II PÓS-TRATAMENTO DE RAFAS POR BANHADOS CONSTRUÍDOS UTILIZANDO A MACRÓFITA TYPHA DOMINGENSIS PERS.

Transcrição

1 II PÓS-TRATAMENTO DE RAFAS POR BANHADOS CONSTRUÍDOS UTILIZANDO A MACRÓFITA TYPHA DOMINGENSIS PERS. Keila Roberta Ferreira de Oliveira (1) Engenheira Ambiental pela Universidade Federal de Mato Grosso do Sul. Mestranda em Tecnologias Ambientais na UFMS. Carlos Nobuyoshi Ide Professor, orientador, pesquisador do DHT/CCET/UFMS. Doutor em Recursos Hídricos e Saneamento Ambiental pelo IPH/UFRGS. Leonardo Pinheiro Bezerra Engenheiro Ambiental pela Universidade Federal de Mato Grosso do Sul. Mestrando em Tecnologias Ambientais na UFMS. Lisandra Tamiozzo de Oliveira Graduanda em Engenheira Ambiental na Universidade Federal de Mato Grosso do Sul. Rafael Almeida Castro Engenheiro Ambiental pela Universidade Federal de Mato Grosso do Sul. Mestrando em Tecnologias Ambientais na UFMS. Endereço (1) : UFMS/CCET/DHT - Cidade Universitária - Campo Grande - MS - CEP: Brasil - Tel: (67) ke_roberta@hotmail.com. RESUMO O objetivo deste trabalho foi de analisar o desempenho dos banhados construídos, utilizando a macrófita Typha domingenses Pers., no pós-tratamento do efluente do Reator Anaeróbio de Fluxo Ascendente (RAFA), na Estação de Tratamento de Esgoto (ETE) Lago do Amor. O esgoto tratado no RAFA é gerado na Universidade Federal de Mato Grosso do Sul e no Hospital Universitário. O pós-tratamento é composto de três unidades de banhados construídos de fluxo subsuperficial, onde em duas delas foram plantadas a macrófita, na terceira foi utilizado somente o substrato (areia), para efeito de comparação dos resultados. Foram realizadas coletas e análises físico-químicas e bacteriológicas nas três unidades de banhado: S1, (B) e, através de procedimentos e técnicas analíticas preconizadas no STANDARD METHODS, 20 ed. por um período de junho de 2002 a janeiro de Análises de ganho de biomassa e altura atingida das macrófitas foram usadas para complementar dados e para dar suporte as discussões sobre fatores de remoção e melhoria da qualidade do efluente empregado. A adaptação das macrófitas foi evidenciada pela redução do tempo para o estabelecimento da altura padrão dos espécimes em habitat natural de 2,20m. O sistema entrou em operação em abril de 2002, e foi acompanhado até novembro de Os banhados apresentaram altas eficiências de remoção de diversos parâmetros, como DBO 5 (91,0% para S1 e e 83,2% para B), coliformes fecais (97,5%, 75,5% e 99,7% para S1, B e ) e Nitrogênio Amoniacal (65,38% para S1 e e 34,62% para B). O ganho médio de biomassa verde encontrado, neste trabalho, de 48,85 t.ha -1 para a Typha, superando a produtividade da Tangola de 31,50 t.ha -1, estudada em outro trabalho. Desta forma, o sistema de banhados construídos constitui uma alternativa eficiente para pós-tratamento do efluente do RAFA, da UFMS. PALAVRAS-CHAVE: Banhados construídos, pós-tratamento, esgoto hospitalar, Typha, ganho de biomassa. INTRODUÇÃO A eficiência dos serviços de saneamento está diretamente ligada com a qualidade ambiental dos recursos naturais, assim como, às complexas relações entre espaço geográfico e sociedade. Essas interações tornam necessárias, para um amplo e aprofundado estudo em sistemas complementares de tratamento de esgoto. Existem muitas tecnologias de tratamento para a recuperação e a manutenção da integridade física, química e biológica das águas. Durante os últimos 20 anos, consideráveis interesses estão voltados para o potencial de uso de uma variedade de sistemas biológicos naturais, para ajudar na purificação da água de maneira controlada. Estes sistemas incluem várias formas de lagoas, tratamento no substrato e sistemas de banhados. Como resultado de esforços intensivos em pesquisas e aplicações práticas dessas tecnologias, consideráveis ABES - Associação Brasileira de Engenharia Sanitária e Ambiental 1

