22º Congresso Brasileiro de Engenharia Sanitária e Ambiental

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1 22º Congresso Brasileiro de Engenharia Sanitária e Ambiental 14 a 19 de Setembro 2003 Joinville Santa Catarina II078 AVALIAÇÃO DO DESEMPENHO DE LAGOAS DE ESTABILIZAÇÃO NO TRATAMENTO DE DEJETOS SUÍNOS ATRAVÉS DA ANÁLISE DE COMPONENTES PRINCIPAIS (ACP) Cladir Teresinha Zanotelli(1) Dra em Engenharia de Produção (UFSC), Mestre em Modelagem Matemática (UNIJUÍ), Graduada em Licenciatura Plena em Matemática (UNIJUÍ). Professora do Programa de Mestrado em Saúde e Meio Ambiente da Universidade da Região de Joinville UNIVILLE. Adriana França Especialista em Biologia com área de concentração em Desenvolvimento Sustentável (UnC). Graduação em Biologia (UnC). Carlos Cláudio Perdomo Graduado em Eng. Agronômica (UFPEL); Mestre em Agronomia (UFRGS). Dr. em Zootecnia (UFRGS). Professor da Universidade do Contestado Concórdia UnC. Rejane Helena Ribeiro da Costa Engenheira Civil pela UFPB. Mestre em Hidráulica e Saneamento, EESCUSP, São Carlos, SP. Doutora em Tratamento e Qualidade das Águas pelo INSAToulouse, França (1989). PósDoutorado na Université Montpellier I, França. Professora Titular do Departamento de Engenharia Sanitária e Ambiental do Centro Tecnológico da UFSC.

2 Endereço(1): Campus Universitário,s/n, Bairro Bom Retiro, Joinville (SC) CEP Brasil Fone (047) ; Fax: (047) ; RESUMO A sustentabilidade da produção suinícola está intrinsecamente relacionada aos estudos de alternativas tecnológicas de minimização do potencial poluente dos dejetos excedentes. Várias alternativas têm sido apresentadas para tratar os dejetos suínos, entre elas as lagoas de estabilização, consideradas tecnologias de baixo custo, apresentando boa eficiência de remoção da matéria orgânica, sólidos, nutrientes e microorganismos patogênicos. Este trabalho teve como objetivo analisar o desempenho das lagoas de estabilização em um sistema para tratamento de dejetos realizado na EMBRAPACNPSAConcórdia. Para verificar a eficiência do sistema de tratamento estudado, foi avaliada a eficiência de cada etapa do processo, constituído de um decantador de palhetas (DP), duas lagoas anaeróbias (LA1 e LA2), uma lagoa facultativa com aeração (LFA) e uma lagoa de polimento com aguapés (LAG), através do cálculo das eficiências de remoção e pela Análise Fatorial (Análise de Componentes Principais), que permite visualizar o fator predominante em cada etapa do sistema. Com base nos fatores artificiais podese observar se o reator (lagoa) está com o desempenho esperado. O sistema de tratamento apresentou ótimo desempenho, com índices de remoção de: DQO (99%); Sólidos Totais (93%); Nitrogênio Total (83%); Fósforo Total (98%); Sólidos em Suspensão (96%); temperatura média do afluente (20 C) e do efluente (21 C), verificouse que a média de Oxigênio Dissolvido do afluente foi de 1,3 mg/l e do efluente de 1,7 mg/l e o ph ficou próximo a neutralidade (8,3). Com base nos estudos realizados concluiuse que o uso do sistema de lagoas de estabilização é uma alternativa viável, de baixo custo operacional e com excelente remoção da carga poluente em todas as fases do processo. A ACP demonstrou que o fator concentração da matéria orgânica foi predominante em todas as lagoas, o que é esperado devido às características do efluente. Palavraschave: análise de componentes principais; lagoas de estabilização; suinocultura. INTRODUÇÃO A suinocultura brasileira cresceu de forma significativa nos últimos anos, destacandose pela produtividade e pela qualidade do produto final, em função do alto nível tecnológico empregado em genética, nutrição, manejo e sanidade. Do ponto de vista da sustentabilidade ambiental, a situação se inverte, sendo considerada uma das principais atividades degradadoras do meio ambiente na Região Sul, especialmente. A ótica de armazenagem e utilização de dejetos como fertilizante ainda predomina, mas carência de áreas de agricultura mecanizada e a baixa capacidade de investimento dos produtores representa um risco para a preservação do meio ambiente e para a saúde da população, pois, sem

