AVALIAÇÃO DE FATORES DE INFLUÊNCIA NA REMOÇÃO DE COLIFORMES EM UM SISTEMA CONSTITUÍDO DE REATOR UASB E DUAS LAGOAS DE POLIMENTO RASAS EM SÉRIE

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1 AVALIAÇÃO DE FATORES DE INFLUÊNCIA NA REMOÇÃO DE COLIFORMES EM UM SISTEMA CONSTITUÍDO DE REATOR UASB E DUAS LAGOAS DE POLIMENTO RASAS EM SÉRIE Luciana Curi Araújo Mascarenhas Bolsista DTI do Departamento de Engenharia Sanitária e Ambiental da Universidade Federal de Minas Gerais - UFMG Engenheira civil e mestre em Saneamento, Meio Ambiente e Recursos Hídricos pela UFMG Marcos von Sperling * Professor Adjunto do Departamento de Engenharia Sanitária e Ambiental da UFMG-Brasil Carlos Augusto de Lemos Chernicharo Professor Adjunto do Departamento de Engenharia Sanitária e Ambiental da UFMG-Brasil Endereço (*):Departamento de Engenharia Sanitária e Ambiental - Universidade Federal de Minas Gerais (UFMG) / Av. Contorno o andar- centro Código postal: Belo Horizonte BRASIL. Tel: (31) Fax: (31) marcos@desa.ufmg.br RESUMO As lagoas de polimento rasas investigadas (duas lagoas em série, sendo a primeira sem chicanas e a segunda com chicanas), atuando como pós-tratamento dos efluentes de um reator UASB, apresentaram um desempenho amplamente satisfatório, promovendo uma importante melhora na qualidade do efluente final. Esta melhora foi mais significativa durante a Fase 2, na qual as lagoas operaram mais rasas (H= 0,4m), em comparação com a Fase 1, na qual a profundidade foi ligeiramente superior (H=0,6m). A redução da profundidade (e do volume) das lagoas, mantida a vazão, acarretou a redução do tempo de detenção, que passou em média de 4,0 e 4,5 dias na Fase 1, para 2,8 e 2,9 dias na Fase 2 (lagoas sem chicanas e com chicanas, respectivamente). Esta redução, no entanto, não prejudicou o desempenho das lagoas, como se poderia esperar. Quanto menor a profundidade da lagoa, maior foi o valor do coeficiente de remoção bacteriana. Mesmo com a diminuição do volume e com a conseqüente redução do tempo de detenção, a eficiência das lagoas na remoção de coliformes aumentou. Em outras palavras, o produto adimensional K b.t foi superior na Fase 2, já que o aumento em K b foi proporcionalmente maior do que a redução em t. Na Fase 2, o efluente final apresentou concentração média de E.coli de 1,83 x10 2 NMP/100 ml atendendo à diretriz da OMS para uso do efluente na irrigação irrestrita, de 1 x10 3 NMP/100 ml, em 87 % dos resultados. O excelente desempenho do sistema em termos de remoção de coliformes, principalmente na Fase 2, pode ser creditado às características das lagoas, tais como profundidade reduzida, intensa produção de algas e elevação significativa do ph e OD (crescente ao longo da série de lagoas). Palavras Clave: Escherichia coli, lagoas de polimento, remoção de coliformes, reator UASB. INTRODUÇÃO De forma similar à maioria dos processos compactos de tratamento, os reatores UASB, ainda que bem adequados à remoção da matéria carbonácea dos esgotos, não são eficientes na eliminação de patógenos, necessitando, portanto, de uma etapa de pós-tratamento de seus efluentes. As lagoas de polimento têm como objetivo adequar a qualidade do efluente anaeróbio à qualidade exigida pela legislação, para lançamento deste em águas superficiais ou seu uso na agricultura, em culturas irrigadas, de maneira que não resulte em impacto ao meio ambiente e, principalmente, não cause problemas relacionados à saúde pública. 1

