II DESEMPENHO DE LAGOAS FACULTATIVAS PRIMÁRIAS NA REMOÇÃO DE MATÉRIA ORGÂNICA E COLIFORMES TERMOTOLERANTES

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1 II DESEMPENHO DE LAGOAS FACULTATIVAS PRIMÁRIAS NA REMOÇÃO DE MATÉRIA ORGÂNICA E COLIFORMES TERMOTOLERANTES Germário Marcos Araújo (1) Tecnólogo em Recursos Hídricos/Saneamento Ambiental pelo Centro de Ensino Tecnológico, CENTEC CE (2001). Especialista em Planejamento Urbano e Gestão Ambiental, CEFET- CE (2004). Mestrando em Engenharia Sanitária da Universidade Federal do Rio Grande do Norte, UFRN. Bolsista da CAPES. Fátima Bezerra Barbosa de Medeiros Graduada em Ciências Biológicas pela Universidade Potiguar UnP (2002). Mestranda em Engenharia Sanitária da Universidade Federal do Rio Grande do Norte. André Luis Calado Araújo 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 Engenharia Sanitária pela Universidade de Leeds, Leeds, Inglaterra (1999). Professor da Área de Recursos Naturais do Centro Federal de Educação Tecnológica do Rio Grande do Norte, CEFET- RN e do Programa de Pós-graduação em Engenharia Sanitária da Universidade Federal do Rio Grande do Norte, UFRN, Natal- RN Brasil. Marco Antonio Calazans Duarte Engenheiro Civil pela Universidade Federal do Rio Grande do Norte, UFRN. Especialista e Mestre em Engenharia Sanitária (UFRN e UFPB). Engenheiro da Companhia de Águas e Esgotos do RN- CAERN. Professor do Centro Federal de Educação Tecnológica do Rio Grande do Norte, CEFET- RN. Professor convidado da Universidade Potiguar (UnP), do curso de Engenharia Civil, Natal-RN, Brasil Ada Cristina Scudelari Engenheira Civil pela Universidade Federal do Paraná, UFPR (1987). Mestre em Engenharia Civil pela Pontifícia Universidade Católica do Rio de Janeiro, PUC-RJ (1991). Doutorado em Engenharia Civil pela Universidade Federal do Rio de Janeiro, UFRJ (1997). Coordenadora e Professora do Programa de Pósgraduação em Engenharia Sanitária da Universidade Federal do Rio Grande do Norte, UFRN, Natal- RN Brasil. Endereço (1) : Rua Santa Tereza nº 695 Bairro Pio XII Juazeiro do Norte CE, CEP: , Fones: (88) , (84) Fax: (88) germário_marcos@yahoo.com.br RESUMO Este trabalho apresenta os resultados do monitoramento de seis lagoas facultativas primárias localizadas na área metropolitana de Natal-RN e realizado pela Companhia de Águas e Esgotos do Rio Grande do Norte (CAERN). A lagoas apresentaram remoções de DBO e DQO nas faixas de 67 a 82% e 46 a 78%, respectivamente, e remoções de coliformes na faixa de 97,5 a 99,8%. Destaca-se a elevada carga orgânica observada em uma das lagoas estudadas (722 kg/ha.dia) e a excessiva biomassa de algas observada em todos os reatores. Tal biomassa pode ter contribuído para o aumento da carga orgânica efluente, no entanto não foi verificada correlação com as concentrações de oxigênio dissolvido. Foram obtidas correlações significativas entre as concentrações de oxigênio e remoções de DBO com as cargas orgânicas aplicadas. PALAVRAS-CHAVE: Lagoas facultativas primárias, remoção de coliformes, remoção de matéria orgânica. INTRODUÇÃO Lagoas de estabilização são sistemas simples em que os esgotos tratados biologicamente por processos naturais envolvem principalmente algas e bactérias. Suas principais vantagens são a elevada eficiência na remoção de matéria orgânica e microorganismos patogênicos, capacidade