3 tratamento e disposição adequado, os dejetos suínos tornamse poluidores dos recursos naturais. A implantação de sistemas de tratamento é fundamental para a resolução da questão ambiental. Entre as várias alternativas apresentadas para o tratamento, destacamse as lagoas de estabilização, consideradas de baixo custo e com boa eficiência de remoção da matéria orgânica, sólidos, nutrientes e patógenos. Objetivouse com este estudo avaliar a utilização da análise fatorial Análise de Componentes Principais (ACP), como instrumento de descrição do desempenho das lagoas de estabilização em um sistema integrado de tratamento, face a possibilidade de visualizar o fator predominante em cada etapa do sistema. MATERIAIS E MÉTODOS O estudo foi realizado junto a Unidade de Tratamento de Dejetos de Suínos da Embrapa Suínos e Aves, em Concórdia, SC, constituído por um equalizador, seguido em série por um decantador de palhetas (DP) com fluxo ascendente, duas lagoas anaeróbias (LA1 e LA2), uma lagoa facultativa com aerador (LFA) (2cv), e uma lagoa de maturação com aguapés (LAG), de junho de 2000 a julho de As lagoas são retangulares, construídas com talude de 45 graus e impermeabilizadas com geomembranas de PVC, sendo que as lagoas anaeróbias apresentam área de 45,2 m2 (11,3m X 4,0m) e a lagoa facultativa de 105,4 m2 (16,5m X 6,4m). O aerador foi instalado a 5,5m da entrada da lagoa facultativa e com funcionamento intermitente das 20:00 às 4:00 horas. As coletas de amostras, em cada uma das unidades do tratamento, foram realizadas quinzenalmente, sendo a primeira as 9:00h e outra as 15:00h. Para cada amostra foram analisados os seguintes parâmetros: ph, OD, Temperatura, DQO, sólidos (ST, SF, SV, SST), NTK, PT, Coliformes Fecais e Totais, segundo os procedimentos do Standard Methods (APHA, 1995). O desempenho de cada etapa componente do sistema foi analisado através do cálculo da eficiência de remoção e a visualização do fator predominante, pelo emprego da Análise Fatorial (Análise de Componentes Principais). RESULTADOS Os resultados obtidos para o desempenho das etapas do sistema e a predominância dos fatores artificiais são apresentados nas Tabelas 1 e 2 e pelas Figuras 1 a 13. Desempenho do Sistema de Tratamento Os valores médios obtidos e as eficiências de remoção de cada fase do processo são apresentados na Tabela 1.

4 Tabela 1. Valores médios e eficiência de remoção (%) para o sistema de tratamento. Lagoas Parâmetro DP LA1 LA2 LFA LAG Total PH 8,2 8,2

5 8,3 8,3 8,4 8,5 8,2 8,3 8,3 Temp. ( C) 17,00 17,20 17,20 24,20 24,20 19,41 19,41 22,55 22,55 22,60 20,07 21,19 OD (mg/l)

6 1,5 2,2 2,2 3,0 ST (mg/l) (%)

7 SF (mg/l) (%)

8 SV (mg/l) (%)

9 DQO (mg/l) (%)

10 NT (mg/l) (%)

11 Continuação da tabela 1... Parâmetro DP LA1 LA2 LFA LAG Total PT (mg/l) (%)

12 SST (mg/l) (%)

13 CT (NMP/100ml) (%) ,4 E+3 9,9 E +2 1 und log 9,9 E+2 3,26 E +2

14 CF (NMP/100ml) (%) ,277 E +3 3,98 E +2 1 und log 3,98 E +2 7,1 E +1 1 und log Onde: DP decantador de palhetas; LA1 e LA2 lagoas anaeróbias; LFA lagoa facultativa; LAG lagoa de aguapé; Afl afluente e Efl efluente. O sistema de tratamento apresenta ótimo desempenho, com índices de remoção de: DQO (99%); ST (93%); NTK (83%); PT (98%); SST (96%). Os valores de ph foram considerados normais, variando entre 8,2 e 8,5, e situados na faixa considerada adequada para o processo de degradação (6,5 a 9). O comportamento da temperatura (~20 C), a exceção da LA2, também foi a esperada e reflexo das condições climáticas vigentes e da cinética de degradação. Verificouse que a média de Oxigênio Dissolvido foi de 1,5mg/l para as lagoas facultativas e de aguapés. Os resultados demonstram que a LA2 apresenta melhor desempenho de remoção de ST que a LA1, provavelmente, em decorrência da retirada periódica do excesso de lodo na primeira lagoa. Observase que a LA2 realiza um tratamento complementar ao da LA1 para a DQO.

