Análise da eficiência relativa de remoção dos leitos percoladores da ETAR do Choupal

Transcrição

1 Departamento de Engenharia Química e Biológica Análise da eficiência relativa de remoção dos leitos percoladores da ETAR do Choupal Dissertação apresentada para a obtenção do grau de Mestre em Processos Químicos e Biológicos Autor Andreia Catarina Maia Quinteiro Orientadores Doutor António Luís Pereira do Amaral Doutor Luís Miguel Moura Neves de Castro Dra. Maria Miguel Sousa Instituto Superior de Engenharia de Coimbra Coimbra, dezembro, 2012

2 ii Andreia Catarina Maia Quinteiro

3 Agradecimentos A realização deste trabalho marca o final de uma etapa importante da minha vida. Desta forma, quero deixar o meu agradecimento a todos aqueles que contribuíram de uma forma decisiva para a sua concretização. À empresa Luságua S.A. pela oportunidade, em especial à Dra. Maria Miguel Sousa, minha orientadora externa, pela simpatia e disponibilidade manifestadas. Ao professor Doutor António Luís Pereira do Amaral e ao professor Doutor Luís Miguel Moura Neves de Castro, meus orientadores internos, pela disponibilidade, pelas suas sugestões e esclarecimentos e pelas suas palavras de incentivo. Ao Cristiano pela sua ajuda na monitorização dos protozoários e metazoários. Aos meus amigos e colegas, em especial à Susana e à Diva pelo seu apoio, amizade, espírito de entreajuda e sentido de humor que sempre manifestaram e sem os quais este trabalho não seria possível. À minha família, em especial aos meus pais, Ana Maria e José, por todos os sacrifícios que têm feito para ser possível a concretização desta etapa, pelo seu apoio incondicional e pela forma como sempre me incentivaram. Ao meu namorado Luís Miguel, ouvinte atento das minhas dúvidas, inquietações, desânimos e sucessos, pela sua compreensão, paciência e carinho. À minha madrinha Rosa, pelo exemplo de força e perseverança que me tem dado e por todo o seu apoio. Ao meu irmão Ricardo e à minha cunhada Olga por me incentivarem, e ao meu afilhado Diogo que apesar de tão pequenino me ajudou tanto, principalmente a sorrir quando o desânimo chegava. À minha tia Lurdes e ao meu tio Luís pela amizade e pelas suas palavras de apoio. A todos aqueles que não foram aqui mencionados e que, direta ou indiretamente, contribuíram para a realização deste trabalho. Andreia Catarina Maia Quinteiro iii

4 iv Andreia Catarina Maia Quinteiro

5 Resumo Análise da eficiência relativa de remoção dos leitos percoladores da ETAR do Choupal O tratamento de efluentes domésticos através de leitos percoladores constitui um sistema de tratamento biológico bastante utilizado nas ETAR. Existem, contudo, diversos fatores que afetam o desenvolvimento da microfauna no biofilme, podendo comprometer o desempenho deste sistema de tratamento. Este trabalho teve como objetivo a caracterização das correntes de entrada e saída dos leitos percoladores em estudo em termos de composição físico-química e, por técnicas de análise de imagem, da descrição morfológica da biomassa agregada e filamentosa. Foram ainda monitorizados e quantificados os principais protozoários e metazoários presentes. Outro dos objetivos deste trabalho prendeu-se com o estudo do rendimento dos quatro leitos percoladores relacionando-os com as características individuais dos leitos e estabelecendo relações com a microfauna presente e os parâmetros físico-químicos e de operação dos diferentes leitos percoladores. Pretendeu-se ainda identificar eventuais situações de deficiente funcionamento que possam ocorrer nos leitos percoladores da ETAR do Choupal Através da realização deste trabalho concluiu-se que os leitos percoladores apresentaram um efluente de saída caracterizado por uma concentração reduzida de sólidos suspensos totais, de agregados e de protozoários. Tendo em conta a carga hidráulica média (7,0±4,0 m 3 m -2 dia -1 ) e a carga orgânica (0,49±0,28 kg CBO m -3 dia -1 ) concluiu-se que os leitos são de carga intermédia. O sistema biológico revelou-se pouco eficiente em termos de remoção de CQOd, CTd e NTd, não tendo sido observadas diferenças significativas entre os quatro leitos percoladores. O reciclo apresentou mesoflocos mais pequenos e com propriedades morfológicas menos desejáveis do que os leitos percoladores, quase não apresentando macroflocos. Através das técnicas de estatística multivariável utilizadas apenas se conseguiu a identificação com sucesso das amostras de efluente primário e de reciclo, uma vez que os leitos percoladores apresentaram características muito idênticas, apresentando uma eficiência de tratamento muito próxima. Palavras-chave: leito percolador, biofilme, protozoários, análise de imagem, estatística multivariável, ETAR Andreia Catarina Maia Quinteiro v

6 vi Andreia Catarina Maia Quinteiro

7 Abstract Análise da eficiência relativa de remoção dos leitos percoladores da ETAR do Choupal Trickling filters are one of the biological treatment systems most used in WWTPs. However, there are several factors that affect the biomass growth in the biofilm, which may compromise the performance of this treatment system. The main goal of this work centered on the trickling filters income and outcome effluent characterization through physical and chemical analyzes and morphological description of the aggregated and filamentous biomass, by image processing and analysis techniques. Furthermore, the main protozoan and metazoan present in the trickling filters were monitored. Another goal of this work consisted on determining the treatment performance of each trickling filter, relating to their individual characteristics, establishing relationships with their individual biomass, physical, chemical and operational parameters. It was also intended to identify possible malfunctioning situations that may occur in Choupal WWTP trickling filter. After this study it could be concluded that the trickling filters showed an outlet effluent characterized by low suspended solids, aggregated biomass and protozoa concentrations. Given the intermediate hydraulic load (7.0 ± 4.0 m 3 m -2 day -1 ) and the organic load (0.49 ± 0.28 kg BOD m -3 dia -1 ) it could be concluded that the trickling filters presented an intermediate load. The biological system proved to be very efficient in terms of removing CODd, CTd and NTd, and no significant differences were observed between the four trickling filters. The recycle presented smaller mesoflocs and less desirable morphological properties than the trickling filters, which barely presented macroflocs. By means of the multivariable statistical techniques it was only possible to successfully identify the samples of the recycle and primary effluent, since the trickling filters showed very similar characteristics and treatment performances. Keywords: trickling filter, biofilm, protozoa, image analysis, multivariate statistics, WWTP. Andreia Catarina Maia Quinteiro vii

8 viii Andreia Catarina Maia Quinteiro

9 Índice CAPÍTULO OBJETIVOS DO TRABALHO E ORGANIZAÇÃO DA DISSERTAÇÃO... 2 CAPÍTULO INTRODUÇÃO Tratamento convencional de águas residuais Pré-Tratamento Tratamento Primário Tratamento Secundário Tratamento Terciário Leitos Percoladores Classificação e aplicações Vantagens e desvantagens dos leitos percoladores Problemas operacionais dos leitos percoladores Meio filtrante dos leitos percoladores Formação e desenvolvimento do biofilme Composição do biofilme Fatores que afetam o desempenho dos leitos percoladores CAPÍTULO ETAR DO CHOUPAL Enquadramento Funcionamento da ETAR Leitos percoladores CAPÍTULO MATERIAL E MÉTODOS Amostragem Reagentes e Equipamentos Análises físicas Análises químicas Análise de CQO Análise de CTd e NTd Andreia Catarina Maia Quinteiro ix

10 Índice 4.5 Análises microbiológicas Aquisição, processamento e análise de imagens Quantificação dos protozoários e metazoários presentes Aplicação de Técnicas Estatísticas de Análise Multivariável Análise de Componentes principais (ACP) Árvores de decisão (AD) CAPÍTULO RESULTADOS EXPERIMENTAIS E DISCUSSÃO Estimativa do caudal relativo dos leitos percoladores Parâmetros físicos Análise da percentagem de matéria orgânica Parâmetros químicos Análise do desempenho dos leitos percoladores Estudo da representatividade de LP Geral Resultados microbiológicos Parâmetros morfológicos de flocos e filamentos Monitorização de protozoários e metazoários Análise estatística multivariável Análise de Componentes Principais (ACP) Árvores de decisão (AD) CAPÍTULO CONCLUSÕES GERAIS E SUGESTÕES Conclusões gerais Sugestões para trabalhos futuros REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS ANEXOS A. Resultados obtidos pela Luságua B. Observações registadas durante a recolha das amostras C. Curva de calibração da CQO D. Determinação das incertezas às curvas de regressão linear x Andreia Catarina Maia Quinteiro

11 Índice E. Branco dos filtros utilizados na filtração F. Resultados dos parâmetros morfológicos da biomassa agregada e filamentosa Andreia Catarina Maia Quinteiro xi

