II BACTÉRIAS FILAMENTOSAS EM SISTEMA DE LODOS ATIVADOS TRATANDO EFLUENTE DE REATOR ANAERÓBIO

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1 22º Congresso Brasileiro de Engenharia Sanitária e Ambiental 14 a 19 de Setembro Joinville - Santa Catarina II BACTÉRIAS FILAMENTOSAS EM SISTEMA DE LODOS ATIVADOS TRATANDO EFLUENTE DE REATOR ANAERÓBIO Luciana Coêlho Mendonça Engenheira Civil pela Universidade Federal da Paraíba (UFPB). Mestre em Hidráulica e Saneamento pela Escola de Engenharia de São Carlos (EESC-USP). Doutora em Hidráulica e Saneamento pela Escola de Engenharia de São Carlos (EESC-USP). Eloisa Pozzi Gianotti Ecóloga pela UNESP de Rio Claro, SP. Doutora em Ecologia e Recursos Naturais pela UFSCar. Pesquisadora do Departamento de Hidráulica e Saneamento (EESC-USP). André Luís de Oliva Campos Engenheiro Químico pela Universidade Federal de Sergipe (UFS). Mestre em Hidráulica e Saneamento pela Escola de Engenharia de São Carlos (EESC-USP). Doutor em Hidráulica e Saneamento pela Escola de Engenharia de São Carlos (EESC-USP). José Roberto Campos Prof. Titular do Departamento de Hidráulica e Saneamento (EESC-USP). Endereço: R. Sílvio César Leite, 105 Apt.501, Salgado Filho, CEP: , Aracaju, SE, Brasil lumendon@uol.com.br

2 RESUMO O intumescimento ou bulking do lodo é um problema complexo que atinge de 20 a 40% das estações de tratamento de esgoto. Esse fenômeno ocorre quando há grande proliferação de bactérias filamentosas, que também podem causar formação de escuma em sistemas biológicos. Em sistemas de pós-tratamento de reator anaeróbio, é bastante provável a presença dessas bactérias, devido ao favorecimento das condições necessárias a seu desenvolvimento como baixa carga orgânica e escassez de nutrientes, pois a maior parcela dos compostos orgânicos e inorgânicos é degradada no reator anaeróbio. Neste trabalho, foi verificado que o principal agente causador do aumento de bactérias filamentosas no sistema de lodos ativados, alimentado por efluente de reator anaeróbio, foi a baixa concentração de oxigênio dissolvido, ocorrida em determinado período do exeperimento, e que a estimativa das principais bactérias filamentosas observadas, Sphaerotilus, Beggiatoa e Thiothrix, não foi elevada a ponto de causar intumencimento do lodo. PALAVRAS-CHAVE: Bactérias filamentosas, lodos ativados, reator anaeróbio, sistema combinado, esgoto sanitário. INTRODUÇÃO As bactérias são os microrganismos mais importantes do sistema de lodos ativados, pois são responsáveis pela decomposição da matéria orgânica presente no esgoto e pela formação do floco. No tanque de aeração, as bactérias aeróbias e facultativas oxidam a matéria orgânica a compostos de baixa energia, como nitratos, sulfatos e gás carbônico, e sintetizam o material orgânico remanescente em novas células (Braile & Cavalcanti, 1993). Dentre as bactérias filamentosas, Sphaerotilus natans é a mais comumente encontrada em lodos ativados, porém os dos gêneros Thiothrix, Beggiatoa e Nocardia são também observados (CETESB, 1989). Segundo Tomei et al. (1999), a ocorrência de Thiothrix sp em sistemas de lodos ativados pode estar relacionada com a presença de ácidos orgânicos de cadeia curta e de sulfetos. Thiothrix sp tem a capacidade de crescer autotrófica, heterotrófica ou mixotroficamente, sugerindo que essa bactéria tem vantagem importante na competição bacteriana. Quando bactérias filamentosas dominam a competição entre as espécies, é formada uma microestrutura filamentosa, reduzindo a sedimentabilidade dos flocos. Este fenômeno, conhecido como intumescimento ou bulking do lodo, é um problema complexo que atinge de 20 a 40% das estações de tratamento (Pujol & Canler, 1992). As bactérias filamentosas também podem causar formação de escuma em sistemas biológicos. Dentre elas, as mais comumente observadas são Nocardia spp, Microthrix parvicella e com menor freqüência o Tipo 1863 (Richard, 1989).

