CONTROLE MICROBIOLÓGICO NA OPERAÇÃO DE UM SISTEMA DE LODOS ATIVADOS - ESTUDO EM ESCALA PILOTO

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1 CONTROLE MICROBIOLÓGICO NA OPERAÇÃO DE UM SISTEMA DE LODOS ATIVADOS - ESTUDO EM ESCALA PILOTO Eduardo Pacheco Jordão (1) Engenheiro Civil e Sanitarista, Professor Adjunto da Escola de Engenharia da Universidade Federal do Rio de Janeiro. Denise Villas Bôas Bióloga, Professora da Universidade Cruzeiro do Sul, e Doutoranda da FOTO Escola Politécnica da Universidade de São Paulo. Jeana R. da Conceição Engenheira Química, aluna de mestrado da Universidade Federal do Rio de Janeiro. Tereza Cristina R. da Silva Bióloga, Encarregada Geral dos Laboratórios da Companhia Estadual de Águas e Esgotos do Rio de Janeiro - CEDAE. Pedro Além Sobrinho Engenheiro Civil e Sanitarista, Professor Titular da Escola Politécnica da Universidade de São Paulo. Endereço (1) : Escola de Engenharia da Universidade Federal do Rio de Janeiro - Departamento de Hidráulica e Saneamento - Cidade Universitária - Rio de Janeiro - RJ - CEP: Brasil.. RESUMO A investigação microscópica do lodo ativado fornece informações sobre a estrutura e a forma dos flocos, a presença e o tamanho de microorganismos filamentosos, o número de protozoários e micrometazoários. A regularidade desta investigação contribui para uma melhor compreensão sobre a estrutura do floco do lodo e da composição da sua biota. Por sua vez, o exame microscópico pode trazer informações importantes que se relacionam com o comportamento do processo de lodos ativados. Tendo em conta estas observações estabeleceu-se um controle biológico de uma estação de tratamento piloto operando no sistema de lodos ativados, com uso de câmara seletora. Os objetivos de fornecer informações concernentes ao controle da biota do lodo, e relacionar alguns indicadores biológicos do provável comportamento do processo de lodos ativados, são discutidos, e os resultados obtidos apresentados e analisados. PALAVRAS-CHAVES: Análises Microbiológicas, Lodos Ativados, Bioindicadores, Bactérias Filamentosas, Protozoários. 19 o Congresso Brasileiro de Engenharia Sanitária e Ambiental 625

2 INTRODUÇÃO A investigação microscópica do lodo ativado traz informações importantes que se relacionam com o comportamento do processo de tratamento biológico. Vale lembrar que são dois os objetivos do processo de lodos ativados: reduzir a carga de poluição a níveis pré determinados e aceitáveis, e produzir um efluente límpido e cla rificado. Para estes dois objetivos os microrganismos desempenham um papel fundamental, e sua caracterização se torna um indicador importante no controle operacional do processo. Entre a microbiota existente no sistemas de lodos ativados as bactérias são os microrganismos mais importantes, porque são responsáveis pela decomposição da matéria orgânica. Essas bactérias são formadas de uma população mista que não crescem de forma sincronizada; enquanto uma parte delas se encontra na fase exponencial de crescimento, portanto de renovação celular, outra parte acha-se na fase estacionária e uma terceira, ainda, na fase de declínio. Esse fenômeno tem grande importância, pois são nestas condições que ocorrem a formação de flocos. A estrutura do floco é subdividida em 2 níveis: a) macroestrutura: formada por microrganismos filamentosos. Esta estrutura é considerada o "esqueleto" do floco, possibilitando que o floco apresente um tamanho ideal apesar do ambiente turbulento do tanque de aeração. b) microestrutura: formada pela biofloculação. É a base do floco que tem como função, formar os agregados de células. Apesar das bactérias filamentosas terem grande importância na estrutura do floco, o seu crescimento deve ser limitado, pois em grandes quantidades essas bactérias saem para fora do floco, não permitindo que ocorra o processo de sedimentação no decantador. Esse fenômeno é conhecido como intumescimento do lodo. Entretanto, quando as bactérias filamentosas apresentam-se em pequenas concentrações, os flocos não adquirem tamanho ideal, formando flocos do tipo pin-point, o que também dificulta a sedimentação do lodo nos decantadores. Alem dos flocos que são formados de bactérias, a microfauna desempenha um importante papel no sistema de lodos ativados por clarificar o efluente, consumindo a matéria orgânica particulada, e por ser ativo predador de bactérias, estimulando assim o seu crescimento. Ela é utilizada como indicadora do conjunto de parâmetros de lodos ativados, uma vez que sua natureza varia com o nível de depuração, concentração de oxigênio dissolvido, presença de substâncias tóxicas etc., dentro do tanque de aeração. Desse modo, a regularidade da realização de exames microscópicos no lodo biológico do tanque de aeração pode contribuir para uma melhor compreensão sobre a estrutura do floco do lodo e da composição de sua biota. Tendo em conta estas considerações, estabeleceu-se um controle biológico de uma estação de tratamento piloto operando no sistema de lodos ativados, com uso de câmara seletora, em duas modalidades: com fluxo tendendo a pistão, e com mistura completa. 19 o Congresso Brasileiro de Engenharia Sanitária e Ambiental 626