12 Índice de figuras Figura Representação esquemática de um leito percolador circular (Adaptado de Tilley et al, 2008) Figura Exemplos de tipos de enchimento de leitos percoladores (Adaptado dos sítios eletrónicos das empresas Jaeger Environmental Products e Techfil) Figura Representação esquemática da formação e desenvolvimento do biofilme (Adaptado de Andersson, 2009) Figura Influência da temperatura na acumulação do biofilme (Adaptado de Gray, 2005) Figura Vista aérea da ETAR do Choupal (Fonte: Águas de Portugal) Figura Esquema simplificado de tratamento da ETAR do Choupal (Adaptado de Luságua S.A.) Figura Representação esquemática dos pontos de recolha das amostras Figura Local de recolha das amostras de saída dos leitos percoladores Figura Local de recolha da corrente LP Geral Figura Equipamento de filtração Figura Equipamento de medição do CTd e NTd Figura Equipamento para aquisição das imagens Figura Representação gráfica das concentrações de ST, SVT e SST obtidas nas saídas dos quatro leitos percoladores ao longo do tempo Figura Representação gráfica das concentrações de ST, SVT e SST obtidas nas amostras do reciclo (eixo da direita) e de efluente primário e LP Geral (eixo da esquerda) ao longo do tempo Figura Representação gráfica da relação entre SVT e ST nas várias amostras Figura Representação gráfica da CQOt, do CTd e do NTd obtidos nas saídas dos quatro leitos percoladores ao longo do tempo Figura Representação gráfica da CQOt, do CTd e do NTd obtidos no reciclo (eixo da direita no gráfico da CQOt), no EP e no LPG ao longo do tempo Figura Representação gráfica da eficiência de remoção de CQOd, CTd e NTd nas diferentes saídas dos leitos percoladores ao longo do tempo Figura Representação gráfica da eficiência do sistema biológico em termos de CQOd, de CTd e de NTd Figura Representação gráfica das correlações existentes entre os resultados obtidos nos diversos leitos percoladores e no LP Geral xii Andreia Catarina Maia Quinteiro

13 Índice de figuras Figura Representação gráfica dos principais parâmetros morfológicos de mesoflocos nas saídas dos quatro leitos percoladores Figura Representação gráfica dos principais parâmetros morfológicos dos mesoflocos obtidos no EP, no reciclo e no LPG Figura Representação gráfica dos principais parâmetros morfológicos dos macroflocos obtidos nas saídas dos quatro leitos percoladores Figura Representação gráfica dos principais parâmetros morfológicos dos macroflocos obtidos no EP, no reciclo e no LPG Figura Representação gráfica da percentagem de área ocupada por micro, meso e macroflocos nas amostras de saída dos leitos percoladores Figura Representação gráfica da percentagem de área ocupada por micro, meso e macroflocos, nas correntes EP, reciclo e LPG Figura Representação gráfica do comprimento de filamentos por volume e da relação entre comprimento de filamentos e área total de flocos nas saídas dos leitos percoladores Figura Representação gráfica do comprimento total de filamentos por unidade de volume e da relação entre o comprimento total de filamentos e a área total de flocos nas correntes de reciclo (eixo da direita) EP e LPG (eixo da esquerda) Figura Representação gráfica da quantidade total de protozoários e metazoários (#/ponto de amostragem) obtidos em cada dia de amostragem, em cada período de monitorização Figura Representação gráfica da quantidade total de protozoários e metazoários (#/dia de amostragem), encontrados em cada ponto de amostragem, e em cada período de monitorização Figura Representação gráfica da fração de cada classe de protozoários/metazoários em cada amostra analisada no primeiro período de monitorização Figura Representação gráfica da fração de cada classe de protozoários/metazoários encontrada em cada amostra analisada no segundo período de monitorização Figura Representação gráfica da percentagem de grupos de protozoários em cada amostra analisada no primeiro período de monitorização Figura Representação gráfica da percentagem de grupos de protozoários em cada amostra analisada no segundo período de monitorização Figura Representação gráfica dos dois primeiros componentes principais obtidos na ACP realizada utilizando os dados do primeiro período de monitorização. a) dados físicoquímicos; b) dados morfológicos; c) dados referentes a protozoários e metazoários; d) conjunto de todos os dados Andreia Catarina Maia Quinteiro xiii

14 Índice de figuras Figura Representação gráfica dos dois primeiros componentes principais obtidos na ACP realizada utilizando os dados do segundo período de monitorização. a) dados físicoquímicos; b) e c) dados morfológicos; d) dados referentes a protozoários e metazoários Figura Variáveis com maior importância para PC1 e PC2 referentes aos dados morfológicos do segundo período de monitorização Figura Representação gráfica dos dois primeiros componentes principais obtidos na ACP realizada utilizando todos os dados do segundo período de monitorização. a) incluindo todos os pontos de amostragem; b) sem os dados obtidos no reciclo Figura Variáveis de maior importância para PC1 e PC2 referentes a todos os dados do segundo período de monitorização Figura Representação gráfica dos primeiros componentes principais obtidos na ACP realizada utilizando os dados dos dois períodos de monitorização. a) dados físico-químicos; b) e c) dados morfológicos; d) dados referentes aos protozoários e metazoários Figura Variáveis de maior importância para PC1, PC2 e PC3 referentes aos dados morfológicos dos dois períodos de monitorização Figura Representação gráfica dos primeiros componentes principais obtidos na ACP realizada utilizando todos os dados dos dois períodos de monitorização. a) PC2 versus PC1 utilizando os dados de todos os pontos de amostragem; b) PC3 versus PC1 sem utilizar os dados do reciclo Figura Variáveis de maior importância para PC1, PC2 e PC3 referentes ao conjunto de todos os dados dos dois períodos de monitorização Figura Representação esquemática da AD obtida utilizando os dados físico-químicos do primeiro período de monitorização Figura Representação esquemática da AD obtida utilizando os parâmetros físicoquímicos do segundo período de monitorização Figura Representação esquemática da AD obtida utilizando os parâmetros morfológicos do segundo período de monitorização Figura Representação esquemática da AD obtida utilizando todos os parâmetros do segundo período de monitorização Figura Representação esquemática da AD obtida utilizando todos os parâmetros dos dois períodos de monitorização Figura C.1 - Curva de calibração da Carência Química de Oxigénio obtida a λ de 600 nm. 105 xiv Andreia Catarina Maia Quinteiro

15 Índice de tabelas Tabela Classificação e aplicações de leitos percoladores (Adaptado de Tchobanoglous et al, 2003) Tabela Relação entre a eficiência do tratamento por lamas ativadas e os principais grupos de protozoários e metazoários (Adaptado de Madoni, 1994) Tabela Dados de Base da ETAR (Fonte: Luságua S.A.) Tabela Principais características da instalação da ETAR (Fonte: Luságua S.A.) Tabela Características principais dos leitos percoladores da ETAR do Choupal Tabela Reagentes utilizados ao longo da atividade experimental Tabela Principais equipamentos utilizados na realização do trabalho experimental Tabela Distribuição de caudal e velocidade de rotação obtidos para cada leito percolador Tabela Valores médios e respetivos desvios padrão das concentrações de ST, SVT e SST obtidas em cada ponto de amostragem, em cada período de amostragem Tabela Valores médios e respetivos desvios padrão da CQOt, do CTd e do NTd obtidos em cada ponto de amostragem e em cada período de monitorização Tabela Parâmetros médios obtidos durante os dois períodos de monitorização Tabela Valores médios e respetivos desvios padrão da eficiência de remoção de CQOd, CTd e NTd obtidos em cada ponto de amostragem na segunda campanha Tabela Valores médios e respetivos desvios padrão dos principais parâmetros morfológicos dos mesoflocos, obtidos nos diferentes pontos de amostragem, no primeiro e segundo períodos de amostragem e no global Tabela Valores médios e respetivos desvios padrão dos principais parâmetros morfológicos dos macroflocos obtidos nos diversos pontos de amostragem, no primeiro e no segundo períodos de amostragem e no global Tabela Valores médios e respetivos desvios padrão da percentagem de área ocupada por micro, meso e macroflocos em cada ponto de amostragem e em cada período de monitorização Tabela Valores médios e respetivos desvios padrão de CT e CT/AT obtidos em cada ponto de amostragem e em cada período de monitorização Tabela Parâmetros utilizados na análise estatística multivariável Tabela Percentagem de identificação e percentagem de alocação errada obtidas para cada ponto de amostragem e para cada AD realizada, no primeiro período de amostragem Tabela Percentagem de identificação e percentagem de alocação errada obtidas para cada ponto de amostragem e para cada AD realizada, no segundo período de amostragem Andreia Catarina Maia Quinteiro xv