2 As lagoas de polimento recebem um efluente no qual a DBO está praticamente estabilizada e o oxigênio dissolvido se faz presente em toda a massa líquida (KELLNER e PIRES, 1998). O pré-tratamento no reator UASB promove uma grande diminuição do material orgânico, produzindo esgoto digerido com baixa turbidez. Com isso a transparência do esgoto digerido é boa e garante-se a penetração da luz solar em maiores profundidades, acelerando a fotossíntese e a produção de oxigênio na lagoa. A baixa taxa de oxidação, associada à alta taxa de produção fotossintética de oxigênio, leva à prevalência da fotossíntese sobre a oxidação bacteriana. Nestas condições, o fator limitante que determina o tempo de detenção mínimo dos esgotos nas lagoas de polimento (e deste modo a área e o volume da lagoa) não será mais a remoção da matéria orgânica, mas sim a remoção dos organismos patogênicos. Por esta razão, o objetivo principal das lagoas de polimento deixa de ser a estabilização da matéria orgânica e passa a ser a remoção dos patógenos. O presente trabalho não analisa os microorganismos patogênicos diretamente, mas sim os coliformes fecais, aqui representados pela Escherichia coli. O decaimento de coliformes fecais nas lagoas está fortemente relacionado com as modificações causadas no ambiente aquático pela fotossíntese. Como nas lagoas de polimento a transparência do esgoto pré-digerido possibilita que a luz solar penetre até o fundo, são intensificados os efeitos bactericídas da luz e dos fatores gerados pelas altas taxas fotossintéticas, tais como elevada produção de oxigênio e altos valores de ph. Vários dos mecanismos de decaimento dos coliformes se tornam mais efetivos com menores profundidades das lagoas, o que justifica o fato das lagoas de polimento serem mais rasas, comparadas aos demais tipos de lagoas (VON SPERLING, 1996). A influência da menor profundidade resulta na maior penetração da energia luminosa em toda massa d água (maior fotossíntese, maior oxigênio dissolvido e maior ph), além de maior penetração da radiação ultravioleta, a qual é bactericida. Possivelmente minimiza-se também a estratificação térmica, mantendo a camada do fundo em contato com toda a massa líquida. OBJETIVOS Avaliar a eficiência do sistema proposto na remoção de coliformes fecais (E. coli); Determinar a influência da profundidade da lagoa no ph, no oxigênio dissolvido e, consequentemente, na remoção de E. coli, em função de alteração na produtividade fotossintética; Determinar o coeficiente de decaimento bacteriano K b, para diferentes profundidades das lagoas, levando em consideração o seu regime hidráulico. METODOLOGIA Descrição do sistema de tratamento Os trabalhos experimentais foram desenvolvidos em unidades, em escala piloto, implantadas junto à ETE Nova Vista, no município de Itabira/MG Brasil. O aparato experimental é composto por um reator anaeróbio tipo UASB compartimentado e duas lagoas de polimento em série, sendo a primeira sem chicanas e a segunda com chicanas, conforme ilustrado na Tabela 1 e nas Figura 1 e 2: Tabela 1 - Características do sistema Característica UASB Lagoa com chicanas Lagoa sem chicanas Largura (m) 1,0 4,0 4,0 Comprimento (m) 3,0 8,0 8,0 Profundidade (m) 3,0 0,6 0,4 0,6 0,4 Volume (m 3 ) 9,0 19,2 12,8 19,2 12,8 Tempo de detenção 7,5 h 4,0 2,7 4,0 2,7 Vazão média (m 3 /d) 28,8 4,8 4,8 2