3 Os principais efeitos de bulking e formação de escuma em ETEs italianas, investigados por Madoni et al. (2000), foram: (i) deterioração na qualidade do efluente, devido à perda de lodo; (ii) dificuldade de recirculação do lodo por causa do aumento do volume do lodo; (iii) dificuldade de manter adequada concentração de lodo no tanque de aeração. Wanner et al. (1998), estudando problemas associados ao crescimento excessivo de filamentos em sistema de lodos ativados, concluíram que flocos de melhor qualidade eram mais importante para a sedimentação que a ausência de filamentos. Em seu trabalho, os autores observaram que os microrganismos filamentosos mais comuns nos sistemas de lodos ativados foram M. parvicella, N. limicola e os Tipos 0092, 0041 e Os principais motivos para o aparecimento de filamentos em sistemas aeróbios são escassez de nutrientes, baixa concentração de oxigênio dissolvido, baixa carga orgânica, elevada concentração de compostos de baixo peso molecular e presença de compostos reduzidos de enxofre (Jenkins et al., 1993; Eikelboom, 2000). Em sistemas combinados anaeróbio/aeróbio, é provável a presença de alguns tipos de filamentos, devido à baixa carga orgânica e escassez de nutrientes, visto que a maior parcela dos compostos orgânicos e inorgânicos é degradado no reator anaeróbio. A identificação dos filamentos é de grande utilidade ao operador de uma ETE (Estação de Tratamento de Esgoto), pois sugere, por exemplo, a ocorrência de excesso ou escassez de nutrientes e/ou oxigênio dissolvido. Portanto, de posse do resultado do exame microbiológico, o operador poderá alterar as condições de operação do processo, tentando evitar a ocorrência de intumescimento do lodo. Assim, o objetivo deste trabalho foi caracterizar as bactérias filamentosas que se desenvolveram no sistema de lodos ativados que tratava efluente de reator anaeróbio. MATERIAL E MÉTODOS A instalação experimental trabalho é constituída pelo tratamento biológico de esgoto sanitário pré-gradeado e desarenado, utilizando sistema combinado de reator anaeróbio seguido por reator aeróbio: reator anaeróbio de leito expandido - Ralex (escala piloto) e sistema de lodos ativados (escala de laboratório), respectivamente. O Ralex de 32m³ foi operado com TDH médio de 3,2h e o sistema de lodos ativados de 95L, com TDH médio de 6,0h. O monitoramento microbiológico deste trabalho consistiu em exames microscópicos mensais de bactérias filamentosas e da qualidade do floco do licor misto do sistema de lodos ativados, durante seis meses. Os procedimentos de caracterização de bactérias filamentosas nos flocos incluíram as seguintes etapas, segundo Jenkins et al. (1993): coloração de Gram; coloração de Neisser; teste de oxidação do enxofre ou presença intracelular de grânulos de enxofre; coloração de

4 polibetahidroxibutirato (PHB); dimensões, forma e localização do filamento em relação ao floco; mobilidade; observação de septos entre as células; presença de bainha (estrutura que envolve uma cadeia de células); presença de crescimento de microrganismos aderidos à superfície do filamento; forma e tamanho da célula. E, para caracterização da qualidade dos flocos, foram observados os seguintes itens: estrutura, forma, consistência e tamanho. De posse dessas verificações, os flocos foram classificados como bons, moderados ou ruins quanto às condições de sedimentabilidade. Os resultados do monitoramento microbiológico foram correlacionados com os resultados das medidas de ph, oxigênio dissolvido (OD), índice volumétrico do lodo (IVL), nitrogênio total (NTK+nitrito+nitrato) e fósforo total,. Esses parâmetros físico-químicos foram determinados de acordo com os procedimentos descritos em APHA (1998). RESULTADOS E DISCUSSÃO Bactérias filamentosas Diferentes tipos de filamentos foram observados no licor misto, porém seu número aparentemente não foi elevado a ponto de causar o intumescimento do lodo no sistema de lodos ativados. A estimativa de freqüência dos filamentos foi caracterizada como "muito comuns" apenas nos meses de julho e agosto (58º e 94º dia de operação, respectivamente). Nos demais meses, a estimativa de freqüência desses filamentos variou de "comum" a "rara". A diversidade dos filamentos identificados foi pequena, resumindo-se a quatro tipos morfológicos, sendo apresentada na Tabela 1. Todos os tipos encontrados, quando em abundância, são causadores de bulking. Nenhum tipo característico de formação de escuma foi encontrado. Com base nesses resultados, a Tabela 2 foi construída a fim de exibir as possíveis causas de aparecimento dos filamentos caracterizados, durante a realização do monitoramento microbiológico. Tabela 1- Freqüência de aparecimento de microrganismos filamentosos no sistema de lodos ativados Bactéria Filamentosa Junho 29o dia Julho

