguida, o fornecimento de oxigênio é interrompido, e inicia-se o registro do OD por 1 hora, ou até se atingir o mínimo de 3 mg/l (FERREIRA et al. 2002). Após isso, a amostra é novamente aerada e o procedimento repetido duas vezes/dia durante 3 dias. Para tal, as amostras foram mantidas ao abrigo da luz à 20º C, conforme realizado no ensaio padrão da DBO descrito na norma ABNT/NBR

3 Figura 2 Sistema respirométrico para o registro do consumo de OD. A partir do respirograma registrado para a amostra (ou taxa exógena), a constante de desoxigenação (K1) relativa ao sedimento, foi calculada conforme descrito por Johnson (1979), equações 1 e 2. Velocidade (mg.l -1.min -1 ) = OD i OD f t (Equação 1) K 1 (go 2 m 2 d 1 ) = Velocidade V f (Equação 2) A Sendo: ODi: OD inicial (mg.l -1 ); ODf: OD final (mg.l -1 ); t: duração do ensaio (min); V: Volume do frasco reator (L); A: área da base do frasco reator (m²); f: fator de conversão de unidades = 1,44 Determinação do teor de matéria orgânica por calcinação A calcinação das amostras de sedimento coletadas foi realizada conforme ABNT/NBR Para a realização do procedimento cerca de 10,0±0,5 g de cada amostra de sedimento foram drenadas por meio de filtração a vácuo. O teor de matéria orgânica, na base seca, foi estimado com a equação 3. % matéria orgânica = (M 1 M 2 ) 100 M seca (Equação 3) Sendo: M1: massa do cadinho mais amostra, previamente seca à 110 ºC, por 2h. M2: massa do cadinho (Mcadinho) mais amostra calcinada à 550 ºC, por 2h. Mcadinho: massa do cadinho, previamente calcinado à 550 ºC, por 2h. Mseca: M1 - Mcadinho. Resultados Na Tabela 1, são apresentados os teores de matéria orgânica obtidos com algumas amostras de sedimento coletadas. Com os ensaios respirométricos realizados foram elaborados respirogramas com o OD registrado ao longo dos ensaios e a DBOS, a qual representa o consumo integrado do OD. Estes estão exemplificados nas Figuras 3, com amostras do ponto 2 e do ponto 1, respectivamente. 3

4 Tabela 1 Dados do procedimento de calcinação para duplicatas das amostras dos pontos 1 e 2 Identificação Mcadinho (g) M1 (g) M2 (g) Mseca %MO A1 (Antes - 15/04) 26,15 31,15 31,12 5,00 0,59 A2 (Antes - 15/04) 24,97 29,99 29,95 5,02 0,75 B1 (Antes - 10/05) 25,19 29,17 29,16 3,98 0,31 B2 (Antes - 10/05) 24,76 29,78 29,76 5,01 0,39 C1 (Depois - 10/05) 25,48 27,20 26,91 1,72 16,76 C2 (Depois - 10/05) 26,46 28,15 27,87 1,69 16,71 D1 (Depois - 04/06) 25,54 27,53 27,21 1,98 15,99 D2 (Depois - 04/06) 25,07 27,04 26,72 1,97 16,38 Tabela 2 Velocidades de consumo de OD medidas em amostras dos pontos 1 e 2 Data Massa de sedimento (g) Identificação Velocidade (mg.l -1.min -1 ) 15/abr 10,01 Ponto 1 0,025 16/abr 30,43 Ponto 1 0,019 11/jul 51,64 Ponto 1 0,004 12/jul 51,64 Ponto 1 0,030 13/jul 51,64 Ponto 1 0,010 14/jul 51,64 Ponto 1 0,004 15/jul 51,64 Ponto 1 0,006 Mediana 0,010 10/mai 51,42 Ponto 2 0,038 10/mai 51,42 Ponto 2 0,050 11/mai 51,42 Ponto 2 0,012 11/mai 51,42 Ponto 2 0,016 12/mai 51,42 Ponto 2 0,035 12/mai 51,42 Ponto 2 0,027 04/jun 43,86 Ponto 2 0,032 04/jun 43,86 Ponto 2 0,038 06/jun 43,86 Ponto 2 0,036 06/jun 43,86 Ponto 2 0,011 07/jun 43,86 Ponto 2 0,074 07/jun 43,86 Ponto 2 0,037 Média 0,036 11/jul Sem sedimento Ponto 1* 0,004 12/jul Sem sedimento Ponto 2* 0,004 Média 0,004** * fonte da amostra de água. ** média da demanda endógena do sistema. 4

