Tratamento de agua 2
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Este documento resume um livro sobre nutrientes em esgoto sanitário, sua remoção e utilização. O livro discute 1) o impacto de nutrientes de esgoto lançados em corpos d'água, 2) a utilização de esgoto tratado na agricultura para fornecer água e nutrientes para culturas, e 3) tecnologias para remover nutrientes de esgoto.
![IMPACTO DOS NUTRIENTES DO ESGOTO LANçADO EM CORPOS D’áGUA 51
rísticas e vulnerabilidade e, sobretudo, direção e sentido de escoamento do aquífero,
bem como, posições relativas do(s) ponto(s) de disposição dos efluentes. O grau de
tratamento dos esgoto exigido deveria ser examinado em cada caso, e estabelecido
em função destas condições.
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![UTILIzAçãO DE NUTRIENTES DE ESGOTO TRATADO NA PISCICULTURA 173
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![184 ESGOTO
(dXn/dt): taxa de variação da concentração de Nitrossomonas (mgSVS.L-l.d-l) /
taxa de crescimento líquido
(dXn/dt)c: taxa de crescimento de Nitrossomonas (mgSVS.L-l.d-l) /
taxa de crescimento bruto
(dXn/dt)d: taxa de decaimento de Nitrossomonas (mgSVS.l-l.d-l)
µ: taxa específica de crescimento de Nitrossomonas (d-l)
µm: taxa específica máxima de crescimento de Nitrossomonas (d-l)
bn: constante de decaimento de Nitrossomonas (d-l)
Kn: constante de meia saturação de Monod (mg N.L-l)
Na equação de Monod, a constante µ representa o crescimento bruto dos microrga-
nismos por unidade de tempo. Assim, um valor µ = 0,6 d-l significa que a massa de
microrganismos sintetizada tem uma taxa de crescimento de 60 % ao dia. Como a
taxa de crescimento é exponencial, quando não há limitação de substrato, o cresci-
mento em um dia seria N1/N0 = exp(0,6*1) = 1,81, ou seja, a massa pode aumentar em
um dia até um fator 1,81 ou 81 %. A Equação 6.13 mostra que o valor de µ depende
da concentração do substrato (Na), sendo que para uma concentração alta (saturação)
se atinge o valor µm. A constante Kn é igual à concentração do substrato quando
µ = 1/2 µm e por esta razão é chamada de constante de meia saturação.
Para calcular a concentração residual de amônia em um sistema de lodo ativado com-
pletamente misturado e operado sob condições estacionárias, usa-se a equação básica
de Downing et al (l964). Nessas condições, não há variação de massa de Nitrossomo-
nas: a taxa de crescimento líquida (que é igual à taxa de crescimento bruto menos a
taxa de decaimento de Nitrossomonas) é igual à taxa de descarga de lodo de excesso
(supõe-se que o lodo seja retirado continuamente do reator biológico). Portanto:
((dXn/dt) = 0 = (dXn/dt)c + (dXn/dt)d + (dXn/dt)e Equação 6.14
A taxa de variação da concentração de Nitrossomonas devido à descarga de lodo
(dXn/dt)e, pode ser expressa como:
(dXn/dt)e = - Xn/Rs Equação 6.15
Usando-se as Equações (6.13) e (6.15) na Equação (6.14), tem-se:
Equação 6.16
(dXn/dt) = 0 = µmXnNa/(Na + Kn) - bnXn - Xn/Rs = µm.Na/(Na + Kn)-bn - l/Rs
ou, rearranjando:
Na = Kn(bn + l/Rs)/[µm - (bn + l/Rs)] Equação 6.17](https://image.slidesharecdn.com/tratamentodeagua2-110612150915-phpapp02/85/Tratamento-de-agua-2-185-320.jpg)
![REMOçãO BIOLÓGICA DE NITROGÊNIO: APLICAçÕES PARA O SISTEMA DE LODO ATIVADO 185
A Equação (6.17) dá o valor da concentração da amônia no licor misto, em um siste-
ma de lodo ativado completamente misturado, e, portanto, também no efluente. Essa
concentração residual, que é indicativa para a eficiência da nitrificação, depende das
três constantes cinéticas µm, Kn e bn e de uma variável do processo: a idade de lodo Rs.
é notável que a concentração residual não dependa da sua concentração inicial.
Naturalmente, a concentração residual de amônia nunca pode ser superior à concen-
tração no afluente de amônia disponível para nitrificação. Esta condição define uma
idade de lodo mínima expressa como:
Na << Np = Kn (bn + 1/Rsn)/(µm - bn-1/Rsn) Equação 6.18
ou
Rsn = (1 + Kn/Np)/[µm - bn(1 + Kn/Np)]
onde:
Np: concentração de amônia disponível para nitrificação (mg/L).
Para águas residuárias municipais a concentração de amônia disponível para nitrifica-
ção é sempre muito maior que Kn. Nesse caso, a razão Kn/Np é << 1 e a Equação (6.18)
se simplifica para:
Rsn = 1/(µm - bn) Equação 6.19
A Equação (6.19) expressa que, até uma idade de lodo Rsn = 1/(µm - bn), a nitrificação
não se desenvolve porque a taxa de retirada de Nitrossomonas é maior que a taxa
máxima de crescimento líquido. Para idades de lodo superiores à mínima Rsn a nitri-
ficação desenvolver-se-á e a sua eficiência dependerá da idade de lodo e dos valores
das constantes Kn, µm e bn.
Após o trabalho pioneiro de Downing, vários pesquisadores realizaram investiga-
ções experimentais para determinar as constantes cinéticas de nitrificação no sis-
tema de lodo ativado. Os valores encontrados variam bastante entre si, o que, em
parte, pode ser atribuído às técnicas experimentais diferentes. Certamente, contudo,
o fato de que se usaram diferentes águas residuárias deve ter influenciado. E, isto
indica que as constantes variam de uma água residuária para outra.
Van Haandel e Marais (1999), analisando a influência de diferentes valores das cons-
tantes de nitrificação sobre a eficiência de oxidação de amônia em sistemas de lodo
ativado, concluiram três aspectos que serão destacados. O primeiro é que a faixa de
variação das constantes de decaimento e de meia saturação (0<bn<0,1 d-1 e 0<Kn<2
mg/L) tem, relativamente, pouca importância sobre a nitrificação. Para efeitos práticos
podem ser considerados bn = 0,04(1,123)(t-20) e Kn = 1,0(1,123)(t-20).](https://image.slidesharecdn.com/tratamentodeagua2-110612150915-phpapp02/85/Tratamento-de-agua-2-186-320.jpg)
![190 ESGOTO
dMXn/dt = 0 =(dMXn/dt)c + (dMXn/dt)d + (dMXn/dt)e Equação 6. 22
onde:
MXn: massa de nitrificadores no sistema (mgSVS)
c: crescimento
d: decaimento
e: descarga de lodo de excesso
Como as bactérias nitrificantes só crescem nas zonas aeradas tem-se:
dMXn = (1-fx).Vr.(dXn/dt)c = (1-fx).Vr. µmXn Equação 6.23
onde:
fx: fração de massa de lodo na zona anóxica
Vr: volume do reator biológico (zona aeróbia mais anóxica)
Substituindo-se a Equação (6.23) na Equação (6.22) e usando-se as Equações (6.14 e
6.15) tem-se:
Na = Kn(bn+1/Rs)/[(1-fx)µm-bn-1/Rs] Equação 6.24
A expressão da concentração residual de amônia em um sistema com zonas não aera-
das (Equação 6.24) é muito parecida àquela de Downing para sistemas completamente
aeróbios (Equação 6.17). Comparando-se as duas equações, nota-se que uma zona
anóxica contendo uma fração fx da massa de lodo do sistema produz um efeito de
redução da constante de µm equivalente a um fator (1-fx) ou seja:
µ’m = (1-fx). µm Equação 6.25
onde:
µ’m: taxa aparente de crescimento de nitrificadoras em sistemas com zonas não
aeradas (d-l)
6.5 Condições necessárias para desnitrificação
As condições necessárias para que o processo de desnitrificação se desenvolva no
sistema de lodo ativado podem ser resumidas como se segue: presença de uma massa
bacteriana facultativa; presença de nitrato e ausência de OD no licor misto; condições
ambientais adequadas para o crescimento de microrganismos; presença de um doador
de elétrons (redutor de nitrato).](https://image.slidesharecdn.com/tratamentodeagua2-110612150915-phpapp02/85/Tratamento-de-agua-2-191-320.jpg)
![194 ESGOTO
tema pré-D é que a desnitrificação completa é impossível: parte do nitrato formado
no reator aeróbio não é recirculado para o reator anóxico, sendo descarregado direta-
mente com o efluente. Desse modo, a eficiência de remoção do nitrato dependerá da
taxa de recirculação do reator aeróbio para o reator anóxico.
Barnard (1973) sugeriu o sistema Bardenpho que permite a combinação da vantagem
do sistema pós-D (desnitrificação total possível) e do sistema pré-D (alta taxa de desni-
trificação). A Figura 6.6c mostra esquematicamente o sistema Bardenpho constituído de
um mínimo de três reatores em série: o primeiro e o terceiro são anóxicos, e o segundo
aeróbio. No sistema Bardenpho há pré e pós-desnitrificação: no primeiro reator há re-
moção de grande parte do nitrato a uma taxa elevada, e o nitrato é introduzido através
de recirculação de licor misto nitrificado do segundo reator. No terceiro reator (pós-D)
há remoção do nitrato restante, o que resulta em um efluente livre de nitrato. Às vezes
coloca-se um quarto reator aeróbio (menor que os demais) entre o reator pré-D e o de-
cantador final, evitando-se assim que o lodo fique muito tempo sem oxigênio e possibili-
tando manter um ambiente aeróbio no decantador (e no efluente). Centenas de sistemas
de lodo ativado baseados no princípio Bardenpho operam em escala real, principalmente
na áfrica do Sul, e revelam uma alta eficiência de remoção de nitrogênio.
Para descrever a remoção de nitrogênio quantitativamente, Van Haandel e Marais
(1999) notaram que a taxa de desnitrificação depende acentuadamente da concen-
tração e composição do material orgânico que é oxidado pelo nitrato e é proporcional
à concentração de lodo ativo. O material orgânico solúvel é utilizado em alta taxa e
resulta na remoção de uma concentração de nitrato proporcional, sendo que a cons-
tante de proporcionalidade é expressa como:
Nds = [(1-fcvY)/2,86]Sbs = [(1-fcvY)/2,86]*fsb.Sb Equação 6.26
onde:
Nds: concentração de nitrato removido pelo material orgânico solúvel (mgN/L)
Sb: concentração de material orgânico biodegradável (mgDQO/L)
Sbs: concentração de material orgânico solúvel (mgDQO/L)
fsb: fração solúvel no material orgânico biodegradável
(1-fcvY)/2,86: proporcionalidade entre material orgânico oxidado e nitrato removido
fcv: proporção entre sólidos voláteis de DQO em lodo = 1,5 mgDQO/mgDQO
Y: fator de rendimento = 0,45 mgSVS/mgDQO = proporção lodo produzido/material
orgânico metabolizado
A massa diária de nitrogênio removido devido à utilização de material orgânico solúvel
em um reator pré-D agora pode ser expressa como:](https://image.slidesharecdn.com/tratamentodeagua2-110612150915-phpapp02/85/Tratamento-de-agua-2-195-320.jpg)
![REMOçãO BIOLÓGICA DE NITROGÊNIO: APLICAçÕES PARA O SISTEMA DE LODO ATIVADO 207
muito devagar) não saiam com o efluente. Por esta razão, o funcionamento do sistema
Oland com dois reatores MBR tende a ser bem estável.
6.8 Experiências do Prosab
Os resultados experimentais que se descrevem nesta seção foram obtidos pelo grupo
de pesquisadores da Universidade Federal de Campina Grande que participou do Edital
5 do Prosab, Tema 2.
6.8.1 Uso da respirometria para a determinação das constantes cinéticas
da nitrificação (FILHO, H. 2009)
A constante máxima de crescimento de Nitrossomonas é um parâmetro de grande
importância para projetos racionais de sistemas de lodo ativado, mas seu valor varia
muito dependendo das características da água residuária. Por esta razão, torna-se
importante determinar a cinética de nitrificação e, particularmente, o valor da cons-
tante de crescimento máximo de Nitrossomonas. Um método simples e rápido para
determinar a cinética da nitrificação é o uso da respirometria.
A taxa de nitrificação, em termos gerais, pode ser expressa como uma equação de Mo-
nod, estendida para incorporar a influência da concentração de oxigênio dissolvido:
rN = {µmax[Na/(Na+Kn)][(OD/(OD+Ko)]- bn} Xn/Yn Equação 6.33
Como se mostrou na Equação (6.2), a estequiometria do processo de nitrificação prevê
uma relação linear ente a taxa de consumo de oxigênio TCO e a taxa de nitrificação:
TCOn = 4,56rN = {µmax[Na/(Na+Kn)][(OD/(OD+Ko)]- bn} Xn/Yn Equação 6.34
onde:
TCOn: TCO para nitrificação
rN: taxa de nitrificação
A Figura 6.11 apresenta um respirograma genérico do perfil da taxa de consumo de
oxigênio (TCO) em função do tempo que é observado em uma batelada de lodo quando
retirada de um sistema de lodo ativado e posteriormente adicionada a uma solução
de amônia. A Figura 6.12 é um exemplo experimental obtido com lodo de um sistema
que tratava efluente industrial (Cetrel). A partir do perfil da TCO em função do tempo
é possível determinar vários aspectos importantes da estequiometria e da cinética da
nitrificação. Estes aspectos são discutidos a seguir.](https://image.slidesharecdn.com/tratamentodeagua2-110612150915-phpapp02/85/Tratamento-de-agua-2-208-320.jpg)
![214 ESGOTO
A fração não biodegradável e particulada pode ser calculada a partir da concentração
de lodo volátil (que é a soma da concentração de lodo ativo (Xa), resíduo endógeno (Xe)
e lodo inerte — Xi). Segundo Van Haandel e Marais:
Equação 6.45
Xv = Xa + Xe + Xi = [(1+ fbhRS)(1-fus-fup)Cr + fupRs]Sta/Rh = Xt/fv = 2090*0,7
=1460 mgSVS/L
o que resulta em:
fup = 0,06 Equação 6.45.1
A fração biodegradável e solúvel foi determinada com auxílio da respirometria e resultou
em fsb = 0,06 um valor muito baixo comparado com a fração geralmente encontrada
para esgoto doméstico (fbs = 0,2 a 0,25). A baixa concentração de material biodegradável
e solúvel dificulta a remoção de nitrogênio, uma vez que este material orgânico é usado
no reator pré-D para a redução de nitrato.
6.8.2.2 Balanço e massa de nitrogênio
Para o balanço de nitrogênio, calcula-se a massa diária de nitrogênio no efluente, no
lodo e a desnitrificada no sistema. Compara-se, depois, a soma com a massa diária de
nitrogênio entrando no sistema.
Equação 6.46
Nitrogênio no afluente
MNta = NtaQa= 57*300 = 16.100 Equação 6.46.1
Nitrogênio no efluente
MNte = NteQa= (3,5+4,9)*300 = 2520 Equação 6.46.2
Nitrogênio no lodo
MNl = fnMXv/Rs = fnXvVr/Rs = 0,1*1460*235/20 = 1715 Equação 6.46.3
Quanto ao nitrogênio desnitrificado, para calcular a massa de nitrogênio removida
por desnitrificação, calcula-se a soma da remoção nos reatores atóxicos e no decan-
tador (o decantador também remove nitrogênio como mostra a redução de nitrato
nesta unidade). A massa de nitrogênio removida no primeiro reator é dada pela di-
ferença da concentração na entrada e na saída do reator multiplicado pela vazão que
por ele passa:](https://image.slidesharecdn.com/tratamentodeagua2-110612150915-phpapp02/85/Tratamento-de-agua-2-215-320.jpg)
![230 ESGOTO
Por fim, o lodo em excesso, então descartado, leva consigo a massa de P absorvida,
retirando-a do sistema.
Embora pareça simples, os mecanismos envolvidos na remoção por excesso de P são
bastante complexos, o que dificulta o desenvolvimento de um modelo racional que
pudesse prever a remoção deste elemento. Na continuidade das pesquisas, Siebtriz et
al (1982) conseguiram estabelecer um modelo empírico que permitia uma estimativa
da remoção de fósforo em função dos vários parâmetros que se identificaram como
importantes. Wentzel et al (1990) desenvolveram um modelo que descreve satisfa-
toriamente a cinética dos processos que levam à remoção biológica em excesso de
fósforo. O modelo de Wentzel et al (1990) pode também ser usado para projetar e oti-
mizar sistemas de lodo ativado com remoção de fósforo.
7.2 Princípios da remoção biológica de fósforo
O único mecanismo conhecido para remoção biológica de fósforo é a sua incorporação
no lodo para ser descarregada junto com o lodo de excesso. No sistema convencional
de lodo ativado, em torno de 2,5 % do peso de lodo de excesso se compõe de fósforo.
A concentração de fósforo que é necessária para se incorporar no lodo de excesso
é dada por (VAN HAANDEL; MARAIS, 1999).
Pl = mPl.Sta = fp.mEv.Sta = fp.(1-fus-fup)[(1+fbhRs)Cr/Rs + fup/fcv].Sta Equação 7.1
onde:
Pl: concentração de fosfato no afluente necessária para produção de lodo
mPl: massa de fósforo necessária para produção de lodo por unidade de DQO aplicada
mEv: produção de lodo volátil por unidade de massa de DQO aplicada
fp: fração de fósforo em lodo volátil
fus: fração não biodegradável e solúvel da DQO no afluente
fup: fração não biodegradável e particulada da DQO no afluente
f: fração de lodo ativo que ao decair permanece como resíduo endógeno
bh: constante de decaimento
Rs: idade de lodo
Cr: YRs/(1+bhRs)
Y: coeficiente de rendimento de heterótrofas
fcv: proporção entre massa de DQO e massa de lodo volátil
Sta: DQO do afluente
Srinath et al (1959) observaram uma remoção de fósforo bem além do valor previsto
pela Equação (7.1). Seguiu-se então um debate que primeiramente se destinou a](https://image.slidesharecdn.com/tratamentodeagua2-110612150915-phpapp02/85/Tratamento-de-agua-2-231-320.jpg)
![REMOçãO BIOLÓGICA DE FÓSFORO NO SISTEMA DE LODO ATIVADO: MECANISMOS E CONFIGURAçÕES 239
Segundo, no ambiente anaeróbio há produção de AGV a partir da conversão do ma-
terial orgânico rapidamente biodegradável. Supondo que não haja AGV no afluente,
Wentzel et al (1990) propuseram a seguinte expressão:
dSAGV/dt = KcXa,anSb Equação 7.4
onde:
Kc: constante de proporcionalidade = 0,06 l.mg-1Xa.d-1
Xa,an: concentração de lodo ativo normal na zona anaeróbia.
observação:
A concentração na zona anaeróbia do sistema UCT é menor do que a concentração nos
outros reatores porque há uma diluição do lodo de um fator r/(r+1)
Para um reator completamente misturado deriva-se a seguinte expressão para a
concentração residual de material orgânico rapidamente biodegradável no efluente
da zona anaeróbia:
Sbs = [S’bsa/(1+r)]/[1+fanKcMXa] Equação 7.5
Semelhantemente, para uma série de N reatores anaeróbios (todos iguais) tem-se:
SbsN = [S’bsa/(1+r)]/[1+fanKcMXa/(N(1+r)]N Equação 7.6
onde:
fan: fração do lodo na zona anaeróbia
MXa: massa de lodo ativo convencional no sistema
Terceiro ponto: todo o material convertido (bem como a concentração de AGV no
afluente, se houver) é sequestrado por organismos poli-P. Portanto, a concentração de
material sequestrado nas bactérias poli-P como PBH é dada como:
MSseq = QaS’bsa-(1+r)QaSbsN Equação 7.7
Quarto e último: na zona aeróbia, o material sequestrado é utilizado pelo lodo poli-P
na produção destes organismos, bem como a absorção de fosfato, para produção de
polifosfato intracelular. O material orgânico não sequestrado é utilizado pelas bacté-
rias normais. Assim a massa de lodo poli-P e do lodo ativo normal (não poli-P) pode
ser expressa como:
MXap = YRs/(1+bpRs)*MSseq Equação 7.8
MXa = YRs/(1+bhRs)*(MSba-MSseq) Equação 7.9](https://image.slidesharecdn.com/tratamentodeagua2-110612150915-phpapp02/85/Tratamento-de-agua-2-240-320.jpg)
![REMOçãO DE NUTRIENTES EM SISTEMAS NATURAIS 303
Camargo Valero e Mara (2006a) utilizaram um modelo teórico para calcular a razão de
volatilização da amônia de acordo com a Equação 9.5. No entanto, os autores verifica-
ram que os valores de amônia volatilizada calculados pelo modelo teórico foram muito
superiores aos medidos em campo.
k l .NH3 .V
rd NH3 = 9.5
A
onde:
rdNH3: razão de dessorção de NH3 da fase líquida (g N/ha.d)
kl: coeficiente de transferência de massa na fase líquida (d-1)
NH3: concentração de NH3 na fase líquida (g N/m3)
V: volume da lagoa (m3)
A: área da lagoa (ha)
O valor de kl pode ser estimado de acordo com a Equação 9.6, desenvolvida por Stratton
(ZIMMO et al, 2003), e a concentração de NH3 pode ser estimada em função do pH e da
temperatura conforme Equação 9.2.
0 , 0566 [ 0 ,13 ( T 20 )]
kl = e 9.6
H
onde:
H: profundidade da lagoa (m)
T: temperatura (°C)
Apesar do posicionamento de diversos autores (PANO, MIDDLEBROOKS, 1982; CRAGGS,
2005) acerca da importância da volatilização da amônia como mecanismo preponde-
rante da remoção de nitrogênio em lagoas, deve-se mencionar que outros estudos con-
testam tal afirmativa. Nas pesquisas de Zimmo et al (2003), a remoção de nitrogênio via
volatilização da amônia não ultrapassou 1,5% do nitrogênio amoniacal total removido
em lagoas de estabilização tratando esgoto sanitário ao norte de Jerusalém. Camargo
Valero (2008) e Camargo Valero e Mara (2006b) também sugerem que os valores de
amônia removidos por volatilização representam uma menor fração, comparados com
outros mecanismos tais como nitrificação-desnitrificação e sedimentação.
O Prosab procurou contribuir nesta avaliação do mecanismo preponderante de remo-
ção de nitrogênio e na estimativa da taxa de volatilização da amônia em lagoas de
polimento. No entanto, os experimentos de captura e medição do gás desprendido não
foram ainda concluídos, dificultando um posicionamento claro à luz de dados experi-
mentais em nossas condições.](https://image.slidesharecdn.com/tratamentodeagua2-110612150915-phpapp02/85/Tratamento-de-agua-2-304-320.jpg)
![306 ESGOTO
Ferrara e Avci (1982) argumentam que: a todo o momento, os organismos estão assi-
milando amônia do meio aquático com produção de nova biomassa; grande parcela da
matéria orgânica da biomassa não é biodegradável (aproximadamente 20%); e que, ao
fim de seu ciclo de vida, a amônia acaba por sedimentar, permanecendo no lodo.
9.2.2.5 Modelos para estimativa das concentrações efluentes
de nitrogênio e amônia
A literatura apresenta algumas equações, desenvolvidas na América do Norte, para a
estimativa da concentração efluente de amônia (Equações 9.8 e 9.9) e de nitrogênio
(Equações 9.3 e 9.4).
Quanto à remoção de amônia, tem-se o regime hidráulico de mistura completa (PANO,
MIDDLEBROOKS, 1982) para T< 20oC (Equação 9.8) e T ≥ 20oC (Equação 9.9):
Co
Ce = 9.8
1 + [(A/Q) . (0,0038 + 0,00 0134.T ) . e (1,041 +0,044.T).( pH 6,6)) ]
Co
Ce = 9.9
-3
1 + [ 5,035x 10 . (A/Q) . e (1,540 x (pH 6,6)) ]
onde:
Co: concentração de amônia afluente (mg/L)
Ce: concentração de amônia efluente (mg/L)
Q: vazão afluente (m3/d)
A: área superficial da lagoa (m2)
T: temperatura do líquido (oC)
pH: pH na lagoa
O modelo desenvolvido por Pano e Middlebrooks (1982) assume que a volatilização da
amônia é o principal mecanismo de remoção de nitrogênio. O modelo foi desenvolvido
em lagoas facultativas operando nos EUA, com profundidades que variaram entre 1,2
e 1,5 m, e localizadas em regiões onde as temperaturas variam de 1 a 5 oC, ao longo
do período de inverno, e ficam próximas de 20 oC durante o verão. Naturalmente, tais
condições diferem das encontradas em nosso meio.
Quanto à remoção de nitrogênio (WPCF, 1990; CRITES, MIDDLEBROOKS, REED, 2006),
serão consideradas: lagoas facultativas, assumindo regime hidráulico de fluxo em pis-
tão (modelo de REED, 1985) — Equação 9.10 ―, e lagoas facultativas, assumindo regime
hidráulico de mistura completa (modelo de MIDDLEBROOKS, 1985) — Equação 9.11:](https://image.slidesharecdn.com/tratamentodeagua2-110612150915-phpapp02/85/Tratamento-de-agua-2-307-320.jpg)
![REMOçãO DE NUTRIENTES EM SISTEMAS NATURAIS 307
9.10
C e = C o . e{ K .[ t +60, 6 x ( pH 6, 6 ]}
Co
Ce= - 9.11
1 + t . ( 0 , 000576 T 0 , 00028 ) . e (1,08 0,042 x T ) . ( pH 6,6)) ]
onde:
Co: concentração afluente (mg/L)
Ce: concentração efluente (mg/L)
T: temperatura do líquido (oC)
pH: pH na lagoa
t: tempo de detenção hidráulica na lagoa (d)
K: coeficiente de remoção (d-1) — pode ser estimado como KT = K20.(―)(T-20),
onde K20= 0,0064 e o coeficiente de temperatura ― é 1,039.
A equação apropriada deve ser aplicada sequencialmente em cada lagoa da série,
de forma a conduzir ao valor da concentração no efluente final.
As Equações 9.8 e 9.9 não conduzem a uma solução contínua para temperaturas in-
feriores e superiores a 20 ºC. A utilização da Equação 9.8 para valores de T próximos a
20 ºC conduz a valores da concentração efluente inferiores aos da Equação 9.9. Com
relação à Equação 9.11, observa-se que esta formulação é pouco sensível a variações
nos valores de pH e T.
A utilização das equações acima pressupõe o conhecimento do valor de pH (variável
esta que não é conhecida, de antemão, na fase de projeto). As referências acima apre-
sentam ainda a seguinte equação, que pode ser utilizada para a estimativa do pH na
lagoa, em função da alcalinidade no esgoto afluente:
pH = 7,3 e (0,0005.alc) 9.12
onde:
alc: alcalinidade no esgoto afluente (mgCaCO3/l)
No entanto, a Equação 9.12 não leva em consideração a profundidade da lagoa. Sabe-
se que, quanto menor a profundidade da lagoa, maiores serão a penetração da energia
luminosa ao longo da coluna d’água, a atividade fotossintética, o consumo da acidez
carbônica e a elevação no pH (CAVALCANTI et al, 2001). Em lagoas de maturação, pode-
rão ser atingidos valores de pH bem superiores aos previstos pela Equação 9.12.
A tabela 9.5 e a Figura 9.4 apresentam as eficiências de remoção de amônia, baseados
na utilização da Equação 9.9, para temperaturas de 20 ºC ou superiores.](https://image.slidesharecdn.com/tratamentodeagua2-110612150915-phpapp02/85/Tratamento-de-agua-2-308-320.jpg)
![REMOçãO DE NUTRIENTES EM SISTEMAS NATURAIS 337
limitantes são a quantidade de oxigênio disponível e a taxa de aplicação. A razão entre
os períodos úmidos e secos controla a disponibilidade de oxigênio no meio e o tempo
necessário para a realização da nitrificação. A taxa de aplicação é inversamente propor-
cional à remoção de nitrogênio amoniacal, ou seja, quanto maior a taxa de aplicação,
menor será a eficiência de remoção de N-amoniacal. O processo de desnitrificação é
afetado pelo grau de tratamento das águas residuárias aplicadas, uma vez que, quanto
mais elevada a concentração de DBO5 afluente ao sistema de tratamento, maior a pro-
babilidade de se desenvolverem condições de ausência de oxigênio e de haver matéria
carbonácea suficiente para a realização da desnitrificação. A razão DBO5:N deve ser da
ordem de 3:1 de modo a favorecer melhores eficiências de remoção.
As experiências com a utilização do método de escoamento superficial para o pós-tra-
tamento de efluentes anaeróbios têm indicado eficiências de remoção de nitrogênio
da ordem de 75 a 90%, dependendo da temperatura, das taxas de aplicação do esgoto
e dos horários de aplicação.
Quanto à remoção de fósforo, nos sistemas com escoamento superficial, o processo
ocorre por sedimentação e adsorção no solo e nas plantas. As taxas de remoção variam
entre 20 e 60 %, apesar de já terem sido reportadas taxas de 84 e 89 % (LEE et al, 1976;
MARTEL et al, 1980). Cerca de 10% do fósforo, correspondente à parcela insolúvel, é
removido no sistema de tratamento prévio (por exemplo, reator anaeróbio). Com exce-
ção da componente que é incorporada à biomassa, a remoção adicional de fósforo nos
sistemas de tratamento biológico convencionais é mínima, já que a maior parte do fós-
foro presente, após tratamento primário, encontra-se na forma solúvel. A remoção de
fósforo em sistemas com escoamento superficial não é geralmente elevada, devido ao
contato limitado que existe entre a água e o solo, dificultando o processo de adsorção.
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![346 ESGOTO
10.3 Remoção de N- NH3- por cloração
Além da desinfecção, o cloro pode ser utilizado como agente oxidante para a remoção
de amônia. Os produtos clorados mais comumente utilizados são: o gás cloro (Cl2);
o hipoclorito de cálcio [Ca(OCl)2] (contendo cerca de 70% de cloro disponível); e o
hipoclorito de sódio (NaOCl) (normalmente disponível no mercado na forma líquida,
comercialmente conhecido como água sanitária).
Quando o cloro ativo é adicionado na água, seja na forma gasosa, sólida ou líquida,
é convertido em ácido hipocloroso (HOCl), segundo as reações a seguir:
Gasosa: Cl2 + H2O → HOCl + H+ + Cl-
Sólida: Ca(OCl)2 → Ca2+ + 2OCl-
Líquida: NaOCl → Na+ + OCl-
Substâncias facilmente oxidáveis (tais como o Fe2+, Mn2+, H2S) bem como a matéria
orgânica são capazes de prontamente reagir com o cloro, reduzindo-o a íon cloreto.
A reação de oxidação seguinte envolve a conversão da amônia e a sucessiva formação
de cloraminas, da seguinte forma:
HOCl + NH3 → NH2Cl + H2O (monocloramina)
HOCl + NH2Cl → NHCl2 + H2O (dicloramina)
HOCl + NHCl2 → NCl3 + H2O (tricloramina)
Estas reações são dependentes do pH, da temperatura e da relação cloro-amônia.
As cloraminas correspondem ao cloro combinado disponível. Pelo fato de apresenta-
rem efeito toxicológico devem também ser removidas.
Por outro lado, a continuidade da adição de cloro a partir do breakpoint produzirá
um incremento no nível de cloro livre residual na água. A curva de breakpoint é par-
ticular para cada água testada, pois a demanda de cloro depende da concentração
de amônia, da presença de outros agentes redutores, e do período de contato entre
a aplicação de cloro e o teste de residual, dentre outros fatores. Como regra geral, a
cloração é desestimulada à medida que o pH aumenta; por outro lado o aumento da
temperatura faz aumentar a velocidade das reações de cloração.
Estequiometricamente, são requeridas 7,5 partes de cloro por cada parte de nitrogê-
nio amoniacal oxidada, sendo usual o emprego da razão 10:1. Neste caso, efluentes
secundários requereriam 250 mg/L de Cl2 para a oxidação de 25mg/L de amônia.
O tempo de duração da reação de oxidação, para pH em torno de 7 e temperatura](https://image.slidesharecdn.com/tratamentodeagua2-110612150915-phpapp02/85/Tratamento-de-agua-2-347-320.jpg)
![376 ESGOTO
químico do efluente da lagoa anaeróbia apresentou melhor eficiência na remoção de
fósforo, tanto na flotação quanto na sedimentação, alcançando valores efluentes em
torno de 0,2 mg P/L.
Também no Edital 4, a UFRGS avaliou a remoção de fósforo do efluente de lagoas de
alta taxa, mediante processo de coagulação e floculação seguido de flotação por ar
dissolvido modificada. Nesta última, foram separadas as etapas orgânica e inorgânica
do processo, visando o reaproveitamento ou biodigestão das algas floculadas com
um polímero catiônico e recuperação do fosfato a partir do lodo inorgânico (FePO4
+ Fe(OH)3). Ensaios preliminares para a otimização de tipo e dosagem de reagentes
foram realizados em teste de jarros. Os resultados obtidos mostraram que a remoção
de algas, representada pela concentração dos pigmentos clorofila a e feoftina, foi su-
perior a 92%, e a remoção de fósforo (P total) foi de 96%. Ainda, a flotação mostrou-
se mais adequada do que a sedimentação para a separação sólido-líquido tanto pela
maior clarificação quanto pelo maior adensamento dos lodos obtidos.
10.5.2.5 Filtração terciária de efluente de flotação por ar dissolvido
Experimentos da PUC-PR conduzidos no Edital 4 do Prosab consistiram na filtração
rápida em areia do efluente flotado da ETE Cambuí (SANEPAR). As modalidades de fil-
tração descendente e ascendente foram experimentadas, e estiveram sujeitas a taxas
de aplicação hidráulicas de 100, 150 e 200 m³/m².d. Na modalidade descendente, os
valores médios de turbidez efluente obtidos foram de respectivamente 9, 11 e 29 uT.
Já na modalidade ascendente, para taxa de 100 m³/m².d, obteve-se a turbidez média
efluente de 9 uT.
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Tratamento de agua 2
- 1. 2 esgoto Nutrientes de esgoto sanitário: utilização e remoção coordenadores Francisco Suetônio Bastos Mota e Marcos von Sperling
- 4. Rede Cooperativa de Pesquisas “Desenvolvimento e aperfeiçoamento de tecnologias de condicionamento e de reúso de águas residuárias, considerando a qualidade do efluente tratado necessária para as possíveis utilizações e para atender ao padrão do enquadramento e aos múltiplos usos dos corpos d’água” Instituições Participantes EPUSP, UFCE, UFCG, UFMG, UFRGS, UFRN, UFPE, UFRGS/ IPH, UFPA, UNICAMP
- 6. Apresentação Esta publicação é um dos produtos da Rede de Pesquisas sobre o tema “De- senvolvimento e aperfeiçoamento de tecnologias de condicionamento e de reúso de águas residuárias, considerando a qualidade do efluente trata- do necessária para as possíveis utilizações e para atender ao padrão do enquadramento e aos múltiplos usos dos corpos d’água” do Programa de Pesquisas em Saneamento Básico – PROSAB - Edital 05, coordenada pelo Prof. Francisco Suetônio Bastos Mota do Departamento de Engenharia Hi- dráulica e Ambiental da Universidade Federal do Ceará. O PROSAB visa ao desenvolvimento e aperfeiçoamento de tecnologias nas áreas de águas de abastecimento, águas residuárias (esgoto), resíduos só- lidos (lixo e biossólidos), manejo de águas pluviais urbanas, uso racional de água e energia, que sejam de fácil aplicabilidade, baixo custo de implanta- ção, operação e manutenção, bem como visem à recuperação ambiental dos corpos d’água e à melhoria das condições de vida da população, especial- mente as menos favorecidas e que mais necessitam de ações nessas áreas. Até o final de 2008 foram lançados cinco editais do PROSAB, financiados pela FINEP, pelo CNPq e pela CAIXA, contando com diferentes fontes de recursos, como BID, Tesouro Nacional, Fundo Nacional de Recursos Hídricos (CT-HIDRO) e recursos próprios da Caixa. A gestão financeira comparti- lhada do PROSAB viabiliza a atuação integrada e eficiente de seus órgãos financiadores que analisam as solicitações de financiamento em conjunto e tornam disponíveis recursos simultaneamente para as diferentes ações do programa (pesquisas, bolsas e divulgação), evitando a sobreposição de verbas e tornando mais eficiente a aplicação dos recursos de cada agência. Tecnicamente, o PROSAB é gerido por um grupo coordenador interinstitu- cional, constituído por representantes da FINEP, do CNPq, da CAIXA, das universidades, da associação de classe e das companhias de saneamento.
- 7. Suas principais funções são: definir os temas prioritários a cada edital; ana- lisar as propostas, emitindo parecer para orientar a decisão da FINEP e do CNPq; indicar consultores ad hoc para avaliação dos projetos; e acompanhar e avaliar permanentemente o programa. O Programa funciona no formato de redes cooperativas de pesquisa for- madas a partir de temas prioritários lançados a cada Chamada Pública. As redes integram os pesquisadores das diversas instituições, homogeneizam a informação entre seus integrantes e possibilitam a capacitação permanente de instituições emergentes. No âmbito de cada rede, os projetos das diver- sas instituições tem interfaces e enquadram-se em uma proposta global de estudos, garantindo a geração de resultados de pesquisa efetivos e pronta- mente aplicáveis no cenário nacional. A atuação em rede permite, ainda, a padronização de metodologias de análises, a constante difusão e circulação de informações entre as instituições, o estímulo ao desenvolvimento de par- cerias e a maximização dos resultados. As redes de pesquisas são acompanhadas e permanentemente avaliadas por consultores, pelas agências financiadoras e pelo Grupo Coordenador, através de reuniões periódicas, visitas técnicas e o Seminário de Avaliação Final. Os resultados obtidos pelo PROSAB estão disponíveis através de manuais, livros, artigos publicados em revistas especializadas e trabalhos apresenta- dos em encontros técnicos, teses de doutorado e dissertações de mestrado publicadas. Além disso, várias unidades de saneamento foram construídas nestes últimos anos por todo o país e, em maior ou menor grau, utilizaram informações geradas pelos projetos de pesquisa do PROSAB A divulgação do PROSAB tem sido feita através de artigos em revistas da área, da participação em mesas-redondas, de trabalhos selecionados para apresentação em eventos, bem como pela publicação de porta-fólios e fol- ders e a elaboração de maquetes eletrônicas contendo informações sobre os projetos de cada edital. Todo esse material está disponível para consulta e cópia no portal do Programa (www.finep.gov.br/prosab/index.html).
- 8. Grupo Coordenador do prosAb: período do Edital 5 Jurandyr Povinelli EESC Cícero O. de Andrade Neto UFRN Deíza Lara Pinto CNPq Marcos Helano Montenegro MCidades Sandra Helena Bondarovsky CAIXA Jeanine Claper CAIXA Luis Carlos Cassis CAIXA Anna Virgínia Machado ABES Ana Maria Barbosa Silva FINEP Célia Maria Poppe de Figueiredo FINEP O edital 5 do PROSAB foi financiado pela FINEP, CNPq e CAIXA com as seguintes fontes de recursos: Fundo Setorial de Recursos Hídricos e Recursos Ordinários do Tesouro Nacional do Fundo Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico e Caixa Econômica Federal.
- 9. Copyright © 2009 ABES RJ 1ª Edição tiragem: 1000 exemplares Coordenadores Francisco Suetônico Bastos e Marcos von Sperling Revisão Zeppelini Editorial Impressão J. Sholna Nutrientes de esgoto sanitário: utilização e remoção/Francisco Suetônio Bastos Mota e Marcos von Sperling(coordenadores). Rio de Janeiro: ABES, 2009 428p.: il Projeto PROSAB ISBN: 978-85-7022-164-3 1. Tratamento de esgoto sanitário 2. Reúso de água 3. Aprovei- tamento de esgoto tratado 4. Remoção de nutrientes I. Bastos, Francisco Suetônico e von Sperling, Marcos
- 10. Nutrientes de esgoto sanitários: utilização e remoção Francisco suetônio bastos Mota e Marcos von sperling coordenadores Editora ABES Fortaleza, CE 2009
- 11. Coordenadores de Projeto Adrianus Cornelius van Haandel UFCG Bruno Coraucci Filho UNICAMP Francisco Suetônio Bastos Mota UFC Henio Normando de Souza Melo UFRN Isaac Volschan Junior UFRJ Luiza Carla Girard Teixeira Machado UFPA Luiz Olinto Monteggia UFRGS Marcos von Sperling UFMG Maria de Lourdes Florêncio dos Santos UFPE Roque Passos Pivelli EPUSP Consultores Eugênio Foresti EESC/USP José Marques Junior FCAV/UNESP Marcelo Antônio Teixeira Pinto CAESB
- 12. Autores Adrianus van Haandel André Bezerra do Santos Bruno Coraucci Filho Carlos Augusto de Lemos Chernicharo Célia Regina Montes Cícero Onofre de Andrade Neto Clístenes Williams Araújo do Nascimento Emanuel Soares dos Santos Eugênio Foresti Henio Normando de Souza Melo Iene Christie Figueiredo Isaac Volschan Júnior José Marques Júnior Lourdinha Florêncio Luiz Olinto Monteggia Luiza Girard Marcelo Teixeira Pinto Marcos von Sperling Mário Kato Neysson Martins Mendonça Osvaldo de Oliveira Paulo Gustavo Sertório de Almeida Renata Carolina Pifer Ronaldo dos Santos Padilha Ronaldo Stefanutti Roque Passos Piveli Sílvia Corrêa Oliveira Sônia Botelho Suetônio Mota
- 13. Equipes dos projetos de pesquisa UNICAMP Felipe Muniz Gadelha Sales Coordenador Maria do Carmo Bruno Coraucci Filho Patrícia Pinto Gonçalves Equipe Ana Paula Bezerra de Araújo Ronaldo Stefanutti Celiane Freire Martins Daniele Tonon Erika Canamary Luciano Reami Thiago Bezerra dos Santos Orlando Cintra Alex Veronez Luccas Erickson UFCG de Oliveira Marinho Coordenador Adrianus van Haandel Daniele Ramirez Equipe Paula Frassinetti Feitosa Cavalcanti UFC José Tavares de Souza Coordenador Péricles Rezende Barros Francisco Suetônio Bastos Mota Yanna Maia Derks Equipe André Bezerra dos Santos Eudes Alves Moreira Marisete Dantas de Aquino Márcio Camargo de Melo Boanerges Aquino Nélia Luna Leal Francisco Marcus Bezerra Heraldo Antunes Silva Filho Emanuel Soares dos Santos Elivânia Vasconcelos Moraes dos Santos Franklin Jader de Moura Furtado Érica Carneiro Maria Jovelina Gomes da Silva Aretho Barbosa Edglerdânia Luzia Lima de Oliveira
- 14. André Leandro da Silva UFPA Silvânia Nobrega Oliveira Coordenadora Rafael da Silva Luiza Carla Teixeira Girard Machado Equipe Elizandra Fabrícia Raposo Ilka Sueli Dias Serra Márcia Valéria Porto de Oliveira UFMG Cunha Coordenador Neyson Martins Mendonça Marcos von Sperling André Coelho Equipe Carlos Augusto de Lemos Maria do Socorro Lopes Chernicharo Vera Braz Sérgio F. Aquino Robson Costa da Costa Sílvia M. A. C. Oliveira Silvia Jussane Betânia Salermo Lara Paulo Alexandre Mesquita Izabel Cristina de Matos Emilia Kawaguchi Graziella P. Pereira Neto Wiliam Anderson Freitas Mônica Oliveira A. Mabub Glória Suzana M. Bastos UFPE Francyne Rodrigues Garção Coordenadora Grazielle Pereira C. Martins Maria de Lourdes Florêncio dos Santos Paula Regina Dutra Equipe Lílian Kátia Reis Mario Takayuki Kato Humberto Coelho de Melo Savia Gavazza dos Santos Pessoa Thiago Luiz Ferreira Clístenes Williams Araújo do Nascimento Matheus Boechat Machado Mauricio Pimenta Cavalcanti Lucy de Castro Jaqueline Cabral Lopes Valéria Ilsa Ferreira Marcio Moreira de Carvalho Roberto Meireles Glória Pedro Leiz de Mendonça Pereira Juliane Pereira Borges Kenia Kelly Barros Catiane T. D. dos Santos
- 15. Poliana Maria Januário Silva Josette de Lourdes de Souza Melo Daniele Maria Campos Silva André Calado de Araújo Tatiane Lima Verde Monteiro Renata Carolina Pifer Anderson Santos Silva Alvamar Cirne Sheylane Regina Santos da Luz Caline Nunes Carvalho Carlindo Pereira de Melo Filho UFRJ Gelsa Pedro Campelo Coordenador Gelson Piratiny Oliveira da Silva Isaac Volschan Júnior Gutemberg Fernandes de Medeiros Equipe Eduardo Pacheco Jordão Maria de Fátima Dantas Marcelo Ferreira da Fonseca Pedro Ferreira de Souza Filho Daniel Minegatti Pricila Meireles Vanessa Rocha Priscila Lima Izabel Regina Benite Raulysson Ferreira de Araújo Aguiar da Silva Stefani Bezerra da Silva Juliana Martins Bahiense Tatiana Cardoso Delgado Cristina Treitler Claudia Regina de A. M. Amável UFRGS Darlise Jorge Leite Coordenador Maria Aparecida de Carvalho Luiz Olinto Monteggia Equipe Vania Senra José Antônio Saldanha Louzada Eder Fares Nilza Maria dos Reis Castro Paulo César Santos Osvaldo José de Oliveira Marcelo Silva Ronaldo dos Santos Padilha Helio Ricardo R. Gonçalves UFRN Juliana Nichele Coordenador Giovani Baseggio Henio Normando de Souza Melo Equipe Alex da Silva Correa Cícero Onofre de Andrade Neto Larissa P. Mincaroni dos Santos
- 16. Rodrigo Santolin Cecília Maria Rodrigues Pereira Maria Cristina de Almeida Silva USP Coordenador Roque Passos Piveli Equipe Célia Regina Montes Aline Akabochi Fabreti Humberto Carlos Ruggeri Júnior Mônica Medeiros Fábio Campos Laerte Cícero de Carvalho Denis Spir Bonamin
- 17. sumário 1 Introdução 1.1 Considerações iniciais 1.2 Lançamento de esgoto em corpos de água 1.3 Reúso de águas 1.4 Objetivos do Prosab 1.5 Estrutura do livro Referências bibliográficas 2 Impacto dos Nutrientes do Esgoto Lançado em Corpos de Água 2.1 Introdução 2.2 Nitrogênio e Fósforo no esgoto doméstico 2.3 Eutrofização dos corpos de água superficiais 2.4 Contaminação das águas subterrâneas por Nitrato 2.5 Legislação relacionada ao lançamento de esgoto em corpos de água superficiais 2.6 Legislação relacionada às águas subterrâneas e ao lançamento de esgoto no solo Referências bibliográficas 3 Utilização de Esgoto Tratado na Agricultura: Aporte de Água e Nutrientes 3.1 Aspectos conjunturais: a trajetória do Prosab na irrigação de culturas com esgoto tratado 3.2 Efeitos do uso de esgoto tratado sobre o sistema água-solo- planta e sobre o lençol freático 3.3 Balanço hídrico e lâminas d’água de irrigação: características gerais e fundamentos sobre evapotranspiração de culturas 3.4 Sistemas de irrigação e uso com esgoto tratado 3.5 Caracterização dos experimentos desenvolvidos no Prosab 5
- 18. 3.6 Experiências no Prosab 5: lâminas aplicadas, aporte de nutrientes e demanda de área para a irrigação com esgoto 3.7 Experiências no Prosab relativas à distribuição de água 3.8 Experiências no Prosab 5: efeitos sobre o sistema solo – planta – água do lençol freático 3.9 Experiências do Prosab 5: efeito de lâminas excedentes na irrigação da cultura do capim Bermuda Tifton-85 Referências bibliográficas 4 Utilização de Nutriente de Esgoto Tratado em Hidroponia 4.1 Introdução 4.2 Fatores que influenciam o desempenho dos sistemas hidropônicos com esgoto tratado 4.3 Cultivo de flores ornamentais pela técnica NFT 4.4 Cultivo de forragem verde hidropônica (FVH) 4.5 Conclusão Referências bibliográficas 5 Utilização de Nutrientes de Esgoto Tratado na Piscicultura 5.1 Introdução 5.2 Piscicultura usando esgoto sanitário 5.3 Qualidade de água para piscicultura 5.4 Características do esgoto sanitário e a piscicultura 5.5 Experiências sobre piscicultura em esgoto sanitário 5.6 Informações para a implementação de sistemas de piscicultura Referências bibliográficas 6 Remoção Biológica de Nitrogênio: Aplicações para o Sistema de Lodo Ativado 6.1 Introdução 6.2 Formas e reações do material nitrogenado 6.3 Estequiometria das reações do material nitrogenado 6.4 Cinética da nitrificação no sistema de lodo ativado 6.5 Condições necessárias para desnitrificação 6.6 Desnitrificação em sistemas convencionais de lodo ativado 6.7 Novos desenvolvimentos na remoção de nitrogênio 6.8 Experiências do Prosab Referências bibliográficas
- 19. 7 Remoção Biológica de Fósforo no Sistema de Lodo Ativado: Mecanismos e Configurações 7.1 Remoção de fósforo 7.2 Princípios da remoção biológica de fósforo 7.3 Modelamento da remoção de fósforo 7.4 Otimização da remoção biológica de nutrientes 7.5 Critérios de projeto para remoção biológica de N e P 7.6 Experiências no Brasil Referências bibliográficas 8 Nitrificação em reatores aeróbios com biomassa aderida 8.1 Introdução 8.2 Nitrificação biológica e remoção de nitrogênio em biofilmes 8.3 Aplicabilidade de reatores com biomassa aderida para a remoção de N-amoniacal: potencialidades e limitações 8.4 Meios de suporte utilizados em reatores de biomassa aderida 8.5 Estabelecimento da biomassa aderida e nitrificação em biofilmes 8.6 Critérios e parâmetros de projeto e condições operacionais para remoção de amônia em reatores com biomassa aderida 8.7 A experiência do Prosab Referências bibliográficas 9 Remoção de Nutrientes em Sistemas Naturais 9.1 Introdução 9.2 Lagoas de estabilização 9.3 Sistemas de leitos cultivados (Wetlands) 9.4 Sistemas de escoamento superficial no solo Referências bibliográficas 10 Remoção de Nutrientes por Processos Físico-Químicos 10.1 Considerações gerais 10.2 Remoção de N-NH3 por arraste de ar 10.3 Remoção de N-NH3- por cloração 10.4 Remoção físico-química de fósforo 10.5 Experiências do Prosab Referências bibliográficas
- 20. 11 Síntese Global do Desempenho e da Confiabilidade dos Sistemas de Tratamento de Esgoto 11.1 Introdução 11.2 Os sistemas experimentais e os processos utilizados 11.3 Estatística descritiva da qualidade do efluente tratado alcançada nas unidades experimentais 11.4 Análise de confiabilidade dos processos de tratamento de esgoto Referências bibliográficas 12 Elementos para Decisão Acerca do Reúso ou Lançamento do Esgoto Tratado 12.1 Introdução 12.2 Fatores intervenientes na análise de decisão para definição da rota de disposição 12.3 Protocolo simplificado de decisão 12.4 Análise crítica e o histórico das pesquisas do tema Referências bibliográficas
- 22. 1 Introdução Suetônio Mota e Marcos von Sperling 1.1 Considerações iniciais A presença de nutrientes no esgoto sanitário pode constituir um problema nem sempre de fácil solução, uma vez que é necessário atender às exigências do Conselho Nacional do Meio Ambiente – Conama – para lançamentos em corpos d’água. Por outro lado, os nutrientes podem significar uma vantagem substancial para o reúso de água, especialmente em irrigação e piscicultura, pois são insumos necessários para o cultivo de plantas e de animais aquáticos. Os principais nutrientes de interesse são o nitrogênio e o fósforo, os quais se apresentam, no meio aquático, sob diferentes formas. Em função disso, é necessário que sejam pesquisadas tecnologias de tratamento de esgoto que garantam a qualidade dos efluentes, tanto para reúso como para lançamento em corpos d’água. O tratamento adequado de esgoto, seja para a obtenção de efluentes que atendam aos padrões de lançamento do corpo receptor, seja para a sua utilização produtiva, representa solução para os problemas de poluição da água e de escassez de recursos hídricos, contribuindo para a proteção ambiental e para a geração de alimentos e de outros produtos. Há necessidade de que sejam pesquisadas tecnologias de condicionamento e de reúso de águas residuárias visando a qualidade do efluente tratado necessária para as utilizações em diversos fins e para atender aos padrões de enquadramento e aos múltiplos usos
- 23. 22 ESGOTO dos corpos d’água, em conformidade com a legislação do Conselho Nacional do Meio Ambiente – Conama. Muitas vezes, é preciso decidir entre lançar o esgoto tratado no corpo receptor ou utilizá- los diretamente em irrigação ou piscicultura. Em outros casos, tem-se que optar pelas duas alternativas em conjunto, por alguns períodos do ano ou permanentemente. A escolha da melhor alternativa deve considerar: as exigências da legislação atual; as características do sistema de tratamento de esgoto adotado; o conhecimento das necessidades de nutrientes para o uso pretendido; os requisitos ambientais e de saúde pública; os aspectos sociais e econômicos envolvidos, e, por fim, as condições institucionais vigentes. 1.2 Lançamento de esgoto em corpos d’água O lançamento de esgoto, mesmo tratado, em corpos d’água pode resultar na poluição destes últimos. Com relação aos nutrientes nitrogênio e fósforo, presentes no esgoto bruto e nos efluentes de vários processos de tratamento, destaca-se o problema de eutrofização. A eutrofização pode causar danos aos corpos receptores, podendo-se enumerar (ver Capítulo 2): problemas estéticos e recreacionais; condições anaeróbias no fundo do corpo d’água; eventuais condições anaeróbias no corpo d’água como um todo; eventuais mortandades de peixes; maior dificuldade e elevação nos custos de tratamento da água; problemas com o abastecimento de águas industrial; toxicidade das algas; modificações na qualidade e quantidade de peixes de valor comercial; redução na navegação e capacidade de transporte. Além disso, a amônia pode causar problemas de toxicidade aos peixes e implicar em consumo de oxigênio dissolvido. Em termos de águas subterrâneas, a maior preocupação é com o nitrato, que pode contaminar águas utilizadas para abastecimento, podendo causar problemas de saúde pública (metemoglobinemia). A resolução nº 357, de 17 de março de 2005, do Conama, dispõe sobre a classificação dos corpos d’água superficiais e sobre diretrizes ambientais para o seu enquadramento e estabelece as condições e padrões para lançamento de efluentes em corpos d’água. Esta resolução define os padrões de qualidade para diversas formas de nitrogênio e fósforo, os quais são associados às várias classes dos corpos d’água. Dependendo da classe em que o corpo d’água foi enquadrado, variam os teores máximos permitidos para nitrogênio amoniacal, nitrato, nitrito e fósforo na água dos mananciais. No entanto, em termos dos constituintes relacionados às formas de nitrogênio e fósforo, de acordo com a Resolução Conama 357/05, não há padrões de lançamento
- 24. INTRODUçãO 23 para nitrito, nitrato e fósforo, existindo apenas o padrão de lançamento para nitrogênio amoniacal (20 mg/L). Mesmo este padrão para nitrogênio amoniacal foi suspenso temporariamente pela Resolução Conama nº 397, de 03 de abril de 2008. Os sistemas convencionais de tratamento biológico de esgoto, que são projetados visando, principalmente, à remoção de matéria orgânica, resultam em efluentes com concentrações de nitrogênio e fósforo próximas às do esgoto bruto, dificultando o atendimento às exigências do Conama com relação aos teores dos mesmos nos corpos d’água. Esse problema é agravado quando a diluição do esgoto no corpo receptor é baixa. Há necessidade, portanto, de que se busquem alternativas de tratamento de esgoto que resultem em maior remoção de nitrogênio e fósforo, complementando os sistemas usuais de tratamento. 1.3 Reúso de águas A utilização de esgoto para diversos fins tem sido uma prática que vem sendo difundida no mundo inteiro, contribuindo para diminuir os problemas resultantes da escassez, da má distribuição e da má qualidade da água. No reúso em irrigação, hidroponia e piscicultura, além do suprimento de água, o esgoto pode proporcionar o fornecimento de nutrientes necessários às plantas e aos animais aquáticos. Experiências desenvolvidas em todo o mundo, inclusive as realizadas há alguns anos pelo Programa de Pesquisa em Saneamento Básico (Prosab), indicam que o uso de esgoto doméstico tratado contribui para a redução da utilização de fertilizantes artificiais na irrigação e hidroponia, e na economia de ração na piscicultura. Os nutrientes presentes nos efluentes de estações de tratamento de esgoto são aproveitados pelas plantas e animais, alcançando-se, muitas vezes, bons desenvolvimentos das culturas e dos peixes, mesmo sem o fornecimento de fertilizantes artificiais ou rações comerciais (BASTOS, 2003; FLORENCIO et al, 2006). Assim, uma gestão integrada dos efluentes de estações de tratamento de esgoto, em que se considere a prática de reúso, constitui uma medida importante para evitar a poluição de corpos d’água por nutrientes, ao mesmo tempo em que proporciona o seu uso em atividades produtivas. Devem ser buscadas soluções para a remoção dos nutrientes do esgoto, associando-as a sistemas de reúso de água em que os mesmos sejam aproveitados.
- 25. 24 ESGOTO 1.4 Objetivos do Prosab 5 O Prosab, em sua versão 5, teve como objetivo o desenvolvimento e aperfeiçoamento de tecnologias de condicionamento e de reúso de águas residuárias, considerando a qualidade do efluente tratado necessária para suas possíveis utilizações e para atender ao padrão do enquadramento dos corpos d’água. A rede 2 do Prosab 5, composta por dez instituições de ensino superior, teve duas grandes áreas de atuação: a primeira voltou-se para o desenvolvimento de tecnologias de tratamento de esgoto sanitários que resultem em efluentes que atendam às exigências do Conama para lançamento em corpos d’água; a segunda, por sua vez, voltou-se para o aperfeiçoamento de práticas de reúso de água para diversos fins. Neste livro, são apresentados os resultados dos trabalhos desenvolvidos nas instituições participantes, resultados estes integrados a uma visão consolidada do conhecimento disponível na literatura especializada. 1.5 Estrutura do livro Após a Introdução (Capítulo 1), no Capítulo 2, são discutidos os principais impactos do lançamento de esgoto em corpos d’água superficiais e subterrâneos, considerando-se, principalmente, os nutrientes nitrogênio e fósforo. Nos três capítulos seguintes, são discutidos diversos aspectos da utilização de esgoto doméstico tratado, compreendendo: no Capítulo 3, fertirrigação, com ênfase no aporte de água e de nutrientes; no Capítulo 4, utilização de nutrientes de esgoto tratados em hidroponia; no Capítulo 5, utilização de nutrientes de esgoto tratado em piscicultura. Em todos estes capítulos, além da apresentação de conceitos, são discutidos os resultados das pesquisas desenvolvidas pelas diversas instituições participantes da Fase 5 do Prosab. Os fundamentos da remoção biológica de nitrogênio são comentados no Capítulo 6, com aplicações para o sistema de tratamento por lodo ativado. No Capítulo 7, são discutidos os mecanismos e configurações da remoção biológica de fósforo, com ênfase no processo de lodo ativado. No Capítulo 8, são apresentadas informações sobre as potencialidades e limitações dos principais sistemas com biofilme para a remoção de N-amoniacal, com uma breve contextualização sobre os fundamentos básicos da nitrificação biológica convencional e sobre os principais microrganismos envolvidos no processo.
- 26. INTRODUçãO 25 A remoção de nutrientes em sistemas naturais de tratamento de esgoto é abordada no Capítulo 9, compreendendo: lagoas de estabilização; leitos cultivados (wetlands) e aplicação no solo pelo método do escoamento superficial. No Capítulo 10, são discutidas as opções tecnológicas para a remoção de nutrientes baseadas em processos físicoquímicos. O Capítulo 11 consta de uma síntese global do desempenho e da confiabilidade dos sistemas de tratamento de esgoto. O objetivo principal deste capítulo é apresentar uma visão conjunta de todos os sistemas de tratamento, de forma a possibilitar uma síntese global do desempenho e da utilização de uma ferramenta, ainda pouco utilizada no setor, que é a análise de confiabilidade operacional. No último capítulo, são discutidos os principais elementos para decisão quanto ao reúso ou lançamento de esgoto tratado em corpos d’água. Procurou-se discutir os fatores intervenientes para que os tomadores de decisão possam definir a melhor rota de tratamento, disposição e aproveitamento do esgoto tratado, bem como, tentou-se fazer uma análise crítica do estado da arte do tema. Esta publicação apresenta uma síntese do conhecimento existente sobre o assunto, bem como os resultados das diversas pesquisas realizadas sobre a remoção de nutrientes no tratamento de esgoto sanitário, e sobre reúso de águas. Com este trabalho é dada continuidade às atividades já realizadas, durante vários anos, no âmbito do Prosab. Reconhece-se que as pesquisas não esgotaram o tema, e que vários pontos merecem aprofundamentos posteriores, mas espera-se ter contribuído para o aperfeiçoamento e divulgação de novos conhecimentos sobre temas tão importantes . Referências Bibliográficas BASTOS, R.K.X. (Coord.). Utilização de esgoto tratado em fertirrigação, hidroponia e piscicultura. Rio de Janeiro: Rima, Abes, 2003. FLORENCIO, L.; BASTOS, R.K.X.; AISSE, M.M. (Coord.). Tratamento e utilização de esgotos sanitários. Rio de Janeiro: Abes, 2006.
- 27. 2 Impacto dos Nutrientes do Esgoto Lançado em Corpos de Água Marcos von Sperling, Cícero Onofre de Andrade Neto, Isaac Volschan Júnior, Lourdinha Florêncio 2.1 Introdução O presente capítulo aborda o impacto do lançamento de esgoto em corpos d’água su- perficiais e subterrâneos, levando-se em consideração, principalmente, os nutrientes nitrogênio e fósforo. Inicialmente, descrevem-se os constituintes nitrogênio e fós- foro, seus significados em termos ambientais, de saúde pública e de tratamento de esgoto, e as formas predominantes no esgoto. Em seguida, analisa-se o problema da eutrofização de lagos e represas, em que o nitrogênio e o fósforo são nutrientes para o crescimento de algas, as quais podem atingir concentrações elevadas a ponto de afetar diversos usos do corpo d’água. Em termos de água subterrânea, aborda-se a contaminação por nitratos, cuja principal preocupação está associada às questões de saúde pública relacionadas ao uso potável da água. Finalmente, descrevem-se as par- tes da legislação brasileira de proteção aos corpos d’água (Resoluções Conama 357/05 e Conama 396/08) que têm relação com nitrogênio e fósforo. Parte do presente capítulo baseia-se em von Sperling (2005) e Oliveira e von Sperling (2006).
- 28. IMPACTO DOS NUTRIENTES DO ESGOTO LANçADO EM CORPOS D’áGUA 27 2.2 Nitrogênio e fósforo no esgoto doméstico 2.2.1 Nitrogênio No ciclo do nitrogênio na biosfera, este nutriente se alterna entre várias formas e esta- dos de oxidação, como resultado de diversos processos bioquímicos. No meio aquático o nitrogênio pode ser encontrado nas formas apresentadas na Tabela 2.1. Tabela 2.1 > Formas predominantes do nitrogênio FORMA FóRMULA ESTADO DE OXIDAçãO Nitrogênio molecular N2 0 Nitrogênio orgânico variável variável Amônia livre NH3 -3 Íon amônio NH4 -3 Íon nitrito NO2- +3 Íon nitrato NO3 - +5 O nitrogênio é um componente de grande importância em termos da geração e também do próprio controle da poluição das águas, devido, principalmente, aos seguintes aspectos: Poluição das águas • o nitrogênio é um elemento indispensável para o crescimento de algas, podendo, por isso, em certas condições, conduzir ao fenômeno de eutrofiza- ção de lagos e represas; • o nitrogênio, nos processos de conversão da amônia em nitrito e, em se- guida, do nitrito em nitrato (nitrificação), implica no consumo de oxigênio dissolvido no corpo d’água; • o nitrogênio na forma de amônia livre é diretamente tóxico aos peixes; • o nitrogênio na forma de nitrato está associado à doenças como a mete- moglobinemia. Tratamento de esgoto • o nitrogênio é um elemento indispensável para o crescimento dos micror- ganismos responsáveis pelo tratamento de esgoto; • o nitrogênio, nos processos de conversão da amônia a nitrito e, em se- guida, do nitrito em nitrato (nitrificação), que eventualmente possa ocorrer em uma estação de tratamento de esgoto, implica no consumo de oxigênio e alcalinidade;
- 29. 28 ESGOTO • o nitrogênio, no processo de conversão do nitrato em nitrogênio gasoso (desnitrificação) que eventualmente pode ocorrer em uma estação de tra- tamento de esgoto, implica em: (a) economia de oxigênio e alcalinidade (quando realizado de forma controlada) ou (b) deterioração da sedimen- tabilidade do lodo (quando não controlado), devido à aderência de bolhas de N2 aos flocos em sedimentação. Em um curso de água, a determinação da forma predominante do nitrogênio pode fornecer indicações sobre o estágio da poluição eventualmente ocasionada por algum lançamento de esgoto a montante. Se esta poluição é recente, o nitrogênio estará ba- sicamente na forma de nitrogênio orgânico ou amônia e, se antiga, basicamente na de nitrato (as concentrações de nitrito são normalmente mais reduzidas), desde que se tenha, no meio em questão, o suficiente de oxigênio dissolvido para permitir a nitrifica- ção. Em resumo, pode-se visualizar as distintas situações na forma generalizada apre- sentada na Tabela 2.2 (abstraindo-se de outras fontes de nitrogênio que não o esgoto). Tabela 2.2 > Distribuição relativa das formas de nitrogênio segundo distintas condições CONDIçãO FORMA PREDOMINANTE DO NITROGêNIO Nitrogênio orgânico Esgoto bruto Amônia Nitrogênio orgânico Poluição recente em um curso de água Amônia Nitrogênio orgânico Estágio intermediário da poluição Amônia em um curso de água Nitrito (em menores concentrações) Nitrato Poluição remota em um curso de água Nitrato Nitrogênio orgânico (em menores concentrações) Efluente de tratamento sem nitrificação Amônia Efluente de tratamento com nitrificação Nitrato Efluente de tratamento Concentrações mais reduzidas com nitrificação/desnitrificação de todas as formas de nitrogênio FONTE: VON SPERLING (2005). No esgoto doméstico bruto, as formas predominantes são o nitrogênio orgânico e a amônia. O nitrogênio orgânico corresponde a grupamentos amina. A amônia tem sua principal origem na uréia, que é rapidamente hidrolisada e raramente encontrada no esgoto bruto. Estes dois, conjuntamente, são determinados em laboratório pelo método Kjeldahl, constituindo o assim denominado Nitrogênio Total Kjeldahl (NTK). A maior parte do NTK no esgoto doméstico tem origem fisiológica. As demais formas de nitro-
- 30. IMPACTO DOS NUTRIENTES DO ESGOTO LANçADO EM CORPOS D’áGUA 29 gênio são usualmente de menor importância no esgoto afluente a uma estação de tra- tamento. Em resumo, têm-se as equações (Equação 2.1): Equação 2.1 NTK = amônia + nitrogênio orgânico (forma predominante no esgoto doméstico) NT = NTK + NO2- + NO3- (nitrogênio total) A distribuição do nitrogênio no esgoto bruto pode ser representada na forma esquemá- tica ilustrada na Figura 2.1. Observa-se que a fração das formas oxidadas - NOx (nitrito + nitrato) é desprezível em esgoto doméstico. O NTK pode ser ainda dividido em uma fração solúvel (dominada pela amônia) e uma fração particulada (associada aos sólidos em suspensão orgânicos - o nitrogênio participa na constituição de praticamente todas as formas de matéria orgânica particulada do esgoto). Distribuição do nitrogênio no esgoto doméstico bruto NOx NOx NOx Amônia NTK solúvel N total NTK N org NTK particulado FONTE: VON SPERLING (2005). Figura 2.1 Distribuição das formas de nitrogênio no esgoto doméstico bruto A amônia existe em solução tanto na forma de íon amônio (NH4+) como na forma livre, não ionizada (NH3), segundo o seguinte equilíbrio dinâmico (Equação 2. 2): NH3 + H+ ↔ NH4+ Equação 2.2 onde: NH3: amônia livre NH4+: amônia ionizada A distribuição relativa assume a seguinte forma em função dos valores de pH: • pH < 8 Praticamente toda a amônia na forma de NH4+ • pH = 9,5 Aproximadamente 50% NH3 e 50% NH4+ • pH > 11 Praticamente toda a amônia na forma de NH3
- 31. 30 ESGOTO Assim, pode-se ver que na faixa usual de pH, próxima à neutralidade, a amônia apre- senta-se praticamente na forma ionizada. Isto tem importantes conseqüências ambien- tais, pois a amônia livre é tóxica aos peixes em baixas concentrações. A temperatura do líquido influi também nesta distribuição. Na temperatura de 25o C, a proporção da amônia livre em relação à amônia total é aproximadamente o dobro em relação à tem- peratura de 15o C. No Capítulo 9, este tópico é discutido em maiores detalhes. Em cursos de água ou em estações de tratamento de esgoto, a amônia pode sofrer transformações posteriores. No processo de nitrificação, a amônia é oxidada em ni- trito e o nitrito em nitrato. No processo de desnitrificação, os nitratos são reduzidos a nitrogênio gasoso. A nitrificação e a desnitrificação são discutidas em detalhes no Capítulo 6. 2.2.2 Fósforo O fósforo total no esgoto doméstico apresenta-se como fosfatos, nas seguintes for- mas (IAWQ, 1995): • inorgânica (polifosfatos e ortofosfatos) – origem principal nos detergentes e outros produtos químicos domésticos • orgânica (ligada a compostos orgânicos) – origem fisiológica O fósforo presente nos detergentes e na água residuária bruta ocorre na forma de polifosfatos solúveis ou, após hidrólise, na forma de ortofosfatos. O fósforo originário dos detergentes pode representar até 50% da concentração de fósforo total no esgoto doméstico. Os polifosfatos são moléculas mais complexas com dois ou mais átomos de fósforo. Os polifosfatos se transformam em ortofosfatos pelo mecanismo de hidrólise, que apesar de lento, inicia-se, e parcialmente ocorre, no próprio sistema de coleta de esgoto. Os ortofosfatos são diretamente disponíveis para o metabolismo sem necessi- dade de conversões a formas mais simples. A forma na qual os ortofosfatos se apre- sentam na água depende do pH, e incluem PO43-, HPO42-, H2PO4-, H3PO4. Em esgoto doméstico típico, a forma predominante é o HPO4-2. Uma outra possível classificação do fósforo presente no esgoto é quanto à sua forma como sólidos (IAWQ, 1995): • fósforo solúvel (predominantemente inorgânico) – principalmente polifos- fatos e ortofosfatos (fósforo inorgânico), acrescidos de uma pequena fração correspondente ao fósforo ligado à matéria orgânica solúvel do esgoto • fósforo particulado (todo na forma orgânica) – ligado à matéria orgânica particulada do esgoto
- 32. IMPACTO DOS NUTRIENTES DO ESGOTO LANçADO EM CORPOS D’áGUA 31 A Figura 2.2 ilustra a distribuição do fósforo no esgoto doméstico. Distribuição do fósforo no esgoto doméstico bruto P inorg (poli + orto- P fosfato) solúvel P total P org P particulado FONTE: ADAPTADO DE IAWQ (1995). Figura 2.2 Distribuição das formas de fósforo no esgoto doméstico bruto A importância do fósforo associa-se principalmente aos seguintes aspectos: • o fósforo é um nutriente essencial para o crescimento dos microrganismos responsáveis pela estabilização da matéria orgânica. Usualmente, o esgoto do- méstico possui um teor suficiente de fósforo, mas em certos despejos industriais o teor pode ser insuficiente para o crescimento dos microrganismos; • o fósforo é um nutriente essencial para o crescimento de algas, podendo, por isso, em certas condições, conduzir a fenômenos de eutrofização de lagos e represas; • o fósforo não apresenta implicações sanitárias na qualidade da água. 2.2.3 Concentrações típicas de N e P no esgoto doméstico As concentrações e cargas per capita das formas de N e P no esgoto doméstico natu- ralmente variam de localidade para localidade, mas, usualmente, enquadram-se dentro das faixas apresentadas na Tabela 2.3.
- 33. 32 ESGOTO Tabela 2.3 > Contribuições per capita e concentrações de nitrogênio e fósforo em esgoto doméstico bruto PARâMETRO CONTRIBUIçãO PER CAPITA (g/hab.d) CONCENTRAçãO (mg/L) • Nitrogênio total 6 ,0- 10,0 35 – 60 • Nitrogênio orgânico 2,5 – 4,0 15 – 25 • Amônia 3,5 – 6,0 20 – 35 • Nitrito ≈0 ≈0 • Nitrato 0,0 - 0,2 0–1 Fósforo 0,7 –2,0 4 – 12 • Fósforo orgânico 0,2 – 0,8 1–5 • Fósforo inorgânico 0,5 – 1,2 3–7 FONTE: ADAPTADO DE VON SPERLING (2005). Observa-se que as concentrações de fósforo total usualmente encontradas no esgoto sanitário do Brasil têm oscilado, mais frequentemente, em torno de 5 a 8 mgL-1 devido a dois principais fatores: a baixa percentagem de tripolifosfato de sódio atualmente contido nos detergentes, e a grande quantidade de sabões a base de ácidos graxos de cadeia longa ao invés de polifosfatos (VAN HAANDEL; MARAIS, 1999). 2.3 Eutrofização dos corpos d’água superficiais 2.3.1 Conceituação do fenômeno A eutrofização é o enriquecimento do meio aquático com nutrientes, causando o cresci- mento de organismos e plantas aquáticas, tanto planctônicas quanto aderidas, que podem atingir níveis tais que sejam causadores de interferências aos usos desejáveis do corpo d’água. Normalmente, o maior fator de preocupação são as algas, cujo crescimento de- pende do aporte de nutrientes como nitrogênio e fósforo. Quando a concentração dos nu- trientes é elevada, tem-se também a elevação da concentração de algas no meio aquático – que pode chegar a níveis tais que cause problemas aos vários usos previstos para o corpo d’água. Em condições de elevada eutrofização, as algas poderão atingir superpopulações, no evento denominado floração das algas. A eutrofização pode também ter como resultado a proliferação de macrófitas, especialmente o aguapé (gigoga, jacinto de água). O processo de eutrofização pode ocorrer em corpos d’água naturais (tais como lagoas, lagos, rios e córregos de baixa velocidade), ou artificiais (tais como reservatórios e repre- sas). Em ambos os casos, são requeridas condições lênticas, sendo que outras condições ambientais, tais como o nível de assoreamento, profundidade, e turbidez, imporão a prevalência da população de algas ou de plantas macrófitas. Em geral, corpos d’água
- 34. IMPACTO DOS NUTRIENTES DO ESGOTO LANçADO EM CORPOS D’áGUA 33 urbanos estão sujeitos ao intenso aporte de cargas de nutrientes e de sólidos. Neste caso, o assoreamento e a redução de profundidade incentivam a proliferação de macrófitas, dada a maior possibilidade de contato entre a estrutura radicular da planta e o fundo do curso de água. Neste item, enfoca-se como corpo d’água principalmente lagos e represas. O processo de eutrofização pode ocorrer também em rios, embora seja menos freqüente devido às condições ambientais (como turbidez e velocidades elevadas) mais desfavoráveis para o crescimento de algas e de outras plantas. No entanto, ocorrências de eutrofização em rios têm sido relatadas, constituindo motivos de preocupação crescente. Pode-se men- cionar exemplos até de rios de grande porte, como o rio Tapajós, com trechos eutrofiza- dos provavelmente em face do avanço da cultura da soja na região, com o consequente uso abusivo de adubo no solo da bacia do rio. Na região Nordeste do Brasil não é raro se encontrar rios eutrofizados na época de baixas vazões, que se prolonga geralmente por oito meses do ano. As principais fontes de nutrientes em corpos d’água usualmente estão associadas à dre- nagem pluvial urbana e, principalmente, ao lançamento de esgoto. Como comentado, este livro aborda essencialmente os nutrientes nitrogênio e fósforo no esgoto urbano. 2.3.2 Problemas da eutrofização São os seguintes os principais efeitos indesejáveis da eutrofização (BRANCO, 1978; BRANCO; ROCHA, 1979; VON SPERLING, 2005): • Problemas estéticos e recreacionais. Diminuição do uso da água para re- creação, balneabilidade e redução geral na atração turística devido a: • frequentes florações das águas • crescimento excessivo da vegetação • distúrbios com mosquitos e insetos • eventuais maus odores • eventuais mortandades de peixes • Condições anaeróbias no fundo do corpo d’água. O aumento da produti- vidade do corpo d’água causa uma elevação da concentração de bactérias heterotróficas que se alimentam da matéria orgânica das algas e de outros microrganismos mortos, consumindo oxigênio dissolvido do meio líquido. No fundo do corpo d’água predominam condições anaeróbias devido à se- dimentação da matéria orgânica e à reduzida penetração do oxigênio nestas profundidades, bem como à ausência de fotossíntese (ausência de luz). Com a anaerobiose, predominam condições redutoras, com compostos e elemen- tos no estado reduzido:
- 35. 34 ESGOTO • o ferro e o manganês encontram-se na forma solúvel, trazendo pro- blemas ao abastecimento de água; • o fosfato encontra-se também na forma solúvel, representando uma fonte interna de fósforo para as algas; • o gás sulfídrico pode causar problemas de toxicidade e maus odores. • Eventuais condições anaeróbias no corpo d’água como um todo. Depen- dendo do grau de crescimento bacteriano, pode ocorrer, em períodos de mistura total da massa líquida (inversão térmica) ou de ausência de fo- tossíntese (período noturno), mortandade de peixes e reintrodução dos compostos reduzidos em toda a massa líquida, com grande deterioração da qualidade da água. Como as algas se concentram na superfície em excesso, impedem a penetração da luz, indispensável para a fotossíntese, dificultan- do, desta forma, a consequente produção de oxigênio, mesmo nas horas iluminadas do dia. • Eventuais mortandades de peixes. A mortandade de peixes pode ocorrer em função de: • anaerobiose (já comentada anteriormente) • toxicidade por amônia. Em condições de pH elevado (frequentes du- rante os períodos de elevada fotossíntese, em consequência da reti- rada da acidez carbônica), a amônia apresenta-se em grande parte na forma livre (NH3), tóxica aos peixes, ao invés de na forma ionizada (NH4+), não tóxica. • Maior dificuldade e elevação dos custos de tratamento da água. A presença excessiva de algas afeta substancialmente o tratamento da água captada no lago ou represa, dada a necessidade de: • remoção da própria alga • remoção de cor • remoção de sabor e odor • maior consumo de produtos químicos • lavagens mais frequentes dos filtros • Problemas com o abastecimento de águas industriais. Elevação dos custos para o abastecimento de água industrial devido a razões similares às ante- riores, e também aos depósitos de algas nas águas de resfriamento. • Toxicidade das algas. Rejeição da água para abastecimento humano e animal em razão da presença de secreções tóxicas de cianobactérias (cianotoxinas). • Modificações na qualidade e quantidade de peixes de valor comercial.
- 36. IMPACTO DOS NUTRIENTES DO ESGOTO LANçADO EM CORPOS D’áGUA 35 • Redução da navegabilidade e da capacidade de transporte. O crescimento excessivo de macrófitas enraizadas interfere na navegabilidade, aeração e capacidade de transporte do corpo d’água, podendo comprometer o sistema de drenagem urbana e ocasionar inundações e enchentes na área de abran- gência da bacia hidrográfica. 2.3.3 Controle da eutrofização As estratégias de controle usualmente adotadas podem ser classificadas em duas cate- gorias amplas (THOMANN; MUELLER, 1987; VON SPERLING, 1995): • medidas preventivas (atuação na bacia hidrográfica, controlando as fon- tes externas) • controle do esgoto • controle da drenagem pluvial, incluindo a questão dos resíduos sólidos • controle do uso do solo na bacia, sobretudo quanto à utilização abusiva de adubos na agricultura e pecuária. • medidas corretivas (atuação no lago ou represa) • processos mecânicos • processos químicos • processos biológicos O presente capítulo aborda apenas as estratégias preventivas. As medidas corretivas, que implicam em uma atuação diretamente na represa, não são cobertas. As medidas preventivas podem incluir estratégias relacionadas ao esgoto ou à drena- gem pluvial. Quanto ao uso excessivo de adubos na bacia hidrográfica, trata-se de uma questão de educação, normatização, fiscalização e vigilância. As estratégias de controle do esgoto estão ilustradas na Figura 2.3. Controle do esgoto • Tratamento do esgoto com remoção de nutrientes • Tratamento convencional do esgoto e lançamento à jusante da represa • Exportação do esgoto para outra bacia hidrográfica, que não possua lagos ou represas, seguida por tratamento convencional do esgoto • Infiltração do esgoto no terreno (se a água do aquífero sob o terreno for utilizada para consumo humano há necessidade de tratamento com remo- ção de nitrogênio)
- 37. 36 ESGOTO Controle da drenagem pluvial • Controle do uso e ocupação do solo na bacia • Faixa verde ao longo da represa e tributários • Construção de barragens de contenção Estratégias para o controle do esgoto TRATAMENTO DOS ESGOTOS E LANÇAMENTO A JUSANTE DA REPRESA TRATAMENTO DOS ESGOTOS COM REMOÇÃO DE N e P DISPOSIÇÃO DOS ESGOTOS NO SOLO EXPORTAÇÃO PARA OUTRA BACIA FONTE: VON SPERLING (2005). Estratégias para o controle do esgoto visando à prevenção do aporte de nutrientes Figura 2.3 na represa O presente livro, em seus capítulos de 6 a 10, dedica-se à remoção de nitrogênio e fós- foro no tratamento do esgoto. Como exemplo de um corpo d’água urbano que sofreu notável melhoria em função da adoção de medidas de controle, tem-se o Lago Paranoá, no Distrito Federal. Este lago apresentava sérios sinais de eutrofização e comprometimento de seus usos múltiplos. Atualmente, em virtude das medidas adotadas, o lago é utilizado para balneabilidade e tornou-se uma opção potencial para o abastecimento de água da região. A principal estratégia foi o tratamento de esgoto com remoção de nutrientes. Maiores detalhes são dados no Capítulo 7.
- 38. IMPACTO DOS NUTRIENTES DO ESGOTO LANçADO EM CORPOS D’áGUA 37 2.4 Contaminação das águas subterrâneas por nitrato O presente item discorre sobre o impacto ambiental do nitrogênio, na forma de nitrato usualmente oriundo de sistemas de disposição de esgoto no solo que envolvem infiltra- ção (principalmente fossas, em sistemas individualizados), quando este atinge a água subterrânea. No entanto, há registros também de contaminação causada por exfiltra- ção de esgoto em sistemas dinâmicos de coleta e transporte do esgoto, principalmente quando o sistema é bastante antigo e apresenta falhas. O líquido que percola das fossas para o solo contém nitrogênio (convertido em nitrato, no solo). Como conseqüência, a água subterrânea sob as, ou perto das, fossas pode se tornar poluída, o que causa problemas quando a qualidade da água de abastecimento, retirada de poços, é afetada. Quando existe grande densidade de fossas, as concentrações de nitrato podem atingir níveis muito acima daqueles recomendados pela OMS e disciplinados pelo Ministério da Saúde para águas potáveis. O nitrato é formado por uma reação sequencial cata- lisada por microrganismos, através da oxidação da amônia em nitrito e, do nitrito em nitrato. Concentrações de nitrato superiores a 10 mg N-N03-/L podem causar a mete- moglobinemia, podendo trazer graves conseqüências para a saúde — inclusive morte, principalmente em lactentes. A sensibilidade para a metemoglobinemia parece estar relacionada ao pH estomacal das crianças (igual ou maior do que 4). Nestas condições, as bactérias redutoras de nitrato se desenvolvem no intestino delgado, reduzindo o nitrato a nitrito, que, por sua vez, é absorvido pela corrente sanguínea, provocando a conversão da hemoglobina em metemoglobina. O pigmento alterado, não transpor- tando com eficiência o oxigênio, provoca a asfixia (WHO, 1978). No caso do uso de fossas com infiltração dos efluentes no solo, há sempre o risco de contaminação dos aquíferos sob o terreno, qualquer que seja o nível de tratamento e a qualidade da obra ou da operação. O processo anaeróbio não remove o nitrogênio do esgoto e não há diferença significativa quanto à remoção do nitrogênio entre uma fossa rudimentar ou um tanque séptico. O nitrato, oriundo do nitrogênio oxidado do esgoto, é praticamente estável em solos pobres em matéria orgânica. Esta estabilização acontece porque a nitrificação ocorre nas camadas superiores do solo. A desnitrificação, por seu turno, não é possível uma vez que, nestes solos pobres, não há matéria orgânica para a troca de elétrons. Como o nitrato é estável e solúvel em água, ele acaba atingindo o aquífero quando o esgoto ou efluentes de fossas são lançados ou infiltrados no solo. Por isso, em regiões are- nosas situadas sobre aquíferos utilizados para captação de água para abastecimento humano, a infiltração de esgoto ou efluentes de fossas no solo causa grave problema.
- 39. 38 ESGOTO Por exemplo, a cidade de Natal tem cerca de 50% do seu abastecimento de água de poços localizado no meio urbano, e capta esta água do excelente aquífero local. Por falta de sistemas de esgoto em muitas áreas da cidade, a água de abastecimento tem apresentado altas concentrações de nitrato, uma vez que o esgoto é infiltrado no solo através de fossas rudimentares ou sumidouros após tanques sépticos. Esta contami- nação já obrigou o fechamento ou retirada de operação de quase metade dos poços construídos, com grande custo para a população. Mesmo assim, e apesar do esforço para diluir a água de poços com águas de superfície, algumas áreas ainda recebem água com concentrações de nitrato acima de 10 mg N-N03-/L enquanto esperam a construção do sistema de esgotamento sanitário. Algumas conexões claras entre sistemas estáticos de tratamento e contaminação de águas superficiais e subterrâneas por nitratos têm sido efetuadas por meio da utiliza- ção de traçadores. De maneira geral, os estudos encontraram alguma ligação causal entre poluição de águas subterrâneas e sistemas estáticos de tratamento de esgoto, principalmente tanques sépticos. No entanto, o grau e o impacto de tais contamina- ções são ainda pouco esclarecidos. A extensão da contaminação é, também, extrema- mente variável e pode ser em função: do tipo de solo e da profundidade da camada não saturada pelo esgoto ou pela água; da qualidade do corpo receptor; do número de sistemas de tratamento na área e da distância destes ao corpo receptor; da velo- cidade de fluxo da água subterrânea; de fatores climáticos e sazonais, assim como da idade e da qualidade do projeto dos sistemas de tratamento. 2.5 Legislação relacionada ao lançamento de esgoto em corpos d’água superficiais 2.5.1. Resolução Conama 357/05 No Brasil, a legislação que se aplica ao lançamento de esgoto e à proteção dos corpos d’água superficiais é a Resolução Conama 357, de 17 de março de 2005. Esta reso- lução “dispõe sobre a classificação dos corpos d’água e diretrizes ambientais para o seu enquadramento, bem como estabelece as condições e padrões de lançamento de efluentes, e dá outras providências”. A Resolução Conama 357/05 dividiu as águas do território nacional em águas doces (salinidade ≤ 0,05%), salobras (0.05% < salinida- de <3,0%) e salinas (salinidade ≥ 3,0%). Em função dos usos previstos, há 13 classes (águas doces: classe especial e 1 a 4; águas salobras: classe especial e 1 a 3; águas sa- linas: classe especial e 1 a 3). Cada classe corresponde a um agrupamento de usos com requisitos não muito distintos em termos de qualidade da água. A Tabela 2.4 apresenta um resumo dos usos preponderantes em cada classe, sendo que a Classe 1 pressupõe
- 40. IMPACTO DOS NUTRIENTES DO ESGOTO LANçADO EM CORPOS D’áGUA 39 os usos mais nobres, e as Classes 3 (águas salinas e salobras) e 4 (águas doces), os usos menos nobres. A Classe Especial é realmente especial, no sentido de que visa a preservar o equilíbrio natural de comunidades aquáticas (embora permita o uso para abasteci- mento para consumo humano), não permitindo o lançamento de efluentes, mesmo que tratados. A íntegra da resolução deve ser consultada no site do Ministério do Meio Ambiente (www.mma.gov.br), pois o presente item apresenta apenas alguns tópicos de interesse resumidos. A cada uma dessas classes corresponde uma determinada qualidade a ser mantida no corpo d’água. Esta qualidade é expressa na forma de padrões através da referida Resolução Conama. Além dos padrões de qualidade dos corpos receptores, a Resolução Conama apresenta ainda padrões para o lançamento de efluentes nos corpos d’água (padrões de descarga ou de emissão). Ambos os padrões estão de certa forma inter-relacionados. O real objetivo de ambos é a preservação da qualidade no corpo d’água. No entanto, os padrões de lançamento existem apenas por uma questão prática, já que é difícil se manter o controle efeti- vo das fontes poluidoras com base apenas na qualidade do corpo receptor. O inter- relacionamento entre os dois padrões se dá no sentido de que o atendimento aos padrões de lançamento deve garantir, simultaneamente, o atendimento aos padrões do corpo receptor. Duas situações podem ocorrer: • Caso o efluente satisfaça os padrões de lançamento, mas não satisfaça os padrões do corpo receptor, as características do lançamento deverão ser tais que, necessariamente, atendam ao padrão do corpo receptor. Em outras palavras, nestas condições, o lançamento deverá ter características mais res- tritivas do que as expressas pelo padrão de lançamento usual. Esta situação pode ocorrer no caso de corpos receptores com baixa capacidade de assimi- lação e diluição. • Caso o efluente não satisfaça os padrões de lançamento, mas satisfaça os padrões do corpo receptor, o órgão ambiental poderá autorizar lançamentos com valores acima dos padrões de lançamento. No entanto, esta autorização deverá ocorrer em condições excepcionais, de relevante interesse público, como fruto de estudos de impacto ambiental e, desde que permita o aten- dimento ao enquadramento. Esta situação pode ocorrer no caso de corpos receptores com boa capacidade de assimilação e diluição. Os padrões de qualidade relacionados às formas de nitrogênio e fósforo, associados às diversas classes dos corpos d’água doce (maior interesse do presente livro), encontram- se resumidos na Tabela 2.5.
- 41. 40 ESGOTO Tabela 2.4 > Classificação das águas em função dos usos preponderantes USO DOCES SALINAS SALOBRAS Espec 1 2 3 4 Espec 1 2 3 Espec 1 2 3 Abastecimento para consumo humano X (a) X (b) X (c) X (d) X (d) Preserv. equilíbrio natural das comunidades aquáticas X X X Preserv. de amb. aquát. em unid. de conserv. de prot. integral X X X Proteção das comunidades aquáticas X (h) X X X Recreação de contato primário (*) X X X X X (e) Irrigação X (e) X (f) X (g) (f) Aqüicultura e atividade de pesca X X X Pesca amadora X X X Dessedentação de animais X Recreação de contato secundário X X X Navegação X X X Harmonia paisagística X X X FONTE: CONAMA (RESOLUçãO 357/05). NOTAS: A) COM DESINFECçãO / B) APóS TRATAMENTO SIMPLIFICADO / C) APóS TRATAMENTO CONVENCIONAL / D) APóS TRATAMENTO CONVENCIONAL OU AVANçADO / E) HORTALIçAS CONSUMIDAS CRUAS E FRUTAS QUE SE DESENVOL- VAM RENTES AO SOLO E QUE SEJAM INGERIDAS CRUAS SEM REMOçãO DE PELÍCULA / F) HORTALIçAS, PLANTAS FRUTÍFERAS E DE PARQUES, JARDINS, CAMPOS DE ESPORTE E LAZER, COM OS QUAIS O PúBLICO POSSA VIR A TER CONTATO DIRETO / G) CULTURAS ARBóREAS, CEREALÍFERAS E FORRAGEIRAS / H) DE FORMA GERAL, E EM COMUNIDADES INDÍGENAS / (*) CONFORME RESOLUçãO CONAMA 274/2000 (BALNEABILIDADE)
- 42. IMPACTO DOS NUTRIENTES DO ESGOTO LANçADO EM CORPOS D’áGUA 41 Tabela 2.5 > Padrões de qualidade para corpos d’água doce relacionados às formas de nitrogênio e fósforo PARâMETRO UNIDADE ÁGUAS DOCES 1 2 3 4 N amoniacal total (pH≤7,5) mgN/L 3,7 3,7 13,3 - N amoniacal total (7,5<pH≤8,0) mgN/L 2,0 2,0 5,6 - N amoniacal total (8,0<pH≤8,5) mgN/L 1,0 1,0 2,2 - N amoniacal total (pH>8,5) mgN/L 0,5 0,5 1,0 - Nitrato mgN/L 10,0 10,0 10,0 - Nitrito mgN/L 1,0 1,0 1,0 - P total (ambiente lêntico) mgP/L 0,020 0,030 0,050 - P total (ambiente intermediário (a) mgP/L 0,025 0,050 0,075 - e tributário direto de ambiente lêntico) P total (ambiente lótico e tributário mgP/L 0,10 0,10 0,15 - de ambiente intermediário) FONTE: CONAMA (RESOLUçãO 357/05). NOTAS: A TABELA APRESENTA AS FORMAS DE NITROGêNIO E FóSFORO; CONSULTAR A RESOLUçãO CONAMA 357/05 PARA A LISTA COMPLETA E PARA A REDAçãO OFICIAL VERIFICAR LEGISLAçõES ESTADUAIS PARA EVENTUAIS PARâMETROS ADICIONAIS E/OU VALORES MAIS RESTRITIVOS, BEM COMO EVENTUAIS PADRõES DE LANçAMENTO NAS áGUAS DE CLASSE ESPECIAL é VEDADO O LANçAMENTO DE EFLUENTES OU DISPOSIçãO DE RESÍDUOS DOMéSTICOS, AGROPECUáRIOS, DE AQüICULTURA, INDUSTRIAIS E DE QUAISQUER OUTRAS FONTES POLUENTES, MESMO QUE TRATADOS VA: VIRTUALMENTE AUSENTES (A) AMBIENTE INTERMEDIáRIO: TEMPO DE RESIDêNCIA ENTRE 2 E 40 DIAS Observa-se que o padrão de nitrogênio amoniacal varia com o pH. A razão é a influência do pH sobre o equilíbrio entre as formas de amônia, comentada no item 2.2.1. Quanto maior o pH, maior a fração da amônia presente na forma de amônia livre, que é tóxica aos peixes. Portanto, na legislação, valores mais elevados de pH estão associados a concentrações permitidas de N-amoniacal mais baixas. Os padrões de nitrito e nitrato coincidem com os padrões de potabilidade, expressos na portaria 518/04 do Ministério da Saúde. O pressuposto é que nitrito e nitrato não sejam removidos nos processos convencionais das estações de tratamento de água (ETA), e assim, a concentração no corpo d’água (afluente à ETA) é admitida como igual à concentração da água tratada (efluente da ETA). Os padrões de fósforo estão ligados à prevenção da eutrofização. Como os corpos d’água lênticos (lagos e represas) são mais susceptíveis aos problemas de eutrofização, seus padrões de fósforo são mais restritivos do que aqueles para ambientes lóticos (rios). Condições específicas para os parâmetros de nitrogênio e fósforo são apresentadas no artigo 10 da referida Resolução Conama 357/05:
- 43. 42 ESGOTO Art. 10o. Os valores máximos estabelecidos para os parâmetros relacionados em cada uma das classes de enquadramento deverão ser obedecidos nas condições de vazão de referência. § 1o (...) § 2o Os valores máximos admissíveis dos parâmetros relativos às formas quí- micas de nitrogênio e fósforo, nas condições de vazão de referência, poderão ser alterados em decorrência de condições naturais, ou quando estudos am- bientais específicos, que considerem também a poluição difusa, comprovem que esses novos limites não acarretarão prejuízos para os usos previstos no enquadramento do corpo de água. § 3o Para águas doces de classes 1 e 2, quando o nitrogênio for fator limi- tante para eutrofização, nas condições estabelecidas pelo órgão ambiental competente, o valor de nitrogênio total (após oxidação) não deverá ultrapas- sar 1,27 mg/L para ambientes lênticos e 2,18 mg/L para ambientes lóticos, na vazão de referência (CONAMA, 357/05). Segundo a Resolução Conama 357/05, em termos dos constituintes relacionados às formas de nitrogênio e fósforo, não há padrões de lançamento para nitrito, nitra- to e fósforo, existindo apenas o padrão de lançamento para nitrogênio amoniacal (20 mg/L). No entanto, a Resolução Conama 397/08 suspendeu, temporariamente, este padrão de lançamento de amônia. O leitor deverá consultar a versão mais recente da legislação pertinente, pois estão sendo efetuados estudos de atualização, principal- mente no que se refere aos padrões de lançamento. 2.5.2 Avaliação do grau de dificuldade para o atendimento da Resolução Conama 357/05 Uma interpretação do grau relativo de dificuldade de se cumprir com os padrões de qualidade do corpo receptor é feita a seguir. Esta avaliação é feita em termos da razão de diluição requerida para que um determinado efluente, após lançamento em um rio, conduza ao atendimento do padrão do corpo receptor, no ponto da mistura esgoto- rio. A razão de diluição é entendida aqui como a razão entre a vazão do rio e a vazão do esgoto. Assumindo-se uma mistura esgoto-rio integral no ponto de lançamento, tem-se o valor da razão de diluição requerida para se atender o padrão de qualidade do corpo receptor, conforme a equação 2.3:
- 44. IMPACTO DOS NUTRIENTES DO ESGOTO LANçADO EM CORPOS D’áGUA 43 Qr (Ce - Cpadrão ) Razão de diluição = = Equação 2.3 Qe (Cpadrão - Cr ) onde: Qr = vazão do rio a montante do lançamento (L/s) Qe = vazão do esgoto lançado no rio (L/s) Ce = concentração no esgoto sendo lançado (mg/L) Cr = concentração no rio a montante do lançamento (mg/L) Cpadrão = concentração segundo o padrão de qualidade (ver Tabela 2.5) A Figura 2.4 mostra as razões de diluição requeridas para se cumprir os padrões do cor- po receptor para nitrogênio amoniacal e fósforo total, utilizando a Equação 2.3, segundo distintas concentrações no efluente (bruto e tratado) e distintos valores dos padrões de lançamento. Nos gráficos, as concentrações do esgoto estão no eixo do X, variando de valores típicos de esgoto brutos até baixos valores, associados a eficientes processos de tratamento de esgoto. Em cada gráfico há várias linhas, cada uma está associada a um distinto padrão do corpo d’água (ver Tabela 2.5). Para N-amoniacal, os valores dos pa- drões são para corpo d’água Classe 2 para os diferentes valores de pH (para melhor vi- sualização, excluiu-se o padrão quando se tem pH > 8,5 — pouco provável de ocorrer na maioria dos rios que recebem esgoto urbano). Para fósforo, os padrões são também para Classe 2, variando entre as condições de ambiente intermediário e lótico (excluiram-se os corpos lênticos, para os quais o conceito de vazão de diluição é distinto). Assumiu-se, por simplicidade, que as concentrações no rio, a montante do lançamento, são nulas (Cr=0 mg/L). Naturalmente que, na realidade, este não será o caso. Assim, valores da razão de diluição ainda maiores serão requeridos na prática (ver Equação 2.3). Observa-se que, quanto menor o valor do padrão, maior a razão de diluição requerida. Por exemplo: para N-amoniacal com uma concentração efluente de 20 mg/L, necessita- se de uma razão de diluição de 4,4:1 para o padrão de 3,7 mg/L, e uma de 19:1, para o padrão de 1,0 mg/L. De forma similar, tem-se que, quanto maior a concentração no efluente, maior a razão de diluição necessária para atendimento ao padrão. Como exemplo, pode-se citar que: para N-amoniacal, caso a concentração efluente fosse de 5 mg/L, a razão de diluição requerida seria apenas de 0,4:1 — bem menor do que o valor mencionado de 4,4:1, necessário com o efluente de 20 mg/L (padrão do corpo d’água = 3,7 mg/L). Observa-se, também, que o atendimento ao padrão de N-amoniacal requer menores razões de diluição do que para fósforo, ou seja, em princípio é menos difícil cumprir o padrão de amônia do que o do fósforo. Ressalte-se que a maior parte dos corpos d’água
- 45. 44 ESGOTO tem valores de pH menores ou iguais a 7,5, ou seja, em casos assim aplica-se o padrão menos restritivo de N-amoniacal (de 3,7 mg/L). Já para fósforo, são necessárias razões de diluição bastante elevadas, principalmente levando-se em consideração que a maio- ria dos processos de tratamento de esgoto gera efluentes com teores de P que são pouco menores do que os do esgoto bruto. No cenário ainda mais realista de que as concentrações no rio a montante não serão nulas, tem-se que o atendimento do padrão de fósforo é bastante difícil de ser cumprido devido às razões de diluição típicas em corpos receptores urbanos (principalmente no período de seca) e aos processos de tra- tamento primário ou secundário de esgoto usualmente empregados. Esta dificuldade em se atender os padrões do corpo receptor aponta para uma gestão integrada, em que o reúso seja uma alternativa concreta, utilizada não apenas para se ter um uso produtivo do efluente tratado, mas também para amenizar as dificuldades em relação ao atendimento à legislação ambiental. Principalmente no tocante aos nu- trientes N e P, o reúso agrícola se beneficia da presença destes elementos no esgoto, ao mesmo tempo em que o lançamento em corpos receptores possui dificuldade de atendimento à legislação. Razões de diluição requeridas - Nitrogênio amonical Razões de diluição requeridas - Fósforo total 60 250 50 1,0 200 0,05 40 150 30 2,0 100 20 0,10 3,7 50 10 0 0 0 10 20 30 40 50 60 0 2 4 6 8 10 12 Concentração de N-amon no esgoto tratado (mg/L) Concentração de P no esgoto tratado (mg/L) Razões de diluição requeridas (eixo Y) para se cumprir com os padrões do corpo receptor Figura 2.4 para nitrogênio amoniacal e fósforo total (valores indicados nas retas), segundo distintas concentrações no efluente (eixo dos X). 2.6 Legislação relacionada às águas subterrâneas e ao lançamento de esgoto no solo O artigo 29 da Resolução Conama 357/05 determina que “a disposição de efluentes no solo, mesmo tratados, não poderá causar poluição ou contaminação das águas”, mas, em si, esta determinação não é eficaz para o controle da qualidade das águas subterrâ- neas nem para a definição da qualidade do efluente a ser disposto no solo.