5 58o dia Agosto 94o dia Setembro 127o dia Outubro 157o dia Novembro 204o dia Filamentos (3) (3) (2) (2) (2) Sphaerotilus spp (3) (3) (2)

6 Beggiatoa sp (2) Thiothrix spp Haliscomenobacter hydrossis (0) (0) (0) (0) (0) Escala qualitativa de freqüência: (0) nenhuma; rara; (2) comum; (3) muito comum; (4) abundante As bactérias filamentosas constituíram a matriz estrutural dos flocos, não predominando para caracterizar o efeito bulking. Os principais gêneros observados foram semelhantes a

7 Beggiatoa, Thiothrix e Sphaerotilus. Tais gêneros, de acordo com a Tabela 2, são característicos de reatores de mistura completa com aeração uniforme e alimentação contínua (Eikelboom, 2000). Os valores do ph no tanque de aeração variaram de 6,9 a 8,2. Esta faixa de valores foi favorável, em todos os meses, ao crescimento das bactérias filamentosas, observando-se a faixa ótima indicada por Madigan et al. (2000), na Tabela 2. Conforme resultados de IVL apresentados na Tabela 3, os maiores valores foram observados em julho e agosto, entretanto não superaram o limite de 150mL/g. Lodo com IVL superior a esse valor é característico de intumescimento. Foi justamente nas amostras daqueles meses em que foi verificada maior presença de filamentos. Entretanto Wanner et al. (1998) afirmaram que baixos valores de IVL estão mais relacionados com as s propriedades de sedimentação do flocos do que com a ausência de filamentos e que valores de IVL maiores que 200mL/g indicam freqüência de aparecimento de filamentos variando de muito comuns a abundante. Raros foram os filamentos encontrados em junho (29º dia de operação), o primeiro mês de monitoramento microbiológico. No início de julho, houve escassez no suprimento de oxigênio decorrente de problema ocorrido com o compressor, prejudicando a aeração do sistema de lodos ativados. Certamente por este motivo, houve maior quantidade de filamentos nesse segundo mês de monitoramento. Tabela 2- Possíveis causas da ocorrência de algumas bactérias filamentosas em sistemas de lodos ativados Filamento Característica do afluentea F/Ma (kgdbo/ kgssvlm.d) OD /N/ Pa Tanque de

8 aeraçãoa phb Observações a Sphaerotilus natans - Alta concentração de compostos orgânicos de baixo peso molecular > 0,2 Escassez de OD, N ou P Mistura completa ~7 - Raramente ocorre em estações com remoção biológica de nutrientes. - Crescimento excelente em instalações piloto com afluente sintético. - População elevada causa bulking e ocorre com IVL extremamente elevado. Beggiatoa - Compostos reduzidos de enxofre (H2S) - Escassez de OD Superfície aeróbia de biofilme séptico Ocorre em estações com muitos compostos reduzidos de enxofre. - Não afetam substancialmente a velocidade de sedimentação dos flocos. Thiothrix - Compostos reduzidos de enxofre

9 - Alta concentração de compostos orgânicos de baixo peso molecular > 0,1 Escassez de OD, N ou P Mistura completa Dificilmente ocorre em estações de baixa carga (remoção biológica nutrientes), a não ser que haja elevada quantia de sulfeto. - População elevada causa bulking. H. hydrossis - Alta concentração de compostos de nitrogênio > 0,2 Escassez de OD ou P Mistura completa - Comumente ocorre em estações de lodos ativados. - População sempre pequena em estações com remoção de nutrientes Fonte: (a) Eikelboom (2000); (b) Madigan et al. (2000) Tabela 3- Valores de ph e IVL das amostras para monitoramento microbiológico e relação de nutrientes (DBO:N:P) no efluente do sistema de lodos ativados Amostra (dia de operação) ph IVL (ml/g) DBO:N:P(a) Junho (29o)