16 Índice de tabelas Tabela Percentagem de identificação e percentagem de alocação errada obtidas para cada ponto de amostragem e para cada AD realizada, nos dois períodos de monitorização Tabela A.1 - Valores obtidos nas análises realizadas pela Luságua Tabela B.1 - Observações registadas durante a recolha das amostras Tabela B.2 - Registo da altura de efluente na calha e velocidade de rotação dos distribuidores rotativos em cada leito percolador Tabela E.1 - Percentagem de massa perdida pelo filtro na estufa e na mufla Tabela F.1 - Parâmetros morfológicos dos microflocos no efluente primário Tabela F.2 - Parâmetros morfológicos dos microflocos no efluente primário Tabela F.3 - Parâmetros morfológicos dos mesoflocos no efluente primário Tabela F.4 - Parâmetros morfológicos dos mesoflocos no efluente primário Tabela F.5 - Parâmetros morfológicos dos macroflocos no efluente primário Tabela F.6 - Parâmetros morfológicos dos macroflocos no efluente primário Tabela F.7 - Parâmetros gerais das amostras de efluente primário Tabela F.8 - Parâmetros morfológicos dos microflocos no LP Tabela F.9 - Parâmetros morfológicos dos microflocos no LP Tabela F.10 - Parâmetros morfológicos dos mesoflocos no LP Tabela F.11 - Parâmetros morfológicos dos mesoflocos no LP Tabela F.12 - Parâmetros morfológicos dos macroflocos no LP Tabela F.13 - Parâmetros morfológicos dos macroflocos no LP Tabela F.14 - Parâmetros gerais das amostras de LP Tabela F.15 - Parâmetros morfológicos dos microflocos no LP Tabela F.16 - Parâmetros morfológicos dos microflocos no LP Tabela F.17 - Parâmetros morfológicos dos mesoflocos no LP Tabela F.18 - Parâmetros morfológicos dos mesoflocos no LP Tabela F.19 - Parâmetros morfológicos dos macroflocos no LP Tabela F.20 - Parâmetros morfológicos dos macroflocos no LP Tabela F.21 - Parâmetros morfológicos gerais das amostras de LP Tabela F.22 - Parâmetros morfológicos dos microflocos no LP Tabela F.23 - Parâmetros morfológicos dos microflocos no LP Tabela F.24 - Parâmetros morfológicos dos mesoflocos no LP xvi Andreia Catarina Maia Quinteiro

17 Índice de tabelas Tabela F.25 - Parâmetros morfológicos dos mesoflocos no LP Tabela F.26 - Parâmetros morfológicos dos macroflocos no LP Tabela F.27 - Parâmetros morfológicos dos macroflocos no LP Tabela F.28 - Parâmetros morfológicos gerais das amostras de LP Tabela F.29 - Parâmetros morfológicos dos microflocos no LP Tabela F.30 - Parâmetros morfológicos dos microflocos no LP Tabela F.31 - Parâmetros morfológicos dos mesoflocos no LP Tabela F.32 - Parâmetros morfológicos dos mesoflocos no LP Tabela F.33 - Parâmetros morfológicos dos macroflocos no LP Tabela F.34 - Parâmetros morfológicos dos macroflocos no LP Tabela F.35 - Parâmetros morfológicos gerais de LP Tabela F.36 - Parâmetros morfológicos dos microflocos no LP Geral Tabela F.37 - Parâmetros morfológicos dos microflocos no LP Geral Tabela F.38 - Parâmetros morfológicos dos mesoflocos no LP Geral Tabela F.39 - Parâmetros morfológicos dos mesoflocos no LP Geral Tabela F.40 - Parâmetros morfológicos dos macroflocos no LP Geral Tabela F.41 - Parâmetros morfológicos dos macroflocos no LP Geral Tabela F.42 - Parâmetros morfológicos gerais das amostras de LP Geral Tabela F.43 - Parâmetros morfológicos dos microflocos no Reciclo Tabela F.44 - Parâmetros morfológicos dos microflocos no reciclo Tabela F.45 - Parâmetros morfológicos dos mesoflocos no reciclo Tabela F.46 - Parâmetros morfológicos dos mesoflocos no reciclo Tabela F.47 - Parâmetros morfológicos dos macroflocos no reciclo Tabela F.48 - Parâmetros morfológicos dos macroflocos no reciclo Tabela F.49 - Parâmetros morfológicos gerais das amostras de reciclo Tabela F.50 - Valores médios e respetivos desvios padrão de AT obtidos em cada ponto de amostragem e em cada período de monitorização e no global Andreia Catarina Maia Quinteiro xvii

18 Abreviaturas Acrónimos AD ACP Ameb. AT CBO 5 Comp. Compr. Conc. Conv. CQO CT CTd CT/AT d Deq EP EPS Esf. ETAR Exc. Ext. FF Flag. hab. ISEC Larg. LP LPG Meta Móv. Nad. NTd Núm. P Per. Q RA Rec. Rob. xviii Árvores de Decisão Análise de Componentes Principais Amebas com Teca Área Total de agregados por volume Carência Bioquímica de Oxigénio Compacidade Comprimento Maior Concavidade Convexidade Carência Química de Oxigénio Comprimento Total de filamentos por volume Carbono total dissolvido Comprimento Total de filamentos por Área Total de agregados Diâmetro Diâmetro equivalente Efluente primário Substância polimérica extracelular Esfericidade Estação de Tratamento de Águas Residuais Excentricidade Extensão Fator de Forma Protozoários flagelados Habitantes Instituto Superior de Engenharia de Coimbra Largura Leito percolador Leito percolador geral Metazoários Ciliados móveis de fundo Ciliados nadadores Azoto Total dissolvido Número Potência Perímetro Caudal Rácio de áreas Reciclo Robustez Andreia Catarina Maia Quinteiro

19 Abreviaturas SDNV SDT SDV SNVT Sol. SST SSV ST SVT Sólidos Dissolvidos Não Voláteis Sólidos Dissolvidos Totais Sólidos Dissolvidos Voláteis Sólidos Não Voláteis Totais Solidez Sólidos Suspensos Totais Sólidos Suspensos Voláteis Sólidos Totais Sólidos Voláteis Totais Andreia Catarina Maia Quinteiro xix

20 Subscritos, simbologia, unidades e prefixos Subscritos a d V Altura Diâmetro Volume Simbologia λ Comprimento de onda Unidades bar cal g h L m mol rot V o C s VA W bar caloria grama hora litro metro mol rotações Volt grau Celcius segundo Voltampere Watt Prefixos Prefixo Símbolo Fator Quilo k 10 3 Mili m 10-3 Micro µ 10-6 Nano n 10-9 xx Andreia Catarina Maia Quinteiro

21 CAPÍTULO 1 OBJETIVOS DO TRABALHO E ORGANIZAÇÃO DA DISSERTAÇÃO

22 CAPÍTULO 1 1 OBJETIVOS DO TRABALHO E ORGANIZAÇÃO DA DISSERTAÇÃO Neste capítulo são descritos os objetivos do trabalho, bem como a forma como está organizada esta dissertação. Como o presente trabalho pretendeu-se: (i) (ii) (iii) (iv) Caracterizar as correntes representativas dos leitos percoladores em estudo em termos de composição físico-química, de caracterização morfológica da biomassa agregada e filamentosa, e de quantificação dos principais protozoários e metazoários presentes. Analisar e relacionar distintos parâmetros físico-químicos e microbiológicos com o funcionamento dos diferentes leitos percoladores, com vista a entender melhor a influência desse conjunto de variáveis no rendimento de cada um dos leitos percoladores estudados. Comparar o rendimento dos quatro leitos percoladores relacionando-os com as características individuais do sistema e estabelecendo relações com a microfauna presente, e os parâmetros físico-químicos e de operação dos diferentes leitos percoladores. Identificar eventuais situações de deficiente funcionamento que possam ocorrer nos leitos percoladores da ETAR do Choupal. Esta dissertação está organizada em seis capítulos no total, incluindo este primeiro capítulo onde são indicados os objetivos do trabalho e a organização da dissertação. No capítulo 2 é abordado de uma forma geral o tratamento convencional de águas residuais e descrito mais especificamente o tratamento através de leitos percoladores. No capítulo 3 é descrita a ETAR do Choupal, indicando as características mais relevantes dos leitos percoladores, que foram objeto de estudo. O quarto capítulo descreve os diferentes pontos de amostragem monitorizados em cada um dos dois períodos de recolha. Neste capítulo são também apresentados os equipamentos, materiais, reagentes e procedimentos utilizados em cada uma das análises físico-químicas e microbiológicas realizadas às amostras, assim como os métodos de análise estatística utilizados. No capítulo 5 são apresentados e discutidos os principais resultados obtidos e é efetuada a sua análise estatística. Por fim, no capítulo 6 são descritas as principais conclusões deste trabalho e apresentadas algumas sugestões para trabalhos futuros. 2 Andreia Catarina Maia Quinteiro

23 CAPÍTULO 2 INTRODUÇÃO

24 CAPÍTULO 2 2 INTRODUÇÃO Neste capítulo serão abordadas as etapas de tratamento de águas residuais e o tratamento biológico através de leitos percoladores. 2.1 Tratamento convencional de águas residuais A água é um bem fundamental que regula o crescimento da população, as condições de vida, a saúde pública e determina a biodiversidade. Assim, as estações de tratamento de águas residuais (ETAR) têm tido um papel importantíssimo já que permitem a sua reutilização e reduzem os impactes ambientais negativos associados à descarga de efluentes não tratados no meio ambiente. O tratamento das águas residuais é realizado através de processos físicos, químicos e biológicos, envolvidos em quatro etapas de tratamento: pré-tratamento, tratamento primário, tratamento secundário/biológico e tratamento terciário/avançado (Ferraz et al, 2011) Pré-Tratamento O pré-tratamento consiste na remoção de elementos de grandes dimensões, areias e gorduras. A remoção é conseguida através da utilização de processos e equipamentos como a gradagem, o tamisador, o desarenador e o desengordurador Tratamento Primário Este tratamento é realizado em decantadores/sedimentadores primários e tem como objetivo a remoção parcial de sólidos suspensos e de matéria orgânica suspensa, através do processo de sedimentação. A remoção das partículas flutuantes é realizada à superfície do tanque e, por sua vez, os sólidos suspensos sedimentáveis são recolhidos no fundo do tanque e são designados de lamas primárias Tratamento Secundário Esta etapa consiste na remoção da matéria orgânica por processos biológicos com formação de biomassa microbiana, por processos que podem ser aeróbios ou anaeróbios. Nos processos aeróbios a degradação da matéria orgânica é realizada na presença de oxigénio. Este tipo de degradação pode ser realizada em sistemas com biomassa suspensa, como é o caso das lamas ativadas, reatores descontínuos sequenciais e sistemas de biomassa aeróbia granular, ou em sistemas com biomassa fixa, como é o exemplo dos leitos percoladores e dos sistemas de discos rotativos. 4 Andreia Catarina Maia Quinteiro