de suportar cargas orgânicas e hidráulicas de choque, simplicidade de operação e manutenção, não necessitando de energia elétrica, além do baixo custo de construção. A necessidade de grandes áreas para implantação é sua maior desvantagem. Lagoa facultativa é normalmente aplicada para tratamento secundário, geralmente projetadas com profundidades entre 1,0 m e 1,5 m, e tempo de detenção hidráulica acima de 15 dias. O nome facultativa reporta-se ao comportamento do seu principal agente de degradação da matéria orgânica afluente, ou seja, as bactérias facultativas, cuja característica principal é a adaptabilidade às condições quanto a presença de ABES - Associação Brasileira de Engenharia Sanitária e Ambiental 1

2 oxigênio no meio. Uma análise da coluna líquida desse tipo de lagoa durante o dia, observa-se a predominância da atividade aeróbia, em função da aeração proporcionada pelos ventos e a produção de oxigênio pelas algas, através da realização da fotossíntese, possível pela incidência da luz solar; enquanto essa mesma análise a noite, conclui-se que há predominância da atividade anaeróbia, principalmente pela cessação da fotossíntese realizada pelas algas, portanto não havendo produção do oxigênio (Kellner e Pires, 1998). Muitos autores têm demonstrado modelos racionais, empíricos e dinâmicos para o dimensionamento de lagoas facultativas. Contudo, a escola que mais tem influenciado os sanitaristas no nordeste, especialmente os projetistas da CAERN, tem sido a Universidade Federal de Campina Grande- PB, através da Estação Experimental de Tratamentos Biológicos de Esgotos Sanitários (EXTRABES) por suas pesquisas ao longo de mais de vinte anos. No estado do Rio Grande do Norte e, particularmente no município de Natal, o uso de sistemas de lagoas de estabilização é bastante difundido, sendo adotado pelos projetistas o uso de séries constituídas por uma lagoa facultativa primária, seguida de duas lagoas de maturação, ou apenas uma lagoa facultativa primária. Este trabalho tem como objetivo fazer um diagnóstico da eficiência de remoção de matéria orgânica e coliformes termotolerantes em seis lagoas facultativas primárias em Natal RN. MATERIAL E MÉTODOS Foram estudadas seis lagoas facultativas primárias LFP (em escala real) que tratam esgotos predominantemente domésticos em Natal RN. Os sistemas e suas características físicas e operacionais estão descritos na Tabela 1. Tabela 1 - Características físicas e operacionais dos seis sistemas estudados Sistemas Características Ponta Negra LFP -1 Quitas I LFP - 2 Quintas II LFP - 3 Jardim Lola I LFP - 4 Jardim Lola II LFP - 5 Beira Rio LFP - 6 Comprimento (m) Largura (m) ,5 59,5 122 Profundidade (m) 2,0 1,2 1,2 1,2 1,2 1,5 Área (m 2 ) Volume (m 3 ) λs (kgdbo/ha.d) TDH (d) Vazão (m 3 /d) Fonte: Araújo et al. (2003) e Duarte e Pereira, (2000). DESCRIÇÃO DAS LAGOAS FACULTATIVAS PRIMÁRIAS SISTEMA DE PONTA NEGRA LFP 1 A Estação de Tratamento de Esgoto de Ponta Negra, está localizada no bairro de Ponta Negra, na cidade de Natal RN (5 0 47' 42" de latitude sul e ' 34" de longitude oeste). O referido sistema fica localizado na confluência da via Rota do Sol com Av. de acesso ao Núcleo Habitacional denominado de Cidade Verde, em terreno do Centro de Lançamento de Foguetes da Barreira do Inferno em Natal, (CLBI), com área de ABES - Associação Brasileira de Engenharia Sanitária e Ambiental 2