3 Laboratório UASB Esg. Bruto 1 UASB 2 3 Lagoa com chicanas 4 Lagoa sem chicanas Lagoa com chicanas Lagoa sem chicanas Figura 1: Vista das unidades experimentais Figura 2 : Croquis dos pontos de amostragem Fases Operacionais A pesquisa se dividiu em duas fases distintas, diferenciadas pela adoção de diferentes profundidades nas lagoas e, por conseqüência, diferentes tempos de detenção hidráulica, uma vez que a vazão permaneceu a mesma durante as duas fases. Tabela 2: Características das fases operacionais Fase Duração Prof. (m) Lagoas de polimento Volume TDH em cada (m 3 ) lagoa (d) TDH total (d) (duas lagoas) 1 4 meses - Set. a Dez ,60 19,2 4,0 8,0 2 2 meses - Jan. a Fev ,40 12,8 2,7 5,4 Monitoramento do Sistema O programa de monitoramento do sistema teve duração de seis meses (Set a Fev. 2002) e consistiu da coleta semanal de amostras do esgoto bruto, efluente do UASB, efluente da lagoa sem chicanas e efluente da lagoa com chicanas (pontos 1, 2, 3 e 4 da Figura 1), para as quais foram feitas análises microbiológicas de Escherichia coli. Para o processamento da amostras foi utilizado o método de substrato definido (QUANTITRAY COLILERT), de acordo com os procedimentos descritos no AWWA/APHA/WEF (1998). Foram medidos os valores de ph, temperatura e oxigênio dissolvido nas entradas e saídas de todas as unidades de tratamento, três vezes por semana, às 8:00 e 14:00 horas, sendo que nas lagoas a medida destes três parâmetros foi feita a 20 cm da lâmina d água. As amostras foram preservadas em gelo e transportadas para processamento nos laboratórios do DESA/UFMG, sendo observados os tempos de coleta e preservação preconizados pelo Standard Methods for the Examination of Water and Wastewater (AWWA /APHA/WEF, 1998). RESULTADOS E DISCUSSÃO A Tabela 3 apresenta os valores das concentrações médias (média geométrica) e eficiências de remoção de E.coli, no sistema UASB/Lagoas, em termos de porcentagem e de unidades logarítmicas removidas: 3

4 Tabela 3: Concentrações e eficiências médias de remoção de E.coli Fase Concentrações médias E.coli (NMP/100 ml) Eficiências médias de remoção de E.coli Esgoto Bruto Ef. UASB Ef. Lagoa sem chic. Ef. Lagoa com chic. Efic. UASB Lagoa sem chic. Lagoa com chic. Sistema 1 % 93,577 98,612 97,162 99,997 3,56 x10 8 2,29 x10 7 3,17 x10 5 9,00 x10 3 unid. log 1,19 1,86 1,55 4,60 2 % 93,905 99,799 99,229 99,999 1,93 x10 8 1,18 x10 7 2,37 x10 4 1,83 x10 2 unid. log 1,21 2,70 2,11 6,03 Notas : As eficiências médias foram calculadas com base nas concentrações médias (média geométrica) afluentes e efluentes em cada fase. A concentração média de E.coli do esgoto bruto esteve próxima do limite superior da faixa citada na literatura (10 5 a 10 9 NMP/100 ml de coliformes fecais), no que se refere a esgotos domésticos. O reator UASB foi responsável, em média, pela remoção de 1,19 e 1,21 unidades logarítmicas, nas Fases 1 e 2, respectivamente, evidenciando a grande necessidade de pós-tratamento de seus efluentes, quanto à remoção de E.coli. A Figura 3 apresenta a série temporal da concentração de E.coli ao longo das duas fases operacionais e a Figura 4 mostra a eficiência de remoção de E.coli para cada unidade de tratamento, isoladamente e para o sistema, em termos de unidades logarítmicas removidas. E. coli (NMP/100 ml) 1,0E+10 E. Coli 1,0E+08 1,0E+06 1,0E+04 1,0E+02 Fase 1 Fase 2 1,0E+00 5/9 3/10 31/10 28/11 26/12 23/1 20/ Esg. Bruto Ef. UASB Ef. Lagoa s/chic. Ef. Lagoa c/chic. Figura 3: Série Temporal de E.coli Unid. Log. Removidas Eficiência de Remoção de E.coli 9 8 Fase 1 Fase /9 26/9 17/10 7/11 28/11 19/12 9/1 30/1 20/2 UASB Lagoa s/chic. Lagoa c/chic. Sistema Figura 4: Eficiência de remoção de E.coli Foram obtidos resultados amplamente satisfatórios quanto à remoção de E.coli através das lagoas de polimento, principalmente durante a Fase 2, em que as lagoas operaram com menor profundidade (H=0,4 m), sendo que durante esta fase a eficiência média do sistema foi de 99,99991%, equivalente à remoção de 6,03 unidades logarítmicas. A Figura 5 apresenta a variação das concentrações de E. coli e evidencia o grande decaimento ocorrido ao longo do sistema e a melhora substancial na remoção de E.coli, pelas lagoas e pelo sistema, durante a Fase 2, na qual as lagoas operaram com menor profundidade (H=0,4m). 4

