REMOÇÃO DE NITROGÊNIO AMONIACAL EM EFLUENTES DE SISTEMAS ANAERÓBIOS Liliana Pena Naval (1) Doutora em Engenharia Química pela Universidad Complutense de Madrid. Professora do Curso de Engenharia Ambiental na Universidade Federal do Tocantins. Thaiza Clemente Couto ( 2) Estudante do curso de Engenharia Ambiental na Universidade Federal do Tocantins UFT. Estagiária do Laboratório de Saneamento da Universidade. Bolsista PIBIC/CNPq. Endereço (1) : Avenida NS 15, ALCNO 14, s/n0, bloco 04, Diretoria de Assuntos Internacionais.Palmas, Tocantins. CEP: 77.000-000. Brasil. Telefone: (63) 3218-8103. e-mail: : Liliana@uft.edu.br Endereço (2) : 210 Sul, Alameda 05, Lt 35, Kit 01. Palmas, Tocantins. CEP: 77.000-000. Brasil. Telefone: (63) 9911-3120.e-mail: thaizacouto@yahoo.com.br Resumo Condições ambientais favoráveis como as altas temperaturas aliadas à baixa produção de sólidos e ao baixo custo operacional têm contribuído para que os sistemas anaeróbios encontrem posição de destaque no Brasil. Apesar das vantagens, os referidos sistemas não se aplicam como forma eficiente no polimento de nutrientes, em especial o nitrogênio amoniacal. O referido nutriente em sua forma gasosa possui a capacidade de atravessar membranas biológicas alterando o sistema fotossintético de organismos vegetais aquáticos, além de ser considerado tóxico ao zooplâncton e aos peixes. A cidade de Palmas TO possui duas estações com sistemas anaeróbios de tratamento e póstratamento, visto que os efluentes destas estações são direcionados para corpos hídricos afluente de um reservatório, onde descargas elevadas de nutrientes podem ocasionar uma superfertilização do meio, torna-se de vital importância o polimento adequado dos mesmos. Um dos principais mecanismos de remoção do nitrogênio amoniacal se dá pela volatilização da parcela gasosa para a atmosfera por meio de elevados valores de ph. Portanto o presente trabalho avalia o emprego de hidróxido de cálcio (cal hidratada) como condicionante de ph para real avaliação da interferência do parâmetro na remoção do referido nutriente. Palavras chave: sistemas anaeróbios, nitrogênio amoniacal, cal. Introdução Os sistemas anaeróbios têm posição de destaque no Brasil, onde condições ambientais favoráveis aliadas à baixa produção de lodo e ao baixo custo têm contribuído para implantação desses sistemas. Palmas-TO conta com quatro estações de tratamento de esgoto, onde duas apresentam sistemas anaeróbios para tratamento e pós-tratamento. Apesar das vantagens estes sistemas não produzem efluente que se enquadre nos padrões estabelecidos pela legislação ambiental brasileira no que diz respeito ao lançamento de nutrientes, em especial o nitrogênio amoniacal. O nitrogênio está presente em águas residuárias sob quatro formas, que são o nitrogênio amoniacal, nitrogênio orgânico, nitrito e nitrato. Em águas residuárias domésticas, o nitrogênio está presente principalmente como nitrogênio amoniacal (em torno de 60%) e nitrogênio orgânico (em torno de 40%). Nitrito e nitrato ocorrem em pequenas quantidades, que representam menos de 1% do nitrogênio total, uma vez o esgoto doméstico não apresenta quantidade de oxigênio dissolvido suficiente à ação das bactérias nitrificantes. O nitrogênio presente em águas residuárias domésticas provem da atividade humana.o material fecal contribui com nitrogênio orgânico através das proteínas. Esta por sua vez, sofre a ação decompositora bacteriana com conseqüente liberação de nitrogênio amoniacal. O nitrogênio amoniacal em sua forma gasosa tem sido largamente citado como produto tóxico às algas, ao zooplâncton e aos peixes. A amônia gasosa presente no meio aquoso atua como inibidora da fotossíntese das algas, visto que a mesma possui a capacidade de atravessar membranas biológicas e alterar o sistema fotossintético.