3 aproximadamente de 51,3 ha. O sistema possui uma lagoa facultativa primária (LFP-1, Figura 1) e duas de maturação. O efluente final do sistema é infiltrado no solo através da sua disposição em valas de infiltração. LFP-1 Figura 1. Vista da lagoa facultativa primária da ETE Ponta Negra (LFP-1). QUINTAS I LFP 2 Está localizada na rua Rio Potengi, no bairro das Quintas, na zona Oeste da cidade do Natal/RN, dentro da bacia de esgotamento sanitário D, que abrange o bairro das Quintas. O sistema está dimensionado para tratar uma contribuição de 910 m 3 /dia ( habitantes) e recebe atualmente uma contribuição de aproximadamente 513 m 3 /dia. A ETE é composta por uma única lagoa facultativa primária (LFP-2, Figura 2), locada em uma área de terreno de m 2. O efluente final é lançado no estuário do Rio Potengi. Figura 2. Vista da lagoa facultativa primária da ETE Quintas I (LFP-2). ABES - Associação Brasileira de Engenharia Sanitária e Ambiental 3

4 QUINTAS II LFP 3 Localizada na rua Rio Potengi, no bairro das Quintas, na zona Oeste da cidade do Natal/RN, recebe contribuições da bacia de esgotamento sanitário D. Está dimensionada para receber uma contribuição de m 3 /dia e atualmente, recebe uma vazão de aproximadamente m 3 /dia. A ETE conta apenas com uma lagoa facultativa primária (LFP-3, Figura 3). O efluente final é lançado no estuário do Rio Potengi. Figura 3. Vista da lagoa facultativa primária da ETE Quintas II (LFP-3). JARDIM LOLA I LFP 4 A ETE Jardim Lola I é composta por lagoas em série, sendo uma lagoa facultativa primária (LFP-4), seguida de duas lagoas de maturação (LM-1 e LM-2). O sistema é alimentado com aproximadamente ligações correspondendo a uma vazão atual em torno de 660 m 3 /d. As lagoas ficam localizadas em áreas de mangue no estuário do corpo Rio Potengi (corpo receptor dos efluentes finais), sendo a ETE completamente limitada por fazendas de carcinicultura (Figura 4). Figura 4. Vista da ETE Jardim Lola I. A ETE está localizada em área de mangue e totalmente limitada por fazendas de carcinicultura. JARDIM LOLA II LFP 5 O sistema Jardim Lola II, compreende três lagoas de estabilização em série, sendo uma lagoa facultativa primária (LFP-5, Figura 5) e duas lagoas de maturação (LM-1) e (LM-2). Atualmente o sistema recebe a contribuição referente à aproximadamente de 1300 ligações, resultando em uma vazão média afluente de cerca ABES - Associação Brasileira de Engenharia Sanitária e Ambiental 4

5 de 640 m 3 /d. O sistema está localizado próximo a ETE Jardim Lola I, em área de mangue, próximo a fazendas de carcinicultura, e também libera seu efluente final para o estuário do Rio Potengi. Figura 5. Vista da ETE Jardim Lola II. A ETE está localizada em área de mangue e parcialmente limitada por fazendas de carcinicultura. Beira Rio LFP 6 A ETE Beira Rio está implantada em área semelhante as das ETE s de Jardim Lola I e 2 e Quintas I e II, ou seja, no estuário do Rio Potengi (corpo receptor do efluente final), estando também muito próxima de áreas de criação de camarão. A ETE também possui a mesma configuração de uma lagoa facultativa primária (LFP-6) seguida de duas lagoas de maturação (LM-1 e LM-2). O sistema é alimentado com cerca de ligações, operando com uma vazão média de 718 m 3 /d. Figura 6. Vista da lagoa facultativa primária da ETE