15 A taxa de remoção de DQO ficou em 49%, NT de 27%, PT de 40%, SST de 62%, SV de 60% e ST de 43%, mas a remoção de SF foi muito baixa (5%) em comparação com as outras lagoas. Os índices de remoção verificados na lagoa facultativa com aeração foram: DQO (46%), ST (22%), SF (30%), SV (19%), NT (45%) e PT (47%). Observouse remoção de coliformes totais e fecais de 1 unidade logarítmica nessa lagoa. A lagoa de aguapé (LAG) foi eficiente na remoção de PT 72%, NT 26% e DQO 70%. A remoção dos coliformes fecais foi de 1 unidade logarítmica. Análise Fatorial Análise de Componentes Principais (ACP) A análise dos componentes principais (ACP) foi utilizada para os parâmetros de ph, Temperatura, OD, SST, ST, SF, SV, NT, PT e DQO, objetivando visualizar o fator predominante para o desempenho de cada uma das etapas de tratamento. Com base nos fatores artificiais podese observar se o reator (lagoa) está com o desempenho esperado. A escolha dos fatores artificiais foi baseada no critério de Kaiser que prevê a utilização de autovalores maiores que um (1). LA1 Foram extraídos três fatores artificiais, (fator 1=33,58%, fator 2=20,30% e fator 3=15,88%) que somados explicam 69,76% da variância dos parâmetros medidos. O primeiro apresenta forte correlação negativa com: ST, SF e DQO, o segundo está relacionado negativamente com ST e SV. A maior correlação do fator três é com o NT. As Figuras 1, 2 e 3 apresentam os diagramas de dispersão dos parâmetros representados pelos fatores 1, 2 e 3 da LA1. O grau de correlação dos fatores com os parâmetros permite auferir que os fatores de maior representatividade na lagoa anaeróbia 1 é o fator concentração da matéria orgânica, representado pela variável DQO e sólidos (fator 1 e fator 2); relacionado ao fator 3 está o fator remoção de nutrientes (NT). Figura 1 Dispersão dos parâmetros pelos dois primeiros componentes principais, Figura 2 Dispersão dos parâmetros pela primeira e terceira componentes principais.

16 Figura 3 Dispersão dos parâmetros pelo segundo e terceiro componentes principais. LA2 Na LA2, os três primeiros fatores (fator 1=37,93%, fator 2=24,90% e fator 3=14,97%) somados explicam 77,80% da variância dos parâmetros medidos. O grau de correlação do fator 1 com o parâmetro PT demonstra que o fator predominante nesta lagoa é a remoção desse nutriente. Correlato ao fator 2 está o fator estabilidade do processo anaeróbio (ph). Associado ao fator 3 está o fator concentração de SV (matéria orgânica). Estes fatores estão condizentes com os resultados obtidos por Silva Filho (2001). Figura 4. Dispersão dos parâmetros pelo fator 1 e fator 2, Figura 5 Dispersão dos parâmetros pelo fator 2 e fator 3. Figura 6. Dispersão dos parâmetros pelo fator 1 e fator 3. LFA Os três fatores artificiais correspondentes a LFA explicam 83,78% da variância do processo, sendo o fator 1=53,14%, fator 2=17,08% e fator 3=13,56%. As Figuras 7, 8 e 9 apresentam os diagramas de dispersão dos parâmetros representados pelos fatores 1, 2 e 3 da lagoa. Os fatores de maior representatividade na LFA foram concentração de matéria orgânica (fator 1), representado pela variável DQO; o fator estabilidade do processo (fator 2) relacionado ao ph e o fator remoção de nutrientes (NT) relacionado ao fator 3. Figura 7. Dispersão dos parâmetros pelo fator 1 e fator 3.