- 46. IMPACTO DOS NUTRIENTES DO ESGOTO LANçADO EM CORPOS D’áGUA 45 A resolução nº 15 do Conselho Nacional de Recursos Hídricos (11/01/2001) estabelece, no seu artigo 3, o seguinte: I - (...) II - O enquadramento dos corpos d’água subterrânea em classes dar-se-á segundo as características hidrogeológicas dos aqüíferos e os seus respecti- vos usos preponderantes, a serem especificamente definidos. III - Nas outorgas de direito de uso de águas subterrâneas deverão ser con- siderados critérios que assegurem a gestão integrada das águas, visando evitar o comprometimento qualitativo e quantitativo dos aqüíferos e dos corpos d’água superficiais a eles interligados (CNRH, 2001). Somente em 2008, contudo, foi aprovada e publicada a Resolução Conama 396/08, que “dispõe sobre a classificação e diretrizes ambientais para o enquadramento das águas subterrâneas e dá outras providências”. Em seguida, apresenta-se um resumo sucinto de trechos de interesse da Resolução Conama 396/08, com destaque para os artigos que condicionam e restringem a disposição de esgoto ou efluentes de ETEs no solo sobre aquíferos, incluindo alguns comentários. A íntegra da resolução pode ser encontrada em www.mma.gov.br. A classificação das águas subterrâneas de acordo com a Resolução Conama 396/08 é estabelecida da seguinte forma: Art. 3o. As águas subterrâneas são classificadas em: I - Classe Especial: águas dos aqüíferos, conjunto de aqüíferos ou porção desses destinadas à preservação de ecossistemas em unidades de conserva- ção de proteção integral e as que contribuam diretamente para os trechos de corpos d’água superficial enquadrados como classe especial; II - Classe 1: águas dos aqüíferos, conjunto de aqüíferos ou porção desses, sem alteração de sua qualidade por atividades antrópicas, e que não exigem tratamento para quaisquer usos preponderantes devido às suas característi- cas hidrogeoquímicas naturais; III - Classe 2: águas dos aqüíferos, conjunto de aqüíferos ou porção desses, sem alteração de sua qualidade por atividades antrópicas, e que podem exi- gir tratamento adequado, dependendo do uso preponderante, devido às suas características hidrogeoquímicas naturais; IV - Classe 3: águas dos aqüíferos, conjunto de aqüíferos ou porção desses, com alteração de sua qualidade por atividades antrópicas, para as quais não é necessário o tratamento em função dessas alterações, mas que podem
- 47. 46 ESGOTO exigir tratamento adequado, dependendo do uso preponderante, devido às suas características hidrogeoquímicas naturais; V - Classe 4: águas dos aqüíferos, conjunto de aqüíferos ou porção desses, com alteração de sua qualidade por atividades antrópicas, e que somente possam ser utilizadas, sem tratamento, para o uso preponderante menos res- tritivo; e VI - Classe 5: águas dos aqüíferos, conjunto de aqüíferos ou porção desses, que possam estar com alteração de sua qualidade por atividades antrópi- cas, destinadas a atividades que não têm requisitos de qualidade para uso (CONAMA, 396/08). Nota-se que: a classe Especial é realmente especial; as classes 1 e 2 correspondem aos aquíferos sem alteração da qualidade da água por atividades antrópicas (algo raro no meio urbano) distinguindo-se pelo fato da classe 1 não exigir tratamento para quais- quer usos, e, por fim, as classes 3 e 4 correspondem aos aquíferos com alteração de suas qualidades por atividades antrópicas — sendo que, a princípio, a distinção entre as classes 3 e 4 é dificultada em função dos requisitos de tratamento para o uso pre- ponderante. Esta distinção das classes 3 e 4 fica mais fácil de entender quando se leem os artigos 9 e 10, que estabelecem: Art. 9º. As águas subterrâneas de Classe 3 deverão atender ao Valor Máximo Permitido Mais Restritivo (VMPr+) entre os usos preponderantes, para cada um dos parâmetros, exceto quando for condição natural da água. Art. 10º. As águas subterrâneas de Classe 4 deverão atender aos Valores Má- ximos Permitidos Menos Restritivos (VMPr-) entre os usos preponderantes, para cada um dos parâmetros, exceto quando for condição natural da água (CONAMA, 396/08). Também não é muito fácil entender na primeira leitura a que tipo de aquífero se refere a Classe 5, embora se encontre melhor definição nas condições impostas pelo artigo 32, quais sejam: “Ficam estabelecidos como condicionantes para o enquadramento das águas subterrâneas em Classe 5 que as mesmas estejam em aqüíferos, conjunto de aqüíferos ou porções desses, confinados, e que apresentem valores de Sólidos Totais Dissolvidos superiores a 15.000 mg/L”. Aliás, o artigo 11 estabelece que “as águas sub- terrâneas de Classe 5 não terão condições e padrões de qualidade conforme critérios utilizados nesta Resolução”. Quanto às condições e padrões de qualidade das águas, a Resolução 396/08 estabelece, basicamente, o seguinte:
- 48. IMPACTO DOS NUTRIENTES DO ESGOTO LANçADO EM CORPOS D’áGUA 47 Art. 4o. Os Valores Máximos Permitidos - VMP para o respectivo uso das águas subterrâneas deverão ser observados quando da sua utilização, com ou sem tratamento, independentemente da classe de enquadramento. Art. 5º. As águas subterrâneas da Classe Especial deverão ter suas condições de qualidade naturais mantidas Art. 6º. Os padrões das Classes 1 a 4 deverão ser estabelecidos com base nos Valores de Referência de Qualidade - VRQ, determinados pelos órgãos com- petentes, e nos Valores Máximos Permitidos para cada uso preponderante, observados os Limites de Quantificação Praticáveis - LQPs apresentados no Anexo I da própria Resolução. Parágrafo único: Os parâmetros que apresentarem VMP para apenas um uso serão válidos para todos os outros usos, enquanto VMPs específicos não forem estabelecidos pelo órgão competente (CONAMA, 396/08). O Anexo I apresenta: uma lista de parâmetros com maior probabilidade de ocorrência em águas subterrâneas; os respectivos Valores Máximos Permitidos (VMP) para cada um dos usos considerados como preponderantes nestas águas e os limites de quantifi- cação praticáveis (LQP), considerados como aceitáveis para aplicação da resolução. São considerados no Anexo I os seguintes usos preponderantes da água: consumo humano; dessedentação de animais; irrigação e recreação. O tipo de recreação não é especificado. Esgoto sanitário ou efluentes de ETEs, dispostos no solo, geralmente não acrescentam às águas dos aquíferos a maioria dos parâmetros listados no Anexo I da resolução. Geralmente, esgoto sanitário não contêm as concentrações elevadas da maioria dos 30 parâmetros inorgânicos listados (predominantemente metais), nem as concentrações dos outros tantos orgânicos, nem, tampouco, dos 29 agrotóxicos. Porém, alguns dos parâmetros inorgânicos constantes do Anexo I da resolução cau- sam preocupação e requerem vigilância e monitoramento quando se dispõem esgoto ou efluentes tratados no solo sobre aquíferos, quais sejam: cloreto; nitrato; nitrito; sódio; sólidos totais dissolvidos; sulfato. Quando o aquífero é pouco profundo ou aflorante, preocupam também os parâmetros de microrganismos listados no Ane- xo I da Resolução 396/08. A Tabela 2.6 mostra os respectivos Valores Máximos Permi- tidos (VMP) destes parâmetros, na resolução, para cada um dos usos considerados como preponderantes.
- 49. 48 ESGOTO Tabela 2.6 > Alguns parâmetros mais frequentemente associados à disposição de esgoto ou efluentes de ETEs no solo e a ocorrência em águas subterrâneas, com seus respectivos Valores Máximos Permitidos (VMP) para cada um dos usos considerados como preponderantes PARâMETRO USOS PREPONDERANTES DA ÁGUA Consumo Dessedentação Irrigação Recreação humano de animais Inorgânicos (mg/L) Cloreto 250 100 – 700 400 Nitrato (expresso em N) 10 90 10 Nitrito (expresso em N) 1 10 1 1 Sódio 200 300 Sólidos Totais Dissolvidos 1.000 Sulfato 250 1.000 400 Microrganismos (valores por 100 mL) E. coli Ausentes 200 800 Enterococos 100 Coliformes termotolerantes Ausentes 200 1.000 FONTE: ADAPTADA DE CONAMA (RESOLUçãO 396/2008). Mesmo sem pretender se fazer uma análise crítica da resolução neste texto, não se pode deixar de registrar que os valores de cloreto, nitrato, nitrito e sódio parecem muito restritivos para quando o uso preponderante for a recreação. Ainda de acordo com a resolução, o enquadramento das águas subterrâneas nas clas- ses será efetuado com base nos usos preponderantes mais restritivos atuais ou preten- didos, exceto para a Classe 4, para a qual deverá prevalecer o uso menos restritivo. O artigo 12 explicita que Os parâmetros a serem selecionados para subsidiar a proposta de enquadra- mento das águas subterrâneas em classes deverão ser escolhidos em função dos usos preponderantes, das características hidrogeológicas, hidrogeoquí- micas, das fontes de poluição e outros critérios técnicos definidos pelo órgão competente (CONAMA, 396/08). Mas, o seu parágrafo único acrescenta: “dentre os parâmetros selecionados, deverão ser considerados, no mínimo, Sólidos Totais Dissolvidos, Nitrato e Coliformes Termo- tolerantes”. Esta colocação remete, portanto, aos três parâmetros que podem sofrer variação marcante quando se dispõe esgoto no solo sobre aquíferos. No entanto, é apenas no item que estabelece as diretrizes ambientais para prevenção e controle da poluição das águas subterrâneas que se encontram referências mais significativas em relação à disposição de esgoto e efluentes tratados no solo.
- 50. IMPACTO DOS NUTRIENTES DO ESGOTO LANçADO EM CORPOS D’áGUA 49 Quanto à recarga artificial ou injeção de águas em aquíferos, que eventualmente podem ser feitas com esgoto tratado, os artigos de 23 a 26 estabelecem o seguinte: Art. 23. A recarga artificial e a injeção para contenção de cunha salina em aqüíferos, conjunto de aqüíferos ou porções desses, das Classes 1, 2, 3 e 4, não poderá causar alteração da qualidade das águas subterrâneas que pro- voque restrição aos usos preponderantes. Art. 24. A injeção em aqüíferos, conjunto de aqüíferos ou porções desses com o objetivo de remediação deverá ter o controle dos órgãos competen- tes como objetivo de alcançar ou manter os padrões de qualidade para os usos preponderantes e prevenir riscos ambientais. Parágrafo único. A injeção a que se refere o caput deste artigo não deverá promover alteração da condição da qualidade dos aqüíferos, conjunto de aqüíferos ou porção desses, adjacentes, sobrejacentes e subjacentes, exceto para sua melhoria. Art. 25. Nos aqüíferos, conjunto de aqüíferos ou porções desses onde ocor- rerem injeção ou recarga, conforme especificado nos arts. 21 e 22, deverá ser implantado um programa específico de monitoramento da qualidade da água subterrânea. Art. 26. Nos aqüíferos, conjunto de aqüíferos ou porção desses, em que as águas subterrâneas estão enquadradas em Classe 5, poderá ser admitida a injeção direta, mediante controle dos órgãos competentes, com base em estudos hidrogeológicos apresentados pelo interessado, demonstrando que a injeção não provocará alteração da condição de qualidade em relação ao enquadramento das águas subterrâneas adjacentes, sobrejacentes e subja- centes, por meio de monitoramento (CONAMA, 396/08). No entanto, apenas o artigo 27 da resolução é explícito quanto à disposição de efluen- tes e de resíduos no solo, quando estabelece: Art. 27. A aplicação e disposição de efluentes e de resíduos no solo deverão observar os critérios e exigências definidos pelos órgãos competentes e não poderão conferir às águas subterrâneas características em desacordo com o seu enquadramento. § 1o A aplicação e a disposição, referidas no caput, não serão permitidas nos casos em que as águas dos aqüíferos, conjunto de aqüíferos ou porções desses estejam enquadrados na Classe Especial.
- 51. 50 ESGOTO § 2o A aplicação e a disposição serão precedidas de plano específico e progra- ma de monitoramento da qualidade da água subterrânea a serem aprovados pelo órgão competente (CONAMA, 396/08).” No mais, a Resolução Conama 396/08 também prevê que: Art.19. Os órgãos competentes poderão acrescentar outras condições e pa- drões de qualidade para as águas dos aqüíferos, conjunto de aqüíferos ou porção desses, ou torná-los mais restritivos, tendo em vista as condições lo- cais, mediante fundamentação técnica, bem como estabelecer restrições e medidas adicionais, de caráter excepcional e temporário (CONAMA, 396/08). O artigo 22, por fim, estabelece que: As restrições e exigências da classe de enquadramento das águas subter- râneas, aprovado pelo conselho de recursos hídricos competente, deverão ser observadas no licenciamento ambiental, no zoneamento econômico- ecológico e na implementação dos demais instrumentos de gestão ambien- tal (CONAMA, 396/08). Percebe-se que a Resolução Conama 396/08 ainda necessita de avanços no que se refere ao disciplinamento da disposição de esgoto tratado no solo sobre aquíferos, mas, sem dúvida, constitui um importante referencial. Certamente, poder-se-á evoluir para uma resolução que contemple esta questão de forma mais apropriada. Talvez ainda se vá considerar, em um futuro próximo que, a exemplo do que ocorre na Resolução Conama 357/05 para águas de superfície, também para lançamento no solo, atingindo direta ou indiretamente as águas dos aquíferos, poder-se-ía ter dois critérios básicos de restrições: um que estabelecesse limites no que se refere, por exemplo, ao padrão de lançamento no solo para qualquer que seja a técnica de disposição e as condições do aquífero. Estes seriam limites gerais, correspondentes aos do artigo 34 da Resolução Conama 357/05. O outro dependeria das condições do aquífero e das técnicas de disposição (injeção, infiltração rápida, infiltração sub- superficial, infiltração lenta e percolação, escoamento superficial, irrigação, etc). Para este segundo critério, os condicionantes deveriam ser estudados caso a caso para definição dos limites dos parâmetros de qualidade, mas poderiam ser estipulados va- lores guias para orientar casos típicos. Alerta-se que as diversas formas de disposição, seja injeção no aquífero, bacias de infiltração, infiltração subsuperficial através de sumidouros ou valas, escoamento superficial ou irrigação com infiltração/percolação lenta, impõem enormes diferenças para a qualidade a ser exigida dos efluentes que serão dispostos no solo. Quanto às condições do aquífero, deveriam ser considerados, além dos usos preponderantes da água, pelo menos os seguintes aspectos: caracte-
- 52. IMPACTO DOS NUTRIENTES DO ESGOTO LANçADO EM CORPOS D’áGUA 51 rísticas e vulnerabilidade e, sobretudo, direção e sentido de escoamento do aquífero, bem como, posições relativas do(s) ponto(s) de disposição dos efluentes. O grau de tratamento dos esgoto exigido deveria ser examinado em cada caso, e estabelecido em função destas condições. Referências Bibliográficas BEAL, C.D.; GARDNER, E.A.; MENZIES, N.W. Process, performance, and pollution potential: a review of septic tank–soil absorption systems. Australian Journal of Soil Research. [s.l]: [s.e], v.43, n.7, p.781–802, 2005. BRANCO, S.M. Hidrobiologia aplicada à engenharia sanitária. São Paulo: Cetesb, 1978. 620 p. BRANCO, S.M.; ROCHA, A.A. Poluição, proteção e usos múltiplos de represas. São Paulo: Edgard Blücher, 1979. 185 p. IAWQ. Activated sludge model. International Association on Water Quality. [s.l]: IAWQ Scientific and Technical Reports, [s.v], n.2, 1995. OLIVEIRA, S.M.A.C.; VON SPERLING, M. Sistemas de esgotamento estático e seus potenciais im- pactos na água subterrânea. Relatório para o projeto Vida no Vale – Secretaria de Estado de Planejamento e Gestão de Minas Gerais (EPLAG), Minas Gerais, 2006. 58 p. THOMANN, R.V.; MUELLER, J.A. Principles of surface water quality modeling and control. [s.l]: Harper International Edition, 1987. 644 p. VAN HAANDEL, A.C.; MARAIS, G.V.R. O comportamento do sistema de lodos ativados. [s.l]: [s.e], 1999. VON SPERLING, E. Pollution of urban lakes: causes, consequences and restoration techniques. In: ECOURBS’95. Rio de Janeiro: [s.e], 1995. p.18. VON SPERLING, M. Princípios do tratamento biológico de águas residuárias. In: Introdução à qua- lidade das águas e ao tratamento de esgoto. 3a ed. Minas Gerais: Departamento de Engenharia Sanitária e Ambiental – UFMG, v.1, 452 p, 2005. WORLD HEALTH ORGANIZATION (WHO). Environmental health criteria for nitrates, nitrites and N-nitroso compounds. In: Environmental Health Criteria. [s.l]: [s.e], v.5, 1978.
- 53. 3 Utilização de Esgoto Tratado na Agricultura: Aporte de Água e Nutrientes Roque Passos Piveli, Bruno Coraucci Filho, Célia Regina Montes, Clístenes Williams Araújo do Nascimento, Suetônio Mota, José Marques Júnior, Osvaldo de Oliveira, Ronaldo Stefanutti, Sônia Botelho 3.1 Aspectos conjunturais: a trajetória do Prosab na irrigação de culturas com esgoto tratado As primeiras iniciativas de estudos de irrigação de culturas com esgoto tratado ocor- reram no ano 2000 com o Edital 3 do Prosab. Os experimentos foram instalados em várias regiões do Brasil, junto às estações de tratamento de esgoto, onde, paralela- mente, estudou-se o condicionamento do efluente para esta finalidade. O cenário era de grande expectativa para reproduzir o sucesso exemplar dessas apli- cações em outros países. No Brasil, no entanto, embora a experiência com estudos de irrigação de culturas com esgoto tratado tenha demonstrado viabilidade e eficiência, sua aplicação em larga escala permanece incipiente. Suas aplicações resumem-se a algumas instalações informais, já que não há regulamentação em nosso país para esta prática. Nos estudos desenvolvidos pela rede do Prosab 3, os experimentos foram montados em ambientes representativos dos solos e climas brasileiros. As culturas foram escolhidas com base nas aptidões agroclimáticas e interesses econômicos regionais. Diferentes sistemas de irrigação foram estudados sob rígidos delineamentos experimentais. As pesquisas sobre tratamento de esgoto voltaram-se, em grande parte, à desinfecção final. Comparavam as potencialidades das lagoas de maturação e de processos artifi- ciais como a cloração e a aplicação de radiação ultravioleta, dentre outros.
- 54. UTILIzAçãO DE ESGOTO TRATADO NA AGRICULTURA: APORTE DE áGUA E NUTRIENTES 53 A perspectiva maior, na época, era, em um primeiro momento, de se aproximar das estimativas de viabilidade técnico-econômica da irrigação de culturas com esgoto tratado, levando em conta as condições regionais brasileiras. Os paradigmas iniciais eram as quantidades de esgoto tratado utilizadas e a produtividade estimada para as culturas, e procurou-se responder às questões de interesse dos setores de saneamento e da agronomia. No geral, os resultados experimentais agronômicos foram considerados bastante po- sitivos quando se compararam os dados de produtividade de parcelas irrigadas con- vencionalmente (com água e nutrientes) com aquelas que receberam esgoto tratado. Estes resultados sinalizam, fortemente, as vantagens econômicas efetivas do aporte de nutrientes e reúso de água provenientes do esgoto. A possibilidade de movimentação dos nutrientes, a chance de existir contaminantes residuais do esgoto no perfil do solo (excesso de sódio), e os riscos de contaminação do lençol freático (nitratos, fosfatos etc) justificaram a continuidade dos estudos. Não apenas isto, mas ainda há a possibilidade de ocorrência de fenômenos de evolução lenta que podem interferir na sustentabilidade desta prática. Em relação aos aspectos sanitários, foi possível identificar as necessidades de desin- fecção que garantam a segurança dos agricultores e produtos, que têm por referência as diretrizes da Organização Mundial da Saúde ou da Agência de Proteção Ambiental dos Estados Unidos. A qualidade sanitária das plantas foi avaliada em algumas pesqui- sas, não tendo sido registrados casos de contaminação que constituíssem preocupa- ção maior. Foram obtidos índices de coliformes comparáveis ou inferiores àqueles de produtos comerciais irrigados com água natural e amostrados para comparação. A principal resposta a ser dada para as empresas de saneamento refere-se à possi- bilidade de quantificar o esgoto a ser utilizado na agricultura. Isto permite o plane- jamento que envolve desde a localização de uma nova ETE a ser implantada até as eventuais necessidades de descargas parciais ou totais em corpos d’água naturais. Há a necessidade de consolidação de um banco de dados em que se associe as deman- das de esgoto de uma determinada população atendida pelo sistema à área de cultivo disponível correspondente. Evidentemente, a demanda hídrica da planta é o elemento mais importante nesta avaliação e independe da qualidade da água de irrigação. Po- rém, existem outras condições como a evolução das alterações nas propriedades do solo que podem recomendar maiores restrições ao uso de esgoto ou talvez incentivar o seu uso em quantidades mais elevadas. As reflexões sobre atividades e resultados obtidos no Edital 3 do Prosab induziram à continuidade dos estudos, em busca de informações que pudessem consubstanciar
- 55. 54 ESGOTO a avaliação da sustentabilidade do uso agronômico de esgoto tratado. Novos projetos foram desenvolvidos com ênfase principal nos aspectos relativos ao sistema água- solo-planta e ao lençol freático. é certo que a estrutura dos projetos seria aproveitada também para o refinamento dos resultados acerca da produtividade e aspectos sanitá- rios de certos grupos de culturas considerados promissores. Consideraram-se aspectos como a maior tolerância de algumas culturas ao desbalanço de nutrientes do esgoto e deu-se ênfase ao item “segurança para o consumo do produto final”, utilizando-se cul- turas não comestíveis e de cultivo extensivo. Essas culturas, como reflorestamento, cultivos de flores e pastagens, têm grande valor econômico regional. O cenário do Prosab 4 foi marcado por iniciativas que objetivaram subsidiar a regu- lamentação do uso de água no Brasil e incluiu a questão do disciplinamento do uso agrícola de esgoto tratado. A necessidade de informações locais sobre o uso agronô- mico de esgoto tratado (ainda que decorrentes de experimentos em escala reduzida) ficou evidente à medida que as legislações vigentes em outros países demonstram- se demasiadamente restritivas e inaplicáveis em outra realidade econômica, por um lado. Por outro, resultados do uso agronômico de esgoto tratado se multiplicavam na listagem de iniciativas supostamente positivas, mas sem um controle aceitável. Este fato motivou os pesquisadores do Prosab ao exercício de proposição de critérios e pa- râmetros com base nos resultados das pesquisas realizadas na vigência do Edital 4 do Programa. Estas pesquisas foram confrontadas com experiências e legislações inter- nacionais de modo que fossem encontrados padrões de qualidade de água residuária para a irrigação de culturas que pudessem ser adotados. Nas pesquisas relativas ao condicionamento do esgoto, procurou-se identificar os processos de tratamento mais desejáveis para aplicação agrícola, ou seja, sistemas que garantam boa qualidade sanitária do efluente final e, na medida do possível, sem eficiências elevadas na remoção de nutrientes. Procurou-se também maior efi- ciência do controle do sistema de irrigação dos efeitos deletérios sobre a qualidade do solo ou da água do lençol freático. Os estudos culminaram na consolidação das características do esgoto de interesse agronômico, que pode resultar das diversas modalidades de tratamento, servindo, desta forma, de orientação aos agrônomos interessados nesta temática. As pesquisas desenvolvidas no edital 5 do Prosab refletem a continuidade e o apro- fundamento dos aspectos mais relevantes, possibilitando a exploração dos resulta- dos obtidos por prazos mais longos. As atividades experimentais, revestidas de nova abrangência, tiveram prosseguimento. No campo do tratamento de esgoto, foram estudados processos alternativos complementares para garantir atendimento aos pa- drões de emissão e de classificação de corpos d’água naturais. Visou-se solucionar
- 56. UTILIzAçãO DE ESGOTO TRATADO NA AGRICULTURA: APORTE DE áGUA E NUTRIENTES 55 os problemas decorrentes da impossibilidade de utilização agrícola em ocasiões de chuvas ou outras situações. No campo agronômico, além da busca de dados adicionais dos efeitos da irrigação com esgoto tratado sobre o sistema água-solo-planta, aspec- tos diferenciais foram introduzidos, tais como: avaliação da eficiência do sistema de irrigação na distribuição (quando alimentado com efluente); efeitos do aporte de dife- rentes combinações de macro e micronutrientes em complementação aos nutrientes presentes no esgoto; influência da irrigação com esgoto sobre a dinâmica agroecoló- gica do solo e efeitos da aplicação de lâminas excedentes. Este último aspecto visou à avaliação das quantidades máximas admissíveis de esgoto, de forma a subsidiar a avaliação do uso do efluente para este fim. Nesta fase, os efeitos sobre o solo puderam ser mais bem definidos, tendo-se como principal resultado as avaliações dos riscos da salinização e sodificação do solo. As ne- cessárias correções periódicas do solo irrigado com efluente são um componente a ser considerado no balanço econômico do sistema. A dinâmica do carbono, a nitrificação no solo e as consequências sobre a qualidade da água do lençol freático também fo- ram avaliados. O aumento do teor de bases e da CTC, bem como a ausência prática de contaminantes como metais pesados, podem ser consideradas constatações positivas resultantes das pesquisas. Atualmente, os estudos continuam sendo conduzidos pelo impulso da evidência, cada vez maior, da necessidade da construção de conhecimentos na área de saneamento e agrotecnologias, assim como, da conservação dos recursos naturais. Ressalta-se a preocupação recente com a reserva mundial de fósforo, não renovável, que reforça a importância desses estudos, pela comprovação dos benefícios ecológicos e econô- micos advindos da utilização do esgoto na agricultura. Há um consenso no grupo de pesquisadores de que a irrigação de culturas com esgoto tratado é uma prática viável e recomendável, capaz de atender aos critérios agronô- micos, sanitários e ambientais que garantam a segurança da população atual, sem comprometimento das necessidades das gerações futuras. 3.2 Efeitos do uso de esgoto tratado sobre o sistema água-solo-planta e sobre o lençol freático Será feito, inicialmente, um resumo dos fundamentos apresentados nos livros ante- riores do Prosab a respeito de efeitos sobre o solo (como salinização e sodificação); efeitos sobre as plantas (como contaminação química e por patógenos) e efeitos sobre a água do lençol freático (como a possibilidade de nitrificação no solo e contaminação da água por nitrato).
- 57. 56 ESGOTO 3.2.1 Irrigação de culturas com esgoto tratado — panorama geral O esgoto contribui com o aporte de água e nutrientes, havendo a necessidade de se estabelecer ou aproximar as relações entre suas quantidades geradas e as áreas a se- rem irrigadas sob as diferentes condições regionais brasileiras. Assim, permite-se um melhor planejamento, podendo-se identificar, por exemplo, que a quantidade de esgoto produzido por um pequeno município pode ser pouco significativa para a irrigação de uma grande área de reflorestamento, ou que um pequeno agricultor interessado neste tipo de irrigação não deverá representar grande alívio de carga para a empresa de saneamento. Além do aporte de água, a irrigação com esgoto contribui com o aporte de nutrientes, cujas demandas são variáveis em função das características dos solos e das culturas, podendo complementar com parcela significativa, e de forma contínua, a fertilização mineral convencional. Administrar o aporte de nutrientes advindos do esgoto é fun- damental, pois quantidades excessivas podem trazer problemas para as culturas e para o meio ambiente. Como exemplos, o excesso de nitrogênio no esgoto e a consequente nitrificação no solo aumentam a possibilidade de contaminação do aquífero subterrâneo com nitrato. O excesso de sais aportados pelo esgoto pode influir no equilíbrio osmótico das plantas comprometendo a absorção de água. A sodificação, por seu turno, provoca danos à estrutura do solo, podendo reduzir a velocidade de infiltração de água com consequentes efeitos sobre as plantas. As concentrações elevadas de sódio na água de irrigação, acompanhadas de baixas concentrações de cálcio e magnésio representam elevadas razões de adsorção de sódio, o que pode ter como consequência a dispersão de argilas e obstrução dos poros do solo — caso o sistema não seja bem manejado. O panorama internacional apresenta situações díspares em termos de quantidades e cuidados no que se refere à utilização de esgoto tratado, merecendo atenção a irri- gação com esgoto de 1.330.000 ha na China, contra 14.000 ha nos EUA e 10.000 ha em Israel. Na Europa, destacam-se os 28.000 ha irrigados com esgoto na Alemanha. A Argentina apresenta 37.000 ha (MARA, CAIRNCROSS; STRAUSS, BLUMENTHAL, apud BASTOS, 2003). O México possui 250.000 ha de terras irrigadas com esgoto, sendo notória a situação da capital, com 45 m3/s de esgoto distribuído em canais e reserva- tórios, irrigando 80.000 ha onde se cultivam forrageiras e cereais. Existem exemplos, em países desenvolvidos ou não, pelos quais se pode relacionar o grau de desenvolvimento à segurança desta prática de irrigação, havendo a necessidade de se disciplinar a atividade de forma equilibrada, sem permitir riscos consideráveis, mas sem impor limites excessivamente restritivos que inviabilizem os projetos. Limites mais restritivos que os próprios padrões para o lançamento em corpos d’água desmotivarão as companhias de saneamento a enviar o esgoto tratado para áreas agricultáveis.
- 58. UTILIzAçãO DE ESGOTO TRATADO NA AGRICULTURA: APORTE DE áGUA E NUTRIENTES 57 O esgoto possui organismos patogênicos de diversas características que apresentam diferentes níveis de resistência em relação aos processos de desinfecção. Barreiras de natureza física associadas às ações químicas podem ser necessárias para a garantia de uma qualidade biológica segura do esgoto tratado. Há a necessidade de controle, sendo as bactérias do grupo coliformes as mais utilizadas como indicadores. As le- gislações que objetivam a regulamentação do reúso de água costumam incluir tam- bém a contagem de ovos viáveis de helmintos. Seria interessante ampliar o controle biológico, mas, por questões prático-econômicas, isto, normalmente, não é possível. Apresenta-se, como recurso, a possibilidade de se relacionar a presença de patógenos com outras características da água, como é o caso da avaliação indireta da presença de protozoários em função dos dados de turbidez. De uma maneira geral, os principais limites propostos em legislações incluem 103NMP/100 mL para coliformes termoto- lerantes e 1,0 ovo/L para helmintos, para uso em irrigação irrestrita. Evidentemente, há a necessidade de um maior refinamento de critérios e parâmetros, mas esta idéia preliminar permite identificar que um sistema de lagoas de estabilização atenderia a esta premissa, enquanto que outros processos podem exigir filtração e desinfecção artificial adicionais. Os sistemas de lagoas de estabilização, que incluem lagoas anaeróbias, facultativas e de maturação, são considerados eficientes na remoção de organismos patogênicos do esgoto. Não provocam grandes remoções de nutrientes, principalmente nitrogênio e fósforo. Por isto, são duplamente qualificados para terem os efluentes utilizados em projetos de irrigação de culturas. Também os tratamentos anaeróbios em reatores UASB e outros não removem, consideravelmente, os principais nutrientes do esgoto, mas demandam desinfecção complementar. Os processos biológicos aeróbios mecani- zados, como lodos ativados, lagoas aeradas e filtros biológicos, providenciam efluentes mais clarificados, mais bem condicionados para a desinfecção e em melhores condi- ções para uso agronômico. Porém, o maior nível de remoção de nutrientes pode não ser interessante, em que pese principalmente os sistemas que promovem remoção de nitrogênio por meio de nitrificação e desnitrificação. 3.2.2 Efeitos da irrigação com esgoto tratado sobre os atributos do solo Inicialmente, será feita uma síntese dos principais fundamentos de química e fertilidade do solo, relacionados à aplicação de esgoto neste sistema. O solo é o resultado das interações entre os seguintes fatores de formação: rocha, organismos, clima, relevo e tempo. Uma característica de sua evolução é a variação de horizontes, cujas propriedades são típicas, dependendo do local. Daí decorre o fato de que solos desenvolvidos em áreas tropicais são geralmente profundos e de baixa fertilidade devido à intensa lixiviação de bases, como cálcio, magnésio e potássio, por exemplo.
- 59. 58 ESGOTO 3.2.2.1 Constituintes do solo Sob o ponto de vista agronômico, o solo ideal deve ser constituído de 50% de material sólido (minerais e matéria orgânica — esta última em torno de 5%), 25% de água e 25% de ar. Com relação aos sólidos inorgânicos, a argila representa a fração de par- tículas com diâmetro igual ou inferior a 0,002 mm e o silte, partículas com diâmetro médio entre 0,002 mm e 0,02 mm. Estas partículas mais finas são constituídas dos minerais mais importantes para os fenômenos químicos do solo por possuírem su- perfície específica elevada, cargas elétricas positivas e negativas e estarem dispersas em meio aquoso. A areia representa a fração de partículas com diâmetro de 0,02 mm a 2 mm tendo muito baixa superfície específica e baixa reatividade em decorrência da quase inexistência de cargas elétricas. A fração sólida contempla ainda a matéria orgânica, a qual desempenha funções primordiais no solo tais como: adsorção de íons, retenção de água, melhoria de propriedades físicas, fonte de carbono para microrga- nismos e capacidade tampão. A adição de matéria orgânica ao solo é particularmen- te importante em condições tropicais, em que seus teores são naturalmente baixos. A biomassa, ou matéria orgânica viva do solo, desempenha papel fundamental no solo. Sua decomposição libera elementos importantes como o carbono e o nitrogênio, bem como nutrientes para nutrição mineral das plantas cultivadas. 3.2.2.2 Propriedades físicas do solo As propriedades físicas do solo influenciam decisivamente em seu comportamento como meio ecológico. Influem no movimento de água e solutos, no crescimento das plantas e, consequentemente, no manejo do sistema. As características físicas de um solo são ditadas: pela forma como as partículas sólidas (areia, silte e argila) se encontram distribuídas proporcionalmente no material, carac- terística que define a textura do solo; e pela sua organização em agregados maio- res, característica conhecida como estrutura. A estrutura do solo é responsável pela sua macroporosidade e microporosidade, a qual deve ser adequadamente distribuída. No espaço dos macroporos ocorre a movimentação mais intensa de água e circula o ar para respiração de raízes e microrganismos. Os microporos, por sua vez, são res- ponsáveis pela retenção da solução do solo onde se encontram os nutrientes vegetais. A formação e manutenção de agregados são influenciadas pelo manejo — que deve ser adequado à conservação do solo, em virtude da importância do solo estar agregado para produção das culturas. A porosidade e a densidade são características importantes associadas à textura e estrutura do solo. Os solos arenosos são caracterizados pela grande quantidade de macroporos que, quando profundos, lhes conferem alta capacidade de drenagem e,
- 60. UTILIzAçãO DE ESGOTO TRATADO NA AGRICULTURA: APORTE DE áGUA E NUTRIENTES 59 consequentemente, aumentam os riscos de contaminação do lençol freático quando contaminantes são percolados junto com o esgoto aplicado ao solo. Nos solos argi- losos predomina a estrutura microporosa, que conduz à menor percolação da água. Esses solos, com argilas de alta atividade, possuem maior capacidade de retenção química de íons devido a maior quantidade de cargas negativas presentes, diminuindo, portanto, a lixiviação de íons tóxicos no perfil do solo. A proporção entre massa e volume do solo define sua densidade. Logo, solos com maior porosidade total têm, consequentemente, menor densidade. A densidade do solo tem importantes efeitos sobre a movimentação de água no perfil, distribuição de raízes e absorção de nutrientes, visto que está diretamente relacionada com a quantidade e dis- tribuição de poros. Solos arenosos têm maior macroporosidade e, desta forma, a per- colação de água é alta. Em geral, contudo, os solos mais argilosos apresentam maior porosidade total devido ao grande número de microporos e, por isso, retêm mais água. A agregação das argilas ocorre por floculação. Quando há predomínio de carga negativa, elas atraem cátions como Ca2+, Fe2+, Al3+, etc., contribuindo com a ação dos colóides or- gânicos para a estabilidade dos agregados. Quando o cátion predominante é o Na+ não ocorre a floculação e as argilas permanecem dispersas — o que impossibilita a agregação e diminui a permeabilidade e movimento do ar no solo (Figura 3.1). Este é um problema típico decorrente da irrigação com águas salinas, ou de regiões com evapotranspiração maior que precipitação. A agregação das partículas do solo pode ocorrer também por meio de umedecimento e ressecamento entre chuvas ou irrigações cíclicas. Registra-se que há solos com maior aptidão para salinização ou sodificação (Figura 3.1). FOTO: PROF. MATEUS ROSAS RIBEIRO – UFRPE. Planossolo nátrico órtico típico no sertão de Pernambuco apresentando desestruturação devi- Figura 3.1 do ao excesso de sódio (Na+) com consequente baixa permeabilidade e penetração de raízes
- 61. 60 ESGOTO 3.2.2.3 Propriedades químicas e físico-químicas As principais propriedades químicas e físico-químicas do solo são determinadas pelo material coloidal e húmus. A maioria dos solos brasileiros apresenta carga líquida negativa, o que confere ao sistema uma capacidade de troca de cátions (CTC). Esta capacidade permite ao solo reter nutrientes minerais (Ca2+, Mg2+, Zn2+, Cu2+, Fe2+, Mn2+, K+ e NH4+) e fornecê-los às plantas de acordo com a diminuição da concentra- ção dos mesmos na solução do solo. Este fenômeno é essencial para a nutrição das plantas. Os solos mais intemperizados apresentam balanço líquido de cargas elétricas positivas, o que lhes conferem uma capacidade de reter ânions (CTA), tais como SO42-, Cl-, NO3-, H2PO4-, HPO42-, HCO3-. Outro aspecto a ser considerado é relativo às reações de adsorção mais específicas. Adsorção de metais em óxidos de ferro e alumínio, por exemplo, pode provocar a imobilização de íons tóxicos, evitando a contaminação das águas subterrâneas. 3.2.2.4 Características dos solos brasileiros Os solos brasileiros, assim como os demais solos tropicais, possuem composição mineralógica simples, sendo constituídos basicamente por minerais silicatados 1:1 (caulinita), óxidos e hidróxidos de ferro e de alumínio. São bastante intemperizados e profundos, geralmente ácidos, e pobres em matéria orgânica e nutrientes minerais (especialmente Ca, Mg e P). Possuem baixa CTC quando comparados aos solos de clima temperado — que são ricos em argilo-minerais do tipo 2:1 (montmorilonita e vermicu- lita), e capazes de reter cátions em muito maior quantidade. Devido a essas caracterís- ticas, práticas como calagem, fertilização e adição de matéria orgânica são essenciais para obtenção de elevadas produtividades nestes solos. Neste aspecto, o aporte de nutrientes ao solo devido à irrigação com esgoto pode ser importante e implicar em redução de custos com a fertilização mineral convencional. 3.2.2.5 Alterações nos atributos do solo causadas pela irrigação com esgoto O esgoto sanitário possui características que podem alterar os atributos físicos, quí- micos e biológicos do solo. Pode ocorrer aumento de pH e da velocidade de decom- posição de matéria orgânica, com consequente alteração na ciclagem de nutrientes como o carbono e o nitrogênio, reduzindo, desta forma, a disponibilidade de carbono orgânico e de nitrogênio total, via nitrificação e desnitrificação. Por outro lado, alguns autores observaram aumentos na concentração de carbono e nitrogênio total, indi- cando que o aporte desses nutrientes pelo esgoto compensa a redução causada pelos fenômenos anteriormente descritos. O aporte de fósforo pelo esgoto não é excessivo e as formas presentes podem ser consideradas assimiláveis pelas plantas.
- 62. UTILIzAçãO DE ESGOTO TRATADO NA AGRICULTURA: APORTE DE áGUA E NUTRIENTES 61 Outro problema que pode estar associado à irrigação com esgoto é o aporte dos íons cloreto e sulfato, que, associados ao sódio, são potenciais causadores de salinização do solo. Assim, o controle da sodificação e da salinização deve ser considerado im- prescindível para prática de irrigação com esgoto tratado. Recomenda-se o monito- ramento dos seguintes atributos: condutividade elétrica, percentual de sódio trocável, razão de adsorção de sódio e o pH. O percentual de sódio trocável (PST) é definido por (Equação3.1): Na PST = x 100 Equação 3.1 CTC onde: Na: sódio trocável ou adsorvido, em mmolc.kg-1 CTC: capacidade de troca de cátions do solo (Ca + Mg + Na + K + Al + H), em mmolc.kg-1 Problemas com sodificação de solos passam a ser importantes quando o PST atinge valores superiores a 15%. Neste caso, a produtividade das culturas pode ser diminuída pela desestruturação do solo e baixa permeabilidade à água, como discutido ante- riormente. Solos sódicos, portanto, exigem manejo para sua recuperação e retorno ao ciclo produtivo. Com relação à condutividade elétrica, solos com CE > 4 dS.m-1 são considerados salinos e podem ter efeitos tóxicos de Cl sobre as plantas. A irriga- ção com esgoto tratado, se não adequadamente manejada, pode provocar aumentos no PST e na condutividade elétrica, acarretando problemas na condutividade hidráu- lica do solo. Metais pesados tóxicos, a exemplo de Cd, Pb e Ni, encontram-se geralmente em bai- xa concentração na maioria do esgoto tratado e não parecem representar maiores problemas para a utilização do esgoto na irrigação. De qualquer maneira, o monito- ramento desses íons no esgoto e no solo merece atenção para garantir a sustentabi- lidade ambiental da prática. 3.2.2.6 A irrigação com esgoto tratado e a fertilidade do solo O pH indica o condicionamento e a disponibilidade de nutrientes no solo, visto que atua sobre o equilíbrio das diversas espécies químicas presentes, principalmente em termos de solubilidade. Assim, os metais em geral, como ferro, cobre, manganês, zinco e alumínio têm sua disponibilidade reduzida com a elevação do pH, por precipitarem na forma de hidróxidos e carbonatos. Já elementos como o nitrogênio, fósforo, po- tássio, cálcio, magnésio, enxofre, molibdênio e o íon cloreto têm a disponibilidade aumentada com a elevação do pH. Assim, considera-se o meio neutro adequado para a obtenção da disponibilidade máxima de nutrientes, sendo os valores de pH próximos a 6,5 os mais indicados para o desenvolvimento da maioria das culturas.
- 63. 62 ESGOTO A importância da matéria orgânica é inquestionável. Ela se constitui substrato da ati- vidade microbiana e influencia a fertilidade e atributos físicos, químicos e biológicos do solo, conferindo-lhe estrutura granular, porosidade e retenção de umidade. A ma- téria orgânica, devido às contribuições para aumento da CTC, é fundamental para o aumento da retenção de cátions em solos tropicais, os quais naturalmente possuem minerais de baixa capacidade de troca catiônica. O nitrogênio, dependendo da concentração de matéria orgânica, apresenta dinâmica variável no solo, atividade microbiana e outras características que tornam seu com- portamento de difícil previsão. Além disso, a necessidade de doses adequadas de ni- trogênio em diferentes épocas do crescimento das culturas faz necessário o controle efetivo das taxas de irrigação. Salienta-se que o excesso de nutrientes pode ser pre- judicial à planta, bem como pode levar à migração de formas tóxicas, como o nitrato, para a água subterrânea. Com relação ao fósforo, nutriente limitante para produção das culturas em solos tro- picais, a prática da irrigação com esgoto pode auxiliar na redução de custos com a adubação. Este elemento encontra-se disponível em solos com pH em torno de 6,5. Em solos com pH mais elevado, sua solubilidade é diminuída pela precipitação com Ca e Mg, enquanto em solos ácidos, o fósforo forma precipitados com Fe e Al. O fósforo pode sofrer, ainda, reações de fixação (adsorção específica) em minerais de argila, como caulinita e óxi-hidróxidos de ferro e alumínio do solo, e tornar-se indisponível para as plantas. O potássio, devido ao fato de ser um íon monovalente, apresenta alta mobilidade no solo e pode perder-se facilmente por lixiviação — especialmente em solos de baixa CTC e que receberam aporte elevado de Ca e Mg, elementos que competem com o K pela adsorção ao solo. O manejo da irrigação com esgoto, portanto, deve prever essas interações para garantir o suprimento adequado de potássio às plantas. 3.2.3 Irrigação com esgoto: efeitos sobre as plantas Os nutrientes, ou íons essenciais às plantas, podem ser divididos em dois grupos prin- cipais: macronutrientes (N, P, K, Ca, Mg e S), assim denominados por serem exigidos pelas plantas em grandes quantidades, e micronutrientes (Fe, Cu, Zn, Mn, Ni, Cl, Mo e B), exigidos pelo metabolismo vegetal em pequenas quantidades por participarem principalmente de reações enzimáticas (enquanto os macronutrientes, em geral, são principalmente constituintes de tecidos vegetais). Em geral, o solo não possui todos os nutrientes nas quantidades e disponibilidades necessárias para as culturas, havendo, portanto, a necessidade de fertilização mineral, orgânica ou via fertirrigação para fornecimento suplementar de nutrientes às plantas.
- 64. UTILIzAçãO DE ESGOTO TRATADO NA AGRICULTURA: APORTE DE áGUA E NUTRIENTES 63 Os nutrientes são transportados até as raízes e radicelas da planta, a partir da solu- ção de solo, por movimentos de difusão e fluxo de massa. Os nutrientes apresentam graus de mobilidade diferentes nas plantas. Nitrogênio, potássio, magnésio, cloro e molibdênio, por exemplo, são considerados móveis no solo e transportados principal- mente por fluxo de massa. O fósforo, por sua vez, é um elemento pouco móvel no solo, deslocando-se para as raízes por mecanismo de difusão. A capacidade que alguns solos possuem de diminuir a incidência de doenças em plantas ou de restringir o desenvolvimento de patógeno (supressividade do solo) pode ser alterada pela aplicação de determinados insumos ao solo, como por exem- plo, calcário, lodo de esgoto, estercos e efluentes. é possível que a adição de elemen- tos minerais e aumento da atividade microbiana advindos da irrigação com esgoto possam inibir o desenvolvimento de alguns patógenos, especialmente pela competi- ção com outros microrganismos no solo. Estudos recentes do grupo de pesquisa da UFPE/UFRPE demonstram um efeito inibidor da aplicação de efluente no solo sobre a patogenicidade de nematóides para a cultura do milho. Esta linha de pesquisa, nova no âmbito do Prosab, deverá ser continuada para o desenvolvimento de meto- dologias e avaliação deste efeito supressivo do efluente sobre os nematóides e outros patógenos do solo. 3.2.4 Problemas causados às plantas por alguns elementos Os danos às plantas, causados pelo acúmulo excessivo de elementos no tecido vegetal, constituem forma importante de fitotoxicidade. O alumínio, presente nos solos brasi- leiros devido à acidez, impede o desenvolvimento das radicelas. Neste contexto, o pH do solo exerce efeitos importantes, pois influi na solubilidade dos elementos. A toxicidade de espécies iônicas depende das características da espécie e variedade da planta, que possuem diferentes capacidades de absorção, acúmulo e exportação dos diversos íons. Por outro lado, atributos do solo, como concentração de matéria orgâ- nica, CTC, pH e potencial redox, governam a disponibilidade dos íons, nutrientes ou metais pesados. A alta salinidade da água, traduzida pela condutividade elétrica, pode comprometer o cultivo de culturas mais sensíveis. Por outro lado, baixa salinidade, em elevada proporção de sódio em relação ao cálcio e magnésio (RAS), diminui a infiltra- ção de água no solo. O esgoto tratado em lagoas de estabilização, reatores anaeróbios (tipo UASB) e filtros biológicos percoladores possuem condutividade elétrica na faixa de 0,6 a 1,0 dS.m-1 e RAS normalmente entre 1,6 e 3,7 (mmol.L-1)0,5. 3.2.5 Esgoto sanitário tratado como fonte de água e nutrientes O sistema solo-planta manejado adequadamente promove a absorção e retenção dos elementos do esgoto, incorporando-os à massa seca, sem que ocorra acúmulo
- 65. 64 ESGOTO no solo e contaminação do lençol freático. Isto é, promove a ciclagem de nutrientes, reduzindo a demanda por fertilização. Em cálculo desenvolvido nos estudos do Prosab 4, considerou-se a produção per ca- pita de esgoto de 150 L.hab.d-1 e a demanda de irrigação de 1.000 a 2.000 mm.ano-1, típica de regiões semiáridas. Considerando-se as concentrações de 15 a 35 mgN.L-1, 5 a 10 mgP.L-1 e 20 mgK.L-1, tem-se a aplicação de nutrientes de N: 150 a 700 kg.ha-1; P: 50 a 200 kg.ha-1 e K: 200 a 400 kg.ha-1. Estes resultados podem ser significativos em relação às demandas de fertilizantes das diversas culturas. 3.2.6 Qualidade da água para irrigação A água utilizada para irrigação deverá atender às necessidades da cultura e ao teor de água do solo, de forma a evitar ou minimizar a ocorrência de problemas para o cresci- mento das plantas. Uma preocupação constante refere-se à salinidade do solo, tendo em vista que os sais dissolvidos na água de irrigação podem acumular-se na solução do solo e em torno da zona radicular, dificultando a absorção de água. Reitera-se que a concentração de sais na água, ou de sólidos dissolvidos, relaciona-se com a condu- tividade elétrica. Dependendo de suas características, a água de irrigação pode levar à redução da con- dutividade hidráulica do solo em razão da dispersão de argilas, distribuição no perfil do solo e obstrução dos poros, dificultando a penetração de água até a zona radicular. Neste sentido, íons cálcio conferem estabilidade aos agregados que estruturam o solo, enquanto íons sódio provocam a dispersão de argilas. Geralmente, porém, a salinidade aumenta a velocidade de infiltração de água no solo. Assim, a baixa salinidade, ou elevada proporção de sódio em relação ao cálcio, é um fator que provoca diminuição na velocidade de infiltração da água. A razão de absorção de sódio (RAS) é definida por: Na + RAS = Equação 3.2 Ca +2 + Mg +2 2 onde: Na+, Ca+2 e Mg+2 representam as concentrações de íons em solução, expressas em mmolc.L-1. Em síntese, pode-se dizer que os principais atributos utilizados na avaliação de pro- blemas na infiltração de água no solo são: a condutividade elétrica (CE) e a razão de absorção de sódio (RAS).
- 66. UTILIzAçãO DE ESGOTO TRATADO NA AGRICULTURA: APORTE DE áGUA E NUTRIENTES 65 Em síntese, ainda, os atributos de interesse do esgoto a ser utilizado na irrigação de culturas são: a concentração de matéria orgânica — expressa em DBO (Demanda Bio- química de Oxigênio), DQO (Demanda Química de Oxigênio), COT (Carbono Orgânico Total) ou COD (Carbono Orgânico Dissolvido); a concentração de sólidos dissolvidos totais (a condutividade elétrica e a razão de adsorção de sódio, envolvidos com a per- meabilidade ou velocidade de infiltração de água no solo); sólidos em suspensão totais (que podem trazer problemas ao equipamento de irrigação); substâncias tóxicas como metais pesados e microrganismos (já que a alteração da biota resulta em modificações na atividade no solo e já que o esgoto pode trazer problemas de contaminação por bactérias, vírus, protozoários e helmintos); nitrogênio, fósforo e outros nutrientes que suprem parcialmente as necessidades das culturas — sendo que o nitrogênio, além de ser nutriente, pode estar relacionado à possibilidade de contaminação da água subter- rânea por mecanismos bioquímicos de nitrificação e desnitrificação. 3.3 Balanço hídrico e lâminas d’água de irrigação: características gerais e fundamentos sobre evapotranspiração de culturas Considerando que a determinação das quantidades de água aplicadas às culturas é de fundamental importância para a avaliação da viabilidade da utilização de esgoto tratado, os fundamentos envolvidos com o balanço hídrico do sistema devem ser esta- belecidos. Na determinação das lâminas de irrigação, a evapotranspiração das culturas é o elemento mais importante para a determinação das quantidades de esgoto a serem utilizadas na irrigação, tendo em vista que este é o mecanismo que regula o aporte de água às plantas. Por outro lado, em vários ambientes brasileiros, as elevadas neces- sidades hídricas poderão inviabilizar o sistema produtivo, por excesso da disposição de nutrientes. 3.3.1 Lâmina da água de irrigação A lâmina de irrigação a ser aplicada depende da capacidade de armazenamento do solo e da dinâmica de entradas e saídas de água no solo, ou balanço hídrico. Pode-se escrever: I = ARM – Pef + ETc Equação 3.3 onde: I: lâmina da água fornecida por irrigação (em mm) ARM: armazenamento de água no solo (em mm) Pef: precipitação pluvial efetiva (chuva efetiva) – (em mm) ETc: evapotranspiração da cultura (em mm)
- 67. 66 ESGOTO O conceito de precipitação efetiva está ligado ao fato de que pode ocorrer percolação profunda incontrolada quando há muita umidade, devendo-se considerar apenas a parte armazenada no solo. Para situações de elevado grau de salinidade ou sodificação, introduz-se a fração de lixiviação (FL), determinada em função dos valores de condutividade elétrica da água de irrigação e do limite de condutividade elétrica do solo para que a cultura não sofra redução de produtividade. I = ARM – Pef + FL+ ETc Equação 3.4 onde: I: lâmina da água fornecida por irrigação (em mm) ARM: armazenamento de água no solo (em mm) Pef: precipitação pluvial efetiva (chuva efetiva) – (em mm) ETc: evapotranspiração da cultura (em mm) FL: fração de lixiviação (em mm) Para o planejamento do manejo, ou controle ambiental do sistema de irrigação, é pre- ciso obter-se dados de evapotranspiração das culturas, saber como podem ser obtidos ou determinados, como são expressos e os fatores que afetam este fenômeno. A idéia central é determinar a evapotranspiração a partir de dados de referência obtidos em culturas sob condições padrão. 3.3.2 O processo de evapotranspiração De acordo com o boletim “Crop evapotranspiration: guidelines for computing crop water requirements” (FAO,1988), o processo de evapotranspiração é considerado a combinação de dois processos separados em que a água é perdida ou por evaporação direta da superfície do solo ou pela transpiração das culturas. A evaporação é o processo em que a água no estado líquido é convertida em vapor d’água, sendo assim removida da superfície de evaporação, como é o caso dos solos e de plantas úmidas. A energia solar e a temperatura do ar são os agentes propulsores da vaporização. O vapor d’água formado é removido da superfície devido à diferença entre a pressão de vapor da água e a pressão atmosférica. A velocidade de transferên- cia é decrescente em função da saturação da atmosfera ao redor, sendo sua renovação influenciada pela ação de ventos. Desta forma, a radiação solar, a temperatura, a umi- dade do ar e a velocidade do vento são variáveis a serem consideradas na avaliação do processo de evapotranspiração. No solo, o grau de sombreamento da cultura e a quantidade de água disponível na superfície de evaporação são outros fatores a serem considerados. As águas da chuva e de irrigação, bem como a proveniente do lençol freático, umedecem a superfície do solo. Onde o solo é capaz de armazenar água
- 68. UTILIzAçãO DE ESGOTO TRATADO NA AGRICULTURA: APORTE DE áGUA E NUTRIENTES 67 suficiente para suprir a demanda da evaporação, ela é regida apenas pelas condições meteorológicas. Entretanto, se o intervalo entre chuvas ou irrigações é grande, a su- perfície do solo pode entrar em processo de secagem, limitando progressivamente o processo de evaporação. Se o solo não for irrigado, a evaporação decresce rapida- mente, podendo cessar em poucos dias (FAO, 1998). 3.3.3 Transpiração A transpiração consiste na vaporização da água no estado líquido contida nos tecidos das plantas e a transferência do vapor para a atmosfera. As culturas perdem água principalmente pelos estômatos, pequenas aberturas nas folhas pelas quais os gases e o vapor d’água podem passar. A água e os nutrientes nela dissolvidos são retirados da solução de solo pelas raízes e transportados ao longo da planta. A vaporização ocorre nos espaços intracelulares das folhas e a troca de vapor com a atmosfera é controlada pela abertura dos estômatos. Praticamente, toda água retirada do solo pela planta é perdida e apenas uma pequena fração é incorporada. A transpiração, assim como a evaporação direta, tem por fonte de energia a radiação solar e a temperatura do ar, e dependem, também, do gradiente de pressão de vapor e dos ventos. A quantidade de água no solo e a capacidade deste de conduzir água à região radicular também influem na velocidade de transpiração, assim como as carac- terísticas (tipos) das culturas, aspectos ambientais e práticas agronômicas. 3.3.4 Evapotranspiração (ET ) A evaporação e a transpiração ocorrem ao mesmo tempo, sendo difícil caracterizá-las separadamente. A evaporação de um solo cultivado é determinada pela disponibili- dade de água e pela incidência da radiação solar à sua superfície, sendo que esta últi- ma decresce ao longo do crescimento da cultura por efeito de sombreamento crescente. Assim, no início do período de cultivo, a evaporação é predominante, embora a trans- piração passe a prevalecer ao final do crescimento. A taxa de evapotranspiração (quantidade de água perdida por uma superfície cultiva- da em unidades de altura de água) é expressa em milímetros por unidade de tempo (horas, dias, anos ou o ciclo de cultivo). Como um hectare corresponde a 10.000 m2 e 1 mm é igual a 0,001 m, uma perda de 1 mm de água corresponde à perda de 10 m3 de água por hectare. Isto significa que 1 mm.d-1 é equivalente a 10 m3.ha.d-1. As alturas de águas podem também ser associadas com a energia (calor requerido para vaporizar a água) recebida por unidade de área. Essa energia, chamada de calor latente de vaporização (λ), depende da temperatura da água. A 20oC, λ vale aproximadamente
- 69. 68 ESGOTO 2,45MJ.kg-1, ou seja, 2,45 MJ são necessários para vaporizar 1 kg ou 0,001 m3 de água. A energia introduzida de 2,45 MJ por m2 é capaz de vaporizar 0,001 m ou 1 mm de água, o que significa que 1 mm é equivalente a 2,45 MJ.m-2. A taxa de evapotranspira- ção é expressa em MJ.m-2.d-1, e representada por λ ET, ou fluxo de calor latente. Para a conversão entre as formas em que se apresenta a taxa de evapotranspiração, a Tabela 3.1 pode ser consultada (FAO, 1998). Tabela 3.1 > Fatores de conversão para resultados de evapotranspiração ALTURA VOLUME POR UNIDADE DE ÁREA ENERGIA POR UNIDADE DE ÁREA (*) mm.d-1 m3.ha-1.d-1 L.s-1.ha-1 MJ.m-2.d-1 1 mm.d -1 1 10 0,116 2,45 1 m3.ha-1.d-1 0.1 1 0,012 0,245 1L.s .ha -1 -1 8,640 86,40 1 21,17 1 MJ.m-2.d-1 0,408 4,082 0,047 1 FONTE: FAO (1998). NOTA: (*) PARA áGUA COM DENSIDADE DE 1000KG.M-3 E A 20OC 3.3.5 Fatores que afetam a evapotranspiração Os principais fatores que afetam a evaporação e a transpiração são as condições climáticas, características das culturas, manejo e aspectos ambientais. As principais características climáticas que influenciam a evapotranspiração são a radiação, a tem- peratura do ar, a umidade e a velocidade do vento. A capacidade de evaporação da atmosfera é expressa relativamente à evapotranspiração de uma cultura de referência padronizada (ET0). A ET0 é a demanda para evaporação de culturas desenvolvidas em campos grandes, sob condições de insolação, ambientais e de manejo ótimas, que resultam em produção plena sob dadas condições ambientais. 3.3.6 Fatores relativos à cultura O tipo de cultura, a variedade e o estágio de desenvolvimento devem ser considerados para a determinação da evapotranspiração. A resistência à transpiração é influen- ciada pela altura, rugosidade, capacidade de reflexão e características do enraizamento das culturas e cobertura do solo. A ET, contudo, resulta diferentemente para diferen- tes culturas, ainda que sob as mesmas condições ambientais (FA0, 1998). 3.3.7 Manejo e condições ambientais A evapotranspiração depende da cobertura, densidade de plantas e teor de água no solo, sendo o déficit hídrico definido pelo tipo de solo.
- 70. UTILIzAçãO DE ESGOTO TRATADO NA AGRICULTURA: APORTE DE áGUA E NUTRIENTES 69 O desenvolvimento das culturas e, consequentemente, a evapotranspiração, podem ser limitados pela salinidade do solo, baixa fertilidade, aplicação insuficiente de fer- tilizantes, presença de horizontes impermeáveis e falta de controle de pragas. Outros fatores a serem considerados são a densidade de plantas e o teor de água no solo — que é função do déficit hídrico e do tipo de solo. Por outro lado, água em excesso resulta em acúmulo, o que pode comprometer as raízes, limitando a retirada de água por inibição da respiração. Quando as condições de campo diferem das condições padrão, são necessários fatores de correção para ajustar a ETC. Os ajustes refletem os efeitos das condições ambientais e de manejo em campo sobre a evapotranspiração da cultura. Na Figura 3.2 apresentam- se esquematicamente os conceitos fundamentais relativos à evapotranspiração. Deve ser estabelecida a diferença entre a evapotranspiração da cultura de referência (ET0), a evapotranspiração da cultura sob condições padrão (ETC) e a evapotranspiração da cultura sob condições não padronizadas (ETC aj). A ET0 é um parâmetro climático que expressa o poder de evaporação da atmosfera. A ETC refere-se à evapotranspiração de uma cultura ampla, bem manejada, irrigada e produzindo sob certas condições climáticas. Como estas diversas condições podem se afastar do ideal, afetando o cres- cimento e a evapotranspiração das culturas, é preciso corrigir-se a ETC para condições não padronizadas. Clima: Cultura de gramínea radiação, temperatura, + de referência, = ET0 velocidade do vento, bem manejada umidade Fator K c ET0 x (Cultura em condições = ETC agronômicas ideais) x K s x K c Ajustado = ETC Aj ET0 (Cultura em stress de água e ambiental) FONTE: FAO (1998). Figura 3.2 Evolução do conceito de evapotranspiração de culturas
- 71. 70 ESGOTO 3.3.8 Evapotranspiração da cultura de referência (ET0 ) A taxa de evapotranspiração de uma superfície de referência, que não possui umidade muito baixa, é a chamada evapotranspiração da cultura de referência ou evapotranspi- ração de referência, simbolizada por ET0 — conforme previamente mencionado. A super- fície de referência possui uma cultura de gramínea com características hipotéticas. O conceito de evapotranspiração de referência foi introduzido para estudo da deman- da evaporativa da atmosfera de forma independente do tipo de cultura, bem como de seu crescimento e práticas de manejo. As características do solo não afetam a evapo- transpiração de referência porque a cultura possui água em abundância. Esta eva- potranspiração de referência pode ser associada com os valores de evapotranspiração das diversas culturas em diversos estágios do crescimento, locais e estações. Os únicos fatores que afetam o ET0 são os parâmetros climáticos, que dão origem ao próprio cálculo de seu valor. Na Tabela 3.2 são apresentados os valores médios de ET0 para diferentes regiões agroclimáticas. Tabela 3.2 > Valores médios de ET0 para diferentes regiões agroclimáticas, mm.d-1 REGIõES TEMPERATURA MéDIA DIÁRIA (OC) 10oC 20oC 30oC ou mais Tropicais e subtropicais úmido e subúmido 2-3 3-5 5-7 árido e semiárido 2-4 4-6 6-8 Temperadas úmido e subúmido 1-2 2-4 4-7 árido e semiárido 1-3 4-7 6-9 FONTE: FAO (1998). 3.3.9 Evapotranspiração das culturas sob condições padrão (ETC ) A evapotranspiração das culturas sob condições padrão, ETC, como visto, é a evapo- transpiração de culturas bem irrigadas e isentas de pragas e doenças, cultivadas em campos grandes, sob condições ótimas de solo e água e resultando em produção plena para dada condição climática. A quantidade de água necessária para repor as perdas por evapotranspiração de um solo cultivado é denominada requisito de água da cul- tura. As duas grandezas apresentam os mesmos valores numéricos. A água de irrigação necessária representa a diferença entre o requisito de água da cultura e a precipitação efetiva. A necessidade de água para irrigação envolve também quantidades adicionais para a lixiviação de sais e para compensar a não uniformidade na aplicação da água.
- 72. UTILIzAçãO DE ESGOTO TRATADO NA AGRICULTURA: APORTE DE áGUA E NUTRIENTES 71 A evapotranspiração da cultura pode ser calculada a partir de dados climáticos. Experimentalmente, determina-se o coeficiente da cultura (KC) pela razão ETC/ET0, ou seja: ETC = KC . ET0 Equação 3.5 onde: ETC: evapotranspiração sob condições padrão KC: coeficiente da cultura ET0: evapotranspiração da cultura de referência Diferenças anatômicas nas folhas, nas características dos estômatos e nas pro- priedades aerodinâmicas provocam diferenças na evapotranspiração de referência de culturas sob mesmas condições climáticas, motivo pelo qual os valores de KC das culturas são considerados em faixas e não em valor absoluto. Na Tabela 3.3 são apresentados os coeficiente médios para algumas culturas em função do estádio de desenvolvimento. Tabela 3.3 > Coeficientes médios de cultura, em função do estádio de desenvolvimento de algumas culturas CULTURA ESTÁDIO DE DESENVOLVIMENTO I II III IV Feijão 0,3 – 0,4 0,7 – 0,8 1,05 – 1,2 0,65 – 0,75 Algodão 0,4 – 0,5 0,7 – 0,8 1,05 – 1,25 0,8 – 0.9 Amendoim 0,4 – 0,5 0,7 – 0,8 0,95 – 1,1 0,75 – 0,85 Milho 0,3 – 0,5 0,8 – 0,85 1,05 – 1,2 0,8 – 0,95 Cana-de-açúcar 0,4 – 0,5 0,7 – 1,0 1,0 – 1,3 0,75 – 0,8 Soja 0,3 – 0,4 0,7 – 0,8 1,0 – 1,15 0,7 – 0,8 Trigo 0,3 – 0,4 0,7 – 0,8 1,05 – 1,2 0,65 – 0,75 FONTE: REICHARDT (1990). OBSERVAçõES: ESTáDIO I: EMERGêNCIA ATé 10% DO DESENVOLVIMENTO VEGETATIVO ESTáDIO II: 10% A 80% DO DESENVOLVIMENTO VEGETATIVO ESTáDIO III: 80% A 100% DO DESENVOLVIMENTO VEGETATIVO ESTáDIO IV: MATURAçãO 3.3.10 Evapotranspiração das culturas sob condições não padronizadas ( ETC aj ) A evapotranspiração das culturas sob condições não padronizadas (ETC aj) é a que se desenvolve sob manejo e condições ambientais diferentes das padronizadas. Sob con- dições de campo, a evapotranspiração real pode se desviar da ETC devido às condições não ideais como incidência de pragas, salinidade, baixa fertilidade do solo e escassez
- 73. 72 ESGOTO ou abundância excessiva de água. Tais condições podem favorecer um crescimento deficiente, bem como baixa densidade de plantas, culminando com a redução da taxa de evapotranspiração, que se torna inferior a ETC. A evapotranspiração das culturas sob condições não padronizadas é calculada a partir de um coeficiente de “stress” de água (KS) e/ou ajustando KC para todos os outros es- tresses e condições ambientais limitantes da evapotranspiração. A evapotranspiração da cultura pode ser estimada por medição direta ou indireta. A me- dição direta é feita por meio de lisímetros, recipientes colocados no solo com a abertura exposta ao ar. Estes recipientes são preenchidos com o solo escavado e a cultura é plan- tada em seu interior. Rega-se periodicamente cada um deles com quantidade de água acima da capacidade de armazenamento. Na parte inferior, há um tubo de drenagem para a retirada do excesso de água. A diferença entre as quantidades aplicadas e drena- das remete ao consumo de água. A lâmina de irrigação é calculada por: I = LE – LS = FL Equação 3.6 onde: LE: lâmina d’água de entrada (rega), mm LS: lâmina d’água de drenagem (saída), mm Na medição indireta, são correlacionados outros parâmetros do solo e da umidade. Quando são usados tensiômetros, estima-se a umidade do solo a partir de um po- tencial matricial. Para a estimativa da evapotranspiração, utilizam-se dados climáticos e modelos ma- temáticos que correlacionam estes dados com a evapotranspiração da cultura. São utilizados resultados de experimentos com culturas padrão, como a grama Batatais, para referenciar a evapotranspiração da cultura. 3.4 Sistemas de irrigação e uso com esgoto tratado A seguir é apresentado um resumo dos principais sistemas de irrigação com o obje- tivo principal de discutir quais os mais adequados para aplicação de esgoto tratado, tendo em vista a eficiência da aplicação e os riscos de contaminação por patógenos e dos efeitos adversos sobre o solo (eficiência do sistema de irrigação relacionada com a distribuição). 3.4.1 Processos de irrigação A irrigação deve compensar a transpiração de água das plantas e a evaporação direta da superfície do solo. A taxa de aplicação depende das características da cultura, do cli-
- 74. UTILIzAçãO DE ESGOTO TRATADO NA AGRICULTURA: APORTE DE áGUA E NUTRIENTES 73 ma e do solo. O clima determina a dinâmica da água no sistema solo-planta-atmosfera. As culturas são os principais agentes de retirada de água do solo e as propriedades des- te último determinam a disponibilidade estática (armazenamento) e dinâmica (fluxo) de água. A irrigação deverá ter por objetivo satisfazer a demanda hídrica da planta, sendo necessário o aporte de nutrientes. Quando a irrigação é feita com esgoto tratado que já contém nutrientes, poderá ser necessária complementação química convencional. O sistema de irrigação deve propiciar a garantia sanitária do solo e da planta. Neste sentido, a aspersão é desfavorecida em relação à irrigação localizada e subsuperficial quando se usa esgoto tratado. Entretanto, a escolha do sistema de irrigação depende- rá de características locais, do tipo de cultura e do esgoto tratado. A textura do solo exerce influência sobre o armazenamento de água. A capacidade de armazenamento e as características de retenção de água no solo são importantes para definir a lâmina máxima aplicada. O máximo armazenamento de água no solo é denominado “capacidade de campo” e o mínimo, “ponto de murcha permanente”. A definição de uma taxa hidráulica que atenda às condições agrícolas baseia-se no po- tencial matricial do solo para a cultura implantada. O potencial matricial da água do solo (Y) consiste na retenção da água no solo pela ação das forças de atração das partículas do solo (adsorção) e de capilaridade — contra a qual a planta tem que exercer um esforço pelo menos superior, para poder absorver a água necessária ao seu metabolismo e satisfa- zer a demanda de evaporação da atmosfera. A planta tem capacidade de absorver a água retida no solo na faixa que vai de um potencial maior (-0,10 a -0,33 atm) a um potencial menor (-15,00 atm). Estas variações definem, respectivamente, a capacidade de campo (CC) e ponto de murcha permanente (PM) e a diferença entre estas duas faixas de tensões, é denominada água disponível (AD). O potencial matricial crítico (Yc), que varia de cultura para cultura, com o clima, de acordo com a natureza do solo, com o método de irrigação empregado, dentre outros fatores, é obtido experimentalmente. Para culturas de milho, -0,5 < Yc < -1,5 e para a cana-de-açúcar, -0,8 < Yc < -1,5, conforme Vieira (1995). Partindo-se da necessidade de água de uma determinada cultura, adota-se um va- lor para o potencial matricial crítico. Este valor é aplicado na curva característica da umidade do solo — que corresponde à relação entre o potencial matricial crítico e a umidade do solo, obtendo-se a umidade crítica (UC) (que corresponde, por sua vez, a um limite inferior de umidade para uma cultura irrigada naquele solo). Quando a umidade do solo atinge a umidade crítica é realizada nova irrigação. A velocidade de infiltração de água no solo comporta-se como exponencial decrescente, tendendo a se estabilizar em um ponto de mínimo denominado “velocidade de infiltra- ção básica (VIB)”. Para que não haja escoamento superficial, a intensidade de aplicação deve ser inferior à VIB, que é expressa em mm.h-1.
- 75. 74 ESGOTO O sistema de irrigação deverá contemplar condições topográficas (características da área), pedológicas (solo) e hidrogeológicas (água do lençol), além das próprias culturas. Podem ocorrer problemas de entupimento e de desempenho do processo de irrigação. O entupimento pode ser motivado pela presença de sólidos em suspensão na águas de irrigação. Sais podem provocar desgaste e corrosão, ou formação de incrustações nas tubulações. Os microrganismos podem promover a formação de películas biológicas no interior da tubulação, que podem levar à corrosão. Daí a importância da presença na água de irrigação de um desinfetante com ação residual como o cloro. A uniformidade de aplicação e eficiência dos sistemas de irrigação podem ser avalia- das pelo coeficiente de uniformidade de Christiansen (CUC), caracterizando a unifor- midade de distribuição da água: ⎡ n − ⎤ ⎢ ∑ Li − L ⎥ ⎢ CUC = 100 . 1 − i =1 ⎥ Equação 3.7 ⎢ − ⎥ ⎢ n× L ⎥ ⎣ ⎦ onde: Li: lâmina coletada no coletor i (mm) : lâmina média, considerando-se todos os coletores (mm) n: número de coletores 3.4.2 A irrigação com esgoto e a qualidade da água do lençol freático Visando proteger fontes de água, incluindo os aquíferos, a irrigação deve ser feita tomando algumas medidas que protejam estes ambientes mantendo distâncias re- comendáveis. Ela também não deve ser realizada em áreas de recarga dos aquíferos. A instalação de estações de monitoramento na área da irrigação é recomendada, com a instalação de sondas de ponta porosa (para a retirada de amostras de água inters- ticial no solo) e de coletores de drenagem livre (para a amostragem de água de per- colação nestes solos). Além destas medidas, a instalação de poços de monitoramento é obrigatória para se avaliar a qualidade da água subterrânea. Recomenda-se, para esta situação, que se adote algum método para se determinar as linhas de fluxo da água no solo para o devido posicionamento destes poços de observação, bem como, para se garantir, efetivamente, a devida amostragem para avaliar o efeito da irrigação na área de plantio.
- 76. UTILIzAçãO DE ESGOTO TRATADO NA AGRICULTURA: APORTE DE áGUA E NUTRIENTES 75 3.5 Caracterização dos experimentos desenvolvidos no Prosab 5 Para posterior discussão dos efeitos sobre o sistema solo-planta, apresentam-se, inicialmente as características gerais das pesquisas desenvolvidas pelas instituições participantes no Prosab 5. 3.5.1 Pesquisa desenvolvida na Universidade Federal do Ceará A pesquisa desenvolvida na Universidade Federal do Ceará teve como objetivo geral a avaliação da potencialidade do uso de esgoto sanitário tratado (efluente da segunda lagoa de maturação, de um sistema composto por quatro lagoas em série) na irrigação de cultura de mamona, mediante o estudo detalhado da importância, na produtivi- dade final, dos macro e micronutrientes presentes na adubação e aplicados em dife- rentes níveis e combinações. Mais especificamente, desejou-se estudar o efeito dos diferentes níveis e combinações dos macronutrientes NPKS e a resposta da mamona (sua produtividade) à aplicação de micronutrientes Fe, Zn, Cu, B, Mn e Mo, em asso- ciação com os macronutrientes essenciais. Na primeira etapa da pesquisa, foi planejado o delineamento estatístico em blocos com 04 tratamentos e 04 repetições cada. As repetições constaram de 17 parcelas (Quadro 1), com 06 plantas, cada, espacializadas ao acaso, formando um total de 68 parcelas. Nesta etapa, a adubação das duas parcelas foi feita variando-se as quantida- des de Nitrogênio e Potássio. A segunda etapa foi subdividida em dois experimentos, com delineamento experi- mental por blocos ao acaso, com quatro repetições, no esquema fatorial 2 X 3, em que as variáveis dependentes foram: água (experimento 1) e esgoto sanitário tratado (experimento 2), e três níveis de zinco e três níveis de boro para os experimentos 1 e 2, respectivamente. A parcela correspondeu a uma fileira de dez plantas, sendo a área útil constituída de 8 plantas. No experimento 1, os níveis de adubação com zinco foram: sulfato de zinco nas quantidades de T1= 0 (zero) kg.ha-1, T2 = 16,66 kg.ha-1 e T3 = 33,33 kg.ha-1 (tanto nas parcelas irrigadas com água quanto com esgoto). No experimento 2, os níveis de adubação com boro utilizando o bórax foram: T1= 0 (zero) kg.ha-1, T2 = 6,66 kg.ha-1 e T3 = 13,33 kg.ha-1 (tanto na água quanto no esgo- to). A adubação dos outros micronutrientes foi constante para os dois experimentos, tendo sido aplicados 5 kg.ha-1 de sulfato de cobre, 10 kg.ha-1 de sulfato de manganês, 1 kg.ha-1 de molibdênio e 2 kg.ha-1 de sulfato ferroso amoniacal. O sistema de irrigação utilizado foi o de microaspersão, controlando-se a aplicação de água por meio de tensiômetros. Foram monitoradas as concentrações de N, P K, S, Ca, Mg, S, Mn, Zn, Cu, Fe, B, Mo, Cl e Ni no efluente, sendo que as variáveis monitoradas no solo foram: Ca, Mg, K, Na, Al, CTC, soma de bases, saturação por bases, PST, RAS, C,
- 77. 76 ESGOTO N, P, MO, pH e CE. Controlou-se, também, a produtividade e a quantidade de óleo a ser extraído das plantas. Na Figura 3.3 apresenta-se uma vista do desenvolvimento da cultura de mamona. FONTE: UNIVERSIDADE FEDERAL DO CEARá. AQUIRAZ, CE. Figura 3.3 Cultura de Mamona 3.5.2 Pesquisa desenvolvida na Universidade Federal do Pará A pesquisa desenvolvida na Universidade Federal do Pará (UFPA) teve por objetivo a avaliação do efeito da utilização de esgoto sanitário tratado na fertirrigação de plan- tas de Alpinia purpurata, tanto avaliando seu aproveitamento, como visando a redu- ção dos custos de produção, a melhoria da qualidade das flores tropicais e a diminuição da poluição ambiental. Foi utilizado efluente de reator aeróbio de leito expandido, como água de irrigação, aplicado às flores por gotejamento controlado por tensiômetros. O delineamento ex- perimental utilizado foi o de blocos ao acaso, com quatro tratamentos e três repeti- ções, totalizando doze parcelas experimentais. Os tratamentos são: T1 — sem irrigação e com fertilizantes minerais; T2 — irrigação com fertilizantes minerais; T3 — irriga- ção com efluente de esgoto sanitário tratado e T4 — irrigação com efluente de esgoto sanitário tratado e complementação mineral.
- 78. UTILIzAçãO DE ESGOTO TRATADO NA AGRICULTURA: APORTE DE áGUA E NUTRIENTES 77 Na Figura 3.4 apresenta-se uma vista das instalações da UFPA. 3.5.3 Pesquisa desenvolvida nas Universidades Federal e Federal Rural de Pernambuco A pesquisa desenvolvida pela UFPE e UFRPE teve por objetivos gerais forne- cer subsídios para a irrigação de milho com efluente e estudar a indução da supressividade de solos por doenças de plantas causadas por fungos e ne- matóides. Paralelamente, foram anali- sadas as alterações químicas no solo e o desempenho da cultura do milho irri- gada com efluente de reator anaeróbio do tipo UASB. FONTE: UNIVERSIDADE FEDERAL DO PARá. BELéM,PA. O delineamento experimental foi do Vista da cultura de Alpinia tipo inteiramente casualizado, com 3 Figura 3.4 purpurata da UFPA repetições de 8 tratamentos, a saber: T1 – irrigação com água de abastecimento; T2 –―irrigação com água de abastecimento associado à aplicação de NPK (associação recomendada para a cultura); T3 –―irrigação com água de abastecimento associada à infestação com F. oxysporum f.sp. lycopersici e M. incógnita; T4 –―irrigação com água de abastecimento associada à aplicação de NPK (recomendada para a cultura) associada, também, à infestação com Fusarium oxysporum f.sp. lycopersici e Meloidogyne incóg- nita; T5 –―irrigação com efluente; T6 –―irrigação com efluente associada à aplicação de NPK para complementar a exigência da cultura; T7 –―irrigação com efluente associada à infestação com F. oxysporum f.sp. lycopersici e M. incognita; T8 –―irrigação com efluente associada à aplicação de NPK para complementar a exigência da cultura associada, tam- bém, à infestação com Fusarium oxysporum f.sp. lycopersici e Meloidogyne incógnita. O sistema de irrigação utilizado foi o localizado por gotejamento, com monitoramento do potencial matricial da água no solo por tensiômetros. No efluente foram monito- radas as concentrações de N, P, K, Na, Ca, DBO, DQO, NTK, NH4, NO2 e NO3, P-total. Em amostras de solo, foram monitoradas as seguintes variáveis: pH, MO, NO3, NH4, P, K, Ca, Mg, Na, Al, H+Al, S, CTC, CTCe, RAS, PST e V. Monitorou-se também a produtividade da cultura e as concentrações de N, P, K e metais na plantas. Na Figura 3.5 apresenta-se uma vista das instalações da UFPE.
- 79. 78 ESGOTO FONTE: UNIVERSIDADE FEDERAL DE PERNAMBUCO. RECIFE, PE. Figura 3.5 Vista das instalações experimentais da UFPE 3.5.4 Pesquisa desenvolvida na Universidade Federal do Rio Grande do Sul A pesquisa realizada na Universidade Federal do Rio Grande do Sul teve por objeti- vo a avaliação dos impactos sobre o solo e sobre os recursos hídricos da fertirrigação de culturas de milho (verão) e aveia (inverno) com efluente de sistema constituído de reator anaeróbio do tipo UASB seguido de lagoas de polimento. Recorreu-se ao delineamento experimental em faixas, em um sistema de irrigação por sulcos com plantio em camaleão, com quatro repetições de três tratamentos, a saber: efluente de reator anaeróbio (UASB); efluente de lagoa de polimento e testemunha; irrigação com água tratada e adubação de base e de cobertura. A irrigação foi contro- lada pela capacidade de infiltração da água no solo. Foram realizadas análises de solo e efluente antes e após a irrigação, para determinação de macro e micro nutrientes (N, P, K, Ca, Mg, S, Mo, Cu, B, Mn, Zn) e Na. Mediram-se também os teores de matéria seca das plantas. Na Figura 3.6 apresenta-se uma vista da cultura de milho instalada pela Universidade Federal do Rio Grande do Sul.
- 80. UTILIzAçãO DE ESGOTO TRATADO NA AGRICULTURA: APORTE DE áGUA E NUTRIENTES 79 FONTE: UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO GRANDE DO SUL. PORTO ALEGRE, RS. Figura 3.6 Vista da cultura de milho da Universidade Federal do Rio Grande do Sul 3.5.5 Pesquisa desenvolvida na Universidade Estadual de Campinas A pesquisa desenvolvida pela UNICAMP no município de Franca/SP, envolveu o uso de efluente de lagoa facultativa em cultura de eucalipto, avaliando a eficácia na produtividade e qualidade do produto. Paralelamente, objetivou-se avaliar os im- pactos sobre o solo (pelo aumento da salinidade e da concentração de metais) e sobre a água subterrânea (pela possível introdução de nitrato, metais e patógenos). A sanidade e a produtividade da cultura foram monitoradas, bem como as lâminas de irrigação aplicadas. O delineamento experimental utilizado foi o de blocos casualizados, com 04 repeti- ções, e os tratamentos: T1 — adubação convencional (NPK+B+Zn) sem irrigação; T2 — adubação convencional (NPK+B+Zn) com irrigação com água limpa; T3 — irrigação com 1/3 da dose de efluente associada à adubação convencional (NPK + B + Zn); T4 — irrigação com 1/2 da dose de efluente associada à adubação convencional (NPK + B + Zn); T5 — irrigação com uma dose de efluente associada à adubação convencional (NPK + B + Zn); T6 — irrigação com uma dose de efluente sem adubação; T7 — irriga- ção com 1,5 a dose de efluente associada à adubação convencional (NPK + B + Zn); T8 — sem irrigação e sem adubação. O sistema de irrigação utilizado foi por microaspersão e a umidade do solo foi con- trolada por tensiômetros. No efluente da lagoa foram monitorados: N, P, K, metais
- 81. 80 ESGOTO pesados, coliformes totais e termotolerantes, ovos de helmintos, cistos de protozoários e vírus. No solo foram monitorados: pH, condutividade elétrica, carbono oxidável total, matéria orgânica; Na e RAS, Cd, Cr, Cu, Ni, Zn e Pb. Nas plantas foram monitorados: Cd, Zn, Pb, Cr, Cu, Ni, Na, K, Ca, Mg, CO3, SO4, F, Cl, altura da planta, diâmetro à altura do peito (DAP), índice de área foliar (IAF) e clorofila. Na Figura 3.7 mostra-se uma vista da plantação de eucalipto da UNICAMP. 3.5.6 Pesquisa desenvolvida na Universidade de São Paulo A pesquisa desenvolvida na Universi- dade de São Paulo (Escola Superior de Agronomia “Luiz de Queiróz e Escola Politécnica) teve por objetivo central FONTE: UNIVERSIDADE FEDERAL DE CAMPINAS. FRANCA, SP. produzir informações para a avaliação da viabilidade e da sustentabilidade do Figura 3.7 Plantação de eucalipto da UNICAMP uso de efluente de lagoa facultativa na irrigação de culturas de cana-de- açúcar e de capim Bermuda Tifton-85. Mais especificamente, objetivou-se avaliar os efeitos da utilização de efluente sobre as características físicas, químicas e biológicas do sistema solo-planta-água do lençol freático, e subsidiar a avaliação da viabilidade desta prática por meio do controle das lâminas aplicadas nas culturas — que represen- tam redução de necessidades de tratamento para lançamento em corpos d’água. O delineamento experimental utilizado em ambas as culturas foi idêntico. Objetivou- se a avaliação dos efeitos da aplicação de lâminas excedentes, constituído de blocos com parcelas subdivididas no tempo, com cinco tratamentos correspondendo a dife- rentes lâminas de irrigação e quatro repetições, a saber: T1 — SI, sem irrigação e sem adubação N mineral; T2 — 100, umidade ideal (capacidade de campo); T3 — 125, 25% a mais da umidade ideal; T4 — 150, 50% a mais da umidade ideal e T5 — 200, 100% a mais da umidade ideal. As parcelas dos tratamentos T2 (100) a T5 (200) receberam quantidades iguais de fertilizante mineral (nitrato de amônio), por ocasião do plantio, para suprir 50% da ne- cessidade de nitrogênio pela cultura. Os sistemas de irrigação utilizados foram por gotejamento (cana-de-açúcar) e asper- são convencional (Capim Tifton), ambos controlados por tensiômetros. No efluente fo- ram monitorados: temperatura, pH, alcalinidade, condutividade elétrica, sólidos, DBO, DQO, NTK, NH4, NO2 e NO3, P-total, P-Orto, K, Na, Ca, Mg, Al, Cd, Cr, Cu, Ni, Zn, Mn,
- 82. UTILIzAçãO DE ESGOTO TRATADO NA AGRICULTURA: APORTE DE áGUA E NUTRIENTES 81 Fe, B, RAS, clorofila-a, coliformes totais e E. coli e ovos de helmintos. No solo foram monitorados: pH, COD, NO3, SO4, Cl, NH4, P, K, Ca, Mg, Na, Al, H+Al, Cd, Cr, Cu, Ni, Zn, Mn, Fe, B, CTC, PST, V e RAS (solução de solo). Monitorou-se também a produtividade e a qualidade dos produtos. Na Figura 3.8 apresenta-se uma vista da cultura de cana-de-açúcar. FONTE: UNIVERSIDADE FEDERAL DE SãO PAULO. LINS, SP. Vista da cana-de-açúcar cultivada no campo experimental da Universidade Federal de Figura 3.8 São Paulo 3.6 Experiências no Prosab 5: lâminas aplicadas, aporte de nutrientes e demanda de área para a irrigação com esgoto. Em um ciclo de 12 meses relativos à cultura de mamona no campo experimental da UFC, em Aquiraz/CE, foram aplicadas as seguintes lâminas de irrigação, correspondentes aos coeficientes apresentados na Tabela 3.4:
- 83. 82 ESGOTO Tabela 3.4 > Dados de precipitação, lâminas de irrigação e áreas de culturas necessárias por m3/d de esgoto e por habitante, cultura de mamona, Aquiraz/CE MêS PRECIPITAçãO (mm/d) LâMINAS DE ÁREA NECESSÁRIA DE CULTIVO (m2) IRRIGAçãO (mm/d) Por m3/d de esgoto Por habitante 1 0,13 18,5 54 8 2 6,8 9,3 108 16 3 7,4 10,8 92 14 4 14,9 2,6 385 58 5 3,7 4,1 246 37 6 1,8 2 500 75 7 0 6,6 152 23 8 0,3 14,3 70 11 9 0,7 13,9 72 11 10 8,1 6,5 154 23 11 2,4 12,7 79 12 12 1,7 2,1 474 71 mínima 0 2 54 8 média 3,7 8,1 124 19 máxima 14,9 18,5 500 75 Desv. Padrão - - 164 25 FONTE: UNIVERSIDADE FEDERAL DO CEARá, AQUIRAZ, CE. OBSERVAçãO: PARA A ESTIMATIVA DA áREA NECESSáRIA POR HABITANTE ATENDIDO PELO SISTEMA DE ESGOTO, CONSIDEROU-SE A PRODUçãO DE 150 L/D DE ESGOTO POR HABITANTE. ESTES RESULTADOS SãO LANçADOS EM GRáFICO NA FIGURA 3.9. Área necessária de cultura por m3/d de esgoto e por habitante Observa-se que, para cada m3.d-1 de va- 600 Área de cultura por m3/d de esgoto zão de esgoto, são necessários, pelo me- 500 Área de cultura por habitante nos, 54 m2, com valor médio de 124 m2 400 Área (m2) correspondentes a pelo menos 8 m2 de 300 200 área cultivada por habitante, com valor 100 médio de 19 m2/habitante. 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 Em um ciclo de 12 meses relativos à Meses primeira cultura de cana-de-açúcar, no FONTE: UNIVERSIDADE FEDERAL DO CEARá, AQUIRAZ, CE. campo experimental da SABESP/USP, em Lins/SP, foram aplicadas as seguin- área de cultura de mamona neces- tes lâminas de irrigação no tratamento Figura 3.9 sária por m3/d de esgoto produzido e por habitante (Aquiraz / CE) T2 (umidade ideal), correspondentes aos coeficientes apresentados na Tabela 3.5:
- 84. UTILIzAçãO DE ESGOTO TRATADO NA AGRICULTURA: APORTE DE áGUA E NUTRIENTES 83 Tabela 3.5 > Dados de precipitação, lâminas de irrigação e áreas de culturas necessárias por m3/d de esgoto e por habitante, cultura de cana-de-açúcar, Lins/SP MêS PRECIPITAçãO (mm/d) LâMINAS DE ÁREA NECESSÁRIA DE CULTIVO (m2) IRRIGAçãO (mm/d) Por m3/d de esgoto Por Habitante 1 1,2 6,9 145 22 2 6,4 5,6 177 27 3 2,6 9,0 109 16 4 7,7 1,0 1013 152 5 4,0 5,5 183 27 6 10,7 2,1 471 63 7 5,0 0,0 - - 8 1,5 4,2 238 36 9 0,2 7,4 135 20 10 0,3 8,7 116 17 11 0,4 13,5 74 11 12 0,7 1,9 540 81 mínima 0,2 1,0 74 11 média 3,7 6,2 161 24 máxima 10,7 13,5 1.013 152 Desv. Padrão - - 283 42 FONTE: UNIVERSIDADE DE SãO PAULO, LINS, SP. OBSERVAçãO: PARA A ESTIMATIVA DA áREA NECESSáRIA POR HABITANTE ATENDIDO PELO SISTEMA DE ESGOTO, CONSIDEROU-SE A PRODUçãO DE 150 L.D-1 DE ESGOTO POR HABITANTE. ESTES RESULTADOS SãO LANçADOS EM GRáFICO NA FIGURA 3.10. Área de cultura necessária por m3/d de esgoto e por habitante Observa-se que para cada m3.d-1 de va- 1200 1000 Área de cultura por vazão de esgoto (m2/m3/d) zão de esgoto são necessários, pelo Área de cultura por habitante (m2/hab) 800 menos, 74 m2, com valor médio de Área (m2) 600 161 m2 correspondentes a pelo menos 400 11 m2 de área cultivada por habitante, 200 com valor médio de 24 m2/habitante. 0 1 2 3 4 5 6 Meses 7 8 9 10 11 12 Neste estudo em Lins/SP, foram aplica- FONTE: UNIVERSIDADE DE SãO PAULO, LINS, SP. das lâminas excedentes, sendo que, com 50% de excesso de lâmina de irri- área de cultura de cana-de-açúcar gação, não foram identificados prejuí- Figura 3.10 necessária por m3/d de esgoto pro- zos ao sistema solo-planta-água, logo, duzido e por habitante (Lins/SP) caso seja necessário, a área necessária de cultivo poderá ser menor.