Beira Rio (LFP-6). MONITORAMENTO DAS LAGOAS ESTUDADAS As seis lagoas facultativas primárias foram monitoradas mensalmente pela Companhia de Águas e Esgotos do Rio Grande do Norte (CAERN). O monitoramento da LFP-1 em Ponta Negra ocorreu entre os meses de junho de 2003 a abril de Nas lagoas facultativas (LFP-2 e LFP-3) o monitoramento ocorreu entre agosto de 2003 a maio de 2004, enquanto que nas lagoas LFP-4, LFP-5 e LFP-6 foram analisadas no período de junho de 2003 a março de ABES - Associação Brasileira de Engenharia Sanitária e Ambiental 5

6 Todos os sistemas foram monitorados, baseados na coleta de amostras pontuais de esgoto bruto e efluente das lagoas facultativas primárias no horário entre 8:00 e 12:00h. Depois de coletadas as amostras eram encaminhadas para o laboratório para determinação dos parâmetros: demanda bioquímica de oxigênio (DBO), demanda química de oxigênio (DQO), coliformes fecais (Termotolerantes), ph, clorofila a (Cl a ) e oxigênio dissolvido (OD). Todos os parâmetros foram determinados de acordo com os procedimentos padrões descrito no APHA et al (1995), com exceção do parâmetro de Clorofila a sendo determinado pelo método extração a quente com metanol, (Jones, 1979). RESULTADOS Os resultados médios obtidos durante o monitoramento do afluente e efluente das seis lagoas facultativas primárias estão apresentados na Tabela 2. Tabela 2 Valores médios encontrados no esgoto bruto (EB) e efluentes das lagoas facultativas durante o monitoramento de rotina. VARIAVEIS Ponta Negra Quintas I Quintas II EB-1 LFP-1 EB-2 LFP-2 EB-3 LFP-3 DBO (mg/l) DQO (mg/l) CF ufc/100ml 1,5E+08 3,7E+06 7,3E+08 3,7E+06 5,9E+07 5,6E+05 ph 7,0 6,8 6,5 6,8 6,9 7,1 Cl a μg/l OD (mgo 2 /l) - 2,2-3,3-4,7 VARIAVEIS Jardim Lola I Jardim Lola II Beira Rio EB-4 LFP-4 EB-5 LFP-5 EB-6 LFP-6 DBO (mg/l) DQO (mg/l) CF ufc/100ml 4,7E+09 2,5E+06 5,1E+08 2,1E+06 5,5E+08 1,5E+05 ph 7,5 7,6 7,3 7,6 7,2 7,9 Cl a μg/l OD (mgo 2 /l) -_ 2,5-0,8-5,6 CARACTERIZAÇÃO DOS ESGOTOS BRUTOS AFLUENTES A média de DBO nos esgotos brutos afluentes aos sistemas avaliados variou na faixa de 337 a 485 mg/l enquanto que a DQO média variou de 754 a 1183 mg/l. É importante destacar que as menores concentrações dessas duas variáveis foram verificadas no sistema de Ponta Negra. Tal ETE fica localizada em área nobre da cidade recebendo contribuições de população de classe sócio-econômica mais elevada que nos outros cinco sistemas, que atendem a populações predominantemente de menor poder aquisitivo. A análise de variância utilizando o teste não paramétrico de Kruskal-Wallis (análise de medianas) demonstrou, ao nível de significância de 95%, que as medianas de DBO e DQO obtidas no esgoto bruto dos seis sistemas monitorados não diferem estatisticamente (p > 0,05). A Figura 7 apresenta a comparação entre as médias de DBO e DQO nos seis esgotos brutos avaliados utilizando o teste de Tukey. Os coliformes fecais apresentaram variação média na faixa de 5,9 x 10 7 (Quintas II) a 4,7 x 10 9 ufc/100 ml (Jardim Lola I). Os mesmos testes estatísticos também foram realizados com os dados de coliformes fecais tendo também sido demonstrado ao mesmo nível de significância a igualdade estatística entre os valores medianos de cada sistema monitorado (p > 0,05). Os valores de ph variaram na faixa de 6,5 a 7,5. ABES - Associação Brasileira de Engenharia Sanitária e Ambiental 6