25 Introdução Nos processos anaeróbios, onde intervêm microrganismos sem a presença de oxigénio, a degradação da matéria orgânica pode ser realizada em digestores anaeróbios ou em lagoas anaeróbias. Os processos anaeróbios são mais comuns no tratamento de águas residuais com maior concentração de matéria orgânica ou na estabilização das lamas biológicas resultantes dos sistemas de tratamentos aeróbios (Ferraz et al, 2011). Do tratamento secundário faz ainda parte a sedimentação secundária, realizada normalmente após o tratamento biológico, num decantador secundário, idêntico ao primário, onde a lama gerada é composta essencialmente por agregados microbianos e designada como lama secundária. Na grande maioria das ETAR, o efluente clarificado resultante desta sedimentação apresenta-se dentro dos limites legais, seguindo para o seu destino final. Caso isso não aconteça o efluente segue para o tratamento terciário. Relativamente à fase sólida gerada no decantador secundário (lamas secundárias), tal como as do decantador primário são submetidas a alguns processos como o espessamento, estabilização, acondicionamento, desidratação e por vezes incineração, podendo ainda ser tratadas por digestão anaeróbia Tratamento Terciário O tratamento terciário depende das características do efluente que sai do tratamento secundário e do seu destino final, pelo que não é realizado em todas as ETAR. Este tratamento permite aumentar a eficiência da estação de tratamento, removendo o azoto, o fósforo e determinados poluentes que se mantêm no efluente após terem passado pelos tratamentos anteriores. Os processos e operações usadas dependem do que se pretende remover do efluente, podendo ser utilizados a precipitação química, a osmose inversa, a filtração, a adsorção em carvão ativado, a permuta iónica, a desinfeção, entre outros. 2.2 Leitos Percoladores Os leitos percoladores constituem, como referido anteriormente, um sistema bastante utilizado no tratamento biológico de águas residuais. O reator pode ser circular ou retangular, sendo os filtros circulares mais utilizados pois permitem maior controlo do sistema de distribuição e a sua manutenção é mais simples (Gray, 2005). A Figura 2.1 representa esquematicamente um leito percolador circular. Andreia Catarina Maia Quinteiro 5

26 CAPÍTULO 2 Figura Representação esquemática de um leito percolador circular (Adaptado de Tilley et al, 2008). Os leitos percoladores circulares apresentam na parte superior um distribuidor rotativo, através do qual é realizada a distribuição das águas residuais provenientes do tratamento primário, de forma a percolar o mais uniformemente possível ao longo do leito, evitando caminhos preferenciais e promovendo a humidade máxima do meio. Os leitos percoladores são constituídos por um leito de material de suporte, quimicamente inerte, designado por meio filtrante (enchimento). O meio filtrante deve proporcionar uma área superficial elevada onde o filme biológico e a microfauna associada, necessários para o tratamento das águas residuais, se possam desenvolver. O meio filtrante deve permitir o arejamento suficiente, através de poros, para que o processo aeróbio possa ocorrer e deve assegurar o máximo contacto entre o filme desenvolvido pelos microrganismos e o efluente líquido (Gray, 2005) Classificação e aplicações A classificação dos leitos percoladores é realizada de acordo com as taxas de carga hidráulica e orgânica. Assim, os leitos percoladores podem ser classificados como de baixa carga, de carga intermédia ou de alta carga. Na Tabela 2.1 são apresentadas a classificação e as aplicações de leitos percoladores, baseados numa terminologia histórica desenvolvida originalmente para filtros com enchimento de pedra. 6 Andreia Catarina Maia Quinteiro

27 Introdução Tabela Classificação e aplicações de leitos percoladores (Adaptado de Tchobanoglous et al, 2003). Caraterísticas Tipo de enchimento Carga hidráulica (m 3 m -2 dia -1 ) Carga orgânica (kg CBO m -3 dia -1 ) Carga baixa/ padrão Carga intermédia Alta carga Alta carga Pedra Pedra Pedra Plástico Afinação final Pedra/ Plástico ,07-0,22 0,24-0,48 0,4-2,4 0,6-3,2 > 1,5 Razão de recirculação Washout Intermitente Intermitente Contínuo Contínuo Contínuo Altura (m) 1,8-2,4 1,8-2,4 1,8-2,4 3,0-12,2 0,9-6 Eficiência de remoção de CBO (%) Qualidade do efluente Consumo específico de energia (kw/10 3 m 3 ) Bem nitrificado Alguma nitrificação Sem nitrificação Sem nitrificação Sem nitrificação Os leitos percoladores de baixa carga são relativamente simples e altamente fiáveis, produzindo um efluente com uma qualidade consistente, mesmo perante variações na composição de entrada. Em estações de tratamento pequenas e com caudais baixos durante o período da noite, pode ser necessário efetuar recirculação, de modo a garantir a qualidade do filme microbiológico já que a alimentação não é contínua. Na maior parte dos leitos percoladores de baixa carga apenas 0,6 a 1,2 metros são responsáveis pela remoção da matéria orgânica. Nas zonas mais profundas desenvolvem-se bactérias nitrificantes responsáveis por transformar o amoníaco em nitrito e este em nitrato. Nos leitos percoladores de carga intermédia e de alta carga a recirculação do efluente à saída dos leitos ou do efluente final permite aumentar a carga orgânica aplicada. Os de carga intermédia são relativamente parecidos com os de baixa carga, mas a alimentação é realizada em contínuo e existe recirculação. Os leitos percoladores de alta carga são projetados para cargas muito superiores aos de baixa carga. A recirculação nestes tipos de equipamentos permite o controlo da espessura da camada de biofilme, já que ocorre a reintrodução de microrganismos viáveis. Existem ainda leitos percoladores de super-alta carga que são mais altos do que os de alta carga, uma vez que o seu enchimento é realizado com materiais de plástico. Outros filtros Andreia Catarina Maia Quinteiro 7

28 CAPÍTULO 2 designados como leitos percoladores de afinação final são utilizados antes do tratamento secundário, concebidos com enchimento de plástico com capacidade para uma carga orgânica superior a 1,6 kg CBO m -3 dia -1 e onde a carga hidráulica atinge 200 m 3 m -2 dia -1 (Tchobanoglous et al, 2003) Vantagens e desvantagens dos leitos percoladores O sistema de tratamento através de leitos percoladores, bem como o sistema de lamas ativadas são os processos aeróbios mais utilizados no tratamento de efluentes. Na escolha de um dos sistemas deve ter-se em conta a eficiência de cada um deles, bem como as suas vantagens e desvantagens. Os leitos percoladores apresentam algumas vantagens interessentes relativamente ao sistema de lamas ativadas, das quais se podem destacar: O seu funcionamento simples; O facto de não exigirem manutenção qualificada; Custo de operação baixo no que diz respeito ao consumo de energia (ventilação natural e escoamento gravitacional) (Helmer et al, 2007); São mais versáteis perante oscilações de caudal e mudanças nas características das águas residuais; São mais tolerantes a picos de concentração de substâncias tóxicas com origem industrial. A maior desvantagem destes sistemas relativamente aos sistemas de lamas ativadas reside na sua menor eficiência de remoção, no custo de instalação superior, bem como na necessidade de maior área para implantação (Gray, 2004) Problemas operacionais dos leitos percoladores Apesar das vantagens dos leitos percoladores, existem problemas que podem ocorrer e que devem ser prevenidos. O alagamento é um dos problemas que pode ocorrer nos leitos percoladores e que acontece quando ocorre acumulação de sólidos no meio filtrante, o que pode ser causado pelo crescimento excessivo de biofilme ou ser resultado de um tamanho inapropriado do meio de enchimento. Também o caudal excessivo, proporcionando uma velocidade superior à de alagamento pode estar na origem deste problema, devendo por isso ser controlado (Gray, 2005; Solomon et al, 1998). Outro problema frequente são os odores desagradáveis que ocorrem quando não há arejamento suficiente, o que leva a que a biomassa entre em decomposição. A presença de mosquitos também é um incómodo frequente junto dos leitos percoladores, devido à 8 Andreia Catarina Maia Quinteiro