17 Figura 8. Dispersão dos parâmetros pelo fator 2 e fator 3. Figura 9. Dispersão dos parâmetros pelo fator 1 e fator 2. LAG Em relação aos dez fatores artificiais calculados para a LAG, fo ram escolhidos os três primeiros fatores que somados explicam 78,10% da variância dos parâmetros medidos (fator 1= 43,80%, fator 2=18,62% e fator 3=15,68%). As Figuras 10, 11 e 12 apresentam os diagramas de dispersão dos parâmetros representados pelos fatores 1, 2 e 3 da Lagoa de aguapé (LAG). Como principal fator na LAG está a concentração de matéria orgânica (fator 1 e fator 3) representada pelo parâmetro ST e DQO respectivamente. O segundo fator preponderante é a estabilidade do processo (fator 2) indic ado pelo ph. Figura 10. Dispersão dos parâmetros pelo fator 1 e fator 2. Figura 11. Dispersão dos parâmetros pelo fator 1 e fator 3. Figura 12. Dispersão dos parâmetros pelo fator 2 e fator 3. Os fatores artificiais resultantes da ACP, realizada para o sistema de lagoas de estabilização e seus respectivos percentuais de explicação estão apresentados na Tabela 2. A Figura 13 permite visualizar a variação desses fatores ao longo da série de lagoas.

18 Tabela 2. Resumo dos fatores artificiais obtidos para o sistema de lagoas de estabilização. Lagoa Fator extraído Explicação (%) Anaeróbia 1(LA1) Concentração de matéria orgânica Remoção de nutrientes 53,8 15,9 Anaeróbia 2 (LA2) Remoção de nutrientes Estabilidade do processo anaeróbio Concentração de matéria orgânica 37,9 24,9 14,9 Facultativa com aeração (LFA) Concentração de matéria orgânica Estabilidade do processo anaeróbio Remoção de nutrientes 53,1 17,1 13,5 Aguapés (LAG)

19 Concentração de matéria orgânica Estabilidade do processo anaeróbio 59,4 18,6 Figura 13. Variação dos fatores artificiais ao longo da série de lagoas A predominância do fator concentração de matéria orgânica (correlato ao fator 1), expresso pela variável DQO e também pelos Sólidos, demonstra a necessidade de melhoraria da eficiência do sistema de tratamento, uma vez que indica a má qualidade do efluente conforme Oliveira et al. (2001). Este fator é característico das lagoas anaeróbias e facultativas, pois são reatores com efluentes mais concentrados. É importante, no estudo do aparecimento do fator matéria orgânica, salientar que este não expressa quantitativamente a concentração do efluente, só permite uma interpretação qualitativa para tal (Silva Filho, 2001). O fator remoção de nutrientes, indicado pelas variáveis PT e NTK, ocorreu nas lagoas anaeróbias e na lagoa facultativa com aeração, sendo nesta última, em decorrência de um ambiente adequado para o desenvolvimento de algas e remoção dos nutrientes por assimilação. O fator estabilidade do processo anaeróbio, correlato com a variável ph, ocorreu na lagoa anaeróbia 2, lagoa facultativa e lagoa de aguapés, as quais apresentaram valores médios de ph de 8,3, acima dos valores (6,3 e 7,8) apresentados por van Haandel e Lettinga (1994). CONCLUSÕES A Análise dos Componentes Principais (ACP) demonstrou que o fator concentração da matéria orgânica predominou em todas as etapas do sistema, que pode ter ocorrido pela sobrecarga de operação do sistema. A Análise de Componentes Principais pode ser utilizada para avaliar o desempenho de sistemas de tratamento com lagoas de estabilização, uma vez que permite analisar se cada etapa do processo está com o desempenho esperado.

20 REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS APHAAWWAWEF Standard Methods for the Examination of Water and Wastewater, 19ed., Washington D.C.: American Public Health Association, OLIVEIRA, R.; SILVA FILHO, T. A.T.; MOREIRA, J. F. V. Análise fatorial de uma série de lagoas de estabilização rasas tratando esgoto doméstico no Nordeste do Brasil. In: CONGRESSO BRASILEIRO DE ENGENHARIA SANITÁRIA E AMBIENTAL, 21., 2001, João Pessoa, Pb. João Pessoa, Pb: ABES, SILVA FILHO, T.A.T, Análise multivariada de dados de monitoramento de lagoas de estabilização em série. Campina Grande, Paraíba: UFPB, p. (Dissertação de Mestrado). VAN HAANDEL, A.C. e LETTINGA, G. Tratamento Anaeróbio de Esgoto em Regiões de Clima Quente. Campina Grande (PB): Epgraf. Paraíba, 1994.