- 85. 84 ESGOTO Pode ser observado também que, a partir dos resultados desta pesquisa, entre o 4º e o 8º mês, as lâminas aplicadas mantiveram-se abaixo da lâmina média aplicada no período, resultando em acúmulo de 330 mm. Considerando-se que uma lagoa facultativa secun- dária ocupa uma área de 1,6 m2 por habitante e a cultura 24 m2 por habitante, tem-se a relação 24 / 1,6 = 15. Assim, caso se deseje acumular o volume excedente na própria lagoa facultativa, a elevação do nível d’água desta seria de 0,33 x 15 = 5 m — o que é imprati- cável. Este fato representa preliminarmente que não é viável armazenar as quantidades de esgoto que não podem ser aplicadas em função da ocorrência de elevados índices plu- viométricos, havendo, portanto, necessidade de tratamento do esgoto de forma a atender aos padrões de emissão e de classificação das águas do corpo receptor. Em um estudo desenvolvido ao longo de 5 anos (2003 a 2007), na área da cultura do capim Bermuda Tifton-85, no campo experimental da SABESP/USP, em Lins/SP, foram observados os seguintes dados de lâminas de irrigação aplicadas, correspondentes aos coeficientes apresentados na Tabela 3.6: Tabela 3.6 > Dados de precipitação, lâminas de irrigação e áreas de culturas necessárias por m3/d de esgoto e por habitante, cultura do capim bermuda Tifton-85, Lins/SP MêS PRECIPITAçãO LâMINAS DE ÁREA NECESSÁRIA DE CULTIVO (M2) (mm/d) IRRIGAçãO (mm/d) Por m3/d de esgoto Por Habitante 1 3,97 1,58 633 95 2 10,55 3,24 309 47 3 7,19 0,77 1.299 195 4 1,5 1,8 556 83 5 0,23 2,03 493 74 6 0,3 3,1 323 48 7 0,35 3,35 299 45 8 0,65 2,94 340 51 9 2,37 3,37 297 45 10 8,35 1,16 826 124 11 1,06 2,03 493 74 12 8,16 9,23 108 16 mínima 0,23 0,77 108 16 média 3,72 2,88 498 75 máxima 10,55 9,23 1.299 195 Desv. Padrão - - 315 47 FONTE: UNIVERSIDADE DE SãO PAULO, LINS, SP. OBSERVAçãO: PARA A ESTIMATIVA DA áREA NECESSáRIA POR HABITANTE ATENDIDO PELO SISTEMA DE ESGOTO, CONSIDEROU-SE A PRODUçãO DE 150 L/D DE ESGOTO POR HABITANTE. ESSES RESULTADOS SãO LANçADOS EM GRáFICO NA FIGURA 3.11.
- 86. UTILIzAçãO DE ESGOTO TRATADO NA AGRICULTURA: APORTE DE áGUA E NUTRIENTES 85 Área necessária de cultura por m3/d de esgoto e por habitante Observa-se que para cada m3.d-1 de va- 1400 1200 zão de esgoto são necessários, pelo me- 1000 nos, 108 m2, com valor médio de 498 m2 Área (m2) 800 600 correspondentes a pelo menos 16 m2 de 400 200 área cultivada por habitante, com valor 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 médio de 75 m2/habitante. Estes resulta- Meses dos são mais desfavoráveis sob o ponto Área de cultura por m3/d de esgoto Área de cultura por habitante de vista da utilização de esgoto, sendo FONTE: UNIVERSIDADE DE SãO PAULO, LINS, SP. necessárias vastas áreas para viabili- área de cultura de capim Tifton zação da utilização total do esgoto, de Figura 3.11 necessária por m3/d de esgoto forma a eliminar completamente as difi- produzido e por habitante (Lins/SP) culdades enfrentadas pelas companhias de saneamento, no que se refere ao lan- çamento em corpos d’água naturais. No experimento da UNICAMP/SABESP, em Franca/SP, a lâmina de efluente aplicada na cultura do eucalipto, no período de novembro 2007 a setembro de 2008, foi de 1864,5 mm, no tratamento com esgoto sem adubação complementar (T6). Este valor remete à média de 6,1 mm/d, perfazendo os índices de 164 m2/m3.d e 24 m2/habitante. No experimento da UFRGS, em Porto Alegre/RS, a lâmina média de efluente do reator UASB aplicada na cultura de milho, no período de novembro 2007 a fevereiro de 2008, foi de 1,7 mm/d, no tratamento com esgoto sem adubação complementar (T6). Este valor remete a 588 m2/m3.d e 88 m2/habitante. Na Tabela 3.7, os resultados das diversas pesquisas são reunidos, resultando a neces- sidade de área de 124 a 588 m2/m3/d ou 19 a 88 m2/habitante. Tabela 3.7 > áreas necessárias para as culturas: resultados médios das pesquisas do Prosab CULTURA LOCAL ÁREA NECESSÁRIA m2/m3/d m2/habitante Mamona Aquiraz/CE 124 19 Cana-de-açúcar Lins/SP 161 24 Capim Bermuda Tifton-85 Lins/SP 498 75 Eucalipto Franca/SP 164 24 Milho Porto Alegre/RS 588 88 FONTE: PESQUISAS DO PROSAB 5. Trata-se, no entanto, de regiões com índices pluviométricos razoavelmente elevados, de forma que a utilização agronômica de esgoto tratado possui potencial ainda maior em outras regiões do país, notadamente na região do semiárido nordestino.
- 87. 86 ESGOTO 3.6.1 Aporte de nutrientes decorrente da irrigação com esgoto tratado Levando-se em consideração as concentrações de nitrogênio amoniacal e de fósforo total presente no esgoto tratado utilizado nas irrigações dos diversos experimentos e as lâminas aplicadas, tem-se os aportes médios resultantes apresentados na Tabela 3.8. Tabela 3.8 > Aporte de nutrientes nas irrigações com esgoto tratado – Prosab 5 CULTURA LOCAL LâMINA CONCENTRAçãO DO NUTRIENTE APORTE DO NUTRIENTE APLICADA (mm/d) Nitrogênio Fósforo Nitrogênio Fósforo (mgN/L) (mgP/L) (kgN/ha.d) (kgP/ha.d) Mamona Aquiraz/CE 8,1 7,9 7,5 0,64 0,61 Cana-de-açúcar Lins/SP 6,2 33,3 4,5 2,05 0,28 Capim Tifton-85 Lins/SP 2,9 29,3 4,0 0,96 0,13 Eucalipto Franca/SP 6,1 59,9 11,7 3,65 0,71 Milho Porto Alegre/RS 1,7 25,0 14,0 0,43 0,24 FONTE: PESQUISAS DO PROSAB 5. Considerando-se as necessidades teóricas de adubação química em kgN/ha e de kgP/ ha e a duração de um ciclo de cultivo, pode-se determinar a contribuição relativa dos aportes de N e P provenientes do esgoto. Na Tabela 3.9 são apresentadas as necessi- dades de NPK de algumas culturas. De acordo com a Tabela 3.9, os aportes necessários de nitrogênio e de fósforo para a cultura de eucalipto são de 30 tonN/ha e 38,75 tonP/ha, respectivamente, sendo que os resultados obtidos na pesquisa da UNICAMP remetem às contribuições de 3,65 kgN/ ha.dia ou 1,33 tonN/ha.ano e 0,71 kgP/ha.dia ou 0,26 tonP/ha.ano. Ainda de acordo com a Tabela 3.9, os aportes necessários de nitrogênio e de fósforo para a cultura de cana de açúcar (plantio + soca) são de 150 tonN/ha e 78,6 tonP/ha, respec- tivamente. Os resultados obtidos na pesquisa da USP, porém, remetem às contribuições de 2,05 kgN/ha.dia ou 0,75 tonN/ha.ano e 0,28 kgP/ha.dia ou 0,10 tonP/ha.ano.
- 88. UTILIzAçãO DE ESGOTO TRATADO NA AGRICULTURA: APORTE DE áGUA E NUTRIENTES 87 Tabela 3.9 > Valores de NPK (em ton/ha) para diferentes tipos de culturas CULTURA N P 2O 5 K 2O OBSERVAçõES Produção esperada: Amendoim 10 80 40 1,5 - 3 ton/ha 50 + 8+ 35,5 + PE = Número de sacas Café 4,0 x PE 0,8 x PE 4,57 x PE beneficiadas a produzir Arroz de terras altas 45 plantio (*) na época 110 60 (sequeiro) + 45 (*) do perfilhamento Feijão comum 16 120 60 - Soja 15 60 60 - Cana-de-açúcar 30 + 120 150 + 30 120 +120 Plantio + soca Laranja 200 60 100 pomar de ~ 5 anos Sorgo 8 (plantio) + 40 60 32 - cobertura 15 (plantio) + Algodão 90 60 - 60 cobertura Eucalipto 30 90 60 - FONTE: EMBRAPA. 3.7 Experiências no Prosab relativas à distribuição de água Na pesquisa da UNICAMP, em Franca/SP, foram feitos ensaios para determinação do coeficiente de uniformidade de irrigação (CUC%) obtidos para microaspersores na área experimental do eucalipto. Os resultados são apresentados na Tabela 3.10. Tabela 3.10 > Resultados dos ensaios do coeficiente de uniformidade de irrigação (CUC%) para microaspersores (Netafim, tipo Gyronet) na área experimental do eucalipto PARâMETRO PARCELAS T1R1 T1R3 T3R1 T3R4 T7R1 T7R4 Lâmina média (mm) 5,30 5,12 4,21 4,45 4,27 4,66 CUC (%) 49,88 51,18 58,73 59,30 52,32 54,99 FONTE: UNICAMP, FRANCA, SP. Nas Figuras 3.12 e 3.13 são apresentadas as curvas de distribuição de água obtidas em duas repetições do tratamento T1, para dois sistemas diferentes de aspersão. Os resultados dos ensaios de uniformidade para os aspersores tipo subcopa indicaram que estes aspersores podem ser considerados adequados para a irrigação com esgoto tratado. A boa uniformidade na distribuição de água, garantiu que a maior parte da parcela irrigada recebesse pelo menos a lâmina média de irrigação proposta.
- 89. 88 ESGOTO T1-R1 T1-R3 12 12 11 11 10 T1-R1 10 T1-R3 12 12 9 9 11 16 11 16 8 8 10 10 7 12 7 12 9 9 6 16 6 16 8 8 5 8 5 8 7 12 7 12 4 4 6 4 6 4 3 8 3 8 5 5 2 0 2 0 4 4 4 4 1 3 1 3 0 2 0 0 2 0 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 1 1 FONTE: UNICAMP, FRANCA, SP. 0 0 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 Resultados do CUC obtidos para microaspersores, parcela T1R1, Figura 3.12 lâmina média = 5,30 mm e CUC = 49,9 % (esquerda) e parcela T1R3, lâmina média = 5,12 mm e CUC = 51,18 % (direita) T1-R1 T1-R3 12 12 11 T1-R1 11 T1-R3 1012 12 10 911 11 9 16 20 810 10 8 16 7 9 12 16 9 7 20 6 8 8 6 12 16 8 5 7 12 7 5 8 12 4 6 6 4 4 8 5 5 4 3 3 8 4 4 0 2 0 4 2 4 3 3 1 1 2 0 2 0 0 0 0 1 1 2 3 4 5 6 7 8 9 1 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 0 0 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 FONTE: UNICAMP, FRANCA, SP. Resultados de CUC para aspersor pingo setorial 470 L/h(Fabrimar), parcela T1R1, Figura 3.13 lâmina média = 7,68 mm e CUC = 69,24% (esquerda) e parcela T1R1, lâmina média = 7,78mm e CUC =73,72 % (direita)
- 90. UTILIzAçãO DE ESGOTO TRATADO NA AGRICULTURA: APORTE DE áGUA E NUTRIENTES 89 3.8 Experiências no Prosab 5: efeitos sobre o sistema solo-planta-água do lençol freático 3.8.1 Efeitos sobre o solo Nas pesquisas desenvolvidas pela UFC, a mamona foi irrigada com água bruta e com o efluente final da ETE de Aquiraz, constituída de tratamento preliminar, 01 lagoa ana- eróbia, 01 lagoa facultativa e 02 lagoas de maturação. As características da água e do efluente final são apresentadas na Tabela 3.11 (ver página seguinte). Na Tabela 3.12, são apresentados os atributos físicos da área experimental, antes e depois da jornada transcorrida entre janeiro e agosto de 2007. Na Tabela 3.13, são apresentadas as características químicas do solo. Tabela 3.12 > Atributos físicos do solo da área experimental utilizada pela UFC ATRIBUTO INíCIO FINAL Areia grossa (g kg ) -1 620 498 Areia fina (g kg )-1 300 410 Argila (g kg-1) 32 48 Argila natural (g kg ) -1 10 18 Silte (g kg-1) 38 45 Textura (%) Franco Arenoso Franco Arenoso FONTE: UNIVERSIDADE FEDERAL DO CEARá, AQUIRAZ, CE. Observa-se uma tendência de aumento dos teores dos constituintes mais finos do solo e a redução no teor de argila grossa, embora o curto período da pesquisa não possa conduzir a resultados conclusivos. Constata-se aumento na concentração de sódio nas camadas iniciais do solo e incre- mento na concentração de magnésio, embora não tenha sido observado crescimento na concentração de cálcio.
- 91. 90 ESGOTO Tabela 3.11 > Características físico-químicas e bacteriológicas das águas de irrigação utilizadas no cultivo da mamona PARâMETRO TIPO N MéDIA D.P. MíN MÁX C.V. Temperatura água bruta 15 29,45 1,14 27,7 31,2 0,04 °C Efluente tratado 15 29,09 0,81 27,6 30,3 0,03 pH água bruta 17 6 0,7 4,9 7,2 0,1 Efluente tratado 17 7,6 1,2 5,8 9,4 0,2 Alcalinidade água bruta 15 15,3 3,7 11,2 24,8 0,2 (mg/CaCO3/L) Efluente tratado 15 146,3 19,1 105,8 167,2 0,1 Cloretos água bruta 7 43,7 11,3 36 65,7 0,3 (mg/L) Efluente tratado 7 117,6 35,4 85,4 181 0,3 DBO água bruta 7 16,6 15,2 3,6 48,9 0,9 (mg O2/L) Efluente tratado 7 40,6 18,7 23,1 74,4 0,5 DQO total água bruta 13 54,4 79,4 5 280 1,5 FONTE: AQUIRAZ, CE (2007). NOTAS: N: NúMERO DE AMOSTRAS / D.P: DESVIO PADRãO / MÍN: MÍNIMO / MáX: MáXIMO / C.V: COEFICIENTE DE VARIAçãO (mg O2/L) Efluente tratado 14 131,4 121,7 25 456,7 0,9 DQO filtrada água bruta 6 28,3 18,4 5 50 0,6 (mg O2/L) Efluente tratado 8 52,1 23,6 29,9 105 0,5 SST água bruta 8 6,7 5,8 1 17 0,9 (mg/L) Efluente tratado 8 15,1 16,1 -9 42 1,1 Turbidez água bruta 14 11,3 8,2 3,3 33 0,73 (uT) Efluente tratado 14 36,8 41,4 10,2 159 1,13 Sódio água bruta 2 18,4 13 9,2 27,6 0,7 (mg/L) Efluente tratado 2 42,5 14,6 32,2 52,9 0,3 Cálcio água bruta 2 16 5,7 12 20 0,4 (mg/L) Efluente tratado 2 50,1 14,2 40,1 60,1 0,3 Magnésio água bruta 2 20,7 15,5 9,7 31,6 0,7 (mg/L) Efluente tratado 2 28 5,2 24,3 31,6 0,2 Amônia água bruta 3 0 0 0 0 0 (mg NH3/L) Efluente tratado 3 7,7 1,6 6,2 9,3 0,2 Fósforo água bruta 7 0,2 0,3 0 0,6 1,3 (mg P/L) Efluente tratado 11 9,8 10,7 0 27,2 1,1 Nitrato água bruta 10 0,14 0,06 0,1 0,22 0,43 Condutividade água bruta 17 192,0 38,0 140,0 260,0 0,20 (µs/cm) Efluente tratado 17 698,0 135,0 420,0 870,0 0,19 RAS água bruta 2 1,34 1,25 0,46 2,22 0,93 Efluente tratado 2 1,71 0,56 1,31 2,1 0,33 Colif. Totais água bruta 8 7,21E+02 1,01E+03 8,00E+01 2,50E+03 0,39 (NMP/100ml) Efluente tratado 6 2,13E+03 2,97E+03 2,00E+01 7,77E+03 0,14 E. coli água bruta 7 1,32E+02 2,47E+03 1,00E+00 6,70E+02 0,18 (NMP/100ml) Efluente tratado 6 2,71E+02 4,61E+03 1,50E+01 1,18E+03 0,17
- 92. UTILIzAçãO DE ESGOTO TRATADO NA AGRICULTURA: APORTE DE áGUA E NUTRIENTES 91 Tabela 3.13 > Características químicas do solo da área experimental da UFC CARACTERíSTICA PROF. (cm) ANTES DA APLICAçãO DE ESGOTO DEPOIS DA APLICAçãO DE ESGOTO Média Mín-Máx Média Mín-Máx 0 - 30 0,055 0,04-0,07 0,10 0,08-0,12 Sódio (cmol kg-1) 25-50 0,025 0,02-0,03 0,09 0,05-013 0 - 30 0,095 0,07-0,12 0,065 0,06-0,07 Potássio (cmol kg-1) 25-50 0,095 0,03-0,16 0,1 0,05-0,15 0 - 30 1,20 1,20-1,20 1,25 1,00-1,50 Cálcio (cmol kg-1) 25-50 1,00 1,00-1,00 0,9 0,80-1,00 0 - 30 1,05 1,00-1,10 1,75 1,60-1,90 Magnésio (cmol kg-1) 25-50 1,05 0,90-1,20 1,7 1,20-2,20 0 – 30 0,125 0,10-0,15 0,6 0,20-1,00 Alumínio (cmol kg-1) 25-50 0,675 0,35-1,00 0,18 0,14-0,22 0 - 30 2,4 2,3-2,5 3,15 3,1-3,2 SB (*1) (cmol kg-1) 25-50 2,15 1,9-2,4 2,9 2,3-3,5 0-30 2,52 2,4-2,65 3,75 3,3-4,2 CTCe(*2) 25-50 2,82 2,5-3,4 3,08 2,44-3,72 0 - 30 4,0 3,9-4,1 4,1 4,1-4,1 CTC(*3) (cmol kg-1) 25-50 4,35 4,0-4,70 4,3 3,3-5,3 0 – 30 59 58-60 78 76-80 V(*4) % 25-50 50 41-59 52,5 35-70 0 - 30 6,5 6-7 16,4 1,6-31,25 m%(*5) 25-50 25,5 22-29 6,05 4,2-7,9 0 - 30 1,5 1,0-2,0 2,5 2-3 PST(*6) 25-50 1,0 1,0-1,0 1,5 1-2 0 – 30 0,34 0,34-0,35 0,1 0,09-0,11 CE(*7) (dSm-1) 25-50 0,19 0,19-0,19 0,09 0,07-0,11 FONTE: UNIVERSIDADE FEDERAL DO CEARá, AQUIRAZ, CE. NOTAS: (*1) SB (SOMA DE BASES) = CA + MG + K + NA (*2) CTCE (CAPACIDADE DE TROCA DE CáTIONS EFETIVA) = SB + AL (*3) CTC (CAPACIDADE DE TROCA DE CáTIONS A PH 7) = SB + H + AL (*4) V (SATURAçãO POR BASES) = SB*100/CTC (*5) M% (SATURAçãO POR ALUMÍNIO) = AL*100/CTCE (*6) PST (PERCENTUAL DE SóDIO TROCáVEL) = NA*100/CTC (*7) CE = CONDUTIVIDADE ELéTRICA NO EXTRATO AQUOSO As pesquisas da UFPE foram desenvolvidas junto à ETE Mangueira, utilizando-se o efluente dos reatores UASB para a irrigação da cultura do milho, cujas características de interesse são apresentadas na Tabela 3.14.
- 93. 92 ESGOTO Tabela 3.14 > Algumas características de interesse agronômico do efluente utilizado nas pesquisas da UFPE CONSTITUINTE UNIDADE MéDIAS DESVIO PADRãO* CV % ERRO DA MéDIA (N=120) (±)* Potássio mg.L-1 16,25 2,52 16 0,23 Cálcio mg.L-1 35,96 12,95 36 1,18 Magnésio mg.L-1 15,63 3,63 23 0,33 Sódio mg.L-1 136 12,83 9 1,17 Condutividade Elétrica µS.cm-1 1228 109 9 10 * UNIDADES DOS PARâMETROS ESTATÍSTICOS COINCIDEM COM AS UNIDADES DAS MéDIAS FONTE: UNIVERSIDADE FEDERAL DE PERNAMBUCO, RECIFE, PE. Tabela 3.15 > Características químicas do solo irrigado nas pesquisas da UFPE CARACTERíSTICA PROF. (cm) ANTES DA APLICAçãO APóS O DE ESGOTO PRIMEIRO PLANTIO Média Média 0 - 20 0,34 0,05 Sódio (cmolc.kg-1) 20 - 40 0,25 0,04 0 - 20 0,58 0,02 Potássio (cmolc.kg-1) 20 - 40 0,78 0,05 0 - 20 1,75 1,10 Cálcio (cmolc.kg-1) 20 - 40 1,30 1,12 0 - 20 1,00 0,88 Magnésio (cmol kg-1) 20 - 40 1,00 0,43 0 - 20 0,05 0,05 Alumínio (cmol kg-1) 20 - 40 0,05 0,10 0 - 20 3,67 2,05 SB (*1) (cmol kg-1) 20 - 40 3,33 1,64 0 - 20 3,72 2,10 CTCe(*2) 20 - 40 3,38 1,74 0 - 20 6,07 4,07 CTC(*3) (cmol kg-1) 20 - 40 5,79 3,70 0 - 20 60,46 50,39 V(*4) % 20 - 40 57,51 44,25 0 - 20 1,34 2,39 m%(*5) 20-40 1,48 5,81 0 - 20 5,60 1,11 PST(*6) 20 - 40 4,32 1,06 0 - 20 0,29 0,05 RAS 20 - 40 0,23 0,04 FONTE: UNIVERSIDADE FEDERAL DE PERNAMBUCO, RECIFE, PE. NOTAS: (*1) SB (SOMA DE BASES) = CA + MG + K + NA (*4) V (SATURAçãO POR BASES) = SB*100/CTC (*2) CTCE (CAPACIDADE DE TROCA DE CáTIONS EFETIVA) = SB + AL (*5) M% (SATURAçãO POR ALUMÍNIO) = AL*100/CTCE (*3) CTC (CAPACIDADE DE TROCA DE CáTIONS A PH 7) = SB + H + AL (*6) PST (PERCENTUAL DE SóDIO TROCáVEL) = NA*100/CTC
- 94. UTILIzAçãO DE ESGOTO TRATADO NA AGRICULTURA: APORTE DE áGUA E NUTRIENTES 93 Observam-se concentrações de sódio e condutividade elétrica atípicas, superiores aos valores normalmente encontrados em esgoto doméstico. Na Tabela 3.15 são apresentadas características do solo da parcela T5, irrigada com efluente, antes e depois da aplicação do esgoto tratado. Em linhas gerais, pode ser observado, nesta pesquisa em vasos, que a concentra- ção elevada principalmente de sódio, no efluente, além de outros íons, não resul- tou em um acúmulo nas camadas que pudesse conferir alterações significativas em suas características. No experimento conduzido pela UFRGS, em Porto Alegre, as culturas de milho (verão) e inverno (aveia) foram irrigadas com esgoto tratado, tendo sido escolhidas para esta análise as parcelas irrigadas com o efluente da lagoa de polimento. Na Tabela 3.16 são apresentadas as características do solo antes e depois da aplicação do efluente no primeiro ciclo. Tabela 3.16 > Características do solo utilizado nas pesquisas da UFRGS, antes e depois do primeiro ciclo de aplicação de esgoto tratado CONSTITUINTE UNIDADE PROFUNDIDADE (cm) INíCIO (22/11/2007) FINAL (25/02/2008) 00 - 20 79 92 Potássio mg.kg-1 20 - 40 110 80 40 - 60 104 87 00 - 20 142 103 Cálcio mg.kg-1 20 - 40 151 95 40 - 60 153 104 00 - 20 29 22 Magnésio mg.kg-1 20 - 40 30 17 40 - 60 34 24 00 - 20 42 88 Sódio mg.kg-1 20 - 40 50 68 40 - 60 48 65 00 - 20 107 115 Condutividade Elétrica µS.m-1 20 - 40 123 114 40 - 60 124 111 FONTE: UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO GRANDE DO SUL, PORTO ALEGRE, RS. Também neste caso, torna-se evidente, apesar do curto período de tempo, a tendência ao acúmulo de sódio no solo, trazendo as preocupações relativas aos efeitos sobre a estrutura deste solo. No experimento desenvolvido pela USP, no campo experimental em Lins/SP, o solo da área da cultura de cana-de-açúcar foi monitorado no período compreendido entre
- 95. 94 ESGOTO fevereiro de 2005 a setembro de 2006. Antes da instalação do experimento, o solo apresentava as seguintes características: acidez entre média e elevada, altos teores de Ca, baixos teores de Mg, teores médios de K, ocorrência de alumínio em profundidade, presença de Na (e saturação crescente deste elemento ao longo do perfil), ocorrência de argila dispersa em água ao longo de todo o perfil, baixas concentrações de CT e NT, baixas concentrações de sais (CE), teores elevados de B, teores médios de micronu- trientes, baixa capacidade de troca de cátions (CTC) e baixa saturação de bases (V%). Com relação à salinidade e sodicidade, os tratamentos aplicados resultaram, na tota- lidade das camadas estudadas, em alterações significativas nos teores de Na trocável (Tabela 3.17). Tabela 3.17 > Efeito da irrigação com efluente nas concentrações de Na trocável do solo (mmol.kg-1), Lins/SP CAMADAS (cm) ANTES DO T1 T2 T3 T4 T5 CV (%) EXPERIMENTO 0-10 0,74 0,63b 3,19ª 2,57a 2,79a 3,49a 21,36 10-20 1,46 1,55c 4,83ª 3,04b 3,83ab 4,30ab 26,58 20-40 2,51 2,73 b 4,41 a 3,23 b 4,49 a 4,55ª 23,60 40-60 2,79 3,38bc 4,14ab 2,73c 4,01ab 4,84a 13,09 60-80 2,66 2,46 b 3,82 a 2,39 b 4,08 a 4,44ª 18,45 80-100 2,32 2,52c 3,73ab 2,31c 3,38b 4,44a 13,22 FONTE: UNIVERSIDADE DE SãO PAULO, LINS, SP. OBSERVAçãO: AS LETRAS MINúSCULAS INDICAM A COMPARAçãO ENTRE OS TRATAMENTOS E QUANDO IGUAIS NãO DIFEREM ESTATISTICAMENTE PELO TESTE DE TUKEY (P < 0,05). Em todas as camadas, os tratamentos que receberam irrigação com efluente resul- taram em maior acúmulo de Na no complexo de troca quando comparadas ao trata- mento T1, que não recebeu efluente. Com relação ao efeito dos tratamentos na saturação do complexo de troca pelo sódio (PST), ocorreram diferenças significativas em todas as camadas analisadas (Tabela 3.18).
- 96. UTILIzAçãO DE ESGOTO TRATADO NA AGRICULTURA: APORTE DE áGUA E NUTRIENTES 95 Tabela 3.18 > Efeito da irrigação com efluente no percentual de sódio trocável (PST) do solo, Lins/SP CAMADAS ANTES DO T1 T2 T3 T4 T5 CV (%) (cm) EXPERI- MENTO 0-10 2,09 1,76b 8,59a 7,26a 7,7a 8,82 29,68 10-20 4,09 4,07c 12,84a 8,34b 10,9ab 11,54ab 25,75 20-40 7,38 7,84 b 12,27 a 8,69 b 13,03 a 13,46 a 23,06 40-60 8,13 10,28ab 12,93a 8,29b 11,59ab 14,42a 14,35 60-80 7,73 8,05 c 12,69 ab 8,96 bc 13,31 ab 14,60 a 23,10 80-100 7,92 8,22bc 12,57a 7,79c 11,58ab 14,43a 15,77 FONTE: UNIVERSIDADE DE SãO PAULO, LINS, SP. OBSERVAçãO: AS LETRAS MINúSCULAS INDICAM A COMPARAçãO ENTRE OS TRATAMENTOS E QUANDO IGUAIS NãO DIFEREM ESTATISTICAMENTE PELO TESTE DE TUKEY (P < 0,05). As diferenças mais pronunciadas ocorreram na comparação dos diferentes tratamen- tos com o T1, sem irrigação com efluente. No decorrer do experimento, as variações no PST foram significativas, manifestando-se em todas as camadas. Comparando-se a primeira com a última amostragem, ocorreram acréscimos significativos na saturação em sódio até 1m de profundidade. As diferenças entre os tratamentos, bem como os acréscimos entre as épocas, de modo similar ao relatado, para o Na trocável, segu- ramente, estão diretamente relacionados à: natureza do resíduo (ou seja, elevadas concentrações do íon Na e elevada razão de adsorção de sódio) e lâminas de irrigação aplicadas (acarretando aportes de Na entre 2000 e 4000 kg/ha Na+). Os valores de PST, quando da amostragem final de solo, em uma média de todas as camadas avaliadas, foram de: SI → 5,93 ± 1,47; T100 → 18,93 ± 1,52; T125 → 14,59 ± 0,69; T150 → 17,42 ± 1,20; T200 → 17,62 ± 0,90. O laboratório de salinidade dos EUA estabelece valores de PST > 15% como indica- dores de possíveis efeitos prejudiciais à estrutura de solo. McIntyre (1979), para solos australianos, propõe valores de PST ≥ 5% como mais apropriados. A fim de se detalhar os efeitos dos teores de PST, acrescenta-se que a expansão das argilas não deve ocorrer a menos que os valores de PST excedam 25-30%. A dispersão de argilas, e consequente redução da condutividade hidráulica, por outro lado, pode ocorrer em valores de PST próximos a zero, desde que a água de irrigação aplicada possua valores de CE baixos. Independente da adoção de qualquer um dos valores críticos de PST acima descritos, verifica-se que, por ocasião da amostragem final, as parcelas submetidas à irrigação com efluente, na totalidade das lâminas empregadas, apresentavam valores de PST conside- rados acima dos níveis críticos. Considerando-se este fato, é natural que ao longo do
- 97. 96 ESGOTO tempo, a fim de se manter a viabilidade agronômica do sistema efluente-solo-planta, faça-se necessário lançar mão de estratégias de manejo para contornar ou minimizar este problema. Dentre as diversas estratégias de manejo consideradas, a aplicação de gesso é uma das mais recomendáveis face ao baixo custo e ampla disponibilidade deste insumo. 3.8.2 Efeitos sobre a planta – aspectos relativos ao desenvolvimento das culturas Na primeira pesquisa desenvolvida pela UFC, foram variados os aportes de nitrogênio e potássio. As doses de nitrogênio e potássio utilizadas foram definidas em função das caracte- rísticas do solo, do tipo de cultura e de dosagens de nutrientes comumente usadas na região. Foram avaliados os seguintes tratamentos, em cada área: T1-N0K0 — Sem nitrogênio e sem potássio; T2-N0K1 — Sem nitrogênio e 30g de potássio; T3-N0K2 — Sem nitrogênio e 60g de potássio; T4- N0K3 — Sem nitrogênio e 90g de potássio; T5- N1K0 — 30 g de nitrogênio e sem potássio; T6- N2K0 — 60 g de nitrogênio e sem potássio; T7- N3K0 — 90 g de nitrogênio e sem potássio; T8- N0K0 — sem nitrogênio, sem potássio e sem adubação orgânica. A Figura 3.14 mostra os valores do comprimento dos racemos das plantas irrigadas com esgoto doméstico. Pode-se observar que os comprimentos, em todos os trata- mentos, variaram entre 20 cm e 40 cm. FONTE: UNIVERSIDADE FEDERAL DO CEARá, AQUIRAZ, CE. NOTAS: B: BLOCO / T1-N0K0: SEM NITROGêNIO E SEM POTáSSIO / T2-N0K1: SEM NITROGêNIO E 30G DE POTáSSIO / T3-N0K2: SEM NITROGêNIO E 60G DE POTáSSIO / T4- N0K3: SEM NITROGêNIO E 90G DE POTáSSIO / T5- N1K0: 30 G DE NITROGêNIO E SEM POTáSSIO / T6- N2K0: 60 G DE NITROGêNIO E SEM POTáSSIO / T7- N3K0: 90 G DE NITROGêNIO E SEM POTáSSIO / T8- N0K0: SEM NITROGêNIO, SEM POTáSSIO E SEM ADUBAçãO ORGâNICA Figura 3.14 Comprimentos dos racemos irrigados com esgoto doméstico tratado Os comprimentos dos racemos das plantas irrigadas com água de poço são mostrados na Figura 3.15. Os maiores comprimentos ficaram entre 30 cm e 35 cm — com exceção do Tratamento 1 / Bloco 3, com valor acima de 40 cm.
- 98. UTILIzAçãO DE ESGOTO TRATADO NA AGRICULTURA: APORTE DE áGUA E NUTRIENTES 97 FONTE: UNIVERSIDADE FEDERAL DO CEARá, AQUIRAZ, CE. NOTAS: B: BLOCO / T1-N0K0: SEM NITROGêNIO E SEM POTáSSIO / T2-N0K1: SEM NITROGêNIO E 30G DE POTáSSIO / T3-N0K2: SEM NITROGêNIO E 60G DE POTáSSIO / T4- N0K3: SEM NITROGêNIO E 90G DE POTáSSIO / T5- N1K0: 30 G DE NITROGêNIO E SEM POTáSSIO / T6- N2K0: 60 G DE NITROGêNIO E SEM POTáSSIO / T7- N3K0: 90 G DE NITROGêNIO E SEM POTáSSIO / T8- N0K0: SEM NITROGêNIO, SEM POTáSSIO E SEM ADUBAçãO ORGâNICA Figura 3.15 Comprimento dos racemos da cultura da mamona irrigada com água de poço Nas Figuras 3.16 e 3.17 são mostrados os valores do parâmetro “números de semen- tes” para as mamonas irrigadas com esgoto doméstico e água, respectivamente. Para o esgoto (Figura 3.16) pode-se observar que os tratamentos T5 e T6 forneceram as melhores respostas, com valores entre 225 e 250 sementes em alguns blocos. A pior resposta ocorreu no tratamento T2, com 75 sementes, no Bloco B3. Para a água (Figura 3.17), nota-se que o tratamento 6 (N2K0: 60 g de nitrogênio e sem potássio) forneceu uma melhor resposta quando comparado aos demais tratamentos em todos os blocos. De maneira isolada, o tratamento que se destaca é o T7 (Bloco 4), com números de semente superiores a 275 sementes. FONTE: UNIVERSIDADE FEDERAL DO CEARá, AQUIRAZ, CE. NOTAS: B: BLOCO / T1-N0K0: SEM NITROGêNIO E SEM POTáSSIO / T2-N0K1: SEM NITROGêNIO E 30G DE POTáSSIO / T3-N0K2: SEM NITROGêNIO E 60G DE POTáSSIO / T4- N0K3: SEM NITROGêNIO E 90G DE POTáSSIO / T5- N1K0: 30 G DE NITROGêNIO E SEM POTáSSIO / T6- N2K0: 60 G DE NITROGêNIO E SEM POTáSSIO / T7- N3K0: 90 G DE NITROGêNIO E SEM POTáSSIO / T8- N0K0: SEM NITROGêNIO, SEM POTáSSIO E SEM ADUBAçãO ORGâNICA Figura 3.16 Número de sementes da mamona irrigada com esgoto doméstico tratado
- 99. 98 ESGOTO FONTE: UNIVERSIDADE FEDERAL DO CEARá, AQUIRAZ, CE. NOTAS: B: LOCO / T1-N0K0: SEM NITROGêNIO E SEM POTáSSIO / T2-N0K1: SEM NITROGêNIO E 30G DE POTáSSIO / T3-N0K2: SEM NITROGêNIO E 60G DE POTáSSIO / T4- N0K3: SEM NITROGêNIO E 90G DE POTáSSIO / T5- N1K0: 30 G DE NITROGêNIO E SEM POTáSSIO / T6- N2K0: 60 G DE NITROGêNIO E SEM POTáSSIO / T7- N3K0: 90 G DE NITROGêNIO E SEM POTáSSIO / T8- N0K0: SEM NITROGêNIO, SEM POTáSSIO E SEM ADUBAçãO ORGâNICA Figura 3.17 Número de sementes da mamona irrigada com água As Tabelas 3.18 (ver item 3.8.1) e 3.19 mostram os resultados da análise estatística das variáveis estudadas, durante o experimento da mamona (irrigada com esgoto domés- tico e água de poço, respectivamente). Para a realização da análise estatística, foram utilizadas as médias dos quatro blocos (repetições para cada tratamento), obtidas para as variáveis estudadas. Na Tabela 3.19 observa-se que somente para a variável “comprimento dos racemos” ocorreu influência significativa (p < 0,05) entre os tratamentos e entre as repetições (blocos), não sendo observadas diferenças significativas para os demais parâmetros. Quanto à produtividade, ocorreu diferença significativa entre os blocos, mas não entre os tratamentos. Tabela 3.19 > Resumo das análises de variâncias: Comprimento do Racemo (CR), Número de Sementes (NS), Peso de 100 Sementes (P100S) e Produção (PD), da mamona irrigada com esgoto doméstico tratado ESGOTO F.V GL CR NS P100S PD Quadrado Médio Tratamento 7 52,33* 2981,59ns 113,97ns 7543,16ns Repetição 3 42,91* 708,97ns 211,94ns 88251,35* Resíduo 21 7,60 1412,43 77,20 10100,06 Média 29,64 153,53 51,13 303,06 C.V (%) 9,3 24,71 17,18 33,16 FONTE: UNIVERSIDADE FEDERAL DO CEARá, AQUIRAZ, CE. NOTAS: F.V: FONTE DE VARIAçãO (*): SIGNIFICATIVO A 0,05 GL: GRAU DE LIBERDADE (NS): NãO SIGNIFICATIVO CV: COEFICIENTE DE VARIAçãO
- 100. UTILIzAçãO DE ESGOTO TRATADO NA AGRICULTURA: APORTE DE áGUA E NUTRIENTES 99 Pela Tabela 3.20 pode-se verificar que o tratamento influenciou significativamente (p<0,05) as variáveis: comprimento dos racemos, número de sementes e peso de 100 sementes da mamoneira — ao contrário das repetições (blocos), onde só ocorreu signi- ficância no peso de 100 sementes. Para as demais variáveis analisadas, não ocorreram influências significativas entre os tratamentos ou entre os blocos. Tabela 3.20 > Resumo das análises de variâncias: Comprimento do Racemo (CR), Número de Sementes (NS), Peso de 100 Sementes (P100S) e Produção (PD), da mamona irrigada com água de poço ÁGUA F.V GL CR NS P100S PD Quadrado Médio Tratamento 7 64,19* 5702,07* 206,71* 10714,61ns Repetição 3 48,84ns 3414,44ns 169,89* 25278,92ns Resíduo 21 7,60 1394,27 26,99 9555,86 Média 26,04 168,71 52,00 346,23 C.V (%) 20,33 22,13 9,99 28,23 FONTE: UNIVERSIDADE FEDERAL DO CEARá, AQUIRAZ, CE. NOTAS: F.V: FONTE DE VARIAçãO (*): SIGNIFICATIVO A 0,05 GL: GRAU DE LIBERDADE (NS): NãO SIGNIFICATIVO CV: COEFICIENTE DE VARIAçãO Na pesquisa realizada pela UFPE, a primeira cultura do milho desenvolveu-se sob pe- ríodo chuvoso, o que dificultou a interpretação dos efeitos da irrigação com esgoto tratado — que não foi aplicado com intensidade. Já a segunda cultura desenvolveu-se em período seco, sendo os resultados lançados em gráfico na Figura 3.18. FONTE: UNIVERSIDADE FEDERAL DE PERNAMBUCO, RECIFE, PE. Figura 3.18 Altura das plantas de milho irrigadas com água ou esgoto, segundo plantio Na Tabela 3.21 apresenta-se um resumo do tratamento estatístico dos resultados obtidos.
- 101. 100 ESGOTO Tabela 3.21 > Análise estatística dos resultados obtidos na pesquisa da UFPE (*) TRATAMENTOS MéDIAS DIFERENçAS água 68 C A+I 213 B A+NPK 68 C A+I+NPK 196 B Efluente 195 B E+I 244 A E+P 198 B E+I+P 240 AB DMS 29,84 cm FONTE: UNIVERSIDADE FEDERAL DE PERNAMBUCO, RECIFE, PE. (*) TESTE DE TUKEY, ― = 0,01 Ao comparar os resultados obtidos, pode-se observar que as plantas com melhor de- senvolvimento foram aquelas irrigadas com efluente, destacando o tratamento E+I+P, que apresentou melhor efeito supressivo aos fitopatógenos. Na pesquisa realizada pela UFRGS com a cultura de milho, foram avaliados os teores de macro e micronutrientes no tecido vegetal, sendo os resultados apresentados nas Tabelas 3.22 e 3.23, respectivamente. Tabela 3.22 > Teores de macronutrientes do tecido vegetal (cultura de milho) TRATAMENTO N P K Ca Mg S mg kg-1 E-AT 0,42 0,16 1,05 0,34 0,26 0,11 E-UASB 0,50 0,19 1,02 0,32 0,24 0,10 FONTE: UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO GRANDE DO SUL, PORTO ALEGRE, RS. Tabela 3.23 > Teores de micronutrientes e sódio do tecido vegetal (cultura de milho) TRATAMENTO Cu Zn Fe Mn Na Mo B mg kg-1 E-AT 4,17 49,83 149,25 47,00 88,50 0,94 10,00 E-UASB 5,08 51,58 81,42 50,08 116,33 1,13 11,33 FONTE: UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO GRANDE DO SUL, PORTO ALEGRE, RS. 3.8.3 Efeitos sobre a planta – aspectos relativos à produtividade A primeira pesquisa desenvolvida pela UFC objetivou a análise da produtividade da mamona irrigada com esgoto sanitário tratado utilizando diferentes doses de Nitro- gênio e Potássio, conforme os tratamentos apresentados na Tabela 3.24.
- 102. UTILIzAçãO DE ESGOTO TRATADO NA AGRICULTURA: APORTE DE áGUA E NUTRIENTES 101 Tabela 3.24 > Tratamentos utilizados na pesquisa da UFC visando à avaliação da produtividade da cultura de mamona com diferentes doses de N e K 1 N0K0 N0 + K0 + 10L M.O + 100g P (S.S) + 20g FTE BR-12 + 50,00g Calcáreo 2 N0K1 N0 + 12,50g KCl + 10L M.O + 100g P (S.S) + 20gFTE BR-12 + 50g Calcáreo 3 N0K2 N0 + 25,00g KCl + 10L M.O + 100g P (S.S) + 20g FTE BR-12 + 50g Calcáreo 4 N0K3 N0 + 37,50g KCl + 10L M.O + 100g P (S.S) + 20g FTE BR-12 + 50g Calcáreo 5 N1K0 17g N (uréia) + K0 + 10L M.O + 100g P (S.S) + 20g FTE BR-12 + 50g Calcáreo 6 N1K1 17g N (uréia) + K0 + 10L M.O + 100g P (S.S) + 20g FTE BR-12 + 50g Calcáreo 7 N1K2 17g N (uréia) + K0 + 10L M.O + 100g P (S.S) + 20g FTE BR-12 + 50g Calcáreo 8 N1K3 17g N (uréia) + K0 + 10L M.O + 100g P (S.S) + 20g FTE BR-12 + 50g Calcáreo 9 N2K0 34g N (uréia) + K0 + 10L M.O + 100g P (S.S) + 20g FTE BR-12 + 50g Calcáreo 10 N2K1 34g N (uréia) +12,5g KCl + 10L M.O + 100g P (S.S) + 20g FTE BR-12 + 50g Calcáreo 11 N2K2 34g N (uréia) +25,0g KCl + 10L M.O + 100g P (S.S) + 20g FTE BR-12 + 50g Calcáreo 12 N2K3 34g N (uréia) + 37,5g KCl + 10L M.O + 100g P (S.S) + 20g FTE BR-12 + 50g Calcáreo 13 N3K0 50g N (uréia) + KO + 10L M.O + 100g P (S.S) + 20g FTE BR-12 + 50,00g Calcáreo 14 N3K1 50g N (uréia) + 12,5g KCl + 10L M.O + 100g P (S.S) + 20g FTE BR-12 + 50g Calcáreo 15 N3K2 50g N (uréia) +25,0g KCl + 10L M.O + 100g P (S.S) +20g FTE BR-12 + 50g Calcáreo 16 N3K3 50g N (uréia) +37,5g KCl + 10L M.O + 100g P (S.S) + 20g FTE BR-12 + 50g Calcáreo 17 Teste Sem adubação FONTE: UNIVERSIDADE FEDERAL DO CEARá, AQUIRAZ, CE. A produtividade média das sementes da mamona irrigada com água bruta e efluente tratado, em kg por hectare, está mostrada na Figura 3.19. N2K2 2500 TESTEMUNHA N2K3 N1K1 N3K2 N1K2 2000 N3K3 N0K0 N2K1 N3K1 N0K1 N3K0 N2K0 N1K3 N0K2 N0K3 1500 N1K0 1000 500 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 Tratamentos Água bruta Efluente tratado FONTE: UNIVERSIDADE FEDERAL DO CEARá, AQUIRAZ, CE. Figura 3.19 Produtividade média da mamona em Kg/ha Pode-se observar que a maior produtividade foi obtida no tratamento N2K2, no qual foram alcançadas, respectivamente, para água bruta e efluente tratado, médias de 2233,8 e 1857,07 kg/ha.
- 103. 102 ESGOTO Na Tabela 3.25 está apresentado o Teste de Tukey para as médias da produtividade para os tratamentos irrigados com água bruta e efluente tratado. Tabela 3.25 > Teste de Tukey para as médias referentes à produção da mamona FONTES DE VARIAçãO DADOS MéDIAS COMPARAçõES água bruta 48 1.330,7125 a Efluente tratado 48 1.320,8168 a Dms (*) 103,443 DMS = DIFERENçA MÍNIMA SIGNIFICATIVA (*) FONTE: UNIVERSIDADE FEDERAL DO CEARá, AQUIRAZ, CE. A análise das médias de produtividade obtidas pelo Teste de Tukey, considerando 5% de probabilidade, demonstrou que as produtividades dos tratamentos irrigados com efluente tratado e com água bruta ficaram bem próximas, não havendo, assim, dife- renças significativas, estatisticamente. Foram determinadas as percentagens de óleo nas sementes da mamona, como cons- tam na Figura 3.20. As maiores produções de óleo durante a irrigação com efluente tratado foram 60,8% e 61,2 %, enquanto que para os tratamentos irrigados com água, as maiores percentagens de óleo foram 61,3% e 60,9%. 70,00 60,00 50,00 % de óleo 40,00 Esgoto tratado 30,00 Água 20,00 10,00 0,00 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 Tratamentos FONTE: UNIVERSIDADE FEDERAL DO CEARá, AQUIRAZ, CE. Figura 3.20 Percentual de óleo nos frutos de mamona irrigados com água ou esgoto Em termos de produção de óleo, na Tabela 3.26 é apresentado o Teste de Tukey entre as médias das percentagens do óleo. Pode-se concluir que as médias da percentagem de óleo obtidas para os tratamentos irrigados com água bruta e esgoto tratado não possuem diferenças estatísticas considerando 5% de probabilidade. Isto demonstra que a percentagem de óleo não foi influenciada pela irrigação com efluente tratado.
- 104. UTILIzAçãO DE ESGOTO TRATADO NA AGRICULTURA: APORTE DE áGUA E NUTRIENTES 103 Tabela 3.26 > Teste de Tukey para as médias referentes à percentagem de óleo nas sementes de mamona FONTES DE VARIAçãO DADOS MéDIAS COMPARAçõES água bruta 48 57,9 a Efluente tratado 48 58,0 a Dms (*) 0,77 - - DMS = DIFERENçA MÍNIMA SIGNIFICATIVA (*) FONTE: UNIVERSIDADE FEDERAL DO CEARá, AQUIRAZ, CE. Na segunda pesquisa desenvolvida pela UFC, variaram-se as adições de zinco e boro, tendo-se monitorado vários parâmetros, tais como: produtividade, número de race- mos, comprimento médio dos racemos, número de frutos e peso dos frutos. A Tabela 3.27 contém os valores de produtividade da mamona para os dois tipos de micronutrientes utilizados. Tabela 3.27 > Produtividade da mamona (em kg/ha), em função da aplicação de Zinco e Boro na irrigação com água e esgoto RACEMO APLICANDO SULFATO DE ZINCO APLICANDO BóRAX Com água Com esgoto Com água Com esgoto Primário 501,3 459,6 408,1 441,8 Secundário 596,8 495,6 649,9 601,4 Terciário 482,8 434,9 378,4 539,5 TOTAL 1580,8 1390,0 1436,4 1582,7 FONTE: UNIVERSIDADE FEDERAL DO CEARá, AQUIRAZ, CE. No experimento com zinco verificou-se uma média geral de 2,29 racemos terciários, sem que tenha sido observada diferença estatística significativa entre as variáveis analisadas. Já no experimento com boro constatou-se que houve influência significa- tiva na fonte de variação de adubação (Tabela 3.28).
- 105. 104 ESGOTO Tabela 3.28 > Análise de variância para a variável número de racemos terciários no experimento com boro FONTE DE VARIAçãO GL SQ QM Fc Pr>Fc Fonte de água 1 0,019 0,019 0,086 0,773 Adubação com Boro 2 1,821 0,910 4,066 0,039 Fonte de água/Adubação 2 0,037 0,018 0,082 0,921 Bloco 3 1,867 0,622 2,780 0,077 Erro 15 3,359 0,224 - - Total corrigido 23 7,103 - - - CV (%) 23,33 - - - - Média geral (und.):- 2,03 - - - - FONTE: UNIVERSIDADE FEDERAL DO CEARá, AQUIRAZ, CE. Observa-se, na Tabela 3.29, que o aumento da aplicação de boro acarretou um decrés- cimo na emissão de racemos terciários. Com uma média de 2,33 racemos terciários por planta, a não aplicação de boro, tanto para a água de poço quanto para o efluente tratado, foi o que menos afetou a produção. Tabela 3.29 > Teste Tukey para a fonte de adubação na variável número de racemos terciários no experimento com boro TRATAMENTOS MéDIAS (cm) RESULTADOS DO TESTE B2 1,6660 a B1 2,0850 a, b B0 2,3338 b FONTE: UNIVERSIDADE FEDERAL DO CEARá, AQUIRAZ, CE. O comprimento do racemo terciário e o número de frutos por planta nesta ordem de racemo não apresentaram diferença significativa no experimento com zinco. As médias encontradas foram, respectivamente: 40,64 cm e 89,38 cm. No experimento com boro, o comprimento do racemo terciário não foi afetado signifi- cativamente pelos tratamentos. O valor médio foi de 41,55 cm. No entanto, analisan- do o desdobramento da adubação com boro dentro de cada nível de fonte de água, observa-se diferença estatística significativa com o uso de efluente sanitário tratado, conforme Tabela 3.30.
- 106. UTILIzAçãO DE ESGOTO TRATADO NA AGRICULTURA: APORTE DE áGUA E NUTRIENTES 105 Tabela 3.30 > Análise de variância do desdobramento de adubação para o comprimento médio do racemo terciário no experimento com boro dentro de cada fonte de água FONTE DE VARIAçãO GL SQ QM Fc Pr>Fc Adubação com B e AET 2 388,715 194,357433 3,758 0,0458 Adubação com B e APF 2 40,676 20,337858 0,393 0,6791 Resíduo 15 775,873 51,724837 - - FONTE: UNIVERSIDADE FEDERAL DO CEARá, AQUIRAZ, CE. Com a aplicação de boro e uso de esgoto sanitário tratado, constatou-se um decrés- cimo no comprimento médio do racemo terciário, afetando diretamente a produção (Tabela 3.31). Tabela 3.31 > Teste Tukey para o desdobramento de adubação para o comprimento médio do racemo terciário no experimento com boro dentro da fonte de água AET TRATAMENTOS MéDIAS (cm) RESULTADOS DO TESTE B2 34,970 a B1 43,375 a, b B0 48,805 b FONTE: UNIVERSIDADE FEDERAL DO CEARá, AQUIRAZ, CE. O número de frutos também apresentou diferenças estatísticas significativas (Tabelas 3.32 e 3.33). Tabela 3.32 > Análise de variância para o número de frutos do racemo terciário no experimento com boro FONTE DE VARIAçãO GL SQ QM Fc Pr>Fc Fonte de água 1 5.114,673 5.114,673 8,164 0,0120 Adubação com Zn 2 3.257,071 1.628,536 2,599 0,1073 Fonte de água/Adubação 2 124,492 62,246 0,099 0,9060 Bloco 3 1.648,967 549,656 0,877 0,4748 Erro 15 9.397,806 626,520 8,164 Total corrigido 23 19.543,009 - - - CV (%) 32,33 - - - - Média geral (cm) 77,430 - - - - FONTE: UNIVERSIDADE FEDERAL DO CEARá, AQUIRAZ, CE.
- 107. 106 ESGOTO Tabela 3.33 > Teste Tukey para a fonte de água na variável número de frutos no experimento com boro TRATAMENTOS MéDIAS (UND.) RESULTADOS DO TESTE APF 62,832 a1 AET 92,028 a2 FONTE: UNIVERSIDADE FEDERAL DO CEARá, AQUIRAZ, CE. No experimento com zinco não foram constatadas diferenças médias significativas para a variável peso dos frutos. As médias foram, respectivamente: 118,81 g, 68, 81 g e 458,80 kg/ha. No experimento com boro, apresentaram-se diferenças estatísticas refe- rentes ao peso dos frutos, de acordo com fonte de água utilizada (Tabelas 3.34 e 3.35). Tabela 3.34 > Análise de variância para o peso dos frutos do racemo terciário no experimento com boro FONTE DE VARIAçãO GL SQ QM Fc Pr>Fc Fonte de água 1 11.048,896 304,380 10,053 0,0063 Adubação com Zn 2 8.236,668 29,515 3,747 0,0479 Fonte de água/Adubação 2 980,539 27,393 0,446 0,6484 Bloco 3 3.088,912 41,798 0,937 0,4473 erro 15 16.485,739 25,328 10,053 - Total corrigido 23 39.840,755 - - - CV (%) 31,29 - - - - Média geral (cm) 105,943 - - - - FONTE: UNIVERSIDADE FEDERAL DO CEARá, AQUIRAZ, CE. OBSERVAçãO: Há MAIOR PESO DAS SEMENTES COM A APLICAçãO DE ESGOTO TRATADO. Tabela 3.35 > Teste Tukey para a fonte de água na variável peso dos frutos no experimento com boro TRATAMENTOS MéDIAS (g) RESULTADOS DO TESTE APF 84,487 a1 AET 127,399 a2 FONTE: UNIVERSIDADE FEDERAL DO CEARá, AQUIRAZ, CE. O peso das sementes também foi afetado pelo tratamento das variáveis de acordo com a água utilizada (Tabelas 3.36 e 3.37).
- 108. UTILIzAçãO DE ESGOTO TRATADO NA AGRICULTURA: APORTE DE áGUA E NUTRIENTES 107 Tabela 3.36 > Análise de variância para o peso dos frutos do racemo terciário no experimento com boro FONTE DE VARIAçãO GL SQ QM Fc Pr>Fc Fonte de água 1 3.502,717 3.502,717 8,090 0,0123 Adubação com Zn 2 215,991 107,996 0,249 0,7824 Fonte de água/Adubação 2 174,842 87,421 0,202 0,8194 Bloco 3 1.129,672 376,557 0,870 0,4785 erro 15 6.494,480 432,965 - - Total corrigido 23 1.1517,701 - - - CV (%) 30,22 - - - - Média geral (cm): 68,845 - - - - FONTE: UNIVERSIDADE FEDERAL DO CEARá, AQUIRAZ, CE. Tabela 3.37 > Teste Tukey para a fonte de água na variável peso dos frutos do racemo terciário no experimento com boro TRATAMENTOS MéDIAS (g) RESULTADOS DO TESTE APF 56,764 a1 AET 80,926 a2 FONTE: UNIVERSIDADE FEDERAL DO CEARá, AQUIRAZ, CE. A produtividade do racemo terciário foi afetada significativamente pela fonte de água utilizada (Tabela 3.38). Tabela 3.38 > Análise de variância para a produtividade no racemo terciário no experimento com boro FONTE DE VARIAçãO GL SQ QM Fc Pr>Fc Fonte de água 1 155.667,712 155.667,712 8,091 0,0123 Adubação com Zn 2 9.598,778 4.799,389 0,249 0,7824 Fonte de água/Adubação 2 7.769,017 3.884,508 0,202 0,8194 Bloco 3 50.196,829 16.732,276 0,870 0,4785 erro 15 288.597,453 19.239,830 - - Total corrigido 23 511.829,788 - - - CV (%) 30,23 - - - - Média geral (cm): 458,917 - - - - FONTE: UNIVERSIDADE FEDERAL DO CEARá, AQUIRAZ, CE. O uso do esgoto sanitário tratado acarretou uma produtividade de 161 Kg/ha a mais do que a verificada no uso de água de poço (Tabela 3.39).
- 109. 108 ESGOTO Tabela 3.39 > Teste Tukey para a produtividade no racemo terciário no experimento com boro TRATAMENTOS MéDIAS (g) RESULTADOS DO TESTE APF 378,380 a AET 539,453 b FONTE: UNIVERSIDADE FEDERAL DO CEARá, AQUIRAZ, CE. Na pesquisa desenvolvida pela UFPE foi possível estabelecer uma importante corre- lação entre o crescimento das plantas e a produção de milho, com a ocorrência de chuvas. No período chuvoso, o aporte de nutrientes veiculado pelo efluente tratado foi deficitário, pois as águas pluviais satisfizeram a demanda hídrica da planta. Como não houve possibilidade de manter uma irrigação contínua durante as principais fases do desenvolvimento das plantas, elas apresentaram deficiência de nutrientes nas parcelas cujo tratamento incluía a irrigação com efluente, e demonstraram sintomas de raqui- tismo, má floração e, consequentemente, a não, ou má, frutificação. As únicas plantas que frutificaram foram as submetidas à adubação mineral de NPK. Na pesquisa realizada pela UFRGS com cultura de milho, foram obtidos os resultados apresentados na Tabela 3.40. Tabela 3.40 > Características dos grãos e peso de matéria seca da cultura de milho ÁGUA TRATADA EFLUENTE DO UASB EFLUENTE DA LAGOA DE POLIMENTO Número 510 561 344 Grãos Peso (g) 204 248 123 Umidade (%) 29 33 38 Brácteas c/ pedúnculo 34 39 17 Caule 64 47 25 Matéria Seca Folha com bainha 54 52 36 (g) Pendão 2,4 2,2 1,4 Sabugo 33 29 16 FONTE: UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO GRANDE DO SUL, PORTO ALEGRE, RS. OBSERVAçãO: Há MENOR PRODUTIVIDADE NAS PARCELAS IRRIGADAS COM EFLUENTE DA LAGOA DE POLIMENTO. Na pesquisa desenvolvida pela UNICAMP, utilizando cultura de eucalipto, o cresci- mento foi monitorado por medidas dendrométricas para avaliação dos efeitos dos tratamentos sobre o desenvolvimento das plantas. Na Figura 3.21, são apresentados os resultados de alturas médias das plantas de eucalipto enquanto na Figura 3.22, são apresentados os resultados de diâmetro à altura do peito.
- 110. UTILIzAçãO DE ESGOTO TRATADO NA AGRICULTURA: APORTE DE áGUA E NUTRIENTES 109 Média das alturas Eucalipto 6 5 Altura média (m) 4 Março 3 Abril 2 1 0 T1 T2 T3 T4 T5 T6 T7 T8 Média Tratamento FONTE: UNICAMP, FRANCA, SP. Figura 3.21 Altura média das plantas de eucalipto dos diversos tratamentos 29 02 Evolução DAP eucalipto 09 04 80 03 06 70 06 08 60 DAP (mm) 50 40 30 20 10 T1 T2 T3 T4 T5 T6 T7 T8 Tratamentos FONTE: UNICAMP, FRANCA, SP. Figura 3.22 Diâmetro à altura do peito das plantas de eucalipto dos diversos tratamentos Pode ser observado que houve maior produtividade para os tratamentos que rece- beram irrigação com efluente, em comparação aos tratamentos que receberam água limpa como fonte de irrigação. No experimento desenvolvido pela USP, com cultura de cana-de-açúcar, foram obtidas as produtividades médias apresentadas na Tabela 3.41. Tabela 3.41> Produtividade da cultura de cana-de-açúcar TRATAMENTO PRODUTIVIDADE (ton/ha) Código Especificação T1 SI = parcelas sem irrigação 152,84 T2 parcelas com a umidade na capacidade de campo 247,23 T3 parcelas com 25% a mais da capacidade de campo 198,75 T4 parcelas com 50% a mais da capacidade de campo 232,80 T5 parcelas com 100 % a mais da capacidade de campo 232,28 FONTE: UNIVERSIDADE DE SãO PAULO, LINS, SP.
- 111. 110 ESGOTO Estes resultados são lançados em gráfico na Figura 3.23. 300 a Produtividade ton ha ab -1 225 bc c 150 75 0 TSI T100 T125 T150 T200 T 100: 50% N mineral + irrigação com efluente secundário de esgoto tratado na dose 100% T 125: 50% N mineral + irrigação com efluente secundário de esgoto tratado na dose 125% T 150: 50% N mineral + irrigação com efluente secundário de esgoto tratado na dose 150% T 200: 50% N mineral + irrigação com efluente secundário de esgoto tratado na dose 200% FONTE: UNIVERSIDADE DE SãO PAULO, LINS, SP. OBSERVAçãO: MéDIAS SEGUIDAS DA MESMA LETRA NãO DIFEREM ESTATISTICAMENTE PELO TESTE DE TUKEY A 5%. Figura 3.23 Efeito dos diferentes tratamentos na produtividade da cana-de-açúcar (1°corte) A produtividade da cana foi elevada. Com exceção do T125, esta elevação foi signifi- cativamente superior nos tratamentos irrigados do que nos de controle. Grande parte das diferenças de produtividade obtidas entre os tratamentos irrigados e o controle podem ser atribuídas ao suprimento de água pela irrigação com esgoto tratado. As análises tecnológicas da cana/planta irrigada com efluente revelaram os resultados apresentados na Tabela 3.42. No geral, as diferenças obtidas entre os tratamentos foram pontuais e de pequena magnitude. Considerando os valores de referência, não houve prejuízos ao proces- samento da cultura, uma vez que os valores dos parâmetros tecnológicos estiveram dentro dos níveis desejáveis em termos de qualidade da matéria-prima.
- 112. UTILIzAçãO DE ESGOTO TRATADO NA AGRICULTURA: APORTE DE áGUA E NUTRIENTES 111 Tabela 3.42 > Análise tecnológica da cana/planta irrigada com efluente TRATAMENTOS Brix Pol % caldo AR Pureza % Pol % cana Fibra ATR kg.t-1 % cana Maio SI 13,6 B 10,3 B 1,04 A 75,7 A 9,1 B 9,4 A 92,7 B 100 15,5 A 12,2 AB 0,94 A 78,6 A 10,8 AB 9,4 A 107,3 AB 125 15,6 A 12,8 A 0,83 A 82,0 A 11,3 A 9,4 A 111,5 A 150 15,7 A 12,8 A 0,85 A 81,3 A 11,2 AB 10,0 A 110,5 AB 200 15,5 A 12,7 AB 0,83 A 81,9 A 11,2 AB 9,9 A 109,7 AB Média 15,2 12,2 0,90 79,9 10,7 9,6 106,3 CV (%) 5,21 9,00 13,05 4,28 8,79 5,03 7,40 Julho SI 20,0 A 16,6 A 0,79 A 83,0 A 14,2 A 11,4 A 137,7 A 100 18,3 A 14,9 A 0,86 A 81,2 A 12,9 A 10,6 A 126,3 A 125 18,9 A 15,4 A 0,83 A 81.8 A 13,4 A 10,7 A 130,1 A 150 19,1 A 16,5 A 0,80 A 82,7 A 14,2 A 10,8 A 138,0 A 200 20,0 A 16,6 A 0,80 A 82,8 A 14,3 A 11,1 A 138,1 A Média 19,3 16,0 A 0,82 82,3 13,8 10,9 134,0 CV (%) 6,80 8,46 A 7,36 2,11 8,02 7,11 7,33 Setembro SI 20,5 A 18,0 A 0,64 A 87,6 A 15,7 A 10,1 A 150,4 A 100 21,3 A 19,0 A 0,58 A 89,3 A 16,5 A 10,6 A 157,4 A 125 20,7 A 18,3 A 0,60 A 88,6 A 16,1 A 10,0 A 153,6 A 150 20,5 A 18,1 A 0,61 A 88,4 A 15,1 A 10,2 A 151,1 A 200 21,2 A 18,8 A 0,60 A 88,5 A 16,3 A 10,7 A 155,2 A Média 20,8 18,4 0,61 88,5 15,9 10,3 153,5 CV (%) 2,08 2,67 9,48 1,93 2,65 5,20 2,39 FONTE: UNIVERSIDADE DE SãO PAULO, LINS, SP. NOTAS: LETRAS IGUAIS NãO DIFEREM ESTATISTICAMENTE PELO TESTE DE TUKEY (P < 0,05) SI: SEM IRRIGAçãO 100: UMIDADE DO SOLO NA CAPACIDADE DE CAMPO 125, 150 E 200 CORRESPONDEM A 25, 50 E 100% A MAIS DA UMIDADE DO SOLO NA CAPACIDADE DE CAMPO, RESPECTIVAMENTE BRIX: PORCENTAGEM DE SóLIDOS SOLúVEIS POL: PORCENTAGEM APARENTE DE SACAROSE AR: AçúCARES REDUTORES ATR: AçúCAR TOTAL RECUPERáVEL 3.8.4 Efeitos da irrigação com esgoto tratado sobre a qualidade da água do lençol freático Na pesquisa da UNICAMP, no município de Franca, SP, o plantio de eucaliptos ocupou uma área total pouco superior a um hectare. Para avaliação da eventual interferência na qualidade da água subterrânea, devido à irrigação com efluente sanitário prove- niente de uma lagoa facultativa, foram perfurados 09 poços para a coleta de água sub-
- 113. 112 ESGOTO terrânea. As profundidades totais dos poços variaram entre 7,6 m e 13,1 m e os níveis de água, nestes poços, variaram de acordo com a época do ano (de 0,4 m a 3,0 m). O delineamento experimental foi definido após ter sido determinado o sentido do fluxo da água subterrânea. As parcelas, dos diferentes cenários, foram posicionadas e ali- nhadas no terreno, de forma a possibilitar o estudo e avaliação da qualidade da água infiltrada no solo em consequência da prática da irrigação e de precipitações atmos- féricas. Os poços foram perfurados em locais estratégicos para obtenção destas infor- mações: poço 09, situado à montante da área da pesquisa; poços de 01 a 08, situados à jusante da área da pesquisa, posicionados de acordo com os cenários (repetições: 04 parcelas/cenário) e equivalentes aos Tratamentos T1 a T8, descritos no item 3.5.5. Alguns cuidados foram tomados antecipando a pesquisa. Quanto aos poços, as cons- truções tiveram como referência a norma Cetesb no 6410/1988, seguindo as recomen- dações de revestimento e proteção, bem como o de desinfecção com aplicação de hi- poclorito de sódio — efetuando preliminarmente o ajuste de pH para a faixa ideal da desinfecção (a dosagem de hipoclorito foi determinada em laboratório, antes da irriga- ção). Quanto às parcelas, foram 32 parcelas, distanciadas umas das outras com a fina- lidade de formar um espaço suficiente para não ocorrer interferência dos tratamentos. Nestes espaços e no perímetro da área, foram plantados eucaliptos como bordadura. Para antecipar o possível efeito da irrigação na qualidade da água subterrânea, foram instalados em cada parcela plantada com eucaliptos, para os diferentes tratamentos (T1 a T8), coletores de drenagem livre nas posições 0,3 m, 0,6 m, e, 0,9 m de profun- didade e no perfil do solo. Os valores dos parâmetros químicos estão apresentados na Tabela 3.43. Verifica-se, nesta tabela, que os resultados de concentração de constituintes químicos na água do lençol freático não foram elevados e que, após um ano de irrigação, a franja de percolação da água no solo pode não ter atingido o lençol. Caso contrário, o efeito destas concentrações não foram suficientes para alterar a qualidade da água do lençol. Isto evidencia que, quando a irrigação é feita com critérios técnicos e com acompanhamento, ela não provoca impactos negativos no sistema água-solo-planta. Dos parâmetros analisados, o mais importante para a água subterrânea é o nitrato. Nos resultados apresentados na Tabela 3.30, as concentrações de nitrato permane- ceram em torno de 1,0 mgN.L-1, com exceção do tratamento T4 que ficou com 2,79 mgN.L-1 (valor ainda inferior ao limite da legislação). Até o atual estágio de desenvol- vimento da pesquisa pode-se afirmar que não houve alteração na qualidade da água do lençol freático.
- 114. UTILIzAçãO DE ESGOTO TRATADO NA AGRICULTURA: APORTE DE áGUA E NUTRIENTES 113 Tabela 3.43 > Resultados dos parâmetros químicos nas parcelas dos coletores de drenagem livre e nos poços de monitoramento do aquífero PARâMETROS UNIDADE IRRIGAçãO VALORES (COLETORES DE DRENAGEM) AQUíFERO Água/Efluente 30 cm 60 cm 90 cm Tratamento 1 Cond. Específica µS/cm ND 153,83 126,50 294,00 18,85 Nitrato Mg N-NO-3 L-1 2,18 1,00 1,00 1,00 1,00 Sódio mg Na L-1 1,14 1,08 0,11 1,92 0,13 Sólidos Totais mg L-1 21,75 520,00 ND ND ND Tratamento 2 Cond. Específica µS/cm ND 190,03 183,33 449,00 18,20 Nitrato Mg N-NO 3 L - -1 2,18 1,00 1,00 1,00 1,00 Sódio mg Na L-1 1,14 0,73 0,19 9,72 0,15 Sólidos Totais mg L-1 21,75 188,00 102,00 163,00 ND Tratamento 3 Cond. Específica µS/cm 1093,50 197,30 306,33 422,67 24,40 Nitrato mg N-NO-3 L-1 3,07 1,00 1,00 1,00 1,29 Sódio mg Na L-1 80,94 10,00 20,05 17,09 0,41 Sólidos Totais mg L-1 645,75 276,00 171,00 270,00 ND Tratamento 4 Cond. Específica µS/cm 1093,50 304,80 381,67 316,50 47,20 Nitrato mg N-NO-3 L-1 3,07 1,00 1,00 1,00 2,79 Sódio mg Na L-1 80,94 15,10 24,07 24,61 3,77 Sólidos Totais mg L-1 645,75 225,00 262,00 225,00 ND Tratamento 5 Cond. Específica µS/cm 1093,50 395,67 434,00 319,00 ND Nitrato mg N-NO-3 L-1 3,07 3,50 3,86 1,00 1,00 Sódio mg Na L-1 80,94 46,17 39,62 11,89 1,07 Sólidos Totais mg L-1 645,75 200,00 288,00 206,00 ND Tratamento 6 Cond. Específica µS/cm 1093,50 234,27 317,75 267,33 78,90 Nitrato mg N-NO-3 L-1 3,07 1,00 2,66 1,00 1,70 Sódio mg Na L -1 80,94 17,25 19,68 5,02 4,76 Sólidos Totais mg L-1 645,75 319,00 227,00 147,00 ND ND: NãO DETERMINADO / FONTE: UNICAMP, FRANCA, SP. Tratamento 7 Cond. Específica µS/cm 1093,50 543,33 515,00 661,00 15,77 Nitrato mg N-NO-3 L-1 3,07 20,80 15,35 14,30 1,00 Sódio mg Na L-1 80,94 55,00 46,52 54,16 1,13 Sólidos Totais mg L-1 645,75 317,00 294,00 422,00 ND Tratamento 8 Cond. Específica µS/cm Sem irrigação 119,23 ND 64,10 15,77 Nitrato mg N-NO-3 L-1 Sem irrigação 1,00 ND 1,00 1,00 Sódio mg Na L-1 Sem irrigação 0,05 ND 0,04 1,13 Sólidos Totais Mg L-1 Sem irrigação 128,00 ND ND ND
- 115. 114 ESGOTO 3.9 Experiências do Prosab 5: efeito de lâminas excedentes na irrigação da cultura do capim Bermuda Tifton-85 O grupo da USP, em Lins/SP, e o da UNICAMP, em Franca/SP, estudaram os efeitos da aplicação de lâminas excedentes na irrigação das culturas. Conforme mencionado, o grupo da USP conduziu pesquisa específica para avaliação dos efeitos da aplicação de lâminas excedentes de esgoto tratado sobre a cultura do capim Bermuda Tifton-85. Na Figura 3.24 são apresentados os dados de precipitação e lâminas aplicadas ao longo dos 12 meses de observação. 450 Pp Quantidade de água (mm) E 1.00 E 1.25 300 E 1.50 E 2.00 150 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 Mês FONTE: UNIVERSIDADE DE SãO PAULO, LINS, SP. Precipitação pluvial e lâminas de irrigação com efluente de lagoa facultativa aplicadas Figura 3.24 tratamentos O rendimento da cultura, expresso em termos de produção de massa seca da parte aérea, pode ser avaliado a partir da Figura 3.25. Tanto nos experimentos com capim-Tifton 85 quanto com cana-de-açúcar, as lâmi- nas de irrigação elevadas levaram aos aportes expressivos de sódio, cloro, nitrogênio e potássio. Devido à produtividade elevada, a exportação de elementos pela pro- dução de colmos foi considerável, em especial de N e K, cuja absorção pela planta foi superior aos valores de referência. A absorção elevada de N e K pela planta está relacionada ao aporte extra destes elementos via irrigação com efluente, ocorrendo um consumo de luxo. Com relação à absorção dos principais elementos estudados, as diferenças entre os tratamentos empregados foram de pequena magnitude. Apesar de a planta ter extra- ído quantidades significativas dos principais elementos, estas quantidades não foram suficientes para compensar o aporte, em especial de Na e de N.
- 116. UTILIzAçãO DE ESGOTO TRATADO NA AGRICULTURA: APORTE DE áGUA E NUTRIENTES 115 45 y = 0.051x + 35.28 R2 = 0.914 30 y = 0.042x + 18.68 Folhas R2 = 0.947 Colmos Folhas + Colmos Linear (Folhas) 15 Linear (Colmos) y = 0.009x + 16.60 R2 = 0.681 Linear (Folhas + Colmos) 0 0 25 50 75 100 Lâmina de Irrigação Excedente (%) FONTE: UNIVERSIDADE DE SãO PAULO, LINS, SP. Efeito de lâminas excedentes de irrigação com efluente no rendimento de massa seca Figura 3.25 do capim-Tifton 85 (somatório de 6 cortes bimestrais)nos tratamentos O aporte excessivo de N pareceu ser, em conjunto com o Na, o maior limitante à uti- lização de lâminas elevadas de irrigação na cultura da cana — dado o incremento dos indicadores de sodicidade do solo e a perda de N via lixiviação e desnitrificação. A pesquisa com eucaliptos, realizada pela UNICAMP, abordou o estudo da água de per- colação no meio solo quanto à aplicação de lâminas excedentes e a eventual lixiviação de compostos, como nitrato, e de metais pesados. Para antecipar procedimentos de manejo da irrigação (até eventual interrupção temporária), foram instaladas estações de monitoramento, constituídas de coletores (denominados de coletores de drenagem livre) para receber o liquido percolado/lixiviado. Estes coletores foram instalados nas profundidades 0,3 m; 0,6 m; e, 0,9 m e na posição central de cada parcela, para os diferentes tratamentos (T1 a T8). Os resultados quanto à lixiviação dos principais parâmetros químicos analisados estão apresentados na Tabela 3.25 (item 3.8.4). Estes resultados destacam a composição dos lixiviados no tratamento T7. De acordo com o delineamento experimental, nas parce- las deste tratamento, foram aplicadas taxas excedentes e equivalentes a 1½ dose de efluente sanitário. Na Figura 3.26 são apresentados os resultados da concentração de nitrato nos coletores para os diferentes tratamentos, com destaque para a concen- tração de nitrato no tratamento T7 que foi superior aos demais tratamentos devido à aplicação de doses excedentes de efluente. Confirma-se a importância de monitorar o ambiente da irrigação quanto à possibi- lidade de nitrificação no meio solo ocorrer bem como a consequente lixiviação do nitrato para a água do lençol. Neste caso, procedimentos de controle da irrigação, e seu manejo, se tornam indispensáveis.
- 117. 116 ESGOTO 25 Tratamento 1 Concentrações médias (mg/L) 20 Tratamento 2 Tratamento 3 15 Tratamento 4 Tratamento 5 10 Tratamento 6 5 Tratamento 7 Tratamento 8 0 te cm cm cm ro en fe 30 60 90 üi flu Aq /E ua Profundidade Ág FONTE: UNICAMP, FRANCA, SP. Figura 3.26 Concentração de nitrato nos poços coletores nos tratamentos Posteriormente à instalação do campo experimental para o plantio de eucaliptos, verificou-se, em amostras de solo de algumas parcelas, a presença destacada de con- centrações de chumbo e de zinco. Com a aplicação de taxas excedentes de irrigação, as amostras da água percolada no solo revelaram a presença de concentrações destes metais (Pb e Zn) conforme apresentado nas Figuras 3.27 e 3.28. Os valores demonstram uma quantidade de chumbo nos poços coletores, sobretudo para o tratamento 7 (que recebeu uma maior carga de efluente). Destaca-se, também, a quantidade de chumbo na profundidade 0,9 m do solo, com o dobro (ou mais) da concentração dos valores obtidos para outros coletores. Com relação ao zinco, verificou-se que os resultados são similares aos do chumbo e que os valores mais acentuados estão registrados nos coletores de profundidade 0,9 m no tratamento T7. Verifica-se, no entanto, que este efeito não se manifestou no aquífero e que os procedimentos de manejo da irrigação são importantes para preser- var a qualidade da água subterrânea. Tratamento 1 Concentrações médias (mg/L) 0,350 Tratamento 2 0,300 Tratamento 3 0,250 Tratamento 4 0,200 Tratamento 5 0,150 Tratamento 6 0,100 Tratamento 7 0,050 Tratamento 8 0,000 cm cm e cm ro t en fe 60 30 90 üi flu Aq /E ua Profundidade Ág FONTE: UNICAMP, FRANCA, SP. Figura 3.27 Concentração de chumbo (Pb) nos poços coletores de drenagem livre nos tratamentos
- 118. UTILIzAçãO DE ESGOTO TRATADO NA AGRICULTURA: APORTE DE áGUA E NUTRIENTES 117 0,300 Tratamento 1 Concentrações médias (mg/L) Tratamento 2 0,250 Tratamento 3 0,200 Tratamento 4 0,150 Tratamento 5 Tratamento 6 0,100 Tratamento 7 0,050 Tratamento 8 0,000 cm cm cm ro te fe en 60 90 30 üi flu Aq /E ua Profundidade Ág FONTE: UNICAMP, FRANCA, SP. Figura 3.28 Concentração de zinco (Zn) nos poços coletores de drenagem livre nos tratamentos A ausência completa desses elementos, ou presença em baixas concentrações na água limpa (represa) e nos efluentes sanitários utilizados na irrigação, permite inferir que é possível que já estivessem no solo anteriormente ao experimento. Conforme foi verificado posteriormente, uma busca no local revelou a presença de restos de pilhas enterradas no solo e, através de informações mais recentes, foi notificado que em parte daquela área, na década de 1970, o local foi utilizado como depósito de lixo ou de descarte de material desta natureza. O fato das maiores concentrações de Pb e de Zn ocorrerem na profundidade 0,9 m sugere que o material, que deu origem a estas concentrações, estivesse enterrado próximo àquela profundidade, com a operação de fechamento do aterro sanitário. Referências bibliográficas BASTOS, R.K.X. Utilização de esgotos tratados em fertirrigação, hidroponia e piscicultura. São Carlos: Prosab, Rima, 2003. BOND, W.J. Effluent irrigation: an environmental challenge for soil science. Australian Journal of Soil Research, v.36, p.543-555, 1998. DARWISH, M.R. et al. Economic environmental approach for optimum wastewater utilization in irrigation: a case study in Lebanon. Applied Engineering in Agriculture, v.15, p.41-48, 1999. EMPRESA BRASILEIRA DE PESQUISA AGROPECUáRIA. Sistema brasileiro de classificação de solos. Rio de Janeiro: Centro Nacional de Pesquisa de Solos, 1999. 412 p. FALKINER, R.A.; POLGLASE, P.J. Transport of phosphorus through soil in an effluent irrigated tree plantation. Australian Journal of Soil Research, v.35, p.385-397, 1997. FALKINER, R.A.; SMITH, C.J. Changes in soil chemistry in effluent-irrigated Pinus radiata and Eu- calyptus grandis. Australian Journal of Soil Research, v.35, p.131-147, 1997.
- 119. 118 ESGOTO FAO. “Crop evapotranspiration: guidelines for computing crop water requirements”. In: ____. Irrigation and drainage paper 56. [s.l]: FAO, 1988. FEIGIN, A.; RAVINA, I.; SHALHEVET, J. Irrigation with treated sewage effluent: management for environmental protection. Berlin: Springer-Verlag, 1991. 224 p. FEIGIN, A. et al. The nitrogen factor in the management of effluent-irrigated soils. Soil Science, v.125, p.248-254, 1978. FLORES TENA, F.J.; MUÑOZ SALAS, E.M.; MORQUECHO BUENDÍA, O. Absorcion de cromo y plomo por alfalfa y pasto ovillo. Agrociência, v.33, p.381-388, 1999. FONSECA, A.F. Viabilidade agronômico-ambiental da disposição de efluente de esgoto tratado em um sistema solo-pastagem. 2005. 174 f. Tese (Doutorado) – Escola Superior de Agricultura Luiz de Queiroz/Universidade de São Paulo, Piracicaba, 2005. FONSECA, A.F. et al. Agricultural use of treated sewage effluents: agronomic and environmental implications and perspectives for Brazil. Scientia Agricola, v.64, p.194-209, 2007a. FONSECA, A.F. et al. Treated sewage effluent as a source of water and nitrogen for Tifton 85 ber- mudagrass. Agricultural Water Management, v.87, p.328-336, 2007b. FONSECA, A.F.; MELFI, A.J.; MONTES, C.R. Maize growth and changes in soil fertility after irrigation with treated sewage effluent. I. Plant dry matter yield and soil nitrogen and phosphorus availabi- lity. Communications in Soil Science and Plant Analysis, v.36, p.1965-1981, 2005a. ____. Maize growth and changes in soil fertility after irrigation with treated sewage effluent. II. Soil acidity, exchangeable cations, and sulfur, boron and heavy metals availability. Communica- tions in Soil Science and Plant Analysis, v.36, p.1983-2003, 2005b. ____. Cation exchange capacity of an Oxisol amended with an effluent from domestic sewage treatment. Scientia Agricola, v.62, p.552-558, 2005c. HERPIN, U. et al. Chemical effects on the soil–plant system in a secondary treated wastewater irrigated coffee plantation: a pilot field study in Brazil. Agricultural Water Management, v.89, p.105-115, 2007. LEAL, R.M.P. Efeito da irrigação com efluente de esgoto tratado em propriedades químicas de um latossolo cultivado com cana-de-açúcar. 2007. 109 f. Dissertação (Mestrado na área de Solos e Nutrição de Plantas) – Escola Superior de Agricultura Luiz de Queiroz, Universidade de São Paulo, Piracicaba, 2007. MALAVOLTA, E.; VITTI, G.C.; OLIVEIRA, S.A. Avaliação do estado nutricional das plantas: princípios e aplicações. 2 ed. Piracicaba: Potafos, 1997. 319 p. POLGLASE, P.J. et al. Mineralization and leaching of nitrogen in an effluent-irrigated pine planta- tion. Journal of Environmental Quality, v.24, p.911-920, 1995. REICHARDT, K. A água em sistemas agrícolas. 1 ed. Piracicaba: Manole, 1990. 188 p. SANTOS, L.F. Tratamento e utilização de esgotos sanitários. [s.l]: Prosab, ABES/Sermograf, 2007.
- 120. 4 Utilização de Nutrientes de Esgoto Tratado em Hidroponia Henio Normando de Souza Melo, Renata Carolina Pifer, Cícero Onofre de Andrade Neto, Luiza Girard, José Marques Junior 4.1 Introdução A Hidroponia é uma técnica que permite o crescimento e o desenvolvimento de vegetais sem o suporte físico e nutricional do solo. Os nutrientes, neste caso, são retirados diretamente de uma solução nutritiva que contém íons essenciais para a planta. As raízes são alimentadas ou pelo contato direto com esta solução ou através da utilização de um suporte de substrato inerte. O esgoto tratado é rico em sais dissolvidos que são essenciais para as plantas e, por- tanto, podem ser utilizados como solução de nutrientes na hidroponia. O uso da técnica de cultivo em hidroponia com esgoto tratado é uma ferramenta poderosa na preservação e uso racional da água. Permite uma economia de área ne- cessária de até dez vezes quando comparado a sistemas de cultivo em solo irrigado. Esta técnica se baseia no princípio de reciclagem da água, podendo ser utilizada ainda como unidade de pós-tratamento de efluentes domésticos. Desta forma, os sistemas hidropônicos que utilizam esgoto tratado atuam, principalmente, na remoção bioló- gica dos nutrientes eutrofizantes (nitrogênio e fósforo) além de remover teores rema- nescentes de matéria orgânica carbonácea e outros íons que servirão de “alimento” para as plantas cultivadas. Outras vantagens de caráter ambiental do uso do esgoto tratado em hidroponia são: redução acentuada do uso de agrotóxicos — não faz uso de herbicidas, diminui a
- 121. 120 ESGOTO aplicação de inseticidas e fungicidas por ser praticada em ambiente protegido (estufas ou viveiros); evita problemas de poluição de mananciais (poluição esta causada pelo carregamento de solo e fertilizante nos processos de erosão). Existem, no entanto, importantes aspectos que devem ser considerados para uma ade- quada utilização do esgoto tratado em hidroponia, tais como: a presença excessiva de nitrogênio e o alto teor de sais dissolvidos, que podem comprometer culturas pouco tolerantes; a presença de íons específicos, que são tóxicos a algumas culturas; a ausência de nutrientes fundamentais a determinadas culturas; o risco de saúde ao tra- balhador e usuários dos produtos hidropônicos devido à contaminação de organismos patogênicos existentes no esgoto bruto. Para estas dificuldades, contudo, as pesquisas têm apresentado soluções inteligentes e seguras. 4.2 Fatores que influenciam o desempenho dos sistemas hidropônicos com esgoto tratado O desempenho dos sistemas hidropônicos está em função de fatores intrínsecos e ex- trínsecos à planta cultivada. Os fatores intrínsecos estão relacionados à genética e fisiologia da planta escolhida para o cultivo hidropônico. Enquanto os fatores extrínsecos, por sua vez, estão rela- cionados com a toda técnica de cultivo utilizada durante o ciclo produtivo da cultura: desde a escolha e qualidade das sementes, consideração das condições climáticas, do manejo diário empregado, até as práticas de colheita e conservação dos produtos. Entende-se por crescimento o aumento irreversível de tamanho que ocorre nos seres vivos. é consequência não apenas da divisão celular, mas também, da distensão celu- lar. Já o desenvolvimento, que ocorre ao mesmo tempo do crescimento, constitui-se em uma série de fenômenos que ocorre enquanto a planta cresce e que culmina com a sua maturidade sexual. A conjunção dos processos interdependentes e simultâneos de crescimento e desenvolvimento recebe o nome de ontogênese, que é o conjunto de fenômenos que levam à formação de um indivíduo adulto de uma espécie. Portanto, apesar de todo “vigor” da planta estar condicionada à sua genética, o seu crescimento e desenvolvimento sofrem influência de todo o ambiente e manejo de cultivo empregado — o que ocorre em consequência do funcionamento dos mecanis- mos fisiológicos ser afetado por estes fatores. Os conhecimentos adquiridos no âmbito do Prosab constituem um patrimônio intelec- tual de grande relevância. Nesse contexto, as informações contidas no presente capí- tulo visam relatar as experiências acumuladas de forma que possam ser difundidas e utilizadas diretamente dentro dos preceitos de transferência de tecnologia.
- 122. UTILIzAçãO DE NUTRIENTES DE ESGOTO TRATADO EM HIDROPONIA 121 4.2.1 Condições ambientais O controle ambiental visa proporcionar às culturas condições ideais para que elas cresçam, desenvolvam-se satisfatoriamente e obtenham sua maior produtividade. Segundo Rodrigues (2002), o controle ambiental em ambientes protegidos pode ser dividido em duas partes distintas. A primeira está relacionada ao ambiente aéreo, em que os fatores físicos (tais como a luminosidade, temperatura, e outros) atuam. A se- gunda diz respeito ao ambiente em que o sistema radicular se desenvolve sob a influ- ência de fatores nutricionais e físicos. No ambiente aéreo, destacam-se a temperatura e a umidade relativa do ar. Toda planta tem uma temperatura ambiente mínima, abaixo da qual não sobrevive; uma temperatura ótima, na qual seu crescimento é normal; e uma temperatura má- xima, que lhe causa a morte. As altas temperaturas não só provocam uma perda ex- cessiva de água como desativam enzimas indispensáveis para a manutenção da vida. Por outro lado, o efeito letal do frio pode ser devido ao congelamento da seiva, assim como, muitas vezes, pela falta de água que provoca. Neste sentido, deve-se investigar constantemente a temperatura ótima para as diversas culturas antes de fazer a esco- lha da espécie a ser cultivada. A umidade relativa do ar exerce influência direta sobre a intensidade respiratória das plan- tas, sendo que, de modo geral, ambientes mais secos aumentam a atividade transpiratória e, de forma recíproca, esta atividade diminui com o aumento da umidade relativa. O aumento da transpiração favorece o fluxo em massa de alguns elementos minerais em direção a superfície radicular — o que pode colaborar na absorção. Entretanto, a absorção propriamente dita não depende da intensidade da transpiração uma vez que ela é comandada por processos metabólicos com gasto de energia. Dentre estes processos destacam-se as bombas, que determinam a absorção dos íons. Uma vez que os íons atingem os vasos do xilema, a maior ou menor intensidade da transpiração vai afetar a ascensão desses íons para a parte aérea (tendo em vista que eles são levados segundo um fluxo em massa até aquela área). A evapotranspiração excessiva pode causar danos pelo acúmulo de sais próximos à raiz. Este excesso aumenta o potencial osmótico do meio externo e faz com que cesse a absorção de água e nutrientes. A planta, inclusive, pode chegar a perder água para o meio externo, o que lhe causará a morte. Os valores da umidade relativa do ar são inversamente proporcionais aos valores da temperatura. Portanto, durante a noite, quando a temperatura atinge sua mínima, a umidade relativa pode atingir quase 100%. Esse valor é variável de acordo com o tipo de material e construção da estufa ou casa de vegetação. O excesso de umidade
- 123. 122 ESGOTO favorece a ocorrência de doenças fúngicas assim como diminui a taxa de polinização, importante para culturas que visam à produção de frutos. Segundo a regra geral: no ambiente para cultivos hidropônicos deve, preferencial- mente, haver livre circulação do ar, contanto que a variação de temperatura ambiente da estufa, ou casa de vegetação, não sofra variações bruscas. A temperatura ideal irá variar de acordo com a espécie cultivada, conforme discutido anteriormente. Importância especial deve ser dada ao controle do ambiente onde se desenvolvem as raízes. Sendo assim, além da temperatura ambiente, outro fator essencial é a tem- peratura da solução nutritiva. O aquecimento do sistema radicular aumenta a taxa de crescimento da planta que, por sua vez, está associado ao aumento da área foliar. Consequentemente, as taxas de fotossíntese e de translocação também aumentam (WOLFE, 1997; MOORBY et al, 1980, citado por RODRIGUES, 2002). O desenvolvimento, contudo, aumenta até que o nível considerado ótimo pela planta seja alcançado; aci- ma deste nível, o crescimento é reduzido. Por outro lado, temperaturas abaixo das consideradas ideais podem afetar a absorção de nutrientes, principalmente no caso de culturas mais sensíveis ao frio. Em geral, a tem- peratura da solução nutriente não deve ultrapassar os 30º C, sendo que o ideal para a maioria das plantas é a faixa entre 18º C e 24º C em locais de clima quente. Temperaturas muito acima ou abaixo desses limites causam danos à planta, seja pela diminuição na ab- sorção dos nutrientes, seja pela alta transpiração (excesso de perda de água). Ambos os processos induzem a uma menor produção, com produtos de baixa qualidade que serão vendidos a preços mais baixos. Outro cuidado que deve ser tomado é o de impedir que a temperatura da solução nutritiva, durante a noite, seja inferior à temperatura do ar. Da mesma forma, a temperatura do substrato determina a velocidade de germinação e emergência das plântulas. 4.2.2 Eficiência no uso da água O principal objetivo da utilização de esgoto tratado em hidroponia é o aproveitamento deste esgoto como fonte de recurso hídrico com conteúdo nutricional. Desta forma, preservam-se águas de melhor qualidade para fins mais nobres e diminui-se o impacto no meio ambiente. Deve-se ter sempre em mente que o reúso de águas tem por finali- dade precípua a preservação dos mananciais de água potável. Sendo assim, sua utiliza- ção de forma mais eficiente pode ser considerada como um dos fatores determinantes do sucesso desta técnica. Os cultivos hidropônicos podem ser realizados em sistemas abertos (sem recirculação da água) ou em sistema fechado (em que a água é reaproveitada ao máximo até não
- 124. UTILIzAçãO DE NUTRIENTES DE ESGOTO TRATADO EM HIDROPONIA 123 oferecer mais condições de uso em razão do acúmulo de substâncias e elementos tóxicos ou por questões de higienização). Em cultivos hidropônicos pela técnica do filme nutriente (em calhas) utilizando esgoto tratado, recomenda-se o emprego de sistemas fechados, aumentando assim a “vida útil” da solução nutriente e proporcionando um maior tratamento do esgoto — maior eficiência na remoção de nutrientes eutrofizantes. Sistemas abertos são ainda menos recomendados quando existe a utilização de um substrato que não se decompõe no solo após sua utilização e disposição final. Pesquisas realizadas pela UFRN e pela UFPA comprovam que, com um manejo ade- quado, a solução pode recircular por períodos de até 120 dias sem trazer perdas de produtividade ou problemas de doenças às plantas. Para cultivo hidropônico em tabuleiros, como o empregado na produção de forragem hidropônica, a evapotranspiração é muito elevada e o efluente final é muito reduzido. O sistema, portanto, nesta situação, não necessita de recirculação, sendo mais ade- quado o sistema aberto. 4.2.3 Características do esgoto tratado A produção vegetal depende do fornecimento de todos os nutrientes de que a plan- ta necessita. A questão da utilização de esgoto tratado em hidroponia exige, portanto, o conhe- cimento de três critérios básicos: caracterização físico-química; levantamento dos efeitos do uso do esgoto tratado sobre a produção e produtividade das plantas; e o conhecimento dos riscos associados à saúde e ao meio ambiente. Esses conhecimentos são de vital importância e estão relacionados com a escolha da cultura, o tipo de sistema hidropônico empregado e/ou o manejo a ser dado, e evitam, inclusive, o desperdício, ou uso impróprio, da água com nutrientes — como citado anteriormente. O primeiro critério a ser considerado está associado à caracterização do efluente tra- tado. é possível estabelecer, como regra geral, algumas condições para a utilização de esgoto tratado em substituição às soluções nutritivas sintéticas convencionais. São elas: baixa concentração de sólidos suspensos; baixas concentrações de bicarbonatos; baixos teores de sódio e cloro; baixa dureza da água; ausência de íons tóxicos. Estes itens já foram discutidos em publicação anterior do Prosab (MELO et al, 2003; MELO et al, 2006), porém destaca-se novamente aqui, a imperiosa necessidade de baixas concentrações de sólidos suspensos, pela importância operacional.