29 Introdução humidade do meio que proporciona condições favoráveis ao seu desenvolvimento (Solomon et al, 1998). Existem também alguns problemas relacionados com a movimentação do distribuidor rotativo, podendo ocorrer a sua paragem em resultado de o fluxo de água não ser suficiente para fazer girar os distribuidores rotativos, ou de os orifícios dos distribuidores ficarem obstruídos ou, ainda, de os braços não se encontrarem nivelados (Solomon et al, 1998) O washout do biofilme também pode constituir um problema deste tipo de sistemas de tratamento, tendo lugar quando os microrganismos mais próximos do meio não têm oxigénio suficiente para o seu crescimento e reprodução e começam a morrer, fazendo com que secções do biofilme se desagreguem e sejam arrastadas no efluente, perdendo-se biomassa viável e provocando um tratamento menos eficiente. Os episódios de washout também podem ocorrer se a carga hidráulica for demasiado elevada, arrastando o biofilme, ou se houver a introdução de um composto tóxico. Estes equipamentos motivam ainda preocupações de caráter meteorológico uma vez que em locais com climas muito frios, pode ocorrer formação de gelo no leito Meio filtrante dos leitos percoladores Existem diversos tipos de meio filtrante, conforme mostrado na Figura 2.2: granito, tijolos de alto-forno, rochas, pedras de várias formas com tamanho entre 4 a 200 mm e, ainda, mais recentemente, plásticos concebidos com uma área superficial específica e tamanho adequados a cada aplicação (Tchobanoglous et al, 2003; EPA, 1997; Strigle, 1997). Figura Exemplos de tipos de enchimento de leitos percoladores (Adaptado dos sítios eletrónicos das empresas Jaeger Environmental Products e Techfil). Andreia Catarina Maia Quinteiro 9

30 CAPÍTULO 2 Na escolha do tipo de enchimento devem ser considerados alguns fatores, nomeadamente a porosidade do leito, já que os meios filtrantes com espaços vazios demasiadamente pequenos além de provocarem fácil entupimento, dificultam o transporte do ar da superfície para a parte inferior do filtro, bem como o fluxo de água através do filtro (Lekang et al, 2000). A área superficial específica do meio filtrante deve ser elevada, uma vez que permite maior crescimento de bactérias por unidade de volume de filtro, permitindo uma eficiência de tratamento superior. Além disso, a construção de leitos percoladores, com meios filtrantes com elevadas áreas superficiais específicas, fica mais barata, já que ocupam menos espaço. Estudos realizados por Tomlison e co-autores (1962) demonstraram ocorrer uma redução do número de bactérias e da quantidade de sólidos suspensos proporcional à área total do meio filtrante com o qual as águas residuais entraram em contacto. O meio filtrante deve, ainda, permitir o fluxo uniforme da água residual de modo a evitar zonas mortas ou caminhos preferenciais e ter elevada durabilidade e resistência a ataques químicos (EPA, 1997). O peso e o preço do meio filtrante também são aspetos importantes na sua escolha, sendo preferíveis meios filtrantes mais leves, uma vez que são mais fáceis de manusear Formação e desenvolvimento do biofilme A matéria orgânica presente nas águas residuais é degradada aerobiamente por microrganismos heterotróficos, que são dominantes no biofilme (Gray, 2005). Os microrganismos presentes no biofilme produzem substâncias poliméricas extracelulares, principalmente exopolissacarídeos (EPS) que ajudam a fixar os agregados celulares e formam a matriz estrutural do biofilme. A síntese de EPS está relacionada com a concentração de oxigénio dissolvido, pelo que existe maior quantidade de EPS recém-formado na superfície externa do biofilme, onde a concentração de oxigénio é superior (Gray, 2005). Segundo Andersson (2009), a formação do biofilme ocorre através de cinco etapas representadas na Figura Formação de uma película na superfície; 2. Adesão inicial de células bacterianas; 3. Fixação irreversível das células bacterianas; 4. Maturação do biofilme; 5. Desagregação. 10 Andreia Catarina Maia Quinteiro

31 Introdução Figura Representação esquemática da formação e desenvolvimento do biofilme (Adaptado de Andersson, 2009). Este processo é iniciado com a formação de uma película na superfície do meio filtrante à qual aderem as células bacterianas. Essas bactérias fixam-se e, enquanto isso, o biofilme vai crescendo ao longo da operação até ultrapassar a espessura crítica, a partir da qual o ambiente é anóxico ou até mesmo anaeróbio, para as bactérias mais internas do biofilme. Assim, os nutrientes solúveis tornam-se menos disponíveis para alguns microrganismos, provocando um metabolismo endógeno. Isto destabiliza o biofilme resultando na desagregação do mesmo. O filme microbiano demora cerca de 3 a 4 semanas a estabilizar e a atingir a sua capacidade máxima de purificação no Verão e até 2 meses no Inverno, devido ao facto de a taxa metabólica microbiana aumentar com o aumento da temperatura, pelo que o seu crescimento apresenta uma variação sazonal, conforme revela a Figura 2.4. A acumulação de biofilme é mais baixa no Verão, pese embora a elevada taxa metabólica microbiana, devido ao aumento da atividade de macroinvertebrados consumidores de biofilme, nomeadamente larvas de moscas, minhocas e caracóis, e mais elevada no Inverno. Na Primavera, com o aumento da temperatura, verifica-se, então, o washout do biofilme acumulado no Inverno (Gray, 2005). Nos leitos percoladores a temperatura varia normalmente entre 12 e 25 C (Solomon et al, 1998; Gray, 2005). Andreia Catarina Maia Quinteiro 11

32 CAPÍTULO 2 Figura Influência da temperatura na acumulação do biofilme (Adaptado de Gray, 2005). A espessura do biofilme é um fator muito importante, já que o oxigénio só se pode difundir até certa profundidade, deixando as áreas mais profundas do filme anóxicas ou anaeróbias. Segundo Gray (2005), o oxigénio penetra até uma profundidade entre 0,06 e 4,00 mm, dependendo da composição do biofilme, da sua densidade e da taxa de respiração. Para uma purificação eficiente, apenas a camada superficial do biofilme é importante, sendo que apenas 0,15 mm de espessura são suficientes para um bom desempenho. A eficiente cooperação metabólica e a relação simbiótica existente entre os microrganismos no biofilme, proporciona o desenvolvimento de micro nichos com diversas concentrações de oxigénio e nutrientes, criando condições favoráveis para o desenvolvimento de uma grande variedade de espécies (Andersson, 2009) Composição do biofilme Os organismos mais comuns encontrados em biofilmes de leitos percoladores são bactérias, protozoários, metazoários, fungos e algas (Gray, 2004). Bactérias As bactérias aeróbias representam os microrganismos predominantes nos biofilmes (Missagia, 2010). As bactérias predominantes são formadoras de flocos e bactérias filamentosas. Os flocos são aglomerados de células bacterianas vivas e mortas, incluindo muitas vezes bactérias filamentosas, sais precipitados, partículas inorgânicas presas e fibras orgânicas (Eikelboom, 2000). 12 Andreia Catarina Maia Quinteiro

33 Introdução A biomassa que se desprende do meio filtrante dos leitos percoladores e que migra para os decantadores secundários pode ser mais ou menos compacta e com diferentes tamanhos, sendo, por isso, importante o seu estudo de modo a verificar se poderão provocar problemas ao nível do decantador secundário. Segundo Eikelboom (2000) podem-se distinguir três classes de flocos tendo em conta o seu tamanho: Microfocos: Diâmetro inferior a 25 µm; Mesoflocos: Diâmetro entre 25 e 250 µm; Macroflocos: Diâmetro superior a 250 µm Existe uma grande diversidade de bactérias filamentosas com diversos tamanhos e formas. As bactérias filamentosas são mais resistentes do que as formadoras de flocos perante situações adversas, nomeadamente na ausência de nutrientes e de oxigénio. Por outro lado, não possuem tão elevadas taxas de crescimento como as formadoras de flocos perante meios com boas condições. O equilíbrio entre bactérias formadoras de flocos e filamentosas é bastante importante, permitindo a remoção da matéria orgânica, boa sedimentabilidade das lamas e uma reduzida concentração de sólidos e turbidez do efluente final. Quando não existe este equilíbrio podem surgir alguns problemas no decantador secundário (Jenkins et al, 2004): Bulking filamentoso: Crescimento elevado de bactérias filamentosas hidrofílicas comparativamente com as formadoras de flocos, fazendo com que surjam flocos de malha larga. Isto pode ser provocado pela presença de substâncias tóxicas, carência de nutrientes específicos ou oxigénio. As lamas apresentam reduzida sedimentabilidade no sedimentador secundário, originando um efluente final pouco clarificado; Foaming filamentoso: Crescimento desmesurado de bactérias filamentosas hidrofóbicas, devido à presença de hidratos de carbono de elevado peso molecular, gorduras e óleos no efluente, havendo o washout da biomassa; Bulking zoogleal/viscoso: Os flocos são muito grandes, pouco sedimentáveis e compactos, devido à sobreprodução de exopolissacarídeos que tornam o efluente viscoso; Flocos pin-point: Ocorre devido a baixas concentrações de bactérias filamentosas, fazendo com que os flocos formados sejam pequenos, mecanicamente frágeis e pouco sedimentáveis; Crescimento disperso: Aumento elevado do número de bactérias dispersas provocado por elevadas cargas e arejamento insuficiente entre outras condições adversas prolongadas, fazendo com que não haja agregação das bactérias formadoras de flocos. Estas condições adversas podem ainda provocar uma redução do número de protozoários e metazoários, agravando o problema. Andreia Catarina Maia Quinteiro 13