5 E. coli - NMP/100 ml 1,01e9 Fase 1 Fase 2 1,01e7 1,01e Bruto Ef. UASB Ef. Lag 1 Ef. Lag 2 Bruto Ef. UASB Ef. Lag 1 Ef. Lag 2 Max Min 75% 25% Median Figura 5: Variação dos valores de E.coli No Brasil, não existe padrão de lançamento de efluentes quanto a coliformes fecais, porém há o padrão de qualidade do corpo receptor, segundo a Resolução CONAMA (20/86), que fixa 1x10 3 CF/100 ml, para corpos receptores classe 2 (que corresponde à maioria dos rios brasileiros). Para se considerar 1x10 3 CF/100 ml no efluente, desprezase a diluição com o corpo receptor, como se este fosse intermitente. Além disto, segundo as diretrizes da OMS, um efluente com menos de 1x10 3 CF/100 ml pode ser usado na irrigação irrestrita de vegetais ingeridos crus (exemplo: alface). As Figuras 6 e 7 apresentam a distribuição de freqüência dos resultados obtidos para a concentração de E.coli efluente, durante as Fases 1 e 2. Os percentis foram elaborados a partir dos resultados de E.coli, apesar da legislação ambiental explicitar coliformes fecais, uma vez que a E.coli representa a maior parte dos CF. E.coli (NMP/100mL) Percentil (%)- Fase 1 1,E+09 1,E+07 1,E+05 1,E+03 1,E ef UASB ef. Lagoa 1 ef. Lagoa 2 E.coli (NMP/100 ml) 1,E+09 1,E+07 1,E+05 1,E+03 1,E+01 Percentil (%)- Fase ef UASB ef. Lagoa 1 ef. Lagoa 2 Figura 6: Percentis E.coli Fase 1 Figura 7: Percentis E.coli Fase 2 O sistema, até a lagoa sem chicanas (primeira da série) atuou dentro dos padrões em apenas 9 % dos resultados na Fase 2, sendo que durante a Fase 1 não atendeu ao limite máximo de 1000 CF/100mL em nenhum resultado. Já o sistema completo, incluindo a lagoa com chicanas (segunda da série), apresentou um desempenho excelente, principalmente durante a Fase 2, quando atendeu ao padrão em 87% dos resultados. Este fato é muito importante, principalmente ao se considerar o baixo tempo de detenção total no sistema, em torno de 6 dias. 5

6 Fatores Intervenientes na remoção de E.coli a) Fatores ligados à fotossíntese A Tabela 4 apresenta os resultados médios de oxigênio dissolvido, temperatura e ph, medidos nas lagoas a 20 cm da lâmina d água. Tabela 4 Resultados médios de OD, ph e temperatura Parâmetro Fase Valores Médios Medido às 8:00 hs Medido às 14:00 hs Lagoa sem Lagoa com Lagoa sem Lagoa com chicanas chicanas chicanas chicanas Temperatura 1 21,9 22,0 23,9 24,2 2 23,5 23,6 26,0 26,2 ph 1 7,33 7,80 8,74 9,01 2 7,39 7,91 8,89 9,51 OD 1 2,3 3,6 7,7 10,6 2 3,7 4,8 8,5 10,4 Com relação à temperatura, observa-se que durante a Fase 2, a temperatura média esteve mais elevada, em torno de 1,6 ºC para os valores medidos pela manhã e 2,0 ºC para os valores medidos à tarde, em relação à Fase 1, para as duas lagoas. A explicação para isto se deve ao fato da Fase 2 ter transcorrido em pleno pico de verão (janeiro e fevereiro) e desta maneira, o aumento na temperatura se fez sentir com maior magnitude. Durante a Fase 2, em que as lagoas operaram com profundidade de 0,4 m, os valores médios de ph e OD estiveram sensivelmente maiores, comprovando que em lagoas mais rasas a penetração da luz solar em maior parte da coluna d água acelera a fotossíntese e a produção de oxigênio, tendo como conseqüência o aumento do ph, uma vez que as algas consomem o dióxido de carbono (gerado pelas bactérias). A entrada da primeira lagoa (sem chicanas) concentrou os menores valores médios de oxigênio dissolvido e ph e a saída da ultima lagoa (com chicanas) concentrou os maiores valores destes