- 125. 124 ESGOTO O controle das concentrações de sólidos suspensos deve ser a preocupação mais fre- quente, sob pena de total insucesso. Quando os sólidos suspensos estão presentes em concentrações altas, ou mesmo moderadas, nos efluentes (esgoto tratado) a serem usados como substitutos de solução nutritiva, eles agregam-se ao sistema radicular da planta e prejudicam sua oxigenação. Portanto, a eficiência do tratamento do esgoto para uso em hidroponia deve ser suficiente para assegurar um efluente com baixas concentrações de sólidos suspensos (menor que 30 mg/L, preferencialmente abaixo de 20 mg/L). Felizmente, com a tecnologia de tratamento de esgoto disponível no Brasil pode-se obter concentrações de sólidos suspensos nos efluentes abaixo de 30 mg/L sem maiores dificuldades. O segundo critério está relacionado às concentrações relativas de cada íon, haja vista que estes íons influenciam na absorção e assimilação dos elementos nutritivos para as plantas, ou seja, na interação entre os nutrientes envolvendo fenômenos sinérgicos e antagônicos. A produção das culturas é afetada pela eficiência nutricional. O termo eficiência nutri- cional, aqui, refere-se à eficiência de absorção — que indica a capacidade da planta de “extrair” nutrientes do meio de cultivo (esgoto tratado). A aquisição de um nutriente pela planta depende da disponibilidade deste nutriente no esgoto tratado e da própria capacidade de absorção da própria planta. Embora seja válido ressaltar que existem diferenças na capacidade e na velocidade de absorção de um determinado nutriente entre espécies e variedades. Com uma correta eficiência nutricional, aumenta-se a produtividade e reduz-se o emprego de solução nutritiva com consequente diminuição nos custos. Assim, a otimização da eficiência nutricional é de grande importância, pois as soluções nutritivas contribuem com aproximadamen- te 30% a 40% do custo total da produção no caso de cultivos hidropônicos. Porém, note que este percentual de custos não se aplica ao caso do uso de esgoto tratado. Neste caso, a utilização deste efluente como solução nutritiva é economicamente van- tajosa pois não requer adição de determinados nutrientes e ao mesmo tempo reduz o custo do tratamento do efluente para lançamento nos corpos d’água (uma vez que remove nutrientes eutrofizantes). 4.2.3.1 Interação de nutrientes Os efluentes tratados apresentam em sua composição um elevado número de nutrien- tes em concentrações diversas e não balanceadas. A situação de acúmulo de nutrientes na solução de nutrição, ou seja, a maior concentração de determinados nutrientes em relação a outros, cria condições para que vários tipos de interações entre os nutrien- tes se manifestem.
- 126. UTILIzAçãO DE NUTRIENTES DE ESGOTO TRATADO EM HIDROPONIA 125 Segundo Melo et al (2006), modificações nas concentrações de sais nutrientes na so- lução nutritiva, bem como conversões da forma inorgânica para orgânica por meio de reações químicas reversíveis, podem acarretar distúrbios nos mecanismos de absorção, ocasionando alterações no metabolismo das plantas, e prejudicando, consequente- mente, seu crescimento e desenvolvimento. Por este motivo, a solução nutritiva deve ser constantemente monitorada e manejada conforme explicado no item 4.3.1.2. A tabela 4.1 apresenta um resumo das interações mais comuns entre os nutrientes. Tabela 4.1 > Resumo dos efeitos interiônicos íONS EFEITO Cu Ca Antagonismo B Ca Sinergismo K Mg e Ca (alta concentração) Inibição competitiva K, Ca e Mg (alta concentração) Al Inibição competitiva Zn Ca Inibição competitiva Zn Cu Inibição competitiva Zn P Inibição não competitiva Mg P Sinergismo FONTE: MALAVOLTA (1987). 4.3 Cultivo de flores ornamentais pela técnica NFT O estudo do cultivo de flores ornamentais pela Técnica NFT com utilização de efluentes tratados gerou importantes informações de ordem científica e prática. A técnica NFT (Técnica do Filme Nutritivo) caracteriza-se pela obtenção dos nutrientes pelas plantas por meio do sistema radicular quando há o contato da planta com a solução nutritiva através de uma lâmina da solução distribuída por calhas de cultivo. A NFT (no original, Nutrient Film Technique) fundamenta-se na formação de uma pelí- cula de solução nutritiva (“filme” nutriente) diretamente sobre as raízes da cultura, que surge quando as raízes são imersas no fluxo laminar de solução nutritiva. A solução nutritiva flui por ação da gravidade em canais ou canaletas com baixa declividade, mantendo uma lâmina que permite bom contato com as raízes. Se a alimentação for intermitente, o filme nutritivo terá aeração natural (ANDRADE NETO et al, 2005).
- 127. 126 ESGOTO 4.3.1 Protocolo de Cultivo 4.3.1.1 Aspectos construtivos e dimensionamento da unidade O cultivo hidropônico NFT é realizado em ambientes protegidos. Entende-se aqui por ambiente protegido aquele que tem por finalidade abrigar as culturas de adversidades climáticas ou, ainda, aquele cujo objetivo é o controle de um ou mais fatores climáti- cos. Esta definição inclui desde os viveiros mais simples, as casas de vegetação cobertas por lonas ou sombrites, até as estufas com controles automáticos, computadorizados, de temperatura, luminosidade, umidade, concentração de gases no ar e outros. Em literaturas internacionais o termo “cultura protegida” ou “ambiente protegido” pode ser encontrado em um sentido mais amplo. Isto é, englobando conjunto de práticas e tecnologias tais como mulching, quebra-ventos, túneis altos ou baixos, e outros que permitam uma condição mais segura para o crescimento e desenvol- vimento das culturas. No Brasil, de um modo geral, quando se fala em “ambiente protegido”, pensa-se logo na terminologia estufa, e por este motivo este será o termo aqui empregado — ainda que geralmente se tratem de casas de vegetação, que não configuram verdadeiras estufas. Existem vários modelos de estufas que podem ser utilizados para o cultivo hidropônico, entre eles destacam-se os modelos capela, arco e serrado que podem ser conjugados ou não. O modelo mais empregado é o modelo tipo capela, que possui duas águas, fornece amplo espaço, uma boa proteção interna e um bom escoamento às águas das chuvas. As armações das estufas podem ser construídas em vários materiais: em madeira, aço galvanizado, em cloreto de polivinil flexível (PVC) e materiais mistos (com madeira e PVC; ou com madeira e aço galvanizado). Essas armações são cobertas com plástico, destinado a este fim de cobertura, colocados nas partes de cima, na frente, atrás, e nas laterais da estufa. Para cobertura e laterais pode ser utilizado filme plástico aditivado transparente com espessura mínima de 150 micras para suportar a ação dos ventos. Os plásticos das la- terais podem ser móveis, tipo “cortinas”. Dessa forma, podem ser erguidos dependendo das condições climáticas (chuva, frio, ventos, etc.). Com a possibilidade de erguê-los, as temperaturas elevadas podem ser amenizadas em dias muito quentes, ou, então, em dias mais frios, deixá-los baixos mantém ou impede que as temperaturas bai- xem muito. Em locais de clima quente, o plástico também pode ser substituído por sombrite. O sombrite tem como função principal a proteção das plantas contra o sol, e existem diversas opções em fios e porcentagem de filtragem. A classificação do sombrite é dada em porcentagem e se refere à quantidade de proteção da luz. Ou seja, um sombrite de 40% só deixa passar 60% dos raios solares.
- 128. UTILIzAçãO DE NUTRIENTES DE ESGOTO TRATADO EM HIDROPONIA 127 Nas laterais das estufas, podem ser colocadas telas de nylon com, pelo menos, 0,5 m de altura. A tela tem o objetivo de proteger a estufa contra a entrada de animais, como ro- edores, que são bastante atraídos — principalmente quando o produto final são frutos. Existem empresas especializadas que comercializam estruturas prontas de acordo com o tamanho e a finalidade do empreendimento. As medidas estão condicionadas ao espaço disponível onde será instalado o sistema hidropônico, não havendo restrições. Entretanto, destaca-se que a determinação das dimensões e o material da estufa é um importante fator do conforto ambiental para as plantas, uma vez que a transferência de calor através da cobertura plástica sofrerá influência destas dimensões. Ainda são bastante escassos os estudos sobre as dimensões ideais da estufa para um controle efetivo da temperatura e da umidade internas. Pesquisas realizadas na UFRN com Gérberas mostraram que a flutuação observada durante o dia (aproximadamente 4º C), pode acarretar danos rápidos, irreversíveis, e insucesso de todo cultivo. Mais importante que a largura e o comprimento da estufa é a altura do pé direito. Sade (1994), citado por Rodrigues (2002), salienta que esta altura deve ser de 0,5 a 1,0 metro maior do que a altura máxima alcançada pela cultura. Este espaço acima permite a saída do ar quente que fica em contato com o plástico de cobertura. Na UFRN e na UFPA optou-se por colocar acima do plástico de cobertura uma segunda cobertura de sombrite 40%, entretanto, o uso de sombrite não é aconselhável para o cultivo de plantas que necessitam de alta luminosidade. Outra opção é o uso de lanternins, que são aberturas dispostas na cobertura das estufas, para propiciarem ventilação e iluminação naturais nos ambientes. O funcio- namento dos lanternins é devido à diferença de densidade do ar ambiental ao ganhar calor. O ar, ao ser aquecido, fica menos denso e ascende para a cobertura. Quanto maior a altura da cobertura, mais significativa será a ascensão do ar. Do ponto de vista da ventilação natural, os lanternins apresentam ótimo desempenho quando aplicados em estufas altas onde as culturas desprendem muito calor. O uso de lanternins para ventilação natural deve levar em consideração os seguintes fatores: os dimensionamentos das áreas de lanternins (devem ser adequados e compa- tíveis com as aberturas, para ingresso de ar, no nível inferior da estufa); os ambientes ventilados por lanternins ficam com pressão negativa em relação ao ambiente externo (este fato faz com que uma eventual poluição atmosférica nas proximidades da estufa migre para o interior dela mesma); em locais com inverno rigoroso, devem ser tomadas providências de fechamento parcial das aberturas para melhorar as condições de con- forto ambiental nos dias de muito frio (atualmente, existe uma série de lanternins padro- nizados que asseguram a passagem do ar sem criar problemas de infiltrações de água).
- 129. 128 ESGOTO Os lanternins, quando aplicados de maneira adequada, e quando bem dimensionados, passam a integrar uma boa opção para ventilação das estufas, sem se constituir em gastos de energia para climatização. Podem ser ainda adotados, para controle da temperatura, sistemas de vaporização. Todavia, o ambiente pode se tornar propício ao desenvolvimento de algumas doenças, principalmente as fúngicas. Quanto à locação da estufa, aconselha-se, para tirar mais vantagem da radiação solar, construir a estufa com o eixo maior na direção (orientação) leste-oeste. Isso faz com que haja uma redução no sombreamento das vigas da estrutura de forma que elas se tornam mais eficientes na transmissão da radiação solar. A estufa deverá ser constru- ída no sentido da direção dos ventos predominantes e não na direção perpendicular a eles. Se esta orientação não coincidir com o eixo maior na posição leste-oeste (L-O), deve-se montar as bancadas, dentro da estufa, no sentido L-O. As bancadas, ou mesas de cultivo, são onde se colocam as mudas, ou seja, onde vai ocorrer o cultivo propriamente dito. As plantas permanecem nas bancadas até a sua colheita. As bancadas para a técnica hidropônica são compostas de suportes de ma- deira ou outro material, que formam uma base de sustentação para os canais de cultivo, que, por sua vez, também podem ser de diversos tipos. As dimensões das bancadas normalmente obedecem a certos padrões, que podem va- riar de acordo com a espécie vegetal e com o tipo de canal utilizado. Normalmente, a bancada deve ter até 1,0 m de altura e 2,0 m de largura máxima. Essas dimensões são suficientes para uma pessoa trabalhar de maneira confortável nos dois lados da mesa, facilitando-lhe as operações de transplante, os tratamentos fitossanitários (quando necessários), os tratos culturais, a colheita e a limpeza da mesa. é necessária uma declividade de 2 a 4% no comprimento dos canais que conduzem a solução nutriente. Além disso, é recomendável que o comprimento da bancada não ultrapasse 15 metros. O comprimento está associado à vazão utilizada. Este compri- mento máximo é o recomendado quando se vai utilizar 1,0 litro/minuto de solução nutritiva por canal, devido, principalmente, à possibilidade de escassez de oxigênio dis- solvido na solução no final da bancada. Quando a solução nutritiva apresenta baixos níveis de 02, pode ocorrer a morte dos meristemas radiculares (pequena ramificação das raízes) e baixa absorção dos nutrientes, ocasionando, desta forma, um crescimento mais lento com redução de produção ao longo do tempo (BERNARDES, 1997). O comprimento das bancadas também influencia na quantidade de nutrientes que chega às plantas situadas no final dos canais de cultivo, e na temperatura da solução nutritiva (que tende a esquentar).
- 130. UTILIzAçãO DE NUTRIENTES DE ESGOTO TRATADO EM HIDROPONIA 129 O material utilizado na confecção dos canais deve ser impermeável ou impermeabili- zado para não reagir com a solução nutritiva. O Prosab optou pelo uso de tubos de PVC (que são materiais muito usados na construção civil, fáceis de encontrar e com preços razoáveis). Também, mais recentemente, têm sido usados tubos de polipropileno de formato semicircular. Serrando-se os canos ao meio, obtêm-se dois canais de cultivo com profundidade igual à metade do diâmetro do tubo. Podem-se unir quantos canais se forem necessários, utilizando-se, para tanto, cola para encanamentos, silicone e, se necessário, arrebites. Os tubos de PVC também podem ser usados inteiros, com furos na parte superior dos mesmos para sustentação das plantas, a exemplo da estrutura utilizada nos experimen- tos do Prosab realizados na UFPA. Eles dispensam qualquer tipo de sustentação para as plantas, já que são fechados, e fornecem o apoio suficiente para a maioria das espécies. Na UFRN, os canais foram feitos com tubos PVC recortados e foram utilizados forros de PVC como suporte para as plantas. De acordo com Furlani et al (1999), a lâmina usada para confeccionar as embalagens tipo longa vida (TetraPark®) tem sido empre- gada com sucesso na cobertura de mesas de cultivo e sustentação das plantas. é um produto relativamente barato e de excelente durabilidade. é de fácil limpeza, tem boa capacidade de isolamento térmico e resiste aos raios solares. Na UFPA foram utilizados tubos de PVC, com 150 mm de diâmetro e 7,0 m de compri- mento, perfurados na parte superior, com orifícios de 75 mm de diâmetro, espaçados de 0,70 em 0,70 m, deixando 0,30 m em cada extremidade. Os tubos foram fixados em suportes, sobre bancadas de madeira, com declividade de 2,0%, para escoamento da solução nutritiva por gravidade. Estes tubos (canais de cultivo) têm espaçamentos de 0,70 m entre si. O diâmetro e o espaçamento das perfurações também irão variar com a espécie a ser cultivada. Os canais de PVC servem para todos os tipos de flores ornamentais. Para mudas meno- res utilizam-se os tubos de 40-50 mm; para plantas intermediárias, os de 75-100 mm, e para plantas de maior desenvolvimento tanto da parte aérea como radicular, os de 100-200 mm. O inconveniente desse sistema é a formação de algas dentro dos canos, em função da luz que penetra por eles (ALBERONI, 1998). Este fato foi constatado em alguns experi- mentos da UFRN, embora não tenha chegado a causar danos à produtividade. Em linhas gerais, a escolha da estrutura de uma estufa deverá levar em consideração a eficiência deste espaço de cultivo, a relação custo x benefício e a disponibilidade de materiais.
- 131. 130 ESGOTO O sistema de alimentação das bancadas com solução nutritiva é simples e também construído com material de fácil aquisição e baixo custo. Ele é composto por reserva- tório para o esgoto tratado, tubulação de distribuidores e recirculação, registro para aferição da vazão, sistema de bombas e “timers” ou temporizadores. O material do reservatório deve ser não fitotóxico e sua capacidade de armazena- mento depende do dimensionamento da unidade produtiva (bancadas). Ou seja, a capacidade de armazenamento depende do número de plantas que serão alimentadas, da necessidade hídrica da cultura, bem como do sistema de manejo da solução nutri- tiva (esgoto tratado) que será adotado, conforme explicado no item 4.3.1.2. Um aspecto importante a ser considerado no condicionamento do esgoto é a sua aeração. A aeração do meio é necessária para que ocorra a nitrificação do nitrogênio amoniacal — uma vez que a forma nitrogenada mais assimilável pelas plantas é o nitrato e o excesso de amônia pode causar toxidez à maioria das plantas ornamentais. A aeração promove ainda a homogeneização do meio. Esta aeração pode ser realizada por meio de compressores como os empregados em aquários. O bombeamento, a exemplo do utilizado pela UFRN, pode ser realizado por Eletrobom- ba de Drenagem de marca “Invensys”, monofásica, com potência de 32 W. Tal equipa- mento possui baixo custo, e é facilmente encontrado devido sua larga utilização em lavadoras de roupa, de louça e pressurizadores. Sempre que possível, deve-se optar por instalar bombeamento individualizado no conjunto de bancada. Este procedimen- to é recomendado para evitar perdas generalizadas caso haja algum imprevisto como entupimentos, falhas elétricas e/ou mecânicas do sistema de bombeamento — ou mesmo para evitar a transmissão de eventuais doenças que possam aparecer durante o cultivo. As vazões são aferidas de forma direta e controladas por registros de gaveta de 20 mm de diâmetro nominal. A aplicação da lâmina de esgoto, tur- nos e tempos de rega são controla- dos por meio de relés temporizadores (“timers”) automatizados que monito- ram o funcionamento do sistema de bombeamento. A Figura 4.1 mostra vista da casa de ve- getação (“estufa”) da UFRN e, nas Figu- FONTE: UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO GRANDE DO NORTE, NATAL, RN. ras 4.2 e 4.3, são apresentados detalhes das calhas de hidroponia NFT da UFRN Casa de vegetação (“estufa”) para Figura 4.1 hidroponia NFT, utilizada pela UFRN e UFPA, respectivamente.
- 132. UTILIzAçãO DE NUTRIENTES DE ESGOTO TRATADO EM HIDROPONIA 131 FONTE: UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO GRANDE DO NORTE, NATAL, RN. Figura 4.2 Detalhe de calhas da hidroponia NFT, utilizadas na UFRN FONTE: UNIVERSIDADE FEDERAL DO PARá, BELéM, PA. Figura 4.3 Detalhe de calhas da hidroponia NFT, utilizadas na UFPA 4.3.1.2 Aspectos relacionados ao fornecimento de água e nutrientes Os principais aspetos relacionados ao fornecimento do esgoto tratado são: determina- ção da quantidade (vazão de alimentação); periodicidade (turnos de rega); estabeleci- mento do tempo de recirculação e; definição sobre a correção do esgoto (pH e adição de nutrientes). Quanto à determinação da quantidade é importante considerar que, enquanto vazão, o ideal é que a lâmina de água encubra 2/3 das raízes possibilitando assim que ocorram as trocas gasosas com o meio. Algumas bibliografias destacam a necessidade de for- necer uma quantidade mínima diária de água para cada planta. Para flores ornamen- tais essa necessidade varia entre 2 e 3 litros/dia. O estabelecimento da vazão é, portanto, principalmente em função da cultura que vai ser instalada. De acordo com cultura serão colhidas as informações sobre suas neces-
- 133. 132 ESGOTO sidades hídricas e a largura, ou diâmetro, necessária para a calha de cultivo (a lâmina deve ser suficiente para encobrir 2/3 das raízes). Um parâmetro secundário para o estabelecimento da vazão, mas que também deve ser levado em consideração, é o comprimento das calhas. O comprimento x espécie cultivada (espaçamento adequado) é que definirá o número de plantas totais a serem alimentadas — embora também influa o fato de que a solução deve chegar ao final das calhas com nutrientes e oxigenação suficientes. Quanto à periodicidade, normalmente o sistema de alimentação é intermitente, ou seja, os períodos se alternam continuamente entre rega e descanso. Isto ocorre porque existe a necessidade de respiração do sistema radicular. O ciclo de rega deve ser tal que proporcione a formação de uma lâmina de esgoto tratado envolvendo todo o sistema radicular para que haja um melhor contato com, e consequente melhor absorção dos, nutrientes ao mesmo tempo em que cuide para raiz não chegar a secar. Os períodos de rega e descanso são determinados em função da cultura e das condi- ções climáticas (principalmente temperatura e umidade relativa do ar). Algumas plan- tas mais adaptadas ao clima do local de cultivo regulam a sua transpiração, perdendo menos água, e, portanto, podem ficar períodos mais longos sem alimentação. Quanto ao estabelecimento do tempo de recirculação e definição sobre a correção do esgoto vale destacar dois aspectos preponderantes para a correta operação de sistemas hidropônicos. A saber: a escolha do tempo de recirculação do esgoto tratado nos sistemas fechados (determinação da “vida útil” do esgoto) e a definição da neces- sidade (ou não) da correção do pH, ou da concentração de determinados nutrientes do esgoto. Ambos os fatores estão correlacionados e estão em função das caracterís- ticas nutricionais do esgoto tratado utilizado, da planta cultivada e ainda de fatores ambientais. Por este motivo, os fatores serão abordados conjuntamente, e receberão o nome de “manejo da solução”. Partindo do princípio de que as pesquisas realizadas pelo Prosab tinham como objetivo dar um destino produtivo ao esgoto tratado, preservando os mananciais e, ao mesmo tempo, promovendo o reúso de águas, as recomendações que se seguem estão funda- mentadas na remoção dos nutrientes eutrofizantes (nitrogênio e fósforo), assim como em recomendações de manejo dentro dos preceitos básicos da hidroponia tradicional (ou seja, com o uso de água potável + adubos sintéticos). Na bibliografia especializada são encontradas mais de 300 formulações de soluções nutritivas diferentes que combinam vários tipos de sais e nutrientes para diferentes espécies de plantas. Mesmo as recomendações para uma mesma espécie podem ser encontradas em diversas formulações distintas. Portanto, até o momento não existem formulações consideradas “ideais”.
- 134. UTILIzAçãO DE NUTRIENTES DE ESGOTO TRATADO EM HIDROPONIA 133 Outro aspecto que chama atenção sobre as formulações de soluções nutritivas reco- mendadas para hidroponia convencional é quando se dá a comparação destas solu- ções à solução do solo. Concentrações enormemente maiores de sais são encontradas nas formulações das soluções nutritivas. As maiores divergências de concentrações segundo Rodrigues (2002) são em relação às concentrações de fósforo (125 a 675 vezes maior, seguida pelo nitrogênio e potássio, de 46 a 126 vezes e 16 a 56 vezes superiores, respectivamente). No esgoto doméstico tratado, as concentrações desses nutrientes — fósforo e nitro- gênio —, embora consideradas altas para descarte no meio ambiente, quando compa- radas às soluções nutritivas sintéticas, são consideravelmente baixas (principalmente para o fósforo — o que levaria a crer que seriam, obrigatoriamente, necessárias adições de sais nutrientes durante o ciclo de produção de qualquer espécie cultivada comer- cialmente em sistemas hidropônicos). Cabe destacar ainda que, no cultivo hidropônico convencional, a formulação e manu- tenção (manejo) da solução nutritiva levam em consideração a espécie da planta cul- tivada, as cultivares, as linhagens dentro de uma mesma espécie, o estagio fenológico da planta (estágio de desenvolvimento), os fatores climáticos e ambientais, época do ano (principalmente para plantas fortemente influenciadas pelo fotoperíodo, que diz respeito à parte da planta que será colhida) e a técnica hidropônica empregada no cultivo (uso ou ausência de substrato, sistema aberto ou fechado, etc.). Os principais parâmetros de controle e monitoramento da solução nutriente são o pH, e a condutivi- dade elétrica, assim como a manutenção do nível da água. Depois de elaborada a solução nutritiva que se deseja diariamente, esta solução é mo- nitorada a fim de manter a água consumida, o pH e as concentrações dos nutrientes extraídos pelas plantas em níveis satisfatórios. Na hidroponia convencional, o volume de água consumido é reposto todos os dias não com solução nutritiva e sim com água pura. O pH é ajustado na faixa de 5,5 a 6,5 com ácido se estiver acima de 6,5 e, com base caso esteja abaixo de 5,5. Este controle é importante para que a planta tenha condições de absorver todos os nutrientes na quantidade que ela necessitar para o seu crescimento. A reposição de nutrientes é realizada tomando por base a condutividade elétrica da solução inicial. Os estudos realizados pelas Universidades Federais do Pará e do Rio Grande do Norte consideraram principalmente as seguintes variáveis: espécie de planta e suas necessi- dades; parte da planta de interesse comercial (flores) e estágio de desenvolvimento da cultura. Os parâmetros de controle monitorados foram o pH, a condutividade elétrica e a temperatura.
- 135. 134 ESGOTO Neste contexto, as primeiras pesquisas realizadas, com resultados já publicados em livros anteriores do Prosab, visavam comparar a produção e a produtividade das cul- turas utilizando soluções convencionais com o esgoto tratado sem que este esgoto tivesse qualquer tipo de correção. Nesse mesmo momento procurou-se também ob- servar o tempo de recirculação do esgoto e a sua depuração. As culturas utilizadas foram escolhidas devido sua adaptação à região e a facilidade de encontrar sementes no comércio local. Por isso, trabalhou-se com o cravo-da-índia (Tagetes minuta), com a Zínia, também conhecida na região como Benedita, (Zinia elegans) e com o cravo (Dianthus caryphyllus). As três culturas apresentam exigências hídricas e nutricionais distintas. Entretanto, verificou-se que, mesmo com concentrações de sais em bastante diferenciadas entre esgoto tratado e solução nutritiva recomendada, a produtividade alcançada não apre- sentava diferenças estatísticas significativas, o que comprovava o potencial de uso do esgoto como substituto das soluções nutritivas convencionais. Os tempos de recirculação adotados (24, 48 e 72) também não apresentaram diferen- ças na produtividade e qualidade das flores. Outros experimentos com as mesmas culturas foram implantados no decorrer dos anos para investigação da técnica de hidroponia com esgoto tratado. Verificou-se que o tempo de recirculação poderia ser aumentado em função das concentrações de ma- cronutrientes (principalmente nitrogênio e fósforo) contidas no esgoto. Outras cultu- ras também foram testadas. Culturas de maior valor comercial e mais exigentes, tanto em relação às necessidades hídricas como em tratos culturais e condições ambientais, como a Gérbera (Gerbera jamessoni), o Antúrio (Anthurium andraeanum) e a Alpínia (Alpinia purpurata). Verificou-se a necessidade da correção de pH. Identificou-se, tam- bém, que, para essas culturas, o elemento, ou grupo de elementos limitantes, está nas concentrações de micronutrientes do esgoto (alguns sais só apresentaram traços). Com bases nos resultados obtidos nestas pesquisas, e no exposto acima sobre a con- dução de cultivos hidropônicos tradicionais pela técnica NFT, tornou-se possível sis- tematizar algumas recomendações para o uso de esgoto tratado em substituição das soluções nutritivas convencionais. A primeira delas constatou que, independentemente da cultura, recomenda-se man- ter o pH ajustado entre 5,5 e 6,5, para obtenção de melhores resultados porque a disponibilidade dos nutrientes está altamente relacionada ao pH. Quando ele se torna alcalino (acima de 7,5) há indisponibilidade de ferro, manganês e zinco. Por outro lado, quando o pH se torna ácido (abaixo de 5,5), elementos como nitrogênio, potássio, enxofre, cálcio, magnésio e molibdênio tornam-se indisponíveis.
- 136. UTILIzAçãO DE NUTRIENTES DE ESGOTO TRATADO EM HIDROPONIA 135 A segunda delas constatou que o tempo de recirculação é determinado em fun- ção da concentração de nitrogênio no esgoto tratado e das necessidades nutricionais das plantas, podendo este tempo variar de 30 a 120 dias. Sendo assim, após carac- terização do esgoto, para culturas mais exigentes considera-se necessário formular uma solução de micronutrientes completar. Esta solução de correção é formulada de acordo com as necessidades nutricionais de cada cultura e pode ser encontrada em bibliografias especializadas. A terceira recomendação se baseia no fato de algumas culturas sofrem retardo no florescimento devido às altas concentrações de nitrogênio. O excesso de nitrogênio pode prolongar o período vegetativo da planta e inibir a absorção de potássio neces- sária à formação de botões e abertura das flores. Este fato também pode influenciar os outros parâmetros adotados para averiguar a qualidade das flores, como diâmetro do capítulo e altura da haste, que são importantes características para comercia- lização delas. Para evitar que isto ocorra, recomenda-se a instalação de bancadas em série, de acordo com a fase de desenvolvimento (estágio fenológico) da cultura. Assim, as bancadas que receberem o esgoto novo devem conter plantas no estágio vegetativo de desenvolvimento e as bancadas seguintes seriam transplantadas plan- tas no estágio de florescimento A quarta recomendação existe em função da necessidade de algumas espécies de uma correção nos teores de fósforo e potássio, na fase de florescimento, para melho- rar a produtividade. Por fim, sempre que necessário, deve-se repor o volume de água consumida. Esta reposição deve ser realizada com esgoto, mas deve-se prestar atenção à fase que a planta se encontra. A condutividade é um bom indicativo da quantidade de sais existente no esgoto — ainda que, na realidade, não seja possível determinar, por meio da condutividade, as concentrações individuais de cada elemento de forma que os eventuais desequilíbrios nutricionais podem ainda ocorrer. 4.3.1.3 Outros aspectos operacionais São considerados outros aspectos operacionais significativos: a escolha da cultura e a produção de mudas. Quanto à escolha da cultura, para se escolher a cultura deve-se levar em consideração a “aptidão” climática regional das próprias culturas. Também deve-se levar em conta a disponibilidade de sementes em função da sazonalidade, e os aspectos de mercado. Quanto à produção de mudas, os produtores hidropônicos podem produzir suas pró- prias mudas ou adquiri-las de viveiros idôneos, que produzam mudas sadias e com garantia de qualidade. No caso de se optar por produzir as próprias mudas, os pro-
- 137. 136 ESGOTO dutores devem adquirir sementes de firmas idôneas e escolher as variedades adap- tadas à região. São quatro os principais tipos de substratos usados para produção de mudas para cultivo hidropônico. São eles: substrato organo-mineral, vermiculita, algodão hidró- filo e espuma fenólica. Atualmente, tem-se usado muito a espuma fenólica por uma série de vantagens que se apresentam quando se compara a espuma fenólica a outros substratos. Segundo Furlani et al (1999), a espuma fenólica é um substrato estéril, de fácil manuseio e que oferece ótima sustentação para as plântulas, reduzindo sensivel- mente os danos durante a operação de transplantio. Dispensa tanto o uso de bandejas de isopor como a construção do “floating”, pois, após a emergência, as mudas são transplantadas diretamente para as calhas de cultivo. A espuma é comercializada em placas com 2 cm ou 4 cm de espessura e com células pré-marcadas nas dimensões de 2 cm x 2 cm. A seguir, é apresentado o procedimento recomendado para produção de mudas em placas de espuma fenólica. Deve-se: dividir a placa de espuma fenólica ao meio; lavar muito bem cada placa com água limpa e, por fim, o uso de um tanque com dreno facilita o trabalho. Para evitar que a placa de espuma se quebre, usar um suporte com perfurações (que poderá ser, por exemplo, a parte dorsal, base, de uma bandeja de isopor ou uma cha- pa de madeira, plástico, PVC ou acrílico com perfurações de 0,5-1,0 cm de diâmetro, alocadas de forma aleatória). Essas perfurações auxiliam a drenagem do excesso de água da espuma fenólica. Caso as células não estejam perfuradas para a semeadura, há necessidade de se efetuar as perfurações usando qualquer tipo de marcador com diâmetro máximo de 1,0 cm, cuidando para que os orifícios fiquem com no máximo 1 cm de profundidade. O orifício de forma cônica possibilita melhor acomodação da semente e evita compactação da base (o que favorece a penetração da raiz na espuma fenólica). Também é necessário, ainda no procedimento recomendado para a produção de mu- das em placas de espuma fenólica: efetuar a semeadura conforme o procedimento determinado para cada espécie; verificar se, após a semeadura, há necessidade de se irrigar levemente a placa com água, usando um pulverizador ou regador com crivo fino; colocar a bandeja, com a placa já semeada, em local apropriado para a germi- nação de sementes (temperatura amena e com pouca variação, de 20 a 25º C) — é comum não haver necessidade de irrigação da espuma durante o período de 48 horas após a semeadura, entretanto, se for preciso, deve-se umedecer a placa de espuma fenólica por subirrigação, usando apenas água.
- 138. UTILIzAçãO DE NUTRIENTES DE ESGOTO TRATADO EM HIDROPONIA 137 No mais, no período de 48 a 72 horas após a semeadura, deve-se transferir as placas para a estufa, acomodando-as num local com luminosidade plena. Deve-se, também, iniciar a subirrigação com esgoto diluído a 50%. A espuma deve ser mantida úmida, porém não encharcada. Quando as plantas atingirem 10 cm de altura, as mudas deve- rão ser transplantadas para as calhas de cultivo. O cubo de espuma fenólica não deve ser removido quando for efetuado o transplantio para as bancadas de cultivo. Como consideração final, vale lembrar que a semeadura também pode ser efetuada em sementeiras de isopor ou plástico com substrato de areia, terra e vermiculita. A irrigação é realizada da mesma forma vista na semeadura em espuma fenólica, en- tretanto, as raízes devem ser lavadas com água corrente para remoção do substrato que ficam nelas aderido. No decorrer do desenvolvimento das plantas, algumas podem necessitar de sustenta- ção. Isto pode ser realizado por meio da instalação de linhas guias. 4.4 Cultivo de forragem verde hidropônica (FVH) Segundo Melo et al (2003), a hidroponia forrageira consiste em uma técnica de produção de forragem fresca (verde), em que milho, trigo, cevada, sorgo, arroz ou aveia podem ser cultivados em bandejas ou “canteiros”, com instalações de baixo custo, operação sim- ples e ciclos curtos (aproximadamente 15 dias). O cultivo é realizado aplicando-se uma lâmina de água e nutrientes, neste caso esgoto tratado, que fluem no leito de cultivo hidropônico intermitentemente, e pode ser realizado com ou sem o uso de substratos. No caso do uso de substratos, ele é em geral constituído por material orgânico (como palha, serragem ou bagaço de cana), e serve como suporte para as raízes (além da ma- nutenção da umidade, uma vez que favorece a retenção de água no leito de cultivo). A utilização do substrato tem como desvantagens o aumento do custo de produção (devido à necessidade de aquisição do próprio substrato), a possibilidade do aumento de incidência de doenças fúngicas (devido ao microclima, umidade e temperatura, que é criado nos leitos de cultivo e que é favorável e adequado ao desenvolvimento dos organismos causadores das doenças). Pesquisas realizadas na UFRN desde 2001 com FVH apontam melhores resultados quando o cultivo é praticado sem o uso de substratos, ou seja, diretamente sobre o leito de cultivo. Entretanto, ressalta-se que, nesses casos, é necessário um melhor controle dos parâmetros operacionais — a exemplo do processo de fornecimento de solução nutriente (vazão e periodicidade de irrigação) para que a planta não sofra prejuízos no seu crescimento e desenvolvimento devido ao desconforto ambiental. (ANDRADE NETO et al, 2005; ANDRADE NETO et al, 2003; MELO et al, 2003)
- 139. 138 ESGOTO A tecnologia de forragem hidropônica de milho foi desenvolvida mediante adaptação de técnicas hidropônicas, em meados de 1998, no Rio Grande do Norte, na região do Seridó, em pleno semiárido Brasileiro, pelo Engenheiro Agrônomo Joaquim Dantas Teixeira, da Emater – Empresa de Assistência Técnica e Extensão Rural. De acordo com o material de divulgação da técnica de forragem verde hidropônica pela Emater, os canteiros são construídos com dimensões de 5,0 m de comprimento e 1,0 m de largura e com declividade obtida pela elevação do solo em 5 cm na parte baixa e 25 cm na parte mais alta. Contornado com uma fiada de tijolos, o canteiro é revestido com lona plástica branca de 150 a 200 micras. As sementes de milho são postas para germinar de molho em água potável e fresca, em local arejado e escuro, por 24 horas e então são dispostas nos canteiros onde serão irrigadas. A forragem hidropônica de milho tem um ciclo de produção, do plantio até a colheita, de apenas 15 dias, e pode produzir mais de 20 k de massa verde por m2 em cada colheita. A adaptação da técnica da hidroponia forrageira para uso de esgoto tratado como solução nutritiva foi desenvolvida por pesquisadores da Universidade Federal do Rio Grande do Norte, em projetos de pesquisa apoiados pelo Prosab (Finep/CNPq/Caixa), um programa brasileiro de pesquisa em saneamento básico de âmbito nacional (AN- DRADE NETO et al, 2002; ANDRADE NETO et al, 2003; MELO et al, 2003). Os resultados das pesquisas da UFRN comprovaram a viabilidade do uso de esgoto tra- tado em sistema totalmente anaeróbio (decanto-digestor seguido de filtro anaeróbio) para substituir as soluções químicas usuais no cultivo hidropônico, com técnica do filme nutriente na produção de forragem verde hidropônica. Também demonstraram ser possível obter alta produtividade (20 kg massa verde por m2 a cada 15 dias) no cultivo hidropônico de forragem verde de milho, sem substrato e com a utilização de esgoto tratado como única solução nutritiva. As pesquisas mais recentes na UFRN sobre Hidroponia Forrageira com Esgotos Tra- tados acrescentaram, entre outras, algumas conclusões neste domínio, ratificando estudos anteriores e ampliando o conhecimento (SOUZA et al, 2008). Verificou-se que o cultivo de Forragem Verde Hidropônica apresentou rápido ciclo de 14 dias e intensa demanda evapotranspirométrica — o que confirmou a produtividade de até 20 kg/m2 (vinte quilos de biomassa por metro quadrado) encontrada em traba- lhos anteriores. A suspensão do fornecimento de Esgoto Tratado como solução nutritiva ao cultivo hidropônico durante 12 horas no período noturno afetou diretamente a Hidroponia Forrageira. Verificou-se então que a manutenção da umidade no período noturno é importante, mas que a aplicação da solução nutritiva pode ser realizada com menor
- 140. UTILIzAçãO DE NUTRIENTES DE ESGOTO TRATADO EM HIDROPONIA 139 frequência, demandando assim um menor volume de solução. Quando a solução uti- lizada é o esgoto tratado, como a noite é um período em que normalmente há uma vazão menor nas Estações de Tratamento de Esgoto, a menor frequência de aplicação noturna é uma vantagem operacional importante. Verificou-se, também, intensa demanda evapotranspirométrica, que chegou ao valor máximo de 67,44 mm por dia para o tratamento de 24 horas, sob ciclo de rega com vazão de 2 litros por minuto. Constatou-se ainda que o rendimento final do cultivo é determinado entre o oitavo e o décimo dia. A colheita deve ser, por isso, realizada logo após o décimo segundo dia após o semeio (DAS) devido à necessidade mais intensiva das plantas de, a partir desse período, requerer meio de suporte para sua fixação (evitando, assim, o tombamento). Por fim, concluiu-se que a hidroponia forrageira utilizando esgoto tratado, além de reduzir o volume de efluente (principalmente devido à evapotranspiração intensa), atua também como sistema de polimento do efluente remanescente, principalmente devido à filtração e exposição aos raios solares. 4.4.1 Protocolo de cultivo de FVH O procedimento para o cultivo de forragem hidropônica já foi descrito em livro an- terior do Prosab (MELO et al, 2003) de forma sucinta, porém, novas pesquisas foram desenvolvidas com o objetivo de aprimorar esta técnica de cultivo. Pesquisas que se concentraram na densidade de plantio, na determinação da quantidade de água e de nutrientes, na periodicidade, nos turnos e vazão de aplicação da irrigação, entre outros. Neste sentido vale destacar os principais aspectos. 4.4.1.1 Aspectos construtivos e dimensionamento da unidade de hidroponia forrageira Os aspectos construtivos, a exemplo das demais unidades, foram concebidos dentro dos preceitos básicos do Prosab que visa desenvolver tecnologias simplificadas e de baixo custo. A hidroponia forrageira é realizada em módulos denominados “canteiros”. Os cantei- ros são construídos diretamente no solo, prévia e devidamente nivelado, mantendo uma declividade no sentido longitudinal de 4% para escoamento do esgoto tratado. O fundo e as laterais são forrados com lona plástica impermeável, com espessura mínima de 150 micras, sendo a mais recomendada a de 200 micras, que apresenta melhor relação custo benefício em função da sua durabilidade e valor comercial. O contorno dos canteiros é delimitado por tijolos, acomodados diretamente no solo, sem uso de argamassa. Para melhor acomodação e fixação da lona, recomenda-se a
- 141. 140 ESGOTO colocação de esquadro de madeira ou outro material rígido para se evitar a formação de fluxos preferenciais e retenções indesejáveis de líquidos em consequência de uma possível má acomodação da lona. As dimensões dos canteiros são determinadas de acordo com a área de plantio disponível e a produção requerida. Recomenda-se que a largura não seja superior a 1,5 m, para não dificultar os tratos culturais na área central dos canteiros. O comprimento deve possibili- tar que o escoamento superficial seja realizado em toda sua extensão, tendo, portanto, re- lação direta com a vazão a ser aplicada, conforme explicado mais adiante (item 4.7.1.2). A irrigação dos canteiros é realizada através de um sistema de bombeamento, individu- alizado. Este mecanismo visa um maior controle de possíveis infortúnios (como entupi- mentos — o que evita perdas totais da produção), e ainda possibilita um melhor plane- jamento da produção (com colheita escalonada através da rotatividade dos canteiros). A distribuição do esgoto tratado no canteiro é realizada no início, da parte mais ele- vada, por meio de tubos de PVC ¾” perfurados. Da mesma forma que na hidroponia NFT, as vazões nos canteiros são aferidas de for- ma direta e controladas por registros de gaveta de 20 mm de diâmetro nominal. A aplicação da lamina de esgoto, turnos e tempos de rega são controlados por meio de relés temporizadores (“timers”) automatizados, que monitoram o funcionamento do sistema de bombeamento. O esgoto tratado deverá ficar armazenado em um reservatório, construído ou revesti- do com material não fitotóxico, e deve sofrer aeração. As Figuras 4.4 e 4.5 mostram tabuleiros de forragem verde hidropônica com esgoto tratado e detalhe da colheita da forragem produzida com esgoto tratado, na UFRN. FONTE: UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO GRANDE DO NORTE, NATAL, RN. FONTE: UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO GRANDE DO NORTE, NATAL, RN. Canteiros com forragem Colheita da forragem Figura 4.4 Figura 4.5 verde hidropônica verde hidropônica
- 142. UTILIzAçãO DE NUTRIENTES DE ESGOTO TRATADO EM HIDROPONIA 141 4.4.1.2 Determinação do fornecimento de água e nutrientes Em cultivos convencionais, os solos, além de fornecerem água e nutrientes para as plantas, proporcionam às raízes um conforto ambiental, principalmente térmico, pois eles agem diretamente na proteção contra os raios solares e na manutenção da umi- dade (evitando, desta forma, variações bruscas de temperatura) — o que não ocorre nos cultivos hidropônicos, principalmente na ausência de substrato. Nesse sentido, uma das pesquisas desenvolvidas pela UFRN focou a determinação de um modelo para o cálculo do dimensionamento da quantidade de esgoto tratado necessário e da periodicidade de aplicação (ainda não disponível na literatura) sufi- cientes tanto para suprir as necessidades hídricas e nutricionais da cultura, como para proporcionar proteção e conforto ambiental às raízes. Para a determinação da quantidade de esgoto tratado necessário, a princípio, toma-se como parâmetro a necessidade hídrica da cultura em questão e as condições climáti- cas do local de cultivo. A seguir é apresentado um exemplo com a cultura do milho. Esta cultura será dividida em cinco passos: determinação da necessidade hídrica da cultura, cálculo da Lâmina de Irrigação (Li), cálculo do volume de esgoto/área, determinação da forma de aplicação (periodicidade de aplicação) e determinação da necessidade nutricional da cultura. Quanto à determinação da necessidade hídrica da cultura, verifica-se que a cultura do milho necessita de 500-800 mm de água durante todo seu ciclo (em média 120 dias). Considerando que não há contribuição de precipitações nem perdas de água por infiltração (nem mesmo o armazenamento desta água no solo ou qualquer outro substrato) toda a água necessária ao cultivo deve ser suprida pela irrigação que deverá ser diária e constante. Considerando ainda que o milho cultivado em hidroponia obje- tiva a produção de massa verde para fins de alimentação animal, e não a produção de grãos, a fase de crescimento que interessa é a fase vegetativa. No cultivo hidropônico, essa fase de crescimento pode ser alcançada em aproximadamente 15 dias. No entan- to, para efeito do cálculo da necessidade hídrica da cultura hidropônica utiliza-se o período necessário para que o milho em cultivos convencionais em solo atinja a fase vegetativa , que é de 40 dias. Deste modo, se a necessidade hídrica média do milho em 120 dias é de 650 mm, para os 40 dias de crescimento (fase vegetativa) serão necessários aproximadamente 217 mm, a serem fornecidos em aproximadamente 15 dias, conforme a relação (Equação 4.1):
- 143. 142 ESGOTO 120 dias ______ 650 mm Equação 4.1 40 dias ______ x onde: x = 216,66 mm (aproximadamente 217 mm). Considerando a taxa de evaporação local e outros fatores que acarretam em uma perda de 20% da água fornecida para as plantas, ou seja uma Eficiência de Aplicação (Ea) de apenas 80%, para o fornecimento 100% da água necessária, o segundo passo é calcular a Lâmina de Irrigação diária (Li), de acordo com a 4. 2: Li = 217 mm / 0,8 = 271,25 mm / ciclo hidropônico (15 dias) Equação 4.2 onde: Li = 18,08 mm/dia Quanto ao cálculo do volume diário de esgoto/área (terceiro passo), supondo que as dimensões adotadas para dos canteiros seja de 1,0 m de largura por 2,0 m de compri- mento, e considerando ainda que a hidroponia forrageira possa ser entendida como uma irrigação pelo método da inundação intermitente, tem-se (Equação 4.3): Lâmina = volume/área Equação 4.3 Volume = lâmina x área Volume = 18,08 x 2,0 m2 = 0,03616 m3 ≈ 40 litros. Volume total de água a ser fornecido à cultura durante todo seu ciclo = 40 litros. onde: 40litros x 15 dias = 600 litros A determinação da forma de aplicação (periodicidade de aplicação), quarto passo, en- volve, essencialmente, a seguinte questão: como fornecer? Este é um dos principais aspectos a ser considerado para o sucesso do cultivo de forragem verde hidropônica. A determinação do quando e como fornecer a água associada aos nutrientes é que definirá a eficiência e desempenho do sistema. Refletirá diretamente no crescimento e desenvolvimento da planta, e, consequentemente, na produtividade em kg FVH/m2. As pesquisas realizadas pela UFRN indicaram que, embora intermitente, a irrigação deve ocorrer durante as 24 horas do dia. A suspensão de 12 horas no fornecimento de esgoto tratado afetou diretamente a cultura do milho testada, com menores rendi- mentos de massa verde, massa seca e produtividade (kg FVH/m2), devido à ocorrência de variações bruscas de temperatura (maiores que 3º C diurna-noturna) no sistema ra- dicular. Entretanto, a manutenção da umidade no período noturno pode ser realizada
- 144. UTILIzAçãO DE NUTRIENTES DE ESGOTO TRATADO EM HIDROPONIA 143 com menor frequência de aplicação, demandando assim um menor volume de esgoto tratado em períodos em que normalmente há uma vazão menor nas ETE´s — o que se constitui uma vantagem operacional importante (SOUZA et al, 2008). As pesquisas também constataram que o turno de rega de 2 minutos irrigando * 24 mi- nutos de descanso, foi o que apresentou melhores resultados em produtividade (média de 20 kg FVH/m2), assim sendo, o cálculo da vazão pode ser feito considerando (4. 4): Q = volume/tempo Equação 4.4 24 horas x 60 minutos = 1440 minutos 1440 minutos / 26 minutos (duração do turno de irrigação) = 55, 38 turnos/dia Necessidade hídrica diária = 40 litros/55 turnos = 0,7272 litros/turno 2 min. de irrigação por turno = 0,7272 litros/2 minutos = 0,3636 litros/minuto. Ou seja, a vazão é de aproximadamente 0,4 litros/minuto. Entretanto, deve-se ainda considerar a evapotranspiração da cultura. O cultivo de FVH apresentou intensa demanda evapotranspirométrica, chegando ao valor máximo de 67,44 mm por dia para o tratamento de 24 horas. Esta altíssima evapotranspiração constitui uma grande vantagem quando se tem vazões elevadas de esgoto e dificul- dades para destino final (sobretudo em regiões com alta taxa de evaporação, como na região Semiárida do Nordeste do Brasil). Por outro lado, esta alta taxa torna o volume diário (calculado de 0,4 litros/minuto/m2) insuficiente para suprir as necessidades da cultura (SOUZA et al, 2008). O volume mínimo recomendado, segundo pesquisas rea- lizadas pela UFRN, foi de 1 litro/minuto/m2. Quanto à determinação da necessidade nutricional da cultura, passo final, as neces- sidades nutricionais de qualquer planta são determinadas pela quantidade de nu- trientes que ela extrai durante o seu ciclo. Assim, tanto para produção de grãos como para produção de forragem verde, será necessário colocar à disposição da planta a quantidade total de nutrientes que ela extrairá, e que devem ser fornecidos pelo esgoto tratado. No caso do milho, a maior exigência refere-se ao nitrogênio e ao potássio, seguidos do cálcio, magnésio e fósforo. Com relação aos micronutrientes, as quantidades reque- ridas pelas plantas de milho são muito pequenas. Entretanto, a deficiência de um deles pode ter tanto efeito na desorganização de processos metabólicos quanto à deficiência de um macronutriente como, por exemplo, o nitrogênio. Os resultados obtidos nos experimentos mostraram que o esgoto sanitário tratado em reatores anaeróbios de alta eficiência pode substituir as soluções nutritivas químicas usuais na produção de forragem hidropônica de milho, suprindo todas as necessida- des nutricionais da cultura, sem prejuízo de rendimento. Constitui-se, ainda em uma
- 145. 144 ESGOTO alternativa tecnológica viável para o destino produtivo de efluentes de reatores anae- róbios (ANDRADE NETO et al, 2003; MELO et al, 2003; SOUZA et al, 2008). 4.4.1.3 Outros aspectos operacionais Quanto à semeadura, o primeiro procedimento realizado é a hidratação das semen- tes e a pré-germinação (que consiste em deixar as sementes imersas em água potá- vel, processo de hidratação, durante 24 horas). Em seguida colocam-se as sementes hidratadas em local arejado e escuro durante 48 horas (processo de pré-germinação) sendo necessário que, a cada 24 horas, seja feita uma imersão das sementes em água durante um minuto. Após este período de hidratação e pré-germinação as plântulas estão prontas para a semeadura (transferência para os canteiros). Devem ser, então, distribuídas uniformemente sobre os canteiros e a alimentação deve ter, também, início. A semeadura também pode ser realizada diretamente nos canteiros de produção. Esta técnica evita danos ao embrião pré-germinado quando ocorre a transferência para os canteiros. 4.5 Conclusão O uso de efluentes de estações de tratamento de esgoto sanitário na hidroponia pode propiciar as seguintes vantagens: utilização de quase todo o efluente, evitando a po- luição e a contaminação ambiental; remoção de nutrientes eutrofizantes, retidos na biomassa vegetal da cultura; em casos de dificuldades de transporte do esgoto até campos de irrigação há viabilidade da opção de transportar o produto cultivado; faci- lita o controle sanitário; e exige pequenas áreas (o que facilita a localização próxima do ponto de reunião e de tratamento do esgoto). As várias formas de produção hidropônica com esgoto tratado podem contribuir para o controle da poluição ambiental e para a proteção do meio ambiente porque, devido ao consumo do esgoto tratado para formação da biomassa e na evapotranspiração, a resultante do efluente final é de pequena quantidade. O tratamento de esgoto mais perfeito é aquele que remove não só os constituintes indesejáveis, mas também o próprio esgoto, transformado-o em outras matérias. O uso de esgoto tratado em hi- droponia com fins produtivos é uma tecnologia de reciclagem ecológica e natural, ple- namente sustentável do ponto de vista ambiental. Ademais, como forma de disposição adequada para o esgoto sanitário, protege a saúde pública e contribui para a melhoria das condições de vida e para o desenvolvimento econômico e social. A produção de forragem verde hidropônica com esgoto tratado traz benefícios tec- nológicos, econômicos, sociais e ambientais. Reúne, em uma única tecnologia: trata-
- 146. UTILIzAçãO DE NUTRIENTES DE ESGOTO TRATADO EM HIDROPONIA 145 mento complementar de esgoto, e, portanto, proteção da saúde pública e do meio ambiente; produção de alimento; fortalecimento da economia local; controle da po- luição e preservação dos recursos hídricos; reciclagem de nutrientes; reúso de águas; e demais vantagens da hidroponia natural e orgânica, que não utilizam produtos quí- micos. é certamente a tecnologia mais ecologicamente sustentável que se dispõe. Em relação à hidroponia NFT destaca-se a depuração complementar dos efluentes dos filtros anaeróbios. Observou-se uma boa remoção de sólidos suspensos (>50%), de nitrogênio amoniacal (entre 40 e 60%) e de fósforo (entre 37 e 55%), comprovando que no sistema hidropônico ocorre um polimento considerável na remoção de sólidos suspensos e nutrientes eutrofizantes. As concentrações de alguns nutrientes podem eventualmente permanecer iguais às iniciais — ou mesmo aumentar, quando ocorre a circulação dos efluentes no sistema hidropônico, tal como foi verificado nas pesquisas realizadas (vide as concentrações de potássio, cálcio, magnésio e enxofre, nos tratamentos utilizando o esgoto tratado) . Este fato se deve à evaporação e a evapotranspiração, que concentram a solução, mas é mais notável quando há inibição competitiva ou antagonismo de alguns nutrientes devido suas concentrações não balanceadas, o que faz interromper o consumo de al- guns deles. Contudo, sempre ocorre remoção das quantidades totais desses nutrientes nos efluentes, o que reduz o impacto poluente do efluente no meio ambiente. Referências Bibliográficas ALBERONI, R. B. Hidroponia: como instalar e manejar o plantio de hortaliças dispensando o uso do solo — Alface, Rabanete, Rúcula, Almeirão, Chicória, Agrião. São Paulo: Nobel, 1998. 102 p. ANDRADE NETO, C.O. de et al. Hidroponia forrageira com efluente de filtro anaeróbio. In: 22º CONGRESSO BRASILEIRO DE ENGENHARIA SANITáRIA E AMBIENTAL, Anais..., Joinville. Rio de Janeiro: Abes, 2003. CD Rom. ANDRADE NETO, C.O. de et al. Utilização de água residuária tratada em sistemas hidropônicos. In: WORKSHOP – USO E REúSO DE áGUAS DE QUALIDADE INFERIOR: REALIDADES E PERSPECTIVAS. Campina Grande, p.317-343, 2005. BERNARDES, L.J.L. Hidroponia: alface, uma história de sucesso. Charqueada: Estação Experimen- tal de Hidroponia “Alface e Cia”, 1997. 120 p. EMATER-RN. Forragem hidropônica de milho: uma alternativa bem sucedida. Informe do Instituto de Assistência Técnica e Extensão Rural do Rio Grande do Norte, 2001. MELO, H.N.S. et al. Uso de esgoto tratado em hidroponia. In: BASTOS, Rafael K.X. (coord). Utiliza- ção de esgotos tratados em fertirrigação, hidroponia e piscicultura. Rio de Janeiro: Rima, ABES, 2003, p.157-192.
- 147. 146 ESGOTO MELO, H.N.S. et al. “Utilização de esgotos tratados em hidroponia”. In: FLORENCIO, L; BASTOS, R.K.X; AISSE, M.M. (coord). Tratamento e utilização de esgotos sanitários. Rio de Janeiro: Abes, 2006. p.239-274, 427 p. RODRIGUES, L.R.F. Técnicas de cultivo hidropônico e controle ambiental no manejo de pragas, doenças e nutrição vegetal em ambiente protegido. Jaboticabal: Funep, 2002. 762 p. SOUZA, A.J.B.F de et al. Balanço hídrico na produção de forragem verde hidropônica usando es- goto tratado. In: XXXI CONGRESO INTERAMERICANO DE ENGENHARIA SANITáRIA E AMBIENTAL, Anais... Chile: Aidis, 2008. Cd Rom.
- 148. 5 Utilização de Nutrientes de Esgoto Tratado na piscicultura Suetônio Mota, Luiz Olinto Monteggia, André Bezerra do Santos, Emanuel Soares dos Santos, Ronaldo dos Santos Padilha 5.1 Introdução A aquicultura é a atividade que, provavelmente, mais cresce no setor de produção de alimento. Atualmente, é responsável por em torno de 50% da produção mun- dial de pescado, e tem grande potencial para suprir a crescente demanda por ali- mento de origem aquática. Tendo em vista as projeções de crescimento populacional para as próximas duas décadas, estima-se que será necessário um aumento de cerca de 40 milhões de toneladas, até 2030, para a manutenção do consumo per capita de alimento de origem aquática. A aquicultura mundial passou por um considerável crescimento durante os últimos 50 anos, tendo a produção passado de aproximada- mente um milhão de toneladas, em 1950, para 59,4 milhões de toneladas, em 2004 (FAO, 2006). Segundo Valenti et al (2000), a aquicultura é um processo de produção em cativeiro de organismos com hábitat predominante aquático, em qualquer estágio de desen- volvimento, ou seja: ovos, larvas, pós-larvas, juvenis ou adultos. Neste contexto, a aquicultura moderna apóia-se em três pilares fundamentais: a produção lucrativa, a preservação do meio-ambiente e o desenvolvimento social. Dentre as diversas atividades de produção em cativeiro de organismos aquáticos, destaca-se a piscicultura. A piscicultura é referente à atividade de criação de peixes. Pode variar entre a piscicultura marinha (que é aquela realizada com espécies marinhas
- 149. 148 ESGOTO e em ambientes com água salgada ou salobra) e a piscicultura continental (realizada em águas interiores e com espécies de água doce) (SANTOS, 2008). De acordo com a FAO (2006), as carpas são as espécies de peixe de água doce mais cul- tivadas no mundo (com aproximadamente 18 milhões de toneladas produzidas no ano de 2004), seguidas pelas tilápias (com aproximadamente 2,0 milhões de toneladas). No que se refere à tilápia, atualmente são reconhecidas mais de 70 espécies, sendo a grande maioria originária da áfrica. No entanto, apenas 4 espécies conquistaram des- taque na aquicultura mundial: a tilápia-do-Nilo (Oerochromis niloticus); a tilápia de Moçambique (Oerochromis mossambicus); a tilápia azul, ou tilápia áurea (Oerochromis aureus) e a tilápia de Zanzibar (Oerochromis urolepis hornorum). A tilápia-do-Nilo é a espécie mais cultivada no mundo todo. Esta espécie se destaca das demais pelo crescimento mais rápido, reprodução mais tardia (o que permite que a espécie alcance maior tamanho antes da primeira reprodução) e alta prolificidade (o que possibilita produção de grandes quantidades de alevinos) (KUBITZA, 2000). Os sistemas de produção em piscicultura podem ser classificados em: extensivo, semi- intensivo, intensivo e superintensivo, de acordo com a intensidade de estocagem, as práticas de manejo e uso de insumos. A Tabela 5.1 descreve as características básicas dos principais sistemas de produção utilizados atualmente. 5.2 Piscicultura usando esgoto sanitário O esgoto doméstico tem sido mundialmente usado em diversas variedades de siste- mas de aquicultura, na maioria dos casos na produção de peixes. A concepção desse sistema aquícola para tratamento de esgoto e/ou reúso na aquicultura está ilustrada na Figura 5.1 (FELIZATTO et al, 2000). O cultivo de peixes e plantas aquáticas em tanques fertilizados com águas residu- árias e excretas é uma prática antiga, sobretudo na ásia, China, Índia, Indonésia e Vietnã. A partir de 1975 foram desenvolvidos vários estudos de aproveitamento do efluente tratado para aquicultura, destacando-se o projeto desenvolvido pelo Cepis (Centro Pan-americano de Ingenieria Sanitaria y Ciencias del Ambiente), iniciado em 1983. O Cepis é filiado à Organização Pan - Americana da Saúde, e representa, ainda hoje, o centro de referência de reúso em aquicultura da América Latina (FELIZATTO et al, 2000). Diversos trabalhos de pesquisa e experiências em escala real registram a viabilidade do uso de esgoto sanitário tratado em piscicultura e indicam que, com adequado manejo, logra-se alcançar boa produtividade e minimização dos riscos à saúde, além da aceita-
- 150. UTILIzAçãO DE NUTRIENTES DE ESGOTO TRATADO NA PISCICULTURA 149 bilidade de mercado e consumo (BASTOS et al, 2003). A Figura 5.1 apresenta diferentes estratégias de tratamento e reúso de águas negras e residuárias para aquicultura. Tabela 5.1 > Características dos sistemas de produção em piscicultura SISTEMA CARACTERíSTICAS Aquele em que a intervenção humana é praticamente inexistente e geralmente li- mita-se à simples estocagem de 500 a 1000 alevinos ha-1, sem qualquer manejo de fertilização do corpo d’água ou alimentação dos animais. A alimentação dos peixes é baseada na produtividade natural do corpo d’água. As produtividades variam de 150 a 500 kg ha-1 ano-1, e as safras duram de 8 a 12 meses. Existe também o sistema Extensivo extensivo em que a intervenção humana é limitada, a estocagem é de 1.000 a 5.000 alevinos ha-1 e há um fornecimento de uma ou mais fontes de matéria orgânica (esterco, restos de lavoura, farelos, ou rações desbalanceadas com menos de 28% de proteína bruta - PB). As produtividades variam de 500 a 2.500 kg-1 ha-1 ano-1. As safras duram de 8 a 12 meses. A intervenção humana nesta modalidade de cultivo de organismos aquáticos é maior do que na anterior. A estocagem é de 5.000 a 25.000 alevinos ha-1 e a adição de ferti- lizantes químicos e adubos ocorre em quantidades maiores, visando principalmente, promover a produtividade natural. Os viveiros têm água de coloração esverdeada, porém, a principal fonte de alimento são as formulações peletizadas, fareladas ou Semi-intensivo umedecidas, quase sempre desbalanceadas (de 20 a 28% PB), sendo oferecidas a uma taxa de 30 a 50 kg ha-1 dia-1. Já são necessárias análises para o acompanhamento da qualidade da água, e há trocas de água diárias a uma taxa de 5 a 10% do volume total. As produtividades obtidas variam de 2.500 a 12.500 kg ha-1 safra-1, com safras que duram de quatro a oito meses. A intervenção humana é decisiva. As taxas de estocagem são da ordem de 25.000 a 100.000 alevinos ha-1, as águas são geralmente verdes, porém a adubação é somente química e obtida por meio da mineralização das fezes dos peixes. A principal fonte de alimento é ração peletizada, farelada ou umedecida, balanceada, com 32% de PB, Intensivo oferecida pelo menos 3 vezes ao dia. A utilização de aeração mecânica a uma taxa de 2 a 4 CV ha-1 é praticamente obrigatória, principalmente durante a madrugada. As trocas d’água são de 10 a 35% do volume total dia-1. As produtividades variam de 12.500 a 50.000 kg ha-1 safra-1, com safras que duram de três a seis meses. Compõe um conjunto de esquemas de produção quase sempre em ambientes de águas claras, transparentes, podendo ser subdividido em diversas modalidades, de acordo com suas principais estruturas físicas: estufa-tanques em “v”, raceways, canais de irrigação, recirculação, aquaponia e gaiolas flutuantes ou tanques-rede. Superintensivo As densidades de cultivo e produtividades variam bastante de uma modalidade para outra, no entanto, todas são de alta produtividade (até 300 kg m-3); as durações de safra também apresentam variações. Possuem grande dependência de elevada qualidade de água, exigindo monitoramento constante, e dependência total de ração balanceada de alta qualidade. FONTE: ADAPTADO DE ZIMMERMANN; FITZSIMMONS (2004).
- 151. 150 ESGOTO ÁGUAS NEGRAS ÁGUAS RESIDUÁRIAS ESTAÇÃO DE TRATAMENTO DE ESGOTOS POR PROCESSOS NATURAIS: LAGOAS DE ESTABILIZAÇÃO EM SÉRIE, WETLANDS LAGOA DE CULTIVO LAGOA DE CULTIVO LAGOA DE CULTIVO LAGOA DE CULTIVO - PEIXES - - MACRÓFITAS - - PEIXES - - MACRÓFITAS - PEIXES PLANTA AQUÁTICA PEIXES PLANTA AQUÁTICA ALIMENTO RAÇÃO ALIMENTO RAÇÃO PEIXE GADO PEIXE GADO CONSUMO HUMANO CONSUMO HUMANO FONTE: FELIZATTO, M.R. ET AL (2000). OBSERVAçãO: SETAS COM RISCO DUPLICADO REPRESENTAM A PREFERêNCIA DO CAMINHO, E AS PONTILHADAS DEMONSTRAM A POSSIBILIDADE MENOS UTILIZADA Figura 5.1 Estratégias de tratamento e reúso em aquicultura de águas negras e residuárias No Brasil, algumas pesquisas sobre a utilização de esgoto sanitário em piscicultura têm sido desenvolvidas, podendo-se citar os trabalhos de Felizatto (2000), Pereira (2000), Pereira (2004), e as experiências do Programa Nacional de Pesquisa em Saneamento Básico – Prosab (Bastos, 2003) e da Universidade Federal do Ceará (MOTA et al, 2007). Como o objetivo da piscicultura é a produção de peixes e a melhoria do meio ambien- te, deve-se procurar o máximo da produção e a diminuição dos impactos ambientais, através da redução dos sólidos suspensos (algas, rotíferos, grumos de bactérias e ma- téria orgânica particulada) e do consumo, pelo ambiente, dos nutrientes disponíveis na produção de alimento para a cadeia trófica existente (PEREIRA, 2004). 5.3 Qualidade de água para piscicultura A qualidade da água em um tanque de piscicultura resulta de influências externas (qualidade da fonte de água, características do solo, clima, introdução de alimentos/ ração) e internas (densidade de peixes, interações físico-químicas e biológicas). Um tanque de piscicultura é um ambiente aquático complexo e dinâmico. Os fatores físicos, químicos e biológicos são influenciados pelos aspectos geomorfológicos e climáticos,
- 152. UTILIzAçãO DE NUTRIENTES DE ESGOTO TRATADO NA PISCICULTURA 151 os quais, por sua vez, são influenciados pela morfometria (forma e dimensões) dos tanques (BASTOS et al, 2003). Vários são os parâmetros de qualidade de água a serem considerados na piscicultura, podendo-se enumerar: transparência, pH, oxigênio dissolvido, salinidade (condutivi- dade elétrica), temperatura, clorofila a, fósforo e compostos de nitrogênio. A Tabela 5.2 apresenta os requisitos a serem observados para estes parâmetros. Tabela 5.2 > Principais parâmetros de qualidade de água para piscicultura PARâMETRO REQUISITOS Tem relação direta com a atividade fotossintética no meio, pois a zona fótica, deter- Transparência minada pela penetração da luz, é que determina a região onde ocorre esta atividade. Tem efeito, geralmente, indireto nos peixes. Influi na solubilidade, forma e toxicida- de de diversas substâncias (como metais pesados, amônia e gás sulfídrico — tóxicos pH aos peixes), e no próprio equilíbrio do sistema carbônico. O pH ideal para cultivo de peixes encontra-se na faixa de 6,5 a 9,5, em que a presença de bicarbonatos é predominante. Cada espécie de peixe pode apresentar um limite de concentração ideal para ga- rantir um melhor desenvolvimento ou até mesmo sua sobrevivência. Viveiros que Oxigênio Dissolvido contêm valores acima de 4,0 mg/L de OD são os que apresentam condições para a criação de organismos aquáticos. Os valores desejáveis encontram-se dentro da faixa de 0,02 a 0,1 mS/cm. Valores elevados podem indicar acentuada decomposição, enquanto valores baixos indicam Condutividade intensa produção primária. Pode ser usada como um indicador indireto de disponi- elétrica bilidade de nutrientes. Condutividade muito elevada significa salinidade excessiva, que é prejudicial à piscicultura. é um fator que depende da espécie considerada. De uma forma geral, pode influen- ciar no metabolismo dos peixes, que se encontra reduzido quando em temperaturas Temperatura baixas. A faixa ideal de conforto térmico para espécies tropicais, como a tilápia, fica em torno de 20 ºC a 30 ºC. Corresponde à medida da produtividade primária e do estado trófico do ambiente aquático. O fitoplâncton e o zooplâncton são vistos como fatores importantes por- Clorofila - a que são componentes da alimentação de diversas espécies de peixes, principalmente nos estágios iniciais do desenvolvimento. Considerado o elemento limitante da produtividade de um viveiro, por ser um nu- triente essencial a toda a cadeia alimentar, mas apresenta-se, geralmente, em baixas Fósforo concentrações na água. A forma predominante do fósforo em águas de tanques de piscicultura é o ortofosfato. A tolerância às diversas formas de nitrogênio varia de espécie para espécie e ainda depende do estágio de vida, sendo que, em geral, os níveis letais são: de 0,6 a 2,0 Compostos de mg/L para a amônia; de cerca de 0,5 mg/L para o nitrito e em torno de 5,0 mg/L para nitrogênio o nitrato. A forma mais tóxica é a amônia como amônia livre (NH3), sendo que sua toxicidade sofre variação devido ao pH da água e ainda depende da intensidade de perda no meio por volatilização. FONTE: COMPILADO DE AQUINO ET AL (2007).
- 153. 152 ESGOTO Do ponto de vista de qualidade microbiológica, a Organização Mundial de Saúde (OMS, 1989) propôs, para o cultivo de peixes em águas residuárias tratadas, as seguintes dire- trizes sanitárias: ≤ 103 coliformes fecais por 100 mL no tanque de piscicultura (ou ≤ 104 no afluente ao tanque de piscicultura), e ausência de ovos de helmintos (trematóides). Em 2006, a OMS realizou ampla revisão dos critérios para reúso em aquicultura, que resultou na publicação de “Guidelines for the safe use of wastewater, excreta and greywater” (OMS, 2006). Os níveis de qualidade microbiológica do esgoto para uso na aquicultura, de acordo com a OMS, estão apresentados na Tabela 5.3. Tabela 5.3 > Níveis de qualidade microbiológica para aquicultura utilizando esgoto Ovos viáveis de trema- E. coli (média Ovos de helmintosc tóides (incluindo ovos geométrica) por (média aritmética) de schistosoma onde 100 ml ou por grama por litro ou por grama Público alvo for relevante) de sólidos totaisa,b de sólidos totaisa,d Nº por 100 mL ou por grama de sólidos totaisa Consumidores dos produtos água dos tanques Não detectável ≤ 104 ≤1 Esgoto sanitário Não detectável ≤ 10 5 ≤1 Excretas tratados Não detectável ≤ 106 ≤1 Carne comestível Cercária infectável Especificações da Codex Não detectável de peixe ou não detectável (ou não Alimentarius Comission partes de plantas infectável) (FAO/OMS)e Trabalhadores na aquicultura e comunidade local água dos tanques Não detectávelf ≤ 103 ≤1 Esgoto sanitário Não detectável f ≤ 10 4 ≤1 Excretas tratados Não detectávelf ≤ 105 ≤1 FONTE: WHO (2006). NOTAS: A OS EXCRETAS SãO MEDIDOS EM GRAMAS DE SóLIDOS TOTAIS (EM PESO SECO); 100 ML DE ESGOTO SANITáRIO/EXCRETAS CONTêM APROXIMADAMENTE 1-4 G DE SóLIDOS TOTAIS B DEVE SER DETERMINADA UMA MéDIA GEOMéTRICA PARA O PERÍODO DE AQUICULTURA. PARA A áGUA DOS TANQUES (PúBLICO ALVO CONSUMIDORES DOS PRODUTOS), POR EXEMPLO, O VALOR MéDIO DE ≤ 104 DEVE SER DETERMINADO EM, PELO MENOS, 90% DAS AMOSTRAS, DE MODO A TOLERAR AMOSTRA COM VALOR EVENTUAL MAIOR (105 OU 106 E. COLI POR 100 ML) C APLICáVEL QUANDO PLANTAS AQUáTICAS ESTãO CRESCIDAS E QUANDO Há ELEVADO CONTATO COM ESGOTO, EXCRETAS, áGUA CONTAMINADA OU SOLOS CONTAMINADOS D DEVE SER DETERMINADA UMA MéDIA ARITMéTICA PARA O PERÍODO DE AQUICULTURA. O VALOR MéDIO DE ≤ 1 OVO POR LITRO DEVE SER DETERMINADO EM, PELO MENOS, 90% DE AMOSTRAS, DE MODO A TOLERAR AMOSTRA COM VALOR EVENTUAL MAIOR (COM > 10 OVOS POR LITRO) E A “CODEX ALIMENTARIUS COMMISSION” NãO ESPECIFICA QUALIDADE MICROBIOLóGICA PARA CARNE DE PEIXES OU PLANTAS AQUáTICAS; MAIS PROPRIAMENTE, RECOMENDA A ADOçãO DE ANáLISE DE RISCOS E CONTROLE DE ASPECTOS CRÍTICOS, APLICADOS DA PRODUçãO AO CONSUMO F OVOS VIáVEIS DE SCHISTOSOMA, ONDE RELEVANTE
- 154. UTILIzAçãO DE NUTRIENTES DE ESGOTO TRATADO NA PISCICULTURA 153 A OMS indicou várias medidas visando à proteção sanitária para, com isso, reduzir os riscos do consumo dos produtos da aquicultura, e preservar os trabalhadores, familia- res e a comunidade local envolvidos com esta prática, como mostra a Tabela 5.4. Tabela 5.4 > Medidas de controle de agentes poluidores na aquicultura COMPOSTOS MEDIDAS DE CONTROLE Diluir o esgoto com água doce, quando possível. Nitrogênio em excesso Limitar a quantidade de esgoto aplicada. Remover o excesso de nitrogênio do esgoto. Não aplicar continuamente o esgoto, para permitir Matéria orgânica a biodegradação no solo. Aumentar a remoção da matéria orgânica do esgoto. Evitar o uso de água com 500-2000 mg/L de Sólidos Dissolvidos Totais Salinidade ou 0,8-2,3 dS/m de Condutividade Elétrica, dependendo do tipo de solo e da drenagem. Com aspersores, usar somente água com < 100 mg/L. Cloretos Em irrigação por inundação, usar água com < 350 mg/L. Irrigar durante a noite, para evitar a queima das folhas. Pré-tratar ou segregar o esgoto industrial. Compostos Promover produção limpa nas indústrias, de modo a evitar orgânicos tóxicos no o uso de compostos tóxicos. solo e nas culturas Educar a sociedade para usar menos compostos tóxicos e, quando usados, dispô-los de forma segura. Pré-tratar ou segregar o esgoto industrial. Metais Usar esgoto somente em solos com pH > 6,5. Usar águas sem sólidos com diâmetro médio > 2-5 mm. Sólidos suspensos Remover os sólidos suspensos pelo pré-tratamento do esgoto. Arar o solo quando obstruído. FONTE: WHO (2006). O Prosab elaborou diretrizes para o uso de esgoto sanitário na piscicultura. Tais dire- trizes constam na Tabela 5.5 (FLORENCIO et al, 2006).
- 155. 154 ESGOTO Tabela 5.5 – Diretrizes do Prosab para uso de esgoto sanitário em piscicultura PONTO DE AMOSTRAGEM CTer 100 mL-1 (2) OVOS DE HELMINTOS L-1 Nematóides intestinais humanos(3) Trematóides Afluente do tanque ≤ 1 x 104 ≤1 ND de piscicultura No tanque de piscicultura ≤ 1 x 103 ≤1 ND FONTE: FLORENCIO ET AL(2006). NOTAS: (1) PARA O USO DE ESGOTO TRATADO EM PISCICULTURA NãO Há PADRãO EXPLICITO DE DBO, DQO E SST, SENDO AS CONCENTRAçõES EFLUENTES UMA CONSEQUêNCIA DAS TéCNICAS DE TRATAMENTO COMPATÍVEIS COM A QUALIDADE MICROBIOLóGICA ESTIPULADA. ENTRETANTO, RECOMENDAM-SE TAXAS DE APLICAçãO SUPERFICIAL NOS TANQUES DE PISCICULTURA DA ORDEM DE 10-20 KG DBO HA-1 D-1. DEVE-SE OBSERVAR QUE A AMôNIA LIVRE é TóXICA PARA PEIXES EM NÍVEIS SUPERIORES A 2-5 MG NH3 L-1. (2) COLIFORMES TERMOTOLERANTES; MéDIA GEOMéTRICA, ALTERNATIVA E PREFERENCIALMENTE PODE-SE DETERMINAR E. COLI. (3) MéDIA ARITMéTICA. 5.4 Características do esgoto sanitário e a piscicultura 5.4.1 Composição do esgoto sanitário e impacto na piscicultura Em sistemas de piscicultura é necessário considerar a qualidade do efluente a ser uti- lizado e suas consequências sobre as características da água nos tanques de cultivo, de modo que os requisitos para este uso (discutidos no item 5.3) sejam atendidos. As características do efluente dependem do tipo de tratamento aplicado ao esgoto, destacando-se o teor de matéria orgânica, oxigênio dissolvido, amônia, pH, salinidade e microrganismos patogênicos (de maior importância quando se trata do uso de efluen- tes em piscicultura). Grandes quantidades de matéria orgânica resultam no consumo do oxigênio dissolvido no líquido, o que pode causar danos a várias espécies de peixes. Alguns peixes são mais resistentes a baixas concentrações de oxigênio dissolvido, como é o caso das tilápias. Green et al (1989) apud Kubitza (2000) observaram que alevinos de tilápia-do-Nilo, entre 10 a 25 gramas, suportaram concentrações de oxigênio entre 0,4 a 0,7 mg/L por 3 a 5 horas, durante 2 a 4 manhãs consecutivas, sem registro de mortalidade. O nitrogênio amoniacal está presente na água sob duas formas: o íon amônio NH4+ (forma pouco tóxica) e a amônia NH3 (forma tóxica). A amônia pode prejudicar o desempenho, aumentar a incidência de doenças e até mesmo causar a morte direta dos peixes por intoxicação (KUBITZA, 2000). Segundo Von Sperling (2002), lagoas de maturação rasas podem ser projetadas para a otimização de remoção de amônia por volatilização, como decorrência do estabele- cimento de condições ambientais que favorecem a proliferação de algas, o consumo de CO2 , a produção de oxigênio dissolvido e a elevação do pH.
- 156. UTILIzAçãO DE NUTRIENTES DE ESGOTO TRATADO NA PISCICULTURA 155 O pH influi na solubilidade, forma e no grau de toxicidade de diversas substâncias tóxicas aos peixes. A saber: metais pesados, amônia e gás sulfídrico. Para tilápias, o pH da água de cultivo deve ser mantido entre 6 e 8,5. Para valores abaixo de 4,5 e acima de 10,5 a mortalidade é significativa. Em viveiros com excesso de fitoplâncton (águas muito verdes) e baixa alcalinidade total (< 30 mg de CaCO3) o pH pode alcançar valores acima de 12 ao final da tarde, em dias muito ensolarados. Esta condição pode inibir o consumo de alimentos e, se ocorrer com frequência, afetar o crescimento dos peixes (KUBITZA, 2000). Salinidade excessiva é prejudicial à piscicultura. Este parâmetro é indicado pela con- dutividade elétrica (CE), que indica a capacidade da água em conduzir eletricidade, estando relacionada à concentração de íons no meio. Na piscicultura, os valores desejáveis de CE encontram-se na faixa de 0,02 a 0,1 mS/ cm (SILVA et al, 2001). Muitas espécies de tilápia conseguem se adaptar a diferentes condições de salinidade e, por esta razão, são indicadas para cultivo em águas ou esgoto tratado que apresen- tem valores elevados de condutividade elétrica. O esgoto tratado contém microrganismos patogênicos, representados pelos colifor- mes termotolerantes, que podem estar presentes em maior ou menor quantidade, dependendo do tipo de tratamento utilizado. Peixes e plantas acumulam passivamente contaminantes microbiológicos em suas su- perfícies. Além disso, os peixes concentram em suas vísceras também bactérias, vírus e protozoários presentes na água. Raramente os patógenos (com exceção dos trema- tóides) penetram na carne comestível (músculo) dos peixes. Entretanto, se os peixes estão estressados, por exemplo, devido à superpopulação, qualidade pobre da água ou outras condições, então as bactérias e vírus podem ter capacidade de penetrar na carne comestível (OMS, 2006). Conforme mostrado na Tabela 5.5, existem limites máximos recomendados para os números de coliformes termotolerantes em esgoto tratado afluente e nos tanques de piscicultura. é necessário, portanto, que o esgoto, antes de ser utilizado na piscicultura, seja sub- metido a um tratamento adequado, a fim de atender aos requisitos relativos às carac- terísticas microbiológicas. O cultivo de peixes em lagoas de estabilização, ou em tanques com efluentes destas unidades de tratamento, tem sido feito sem grandes problemas para algumas espécies de peixes.
- 157. 156 ESGOTO Experiências têm demonstrado que o tratamento de esgoto doméstico em lagoas de estabilização, bastante utilizado no Brasil e em especial na região Nordeste, pode re- sultar em efluentes com qualidade que atende às exigências da OMS para irrigação irrestrita e piscicultura. Trabalhos realizados no estado do Ceará mostraram que efluentes de lagoas de estabi- lização em série, com quatro ou mais unidades, têm qualidade satisfatória em termos bacteriológicos para uso irrestrito em irrigação (BRANDãO, 2000). Sistemas com três ou mais lagoas de estabilização em série forneceram efluentes com ausência total de helmintos (NOGUEIRA, 1999; ARAúJO, 1999). 5.4.2 Aproveitamento do fitoplâncton As transformações de matéria orgânica nas lagoas de estabilização liberam nutrientes e geram uma grande biomassa de algas (elementos potencialmente aproveitáveis para a agricultura e aquicultura). Este sistema de tecnologia simples, sem necessidade de equipamentos e energia, é de baixo custo e adequado às possibilidades dos países em desenvolvimento — razão pela qual deve constituir-se como primeira opção de trata- mento de águas residuárias sempre que se disponha de área suficiente ou quando o próprio gestor de saneamento é o proprietário das terras (MOSCOSO; MUÑOZ, 1992). O emprego do fitoplâncton como fonte de proteínas pode tornar-se altamente com- pensador. Uma das maneiras exequíveis de exploração das proteínas existentes nas al- gas é o cultivo de peixes fitoplanctófagos. Dessa forma, seria possível utilizar a energia molecular armazenada nas algas por meio do consumo de carne de peixe. Evidente- mente, na medida em que o peixe consome as algas contidas na água, haverá, também, uma melhoria na qualidade dessa água (SANTOS et al, 2006). O plâncton, em geral, é rico em energia e proteína de alta qualidade, servindo, por conta disto, como fonte importante de minerais e vitaminas no cultivo de tilápia em viveiros (KUBITZA, 2000). Os resultados dos experimentos realizados pelo Prosab, Tema 03, demonstraram a ca- pacidade dos sistemas de lagoas de estabilização para produzir efluentes propícios à piscicultura. Ilustraram a possibilidade da produção de proteína com economia de insumos. Mas, deve-se salientar a importância da necessidade da adequação do projeto e operação deste tipo de sistema no que se refere à otimização da produção de fito- plâncton e à redução dos teores de amônia (BASTOS; MARQUES, 2003). A Tilápia do Nilo apresenta grande habilidade em filtrar partículas do plâncton. Assim, quando cultivada em viveiros de águas verdes, geralmente supera em crescimento e conversão alimentar as demais espécies de tilápias. Dentro dos seus limites, as tilá-
- 158. UTILIzAçãO DE NUTRIENTES DE ESGOTO TRATADO NA PISCICULTURA 157 pias são espécies de peixes que se adaptam a diferentes condições de qualidade de água. Toleram baixo oxigênio dissolvido, convivem com uma faixa ampla de acidez e alcalinidade na água, crescem e até se reproduzem em águas salobras ou salgadas e apresentam tolerância a altas concentrações de amônia — se comparadas à maioria dos peixes cultivados (KUBITZA, 2000). 5.4.3 Aproveitamento do perifíton Na aquicultura, a fertilização é amplamente utilizada para aumentar o rendimento na produção de peixes. A fertilização estimula a cadeia alimentar aumentando tanto os organismos autotróficos como os heterotróficos, o que aumenta a produção de pei- xes (WOHLFARTH, SCHROEDER, 1979; FAO, 1983; WOHLFARTH et al, 1985; SHARMA, OLAH, 1986; LI, 1987; ZHU et al,1990; MACLEAN et al, 1994; MILSTEIN et al, 1995). No entanto, Hickling (1962) e Hepher (1988) demonstraram que a produção em lagoas fertilizadas não tem aumento diretamente proporcional ao aumento da adubação e que, acima de certo nível, o aumento das taxas de adubação não implica em aumento da produção pesqueira. O uso de lagoa, ou lagoas, de piscicultura para o tratamento de águas residuárias é uma prática antiga. é uma das técnicas disponíveis utilizadas em sistemas de tra- tamento de esgoto. Sistemas de policultivo de peixes apresentam maiores taxas de crescimento e produção do que sistemas baseados no monocultivo, o que se deve, provavelmente, às interações sinergéticas que ocorrem entres as diferentes espécies de peixes. Este conceito tradicional de policultivo pode empregar técnicas de incre- mento da população de organismos fotossintetizantes fixados em material suporte inerte adicionado a lagoas de piscicultura — perifíton. Em sistemas de aquicultura baseados no perifíton ocorre a possibilidade de se aumen- tar tanto a produção primária como a disponibilidade de alimento para os peixes. Isto se deve, conforme muitos estudos demonstraram, ao fato da produção de peixes em lagoas com perifíton ser maior do que em lagoas sem material suporte (LEGENDRE, HEM, CISSE, 1989; HEM, AVIT, 1994; GUIRAL, GOURBAULT, HELLEOUET, 1995; WAHAB et al, 1999; HUCHETTE et al, 2000; AZIM et al, 2001). A idéia de aquicultura à base de perifíton é originalmente derivada de métodos tra- dicionais de pesca, como o “acadjas”, da Costa do Marfim (Welcomme, 1972), os “samarahs”, do Camboja (Shankar et al., 1998) e os pescadores “Katha”, de Bangladesh (Wahab e Kibria, 1994; Macgrory e Williams, 1996). Nestas regiões, árvores de mangues são colocadas em águas rasas e abertas para atrair peixes e aumentar a produtividade. Konan-Brou e Guiral (1994) relataram que a proliferação de algas perifíticas, bem como a diversidade de espécies sobre os ramos submersos, conduziu a um aumento
- 159. 158 ESGOTO de oito vezes na produção de algas dentro da cultura “Acadja”, em comparação com a produção em águas da lagoa. Além disso, para muitas espécies de peixes, a ingestão alimentar por unidade de tempo é maior quando o alimento está disponível como perifíton e não fitoplâncton (DEMPSTER et al, 1993). Na maioria dos sistemas de produção aquícola, apenas cerca de 15 a 30% dos nutrien- tes são convertidos em produtos assimiláveis. O resto é normalmente perdido para os sedimentos, efluentes hídricos e para a atmosfera (EDWARDS, 1993; ACOSTA-NASSAR et al, 1994; BEVERIDGE et al, 1994; OLAH et al, 1994; GROSS et al, 2000). O perifíton permite um aumento da conversão de nutrientes em produtos assimiláveis em sistemas de lagoas. Cabe destacar que a filtração de pequenas algas planctônicas é incapaz de suprir plenamente as demandas de energia de espécies herbívoras como a carpa e a tilápia (DEMPSTER et al, 1995). A aquicultura à base de perifíton pode ser uma opção para aumentar a produção de peixes sem aumentar o gasto com insumos. O termo “perifíton” é aplicado ao complexo de organismos sésseis, aderidos a um substrato natural ou artificial, que inclui não só as algas, mas invertebrados, protozoários e bactérias, além de detritos (WETZEL, 1983). 5.5 Experiências sobre piscicultura em esgoto sanitário 5.5.1 Pesquisas desenvolvidas na Universidade Federal do Ceará A Universidade Federal do Ceará desenvolveu, no âmbito do Prosab 5, Tema 2, duas pesquisas sobre a utilização de esgoto doméstico tratado no cultivo de Tilápia do Nilo (Oreochromis niloticus). Os experimentos foram realizados no Centro de Pesquisa sobre Tratamento de Esgoto e Reúso de águas, que fica situado em estação de trata- mento de esgoto (ETE) da Cagece (Companhia de água e Esgoto do Ceará), localizada no município de Aquiraz, no Estado do Ceará. O esgoto utilizado na pesquisa foi o efluente final de um sistema de tratamento em lagoas de estabilização em série, com- posto de uma lagoa anaeróbia, uma facultativa e duas de maturação. O esgoto afluente aos tanques de piscicultura apresentou as características indicadas na Tabela 5.6. Do ponto de vista microbiológico, observa-se que este esgoto aten- deu às recomendações do Prosab (Tabela 5.5), quanto ao número de coliformes fecais e ovos de helmintos. A Figura 5.2 mostra uma vista dos tanques de piscicultura.
- 160. UTILIzAçãO DE NUTRIENTES DE ESGOTO TRATADO NA PISCICULTURA 159 Tabela 5.6 > Características do esgoto afluente aos tanques de piscicultura PARâMETRO N VALOR MéDIO pH 13 7,8 Condutividade (mS/cm) 13 727 RAS (mmol/L) 13 3,8 Sódio (mg/L) 3 53,7 Cálcio (mg/L) 3 45,4 Magnésio (mg/L) 3 28,0 Potássio (mg/L) 6 26,2 Alcalinidade (mg CaCO3/L) 11 148 Cloretos (mg Cl-/L) 4 93 DBO (mg/L) 5 37 DQO total (mg/L) 10 112 DQO filtrada (mg/L) 6 51 ST (mg/L) 5 521 SST (mg/L) 4 15 STD (mg/L) 4 548 Amônia (mg N-NH3/L) 3 7,7 Fósforo (mg/L) 7 12,8 Coliformes Totais NMP/100 mL) 6 6,53E+02 E. coli (NMP/100 mL) 5 7,73E+01 Ovos de Helmintos (ovos/L) 5 0,4 Turbidez (UT) 11 29,6 FONTE: UNIVERSIDADE FEDERAL DO CEARá, AQUIRAZ, CE. NOTAS: N: NúMERO DE AMOSTRAS / RAS: RAZãO DE ADSORçãO DE SóDIO / DBO: DEMANDA BIOQUÍMICA DE OXIGêNIO / DQO: DEMANDA / QUÍMICA DE OXIGêNIO / ST: SóLIDOS TOTAIS / SST: SóLIDOS SUSPENSOS TOTAIS / STD: SóLIDOS TOTAIS DISSOLVIDOS FONTE: UNIVERSIDADE FEDERAL DO CEARá, AQUIRAZ, CE. Figura 5.2 Vista dos tanques de piscicultura
- 161. 160 ESGOTO 5.5.1.1 Cultivo de Tilápia do Nilo sem fornecimento de ração Esta pesquisa teve como objetivo avaliar o cultivo de Tilápia do Nilo, Oreochromis ni- loticus, em esgoto doméstico tratado em lagoas de estabilização, sem o fornecimento de ração comercial. Foram utilizados 3 viveiros, com 50m³ de volume cada, cobertos com tela para proteção contra predadores, abastecidos com esgoto doméstico tratado. Foram estocados alevinos de Tilápia do Nilo, Orechromis niloticus, com peso médio inicial de 0,45g, revertidos sexu- almente para machos, com uma densidade experimental de 3 alevinos/m² (150 alevinos/ viveiro). Não foi ofertada ração comercial balanceada durante o período de cultivo. Foram realizadas biometrias (conferência de peso e medida) dos 150 peixes por viveiro no momento da estocagem, depois, periodicamente durante todo o decorrer do cultivo, e ao final dos 160 dias do experimento. Nesta etapa final foram coletados, aleatoria- mente, com tarrafa, aproximadamente 15 alevinos em cada viveiro, 10% do estoque. Foram medidos pesos médios (em gramas por peixes, g/peixe) e comprimentos totais (em centímetros por peixe, cm/peixe), para as avaliações dos rendimentos dos parâme- tros zoológicos; do ganho de peso diário; do ganho de biomassa diária e do crescimento diário em comprimento. Ao final do cultivo, obtiveram-se, também, os dados de com- primento total, biomassa, peso médio final, entre outros. Foram realizadas análises microbiológicas no intuito de mensurar a presença de Coli- formes Fecais Termotolerantes, Estafilococus Coagulase Positiva e Salmonela sp. em três tecidos do pescado produzido nos Viveiros Experimentais: brânquias, pele e músculo. A Tabela 5.7 contém dados de taxas de mortalidade e sobrevivência obtidas no experi- mento. Observa-se que houve uma mortalidade final de 100% da população estocada no Tanque V-03. Ressalte-se que no mês de abril de 2007 (época de realização da pesquisa) ocorreram muitas mortes de peixes por causa indeterminada em tanques de cultivo de peixes em água, na região. Tabela 5.7 > Mortalidade e sobrevivência absolutas e relativas dos peixes cultivados com esgoto doméstico tratado e sem alimentação artificial nos Viveiros Experimentais 01, 02 e 03 VIVEIROS MORTALIDADE SOBREVIVêNCIA MORTALIDADE SOBREVIVêNCIA EXPERIMENTAIS ABSOLUTA ABSOLUTA RELATIVA RELATIVA VE 1 5 145 3,3% 96,7% VE 2 52 98 34,7% 65,3% VE 3 150 0 100,0% 0,0% FONTE: UNIVERSIDADE FEDERAL DO CEARá, AQUIRAZ, CE. Na Tabela 5.8 estão os resultados dos principais parâmetros zootécnicos que podem ser usados para avaliação do desempenho do cultivo. é possível observar a maior
- 162. UTILIzAçãO DE NUTRIENTES DE ESGOTO TRATADO NA PISCICULTURA 161 produtividade alcançada no Tanque VE 01, apesar do fato deste tanque ter ficado com os peixes com peso médio final menor do que o verificado no VE 02. A maior sobrevi- vência do primeiro, contudo, proporcionou este melhor resultado. Tabela 5.8 > Principais parâmetros zootécnicos dos peixes cultivados com esgoto doméstico tratado e sem alimentação artificial, nos Viveiros Experimentais 01, 02 e 03 PARâMETROS ZOOTéCNICOS VE-1 VE-2 VE-3 Dias de Cultivo 160 160 160 Comprimento médio inicial (cm/peixe) 3,0 3,0 3,0 Comprimento médio final (cm/peixe) 22,8 24,6 * Crescimento (cm/peixe) 19,8 21,6 * Crescimento diário (cm/peixe/dia) 0,12 0,14 * Peso médio inicial (g/peixe) 0,45 0,45 0,45 Peso médio final (g/peixe) 214,4 280,57 * Ganho de peso (g/peixe) 213,95 280,12 * Ganho de peso diário (g/peixe/dia) 1,34 1,75 * Biomassa inicial (kg/viveiro) 0,07 0,07 0,07 Biomassa final (kg/viveiro) 31,09 27,50 * Ganho de Biomassa (Kg/viveiro) 31,02 27,43 * Produtividade (kg/ha) 6204,10 5485,67 * * DADOS NãO COLETADOS POR CAUSA DA INCIDêNCIA DE MORTALIDADE MASSIVA. FONTE: UNIVERSIDADE FEDERAL DO CEARá, AQUIRAZ, CE. A Tabela 5.9 apresenta os resultados das análises microbiológicas realizadas nos peixes dos Viveiros Experimentais 01 e 02. Observa-se que os valores dos parâmetros analisa- dos estão abaixo do níveis permitidos pela legislação vigente. Tabela 5.9 > Resultados das análises microbiológicas dos peixes cultivados com esgoto doméstico tratado e sem alimentação artificial, nos Viveiros Experimentais 01 e 02 Microorganismos Coliformes Fecais Estafilococos Condições Viveiro Pesquisados Termotolerantes Salmonella spp coagulase positiva Sanitárias Padrão Microbiológico * Ausência/25g 10³ UFC/g Músculo <1,8 Ausência <10 Satisfatória VE-1 Pele 4,5 Ausência <10 Satisfatória Brânquias 24 Ausência <10 Satisfatória Músculo 7,8 Ausência <10 Satisfatória VE-2 Pele 7,8 Ausência <10 Satisfatória Brânquias 14 Ausência <10 Satisfatória * NãO EXISTE VALOR DE REFERêNCIA NA LEGISLAçãO VIGENTE FONTE: UNIVERSIDADE FEDERAL DO CEARá, AQUIRAZ, CE.
