I REMOÇÃO DE MATÉRIA CARBONÁCEA, NUTRIENTES E CONTAMINANTES BIOLÓGICOS EM BACIA EXPERIMENTAL PELO PROCESSO DE INFILTRAÇÃO RÁPIDA

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1 I REMOÇÃO DE MATÉRIA CARBONÁCEA, NUTRIENTES E CONTAMINANTES BIOLÓGICOS EM BACIA EXPERIMENTAL PELO PROCESSO DE INFILTRAÇÃO RÁPIDA Manoel Lucas Filho (1) Engenheiro Civil. Doutor em Recursos Hídricos. Professor Adjunto da UFRN. Coordenador do Mestrado em Recursos Hídricos e Saneamento Ambiental do FOTOGRAFIA DEC/CT/UFRN. Maria Gorete Pereira NÃO Engenheira Civil. Mestre em Engenharia Química. Bolsista do PROSAB - Programa de DISPONÍVEL Pesquisas em Saneamento Básico (FINEP/CNPq/CEF). Henio Normando de Souza Melo Engenheiro Químico. Doutor em Engenharia Ambiental. Professor da Universidade Federal do Rio Grande do Norte. Coordenador do PROSAB (RN) - Programa de Pesquisas em Saneamento Básico (FINEP/CNPq/CEF). Cícero Onofre de Andrade Neto Engenheiro Civil. Mestre em Engenharia Civil com concentração em Saneamento. Professor da UFRN. Membro do Grupo Coordenador do PROSAB - Programa de Pesquisas em Saneamento Básico. (FINEP/CNPq/CEF). Endereço (1) : Av. Rodrigues Alves, apto Tirol - Natal - RN - CEP: Brasil - Tel: (84) Fax (84) lucas@ct.ufrn.br RESUMO No presente trabalho são apresentados os resultados preliminares do estudo da disposição no solo do efluente de tratamento secundário, em Infiltração Rápida, com vistas à implantação de um sistema de disposição final adequado a cidades costeiras que dispõem de bacias sedimentares com franca migração do aqüífero para a plataforma. Buscou-se detectar as variações significativas resultantes da aplicação dos esgotos no solo visando confirmar os impactos ambientais previstos. Os estudos estão sendo desenvolvidos em um módulo (Bacia de Infiltração), no terreno natural, medindo 3,50m x 3,50m ou 12,25m 2 de área útil, com monitoramento através de um poço de amostragem com 1,00m de diâmetro e 7,30m de profundidade, onde se localizam os terminais de coleta dos drenos horizontais instalados dentro da bacia, às profundidades de 50, 120, 220, 430 e 660cm, denominados de BI-1, BI-2, BI-3, BI-4 e BI-5, respectivamente, com a finalidade de captar o esgoto percolado na vertical da zona insaturada da bacia. O processo mostrou-se eficiente na remoção de carbonáceos, além de um elevado potencial de nitrificação, através de uma eficiência de remoção de nitrogênio amoniacal de até 82% e concentrações médias de nitrito e nitrato. Por outro lado a remoção de Coliformes Fecais foi de baixa eficiência (<91%). Num afluente com concentração de 7,7 x 10 5 UFC/100ml, remoção dessa ordem representa redução de apenas 1 unidade log 10, significando uma sobrevivência destes organismos ainda muito elevada. PALAVRAS-CHAVE: Infiltração Rápida, Disposição no Solo, Pós-tratamento, Remoção de Nutrientes. INTRODUÇÃO A disposição de esgotos no solo, como técnica de tratamento, consiste no uso da superfície do solo e de sua matriz como reator biológico. O processo de tratamento se baseia no aproveitamento da grande capacidade que os solos têm de reter, transformar e reciclar grande parte das substâncias poluidoras constituintes dos esgotos. No processo de tratamento por Infiltração Rápida, a maior parte do esgoto aplicado percola através da matriz do solo onde passa por tratamento decorrente de processos físicos, químicos e biológicos a ele inerentes ABES - Associação Brasileira de Engenharia Sanitária e Ambiental 1

2 e pode ser recuperado por drenos ou bombeamento ou, ainda, pode alimentar os aqüíferos subterrâneos. Este processo prevê a aplicação do esgoto sanitário, primário ou secundário, em Bacias de Infiltração, de forma intermitente e, naturalmente, dentro de um ciclo operacional pré-determinado especificamente para o tipo de solo, características do esgoto e os objetivos do tratamento. Os períodos de descanso são, em geral, previstos de modo que se restabeleçam as intensidades de infiltração correspondentes ao início do ciclo de aplicação do afluente. Em certos casos, esses períodos são concebidos de modo a se maximizarem não as cargas hidráulicas mas a eficiência do processo de desnitrificação. Quando o objetivo principal do tratamento é a nitrificação do esgoto, adota-se curtos períodos de aplicação precedidos de extensos períodos de descanso. A configuração do ciclo operacional varia