parâmetros, mostrando a tendência de crescimento do OD e ph ao longo da série de lagoas. Deste modo, a lagoa com chicanas apresentou maiores concentrações médias de OD e ph, em relação à primeira lagoa da série, em ambas as fases. Conclui-se que, a temperatura, o ph e o OD apresentaram-se mais elevados na Fase 2, o que certamente contribuiu para explicar o decaimento mais acentuado de E.coli neste período. Constata-se que, como relatado na literatura (PEARSON et al., 1987; CURTIS et al., 1992), estes fatores parecem atuar conjuntamente, criando condições desfavoráveis para a sobrevivência dos coliformes. b) Fatores operacionais e de projeto das lagoas TDH A redução da profundidade (e do volume) das lagoas, mantida a vazão, acarretou a redução do TDH, que passou em média de 4,0 e 4,5 dias na Fase 1, para 2,8 e 2,9 dias na Fase 2 (lagoa sem chicanas e lagoa com chicanas, respectivamente). Esta redução, no entanto, não prejudicou o desempenho das lagoas, como se poderia esperar. Pelo contrário ocorreu uma melhoria durante a Fase 2, levando à conclusão de que os menores TDH impostos às lagoas, nesta última fase, não repercutiram negativamente em sua eficiência. 6

7 Este fato reveste-se de grande importância, uma vez que o TDH das lagoas na Fase 2 é bem inferior aos usados em lagoas de maturação em sistema convencionais de lagoas de estabilização, sendo ainda inferior ao mínimo de 3 dias recomendado na literatura. Entretanto, durante a Fase 2 não foram coletados dados no período frio (inverno) e portanto, estes valores de TDH necessitam ainda ser testados nestas condições. Profundidade das lagoas Um aspecto de especial interesse na presente pesquisa é a baixa profundidade das lagoas (0,6 m e 0,4 m), visando à obtenção de elevados valores do coeficiente K b, mesmo que às custas de redução no tempo de detenção. Como já foi dito, na Fase 2, quando as lagoas foram operadas com 0,4 m de profundidade, foram observadas as menores concentrações efluentes de E.coli. Isto confirma o que vários autores (VAN HAANDEL e LETTINGA 1994; CAVALCANTI et al., 2001; VON SPERLING 1999, 2001; SOARES 2002) constataram, de que, quanto menor é a profundidade das lagoas, maior é a remoção de coliformes. A relação da profundidade com a remoção de coliformes nas lagoas será abordada mais profundamente no próximo item, quando será calculado o coeficiente de decaimento bacteriano K b das lagoas. Coeficiente de decaimento bacteriano Foi calculado o coeficiente de decaimento bacteriano K b, para fluxo disperso, para as duas lagoas de polimento, com base nas concentrações observadas afluente e efluente. No cálculo do K b foram utilizados os TDH médios, afluente e efluente às lagoas e o número de dispersão d foi calculado através da Equação (1), proposta por VON SPERLING (1999), sendo de 0,50 (1/(L/B) = 1/2) para a lagoa sem chicanas e 0,08 (1/(L/B) = 1/12,5) para a lagoa chicaneada. d = 1/ (L/B) Equação 1 Os valores médios de K b podem ser vistos na Tabela 5, onde estão corrigidos para a temperatura de 20 ºC, tendo sido utilizada a equação de Arrenius com θ = 1,07 (YANES, 1993). Tabela 5: Coeficiente K b (20ºC) Fluxo Disperso Unidade K b 20º (d -1 ) Fluxo Disperso Fase 1 Fase 2 Lagoa sem chicanas 1,802 3,793 Lagoa com chicanas 0,675 1,569 As duas lagoas obtiveram coeficientes médios de decaimento bacteriano bem mais elevados durante a Fase 2, na qual operaram com profundidade de 0,4 m. A lagoa sem chicanas apresentou, em ambas as fases, valores médios de K b mais elevados em relação à lagoa chicaneada. No entanto, havia uma substancial diferença entre o afluente às duas lagoas, uma vez que a lagoa sem chicanas, por