- 163. 162 ESGOTO 5.5.1.2 Cultivo de Tilápia do Nilo com diferentes taxas de alimentação A pesquisa teve como objetivo avaliar o cultivo de Tilápia do Nilo (Oreochromis nilo- ticus) em esgoto doméstico tratado em lagoas de estabilização, com diferentes taxas de alimentação. Foram testados três tratamentos. Quanto ao primeiro tratamento — viveiro experimental 1 (VE-1), 2 (VE-2) e 3 (VE-3)― —, houve abastecimento com esgoto doméstico tratado no sistema de lagoas de estabili- zação e não foi ofertada ração comercial balanceada. No segundo tratamento — viveiro experimental 4 (VE-4), 5 (VE-5) e 6 (VE-6) —, houve abastecimento com esgoto doméstico tratado no sistema de lagoas de estabilização e foi ofertada 50% da ração comercial balanceada indicada pelo fabricante. No terceiro tratamento — viveiro experimental 7 (VE-7), 8 (VE-8) e 9 (VE-9) —, houve abastecimento com esgoto doméstico tratado no sistema de lagoas de estabilização e foi ofertado 100% da ração comercial balanceada indicada pelo fabricante. Nos nove (09) viveiros experimentais foram estocados alevinos de Tilápia do Nilo, revertidos sexualmente para machos, na densidade de 3 alevinos/m³. O período de cultivo desta pesquisa foi de 114 dias. A Figura 5.3 mostra os valores de ganho de peso (g/peixe), ao final do cultivo nos três tratamentos experimentais. O Tratamento 2 apresentou o melhor resultado (220,81 g/ peixe), mas foi estatisticamente semelhante ao Tratamento 1 (com 198,12 g/peixe) que, por sua vez, assemelha-se estatisticamente ao Tratamento 3 (com 173,70 g/peixe) — Teste de Tukey considerando uma significância de 5,0% - α = 0,05. FONTE: UNIVERSIDADE FEDERAL DO CEARá, AQUIRAZ, CE. ONDE: T01: SEM RAçãO / T02: 50% DA RAçãO / T03: 100% DA RAçãO Figura 5.3 Ganho de peso (g/peixe), ao final do cultivo, nos três tratamentos experimentais
- 164. UTILIzAçãO DE NUTRIENTES DE ESGOTO TRATADO NA PISCICULTURA 163 Os valores obtidos para ganho de biomassa (g/m³), assim como o resultado das aná- lises estatísticas, podem ser vistos na Figura 5.4. Constata-se que se obteve o melhor resultado no Tratamento 2 (653,72 g/m³), porém ele é considerado estatisticamente semelhante ao Tratamento 1 (594,49 g/m³). FONTE: UNIVERSIDADE FEDERAL DO CEARá, AQUIRAZ, CE. ONDE: T01: SEM RAçãO / T02: 50% DA RAçãO / T03: 100% DA RAçãO Figura 5.4 Ganho de biomassa (g/m3), ao final do cultivo, nos três tratamentos experimentais Felizatto (2000) alcançou resultados de ganho de peso na ordem de 82 g/peixe em 120 dias de cultivo. Bastos et al (2003) relataram resultados de 100 g/peixe em 100 dias de cultivo. Pereira (2004) obteve resultado de 126,10 g/peixe em 180 dias de cultivo. Os principais parâmetros zootécnicos determinados na pesquisa, para os três trata- mentos, estão indicados na Tabela 5.10. Tabela 5.10 > Resultados dos principais parâmetros zootécnicos avaliados nos peixes dos três tratamentos experimentais no Centro Experimental de Reuso de águas PARâMETROS ZOOTéCNICOS TRATAMENTOS 1 2 3 Crescimento em comprimento (cm/peixe) 17,57 ± 1,30 19,30 ± 1,34 17,87 ± 1,98 Crescimento diário (cm/peixe/dia) 0,154 0,169 0,156 Ganho de peso (g/peixe) 198,12 ± 29,18 220,81 ± 32,09 173,7 ± 51,42 Ganho de peso diário (g/peixe/dia) 1,737 1,936 1,523 Ganho de biomassa (g/m³) 395,95 ± 58,36 653,72 ± 94,98 308,90 ± 91,53 Produtividade (kg/ha/dia) 34,7 57,3 27,0 Conversão alimentar (CA) ∗ 0 0,54 2,57 * QUILO DE RAçãO PARA PRODUZIR UM QUILO DE PEIXE FONTE: UNIVERSIDADE FEDERAL DO CEARá, AQUIRAZ, CE. ONDE: T01: SEM RAçãO / T02: 50% DA RAçãO / T03: 100% DA RAçãO
- 165. 164 ESGOTO No Tratamento 1, alcançou-se produtividade de 34,7 kg/ha/dia, sendo este o segundo melhor resultado, que foi superado pelo do Tratamento 2, com 57,3 kg/ha/dia; o pior resultado foi obtido no Tratamento 3, com 27,0 kg/ha/dia. Pereira (2004) alcançou produtividade de 21,15 kg/ha/dia para densidade de 3 peixes/ m², em piscicultura com esgoto doméstico tratado. Santos et al (2007) obtiveram pro- dutividades de 62,28 kg/ha/dia, para piscicultura em esgoto com aeração mecânica, e 1,63 e 11,79 kg/ha/dia nos tratamentos sem aeração mecânica. O fator de conversão alimentar (CA) refere-se à relação entre o consumo de ração (em kg) e a produção (final, em kg) de um determinado cultivo. No Tratamento 1 não foi fornecida ração, o que levou ao valor de CA igual a zero. No Tratamento 2, a Conversão Alimentar foi igual 0,54. Portanto, foram necessárias 540g de ração para se produzir um quilograma de peixe — o que é um ótimo resultado para os padrões da piscicultura tradicional, em que, comumente, para peixes com peso equivalente aos obtidos neste experimento, alcança-se CA em torno de 1,2. Deve-se considerar, ainda, que neste tratamento foi fornecida metade da quantidade de ração indicada pelo fabricante para a piscicultura convencional. Já no Tratamento 3, a CA foi igual 2,57, estando este valor bem acima do mencionado anteriormente como o comumente alcançado. Este resultado indica que foi forneci- da ração em excesso, pois parte do alimento necessário foi encontrado pelos peixes no esgoto. As taxas de sobrevivência dos peixes nos três tratamentos foram: T1 (sem ração) – 100 %; T2 (50 % da ração) – 98,4 %; T3 (100 % da ração) – 59,6 %. 5.5.2 Pesquisas desenvolvidas na Universidade Federal do Rio Grande do Sul A Universidade Federal do Rio Grande do Sul desenvolveu pesquisa sobre tratamento de esgoto doméstico em lagoas terciárias com perifíton associadas ao cultivo de Carpa comum (Cyprinus carpio) e carpa prateada (Hypophthalmichthys molitrix). A pesquisa foi realizada na Estação de Tratamento de Esgoto São João — Navegantes do DMAE/ Porto Alegre. O objetivo principal foi a avaliação da eficiência de remoção de nutrientes em sistemas de lagoas dotadas de meio suporte inerte para desenvolvimento de perifíton e utiliza- ção de peixes para a remoção do perifíton desenvolvido no substrato artificial.
- 166. UTILIzAçãO DE NUTRIENTES DE ESGOTO TRATADO NA PISCICULTURA 165 5.5.2.1 Unidades experimentais Foram utilizadas 04 lagoas terciárias para avaliação do efeito do perifíton na remoção de nutrientes e sua contribuição para a piscicultura. O volume útil de cada lagoa foi de 140 m3 e profundidade de 1 m, sendo alimentadas de forma contínua com esgoto do- méstico tratado por reator UASB e lagoa de polimento. O tempo de detenção hidráulico nas lagoas terciárias foi ajustado em 23 dias, para minimizar os problemas causados pela elevada concentração de amônia no afluente, bem como minimizar a queda do oxigênio dissolvido durante a noite (que ocorre em decorrência da respiração das algas). A tabela 5.11 apresenta os valores de densidade de material suporte, expressos pela relação entre a superfície de material suporte e a área superficial das lagoas A, B e C. A lagoa D não recebeu material suporte, servindo como referência para avaliação da presença do perifíton sobre a remoção de nutrientes e sua contribuição no crescimento dos peixes. Tabela 5.11 > Superfície do material suporte em relação à área superficial das lagoas LAGOAS A B C D Relação material suporte / lagoa (m2/m2) 1 2 3 branco FONTE: UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO GRANDE DO SUL, PORTO ALEGRE, RS. A Figura 5.5 apresenta uma vista geral da lagoa de polimento e das lagoas terciárias com perifíton, empregadas na pesquisa. FONTE: UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO GRANDE DO SUL. PORTO ALEGRE, RS. Figura 5.5 Vista da lagoa de polimento e lagoas terciárias utilizadas na piscicultura
- 167. 166 ESGOTO O esgoto afluente aos tanques de piscicultura era proveniente de lagoa de polimento operada com tempo de detenção hidráulico de 13 dias, com características físicas, quí- micas e bacteriológicas indicadas na Tabela 5.12. O pH acima do neutro e o nitrogênio amoniacal elevado (9,7 mg/L) consistiram no principal risco à sobrevivência dos peixes nas lagoas terciárias. Do ponto de vista da qualidade microbiológica, observa-se que não foram atendidas as recomendações do Prosab (Tabela 5.5), quanto ao número de organismos termotolerantes, para uso em piscicultura. A qualidade do efluente das lagoas terciárias não apresentou relação com a densidade de material suporte, o que indica que a presença do perifíton não contribuiu de forma significativa na remoção de matéria orgânica e nutrientes contidos no esgoto sanitá- rio. Esta observação tem suporte na comparação dos valores de qualidade do efluen- te apresentados na tabela 5.13. Nesta tabela é possível constatar que os valores do efluente na lagoa D são similares aos medidos nas lagoas preenchidas com diferentes densidades de material suporte. A remoção do nitrogênio amoniacal nas lagoas terciárias apresentou eficiência na faixa de 90%, resultando em concentração efluente em torno de 1 mg/L. O mecanismo principal de remoção foi, provavelmente, a volatilização, devido ao aumento do pH efluente na faixa de 8,7 a 9,0. Tabela 5.12 > Características do afluente às lagoas terciárias, no período 2007/2008 PARâMETRO N VALOR MéDIO pH 27 8,0 Condutividade (µS/cm) 26 569 Alcalinidade (mg CaCO3/L) 26 120 Carbono Inorgânico (mg/L) 19 30,2 Carbono Orgânico (mg/L) 19 6,9 DBO (mg/L) 26 107 DQO total (mg/L) 27 215 ST (mg/L) 25 472 SST (mg/L) 19 133 STD (mg/L) 21 451 Nitrogênio Amoniacal (mg N-NH3/L) 26 9,7 Fósforo (mg/L) 26 4,8 Clorofila a (µg/L) 23 905 Coliformes Totais NMP/100 mL) 15 7,30E+05 E. coli (NMP/100 mL) 17 1,91E+05 Turbidez (UT) 27 53 FONTE: UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO GRANDE DO SUL. PORTO ALEGRE,RS. ONDE: N: NúMERO DE AMOSTRAS / DBO: DEMANDA BIOQUÍMICA DE OXIGêNIO / DQO: DEMANDA QUÍMICA DE OXIGêNIO / ST: SóLIDOS TOTAIS SST: SóLIDOS SUSPENSOS TOTAIS / STD: SóLIDOS TOTAIS DISSOLVIDOS.
- 168. UTILIzAçãO DE NUTRIENTES DE ESGOTO TRATADO NA PISCICULTURA 167 O efluente das lagoas terciárias apresentou valores de organismos termotoleran- tes compatíveis com os recomendados para piscicultura. A compatibilidade é de- corrida, principalmente, do elevado tempo de detenção hidráulico (23 dias) adotado neste estudo. Tabela 5.13 > Qualidade do efluente das lagoas terciárias no período 2007/2008 PARâMETRO N LAGOA A B C D pH 27 8,9 8,6 8,8 9,0 Condutividade (µS/cm) 26 463 485 485 457 Alcalinidade (mg CaCO3/L) 26 80,1 83,5 82,3 81,0 Carbono Inorgânico (mg/L) 19 21,5 20,7 23,3 22,5 Carbono Orgânico (mg/L) 19 8,1 6,6 8,3 8,8 Clorofila a (µg/L) 23 235 756 694 928 DBO (mg/L) 26 53 50 53 69 DQO total (mg/L) 27 208 146 166 228 ST (mg/L) 25 488 423 606 465 Nitrogênio Amoniacal (mg N-NH3/L) 26 1,0 0,8 0,8 0,9 Fósforo (mg/L) 26 3,4 4,2 4,1 3,3 Coliformes Totais NMP/100 mL) 16 1,71E+05 1,16E+05 1,35E+05 2,60E+05 Org. termotolerantes (NMP/100 mL) 16 7,46E+03 1,10E+03 1,59E+04 1,45E+03 Turbidez (UT) 27 82,0 50,3 42,8 61,1 FONTE: UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO GRANDE DO SUL, PORTO ALEGRE, RS. 5.5.2.2 Cultivo de carpa nas lagoas terciárias com perifíton Foram estocados alevinos de carpa comum (Cyprinus carpio) e carpa prateada (Hypo- phthalmichthys molitrix), com peso médio inicial de 82g, com densidade experimental de 0,5 alevinos/m² (70 alevinos/lagoa), não sendo ofertada ração comercial balanceada durante o período de cultivo. Foram realizadas biometrias no momento da estocagem e ao final do experimento. Os parâmetros medidos no início e final do cultivo foram: peso médio (g/peixe) e com- primento total (cm/peixe). Pretendeu-se com estas medidas avaliar o rendimento dos parâmetros zoológicos: ganho de peso diário, ganho de biomassa diária e crescimento diário em comprimento. Ao final do experimento foi avaliada a qualidade microbio- lógica dos peixes, mediante observação microscópica das brânquias. Não foram ob- servados organismos patogênicos, o que atende os requisitos para consumo humano. O cultivo foi desenvolvido no período de verão, com o peixamento das lagoas sendo realizado em 21 de novembro de 2007 e a despesca em 21 de maio de 2008, totali- zando 183 dias.
- 169. 168 ESGOTO A sobrevivência das carpas nas lagoas A, B e C foi de 60%. Elas apresentaram peso e comprimento médio, após 180 dias, de 1.081g e 42 cm. O peso final superou em mais de 11 vezes o peso medido no início do experimento, o que foi considerado extrema- mente satisfatório, considerando custo zero para alimentação dos peixes. 5.6 Informações para a implementação de sistemas de piscicultura 5.6.1 Área necessária Nos projetos de piscicultura devem ser considerados vários aspectos. Kubitza (2000), referindo-se ao cultivo de tilápia, ressalta: disponibilidade de recursos financeiros e insumos; acesso e viabilidade do emprego de tecnologias; disponibilidade de água; disponibilidade de área; condições climáticas prevalentes e levantamento das caracte- rísticas intrínsecas de cada empreendimento. A estimativa da área necessária para piscicultura pode ser feita pela seguinte relação (Equação 5.1): AT = AP + AE + AR Equação 5.1 onde: AT = área total (ha) AP = área de produção (ha) AE = área de estocagem (ha) AR = área de reprodução (ha) Sendo (Equação 5.2): AP = PT / P (ha) Equação 5.2 onde: AP = área de produção (ha) PT = produção total (kg) P = produtividade média (kg/ha) O cálculo da área de produção (AP) vai depender da produção total desejada (PT) e da produtividade média da espécie cultivada (P) — que, por sua vez, varia com o tipo de peixe, sistema de produção e características ambientais. Segundo Moscoso et al (2002), na piscicultura com esgoto doméstico em climas tro- picais, pode-se alcançar produtividade média de 5-7 t/ha/ano, sem a necessidade de alimentação suplementar. Em climas temperados, durante o período de cultivo em
- 170. UTILIzAçãO DE NUTRIENTES DE ESGOTO TRATADO NA PISCICULTURA 169 temperaturas mais elevadas, a produtividade pode alcançar 15 – 20 kg/ha/dia, sem a necessidade de alimentação suplementar. De acordo com os dados da Tabela 5.10, com resultados de pesquisa realizada em Aquiraz, Ceará, foram determinadas as seguintes produtividades no cultivo de Tilápia do Nilo em esgoto sanitário tratado: sem adição de ração comercial — 34,7 kg/ha/dia; com adição de metade da ração comercial recomendada — 57,3 kg/ha/dia. 5.6.2 Quantidade e qualidade da água O volume de água necessário depende do tipo de solo, da construção dos tanques ou viveiros, das condições climáticas e, principalmente, do sistema de criação e manejo. Como informação de caráter geral, pode-se estimar algo em torno de 10 litros/segun- do/ha para solos argilo-arenosos (BASTOS et al, 2003). A quantidade de água a ser utilizada, obviamente, vai depender do volume necessário para encher o(s) tanque(s), o qual varia em função da quantidade de peixe que se deseja produzir. Um viveiro pode ser cheio duas ou mais vezes ao ano, dependendo de sua finalidade (alevinagem, engorda, manutenção de reprodutores). De acordo com Oliveira (2005), depois que o viveiro está cheio, só se deve colocar água nele para renovação do ambiente ou compensação de perdas por evaporação e percolação. A renovação é feita no caso de depleção na taxa de oxigênio dissolvido ou alteração em outros parâmetros (como níveis de amônia tóxica nos cultivos com grandes densidades de estocagem). Portanto, o volume de água necessário para re- novação do tanque ou viveiro depende do sistema de cultivo adotado. Quanto maior a densidade de estocagem, maiores serão a frequência da renovação e o volume de água necessário para tal. Os aspectos de qualidade da água foram discutidos no item 5.3, com ênfase para a utilização de esgoto doméstico tratado em piscicultura. Os resultados das pesquisas desenvolvidas nas diversas etapas do Prosab, inclusive as relatadas no item 5.5, de- monstram que é possível utilizar-se esgoto doméstico para o cultivo de peixes, desde que o esgoto seja tratado em sistemas adequados, como as lagoas de estabilização, de forma a reduzir alguns componentes que possam comprometer a piscicultura. 5.6.3 Capacidade de suporte, biomassa crítica e biomassa econômica Independente dos sistemas de cultivo e das estratégias de produção adotadas, o co- nhecimento dos conceitos e a quantificação da capacidade de suporte, biomassa crítica e biomassa econômica são fundamentais para o adequado planejamento e otimização da produção (KUBITZA, 2000).
- 171. 170 ESGOTO “Capacidade de suporte” é a máxima biomassa de peixes capaz de ser sustentada em uma unidade de produção (tanque, tanque-rede, etc.). A capacidade de suporte pode ser expressa em relação à área (kg/ha, kg/m2, kg/1.000 m2) ou ao volume (kg/m3) da unidade de produção. A unidade de produção atinge a sua “biomassa crítica” quando o crescimento diário dos peixes (ou da população de peixes) atinge um valor máximo. Ou seja, entende-se por “biomassa crítica” o máximo ganho de peso possível por peixe (g/dia) ou por uni- dade de área (kg/ha/dia) ou volume (kg/m3/dia). A “biomassa econômica” corresponde a uma biomassa entre a capacidade de suporte e a biomassa crítica. Representa o momento em que ocorre o máximo lucro acumulado durante o cultivo (máximo lucro possível). Neste momento, a despesca (parcial ou total) deve ser realizada. Em geral, a biomassa econômica gira em torno de 60 a 80% da capacidade de suporte. Na Tabela 5.14 constam valores de capacidade de suporte e biomassa econômica para diferentes sistemas de cultivo. Tabela 5.14 > Capacidade de suporte e biomassa econômica para diferentes sistemas de cultivo SISTEMA DE CULTIVO CAPACIDADE DE SUPORTE (kg/ha) BIOMASSA ECONôMICA (kg/ha/ciclo) 1 300 a 500 2 1.000 a 3.700 800 a 2.600 3 2.500 a 8.000 2.000 a 5.600 4 6.000 a 10.000 5.000 a 7.000 5 10.000 a 20.000 7.000 a 14.000 6 38.000 a 70.000 25.000 a 50.000 7 20 a 60 kg/m 3 15 a 40 kg/m3 8 60 a 200 kg/m 3 40 a 140 kg/m3 9 300 a 480 kg/m3 200 a 300 kg/m3 FONTE: ADAPTADO DE KUBTIZA (2000). OBSERVAçõES: SISTEMAS DE CULTIVO: 1: EXTENSIVO OU RUDIMENTAR / 2: ADUBAçãO ORGâNICA E/OU INORGâNICA / 3: ALIMENTO SUPLE- MENTAR COM OU SEM ADUBAçãO / 4: RAçãO COMPLETA EM VIVEIROS DE BAIXA RENOVAçãO DE áGUA / 5: RAçãO COMPLETA E AERAçãO DE EMERGêNCIA COM BAIXA RENOVAçãO DE áGUA / 6: RAçãO COMPLETA E TROCA PARCIAL DE áGUA COM AERAçãO / 7: RECIRCULAçãO DE áGUA COM AERAçãO / 8: TANQUES DE ALTO FLUXO DE áGUA (RACEWAYS) / 9: TANQUES-REDE DE PEQUENO VOLUME (ATé 6 M3). 5.6.4 Taxas de estocagem Conforme Caldas (2007), o número de alevinos adequado para se povoar um viveiro depende de diversos fatores, dentre os quais destacam-se: a boa qualidade do solo e da água; a disponibilidade de adubo orgânico e inorgânico; a disponibilidade de subpro- dutos na propriedade e de recurso para aquisição de ração; o tipo de cultivo adotado considerando-se a produção final que o piscicultor deseja obter com seus peixes.
- 172. UTILIzAçãO DE NUTRIENTES DE ESGOTO TRATADO NA PISCICULTURA 171 A densidade de povoamento dos peixes normalmente ocorre de acordo com o tipo de cultivo. A saber: cultivo extensivo — 1 peixe para cada 10m2; cultivo semi-intensivo — 5 peixes para cada 10m2; cultivo intensivo — 1 a 3 peixes por metro quadrado. 5.6.5 Características dos tanques Na Tabela 5.15 são apresentadas algumas considerações sobre as dimensões a serem observadas nos tanques de piscicultura de acordo com Oliveira (2005). Tabela 5.15 > Características gerais dos tanques de piscicultura DIMENSãO CARACTERíSTICA Comumente, os tanques são quadrados ou retangulares. O viveiro pode ter forma qua- drática, normalmente, quando sua área é inferior a 2.500 m2. Um viveiro muito largo Forma exige rede maior para a despesca e, consequentemente, maior número de pessoas para arrastá-la durante essa operação. área A área dos tanques dificilmente ultrapassa a 200,00 m2. A profundidade máxima dos tanques dificilmente ultrapassa 1,10 m. Profundidade A mínima poucas vezes é inferior à 0,60 m e a média fica entre 0,80 a 1,00 m. FONTE: OLIVEIRA (2005). Referências Bibliográficas ACOSTA-NASSAR, M.V., MORELL, J.M., AND CORREDOR, J.E. The Nitrogen Budget of a Tropical Semi Intensive Freshwater Fish Culture Pond, Journal of World Aquaculture Society, v. 25, p. 261-269, 1994. AQUINO, M.D. et al. Reúso em piscicultura. In: MOTA, S.; AQUINO, M.D.; SANTOS, A.B. (Org.). Reúso de águas em irrigação e piscicultura. Fortaleza: UFC/ Centro de Tecnologia, 2007. BASTOS, R.K.X. (Coord.). Utilização de esgotos tratados em fertirrigação, hidroponia e piscicultura. Rio de Janeiro: Rima, ABES, 2003. BASTOS, R.K.X. et al. Utilização de esgotos sanitários em piscicultura. In: BASTOS, R.K.X. (Coord.). Utilização de esgotos tratados em fertirrigação, hidroponia e piscicultura. Projeto Prosab. Rio de Janeiro: Rima, ABES, 2003. BASTOS, R.K.X.; MARQUES, M.O. Utilização de esgoto tratado em fertirrigação, hidroponia e pis- cicultura — uma análise crítica. In: BASTOS, R.K.X. (coord). Utilização de esgotos tratados em fertirrigação, hidroponia e piscicultura. Rio de Janeiro: Rima, ABES, 2003. DEMPSTER et al. Can fish survid by filter-feeding on microparticles. Energy balance in tilapia grazing on algal suspension. Journal of Fish Biology, v. 47, p. 7-17, 1995. DEMPSTER et al. Herbivory in the tilapia Oreochronis niloticus: a comparison of feeding rates on phytoplankton and periphyton. Journal of Fish Biology, v. 43, p. 385-392, 1993. EDWARDS, P. Reuse of human wastes in aquaculture – a technical review. UNDP- World Bank Water Research Program. Washington D.C. THE WORLD BANK, 1993.
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- 174. UTILIzAçãO DE NUTRIENTES DE ESGOTO TRATADO NA PISCICULTURA 173 SANTOS, E.S. Cultivo de Tilápia do Nilo em águas de esgoto doméstico tratado, com diferentes taxas de alimentação. Dissertação (Mestrado em Engenharia de Pesca) – Universidade Federal do Ceará, Fortaleza, 2008. SHARMA, B. K.; OLAH, J. Integrated fish - pig farming in India and Hungary. Aquaculture, v.54, p. 135-139, 1986. SILVA, V.K.; FERREIRA, M.W.; LOGATO, P.V.R. Qualidade da água na piscicultura. Boletim de Exten- são da UFLA, Lavras, MG, n. 94, 2001. [On-line]. Disponível em: http://www.editora.ufla.br. Acesso em: 12 jan, 2008. VALENTI, W.C.; POLI, C.R.; PEREIRA, J.A.; BORGHETTI, J.R. Aqüicultura no Brasil: bases para um desenvolvimento sustentável. Brasília: Centro Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecno- lógico (CNPq)/ Ministério da Ciência e Tecnologia (M.C.T.), 2000. VON SPERLING, M. Princípios do tratamento biológico de águas residuárias. Lagoas de estabiliza- ção, v. 3. Belo Horizonte: Departamento de Engenharia Sanitária e Ambiental, UFMG, 2002. WHO. Health guidelines for the use of wastewater in agriculture and aquaculture. Technical report series, nº 776. Geneva: WHO, 1989. WHO. Guidelines for the safe use of wastewater, excreta and greywater. Wastewater and excreta use in aquaculture, v. 3. Geneva: WHO, 2006. ZIMMERMANN, S.; FITZSIMMONS, K. Tilapicultura intensiva. In: CYRINO, J.E.P.; et al. Tópicos espe- ciais em piscicultura de água doce tropical intensiva. São Paulo: TecArt, 2004.
- 175. 6 remoção biológica de Nitrogênio: Aplicações para o sistema de Lodo Ativado Adrianus van Haandel, Mário Kato e Marcos von Sperling 6.1 Introdução Conforme comentado no Capítulo 2, o lançamento de grandes quantidades de nu- trientes, presentes no esgoto bruto e tratado, em águas de superfície ou águas sub- terrâneas leva a uma deterioração crescente dos recursos hídricos. A fertilização contínua dos cursos d’água é denominada eutrofização, um processo natural que pode, contudo, ser acelerado pelas atividades humanas. A presença de nitrogênio e fósforo juntamente com dióxido de carbono é a condição básica para o crescimento de microorganismos autótrofos como as algas. Por esse motivo, nas últimas décadas, a consciência de que a remoção dos nutrientes das águas residuárias é uma medida importante para preservar a qualidade dos corpos de água receptores de efluentes de sistemas de tratamento cresceu. Da mesma forma, a infiltração no solo de efluentes sem tratamento adequado tem resultado em problemas na qualidade de água subterrânea, quando ela é usada para abastecimento público, como é o caso em várias cidades do Nordeste. Neste caso, a oxidação da amônia no solo produz formas oxidadas de nitrogênio, como nitrato e nitrito, que podem ser prejudiciais para a saúde de consumidores da água, principal- mente para recém-nascidos (metemoglobinemia). A taxa do crescimento dos organismos aquáticos nas águas de superfície é limitada pela disponibilidade de nitrogênio ou de fósforo. Qual dos dois elementos eutrofizantes
- 176. REMOçãO BIOLÓGICA DE NITROGÊNIO: APLICAçÕES PARA O SISTEMA DE LODO ATIVADO 175 é limitante dependerá das características da água e do solo do leito. Se a introdução de nitrogênio na sua forma mais facilmente absorvível (amônia) é limitada, então esta substância pode ser utilizada por certas algas que o sintetizam a partir de nitrogênio molecular. Desse modo, para assegurar um combate efetivo à eutrofização, a remoção de nitrogênio não é necessariamente suficiente. Idealmente, deve-se eliminar também o fósforo, discutido no Capítulo 7. Nesse capítulo, mostrar-se-á que a remoção de nitrogênio é, normalmente, pré-requisito para a remoção biológica de fósforo. A remoção biológica de nitrogênio em sistemas de tratamento se dá pelos processos sequenciais de nitrificação e desnitrificação. Na nitrificação, bactérias autotróficas mediam a oxidação de amônia para nitrito e, principalmente nitrato. Este processo re- quer a presença de oxigênio dissolvido e, portanto, só é possível em ambiente aeróbio. Na desnitrificação, o nitrato, ou o nitrito, é reduzido para nitrogênio molecular, tendo- se material orgânico como redutor e bactérias heterotróficas mediando o processo. O resultado dos processos sequenciais de nitrificação e desnitrificação é a conversão de nitrogênio amoniacal em nitrogênio molecular — que se desprende como gás da fase líquida. Dependendo da proporção NTK/DQO no afluente, e das condições operacionais, parti- cularmente a idade de lodo e a temperatura do afluente, pode ser difícil remover todo o nitrogênio. Neste caso, podem-se aplicar configurações recentemente desenvolvidas para a remoção de nitrogênio de água do digestor de lodo, como os processos Oland e Sharon. Estes sistemas se baseiam nos mesmos processos que os do sistema conven- cional, mas diferem-se destes últimos ao usar uma fonte externa de material orgânico para a desnitrificação. Recentemente, foi desenvolvido um processo denominado ANAMMOX para a remo- ção biológica de nitrogênio, que consiste na oxidação da amônia feita por bactérias autotróficas e tendo como oxidante o nitrito. Esta nova maneira de remoção de nitro- gênio, que já tem alguns sistemas em escala real em operação, dispensa a presença de material orgânico como redutor de nitrito ou nitrato. Por esta razão é particularmente interessante para o Brasil — onde um grande número de sistemas de tratamento ana- eróbio foi instalado. No efluente anaeróbio não há material orgânico em concentração adequada para a desnitrificação. Nestes casos, a remoção de nitrogênio pelo sistema Anammox tem um potencial de aplicação muito grande. 6.2 Formas e reações do material nitrogenado O material nitrogenado em águas residuárias compõe-se principalmente de nitrogê- nio amoniacal (gasoso, NH3; e salino, NH+4) e nitrogênio orgânico (uréia, aminoácidos
- 177. 176 ESGOTO e outras substâncias orgânicas como o grupo amino). Ocasionalmente ocorrem traços de formas oxidadas do nitrogênio, nitrito (NO-2) e nitrato (NO-3). No caso do material nitrogenado, o parâmetro adequado para quantificá-lo é bem definido: deve-se deter- minar a concentração do nitrogênio nas suas diferentes formas. Na prática, usam-se testes espectrofotométricos ou eletrodos específicos para determinar as concentra- ções de amônia, nitrato e nitrito. O nitrogênio orgânico pode ser determinado após a sua conversão química para amônia (digestão). A soma da concentração de nitro- gênio orgânico e amoniacal é chamada de NTK - nitrogênio total Kjeldahl (em inglês: total Kjeldahl nitrogen, TKN). Nitrogênio molecular (gás) Desnitrificação Nne Nitrogênio Nitrogênio Naa Nitrato no efluente Naa Nitrificação Nae (dissolvido) no afluente Amônia Amonificação Nta = Nka + Nna Nte = Nke + Nne Assimilação Noa Nitrogênio Noe = Noa + Naa + Nna Nte = Noe + Nae + Nne Orgânico Nitrogênio no lodo de excesso (sólido) Representação esquemática das formas e das possíveis reações do material nitrogenado Figura 6.1 ento do esgoto Dependendo do processo de tratamento de esgotos, podem ocorrer várias reações que mudam a forma do material nitrogenado: amonificação (ou, o inverso: assimilação de amônia); nitrificação e desnitrificação (Figura 6.1). Na reação de amonificação, o nitrogênio orgânico é convertido em nitrogênio amo- niacal. Na assimilação, o processo inverso ocorre (a amônia é incorporada à biomassa, estando presente, portanto, na forma de nitrogênio orgânico). Levando-se em consi- deração que o nitrogênio amoniacal, a um pH perto do valor neutro, terá, predomi- nantemente, a forma salina ionizada (NH4+), pode-se escrever: assimilação RNH2 + H2O + H+ ←→ ROH + NH4+ Equação 6.1 amonificação
- 178. REMOçãO BIOLÓGICA DE NITROGÊNIO: APLICAçÕES PARA O SISTEMA DE LODO ATIVADO 177 A nitrificação é a oxidação biológica da amônia, tendo como produto final o nitra- to. A reação requer a mediação de bactérias específicas e se realiza em dois passos seqüenciais. No primeiro passo, a amônia é oxidada para nitrito (nitritação) através da ação bioquímica de bactérias como as do gênero Nitrossomonas. No seguinte passo, a oxidação de nitrito para nitrato (nitratação) é mediada por bactérias como as do gênero Nitrobacter. Ambos os gêneros Nitrossomonas e Nitrobacter somente desen- volvem atividade bioquímica na presença de oxigênio dissolvido, isto é, são aeróbios obrigatórios. Os dois passos podem ser escritos como: NH4 + 3/2 O2 → NO2- + H20 + 2H+ Equação 6.2 NO2- + 1/2 O2 → NO3- ________________________________________________________ + NH4 + + 2O2 → NO3- + H20 + 2H+ Em temperaturas baixas (< 20 oC), a nitratação é muito mais rápida que a nitritação, de modo que se pode considerar que a nitratação é imediata e a acumulação de nitrito sempre será muito pequena em sistemas sob condições estacionárias. Em contraste, em temperaturas elevadas (>25oC) a nitritação é mais rápida que a nitratação, e por esta razão pode haver acumulação de nitrito quando se cria condições adequadas. A Figura 6.2 mostra a demanda de oxigênio na nitrificação (nitritação ou nitratação) e a demanda de material orgânico na desnitrificação. Variação do número de oxidação de nitrogênio nos processos de nitrificação Figura 6.2 (nitratação e nitritação) e desnitrificação
- 179. 178 ESGOTO A desnitrificação é a redução biológica de nitrato para nitrogênio molecular, tendo-se material orgânico como redutor. Admitindo-se uma fórmula geral estrutural CxHyOz para o material orgânico, então as reações de redução e de oxidação podem ser escritas como: Oxidação: Equação 6.3 CxHyOz + (2x-z)H2O → xCO2 + (4x+y-2z)H+ + (4x+y-2z)e ou: 1/(4x+y-2z) CxHyOz + (2x-z)/(4x+y-2z) H2O → 1/(4x+y-2z) CO2 + H+ + e Redução no caso de nitrato: Equação 6.3.1 e + 6/5 H+ + 1/5 NO3- → 1/10 N2 + 1/5H2O Redox: 1/(4x+y-2z) CxHyOz + 1/5 H+ + 1/5 NO3- → x/(4x+y-2z) CO2 + 1/10 N2 + 1/5*(2x+3y-z)/(4x+y-2z) H2O ou: CxHyOz + (4x+y-2z)/5 H+ + (4x+y-2z)/5 NO3- → x CO2 + 1/5(2x+3y-2z)H2O + 1/10 (4x+y-2z)N2 Redução no caso de nitrito: Equação 6.3.2 Nitrito: e + 4/3 H+ + 1/3 NO2- → 1/6 N2 + 2/3 H2O Redox: 1/3H+ + 1/3 NO2- + 1/(4x + y - 2z) CxHyOz + (2x - z)/ (4x + y - 2z) H2O → x/(4x + y - 2z) CO2 + 1/6 N2 + 2/3 H2O Tanto as Equações 3.1 e 3.2 como a Figura 6.2 mostram claramente que, em princípio, há uma grande vantagem em usar a nitritação em vez da nitratação como caminho para a remoção de nitrogênio — no caso de nitritação a demanda de oxigênio é 25 % menor que no caso de nitratação. Por outro lado, na desnitrificação, a demanda de material orgânico no caso de redução de nitrito é somente 3/5 ou 60 % da demanda no caso da redução de nitrato. Todavia, no fim deste capítulo é mostrado que, em uma investigação experimental, ficou evidenciado que a taxa de utilização de nitrito é muito menor que a taxa de utilização de nitrato — o que reduz sensivelmente a van- tagem de se produzir nitrito. Outro problema é que somente é possível parar a nitrificação em nitrito quando as condições são favoráveis: temperaturas acima de 25 a 30 oC. Por esta razão, em sistemas convencionais, normalmente, tem-se a nitrificação para nitrato como pri-
- 180. REMOçãO BIOLÓGICA DE NITROGÊNIO: APLICAçÕES PARA O SISTEMA DE LODO ATIVADO 179 meiro passo na remoção de nitrogênio. Neste capítulo, discutem-se também algumas configurações novas que usam a nitritação como mecanismo principal da remoção de nitrogênio. Numericamente, no caso de esgoto doméstico, a concentração do NTK no afluente geralmente é de 40 a 60 mg N.L-1, ou seja, uma fração na faixa de 0,08 a 0,12 da DQO afluente. Desta concentração total, em torno de 75 por cento é nitrogênio amoniacal e 25 por cento é nitrogênio orgânico. Nos processos de tratamento biológico dos esgotos, o nitrogênio orgânico é rapidamente, e quase quantitativamente, convertido em nitrogênio amoniacal (amonificação). Se a nitrificação ocorre, e se houver capa- cidade de oxigenação suficiente, então também o processo da oxidação da amônia é quase completo, deixando uma baixa concentração de nitrogênio amoniacal. Se depois da nitrificação o processo de desnitrificação se desenvolve eficientemente, o teor de nitrogênio dissolvido no efluente final será baixo, menos que 5 mg/L, sendo possível observar uma eficiência de remoção de 90 a 95 por cento do nitrogênio no efluente, por exemplo, no caso do processo de lodos ativados. A eficiência da desnitrificação depende acentuadamente da disponibilidade de material orgânico para a redução de nitrato (ou nitrito) e da temperatura (que influi na velocidade do processo). Quando a disponibilidade de material orgânico no afluente é insuficiente, existe a possibilidade de se adicionar um composto de baixo custo e degradação rápida como, por exemplo, metanol ou etanol. 6.3 Estequiometria das reações do material nitrogenado 6.3.1 Consumo de oxigênio Quanto ao consumo de oxigênio para o material nitrogenado, interessam somente os processos de nitrificação e desnitrificação. A Figura 6.2 mostra esquematicamente a transferência de elétrons nos processos de nitrificação e desnitrificação. Observa-se que, na nitrificação, o número de oxidação do nitrogênio na amônia (-3) aumenta para (+5) no nitrato através da transferência de 8 elétrons por átomo de nitrogênio, que são aceitos pelo oxigênio, sendo preciso quatro átomos (duas moléculas) de oxigênio para isso (no oxigênio o número de oxidação muda de 0 para -2 na reação). Portanto, na nitrificação de 1 mol de N amoniacal, o consumo de oxigênio é de 64/14 = 4,57 mg O.mg N-1. No processo de desnitrificação, o oxidante nitrato (número de oxidação = +5) é redu- zido para nitrogênio molecular (número de oxidação = 0), havendo, portanto, trans- ferência de 5 elétrons por átomo N. Nota-se que, dos 8 elétrons liberados pelo nitro- gênio amoniacal na sua oxidação para nitrato, somente 5 são recuperados quando
- 181. 180 ESGOTO o nitrato é reduzido para nitrogênio molecular. Desse modo, em termos de equiva- lentes oxidimétricos, o nitrato na desnitrificação tem uma capacidade de oxidação igual a uma fração 5/8 de oxigênio necessário na nitrificação. Em outras palavras, uma fração de 5/8 = 0,625 do consumo de oxigênio na nitrificação (4,57 mgO.mgN-1) pode ser recuperada como “oxigênio equivalente” no processo de desnitrificação. Isto é: 0,625 * 4,57 = 2,86 mgO.mgN-1. Conclui-se que, para a remoção de nitrogênio, há um consumo líquido de 4,57 - 2,86 = 1,71 mgO.mgN-1. 6.3.2 Variação da alcalinidade O efeito da amonificação, nitrificação e desnitrificação sobre a alcalinidade pode ser deduzido por simples relações estequiométricas, usando-se as equações de reação dos três processos (Equações 6.4, 6.5 e 6.6). Observa-se que, nas três reações, há envolvi- mento de íons de hidrogênio: na amonificação há consumo de 1 mol de H+ por mol de amônia produzido; na nitrificação há produção de 2 moles de H+ por mol de nitrato formado, e na desnitrificação há consumo de 1 mol de H+ por mol de nitrato reduzido. Sabendo-se que a produção de 1 mol de H+ (acidez mineral) equivale ao consumo de 1 mol de alcalinidade (ou 50g CaCO3), tem-se, nos três processos as situações que serão consideradas a seguir. No processo de amonificação, há uma produção de alcalinidade de 50g por mol amônia (14g N) amonificado. No processo de nitrificação, há um consumo de alca- linidade de 2x50 = 100g CaCO3 por mol N(14g). Finalmente, no processo de desni- trificação, produz-se 50g CaCO3 por mol N. As variações da alcalinidade podem ser expressas como: Equação 6.4 (Δalc/ΔN)am = 50/14 = 3,57 mg CaCO3.mgN-1 6.4.1 (Δalc/ΔN)n = - 100/14 = - 7,14 mg CaCO3. mgN-1 6.4.2 (Δalc/ΔN)d = 50/14 = 3,57 mg CaCO3.mgN-1 6.4.3 onde: (Δalc/ΔN): variação da alcalinidade por mg N. am: amonificação n: nitrificação d: desnitrificação No caso de esgoto municipal, o efeito da amonificação sobre a alcalinidade é geral- mente pequeno, como mostra a seguinte análise. A concentração de nitrogênio amo- nificado no sistema de lodo ativado é dada pela diferença entre o nitrogênio orgânico
- 182. REMOçãO BIOLÓGICA DE NITROGÊNIO: APLICAçÕES PARA O SISTEMA DE LODO ATIVADO 181 afluente e a soma de nitrogênio orgânico no efluente e no lodo de excesso (vide Figura 6.1), ou seja: Nam = Noa – (Noe + Nl) Equação 6.5 onde: ΔNam: concentração de nitrogênio amonificado no sistema de lodo ativado (mgN.L-1) Noa: concentração de nitrogênio orgânico afluente (mgN.L-1) Noe: concentração de nitrogênio orgânico efluente (mgN.L-1) Nl : concentração de nitrogênio orgânico no lodo de excesso (mgN.L-1) Normalmente, para esgoto doméstico, a concentração do nitrogênio orgânico no efluente é muito pequena (em torno de 1 a 2 mgN.L-1), enquanto os valores das con- centrações Noa e Nl são aproximadamente igual a 25 por cento do NTK do afluente. Desse modo, a variação da concentração de nitrogênio orgânico é muito pequena e, consequentemente, a variação da alcalinidade devido à amonificação também será pequena. A variação da alcalinidade devido à amonificação é dada por: Δalcam = 3,57ΔNam = 3,57 (Noa - Noe - NL) Equação 6.6 onde o valor de Δalcam pode ser positivo ou negativo A variação da alcalinidade em um sistema de tratamento de esgoto, devido à nitrifi- cação, é calculada a partir da concentração de amônia nitrificada. Esta concentração é igual à diferença entre a concentração do NTK afluente (Nka) e a soma das concentra- ções do NTK efluente (Nke) e aquela necessária para a produção de lodo (Nl). Nc = Nka - Nke - NL Equação 6.7 onde: Nc: concentração de amônia afluente nitrificada no sistema (mgN.L-1) O efeito da nitrificação sobre a alcalinidade pode ser expressa como: Δalcn = - 7,14 Nc = - 7,14 (Nka - Nke -NL) Equação 6.8 Devido à desnitrificação, a variação da alcalinidade depende da concentração do nitrato removido do sistema. Essa concentração é dada por (vide Figura 6.1): ΔNd = Nna + Nc - Nne Equação 6.9 Portanto, a variação da alcalinidade ocasionada pela desnitrificação pode ser ex- pressa como: Δalcd = 3,57ΔNd = 3,57(Nna + Nka - Nke - NL - Nne) Equação 6.10
- 183. 182 ESGOTO A variação total da alcalinidade do sistema de lodo ativado devido às reações de nitro- gênio será igual à soma dos efeitos da amonificação, nitrificação e desnitrificação. Equação 6.11 Δalct=Δalcam+Δalcn+Δalcd=3,57(Noa-Noe-NL)-7,14(Nka-Nke-NL)+3,57(Nna+Nka-Nke-NL-Nne) Lembrando que a concentração do NTK (Nk) é a soma da concentração de nitrogênio orgânico (No) e amoniacal (Na), a Equação 1 se simplifica para: Δalct = - 3,57 (Naa - Nna - Nae + Nne) = 3,57(ΔNa - ΔNn) Equação 6.11.1 Na prática, a alcalinidade natural das águas residuárias poderá ter um valor inferior àquele necessário para manter um pH estável no reator onde ocorre a nitrificação. Isto é particularmente provável quando o sistema é inteiramente aeróbio, ou seja, quando a nitrificação se desenvolve, sem que a desnitrificação ocorra. Nesse caso, torna-se necessário aumentar a alcalinidade da água residuária — o que geralmente é feito através da adição de cal. Sem a adição de alcalinidade, o comportamento do sistema de lodo ativado será instável: haverá períodos de nitrificação eficiente e, consequen- temente, redução da alcalinidade e do pH até que ele atinja um valor que não permite mais o desenvolvimento da nitrificação. Quando a nitrificação é inibida, automatica- mente, a alcalinidade e o pH aumentarão pela introdução do afluente até que se criem novamente condições favoráveis para a nitrificação. Inicia-se, então, um novo ciclo. Se a desnitrificação é incluída no sistema de tratamento, então a diminuição da alcali- nidade será menor e muitas vezes não haverá necessidade de adição de cal. Isto ocorre porque, no processo de desnitrificação, há produção de alcalinidade. Δalct = - 3,57 (Naa - Nna - Nae + Nne) = 3,57(ΔNa - ΔNn) Equação 6.12 onde: ΔNa: variação da concentração de amônia no sistema ΔNn: variação da concentração de nitrato no sistema Na Equação (6.12), os parâmetros à direita podem ser determinados experimental- mente usando-se testes padronizados. Logo, é possível calcular teoricamente qual a variação da alcalinidade causada pelo efeito estequiométrico combinado de amoni- ficação, nitrificação e desnitrificação. Este valor é, então, posteriormente comparado com a variação observada da alcalinidade. Na Figura 6.3 se observam resultados de variação teórica e experimental da alcalinidade, mostrando que há uma boa correlação entre teoria e experimento.
- 184. REMOçãO BIOLÓGICA DE NITROGÊNIO: APLICAçÕES PARA O SISTEMA DE LODO ATIVADO 183 Variação teórica versus variação experimental da alcalinidade para diferentes sistemas Figura 6.3 de lodo ativado 6.4 Cinética da nitrificação no sistema de lodo ativado A nitrificação se desenvolve em dois passos sequenciais, mas geralmente se considera somente o primeiro passo (oxidação de amônia para nitrito), que tem maior impor- tância para a cinética do processo. Quando à população de nitrificadores está bem estabelecida, o segundo passo, a oxidação de nitrito para nitrato, desenvolve-se tão rapidamente, que, para efeitos práticos, pode ser considerada como instantânea. Downing et al (1964) foram os primeiros a mostrar que o crescimento de Nitrossomo- nas na oxidação de amônia para nitrito pode ser descrito adequadamente com auxílio da equação de Monod: (dXn/dt) = (dXn/dt)c + (dXn/dt)d Equação 6.13 com (dXn/dt)c = µXn = µm Xn.Na/(Na + Kn) e (dXn/dt)d = -bnXn onde: Xn : concentração de Nitrossomonas (mgSVS.L-l)
- 185. 184 ESGOTO (dXn/dt): taxa de variação da concentração de Nitrossomonas (mgSVS.L-l.d-l) / taxa de crescimento líquido (dXn/dt)c: taxa de crescimento de Nitrossomonas (mgSVS.L-l.d-l) / taxa de crescimento bruto (dXn/dt)d: taxa de decaimento de Nitrossomonas (mgSVS.l-l.d-l) µ: taxa específica de crescimento de Nitrossomonas (d-l) µm: taxa específica máxima de crescimento de Nitrossomonas (d-l) bn: constante de decaimento de Nitrossomonas (d-l) Kn: constante de meia saturação de Monod (mg N.L-l) Na equação de Monod, a constante µ representa o crescimento bruto dos microrga- nismos por unidade de tempo. Assim, um valor µ = 0,6 d-l significa que a massa de microrganismos sintetizada tem uma taxa de crescimento de 60 % ao dia. Como a taxa de crescimento é exponencial, quando não há limitação de substrato, o cresci- mento em um dia seria N1/N0 = exp(0,6*1) = 1,81, ou seja, a massa pode aumentar em um dia até um fator 1,81 ou 81 %. A Equação 6.13 mostra que o valor de µ depende da concentração do substrato (Na), sendo que para uma concentração alta (saturação) se atinge o valor µm. A constante Kn é igual à concentração do substrato quando µ = 1/2 µm e por esta razão é chamada de constante de meia saturação. Para calcular a concentração residual de amônia em um sistema de lodo ativado com- pletamente misturado e operado sob condições estacionárias, usa-se a equação básica de Downing et al (l964). Nessas condições, não há variação de massa de Nitrossomo- nas: a taxa de crescimento líquida (que é igual à taxa de crescimento bruto menos a taxa de decaimento de Nitrossomonas) é igual à taxa de descarga de lodo de excesso (supõe-se que o lodo seja retirado continuamente do reator biológico). Portanto: ((dXn/dt) = 0 = (dXn/dt)c + (dXn/dt)d + (dXn/dt)e Equação 6.14 A taxa de variação da concentração de Nitrossomonas devido à descarga de lodo (dXn/dt)e, pode ser expressa como: (dXn/dt)e = - Xn/Rs Equação 6.15 Usando-se as Equações (6.13) e (6.15) na Equação (6.14), tem-se: Equação 6.16 (dXn/dt) = 0 = µmXnNa/(Na + Kn) - bnXn - Xn/Rs = µm.Na/(Na + Kn)-bn - l/Rs ou, rearranjando: Na = Kn(bn + l/Rs)/[µm - (bn + l/Rs)] Equação 6.17
- 186. REMOçãO BIOLÓGICA DE NITROGÊNIO: APLICAçÕES PARA O SISTEMA DE LODO ATIVADO 185 A Equação (6.17) dá o valor da concentração da amônia no licor misto, em um siste- ma de lodo ativado completamente misturado, e, portanto, também no efluente. Essa concentração residual, que é indicativa para a eficiência da nitrificação, depende das três constantes cinéticas µm, Kn e bn e de uma variável do processo: a idade de lodo Rs. é notável que a concentração residual não dependa da sua concentração inicial. Naturalmente, a concentração residual de amônia nunca pode ser superior à concen- tração no afluente de amônia disponível para nitrificação. Esta condição define uma idade de lodo mínima expressa como: Na << Np = Kn (bn + 1/Rsn)/(µm - bn-1/Rsn) Equação 6.18 ou Rsn = (1 + Kn/Np)/[µm - bn(1 + Kn/Np)] onde: Np: concentração de amônia disponível para nitrificação (mg/L). Para águas residuárias municipais a concentração de amônia disponível para nitrifica- ção é sempre muito maior que Kn. Nesse caso, a razão Kn/Np é << 1 e a Equação (6.18) se simplifica para: Rsn = 1/(µm - bn) Equação 6.19 A Equação (6.19) expressa que, até uma idade de lodo Rsn = 1/(µm - bn), a nitrificação não se desenvolve porque a taxa de retirada de Nitrossomonas é maior que a taxa máxima de crescimento líquido. Para idades de lodo superiores à mínima Rsn a nitri- ficação desenvolver-se-á e a sua eficiência dependerá da idade de lodo e dos valores das constantes Kn, µm e bn. Após o trabalho pioneiro de Downing, vários pesquisadores realizaram investiga- ções experimentais para determinar as constantes cinéticas de nitrificação no sis- tema de lodo ativado. Os valores encontrados variam bastante entre si, o que, em parte, pode ser atribuído às técnicas experimentais diferentes. Certamente, contudo, o fato de que se usaram diferentes águas residuárias deve ter influenciado. E, isto indica que as constantes variam de uma água residuária para outra. Van Haandel e Marais (1999), analisando a influência de diferentes valores das cons- tantes de nitrificação sobre a eficiência de oxidação de amônia em sistemas de lodo ativado, concluiram três aspectos que serão destacados. O primeiro é que a faixa de variação das constantes de decaimento e de meia saturação (0<bn<0,1 d-1 e 0<Kn<2 mg/L) tem, relativamente, pouca importância sobre a nitrificação. Para efeitos práticos podem ser considerados bn = 0,04(1,123)(t-20) e Kn = 1,0(1,123)(t-20).
- 187. 186 ESGOTO Em segundo lugar, em contraste, a influência do valor da constante de crescimento máximo de nitrificantes µm sobre a idade de lodo mínima de nitrificação é muito gran- de e idealmente deve ser determinada antes que se faça o projeto do sistema de trata- mento. Geralmente, porém, não se dispõe da água residuária quando se faz o sistema de tratamento e, neste caso, pode se adotar como valor estimado µm20 = 0,4 d-1. Por fim, tendo em vista que a idade mínima de lodo depende, principalmente, do valor de µm, torna-se necessário analisar por que razões há uma variação tão grande nos valores dessa constante. Os fatores que influenciam o valor de µm podem ser divididos em duas categorias: fatores relacionados com a origem ou a natureza da água residuária e fatores que se referem às condições operacionais prevalecentes no sistema de tratamento. Quanto à influência da origem do esgoto é sabido que há várias substâncias que inibem o crescimento das bactérias nitrificantes. Há indícios claros que o valor de µm para um determinado esgoto municipal depende da proporção entre o esgoto doméstico e a água residual. Também, vários pesquisadores notaram que o pré-tratamento anae- róbio reduz bastante o valor da constante µm possivelmente por conta da toxicidade de sulfeto formado no reator anaeróbio. Assim, a idade do lodo mínima requerida em sistemas que nitrificam o efluente anaeróbio tende a ser o dobro da encontrada em sistemas que nitrificam a amônia de esgoto bruto. Referente às condições operacionais do sistema de lodo ativado, pode-se distin- guir os seguintes fatores que influenciam o valor de µm: temperatura; concentração de oxigênio dissolvido OD; pH do licor misto; nitrificação em sistemas com zonas não aeradas. 6.4.1 Temperatura A influência da temperatura sobre o valor de µm é grande como comprovam os re- sultados de vários pesquisadores. Geralmente se usa uma equação simplificada de Arrhenius para quantificar a influência da temperatura: µmT = µm20 .Θt-20 Equação 6.20 onde: Θ: coeficiente de dependência de Arrhenius t: temperatura T 20: 20o C
- 188. REMOçãO BIOLÓGICA DE NITROGÊNIO: APLICAçÕES PARA O SISTEMA DE LODO ATIVADO 187 Tabela 6.1 > Valores da dependência da taxa específica máxima de crescimento de Nitrossomonas com relação à temperatura Θ INTERVALO (OC) REFERêNCIA 1,116 19-21 Gujer (1977) 1,123 15-20 Downing et al (1964) 1,123 14-20 Ekama e Marais (1976) Os valores experimentais indicam uma forte dependência da temperatura até 20 oC, sendo que a taxa de nitritação aumenta mais que a taxa de nitratação. Na Tabela 6.1 observam-se os resultados experimentais de alguns pesquisadores. O valor de Θ oscila entre 1,11 e 1,13, ou seja: o valor de µm aumenta em 11 a 13 % por cada grau centígra- do de aumento da temperatura. Isto significa que o valor de µm dobra. A repercussão da acentuada influência da temperatura sobre o valor de µm é muito grande para o sistema de lodo ativado como mostra o seguinte: em regiões de clima moderado, em que as águas residuárias têm temperaturas geralmente na faixa de 8 a 14 oC, o valor de µm é baixo. Adotando-se um valor normal de µm20 = 0,4 d-1, ter-se-ia valores em torno de µm14 = 0,2 e µm8 = 0,1 d-1. Usando a Equação (6.19) calcula-se que a idade mínima do lodo neste caso seria na faixa de 6 a 14 dias quando a temperatura aumenta de 6 a 7 oC. Na Europa e nos Estados Unidos comumente os sistemas de lodo ativado são operados com uma idade de lodo menor que 6 dias e, neste caso, a nitrificação não se desenvolve. Em contraste, nas regiões tropicais, a temperatura de águas residuárias é alta. Por exemplo, em Campina Grande/PB a temperatura do esgoto varia entre 24 e 26 oC. Admitindo-se novamente µm20 = 0,4 d-1, calcula-se para µm26 = 0,8 d-1 uma idade mí- nima de lodo de Rsn=1,25 dias. Na prática, dificilmente o sistema de lodo ativado será operado com uma idade de lodo inferior a 1,25 dias. Desta forma, a idade do lodo não será uma limitação, e a nitrificação ocorrerá se houver fornecimento suficiente de oxigênio e condições adequadas de pH. Na realidade nossas pesquisas claramente indicam que a Equação (6.20) só vale para temperaturas abaixo de 20 oC, e que nesta faixa a taxa de crescimento de Nitrossomonas aumenta muito mais que a taxa de Nitrobacter. Como mostra a Figura 6.4, a constante de crescimento de Nitrobacter praticamente não aumenta mais quando a temperatura chega a 20 oC e, a partir de aproximadamente 23 oC, a taxa de Nitrossomonas cresce mais rapidamente do que a de Nitrobacter. Temperaturas de mais de 23 oC podem ocorrer em esgoto em grande parte da região tropical. Por esta razão, na zona tropical é possível operar o sistema de tal modo que há ocorrência de nitritação, mas não de nitratação.
- 189. 188 ESGOTO 6.4.2 Concentração de oxigênio dissolvido OD A influência da concentração de OD do licor misto sobre a cinética da nitrificação tem sido objeto de várias pesquisas. Alguns autores propuseram uma expressão tipo Monod para incorporar a influência da concentração de OD (Stenstrom e Poduska, 1980). FONTE: DERKS (2007). Representação da variação da Constante µm de Nitrossomonas concentração de OD num floco Figura 6.4 e de Nitrobacter em função da Figura 6.5 em função da distância do centro temperatura para concentrações subcrítica, crítica e supercrítica µ = µm . Na/(Na+Kn) . OD/(OD+Ko) Equação(6.21) onde: OD: Concentração de oxigênio dissolvido (mgOD.L-1) Ko: Constante de meia saturação (mgOD.L-1) Valores de Ko entre 0,3 e 2,0 mg OD.l-1 têm sido publicados. Esta larga faixa possivel- mente se deva, em parte, ao fato de que só se pode determinar a concentração de OD no seio do líquido, que não é igual à concentração dentro dos flocos, onde o consumo ocorre para oxidar material orgânico e amônia. Esse consumo provocará uma dimi-
- 190. REMOçãO BIOLÓGICA DE NITROGÊNIO: APLICAçÕES PARA O SISTEMA DE LODO ATIVADO 189 nuição da concentração de OD da periferia do floco (onde se considera a concentração de OD igual à do seio do líquido) até o seu centro. A Figura 6.5 mostra esquematica- mente a variação da concentração de OD em função da distância até o centro do floco (supõe-se um floco esférico). Dependendo da concentração de OD no seio do líquido, pode-se desenvolver, no centro do floco, uma microrregião anóxica — onde não há OD e onde, consequentemente, a nitrificação não se desenvolve. O valor da concentra- ção mínima no seio do líquido para manter um ambiente aeróbio no centro do floco depende de vários fatores: tamanho do floco, intensidade de agitação, temperatura e, principalmente, taxa de consumo de oxigênio. Como esses fatores podem variar bastante de um sistema para outro, é de se esperar que a concentração mínima de OD (que não limita a nitrificação) também varie. Em geral, entretanto, pode-se esperar que uma concentração de OD de 2 mg/L seja suficiente para se ter uma nitrificação sem inibição. No item 6.9 se discute um novo método para determinar a constante de meia saturação de oxigênio dissolvido. 6.4.3 pH do licor misto A maioria dos pesquisadores se refere a um valor de µm praticamente constante na faixa de 7 < pH < 8,5. Observa-se uma diminuição rápida fora dessa faixa. Na prática, muitas águas residuárias (por exemplo, esgoto municipal) têm um pH na faixa entre 7 e 8. No sistema de lodo ativado, o pH tende a diminuir devido ao consumo de alcalini- dade causada pela nitrificação e pelo aumento da acidez causado pela liberação de di- óxido de carbono na oxidação de material orgânico. Desse modo, dificilmente o pH do licor misto terá um valor superior a 8. Portanto, o limite que tem importância prática é o inferior. Van Haandel e Marais (1999) mostraram que uma condição necessária para manter um pH = 7 é que a alcalinidade do licor misto seja no mínimo 35 mg/L CaCO3. 6.4.4 Nitrificação em sistemas com zonas não aeradas Em sistemas de lodo ativado projetados para remoção biológica de nitrogênio, parte do volume do reator biológico não é aerada para facilitar o desenvolvimento do pro- cesso de desnitrificação. A presença dessas zonas anóxicas influi sobre a eficiência da nitrificação porque o crescimento das bactérias nitrificantes só ocorre em um ambien- te aeróbio. Admitindo-se que o decaimento das bactérias ocorra da mesma maneira na zona aeróbia do que o verificado na anóxica, pode-se avaliar a presença de zonas não aeradas sobre a nitrificação da maneira que se descreve a seguir. Em um sistema estacionário, a massa de bactérias nitrificadoras se mantém constante e pode ser expressa como:
- 191. 190 ESGOTO dMXn/dt = 0 =(dMXn/dt)c + (dMXn/dt)d + (dMXn/dt)e Equação 6. 22 onde: MXn: massa de nitrificadores no sistema (mgSVS) c: crescimento d: decaimento e: descarga de lodo de excesso Como as bactérias nitrificantes só crescem nas zonas aeradas tem-se: dMXn = (1-fx).Vr.(dXn/dt)c = (1-fx).Vr. µmXn Equação 6.23 onde: fx: fração de massa de lodo na zona anóxica Vr: volume do reator biológico (zona aeróbia mais anóxica) Substituindo-se a Equação (6.23) na Equação (6.22) e usando-se as Equações (6.14 e 6.15) tem-se: Na = Kn(bn+1/Rs)/[(1-fx)µm-bn-1/Rs] Equação 6.24 A expressão da concentração residual de amônia em um sistema com zonas não aera- das (Equação 6.24) é muito parecida àquela de Downing para sistemas completamente aeróbios (Equação 6.17). Comparando-se as duas equações, nota-se que uma zona anóxica contendo uma fração fx da massa de lodo do sistema produz um efeito de redução da constante de µm equivalente a um fator (1-fx) ou seja: µ’m = (1-fx). µm Equação 6.25 onde: µ’m: taxa aparente de crescimento de nitrificadoras em sistemas com zonas não aeradas (d-l) 6.5 Condições necessárias para desnitrificação As condições necessárias para que o processo de desnitrificação se desenvolva no sistema de lodo ativado podem ser resumidas como se segue: presença de uma massa bacteriana facultativa; presença de nitrato e ausência de OD no licor misto; condições ambientais adequadas para o crescimento de microrganismos; presença de um doador de elétrons (redutor de nitrato).
- 192. REMOçãO BIOLÓGICA DE NITROGÊNIO: APLICAçÕES PARA O SISTEMA DE LODO ATIVADO 191 6.5.1 Massa bacteriana facultativa Uma bactéria é denominada de facultativa quando pode usar tanto OD como nitrato para oxidar o material orgânico. A maioria das bactérias que se desenvolvem no sis- tema de lodo ativado é facultativa. Estabeleceu-se experimentalmente que um lodo gerado sob condições aeróbias, quando sujeito a um ambiente anóxico na presença de material orgânico, demonstrará imediatamente a capacidade de usar nitrato como oxidante e continuará a desnitrificação sem variação mensurável da reatividade do lodo — enquanto a condição anóxica persiste. Conclui-se que não há necessidade do lodo se adaptar para o uso do nitrato. No item 6.8.3 a taxa de oxigênio de material orgânico em ambiente aeróbio será comparada com a taxa de oxidação com nitrato e nitrito em ambiente anóxico. 6.5.2 Presença de nitrato e ausência de OD A presença de OD em um licor misto inibe o desenvolvimento da desnitrificação. Um problema na quantificação da influência da concentração de OD sobre a desnitri- ficação é que se desenvolvem gradientes de concentração nos flocos. A concentração de OD no microambiente em volta de uma bactéria em um floco de lodo pode ser mui- to diferente daquela no seio da fase líquida (vide também Figura 6.5). Efetivamente, tem sido observada a remoção eficiente (se bem que irregular) de nitrato em reatores aerados de lodo ativado (PASVEER, l965; MATSCHE, 1971). No item 6.8.4 a remoção de nitrogênio em sistemas de um só reator é comparada com aqueles que têm zonas aeradas e zonas anóxicas. 6.5.3 Condições ambientais adequadas para os microrganismos Entre as condições ambientais mais importantes estão a temperatura e o pH do licor misto. A taxa de desnitrificação aumenta com a temperatura até um valor ótimo de 40 oC. A influência do pH sobre a desnitrificação tem sido observada por vários au- tores. A dependência da desnitrificação do pH é muito menos acentuada que a da nitrificação, de modo que, quando há condições de pH favoráveis para nitrificação, a desnitrificação também se desenvolverá bem. Entre as condições ambientais adequa- das tem-se, ainda, a necessidade de não se ter limitação por substâncias tóxicas. Não há muita informação sobre influência de materiais tóxicos para desnitrificação além da inibição já mencionada de OD e íons hidrogênio (pH). Em geral, observa-se que as bactérias nitrificantes são muito mais sensíveis à presença de materiais tóxicos do que as bactérias atuantes na desnitrificação. Logo, quando a nitrificação se desenvolve, a desnitrificação também é possível.
- 193. 192 ESGOTO 6.5.4 Presença de um doador de elétrons A presença de um doador de elétrons é essencial para a redução de nitrato. O doador de elétrons na desnitrificação é o material orgânico biodegradável. De acordo com a natureza do material orgânico, pode-se definir diferentes classes de sistema de desni- trificação; dois que serão mais propriamente considerados. Os primeiros são os siste- mas com uma fonte externa de material orgânico. Nestes sistemas, o material orgânico é adicionado após a nitrificação. Entre os materiais usados na prática estão o metanol, o etanol, a acetona e o ácido acético. Os segundos são os sistemas que possuem uma fonte interna de material orgânico. Neste caso, o material orgânico do afluente é usado para a redução de nitrato. Como material orgânico pode-se utilizar aquele do afluente ou então a massa bacteriana (respiração endógena). A escolha do tipo de material orgânico é de fundamental importância sobre a confi- guração do sistema de desnitrificação. A relação entre a fonte de material orgânico e a configuração do sistema será discutida a seguir. Recentemente, foi desenvolvido um sistema que usa bactérias autotróficas para a remoção de nitrogênio. Estas bactérias oxidam amônia com nitrito resultando na formação de nitrogênio molecular (vide item 6.6.2). 6.6 Desnitrificação em sistemas convencionais de lodo ativado Embora nos primeiros sistemas de remoção de nitrogênio se aplicasse uma fonte ex- terna de material orgânico (BARTH, BREMMER, LEWIS, 1969), modernamente usa-se o próprio material orgânico da água residuária para redução do nitrato. Nesses sistemas, o lodo se encontra alternadamente em um ambiente aeróbio (onde ocorre nitrificação) e anóxico (onde ocorre desnitrificação). Esta alternância pode se realizar através de in- terrupções periódicas de aeração em um determinado reator único ou, então, através de uma divisão do reator em pelo menos duas partes: tendo-se, no mínimo, um reator continuamente aerado e outro, permanentemente anóxico, enquanto o lodo circula entre esses reatores. Esta última opção é mais prática e mais aplicada. O sistema Wuhrmann (1964, Figura 6.6b) foi o primeiro posto em operação. Compõe- se de dois reatores: o primeiro aeróbio e o segundo anóxico. O afluente entra no pri- meiro reator, onde a nitrificação se desenvolve juntamente com a remoção de quase todo o material orgânico biodegradável. O licor misto nitrificado passa, então, para o segundo reator onde se mantém a mistura completa com lodo em suspensão, mas sem aeração. Neste reator anóxico, também chamado de reator pós-desnitrificação (pós-D), ocorre a redução de nitrato, tendo-se, como redutor, o material orgânico não metabolizado no reator aeróbio (que o antecede) e o material orgânico oriundo do
- 194. REMOçãO BIOLÓGICA DE NITROGÊNIO: APLICAçÕES PARA O SISTEMA DE LODO ATIVADO 193 decaimento do lodo ativo no reator anóxico. O licor misto que sai do reator pós-D passa por um decantador de onde o lodo é recirculado para o reator aeróbio. A taxa de desnitrificação no sistema Wuhrmann é baixa devido à baixa concentração de material biodegradável existente no reator pós-D. Para se obter uma desnitrificação considerável, é preciso que grande parte do lodo esteja em um ambiente anóxico. En- tretanto, a fração da massa do lodo no ambiente anóxico é limitada porque existe uma fração mínima da massa de lodo que deve estar em um ambiente aeróbio, que assegure o desenvolvimento da nitrificação — pré-requisito da desnitrificação (vide Figura 6.6). (a) Pré-denitrificação (b) Pós denitrificação reciclo “a” Efluente Efluente Reator Reator Reator Reator Afluente Anóxico a+s+1 Aeróbio s+1 Afluente Aeróbio s+1 Anóxico s+1 Reciclo “s” Reciclo “s” reciclo “a” Efluente Afluente Reator Reator Reator Anóxico a+s+1 Aeróbio s+1 Anóxico s+1 Reciclo “s” (c) Pré- e pós-denitrificação: Bardenpho Representação esquemática de sistemas de desnitrificação sem fonte externa: (a) pré-D Figura 6.6 (Luzack-Ettinger) (b) pós-D (Wuhrmann e (c) e Bardenpho (Barnard) No sistema proposto por Ludzack e Ettinger (1964), o próprio material orgânico do afluente é usado para desnitrificação. Nesse sistema, melhorado por Barnard (1970), existem dois reatores em série, o primeiro anóxico e o segundo aeróbio. O nitrato formado no segundo reator é recirculado para o reator anóxico por uma de duas vias: recirculação direta do segundo para o primeiro reator, ou, junto com o lodo de retorno, do decantador para o primeiro reator. Na Figura 6.6a, o sistema de Ludzack e Ettinger, chamado de pré-desnitrificação (pré-D), por ter o reator anóxico antes do reator aeróbio, permite uma taxa de desnitrificação mais elevada que o sistema Wuhrmann. Isto se dá em decorrência da concentração de material biodegradável no reator anóxico ser mais alta. Uma desvantagem do sis-
- 195. 194 ESGOTO tema pré-D é que a desnitrificação completa é impossível: parte do nitrato formado no reator aeróbio não é recirculado para o reator anóxico, sendo descarregado direta- mente com o efluente. Desse modo, a eficiência de remoção do nitrato dependerá da taxa de recirculação do reator aeróbio para o reator anóxico. Barnard (1973) sugeriu o sistema Bardenpho que permite a combinação da vantagem do sistema pós-D (desnitrificação total possível) e do sistema pré-D (alta taxa de desni- trificação). A Figura 6.6c mostra esquematicamente o sistema Bardenpho constituído de um mínimo de três reatores em série: o primeiro e o terceiro são anóxicos, e o segundo aeróbio. No sistema Bardenpho há pré e pós-desnitrificação: no primeiro reator há re- moção de grande parte do nitrato a uma taxa elevada, e o nitrato é introduzido através de recirculação de licor misto nitrificado do segundo reator. No terceiro reator (pós-D) há remoção do nitrato restante, o que resulta em um efluente livre de nitrato. Às vezes coloca-se um quarto reator aeróbio (menor que os demais) entre o reator pré-D e o de- cantador final, evitando-se assim que o lodo fique muito tempo sem oxigênio e possibili- tando manter um ambiente aeróbio no decantador (e no efluente). Centenas de sistemas de lodo ativado baseados no princípio Bardenpho operam em escala real, principalmente na áfrica do Sul, e revelam uma alta eficiência de remoção de nitrogênio. Para descrever a remoção de nitrogênio quantitativamente, Van Haandel e Marais (1999) notaram que a taxa de desnitrificação depende acentuadamente da concen- tração e composição do material orgânico que é oxidado pelo nitrato e é proporcional à concentração de lodo ativo. O material orgânico solúvel é utilizado em alta taxa e resulta na remoção de uma concentração de nitrato proporcional, sendo que a cons- tante de proporcionalidade é expressa como: Nds = [(1-fcvY)/2,86]Sbs = [(1-fcvY)/2,86]*fsb.Sb Equação 6.26 onde: Nds: concentração de nitrato removido pelo material orgânico solúvel (mgN/L) Sb: concentração de material orgânico biodegradável (mgDQO/L) Sbs: concentração de material orgânico solúvel (mgDQO/L) fsb: fração solúvel no material orgânico biodegradável (1-fcvY)/2,86: proporcionalidade entre material orgânico oxidado e nitrato removido fcv: proporção entre sólidos voláteis de DQO em lodo = 1,5 mgDQO/mgDQO Y: fator de rendimento = 0,45 mgSVS/mgDQO = proporção lodo produzido/material orgânico metabolizado A massa diária de nitrogênio removido devido à utilização de material orgânico solúvel em um reator pré-D agora pode ser expressa como:
- 196. REMOçãO BIOLÓGICA DE NITROGÊNIO: APLICAçÕES PARA O SISTEMA DE LODO ATIVADO 195 MNDs = (1-fcvY)/2,86* MSbsa = 0,12* fsb.Sba.Qa = 0,12*fbs*Sba*Qa Equação 6.27 ou NDs = MNDs/Qa = 0,12fsb.Sba onde: MNDs: massa de nitrato por unidade de tempo removida devido à utilização do mate- rial rapidamente biodegradável(mgN.d-1) NDs: remoção de nitrato associada à utilização de material solúvel (mg N/L-1 de afluente) Qa: vazão do afluente(L/d-1) Por outro lado, a remoção de nitrogênio devido à utilização de material orgânico par- ticulado pode ser descrita como: rD1p = k2Xa Equação 6.28 rD3 = k3Xa Equação 6.28.1 onde: rD1p: taxa de desnitrificação devido ao material orgânico particulado no pré-D (mgN.L-1d-1) rD3: taxa de desnitrificação devido ao material orgânico particulado no pós-D (mgN.L-1d-1) k2: constante de desnitrificação no reator pré-D (mgN/mgXa/d) k3: constante de desnitrificação no reator pós-D (mgN/mgXa/d) Xa: concentração de lodo ativo (massa bacteriana viva) = YRs/(1+bhRs)*Sba/Rh = CrSba/Rh Cr: YRs/(1+bhRs) bh: constate de decaimento de lodo ativo = 0,24*1,04(t-20) /d Rs: idade de lodo (d) Rh: tempo de permanência (d) = Vr/Qa As constantes de desnitrificação k2 e k3 são diferentes porque a concentração de material orgânico no reator pré-D (antes do reator aeróbio) tende a ser bem maior do que a verificada no reator pós-D (depois da aeração). Com as expressões empíricas das Equações 6.28 e 6.28.1 pode-se agora expressar a massa diária de nitrogênio removida em um reator pré-D e pós-D como: MNd1 = MNDs + rD1pV1 = MNDs + k2XaV1 Equação 6.29
- 197. 196 ESGOTO MNd3 = rD3pV3 = k3XaV3 Equação 6.29.1 Onde: MNd1: massa diária de nitrato removido no reator pré-D (mg.d-1) MNd3: massa diária de nitrato removido no reator pós-D.(mg.d-1) V1: volume do reator pré-D (L) V3: volume do reator pré-D (L) Por outro lado, agora também é possível expressar a remoção de nitrato por mg/L de afluente: Equação 6.30 Dc1 = MNd1/Qa = (MNDs + rD1pV1)/Qa = MNDs/Qa + k2XaV1/Qa = 0,12*fbs*Sba + k2Crfx1Sba Dc3 = MNd3/Qa = k3Crfx3Sba Equação 6.30.1 onde: Dc1: desnitrificação em mgN/L de afluente no reator pré-D (mg/L) Dc3 : desnitrificação em mgN/L do afluente no reator pós-D (mg/L) fx1: fração da massa de lodo que está no reator pré-D fx3: fração da massa de lodo que está no reator pós-D Agora se pode calcular também a capacidade de desnitrificação, que corresponde à concentração de nitrogênio, expressa em mgN/L de afluente, que pode ser removido em um determinado sistema de lodo ativado. Dc = Dc1 + Dc3 = (0,12*fbs + k2Crfx1 + k3Crfx3)Sba Equação 6.30.2 é importante notar que a capacidade de desnitrificação não necessariamente se ma- terializa em um reator anóxico. Para tanto, é necessário que o nitrato esteja de fato disponível para a desnitrificação, isto é, através de recirculações de licor misto com nitrato deve-se assegurar que a disponibilidade de nitrato em cada um dos reatores anóxicos seja no mínimo igual à sua capacidade de desnitrificação. A capacidade de desnitrificação pode ser comparada com a capacidade de nitrificação, que é a concentração de nitrato (em mg/L de afluente) que é produzido no sistema, na zona aeróbia, através da nitrificação. Se a capacidade de nitrificação é maior que a capacidade de desnitrificação, então, a remoção completa de nitrogênio é impossível. Se a capacidade de nitrificação é menor que a capacidade de desnitrificação, então, a remoção completa de nitrogênio é possível, mas para isso acontecer é necessário que se divida a disponibilidade de nitrato sobre os reatores anóxicos, de tal modo que estes reatores possam desenvolver seu potencial de remoção de nitrogênio.
- 198. REMOçãO BIOLÓGICA DE NITROGÊNIO: APLICAçÕES PARA O SISTEMA DE LODO ATIVADO 197 6.6.1 Critérios de projeto para a remoção biológica de nitrogênio Embora no Brasil ainda seja limitada a experiência com sistemas de lodo ativado removendo nitrogênio, internacionalmente, é um sistema de aplicação muito ampla. Na Tabela 6.2, mostram-se os principais critérios de projeto para o dimensionamento de sistemas com pré-desnitrificação, pós-desnitrificação e Bardenpho de quatro es- tágios, baseado na experiência norte-americana principalmente. Pode-se dizer que, no contexto brasileiro, estes critérios são conservadores uma vez que a temperatura no Brasil é mais alta — o que favorece o desenvolvimento mais rápido dos processos de nitrificação e desnitrificação. Tabela 6.2 > Critérios de projeto para a remoção biológica de nitrogênio PARâMETRO SISTEMA SISTEMA BARDENPHO DE PRé-DESNITRIFICAçãO PóS-DESNITRIFICAçãO QUATRO ESTÁGIOS Concentração de lodo (mgSTS/L) 1500 - 3500 1500 - 3500 1500 - 4000 Rs total (d) 6 - 10 6 - 10 10 - 30 Rs aeróbia (d) ≥5 ≥5 ≥8 Rh - 1a zona anóxica (h) 0,5 - 2,5 - 1,0 - 3,0 Rh - aeróbio (h) 4,0 - 10,0 5,0 - 10,0 5,0 - 10,0 Rh- 2 zona anóxica (h) a - 2,0 - 5,0 2,0 - 5,0 Rh - zona aeróbia final (h) - - 0,5 - 1,0 Razão de recirculação de lodo “s” (%) 60 - 100 100 100 Razão de recirculação interna ”a”: t (%) 100 - 400 - 300- 500 Potência na zona anóxica (W/m3) 5 - 10 5 - 10 5 - 10 OD médio na zona aeróbia 2,0 2,0 2,0 FONTE: ADAPTADO DE IAWPRC (1987), METCALF & EDDY (1991), RANDALL ET AL (1992), EPA (1993), VON SPERLING (2002). 6.7 Novos desenvolvimentos na remoção de nitrogênio Nas primeiras décadas depois da introdução dos sistemas de tratamento terciário, mostrou-se que muitas vezes havia dificuldades de se obter a eficiência desejada de remoção de nitrogênio em sistemas convencionais, principalmente quando as condi- ções eram desfavoráveis. Estas condições desfavoráveis podem ser classificadas em quatro situações como será considerado a seguir. Quando a temperatura é baixa, a nitrificação é lenta e, para manter boa eficiência, a fração do lodo no ambiente aerado tem de ser alta. Consequentemente, a fração que pode ser mantida em um ambiente anóxico é pequena e pode ser insuficiente para efetuar a desnitrificação. Esta é a primeira situação.
- 199. 198 ESGOTO A segunda dá-se quando a proporção NTK/DQO do afluente é elevada. Com esta ele- vação, torna-se mais difícil efetuar a remoção de nitrogênio porque a produção de nitrato depende diretamente da concentração do NTK no afluente, mas a capacidade de desnitrificação é proporcional com a DQO. A dificuldade de remoção de nitrogênio aumenta quando se recicla a água que se libera na desidratação de lodo digerido: no processo da digestão anaeróbia de lodo se libera grande quantidade de nitrogênio (10 % da massa de sólidos voláteis metanizados), que se adicionam ao nitrogênio do afluente (vide esquema da Figura 6.7). Recircul. “r” Recircul. “a” afluente r+1 Dec efluente reator reator reator reator Anaeróbio Anóxico a+s+1 Aeróbio s+1 Anóxico s+1 Recirculação “s” adens agua de Remoção rejeito separ. digestor de N Sól/líq de lodo torta de lodo Remoção de nitrogênio dificultada pela introdução de um reator anaeróbio e a adição ao Figura 6.7 afluente de nitrogênio na água de rejeito da separação sólido/líquido do lodo digerido. Uma dificuldade adicional é introduzida quando se deseja também a remoção bioló- gica de fósforo. Nesta terceira situação, é necessário que se mantenha uma parte do lodo em um ambiente anaeróbio. Esta fração do lodo não serve nem para nitrificação nem para desnitrificação. Deste modo, a remoção de fósforo necessariamente reduz a capacidade de remoção de nitrogênio de um sistema de lodo ativado. Por fim, quando se aplica pré-tratamento anaeróbio (o que é muito atraente na região tropical), a dificuldade de remoção de nitrogênio por processos convencionais aumen- ta muito porque: a proporção NTK/DQO também aumenta (há remoção de material orgânico, mas não de nitrogênio no pré-tratamento), e o pré-tratamento tem um efeito negativo sobre o crescimento de nitrificantes (reduzindo a taxa de nitrificação). Por esta razão, deve-se aumentar a fração de lodo em ambiente aeróbio, diminuindo- se, assim, a capacidade de desnitrificação. Vários sistemas foram desenvolvidos nos últimos anos para aumentar a capacidade de remoção de nitrogênio, para que esta remoção seja essencialmente completa mesmo
- 200. REMOçãO BIOLÓGICA DE NITROGÊNIO: APLICAçÕES PARA O SISTEMA DE LODO ATIVADO 199 quando houver condições desfavoráveis. Estes sistemas novos usam basicamente uma ou ambas de duas estratégias (VAN HAANDEL, VAN DER LUBBE, 2007). A primeira estratégia consiste em não se permitir a nitrificação até nitrato: somente as nitritadoras são ativas no sistema, não se permitindo o desenvolvimento das nitrata- doras. O desenvolvimento pode ser inibido por três mecanismos distintos. O primeiro considera que, a uma temperatura elevada (> 25 oC), a taxa máxima de crescimento de nitritadoras (Nitrossomonas) é maior do que a de nitratadoras (Nitro- bacter) e, nestas condições, é possível escolher uma idade do lodo tal que seja maior que a mínima requerida para nitritação, mas menor do que a idade de lodo mínima para nitritação. O sistema Sharon (Single High Activity Ammonium Removal Over Ni- trite) se baseia na seleção da idade de lodo a uma temperatura elevada, notadamente na água de rejeito na separação sólido-líquido do lodo digerido (vide Figura 6.7). O segundo mecanismo observa que, em condições rigorosamente anaeróbias e na presença de nitrito e amônia, desenvolve-se um lodo que media a oxidação de amônia por nitrito — sendo que, no processo, ambas as formas de nitrogênio se convertem em nitrogênio molecular. Este sistema, denominado Anammox (Anaerobic Ammonium Oxidation), foi desenvolvido na Universidade de Delft (Holanda) e já operam alguns sistemas em escala real. A oxidação autotrófica de amônia por nitrito tem a vantagem muito grande de não precisar de material orgânico para a desnitrificação. A aplicabili- dade é maior nos casos em que a disponibilidade de material orgânico é um fator limi- tante, como na água de rejeito do lodo digerido ou quando se aplica pré-tratamento anaeróbio do afluente. Por fim, no processo Oland (Oxygen Limited Autotrophic Nitrification and Denitrifica- tion) a oxidação de amônia para nitrito se realiza em uma concentração muito baixa de oxigênio dissolvido. Nestas condições, a oxidação é efetuada por dois tipos dife- rentes de bactérias: bactérias anaeróbias semelhantes àquelas do sistema Anammox e bactérias aeróbias semelhantes à Nitrossomonas. Aparentemente, sob condições de limitação severa de oxigênio, a redução da taxa de crescimento das nitratadoras é maior que a das nitritadoras, de modo que, igualmente, é possível haver nitrificação somente até nitrito. 6.7.1 Sharon Como se pode notar pela Figura 6.2, a remoção de nitrogênio em sistemas aeróbios é possível por duas rotas: oxidação de amônia para nitrato e redução subseqüente para nitrogênio molecular; ou oxidação de amônia para nitrito e desnitrificação para N2. A remoção de nitrogênio via nitrito, estequiometricamente, é atrativa: não somente a demanda de oxigênio para nitrificação é menor (redução de 25 %), mas, principalmente,
- 201. 200 ESGOTO a desnitrificação via NO2- requer somente 3/5 do material orgânico necessário para a remoção de NO3-. A Figura 6.4 mostra os resultados de uma investigação experimental da taxa máxima de crescimento µm em função da temperatura para bactérias nitritadoras e nitratadoras. Na faixa de temperatura até 23°C, a taxa de crescimento das nitritadoras é menor ou praticamente igual àquela das nitratadoras. Contudo, a taxa das nitritadoras é maior acima de 23 oC e a diferença aumenta à medida que a temperatura aumenta. No caso de tratamento de água de rejeito dos digestores de lodo com uma temperatura de 25 a 35 °C, pode-se usar a idade do lodo para permitir o desenvolvimento de bactérias nitritadoras (mas não de nitratadoras) induzindo-se, assim, a remoção de nitrogênio via nitrito. Por exemplo, na Figura 6.4 a 25 oC têm-se, para Nitrossomonas, µm = 0,32 e para Nitrobacter, µm = 0,27/d. Portanto, a idade do lodo mínima para nitritação é Rsm = 1/( µm – bn) = 1/(0,32-0,05) = 3,7 d para Nitrossomonas e Rsm = 4,5 d para Nitrobacter. Logo, ao se operar um sistema a uma idade do lodo de 4 d, haverá desenvolvimento de Nitrossomonas, mas não de Nitrobacter. A nitrificação, por consequinte, produzirá somente nitrito. O processo Sharon faz exatamente isso. A idade do lodo aplicada depende da tempe- ratura, mas sempre será muito curta. Nestas condições, pode-se operar o reator que trata água de rejeito do digestor como se fosse uma lagoa aerada sem decantador final (de toda maneira o efluente será retornado ao reator principal do sistema de tratamento). No fim, a idade do lodo é igual ao tempo de permanência. A configuração do processo Sharon, representada na Figura 6.8, é muito simples e se compõe de um reator unitário de mistura completa, operado a temperatura de 25 - 35ºC e sujeito a condições aeróbias e anóxicas alternadas. A idade do lodo aeróbio é controlada a um valor suficientemente pequeno para evitar o crescimento de nitratadoras, de modo que a oxidação de amônia vai somente até nitrito. O lodo produzido no reator Sharon é descarregado junto com o efluente no reator principal do sistema. A massa bacteriana em uma idade do lodo pequena estará presente em grande parte como bactérias livres e não como flocos. A combinação de uma idade do lodo (e tempo de permanência) curta e uma concentração elevada de amônia no afluente resulta em uma taxa eleva- da da carga volumétrica de nitrogênio. Em reatores em escala real foram observadas taxas de conversão de amônia de 0,4 a 0,8 kg N.m-3.d-1 com eficiência de remoção de 80 a 95 %. Todavia, sob condições de alta carga, outros fatores podem se tornar limi- tantes, como: inibição por substrato (amônia ou nitrito) e toxicidade; transferência de oxigênio e taxas de difusão; bem como uma temperatura elevada (a Figura 6.4 indica que uma temperatura de 35 oC é prejudicial para as Nitrossomonas).
- 202. REMOçãO BIOLÓGICA DE NITROGÊNIO: APLICAçÕES PARA O SISTEMA DE LODO ATIVADO 201 Um aspecto negativo da seleção dos Afluente dec Efluente Sistema de organismos de alta taxa de crescimento lodo ativado (abundância de substrato) é que a cons- Adens tante de meia saturação destes organis- Digestor de lodo mos tende a ser muito maior do que a observada em sistemas de lodo ativa- Nitrogênio do convencionais. Jetten et al (2000) Lodo digerido determinaram que o valor de Kn dos Água de Separ. rejeito SHARON Oxigênio organismos gerados com abundância sol/liq Metanol de substrato variou na faixa de 20 a 60 Torta de lodo mg NH4-N.L-1 a temperaturas entre 30 a 35°C. Em sistemas de baixa concentra- ção de amônia, o valor, nesta faixa de Configuração Sharon para Figura 6.8 a remoção de nitrogênio temperatura, é 2 a 4 mg N/L-1.A com- binação de um valor alto de Kn e uma idade de lodo aeróbia curta inviabiliza a obtenção de uma concentração baixa de amônia no efluente. Como se mostrou na Equação (6.17), a concentração de amônia no efluente independe da concentração no afluente (exceto no caso de inibição pelo substrato amônia). Em unidades Sharon, em escala real, têm sido observadas concentrações na faixa de 10 a 50 mg N/L-1. A concen- tração de amônia na faixa de 10 a 50 mgN/L-1 não representa um problema nos casos em que não há necessidade de remoção completa de amônia. Normalmente, o efluente do reator Sharon retorna para o reator biológico principal, onde concentrações residu- ais de amônia e nitrito podem ser removidas. Como na água de rejeito a concentração de amônia está na faixa de 500 a 1000 mgN/L-1, a concentração residual é relativamen- te insignificante, independente do seu valor absoluto. Além do valor da constante de crescimento máxima (µm) e da constante de meia satu- ração (Kn), também o valor da constante de decaimento das bactérias nitrificantes no sistema Sharon tem um valor bem maior do que o encontrado no sistema convencio- nal de lodo ativado. A diferença talvez possa ser atribuída à predação, que pode mais facilmente ocorrer em reatores Sharon, tendo-se em vista que as bactérias formam uma suspensão livre em vez de flocos concentrados e protegidos. Reatores Sharon podem ser construídos como um tanque unitário com períodos al- ternados de ambiente aeróbio e anóxico, ou como dois tanques em série, sendo um aeróbio e o segundo anóxico. A vantagem principal do tanque unitário é a simplicida- de de construção. A alcalinidade produzida na desnitrificação se torna imediatamente disponível para compensar a produção de acidez na nitritação da fase aeróbia. Por outro lado, quando se alimenta o reator durante os períodos anóxicos haverá escapr
- 203. 202 ESGOTO de amônia com o efluente, embora a concentração seja baixa devido à diluição pela mistura. Uma vantagem operacional importante é que se pode controlar a nitrificação e desnitrificação por simples controle dos períodos aeróbios e anóxicos. Um ciclo tí- pico de um tanque unitário se compõe de um período aeróbio de 80 minutos seguido por um período anóxico de 40 minutos (TEN HAVE, 2004). Na configuração com dois tanques, haverá necessidade de uma bomba para recircular a alcalinidade gerada no segundo tanque que é usado para desnitrificação. A vanta- gem desta configuração é que o afluente sempre é nitrificado primeiro e a concen- tração média de amônia será menor do que a encontrada na configuração com um só tanque. A água de rejeito do digestor de lodo contém alcalinidade de 1 mol por mol de amônia, mas, no processo de oxidação de amônia para nitrito ou nitrato, a remoção de 1 mol de amônia resulta na produção de 2 moles de acidez e o consumo de 2 moles de al- calinidade (HCO3-). Assim, haverá necessidade de desnitrificação para que alcalinidade necessária para compensar o consumo durante a nitritação seja produzida. Sabe-se que para valores abaixo de 6,5 a nitritação sofre inibição severa pela ação de ácido nitroso não dissociado. Por outro lado, em valores acima de 8,5, a forma não disso- ciada de amônia se torna tóxica. Jetten et al (2000) mencionam que, em um reator Sha- ron, a taxa de conversão de amônia em nitrito é máxima na faixa de pH entre 6.1 e 6.8. 6.7.2 Oxidação anaeróbia de amônia (Anammox) Mulder et al (1995) notaram que a amônia era removida em um reator anóxico fluidi- zado, enquanto, simultaneamente, o nitrato era convertido em nitrogênio molecular. A estequiometria da reação é: 5 NH4+ + 3 NO3- → 4 N2 + 9 H2O + 2 H+ Equação 6.31 Depois, Van de Graaf et al (1996) mostraram que de fato se tratava de um processo biológico, tendo em vista que podia ser desativado por aquecimento, antibióticos e irradiação radioativa. Mais tarde, estas bactérias foram identificadas por Strous et al (1999) como pertencentes ao grupo bacteriano denominado Planctomycetes. O pro- cesso de oxidação de amônia em ambiente sem oxigênio foi desenvolvido na Univer- sidade de Delft e recebeu o nome Anammox. A possibilidade de existência de bactérias autotróficas capazes de oxidação de amônia sob condições anóxicas já foi prevista por Broda (1977), que se baseou em considera- ções termodinâmicas. A liberação de energia livre na oxidação de amônia com nitrito ou nitrato por equivalente de elétrons (-361 kJ.mol-1) não varia substancialmente da liberação de energia com oxigênio em ambiente aeróbio (-315 kJ.mol-1). Van de Graaf
- 204. REMOçãO BIOLÓGICA DE NITROGÊNIO: APLICAçÕES PARA O SISTEMA DE LODO ATIVADO 203 (1996) e Strous et al (1998) mostraram que mais nitrito do que nitrato era usado pelo substrato amônia. De acordo com Jetten et al (1996) as reações metabólicas envolvidas são: Equação 6.32 Catabolismo: NH4+ + NO2- → N2 + 2 H2O Equação 6.32.1 Anabolismo: HCO3-+0,2NH4++2,1NO2-+0,8 H+ → CH1,8O0,5N0,2+2,1NO3-+0,4H2O Equação 6.32.2 A partir de resultados experimentais em uma planta piloto, Jetten et al (2000) estabe- leceram a equação de reação completa do metabolismo do processo Anammox — que posteriormente foi confirmado na primeira instalação em escala real de um reator Anammox em Rotterdam (Sluisjesdijk): NH4+ + 1,32 NO2- + 0,066 HCO3- + 0,13 H+ → 1,02 N2 + 0,066 CH2O0,5N0,15 + 0,26 NO3- + 2,03 H2O Equação 6.32.3 Assim, usando o processo Anammox, é possível remover amônia de águas residuárias sob condições anóxicas sem a necessidade de uma fonte de material orgânico. Embora o desenvolvimento do processo Anammox seja bastante promissor, há alguns pontos a serem considerados. Em primeiro lugar, para remoção completa de amônia, a água residuária requer uma razão molar de amônia para nitrito entre 1/1,18 de acordo com Heijnen (1996) e 1/1,32 de acordo com Jetten et al (2000). Tal razão quase nunca é encontrada em águas resi- duárias e, certamente, não em águas residuárias domésticas. Se a proporção não tiver o valor certo sobrará nitrito ou amônia. Desse modo, o pós-tratamento será necessário. Em segundo lugar, algum nitrato será formado: a razão é entre 0,2 e 0,3 mg nitrato-N por mg amônia-N removido. O nitrato terá de ser removido por adição de uma fonte de material orgânico em uma unidade de pós-tratamento. Em terceiro, a taxa de crescimento e o coeficiente de rendimento do lodo Anammox são muito baixos — como é típico para processos anaeróbios. A taxa líquida de cres- cimento µ* = µmax – ban foi determinada em 0,04 a 0,06 d-1 a 35 °C e o coeficiente de rendimento como 0,11 g SVS.g-1 NH4-N removido. Embora estes valores sejam vanta- josos, uma vez que o lodo está estabelecido, a partida do reator será muito demorada na ausência de uma quantidade adequada de inoculo.