34 CAPÍTULO 2 Protozoários Os protozoários são muito importantes para o equilíbrio do ecossistema biológico, uma vez que se alimentam de bactérias e de matéria orgânica, reduzindo a turvação do efluente final e eliminando bactérias patogénicas (Da Motta et al, 2001). Existe uma grande diversidade de protozoários, com necessidades muito distintas, pelo que a sua observação ao microscópio permite obter informações no que diz respeito à eficiência da ETAR. Não têm sido realizados estudos de protozoários em sistemas de leitos percoladores, sendo contudo um tema bastante explorado no sistema de lamas ativadas. Segundo Madoni (1994), os sistemas de lamas ativadas com funcionamento satisfatório apresentam as seguintes características. Elevada densidade de protozoários (>10 3 por ml); Domínio conjunto de ciliados sésseis e móveis de fundo; População diversificada sem domínio esmagador de nenhuma espécie em particular. Na Tabela 2.2 é apresentada a relação entre a eficiência de tratamento por lamas ativadas e os principais grupos de protozoários e metazoários. Tabela Relação entre a eficiência do tratamento por lamas ativadas e os principais grupos de protozoários e metazoários (Adaptado de Madoni, 1994). Grupo dominante Eficiência Causa possível Pequenos flagelados Pequenos ciliados nadadores (<50 µm) Grandes ciliados nadadores (>50 µm) Ciliados móveis de fundo Ciliados sésseis + móveis de fundo Ciliados sésseis Má Medíocre Medíocre Boa Boa Baixa Lamas pouco oxigenadas, carga muito forte; entrada de substâncias fermentescíveis Tempo de contacto muito baixo; lamas pouco oxigenadas Carga muito forte Fenómenos transitórios (carga descontínua, extração recente de lamas) Pequenas amebas nuas Má Carga muito elevada não facilmente biodegradável Amebas com teca Boa Carga baixa, licor diluído, boa nitrificação Grande parte dos protozoários é móvel, usando para isso flagelos, cílios ou pseudópodes. Existem três classes de protozoários que podem ser encontrados em sistemas de tratamento aeróbio, nomeadamente em leitos percoladores (Gray, 2004): 14 Andreia Catarina Maia Quinteiro

35 Introdução Flagelados Os flagelados apresentam um ou mais flagelos utilizados na sua locomoção. Estes protozoários são predominantes na fase de arranque dos sistemas aeróbios, sendo resistentes a condições anóxicas e a substâncias tóxicas. Indiciam mau arejamento e carga orgânica elevada, o que significa baixa qualidade do efluente final (Canler et al,1999). Amebas ou Sarcodinas As amebas movem-se através de pseudópodes, que também são utilizados para se alimentarem. Algumas apresentam uma teca de material inorgânico em redor do seu corpo com aberturas especiais por onde saem os pseudópodes. As amebas sem teca são indesejáveis no tratamento de águas residuais já que indiciam baixa qualidade do efluente final. As amebas com teca, por sua vez, são encontradas normalmente em sistemas com remoção de azoto, idade das lamas elevada e efluentes com baixa carga orgânica, sendo por isso são indicadoras de um efluente bem tratado (Madoni, 1994). Ciliados Segundo Canler (1999), os protozoários ciliados correspondem a 70% da população de protozoários observada em sistemas com arejamento prolongado a funcionar corretamente. Podem ser divididos em quatro grupos: ciliados nadadores, móveis de fundo, sésseis e carnívoros (incluindo suctória). Os ciliados nadadores indicam baixa qualidade do efluente final, uma vez que se movem livremente em suspensão, não sedimentando e saindo no efluente final. São predominantes na fase de arranque dos sistemas aeróbios (Madoni, 1994). Os ciliados móveis de fundo vivem e alimentam-se na superfície dos flocos. Podem também encontrar-se no interior dos flocos, e são muitas vezes recirculados após a sedimentação secundária. São indicadores de um efluente final com qualidade razoável (Madoni, 1994). Os ciliados sésseis apresentam um pedúnculo através do qual estão ligados aos flocos, sendo recirculados já que sedimentam (junto com os flocos) na decantação secundária. Tal como os móveis de fundo alimentam-se de bactérias presentes na superfície dos flocos ou no licor misto. Podem ser encontrados em todas as cargas orgânicas, sendo predominantes em baixas cargas, fenómenos transientes ou condições de washout (Madoni, 1994). Os ciliados carnívoros, como o próprio nome indica alimentam-se de outros protozoários, não sendo encontrados com muita frequência, pelo menos como espécies dominantes (Madoni, 1994). Andreia Catarina Maia Quinteiro 15

36 CAPÍTULO 2 Metazoários Os metazoários alimentam-se de bactérias e, em alguns casos, de protozoários. Estes microrganismos multicelulares, tal como os protozoários têm como função o controlo do crescimento de coliformes e bactérias patogénicas por predação e contribuem ainda para processos de floculação/desfloculação. O processo de floculação ocorre devido à adesão de bactérias filamentosas e formadoras de flocos ao muco excretado pelos metazoários. Por outro lado, através da sua mobilidade, fragmentam flocos de grandes dimensões e dificilmente sedimentáveis (desfloculação) (Canler et al,1999). Os metazoários mais comuns nas ETAR são os rotíferos, os anelídeos e os nemátodes. Os rotíferos são os metazoários que aparecem com maior frequência, indicando bom arejamento e qualidade elevada do efluente final. Os nemátodes, por sua vez, estão presentes em todas as cargas e em períodos de sub-arejamento. Os anelídeos são muito pouco comuns e indiciam cargas orgânicas muito baixas, elevada idade das lamas e elevada qualidade do efluente final. A análise da microfauna é muito importante, uma vez que é possível verificar a capacidade de sedimentabilidade das lamas no sedimentador secundário através do conhecimento da morfologia dos flocos e ainda diagnosticar se existe algum problema no sistema de tratamento, através do conhecimento da presença ou ausência de um determinado microrganismo. Deste modo, encontram-se já publicados diversos estudos com vista a obter uma melhor previsão e controlo da eficiência dos processos de tratamento de efluentes, através do estudo da componente biótica de sistemas de tratamento aeróbios, envolvendo técnicas de microscopia e mesmo de análise de imagem (Lazarova et al, 1995; Amaral, 2003; Mesquita, 2006; Mesquita et al, 2008; Amaral, 2009) Fatores que afetam o desempenho dos leitos percoladores As águas residuais transportam contaminantes suspensos e dissolvidos que, após serem retidos no biofilme, são degradados em partículas cada vez mais pequenas, de modo a poderem servir como nutrientes para o crescimento celular (Gray, 2005). Ainda segundo este autor, os leitos percoladores podem remover entre 40 a 90% de CBO (Carência Bioquímica de Oxigénio) das águas residuais. Existem vários fatores que afetam o desempenho dos leitos percoladores, nomeadamente a carga hidráulica, a carga orgânica, o meio filtrante, a temperatura, o tempo de retenção, a altura dos leitos percoladores, o biofilme, o arejamento e a frequência de dosagem. Carga hidráulica A carga hidráulica corresponde ao quociente entre o caudal volumétrico das águas residuais e a área superficial de leito (normalmente expressa em m 3 dia -1 m -2 ). O limite superior hidráulico é determinado pela possibilidade de ocorrência de alagamento e refere-se à 16 Andreia Catarina Maia Quinteiro

37 Introdução situação em que as águas residuais aplicadas no filtro percolador apresentam um caudal superior ao que o filtro é capaz de escoar. Quando esta situação acontece, os poros do meio filtrante ficam inundados e o ar é impedido de chegar ao interior do leito. O limite inferior hidráulico corresponde à taxa de humidade mínima, isto é, a taxa de carga mínima para que o meio seja mantido com humidade suficiente, de modo a evitar a secagem do meio e a inatividade do filme microbiano (Gray, 2005). Carga orgânica A carga orgânica é expressa pelo quociente entre o caudal mássico de matéria orgânica e o volume de leito filtrante (normalmente expressa em kg CBO dia -1 m -3 ). A carga orgânica adequada aos leitos percoladores depende das características físicas do meio filtrante e do biofilme (Gray, 2005). Meio filtrante O desempenho dos leitos percoladores é normalmente associado à área superficial específica do meio filtrante, proporcionada pela acumulação de filme microbiano (quando não existe obstrução de poros). Portanto, a seleção do meio deve ser um compromisso entre uma elevada área específica do meio e uma porosidade suficiente de modo a evitar o entupimento, principalmente no Inverno (Gray, 2005). Temperatura A temperatura influencia todos os sistemas de tratamento biológico de águas residuais. Nos leitos percoladores, a taxa metabólica dos microrganismos aumenta com a temperatura, duplicando para cada aumento de 10 C entre 5 e 30 C. Além disso, a difusividade de nutrientes e de oxigénio aumenta com a temperatura, enquanto a solubilidade do oxigénio na água diminui (Gray, 2005). Tempo de retenção A qualidade do efluente depende diretamente do tempo de contacto entre o filme microbiano e as águas residuais. Uma carga hidráulica elevada resulta, geralmente, num tempo de retenção reduzido e, consequentemente, num efluente menos limpo (Gray, 2005). Altura Existem leitos percoladores com profundidades compreendidas entre 0,9 e 15,0 metros. Os leitos percoladores de águas rasas (menos de 1 metro) apresentam desvantagens significativas, nomeadamente no que diz respeito a caminhos preferenciais e alagamentos. Por sua vez, os Andreia Catarina Maia Quinteiro 17