2 desenvolvimentos estão sendo obtidos em projeto: desempenho, operação e manutenção de banhados construídos. Muitas destas experiências têm sido apresentadas em projetos e artigos científicos. As considerações acima justificam e reforçam a necessidade da realização de pesquisas, que possam avaliar o comportamento destes sistemas nas condições específicas do Estado de Mato Grosso do Sul, uma vez que, nesse Estado a maioria dos municípios não possui em estações de tratamento de esgotos, e muitos dispõem seus resíduos líquidos em corpos receptores, vários destes, afluentes de rios formadores do Pantanal. Então, há necessidade de desenvolver e demonstrar tecnologias de tratamento de esgoto de baixo custo e mecanicamente simples, que são desejáveis para o uso. Os banhados construídos são sistemas que utilizam processos biológicos semelhantes aos que ocorrem nos banhados naturais. São sistemas de baixo custo e apresentam facilidade de operação e manutenção. Desta forma, é uma alternativa para a maioria dos municípios do Estado de Mato Grosso do Sul, que não possuem estação de tratamento de esgoto, por falta de recursos para construção, operação e manutenção. Os processos que ocorrem nos banhados construídos para tratar efluentes são biológicos, químicos e físicos. Os sistemas de banhados construídos utilizam um meio suporte (substrato) contendo macrófitas plantadas, onde sob condições adequadas e de forma natural, pode ocorrer a formação de biofilme, que compreende microrganismos, principalmente, na zona de raízes das plantas, as quais suprem o oxigênio e outros nutrientes que promovem o crescimento microbiano no substrato. No câmpus da Universidade Federal de Mato Grosso do Sul foi implementado um sistema composto por três banhados construídos, tratando esgoto proveniente da própria UFMS e do Hospital Universitário, pré-tratado por um Reator Anaeróbio de Fluxo Ascendente (RAFA), localizado na ETE - Lago do Amor. Duas Unidades de Tratamento possuem a macrófita Typha domingensis Pers. plantada no substrato, em seu interior. A terceira é uma Unidade de Controle que contém apenas o substrato, com o objetivo de possibilitar a comparação entre a remoção de poluentes pelas macrófitas e pelo substrato, separadamente. Este estudo é parte integrante do projeto Ecossistemas Criados para Controle de Qualidade Ambiental Continuação Fase 2, que vem realizando pesquisa em banhados construídos. Neste trabalho, foi avaliado o desempenho do sistema de banhados construídos, através da análise de parâmetros físico-químicos e bacteriológicos, tidos como padrões de qualidade das águas, além da avaliação do desempenho das macrófitas, sua estabilidade e sua produtividade, através do ganho de biomassa. Foram acompanhadas a operação e manutenção ao longo do período de abril de 2002 a outubro de 2004, bem como sua resposta às diferentes situações a que foram submetidos, em função das dificuldades enfrentadas na ETE - Lago do Amor. METODOLOGIA UTILIZADA Foram construídas três unidades de alvenaria, com as dimensões de 3m de largura, 5m de comprimento e 0,90m de altura, onde 0,50m da altura foram preenchidas com areia média do Rio Paraná, como substrato e faixas de brita n 1 na entrada e saída do sistema. Em duas unidades (S1 e ), foram plantadas macrófitas, enquanto a terceira unidade () foi mantida somente com o substrato, para controle do desempenho do conjunto macrófita/substrato e da eficiência isolada de cada um (Figura 1). ABES - Associação Brasileira de Engenharia Sanitária e Ambiental 2