- 205. 204 ESGOTO Em quarto lugar, e último, o nitrito tem toxicidade irreversível em concentrações aci- ma de 70 mg NO2-N.L-1 quando o lodo fica exposto por período demorado, o que pode significar um problema para sistemas nos quais o nitrito é um substrato, presente em altas concentrações no afluente. A água de rejeito do digestor de lodo, quando parcial- mente nitrificada, pode conter entre 250 - 1000 mg NO2-N.L-1. Assim, o metabolismo incompleto de nitrito poderia facilmente levar a níveis tóxicos de nitrito no reator. Para eliminar este risco, o reator Anammox deve ser operado sob condições de limitação de nitrito. Por outro lado, demonstrou-se que a exposição por pouco tempo (< 1 dia) a níveis altos de nitrito (até 100 mg NO2-N.L-1) podem ser tolerados. A combinação do reator Sharon com o processo Anammox é muito atraente, porque é relativamente fácil produzir um efluente no reator Sharon com proporções de amônia e nitrito na razão desejada para o tratamento Anammox, quando no afluente do reator Sharon a razão molar de NH4+/HCO3- está na faixa 1,0 - 1,2. Isto é comum para efluente de digestores anaeróbios de lodo: a amônia vem da amonificação na mineralização de lodo e é acompanhada por geração de alcalinidade (Equação 6.4.1). A água de rejeito é nitrificada somente parcialmente no reator Sharon e não se aplica desnitrificação. Assim, somente uma parte da amônia na água de rejeito é nitrificada porque, quando a alcalinidade for consumida, o pH diminuirá e a nitrificação parará automaticamente. FONTE: JETTEN ET AL, 2000. Representação esquemática de um Conceito básico do sistema Figura 6.9 sistema Anammox na configuração Figura 6.10 combinado Sharon/ Anammox IC (Circulação interna)
- 206. REMOçãO BIOLÓGICA DE NITROGÊNIO: APLICAçÕES PARA O SISTEMA DE LODO ATIVADO 205 A Figura 6.9 mostra esquematicamente o fluxograma de um sistema Anammox na configuração do reator IC (recirculação interna). Na Figura 6.10, mostra-se a combi- nação Sharon-Anammox. Como se pode deduzir da composição de água do digestor anaeróbio de lodo, se o reator Sharon é aerado continuamente, um estado estacionário irá se desenvolver. Um estado no qual a eficiência de nitrificação não excede 50 a 60% quando toda a alcalinidade é consumida e o pH abaixa, impedindo mais nitrificação. Jetten encontrou que o pH oscilava entre 6,5 e 6,8 e observou uma eficiência média de nitrificação de 53% — o que resultou em um efluente com uma razão NO2-N/NH4-N de 1,1. Como não se aplicaram períodos anóxicos, a concentração de nitrito era maior que 500 mg N.L-1, mas não se notou inibição da nitrificação pelo nitrito no reator Sharon. 6.7.3 Limitação de oxigênio para oxidação anaeróbia de amônia (Oland) Oland foi introduzido por Kuai e Verstraete (1998). Originalmente, referiu-se à oxida- ção de amônia em águas ricas em nitrogênio como, por exemplo, águas de rejeito da separação sólido-líquido de lodo digerido. Inicialmente, considerou-se que a oxidação de amônia se devia principalmente à atividade de bactérias aeróbias. Posteriormente, Pynaert et al (2003) mostraram que, sob condições de baixo fornecimento de oxigênio, coexistem no sistema Oland bactérias aeróbias e bactérias que oxidam amônia sem o uso de oxigênio. Entre as bactérias aeróbias predominam as das espécies Nitroso, como Nitrossomonas, Nitrosococcus e Nitrosospira. As bactérias de oxidação anaeró- bias são semelhantes às bactérias do sistema Anammox, tendo-se descoberto duas es- pécies novas: Candidatus Brocadia Anammoxidans (STROUS et al, 1999) e Candidatus Kuenenia Stuttgartiensis (SCHMIDT et al, 2000). Nos primeiros sistemas Oland, usou-se oxidação limitada em um reator, havendo ni- trificação e desnitrificação autotrófica a uma taxa muito baixa (0,05 gN/m3.d-1). Em uma configuração subsequente, usou-se um sistema unitário com um disco biológico e adicionou-se lodo anaeróbio para acelerar a partida — resultando em um aumento da taxa de remoção de 1 kgN/m3.d-1 (PYNAERT et al 2003). Em um trabalho mais recente (WYFFELS et al, 2004), realizou-se a remoção de nitrogênio em um sistema com dois re- atores (cada um equipado com uma membrana para remoção de sólidos) de modo que a idade de lodo se tornou independente do tempo de permanência. Nestas condições, obteve-se uma taxa de nitritação parcial de 1,45 kgN/m3/d no primeiro reator (arado), e de remoção de nitrogênio por oxidação de amônia de 1,1 kgN/m3/d no segundo reator. Na tabela 6.3 observam-se os resultados experimentais de alguns sistemas que efetuam a remoção de nitrogênio pela oxidação anaeróbia de amônia com nitrito.
- 207. 206 ESGOTO Tabela 6.3 > Resultados experimentais de algumas investigações com sistemas de remoção de nitrogênio mediante a oxidação anaeróbia de amônia com nitrito PROCESSO SISTEMA TAXA DE REMOçãO EFICIêNCIA REFERêNCIA (gN/l.d) (%) Reator unitário OLAND RBC 1 89 Pynaert et al (2003) Deamonificação Leito móvel 0,32 ND Helmer et al (2001) Dois reatores SHARON ANAMMOX CSTR/MBR 0,36 80 Van Dongn et al (2001) Nitritação ANAMMOX CSTR/MBR 0,30 90 Fux et al (2002) OLAND MBR/MBR 0,56 82 Wyffels et al (2004) No sistema Oland, a concentração de OD é usada para evitar a nitritação, mantendo-se OD < 0,2 mg/L. Como a constante de meia saturação para OD na nitratação é maior do que a de nitritação, se cria uma situação em que a nitritação é favorecida, de forma que haverá acumulação de nitrito no reator. A concentração de nitrito depende dire- tamente do consumo de OD, que, por sua vez, depende do fornecimento de oxigênio. O pH é mantido elevado (7,9), criando-se outra condição desfavorável para nitratadoras: uma concentração elevada de amônia não ionizada. Quando se compara o sistema Oland com a combinação Sharon-Anammox, as seguin- tes diferenças se tornam claras. Em primeiro lugar, no sistema Sharon, que é operado como um reator de mistura completa sem retenção de lodo, a idade do lodo é definida numa faixa entre um valor mínimo necessário para a nitritação ocorrer e um valor máximo para evitar o desen- volvimento da nitratação. No sistema Oland, a concentração de OD é usada para evitar a nitratação. A idade de lodo no reator biológico é determinada por uma membrana (MBR) e pode ser maior que o tempo de permanência. Isso significa que se pode redu- zir o volume do reator com um fate Rs/Rh comparado com o reator Sharon. Em segundo lugar, a temperatura do sistema Oland pode ser mais baixa do que a encontrada no reator Sharon. Novamente, isto ocorre porque a concentração de OD é usada como mecanismo para se evitar a nitratação. No sistema Sharon, a temperatura precisa ser maior do que 30 oC para que uma boa diferença entre a constante de cres- cimento máximo das nitritadoras e das nitratadoras seja obtida. Em terceiro lugar, a operação do sistema com dois reatores MBR assegura que: os sólidos do primeiro reator (de nitritação) não entrem no segundo reator (de oxidação de amônia); e que o lodo de bactérias da oxidação anaeróbia de amônia (que crescem
- 208. REMOçãO BIOLÓGICA DE NITROGÊNIO: APLICAçÕES PARA O SISTEMA DE LODO ATIVADO 207 muito devagar) não saiam com o efluente. Por esta razão, o funcionamento do sistema Oland com dois reatores MBR tende a ser bem estável. 6.8 Experiências do Prosab Os resultados experimentais que se descrevem nesta seção foram obtidos pelo grupo de pesquisadores da Universidade Federal de Campina Grande que participou do Edital 5 do Prosab, Tema 2. 6.8.1 Uso da respirometria para a determinação das constantes cinéticas da nitrificação (FILHO, H. 2009) A constante máxima de crescimento de Nitrossomonas é um parâmetro de grande importância para projetos racionais de sistemas de lodo ativado, mas seu valor varia muito dependendo das características da água residuária. Por esta razão, torna-se importante determinar a cinética de nitrificação e, particularmente, o valor da cons- tante de crescimento máximo de Nitrossomonas. Um método simples e rápido para determinar a cinética da nitrificação é o uso da respirometria. A taxa de nitrificação, em termos gerais, pode ser expressa como uma equação de Mo- nod, estendida para incorporar a influência da concentração de oxigênio dissolvido: rN = {µmax[Na/(Na+Kn)][(OD/(OD+Ko)]- bn} Xn/Yn Equação 6.33 Como se mostrou na Equação (6.2), a estequiometria do processo de nitrificação prevê uma relação linear ente a taxa de consumo de oxigênio TCO e a taxa de nitrificação: TCOn = 4,56rN = {µmax[Na/(Na+Kn)][(OD/(OD+Ko)]- bn} Xn/Yn Equação 6.34 onde: TCOn: TCO para nitrificação rN: taxa de nitrificação A Figura 6.11 apresenta um respirograma genérico do perfil da taxa de consumo de oxigênio (TCO) em função do tempo que é observado em uma batelada de lodo quando retirada de um sistema de lodo ativado e posteriormente adicionada a uma solução de amônia. A Figura 6.12 é um exemplo experimental obtido com lodo de um sistema que tratava efluente industrial (Cetrel). A partir do perfil da TCO em função do tempo é possível determinar vários aspectos importantes da estequiometria e da cinética da nitrificação. Estes aspectos são discutidos a seguir.
- 209. 208 ESGOTO Respirograma genérico da adição Exemplo de respirograma Figura 6.11 de um substrato solúvel a uma Figura 6.12 experimental batelada de lodo OBSERVAçõES (QUANTO ÀS FASES DA FIGURA 6.11): FASE1: NA PRIMEIRA FASE, ANTES DA ADIçãO DO SUBSTRATO, HAVERá CONSUMO DO SUBSTRATO AINDA PRESENTE NA BATELADA DE LODO E, PORTANTO A TENDêNCIA DA TCO é DE DIMINUIR. FASE 2: DEPOIS DA REMOçãO DO MATERIAL EXTRACELULAR DA AMOSTRA, A TCO PERMANECE PRATICAMENTE CONSTANTE; IGUAL À TCO DA RESPIRAçãO ENDóGENA. FASE 3: DEPOIS DA ADIçãO DO SUBSTRATO, A TCO AUMENTA RAPIDAMENTE ATé ATINGIR UM VALOR MáXIMO. ESTA FASE é DE CURTA DURAçãO. FASE 4: DURANTE ALGUM TEMPO (DEPENDENDO DA CONCENTRAçãO DE AMôNIA ADICIONADA), A TCO PERMANECE CONSTANTE, REFLETINDO A TAXA MáXIMA DO METABOLISMO DO SUBSTRATO ADICIONADO ENQUANTO Há ABUNDâNCIA. FASE 5: QUANDO A CONCENTRAçãO DE SUBSTRATO COMEçA A SER LIMITANTE, A TCO DIMINUI ATé ATINGIR UM NOVO VALOR CONSTANTE. FASE 6: QUANDO O METABOLISMO DO SUBSTRATO ADICIONADO é COMPLETO, A TCO ATINGE DE NOVO UM VALOR IGUAL À TAXA DE RESPIRAçãO ENDóGENA. 6.8.1.1 Verificação do consumo de oxigênio para nitrificação A área abaixo da curva da TCO e acima da TCO mínima, representando a respiração endógena, é a concentração de oxigênio dissolvido consumido para a nitrificação. Esta área pode ser calculada muito facilmente quando se tem um respirômetro au- tomatizado que armazena os pontos de medição da TCO em função do tempo em uma planilha Excel. No caso do exemplo da Figura 6.12, calculou-se um consumo de 21,3 mgO/L — o que representa, estequiometricamente, uma concentração de 4,8 mg/L (muito perto da concentração de 5 mg/L que foram adicionados). Logo, conclui-se que
- 210. REMOçãO BIOLÓGICA DE NITROGÊNIO: APLICAçÕES PARA O SISTEMA DE LODO ATIVADO 209 o consumo de oxigênio é compatível com a demanda pela amônia adicionada e que, portanto, a nitrificação é completa. 6.8.1.2 Estimativa da constante de crescimento máxima das Nitrossomonas O valor da constante µmax é de longe a mais importante das constantes de nitrificação e pode ser determinada a partir da TCO máxima para nitrificação — considerando que, nestas condições, Na>> Kn e que a concentração de OD permanece constante durante o teste. Nestas condições, a Equação 6.34 se simplifica para TCOn = 4,56rN = µmXn/Yn Equação 6.35 onde: µm = µmax*OD/(OD+Ko) e DO = valor médio da concentração de OD durante os testes. Para poder calcular o valor de µm a partir da Equação (6.35) é preciso que se saiba a concentração de Nitrossomonas na amostra de lodo. Esta concentração pode ser calculada a partir dos dados operacionais do sistema gerador. Segundo Van Haandel e Van der Lubbe (2007): Xn = YnRsNc/((1+bnRs)Rh) Equação 6.36 onde: Yn: coeficiente de rendimento de Nitrossomonas Nc: concentração de amônia nitrificado no sistema gerador Rs: idade de lodo no sistema gerador Rh: tempo de permanência no sistema gerador Agora, calcula-se a constante de crescimento máximo de Nitrossomonas como: TCOn = 4,56rN = {µmax- bn}RsNc/((1+bnRs)Rh) Equação 6.37 No caso do exemplo da Figura 6.12, teve-se: Rs = 20 d; Nc = 51,6 mg/L; Rh = 1,5 d. Considerando, ainda, que se diluiu a batelada de lodo com igual volume de efluente: Equação 6.38 Xn = YnRsNc/(1+bnRs)Rh) = 0,1*20*51,6/(1+0,04*20)*1.5))/2 =31/2 = 19,0 mgXn/L Por outro lado, a TCO máxima de nitrificação é dada por: TCOmax= (18-7,0) = 11 mg.L-1.h-1 Equação 6.39 Desta maneira, a taxa de nitrificação é dada como: rN = 11/4,56 = 2,4 mgN.L-1.h-1 = 57mgN.L-1.dia-1 Equação 6.40
- 211. 210 ESGOTO Agora, determina-se a constante µm como: µm = (YnrN)/Xn= 0,1*58/19,0 = 0,30 dia-1 Equação 6.41 Observa-se que o procedimento acima também vale para a determinação da constante de crescimento máximo de Nitrobacter. Neste caso, em vez de se adicionar uma deter- minada concentração de amônia à batelada de lodo, adiciona-se nitrito, por exemplo, na forma de nitrito de sódio. A relação estequiométrica entre a o consumo de oxigênio a taxa de nitrificação é: TCOn = 1,71 Equação 6.42 6.8.1.3 Estimativa do valor da constante de meia saturação de amônia Para estimar o valor da constante de meia saturação de amônia, determina-se a área hachurada na Figura 6.12. Esta área é determinada no momento em que µ = ½µm ou TCO = TCOmax/2 = (1,8+7,0)/2 = 12,6mg.L-1.h-1. O valor da área hachurada é 1,6mgO2/L, o que é equivalente a 1,6/4,56=0,4mgN/L. Conclui-se que a constante µm tem a metade do seu valor máximo quando a concentração de amônia ainda é 0,4mg/L. Portanto, o valor da constante de meia saturação é estimado Kn = 0,4 mgN/L. 6.8.1.4 Estimativa do valor da constante de meia saturação de oxigênio dissolvido Para estimar o valor da constante Ko realiza-se o teste de adição de amônia a lodo nitrificante para diferentes ní- veis de OD durante o teste. Por exem- plo, na Fig 6.13 pode se observar (lado superior da Figura) que o teste da TCO foi realizado com uma concentração de amônia abundante e uma concentra- ção de DO variada. Inicialmente se es- tabeleceu um mínimo de 4 e um máxi- mo de 5 mg/L (estes valores podem ser impostos ao respirômetro via comando no software). Depois de se determinar o valor da TCO correspondente (lado FONTE: UNIVERSIDADE FEDERAL DE CAMPINA GRANDE, PB. inferior da Fig 6.13) as concentrações Respirograma refletindo a influência de OD foram modificada (às 14:30 h) Figura 6.13 da concentração de OD sobre a TCO para valores entre 3 e 4 e novamente se para nitrificação determinou a TCO correspondente.
- 212. REMOçãO BIOLÓGICA DE NITROGÊNIO: APLICAçÕES PARA O SISTEMA DE LODO ATIVADO 211 Subseqüentemente variou-se ainda a TCO para faixas entre 2 e 3; 1 e 2 e 0,5 e 1 mg/L, sempre determinando a TCO correspondente. Na Tabela 6.4 pode-se observar os valores da concentração média de OD das diferen- tes faixas pesquisadas, a TCO exógena máxima correspondente e a taxa máxima de crescimento de Nitrossomonas correspondente (calculadas seguindo o procedimento discutido acima). Tendo-se, assim, o valor da concentração de µm para os diferentes valores da concentração media de OD, calcula-se o valor da constante máxima sem limitação da concentração de OD, sabendo que: µmax = µm(Ko+OD)/OD Equação 6.43 onde: µmax: constante de crescimento máximo sem limite de oxigênio ou amônia µm: constante de crescimento máximo sem limite de amônia e para um determinado valor médio de OD Tabela 6.4 > Roteiro de cálculo para determinar a taxa máxima de crescimento de Nitrossomonas (sem limites dos substratos amônia e oxigênio dissolvido) e a constante de meia saturação de oxigênio dissolvido ODmed TCOexo µm µmax = µm(Ko+OD)/OD Ko=0,5 Ko=0,75 Ko=0,1 Ko=1,5 4,5 40 0,30 0,34 0,35 0,37 0,40 3,5 37 0,29 0,33 0,35 0,37 0,41 2,5 35,5 0,26 0,32 0,34 0,37 0,42 1,5 32,5 0,23 0,31 0,35 0,39 0,46 0,75 27 0,18 0,29 0,35 0,41 0,52 0,32 0,348 0,38 0,44 0,02 0,004 0,02 0,05 Calculou-se, então, o valor de µmax admitindo-se diferentes valores de Ko (colunas 4 a 7 de Tabela 6.4) e chegou-se à conclusão de que a melhor correlação entre experimento e teoria foi obtida para Ko = 0,75 mg/L. Chega-se a esta conclusão pela seguinte con- sideração: a variação calculada de µmax deve ser mínima para os diferentes valores de OD, uma vez que o modelo prevê que µmax é uma constante verdadeira. Para Ko = 0,75 o valor calculado de µmax permanece praticamente inalterado para diferentes valores da concentração de OD média e, por isso, admite-se que esta é a melhor estimativa para o valor de meia saturação de OD.
- 213. 212 ESGOTO 6.8.2 Determinação das constantes cinéticas da desnitrificação (DOS SANTOS, H., 2009) Realizou-se uma investigação experimental para determinar a capacidade de desnitri- ficação em sistemas de lodo ativado e se estabelecer se os valores experimentais das constantes de desnitrificação em diferentes sistemas de lodo ativado são iguais. Para tanto, operou-se um sistema Bardenpho em escala piloto, usando-se esgoto bruto da cidade de Campina Grande como afluente. Na Figura 6.14 pode-se observar uma foto do sistema Bardenpho com um volume total de reatores de 235 L, tratando 300 L/d de esgoto. A Figura 6.15 mostra o layout do sistema Bardenpho. Nas Tabelas 6.5 e 6.6 estão as condições operacionais e os resultados experimentais do sistema Bardenpho. Pode-se observar que o sistema Bardenpho foi operado mantendo-se uma taxa de recirculação do lodo de retorno igual à vazão do afluente (s=1), enquanto a vazão de licor misto da zona aeróbia para o primeiro reator anóxico foi três vezes maior do que a vazão do afluente (a=3). A partir das tabelas 6.5 e 6.6 pode-se fazer as seguintes considerações sobre a desni- trificação no sistema Bardenpho. FONTE: UNIVERSIDADE FEDERAL DE CAMPINA GRANDE, PB. FONTE: UNIVERSIDADE FEDERAL DE CAMPINA GRANDE, PB. Fluxograma esquemático do Foto do sistema Bardenpho usado Figura 6.14 Figura 6.15 sistema Bardenpho convencional na investigação experimental. tratando esgoto bruto.
- 214. REMOçãO BIOLÓGICA DE NITROGÊNIO: APLICAçÕES PARA O SISTEMA DE LODO ATIVADO 213 Tabela 6.5 > Especificação das condições operacionais do sistema Bardenpho s 1 - Rs 20 d a 3 - Rh 0,78 d Qa 300 l/d fbs 0,06 - Xt 2090 mg/L fv 0,7 mgSVS/mgSTS TCO 55 mg/L/h TCOend 13 mg/L/h Tabela 6.6 > Resultados experimentais da operação do sistema Bardenpho PARâMETRO SíMBOLO UNIDADE AFLUENTE 1 2 3 4 EFLUENTE DQO S mg/L 456 22 28 28 30 23 NTK N mgN/L 57 14 13 1,9 3,3 3,5 NH3 Na mgN/L 42 10 11 0,8 1,6 1,6 NO3 Nn mgN/L 0 4,4 0,5 9,6 5,3 4,5 NO2 - mgN/L 0 0,5 0,2 0,4 0,2 0,4 pH - - 7,8 8,2 7,3 7 7,2 7,5 Volume Vr L 235 27 65 102 41 fx - - 1 0,11 0,28 0,43 0,17 6.8.2.1 Considerações gerais Quanto à concentração de nitrato e nitrito, os dados experimentais indicam que a nitrificação e desnitrificação no sistema de tratamento são eficientes, visto que a con- centração total de nitrogênio Nte + N-NO3 + N-NO2 = 3,5+4,5+0,4 = 8,4 mg/L corres- ponde a, somente, 15 % da concentração no afluente (57 mg/L). Todavia, a desnitrifi- cação não é completa em nenhum dos reatores anóxicos (tanto que se mediu nitrato em todos os reatores e no efluente). Assim sendo, conclui-se que nos reatores havia nitrato suficiente e que a remoção de nitrato nestes reatores reflete a capacidade de desnitrificação. O fato de haver nitrato em todos os reatores, já mostra que a remoção completa de nitrato é impossível sob as condições operacionais escolhidas. A concentração de nitrito é tão baixa (sempre menor que 0,5 mg/L), que, para todos os efeitos, pode ser desconsiderada. Quanto à composição do material orgânico do afluente, a fração não biodegradável e solúvel foi calculada a partir dos valores da concentração da DQO no efluente e no afluente: fus = Ste/Sta = 23/456 = 0,05 Equação 6.44
- 215. 214 ESGOTO A fração não biodegradável e particulada pode ser calculada a partir da concentração de lodo volátil (que é a soma da concentração de lodo ativo (Xa), resíduo endógeno (Xe) e lodo inerte — Xi). Segundo Van Haandel e Marais: Equação 6.45 Xv = Xa + Xe + Xi = [(1+ fbhRS)(1-fus-fup)Cr + fupRs]Sta/Rh = Xt/fv = 2090*0,7 =1460 mgSVS/L o que resulta em: fup = 0,06 Equação 6.45.1 A fração biodegradável e solúvel foi determinada com auxílio da respirometria e resultou em fsb = 0,06 um valor muito baixo comparado com a fração geralmente encontrada para esgoto doméstico (fbs = 0,2 a 0,25). A baixa concentração de material biodegradável e solúvel dificulta a remoção de nitrogênio, uma vez que este material orgânico é usado no reator pré-D para a redução de nitrato. 6.8.2.2 Balanço e massa de nitrogênio Para o balanço de nitrogênio, calcula-se a massa diária de nitrogênio no efluente, no lodo e a desnitrificada no sistema. Compara-se, depois, a soma com a massa diária de nitrogênio entrando no sistema. Equação 6.46 Nitrogênio no afluente MNta = NtaQa= 57*300 = 16.100 Equação 6.46.1 Nitrogênio no efluente MNte = NteQa= (3,5+4,9)*300 = 2520 Equação 6.46.2 Nitrogênio no lodo MNl = fnMXv/Rs = fnXvVr/Rs = 0,1*1460*235/20 = 1715 Equação 6.46.3 Quanto ao nitrogênio desnitrificado, para calcular a massa de nitrogênio removida por desnitrificação, calcula-se a soma da remoção nos reatores atóxicos e no decan- tador (o decantador também remove nitrogênio como mostra a redução de nitrato nesta unidade). A massa de nitrogênio removida no primeiro reator é dada pela di- ferença da concentração na entrada e na saída do reator multiplicado pela vazão que por ele passa:
- 216. REMOçãO BIOLÓGICA DE NITROGÊNIO: APLICAçÕES PARA O SISTEMA DE LODO ATIVADO 215 Equação 6.47 Nitrato na entrada Nn0 = (aNne + s Nn3 + Nna)/(a+s+1) = (4,5+3*9,6+0)/5 = 6,7 mg/L Equação 6.47.1 Nitrato na saída de reator 1 Nn1 = 4,4 mg/L Equação 6.47.2 Nitrato removido no reator 1 MNd1 = (a+s+1)Qa(Nn0-Nn1) = 300*5*(6,7-4,4) = 3450 mg/d Equação 6.47.3 Da mesma maneira, calcula-se a massa diária desnitrificada nos outros reatores anó- xicos a partir das equações: Equação 48 MNd2 = (a+s+1)Qa(Nn1-Nn2) = 5*300*(4,4-0,5) = 5850 mg/d Equação 6.48.1 MNd4 = (s+1)Qa(Nn3-Nn4) 2*300*(9,7-5,3) = 2580 mg/d Equação 6.48.2 MNdd = (s+1)Qa(Nn4-Nne) = 2*300*(5,3-4,4) = 480 mg/d Equação 6.48.3 MNd = MNd1 + MNd2 + MNd4 + MNdd= 12360 mg/d Equação 6.48.4 Agora, calcula-se o balanço de massa de nitrogênio: Equação 6.49 Bn = (MNte + MNl + MNd)/MNta = (2520+1715+12360)/17100 = 16595/17100 = 0,97 Conclui-se que, em boa aproximação, o balanço de massa de nitrogênio fecha. Portan- to, os dados experimentais são fidedignos. Se a recuperação fosse menor do que 90 % ou maior do que 110 % haveria razão de se rejeitar os dados dado ao fato de não haver fechamento do balanço de massa. 6.8.2.3 Cálculo da constante de desnitrificação nos reatores pré-D e pós-D Com os itens anteriormente calculados, pode-se agora determinar as constantes de desnitrificação do sistema de tratamento. Levando-se em consideração que em todos os reatores anóxicos há nitrato no efluente, sabe-se que há disponibilidade de nitrato nos reatores anóxicos e que, portanto, a capacidade de desnitrificação é igual à mas- sa de nitrogênio removida dividida pela vazão afluente. Considerando-se, ainda, que no reator pós-D não há material orgânico rapidamente biodegradável, tem-se para o quarto reator (pós-D):
- 217. 216 ESGOTO Dc4 = MNd4/Qa = k3Crfx4Sba Equação 6.50 ou k3 = Dc4/(Crfx4Sbi) = (2580/300)/(1,31*0,17*0,89*456) = 0,095 mgN/mgXa/d Semelhantemente, no segundo reator (que também não tem material rapidamente biodegradável): Dc2 = MNd2/Qa = k2Crfx4Sba Equação 6.51 ou k2= Dc2/(Crfx2Sba) =(5850/300)/(1,31*0,28*0,89*456) = 0,13 mgN/mgXa/d A capacidade de desnitrificação do primeiro reator anóxico se compõe de duas partes: oxidação do material orgânico solúvel (Dc1s), e oxidação do material orgânico particula- do (Dc1p). A desnitrificação devida à oxidação de material orgânico solúvel é diretamente proporcional com a sua concentração no afluente: Dc1s = (1-fcvY)/2,86*fbs(1-fus-fup)Sta = 0,33/2,86*0,06*456 = 3,1 mg/L Equação 6.52 Dc1p = k2Crfx1Xa Equação 6.52.1 Usando o valor de k2 já calculado para o reator 2: Dc1p = k2Crfx1Sba = 0,131*1,31*0,11*0,89*456 = 7,7 mg/L Equação 6.53 Dc1 = Dc1s+Dc1p = 3,1+7,7 = 10,8 mg/L Equação 6.53.1 De fato, a capacidade de desnitrificação calculada é bem parecida com a capacida- de observada: Dc1 = MNd1/Qa = 3450/300 = 11,5 mgN/L Equação 6.54 Os valores das constantes de desnitrificação encontrados são menores do que aque- les encontrados anteriormente em Campina Grande e na áfrica do Sul. Van Haandel e Marais (1999), resumindo a experiência sul-africana e brasileira, sugeriram: k2 = 0,10*1,08(t-10) e k3 = 0,08*1,04(t-20). Para a temperatura de 25 oC (a temperatura durante a investigação experimental) tem-se k2 = 0,15 e k3 = 0,11 mgN/mgXa/d. Conclui-se que as constantes experimentais têm valores inferiores àqueles já obtidos na áfrica do Sul, embora a diferença seja pequena. A fração de material biodegradável e solúvel (fsb = 0,06) encontrada é muito menor do que o valor usual (de 0,20 a 0,25). Esta foi uma razão pela qual a desnitrificação completa nas condições especificadas é impossível. A outra razão é que a propor-
- 218. REMOçãO BIOLÓGICA DE NITROGÊNIO: APLICAçÕES PARA O SISTEMA DE LODO ATIVADO 217 ção entre o NTK e a DQO no afluente é muito desfavorável: um valor de 57/456 = 0,125 é excepcionalmente elevado para esgoto bruto e indica que a disponibilidade de material orgânico para a desnitrificação é pouca. A alta razão TKN/DQO para uma cidade de renda relativamente baixa (e onde o consumo de proteínas é limitado pelo próprio poder aquisitivo da população) pode ser explicada pelo fato de que, em mui- tos casos, o esgoto é lançado na rede depois de passar por um tanque séptico. Neste pré-tratamento, há remoção de material orgânico, mas a remoção de nitrogênio é in- significante. Conclui-se que, no caso da investigação experimental, os fatores desvan- tajosos para a remoção de nitrogênio (pouco material orgânico solúvel e razão TKN/ DQO desfavorável) pesaram mais do que os fatores vantajosos (alta fração de lodo em ambiente não aerado — 57 % ―, e a alta temperatura do esgoto — 25 oC). Além disto, nas condições operacionais, a remoção completa de nitrogênio é impossível. De fato, a remoção máxima foi alcançada tendo-se em vista que todos os reatores funcionavam a plena capacidade — como se prova pelo fato de haver, em todos os reatores anóxicos, nitrato no efluente. De antemão, pode-se praticamente descartar a possibilidade de sucesso de remoção biológica de fósforo no caso do esgoto com características e condições operacionais semelhantes às do sistema operado. Para a remoção de fósforo ser eficiente, será necessário criar uma zona anaeróbia (não disponível para desnitrificação) e isto iria reduzir ainda mais a eficiência de remoção de nitrato. Nestas condições, é possível que o próprio funcionamento do sistema de tratamento ficasse inviabilizado por conta da perda de lodo no decantador — perda esta causada pela flotação com o nitrogênio que ali se desprende. Por outro lado, dificilmente vai se evitar a “contaminação“ da zona anaeróbia (para remoção de fósforo) com nitrato — o que inviabiliza a remoção bioló- gica de fósforo pelo mecanismo de absorção em excesso (ver Capítulo 7). 6.8.3 Comparação da taxa de oxidação de material orgânico com diferentes oxidantes: oxigênio dissolvido, nitrato e nitrito (DOS SANTOS, H., 2009) Realizou-se uma investigação experimental para comparar a taxa de oxidação de ma- terial orgânico tendo-se como oxidantes o oxigênio dissolvido em ambiente aeróbio e nitrato ou nitrito em ambiente anóxico. A taxa de oxidação de material orgânico em ambiente aeróbio era determinada com um respirômetro. Para tanto, usou-se bate- ladas de lodo de excesso de sistemas de lodo ativado do tipo Bardenpho (vide Figura 6.15) e do tipo UCT. A TCO destas bateladas de lodo era determinada com o respirô- metro, tanto sem a presença de um substrato de material orgânico, como também na presença de um substrato solúvel (acetato de sódio) e de um substrato particulado (suspensão de amido comercial — maizena).
- 219. 218 ESGOTO Depois de concluídos os testes em ambiente aeróbio, eles foram repetidos em ambien- te anóxico, usando-se nitrato e nitrito como oxidante alternativos em ambiente não aerado. A partir da diminuição da concentração de nitrato e nitrito calculou-se, então, a taxa equivalente de consumo de oxigênio, aplicando-se 2,86 mgO/mgN como fator de conversão no caso de nitrato e 1,71 mgO/mgN no caso de nitrito (estequiometrica- mente 1 mgN de nitrato é equivalente a 2,86 mgO em termos oxidimétricos e 1 mg N de nitrito equivale a 1,71 mgO). Nas Tabelas 6.7 e 6.8 observam-se os resultados médios de 10 testes com lodo de excesso do sistema Bardenpho e do sistema UCT respectivamente. Os dados experi- mentais indicam claramente que não há diferença significativa entre a taxa de con- sumo de oxigênio equivalente em ambiente anóxico com nitrato e a taxa de consumo de oxigênio em ambiente aeróbio. Determinou-se ainda que não havieria diferença entre os valores obtidos se os testes em ambiente anóxico eram realizados antes dos testes em ambiente aeróbio. Comparando os valores da TCO exógena com os substra- tos solúveis ou particulados com a TCO endógena observa-se o seguinte: no caso de substrato particulado a TCO ou TCO equivalente exógena são um fator 1 a 1,5 maior que o valor da TCO endógena. No caso de material orgânico solúvel a TCO exógena era um fator 4 a 5 maior que a TCO endógena, tanto em ambiente aeróbio como em ambiente anóxico. Tabela 6.7 > Taxa de consumo de oxigênio em ambiente aeróbio e taxa equivalente de consumo de oxigênio em ambiente anóxico com nitrato em bateladas de lodo de um sistema Bardenpho (média de 10 testes) SUBSTRATO SOLúVEL SUBSTRATO PARTICULADO SEM SUBSTRATO (ENDOG) ANóXICO AERóBIO ANóXICO AERóBIO ANóXICO AERóBIO MéDIA 51 51 11 10 10 10 MÍN. 42 41 10 10 8 8 MáX. 57 61 11 11 11 12 DP 5 6 0,4 0,3 1,2 1,3 CV 0,10 0,12 0,04 0,03 0,12 0,13 FONTE: UNIVERSIDADE FEDERAL DE CAMPINA GRANDE, PB. OBSERVAçãO: DP: DESVIO PADRãO; CV: COEFICIENTE DE VARIAçãO
- 220. REMOçãO BIOLÓGICA DE NITROGÊNIO: APLICAçÕES PARA O SISTEMA DE LODO ATIVADO 219 Tabela 6.8 > Taxa de consumo de oxigênio em ambiente aeróbio e taxa equivalente de consumo de oxigênio em ambiente anóxico com nitrato em bateladas de lodo de um sistema UCT (média de 10 testes) SUBSTRATO SOLúVEL SUBSTRATO PARTICULADO SEM SUBSTRATO (ENDOG) ANóXICO AERóBIO ANóXICO AERóBIO ANóXICO AERóBIO MéDIA 36 37 17 17 12 12 MÍN. 21 26 15 14 10 10 MáX. 46 50 19 19 16 16 DP 6 7 1,3 1,6 2,0 1,9 CV 0,18 0,18 0,08 0,09 0,17 0,16 Além de nitrato também se testou o nitrito como material oxidante. Para tanto, deixou- se o lodo em ambiente anóxico para eliminar o nitrato eventualmente presente nas amostras de lodo (geralmente em torno de 2 a 5 mgN/L). Depois de realizar os testes em ambiente aeróbio, adicionou-se nitrito na forma de nitrito de sódio. Determinou-se a taxa de consumo de oxigênio equivalente a partir da diminuição observada da concen- tração de nitrito em ambiente anóxico, sem, e com, a presença de substrato de material orgânico (novamente acetato de sódio e suspensão de amido). Para nitrito, a taxa equi- valente de consumo de oxigênio é 1,71 mgO/mgN de NO2 pela estequiometria. Calculou- se também a taxa equivalente de consumo de oxigênio equivalente por unidade de lodo ativo e por unidade de tempo da seguinte maneira. Primeiramente, na amostra de lodo, determinou-se a taxa de consumo de oxigênio para respiração endógena e subsequentemente calculou-se a concentração de lodo ativo pela equação (Van Haandel e Marais, 1999): TCOend = fcv(1-f)bhXa Equação 6.55 onde: TCOend: taxa de consumo de oxigênio para respiração endógeno fcv: fator de conversão de sólidos voláteis em DQO: f: fração de lodo ativo que ao decair permanece como resíduo endógeno = 0,2 bh: constante de decaimento de lodo ativo = 0,24(1,04)(T-20) Xa: concentração de lodo ativo Em seguida, a partir da taxa de diminuição da concentração de nitrito em ambiente anóxico, calcula-se a taxa equivalente de consumo de oxigênio: TCOeq = 1,71rD Equação 6.56
- 221. 220 ESGOTO Depois, calcula-se a taxa de consumo de oxigênio equivalente por unidade de massa de lodo ativo e por unidade de tempo: tcoeq = TCOeq/Xa Equação 6.57 Na tabela 6.9, podem-se observar os resultados experimentais obtidos da tcoeq para nitri- to e para nitrato como oxidante para três situações diferentes: substrato solúvel (acetato de sódio); substrato particulado (suspensão de amido); e sem substrato. Os testes foram realizados para dois tipos de lodo: gerado em sistema Bardenpho e gerado em sistema UCT. Ao analisar os resultados experimentais, pode-se notar que, em todos os casos, a taxa de consumo de oxigênio equivalente é muito menor quando o nitrito é o oxidante do que quando se aplica nitrato. Mesmo levando em consideração no caso de nitrito a capacidade do oxidante é somente 3/5 = 60 % da capacidade do oxidante nitrato, a taxa de remoção de nitrito será mais lenta do que a taxa de remoção de nitrato. Desse modo, conclui-se que a capacidade de desnitrificação no caso do nitrito, na realidade, sempre é menor do que no caso do nitrato. A pressuposição básica que levou ao desenvolvimento de sistemas com nitrificação até nitrito era o fato da taxa de consumo de oxigênio equi- valente ser igual no caso do nitrito ou nitrato. Neste caso, a taxa de remoção de nitrito seria um fator 5/3 = 1,67 maior que no caso do nitrato. Os dados experimentais mostram claramente que esta pressuposição não é válida e que, muito pelo contrário, a taxa de remoção de nitrogênio é menor quando se usa nitrito. Portanto, a vantagem de sistemas que procuram produzir nitrito em vez de nitrato, como Sharon e Oland, limita-se a uma redução do consumo de oxigênio na nitrificação, e de material orgânico para a desnitri- ficação. Além disso, o tempo de desnitrificação é maior do que aquele que se necessitaria se a nitrificação tivesse sido para a produção de nitrato. Outro aspecto que fica claro a partir da Tabela 6.9 é que a desnitrificação de nitrato é uma redução de uma vez para nitrogênio molecular. Se a redução ocorresse em dois passos, um para nitrito e outro para nitrogênio, então o nitrito seria reduzido lenta- mente (como é o caso quando se adiciona este íon). Portanto, haveria acumulação de nitrito de uma batelada de lodo removendo nitrato — o que não foi observado em nenhum dos testes realizados. Tabela 6.9 > Valores da taxa equivalente de consumo de oxigênio quando se usa nitrato ou nitrito como oxidante para diferentes substratos e dois sistemas de lodo ativado: Bardenpho e UCT OXIDANTE UNIDADE (A) BARDENPHO (B) UCT Solúv. Particul. Endóg. Solúv. Particul. Endóg Nitrato mgOeq/mgXa/d 1,68 0,35 0,33 1,1 0,54 0,36 Nitrito mgOeq/mgXa/d 1,01 0,18 0,08 0,48 0,21 0,1 NO2/NO3 0,60 0,51 0,24 0,44 0,39 0,28 FONTE: DOS SANTOS, H (2009); FILHO, H.
- 222. REMOçãO BIOLÓGICA DE NITROGÊNIO: APLICAçÕES PARA O SISTEMA DE LODO ATIVADO 221 6.8.4 Remoção de nitrogênio em reator único de nitrificação e desnitrificação A remoção de nitrogênio em sistemas de reator único tem sido proposta desde o início da tecnologia de sistemas de lodo unitário (PASVEER, 1969, MATSCHé, 1970), mas, recentemente, tem-se visto vários artigos propondo de novo este método. Nos primeiros dias da remoção biológica de nitrogênio, normalmente usava-se aerado- res de superfície que eram muito populares na época. Neste caso, a estratificação de OD em reatores aeróbios pode ser muito grande — o que facilita o desenvolvimento de regiões anóxicas no licor misto (onde a desnitrificação pode ocorrer). Isto é mais provável na medida em que o reator é mais profundo — criando, desta forma, uma distância maior entre os pontos de OD mínimo e máximo (perto dos aeradores). Como a demanda de oxigênio é variável e geralmente se aplica uma aeração estática, a con- centração de OD variará com o tempo e estas zonas anóxicas terão volume variável. Por esta razão, a magnitude da desnitrificação é irregular: quando a carga é baixa, a demanda de oxigênio será pequena, a concentração de OD alta e a desnitrificação limitada. Em momentos de maior carga, a desnitrificação se desenvolverá mais, mas poderá haver nitrificação incompleta devido à falta de oxigênio dissolvido. Nos últimos anos, tem-se observado um interesse renovado pela remoção de nitro- gênio em reator unitário, especialmente para aplicações em sistemas de reatores de bateladas sequenciais. Quase invariavelmente, nestes sistemas, a aeração se dá por ar difuso (que é introduzido no fundo do reator). Neste caso, haverá menos estratificação — embora a concentração de OD no nível de introdução tenda a ser mais alta do que a verificada no nível perto da superfície. Mediante um controle automático da concen- tração de OD, a remoção biológica de nitrogênio nestas condições torna-se mais fácil de se controlar, por um lado, e o desempenho do sistema será mais regular, por outro. Todavia, há pelo menos duas perguntas que devem ser respondidos quando se deseja otimizar o sistema de tratamento. A primeira delas: qual é a concentração ótima de OD? E a segunda, que procura descobrir se a capacidade de remoção de nitrogênio em sistemas de tratamento é maior ou menor do que a encontrada em sistemas de zonas aeradas para nitrificação separadas de zonas anóxicas para desnitrificação. Quanto à concentração ótima de OD em sistemas RBS, seu valor é determinado pela concentração mínima que possa garantir uma nitrificação eficiente. Este valor, por sua vez, depende das constantes cinéticas (notadamente a constante de meia saturação de OD, Ko) e da idade de lodo (vide item 6.8.1). Para um conjunto de constantes cinéticas e uma idade de lodo que leve a nitrificação eficiente, deve-se, então, determinar se a capacidade de desnitrificação no reator é suficiente para reduzir a produção de nitrato para nitrogênio. Se for possível operar o sistema para nitrificação até nitrito, em vez
- 223. 222 ESGOTO de nitrato, deve-se, então, determinar se o nitrito pode ser removido — ainda que no item 6.8.3 tenha se mostrado que a taxa de remoção de nitrito é mais lenta do que a de remoção de nitrato sob condições equivalentes. Realizou-se uma investigação experimental para se determinar a relação entre a taxa de produção de nitrato e a concentração de OD em um reator de mistura intensa sendo alimentado em regime de batelada. Uma batelada de lodo com constantes cinéticas e concentração de Nitrossomonas conhecidas foi alimentada com excesso de esgoto bruto, aplicando-se aeração constante. Após a remoção do material rapidamente biode- gradável, estabelecia-se uma concentração de OD também constante. Nestas condições, determinou-se a variação de nitrato com o tempo, retirando-se pequenas amostras de licor misto e determinando-se a concentração de nitrato (e nitrito) nestas amostras. Esta experiência era, então, repetida várias vezes . Na Figura 6.16, observam-se os resultados experimentais da taxa de variação de nitrato em função da concentração de OD. Na mesma Figura 6.16, plotou-se também a taxa de nitrificação em função da concen- tração de OD para as constantes cinéticas já determinadas anteriormente: µm = 0,45; bn = 0,05 d-1, Kn = 1 mg/L, Ko = 1 mg/L. Pode-se observar que a taxa de nitrificação cal- culada é praticamente idêntica à taxa de aumento da concentração de nitrato quando a concentração de OD é elevada (2 mg/L). Mas, na medida em que a concentração de OD diminui, aumenta a diferença entre a taxa de nitrificação calculada e a taxa obser- vada. Esta diferença deve ser atribuída à desnitrificação. Assim sendo, pode-se calcular a taxa de desnitrificação, igualando-a diferença entre a taxa de nitrificação calculada e a taxa de aumento de nitrato observada. Na Figura 6.16, pode-se observar, também, que, para uma concentração de OD = 0,3 mg/L, a taxa de aumento de nitrato se torna zero. Ou seja, para OD = 0,3 mg/L a taxa de nitrificação é igual à taxa de desnitrificação — sendo as duas aproximadamen- te 8 mgN/L/h. Todavia, para esta concentração, a taxa de nitrificação é muito menor do que a taxa possível para uma concentração elevada. Por exemplo, para OD = 2 mg/L, a taxa de nitrificação é 21,5 mgN/L/h, ou seja, um fator 21,5/8 = 2,7 maior. Por outro lado, a taxa de desnitrificação também é relativamente baixa na presença de OD. Na ausência de OD, a taxa de desnitrificação era 18,2 mgN/L/h, mas, para OD = 0,3 mg/L, esta taxa diminuiu para 8 mg/L — um fator 2,3 mais baixo do que o observado em am- biente anóxico. Conclui-se que, nas condições operacionais dos testes, o sistema era capaz de remoção de nitrogênio a uma taxa de 8 mg/L/h quando se aplicava aeração para estabelecer uma concentração de OD de 0,3 mg/L. Por outro lado, pode se estimar a taxa de remoção de nitrogênio se fosse dividido o volume do reator entre uma zona anóxica e uma zona aeróbia. A separação de ambien- te em zona anóxica e zona aerada em reatores RBS é extremamente simples. Como se
- 224. REMOçãO BIOLÓGICA DE NITROGÊNIO: APLICAçÕES PARA O SISTEMA DE LODO ATIVADO 223 FONTE: UNIVERSIDADE FEDERAL DE CAMPINA GRANDE, PB. FONTE: UNIVERSIDADE FEDERAL DE CAMPINA GRANDE, PB. Variação da concentração de Configuração em sistema RBS Figura 6.16 nitrato em função da concentração Figura 6.17 com câmaras separadas zonas de OD num reator únic. aeradas e anóxicas. indica na Figura 6.17, pode-se introduzir uma divisão vertical que vai desde o fundo do reator até o nível da superfície de água, deixando uma pequena brecha na parte inferior para manter contato direto entre as duas zonas assim criadas (vasos comunicantes). Ao se aerar uma das duas partes do reator (por exemplo, a parte central como indica a Figura 6.17), esta zona se expandirá por causa da presença de bolhas de oxigênio, e, na superfície, escoará licor misto que será vertido da parte central para a zona periférica (que não é aerada). Por outro lado, na parte inferior, haverá escoamento de licor misto da zona periférica para a parte central. Nesta configuração, o controle da concentra- ção de OD é simples, e, de todo modo, é muito menos crítico do que no caso do reator completamente misturado. Para se estimar a relação entre o volume necessário para um reator único e uma uni- dade composta de duas zonas como na Figura 6.17, calcula-se primeiro a relação entre a zona aeróbia e a zona anóxica: MNn = Vaern = MNd = Vanord Equação 6.58 ou Vano/Vae = rn/rd = 21,5/18,2 = 1,18 onde:
- 225. 224 ESGOTO MNn: massa diariamente nitrificada MNd: massa diariamente desnitrificada Vae: volume da zona aerada Vano: volume da zona anóxica rnm: taxa máxima de nitrificação (a OD = 2 mg/L) rdm: taxa máxima de desnitrificação (a OD = 0 mg/L) Para uma proporção de Vano/Vae = 1,18, tem-se que a zona anóxica tem de ser 54 % do volume total e a zona anóxica 46 %. Portanto, o reator com duas zonas otimizadas pode remover uma massa diária de Equação 6.59 MNd = 0,54Vtotrdm = 0,54*18,2Vtot = MNn = 0,46Vtotrnm = 0,46*21,5Vtot = 9,9Vtot Por outro lado, se o reator for operado como um reator de mistura completa, a massa diariamente removida de nitrogênio não passa de: Mdu = rn+dVtot = 8Vtot+ Equação 6.60 onde: rn+d: taxa de remoção de nitrogênio pelos processos de nitrificação e desnitrificação = m mg/L/h para OD = 0,3 (Figura 6.17) Conclui-se que, nas condições pesquisadas, a taxa de remoção de nitrogênio no reator com zonas anóxica e aerada separadas é um fator 9,9/8 = 1,24 vezes maior do que a taxa máxima em um reator de mistura completa. A taxa máxima no reator de mistura completa somente é obtida quando a concentração de OD no reator unitário é exata- mente 0,3 mg/L (vide Figura 6.16). Se a concentração for menor, a remoção de nitrato será completa, mas a nitrificação será ineficiente. Se a concentração de OD for maior que 0,3, a nitrificação será eficiente, mas neste caso haverá nitrato no efluente final. Esta investigação experimental mostrou que não se pode afirmar que haja vantagem em operar um sistema RBS em que se desenvolvem simultaneamente os processos de nitrificação e de desnitrificação no reator misturado. O mesmo reator com uma zona anaeróbia e uma zona anóxica terá uma capacidade de remoção de nitrogênio bem maior e o controle da concentração de OD se torna um fator muito menos crítico. Portanto, não é recomendável projetar sistemas RBS de mistura completa quando o objetivo do sistema é a remoção de nitrogênio. é possível que em sistemas em esca- la real, a diferença entre as duas opções sejam menores do que aquela identificada na investigação experimental que foi realizada com um reator de 22 L. Em sistemas grandes, fatalmente, a mistura de licor misto será menos eficiente do que a verificada
- 226. REMOçãO BIOLÓGICA DE NITROGÊNIO: APLICAçÕES PARA O SISTEMA DE LODO ATIVADO 225 em sistemas pequenos, de modo que podem se estabelecer zonas verdadeiramente anóxicas separadas de zonas aeradas perto dos aeradores. Referencias bibliográficas BARNARD, J.L. Biological denitrifaction. Water Pollution Control, v. 72, n.6, p. 705-720, 1973. _______. A review of biological phosphorus removal in the activated sludge process. Water S.A., v.2, n.3, p.163, 1976. BART, BRENNER, LEWIS. Chemical-Biological Control of Nitrogen and Phosphorus in Waste-wa- ter Effluent, J.Wat.Pollut. Contr. Fed, v. 40, p.2040-2054, 1969. BRODA, E. Two kinds of lithotrophs missing in nature: Zeitschrift Für Allgemeine Mikrobiologie, v. 17, p. 491-493, 1977. DERKS, Y.M. et al. Influência da temperatura sobre a capacidade metabólica das bactérias nitrifi- cantes de sistema de lodo ativado. In: CONGRESSO DA SILUBESA, Anais..., Fortaleza: 2007. DOWNING, A.L.; PAINTER, H.A.; KNOWLES, G. Nitrification in the Activated Sludge Process. Jour- nal of the Procedures of the Insitute of .Sewage .Purification., v.64, n.2, p.130-158, 1964. FILHO, H.A.S. Aplicação da respirometria para caracterizar a cinética da nitrificação em sistemas de lodo ativado. Dissertação (Mestrado em Engenharia Civil ) – UFCG Campina Grande Pb, 2009. FUX, C. et al. Biological treatment of ammonium-rich wastewater by partial nitritation e subse- quent anaerobic ammonium oxidation (anammox) in a pilot plant. Journal of Biotechnology, v.99, n.3, p.295–306, 2002. GUJER, W.; Jenkins, D. A nitrification model for the contact-stabilization activated sludge pro- cess. Water Research, v.9, n.5/6, p. 561-566, 1997. HELMER, C. et al. Single stage biological nitrogen removal by nitritation e anaerobic ammonium oxidation in biofilm systems. Water. Science and Technology., v.43, n.1, p. 311–320, 2001. IAWPRC. Activated sludge model no. 1. IAWPRC Scientific and Technical Reports, n.1, 1987. JETTEN, M.S.M. et al. Removal of ammonium from digester reject water with the Anammox pro- cess (em holandês). Stowa Report, no. 96-21, 1996. JETTEN, M.S.M.; VAN LOOSDRECHT, M.C.M.; VAN DONGEN, U. The combined Sharon – Anammox process – a sustainable method for N-removal from digestion reject water (em holandês). Stowa Report, n. 2000-25, 2000. KUAI, L.P., VERSTRAETE, W. Ammonium removal by the oxygen-limited autotrophic nitrification– denitrification system. Applied Environmental Microbiology, v.64, n.11, p. 4500–4506, 1998. LUDZACK, F.J.; ETTINGER, M.G. Controlling operation to minimize activated sludge effluent nitro- gen. Journal of the Water Pollution Control Fedederation, v. 34, p. 920-931, 1962. MARAIS, G.V.R.; EKAMA, G.A. The activated sludge process: steady state behaviour. Water S.A., v. 2, n. 4, p. 163-200, 1976 MATSCHE. The elimination of nitrogen in the treatment plant of Vienna-Blumenthal. Water Re- search, v. 6, p. 485-486, 1972.
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- 228. 7 remoção biológica de Fósforo no sistema de Lodo Ativado: Mecanismos e Configurações Adrianus van Haandel, Luiza Girard, Neysson Mendonça, Marcelo Teixeira e Marcos von Sperling 7.1 Remoção de fósforo O fósforo no esgoto doméstico se apresenta predominantemente na forma de fosfatos ou ligado a certos aminoácidos, denominado, neste último caso, fósforo orgânico. No sistema de lodo ativado há mineralização de quase todo o fósforo orgânico e, consequentemente, o fosfato predomina no efluente se não houver perdas excessivas de sólidos no sistema. A presença de fosfato na água causa a eutrofização — o que reduz a qualidade da água bem como suas possibilidades de uso. Por esta razão, em muitos países, existem padrões limites da concentração de fósforo para lançamento nos cursos d’água, cujos valores são dependentes do fator de diluição, do uso da água e de outras condições locais. No Brasil, a principal fonte de fósforo no esgoto está nos polifosfatados presentes nos sabões em pó. Entretanto, já existem pressões da sociedade para que seja feita uma substituição destes produtos por outro elemento menos impactante ao meio ambiente. Outra fonte importante de fosfato vem do metabolismo humano em de- corrência do consumo de material protéico (carne, peixe). Como grande parte da população no Brasil, e de outros países em desenvolvimento, se vê forçada a limitar o seu consumo de proteínas, a concentração de fósforo no esgoto é baixa quando comparada com outras regiões de maior renda. Enquanto em países ricos a proporção P/DQO se situa normalmente entre 0,02 e 0,03 mgP.mg-1DQO, no Brasil geralmente
- 229. 228 ESGOTO se encontra proporções na faixa de 0,01 a 0,02 mgP.mg-1 DQO; isto é, 5 a 10 mg/L em esgoto com uma DQO de 500 mg/L. Quanto às águas residuárias industriais, a natureza da indústria determina em grande parte a proporção P/DQO. Enquanto em resíduos de industrias que processam mate- riais animais (curtumes, matadouros, frigorífico) a proporção é em torno de 0,03 mgP. mg-1DQO (ou até maior), em indústrias que processam materiais vegetais (cervejaria, papel etc.) a concentração de P nas águas residuárias muitas vezes nem é suficiente para a produção de lodo de excesso e a adição de fosfato é necessária para evitar problemas operacionais. Nos sistemas de lodo ativado convencionais a remoção de fósforo se dá através da descarga junto com o lodo de excesso e é somente parcial, quando se trata de esgoto doméstico. Por exemplo, tendo-se um sistema com uma idade de lodo média (8 a 12 dias) para viabilizar a remoção biológica de nitrogênio, a produção de lodo é em torno de 0,25 mgSVS.mg-1DQO para esgoto “normal”. Adotando-se uma fração de massa de P típica de 2,5 %, então a remoção de fósforo será de aproximadamente 0,25*0,025 = 0,006 mgP.mg-1DQO. Assim, para esgoto com uma razão P/DQO na faixa de 0,01 a 0,02 mgP.mg-1DQO, espera-se uma concentração residual de 0,004 a 0,014 mgP.mg-1DQO; ou seja: de 2 a 7 mgP/L para esgoto com uma DQO de 500 mg/L. Geralmente, procura- se obter uma concentração final de menos que 1 mgP/L, mas isto só é factível quando as condições são favoráveis (baixa razão P/DQO, curta idade de lodo). Em águas residu- árias com um teor mais elevado (como esgoto com alto teor de nutrientes e/ou idade de lodo longa), a remoção adicional de fósforo será necessária. A importância do fósforo na eutrofização de corpos receptores de efluentes só ficou estabelecida na segunda metade do século passado. Consequentemente, o esforço de reter o fósforo em sistemas de tratamento teve seu início na década de 60. No início do desenvolvimento da tecnologia de remoção de P, usaram-se principalmente mé- todos físico-químicos, notadamente a precipitação com metais, formando fosfatos poucos solúveis como fosfato de cálcio Ca3(PO4)2, apatita Ca5(OH)(PO4)3 ou estru- vita (NH4MgPO4). Entretanto, abandonou-se esta estratégia rapidamente por duas razões. Em primeiro lugar, para se obter confiavelmente uma concentração baixa de P é necessário que se adicione uma concentração elevada de sais (geralmente bem maior que aquela que seria necessária se o equilíbrio termodinâmico fosse atingido rapidamente) — de modo que o custo de produtos químicos é alto e a massa de lodo químico é considerável. Em segundo lugar, a adição de sais gera outro problema: a acumulação de íons na água (o que pode restringir seriamente a aplicabilidade da água para vários usos).
- 230. REMOçãO BIOLÓGICA DE FÓSFORO NO SISTEMA DE LODO ATIVADO: MECANISMOS E CONFIGURAçÕES 229 Por estas razões, a pesquisa de remoção de fósforo se dirigiu para métodos biológicos. Nas últimas duas décadas, muitas pesquisas foram executadas; pesquisas que resul- taram no aumento do conhecimento sobre a viabilidade e a otimização da remoção biológica de fósforo, sendo possível, atualmente, projetar, com confiança, sistemas de tratamento que produzem efluentes com baixas concentrações de P. Hoje, quando se projeta sistemas de remoção de fósforo, os métodos físico-químicos são, na maioria dos casos, auxiliares ou complementares ao método biológico. O aspecto fundamental da remoção biológica de fósforo é a chamada “absorção em excesso de P pelo lodo” (em inglês, luxury uptake). Sob condições operacionais espe- cíficas, é possível desenvolver um lodo com um teor de fósforo muito mais elevado que os 2,5 por cento normalmente encontrados em lodos de sistemas convencionais. Usando-se substrato artificial (acetato), conseguiu-se desenvolver e manter lodos com um teor de até 38% de P. Em sistemas de remoção biológica de fósforo, forma-se uma população entre o lodo “normal” (com um teor de P de 2,5 %) e o lodo enriquecido (com 38% de P), podendo-se esperar uma fração de massa de fósforo de 8 a 10 mgP. mg-1SVS, dependendo da concentração e composição do material orgânico no afluen- te e das condições operacionais e ambientais definidas no reator. No período inicial da pesquisa de remoção biológica de fósforo (a década de 1970), não se conhecia a real natureza deste processo e levaram-se vários anos para se esta- belecer que a remoção se dava em consequência de fenômenos biológicos e não por outros meios (como por exemplo físico-químicos, precipitação; ou físicos, adsorção). Os trabalhos na década de 1970, notadamente de Fuhs e Chen (1975), Barnard (1975) e Nicholls (1975), elucidaram a natureza biológica dos processos de remoção de fósfo- ro e mostraram os seguintes quatro pontos essenciais para que o processo ocorra. Em primeiro lugar, é necessária que haja uma zona anaeróbia (sem a presença de oxigê- nio livre ou combinado — O2 ou NOx) no início do reator do sistema de lodo ativado e que o afluente, rico em material rapidamente biodegradável, seja descarregado nesta zona. Em segundo lugar, nestas condições, bactérias específicas (Acinetobacter) para obter energia para assimilar essa matéria orgânica passam a quebrar as cadeias de reser- va energética ATP-ADP, liberando o fosfato da massa bacteriana para a fase líquida. Estabelece-se, então, uma concentração de P no líquido muito maior do que aquela encontrada no afluente. Em terceiro lugar, na zona aeróbia subsequente, essas bactérias absorvem novamente o fósforo, mas agora em quantidades muito maiores que as necessárias para o meta- bolismo bacteriano. Deste modo, a remoção global no sistema é muito maior do que a verificada em sistemas sem a zona anaeróbia.
- 231. 230 ESGOTO Por fim, o lodo em excesso, então descartado, leva consigo a massa de P absorvida, retirando-a do sistema. Embora pareça simples, os mecanismos envolvidos na remoção por excesso de P são bastante complexos, o que dificulta o desenvolvimento de um modelo racional que pudesse prever a remoção deste elemento. Na continuidade das pesquisas, Siebtriz et al (1982) conseguiram estabelecer um modelo empírico que permitia uma estimativa da remoção de fósforo em função dos vários parâmetros que se identificaram como importantes. Wentzel et al (1990) desenvolveram um modelo que descreve satisfa- toriamente a cinética dos processos que levam à remoção biológica em excesso de fósforo. O modelo de Wentzel et al (1990) pode também ser usado para projetar e oti- mizar sistemas de lodo ativado com remoção de fósforo. 7.2 Princípios da remoção biológica de fósforo O único mecanismo conhecido para remoção biológica de fósforo é a sua incorporação no lodo para ser descarregada junto com o lodo de excesso. No sistema convencional de lodo ativado, em torno de 2,5 % do peso de lodo de excesso se compõe de fósforo. A concentração de fósforo que é necessária para se incorporar no lodo de excesso é dada por (VAN HAANDEL; MARAIS, 1999). Pl = mPl.Sta = fp.mEv.Sta = fp.(1-fus-fup)[(1+fbhRs)Cr/Rs + fup/fcv].Sta Equação 7.1 onde: Pl: concentração de fosfato no afluente necessária para produção de lodo mPl: massa de fósforo necessária para produção de lodo por unidade de DQO aplicada mEv: produção de lodo volátil por unidade de massa de DQO aplicada fp: fração de fósforo em lodo volátil fus: fração não biodegradável e solúvel da DQO no afluente fup: fração não biodegradável e particulada da DQO no afluente f: fração de lodo ativo que ao decair permanece como resíduo endógeno bh: constante de decaimento Rs: idade de lodo Cr: YRs/(1+bhRs) Y: coeficiente de rendimento de heterótrofas fcv: proporção entre massa de DQO e massa de lodo volátil Sta: DQO do afluente Srinath et al (1959) observaram uma remoção de fósforo bem além do valor previsto pela Equação (7.1). Seguiu-se então um debate que primeiramente se destinou a
- 232. REMOçãO BIOLÓGICA DE FÓSFORO NO SISTEMA DE LODO ATIVADO: MECANISMOS E CONFIGURAçÕES 231 estabelecer se esta remoção “de excesso” se devia à precipitação de fosfato mineral, ou se a remoção podia ser atribuída a um processo biológico. Hoje, há um consenso de que a remoção em excesso se deve ao desenvolvimento de uma massa bacteriana com um teor de fósforo muito mais elevado do que aquela encontrada em lodo de sis- temas convencionais. Nas últimas décadas, muitos pesquisadores contribuíram tanto para elucidar quais as condições que levam ao surgimento de lodo com um alto teor de fósforo como para, a partir deste conhecimento, projetar sistemas de lodo ativado com remoção de excesso de lodo de modo que fosse possível obter, consistentemente, um efluente com baixo teor (< 1 mg/L) de fósforo. As condições que levam ao enriquecimento do lodo ativo com fósforo foram objeto de uma grande quantidade de pesquisas nas últimas décadas. Embora ainda haja aspec- tos a serem resolvidos, hoje já se tem um modelo consistente do mecanismo que leva à remoção biológica de fósforo e que pode ser usado para projetar e otimizar sistemas de tratamento com remoção de fosfato. Os pontos principais que levaram ao estabe- lecimento de um modelo da remoção biológica de fósforo são os seguintes. Primeiramente, há concordância em que a fração de massa de fósforo no lodo ativo tende a aumentar quando o lodo em alguma parte do sistema é exposto a uma condi- ção anaeróbia, isto é, a um ambiente no qual não há presença de oxigênio dissolvido, nem de nitrato. Muitos pesquisadores observaram que o lodo ativo nesse ambiente libera fosfato para a fase líquida do licor misto (FUHS, CHEN, 1975; BARNARD, 1975; NICHOLLS, 1975; FUKASE et al, 1982; ARVIN, 1985; COMEAU et al, 1985; WENTZEL et al, 1985; WENTZEL et al, 1988). Nas zonas anóxicas, e aeróbias subsequentes à zona anaeróbia, há uma incorporação de fosfato pelo lodo de tal modo que a fração de massa de fósforo no lodo ativo de um sistema com uma zona anaeróbia geralmente é bem superior àquela verificada em um sistema sem essa zona (0,025 mgP.mg-1SVS) — ou seja, há absorção em excesso (luxury uptake) de fósforo. A maior fração de massa de fósforo no lodo ativo, naturalmente, resultará em uma maior remoção de fósforo através da descarga de lodo de excesso. Um segundo ponto, salienta que o sistema mais simples para efetuar a remoção bioló- gica de fósforo é um sistema que se compõe de uma etapa anaeróbia seguida por uma etapa aeróbia — sistema este operado com determinada idade de lodo de forma tal que a nitrificação não se desenvolve (Figura 7.1a). Este sistema tem bom desempenho em regiões de clima frio, mas na região tropical a nitrificação é difícil de suprimir e como resultado o desempenho é irregular, devido à presença indesejável do nitrato na zona anaeróbia. Um terceiro ponto considera que, para criar o ambiente anaeróbio em um sistema com remoção de nitrogênio, Barnard (1975) sugeriu uma modificação do seu sistema
- 233. 232 ESGOTO Bardenpho, colocando um reator anaeróbio a montante do reator pré-D, (Figura 7.1b e c). No reator anaeróbio, que recebe o afluente e o lodo de retorno, existirá um am- biente anaeróbio, quando a remoção de nitrato no sistema é completa ou virtualmen- te completa. Se é introduzido muito nitrato no reator anaeróbio através da recircula- ção de lodo de retorno, este será removido através de desnitrificação, consumindo o material orgânico rapidamente biodegradável necessário pra a remoção de fósforo. Em quarto lugar, Siebritz e Marais (1982) mostraram que a exposição do lodo a um ambiente anaeróbio é uma condição necessária, mas não suficiente para induzir os fenômenos de liberação e absorção em excesso. Estabeleceu-se que a fração de massa de P no lodo ativo é influenciada pela concentração do material rapidamente biode- gradável na zona anaeróbia. Determinou-se uma concentração mínima de 25 mg/L para induzir a absorção em excesso. A necessidade de se ter uma concentração mínima de material rapidamente biodegradável explica por que nem sempre há liberação de fósforo no reator pré-D (mesmo quando este reator opera em um ambiente anaeró- bio). Assim, além do ambiente anaeróbio a natureza do material orgânico presente é importante. No caso de haver consumo de nitrato pelo material rapidamente biode- gradável, este material não está mais disponível para induzir a liberação de fosfato. Em quinto lugar, para proteger a zona anaeróbia da “contaminação” por nitrato (que remove o material orgânico rapidamente biodegradável através da desnitrificação), desenvolveu-se o sistema UCT (University of Cape Town, Figura 7.1d): um sistema de três reatores (anaeróbio-anóxico-aeróbio), sendo que as recirculações “a” e “s” são introduzidas no reator anóxico. Neste reator, mantém-se uma concentração baixa de nitrato através do controle da recirculação “a”. O lodo é introduzido no reator anaeró- bio por meio de uma recirculação adicional do reator anóxico para o reator anaeróbio (r). Uma outra maneira para evitar a introdução de nitrato na zona anaeróbia é a divisão da zona anóxica em duas partes (Figura 7.1e). Assim, a introdução do nitrato no reator anaeróbio será mínima. Observa-se que a concentração de lodo no reator anaeróbio será somente uma fração r/(1+r) da concentração nos outros reatores. Em sexto lugar considera-se uma alternativa para proteger a zona anaeróbia de “con- taminação” de nitrato, proposta por Nicholls (1982) — que introduziu o sistema Jo- hannesburg (Figura 7.1f). Esta proposta, no entanto, não tem encontrado aplicação na prática. Um sétimo ponto atenta para o fato de Wentzel et al (1986) terem mostrado que, na verdade, o material orgânico necessário para a liberação de fosfato na zona anaeróbia se compõe de ácidos graxos de curta cadeia (principalmente acetato). Usando um substrato de acetato, desenvolveram uma cultura pura de bactérias que mediam a remoção biológica de fósforo. Esta população se compõe de bactérias com uma fração
- 234. REMOçãO BIOLÓGICA DE FÓSFORO NO SISTEMA DE LODO ATIVADO: MECANISMOS E CONFIGURAçÕES 233 de massa de P muito elevada (em torno de 38% da massa volátil, contra somente 2,5% para bactérias “normais”) e por esta razão se denominam organismos poli-P ou organismos acumuladores de fósforo (OAF; IAWQ, 1991). Trabalhos de vários autores demonstraram a presença do gênero Acinetobacter spp no lodo poli-P. Por fim, somente após o desenvolvimento de um modelo empírico para descrever o fenômeno de absorção em excesso de fósforo, é que se apresentou uma explica- ção racional e científica das observações experimentais. Esta explicação se resume com se segue. Em primeiro lugar, a presença de um reator anaeróbio com ácidos graxos voláteis a mon- tante dos outros reatores causa o desenvolvimento de uma população bacteriana que normalmente não se desenvolve no sistema de lodo ativado: os organismos poli-P. Em segundo lugar, em um ambiente anaeróbio (sem oxigênio, nem nitrato) os organis- mos aeróbios não podem utilizar o material orgânico, mas os organismos poli-P têm a alternativa de armazenar nas suas células os ácidos graxa voláteis (acetato) do mate- rial orgânico no afluente como polihidroxibutirato — PHB — (FUHS, CHEN, 1975; BU- CHAN, 1981). Para efetuar este processo, os organismos usam energia de polifosfato armazenado anteriormente. O polifosfato (que estava armazenado na célula) então se transforma em fosfato e passa para a fase líquida. Nas condições anóxicas e aeróbias, que o lodo encontra nos reatores subsequentes, o PHB é metabolizado pelos organis- mos poli-P para finalidades catabólicas e anabólicas usando nitrato ou oxigênio como oxidantes. Parte da energia obtida no catabolismo é utilizada para a regeneração do polifosfato perdido no reator anaeróbio. Neste processo é que se observa a absorção de fosfato da fase líquida para dentro dos organismos. Outra parte da energia é usada para o crescimento dos organismos poli-P. A Figura 7.2 mostra esquematicamente a liberação de fosfato na zona anaeróbia com a simultânea incorporação do material orgânico solúvel à sua transformação em PHB. No ambiente com oxidante (aeróbio ou anóxico) o PHB é metabolizado, havendo crescimento dos organismos e recuperação do fosfato perdido na zona anaeróbia. Em terceiro lugar, devido à possibilidade de “sequestrar” material orgânico em um am- biente anaeróbio e retê-lo dentro da célula, os organismos poli-P têm uma vantagem em comparação com as bactérias “normais” de lodo ativado (que não têm atividade metabólica em um ambiente anaeróbio). Desse modo, tende-se a estabelecer um lodo rico em organismos poli-P e com uma fração de massa de fósforo muito maior que os 0,025 mgP.mg-1 SVS que é a fração típica para lodo ativado sem zona anaeróbia.
- 235. 234 ESGOTO FONTE: UNIVERSIDADE FEDERAL DE CAMPINA GRANDE, CAMPINA GRANDE, PARAÍBA. Figura 7.1 Diferentes configurações para efetuar a remoção biológica de fósforo
- 236. REMOçãO BIOLÓGICA DE FÓSFORO NO SISTEMA DE LODO ATIVADO: MECANISMOS E CONFIGURAçÕES 235 FONTE: VON SPERLING (2002). Figura 7.2 Mecanismo esquemático da remoção biológica de fósforo Em quarto e último lugar, como o crescimento dos organismos poli-P depende direta- mente da presença de acetato no reator anaeróbio, é de vital importância que se evite a entrada de nitrato neste reator, uma vez que no processo de desnitrificação o aceta- to seria oxidado pelos organismos “normais” usando o nitrato. Neste sentido, o reator anaeróbio funciona como um seletor, criando a possibilidade de desenvolvimento dos organismos acumuladores de fósforo.
- 237. 236 ESGOTO 7.3 Modelamento da remoção de fósforo 7.3.1 Cultura pura de Poli-P Baseando-se nos conceitos apresentados nas seções anteriores, o grupo de pesqui- sadores do Prof. Marais, na Cidade do Cabo, áfrica do Sul, desenvolveu um modelo que descreve quantitativamente o comportamento da remoção de fósforo, bem como a liberação de fosfato na zona anaeróbia e a absorção em excesso na zona aeróbia subsequente. Na realidade, o modelo é uma extensão do modelo geral de lodo ativado, incluindo-se a presença dos organismos poli-P. Para se ter uma descrição do comportamento dos organismos poli-P, Wentzel et al (1986) operaram sistemas de lodo ativado, tendo-se acetato como único material or- gânico no afluente. Obteve-se uma cultura pura de organismos poli-P e foi possível avaliar o seu comportamento. A partir de observações experimentais concluiu-se pelo menos três aspectos. O primeiro diz respeito à constatação de que, na zona anaeróbia, há uma proporcio- nalidade entre a concentração de AGV absorvidos (sequestrados) e a concentração de fosfato liberado. A constante de proporcionalidade é igual a fpr = 0,5 mgP.mg-1- DQO sequestrada. O segundo diz respeito ao fato de que a utilização do PHB formado na zona anaeróbia é completa na zona aeróbia subsequente, independente das condições operacionais. Por fim, observou-se que a absorção de fósforo nas zonas anóxica e aeróbia, para produzir o polifosfato, resulta em uma fração constante da massa de P de lodo, in- dependente das condições operacionais: as bactérias do lodo poli P têm em torno de 38 % de fósforo. Todavia, comparando-se as bactérias poli-P com bactérias “normais” observou-se al- gumas diferenças importantes, além do teor de fósforo, tais como: liberação de fosfa- to na zona anaeróbia; decaimento de organismos Poli-P; quantidade e composição do lodo ativo e do resíduo endógeno; razão SVS/STS e propensão para desnitrificação. 7.3.1.1 Liberação de fosfato na zona anaeróbia Em condições anaeróbias, e presença de um substrato adequado (AGV), os organis- mos poli-P transformam polifosfato armazenado em fosfato, um processo que libera energia necessária para a absorção dos AGV. A liberação do fosfato para a fase líquida se descreve como:
- 238. REMOçãO BIOLÓGICA DE FÓSFORO NO SISTEMA DE LODO ATIVADO: MECANISMOS E CONFIGURAçÕES 237 Pr = fprSAGV Equação 7.2 onde: Pr: concentração de fosfato liberado para a fase líquida (mgP.L-1 de licor misto) SAGV: concentração de ácidos graxos voláteis (mg/LDQO) fpr: constante de proporcionalidade = 0,5 mgP.mg-1DQO) 7.3.1.2 Decaimento de organismos Poli-P A taxa de decaimento de organismos poli-P é muito menor do que a de bactérias normais de lodo ativado: experimentalmente estabeleceu-se uma constante de decai- mento de bp = 0,04 d-1 para 20 oC. 7.3.1.3 Quantidade e composição do lodo ativo e do resíduo endógeno Determinou-se que 25 por cento da massa das bactérias permanece, depois do decai- mento, como resíduo endógeno: fep = 0,25. Portanto o resíduo endógeno não tem mais o alto teor de fósforo do lodo poli-P de 38 % por cento. 7.3.1.4 Razão SVS/STS Devido principalmente à grande fração de material inorgânico na forma de poli fos- fato nos organismos poli-P, a fração SVS/STS é bem menor do que no caso de lodo normal. Enquanto no lodo de sistemas convencionais se tem fv = 0,8, no caso de culturas de poli-P encontrou-se fvp = 0,46 mgSVS.mg-1STS. Deste modo, a produção de lodo se torna bem maior em sistemas com lodo poli-P. 7.3.1.5 Propensão para desnitrificação Wentzel et al (1986) observaram que a taxa de desnitrificação de organismos poli-P em um ambiente anóxico era muito pequena, e, para efeitos práticos, podia ser des- prezada. Todavia, em investigações experimentais posteriores (VAN HAANDEL, VAN DER LUBBE, 2007) ficou mostrado que, em sistemas de lodo misto (poli-P e lodo con- vencional), a taxa de desnitrificação era bem maior do que a encontrada em um sis- tema convencional — o que foi atribuído a uma constante de desnitrificação de Poli-P 2,5 vezes maior do que a de lodo convencional. Na Tabela 7.1 seguinte resume-se as maiores diferenças entre organismos poli-P e convencionais.
- 239. 238 ESGOTO Tabela 7.1 > Diferenças entre organismos poli-P e organismos convencionais no sistema de lodo ativado (a 20 oC) PARâMETRO SíMBOLO ORGANISMO ORGANISMO POLI-P CONVENCIONAL Teor de fósforo (mgP.mg-1SVS) fP 0,38 0,025 Constante de decaimento (d-1) b 0,04 0,24 Resíduo endógeno (-) f 0,25 0,20 Fração de P no resíduo endógeno (mgP.mg-1Xe) fpe 0,025 0,025 Razão SVS/STS (mgSVS.mg-1STS) fv 0,46 0,80 Desnitrificação (mgN.mg Xa.d ) -1 -1 K2 0,25 0,10 Liberação de P na zona anaeróbia (mgP.mg-1DQO) fpr 0,5 0,0 Constante de desnitrificação K 2’ 0,25 0,1 FONTE: UNIVERSIDADE FEDERAL DE CAMPINA GRANDE, CAMPINA GRANDE, PB. 7.3.2 Cultura mista Na prática do tratamento de águas residuárias, o material orgânico do afluente em geral não está na forma adequada para ser utilizado por organismos poli-P; na forma de acetato. Normalmente, a concentração de AGV no afluente é menos que 10 por cento da DQO total da água residuária, mesmo quando o tempo de permanência na rede é longo e alguma fermentação ocorra, produzindo ácido acético. Wentzel (1985) mostrou que, em um ambiente anaeróbio, as bactérias de sistemas convencionais podem converter o material orgânico rapidamente biodegradável para AGV. O AGV, assim produzido, pode, então, ser absorvido pelas bactérias poli-P. Os próprios orga- nismos poli-P não são capazes de fazer a conversão de material orgânico em acetato. Assim, no caso de águas residuárias sem AGV, a presença de organismos “normais” de lodo ativado é necessária para gerar o substrato para os organismos poli-P. Por- tanto, nos sistemas de remoção de P em excesso, há uma cultura mista composta por organismos poli-P e bactérias normais de sistemas de lodo ativado convencio- nais. Wentzel et al (1990) elaboraram um modelo para descrever quantitativamente o comportamento de sistema com uma cultura mista. Está descrito, a seguir, os pontos básicos deste modelo. Em primeiro lugar, se houver introdução de nitrato na zona anaeróbia a concentração de material rapidamente biodegradável é reduzida conforme a seguinte expressão: S’bsa= Sbsa - r.Nne.2,86/(1-pY)*K1/(K1+K2) = Sbsa - r.Nne.8,6*K1/(K1+K2) Equação 7.3 onde: S’sba: concentração de material rapidamente biodegradável, após a desnitrificação
- 240. REMOçãO BIOLÓGICA DE FÓSFORO NO SISTEMA DE LODO ATIVADO: MECANISMOS E CONFIGURAçÕES 239 Segundo, no ambiente anaeróbio há produção de AGV a partir da conversão do ma- terial orgânico rapidamente biodegradável. Supondo que não haja AGV no afluente, Wentzel et al (1990) propuseram a seguinte expressão: dSAGV/dt = KcXa,anSb Equação 7.4 onde: Kc: constante de proporcionalidade = 0,06 l.mg-1Xa.d-1 Xa,an: concentração de lodo ativo normal na zona anaeróbia. observação: A concentração na zona anaeróbia do sistema UCT é menor do que a concentração nos outros reatores porque há uma diluição do lodo de um fator r/(r+1) Para um reator completamente misturado deriva-se a seguinte expressão para a concentração residual de material orgânico rapidamente biodegradável no efluente da zona anaeróbia: Sbs = [S’bsa/(1+r)]/[1+fanKcMXa] Equação 7.5 Semelhantemente, para uma série de N reatores anaeróbios (todos iguais) tem-se: SbsN = [S’bsa/(1+r)]/[1+fanKcMXa/(N(1+r)]N Equação 7.6 onde: fan: fração do lodo na zona anaeróbia MXa: massa de lodo ativo convencional no sistema Terceiro ponto: todo o material convertido (bem como a concentração de AGV no afluente, se houver) é sequestrado por organismos poli-P. Portanto, a concentração de material sequestrado nas bactérias poli-P como PBH é dada como: MSseq = QaS’bsa-(1+r)QaSbsN Equação 7.7 Quarto e último: na zona aeróbia, o material sequestrado é utilizado pelo lodo poli-P na produção destes organismos, bem como a absorção de fosfato, para produção de polifosfato intracelular. O material orgânico não sequestrado é utilizado pelas bacté- rias normais. Assim a massa de lodo poli-P e do lodo ativo normal (não poli-P) pode ser expressa como: MXap = YRs/(1+bpRs)*MSseq Equação 7.8 MXa = YRs/(1+bhRs)*(MSba-MSseq) Equação 7.9
- 241. 240 ESGOTO Os pontos acima ainda não dão, contudo, informação suficiente para calcular como será o desempenho de um sistema com remoção em excesso de fósforo. Para tanto, é necessário que se calcule a concentração residual de material rapidamente biodegra- dável, não convertido na zona anaeróbia. Pode-se calcular esta concentração a partir de um procedimento interativo que se resume em quatro passos, como se segue. Primeiro, suponha que a conversão de material orgânico rapidamente do afluente para AGV seja completa na zona anaeróbia. Isto é: SbsN= 0 e MXa = YRs/(1+bpRs)* (MSba-MS’bsa). Depois, com auxílio do valor da massa de lodo ativo normal MXa, deve-se calcular um novo valor de SbsN. Em seguida, usando a nova concentração de SbsN, calcula-se um novo valor para MXa usando a Equação (7.6). E, por fim, deve-se repetir o segundo e o terceiro passo até que os valores de SbsN e MXa se tornem constantes. Uma vez determinada a concentração do material orgânico sequestrado pelos orga- nismos poli-P, determina-se todas as variáveis importantes de um sistema com remo- ção em excesso de lodo ativado, usando-se as equações básicas de lodo ativado e as equações dos organismos poli-P apresentadas acima (Tabela 7.1). Na Figura 7.3, compara-se a massa de diferentes tipos de lodo em sistemas de lodo sem zona anaeróbia, isto é: um sistema de lodo ativado convencional (Figura 7.3a) e uma cultura de organismos poli-P (Figura 7.3b). Para tanto, calculou-se, em função da idade de lodo, a massa de lodo ativo (mXa), do resíduo endógeno, mXe, do lodo volátil, mXv e de lodo total, mXt por unidade de massa de DQO biodegradável utilizada no sistema por dia. A figura mostra que: a concentração de massa de organismos vivos no sistema com organismos poli-P é muito maior do que no sistema convencional comparável devido à baixa taxa de decaimento dos organismos poli-P; que, devido à mesma baixa taxa de organismos poli-P, a concentração do resíduo endógeno é baixa; e que, devido à alta fração de material inorgânico (fósforo) nos organismos poli-P, a concentração de sólidos em suspensão totais é bem mais elevada do que a verificada nos sistemas de lodo ativado convencional. Na Figura 7.3c observa-se, ainda, as frações de lodo em função da idade de lodo para uma cultura mista, partindo-se da suposição que 1/4 do material orgânico bio- degradável seja substrato para organismos poli-P e 3/4 para o lodo normal. Na práti- ca, pode se esperar mais ou menos esta proporção, já que a concentração de material solúvel e biodegradável é aproximadamente 1/4 da concentração do material biode- gradável no efluente de esgoto doméstico. Nesta suposição, admite-se tacitamente
- 242. REMOçãO BIOLÓGICA DE FÓSFORO NO SISTEMA DE LODO ATIVADO: MECANISMOS E CONFIGURAçÕES 241 que o material biodegradável solúvel é a principal fonte de síntese de lodo poli-P, e o material particulado, para o lodo convencional. FONTE: VON SPERLING (2002). Comparação da composição e massa de lodo em sistemas convencionais de lodo ativado Figura 7.3 (7.1a), de culturas puras de poli-P (7.1b) e de culturas mistas (7.1c) 7.4 Otimização da remoção biológica de nutrientes 7.4.1. Influência das características do esgoto O substrato dos organismos poli-P (que são os responsáveis pela remoção biológica de fósforo) é gerado a partir da conversão do material rapidamente biodegradável na zona anaeróbia do sistema de tratamento. Portanto, a concentração deste material no afluente é de fundamental importância. A concentração de material rapidamente biodegradável é dada por: Sbsa = fbs(1-fus-fup)Sta Equação 7.10 Portanto, a concentração de Sbsa depende da concentração total da DQO, Sta, das fra- ções não biodegradáveis, fus e fup, e da fração rapidamente biodegradável, fbs. Na Figura 7.4a observa-se a razão entre a concentração de P removido e a concentração da DQO do afluente, em função da DQO do afluente. Supôs-se uma temperatura de 20 oC, uma idade de lodo de 10 d, uma fração anaeróbia de 0,15 e fus=fup=0,1, enquanto fbs = 0,25. A Figura 7.4 mostra bem claramente que a eficiência da remoção de fósforo aumenta significativamente quando a concentração da DQO afluente é elevada. Isto se deve ao fato de que a conversão da DQO rapidamente biodegradável em AGV é um processo de ordem 1 e, portanto, mais eficiente na medida em que a concentração inicial é mais
- 243. 242 ESGOTO elevada. Este fato tem importantes repercussões na prática: para viabilizar a remoção biológica de fósforo é importante que se tenha uma concentração elevada da DQO, de modo que se deve reduzir ao mínimo a infiltração de águas de chuva na rede de esgoto, uma vez que a diluição com águas pluviais tenderá a diminuir a concentração da DQO. A remoção biológica de fósforo em sistemas tratando esgoto de redes unifi- cadas é problemática. A B FONTE: UNIVERSIDADE FEDERAL DE CAMPINA GRANDE, CAMPINA GRANDE, PB. Influência da concentração da DQO afluente e da fração de material rapidamente Figura 7.4 biodegradável no afluente sobre a capacidade de remoção biológica de fósforo Na Figura 7.4, analisa-se a influência da magnitude da fração rapidamente biodegra- dável no afluente sobre a remoção de fósforo. Calculou-se, em função da fração fbs, a proporção entre P removido e DQO do afluente. Supôs-se Sts = 500. Pelo mesmo raciocínio, a sedimentação primária é desfavorável quando se deseja atin- gir altas eficiências de remoção de N e P, pelo fato de ela elevar as relações NTK/DQO e P/DQO, reduzindo, substancialmente, a concentração de DQO afluente (ainda que a fração solúvel seja pouco afetada) e mantendo substancialmente constante as con- centrações de N e P. No afluente, os nutrientes estão presentes em grande parte como íons solúveis: amônia e fosfato (WRC, 1984). Baseando-se na vasta experiência de pesquisa e operação em escala real, a Water Research Commission da áfrica do Sul (WRC, 1984) fez os seguintes comentários. Primeiro: caso a concentração de DQO rapidamente biodegradável (aproximadamente igual à DQO solúvel) no afluente seja inferior a 60 mg/L, independentemente da con-
- 244. REMOçãO BIOLÓGICA DE FÓSFORO NO SISTEMA DE LODO ATIVADO: MECANISMOS E CONFIGURAçÕES 243 centração de DQO total, é pouco provável uma remoção significativa de fósforo, com qualquer processo. Se a concentração de DQO rapidamente biodegradável for superior a 60 mg/L, a remoção de fósforo pode ser alcançada, desde que se exclua o nitrato da zona anaeróbia. A remoção de P aumenta com o aumento da concentração de DQO rapidamente biodegradável. Segundo: a dificuldade de se impedir a entrada de nitratos na zona anaeróbia depende da relação NTK/DQO no afluente e do tipo de processo adotado para a remoção de fósforo. Os quatro limites apresentados abaixo são para esgoto doméstico típico nas condições da áfrica do Sul (temperatura mínima de 14 oC). Primeiro limite: relação DQO/NTK > 13 mgDQO/mgN - é possível a remoção completa do nitrato. O processo Phoredox é indicado. Na áfrica do Sul esta proporção pode ser encontrada em regiões de descendentes de indianos, predominantemente vegetaria- nos; no Brasil dificilmente se encontra esgoto doméstico com uma razão DQO/NTK tão elevada. Segundo: relação DQO/NTK entre 9 a 13 mgDQO/mgN - não é mais possível a remo- ção completa dos nitratos. Mas, os nitratos podem ser excluídos da zona anaeróbia adotando-se o processo UCT modificado. Terceiro: relação DQO/NTK entre 7 a 9 mgDQO/mgN - o processo UCT modificado não mais pode excluir o nitrato do reator anaeróbio. O processo UCT é indicado, desde que se controle cuidadosamente a recirculação interna da zona aeróbia para a zona anóxica. Quarto: relação DQO/NTK < 7 mgDQO/mgN - é pouco provável que se alcance a remo- ção biológica de fósforo em sistemas com nitrificação. 7.4.2 Otimização das condições operacionais O projeto de sistemas de lodo ativado com remoção de fósforo visa produzir um efluente com baixas concentrações de material orgânico e de sólidos em suspensão e, na medida do possível, também baixa concentração dos macronutrientes N e P. A remoção simultânea de nitrogênio e fósforo é complicada porque as condições para a maximização destes nutrientes é conflitante: para uma boa remoção de fósforo, a presença de uma zona anaeróbia grande é imprescindível, mas a presença desta zona anaeróbia limita o tamanho da zona anóxica e consequentemente diminui a capaci- dade de desnitrificação. Por outro lado, ao se escolher tanto a zona anaeróbia como a zona anóxica grandes, a zona aeróbia será pequena e pode haver perda de eficiência da nitrificação e até mesmo da remoção do material orgânico — além de haver possi- bilidade de se desenvolver um lodo filamentoso.
- 245. 244 ESGOTO Normalmente, o projeto será feito obedecendo a uma série de prioridades que impõem limitações ao projeto. Na zona tropical, tais prioridades poderiam ser colocadas em or- dem de importância decrescente: a remoção do material orgânico biodegradável e dos sólidos em suspensão têm de ser eficientes; a nitrificação tem de ser eficiente (isto é: Nae < 1 a 2mg/L, o que normalmente implica que a remoção do material orgânico e dos sólidos em suspensão também será eficiente); a remoção de P tem de ser eficiente (Pe < 1 mg/L); e a concentração de nitrogênio total no efluente tem de ser baixa (por exemplo < 5 a 10 mg/L). Os valores numéricos das concentrações máximas dependem da legislação, do uso do efluente e da natureza do corpo receptor. Se a remoção biológica de fósforo é ne- cessária, a configuração ótima para se obter o resultado desejado não pode ser mais estabelecida por meios simples, como é o caso de sistemas para remoção de material orgânico e nitrogênio somente. No caso de remoção de P o auxílio de um computador para definir o sistema otimizado é praticamente indispensável. No projeto, basica- mente pode se escolher três parâmetros de projeto: idade de lodo; divisão do volume dos reatores aeróbios, anóxicos e anaeróbio; e taxas de recirculação. A seguir discute- se a influência de cada um destes três parâmetros. 7.4.2.1 Idade de lodo Para minimizar os custos de construção e de operação, convém projetar e operar o sistema de tratamento para a menor idade de lodo que permite produzir a qualidade do efluente desejada. A Figura 7.5 mostra a remoção biológica de fósforo em sistemas UCT em função da idade de lodo e para diferentes tamanhos da zona anaeróbia (fan = 0,1; 0,2; e 0,3). Em cada caso, se consideraram várias configurações da zona anaeró- bia. Isto é: um reator completamente misturado (N=1), dois reatores completamente misturados em série (N=2) e uma longa série de reatores completamente misturados, aproximando o regime de escoamento tubular (N=100). Supôs-se ainda, na Figura 7.5, que a taxa de recirculação de lodo para a zona anaeróbia fosse de r=1, e que não houvesse introdução de nitrato na zona anaeróbia. Os resultados das simulações mostram que para todos os casos considerados, a remo- ção de fósforo passa por um valor máximo para uma idade de lodo bem curta, em torno de Rs = 3 a 5 d. Para idades de lodo mais curtas, a produção de organismos poli-P dimi- nui porque, na concentração baixa de lodo ativo, a conversão de material rapidamente biodegradável em ácidos graxa voláteis é incompleta, de modo que a disponibilidade de substrato para os organismos poli-P é limitada. Por outro lado, para idades de lodo mais longas do que Rs = 3 a 5 d, há conversão de uma fração considerável do Sbsa, de modo que o lodo poli-P é gerado — mas agora a remoção de fósforo é limitada porque, com a maior idade de lodo, a descarga de lodo de excesso diminui.
