OBSERVAÇÃO DA MICROFAUNA NO PROCESSO DE NITRIFICAÇÃO EM REATORES SEQÜENCIAIS EM BATELADA (RSB)

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1 OBSERVAÇÃO DA MICROFAUNA NO PROCESSO DE NITRIFICAÇÃO EM REATORES SEQÜENCIAIS EM BATELADA (RSB) Ribeiro Pinto Carmem Regina, Cybis Luiz Fernando*, Sérgio João de Luca. Universidade Federal do Rio Grande do Sul Instituto de Pesquisas Hidráulicas Caixa Postal CEP Porto Alegre, RS, Brasil RESUMO A tecnologia dos Reatores Seqüenciais em Batelada, em escala de bancada, foi utilizada para o tratamento de esgoto de origem doméstica, proveniente da Estação de Tratamento Arvoredo, operada pelo DMAE, na cidade de Porto Alegre, Brasil, de modo a favorecer a remoção de matéria orgânica e a nitrificação. Este trabalho descreve as observações da microfauna presente no lodo. A microfauna, além de contribuir para a remoção de matéria orgânica, pode ser utilizada como um parâmetro adicional de controle, devido a relação existente entre a eficiência do processo e a composição da população de seres que vivem no lodo, permitindo uma resposta mais rápida que a obtida através das análises químicas convencionais, a eventuais problemas operacionais. Durante o decorrer dos ciclos foi observado uma sucessão de microorganismos que iam aparecendo ou permanecendo à medida que uma maior ou menor eficiência era obtida. Entre os protozoários destacaram-se os do gênero Epistylis, Aspidiscas, Vorticellas, juntamente com metazoários do grupo dos Rotíferos. Verificou-se que a predominância dos grupos anteriormente descritos está diretamente relacionada com uma maior eficiência do processo de nitrificação. Desta forma, pôde-se comprovar que a observação da microfauna, se incluída como um parâmetro a ser monitorado em estações de tratamento de esgotos, será de grande valia para a operação das mesmas. Palabras clave: reator seqüencial em batelada, nitrificação, microfauna, lodos ativados, controle. INTRODUÇÃO A remoção de nutrientes está sendo cada vez mais uma preocupação devido aos sérios danos que causam nos corpos d água receptores. Entre os compostos causadores destes danos está o nitrogênio, nas suas diferentes formas, que deve ser corretamente tratado. A amônia, uma das formas reduzidas de nitrogênio, se lançada sem tratamento prévio nos rios, irá ocasionar problemas ao meio ambiente aquático, principalmente em função da depleção de oxigênio. O processo de nitrificação permite a remoção de nitrogênio amoniacal através da oxidação por organismos autotróficos para nitrito e nitrato. Dentre as tecnologias que podem ser empregadas está a dos Reatores Seqüenciais em Batelada (RSB) que, no caso, é usado de modo a favorecer as condições ambientais necessárias para a nitrificação. Este tipo de reator é bastante flexível, apresentando um custo menor quando comparado com o sistema convencional de lodos ativados. O RSB apresenta uma operação cíclica e descontínua. O modo seqüencial de operação do RSB produz uma diversidade de ambientes que facilita a sua utilização para diferentes objetivos operacionais (remoção de carbono, nitrificação, denitrificação, remoção biológica de fósforo, etc). Diversos são os mecanismos utilizados para o controle dos processos acima mencionados. O mais tradicional destes mecanismos é o controle por meio de análises físico-químicas. Hoje em dia, técnicas de controle on-line estão começando a ser utilizadas (Cybis, 1992; Cybis e Horan, 1996). Adicionalmente, a operação de tais processos tem sido, eventualmente, acompanhada através da observação microscópica da microfauna presente no processo.