principalmente com o nível de tratamento antes da aplicação no solo e com as condições climáticas da região em estudo. O pré-tratamento das águas residuais a aplicar no solo é especialmente importante no processo de infiltração rápida pois, dadas as elevadas cargas hidráulicas que caracterizam o referido processo, promove a melhoria no funcionamento dos sistemas de distribuição e reduz os riscos de colmatação dos interstícios ou "poros" do solo. Neste trabalho são apresentados os resultados preliminares do estudo da disposição no solo do efluente de tratamento secundário, em Infiltração Rápida, com vistas à implantação de um sistema de disposição final adequado a cidades costeiras que dispõem de bacias sedimentares com franca migração do aqüífero para a plataforma. O monitoramento tem por objetivo detectar variações significativas resultantes da aplicação dos esgotos no solo. Os resultados das observações devem servir para confirmar ou não os impactos ambientais previstos e para justificar ações corretivas tendo em vista a proteção do ambiente. MATERIAIS E MÉTODOS Características do sistema Os estudos estão sendo desenvolvidos em um módulo (Bacia de Infiltração), no terreno natural, medindo 3,50m x 3,50m ou 12,25m 2 de área útil. O solo, caracterizado como uma areia quartzosa média de diâmetro efetivo 0,18mm, apresenta uma granulometria muito uniforme (Cu = 2,75) e um coeficiente de permeabilidade da ordem de 3,18 x 10-2 cm/s ( 114cm/h), valor extremamente elevado para o processo de Infiltração Rápida que requer um solo com permeabilidade variando de moderada (5 cm/h) a alta (50cm/h), segundo o manual da EPA (1981). Para o controle do processo de tratamento, foi construído ao lado deste módulo um poço de amostragem com 1,00m de diâmetro e 7,30m de profundidade, onde se localizam os terminais de coleta dos drenos horizontais instalados dentro da bacia, às profundidades de 50, 120, 220, 430 e 660cm, denominados de BI-1, BI-2, BI-3, BI-4 e BI-5, respectivamente, com a finalidade de captar o esgoto percolado na vertical da zona insaturada da bacia. A unidade experimental está em operação de calibração desde Agosto/99 e em operação sistemática a partir de Fevereiro/2000, sendo alimentada com o efluente de um sistema de tratamento anaeróbio composto de tanque séptico de câmaras em série, um pequeno filtro de pedra, de fluxo ascendente, acoplado ao tanque séptico e quatro filtros anaeróbios, afogados, em paralelo, dotados com diferentes tipos de enchimentos. O monitoramento está sendo efetuado de modo a se caracterizar o grau de tratamento do sistema de Infiltração Rápida, em investigação, através da qualidade da água do que percola a distâncias verticais da superfície de aplicação. O ciclo de aplicação/descanso adotado nesta fase inicial da pesquisa é de 01 (um) dia de aplicação contínua para 06 (seis) dias de descanso. A carga hidráulica aplicada é da ordem de 2,0 a 2,6 m/dia. O estudo está fundamentado na análise dos seguintes parâmetros: sólidos suspensos, DQO total e filtrada, carbono orgânico total, nitrogênio amoniacal, nitrito, nitrato, fósforo, alcalinidade, ph, temperatura, turbidez ABES - Associação Brasileira de Engenharia Sanitária e Ambiental 2

3 e coliformes fecais, com ênfase específica no comportamento dos nutrientes nitrogênio e fósforo e na desinfecção do esgoto. As amostras são coletadas semanalmente, a diferentes profundidades do leito filtrante, durante a passagem da frente de umidade na zona insaturada da bacia. Os métodos de análises utilizados estão descritos no Standard Methods for Examination of Water and Wastewater - 19ª edição (1995). RESULTADOS E DISCUSSÃO Os resultados aqui apresentados são valores parciais referentes a dois meses de acompanhamento sistemático (fevereiro e março/2000) com medidas semanais. Matéria Orgânica Carbonácea A matéria orgânica carbonácea está presente nos esgotos, sendo uma importante característica, responsável pelo principal problema de poluição das águas: o consumo de oxigênio dissolvido pelos microrganismos, nos seus processos metabólicos de utilização e de estabilização dessa matéria. Na tabela 1 estão apresentadas as concentrações médias dos principais parâmetros de controle de matéria orgânica utilizados nesse estudo. Tabela 1: Concentrações médias (mg/l) - eficiência de remoção de matéria orgânica. AFLUENTE EFLUENTE DQO