5 Figura 3: Respirograma (parte superior) e DBOS (parte inferior) registrados nos dias de ensaios com amostra coletada no ponto 2 (esquerda) e ponto 1 (direita). Figura 4: Perfil de OD gerado com planilha QUAL-UFMG para o rio São Mateus, à esquerda, sem inclusão da demanda associado ao sedimento, e a direita, modelo gerado com K1-sedimento. Discussões Em média, os valores de teor de matéria orgânica obtidos para os pontos 1 e 2 foram 0,52% e 16,4%, respectivamente. Deste modo, no ponto 2 o teor de matéria orgânica é mais de 30 vezes superior ao obtido no ponto 1. Essa diferença se deve ao ponto 2 receber os efluentes municipais, ricos em esgoto sanitário não tratado. Visivelmente os sedimentos são também distintos, enquanto as amostras do ponto 1 são constituídas de areia grosseira com grãos de 1 a 2 mm de cor levemente escura, as amostras do ponto 2 são compostas por partículas muito finas, de aspecto pastoso e bastante escuras. Para a amostra do ponto 2 (esquerda, Figura 3), os dados de DBOS variaram de 2 a 3 mg.l -1.h -1, com velocidades aproximadamente constantes ao longo dos 3 dias de ensaio. Considerando-se as 72 h, que representam o tempo que as águas do rio gastam até desaguar na foz, o consumo total de OD nestes dias variam de (2 mg.l -1.h -1 *72h= 144 mg.l -1 ) 144 a 216 mg/l de O2. Ou seja, a estabilização da MOB presente nos sedimentos do ponto 2, implica em expressivo consumo de OD, o que torna a água próxima de interface sedimento-água empobrecida em OD, uma vez que a velocidade de difusão do OD até esta interface ( 1 mg.l -1.h -1 ) é menor que a velocidade de consumo do OD estimada neste estudo. Dados referentes ao ponto 1, também apresentados na Figura 3, mostram o contraste entre os dois pontos de estudo, onde o ponto 1 apresenta um elevado consumo de OD apenas no primeiro dia de ensaio que decresce nos dias seguintes. No terceiro dia de ensaio, o consumo de OD registrado se assemelha ao registro associado à demanda endógena do sistema (0,004 mg.l -1.h -1 ), ou seja, não há 5

6 mais demanda de OD pela estabilização da MOB do sedimento. Isto provavelmente se deve ao menor conteúdo de matéria orgânica das amostras do ponto 1, como registrado com os dados de calcinação (Tabela 1). Utilizando os dados da Tabela 2, e as Equações 1 e 2, a constante de desoxigenação do sedimento (K1-sedimento), que segue uma cinética de 1º ordem, foi calculada. Para tal, a mediana dos valores obtidos de velocidade de consumo do OD para os pontos 1 e 2, foi considerada após se descontar a taxa endógena, assim a velocidade corrigida para o ponto 1 é de 0,006 mg.l -1.min -1 e para o ponto 2 de 0,032 mg.l -1.min -1. Para o ponto 1 foi obtida uma constante K1 de 1,35 go2.m -2.d -1 e de 7,20 go2.m - 2.d -1 para o ponto 2, que é mais de 5 vezes superior ao valor obtido para o ponto 1. Comparando os valores de K1-sedimento encontradas com os valores de Thoman (1974), verificouse a semelhança com os valores esperados, respectivamente, 0,2 1,0 go2.m -2.dia -1 para leito arenoso e 2,0 10,0 go2.m -2.dia -1 para lodo de esgoto municipal nas proximidades do lançamento. Valores acima de 1 go2.m -2.dia -1 são tidos como indicativos de ambiente poluídos e revelam que o ponto 2, por estar perto do lançamento dos efluentes municipais, é severamente impactado pela disposição de uma elevada carga de material biodegradável. O que foi confirmado ao se incluir o valor estimado para K1- sedimento, do ponto 2, às variáveis de entrada do modelo, Figura 4. O que revelou a contribuição da DBOS sobre o OD crítico baixar de 3,75 para 3,05 mg/l. Conclusões O sistema respirométrico construído pode ser operado com sucesso para caracterização das amostras de sedimento. A diferença entre os valores de K1 e teor de MO dos pontos 1 e 2, revelam a necessidade tratamento dos efluentes municipais antes de seu lançamento em corpos receptores, bem como a relevância que o parâmetro DBOS, tem sobre a qualidade das águas dos rios e na sua capacidade autodepurativa, a qual é adicionalmente comprometida pela demanda associada ao sedimento. O presente estudo confirmou que o sedimento atua como depósito de grande quantidade de MOB. O que, no ponto 2, decorre do lançamento indiscriminado de esgoto não tratado no rio. Agradecimentos A FAPES pela Bolsa de IC e ao CEUNES (PRPPG: 3072/2011). Referências Bibliográficas ABNT/NBR Norma técnica. Águas - Determinação de resíduos (sólidos) - Método gravimétrico. Associação Brasileira de Normas Técnicas, 7 p. ABNT/NBR Norma técnica. Águas - Determinação da demanda bioquímica de oxigênio (DBO) - Método de incubação (20 C, cinco dias). Associação Brasileira de Normas Técnicas, 5 p. FERREIRA, E.D.S. (2002). Aplicação da respirometria na caracterização de esgoto doméstico afluente a uma ETE por processo de lodos ativados. Dissertação de mestrado em tecnologia ambiental e recursos hídricos. Departamento de Engenharia Civil e Ambiental da Universidade de Brasília, Brasil, 117p. JOHNSON, A.F A Method for Measuring Sediment Oxygen Demand Using a Bench Model Benthic Respirometer. New England Regional Laboratory, 6 p. SPERLING, M Estudos e modelagem da qualidade da água de rios. Belo Horizonte, UFMG, 588 p. (ISBN: ). VARGAS, M.V.L.; COTTA, A.J.B. (2013). Avaliação dos impactos decorrentes do lançamento de efluentes urbanos no Rio São Mateus ES: Resultados Preliminares. In: XVI COREEQ Congresso Regional de Engenharia Química. 6