2 Vários autores começaram a notar que os protozoários encontrados no lodo são importantes, pois estão relacionados com a performance do processo e com sua eficiência. Através da observação da microfauna existente no lodo pode-se diagnosticar as condições de tratamento visando uma qualidade melhor do efluente a ser lançado nos rios. A observação da microfauna pode ser usada como um parâmetro adicional de controle, obtendo-se uma resposta mais rápida do que está ocorrendo numa estação de tratamento bem antes do que os resultados das análises químicas convencionais o possam demonstrar. E deste modo, permite ao próprio operador da estação verificar o que está acontecendo com o processo, devido a facilidade existente da observação em microscópio. Neste trabalho observou-se a microfauna de dois RSB, em escala de bancada, alimentados com esgoto predominantemente doméstico, operados de forma a permitir a ocorrência de nitrificação. A partir destas observações, relações causa-efeito foram inferidas, e são neste trabalho apresentadas. NITRIFICAÇÃO EM REATORES SEQÜENCIAIS EM BATELADA A operação do processo de lodos ativados em batelada, ocorreu quando da invenção do próprio processo, por Ardern e Lockett em Com o decorrer do tempo, foram feitas várias modificações no reator a fim de obter-se um melhor rendimento. Irvine e Bush (1979), propuseram uma nomenclatura padrão para descrever as cinco fases operacionais básicas do ciclo do sistema de RSB: Enchimento, Reação, Sedimentação, Descarte e Descanso. Todas as fases ocorrem num único tanque, operadas seqüencialmente, em regime de batelada Os RSBs são utilizados para tratamento de esgoto municipais ou industriais. Apresentam vantagens em relação aos sistemas contínuos, especialmente em situações onde o efluente é produzido em curto espaço de tempo, onde existam variações significativas de vazões ou de cargas orgânicas, onde exista dificuldade de pessoal operacional qualificado, ou onde deseja-se remover fósforo e nitrogênio. Muitos trabalhos foram desenvolvidos por Irvine e coautores (1973, 1974, 1978, 1979) na Universidade de Notre Dame e Goronszy (1989) e seus associados em New South Wales. No IPH/UFRGS - RS/BRASIL, De Luca et al. (1991) obteve uma remoção de demanda bioquímica de 74 %. Na Universidade de Leeds, Inglaterra, Cybis (1992) obteve uma eficiência de 99,9 % na nitrificação em RSB em escala de bancada. A simplicidade de operação, a alta eficiência na remoção de demanda química de oxigênio e sólidos suspenso, nitrogênio e fósforo, e o pequeno espaço requerido faz com que este tipo de processo seja uma opção atrativa. Os RSBs permitem que a nitrificação aconteça. O processo de nitrificação é a conversão biológica de amônia em nitrito e nitrato, em condições aeróbias. Warington (1891) apud Cybis (1992) indicou que a nitrificação ocorria em dois passos, sendo cada um promovido por grupos separados de bactérias nitrificantes (Nitrossomonas e Nitrobacter). Estas bactérias são organismos que sintetizam compostos orgânicos, a partir de dióxido de carbono e água, utilizando como fonte de energia as calorias resultantes da oxidação da amônia e nitrito no meio onde vivem. OBSERVAÇÃO DA MICROFAUNA EM PROCESSO BIOLÓGICO DE TRATAMENTO O potencial da microfauna como indicador da performance e eficiência do tratamento biológico no sistema de tratamento de esgoto é bem conhecido e tem caracterizado um número de opções de tratamento. Sua função como indicador em processo de lodos ativados foi demonstrado em 1928 por Ardern e Lockett e, em 1970, por Curds e Cockburn, os quais desenvolveram uma avaliação do sistema de lodos ativados baseado no estudo de 56 estações de tratamento de esgoto na Inglaterra. Mais tarde, Al-Shahwani e Horan (1991) usaram uma técnica de regressão múltipla para predizer a qualidade do efluente e performance da estação baseada na estrutura da comunidade de microorganismos presentes no lodo.