38 CAPÍTULO 2 leitos percoladores mais altos, além de ocuparem uma área menor, apresentam um tempo de retenção superior, implicando, contudo, custos mais elevados no bombeamento do efluente (Gray, 2005). Biofilme A primeira etapa da remoção da matéria orgânica é a adsorção na superfície do biofilme, e portanto a limitação da disponibilidade de sítios de adsorção pode provocar um efluente menos tratado. A eficiência de remoção de sólidos suspensos e da CBO em águas residuais está relacionada com o crescimento do filme microbiano. A microfauna presente no biofilme tem um papel muito importante no crescimento do mesmo, garantindo assim taxas máximas de adsorção (Gray, 2005). Arejamento No tratamento aeróbio é indispensável o arejamento. Quando o arejamento é bloqueado ou parcialmente restrito a eficiência dos leitos percoladores fica seriamente afetada. As correntes de ventilação são causadas pelas diferenças de temperatura entre o ar exterior, o líquido e o filme microbiano, pelo que o fluxo resultante pode ter qualquer direção. Caso não haja arejamento suficiente ocorre libertação de maus odores e washout do filme (Gray, 2005). Frequência de dosagem O líquido afluente é distribuído sobre a superfície do leito percolador através de pulverizadores ou bicos montados em distribuidores que podem ser móveis ou estáticos. Os sistemas de distribuição móveis são mais utilizados, principalmente em leitos maiores. O distribuidor móvel pode ser impulsionado através de um mecanismo de roda de água ou através de um motor elétrico. O distribuidor não pode deslocar-se a uma velocidade superior a 10 m min -1, pelo que demora algum tempo a deslocar-se de um extremo ao outro. O aumento do caudal das águas residuais garante uma distribuição mais uniforme de nutrientes orgânicos dentro do leito, estendendo a profundidade da atividade heterotrófica e proporcionando o desenvolvimento do filme de forma mais uniforme. Por outro lado, pode ter um efeito de lavagem mecânica sobre o filme. A frequência da dosagem deve garantir a maximização do tempo de retenção de modo a possibilitar a máxima adsorção de nutrientes orgânicos, controlando a acumulação excessiva de filme microbiano. Assim, geralmente a frequência de administração varia sazonalmente, sendo mais baixa durante o inverno do que durante o verão, para controlar a acumulação excessiva de filme. A frequência de dosagem depende das condições de funcionamento de cada leito percolador, do tipo de meio utilizado e da natureza das águas residuais (Gray, 2005). 18 Andreia Catarina Maia Quinteiro

39 CAPÍTULO 3 ETAR DO CHOUPAL

40 CAPÍTULO 3 3 ETAR DO CHOUPAL Nesta secção é descrita a ETAR do Choupal, na qual foram realizadas as recolhas das amostras do efluente líquido tratado nos leitos percoladores. 3.1 Enquadramento A estação de tratamento de águas residuais do Choupal localizada junto do Rio Mondego foi inaugurada nos anos 90. Desde o início da laboração da ETAR que a gestão e manutenção se encontram a cargo da empresa Luságua S.A.. Na Figura 3.1 encontra-se uma imagem com a vista aérea da ETAR do Choupal. Figura Vista aérea da ETAR do Choupal (Fonte: Águas de Portugal). No projeto realizado inicialmente a ETAR foi construída para a capacidade mencionada na Tabela 3.1. Tabela Dados de Base da ETAR (Fonte: Luságua S.A.). População equivalente hab. Capacidade de tratamento m 3 dia -1 Carga contaminante kg CBO 5 dia kg SST dia Andreia Catarina Maia Quinteiro

41 ETAR do Choupal Na Tabela 3.2 são apresentadas as características principais da instalação da ETAR Tabela Principais características da instalação da ETAR (Fonte: Luságua S.A.). Pré-Tratamento Tratamento Primário Estação Elevatória Tratamento Biológico 3 Grelhas de limpeza mecânica 2 Desengorduradores/desarenadores: Comprimento=24 m 2 Decantadores Primários: d=37 m 2 Grupos: Q=250 L s -1 ; P=45 kw 2 Grupos: Q=500 L s -1 ; P=90 kw 4 Leitos Percoladores: d=36 m 2 Decantadores Secundários: d=37 m Tratamento de Lamas 2 Digestores anaeróbios d=20 m, V=3 000 m 3 Gasómetros 2 Gasómetros: d=14,5 m, V=1 000 m 3 Aquecimento de Lamas 2 Caldeiras: kcal h -1 Desidratação de Lamas Potência Instalada Destino Final do Efluente Centrífuga kva Rio Mondego 3.2 Funcionamento da ETAR No processo de tratamento da ETAR existem três linhas diferentes: linha de água, linha de lamas e linha de biogás. O esquema da Figura 3.2 ilustra de uma forma simplificada as etapas de tratamento da ETAR do Choupal. Figura Esquema simplificado de tratamento da ETAR do Choupal (Adaptado de Luságua S.A.). Andreia Catarina Maia Quinteiro 21

42 CAPÍTULO 3 O tratamento de águas residuais na ETAR do Choupal segue então as etapas descritas seguidamente: Pré-tratamento O efluente chega à ETAR e é encaminhado para três grelhas metálicas de limpeza mecânica que vão fazer a separação de resíduos sólidos de maiores dimensões que são armazenados em contentores para posteriormente serem depositados em aterro, como resíduos sólidos urbanos. De seguida, a água residual segue para dois desengorduradores/ desarenadores que são arejados, nos quais ocorre a separação de areias, bem como de gorduras. As gorduras flotadas são arrastadas e depositadas na fossa das lamas primárias para depois serem introduzidas no processo de digestão anaeróbia. As areias são lavadas e enviadas para aterro. Tratamento Primário O efluente proveniente do pré-tratamento entra numa câmara de repartição de caudais seguindo para o tratamento primário. Este tratamento é realizado em dois sedimentadores primários circulares munidos de uma ponte raspadora e de um sistema de remoção de sobrenadantes que operam em paralelo. Aí ocorre a sedimentação das partículas mais pesadas, formando as lamas primárias, que são enviadas para a fossa de lamas primárias. Tratamento Secundário/ Biológico Após o tratamento primário o efluente é conduzido ao tratamento biológico, realizado através de quatro leitos percoladores seguidos por dois sedimentadores secundários. Os quatro leitos percoladores circulares operam em paralelo e têm um enchimento de pedras cobertas por biofilme no qual se desenvolvem microrganismos importantes para a depuração das águas residuais. O oxigénio indispensável a estes microrganismos é fornecido através dos interstícios existentes entre as pedras a partir do fundo e dos orifícios laterais existente no tanque. A distribuição do efluente no topo dos leitos é realizada através de distribuidores rotativos. Após passar nos quatro leitos percoladores o efluente segue para os dois sedimentadores secundários, cujas dimensões são idênticas às dos primários e onde são geradas lamas secundárias. Uma parte das lamas secundárias é recirculada e volta a entrar nos leitos percoladores junto com o efluente que sai dos sedimentadores primários, outra parte segue juntamente com as lamas primárias para dois digestores anaeróbios onde são estabilizadas e mais tarde enviadas para uma centrífuga, para serem desidratadas e mais facilmente transportadas para incorporação em terrenos agrícolas. Inicialmente a ETAR foi projetada com um espessador de lamas que se encontra desativado, uma vez que levantava alguns 22 Andreia Catarina Maia Quinteiro

43 ETAR do Choupal problemas de operação devido ao seu excessivo tempo de retenção. O efluente clarificado segue para o Rio Mondego. 3.3 Leitos percoladores As características físicas dos quatro leitos percoladores da ETAR do Choupal encontram-se descritas na Tabela 3.3. Tabela Características principais dos leitos percoladores da ETAR do Choupal. Características Diâmetro interno (m) 36 Volume útil do enchimento (m 3 ) 3030 Altura do enchimento (m) 3 Tipo de enchimento Pedra Pode-se constatar que a altura dos leitos percoladores da ETAR do Choupal se encontra ligeiramente acima do limite superior previsto para o enchimento de pedra, constantes na Tabela 2.1. Andreia Catarina Maia Quinteiro 23