BI-1(50cm) BI-2(120cm) BI-3(220cm) BI-4(430cm) SS Concentração Remoção (%) Concentração tot Remoção (%) DQO filt. Concentração Remoção (%) COT Concentração Remoção (%) Os sólidos suspensos e coloidais são removidos por sedimentação e filtração através da camada do solo. Os efluentes produzidos na bacia, às diferentes profundidades, apresentaram remoção de SS variando de 42 a 75% com concentrações máxima de 11 mgss/l em BI-1 e mínima de 5 mgss/l em BI-3. Com relação à DQO total e filtrada as remoções foram equivalentes, chegando a 51% em BI-2, com concentrações de 58 e 43 mg/l, respectivamente. A menor remoção foi registrada em BI-1 (32%), com concentrações de 80 e 60mg/L. Remoção de Nutrientes Os compostos nitrogenados, orgânicos e inorgânicos, podem sofrer diversas transformações no solo. Por ação de microrganismos autotróficos, os compostos amoniacais podem ser sucessivamente transformados em nitritos (NO 2- ) e em nitratos (NO 3- ), respectivamente, devido à ação de bactérias do gênero nitrosomonas e nitrobacter, em conjunto designadas bactérias nitrificantes; em condições de anaerobiose, o nitrato pode ser reduzido, por via microbiológica, a compostos nitrogenados voláteis ou pouco solúveis na água do solo e, como tal, susceptíveis de se perderem para a atmosfera (NH 3 ou N 2 ). O principal mecanismo de remoção de nitrogênio no processo de Infiltração Rápida é a nitrificação/desnitrificação o qual se desenvolve em duas etapas distintas: oxidação do nitrogênio amoniacal para nitrato (nitrificação) e conversão de nitrato para nitrogênio gasoso (desnitrificação). ABES - Associação Brasileira de Engenharia Sanitária e Ambiental 3

4 Para que ocorra a nitrificação pelo processo de Infiltração Rápida, o primeiro passo é a adsorção do íon amônio pelos coloides orgânicos existentes no solo, a qual exerce um papel intermediário na remoção de nitrogênio. A adsorção é responsável pela fixação do nitrogênio no solo próximo à superfície. Isto ocorre devido à complexa troca iônica do NH 4+ com os coloides do solo durante o período de descanso, até que o ambiente se torne aeróbio. Tal processo de retenção permite que o íon amônio adsorvido antes do início do novo ciclo já se encontre nitrificado. A taxa de infiltração do esgoto no solo influencia diretamente na remoção de nitrogênio, uma vez que altas cargas hidráulicas na IR eventualmente saturará a capacidade de adsorção do solo pelo íon amônio, permitindo assim o seu carreamento até o lençol freático. Também o fósforo se encontra no solo sob formas orgânicas e minerais, predominando, geralmente, as formas minerais. As principais transformações que envolvem o fósforo no solo são de caráter físico (adsorção), químico (precipitação) e biológico (utilização por microrganismos). A retenção do fósforo no solo está principalmente ligada à reação e ao teor em cálcio deste. A materia orgânica também pode contribuir para o aumento do fósforo disponível, já que produtos decorrentes da sua alteração podem complexar íons como Fe 3+ e o Al 3+ reduzindo, deste modo, a precipitação do fósforo. O próprio ácido carbônico, formado a partir do CO 2 libertado durante a decomposição da matéria orgânica, tem efeito solubilizante sobre os compostos fosfatados. O fósforo é um nutriente essencial para o crescimento dos microrganismos responsáveis pela estabilização da matéria orgânica. Os principais mecanismos de remoção neste tipo de processo são a adsorção e precipitação química. Na tabela 2 apresentamos as concentrações médias dos nutrientes nitrogênio e fósforo, obtidas durante o período estudado. Tabela 2 - Comportamento dos nutrientes (N, P) em diferentes profundidades. AFLUENTE EFLUENTE BI-1(50cm) BI-2(120cm) BI-3(220cm) BI-4(430cm) x n x n % x n % x n % x n % N-NH 4+ 32, , , , , N-NO 2-0,05 8 0, , , , N-NO 3-1, , , , , P-HPO 4-2 1,71 8 1, , , , Uma substancial oxidação das formas reduzidas de nitrogênio foi observada a partir do ponto BI-1 (50cm) onde a remoção de nitrogênio amoniacal atingiu 44%. Efluentes com elevados níveis de mineralização foram obtidos às profundidades de 120 e 220cm, onde a eficiência média de nitrificação superou 80% e as concentrações de N-NO 3- foram superiores a 20mg/l. Nestas profundidades os teores de nitrogênio amoniacal foram inferiores a 7 mg/l, correspondendo a uma nitrificação bastante elevada. Muito embora os valores de ph do esgoto aplicado estivessem próximo de 7,0 (6,7 a 7,5), pode-se verificar que na bacia ocorreram consumo de alcalinidade (reduções iguais ou superiores a 50%), devido às reações de nitrificação. Com relação ao fósforo, os principais mecanismos de remoção neste tipo de processo são a adsorção e precipitação química. Em esgotos domésticos típicos o fósforo predomina na forma de ortofosfatos (HPO 4-2 ) e são diretamente disponíveis para o metabolismo biológico sem necessidade de conversões a formas mais simples. ABES - Associação Brasileira de Engenharia Sanitária e Ambiental 4