3 Atualmente, a atenção tem sido focalizada na função real da microfauna na eficiência da estação de tratamento, particularmente, por alimentarem-se de bactérias livres e influenciar na formação do floco. Estes aspectos têm sido revisto por Ratsak et al., (1996). Horan, em 1989, apresentou uma lista de diferentes situações onde é possível relacionar o valor indicador de protozoários, com a operação da estação de tratamento de lodos ativados, conforme mostrado na Tabela 1. Tabela 1: Relação entre a observação de protozoários e o funcionamento da estação de tratamento OBSERVAÇÃO DE PROTOZOÁRIOS 1. Ciliados fixos estão presentes em números apreciáveis. Ciliados rastejantes também presentes, mas são poucos ou sem presença de Flagelados. 2.Todos os protozoários estão ativos, mas Flagelados aumentam e o lodo está desfloculando produzindo um grande número de bactérias livres. VALOR INDICADOR Lodo bom e maduro resultando numa DQO do efluente baixa. Geralmente ocorre nitrificação. O oxigênio é baixo no final do tanque de decantação, devido ao tempo de residência excessivo, ou a choque de carga orgânica 3. Ciliados fixos inativos, sendo que os ciliados rastejantes e livres estão, na maioria, ativos. Choque de carga tóxico (possível aumento da concentração de oxigênio dissolvido devido a taxa metabólica reduzida das bactérias). Possível perda ou redução da nitrificação 4. Todos os protozoários inativos/ausentes, exceto Flagelados, cujo o número aumenta apreciavelmente. Grave carga de choque. Define a perda de nitrificação. (A concentração de oxigênio dissolvido aumenta). Efluente com sólidos suspensos alto. 5. Todos os protozoários inativos/ausentes, incluindo Flagelados. Carga de choque extremamente severa acarretando a morte das bactérias, causando um efluente alto em sólidos suspensos e uma perda total de nitrificação. 6. Proporcionamento dos Ciliados livres; número de Ciliados fixos aumenta acompanhado por um aumento gradual de Flagelados. Razão alimento/microorganismos apresentando variações crônicas, resultando, inicialmente, na perda da nitrificação, seguida de uma eventua perda da capacidade de tratamento. A população de protozoários tem sido muito estudada no sistema de filtros (Curd e Cockburn, 1970; Hul et al. 1975) e contactores rotacionais biológicos (Kinner e Curds, 1987; Madoni, 1993). Entretanto, existem poucas informações sobre a estrutura e dinâmica destas populações, em RSB (Cech et al., 1994; Cybis e Horan, 1996). MATERIAIS E MÉTODOS Para realizar-se o presente trabalho foi utilizado dois Reatores Seqüenciais em Batelada com seis litros cada um, alimentados com esgoto doméstico, sendo coletado, em média, duas vezes por semana, proveniente da Estação de Tratamento de Esgoto Arvoredo do Departamento Municipal de Água e Esgoto, na cidade de Porto Alegre. Os reatores operaram em dois ciclos diários composto pelas seguintes fases: - 15 minutos de Enchimento - 7 horas de aeração juntamente com mistura (fase de Reação)

4 - 1 hora de Sedimentação - 15 minutos de Descarte - 3,5 hora de período de Descanso Para fins de acompanhamento e compararação da eficiência do processo, relativamente a observação da microfauna, foram feitas três vezes por semana, além da observação microscópica da microfauna, as seguintes análises químicas, tendo como referência o Standard Methods for Examination of Water and Wastewater, 18ª Edição (1992): demanda química de oxigênio (DQO), sólidos suspensos (SS), sólidos suspensos voláteis (SSV), ph, alcalinidade, amônia, nitrogênio total Kjeldahl (NTK), nitrito, nitrato e ortofosfato. A fim de identificar os microorganismos utilizou-se como referência a chave proposta por Curds, em Neste trabalho a microfauna foi classificada segundo os seguintes grupos funcionais: - Protozoários a) Ciliados: fixos, rastejantes e livres b) Flagelados - Metazoários a) Nematódios b) Rotíferos Para a observação da microfauna utilizou-se de células de Whipple para magnitude de 125x e lâminas comuns para observação de flagelados em 400x. A contagem foi feita utilizando-se desta célula, a qual contém uma câmara de volume conhecido e uma lamínula com reticulado. As observações foram realizadas contando-se o número dos diferentes organismos/grupos funcionais, em somente duas ou quatro faixas do total. O número de microorganismos contados era então obtido a partir da seguinte relação: N = C 1000 L D W S onde: N - Número de microorganismos por ml; C - Número de microorganismo contados; L - Comprimento de cada faixa em mm (50 mm); D - Profundidade da faixa em mm (1 mm); W - Largura da faixa em mm (20 mm); S - Número de faixas contadas (2 ou 4). As dimensões em parêntesis são da célula de Whipple utilizada. O valor encontrado deve ser multiplicado ainda pelo fator de enumeração, sendo 20 para duas faixas e 40 para quatro faixas, conforme o caso. RESULTADOS E DISCUSSÃO Em função dos resultados obtidos para os dois RSBs, serem semelhantes, neste trabalho serão apresentados e discutidos, a seguir, apenas os resultados de um deles. Na Tabela 2, apresentam-se os resultados dos principais parâmetros (DQO, SS, NTK, e Alcalinidade), determinados durante os ciclos relatados neste trabalho. Na Fig. 1 são mostrados, especificamente, os resultados obtidos para as formas reduzidas de nitrogênio.