Um dos principais mecanismos de remoção do nitrogênio amoniacal é a volatilização para a atmosfera, tendo como intervenientes o ph e a temperatura. A amônia apresenta-se segundo reação de equilíbrio: NH 3 + H + NH 4 + Equação - 01 A amônia livre (NH 3 ) é passível de volatilização, ao passo que amônia ionizada não pode ser removida por volatilização. Com a elevação do ph, o equilíbrio da reação se desloca para a esquerda, favorecendo a maior presença de NH 3. No ph em torno da neutralidade, praticamente toda amônia encontra-se na forma de NH 4 +. No ph próximo a 9,5, aproximadamente 50 % da amônia encontra-se na forma de NH 3 e 50 % na forma de NH 4 +. Em ph superior a 11, praticamente toda amônia está na forma de NH 3, contribuindo dessa forma a remoção de nitrogênio. Cabe ressaltar que os efluentes dessas estações são direcionados para corpos hídricos afluentes de um reservatório, onde a descarga de elevadas taxas de nutrientes podem ocasionar a eutrofização do mesmo. Sabendo da possibilidade de remover amônia por elevação do ph o referido trabalho investiga o emprego de hidróxido de cálcio (cal), como condicionante de altos valores de ph, em escala de laboratório, em efluentes dos sistemas anaeróbios de Palmas, a fim de verificar a efetiva remoção do nutriente. Objetivo O trabalho tem por objetivo avaliar a eficiência da remoção de nitrogênio amoniacal em efluentes provenientes de sistemas anaeróbios de tratamento, empregando-se cal (Ca(OH) 2 ) como condicionante de ph. Metas - Remover nitrogênio amoniacal utilizando solução de cal 1%. - Aumentar a eficiência dos sistemas anaeróbios no que diz respeito à remoção de nutrientes. - Analisar a relação entre volatilização de amônia e o ph. Metodologia Para o desenvolvimento da atividade proposta foi realizado o monitoramento da estação de tratamento de esgoto ETE Prata, onde foram realizadas análises físico-qímicas no afluente da estação (esgoto bruto) e no efluente proveniente de um filtro anaeróbio, utilizado como póstratamento de um reator anaeróbio (UASB). As metodologias aplicadas para as análises físico-químicas estão apresentadas na tabela 01. Tabela 01: Parâmetros e Técnicas Analíticas Utilizadas PARÂMETROS TÉCNICA ANALÍTICA UNIDADE REFERÊNCIA ph Leitura direta - APHA, 1998 Nitrogênio Amoniacal Espectrofotometria mg/l APHA, 1998 Sólidos Sedimentáveis Cone Imhoff Ml/L APHA, 1998 Deste sistema foram coletados 20L de efluente. Este efluente foi submetido a diversas concentrações de cálcio (solução de cal hidratada a 1%) através de vários ensaios realizados empregando-se um equipamento de reatores estáticos, Jar test. Sendo o mesmo constituído de três jarros com volume útil de 2 L cada. Em cada bateria, os três jarros foram submetidos a concentrações diferenciadas de solução de cal hidratada a 1%, objetivando-se elevar o ph da amostra para real verificação da volatilização da amônia. Para determinação da concentração ideal da solução de cal 1%, objetivando-se a remoção do referido nutriente (nitrogênio amoniacal) foi adotado um Desenho Fatorial de Experimentos (BOX Y col., 1951).
Os tratamentos foram representados pela combinação de dois fatores: ph e Tempo de Detenção variando-os em três níveis, ph (8, 9 e 10) e Tempos de Detenção (5, 10 e 15 min.). Estes fatores foram inter-relacionados variando-se os níveis objetivando-se a melhor resposta. As respostas desejadas estão relacionadas aos valores que proporcionem a melhor remoção de nitrogênio amoniacal com a menor produção de lodo. Visto que o número de tratamentos é determinado pelo número de níveis elevado ao número de fatores, ou seja, 3 2 = 9 tratamentos. Logo o desenho ficou representado por nove tratamentos. As respostas obtidas foram trabalhadas pelo Programa de Análises Estatísticas STAT (versão 2.0), utilizando-se o Teste de TUKEY. Resultados Durante o período decorrido (agosto/03 a janeiro/05), o sistema anaeróbio não apresentou remoção de nitrogênio amoniacal, visto que o mesmo por se processar na ausência de oxigênio dissolvido não possui a capacidade de oxidação do nitrogênio amoniacal a nitrito e nitrato por meio do processo de nitrificação e conseqüentemente o nitrogênio não pode ser removido do sistema através da desnitrificação do nitrato a nitrogênio gasoso, passível de volatilização do sistema. O efluente do sistema anaeróbio apresentou concentrações médias de nitrogênio amoniacal de 25 mg/l, ph na faixa de 6,8 a 7,2 e temperatura de 29 a 31ºC. O CONAMA 357/2005 determina concentrações limites de lançamento do nutriente inferiores à 20 mg/l. Procurando-se a efetiva remoção do nitrogênio amoniacal presente no efluente do sistema o mesmo foi submetido à solução de Cal 1%, variando-se as concentrações da mesma bem como os tempos de detenções. Foram realizados ensaios do experimento, num total de quatro repetições. As respostas médias obtidas podem ser observadas na tabela 02. Outro fator interferente nesta remoção e que não foi enquadrado na montagem do desenho foram às elevadas temperaturas, que também contribuem para a volatilização da amônia livre. Tabela 02 Remoções de nitrogênio amoniacal empregando-se solução de cal 1%. Tempo de Remoção de Lodo Nº tratamentos detenção ph NH (min) 3 produzido 1 5 8 5,75% 0,1 ml/l 2 5 9 28,57% 2,6 ml/l 3 5 10 38,28% 8 ml/l 4 10 8 6,10% 0,1 ml/l 5 10 9 29,87% 9,6 ml/l 6 10 10 36,00% 10 ml/l 7 15 8 4,60% 0,1 ml/l 8 15 9 27,90% 6,5 ml/l 9 15 10 35,70% 11,3ml/L As respostas obtidas foram trabalhadas pelo Programa de Análises Estatísticas ESTAT (V 2.0), utilizando-se o método de TUKEY. A análise estatística demonstrou que o TD não exerce influência sobre a remoção do nutriente visto que, em TD diferentes as remoções foram bem próximas, não se diferenciando estatisticamente (Figura 01). Em relação à formação de lodo, o fator Tempo de Detenção mostrou-se interferente, onde quanto maior o TD maior a formação de lodo (Figura 02).