10 7, :29:3 Julho (58o) 7, :20:1 Agosto (94o) 8, :15:1 Setembro (127o) 7, :25:3 Outubro (157o) 7, Novembro (204o) 7, :24:3

11 (a) Relação ideal para sistemas aeróbios = 100:5:1 - Análises de nitrogênio e fósforo não foram realizadas. Pode-se considerar que a elevada freqüência de filamentos observada em agosto foi decorrente da baixa concentração de oxigênio dissolvido ocorrida em julho, porém, segundo Eikelboom (2000), microrganismos filamentosos desaparecem após decorrido tempo equivalente à idade do lodo e correção das condições favoráveis à sua proliferação. A quantidade estimada de filamentos diminuiu nos demais meses de monitoramento, em relação aos meses de julho e agosto, mantendo a freqüência "comum". Pernelle et al. (2001) impuseram três tipos de estresse em sistema de lodos ativados (100L), tratando substrato sintético, para observação da proliferação de microrganismos filamentosos: (i) escassez de OD, (ii) sobrecarga orgânica de fácil degradabilidade e (iii) escassez de OD associada à sobrecarga orgânica. Os autores observaram que H. hydrossis iniciaram crescimento no dia seguinte à ocorrência de escassez no suprimento de OD, enquanto que os filamentos do gênero Thiothrix começaram a crescer após dois dias da aplicação do estresse no sistema. Foi também verificado que a sobrecarga orgânica não teve influência na proliferação de Thiothrix, entretanto a influência no crescimento da população de H. hydrossis foi considerada importante. Durante o mês de setembro, não houve escassez de oxigênio, nem de fósforo no sistema de lodos ativados. Além disso, a concentração de compostos nitrogenados foi semelhante aos demais meses de monitoramento (Tabela 3). Assim, não foi possível estabelecer uma provável causa para o crescimento do microrganismo filamentoso semelhante a H. hydrossis, embora a estimativa de sua freqüência no lodo tenha sido considerada "rara". Como o sistema de lodos ativados era alimentado pelo efluente do Ralex que continha compostos reduzidos de enxofre, a oxidação biológica desses compostos resultou no acúmulo de grânulos intracelulares de enxofre, que foram facilmente detectados microscopicamente nos filamentos Beggiatoa e Thiothrix. Além disso, a degradação anaeróbia no Ralex certamente gerou compostos orgânicos de baixo peso molecular. Alta concentração desses compostos é favorável ao desenvolvimento de Beggiatoa, Thiothrix e Sphaerotilus. Na Figura 1, são ilustradas as bactérias filamentosas semelhantes a Sphaerotilus sp., Beggiatoa sp, Thiothrix sp e H. hydrossis observadas durante os exames de microscopia ótica sob contraste de fase e de iluminação comum das colorações de Gram e PHB.

12 Figura 1- Bactérias filamentosas observadas no licor misto semelhantes a: (a) Sphaerotilus sp - coloração de Gram (-); (b) Beggiatoa sp - contraste de fase (grânulos de enxofre evidenciados); (c) Thiothrix spp - coloração de PHB (+); (d) Haliscomenobacter hydrossis - contraste de fase. Características do floco O aspecto do floco foi diferente de um mês para outro, conforme pode ser observado na Tabela 4, em que são apresentados os aspectos dos flocos em cada mês de monitoramento. A qualidade do lodo do licor misto foi avaliada pelas características do floco e quantidade de filamentos, fazendo-se comparação com critérios para estabelecidos em Eikelboom (2000). Na Tabela 5, é apresentada a avaliação comparativa da qualidade do lodo durante o monitoramento microbiológico. Tabela 4- Característica do floco no sistema de lodos ativados Parâmetro Junho 29o dia Julho 58o dia Agosto 94o dia Setembro 127o dia Outubro 157o dia Novembro 204o dia Estrutura