5 Tabela 2: Resultados dos principais parâmetros monitorados DQO (mg/l) SS (mg/l) NTK (mg/l) Alacalinidade (mg/l CaCO 3 ) Ciclos Entrada Saída Entrada Saída Entrada Saída Entrada Saída 1 321,5-270,0-43,8 5,8 232,1 78, ,5 256,0 270,0-43,8 31,0 232,1 231, ,5 288,0 160,0 61,0 66,0 47,8 267,3 289, ,5-160,0 67,5 66,0-267,3 303, ,8 207,3 138,0 48,0 48,1 44,8 259,3 292, ,8 79,7 138,0-48,1 7,4 259,3 117, ,4 10,6 205,0 133, , ,4-205,0 250, ,6-224,0 15,0 71,3-234,3 198, ,6 68,6 224,0 9,0 71,3 14,1 234,3 25, ,3 22,9 74,0-71,5 25,5 278,4 256, ,3 141,2 74,0 5,0 71,5 26,4 278,4 87, ,2-308,0 12,0 60,1 13,3 228,5 61, ,2 67,4 308,0 13,0 60,1 18,9 228,5 160, ,3 88,2 50,0 21,0 48,8 11,9 241,1 119, ,5 155,7 164,0 63,0 13,6 1,3 182,3 103, ,5-164,0 6,0 13,6-182,3 138, ,4 50, ,3-261,0 63,3 DQOm )SaídaSaída1321,5-270,07321,5256,0270,09314,528,0160,061,012314,5-160,067,514350,8207,3138,048,020350,879,7138, ,4-)S(ml De acordo com os resultados apresentados na Tabela 1, durante o experimento, observaram-se boas remoções de DQO e SS, apresentando, no final dos últimos ciclos em média, valores de aproximadamente 80% e 90%, respectivamente. Especificamente, em termos de SS, nota-se uma grande eficiência de remoção, mesmo quando ocorreram altas concentrações de sólidos no afluente. Fig. 1: Resultados das diferentes formas de nitrogênio monitoradas Concentração (mg/l) NTK Afluente NTK Efluente Amônia-N Afluente Amônia-N Efluente N-Oxid Efluente Ciclo A partir da observação detalhada da Fig. 1, verifica-se a ocorrência de nitrificação a partir do ciclo 20. Entretanto, a eficiência do processo nunca atingiu níveis altos. Tentativamente, explica-se este fato pelo tempo exageradamente longo, reservado para o período de descanso, acima de 3 horas. Durante estes períodos, observou-se lodo flotando no reator, o que vinculou-se à denitrificação. Portanto, é razoável supor que as bactérias nitrificantes, aeróbias restritas, tenham sofrido periódicos choques de falta de oxigênio dissolvido, o que acarretou eficiências menores que as esperadas. Também é possível comprovar-se a ocorrência de nitrificação pelo consumo de alcalinidade, como mostrado nos dados apresentados na Tabela 2.

6 Na Tabela 3 apresentam-se os grupos funcionais observados durante as observações microscópicas do lodo. Tabela 3: Grupos funcionais da microfauna observados no RSB Grupos Funcionais Protozoários Ciliados Protozoários Flagelados Sub-Grupos Funcionais e Genêros Livres: Lionotus sp., Colpidium sp., Paramecium sp. Rastejantes: Aspidisca sp., Trachelophyllum sp. Fixos: Epistylis sp., Vorticella sp., Opercularia sp. Bodo sp., Euglena sp. Rotíferos: Rotaria sp. Metazoários Amebas Nematódeos Arcela sp., Thecamoeba sp. Na Tabela 4 e Fig. 2 são apresentados, de uma forma quantitativa, os resultados das observações da microfauna e um representação gráfica dos mesmos, respectivamente. Tabela 4: Número de organismos observados durante o experimento Grupos Funcionais Ciclo Ciliados Flagelados Amebas Metazoários Fixos Rastejantes Livres Nematódeos Rotíferos De acordo com a Fig. 2, podemos verificar que alguns protozoários e metazoários estão presentes em todos os ciclos, entre eles citam-se Epistylis, Vorticella, Aspidisca e Rotaria, seja em maior ou menor número. Houve uma sucessão de microorganismos à medida que os ciclos iam sendo estabelecidos com uma melhor eficiência na remoção de sólidos suspensos e DQO, e, com o estabelecimento da nitrificação ao longo do processo. No início do processo, até o ciclo 11, houve uma adeqüação da microfauna às novas condições, tendo sido este período caracterizado pela transição entre as populações estabelecidas na planta de tratamento, e as estabelecidas para as condições do experimento. Entre os ciclos 12 e 22, predominaram os ciliados livres e os flagelados, indicando nitidamente início de processo. Entre os ciclos 26 e 40, verifica-se o declínio das populações dos livres nadantes e flagelados, para a partir do ciclo 40 em diante, ocorrer um aumento explosivo dos ciliados fixos e rastejantes. Isto ocorreu concomitantemente com o aumento da eficiência da remoção de DQO, SS, e da nitrificação.