3 O presente estudo teve o objetivo de fornecer informações concernentes ao controle da biota do lodo ativado através de análises microbiológicas, comparando-as com os resultados das análises físico-químicas da estação piloto. METODOLOGIA ETE Piloto A ETE Piloto foi construída na Estação de Tratamento de Esgoto da Penha, no Rio de Janeiro, pertencente Companhia Estadual da Águas e Esgotos - CEDAE, através de um convênio desta empresa com a Universidade Federal do Rio de Janeiro, e é composta das seguintes unidades:? sistema de alimentação do substrato (vazão de a L/d de esgoto decantado da ETE Penha);? sistema de tratamento biológico na modalidade de fluxo tendendo a pistão, com baixo número de dispersão, composto por oito reatores em série (volume unitário de 39,3 litros) e um decantador final;? sistema de tratamento biológico na modalidade de mistura completa; composto por um único reator (mesmo volume do conjunto de reatores de fluxo pistão, 314,4 litros), e por um decantador final;? sistema de recirculação de lodo, por meio de duas bombas de diafragma;? sistema de descarte de lodo em excesso; e? sistema de controle de vazão. Como metodologia, juntamente com as análises físico-químicas (Standard Methods of Examination of Water and Wastewater - 18 a Ed.) e com as determinações clássicas, foram realizadas as seguintes análise microbiológicas do lodo: Identificação e contagem dos grupos de protozoários e micrometazoários. As contagens dos protozoários (ciliados-livres natantes, ciliados fixos, ciliados predadores de flocos, flagelados, rizópodes) e micrometázoários (rotíferas, nematódeos, anelídeos) seguiram as normas estabelecidas em Microbiologia de Lodos Ativados - CETESB, Devido impossibilidade de se classificar as espécies de protozoários encontradas no lodo, assumiu-se a classificação em grupos proposta por Madoni, As contagens foram realizadas em câmara de Sedgwick-Rafter (câmara S. R.), com auxílio de um retículo quadrangular em uma ocular e uma escala micrométrica na outra, substituindo o retículo de Whipple recomendado por Microbiologia de Lodos Ativados - CETESB, Identificação dos organismos filamentosos, medida do comprimento do filamento e caracterização do floco. 19 o Congresso Brasileiro de Engenharia Sanitária e Ambiental 627