44 CAPÍTULO 3 24 Andreia Catarina Maia Quinteiro

45 CAPÍTULO 4 MATERIAL E MÉTODOS

46 CAPÍTULO 4 4 MATERIAL E MÉTODOS Neste capítulo estão descritos os pontos de amostragem na ETAR, os reagentes e os equipamentos utilizados, bem como o procedimento seguido nos diversos ensaios físicos, químicos e microbiológicos realizados. 4.1 Amostragem As amostras foram recolhidas diariamente em duas campanhas, do dia 22 a 30 de Novembro de 2011 e do dia 28 de Maio a 8 de Junho de 2012, exceto aos fins-de-semana e feriados, num total de 16 dias. Durante a recolha das amostras foram anotadas observações consideradas importantes relativas ao estado de funcionamento dos leitos percoladores, que se encontram na secção B do anexo. Na Figura 4.1 apresenta-se um esquema no qual estão representados os pontos de recolha. Na primeira campanha, o Leito Percolador 4 estava inativo, pelo que apenas foram recolhidas amostras em quatro pontos distintos da ETAR: saída de cada um dos Leitos Percoladores 1, 2 e 3 (corrente 3, 4 e 5 representadas na Figura 4.1) e no tanque de junção das três saídas, designado com LP Geral (ponto 7). Mais tarde, na segunda campanha, foram recolhidas amostras em sete pontos distintos, englobando os mesmos da primeira campanha e, ainda, a saída dos decantadores primários (corrente 1), o reciclo (corrente 2) e a saída do quarto leito percolador (corrente 6) que já se encontrava em funcionamento. Reciclo Decantador Primário 2 Leito Percolador 2 Leito Percolador 1 Decantador Secundário 1 E. Primário Digestor Anaeróbio Decantador Primário Leito Percolador 4 Leito Percolador 3 Decantador Secundário Lamas Primárias Figura Representação esquemática dos pontos de recolha das amostras. Na Figura 4.2 e na Figura 4.3 são apresentados os locais onde foi realizada a recolha das amostras de saída dos quatro leitos e da corrente designada como LP Geral, respetivamente. 26 Andreia Catarina Maia Quinteiro

47 Material e métodos Figura Local de recolha das amostras de saída dos leitos percoladores. Figura Local de recolha da corrente LP Geral. 4.2 Reagentes e Equipamentos Para a realização dos ensaios físico-químicos foi necessária a preparação de algumas soluções tendo sido utilizados os reagentes apresentados na Tabela 4.1. Tabela Reagentes utilizados ao longo da atividade experimental. Reagente Grau de pureza (%) Peso Molecular Fabricante Ag 2 SO 4 99,5 311,83 Panreac H 2 SO 4 95,0-97,0 98,08 Fluka K 2 Cr 2 O 7 99,9 294,19 Merck HgSO 4 99,0 296,65 Fluka C 8 H 5 KO 4 (KHP) 99,9-100,1 204,22 Merck KNO 3 99,0 101,11 Merck Andreia Catarina Maia Quinteiro 27

48 CAPÍTULO 4 Ao longo deste trabalho experimental foram ainda utilizados os seguintes equipamentos, indispensáveis para a realização dos diversos ensaios, reportados na Tabela 4.2. Tabela Principais equipamentos utilizados na realização do trabalho experimental. Equipamento Marca Modelo Precisão Balança Mettler Toledo AG204 ± 0,1 mg Bomba de vácuo de diafragma KnF Neuberger 022 AN.18 (0,08kW) Estufa Mufla J. P. Selecta W. C. Heraeus GMBH Espectrofotómetro de feixe simples Shimadzu UV Analisador de carbono total e azoto total ASI-V Shimadzu TOC-V CPN TNM-1 Ergonomic High- VWR Performence Easy 40+ Micropipeta µl Micropipeta 0,45-5,5 ml Microscópio ótico Leica DM 2000 Câmara de aquisição Leica DFC310FX ± 0,5µL 4.3 Análises físicas Das análises físicas faz parte a determinação de sólidos totais, suspensos e dissolvidos, voláteis e não voláteis das amostras. Estas análises foram realizadas de acordo com a secção 2540 do Standard Methods for the Examination of Water and Wastewater (Clescerl et al, 1998). A análise dos sólidos totais foi realizada levando 25 ml de amostra original num cadinho previamente pesado, à estufa a uma temperatura de 105 C, por um período de 12 horas. Após retirar a amostra da estufa, esta foi colocada no excicador para arrefecer até à temperatura ambiente e depois foi pesada até atingir peso constante. Para determinação dos sólidos voláteis e não voláteis totais, a mesma amostra foi colocada na mufla durante 30 minutos a uma temperatura de 550 C, registando depois a sua massa à temperatura ambiente, em excicador, após atingir peso constante. A determinação dos sólidos suspensos e dos sólidos dissolvidos foi realizada através de uma filtração com o auxílio de uma bomba de vácuo montada conforme a Figura Andreia Catarina Maia Quinteiro

49 Material e métodos Figura Equipamento de filtração. Na filtração fez-se passar a amostra original por um filtro de fibra de vidro Whatman GF/C (Pitssburg, EUA) com tamanho de poros de 2 µm, ficando os sólidos suspensos da amostra retidos no filtro, deixando passar os sólidos dissolvidos na amostra. Cada uma destas amostras (sólidos retidos no filtro e filtrado) foi colocada na estufa e na mufla seguindo o mesmo procedimento das amostras originais, descrito anteriormente, permitindo a determinação da fração volátil. Foram ainda realizados brancos do filtro, colocando o filtro sem sólidos na estufa e na mufla (ponto E do anexo). A partir das massas pesadas e tendo em conta os volumes de amostra utilizados foram determinados os sólidos totais, suspensos e dissolvidos, voláteis e não voláteis. 4.4 Análises químicas Os ensaios químicos realizados foram a análise da carência química de oxigénio da amostra total (CQOt) e da amostra filtrada (CQOd), e de carbono e azoto totais da amostra filtrada (CTd e NTd) Análise de CQO Foram realizadas as análises de CQO quer às amostras originais, quer às amostras filtradas, de acordo com a secção 5220 do manual Standard Methods of the Examination of Water and Wastewater (Clescerl et al, 1998). Para a realização desta análise foi necessária a preparação da solução ácida e da solução digestiva. A solução ácida foi preparada adicionando 5,5 g de Ag 2 SO 4 /kg H 2 SO 4. A solução digestiva foi preparada dissolvendo 10,216 g de K 2 Cr 2 O 7, previamente aquecido a 150 C durante 2 horas, em 500 ml de água destilada, adicionando depois à solução167 ml de Andreia Catarina Maia Quinteiro 29

50 CAPÍTULO 4 H 2 SO 4 concentrado e 33,3 g de HgSO 4. Deixou-se arrefecer a solução até à temperatura ambiente e diluiu-se a 1000 ml. Além destas soluções, que são diretamente utilizadas nos ensaios, foi ainda preparada uma solução padrão de hidrogenoftalato de potássio (KHP), dissolvendo 425 mg de KHP, previamente seco até peso constante a 110 C, e água destilada e diluindo a 1000 ml. Para a determinação de CQO, foram preparados tubos de digestão com 2,5 ml de amostra, 1,5 ml de solução digestiva e 3,5 ml de solução ácida. Foi também preparado um branco, onde em vez da amostra se colocou água destilada. Uma vez preparadas todas as amostras a analisar, em triplicado ou duplicado, foram introduzidas, juntamente com o branco, num banho a 150 C durante 2 horas para digerir. Após retirar as amostras do banho esperou-se que a sua temperatura baixasse naturalmente até à temperatura ambiente, procedendo-se depois à leitura da absorvância das amostras no espectrofotómetro de feixe simples UV (Shimadzu, Kyoto, Japan) a um comprimento de onda de 600 nm, tendo como referência o valor do branco. Foram ainda preparados padrões com concentrações conhecidas de hidrogenoftalato de potássio (KHP) que, após realizada a digestão e as leituras dos seus valores de absorvância a um comprimento de onda (λ) de 600 nm, permitiram realizar a curva de calibração que se encontra no ponto C do anexo Análise de CTd e NTd Para a realização das análises de carbono e azoto total dissolvido (CTd e NTd) foi utilizado o analisador TOC-V CPH/CPN da Shimadzu mostrado na Figura 4.5. Figura Equipamento de medição do CTd e NTd. Estes ensaios foram realizados apenas aos filtrados das amostras, uma vez que as amostras totais, possuindo elevada concentração de sólidos, poderiam danificar o equipamento. 30 Andreia Catarina Maia Quinteiro

51 Material e métodos 4.5 Análises microbiológicas As análises microbiológicas realizadas às amostras incluíram a determinação de parâmetros morfológicos da biomassa agregada e filamentosa, envolvendo a aquisição, processamento e análise de imagens, bem como a quantificação dos protozoários e metazoários presentes Aquisição, processamento e análise de imagens A monitorização morfológica dos agregados microbianos foi realizada através da aquisição, processamento e análise de imagens das amostras recolhidas. As amostras para observação e aquisição das imagens foram preparadas depositando, com uma micropipeta seccionada, um volume de 25 µl de amostra numa lâmina coberta por uma lamela. Foi realizada de seguida a observação ao microscópio em campo claro a uma ampliação total de 100 vezes, adquirindo cerca de 25 imagens por lâmina. Foram realizadas três lâminas por cada amostra recolhida de modo a que os resultados fossem representativos. A aquisição das amostras foi realizada pelo software Leica aplication Suite V com recurso a uma câmara DFC310 FX acoplada ao microscópio ótico LEICA DM 2000 (Leica Microsystems GmbH, Wetzlar, Germany), em escala de cinzentos a 8 bits, a que correspondem 256 níveis de cinzento, e um tamanho de imagem de 1392 x 1040 pixéis. Na Figura 4.6 encontram-se representados os equipamentos utilizados na aquisição das imagens. Figura Equipamento para aquisição das imagens. Para o processamento e análise das imagens foi utilizado um programa previamente desenvolvido em Matlab (The MathWorks, Inc., Natick, USA) conforme consta em Amaral (2003), ajustando os parâmetros de modo a otimizar o tratamento das imagens. Andreia Catarina Maia Quinteiro 31