3 S1 Figura 1. Unidades de banhados construídos em operação. A taxa de aplicação de esgoto foi mantida a 0,57m³.m -1 dia -1 por unidade de banhado, durante toda a pesquisa. O tempo de detenção foi calculado em aproximadamente, 1dia. O fluxo adotado foi subsuperficial (10cm abaixo da superfície). As unidades foram construídas e as macrófitas plantadas em fevereiro de 2001, e o início operacional do sistema ocorreu em abril de Foram realizadas análises físico-químicas e bacteriológicas, preconizadas pelo Standard Methods for the Examination of Water and Wastewater, 20 ed. (APHA; AWWA; WPCF, 1998) na entrada e saída das três unidades, nos períodos de junho de 2002 a janeiro de Foram calculadas médias e os resultados foram expressos em termos de eficiências de remoção (%). Antes do lançamento de esgoto no sistema, as macrófitas foram plantadas e realizaram-se medições de biomassa (duas amostragens) e altura do espécime, para um melhor acompanhamento de seu estabelecimento ao novo substrato. Nesta fase (Fase 1), adubou-se as macrófitas com aplicações diretas ao solo de 2kg de superfosfato simples (K 2 HPO 4.7H 2 O) e micronutrientes (100g), mensalmente, no período de fevereiro de 2001 (plantio das mudas de Typha) a março de 2002 (4 semanas antes do início do tratamento do esgoto (Fase 2)), garantido nutrientes necessários para seu crescimento. Durante a fase 2, também, foram realizadas medições de altura e determinações de biomassa. É através do peso seco (PS), que se obtém quantidade de matéria orgânica e inorgânica da amostra. É um dos métodos mais utilizados para expressar a biomassa de macrófitas aquáticas. Para determiná-los, utilizou-se o método adotado por Esteves, em seu guia de aula prática (ESTEVES, 1979). Coloca-se, uma alíquota do material ou todo de material obtido em ¼ de m 2, numa estufa, que deve estar graduada no máximo a 105 ºC. Nesse estudo, aplicou-se o material obtido em 1m 2, próximo a saída das duas unidades, utilizando uma média aritmética para determinar a produção do sistema. Os cortes foram realizados a cada três meses seguidos da determinação da produtividade. RESULTADOS E DISCUSSÕES Estabilização da macrófita O plantio das mudas ocorreu em fevereiro de As plantas foram nutridas com adubo químico e água. Constatou-se, um crescimento médio de 87cm, na 3ª semana, após o plantio. Na 12ª semana, observou-se uma altura média de 1,30m, o que corresponde a 59% da altura dos espécimes (2,20m, aproximadamente) mantidos em seu habitat original. Na 29ª semana, a altura média alcançada no sistema foi de 2,25m, como pode ser observado na Figura 2. ABES - Associação Brasileira de Engenharia Sanitária e Ambiental 3

4 Altura (m) 2,50 2,00 1,50 1,00 0,50 0,00 Macrófita 1ª 3ª 12ª 20ª 29ª Tempo (Semanas) Figura 2. Crescimento das Macrófitas antes do início do tratamento (Fase 1). No mês de março de 2002, foi realizado um corte das Macrófitas, dando início à fase operacional do sistema com efluente do RAFA. Após 7 semanas do corte, como pode ser visto na Figura 3, as Macrófitas alcançaram altura média em torno de 1,50m. Na 12ª semana, as Macrófitas alcançaram uma altura média de 2,25m. As Macrófitas apresentaram um crescimento mais acentuado, atingindo uma altura máxima padrão em apenas 12 semanas após a poda, antecipando em 17 semanas a estabilização da altura alcançada antes do lançamento do efluente. A aceleração do crescimento pode ser atribuída à fonte de nutrientes (esgoto) e ao estabelecimento do biofilme responsável pela degradação do esgoto. Altura (m) 2,50 2,00 1,50 1,00 0,50 0,00 