4 As análises microbiológicas de identificação dos organismos filamentosos, medida do comprimento do filamento e caracterização do floco seguiram as recomendações e metodologia de Jenkins et al, Na identificação do microrganismo filamentoso foram realizadas uma série de colorações e observações microscópicas:? Coloração de Gram;? Coloração de Neisser;? Coloração de Poli Hidroxi Butirato (PHB);? Presença de Grânulo de Enxofre;? Tamanho e tipo do Tricoma;? Localização do Tricoma em relação ao floco;? Identificação do septo entre as células;? Presença de Bainha;? Crescimento bacteriano epifítico;? Forma e tamanho da célula Para determinação de comprimento de filamento, seguiu-se o seguinte procedimento: a) Transferir 2 ml da amostra de lodo ativado bem homogeneizada, utilizando uma pipeta de boca larga, para um becker de 2 L contendo 1 L de água destilada. Homogeneiza-se a amostra; b) Transfereir 1 ml da amostra diluída para a câmara S. R. e usando um microscópio com retículo de Whipple, mede-se os comprimentos dos filamentos existente, percorrendo toda a câmara. O aumento do microscópio deve ser de 100 a 200 vezes. Considera-se os filamentos ligados ao floco, os com crescimento epifítico e os livres; c) Calcula -se de acordo com a fórmula. C.F. = A * F onde; C.F.- comprimento do filamento (? m/ml ) A - somatória do comprimento dos filamentos observado na câmara S.R. (?m) F - fator de diluição ( 500 ) Na determinação de diâmetro de floco utiliza-se a câmara S. R. preparada com a amostra para contagem do comprimento de filamento e mede-se o diâmetro de no mínimo 20 flocos. Considera-se o maior comprimento para os flocos irregulares, entretanto, não se deve considerar os filamentos ligados aos flocos. Faz-se o cálculo da média do diâmetro do floco. RESULTADOS O monitoramento microbiológico de identificação e contagem dos grupos de protozoários e micrometazoários foi realizado no período de julho a agosto de 1996 na unidade de fluxo a pistão, e são apresentados na Tabela 1 e Figura o Congresso Brasileiro de Engenharia Sanitária e Ambiental 628

5 Tabela 1 - Dados de remoção da DQO solúvel e da razão entre os ciliados predadores de flocos e ciliados fixos. Remoção de DQO (%) Razão ciliados predadores de flocos/ ciliados fixos 65,3 0,26 77,2 1,04 82,1 0,09 83,1 0,34 84,8 0,31 86,7 0,31 87,4 0,53 Figura 1 - Frequência relativa de Flagelados e Relação A/M em função do tempo. As análises microbiológicas das características do floco, identificação dos organismos filamentosos, e comprimento do filamento, podem ser observados nas Tabelas 2 a 5 e Figuras 2 e3. Tabela 2 - Característica do floco da unidade fluxo a pistão. Período Característica do floco 20/08 25/11 Flocos bem formados, apresentando a estrutura compacta e forma alongada para irregular, com presença de quantidade adequada de organismos filamentosos. 02/12 16/12 Flocos mal formados, apresentando estrutura difusa e grande quantidade de organismos filamentosos formando pontes entre os flocos 03/01 13/01 Flocos bem formados, apresentando a estrutura compacta e forma alongada para irregular, com presença de quantidade adequada de organismos filamentosos. 19 o Congresso Brasileiro de Engenharia Sanitária e Ambiental 629

6 Tabela 3 - Característica do floco da unidade mistura completa. Período Característica do floco 20/11 02/12 Flocos bem formados, apresentando a estrutura compacta e forma alongada para irregular, com presença de grande quantidade de organismos filamentosos. 13/011 Flocos bem formados, apresentando estrutura compacta e forma alongada para irregular, com presença de pequena quantidade de organismos filamentosos 14/02 17/02 Flocos bem formados, apresentando estrutura compacta e forma alongada para irregular, com presença de grande quantidade de organismos filamentosos. 24/02 04/03 Flocos bem formados, apresentando estrutura compacta e forma alongada para irregular, com presença de pequena quantidade de organismos filamentosos Tabela 4 - Identificação dos organismos filamentosos da unidade fluxo a pistão. Período Organismos identificados Observação 20/08 02/10 09/10 25/11 02/12 16/12 03/01 13/01 Sphaerotilus natans (*); Haliscomenobacter hydrossis; Tipo 0041 (*); Tipo Sphaerotilus natans (*); Haliscomenobacter hydrossis; Tipo 0041; Tipo 1701; Tipo 0803; Notoscoida limicola Thiothrix II (*); Tipo 021N; Sphaerotilus natans; Notoscoida limicola; Tipo Thiothrix II (*); Tipo 021N; Sphaerotilus natans; Notoscoida limicola; (*) - Organismo predominante Os microrganismos observados apresentam-se em pequena quantidade, formando a estrutura do floco e não estão interferindo na sedimentação do lodo Durante o período houve um pequeno aumento na quantidade de organismos filamentosos, entretanto estes estão formando a estrutura do floco e não estão interferindo na sedimentação do lodo A quantidade de organismo filamentoso aumentou significativamente, interferindo na sedimentação do lodo, e caracterizando o intumescimento do lodo. O organismo identificado como predominante durante este episódio foi o Thiothrix II Durante o período houve, a quantidade de organismo filamentoso diminuiu de modo a não mais interferir na sedimentação do lodo 19 o Congresso Brasileiro de Engenharia Sanitária e Ambiental 630