- 246. REMOçãO BIOLÓGICA DE FÓSFORO NO SISTEMA DE LODO ATIVADO: MECANISMOS E CONFIGURAçÕES 245 FONTE: UNIVERSIDADE FEDERAL DE CAMPINA GRANDE, CAMPINA GRANDE, PB. Remoção de fósforo (configuração UCT) em função da idade de lodo, Rs, para diferentes Figura 7.5 valores de fan e N: fup = fus = 0,1; fsb = 0,24; Sta = 500 mg/L e T = 20°C 7.4.2.2 Divisão do volume dos reatores Para uma determinada idade de lodo, existe uma fração mínima de lodo que preci- sa ficar no ambiente aeróbio para manter uma nitrificação eficiente (Equação 7.10). Assim, estabelece-se um máximo para a soma das zonas anaeróbia e anóxica fM. Na Figura 7.5a, b e c observa-se a influência do tamanho da zona anaeróbia: calculou-se a remoção de fósforo em função da idade de lodo para diferentes frações de lodo na zona anaeróbia (fan = 0,1, 0,2 e 0,3). Observa-se que, na medida em que se aumenta a fração anóxica, aumenta-se a capacidade de remoção de fósforo. Entretanto, o au- mento de fração de fan= 0,2 para fan = 0,3 resulta em um aumento relativamente inex- pressivo. Por outro lado, uma zona anaeróbia muito grande necessariamente reduzirá a magnitude da zona anóxica, e, consequentemente, a capacidade de desnitrificação — o que pode levar a sérios problemas operacionais (flotação de lodo, geração de lodo filamentoso). Por esta razão, na prática, a fração anaeróbia de lodo geralmente se situa entre fan = 0,1 e fan = 0,2. Na divisão da fração de lodo em ambiente não aerado (fM), entre a zona anaeróbia (fan) e a zona anóxica (fM-fan), há possibilidade de fazer subdivisões. Na Figura 7.5 calculou- se a remoção de fósforo para um reator unitário (misturado), N=1, dois reatores em série, N=2, e uma longa série de reatores, N=100, simulando escoamento tubular. A subdivisão da zona anaeróbia tende a provocar um aumento da eficiência de con- versão de material orgânico rapidamente biodegradável para AGV e, desta maneira,
- 247. 246 ESGOTO há um aumento da concentração dos organismos poli-P e consequentemente da ca- pacidade de remoção de P. Todavia, sob as condições especificadas, a subdivisão além de dois reatores não leva a um aumento significativo da remoção de fósforo. Quanta à subdivisão da zona anóxica, ela pode ter duas finalidades: proteção da zona anaeróbia contra a introdução de nitrato (como no sistema UCT modificado) e otimização da remoção de nitrogênio através da desnitrificação em dois reatores (um pré-D e outro pós-D). No último caso, é necessário que seja lembrado que um reator pré-D sempre tem uma capacidade de desnitrificação maior do que a verificada em um reator pós-D de tamanho comparável. 7.4.2.3 Taxas de recirculação Distinguem-se três taxas de recirculação: “s” (lodo de retorno), “a” (licor misto nitri- ficado da zona aerada para um reator pré-D) e “r” (recirculação do reator pré-D para a zona anaeróbia). O valor “s” é determinado por considerações relativas ao funcio- namento apropriado do decantador. O valor de “a” é determinado pela condição que a concentração de nitrato no reator pré-D tem de ser pequena (não somente por causa da necessidade de evitar recirculação de nitrato para o reator anaeróbio, mas também para reduzir o perigo de desenvolvimento de lodo filamentoso). O valor de “r”, na prática, geralmente é em torno de 1. Um valor pequeno permite a entrada de uma concentração elevada de material orgânico rapidamente biodegradável (pouca diluição do afluente com o lodo recirculado) — mas, ao mesmo tempo, tende a haver redução da concentração de lodo no reator anaeróbio de modo que se precisa de um volume grande para se ter um bom desempenho. Quando o valor de “r” é grande, a massa de material rapidamente biodegradável que escapa da zona anaeróbia é relati- vamente grande e tende a diminuir a possibilidade de remoção de P. O valor r=1 é um compromisso entre os dois extremos desfavoráveis. 7.4.3 Problemas operacionais Os sistemas de lodo ativado com remoção de nutrientes estão entre os mais sofis- ticados disponíveis na tecnologia de tratamento de águas residuárias. Na prática, há vários fatores que podem prejudicar a eficiência e a confiabilidade do sistema de tratamento. O primeiro fator se refere à estabilidade operacional: precisa-se ter em mente que o lodo poli-P no sistema de tratamento, na verdade, é um enorme reservatório de fós- foro e, em condições adversas, este fósforo pode ser liberado para a fase líquida. Tal situação pode surgir, por exemplo, quando há interrupção de aeração na zona aeróbia. Neste caso, só há liberação de fosfato na zona permanentemente anaeróbia, mas, na zona normalmente aeróbia (com aeração interrompida), não há absorção porque este
- 248. REMOçãO BIOLÓGICA DE FÓSFORO NO SISTEMA DE LODO ATIVADO: MECANISMOS E CONFIGURAçÕES 247 fenômeno está associado à utilização de PHB — que ocorre somente em ambiente aeróbio ou anóxico. Como na zona anaeróbia a concentração de fósforo será igual a um fator 0,5 da concentração de AGV sequestrado (que pode, na prática, ser em torno de 100 mg/L em esgoto doméstico), chega-se à conclusão de que uma interrupção da aeração durante algumas horas pode resultar em um efluente com dezenas de mg/L de P. Um problema semelhante pode surgir quando há introdução de cargas tóxicas (que reduzem a taxa de consumo de oxigênio (TCO) e portanto a taxa de absorção de fósforo). Por esta razão, nas situações em que se deseja baixos teores de P no efluente, é bastante comum a adoção de etapas de polimento para a remoção de sólidos em suspensão do efluente do lodo ativado (como filtração ou flotação). Neste contexto, é importante observar que uma capacidade insuficiente de aeração também prejudica a eficiência da remoção de fósforo. Se a utilização de PHB na zona aeróbia for incompleta por falta de oxidante no processo catabólico, a energia gerada será insuficiente para os organismos poli-P regenerarem completamente o polifosfato que usaram na zona anaeróbia — e, portanto, haverá descarga de fósforo no efluente. Devido ao fato de a remoção biológica de fósforo basear-se na incorporação, em ex- cesso, de fósforo na biomassa bacteriana, a perda de sólidos em suspensão no efluente implica na elevação do teor de fósforo neste efluente. O teor de fósforo no SSTA de processos de remoção biológica de P situa-se na faixa de 2,5 (lodo normal) a 7,5 % (rico em poli P). Desta forma, caso se tenha um efluente com SS igual a 20 mg/L e uma proporção de P igual a 4%, isto implica em que a concentração de P lançada com os SS efluentes é de 20x0,04 = 0,8 mgP/L. Este valor é elevado ao se considerar que a concentração de P total, frequentemente desejada para o efluente final em sistemas com remoção biológica de nutrientes, situa-se em torno de 1,0 mg/L. Nestas condi- ções, a concentração de P solúvel no efluente deve ser, no máximo, igual a 0,2 mg/L ( = 1,0 - 0,8) — o que é um valor bastante reduzido. Portanto, a retenção de sólidos em suspensão antes do efluente final é uma condição necessária para ter um sistema de remoção eficiente de fósforo. O problema mais frequente que se encontra é que a capacidade de remoção de fós- foro do sistema é insuficiente para produzir um efluente com um baixo teor de P. Nas seções anteriores já se viu a importância de proteger a zona anaeróbia contra a introdução de nitrato. Em alguns casos, o problema pode ser devido à introdução de oxigênio durante o pré-tratamento (flotação com ar dissolvido para remoção de graxas, caixa de areia aerada). Este oxigênio naturalmente vai ser usado para oxidar parte dos AGV na zona anaeróbia subsequente, reduzindo o teor de organismo poli-P e, consequentemente, a capacidade de remoção de P. Entretanto, quando a remoção
- 249. 248 ESGOTO de fósforo é insuficiente, a causa mais comum é a existência de uma desproporção entre a concentração de P no afluente e a concentração de AGV disponível ou gerada na zona anaeróbia. Nestes casos, é necessário encontrar meios para aumentar a con- centração de material rapidamente biodegradável no afluente. Basicamente existem três alternativas: adicionar material orgânico externo (por exemplo ácido acético ou metanol); submeter o afluente a um pré-tratamento na forma de fermentação ácida, gerando-se AGV a partir do material orgânico do afluente; ou submeter o lodo de excesso à fermentação ácida (sem metanogênese subsequente) e recircular os AGV gerados para o reator anaeróbio. Todas as três alternativas são tecnicamente viáveis, mas todas resultam em operações e custos extras. Um aspecto importante na operação de sistemas com remoção de P é o tratamento de lodo. Na digestão anaeróbia de lodo há destruição de grande parte dos organis- mos poli-P (que formam o substrato das populações anaeróbias no digestor) e, como consequência, a massa de fósforo na fase líquida, após a digestão, é elevada (até 200 mgP/L) — podendo representar mais do que a metade da massa de P no afluente. Por esta razão, a recirculação direta da água de lodo estabilizado para o sistema de tratamento é impraticável: precisa-se remover o fosfato antes. A alternativa é a esta- bilização aeróbia de lodo, onde o lodo poli-P, por seu decaimento lento, libera menos fósforo para a fase líquida. Esta alternativa é aplicada pela CAESB em suas plantas de remoção biológica de fósforo, em Brasília. Normalmente, usam-se métodos físico-químicos para eliminar o fosfato da água de lodo. Uma opção interessante é a precipitação como um mineral pouco solúvel, deno- minado estruvita (MgNH4PO4). Este mineral se forma com pH elevado (> 9). Ao se adi- cionar cal (CaOMgO) à água de lodo, então, tem-se os três componentes (Mg2+, NH4+ e PO43-) e o pH elevado necessário. Uma opção interessante é utilizar o cristalizador: um reator de fluxo ascendente com um leito de grãos de MgNH4PO4 (pelo qual escoa a água de lodo com cal em sentido ascensional). Assim, o material precipita sobre os grãos e pode ser comercializado como fertilizante (vide também Capítulo 11). 7.5 Critérios de projeto para a remoção biológica de N e P No Brasil, a experiência de sistemas de tratamento de esgoto com remoção de ni- trogênio e fósforo ainda é muito limitada e praticamente se restringe aos sistemas de grande porte de Brasília. Na seção 7.6 a seguir, são discutidos alguns aspectos da limitada experiência brasileira. Na ausência de maiores referências na literatura nacional, apresenta-se na Tabela 7.2 uma síntese de dados experimentais interna-
- 250. REMOçãO BIOLÓGICA DE FÓSFORO NO SISTEMA DE LODO ATIVADO: MECANISMOS E CONFIGURAçÕES 249 cionais, principalmente estadunidenses, com critérios de projetos de sistemas com remoção de N e P. Tabela 7.2 > Critérios de projeto para a remoção biológica de nitrogênio e fósforo PARâMETRO PHOREDOX UCT BARDENPHO SSVTA (mg/L) 2000 - 4000 1500 - 3500 1500 - 4000 idade de lodo total (d) 5 - 10 5 - 10 10 - 30 idade de lodo aeróbia (d) ≥5 ≥5 ≥8 Tempo de permanência – TDH zona anaeróbia (h) 0,5 - 1,5 1,0 - 2,0 1,0 - 2,0 TDH - 1 zona anóxica (h) a 0,5 - 1,0 2,0 - 4,0 2,0 - 4,0 TDH - aeróbio (h) 3,5 - 6,0 2,5 - 4,0 4,0 - 12,0 TDH - 2a zona anóxica (h) - - 2,0 - 4,0 TDH - zona aeróbia final (h) - - 0,5 - 1,0 Razão de recirculação de lodo Rlodo (Qr/Q) (%) 20 - 50 50 - 100 50 - 100 Razão de recirc. aeróbia p/ anóxica (Qaer/Q) (%) 100-300 100 - 200 300- 500 Razão de recirc. anóxica p/ anaeróbia (Qanóx/Q) (%) - 100 - 200 - Densid. Pot. nas zonas anóx. e anaeróbia (W/m ) 3 5 - 10 5 - 10 5 - 10 OD médio na zona aeróbia 2,0 2,0 2,0 FONTE: ADAPTADO DE IAWPRC (1987), METCALF & EDDY (1991), RANDALL ET AL (1992), EPA (1987, 1993). 7.6 Experiências no Brasil 7.6.1 Experiência no Prosab (NóBREGA, 2009) Algumas pesquisas foram realizadas no âmbito do Edital 5 do Prosab, sobre a remoção biológica de fósforo em sistema de lodo ativado. Os aspectos pesquisados foram: a liberação de fósforo em ambiente anaeróbio e o consequente sequestro de material orgânico (acetato); e a cinética de utilização do material sequestrado em ambiente aeróbio, usando-se o respirômetro como ferramenta. Os lodos para realizar as investi- gações experimentais foram gerados em sistemas de fluxo contínuo e em reatores de bateladas sequenciais (RBS). Os sistemas de fluxo contínuo eram: um sistema Bardenpho de quatro reatores (sem reaeração) e um sistema UCT. Na Figura 7.6 pode-se observar uma foto da planta pi- loto do sistema de fluxo contínuo (Figura 7.5a) bem como o layout para sua operação como sistema Bardenpho (Figura 7.5b) ou UCT (Figura 7.6c). Neste sistema, com um volume total dos reatores de 235 L, tratavam-se 300 L/d de esgoto bruto de Campina Grande. O volume do decantador era de 75 L.
- 251. 250 ESGOTO Na Figura 7.6b observa-se um esquema do reator RBS unitário operado com contro- le de OD para haver, simultaneamente, nitrificação e desnitrificação. A Figura 7.6b é uma foto dos sistemas RBS operados. Observou-se que o controle da concentração de OD para haver nitrificação e desnitrificação no reator era muito difícil, possivel- mente porque a mistura do reator era muito mais eficiente do que a verificada em reatores em escala real — onde a nitrificação e desnitrificação simultânea e eficiente tem sido observado (vide também Capítulo 6). Por esta razão, dividiu-se o reator em duas partes, sendo uma aeróbia, para nitrificação, e outra anóxica, para desni- trificação. Para induzir a remoção biológica de fósforo depois da sedimentação, o reator era alimentado com esgoto em sentido ascensional e, depois da alimentação, era mantido o ambiente anaeróbio para haver hidrólise e sequestro do material or- gânico hidrolisado. Na Tabela 7.3 pode-se observar alguns resultados experimentais importantes das in- vestigações, tendo-se: a concentração de lodo e a composição em termos de lodo volátil, fração de fósforo e de nitrogênio. Pode-se notar que, de fato, a fração de fós- foro (razão P/Xv) é maior do que a do lodo “normal”. Mas, não se chegou próximo da fração esperada, que seria de 7 % aproximadamente. Em parte, este resultado negati- vo pode ser explicado pela composição atípica de esgoto em Campina Grande: a con- centração de acetato é menor do que 40 mgDQO/L e a concentração de lodo A biodegradável solúvel é somente 6 % da DQO total. A fração solúvel e bio- degradável em esgoto normalmente é em torno de 25 %. Como este mate- rial é o substrato das Acinetobacter, a concentração de organismos acumula- dores de fósforo era baixa e a fração baixa de fósforo se explica pela com- posição desfavorável do afluente. As características do afluente leva- ram a outro grande problema opera- cional. A idade de lodo para se obter uma remoção eficiente de nitrogênio (pré-requisito para a remoção de P) era de 20 dias nos sistemas de fluxo con- FONTE: UNIVERSIDADE FEDERAL DE CAMPINA GRANDE, PB. tinuo e 12 dias nos sistemas RBS (uma idade muito alta para uma eficiente re- (A) Foto com vista parcial de um Figura 7.6 de lodo ativado de fluxo contínuo moção de fósforo). Assim, observou-se
- 252. REMOçãO BIOLÓGICA DE FÓSFORO NO SISTEMA DE LODO ATIVADO: MECANISMOS E CONFIGURAçÕES 251 B C FONTE: UNIVERSIDADE FEDERAL DE CAMPINA GRANDE, PB. (B) Sistema Bardenpho convencional tratando esgoto bruto Figura 7.6 (C) Sistema UCT tratando esgoto bruto que, embora o comportamento dos sistemas de tratamento fosse compatível com os modelos I e II da IWA, a remoção de fósforo era baixa e somente marginalmente acima da remoção de sistemas convencionais de lodo ativado. Isto levou a uma importante conclusão: a composição da água residuária é decisiva quanto à questão de se veri- ficar se a remoção biológica de fósforo é tecnicamente viável. No caso de Campina Grande, embora a temperatura (24 oC) e a proporção P/DQO (0,016 mgP/mgDQO) se- jam favoráveis, não foi alcançada remoção biológica de fósforo eficiente.
- 253. 252 ESGOTO A B FONTE: UNIVERSIDADE FEDERAL DE CAMPINA GRANDE, PB. (A) Diagrama do reator de bateladas sequenciais – RBS Figura 7.7 (B) Reator RBS1 (esq) em funcionamento; e RBS2 (dir) mostrando detalhes operacionais Tabela 7.3 > Resultados principais sobre a concentração efluente de P, obtidos com sistemas de fluxo contínuo (Bardenpho e UCT) e de bateladas sequenciais (RBS1 e RBS2) PARâMETRO AFLUENTE BARDENPHO UCT RBS1 (UNIT.) RBS2 (2 ZONAS) DQO mg/L 465 58 26,85 50,37 74,3 NTK mgN/L 46 2,3 8,3 14,51 5,2 Amônia – N -NH4 + 42,8 1,6 7,2 12,49 3,14 Nitrato NO3- - 7,6 2,9 10,32 2,12 Nitrito NO2 - - 2,2 2,2 6,47 9,0 Fósforo Total 7,6 5,8 5 4,37 2,66 Ortofosfato 5,7 5,3 4,6 3,19 1,84 Concentração de lodo - 1648 863 6880 5430 Fração volátil - 0,73 0,70 0,66 0,70 Fração de fósforo (P/Xv) - 0,02 0,03 0,033 0,055 Fração de nitrogênio (N/Xv) - 0,09 0,12 0,071 0,074 FONTE: UNIVERSIDADE FEDERAL DE CAMPINA GRANDE, PB
- 254. REMOçãO BIOLÓGICA DE FÓSFORO NO SISTEMA DE LODO ATIVADO: MECANISMOS E CONFIGURAçÕES 253 Para identificar melhor essa situação foram usados os lodos gerados nos diferentes sistemas de tratamento, visando fazer testes específicos sobre aspectos cinéticos da remoção biológica de fósforo. Investigou-se a relação entre liberação de fósforo e o sequestro de material orgânico na forma de acetato e a velocidade do metabolismo em ambiente aeróbio subsequente do material sequestrado pelas bactérias acumula- doras de fósforo. O lodo com bactérias acumuladoras de fósforo foi gerado em sis- temas de reatores de bateladas sequenciais RBS. Os fenômenos de liberação em am- biente anaeróbio e de absorção em ambiente aeróbio foram observados em bateladas de lodo retirados dos reatores e alimentados com uma solução de acetato como subs- trato, aplicando-se períodos de ambiente anaeróbio e subsequentemente de ambiente aeróbio. Observou-se a variação da concentração de nitrato e de fosfato bem como a TCO no período aeróbio. O teste consistia em submeter inicialmente uma batelada de lodo à agitação e à ae- ração controlada pelo respirômetro, a fim de que todo material biodegradável fosse utilizado, estabelecendo-se uma TCO mínima correspondente à respiração endógena (TCOend). Em seguida, a aeração era cessada e o lodo era somente agitado, caracteri- zando o início da fase anaeróbia e/ou anóxica, em que se adicionava no inicio deste período em média 240mg DQO/L (como acetato de sódio). Se havia presença de nitrato, o excesso de acetato garantiria a desnitrificação, produ- zindo assim o ambiente anaeróbio e a consequente liberação de fosfato. Sob a con- dição anaeróbia estabelecida, amostras eram tomadas em intervalos de tempos pré- determinados, para análise de DQO solúvel, ortofosfato e nitrato. Após este período, que durava cerca de três horas, iniciava-se a fase aeróbia para verificação do processo de absorção de fosfato. A Figura 7.8 é um respirograma típico que mostra a varia- ção da TCO em função do tempo durante a realização do teste. O teste terminava quando todo material orgânico era utilizado, estabelecendo-se uma TCOend aproximadamente igual, ou maior, à do início do teste. Assim como na fase ana- eróbia, amostras eram tomadas para análises de ortofosfato e DQO na fase aeróbia.
- 255. 254 ESGOTO FONTE: FONTE: UNIVERSIDADE FEDERAL DE CAMPINA GRANDE, PB.. ONDE:(1) PERÍODO AERóBIO SEM SUBSTRATO PARA QUE SE ESTABELECESSE A TCO ENDóGENA (2) PERÍODO ANóXICA/ANAERóBIA SEM AERAçãO COM CONSUMO DE NITRATO E LIBERAçãO DE FOSFATO (3) REAERAçãO COM CONSUMO DA DQO (EM EXCESSO OU SEQUESTRADO) E DE FOSFATO Figura 7.8 Exemplo do respirograma obtido durante um teste respirométrico Os testes foram realizados com 4 lodos diferentes: Bardenpho, UCT, RBS1 com hidró- lise interna e RBS2 com hidrólise externa. As Figuras 7.9a e 7.9b exibem os resultados obtidos com amostras de lodo Bardenpho e UCT (que praticamente não tinham nitra- to). Nas Figuras 7.9c e 7.9d podem-se observar os resultados dos lodos dos reatores RBS1 e RBS 2. Nestes testes, os dois reatores eram operados sem separação da zona aeróbia da zona anóxica. Determinou-se também a liberação de fosfato por unidade de DQO absorvida. Na Ta- bela 7.3 observa-se a liberação de fósforo e a absorção da DQO no período anaeróbio, bem como o tempo para a liberação máxima e a relação Pliberado/DQOabsorvido. Pode-se observar que o sistema RBS2 demonstrou pouca atividade na zona anaeróbia (o que indica presença de poucas bactérias acumuladores de P). Isto é condizente ao fato de que havia pouca remoção de nitrato no sistema RBS2 (controle deficiente da concen- tração de OD). Como se pode ver na Figura 7.9d, houve remoção de quase 26 mg/L de N. Mesmo descontando a DQO desnitrificada, a absorção de acetato (67 mg/L) é relativamente ineficiente na liberação de fosfato (somente 0,09 mgP/mgDQO). Se- gundo Wentzel et al (1990) a liberação de fósforo em ambiente anaeróbio é 0,5 mgP/ mgDQO de acetato. Portanto a liberação observada (mesmo descartando o resultado
- 256. REMOçãO BIOLÓGICA DE FÓSFORO NO SISTEMA DE LODO ATIVADO: MECANISMOS E CONFIGURAçÕES 255 A PO4-3 DQO B PO4-3 DQO 35 400 Anaeróbio Aeróbio 32 Anaeróbio Aeróbio 300 30 30 350 28 Concentração P-PO4-3(mg/l) 26 250 Concentração P-PO4-3(mg/l) 300 24 25 22 200 250 20 DQO (mg/l) DQO (mg/l) 20 18 200 16 150 15 Adição 14 240mgDQO/L de 150 12 acetato de sódio Adição 100 10 10 100 240mgDQO/L 8 6 de acetato 5 50 50 4 2 0 0 0 0 0.0 0.5 1.0 2.0 3.0 3.4 5.4 6.4 0.0 0.5 1.0 1.5 2.5 3.0 3.5 4.0 4.5 5.0 TEMPO (hora) TEMPO (hora) FONTE: UNIVERSIDADE FEDERAL DE CAMPINA GRANDE, PB. (A) Variações nas concentrações de fosfato e DQO ao longo de 6 horas de duração Figura 7.9 do teste com o lodo UCT (B) Variações nas concentrações de fosfato e DQO ao longo de 5,5 horas de duração do teste com o lodo Bardenpho convencional C D PO43- NO3- DQO PO43- NO3- DQO 50 300 30 300 Anaeróbio Aeróbio Anaeróbio Aeróbio 45 Concentração de P-PO4-3(mg/l) 25 250 Concentração de P-PO4-3(mg/l) 250 40 35 20 200 200 DQO (mg/l) DQO (mg/l) 30 25 150 15 150 20 Adição 240mgDQO/L de 100 10 100 15 Adição acetato de sódio 240mgDQO/L de 10 acetato de sódio 50 5 50 5 0 0 0 0 0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 4.5 0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 4.5 TEMPO (h) TEMPO (h) FONTE: UNIVERSIDADE FEDERAL DE CAMPINA GRANDE, PB. (C) Variações nas concentrações de fosfato, nitrato e DQO ao longo de 5,0 horas Figura 7.9 de duração do teste com o lodo RBS1 (D) Variações nas concentrações de fosfato nitrato e DQO ao longo de 5,0 horas de duração do teste com o lodo RBS2
- 257. 256 ESGOTO de RBS2) de 0,28 mgP/mgDQO é pouco mais do que a metade do valor esperado. Pelo fato de que, na maioria dos casos, a concentração de fosfato atingiu o máximo, concluiu-se que a liberação do fosfato não podia passar deste ponto e que o polifos- fato “armazenado” era bem menor do que o verificado no caso de Wentzel. Outros autores indicam que de fato encontraram valores muito abaixo do valor relatado por Wentzel (VAN HAANDEL, VAN DER LUBBE, 2007; METCALF, EDDY, 1991). Tabela 7.4> Liberação de fosfato e absorção de acetato em bateladas de diferentes lodos em ambiente anaeróbio LODO SISTEMAS TEMPOmáx,lib (hora) Pmáx,lib (mgP/L) ACETATO ABSORV. (mgDQO/l) mgPlib/mgDQOseq 1 UCT 1,5 23,0 88 0,26 2 BARDENPHO 1,5 16,0 46 0,34 3 RBS1 (unit) 1,5 31 125 0,25 4 RBS2 (unit) 1,0 6,05 67 0,09 FONTE: UNIVERSIDADE FEDERAL DE CAMPINA GRANDE, PB. Observando o respirograma (Figura 7.8), a TCO inicialmente é alta no início da reaeração (em torno de 100 mg/L/h) e depois cai rapidamente para um valor muito mais baixo. A partir da queda brusca da TCO, pode-se observar que a TCO diminui de forma lenta e gradual para o valor da respiração endógena que o lodo tinha no início do experimento (20 mg/L/h). A alta TCO inicial se justifica pelo fato de que a quantidade de DQO solúvel adicionada era mais do que suficiente para o processo de liberação de fósforo — o que resultava em um DQO remanescente depois do período aeróbio. Inclusive observa-se nas Figuras da 7.8a a 7.8d que havia uma saturação no que diz respeito à concentração de P liberada ter atingido um máximo sem que toda a DQO tivesse sido removida da fase líquida. Portanto, a TCO alta no início da reaeração se devia presumivelmente ao metabolismo do acetato (que não pôde ser absorvido no período anaeróbio). Por outro lado, a TCO acima do nível endógeno após a remoção de acetato se explica pela utiliza- ção do acetato absorvido e armazenado como PHB (poli-hidroxi-butirato). A quantidade de DQO sequestrado não somente pode ser calculada a partir da di- minuição de DQO solúvel no ambiente anaeróbio, mas também pela observação do respirograma. Isto pode ser exemplificado analisando-se a Figura 7.9c, que esta as- sociada ao respirograma da Figura 7.8. Pode-se observar na Figura 7.9c que a DQO solúvel diminuiu de 275 para 150 mg/L na fase anaeróbia — o que representa um armazenamento de 125 mg/L. A parte não armazenada era em torno de 150 mg/L, mas, desta concentração, uma parte de 50 mg/L não era biodegradável e permanecia em solução até o fim do teste quando a TCO já tinha retornado ao patamar da respiração endógena (vide Figura 7.8). Portanto, a DQO biodegradável, mas não sequestrada, era em torno de 100 mg/L.
- 258. REMOçãO BIOLÓGICA DE FÓSFORO NO SISTEMA DE LODO ATIVADO: MECANISMOS E CONFIGURAçÕES 257 Por outro lado, pode se calcular a área abaixo da curva, mas acima da respiração en- dógena, na Figura 7.8. A integração dá um valor de 38 mg/L para a parte de respiração exógena lenta (o “rabo” do respirograma) e de 32 mg/L para a parte de TCO exógena de alta taxa e curta duração, associada ao excesso de acetato que não foi sequestrado. Portanto, o consumo total de oxigênio para metabolizar a DQO sequestrada e a DQO não sequestrada é 38+32 = 70 mg/L. Sabe-se que no caso das bactérias normais, mais ou menos 1/3 da DQO metabolizada é oxidada enquanto 2/3 são anabolizadas. Assim, calcula-se que a DQO não sequestrada foi de 3*32 = 96 mg/L — praticamente idêntica ao valor que se determinou acima, a partir de testes diretos da DQO, na Figura 7.9c. Aceitando que, para as bactérias acumuladores de fosfato, também vale a proporção de 1/3 oxidada e 2/3 anabolizada, a DQO sequestrada pode ser estimada em 3*38 = 114 mgDQO/L. Este valor está bem perto do valor obtido de 125 pela diferença da DQO solúvel no ambiente anaeróbio (Figura 7.9c). Pelo respirograma, pode-se notar que a TCO, depois da utilização do excesso de ace- tato (não armazenado), permanece praticamente constante em 40 mg/L/h por um período. Isto significa que a taxa de utilização do material armazenada, inicialmente, é praticamente constante com valor de 40 – 20 = 20 mg/L/h. Ou seja o material seques- trado era utilizado a uma taxa máxima de 20*3 = 60 mg/L/h. Admitindo que o processo seja descrito com a cinética de Monod tem-se: dSseq/dt = KmseqSseq/(Sseq+Ksseq)Xap onde: dSseq/dt: Concentração da DQO sequestrada KsseqS: Constante de meia saturação de Monod para o material sequestrado Kmseq: Constante de utilização da DQO sequestrada Sseq: DQO sequestrada Xap: Concentração de bactérias acumuladores de fósforo No início, tem-se que (Sseq >> Ksseq (a taxa é constante) e (dSseq/dt)max = KmseqXap e (dSseq/dt)max = 3*TCOex,p,max onde: TCOex,p,max: TCO máxima atribuível à utilização da DQO sequestrada pelas BAF = 40-20= 20 mg/L/h = 480 mg/L/d
- 259. 258 ESGOTO Portanto: (dSseq/dt)max = 3*480 = 1440 mgDQO/mgXa/d e Xap = YRs/(1+bpRs)Sseq/Rh onde: Y: 0,45 mgSVS/mgDQO Rs:12 d (nos reatores RBS) bp: 0,05 d-1 Rh: 0,33 d (nos RBS) Sseq: 0,06*0,8 *456 mg/L (80 % da DQO eram biodegradáveis dos quais 6 % solúveis) Nestas condições se calcula: Xap = 220 mg/L e Kmseq = 1440/220 = 6,5 mgS/mgXap/d O valor da constante de utilização é alta. Comparativamente, calcula-se para a taxa de utilização de acetato pelas bactérias normais heterotróficas uma constante de so- mente 3,2 mgDQO/mgXa/d — o que é um fator quase 2 vezes menor. Conclui-se que a taxa de utilização do material armazenado pelas bactérias acumuladoras de fósforo é muito elevada. Ainda assim, em sistemas de tratamento sem uma zona anaeróbia com acetato, a remoção biológica em excesso de fósforo não é factível porque as bactérias acumuladoras de fósforo não podem se desenvolver. Quando o material biodegradável e solúvel entra no sistema de tratamento em ambiente anóxico ou aeróbio, as bacté- rias heterotróficas normais, que são muito mais numerosas, utilizam o material antes que as bactérias acumuladoras de fósforo possam sequestrá-lo. 7.6.2. Experiência em escala real Experiências em escala real com remoção biológica de fósforo no Brasil podem ser encontrada nas estações de tratamento de esgoto de Brasília Sul (1,50 m3/s), Brasília Norte (0,92 m3/s), Riacho Fundo (0,07 m3/s), Gama (0,33m3/s) e Melchior (1,47 m3/s), operadas pela Companhia de Saneamento Ambiental do Distrito Federal. As duas pri- meiras foram construídas na década de 90, utilizando o processo Phoredox ou Bar- denpho que combina a remoção de nitrogênio e fósforo, com objetivo de recuperar o Lago Paranoá de um acelerado processo de eutrofização. O processo biológico é complementado por um polimento químico utilizando a flotação para separação dos sólidos remanescentes e alcançar o padrão de lançamento no Lago, 0,3 mgP/L.
- 260. REMOçãO BIOLÓGICA DE FÓSFORO NO SISTEMA DE LODO ATIVADO: MECANISMOS E CONFIGURAçÕES 259 A ETE Riacho Fundo é um sistema de lodos ativados por batelada sequenciais, no qual os procedimentos operacionais conseguem formar os ambientes anaeróbios/aeróbios necessários para que ocorra a remoção biológica de fósforo.As outras duas, Gama e Melchior, são mais recentes, construídas nos anos 2005/6 e utilizam uma combinação de remoção biológica e química de fósforo em reatores alterados para formar am- bientes aeróbios e anaeróbios. O objetivo é proteger o Lago Corumbá IV, localizado no estado de Goiás, de um futuro processo de eutrofização. Da mesma forma que as pesquisas em Campina Grande mostraram, a concentração de matéria orgânica rapidamente biodegradável no esgoto afluente das ETE´s Brasília Sul e Norte é da ordem de 30 a 40 mg/L de ácidos voláteis. Essa concentração não possibilita que os processos de remoção biológica de fósforo e de nitrogênio ocorram eficientemente — fazendo com que seja priorizado o processo de remoção de P, por ser o fator limitante para a eutrofização do lago. As estações alcançam concentrações efluentes de fósforo total na ordem de 1,0 a 1,5 mgP/L no processo biológico, que é rebaixada para cerca de 0,3 mgP/L pelo polimento químico. Por outro lado, a con- centração de TKN no efluente biológico é da ordem de 10 a 20 mgN/L, e atinge 8 a 15 mgN/L após o polimento químico (CAESB,2008). As ETE’s Brasília Sul, Brasília Norte e Riacho Fundo fazem parte do complexo de sa- neamento que recuperou o Lago Paranoá do processo de eutrofização, reduzindo as concentrações de fósforo no Lago, que chegaram a 100 mg/m3 na década de 90, para menos de 25 mg/m3 após 5 anos de operação. Da mesma forma, a concentração de clorofila no lago passou de 100 mg/m3 no seu braço mais comprometido para menos de 10 mg/m3. Em que pesem os expressivos resultados alcançados, devolvendo o Lago Paranoá como área de recreação e lazer para a sociedade e para o desenvolvimento de atividades econômicas (restaurantes, bares etc), os custos inerentes aos investimentos e à opera- ção e manutenção de um processo como esse não são pequenos. A Tabela 7.4 mostra o custo operacional e de manutenção das estações terciárias da CAESB, bem como a taxa de ocupação (=vazão tratada/vazão máxima do projeto) da estação. Entretanto, essas experiências mostram que é possível reverter um processo de eutrofização de um reservatório, com tratamento terciário de esgoto, mesmo em países tropicais, recuperando um ambiente que por muitos anos fora abandonado pela população.
- 261. 260 ESGOTO Tabela 7.5 > Dados relevantes da operação de sistemas com remoção biológica de P ESTAçãO DE TRATAMENTO CUSTO DE OPERAçãO CAPACIDADE OCUPAçãO (R$/m3 tratado) (m3/s) (%) Brasília Sul 0,52 1,50 79 Brasília Norte 0,76 0,92 53 Gama 0,77 0,33 57 Melchior 0,30 1,47 54 FONTE: CAESB/2008 – SUPERINTENDêNCIA DE OPERAçãO, MANUTENçãO E TRATAMENTO DE ESGOTO. Referências bibliográficas ARVIN, E. Biological removal of phosphorus from waste waters. CRC – Critical Rev. Environmental Control, v.15, p.24-94, 1985. BARNARD, J.L. Nutrient removal in biological systems. Water Pollut. Contr., v.74, p. 143-154, 1975. BUCHAN, L. The location e nature of accumulated phosporus in seven sludges from activated sludge plants which exhibited enhanced phosphorus removal, Water S.A., v.7, p.1-7, 1981. CAESB. Dados operacionais das estações de tratamento de esgotos. CAESB: 2008. COMEAU, Y; HALL, K.J; OLDHAM. A biochemical model for biological enhanced phospjorus remo- val. Wat. Res., v. 20, n. 12, p.1511-1521, 1985. EPA. Design manual, phosphorus removal, technology transfer. United States Environmental Pro- tection Agency, Cincinatti, 1987, 116 p. FUHS, G.W; CHEN, M. Microbiological bases for phosphate removal in the activated sludge pro- cess for the treatment of waste water. Microbiol. Ecol., v. 2, p.119-138, 1975. FUKASE, T; SHIBATA, M; MIJAYI. Studies on the mechanism of biological phosphorus removal, Japan. J. Water Pollut.Res., v. 5, p. 309-317,1982. HENZE, M et al. Activated sludge model no 1. Scientific e Technical reports, n. 1, IAWPRC, London, UK, 1986. HENZE, M et al. Activated sludge model, n 2, IAWQ, London, UK,1994. METCALF & EDDY. Wastewater engineering: treatment, disposal and reuse. 3. ed. Metcalf & Eddy, Inc, 1991, 1334 p. NICHOLLS. Modification of Extended Aeration Plants in Johannesburg, South Africa to Achieve Denitrification. In: CONFERENCE ON NITROGEN AS A WATER POLLUTANT, 1975, Copenhagen, Anais…, 1975. NóBREGA, E.O. Estequiometria e cinética da remoção de fósforo em sistemas de lodo ativado. Dissertação (Mestrado) – UFCG-DEC, 2009. SEDLAK, R. (ed). Phosphorus and nitrogen removal from municipal wastewater: principles and practice. Estados Unidos: Lewis Publishers, 1991, 240 p.
- 262. REMOçãO BIOLÓGICA DE FÓSFORO NO SISTEMA DE LODO ATIVADO: MECANISMOS E CONFIGURAçÕES 261 SIEBRITZ, I.P; EKAMA, G.A; MARAIS G.V.R. A parametric model for biological excess phosphorus removal, Wat.Sci.Tech., v. 15, n. 3/4, p. 127-52, 1982. SRINATH, E.G; SASTRY, C.B; PILLAI, S.G. Rapid removel of phoshporus fro sewage by activated sludge, Experientia, v.15, p.399, 1959. VON SPERLING, M. Princípios do tratamento biológico de águas residuárias, Lodos ativados, 2.ed, v.4, UFMG, Departamento de Engenharia Sanitária e Ambiental, 2002, 428 p. WENTZEL, M.C. et al. Biological excess phosphorus removal: steady state process design, Water SA, v. 16, n.1, p. 29-47, 1990. WENTZEL, M.C. et al. Metabolic behaviour of Acinetobacter spp in enhanced biological phospho- rus removal: a biochemical model, Water S.A., 1986. WENTZEL, M.C. et al. Kinetics of biological phosphorus release, Wat.Sci.Tech., v17 n.11/12, p. 57- 71, 1985. WENTZEL, M.C. et al. Enhanced polyphosphate organism cultures in activated sludge systems: part II – experimental behaviour, Water S.A., v. 15, n. 2, p.71-88, 1988. WENTZEL, M.C; EKAMA, G.A; MARAIS, G.V.R. Processes and modelling nitrification denitrifi- cation biological excess phosporus removal systems - a review. Wat.Sci. Tech., v. 25, n. 6, p. 59-92, 1992. WRC. Theory, design and operation of nutrient removal activated sludge processes. áfrica do Sul: Water Research Commission, 1984.
- 263. 8 Nitrificação em reatores Aeróbios com biomassa Aderida Lourdinha Florencio, Paulo Gustavo Sertório de Almeida, Neyson Martins Mendonça, Isaac Volsham Jr, Cícero Onofre Andrade Neto, Roque Passos Piveli, Carlos Augusto de Lemos Chernicharo 8.1 Introdução Os reatores com biomassa aderida são unidades que possuem suporte físico que per- mite a imobilização dos microrganismos responsáveis pela degradação de compos- tos orgânicos e inorgânicos presentes nos efluentes sanitários ou industriais. Quando projetados para esse fim, podem também proporcionar a nitrificação. São exemplos: os filtros biológicos percoladores, os biodiscos, os biofiltros aerados submersos, os reatores com leitos fluidizados ou expandidos, e os reatores com leito móvel. Uma extensiva revisão sobre os reatores com biomassa aderida aplicados ao tratamento de esgoto sanitário e ao pós-tratamento de efluentes de reatores anaeróbios encontra- se apresentada no Capítulo 4 em livro anterior do Prosab (GONçALVES et al, 2001). Nele constam os principais conceitos, configurações, exemplos de dimensionamento, aspectos construtivos e os problemas operacionais mais comuns das diferentes con- figurações dos reatores. Já no presente capítulo, são apresentadas informações sobre as potencialidades e limitações dos reatores com biofilme para a remoção de nitrogênio amoniacal (N-amoniacal); uma breve contextualização sobre os fundamentos básicos da nitrifi- cação biológica, e os principais microrganismos envolvidos no processo. Também são discutidos os aspectos associados ao estabelecimento da biomassa nitrificante em reatores com biofilme, incluindo a formação e a estrutura das matrizes de origem
- 264. NITRIFICAçãO EM REATORES AERÓBIOS COM BIOMASSA ADERIDA 263 biológica e questões associadas à transferência de massa nesses sistemas. Adicional- mente, são apresentados critérios, parâmetros de projeto e condições operacionais para remoção de amônia em reatores com biofilmes. Ao final do capítulo, são apre- sentadas as experiências obtidas a partir das pesquisas realizadas sobre este tema no âmbito deste Edital 5 do Prosab. 8.2 Nitrificação biológica e remoção de nitrogênio em biofilmes Neste item é apresentada uma breve contextualização sobre os fundamentos básicos da nitrificação biológica convencional e os principais microrganismos envolvidos no processo. Mais detalhes sobre o assunto podem ser encontrados no Capítulo 6. Sob o ponto de vista clássico, a nitrificação é a oxidação do nitrogênio amoniacal realizada por microrganismos quimiolitoautotróficos e sob condições aeróbias estri- tas. O processo de conversão de N-amoniacal a nitrato ocorre por meio de reações heterogêneas, em duas etapas: a primeira chamada nitritação (oxidação de N-amo- niacal a nitrito) e a segunda, nitratação (oxidação do nitrito a nitrato), conforme resumido na Tabela 8.1. Tabela 8.1 > Reações e principais microrganismos envolvidos na nitrificação convencional Nitritação + - - Reação: 55 NH4 + 76 O2 +109 HCO3 → C5H7O2N + 54 NO2 + 57 H2O + 104 H2CO3 Nitrosomonas, Nitrosococcus, Nitrosopira, Nitrosovibrio e Nitrosolobus Organismos envolvidos (β-proteobactéria) Nitratação + - Reação: 400 NO2- + NH4 + 4 H2CO3 + HCO3- + 195 O2 → C5H7O2N + 3 H2O + 400 NO3 Nitrospira, Nitrospina, Nitrococcus, Nitrocystis e Nitrobacter Organismos envolvidos (α-proteobactéria) Reação global, incluindo a síntese celular + - + NH4 + 1,89 O2 + 0,0805 CO2 → 0,0161 C5H7O2N + 0,952 H2O + 0,984 NO3 + 1,98 H FONTE: AHN (2006). No primeiro estágio (nitritação), os microrganismos predominantes pertencem ao gênero de bactérias Nitrossomonas. Contudo, os gêneros Nitrossococus, Nitrosos- pira, Nitrosovibrio e Nitrosolobulus também podem oxidar N-amoniacal a nitrito. No segundo estágio, o gênero comumente citado como sendo predominante é denomi- nado Nitrobacter. No entanto, com o uso de técnicas de biologia molecular foi pos- sível observar que em reatores nitrificantes tratando esgoto doméstico, incluindo os reatores com biofilme, devido às baixas concentrações de nitrito, o predomínio entre
- 265. 264 ESGOTO as bactérias oxidadoras responsáveis pela nitratação é de fato exercido pelo gênero Nitrospira (KOOPS; POMMERENING-RÖSER, 2001; DAIMS et al, 2000). A remoção de amônia em biofilmes também pode ocorrer a partir de outros processos biológicos em micronichos em que prevalecem condições limitadas de concentrações de oxigênio dissolvido, como o processo Anammox (Anaerobic Ammonium Oxidation). Os microrganismos envolvidos neste processo são capazes de realizar a oxidação de N-amoniacal (doador de elétrons) a nitrogênio gasoso na ausência de oxigênio, sendo o nitrito o aceptor de elétron (AHN, 2006). Embora não muito abundantes em bio- filmes predominantemente aeróbios, é possível observar a presença de colônias de bactérias Anammox em microambientes anóxicos de reatores aeróbios de biomassa aderida (LYDMARK et al, 2006). Adicionalmente, é igualmente possível ocorrer des- nitrificação heterotrófica em regiões anóxicas do biofilme, onde há disponibilidade de carbono e nitrato. Em reatores de fluxo descendente, como filtros biológicos per- coladores, a estratégia operacional de recirculação do efluente final pode induzir ao atendimento dos requisitos para a ocorrência de desnitrificação (PARKER; RICHARDS, 1986). Tal processo pode ocorrer mesmo quando a concentração de oxigênio dis- solvido na fase líquida encontra-se superior a 5 mgO2.L-1 (BIESTERFELD et al, 2003). A Figura 8.1 ilustra simplificadamente os principais mecanismos envolvidos no trans- porte e conversão de amônia em biofilmes. FONTE: ADAPTADO DE HELMER-MADHOK ET AL (2002). Figura 8.1 Principais mecanismos envolvidos no transporte e conversão de amônia em biofilmes
- 266. NITRIFICAçãO EM REATORES AERÓBIOS COM BIOMASSA ADERIDA 265 8.3 Aplicabilidade de reatores com biomassa aderida para a remoção de N-amoniacal: potencialidades e limitações Os reatores anaeróbios são eficazes na remoção da matéria orgânica carbonácea. Entretanto, a remoção de compostos nitrogenados, via de regra, não é observada. Quando lançados no corpo receptor, os compostos nitrogenados geram problemas tanto do ponto de vista da saúde pública, quanto ambiental. Os impactos do lança- mento de nutrientes provenientes do esgoto em corpos d’água superficiais e subter- râneos bem como a legislação brasileira de proteção aos corpos de água correspon- dente são apresentados no Capítulo 2 deste livro. Várias tecnologias de tratamento de águas residuárias são utilizadas no pós- tratamento de efluentes de reatores anaeróbios com o objetivo de se remover, ou atenuar, tais compostos (em especial, o N-amoniacal). A remoção de nitrogênio amo- niacal em processos convencionais de tratamento de esgoto só é possível quando é introduzida uma etapa aeróbia no sistema — uma vez que a nitrificação, ou seja, a conversão de N-amoniacal a nitrato, ocorre na presença de oxigênio, com exceção para o já citado processo Anammox, cuja remoção de N-amoniacal se dá em ambiente anaeróbio (ver o Capítulo 6). Os reatores de biomassa aderida podem ser divididos em dois grupos principais, em função da movimentação do meio de suporte da biomassa: os de leito fixo, no qual o meio de suporte não se movimenta; e os de leito móvel, quando o material suporte permanece em movimento. Neste último, a movimentação do leito é geralmente ga- rantida por meio do fluxo ascendente ou descendente da água residuária, por agitação hidráulica ou pela injeção de gás. A Tabela 8.2 apresenta, de forma sintetizada, as prin- cipais potencialidades e limitações para a remoção de N-amoniacal associadas ao uso de reatores com biofilme.
- 267. 266 ESGOTO Tabela 8.2 > Potencialidade e limitações da remoção de N-amoniacal em reatores de tratamento de esgotos domésticos com biofilme TECNOLOGIA REMOçãO DE N-AMONIACAL Potencialidade Possíveis limitações Filtro biológico percolador Possibilidade de atendimento aos Depende fortemente da altura do reator, requisitos de oxigênio sem a necessidade uma vez que a nitrificação ocorre em de aeração mecanizada. maiores taxas em regiões onde a matéria orgânica já foi removida. Controle operacional para a manutenção da biomassa nitrificante em sistemas mais A robustez do sistema ao aporte ocasional simplificados pode depender apenas de de maiores concentrações de matéria aspectos operacionais à montante do reator. orgânica (DBO e SST) pode não ser verificada para reatores de pequena Estabilidade do processo, caso haja altura (em torno de 2,50m). um controle efetivo das condições de operação previstas em projeto. As taxas de aplicação superficiais utilizadas em sistemas sem recirculação do efluente Pode apresentar eficiências de remoção de final podem não ser suficientes para o amônia compatíveis com o atendimento adequado aproveitamento da superfície a padrões de lançamento menos restritivos. do material de enchimento. Filtro biológico Pode apresentar boa remoção de amônia A elevada retenção de sólidos em aerado submerso com menores requisitos energéticos em suspensão pode dificultar a nitrificação. comparação ao sistema de lodos ativados. O controle das concentrações de sólidos Bom aproveitamento da área superficial no sistema depende fortemente de um do meio suporte. maior controle operacional. Pode apresentar eficiências de remoção Requer consumo energético para de amônia compatíveis ao atendimento de fornecimento de oxigênio ao meio. padrões de lançamento menos restritivos. Reator de leito fluidizado Possibilidade de retenção de biomassa Elevado consumo energético decorrente em elevadas concentrações. da fluidização do leito e atendimento aos requisitos de oxigênio. Melhor controle da difusão de oxigênio para o interior do biofilme A alteração da área superficial do material mediante o controle da velocidade suporte ao longo do período de operação da fase líquida do reator. pode modificar o percentual de biomassa aderida no sistema. Notável eficiência de remoção considerando efluentes que apresentam Diante de outras tecnologias simplificadas elevadas concentrações de amônia. o sistema pode não atender a requisitos de viabilidade técnico-econômica para o tratamento de esgotos domésticos. Biodisco Possibilidade de atendimento aos Requer consumo energético para requisitos de oxigênio apenas pela a movimentação dos discos. exposição ao ar atmosférico. Necessidade de compartimentação Boa flexibilidade operacional para solucionar dos tanques para promover condições problemas associados com demanda de OD. adequadas para remoção de amônia. Consumo energético relativamente baixo. O crescimento excessivo e desprendimento do biofilme podem oferecer limitações em Bom aproveitamento da área superficial termos de transferência de oxigênio para o do meio suporte. interior do biofilme. FONTE: ADAPTADO DE RITTMANN E MCCARTY (2001); METCALF E EDDY (2003).
- 268. NITRIFICAçãO EM REATORES AERÓBIOS COM BIOMASSA ADERIDA 267 8.4 Meios de suporte utilizados em reatores de biomassa aderida Os meios de suporte têm a finalidade de servir de apoio para a fixação e retenção da biomassa, possibilitando a manutenção de elevado tempo de retenção celular e per- mitindo a redução do tamanho dos reatores (uma vez que estes reatores podem ser operados com tempos de detenção hidráulica reduzidos). Os meios de suporte atuam também como uma barreira física, pois evitam que os sólidos em suspensão sejam facilmente carreados para fora do reator. Além disso, induzem o contato entre os constituintes do afluente e os sólidos biológicos contidos no reator. Consequente- mente, a seleção do material suporte exerce um importante papel no desempenho do reator. Existe uma grande variedade de materiais que podem ser usados como meio supor- te nos reatores com biomassa aderida. Como características, esses materiais devem apresentar grande área superficial por unidade de volume, além de serem estrutural- mente resistentes, suficientemente leves e apresentarem alta durabilidade. Também é importante que sejam biológica e quimicamente inertes. Adicionalmente, devem ter uma porosidade adequada que facilite a distribuição do fluxo e dificulte a obstrução. E, por fim, também é importante que sejam de fácil aquisição. Na Tabela 8.3 são apresentadas informações referentes às características dimensionais, peso específico, área superficial, índice de vazios e descrição sucinta de alguns dos materiais de enchimento mais utilizados nos reatores com biomassa aderida. Outros materiais de enchimento estão sendo testados para sua aplicação em reatores com biomassa aderida visando a nitrificação. Como exemplo é possível citar as espumas em poliuretano (em painéis tipo cortinas ou em pequenos cubos de espuma — MACHDAR et al, 1997; 2000); anéis de eletrodutos corrugados (conduítes); e tijolos cerâmicos vazados (ANDRADE NETO et al, 2000).
- 269. 268 Tabela 8.3 > Meios suportes usualmente utilizados em reatores de biomassa aderida (1) MATERIAL DE CARACTERíS- PESO ÁREA SUPER- íNDICE IMAGEM BREVE DESCRIçãO E COMENTÁRIOS ENCHIMENTO TICAS ESPECíFICO FICIAL ESPECí- DE VAZIOS ESGOTO DIMENSIONAIS (kg.m-³) FICA (m².m-³) (%) Constituído de rocha britada. Apresenta superfície irregular e elevado peso específico. O atendimento às especificações técnicas em termos de Diâmetro: Pedra britada 1350 50-70 ≈ 50 granulometria pode ser uma limitação. O baixo custo do material o torna 5 a 10 cm uma das principais alternativas como material de enchimento de filtros biológicos percoladores (FBPs). Material residual de indústria siderúrgica. Apresenta superfície irregular, Escória de Diâmetro: elevado peso específico e certa porosidade. O atendimento às especifica- 1350 50-70 ≈ 50 alto forno 5 a 8 cm ções técnicas em termos de granulometria pode ser uma limitação. Geral- mente utilizado como material de enchimento em FBPs. Diâmetro: Possuem satisfatório índice de vazios e área superficial específica. Altos 84 mm custos de aquisição. Em FBP de pequena altura operando com baixas Anéis plásticos 50 80 96 cargas orgânicas, o seu desempenho assemelha-se ao de reatores pre- randômicos (PVC) Altura nominal: enchidos por leitos de pedra. São também utilizados como material de 9 cm enchimento em filtros aerados submersos. Altura: 30-60 cm Muito utilizado em FBPs por apresentar baixo peso específico e ele- Cross-flow (45º) vados índices de vazios. Apresenta elevado custo de aquisição. Largura: Cross-flow (60º) 30 98 95 Para a remoção de amônia os blocos verticais e cross-flow com ângulo 30-60 cm Vertical-flow de 60º apresentam melhor desempenho do que os com ângulo de 45º. Comprimento: Utilizados em filtros percoladores e filtros aerados submersos. 130-320 cm Usualmente aplicado em reatores de leito expandido ou fluidificado. O emprego de partículas menores requer baixo custo de energia para Areia 0,42 – 2,0 mm ≈2,60 ≈ 1000 0,4-0,5 atingir-se o regime de fluidificação. Porém, em decorrência da fase ga- sosa, podem-se ter condições operacionais difíceis de serem controladas por causarem instabilidade no leito. Apresenta baixo custo. Empregado em reatores de leito expandido ou fluidificado. Em função da Carvão ativado elevada área superficial, o uso deste material é adequado na retenção de 0,42 – 2,0 mm ≈1,73 ≈ 1000 0,4-0,5 granular microrganismos nitrificantes que apresentam taxa lenta de crescimento. Os custos de aquisição podem ser elevados. (1) NãO SãO APRESENTADOS OS REATORES COM BIODISCO, POIS EXISTE UMA GRANDE VARIEDADE DE TAMANHOS E CONFIGURAçõES, A DEPENDER DO FABRICANTE. OS DISCOS SãO EM GERAL, DE POLIETILENO. FONTE: ADAPTADO DE BRUCE E MERKENS (1970); HARRISON E DAIGGER (1987); PARKER E RICHARDS (1986); METCALF E EDDY (2003).
- 270. NITRIFICAçãO EM REATORES AERÓBIOS COM BIOMASSA ADERIDA 269 8.5 Estabelecimento da biomassa aderida e nitrificação em biofilmes O desenvolvimento da biomassa nitrificante em reator com biofilme depende sensi- velmente das condições operacionais às quais o reator está submetido. Os principais fatores ambientais que influenciam na nitrificação de uma forma geral (tais como, temperatura, pH, alcalinidade, concentração de oxigênio dissolvido) são detalhados no Capítulo 6. Neste item, são apresentados os principais aspectos sobre a formação de biofilmes; quais os fatores intervenientes no desenvolvimento de matrizes bioló- gicas aderidas; e como é realizada a transferência de substrato para o interior de um biofilme. Em seguida, são também discutidas as condicionantes para o estabeleci- mento de microrganismos nitrificantes nos reatores. 8.5.1 Formação, constituição e estrutura de biofilmes O tratamento biológico de efluentes baseado em reatores com biofilmes aderidos possui como princípio básico a retenção de microrganismos no interior de um volu- me reacional (a partir da adesão natural da biota em superfícies, ou pela retenção da biota em interstícios de materiais que apresentam porosidade). Quando em elevada concentração, a biomassa tende a permanecer predominantemente de forma aderida sob a superfície de uma matriz inerte. Nela ocorrem os mecanismos de adsorção, de transferência de massa e de transformação de materiais solúveis e particulados. O biofilme é composto por cerca de 90% de água e as substâncias poliméricas ex- tracelulares representam cerca de metade no cômputo total da biomassa. A concen- tração de células ativas e inertes em um biofilme situa-se entre 107 e 109 células.cm-2 (MELO, 2003). A fixação da biomassa em superfícies de contato segue três processos básicos: ad- sorção, adesão e aderência (estabilização da adesão celular). Os mecanismos de esta- belecimento do biofilme dependem: da comunidade microbiana predominantemente presente no reator, das atividades metabólicas e do tipo de superfície disponível para o desenvolvimento da colonização. Consolidada a adesão microbiana, que é a eta- pa do processo de formação de matrizes heterogêneas sob superfícies de contato, os microrganismos se desenvolvem e produzem substâncias poliméricas extracelu- lares (frequentemente compostas por polissacarídeos e glicoproteínas), formando, portanto, uma nova matriz de origem biológica denominada biofilme (LESSARD; LE BIHAN, 2003). A essas matrizes biológicas (biofilmes) são posteriormente associadas, por adsor- ção progressiva, moléculas e pequenas partículas abióticas. Simultaneamente, ocorre o crescimento e a sucessão de microrganismos aderidos, desenvolvendo-se, conti-
- 271. 270 ESGOTO nuamente, a matriz que dá origem ao biofilme. Como resultado, a estrutura inter- na de biofilmes passa a ser composta por aglomerados contendo células, polímeros extracelulares que preenchem os espaços entre os aglomerados de microrganismos, canais e poros (MELO, 2003). Vários são os fatores que influenciam na formação e nas condições de estabilidade do biofilme. Os fatores físicos, químicos e biológicos afetam a composição das matrizes heterogêneas a partir do comportamento hidrodinâmico no meio, da concentração e tipo de substrato, e a partir da fisiologia das células. Fatores como a ação eletrostática e o grau de hidrofobicidade da célula microbiana também foram apontados como de grande importância no processo de adesão inicial de microrganismos em superfícies sólidas (ROUXCHET; MOZES, 1990; IWAI; KITAO, 1994). Para o início da formação do biofilme, ressalta-se que superfícies de contato irregula- res, porosas ou providas de interstícios são meios potenciais para o desenvolvimento e estabelecimento inicial do biofilme. Foi observado que uma maior área superficial de aderência parece estimular a produção de exopolímeros, desencadeando um au- mento da excreção de polissacarídeos por parte dos microrganismos (VANVIVERE; KIRCHMAN, 1993). A Tabela 8.4 destaca alguns importantes fatores associados ao desenvolvimento de matrizes biológicas aderidas, e a Figura 8.2 indica os principais constituintes que compõem uma matriz de origem biológica, ilustrando a configura- ção de estruturas típicas de biofilmes. Superfície colonizada Colônia de micror- por biomassa aderida ganismos aeróbios aderidos na superfície de um meio suporte Constituintes de um biofilme Estruturas típicas de biofilmes Figura 8.2 Principais componentes de matrizes de origem biológica e estruturas típicas de biofilmes FONTE: ADAPTADO DE WANNER ET AL (2006) E MENDONçA (2004).
- 272. NITRIFICAçãO EM REATORES AERÓBIOS COM BIOMASSA ADERIDA 271 Tabela 8.4 > Síntese de fatores que afetam a formação e o estabelecimento de biofilmes FATOR INTERVENIENTE CARACTERíSTICA ASPECTOS RECORRENTES Espécie e fisiologia Biológica Alguns microrganismos produzem maior quantidade de polímeros microbiana extracelulares, facilitando a aderência a superfícies sólidas. Compatibilidade hidrofílica ou hidrofóbica do microrganismo com a superfície sólida. Rugosidade da Física Atua na formação primária do biofilme por dificultar o arraste superfície sólida de partículas e microrganismos. Atua na estimulação da produção de polímeros extracelulares. Constituintes presentes, Química A composição do substrato seleciona os microrganismos pH e temperatura do predominantes no biofilme. líquido em contato com A concentração do substrato pode influenciar na estrutura do o biofilme. biofilme. O maior aporte de matéria orgânica tende a elevar a espessura da matriz biológica. O pH do líquido altera a ação eletrostática entre os microrganismos e a superfície de contato. Pode controlar o desenvolvimento de espécies predominantes como fungos e bactérias. A temperatura altera a atividade metabólica dos microrganismos, influenciando no tempo de crescimento dos microrganismos e estabelecimento do biofilme. Condições Física Velocidades elevadas: retardam a formação primária do biofilme por hidrodinâmicas tensões tangenciais. Após o estabelecimento do biofilme, elevadas (velocidades e velocidades e turbulências estimulam o crescimento de biomassa turbulências) em virtude do aumento do fluxo de substrato. Geram biofilmes mais lisos, menos espessos e mais compactos Velocidades baixas: sob elevadas concentrações o biofilme torna-se, espesso induzindo o aparecimento de zonas inativas pela dificuldade de transferência de massa. FONTE: BASEADO EM IWAI E KITAO (1994); MELO (2003); WIJEYEKOON ET AL (2004); MELO (2005). 8.5.2 Transferência de massa e difusão de substratos em biofilmes Os canais preferenciais ou tortuosidades presentes em biofilmes, conforme apresen- tados esquematicamente na Figura 8.2, podem se iniciar na superfície da matriz bio- lógica e terminar na superfície do material de aderência (meio suporte). Tal fato indica que os constituintes presentes no esgoto são transferidos para o interior do biofilme a partir de processos de adsorção, difusão, convecção e também por transporte de substrato pelos canais e poros presentes em algumas regiões da matriz biológica (LAWRENCE et al, 1994; MELO, 2005). De fato, foi observado que essas matrizes são estruturas porosas constituídas de aglomerados microbianos, separados por vazios intersticiais. Nestes vazios, há predomínio do processo de fluxo de massa entre os poros do biofilme, em comparação com os processos de difusão e convecção através dos aglomerados microbianos. Neste sentido, a difusividade medida em biofilmes
- 273. 272 ESGOTO pode refletir, predominantemente, a difusividade de substrato entre poros e canais (LEWANDOWSKI et al, 1994). Adicionalmente, o transporte de massa para o interior da matriz microbiana aderida frequentemente resulta na geração de consideráveis gradientes em termos de concentrações de substratos ao longo da profundidade de um biofilme (RITTMANN; McCARTY, 2001). Assim sendo, a disponibilidade de substrato para a biomassa ocorre de forma diferen- ciada em reatores com biofilme e depende da posição relativa dos microrganismos na matriz biológica. Portanto, os microrganismos localizados em regiões mais internas do biofilme são, em geral, expostos a menores concentrações de substratos em compa- ração com os microrganismos que se situam em regiões mais próximas da superfície de contato com o meio líquido (efluente). A Figura 8.3 apresenta esquematicamente o gradiente de concentrações de substrato ao longo da profundidade do biofilme. Situação A (biofilmes menos espessos): A Concentração do substrato o biofilme não apresenta espessura representativa. Não há gradiente de concentrações. Situação B (biofilmes com espessura intermediária): situação onde se observa o decaimento de concentrações, mas há disponibilidade de substrato em todo o biofilme. B Situação C (biofilmes de maior espessura): em C regiões mais profundas do biofilme pode não haver disponibilidade de substrato. Limita o crescimento Líquido Camada de Biofilme de algumas comunidades microbianas. (substrato) difusão Camada de difusão: resistência externa ao transporte de massa. Biofilme: resistência interna ao transporte de massa por difusão molecular e convecção. Há utilização de substrato pela biomassa. Figura 8.3 Apresentação esquemática do gradiente de concentrações de substratos em um biofilme FONTE: ADAPTADO DE RITTMANN E MCCARTY (2001). Conforme mostra a Figura 8.3, existem três situações que podem ocorrer em reato- res com biofilme. Na situação A, o biofilme apresenta pequena espessura e, por esse motivo, o gradiente de concentrações em seu interior não é representativo. Conse- quentemente, os microrganismos tendem a ter a mesma disponibilidade de substrato qualquer que seja o seu posicionamento no interior da matriz biológica. Na situação B, embora a espessura do biofilme determine a ocorrência de um gradien- te de concentrações em seu interior, observa-se a disponibilização de substrato em toda a porção da matriz biológica. Nestes casos, a depender dos requisitos de cada espécie de microrganismos em relação a um substrato limitante, o seu posicionamen- to é determinístico, ou seja, o estabelecimento da biomassa depende das condições
- 274. NITRIFICAçãO EM REATORES AERÓBIOS COM BIOMASSA ADERIDA 273 ambientais presentes em cada porção do meio. Na situação C, em uma dada profun- didade do biofilme não há mais disponibilidade do substrato limitante e, portanto, algumas espécies de microrganismos não têm como se estabelecer em tais regiões. A situação C é um cenário clássico, frequentemente observado quando o sistema de tratamento recebe elevadas cargas orgânicas. Em virtude da grande disponibi- lidade de matéria orgânica no meio, a biomassa heterotrófica cresce em abundância e a adsorção de partículas abióticas também é elevada. Adicionalmente, elevadas cargas orgânicas favorecem a produção excessiva de polissacarídeos pelos microrga- nismos (WEF, 2000). Consequentemente, o biofilme torna-se mais espesso e compacto e a transferência de oxigênio e compostos nitrogenados para o seu interior é dificul- tada em maior escala. Nos casos em que o oxigênio dissolvido não é transferido para toda a profundidade do biofilme, certamente não haverá condições ambientais adequadas para o desen- volvimento de biomassa nitrificante ativa em regiões mais profundas — uma vez que tais microrganismos são intolerantes a baixas concentrações de oxigênio. Em geral, o oxigênio dissolvido (substrato limitante na nitrificação) somente penetra no biofilme em profundidades menores que 100-200 µm (DE BEER, 1990; HOOIJMANS, 1990). Portanto, nas regiões mais profundas do biofilme ocorrem, possivelmente, regiões anóxicas ou anaeróbias ideais aos processos de desnitrificação heterotrófica e de re- moção de nitrogênio via processo Anammox (PARKER, RICHARDS, 1986; LYDMARK et al, 2006). Desta forma, uma das principais preocupações no dimensionamento de reatores em que a remoção de amônia é um dos objetivos, refere-se ao adequado fornecimento de oxigênio para todo o volume reacional, de forma a permitir o cresci- mento de microrganismos envolvidos no processo de nitrificação. Em síntese, as concentrações de substratos (matéria orgânica e amônia) e oxigênio ob- servadas no interior de um biofilme são essenciais para o estabelecimento de microrga- nismos nitrificantes em reatores de biomassa aderida. Uma discussão aprofundada sobre mecanismos de troca e transferência de massa em filmes pode ser encontrada em Cuss- ler (1984), Figueroa e Silverstein (1992), Gonçalves et al (2001) e Wanner et al (2006). 8.5.3 Estabelecimento de microrganismos nitrificantes em reatores de biomassa aderida Uma das grandes vantagens da aplicação de reatores com biomassa aderida para ni- trificação refere-se aos aspectos cinéticos de crescimento de microrganismos nitrifi- cantes. Bactérias nitrificantes possuem baixas taxas de crescimento específico — cerca de cinco vezes menores quando comparadas com a dos microrganismos heterotró- ficos (GRADY, LIM, 1980). Assim, os reatores com biomassa aderida, potencialmente,
- 275. 274 ESGOTO proporcionam elevada retenção da biomassa no reator, possibilitando melhores condi- ções de desenvolvimento e retenção de microrganismos nitrificantes no sistema. Por outro lado, as condições ambientais em termos de cargas orgânicas aplicadas podem ditar de forma substancial a estrutura do biofilme, influenciando a coexistên- cia entre microrganismos heterotróficos e nitrificantes. Sabe-se que em reatores com carga orgânica elevada, favorece-se o crescimento de microrganismos heterotróficos, pois têm alta taxa de crescimento específico. Como competem mais por oxigênio e espaço no biofilme do que a biomassa nitrificante, acabam predominando no biofilme. O biofilme, portanto, neste caso, tende a possuir maior espessura e densidade, e menor porosidade — o que dificulta ainda mais a transferência de massa para algumas regi- ões da matriz biológica (WIJEYEKOON, 2004). Em consequência, os teores de oxigênio são reduzidos, o que é prejudicial para os microrganismos nitrificantes (FURUMAI, RITT- MANN, 1994). Portanto, o estabelecimento da biomassa nitrificante em reatores com biofilmes depende fortemente da aplicação de menores cargas orgânicas, de forma que a depleção de oxigênio dissolvido ao longo da espessura do biofilme seja minimi- zada em função do consumo por parte da biomassa. Vale novamente ressaltar que o oxigênio, via de regra, pode tornar-se o fator limitante em sistemas com nitrificação (GONçALVES et al, 2001). Na prática, o controle da competição entre a biomassa heterotrófica e nitrificante pode ser efetuada com aplicação de cargas orgânicas, por área de meio suporte, em torno de 2 a 6 gDBO.m-².d-1 (RITTMANN, McCARTY, 2001). Alguns inconvenientes as- sociados ao crescimento excessivo de biomassa heterotrófica devem ser evitados. São eles: elevado consumo de oxigênio dissolvido por parte dos microrganismos hetero- tróficos; colmatação do enchimento por acúmulo de constituintes bióticos e abióticos, ou erosão excessiva do biofilme (que resulta em maior liberação de sólidos); utilização frequente de estratégias operacionais para extrair a biomassa excedente do reator (p.ex.: retrolavagens e aumento de taxa de aplicação superficial). Caso tais estratégias operacionais sejam utilizadas com certa periodicidade, dificilmente a biomassa nitrifi- cante se estabelecerá no sistema, dado a sua baixa taxa de crescimento específico. No caso de reatores de biofilme com fluxo descendente tratando efluentes com maio- res cargas orgânicas, como por exemplo, nos filtros biológicos percoladores, os mi- crorganismos nitrificantes só se estabelecerão nas porções mais baixas do reator, uma vez que à medida que o efluente percola através da camada suporte, as concentrações de DBO, e consequentemente as cargas orgânicas, tendem a diminuir. Parker e Richards (1986) e Härremoes (1982) indicam que a nitrificação em reatores de biomassa aderida só se inicia quando a DBO solúvel estiver abaixo de 20 mg/L e com concentração de oxigênio dissolvido em torno de 3 mg/L no biofilme (HÄRREMOES,
- 276. NITRIFICAçãO EM REATORES AERÓBIOS COM BIOMASSA ADERIDA 275 1982). As condições associadas ao limite de concentrações de DBO filtrada para o início da nitrificação foram igualmente observadas por Almeida et al (2009) em experimentos com filtros percoladores utilizados no pós-tratamento de efluentes de reatores UASB. Nestes reatores, a nitrificação iniciou-se quando a concentração de DBO filtrada esteve em torno de 15 mgDBO/L. Nos reatores em que a biomassa aderida permanece submersa, como é o caso de biofil- tros aerados submersos e reatores de leito fluidizado, as condições ambientais tendem a ser similares em todo o volume reacional, variando apenas no interior do biofilme. Nestes casos, a carga orgânica volumétrica aplicada determinará o estabelecimento de microrganismos nitrificantes no sistema. A Tabela 8.5 apresenta, em síntese, algumas considerações a respeito de transferência de substrato e estabelecimento de micror- ganismos em reatores de biomassa aderida. Tabela 8.5 > Características intrínsecas de transferência de substrato e estabelecimento de microrganismos nitrificantes em reatores de biomassa aderida destinados à remoção de matéria orgânica e amônia em um mesmo volume reacional CARACTERíSTICAS INTRíNSECAS REATORES DE BIOMASSA ADERIDA Fluxo descendente por percolação Fluxo ascendente com leito submerso O biofilme tende a apresentar maior A espessura do biofilme tende a ser espessura e compacidade em porções similar em todas as regiões do reator. Espessura do biofilme superiores do reator. A carga orgânica aplicada é um dos Em porções inferiores, o biofilme é principais fatores determinantes da menos espesso e mais poroso. espessura da matriz biológica (biofilme). A transferência de substrato ocorre com A transferência de substrato para o maiores gradientes de concentrações interior do biofilme tende a ter certa em porções superiores do reator. homogeneidade em todo o sistema. Transferência e remoção Em porções inferiores, a transferência A disponibilidade de oxigênio pode ser de substrato de massa é mais bem efetuada tendo maior em porções inferiores do reator. em vista que os biofilmes tendem a ser menos espessos e mais porosos. A biomassa nitrificante é mais Ocorre certa homogeneidade em abundante em porções inferiores do termos de abundância e espécies reator, onde há menor disponibilidade de microrganismos nitrificantes de matéria orgânica. em todo o reator. Estabelecimento de A competição por oxigênio e espaço, A competição por oxigênio e espaço microrganismos nitrificantes com microrganismos heterotróficos, ocorre principalmente em função das é menos intensa em porções inferiores. cargas orgânicas aplicadas. A altura do reator tem grande relação com o estabelecimento de nitrificantes. FONTE: ADAPTADO DE VILLAVERDE ET AL (2000); BOLLER ET AL (1994); MACHDAR ET AL (2000); MISSAGIA ET AL (2008).
- 277. 276 ESGOTO A Figura 8.4 apresenta, de forma esquemática, a variação de concentrações de DBO e amônia em reatores de biomassa aderida, e a abundância de microrganismos nitrifi- cantes nos reatores com fluxo ascendente e descendente. FONTE: ESQUEMA BASEADO NOS RESULTADOS DE VILLAVERDE ET AL (2000); BOLLER ET AL (1994); MACHDAR ET AL (2000); MISSAGIA ET AL (2008). Perfil esquemático de concentrações de microrganismos heterotróficos e nitrificantes Figura 8.4 em dois reatores de biomassa aderida descendente e ascendente destinados à remoção simultânea de matéria orgânica e amônia 8.6 Critérios e parâmetros de projeto, e condições operacionais para remoção de amônia em reatores com biomassa aderida Em sistemas de tratamento de esgoto, as condições ambientais em termos da alca- linidade, pH, temperatura e presença de substâncias inibidoras possuem importância para a atividade metabólica de nitrificantes. Entretanto, as concentrações afluentes de matéria orgânica e a presença de oxigênio no biofilme geralmente figuram como os principais requisitos para que a nitrificação ocorra de forma adequada e as etapas de nitritação e nitratação sejam procedidas de forma, igualmente, adequada. Portanto, neste item, serão retratados alguns dos principais critérios e parâmetros de projeto associados a tecnologias aplicadas ao tratamento de esgoto doméstico. Serão consideradas, essencialmente, as condições operacionais necessárias para nitrificação, com base em critérios de cargas orgânicas aplicadas. Adicionalmente, breves considerações serão mencionadas a respeito de cada tecno- logia de tratamento, sob a perspectiva da remoção de amônia em tais sistemas. Uma
- 278. NITRIFICAçãO EM REATORES AERÓBIOS COM BIOMASSA ADERIDA 277 descrição mais ampla de cada tecnologia é apresentada em Gonçalves et al (2001) e a seqüência completa de dimensionamento de alguns reatores é apresentada por Metcalf e Eddy (2003). Vale ressaltar que todas as discussões e recomendações apre- sentadas a seguir tiveram por referência EPA (1993), WEF (2000), Rittmann e McCarty (2001) e Metcalf e Eddy (2003). 8.6.1 Filtros biológicos percoladores (FBP) Filtros biológicos percoladores são reatores de tratamento de esgoto de fluxo des- cendente, com o volume reacional preenchido por material suporte não submer- so em que a biomassa aderida se estabelece. Em geral, os materiais de enchimento utilizados são a pedra britada e materiais plásticos de superfície corrugada. Atual- mente, novos materiais de enchimento têm sido desenvolvidos visando proporcionar condições ambientais favoráveis ao crescimento de microrganismos nitrificantes no reator (TANDUKAR, 2005; ALMEIDA et al, 2009). Neste sentido, o uso de espumas de poliuretano como meio suporte parece ser uma atraente perspectiva para o aprimo- ramento tecnológico do sistema, em termos de remoção de amônia. O emprego de filtros percoladores após reatores UASB apresenta potencialidade para a remoção de amônia, uma vez que grande parte da matéria orgânica presente no esgoto bruto é metabolizada nos reatores UASB, sendo possível, dessa forma, atender às condições de operação para nitrificação em termos da limitação da aplicação de carga orgânica. Em termos operacionais, algumas estratégias são utilizadas para incrementar a efi- ciência de remoção de amônia em FBPs, como a recirculação do efluente final e a consequente aplicação de maiores taxas hidráulicas. A recirculação do efluente final apresenta consideráveis vantagens para o incremento da nitrificação, pois promove a diluição do afluente, introduz oxigênio na massa lí- quida, melhora as condições de umedecimento do meio suporte, bem como auxilia no controle da espessura de biofilmes, evitando entupimentos e facilitando a transferência de massa para o interior da matriz de origem biológica. Adicionalmente, a recirculação proporciona a possibilidade de um novo contato entre a biomassa e o substrato. Em alguns reatores, a recirculação tem sido apontada como uma estratégia operacional capaz de também promover o incremento da desnitrificação em FBPs (PEARCE, 2004). O aumento das tensões de cisalhamento proporcionadas pelo incremento das taxas de aplicação superficiais resultantes da recirculação do efluente final pode, igual- mente, contribuir para o controle da acumulação de sólidos. Além disso, reduz a presença de larvas de macrorganismos predadores relatados como responsáveis pela piora do desempenho de FBPs para a remoção de N-amoniacal. Outra alternativa
- 279. 278 ESGOTO seria a aplicação de solução alcalina, que tem se mostrado eficiente para o controle de macrorganismos e manutenção das taxas de remoção de amônia em FBPs. Dada a complexidade associada às características hidrodinâmicas e de distribuição da biomassa no reator, o dimensionamento de FBPs é frequentemente efetuado com o uso de relações empíricas derivadas de experiências com sistemas em escala ple- na e escala piloto. Para a remoção combinada de matéria orgânica e N-amoniacal, o dimensionamento é basicamente efetuado em função de cargas orgânicas aplicadas. é fundamental, no entanto, garantir-se que as cargas aplicadas não resultem em taxas de aplicação superficial que limitem a eficiência de umedecimento do meio suporte e, consequentemente, o aproveitamento ótimo do volume reacional do FBP. Outro aspecto de grande importância no projeto de filtros percoladores refere-se ao fornecimento de oxigênio para o volume reacional. Em geral, no contexto do Brasil, os filtros percoladores têm sido projetados com a previsão de ventilação natural, fre- quentemente suficiente para a aeração do reator. Entretanto, a ventilação forçada figura como uma possibilidade. A Tabela 8.6 apresenta alguns critérios e parâmetros de dimensionamento de filtros biológicos percoladores. Tabela 8.6 > Parâmetros e considerações de projeto para filtros biológicos percoladores PARâMETROS REMOçãO DE DBO E NITRIFICAçãO Unidade Faixa de operação Recomendações de projeto recomendada para remoção de amônia Garantir o umedecimento do Carga orgânica kgDBO.m-³.d-1 0,08 - 0,22 meio suporte e o aproveitamento volumétrica(1) do volume reacional. Garantir o atendimento aos requisitos Carga orgânica por gDBO.m-².d-1 < 2,4 de oxigênio a partir da ventilação área de meio suporte adequada do volume de reação. (1) O LIMITE INFERIOR DA FAIXA DE OPERAçãO RECOMENDADA REFERE-SE A UMA EFICIêNCIA DE REMOçãO DE AMôNIA EM TORNO DE 90% E O LIMITE SUPERIOR A UMA EFICIêNCIA EM TORNO DE 50%. FONTE: ADAPTADO DE METCALF E EDDY (2003). 8.6.2 Biodiscos O sistema de biodisco consiste em um tanque, ou uma série de tanques prismáticos, onde são instalados eixos horizontais com discos circulares de polietileno ou PVC, parcialmente (tipicamente 40%), ou quase totalmente, submergidos (entre 70 e 90%). Os discos circulares realizam um movimento rotacional em torno de um eixo movi- mentado por ação mecânica ou por impulsão de ar. Em sistemas com discos parcialmente submergidos, o ar atmosférico é a principal fonte de fornecimento de oxigênio à matriz de origem biológica. Nos sistemas com
- 280. NITRIFICAçãO EM REATORES AERÓBIOS COM BIOMASSA ADERIDA 279 maior submersão, os requisitos de oxigênio são atendidos por meio do próprio sistema de aeração responsável pela movimentação dos discos. Conforme acontece com os filtros biológicos percoladores, a aplicação de elevadas cargas orgânicas afeta, sobremaneira, a transferência de oxigênio para o interior do biofilme e a remoção de amônia no sistema. Tendo em vista que a movimenta- ção dos discos tende a produzir boas condições de mistura no volume reacional, a compartimentação dos tanques e a operação independente, em série, são necessárias para promover a redução das cargas orgânicas nos tanques subsequentes e a nitri- ficação no sistema. Nos sistemas projetados para a remoção de amônia, é comum a previsão de seis ou mais estágios de compartimentação. Em geral, a nitrificação ocorre quando a DBO solúvel no tanque está abaixo de 15 mgDBO/L. Como em filtros percoladores, quando as condições ambientais no volume reacional são adequadas para o desenvolvimento de microrganismos nitrificantes, a taxa máxima de remoção de amônia observada ocorre em torno de 1,5 gN.m-².d-1. A Tabela 8.7 apresenta algumas informações típi- cas para dimensionamento de reatores com biodiscos. Tabela 8.7 > Parâmetros e considerações de projeto para reatores com biodiscos PARâMETROS REMOçãO DE DBO E NITRIFICAçãO Unidade Faixa de operação Considerações de projeto recomendada para remoção de amônia Carga hidráulica m³.m-².d-1 0,03 - 0,08 Dimensionamento dos volumes Máxima carga orgânica gDBOsolúvel.m-².d-1 12 - 15 reacionais em estágios. no 1º compartimento gDBO.m-².d-1 24 - 30 Verificação das cargas gDBOsolúvel.m-².d-1 2,5 - 8 orgânicas e concentrações Carga orgânica aplicada de DBO solúvel nos gDBO .m-².d-1 5 - 16 compartimentos. Tempo de detenção h 1,5 - 4 hidráulica FONTE: ADAPTADO DE METCALF E EDDY (2003). 8.6.3 Filtros biológicos aerados submersos (FBAS) Biofiltros aerados submersos (BAF) e filtros biológicos aerados submersos (FBAS) são basicamente constituídos de um tanque aerado preenchido por material poroso granu- lar ou por materiais de enchimento usualmente utilizados em filtros biológicos percola- dores, em que o ar e o esgoto fluem de forma permanente. Neste caso, diferentemente do FBP, o meio suporte encontra-se submerso na massa líquida, cujo sentido do fluxo no interior do reator, pode ser ascendente ou descendente. Vale ressaltar que, em bio-
- 281. 280 ESGOTO filtros submersos, a biomassa suspensa (não aderida) pode exercer importante papel na remoção dos constituintes presentes no esgoto, apresentando, inclusive, uma elevada atividade (VILLAVERDE et al, 2000). Os principais processos que utilizam materiais gra- nulares são denominados processos Biofor®, Biostyr® e Biocarbone® e visam a remoção de DBO, a remoção combinada de DBO e N-amoniacal e a nitrificação terciária. No Brasil, a tecnologia que emprega conceitos similares de funcionamento vem sendo utilizada como pós-tratamento de efluentes de reatores UASB em pequenos e mé- dios municípios. Tais ETEs implantadas no Brasil possuem algumas simplificações em comparação com os sistemas implantados na Europa, e atribuem inúmeras vantagens associadas ao processo, como o menor consumo energético, a não necessidade de mão-de-obra especializada, entre outros (GONçALVES et al, 2001). Nestes sistemas, pedras britadas de granulometria comercial são utilizadas para com- por o leito suporte, ou ainda podem ser utilizados materiais plásticos como enchi- mento. Os requisitos de oxigênio são atendidos com o uso de difusores de bolhas grossas, que, por sua vez, induzem a uma melhor transferência de oxigênio para a massa líquida (CODAS, 2001). Uma das possibilidades de utilização desta tecnologia está associada à transforma- ção de filtros biológicos percoladores de alta taxa, não projetados para efetuar a re- moção de amônia, em reatores capazes de produzir efluentes com menores concen- trações de N-amoniacal. A recirculação do lodo dos decantadores secundários para o interior de FBAS, visando o incremento da nitrificação, tem-se mostrado atraente como estratégia operacional (ALEM SOBRINHO et al, 2007). A Tabela 8.8 apresenta informações para o dimensionamento de filtros biológicos aerados submersos pós-reatores UASB. Tabela 8.8 > Parâmetros e considerações de projeto para Filtros biológicos aerados submersos pós-UASB PARâMETROS REMOçãO DE DBO E NITRIFICAçãO Unidade Faixa de Considerações de projeto operação para remoção de amônia Carga orgânica aplicada (1) kgDQO.m-³.d-1 0,5 - 1,0 Verificar os requisitos de oxigênio necessários para oxidação de kgSS.m-³.d-1 0,4 matéria orgânica e N-amoniacal. Carga de amônia aplicada1 N-NH4+.m-³.d-1 < 0,20 Evitar a necessidade de adição de alcalinidade (cal) para Taxa de aeração Nm³.kgDBO -1 aplicada > 60 manutenção do processo Tempo de detenção hidráulica h 3,5 - 8,5 de nitrificação FAIXAS DE VALORES PARA UMA EFICIêNCIA DE REMOçãO DE N-AMONIACAL ENTRE 50 E 70%. (1) FONTE: ADAPTADO DE GRECCO BAUER (2003) E ALEM SOBRINHO ET AL (2007).
- 282. NITRIFICAçãO EM REATORES AERÓBIOS COM BIOMASSA ADERIDA 281 8.6.4 Reator de leito fluidizado O reator de leito fluidizado ou expandido consiste de tanque cilíndrico, que tem zona de reação preenchida por material suporte (ex: areia, antracito, carvão ativado granular, etc.), onde se tem a retenção microbiana aderida e a degradação do poluente de inte- resse (DBO, N, compostos tóxicos, etc.). Nesta unidade, o sentido do fluxo do líquido no interior do reator é ascendente e, em aplicações do processo aeróbio, a introdução de oxigênio se dá mediante a difusão de oxigênio na fase líquida, em câmara de oxigena- ção situada na zona de reação, ou na linha de recirculação do efluente. No Brasil, já existem algumas estações de tratamento com esta tecnologia, tais como as unidades aeróbias de 1400 m3 de uma indústria automobilística, mencionadas por Chernicharo et al (2001). Outro exemplo é o reator de 159 m3 e 18 m de altura insta- lado no Campus da USP em São Carlos (SP), utilizado para tratar esgoto sanitário, e com flexibilidade operacional de operar sob condições anaeróbia e aeróbia distintas, ou anaeróbia-aeróbia simultâneas (MENDONçA, 2004). Como esta tecnologia é recente na área de tratamento de efluentes sanitários, os parâmetros de projeto para nitrificação ainda não estão consolidados pela literatura especializada. Entretanto, existe consenso entre pesquisadores e projetistas de que o dimensionamento destes reatores deve considerar as variáveis de processo (tem- peratura, carga volumétrica orgânica, carga volumétrica nitrogenada, demanda de oxigênio, taxa de nitrificação, produção de lodo, qualidade do efluente produzido); as questões de hidráulica (perda de carga, expansão do leito, distribuição do tempo de detenção hidráulica, estratificação do leito, recirculação, distribuição do afluente, introdução de oxigênio, e taxa de decantação) e do leito (tamanho, área superficial, forma da partícula, esfericidade, densidade dureza, porosidade e composição). A Tabela 8.9 apresenta os resultados de operação de reator aeróbio de leito fluidifica- do operado em escala piloto (volume de 4,5m3) realizada em Tóquio por Hosaka et al (1991), tratando cerca de 50 m3.d-1 de esgoto sanitário.
- 283. 282 ESGOTO Tabela 8.9 > Resultados de reator de leito fluidizado em escala piloto VARIÁVEIS NITRIFICAçãO Unidade Faixa de operação Considerações de projeto para remoção de amônia Carga volumétrica kgN-amoniacal.m-³.d-1 0,132 Velocidade ascensional m.h -1 ≈ 13 Dimensionamento do volume reacional da unidade Vazão de ar m3.min-1 ≈ 0,6 de tratamento e previsão da Antracito concentração efluente de N-amoniacal. TE (mm) 0.6 Material suporte Verificação da carga orgânica CD (-) 1,4 (50% com 0,8mm) de DBO afluente Volume de leito 44% do volume do reator Previsão de decantadores Tempo de detenção secundários de alta taxa. h 2 hidráulica CD = COEFICIENTE DE DESUNIFOMIDADE; TE = TAMANHO EFETIVO. FONTE: ADAPTADO DE HOSAKA ET AL (1991). 8.6.5 Influência de sólidos suspensos na nitrificação em reatores com biofilme A concentração de sólidos suspensos totais (SST) no meio líquido é outro aspecto operacional importante associado com a transferência de massa em biofilmes, e in- fluencia a nitrificação em reatores de biomassa aderida (PARKER et al, 1995). Esta con- centração dificulta o transporte de oxigênio, substratos solúveis e outros nutrientes para o interior do biofilme (FIGUEROA, SILVERSTEIN, 1992). Adicionalmente, a partir da adsorção de material particulado sobre a matriz biológica, poderá ocorrer a hidrólise dos sólidos, disponibilizando-os como fonte de carbono orgânico para a biomassa heterotrófica — o que dificulta, portanto, o desenvolvimento da biomassa nitrificante no sistema. Neste sentido, caso seja introduzido um reator com biomassa aderida visando a nitrificação de efluentes, é desejável que haja um controle operacional da concentração afluente de sólidos suspensos.
- 284. NITRIFICAçãO EM REATORES AERÓBIOS COM BIOMASSA ADERIDA 283 8.7 A experiência do Prosab 8.7.1 Descrição sucinta dos experimentos Este item apresenta os resultados das pesquisas utilizando reatores com biomassa aderida desenvolvidas no âmbito do edital 5 do Prosab, cujo objetivo comum foi avaliar a nitrificação, de forma a atender aos padrões de lançamento para nitro- gênio amoniacal (ver Capítulo 2). As instituições envolvidas foram: Universidade Federal de Minas Gerais (UFMG), Universidade Federal do Pará (UFPA), Universi- dade Federal de Pernambuco (UFPE), Universidade Federal do Rio de Janeiro (UFRJ), Universidade Federal do Rio Grande do Norte (UFRN) e Universidade de São Paulo (USP). A Tabela 8.10 apresenta uma descrição sucinta das instalações experimentais e condições operacionais utilizadas nestas pesquisas. Em adição à remoção de amônia, a UFMG investigou a eficiência de remoção de surfactantes dos reatores, e a UFPE e a UFRN também avaliaram a remoção de helmintos. Adicionalmente, foram avaliadas estratégias para a desnitrificação biológica através da recirculação do efluente do rea- tor aeróbio para o reator anaeróbio (UFPA e UFPE), ou pelo desvio de parte do efluente bruto para o reator anóxico, após a nitrificação no reator aeróbio (UFRN). Entretanto, só os resultados relacionados à nitrificação em biomassa aderida são apresentados no presente capítulo.
- 285. 284 ESGOTO Tabela 8.10 > Descrição sucinta das instalações experimentais e condições operacionais utilizadas para a nitrificação INSTITUIçãO DESCRIçãO INSTALAçãO EXPERIMENTAL Reatores: quatro filtros biológicos percoladores seguidos por decantadores secundários. UFMG Material suporte: escória de alto-forno, eletroduto corrugado cortado, anéis plásticos randômicos e sistema downflow hanging sponge (DHS). Alimentação (tipo de esgoto): efluente de reator anaeróbio (UASB). Características operacionais: TAS: 10, 15 e 20 m3.m-2.d-1; COV: 0,24 a 0,43 kgDBO.m-3.d-1; relação DBO/NTK: 1,26 a 2,25. Reatores: reator de leito expandido. Material suporte: carvão ativado granular UFPA (TA: 1,40 mm, DE: 1,70 mm, CD: 1,30). Alimentação (tipo de esgoto): esgoto bruto desarenado. Características operacionais: Variação da proporção volumétrica anaeróbia-aeróbia do reator (%) e TDH: 50-50 e 8,74h (Fase 1), 60-40 e 8,48h (Fase 2) e de 70-30 e 7,93h.( Fase 3). Recirculação 100%. Reatores: dois reatores de fluxo ascendente aeróbio híbrido (lodos ativados a combinado filtro aerado de submerso na parte superior) UFPE Material suporte: eletroduto corrugado cortado. Alimentação (tipo de esgoto): coluna tipo lodo suspenso na parte inferior e meio de suporte com biomassa aderida na parte superior. operacionais: TDH=8h para ambos os reatores (Conjunto 1); TDH=8h para o anaeróbio e TDH=4h para o aeróbio (Conjunto 2). Taxas de recirculação (%): 0; 50 e 100. Reatores: filtro biológico percolador seguido por decantadores secundários. Material suporte: meios suporte plásticos tipos modular fluxo cruzado UFRJ (cross flow) e anéis de plástico randômicos. Alimentação (tipo de esgoto): efluente de reator anaeróbio (UASB). Características operacionais: TAS 5, 10 e 20 m³.m-².d-1, carga superficial orgânica: 1,0, 1,7 e 3,4 gDBO.m-².d; carga superficial nitrogenada, 0,8; 1,5 e 2,0 gNH4+-N.m-².d- Reatores: dois filtros aerados submersos em série. Material suporte: eletroduto corrugado cortado. UFRN Alimentação (tipo de esgoto): efluente de filtros anaeróbios precedido de decanto-digestor. Características operacionais:. 0,22 kg DBO .m-3; 0,10 kg SST .m-3; e 0,17 kg.m-3 de amônia (Filtro Aeróbio1); 0,06 kg DBO.m-3; 0,04 kg SST.m-3; e 0,14 kg.m-3 de amônia (Filtro Aeróbio 2); TDHtotal= 14,75h. Reatores: dois Filtros biológicos percoladores seguido por decantadores secundários. USP Material suporte: pedra britada no 4 e anéis de plástico randômicos. Alimentação (tipo de esgoto): efluente de lagoa facultativa. Características operacionais: carga volumétrica de NKT: 0,063 e 0,051 kg.m-3.d-1 e carga hidráulica superficial de 4,9 e 4,0 m3.m-2.d-1. CD = COEFICIENTE DE DESUNIFOMIDADE; COV = CARGA ORGâNICA VOLUMéTRICA; DE = DIâMETRO EQUIVALENTE; OD = OXIGêNIO DISSOLVIDO; NTK =NI- TROGêNIO TOTAL KJELDAHL; TE = TAMANHO EFETIVO; TAS = TAXA DE APLICAçãO SUPERFICIAL; TDH = TEMPO DE DETENçãO HIDRáULICA; UASB = REATOR ANAERóBIO DE MANTA DE LODO E FLUXO ASCENDENTE.