Figura 01 - Demonstram a relação entre a remoção de nitrogênio amoniacal e o Tempo de Detenção. 100% Remoção de NH 3 80% 60% 40% 20% 0% A A A Tempo de 1Detenção 5 min 10 min 15 min Obs: Médias representadas por letras maiúsculas iguais não se diferem estatisticamente ao nível de Figura 02 - Demonstram a relação entre a formação de lodo e o Tempo de Detenção. Formação de Lodo (ml/l) 7 6 5 4 3 2 1 0 A B Tempo de Detenção 1 C 5 min 10 min 15 min Obs: Médias representadas por letras maiúsculas diferentes se diferem estatisticamente ao nível de O ph foi fator determinante na remoção de nitrogênio amoniacal, onde quanto maior o ph maior a remoção do nutriente (Figura 03).Com o a elevação do ph outros compostos foram removidos por precipitação como íons fosfato e contaminantes orgânicos com conseqüente formação de lodo, logo os valores de ph que proporcionaram maior remoção foram os que produziram maior concentração de lodo. Figura 03 Demonstram a relação entre a remoção de nitrogênio amoniacal e o ph. Remoção de NH 3 100% 80% 60% 40% 20% 0% C B 1 ph A ph 8 ph 9 ph 10 Obs: Médias representadas por letras maiúsculas diferentes se diferem estatisticamente ao nível de
Como o TD não demonstrou interferência na remoção o tempo de 5 minutos foi adotado. Visto que, valores de ph superiores a 9 geraram um efluente que não se enquadra no previsto pela legislação, que estipula ph efluente na faixa de 6-9 e materiais sedimentáveis inferiores a 1ml/L, o intervalo de ph de 8 a 9 foi trabalhado buscando a melhor remoção e gerando um efluente que se enquadre nos padrões estabelecidos. Até o ph de 8,9 foram atingidas remoções de 25% com geração de materiais sedimentáveis inferiores a 1 ml/l. Quando analisada matematicamente esta remoção pode ser considerada pouco expressiva, visto que efetivas remoções só vieram a ocorrer em ph superior a 12, onde cerca de 80% do nutriente foi removido, como este valor de ph extrapola os limites do parâmetro estabelecidos pelo CONAMA 357/2005 estas remoções não podem ser validadas. Porém, a remoção de 25% já consegue assegurar ao efluente da estação concentrações abaixo dos limites preconizados pela legislação vigente, que determina concentrações inferiores a 20mg/L de nitrogênio amoniacal total. Conclusão - O tempo de detenção não foi interente na remoção de nitrogênio amoniacal, logo o TD adotado foi o de 5 minutos. - Na faixa limite de ph, estabelecida pela legislação a remoção do referido nutriente foi de 25%. - A referida remoção conseguiu assegurar ao efluente da estação concentrações de nitrogênio amoniacal abaixo dos limites estabelecidos pelo CONAMA 357/2005. - A aplicação da solução de cal promoveu remoção de outras partículas presentes, provendo uma clarificação do efluente. - Para real validação dos dados obtidos em laboratório se faz necessário à instalação de um projeto piloto, para que as condições de aplicação do experimento se aproximem ao máximo das condições reais. Referências Bibliográficas 1 - AISSE, M.M.; JÜRGENSEN, D.; REALI, M.A.P.; PENETRA, R.G.; FLORENCIO, L.; ALEM SOBRINHO, P. Pós-Tratamento De Efluentes De Reatores Por Sistema De Flotação. In: CHERNICHARO, C. A. L Pós-tratamento de Efluentes de Reatores Anaeróbios. Belo Horizonte: PROSAB 2, p. 105-170, 2001. 2 - AWWA/APHA/WEF. Standard Methods for the Examination of Water and Wastewater, 20 th edition. Washinton, 1998. 3 - BOX; G.; HUNTER, W.G. y HUNTER, J.S. Estadística para investigadores.introduccion al Disenõ de Experimentos, Analisis de Datos y Construccion de Modelos. Editora Reverté. Barcelona, 1989. 4 BRASIL. Conselho Nacional do Meio Ambiente (CONAMA), Resolução nº 357 de março de 2005. Ministério do Meio Ambiente, Brasília, 2005. 5 ESTEVES, F. A. Fundamentos da Limnologia. Ed. Interciência, Rio de Janeiro: Finep., 1988. 6 - SPERLING, M. V. Introdução a qualidade da águas e ao tratamento de esgoto. Belo Horizonte, DESA/CNPq/ABEAS, 1996.