7 CARACTERIZAÇÃO DOS EFLUENTES DAS LAGOAS FACULTATIVAS PRIMÁRIAS Com base nos valores médios de DBO verificados nos esgotos brutos afluentes de cada sistema foram obtidas as cargas orgânicas superficiais aplicadas às lagoas facultativas. A menor carga foi obtida na ETE Beira Rio (LFP-6) de 140 kg/ha.dia, enquanto que a mais elevada (722 kg/ha.dia) foi encontrada na ETE Jardim Lola II (LFP-5) DBO DQO DBO e DQO (mg/l) Beira Rio Jordim Lola 2 Jardim Lola 1 Quintas 1 Quintas 2 Ponta Negra Figura 7. Limites de confiança para comparação entre as médias de DBO e DQO nos seis esgotos brutos avaliados utilizando o teste de Tukey. O ph médio nos efluentes das lagoas variou de 6,8 (LFP-1 e FLP-2) a 7,9 (LFP-6). Em todos os efluentes foram verificados valores bem elevados de clorofila a (1283 μg/l, em LFP-3, a 2644 μg/l, em LFP-1) atestando a grande presença de biomassa de algas (Figura 8). Com relação aos níveis de oxigênio dissolvido (Figura 8), os valores não foram tão elevados quanto aos de clorofila. A menor concentração média (0,8 mg/l) foi encontrada no sistema de Jardim Lola II (LFP-5) cuja lagoa estava submetida a maior carga aplica entre os reatores avaliados. Por outro lado, o maior valor médio de oxigênio (5,6 mg/l) foi determinado na lagoa (LFP-6) sujeita a menor carga orgânica aplicada. A Figura 9 apresenta o gráfico de regressão significativo (p < 0,05) de maior ajuste para a relação entre o oxigênio dissolvido em função da carga orgânica aplicada (R = 0,84). Cla OD Clorofila a (ug/l) Oxigênio dissolvido (mg/l) 0 LFP-1 LFP-2 LFP-3 LFP-4 LFP-5 LFP-6 0 Figura 8. Valores médios de clorofila a oxigênio dissolvido nos efluentes das seis lagoas facultativas primárias avaliadas. ABES - Associação Brasileira de Engenharia Sanitária e Ambiental 7

8 6 Oxigênio dissolvido (mg/l) y = 6,8411e -0,0028x R 2 = 0, Carga orgânica (kg/ha.dia) Figura 9. Gráfico de regressão entre oxigênio dissolvido e carga orgânica aplicada nas lagoas facultativas primárias monitoradas. Nos efluentes finais dos sistemas monitorados foram encontrados valores médios de DBO variando na faixa de 70 a 142 mg/l. A DQO variou na ampla faixa de 199 a 510 mg/l. Em relação aos esgotos brutos afluentes foram determinadas eficiências de remoção de DBO entre 67 e 82%, e de remoção de DQO de 46 a 78% (Figura 10). A Figura 11 apresenta a correlação entre a eficiência de remoção de DBO e a carga orgânica aplicada na lagoa. A equação de regressão foi significativa (p < 0,05) tendo sido obtido um coeficiente de correlação (R) de 0,81 e mostra uma tendência de diminuição na eficiência de remoção de DBO com o crescimento da carga orgânica aplicada. Vale salientar com relação a DQO não foi observada nenhuma tendência significativa de comportamento em função do carregamento orgânico. 90 DBO DQO % de remoção LFP-1 LFP-2 LFP-3 LFP-4 LFP-5 LFP-6 Figura 10. Eficiências de remoção de DBO e DQO das seis lagoas facultativas monitoradas. ABES - Associação Brasileira de Engenharia Sanitária e Ambiental 8