7 Tabela 5- Identificação dos organismos filamentosos da unidade mistura completa. Período Organismos identificados Observação 20/11 02/12 Sphaerotilus natans (*); Tipo 021N; Tipo Os microrganismos observados apresentam-se em grande quantidade, interferindo na sedimentação do lodo, e caracterizando o intumescimento do lodo. O organismo identificado como predominante durante este episódio foi o Sphaerotilus natans 13/01 Sphaerotilus natans (*); Begiatoa; Tipo 021N; Tipo /02 17/02 24/02 04/03 Thiothrix II (*); Tipo 021N. Thiothrix II (*); Tipo 021N. (*) - Organismo predominante Durante o período houve uma diminuição na quantidade de organismos filamentosos, não estão interferindo na sedimentação do lodo A quantidade de organismo filamentoso aumentou significativamente, interferindo na sedimentação do lodo, e caracterizando o intumescimento do lodo. O organismo identificado como predominante durante este episódio foi o Thiothrix II Durante o período, a quantidade de organismo filamentoso diminuiu de modo a não mais interferir na sedimentação do lodo 3,50E Comprimento de filamento (? m/ml) 3,00E+07 2,50E+07 2,00E+07 1,50E+07 1,00E+07 5,00E IVL (ml/g) 0,00E /09/96 16/09/96 01/10/96 16/10/96 31/10/96 15/11/96 30/11/96 15/12/96 30/12/96 14/01/97 29/01/97 Tempo Comp. filamento IVL Figura 2 - Comprimento do filamento(? m/ml) e IVL (ml/g) da unidade fluxo a pistão. 19 o Congresso Brasileiro de Engenharia Sanitária e Ambiental 631

8 300 Tamanho do floco (? m) /08/96 22/08/96 12/09/96 03/10/96 24/10/96 14/11/96 05/12/96 26/12/96 16/01/97 06/02/97 27/02/97 Tempo Fluxo a pistão Mistura completa Figura 3 - Tamanho do floco (? m) da unidade fluxo pistão. DISCUSSÃO A realização regular de análises microscópicas de um lodo serve para indicar ao operador as diversas tendências do processo de lodos ativados: demonstra a eficiência da sedimentação, indica a adequação da aeração empregada, bem como pode revelar a ocorrências de uma sobrecarga orgânica (Vazoller, 1989). Bedgoni (1991) sugere que a razão entre ciliados predadores de flocos e ciliados fixos está associada eficiência da planta. Quando esta razão é alta (? 0,5), um efluente de melhor qualidade é obtido. No entanto, analisando os resultados da Tabela 1, verifica-se que apesar da remoção de DQO solúvel apresentar bons resultados, ocorreram razões de ciliados predadores de flocos/fixos menores que 0,5, o que sugere que se faça um estudo mais aprofundado. A redução da concentração de SST nos reatores, que era da ordem de 1500mg/l, para cerca de 400 mg/l, aumentou bruscamente a relação A/M. Neste período observou-se um aumento excessivo na freqüência relativa de flagelados, como pode ser observado na Figura 1. Esses resultados corroboram a hipótese (Drakides, 1978; Madoni, 1986) de que altas cargas orgânicas podem provocar um aumento excessivo no números dos flagelados. As densidades de protozoários ciliados mantiveram-se a maior parte do tempo entre org./l, e foi possível observar remoções de DQO solúvel acima de 80%. Muitos estudos recentes têm demonstrado que o número de ciliados presentes numa planta de lodos ativados funcionando normalmente é em torno de 10 6 org./l. Valores muito abaixo desta faixa indicam purificação insuficiente (Curds, 1975; Drakides, 1980; Madoni, 1981). Para determinar as características do floco, uma análise qualitativa é suficiente. Observa-se a amostra em lâmina/lamínula, no aumento de 100 vezes, e anota-se as características do floco, bem como a abundância de organismos filamentosos, através de um sistema subjetivo de observação. Nas Tabelas 3 e 4 estes dados são apresentados e mostram, de forma subjetiva, o aumento da quantidade de organismos filamentosos. Para uma análise mais detalhada, realiza-se o comprimento do filamento e a identificação do organismo filamentoso. 19 o Congresso Brasileiro de Engenharia Sanitária e Ambiental 632