5 O curto período de contato do esgoto com o leito filtrante de alta permeabilidade, e a pequena capacidade de troca catiônica da areia (CTC = 7,3 meq/100g de solo) contribuíram para uma baixa remoção de fósforo (máximo de 15%), muito embora as concentrações nos efluentes fossem inferiores a 2 mg/l. Contaminantes biológicos A detecção dos agentes patogênicos, principalmente bactérias, protozoários e vírus, em uma amostra d'água é extremamente difícil, em razão das suas baixas concentrações. Este obstáculo é superado através do estudo dos chamados organismos indicadores de contaminação fecal dos quais fazem parte os Coliformes Fecais. O processo removeu Coliformes Fecais com baixa eficiência (<91%). Num afluente com concentração de 7,7 x 10 5 UFC/100ml, remoção dessa ordem representa redução de apenas 1 unidade log 10, significando uma sobrevivência destes organismos ainda muito elevada. CONCLUSÕES Concentrações de SS 11mg/L e DQO 80mgO 2 /L, desde os 50cm de profundidade, são indicadores de efluente rigorosamente mineralizados, significando que o processo é bastante eficiente na remoção de poluição carbonácea, mesmo a pequenas profundidades; O processo comprovou o elevado potencial de nitrificação, através de uma eficiência de remoção de nitrogênio amoniacal de até 82% e concentrações médias de nitrito e nitrato nos efluentes variando de 0,19 a 0,55 mgn-no 2 -/L e 12,89 a 27,45 mgn-no 3 -/L, respectivamente; O processo de nitrificação é especialmente importante, porque transforma formas nitrogenadas sem possibilidades de percolarem facilmente, como é o caso do nitrogênio amoniacal, numa forma com grande mobilidade na água (nitrato) e que pode, eventualmente, vir a atingir o nível das águas subterrâneas, implicando, consequentemente, em risco de poluição; O ciclo operacional adotado mostrou-se bastante eficiente na nitrificação do esgoto secundário, como pode ser observado pelas altas concentrações de nitrato encontradas nos efluentes. Entretanto, deve-se otimizar esse ciclo e as cargas hidráulicas aplicadas com o objetivo de beneficiar o processo de desnitrificação, e conseqüente remoção de nitrogênio. Será necessária uma mudança neste ciclo, de forma a permitir um maior tempo de contato entre a matriz do solo e o esgoto, o que propiciará, também, melhor condição para a remoção de fósforo. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS 1. ANDRADE NETO, C. O. (1997). Sistemas simples para tratamento de esgotos sanitários: experiência brasileira. Rio de Janeiro: ABES. 301p. 2. AWWA/APHA/WEF (1995). Standard Methods for the Examination of Water and Wastewater, 19 th edition. Washington. 3. BRAGA, F.S. (1998). Disposição de esgotos sanitários por infiltração rápida, sob condições de campo e de laboratório, em solo arenoso de região litorânea. São Carlos. Tese (Doutorado) - Hidráulica e Saneamento. Universidade de São Paulo - Escola de Engenharia de São Carlos (USP-EESC). 326p. 4. CAMPOS, J. R. et al. (1999). Tratamento de esgotos sanitários por processo anaeróbio e disposição controlada no solo. Rio de Janeiro: ABES p.: il. Projeto PROSAB. 5. LIMA, M.R.P. (1996). Estudo da remoção dos nutrientes nitrogênio e fósforo de esgoto sanitário através de infiltração rápida em solo arenoso de alta permeabilidade. Vitória. Dissertação (Mestrado) - Engenharia Ambiental. Universidade Federal do Espírito Santo (UFES). 145p. 6. PAGANINI, W. S. (1997). Disposição de esgotos no solo: (escoamento à superfície). São Paulo: Fundo Editorial da AESABESP. 232p. 7. Von SPERLING, M. (1996). Introdução à qualidade das águas e ao tratamento de esgotos. 2 ed. - Belo Horizonte: Departamento de Engenharia Sanitária e Ambiental. Universidade Federal de Minas Gerais. ABES - Associação Brasileira de Engenharia Sanitária e Ambiental 5