9 85 Remoção de DBO (%) y = 137,52x -0,1131 R 2 = 0, Carga orgânica (kg/ha.dia) Figura 11. Gráfico de regressão entre eficiência de remoção de DBO e carga orgânica aplicada nas lagoas facultativas primárias monitoradas. Os efluentes finais apresentaram concentrações de coliformes fecais na faixa de 1,5 x 10 5 a 3,7 x 10 6 ufc/100 ml. A menor concentração foi verificada na lagoa LFP-6 do sistema Beira Rio, o qual apresentava o maior tempo de detenção hidráulica, enquanto que os sistemas de Ponta Negra (LFP-1) e Quintas I (LFP-2). As eficiências de remoção dos sistemas avaliados estão destacadas na Figura 12. Não foi obtida nenhuma correlação significativa entre os valores de coliformes nos efluentes dos reatores ou eficiência de remoção com alguma das outras variáveis analisadas. O teste não paramétrico de Kruskal-Wallis (análise de medianas) demonstrou, ao nível de significância de 95%, que não existe diferença significativa entre as medianas de coliformes fecais observadas nos efluentes das seis lagoas avaliadas (p > 0,05). 100,0 99,5 Remoção de coliformes (%) 99,0 98,5 98,0 97,5 97,0 96,5 97, , , , , , ,0 LFP-1 LFP-2 LFP-3 LFP-4 LFP-5 LFP-6 Figura 12. Eficiências de remoção de coliformes fecais nas seis lagoas facultativas monitoradas. CONCLUSÕES Os percentuais de remoção de DBO ocorreram nas lagoas facultativas dos sistemas que possuem maiores tempos de detenção hidráulica (LFP 1, LFP 6, LFP 4 e LFP 2, confirmando assim o que diz a literatura referente. Estes resultados também confirmam que as maiores remoções de DBO em séries compostas por ABES - Associação Brasileira de Engenharia Sanitária e Ambiental 9

10 lagoas facultativas e de maturação acontecem principalmente nas lagoas facultativas. Foi observado uma tendência de diminuição na remoção de DBO com o aumento da carga orgânica aplicada. Nos efluentes finais foram encontrados valores médios de DBO na faixa de 70 a 142 mg/l. A DQO variou na faixa de 199 a 510 mg/l. Os elevados valores de DBO e DQO refletem as elevadas concentrações dessas duas variáveis medidas nos esgotos brutos afluentes, podendo também refletir as elevadas concentrações de clorofila. Em todos os sistemas foram observadas remoções de coliformes em torno de uma a duas unidades logarítmicas. No entanto, as concentrações nos efluentes finais ainda são muito elevadas e necessitam de tratamento complementar em lagoas de maturação. Vale ressaltar que a série de lagoas constituída por lagoa facultativa primária, seguida de duas lagoas de maturação, muito utilizada no estado, também não produz efluentes condizentes com o preconizado em seu projeto. Geralmente a DBO varia entre 100 a 150 mg/l e coliformes na faixa de 10 4 a 10 5 ufc/100 ml. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS 1. APHA /AWWA / WEF (1995). Standard Methods for the Examination of Water and Wastewater, 19 Ed., ARAÚJO, A. L. C. e DUARTE, M. A. C. e VALE, M. B. Avaliação de Quatro Séries de Lagoas de Estabilização na Grande Natal na Remoção de Matéria Orgânica e Coliformes Fecais. 22º Congresso Brasileiro de Engenharia Sanitária e Ambiental DUARTE, M. A. C. e PEREIRA, E. H. N. Avaliação Comparativa da Eficiência de três Sistemas de Tratamento de Esgotos Domésticos, em Natal- RN. XXVII Congresso Interamericano de Engenharia Sanitária e Ambiental JONES, G. J. A guide to methods for estimating microbial numbers and biomass in fresh water. Ambleside: Freshwater Biological Association Scientific Publication, v KELLNER, E; PIRES, E. C. Lagoas de estabilização projeto e operação. Rio de Janeiro. Associação Brasileira de Engenharia Sanitária - ABES. 244 p ABES - Associação Brasileira de Engenharia Sanitária e Ambiental 10