Macrófita 1ª 7ª 12ª Tempo (Semanas) Figura 3. Crescimento das Macrófitas na Fase 2, após 7 e 12 semanas do corte. Produtividade da macrófita Durante o ano de 2002, foram realizadas podas e pesagens das macrófitas a cada 12 semanas, para o controle da produtividade de biomassa. O valor médio de biomassa verde (BV) encontrado para as Typhas, foi de 581 kg BV.ha -1 dia -1. A produtividade em peso seco (PS) obtida foi de 233 kg PS.ha -1 dia -1. No período de 1996 a 1999, SOUSA & IDE (1998), pertencentes ao Grupo de Pesquisa em Tecnologias Ambientais, realizaram uma avaliação da produtividade de biomassa da gramínea Tangola (híbrido de Brachiaria arrecta (Tanner) x Brachiaria mutica (Angola)). A gramínea foi utilizada em uma unidade de banhado construído, como pós-tratamento da Lagoa de Estabilização de um frigorífico, localizado no município de Rochedo, a 80 km de Campo Grande. O ganho de biomassa apresentado pela Typha e Tangola, nos cortes realizados a cada três meses, pode ser observado na Figura 4. ABES - Associação Brasileira de Engenharia Sanitária e Ambiental 4

5 BV (t.ha -1 ) Macrófita Gramínea 1º 2º 3º Período (Corte) Figura 4. Comparativo da produção de Biomassa Verde da Macrófita Typha e Gramínea Tangola. O valor médio de Biomassa Verde para as Typhas, foi de 48,85 t.ha -1 e para a Tangola, foi de 31,50 t.ha -1. Uma média considerável para ambos os experimentos. As taxas de aplicação de esgoto para os banhados com Typha e Tangola, foram de 0,57m 3.m -1 dia -1 e 0,5m 3.m -1 dia -1, respectivamente. Resultados do monitoramento físico-químico e bacteriológico A Tabela 1, apresenta os resultados das análises realizadas na entrada do sistema, saída dos banhados S1 e (vegetados) e do (banhado não vegetado). Observou-se, pelos resultados obtidos, altas eficiências (E) de remoção na maioria dos parâmetros avaliados, com os banhados vegetados, apresentando maiores remoções em média, dos poluentes (exceto fosfato total). Os resultados indicam que as macrófitas contribuem com um aumento do desempenho do substrato, pela formação da zona de raízes, que também proporciona melhor filtração, onde se estabelece uma variada população de microrganismos, e pela incorporação de oxigênio nesta região, colaborando para as reações de degradação da matéria orgânica. Quanto à remoção de fosfato, é complexo entender os processos que ocorrem. O fosfato constitui um importante nutriente para as macrófitas, e pode retornar ao sistema pela morte das mesmas. Ainda, este composto pode se ligar a óxidos de ferro, pode sedimentar e ser esporadicamente liberado no efluente líquido. ABES - Associação Brasileira de Engenharia Sanitária e Ambiental 5

6 Tabela 1. Concentrações médias e eficiência de remoção dos parâmetros físico-químicos e bacteriológicos monitorados no período de junho/02 a janeiro/03. Parâmetros Unidades Entrada S1 E E E (%) (%) (%) DBO 5 mg.l -1 O 2 67,0 6,0 91,04 11,3 83,13 6,0 91,04 DQO mg.l -1 O 2 268,0 61,0 77,24 77,0 71,27 49,0 81,72 Fosfato total mg.l -1-3 PO 4 2,96 1,35 54,39 1,58 46,62 1,06 64,19 Nitrogênio amoniacal mg.l -1 NH 3 26,0 9,0 65,38 17,0 34,62 9,0 65,38 ph - 6,90 6,80 *1,45 7,20 *-4,35 6,80 *1,45 Sólidos suspensos mg.l -1 SST , , ,13 totais Turbidez UNT 66,0 3,0 95,45 5,0 92,42 3,0 95,45 Temperatura ambiente ºC 26,0 26,0 *0,00 26,0 *0,00 26,0 *0,00 Temperatura amostra ºC 24,0 23,0 *4,17 23,0 *4,17 22,0 *8,33 Coliforme total NMP/100mL 2,8x10 6 8,0x ,14 4,1x ,36 3,0x ,93 Coliforme fecal NMP/100mL 9,4x10 5 2,3x ,55 2,3x ,53 3,2x ,66 Legenda: (*) Parâmetros avaliados por variações e não por eficiências de remoção. Na Tabela 2, estão apresentados os valores máximos e mínimos de