7 Fig. 2: Organismos observados durante o experimento Num. de organismos Ciliados fixos Ciliados rastejantes Ciliados livres Flagelados Nematódeos Rotíferos Amebas Ciclo As observações indicam claramente a ocorrência de uma sucessão das populações da microfauna com o tempo, em função da disponibilidade, ou não, de alimento. Esta sucessão também foi observada por outros pesquisadores (Curds, 1982; Shawani e Horan, 1991; Cybis, 1992; e Cybis e Horan, 1996) Em termos gerais, foram observados poucos flagelados, o que demonstra uma boa eficiência do processo. Estes normalmente ocorrem em condições de alta taxa, assim como os Nematódeos, embora em número menor (Curds e Cockburn, 1970). Verificou-se que a diversidade da microfauna está diretamente relacionada com a remoção da DQO. Quando, em determinado momento, esta diversidade diminuíu, ocorreram DQOs mais elevadas que o normal. CONCLUSÕES O RSB é uma tecnologia capaz de fornecer as condições ambientais necessárias a fim de realizar-se o processo de nitrificação, desde que a composição dos ciclos seja adequada aos objetivos operacionais. A variação da microfauna observada serve como um instrumento adicional que permitirá a identificação rápida do estado e da eficiência de uma estação de tratamento de esgotos. Especificamente, a partir das observações realizadas neste trabalho, concluíu-se que: a) é possível diagnosticar as condições de tratamento baseado na observação em microscópio da microfauna, com um tempo de resposta menor que o das análises químicas; b) houve uma nítida correlação entre o crescimento explosivo dos ciliados fixos e rastejantes (concomitantemente com o desaparecimento dos ciliados livres e flagelados), com o aumento das eficiências do tratamentoe e o estabelecimento da nitrificação; c) a maior diversidade das espécies e grupos funcionais, correlacionou-se com o estabelecimento de um lodo bom e maduro; d) o método de contagem da microfauna empregado se mostrou adequado e de fácil implementação

8 . REFERÊNCIAS ALLEMAN, J.E. (1984). Elevated nitrite ocurrence in biological wastewater treatment systems. Water Science and Technology, Oxford, v.17, p CYBIS, L. F. (1992). An innovative approach to the control of sequencing batch reactors used for nitrification and denitrification. Leeds: University of Leeds, Inglaterra. 240f. Tese (Doutorado). CYBIS, L. F., HORAN, N. (1995). Uso do ph, Redox e OD para o controle de nitrificação e denitrificação em Reatores Seqüênciais em Batelada (RSB). In: CONGRESSO BRASILEIRO DE ENGENHARIA SANITÁRIA E AMBIENTAL,18., 1995, Salvador. Anais. Rio de Janeiro: ABES. CYBIS, L. F., HORAN, N. (1996). Protozoan and metazoa populations in sbr operated for nitrification and/or denitrification. In: IAWQ SPECIALISED CONFERENCE IN SEQUENCING BATCH REACTORS TECNOLOGY,1., Munich. Proceedings. Munich: Wilderer, P. A. (Ed.), p CURDS, C. R. (1969). An illustated key to the British Freshwater ciliated protozoa commonly found in activated sludge. London: Her Majesty s Stationery Office. CURDS, C. R., COCKBURN, A. (1970). Protozoa in biological sewage-treatment processes: I a survey of the protozoan fauna of britsh percolationg filters and activated-sludge plant. Water Research, v.4, p CURDS, C. R. (1982). The ecology and role of protozoa in aerobic sewage treatment processes. Annual Review of Microbiology, Palo Alto, v. 36, p DE LUCA, S. J., FACCION, M. (1991). Avaliação preliminar de reator seqüencial em batelada. In: CONGRESSO BRASILEIRO DE ENGENHARIA SANITÁRIA E AMBIENTAL, Goiânia. Anais. Rio de Janeiro: ABES. v. 2, t.1, p HORAN, N. (1989). Identification and classification of protozoa from wastewater treatment plants. In: SANITARY MICROBIOLOGY, 1989, Leeds. Speaker s notes. British Council. 17f. IRVINE, R.L., BUSCH, A.W. (1979). Sequencing batch biological reactor: an overview. Journal Water Pollution Control Federation, Washington, v. 51, n.2, p MADONI, P., DONATELLA, D., CHIERICI, E. (1993). Comparative analysis of the activated sludge treatment works. Water Research, v. 27, n. 9, p SHAWANI, S. M., HORAN, N. J. (1991). The use of protozoa to indicate changes in the performance of activated sludge plants. Water Research, v. 25, n.6, p