ser a primeira da série, recebia um afluente (efluente do reator UASB) com concentração bem mais elevada de E. coli do que a lagoa chicaneada, que recebia um efluente já tratado pela primeira lagoa. Os coeficientes médios obtidos foram, em geral, superiores aos de lagoas facultativas e de maturação e podem ser considerados como importantes parâmetros de projeto de lagoas de polimento, dada a escassez de dados para esta modalidade de pós-tratamento de efluentes anaeróbios. CONCLUSÕES O pós-tratamento do efluente do reator UASB por meio de duas lagoas de polimento rasas em série, mesmo que com baixo tempo de detenção hidráulica (TDH total de 8 dias na Fase 1 e 6 dias na Fase 2), mostrou-se altamente 7

8 eficiente na remoção de E. coli, gerando, em praticamente toda a Fase 2, um efluente com menos de NMP/100ml, valor este recomendado pela OMS para irrigação irrestrita. Quanto menor a profundidade da lagoa, maior foi o valor do coeficiente de remoção bacteriana. Mesmo com a diminuição do volume e com a conseqüente redução do tempo de detenção, a eficiência das lagoas na remoção de coliformes aumentou. Em outras palavras, o produto adimensional K b.t foi superior na Fase 2, já que o aumento em K b foi proporcionalmente maior do que a redução em t. Este fato reveste-se de grande importância, uma vez que o TDH das lagoas na Fase 2 ( 2,8 dias em cada lagoa) é bem inferior aos usados em lagoas de maturação em sistemas convencionais de lagoas de estabilização, sendo ainda inferior ao mínimo de 3 dias citado na literatura. Como já esperado, elevações na temperatura, no ph e no OD resultaram em aumento na eficiência de remoção de E. coli nas lagoas de polimento. O bom desempenho do sistema ressalta a boa aplicabilidade das lagoas de polimento situadas diretamente após o reator UASB, sem a necessidade de uma etapa intermediária por lagoa facultativa, entre o reator UASB e as lagoas de polimento. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS AWWA/APHA/WEF. Standard methods for the examination of water and wastewater, 20 º edição, Washington, CAVALCANTI, P. F.F.; MAYER, M.G.R.; MOREIRA, E.A.M. e VAN HAANDEL A.C. Lagoas de polimento para o pós-tratamento de esgotos digeridos Parte 2/ Remoção de Patógenos. In: CHERNICHARO, C.A.L. (Coordenador). Pós- Tratamento de Efluentes de Reatores Anaeróbios. Coletânea de Trabalhos Técnicos. Vol. 2, PROSAB. 1º Edição. Belo Horizonte, SEGRAC EDITORA, p CONAMA (CONSELHO NACIONAL DO MEIO AMBIENTE): Resolução CONAMA nº 20 de 18 de julho de KELLNER, E. e PIRES, E.C. Lagoas de Estabilização - Projeto e Operação. ABES, Rio de Janeiro/RJ, 1998, 244p. PEARSON, H.W.; MARA, D.D; MILLS, S.W.; SMALLMAN, D.J. Physico-chemical parameters influencing faecal bacterial survival in waste stabilization ponds. Water Science & Technology, v.19, n.12, p , SOARES, A.M.E. Avaliação de um sistema em escala piloto, reator UASB Lagoa de polimento com chicanas e sem chicanas. Dissertação de mestrado. Escola de Engenharia da UFMG, VAN HAAENDEL, A. e LETTINGA, G. Tratamento anaeróbico de esgotos. Um manual para regiões de clima quente. Universidade Federal da Paraíba, Campina Grande, p. VON SPERLING, M. Princípios do tratamento biológico de águas residuárias. Vol. 3. Lagoas de estabilização. Departamento de Engenharia Sanitária e Ambiental - UFMG, p. VON SPERLING, M. Performance evaluation and mathematical modeling of coliform die-off in tropical and subtropical waste stabilization ponds, Water Research, v.33, n.6, p , VON SPERLING, M. Modelagem da remoção de coliformes com base em dados de 82 lagoas brasileiras e estrangeiras. Relatório Final do PROSAB, Edital 3 -Tema 2,