concentrações ao longo do período de monitoramento. O afluente apresentou variações de concentrações da maioria dos parâmetros, ao longo de todo o monitoramento. Em resposta, o sistema de banhados construídos se mostrou estável em seu efluente final, assimilando tais variações por todo o período. Tabela 2. Concentrações máximas e mínimas obtidas no monitoramento. Parâmetros Unidades Entrada S1 Máx Mín Máx Mín Máx Mín Máx Mín DBO 5 mg.l -1 O 2 107,5 27,5 9,5 3,5 14,0 6,6 9,7 3,5 DQO mg.l -1 O 2 343,6 154,3 96,3 23,3 154,2 14,6 76,3 14,6 Fosfato total mg.l -1-3 PO 4 4,24 1,36 2,68 0,17 2,60 0,95 2,53 0,17 Nitrogênio amoniacal mg.l -1 NH 3 35,2 14,4 12,6 3,1 19,5 13,1 12,3 2,9 ph - 7,08 6,68 7,13 6,54 7,56 6,80 7,01 6,29 Sólidos suspensos mg.l -1 SST totais Turbidez UNT 104,0 32,1 5,0 0,8 9,0 1,7 5,8 0,6 Temperatura ambiente ºC 28,0 24,0 28,0 24,0 28,0 24,0 28,0 24,0 Temperatura amostra ºC 27,0 22,0 25,0 20,0 25,0 20,0 25,0 20,0 Coliforme total NMP/100mL 8,6x10 6 4,8x10 5 2,4x10 5 1,1x10 3 9,0x10 5 5,5x10 4 1,4x10 5 1,1x10 3 Coliforme fecal NMP/100mL 1,7x10 6 4,5x10 5 1,1x10 5 1,1x x10 5 4,8x10 4 1,7x10 4 2,2x10 2 A eficiência na remoção de DBO 5, se mostrou alta nas unidades S1 e (91,0%) e na unidade de controle B (83,2%), cujos resultados são similares aos obtidos por BERTHOLDO (1999) de 87,4% a 90,3%, em seu ABES - Associação Brasileira de Engenharia Sanitária e Ambiental 6

7 estudo sobre banhados construídos. Tais valores indicam que, além das macrófitas, também, o substrato apresentou grande eficiência na remoção da DBO 5. A Figura 4, mostra concentrações de DBO 5 ao longo do monitoramento. DBO5 (mg.l -1 O2 ) jun/02 jul/02 ago/02 set/02 out/02 nov/02 dez/02 jan/03 Análises (Mês) Entrada SI Figura 4. Concentrações de DBO 5 ao longo dos meses de monitoramento. A remoção de DQO de 77,2% e 81,7% para S1 e, respectivamente, foram superiores aos valores encontrados por VALENTIN; ROSTON; MAZZOLA (1999) - 72,5%, em banhados cultivados com Typha sp. A Figura 5, apresenta valores de DQO, durante o período de monitoramento. DQO(mg.L -1 O2) jun/02 jul/02 ago/02 set/02 out/02 nov/02 dez/02 jan/03 Análises (Mês) Entrada SI Figura 5. Variação de DQO dos banhados durante o monitoramento. Dadas as concentrações de nitrogênio amoniacal, observadas na tabela 1, para S1 e, há a indicação de possível oxidação biológica de nitrogênio, para as formas mais utilizáveis pelas plantas e microrganismos (absorção radicular). Possivelmente, a cobertura vegetal seja uma das principais constituintes responsáveis pela remoção de nitrogênio, atuando nos processos físicos, químicos e microbiológicos, absorvendo nutrientes para seu próprio crescimento, como afirma GOPAL (1999). Isto pode indicar fortemente que a presença de macrófitas tem influência considerável na remoção de nutrientes, na forma de nitrogênio amoniacal (NH 3, amônia dissolvida). Na Figura 6, pode-se observar as concentrações de nitrogênio amoniacal ao longo do período analisado. ABES - Associação Brasileira de Engenharia Sanitária e Ambiental 7

8 Entrada NH3 - N (mg.l -1 NH3) jun/02 jul/02 ago/02 set/02 out/02 nov/02 dez/02 jan/03 SI Análises (Mês) Figura 6. Variações da concentração de nitrogênio amoniacal nos banhados construídos. CONCLUSÕES E RECOMENDAÇÕES A tecnologia de banhados construídos se mostrou bastante interessante, pela demonstração de grande eficiência de remoção de diversos parâmetros e pela simplicidade de montagem, manejo, operação e baixo custo. As remoções médias de DBO 5, foram de aproximadamente, 91% nos banhados vegetados, enquanto o branco apresentou cerca de 83% de eficiência de remoção. O sistema se mostrou bastante estável ao longo