9 Observando a Figura 2, verifica-se que é possível correlacionar os dados de IVL, com o comprimento de filamento. O índice volumétrico do lodo é um parâmetro físico-químico que caracteriza a sedimentabilidade do lodo. Esse parâmetro se define como o volume em mililitros ocupado por uma grama de sólidos da mistura líquida do lodo ativado (IVL, ml/g). De maneira geral, quando o comprimento do filamento está entre 10 6 a 10 7?m/mL, a sedimentabilidade do lodo está dentro dos padrões de operação. Acima de 10 7, é provável ocorrer um intumescimento do lodo, perdendo desse modo lodo biológico junto com o efluente final. Abaixo de 10 6 conjuntamente com a observação do tamanho do floco menor que 50? m, é provável que esteja ocorrendo um problema de perda de sólidos pelo efluente final, pela presença de flocos tipo pin-point. A curva apresentada na Figura 4, de Palm (apud Jenkins et al, 1986), mostra uma nuvem de pontos determinados para a relação entre IVL e comprimento de filamento, no qual se inseriu os resultados encontrados na operação da ETE Piloto, mostrando existir uma boa correlação de dados entre aquela experiência e o caso em estudo. Figura 4 - Relação Comprimento do Filamento x IVL É importante salientar que a análise de comprimento de filamento é, desta forma, uma importante ferramenta de controle microbiológico. Entretanto, se não for possível realizar esta análise diariamente, deve-se realizar, ao menos, observações microscópicas qualitativas, pois deste modo será possível detectar se está ou não ocorrendo modificações no sistema de lodos ativados. Quando estas modificações forem detectadas, elas podem servir de alarme para realizar análises mais detalhadas, tais como comprimento de filamento e identificação de organismo filamentoso. As tabelas 4 e 5 apresentam os organismos filamentosos identificados. Durante os períodos de intumescimento do lodo, os organismos causadores foram o Thiothrix sp e S. natans. Segundo Jenkins et al, 1986, o interesse dessa análise para os operadores de uma estação de tratamento de esgoto, é o de conhecer o organismo filamentoso predominante que está causando o intumescimento do lodo, e desta forma poder: a) comparar se o causador (filamentoso) é o mesmo que o observado em ocorrências anteriores; b) avaliar o efeito de mudanças operacionais com o tipo e abundância dos filamentosos presentes; 19 o Congresso Brasileiro de Engenharia Sanitária e Ambiental 633

10 c) sugerir as condições que causam e avaliar as ações que serão tomadas; Na tabela 6 (Richard, 1989), são apresentados algumas condições que causam intumescimento do lodo e os organismos filamentosos. Como pode ser observado nesta Tabela, a Thiothrix não é um bom indicador para o diagnóstico da causa de bulking, uma vez que seu crescimento pode ser induzido pela deficiência de nutriente ou pela presença de resíduo séptico. Esse organismo filamentoso, e o tipo 021N podem ser favorecidos, porque eles têm a capacidade de utilizar ácidos orgânicos voláteis de baixo peso molecular e sulfeto, produzido pelo processo de fermentação (Richard, 1983 apud Jenkins, 1986) Jenkins et al., 1986 separou o tamanho do floco em três grupos distintos:? Flocos grandes: diâmetro maior que 500? m;? Flocos médios: diâmetro entre 150 e <500? m; e? Flocos pequenos: diâmetro menor que 150? m. Logo, observando a figura 3, verifica-se que nas unidades estudadas, o tamanho do floco não sofreu alteração, sendo que na maior parte do tempo apresentou os flocos pequenos. Segundo Figueiredo, 1996, esta característica pode estar relacionada com:? cargas muito baixas;? muita turbulência no tanque de aeração;? presença de substâncias tóxicas; e? presença de compostos complexos,difícil de serem degradados em alta concentração. A provável causa do tamanho do floco ser pequena, durante todo o período, deve estar relacionada com a alta agitação existente no tanque de aeração da unidade piloto. Tabela 5 - Tipo de filamento dominante como indicador da condição que causa intumescimento do lodo ativado.(richard, 1989). Sugestões de condições que causam Bulking Tipos indicativos de organismos filamentosos Baixo Oxigênio Dissolvido Baixo F/M Água Residuária Séptica / Sulfeto Deficiência Nutricional Tipo 1701, S. natans, H. hydrossis M. parvicella, H. hydrossis, Nocardia sp, Tipo 021N, Tipo 0041, Tipo 0675, Tipo 0092, Tipo 0581, Tipo 0961, Tipo 0803 Thiothrix sp., Beggiatoa sp, Tipo 021N Thiothrix sp, Tipo 021N), Tipo 0041 (somente resíduo industrial), Tipo o Congresso Brasileiro de Engenharia Sanitária e Ambiental 634