13 compacto aberto aberto aberto compacto compacto Forma arredondado irregular irregular irregular arredondado arredondado Consistência robusto robusto robusto intermediária robusto intermediária Tamanho: %flocos>25m m > 80% > 80% > 80%

14 > 80% > 80% > 80% Tabela 5- Qualidade do lodo do sistema de lodos ativados Critério Qualidade do lodo Junho 29o dia Julho 58o dia Agosto 94o dia Setembro 127o dia Outubro 157o dia Novembro 204o dia Filamentos

15 Tamanho: % flocos > 25m m Estrutura do floco Consistência do floco

16 Forma do floco Resultado Os flocos das amostras coletadas em junho, outubro e novembro apresentaram s condições de sedimentabilidade, enquanto que os flocos das amostras coletadas em julho, agosto e setembro foram considerados de qualidade. CONCLUSÕES O desenvolvimento de bactérias filamentosas seria favorecido em sistema de póstratamento devido à elevada concentração de matéria orgânica de baixo peso molecular e compostos reduzidos de enxofre, gerados no reator anaeróbio. Entretanto verificou-se que a escassez de oxigênio dissolvido foi o principal agente causador do aumento desses microrganismos no sistema de lodos ativados.

17 A estimativa da quantidade de bactérias filamentosas não foi alta, a ponto de causar bulking do lodo. Os principais filamentos observados foram semelhantes aos gêneros Sphaerotilus, Beggiatoa e Thiothrix e não foi verificada a presença de bactérias filamentosas características da formação de escuma. A qualidade do floco, quanto às características de sedimentação do lodo, não foi relacionada com a estimativa da quantidade de bactérias filamentosas em todos os meses de monitroamento. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS APHA (1998). Standard Methods for the Examination of Water and Wastewater, 20th ed., American Public Health Association, Washington, D.C., Estados Unidos BRAILE, P. M. & CAVALCANTI, J. E. W. A. (1993). Manual de Tratamento de Águas Residuárias, CETESB, 764p., São Paulo, SP CETESB (1989). Microbiologia de Lodos Ativados, Série Manuais, Companhia de Tecnologia de Saneamento Ambiental, 23p., São Paulo, SP EIKELBOOM, D. H. (2000). Process Control of Activated Sludge Plants by Microscopic Investigation, Manual, Asis/IWA, 156p., Londres, Reino Unido JENKINS, D.; RICHARD, M. G. & DAIGGER, G. T. (1993). Manual on the Causes and Control of Activated Sludge Bulking and Foaming, 2ª ed., Lewis Publishers, Inc., 193p., Estados Unidos MADIGAN, M. T.; MARTINKO, J. M. & PARKER, J. (2000). Brock Biology of Microorganisms, 9th ed., Prentice Hall International, Inc., 991p., Estados Unidos MADONI, P.; DAVOLI, D. & GIBIN, G. (2000). Survey of Filamentous Microorganisms from Bulking and Foaming Activated-Sludge Plants in Italy, Water Research, 34 (6), p PERNELLE, J-J.; GAVAL, G.; COTTEUX, E. & DUCHÈNE, P. (2001). Influence of Transient Substrate Overloads on the Proliferation of Filamentous Bacterial Populations in an Activated Sludge Pilot Plant, Water Research, 35, p PUJOL, R. & CANLER, J. P. (1992). Biosortion and Dynamics of Bacterial Populations in Activated Sludge, Water Research, 26 (2), p RICHARD, M. (1989). The Bench Sheet Monograph on Activated Sludge Microbiology, 73p., Water Pollution Control Federation, Alexandria, Estados Unidos

18 TOMEI, M. C.; LEVANTESI, C.; ROSSETTI, S. & TANDOI, V.(1999). Microbiological Characterisation of Pure Cultures and its Relevance to Modelling and Control of Bulking Phenomena, Water Science and Technology, 39, p WANNER, J.; RUZICKOVÁ, I.; JETMAROVÁ, P.; KRHUTKOVÁ, O. & PARANIAKOVÁ, J. (1998). A National Survey of Activated Sludge Separation Problems in the Czech Republic: Filaments, Floc Characteristics and Activated Sludge Metabolic Properties, Water Science and Technology, 37 (4-5), p