do período de monitoramento, quanto a variações de concentrações afluentes. Também, as remoções de nitrogênio amoniacal, foram 65,38% nos banhados S1 e, enquanto o branco apresentou 34,62%, o que pode indicar a forte atuação das macrófitas na remoção deste parâmetro. Houve grande eficiência na remoção de DBO 5, no sistema de banhados construídos, mesmo quando o afluente apresentou oscilações. Sugere-se a utilização de taxas de aplicação menores, de forma que haja melhores eficiências de remoção de nutrientes, sem ocorrer alterações significativas nas remoções de DBO 5, e também, recomenda-se fazer um estudo com aplicações de diferentes cargas orgânicas, de forma a encontrar uma faixa de aceitação, por parte do substrato, para que este não sofra colmatação. A macrófita apresentou uma excelente adaptabilidade, superando as expectativas de produtividade e, demonstrando assim, que interage bem com o efluente e o tipo de substrato, antecipando em 17 semanas o estabelecimento da altura padrão, em comparação com seu desenvolvimento sem o efluente. A produção de peso seco foi elevada, indicando a conversão de parte dos poluentes presentes no esgoto, em tecido vegetal. A tecnologia de banhados construídos se mostrou bastante interessante, como pós-tratamento de RAFAs, na região do Estado de Mato Grosso do Sul, pela demonstração de grande eficiência de remoção de diversos poluentes, e pela simplicidade de montagem, manejo, operação e baixo custo. Além disso, este sistema permite realizar uma enorme gama de estudos, oferecendo inúmeras possibilidades de remoção de diferentes compostos e de variações de operação, conforme a carência do efluente a ser tratado, da região e das espécies de plantas e tipos de substratos disponíveis. O sistema, além de promover a integração do tratamento de esgoto ao meio ambiente, possibilita a utilização da biomassa de Typha produzida, na confecção de artesanato, gerando emprego e renda. AGRADECIMENTOS Os autores agradecem ao CNPq, FUNDECT e a UFMS, pela oportunidade de realizar este trabalho. ABES - Associação Brasileira de Engenharia Sanitária e Ambiental 8

9 REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS 1. APHA; AWWA; WPCF. Standard Methods for the Examination of Water and Wastewater. 20 edition. Washington DC: American Public Health Association, BERTHOLDO, D. T. Eficiência de Banhados Construídos no Tratamento de Águas Provenientes da Drenagem Urbana e no Pós-Tratamento de Efluentes Líquidos Tratados por Processo Anaeróbio (Reator UASB) e no Tratamento de Drenagem Urbana. Farroupilha - RS. Porto Alegre, p. Dissertação (Mestrado em Engenharia de Recursos Hídricos e Saneamento Ambiental) Universidade Federal do Rio Grande do Sul, ESTEVES, F. A. Guia de Aula Prática: Ecologia de Macrófitas Aquáticas. São Carlos: Universidade Federal de São Carlos - Departamento de Ciências Biológicas, GOPAL, B. Natural and constructed wetlands for wastewater treatment: potentials and problems. Water Science and Technology, v. 40, n. 3, p 27-35, SOUSA, L. M.; IDE, C. N. Sistemas de Pós-Tratamento de Despejos Líquidos de Matadouro em Banhados Artificiais de Leitos Cultivados. Relatório Final do Projeto de Pesquisa Ecossistemas Criados para o Controle da Qualidade Ambiental. Campo Grande: DHT/UFMS, VALENTIM, M. A. A.; ROSTON, D. M.; MAZZOLA, M. Avaliação de um sistema in loco de baixo custo para tratamento de águas residuárias: tanque séptico modificado com pós-tratamento por leitos cultivados. In: 4º Congresso Regional de Engenharia Sanitária e Ambiental da 4ª Região da AIDIS Cone Sul. Anais... Rio de Janeiro, ABES - Associação Brasileira de Engenharia Sanitária e Ambiental 9