11 Baixo ph (<6,0) Fungo CONCLUSÕES Não foi possível comprovar uma relação entre a eficiência da planta e a razão entre o número de ciliados predadores de flocos e ciliados fixos. O número total de análises efetuadas durante o estudo foi muito baixo, dificultando a boa correlação de alguns dos resultados obtidos. Por outro lado, a predominância dos Flagelados é um bom indicador de disfunção da planta, com conseqüente queda de eficiência da mesma. A contagem do número total de protozoários ciliados presentes no lodo ativado é uma análise simples e de baixo custo que pode ser utilizada como indicadora de eficiência de uma estação de tratamento. Análises de microfauna, caracterização do floco e comprimento do filamento, ainda tão pouco utilizadas em nosso país, podem ser de extrema utilidade para uma melhor compreensão do processo que ocorre no interior de reatores biológicos e sua otimização. Não obstante, as análises microbiológicas não devem substituir as análises físico-químicas, mas complementá-las. A identificação dos organismos filamentosos é de extrema valia quando um problema de intumescimento do lodo está ocorrendo. Esta análise é mais complexa que as citadas anteriormente, além da necessidade de utilização de um miscroscópio com contraste de fase. Não obstante, estações de tratamento de grande porte, ou empresas públicas e privadas operando estas estações, deveriam dispor de equipamento adequado e pessoal treinado para este tipo de acompanhamento. AGRADECIMENTOS Este trabalho foi realizado com recursos da Companhia Estadual de Águas e Esgotos do Rio de Janeiro, através de convênio com o Escritório Técnico da Escola de Engenharia da Universidade Federal do Rio de janeiro. 19 o Congresso Brasileiro de Engenharia Sanitária e Ambiental 635

12 REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS 1. BEDGONI, G., FALANELLI, A., PEDRAZZI, R. Evaluation of the abundance ratio between crawling and attached in the management of an actived sludge sewage treatment plant. In: Biological Approach to Sewage Treatment Process: Current Status and Perspective, P. Madoni ed., Centro Bazzucchi, Perugia, pp , CURDS, C. R. Protozoa. In: Ecological Aspects of Used Water Treatment. Curds C. R. & Hawkes, H.; Academic Press, London, pp , DRAKIDES, C. L observation microscopique des boues activées appliquée a la surveillance des installations d epuration: technique d étude et interpretation. T.S.M.- L Eau, 73, 85-98, DRAKIDES, C. La microfaune des boues activées. Etude dúne méthode dóbservation et application au suivi d un pilote en phase de démarrage. Wat. Res. 14, , FIGUEIREDO, M. G. Microbiologia de Lodos Ativados - Apostila do Curso e Treinamento Prático Especializado. CETESB, 46p., JENKINS, D. et al. Manual on the causes and control of actived sludge bulking and foaming. Water Research Comission and U.S.Environmental Protection Agency, 165p., 1986; 7. MADONI, P. In: I Protozoi Ciliati degli Implanti Biologico di Depurazione. pp CNR. AQ/1/167, Rome Itália, MADONI, P. Protozoa in Waste Treatmente System. In: Perspectives in Microbial Ecology. Megusar F. & Gantar M. ed. 9. RICHARD, M. Actived Sludge Microbiology.The Water Pollution Control Federantion, 74p., VAZOLLÉR, R. F. Microbiologia de Lodos Ativados. Séries Manuais - CETESB, 23 p., o Congresso Brasileiro de Engenharia Sanitária e Ambiental 636