- 286. NITRIFICAçãO EM REATORES AERÓBIOS COM BIOMASSA ADERIDA 285 8.7.2 Resultados alcançados Os principais resultados alcançados para a qualidade do efluente, com as estatísticas descritivas dos parâmetros operacionais, estão apresentados no Capítulo 11 deste li- vro. A seguir são apresentadas as principais observações em relação à nitrificação as- sociada aos tipos de reatores com biomassa aderida e aos meios de suporte testados. 8.7.2.1 Nitrificação Com relação à remoção de N-amoniacal, todos os tipos de reatores aeróbios com bio- massa aderida testados (a saber: filtro biológico percolador, reator de leito expandido, filtros aerados submersos e reatores híbridos) foram capazes de manter as concen- trações de N-amoniacal abaixo de 20 mg/L (ver Capítulo 11). A nitrificação total ou parcial foi confirmada também por determinações de densidades de bactérias nitri- tantes e nitratantes, além da própria produção dos íons nitrito e nitrato (Figura 8.5) e do consumo de alcalinidade (que foi reduzida de 40 a 50% nos efluentes finais, com alcalinidade residual, em geral, superior a 100 mg/L). 60 50 Nitrato (mg/L) 40 30 20 10 0 FA N1 FA N2 FA1 FA2 Média Desvio Padrão Max-Min FONTE: UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO GRANDE DO NORTE, NATAL, RN. Figura 8.5 Concentração de nitrato ao longo das unidades de tratamento da UFRN ONDE: FAN1: FILTRO ANAERóBIO COM TIJOLOS CERâMICOS / FAN2: FILTRO ANAERóBIO COM HIDROBOL / FA1 E FA2: FILTROS AERADOS, COM ELETRODUTO CORTADO 8.7.2.2 Filtros biológicos percoladores Para os filtros biológicos percoladores como pós-tratamento de reator UASB, opera- dos pela UFMG, a aplicação de uma TAS de 10 m³.m-².d-1 em conjunto com COV de 0,24 kgDBO.m-³.d-1 proporcionou consistentemente concentrações de N-amoniacal e DBO efluentes abaixo de 20 mg/L. Já para efluentes de lagoa facultativa foi possível aplicar taxas mais altas (USP) com TAS de 15 m³.m-².d-1 em conjunto com COV de
- 287. 286 ESGOTO 0,42 kgDBO.m-³.d-1 . Neste caso, observou-se que praticamente não ocorreu remoção adicional de matéria orgânica nos filtros, demonstrando que a constituição do biofil- me era essencialmente voltada à presença de nitrobactérias. Vale ressaltar que, apesar das condições de pH, temperatura e elevada concentração de oxigênio dissolvido do efluente da lagoa facultativa demonstrarem-se favoráveis ao processo de nitrificação, atenção especial deve ser dada à possibilidade de apenas ocorrer oxidação do íon amônio a nitrito. Adicionalmente, cuidados devem ser toma- dos em virtude da mudança da qualidade dos efluentes de lagoas durante o período noturno (que pode ocasionar interrupção da nitratação ou mesmo desnitrificação via nitrito, merecendo, esta hipótese, ser mais bem investigada). 8.7.2.3 Reatores híbridos com recirculação Com o objetivo de se remover, simultaneamente, a matéria carbonácea e nitrogenada, foram utilizadas duas combinações de configurações de reatores. A UFPA utilizou um reator de fluxo ascendente de leito expandido, com recirculação de 100% da vazão afluente, ao qual foi aplicada uma estratégia para a criação de zonas anaeróbia e aeróbia no mesmo volume reacional. A COV foi de 0,984 kg.m-3.d-1, com carga nitrogenada de 0,197 kgNTK.m-3.d-1. Entre as condições operacionais avaliadas, a com proporções volumétricas percentuais de 70-30% de zonas anaeróbia-aeróbia foi a que apresentou melhor estabilidade operacional para a remoção de DQO e ni- trogênio (Figura 8.6). A concentração efluente de DQO e N-amoniacal ficaram em torno de 50 mg/L e 10 mg/L, respectivamente, com eficiência de remoção para a DQO superior a 80%. 70 DQOtot e N-NH 4 (mg/l) 60 50 40 30 20 10 0 50-50 60-40 70-30 C ondição operacional (% anaeróbia-aeróbia) D Q O tot N -a m oniac al FONTE: UNIVERSIDADE FEDERAL DO PARá, BELéM, PA. Efeito da proporção volumétrica das zonas anaeróbia-aeróbia sobre a DQO Figura 8.6 e N-amoniacal efluentes
- 288. NITRIFICAçãO EM REATORES AERÓBIOS COM BIOMASSA ADERIDA 287 A UFPE usou a estratégia de avaliar a combinação de dois conjuntos de dois reatores híbridos (coluna tipo lodo suspenso na parte inferior e meio de suporte com biomassa aderida na parte superior), cada conjunto tem um reator operando sob condições anaeróbias e outro sob condições aeróbias. Todos os reatores operaram com TDHs de 8 horas — exceto o reator aeróbio do conjunto 2 que operou com TDHs de 4 h. Fo- ram aplicadas recirculações de 0, 50 e 100% da vazão afluente. As COV aplicadas aos conjuntos 1 e 2 foram de 0,75 e 1,0 kgDQO.m-3.d-1, respectivamente, e a concentração afluente de nitrogênio foi cerca de 40 mgN-NTK/L. Em todas as condições estudadas, observou-se a ocorrência de nitrificação bem como a eficiência de remoção de DQO, que atingiu valores superiores a 85%. Ainda pode-se notar que a aplicação da recir- culação favoreceu a conversão de nitrogênio amoniacal em ambos os conjuntos, ten- do o reator de maior tempo de detenção obtido as menores concentrações (Figura 8.7). Por outro lado, foi possível verificar que, com a elevação da taxa de recirculação, também houve o consequente aumento da velocidade ascensional, causando o carre- amento de sólidos suspensos com o efluente final. 30 Nitrogênio amoniacal (mg/l) 25 20 15 10 5 0 0 20 40 60 80 100 120 Taxa de recirculação (%) T D H =8 h TD H =4 h FONTE: UFPE. Figura 8.7 Efeito da recirculação sobre a concentração de nitrogênio amoniacal efluente Adicionalmente, foi observado que o processo de desnitrificação na parte superior do reator híbrido aeróbio (filtro submerso) poderia estar ocorrendo devido ao aumento dos níveis de alcalinidade no efluente do reator aeróbio e, também, devido ao balan- ço de massa das formas de nitrogênio do reator. Entretanto, serão necessários mais estudos para comprovar tal hipótese.
- 289. 288 ESGOTO 8.7.2.4 Meio suporte A Figura 8.8 ilustra o efeito do meio de suporte na nitrificação de efluentes de reator UASB e de lagoa facultativa em filtros biológicos percoladores. Embora os materiais de suporte testados (a saber: anéis de plástico, DHS e conduítes) tivessem elevada área superficial, os melhores resultados foram alcançados quando os filtros conti- nham escória de alto forno e brita no 4. Provavelmente, estes materiais permitiram uma maior adesão dos microrganismos nitrificantes por causa da natureza da super- fície, ou mesmo, da retenção da biomassa nos interstícios do meio. Já com o meio suporte plástico, tipo modular fluxo cruzado (cross flow), observam-se as maiores concentrações efluentes de nitrogênio amoniacal (Figura 8.9). Entretanto, deve-se ressaltar que as maiores concentrações afluentes também ocorreram quando o FBP esteve preenchido com este meio suporte. Desta forma, não é possível afirmar que o cross flow tenha sido o meio suporte que proporcionou pior desempenho ao sistema. Observa-se também que o FBP preenchido com anéis obteve menores concentrações efluentes de nitrogênio amoniacal quando praticada a recirculação do efluente — o que provavelmente se deu devido ao efeito da diluição da DBO afluente ao FBP, bem como, em consequência do contato mais efetivo do líquido com o meio suporte. Entretanto, os benefícios da recirculação podem ser questionados, uma vez que as menores concentrações afluentes de nitrogênio amoniacal ocorreram justamente na fase operacional na qual se praticou a recirculação. A B 50 50 N-amoniacal (mgN/L) N-amoniacal (mgN/L) N-amoniacal (mgN/L) N-amoniacal (mgN/L) 50 50 40 40 40 40 30 30 30 30 20 20 20 20 10 10 10 10 00 00 Lagoa Lagoa Filtro Plástico Filtro Plástico Filtro Pedra Filtro Pedra UASB UASB Escória Escória Anéis Anéis DHS DHS Conduíte Conduíte Facultativa Facultativa 25% 25% 50% 50% 90% 90% 10% 10% Min Min Máx Máx 75% 75% Meta Meta 25% 25% 50% 50% 90% 90% 10% 10% Min Min Máx Máx 75% 75% Meta Meta FONTE: (A) UFMG, (B) USP. Figura 8.8 Efeito do meio de suporte na nitrificação em FBP cal efluentes Já para os reatores com leitos submersos (UFPE e UFRN), a aplicação de conduítes cortados mostrou-se adequada como material de suporte, pois ocorreu a nitrificação, com valores de amônia efluentes menores que 20 mg/L. Embora os resultados sejam promissores, não foi feito um estudo comparativo com outros materiais (tais como, brita e escória de alto forno como material suporte para a nitrificação). A mesma consideração se aplica ao carvão ativado utilizado no reator operado pela UFPA — que
- 290. NITRIFICAçãO EM REATORES AERÓBIOS COM BIOMASSA ADERIDA 289 pode utilizar leito disposto de maneira não-estratificada e estratificada utilizando, por exemplo, areia e carvão antracitoso, ou carvão antracitoso e ativado, objetivando-se reduzir custo de aquisição do material suporte. 100 25% 90 50% 80 70 90% 60 50 10% 40 Mín 30 20 Máx 10 0 75% Afluente Efluente Afluente Efluente Afluente Efluente Afluente Efluente FBP FBP FBP FBP FBP FBP FBP FBP Cross Flow Anéis Anéis Anéis TAS = 10m 3/m 2.d TAS = 10m 3/m 2.d + TAS = 10m 3/m 2.d TAS = 5m 3/m 2.d Rec. = 100% FONTE: UFRJ. Figura 8.9 Efeito do meio de suporte e da recirculação na nitrificação em FBP 8.7.2.5 Conclusão Nas condições operacionais estudadas, a aplicação de reatores com biomassa aderida mostrou-se uma boa alternativa para a remoção de nitrogênio amoniacal presente no esgoto doméstico (quer como pós-tratamento de reator anaeróbio, ou em reatores híbridos, ou conjunto de reatores híbridos) porque atendeu ao padrão de lançamento preconizado pela legislação (menor que 20 mgN-NH+4/L). é também importante sa- lientar que ainda existem aspectos técnicos a serem aprofundados. Aspectos como o aumento da taxa de umedecimento e da eficiência de ventilação (e consequente disponibilidade de OD nos FBP); redução do carreamento de SSV devido à elevação da velocidade ascensional nos reatores híbridos; material de suporte e retenção da biomassa nitrificante nos reatores (todos os tipos), entre outros. Referências bibliográficas AHN, Y.H. Sustainable nitrogen elimination biotechnologies: a review. Process Biochemistry, v. 41, p.1709–1721, 2006. ALEM SOBRINHO, P; ROLO, M.C; CHAGAS, F.A. Alterações operacionais em filtros biológicos ae- rados submersos de alta taxa para se obter nitrificação. In: 24º CONGRESSO DE ENGENHARIA SANITáRIA E AMBIENTAL - ABES, Anais..., Belo Horizonte, 2007.
- 291. 290 ESGOTO ALMEIDA, P.G.S; CHERNICHARO, C.A.L; SOUZA, C.L. Development of compact UASB/trickling filter systems for the treatment of domestic wastewater in small communities in Brazil. Water Science and Technology, in press, 2009. ANDRADE NETO, C.O. et al. Filtros anaeróbios com enchimento de diferentes materiais. In: Pós-Tratamento de Efluentes de Reatores Anaeróbios: coletânea de trabalhos técnicos. In: CHER- NICHARO, C.A.L. (coord). Projeto Prosab. Belo Horizonte: 2000, p.75-86 (ISBN 85-901640-1-2), 220 p. BIESTERFELD, S. et al. Effect of alkalinity type and concentration on nitrifying biofilm activity, Water Environmental Research, v. 75, n. 24, p. 196-204, 2003. BOLLER, M; GUJER, W; TSCHUI, M. Parameters affecting nitrifying biofilm reactors, Water Science and Tecnology, v. 29, n.10-11, p1-11, 1994. BRUCE, A.M; MERKENS, J.C. Recent studies of high-rate biological filtration, Water Pollution Control, v. 69, p.113-148, 1970. CODAS, B.V.B; ALEM SOBRINHO, P. Avaliação da transferência de oxigênio em um bioreator ae- rado submerso com enchimento, Boletim Técnico da Escola Politécnica da USP. Departamento de Engenharia Hidráulica e Sanitária, BT/PHD/80, São Paulo: EPUSP, 2001. CUSSLER, E.L. Diffusion: mass transfer in fluid systems. New York: Cambridge University Press, 1984, 606 p. DAIMS, H.P.H et al. Novel Nitrospira-like bacteria as dominant nitrite-oxidizers in biofilms from wastewater treatment plants: diversity and in situ physiology, Water Science and Technology, v. 41, n. 4-5, p.85–90, 2000. DE BEER, D. Microelectrode studies in biofilms and sedments. Tese (Doutorado) –Universidade de Amsterdã, Amsterdã, Holanda, 1990. EPA. Manual: nitrogen control. Washington, D.C: United States Environmental Protection Agency, 1993. 311 p. FIGUEROA, L; SILVERSTEIN, J. The effect of particulate organic matter on biofilm nitrification, Water Environment Research, v. 64, p. 728, 1992. FURUMAI, H; RITTMANN, B.E. Advanced modeling of mixed populations of heterotrophs and nitrifiers considering the formation and exchange of soluble microbial products, Water Science and Technology, v. 26, n. 3-4, p. 493-502, 1992. GONçALVES, R.F. et al. Pós-tratamento de efluentes de reatores anaeróbios por reatores com biofilme. In: CHERNICHARO, C.A.L. (coord). Pós-tratamento de efluentes de reatores anaeróbios. PROSAB/FINEP. 1ª ed. Rio de Janeiro: Segrac, 2001. p.235-252. 544 p. GRADY, C.P.L.J; LIM, H.C. Biological wastewater treatment: theory and applications. New York: Marcel Dekker Inc, 1980. 964 p. GRECCO BAUER, D. Nitrificação do efluente de um reator anaeróbio do tipo uasb e de um decan- tador primário em biofiltros aerados submersos. 2003.114 f. Dissertação (Mestrado em Engenha- ria Ambiental) – Universidade Federal do Espírito Santo, Vitória, 2003. HARREMÖES, P. Criteria for nitrification in fixed film reactors, Water Science and Technology, v. 14, p. 167–187, 1982.
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- 294. 9 Remoção de Nutrientes em Sistemas Naturais Marcos von Sperling, Bruno Coraucci Filho, Luiz Olinto Monteggia, Roque Passos Pivelli 9.1 Introdução O presente capítulo aborda a remoção de nutrientes em sistemas naturais de tratamento de esgoto, a saber: lagoas de estabilização; leitos cultivados (wetlands); e aplicação no solo pelo método do escoamento superficial. Todos estes processos de tratamento de esgoto já foram pesquisados em editais an- teriores do Prosab, sendo apresentadas em cada subitem as referências pertinentes. No presente edital, foram pesquisados os dois primeiros sistemas, que receberão, por- tanto, e principalmente o primeiro, maior destaque no capítulo. Pelo fato destes processos já terem sido descritos em outras publicações do Prosab, são abordados aqui a remoção de nitrogênio e fósforo, com pouco destaque para a remoção de outros constituintes de importância (ex: matéria orgânica e organismos patogênicos). De forma similar, aspectos de dimensionamento, construção e operação não são incluídos neste capítulo, por já terem sido objeto de descrição nos livros ante- riores do Prosab. O emprego de sistemas naturais, por sua simplicidade conceitual e requisitos de gran- des áreas, está potencialmente associado a usos produtivos do efluente tratado, prin- cipalmente o uso agrícola, que merece grande destaque no presente livro.
- 295. 294 ESGOTO 9.2 Lagoas de estabilização 9.2.1 Principais variantes Os sistemas de lagoas de estabilização constituem-se uma das formas mais simples para o tratamento do esgoto. Há diversas variantes dos sistemas de lagoas de esta- bilização, com diferentes níveis de simplicidade operacional e requisitos de área. No presente capítulo são apresentadas apenas as variantes que correspondem a sistemas naturais, excluindo-se, portanto, as variantes com mecanização (como as lagoas ae- radas). São os seguintes os sistemas de lagoas abordados no presente texto: lagoas facultativas; lagoas anaeróbias seguidas por lagoas facultativas; lagoas de maturação após lagoas anaeróbias/facultativas; e lagoas de polimento após reatores UASB. O principal objetivo das duas primeiras é a remoção da matéria orgânica carbonácea, ao passo que o principal objetivo das duas últimas é a remoção de organismos patogê- nicos. No entanto, remoção parcial de nutrientes ainda se alcança nas lagoas, e maior eficiência é verificada nas lagoas de maturação e polimento. De maneira geral, as lagoas de estabilização são bastante indicadas para regiões de clima quente e países em desenvolvimento devido aos seguintes aspectos: suficien- te disponibilidade de área em um grande número de localidades; clima favorável (temperatura e insolação elevadas); operação simples; e necessidade de poucos, ou nenhum, equipamento. A Tabela 9.1 apresenta uma descrição sucinta dos principais sistemas de lagoas anali- sados. Os respectivos fluxogramas encontram-se na Figura 9.1.
- 296. REMOçãO DE NUTRIENTES EM SISTEMAS NATURAIS 295 Tabela 9.1 > Descrição sucinta dos principais sistemas e unidades de lagoas de estabilização SISTEMA DESCRIçãO A lagoa facultativa possui uma grande área superficial, e opera em fluxo contínuo, com o esgoto afluente entrando em uma extremidade e o esgoto tratado saindo na extremidade oposta. Neste percurso, o líquido permanece na lagoa por vários dias, nos quais ocorrem processos físicos e bioquímicos que contribuem para a remoção de poluentes. A matéria orgânica associada a sólidos menores, não sedimentáveis, tende a permanecer na coluna de água e é convertida a gases e líquidos por mecanismos Lagoa facultativa predominantemente aeróbios, conduzidos principalmente por bactérias. O oxigênio requerido na respiração das bactérias aeróbias é fornecido pelas algas, através da fotossíntese. A matéria orgânica associada aos sólidos sedimentáveis tende a ir para o fundo da lagoa, onde é convertida anaerobiamente por microrganismos presentes no lodo de fundo. Ocorre ainda sedimentação bastante expressiva de ovos de helmintos e decaimento parcial de bactérias e vírus patogênicos. A remoção de nitrogênio e fósforo é baixa. A lagoa anaeróbia é mais profunda e tem menor volume e área superficial — o que dificulta a ocorrência de uma fotossíntese expressiva. Em consequência, predominam condições anaeróbias, que são responsáveis por uma remoção de cerca de 50 a 70% da matéria orgânica. A lagoa facultativa, situada a jusante, recebe, portanto, uma menor Lagoa anaeróbia - carga de matéria orgânica, o que propicia a que tenha uma menor área superficial. lagoa facultativa O sistema como um todo ocupa uma área inferior à demandada por sistemas compos- tos apenas por lagoas facultativas. A remoção de matéria orgânica e coliformes é um pouco mais elevada do que nos sistemas que tenham apenas lagoas facultativas, mas a remoção de nitrogênio e fósforo permanece baixa. O objetivo principal da lagoa de maturação é a remoção de organismos patogênicos, após a remoção da maior parte da matéria orgânica nas lagoas precedentes (anaeróbia e facultativa). Estas lagoas são mais rasas que as lagoas facultativas, e nelas a ativi- dade fotossintética das algas predomina com relação à respiração dos microrganis- mos. Ocorrem nelas condições ambientais adversas para bactérias patogênicas, como Lagoa de radiação ultravioleta, elevado pH, elevado OD, temperatura mais baixa que a do corpo maturação humano, falta de nutrientes e predação por outros organismos. Ovos de helmintos e cistos de protozoários tendem a sedimentar. As lagoas de maturação são usualmente projetadas como uma série de lagoas, ou como uma lagoa única com divisões por chicanas. A eficiência na remoção de coliformes é elevadíssima. Ocorre ainda remoção parcial de nitrogênio, mas a remoção de fósforo não é elevada. As lagoas de polimento se assemelham às lagoas de maturação, e de fato são pro- jetadas como tal. Recebem esta designação por proporcionarem um polimento na qualidade do efluente de reatores anaeróbios, principalmente os reatores tipo UASB, Lagoa de mais utilizados em nosso país. Além da função típica de lagoas de maturação (elevada polimento remoção de organismos patogênicos e remoção parcial de nitrogênio), é esperado que cumpram ainda com o polimento da matéria orgânica efluente dos reatores UASB, mas a elevada proliferação de algas dificulta a obtenção de efluentes com baixos teores de matéria orgânica e sólidos suspensos. FONTE: ADAPTADO PARCIALMENTE DE VON SPERLING (2002).
- 297. 296 ESGOTO FONTE: VON SPERLING (2002). Figura 9.1 Fluxogramas dos principais sistemas de lagoas de estabilização (sem aeração)
- 298. REMOçãO DE NUTRIENTES EM SISTEMAS NATURAIS 297 A tabela 9.2 apresenta uma comparação entre as principais características dos siste- mas de lagoas analisados (qualidade do efluente, eficiências de remoção e requisitos de área). A tabela 9.3 apresenta um balanço de vantagens e desvantagens de cada sistema de lagoas. Tabela 9.2 > Características dos principais sistemas de lagoas sem aeração ITEM GERAL ITEM ESPECíFICO SISTEMA DE LAGOAS Lagoa Lagoa Lagoa Reator UASB facultativa anaeróbia anaeróbia + + lagoas de + lagoa lagoa facult. polimento facultativa + lagoa de maturação DBO5 (mg/L) 50-80 50-80 40-70 40-70 DQO (mg/L) 120-200 120-200 100-180 100-180 SS (mg/L) 60-90 60-90 50-80 50-80 Concentrações Amônia-N (mg/L) > 15 > 15 10-15 10-15 típicas do efluente N total (mg/L) > 20 > 20 15-20 15-20 P total (mg/L) >4 >4 <4 <4 Coliformes (NMP/100ml) 106-107 106-107 102-104 102-104 Ovos helmintos (ovo/L) <1 <1 <1 <1 DBO (%) 70-80 75-85 80-85 77-87 DQO (%) 65-75 65-80 70-83 70-83 SS (%) 70-80 70-80 73-83 73-83 Eficiência Amônia (%) 25-50 25-50 50-70 50-70 Nitrogênio (%) 20-40 20-40 40-60 40-60 Fósforo (%) 20-50 20-50 25-60 25-60 Coliformes (%) 90-99 90-99 99,9-99,999 99,9-99,999 Requisitos área (m2/hab) 2,0 - 4,0 1,5 - 3,0 3,0 – 5,0 1,5 – 2,5 FONTE: VON SPERLING (2002).
- 299. 298 ESGOTO Tabela 9.3 > Balanço de vantagens e desvantagens dos sistemas de lagoas de estabilização SISTEMA VANTAGENS DESVANTAGENS Satisfatória eficiência na remoção de DBO Elevados requisitos de área Razoável eficiência na remoção de patógenos Dificuldade em satisfazer padrões Construção, operação e manutenção simples de lançamento restritivos Reduzidos custos de implantação e operação A simplicidade operacional pode trazer o descaso na manutenção (ex: crescimento Ausência de equipamentos mecânicos de vegetação) Lagoa facultativa Requisitos energéticos praticamente nulos Possível necessidade de remoção de Satisfatória resistência a variações de carga algas do efluente para o cumprimento Remoção de lodo necessária apenas após de padrões rigorosos períodos superiores a 20 anos Performance variável de acordo com as condições climáticas (temperatura e insolação) Possibilidade do crescimento de insetos Idem lagoas facultativas Idem lagoas facultativas Requisitos de área inferiores aos das lagoas Possibilidade de maus odores na lagoa anaeróbia Sistema de lagoa facultativas únicas Necessidade de um afastamento razoável anaeróbia das residências circunvizinhas + lagoa facultativa Necessidade de remoção periódica (intervalo de alguns anos) do lodo da lagoa anaeróbia Idem sistema de lagoas precedente Idem sistema de lagoas precedente Lagoa anaeróbia/ Elevada eficiência na remoção de patógenos Requisitos de área bastante elevados facultativa + (bactérias, vírus, protozoários, helmintos) Maiores custos de implantação em relação lagoa de maturação Razoável eficiência na remoção de nutrientes ao verificado para implantação de um sistema sem lagoas de maturação Idem lagoas + lagoas de maturação Controle operacional no reator UASB menos Menores requisitos de área do que o de simples do que o verificado nos sistemas Reator UASB + compostos apenas por lagoas sistemas de lagoas + lagoas de maturação lagoas de polimento/ Melhor controle de gases e odores no reator Necessidade do gerenciamento (desaguamento maturação UASB comparado com lagoas anaeróbias e destinação final) do lodo excedente retirado do reator UASB FONTE: VON SPERLING (2002). Livros anteriores do Prosab já cobriram o processo de lagoas de estabilização. Destaca- se, quanto a avaliação geral das lagoas de polimento, o seguinte capítulo: CAVALCANTI, P.F.F. et al. Capítulo 3: Pós-tratamento de efluentes de reatores anaeróbios por lagoas de polimento. In: CHERNICHARO, C.A.L. (coord). Pós-tratamento de efluentes de reato- res anaeróbios. Rio de Janeiro: PROSAB/ FINEP, 2001. p. 105-170. Quanto a avaliação da remoção de organismos patogênicos em lagoas de estabilização, destaca-se: VON SPERLING, M. et al. Capítulo 7: Lagoas de estabilização. In: GONçALVES, R.F. (coord). Desinfecção de efluentes sanitários. Rio de Janeiro: PROSAB/FINEP, 2003. p. 277-336.
- 300. REMOçãO DE NUTRIENTES EM SISTEMAS NATURAIS 299 Estes livros estão disponíveis para download no site do Prosab (http://www.finep.gov. br/prosab/produtos.htm). Por este motivo, o presente capítulo não incluirá maiores de- talhamentos do processo de lagoas, centrando-se principalmente no tópico da remo- ção de nutrientes. 9.2.2 Remoção de nitrogênio em lagoas de estabilização 9.2.2.1 Mecanismos de remoção Em processos naturais, como lagoas de estabilização, os fatores climáticos e a com- plexa interação estabelecida, neste ambiente, por diversos grupos de microrganismos proporcionam algumas rotas de transformação do nitrogênio. A Figura 9.2 apresenta as principais transformações passíveis de ocorrerem em sistemas de lagoas. Conforme já descrito neste livro, no esgoto sanitário bruto o nitrogênio é encontrado preponde- rantemente na forma de nitrogênio orgânico (N-org) e nitrogênio amoniacal (amônia livre N-NH3 + íon amônio N-NH4+). O N-org, na lagoa de estabilização, poderá ser, em grande parte, hidrolisado por bactérias heterotróficas, transformando-se em N-NH3: pelo processo da amonificação (parte 1 da Figura 9.2); pelo processo sedimentar; ou permanecendo no lodo da lagoa (parte 5 da Figura 9.2). O N-NH3 em condições ae- róbias, na presença de bactérias nitrificantes, poderá ser convertido a nitrito (NO2-) e posteriormente a nitrato (NO3-), pelo processo da nitrificação ( parte 3 da Figura 9.2). O nitrato, por sua vez, em condições anóxicas e na presença de carbono orgânico será utilizado por bactérias desnitrificantes como aceptor de elétrons no processo de desni- trificação (parte 4 da Figura 9.2), resultando na formação de nitrogênio molecular (N2) que escapa para atmosfera. O N-NH3 e NO3- também serão utilizados pelos organismos envolvidos no tratamento, principalmente algas e bactérias, que assimilam estas espé- cies para seu crescimento (parte 2 da Figura 9.2). Outra rota seguida pelo nitrogênio é o desprendimento da amônia livre (NH3) na forma de gás para atmosfera, processo denominado volatilização (parte 6 da Figura 9.2).
- 301. 300 ESGOTO FONTE: ADAPTADO DE LAI E LAM (1997). Figura 9.2 Principais rotas do nitrogênio em lagoas de estabilização é importante ressaltar que as diversas transformações não necessariamente implicam a remoção de nitrogênio do meio líquido, mas sim sua transformação. Diversos processos são responsáveis pela conversão da forma do nitrogênio, não influenciando, contudo, na concentração do nitrogênio total (NT) do efluente. Os principais mecanismos de remoção de nitrogênio em sistemas de lagoas, consi- derados por diversos autores são: volatilização da amônia; assimilação de amônia e nitratos pelas algas (com consequente sedimentação do N-org e sua retenção no lodo); e nitrificação – desnitrificação. Estes mecanismos podem atuar simultaneamente, com maior ou menor grau de impor- tância relativa, em função das características das lagoas e das condições climáticas do local (PANO, MIDDLEBROOKS, 1982; REED, 1985; CAMARGO VALERO, 2008; CAMARGO VALERO, MARA, 2005a; CRAGGS, 2005; SENZIA et al, 2002; FERRARA, AVCI, 1982). 9.2.2.2 Volatilização da amônia A amônia existe em solução, tanto na forma de íon (NH4+), como na forma livre, não ionizada (NH3), segundo o seguinte equilíbrio dinâmico: NH3 + H+ ↔ NH4+ 9.1 amônia livre amônia ionizada
- 302. REMOçãO DE NUTRIENTES EM SISTEMAS NATURAIS 301 A distribuição relativa assume a seguinte forma em função dos valores de pH: pH < 8 (praticamente toda a amônia na forma de NH4+); pH ≈ 9,5 (aproximadamente 50% de NH3 e 50% de NH4+); pH > 11 (praticamente toda a amônia na forma de NH3). Assim, nota-se que, na faixa usual de pH (próxima à neutralidade), a amônia apresenta- se praticamente na forma ionizada. A temperatura do líquido influi também nesta dis- tribuição. Na temperatura de 25o C, a proporção da amônia livre com relação à amônia total é aproximadamente o dobro da relação à temperatura de 15o C. A seguinte equação retrata a proporção de amônia livre em função do pH e da tempe- ratura (EMERSON et al, 1975): NH 3 livre 100 (%) = ( T + 273,20) Amônia total 2729,92 9.2 0,09018 + pH 1 + 10 onde: T: temperatura do líquido (oC) A aplicação da Equação 9.2 conduz aos valores da distribuição das formas de amônia apresentados na tabela 9.4 e ilustrados na Figura 9.3. Tabela 9.4 > Proporção das formas de amônia livre e ionizada, com relação à amônia total, em função de valores do pH e da temperatura pH T = 15 oC T = 20 oC T = 25 oC % NH3 % NH4+ % NH3 % NH4+ % NH3 % NH4+ 6,50 0,09 99,91 0,13 99,87 0,18 99,82 7,00 0,27 99,73 0,40 99,60 0,57 99,43 7,50 0,86 99,14 1,24 98,76 1,77 98,23 8,00 2,67 97,33 3,82 96,18 5,38 94,62 8,50 7,97 92,03 11,16 88,84 15,25 84,75 9,00 21,50 78,50 28,43 71,57 36,27 63,73 9,50 46,41 53,59 55,68 44,32 64,28 35,72
- 303. 302 ESGOTO FONTE: VON SPERLING (2005). Percentagem da amônia livre (NH3) com relação à amônia total, em função do pH Figura 9.3 e da temperatura As algas, ao realizarem a fotossíntese nas lagoas de estabilização, utilizam o dióxido de carbono (CO2) para síntese celular em maiores proporções do que a verificada na produção do CO2 pela respiração das próprias algas e das bactérias (responsáveis pela degradação da matéria orgânica). O resultado deste balanço positivo no consumo de CO2 em relação à sua produção proporciona maior dissociação de íons carbonato e bicarbonato — o que remove a acidez carbônica do meio, com consequente liberação de íons hidroxila no meio aquático, implicando elevação do pH (equações 9.3 e 9.4). 2HCO3- → CO3-2 + H20 + CO2 9.3 CO3-2 + H20 → 2OH- + CO2 9.4 Com a elevação do pH, a reação de equilíbrio da amônia (Equação 9.1) é deslocada para a esquerda, fazendo com que aumente a concentração de NH3 no meio, havendo escape deste composto para a atmosfera na forma de gás (o íon amônio, NH4+, não é capaz de se volatilizar). Além do pH e da temperatura, a taxa de volatilização da amônia é dependente das condições de mistura da lagoa, pois este fator influencia diretamente a magnitude do coeficiente de transferência de massa (como em todos os processos de transferência de gases). Uma vez que a amônia é convertida em sua forma gasosa, a transferência do NH3 da fase líquida para a atmosfera é função da diferença entre as pressões parciais do gás amônia presente em cada meio. Se a pressão parcial do gás dissolvido no líquido é maior do que a pressão parcial do gás na atmosfera sobre o líquido, a transferência ocorre do líquido para a atmosfera até que as pressões parciais encontrem o equilíbrio.
- 304. REMOçãO DE NUTRIENTES EM SISTEMAS NATURAIS 303 Camargo Valero e Mara (2006a) utilizaram um modelo teórico para calcular a razão de volatilização da amônia de acordo com a Equação 9.5. No entanto, os autores verifica- ram que os valores de amônia volatilizada calculados pelo modelo teórico foram muito superiores aos medidos em campo. k l .NH3 .V rd NH3 = 9.5 A onde: rdNH3: razão de dessorção de NH3 da fase líquida (g N/ha.d) kl: coeficiente de transferência de massa na fase líquida (d-1) NH3: concentração de NH3 na fase líquida (g N/m3) V: volume da lagoa (m3) A: área da lagoa (ha) O valor de kl pode ser estimado de acordo com a Equação 9.6, desenvolvida por Stratton (ZIMMO et al, 2003), e a concentração de NH3 pode ser estimada em função do pH e da temperatura conforme Equação 9.2. 0 , 0566 [ 0 ,13 ( T 20 )] kl = e 9.6 H onde: H: profundidade da lagoa (m) T: temperatura (°C) Apesar do posicionamento de diversos autores (PANO, MIDDLEBROOKS, 1982; CRAGGS, 2005) acerca da importância da volatilização da amônia como mecanismo preponde- rante da remoção de nitrogênio em lagoas, deve-se mencionar que outros estudos con- testam tal afirmativa. Nas pesquisas de Zimmo et al (2003), a remoção de nitrogênio via volatilização da amônia não ultrapassou 1,5% do nitrogênio amoniacal total removido em lagoas de estabilização tratando esgoto sanitário ao norte de Jerusalém. Camargo Valero (2008) e Camargo Valero e Mara (2006b) também sugerem que os valores de amônia removidos por volatilização representam uma menor fração, comparados com outros mecanismos tais como nitrificação-desnitrificação e sedimentação. O Prosab procurou contribuir nesta avaliação do mecanismo preponderante de remo- ção de nitrogênio e na estimativa da taxa de volatilização da amônia em lagoas de polimento. No entanto, os experimentos de captura e medição do gás desprendido não foram ainda concluídos, dificultando um posicionamento claro à luz de dados experi- mentais em nossas condições.
- 305. 304 ESGOTO 9.2.2.3 Nitrificação-desnitrificação O fenômeno da nitrificação-desnitrificação é explicado no Capítulo 6. Deve-se lembrar que a nitrificação não implica remoção de nitrogênio, mas tão somente sua conver- são de amônia para nitrito e nitrato. A remoção ocorrerá se houver a desnitrificação (quando o nitrato é convertido a nitrogênio gasoso, e, neste estado, escapa para a atmosfera). Como as condições ambientais requeridas para a nitrificação (condições aeróbias) e desnitrificação (condições anóxicas) são distintas, a obtenção destes dois objetivos passa a depender da coexistência na lagoa de zonas distintas com condições aeróbias e anóxicas, ou períodos de tempo em que estas condições se alternem. Vários autores (PANO, MIDDLEBROOKS, 1982; FERRARA, AVCI, 1982; REED, 1985; VON SPERLING, 2002) mencionam que os processos de nitrificação e desnitrificação são, de maneira geral, pouco representativos em lagoas de estabilização. Baixas concentrações de nitratos e de nitritos no efluente de lagoas indicam que este mecanismo geralmente não apresenta uma substancial contribuição para a remoção de amônia, principalmente nas lagoas de maturação e de polimento. Nestas lagoas, em função de suas baixas pro- fundidades e menor carga orgânica aplicada, prevalecem condições aeróbias na maior parte da massa líquida — o que reduz as possibilidades de se ter condições anóxicas e consequente desnitrificação. Ferrara e Avci (1982) assumem ainda que a concentração de bactérias nitrificantes na zona aeróbia das lagoas é pouco expressiva pelo fato do crescimento destas bactérias ser inibido pelas algas, além de serem adsorvidas por par- tículas que acabam se sedimentando nas lagoas. Os autores sugerem que a reduzida concentração destas bactérias na zona aeróbia parece não ser suficiente para ocorrer significativa oxidação do íon amônio. Entretanto, Andrianarison et al (2006), avaliando a remoção de nitrogênio em lagoas de maturação na costa do Mediterrâneo, sugerem que períodos de baixa temperatura favorecem o mecanismo de volatilização da amônia. Mas, à medida que a temperatura ambiente se eleva, a nitrificação, seguida de desnitrificação, passa a prevalecer. 9.2.2.4 Assimilação pelas algas e sedimentação do N-orgânico O N-org particulado afluente ao sistema de lagoas, em adição aos microrganismos que assimilaram nitrogênio inorgânico solúvel na formação de seus componentes celulares, é a principal forma passível de sedimentação. A amônia e os nitratos são assimilados pelos organismos para síntese de compostos celulares, na produção de proteínas e outros compostos que contêm nitrogênio. A mag- nitude da assimilação depende da taxa de crescimento dos organismos, que, por sua vez, é afetada por fatores como a temperatura, a carga orgânica, o tempo de detenção hidráulica, a radiação solar, além das características da água.
- 306. REMOçãO DE NUTRIENTES EM SISTEMAS NATURAIS 305 Os principais organismos responsáveis pela assimilação do nitrogênio em sistemas de lagoas são as algas. Senzia et al (2002) (referenciando NEEL et al, 1961; FRITZ et al, 1979; KADLEC, KNIGHT, 1996) relatam a preferência das algas e bactérias pela amô- nia, comparada ao nitrato, indicando que os microrganismos consomem nitrato apenas quando a amônia não está disponível. Em sua síntese celular, a assimilação de amônia pelas algas segue a seguinte relação (MONTEGGIA, TESSELE, 2001): NH4 + + 7,62 CO2 + 2,53H2O → C7,62H8,06O 2,53 N1 + 7,62 O2 + 1 H+ 9.7 onde: C7,62H8,06O2,53N1: composição celular média das algas Com base na composição da massa celular das algas tal como apresentado acima, ou admitindo outras variações, tem-se que o material celular das algas é composto de 6 a 12% de nitrogênio em peso seco (ARCEIVALA, 1981). A perda de nitrogênio através da assimilação pelas algas, e consequente saída pelo efluente, é de menor importância caso se deseje atingir elevados percentuais de remoção. As concentrações de SS no efluente de lagoas situam-se tipicamente entre 50 e 100 mg/L — dos quais a maio- ria é representada por algas. Assumindo-se uma concentração de 80 mg/L de algas no efluente, a perda de nitrogênio será de 0,06x80≈5 mgN/L a 0,12x80≈10 mgN/L. Admitindo-se um teor de NTK (amônia + nitrogênio orgânico) no esgoto afluente da ordem de 50 mgN/L, o percentual de remoção através de perda com o efluente final situa-se entre 10 e 20%. Camargo Valero e Mara (2006b) realizaram estudos com traçadores, no intuito de des- vendar o destino do nitrogênio nas lagoas. Os autores adicionaram isótopos de nitro- gênio (15NH4Cl) no início de uma lagoa de maturação em condições que favoreceriam a volatilização da amônia. Constataram que o 15N acumulou-se preponderantemente no nitrogênio orgânico particulado. Daí sugerirem que a assimilação do nitrogênio pela biomassa seja o principal destino do nitrogênio em lagoas. Diversos autores sugerem que a sedimentação do nitrogênio orgânico seja o princi- pal mecanismo de remoção de nitrogênio em lagoas de estabilização (FERRARA, AVCI, 1982; CAMARGO VALERO, MARA, 2006b; SENZIA et al, 2002). O nitrogênio orgânico que aflui ao sistema de lagoas poderá sofrer amonificação, ou poderá sedimentar junto ao fundo da lagoa. Outra via de sedimentação de nitrogênio orgânico seria a floculação espontânea e a sedimentação de algas, ou a sedimentação de algas mortas (CAVALCANTI et al, 2001).
- 307. 306 ESGOTO Ferrara e Avci (1982) argumentam que: a todo o momento, os organismos estão assi- milando amônia do meio aquático com produção de nova biomassa; grande parcela da matéria orgânica da biomassa não é biodegradável (aproximadamente 20%); e que, ao fim de seu ciclo de vida, a amônia acaba por sedimentar, permanecendo no lodo. 9.2.2.5 Modelos para estimativa das concentrações efluentes de nitrogênio e amônia A literatura apresenta algumas equações, desenvolvidas na América do Norte, para a estimativa da concentração efluente de amônia (Equações 9.8 e 9.9) e de nitrogênio (Equações 9.3 e 9.4). Quanto à remoção de amônia, tem-se o regime hidráulico de mistura completa (PANO, MIDDLEBROOKS, 1982) para T< 20oC (Equação 9.8) e T ≥ 20oC (Equação 9.9): Co Ce = 9.8 1 + [(A/Q) . (0,0038 + 0,00 0134.T ) . e (1,041 +0,044.T).( pH 6,6)) ] Co Ce = 9.9 -3 1 + [ 5,035x 10 . (A/Q) . e (1,540 x (pH 6,6)) ] onde: Co: concentração de amônia afluente (mg/L) Ce: concentração de amônia efluente (mg/L) Q: vazão afluente (m3/d) A: área superficial da lagoa (m2) T: temperatura do líquido (oC) pH: pH na lagoa O modelo desenvolvido por Pano e Middlebrooks (1982) assume que a volatilização da amônia é o principal mecanismo de remoção de nitrogênio. O modelo foi desenvolvido em lagoas facultativas operando nos EUA, com profundidades que variaram entre 1,2 e 1,5 m, e localizadas em regiões onde as temperaturas variam de 1 a 5 oC, ao longo do período de inverno, e ficam próximas de 20 oC durante o verão. Naturalmente, tais condições diferem das encontradas em nosso meio. Quanto à remoção de nitrogênio (WPCF, 1990; CRITES, MIDDLEBROOKS, REED, 2006), serão consideradas: lagoas facultativas, assumindo regime hidráulico de fluxo em pis- tão (modelo de REED, 1985) — Equação 9.10 ―, e lagoas facultativas, assumindo regime hidráulico de mistura completa (modelo de MIDDLEBROOKS, 1985) — Equação 9.11:
- 308. REMOçãO DE NUTRIENTES EM SISTEMAS NATURAIS 307 9.10 C e = C o . e{ K .[ t +60, 6 x ( pH 6, 6 ]} Co Ce= - 9.11 1 + t . ( 0 , 000576 T 0 , 00028 ) . e (1,08 0,042 x T ) . ( pH 6,6)) ] onde: Co: concentração afluente (mg/L) Ce: concentração efluente (mg/L) T: temperatura do líquido (oC) pH: pH na lagoa t: tempo de detenção hidráulica na lagoa (d) K: coeficiente de remoção (d-1) — pode ser estimado como KT = K20.(―)(T-20), onde K20= 0,0064 e o coeficiente de temperatura ― é 1,039. A equação apropriada deve ser aplicada sequencialmente em cada lagoa da série, de forma a conduzir ao valor da concentração no efluente final. As Equações 9.8 e 9.9 não conduzem a uma solução contínua para temperaturas in- feriores e superiores a 20 ºC. A utilização da Equação 9.8 para valores de T próximos a 20 ºC conduz a valores da concentração efluente inferiores aos da Equação 9.9. Com relação à Equação 9.11, observa-se que esta formulação é pouco sensível a variações nos valores de pH e T. A utilização das equações acima pressupõe o conhecimento do valor de pH (variável esta que não é conhecida, de antemão, na fase de projeto). As referências acima apre- sentam ainda a seguinte equação, que pode ser utilizada para a estimativa do pH na lagoa, em função da alcalinidade no esgoto afluente: pH = 7,3 e (0,0005.alc) 9.12 onde: alc: alcalinidade no esgoto afluente (mgCaCO3/l) No entanto, a Equação 9.12 não leva em consideração a profundidade da lagoa. Sabe- se que, quanto menor a profundidade da lagoa, maiores serão a penetração da energia luminosa ao longo da coluna d’água, a atividade fotossintética, o consumo da acidez carbônica e a elevação no pH (CAVALCANTI et al, 2001). Em lagoas de maturação, pode- rão ser atingidos valores de pH bem superiores aos previstos pela Equação 9.12. A tabela 9.5 e a Figura 9.4 apresentam as eficiências de remoção de amônia, baseados na utilização da Equação 9.9, para temperaturas de 20 ºC ou superiores.
- 309. 308 ESGOTO Tabela 9.5 > Eficiência de remoção de amônia em função da Taxa de Aplicação Hidráulica (Q/A) e do pH (T ≥ 20o C) Q/A (m3/m2.d) EFICIêNCIA NA REMOçãO DE AMôNIA (%) pH = 7,0 pH = 7,5 pH = 8,0 pH = 8,5 pH = 9,0 0,025 27 45 63 79 89 0,050 16 29 47 65 80 0,075 11 21 37 56 73 0,100 9 17 30 48 67 0,125 7 14 26 43 62 0,150 6 12 22 39 57 EFICIêNCIA DE REMOçãO CALCULADA SEGUNDO A EQUAçãO 9.9 FONTE: VON SPERLIN (2002). Eficiência de remoção de amônia em função da Taxa de Aplicação Hidráulica (Q/A) Figura 9.4 e do pH (T ≥ 20o C) Ambos os modelos enfatizam a importância da volatilização da amônia como mecanis- mo predominante de remoção de nitrogênio nas lagoas, principalmente em períodos ensolarados, confirmando a opinião de outros autores (PANO, MIDDLEBROOKS, 1982; VON SPERLING, 2002; CAVALCANTI et al, 2001). 9.2.3 Remoção de fósforo em lagoas de estabilização O fósforo presente no esgoto é composto de fósforo orgânico e fosfatos, sendo que os últimos representam a maioria. Os principais mecanismos de remoção de fósforo em la- goas de estabilização são (ARCEIVALA, 1981; VAN HAANDEL, LETTINGA, 1994; VON SPER- LING, 2002; CRAGGS, 2005): retirada do fósforo orgânico contido nas algas e bactérias através de saída com o efluente final; sedimentação do fósforo orgânico nos sólidos; precipitação de fosfatos em condições de elevado pH.
- 310. REMOçãO DE NUTRIENTES EM SISTEMAS NATURAIS 309 O fósforo orgânico compõe parte do material celular das algas. Em peso seco, o fós- foro corresponde a valores em torno de 1 a 2% da massa das algas (ARCEIVALA, 1981; CRAGGS, 2005). Portanto, assumindo-se uma concentração relativamente elevada de 80 mg/L de algas no efluente, a perda de fósforo será em torno de 0,01x80≈0,8 mgP/L a 0,02x80≈1,6 mgP/L. Admitindo-se uma concentração de fósforo no afluente ao redor de 8 mgP/L, o percentual de remoção através de perda com o efluente final situa-se apenas em torno de 10 a 20%. O fósforo orgânico associado a sólidos em suspensão sedimentáveis (incluindo o fósfo- ro assimilado pela biomassa bacteriana e algal) pode ser removido da massa líquida por sedimentação, incorporando-se ao lodo de fundo. Sob condições anaeróbias no fundo, o fósforo pode ser ressolubilizado e reincorporado à massa líquida. Remoções de fósforo mais significativas podem ocorrer através da precipitação dos fosfatos em condições de pH elevado. O fosfato pode precipitar-se na forma de hi- droxiapatita ou estruvita. No caso da remoção de fósforo por precipitação, a depen- dência de altos valores de pH é maior do que a verificada na remoção de amônia por volatilização (dessorção): o pH deve ser no mínimo 9 para que haja uma precipitação significativa de fósforo. Em lagoas especialmente rasas e com baixas taxas de aplicação hidráulica, a remoção de fósforo situa-se entre 60 e 80% (CAVALCANTI et al, 2001), ao passo que em lagoas facultativas e aeradas, a eficiência de remoção usualmente é inferior a 35%. A solubilidade de fosfatos em águas residuárias depende da concentração de cátions e do pH, que, por sua vez, determina a concentração relativa das espécies de fosfato: H2PO4-, HPO4= e PO43-. Na Figura 9.5, observa-se um diagrama da solubilidade de vários fosfatos em função do pH. Adotou-se uma concentração de 1 mmol/L ou 100 ppm- CaCO3 de cálcio, isto é, uma água moderadamente dura. A solubilidade do fosfato foi calculada a partir das equações de equilíbrio de possíveis precipitados que poderiam se formar: CaHPO4, Ca4H(PO4)3 e Ca10(OH)2(PO4)6. As equações das reações de equilíbrio são (STUMM, MORGAN, 1981):
- 311. 310 ESGOTO CaHPO4 → Ca 2 + + HPO4= ( pK = − 6,6) Ca 4 H (PO4 )3 → 4Ca + 3PO + H 2+ 3− 4 + ( pK = − 46,9) Ca10 (OH )2 (PO4 )6 → 10Ca + 6 PO + 2OH 2+ 3− 4 − ( pK = − 114 ) FONTE: CAVALCANTI ET AL, 2001. Figura 9.5 Diagrama da solubilidade de P para vários minerais fosfatados OBSERVAçãO: FAIXA USUAL DA CONCENTRAçãO DE FóSFORO EM ESGOTO: 6 A 9 MGP/L (INDICADA NA FIGURA) A Figura 9.5 mostra que, sob condições normais, a solubilidade do fosfato como hidroxiapatita Ca10(OH)2(PO4)6 está na faixa de 10-9 a 10-10 moles/L de P, enquanto a concentração de fósforo no esgoto normalmente é na faixa de 0,2 a 0,3.10-3 moles/L de P (6 a 9 mg/L de P), de maneira que, termodinamicamente, deveria haver uma remoção eficiente do fosfato. Todavia, isto não é o que se observa na prática: a remoção de fós- foro em lagoas é bem aquém daquela correspondente ao equilíbrio termodinâmico, e o mecanismo parece ser mais em função da sedimentação de fosfato orgânico do que da precipitação de minerais (CAVALCANTI et al, 2001). A tabela 9.6 apresenta alguns complexos de fosfato que podem se formar, juntamente com seus produtos de solubilidade (pKs). Tabela 9.6 > Produtos de solubilidade de alguns complexos de fosfato COMPOSTO FóRMULA QUíMICA pKs a 20º C pKs a 25º C Fosfato de magnésio amônio (estruvita) MgNH4PO4 115,0 Hidroxiapatita Ca5(PO4)3OH 58,5 52,8-57,0 Fosfato de octacálcio Ca4H(PO4)3.3H20 50,6 46,9 Fosfato tricálcio Ca3(PO4)2 25,2-28,1 FONTE: CRAGGS (2005).
- 312. REMOçãO DE NUTRIENTES EM SISTEMAS NATURAIS 311 Embora a estruvita e a hidroxiapatita sejam mais estáveis termodinamicamente do que outros complexos, vários fatores afetam sua formação. A estrutiva (MgNH4PO4) é pouco provável de se formar com esgoto doméstico típico (que contém baixas concentrações de Mg). Em valores de pH superiores a 8,2 a precipitação de hidroxiapatita pode ser um mecanismo importante (especialmente se o esgoto tem uma relação Ca:P próxima a 2:1), mas pode ser inibida pela presença de íons de magnésio e ácidos orgânicos (fúlvi- cos, húmicos, tânicos). A inibição da formação de hidroxiapatita pode resultar na pre- cipitação de compostos de fósforo, incluindo fosfato de octacálcio e fosfato tricálcio. O fosfato precipitado em condições de elevado pH durante o dia pode ser subsequente- mente liberado durante a noite, quando o pH cai abaixo de 8,0 (CRAGGS, 2005). 9.2.4 Experiências do Prosab na remoção de nutrientes em lagoas de estabilização Três instituições efetuaram pesquisas relacionadas à remoção de nutrientes em lagoas de estabilização: UFMG, USP e UFRGS. Os resultados detalhados estão apresentados nos diversos trabalhos publicados em periódicos e anais de eventos. 9.2.4.1 Objetivos Os objetivos gerais das pesquisas foram: na UFMG, avaliar a remoção de N e P em um sistema de lagoas de polimento rasas em série; na USP, determinar as eficiências na remoção de nitrogênio amoniacal em sistema de lagoas de estabilização, associadas às taxas de aplicação de NTK, tempo de detenção hidráulica e profundidade útil; na UFR- GS, estudar a eficiência de remoção de nutrientes pelo emprego de substratos artificiais e colonização perifítica em lagoas de polimento. 9.2.4.2 Descrição dos sistemas O sistema da UFMG, implantado na ETE Experimental UFMG/Copasa (Belo Horizonte) era composto pelas seguintes unidades em série: um reator UASB, três lagoas de po- limento rasas e um filtro grosseiro de brita 3 (Figura 9.6). O sistema operou com uma vazão média de 23 m3/d, segundo as condições descritas na tabela 9.7.
- 313. 312 ESGOTO FONTE: UNIVERSIDADE FEDERAL DE MINAS GERAIS, BELO HORIZONTE, MG. Figura 9.6 Esquema do sistema pesquisado pela UFMG Tabela 9.7 > Características físicas e operacionais das Lagoas de Polimento e Filtro de Pedra pes- quisados pela UFMG CARACTERíSTICAS LAGOA 1 LAGOA 2 LAGOA-3 FILTRO Comprimento no fundo (m) 25 25 16,5 8,5 Largura no fundo (m) 5,3 5,3 5,3 5,3 Altura da lâmina d’água (m) 0,8 0,8 0,6 0,6 Altura do leito de pedras (m) - - - 0,7 Tempo de detenção hidráulica (d) 4,3 4,3 1,5 0,6 Taxa de aplicação hidráulica (m /m .d) 3 2 0,15 0,15 0,22 0,52 FONTE: UNIVERSIDADE FEDERAL DE MINAS GERAIS, BELO HORIZONTE, MG. O sistema da USP, implantado na cidade de Lins-SP, era composto por lagoas em escala real seguidas por lagoas em escala piloto. O sistema em escala real era consti- tuído por três linhas em paralelo de lagoas anaeróbias seguidas por lagoas facultati- vas (Figura 9.7a). O sistema em escala piloto recebia o efluente do sistema em escala real, e compreendia duas lagoas de maturação (em paralelo) chicaneadas (relação comprimento/largura = 16:1): uma com 1,0 m de profundidade e outra com 0,5 m de profundidade (Figura 9.7.b). Variou-se a vazão de aplicação e o tempo de detenção hidráulica (TDH de 5,0, 7,5, 10,0 e 15,0 d), de forma a se avaliar a influência do TDH e da profundidade de operação (1,0 e 0,5m).
- 314. REMOçãO DE NUTRIENTES EM SISTEMAS NATURAIS 313 A B FONTE: UNIVERSIDADE DE SãO PAULO, LINS, SP. Vista das lagoas de estabilização pesquisadas pela USP Figura 9.7 (A) Lagoas anaeróbias e facultativas em escala real (B) Lagoa de maturação em escala piloto O sistema da UFRGS é constituído de um reator UASB seguido por uma lagoa de po- limento (TDH=12,5d; H=1,0m), a qual, por sua vez, é seguida por quatro lagoas de maturação em série (relação comprimento/largura = 8:1; H = 1,0m) — Figura 9.8. As quatro lagoas de maturação trabalhavam com redes com perifíton (biofilmes de algas), que, potencialmente, poderiam auxiliar na remoção de nutrientes. Cada lagoa operava com uma diferente relação “área do material suporte / área superficial da lagoa”: lagoa 1, relação 1:1; lagoa 2, relação 2:1; lagoa 3, relação 3:1; lagoa 4, sem material suporte. A B FONTE: UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO GRANDE DO SUL, PORTO ALEGRE, RS. Sistema de lagoas pesquisado pela UFRGS Figura 9.8 (A) Fluxograma (B) Vista das lagoas
- 315. 314 ESGOTO 9.2.4.3 Principais resultados As estatísticas descritivas das concentrações efluentes dos principais parâmetros es- tão apresentadas no Capítulo 11. A Figura 9.9 apresenta uma síntese dos resulta- dos, expressos na forma de gráfico box-plot das concentrações efluentes das lagoas. Os resultados dizem respeito à fase operacional mais representativa, uma vez que, por questões de espaço, não são detalhados aqui os resultados de cada fase ou condição operacional. Os gráficos mostram linhas horizontais, relativas a metas de qualida- de almejadas: DBO=60mg/L; DQO=150mg/L; N-amoniacal=20mg/L; N total=25mg/L; P total=2mg/L; SS=60mg/L (ver explicações no Capítulo 11). Gráfico box-plot das concentrações efluentes dos sistemas de lagoas pesquisados pela Figura 9.9 UFMG, USP e UFRGS OBSERVAçõES: UFMG: REATOR UASB + 3 LAGOAS DE POLIMENTO EM SéRIE + FILTRO GROSSEIRO (UASB+3LP+FG) USP: LAGOA ANAERóBIA + LAGOA FACULTATIVA + LAGOA DE MATURAçãO (LAN+LF+LM) UFRGS: REATOR UASB + LAGOA DE POLIMENTO + LAGOA COM PERIFÍTON
- 316. REMOçãO DE NUTRIENTES EM SISTEMAS NATURAIS 315 De maneira geral, observa-se uma variabilidade de sistema para sistema em termos de concentrações efluentes, principalmente para DBO, DQO e SS. No entanto, as concen- trações de amônia (um dos principais objetivos das pesquisas) foram predominante- mente baixas nas condições operacionais consideradas mais representativas — o que indica o potencial dos sistemas para atingirem a meta de 20 mg/L. Com relação ao fósforo, alguns sistemas recebiam concentrações afluentes já baixas, e os percentuais de remoção não foram particularmente elevados. Como pode ser visto na Figura 9.10.a, para o sistema UASB/lagoas de polimento/fil- tro grosseiro (UFMG), as concentrações de nitrogênio amoniacal aumentam no reator UASB (como esperado, devido à amonificação), decrescem ao longo de cada uma das três lagoas em série, e são pouco afetadas pelo filtro grosseiro. A Figura 9.10 mostra as médias das formas de nitrogênio ao longo do sistema, destacando-se a predominância do nitrogênio amoniacal. A B FONTE: UNIVERSIDADE FEDERAL DE MINAS GERAIS, BELO HORIZONTE, MG. Nitrogênio ao longo do sistema reator UASB, lagoas de polimento e filtro grosseiro (UFMG) Figura 9.10 (A) Box-plot das concentrações de nitrogênio amoniacal (B) Concentrações médias das formas de nitrogênio Já para as lagoas de maturação em escala piloto tratando o efluente do sistema lagoa anaeróbia/ lagoa facultativa (USP), a Figura 9.11 permite a extração de importantes conclusões. Na figura, são apresentados gráficos box-plot das concentrações efluen- tes de nitrogênio amoniacal da lagoa facultativa e das duas lagoas de maturação em paralelo (0,5 m e 1,0m de profundidade). Os gráficos da esquerda e do centro mostram a condição em que ambas as lagoas de maturação operaram com o mesmo tempo de detenção hidráulica (5 dias na esquerda e 10 dias no centro). Como o volume da lagoa de 0,5 m é a metade do volume da lagoa de 1,0 m, a lagoa mais rasa recebia a metade da vazão afluente e a metade da carga superficial de amônia da lagoa menos
- 317. 316 ESGOTO rasa, mas a mesma carga volumétrica de amônia. Por outro lado, o gráfico da direita ilustra a fase operacional em que a lagoa de 0,5 m operou com metade do TDH da lagoa de 1,0 m. Nesta fase operacional, a lagoa rasa recebeu a mesma vazão afluente e a mesma carga superficial da lagoa menos rasa, mas o dobro da carga volumétrica de amônia. Observa-se que, em qualquer condição operacional, a lagoa mais rasa pro- duziu menores concentrações efluentes de amônia, destacando-se a situação em que, com metade do TDH e o dobro da carga volumétrica, ela ainda foi mais eficiente. Esta conclusão ressalta a importância de se trabalhar com lagoas bastante rasas para se alcançar um melhor desempenho na remoção de amônia. FONTE: UNIVERSIDADE DE SãO PAULO, LINS, SP. Gráficos box-plot das concentrações efluentes de N-amoniacal, para distintas condi- Figura 9.11 ções operacionais das lagoas (USP) Com relação ao estudo da UFRGS a respeito da influência da densidade de perifíton, os resultados finais não foram conclusivos com relação à melhor relação área perifíton/ área total, e não são mostrados aqui. Apresentam-se a seguir comentários gerais sobre as principais conclusões das pesqui- sas das três instituições (por uma questão de espaço, os dados não são apresentados neste capítulo): lagoas de polimento ou de maturação conseguem produzir consis- tentemente efluentes com menos de 20 mg/L de amônia; eficiências de remoção mais elevadas são alcançadas em lagoas com baixas profundidades; a elevação do TDH con- tribui para aumentar a eficiência de remoção de N-amoniacal; lagoas mais rasas e com menor TDH podem ser mais eficientes do que lagoas menos rasas e com maior TDH; as lagoas de polimento/maturação não se mostraram eficientes na remoção de P; elevados teores de SS e DQO particulada podem ser observados no efluente das lagoas.
- 318. REMOçãO DE NUTRIENTES EM SISTEMAS NATURAIS 317 Filtros grosseiros contribuem com uma remoção de cerca de 50% dos SS; a inclusão de rede com perifíton deve ser ainda otimizada para se comprovar suas vantagens sobre os sistemas sem perifíton. Deve-se lembrar sempre que as lagoas, sendo sistemas naturais, ocupam grandes áreas superficiais, e este aspecto deve ser levado em conta na decisão de qual tratamento adotar. Dentre os sistemas pesquisados, os requisitos de área útil foram: na UFMG, 3 lagoas de polimento + filtro grosseiro (2,0 m2/hab, TDH total=10 d); na USP, lagoa de maturação apenas (2,9 m2/hab; TDH=10,5d); na UFRGS, lagoa de polimento + lagoa com perifíton (3,9 m2/hab, TDH total=28d). 9.2.5 Considerações finais acerca da remoção de nutrientes em lagoas de estabilização As principais conclusões dos estudos de revisão da literatura e estudos experimentais no Prosab corroboram o relato de Cavalcanti et al (2001), e podem ser resumidas da forma que se segue. Em primeiro lugar, as lagoas de polimento/maturação podem ser vantajosas para a re- moção de nitrogênio caso sejam integradas com o objetivo de remoção de coliformes. A implantação de sistemas de lagoas visando prioritariamente a remoção de nitrogê- nio não parece ser uma estratégia adequada em função das eficiências apenas parciais de remoção e dos elevados requisitos de área. No entanto, caso seja incluído como objetivo prioritário a remoção de organismos patogênicos, as lagoas de maturação/ polimento são bastante eficazes, e a remoção parcial de nitrogênio poderá ser advinda como um subproduto do processo. Um segundo ponto atenta para o fato de que uma remoção significativa dos nutrien- tes só é possível quando a lagoa de maturação/polimento é rasa. Ainda assim, esta remoção só ocorrerá quando a área disponível for considerável e as condições para fotossíntese forem favoráveis. Em terceiro lugar, a eficiência de remoção de nutrientes em lagoas facultativas não é expressiva. Em quarto, a remoção de amônia começa a ser factível a partir do pH de 8,0 (aumen- tando à medida que o pH se eleva). Em condições climáticas favoráveis, a área necessá- ria para uma concentração de N-amoniacal menor que 5 mg/L é em torno de 2-3 m2/ hab para uma profundidade de 0,5 m e em torno de 3-4 m2/hab para uma profundidade de 1,0 m. Para profundidades maiores que 1,0 m a perda de nitrogênio será pequena. Por fim, a remoção de fósforo, na forma de seu íon fosfato, só começa a ser signifi- cativa quando o pH supera o valor de 9, embora, termodinamicamente, o fosfato seja
- 319. 318 ESGOTO instável para valores do pH acima de 7. A área necessária para a remoção de P depende muito da profundidade, tendo-se um valor de 3 m2/hab ou mais para lagoas rasas (H<0,5 m). Para lagoas de profundidade de 1,0 m, ou mais, a remoção de P é pratica- mente inexistente. 9.3 Sistemas de leitos cultivados (wetlands ) 9.3.1 Principais variantes O processo de leitos cultivados já foi objeto de investigação do Prosab, e está relatado nas referências listadas abaixo. Por este motivo, o presente item centra-se em uma breve descrição do sistema, dando maior destaque para a remoção de nutrientes. Quanto à descrição geral do processo de leitos cultivados, destaca-se: MARQUES, D.M. Capítulo 15: Terras úmidas construídas de fluxo subsuperficial. In: CAMPOS, J.R.(coord). Tratamento de esgotos sanitários por processo anaeróbio e disposição controlada no solo. Prosab, 1999. Quanto aos leitos cultivados como pós-tratamento de efluentes de reatores anaeró- bios, destaca-se: CORAUCCI FILHO, B. et al. Pós-tratamento de efluentes de reatores anaeróbios por sistemas de aplicação no solo. In: CHERNICHARO, C.A.L. (coord). Pós- tratamento de efluentes anaeróbios. Prosab, 2001. O texto a seguir é baseado nas duas referências do Prosab e nos seguintes livros-texto e manuais: WPCF, 1990; OPS/OMS, 1999; USEPA, 2000; von Sperling, 2005; Crites et al, 2006. Terras úmidas naturais são áreas inundadas ou saturadas por água superficial ou sub- terrânea, que suportam uma vegetação adaptada a estas condições. As terras úmidas naturais incluem pântanos, brejos e áreas similares, que abrigam diversas formas de vida aquática. Terras úmidas construídas, leitos cultivados, leitos com macrófitas, leitos vegetados, banhados artificiais, alagados artificiais e, em inglês, wetlands são algumas das várias denominações utilizadas para designar processos de tratamento de esgoto que con- sistem de lagoas, tanques ou canais rasos (usualmente com profundidade inferior a 1,0 m) que abrigam plantas aquáticas, e que se baseiam em mecanismos biológicos, químicos e físicos para tratar o esgoto. As terras úmidas usualmente construídas pos- suem uma camada impermeável de argila ou membrana sintética, e estruturas para controlar a direção do fluxo, tempo de detenção hidráulica e nível d’água. Dependen- do do sistema, elas podem conter um meio poroso inerte (como pedras, cascalho ou areia). As terras úmidas construídas diferem das naturais pela interferência humana
- 320. REMOçãO DE NUTRIENTES EM SISTEMAS NATURAIS 319 (em aterros, drenagem, alteração de fluxo e alteração das propriedades físicas). A uti- lização direta de terras úmidas naturais para o tratamento de esgoto é impactante e não deve ser incentivada. No presente item, os diversos termos que designam as wetlands são usados indistin- tamente, sem que haja preferência por nenhum deles, uma vez que todos têm sido empregados em nosso meio. Há basicamente os seguintes tipos de terras úmidas construídas: as de fluxo horizon- tal superficial; as de fluxo horizontal subsuperficial (leitos submersos vegetados de fluxo subsuperficial) e os leitos cultivados de fluxo vertical. Quanto às de fluxo horizontal superficial, assemelham-se a terras úmidas naturais, em aparência, porque contêm plantas aquáticas flutuantes e/ou enraizadas (emergentes e submersas) em uma camada de solo no fundo, e a água flui livremente entre as folhas e caules das plantas. Podem ter áreas abertas dominadas pelas plantas, ou apresentar ilhas com funções de habitat. São utilizadas plantas dos gêneros: emergentes (Typha, Phragmites, Scirpus); submersas (Potamogeon, Elodea, etc); e flutuantes (Eichornia, vulgo aguapé; Lemna, vulgo lentilha d’água). Plantas nativas são preferidas. Apresen- tam uma ecologia aquática bastante complexa. Podem ter o fundo revestido ou não, dependendo das exigências ambientais. A altura da lâmina d’água situa-se entre 0,6 a 0,9 m para as zonas vegetadas (ou menos, no caso de certas plantas emergentes), e 1,2 a 1,5 m para as zonas de água livre. São adequadas para receber efluentes de lagoas de estabilização. Quanto às de fluxo horizontal subsuperficial (leitos submersos vegetados de fluxo sub- superficial), não se assemelham a terras úmidas naturais porque não há água livre na superfície. Contêm um leito composto de pequenas pedras, cascalho, areia ou solo, dando suporte ao crescimento de plantas aquáticas. O nível d’água permanece abai- xo da superfície do leito, e o esgoto fluí em contato com as raízes e os rizomas das plantas (onde se desenvolve o biofilme bacteriano) - que não são visíveis nem estão disponíveis para a biota aquática. Os gêneros de plantas utilizados têm sido: Typha, Juncos, Scirpus, Carex e Phragmites. A altura do meio situa-se entre 0,5 e 0,6 m, e a da água dentro do meio, entre 0,4 e 0,5 m. O leito deve ter uma granulometria tal que permita o fluxo continuado do esgoto, sem problemas de entupimento. A maior parte da zona subsuperficial é anaeróbia, com sítios aeróbios imediatamente adjacentes aos rizomas e raízes. Há um menor potencial de geração de maus odores e de surgimento de mosquitos e ratos. São adequados para receber efluentes de tanques sépticos e reatores anaeróbios, e merecem cuidados adicionais no caso de efluentes de lagoas de estabilização, em virtude da presença de algas.
- 321. 320 ESGOTO Quanto ao leito cultivado de fluxo vertical, tipicamente trata-se de um filtro de areia, ou cascalho, plantado com vegetação. No fundo do meio filtrante há uma série de dutos que recolhem o esgoto tratado. A operação assemelha-se à rotina de um filtro intermi- tente, com ciclos de dosagem na superfície e drenagem pelo fundo, diferindo, portanto, da concepção convencional das terras úmidas. Sendo a dosagem intermitente, o fluxo é normalmente em meio não saturado. Após a dosagem, o meio volta a ser não-saturado e provavelmente aeróbio. Normalmente, utilizam mais de um leito em paralelo, sendo que um deles recebe as bateladas durante um ou mais dias, enquanto os outros estão em repouso — o que permite a ocorrência da digestão e secagem do lodo na superfície e a manutenção das condições aeróbias no leito. A Figura 9.12 ilustra esquematicamente as principais variantes das terras úmidas cons- truídas, ao passo que as Figuras 9.13 e 9.14 detalham as variantes de fluxo horizontal superficial e fluxo vertical. FONTE: VON SPERLING, 2005. Figura 9.12 Esquema de funcionamento das terras úmidas construídas
- 322. REMOçãO DE NUTRIENTES EM SISTEMAS NATURAIS 321 FONTE: UNIVERSIDADE FEDERAL DE MINAS GERAIS, BELO HORIZONTE, MG. Figura 9.13 Seção longitudinal de um leito cultivado de fluxo horizontal subsuperficial FONTE: UNIVERSIDADE FEDERAL DE MINAS GERAIS, BELO HORIZONTE, MG. Figura 9.14 Seção longitudinal de um leito cultivado de fluxo vertical 9.3.2 Remoção de nitrogênio em sistemas de leitos cultivados (wetlands ) 9.3.2.1 Mecanismos de remoção de nitrogênio O nitrogênio pode sofrer várias transformações nas diferentes tipologias de wetlands: ele pode ser assimilado por plantas e pela microflora da wetland (preferencialmente como NH4+ e NO3-); parte dele pode ser lixiviada para o fundo da unidade, parte libe- rada como gás para a atmosfera e uma fração sair com o efluente, normalmente na forma dissolvida. O ciclo do nitrogênio dentro de uma wetland de fluxo subsuperficial, bem como a remoção deste nutriente do sistema, geralmente envolve: a translocação e transfor- mação do nitrogênio, incluindo a sedimentação (ressuspensão), difusão da forma dissolvida, decomposição de restos de plantas e outros resíduos, adsorção/dessorção de nitrogênio solúvel pelas partículas do meio, migração de organismos, assimilação através da biota da wetland, liberação pelas sementes, amonificação (ou mineralização: N-org > NH4+), volatilização da amônia (NH4+ > NH3 gás), reações de nitrificação/ desnitrificação mediadas por bactérias, fixação de nitrogênio (N2, N2O gases > N-org) e assimilação de nitrogênio através da biota da wetland (NH4 e NO3-).
- 323. 322 ESGOTO A precipitação não é um processo significativo devido à alta solubilidade do nitrogê- nio, até mesmo sob formas inorgânicas (KADLEC, KNIGHT, 1996). O nitrogênio orgânico inclui uma fração significativa da biota, resíduos, solos, sedi- mentos e sólidos dissolvidos de uma wetland. Este N-org não é assimilado prontamen- te pelas plantas aquáticas, e deve ser convertido a NH4+, ou NO3- através de conversões múltiplas que requerem tempos de reação longos (KADLEC, KNIGHT, 1996). O processo biológico de remoção de nitrogênio segue várias etapas. A nitrificação ocorre em primeiro lugar, geralmente na rizosfera e em biofilmes (processo aeróbio). A desnitrificação pode seguir então, ocorrendo no meio abaixo da micro-zona oxidada, como um processo anaeróbio (KADLEC, KNIGHT, 1996). Discorre-se a seguir sobre os principais mecanismos interagentes na remoção de nitrogênio em wetlands nos processos de nitrificação, desnitrificação, e assimilação pelas plantas. Que sejam feitas algumas considerações, inicialmente, sobre a nitrificação. Em wetlands horizontais subsuperficiais, a taxa de reaeração atmosférica é subs- tancialmente menor que a verificada em wetlands de fluxo superficial. As raízes e rizomas da vegetação podem possuir microsítios aeróbios em sua superfície, e a água residuária fluindo através do leito teria, assim, oportunidade de estar em contato com esses locais aeróbios em um meio que, em sua grande parte, é anaeróbio. De toda forma, nenhum consenso foi alcançado sobre o quanto de oxigênio pode ser fornecido para a rizosfera em wetlands horizontais de fluxo subsuperficial, bem como a transferência de oxigênio fornecida pelas diferentes espécies de plantas. Ge- ralmente se concorda que essas plantas emergentes transmitem oxigênio suficiente para permanecerem vivas sob condições normais de estresse. No entanto, há desa- cordo sobre o quanto de oxigênio está disponível para a superfície das raízes supor- tarem a atividade biológica. A demanda de oxigênio para oxidar a matéria orgânica pode equivaler à maior parte desse oxigênio (CRITES et al, 2005), e a importância da transferência do oxigênio via aerênquima de algumas plantas pode ser pequena no balanço do oxigênio dissolvido (USEPA, 2000). Como a maior parte das fontes de oxigênio em wetlands subsuperficiais está em razão das raízes das plantas, é de grande importância que o sistema de raízes penetre por toda a profundidade dimensionada para o leito. Toda a água que flui abaixo da rizos- fera está em meio completamente anaeróbio e a nitrificação não ocorrerá exceto por difusão, através das camadas superiores.
- 324. REMOçãO DE NUTRIENTES EM SISTEMAS NATURAIS 323 Já em wetlands de fluxo vertical, como o meio permanece não saturado entre uma batelada e outra, pode-se ter condições aeróbias que seriam suficientes para suportar uma eficiente nitrificação (MOLLE et al, 2005). Quanto à desnitrificação, para se ter a rota tradicional deste processo (conversão do nitrato a nitrogênio gasoso), é essencial que tenha havido uma nitrificação preceden- te, de forma a produzir nitrato. Conforme discutido no item anterior, para a ocorrência da nitrificação necessita-se de condições aeróbias, ao passo que, para se ter a desnitri- ficação, deve haver ausência de oxigênio dissolvido. Portanto, em locais ou microsítios distintos deve-se ter condições antagônicas com presença e ausência de oxigênio. Por fim, no que diz respeito à assimilação de nitrogênio pelas plantas, todas as plan- tas, tais como as macrófitas, requerem nutrientes para seu crescimento e reprodução. Estudos sobre a variação mensal ou sazonal da composição química de macrófitas têm mostrado que, em relação a alguns elementos como o fósforo, nitrogênio e com- postos como carboidratos, proteínas e lipídios, as concentrações variam constante- mente. Estas variações estão ligadas à dinâmica da comunidade de macrófitas, à dis- ponibilidade de nutrientes do meio e a fatores climáticos, que possibilitem estocá-los, metabolizá-los, translocá-los ou mesmo excretá-los para o meio ambiente (PHILIPPI, SEZERINO, 2004). A forma pela qual as macrófitas incorporam nitrogênio na biomassa é a assimilação. Este processo implica em uma variedade de processos biológicos que convertem for- mas inorgânicas do nitrogênio para compostos orgânicos que servem de reserva para as células e os tecidos das plantas. As duas formas de nitrogênio geralmente utilizadas são a amônia e o nitrato. Porém, a amônia, por ser mais reduzida energeticamente do que o nitrato, torna-se fonte preferencial. Contudo, em ambientes onde o nitrato é predominante ele será, então, a maior fonte de nitrogênio passível de assimilação (KADLEC, KNIGHT, 1996). As macrófitas utilizam enzimas (nitrato redutase e nitrito redutase) para converter o nitrogênio oxidado às formas usuais. Porém, a produção destas enzimas diminui quando o nitrogênio amoniacal está presente (KADLEC, KNIGHT, 1996). Este processo é relevante em ambientes em que se têm nitrato e amônia em concentrações elevadas, pois a assimilação pela planta poderá ser inibida e o nitrato pode não ser assimilado. A capacidade de retirada de nitrogênio (assimilação pelas macrófitas) e, desta forma, a quantidade que pode ser removida se a planta for podada, é aproximadamente, segun- do Brix (1997), na faixa de 200 a 2500 kg N.ha-1.ano-1. O mesmo autor indica que, se as plantas não forem podadas, uma grande quantidade de nitrogênio que foi incorporada à biomassa retornará ao meio devido à morte e à decomposição dos seus tecidos.
- 325. 324 ESGOTO Destacando a importância da utilização de plantas em wetlands construídas para a remoção de nutrientes, Lin et al (2002) concluíram que leitos plantados apresentaram melhor eficiência do que os leitos não plantados em tais sistemas. Tanner (2001), na Nova Zelândia, também observou que wetlands plantadas apresentaram desempenho global maior, comparadas àquelas não plantadas. Kaseva (2004) obteve conclusões semelhantes, em que wetlands horizontais subsuperficiais plantadas tiveram melhor desempenho do que unidades não plantadas tratando esgoto doméstico pré-tratado anaerobiamente. Os estudos do Prosab com wetlands de fluxo subsuperficial tratan- do efluente de reator UASB indicaram, também, um melhor desempenho da unidade plantada, em comparação à não plantada. 9.3.2.2 Eficiência de wetlands na remoção de nitrogênio Ambos os sistemas de fluxo horizontal e vertical possuem habilidades na depuração da matéria carbonácea. Porém, em relação aos processos de nitrificação e desnitrificação, tem-se diferenciado a ocorrência destes processos nos dois regimes de fluxo. A wetland construída de fluxo vertical é mais empregada para a nitrificação devido à maior incorporação de oxigênio via convecção e difusão atmosférica no material filtrante. Este fenômeno ocorre devido à intermitência de aplicação do efluente, pois durante o período de aplicação no material filtrante, tende a promover o arraste do O2 atmosférico, criando um gradiente de convecção, por diferença de pressão entre a atmosfera e o interior da massa sólida (PHILIPPI, SEZERINO, 2004). Marques (1999) apresenta uma tabela-resumo com registros de eficiências de remo- ção de amônia e N-total em wetlands de fluxo subsuperficial de diversas estações em escala real, utilizando tipos diferentes de plantas. Os valores mostram uma grande variabilidade, desde valores negativos até superiores a 90%. No entanto, a maior parte dos valores situou-se entre 10 e 30%. O manual de wetlands da USEPA (2000) comenta que várias wetlands que foram concebidas para remover nitrogênio causaram frustrações, por não terem atingido o desempenho esperado. De fato, a USEPA (2000) trata esta expectativa como uma das falhas conceituais no entendimento de wetlands, uma vez que a dificuldade de obten- ção de nitrificação (devido à pouca disponibilidade de oxigênio no meio subsuperficial) inviabiliza a sequência de remoção por nitrificação-desnitrificação. No entanto, a literatura registra sistemas com eficiências satisfatórias, o que deve ser entendido como uma motivação a mais para a realização de pesquisas em nosso meio. Pesquisas com diferentes combinações de plantas ao longo das wetlands podem ser promissoras na indicação das plantas mais adequadas para cada estágio do tratamento, incluindo a utilização de plantas com maior capacidade de assimilação de nutrientes.
- 326. REMOçãO DE NUTRIENTES EM SISTEMAS NATURAIS 325 Deve-se comentar que a maior parte da literatura aborda wetlands de fluxo horizontal subsuperficial. A questão da disponibilidade de oxigênio é diferente nas wetlands de fluxo vertical que, como comentado acima, permitem a circulação do ar atmosférico entre as bateladas. De fato, Molle et al (2005) reportam excelentes eficiências de nitri- ficação em pequenos sistemas de fluxo vertical na França. 9.3.3 Mecanismos da remoção de fósforo em sistemas de leitos cultivados (wetlands ) 9.3.3.1 Mecanismos de remoção de fósforo Os mecanismos de retenção do fósforo em wetlands, de uma forma geral, incluem: captação e liberação pela vegetação, perifíton e microorganismos; adsorção e reações de troca com o leito e sedimentos; precipitação química na coluna d’água; e sedimen- tação (CRITES et al, 2005). Assim, ao se avaliar a capacidade de retenção de P nesses sistemas, devem ser considerados ambos os processos bióticos e abióticos. A remoção de fósforo em wetlands de fluxo subsuperficial é baseada no ciclo biogeo- químico deste elemento, e pode envolver vários processos. Os mecanismos primários de remoção de fósforo incluem adsorção, filtração e sedimentação. Outros processos incluem complexação/precipitação e assimilação. O fósforo particulado é removido por sedimentação, associado com os sólidos suspensos. Abordam-se a seguir alguns dos principais mecanismos de remoção de fósforo em wetlands (DORNELAS, 2008): incorporação em tecidos de organismos vivos e retenção pelo meio físico. Quanto ao primeiro, com relação à incorporação de fósforo nos organismos vivos, a faixa de concentração incorporada no tecido das macrófitas varia entre 0,1 a 0,4 % em peso seco (KADLEC, KNIGHT, 1996). Brix (1997) aponta para uma remoção de fósforo (incorporação seguido de poda) de aproximadamente 30 a 150 kg.m-2.ano-1. Como o fósforo é um macronutriente para as plantas, o aumento da biomassa vege- tal não deve ser diretamente relacionado a uma capacidade de remoção deste fósfo- ro a longo prazo nas wetlands, isto porque, ao morrer, os tecidos dessas plantas irão se decompor e liberar fósforo novamente no ambiente. Já os organismos presentes nas wetlands requerem fósforo para seu crescimento e o incorporam em seus te- cidos. Como esses organismos crescem e se multiplicam rapidamente, ocorre desta forma, uma rápida incorporação do fósforo presente. A retenção e incorporação do fósforo pela microbiota podem ocorrer em uma escala de tempo inferior a uma hora, ao passo que 90% é liberado no ambiente nas próximas seis horas (KADLEC, KNIGHT, 1996).
- 327. 326 ESGOTO Quanto à retenção pelo meio físico, o fósforo é armazenado nos sedimentos, na biota (plantas, biofilme e fauna), nos resíduos e na água. As interações entre os comparti- mentos dependem de condições ambientais como potencial redox, pH e temperatura. O estado redox do leito (relacionado com o conteúdo de oxigênio) é um fator deter- minante para que os processos envolvidos com o ciclo do fósforo aconteçam. Em condições de baixo potencial redox, o fósforo é liberado pelos sedimentos e pelo meio na coluna d’água, e pode deixar a wetland pelo efluente final, se a condição anaeróbia não for revertida. Sabe-se, no entanto, que a capacidade das wetlands removerem fósforo é limitada, quando comparada com a capacidade de remoção de nitrogênio — já que não há ne- nhum “mecanismo de perda permanente” de fósforo nestes sistemas análogo à desni- trificação. Assim, o P tende a se acumular em wetlands em maior taxa do que o N. Para a maioria dos sistemas de wetlands de fluxo subsuperficial que utilizam cascalho ou areia como meio filtrante a remoção de fósforo é reduzida (GRüNEBERG, 2001). As reações de adsorção e precipitação ocorrem quando há a presença no material filtrante de minerais como (ARIAS et al, 2001): o cálcio (Ca), alumínio (Al) e o ferro (Fe). Estas reações são controladas pela interação do pH e potencial redox com os minerais presentes, bem como pela área superficial dos grãos (DRIZO et al, 1999; COOPER et al, 1996). Em ambientes com pH maior que 6, as reações ocorrem através de combinações de adsorção com o Fe e Al, seguido de precipitação de cálcio fosfatado solúvel. Para níveis menores de pH, a precipitação com fosfatos de Fe e Al tornam-se importantes (ARIAS et al, 2001). Além dos minerais Fe, Ca, Al e do pH, a taxa de adsorção do fósforo é controlada pelo potencial redox do substrato e pela área superficial adsortiva dos grãos do material filtrante. Grãos finos possuem grandes áreas superficiais e, desta forma, a adsorção do fósforo tende a aumentar. Porém, estes materiais geralmente possuem baixa conduti- vidade hidráulica, a qual propicia uma rápida colmatação do material filtrante (DRIZO et al, 1999). A escolha de leitos com capacidade de retenção deste nutriente bem como a utilização de resíduos industriais e subprodutos para remoção de fósforo têm recebido grande atenção e tornam-se fundamentais. Durante os últimos anos, vários métodos alter- nativos de remoção de fósforo para o tratamento de águas residuárias têm atraído atenção. O uso de adsorventes inorgânicos (incluindo alumínio ativado, cinza, escória de alto forno, zeólitos, solos que contêm óxidos de metais, óxido de titânio) parecem ser alternativas promissoras (O’ZACAR, 2003).
- 328. REMOçãO DE NUTRIENTES EM SISTEMAS NATURAIS 327 As escórias de alto forno, por exemplo, parecem ter potencial considerável como ad- sorventes de baixo custo para o fósforo em soluções aquosas. Tanto experimentos em laboratório como também pesquisas de campo demonstraram uma alta capacidade de adsorção de P pelas escórias (JOHANSSON, GUSTAFSSON, 2000). Os mecanismos de retenção de P por este material não são conhecidos em detalhes, mas a adsorção à superfícies da partícula é um deles. O termo “sorção” é geralmente usado como um sinônimo para retenção, o que engloba processos físicos, químicos e biológicos no qual o P é imobilizado (JOHANSSON, 1999). 9.3.3.2 Eficiência de wetlands na remoção de fósforo Marques (1999) apresenta uma tabela-resumo com registros de eficiências de remo- ção de fósforo total em wetlands de fluxo subsuperficial de diversas estações, em escala real, utilizando tipos diferentes de plantas. Os valores mostram uma grande variabilidade, desde valores negativos até superiores a 90%. No entanto, a maior parte dos valores situou-se entre 10 e 60%. No Brasil, estudos de Philippi e Sezerino (2000) apontaram para uma eficiência de re- moção de ortofosfato de 92% em sistema composto por tanque séptico seguido de uma wetland horizontal de fluxo subsuperficial. Souza et al (2001) destacam etapas distintas de remoção de fósforo em um sistema compreendido de reator anaeróbio de fluxo ascendente com manta de lodo – UASB, seguido de wetlands construídas: no início da operação a eficiência foi elevada, mas caiu após alguns meses para abaixo de 10% de remoção. O manual de wetlands da USEPA (2000) é bastante crítico com relação à expectativa de remoção de fósforo em wetlands. Segundo o manual, a remoção de P é limitada: à assimilação sazonal das plantas (que, não só é pequena comparada com a carga de fósforo no esgoto dos municípios, mas também é baixa durante o período de senes- cência das plantas); e à sorção aos sólidos afluentes (solo e detritos; todos, com uma baixa capacidade), que são removidos. O manual comenta ainda que dois problemas têm sido associados aos dados de fósforo na literatura. Primeiramente, alguns dados de remoção têm sido expressos em termos de percentual de remoção. No entanto, vários dos estudos anteriores eram para wetlands naturais ou wetlands que recebiam baixas concentrações de fósforo. Devido à baixa concentração afluente, a remoção de poucos mg/L de fósforo incidiam em elevados percentuais de remoção. E, em segundo lugar, nos estudos que avaliam o desempenho de novos sistemas, a remoção de P não será representativa da operação em longo prazo. Novas plantas, crescendo em uma wetland recém-construída, tendem a retirar mais fósforo do que as de uma wetland madura (que terá fósforo sendo liberado pelas plantas em senescência). Adicionalmente, meios
- 329. 328 ESGOTO novos tendem a ter uma maior capacidade de sorção do que meios em um sistema maduro, no qual a maioria dos sítios para sorção estará saturada. Conforme comentado para o nitrogênio, devido à dispersão de dados na literatura, acredita-se que haja necessidade de maiores pesquisas em nosso meio, com nossas condições climáticas e ambientais. 9.3.4 Experiência do Prosab na remoção de nutrientes em um sistema de wetlands de fluxo horizontal subsuperficial No presente edital do Prosab houve apenas uma instituição (UFMG) pesquisando o sistema de wetlands. As pesquisas foram conduzidas na ETE Experimental UFMG/CO- PASA (Centro de Pesquisa e Treinamento em Saneamento), a qual recebe o esgoto dos municípios gerados na cidade de Belo Horizonte. O sistema foi constituído das seguintes unidades de tratamento: um reator anaeróbio do tipo UASB seguido de duas wetlands horizontais subsuperficiais em paralelo, sendo uma plantada (taboa) e outra não plantada. As unidades (Figura 9.15), construídas com leito de escória siderúrgica de alto-forno com granulometria referente à Brita 0 e 1, recebiam efluente pré-tratado por um reator UASB com uma vazão contínua de 15 m³/d (7,5 m³/d para cada unidade, equivalente populacional de cerca de 50 hab.). As principais características operacionais do sistema estão representadas na tabela 9.8. FONTE: UNIVERSIDADE FEDERAL DE MINAS GERAIS, BELO HORIZONTE, MG. Figura 9.15 Vista e esquema das wetlands plantadas e não plantadas investigadas no Prosab (UFMG) Ao todo, o sistema foi operado durante 456 dias, sendo que o monitoramento dos parâmetros físico-químicos durou 364 dias. Os valores da média aritmética e desvio padrão das amostras analisadas estão na tabela 9.9. Além das concentrações de DBO do esgoto bruto serem bastante reduzidas, caracterizando o afluente mais diluído em Belo
- 330. REMOçãO DE NUTRIENTES EM SISTEMAS NATURAIS 329 Horizonte, a concentração de fósforo, da mesma forma, é baixa, mantendo-se assim ao longo das unidades de tratamento. Tabela 9.8 > Características operacionais de cada unidade de wetland PARâMETRO SíMBOLO UNIDADE VALOR Altura total dos leitos H m 0,4 Altura do líquido nos leitos (altura útil) Hlíq m 0,3 Comprimento C m 24,1 Largura no topo L m 3,0 Inclinação longitudinal do fundo I % 0,5 Volume total de escória em cada leito m³ 28,9 Volume útil de escória em cada leito m³ 21,7 Vazão Q m³ .d -1 7,5 Taxa de aplicação hidráulica TAH m3.m-2.d-1 0,12 Tempo de detenção hidráulica (=V/Q) TDH d 3,3 Tempo de detenção hidráulica real (=V.porosidade/Q) TDHr d 1,2 área superficial AS m² 72,3 FONTE: UNIVERSIDADE FEDERAL DE MINAS GERAIS, BELO HORIZONTE, MG. Tabela 9.9 > Média aritmética e desvio padrão das concentrações dos parâmetros analisados PARâMETROS ESGOTO BRUTO UASB WP WNP Média Desvio Média Desvio Média Desvio Média Desvio padrão padrão padrão padrão DQO 528 473 148 47 43 17 74 32 DBO 154 72 43 17 16 9 18 11 SST 171 126 39 21 4,8 4 4,6 4 SSV 134 89 29 16 2,9 2 3,1 3 N Total 29 9 37 5 31 8 36 9 N Amoniacal 28 6 34 6 28 8 31 8 Nitrato 0,10 0,10 0,1 0,11 0,4 0,32 0,3 0,55 P Total 1,4 0,7 3,5 2,5 2,2 2,0 2,1 1,7 P Fosfato 1,2 0,8 1,4 0,7 0,9 0,6 1,2 0,8 Turbidez 121 64 69 304 54 4 54 3 Alcalinidade - - 227 25 305 57 285 43 pH 7,1 0,1 6,9 0,2 8,2 0,4 8,3 0,3 CT 2,0 x109 1,5 x 109 3,0x107 2,0x107 9,0x105 4,0x105 2,0x106 2,0x106 E. coli 1,0x108 1,0x108 5,2x 106 2,1x106 1,3x105 1,1x105 4,6x105 4,3x105 VALORES EM MG/L, EXCETO PH (ADIMENSIONAL) E COLIFORMES (NMP/100ML)// WP: WETLAND PLANTADA; WNP: WETLAND NãO PLANTADA FONTE: UNIVERSIDADE FEDERAL DE MINAS GERAIS, BELO HORIZONTE, MG.
- 331. 330 ESGOTO As eficiências médias para cada unidade de tratamento e as eficiências globais para os sistemas que englobam a unidade de wetland plantada e não plantada são mostradas na tabela 9.10. Tabela 9.10 > Eficiências médias de remoção (%) PARâMETROS UASB WP WNP GLOBAL UASB-WP GLOBAL UASB-WNP DQO 73 71 49 92 86 DBO5 73 62 54 90 88 SST 79 91 88 98 97 N total - 23 8 7 -12 N amoniacal - 22 8 13 -3 P total - 43 32 11 -6 P Fosfato - 46 13 52 22 E. coli 95 98 91 99,8 99,5 WP: WETLAND PLANTADA; WNP: WETLAND NãO PLANTADA FONTE: UNIVERSIDADE FEDERAL DE MINAS GERAIS, BELO HORIZONTE, MG. Com relação à eficiência global dos sistemas UASB+wetland plantada e UASB+wetland não plantada, são revelados excelentes resultados em termos de remoção de matéria orgânica, atingindo para DBO5 e DQO valores respectivamente de 92 e 86 % (WP) e 90 e 88 % (WNP). O mesmo ocorre para as duas combinações em termos de remoção de SST, produzindo efluentes finais com excelentes características (Global WP – 98% e 3 mg/L; Global WNP – 97% e 5 mg/L). Para os nutrientes N e P, as eficiências de remoção não são expressivas, sendo que, para nitrogênio, apenas a wetland plantada apresentou resultados de remoção efetiva (NT 23% e N amoniacal 22%). Porém, quando se interpreta os resultados de eficiência global do sistema UASB+wetland plantada, tal eficiência se reduz para 7% (NT) e 13% (N amoniacal). Embora ocorra remoção de PT e fosfato nas unidades de wetlands, deve-se ressaltar que suas concentrações no esgoto bruto são bastante reduzidas, como já comentado. Da mesma forma, quando são avaliados os resultados em termos de eficiência global, tais eficiências reduzem-se para PT, mas por outro lado, elevam-se para fosfato (Global WP 52%; Global WNP 22%). Através do teste não paramétrico entre variáveis dependentes pareadas Wilcoxon a 5% de significância foi constatado que os seguintes dados, em termos de eficiência de remoção e concentração final efluente, apresentaram diferença significativa entre a unidade plantada e o controle sem planta, com melhor desempenho para a wetland vegetada: DBO, DQO, NT, N amoniacal, fosfato e E. coli. Não houve diferença significa- tiva no que diz respeito à concentração final de SST e P total entre as unidades.
- 332. REMOçãO DE NUTRIENTES EM SISTEMAS NATURAIS 331 O texto subsequente centra-se apenas no desempenho das wetlands, e não do reator UASB, o qual é comum para as duas linhas. Assim, foram levados em consideração os valores de concentração do efluente do reator UASB como afluente das unidades de wetlands. Dessa forma, são apresentados a seguir, na Figura 9.16, os gráficos box-plot dos principais parâmetros analisados e sua discussão. DBO Total DQO Total SST TURBIDEZ NITROGêNIO TOTAL NITROGêNIO AMONIACAL
- 333. 332 ESGOTO NITROGêNIO ORGâNICO NITRATO FóSFORO TOTAL FOSFATO FONTE: UNIVERSIDADE FEDERAL DE MINAS GERAIS, BELO HORIZONTE, MG. Figura 9.16 Gráfico box-plot das concentrações efluentes do reator UASB e das unidades de wetlands No que diz respeito à matéria orgânica, as características dos efluentes de ambas as unidades de wetlands apresentaram excelente qualidade em termos de DBO5 e DQO. Durante todo o tempo de análise, as concentrações finais permaneceram sempre abai- xo das metas de qualidade estabelecidas nos estudos do Prosab (60 mg/L e 90 mg/L, respectivamente). Da mesma forma que ocorreu para os parâmetros relativos à matéria orgânica, o re- ator UASB forneceu um efluente com concentrações bastante reduzidas para aque- les parâmetros que denotam os sólidos suspensos. Mas, para o conteúdo de sólidos em suspensão totais, as eficiências atingiram 91% para a unidade plantada e 88% para a unidade não plantada. A remoção de sólidos e, assim, o excelente desempenho apresentado pelo sistema podem ser confirmados pelos baixos valores de turbidez apresentado pelo efluente final das duas unidades wetlands (WP 3 uT, WNP 5 uT), que o tornam bastante clarificado. Da mesma forma que para SST, não houve, entre as unidades, diferença estatística (p>0,05). Durante o período do experimento, foram obtidas remoções de nutrientes equivalen- tes a 23% para “Nitrogênio Total” na unidade com plantas e 8% para a wetland sem
- 334. REMOçãO DE NUTRIENTES EM SISTEMAS NATURAIS 333 plantas. As eficiências foram baixas, condizentes com o comentado em USEPA (2000). Da mesma forma, para o nitrogênio amoniacal, a wetland vegetada apresentou, em média, melhor eficiência, atingindo 22% de remoção, enquanto a unidade não plantada atingiu em média 8%. Para todas as espécies de nitrogênio, com exceção do nitrogênio orgânico, houve diferença significativa pelo teste não paramétrico entre variáveis de- pendentes pareadas Wilcoxon a 5% de significância entre o desempenho das unidades wetlands. Para o nitrato, ocorreu baixa nitrificação nas duas unidades, embora a we- tland plantada apresentasse estatisticamente uma melhor eficiência. Com relação ao fósforo, foram alcançadas remoções médias de 43% e 32% para fós- foro total (PT), respectivamente para a unidade plantada e não plantada. No entanto, deve-se destacar que a concentração média do afluente da ETE é muito baixa e que não houve diferença significativa entre as eficiências de remoção e entre as concen- trações finais no efluente de ambas, pelo teste estatístico utilizado. Por outro lado, houve diferença significativa para a eficiência de remoção de fosfato entre as wetlan- ds, sendo que a unidade plantada apresentou melhor desempenho que o controle sem plantas, provavelmente atribuído à assimilação deste nutriente pela cultura de Typha (principalmente na fase de crescimento da cultura). Não se pode deixar de destacar a potencial capacidade de remoção de fósforo pela adsorção através do substrato. Segundo Shilton et al (2006), a escória de alto forno, utilizada como meio filtrante no presente trabalho, possui a capacidade de retenção de fósforo através de processos de adsorção e precipitação. As análises de “Coliformes Totais” e E. coli mostram remoções de 1-2 unidades lo- garítmicas, com melhor desempenho para a unidade plantada para os dois parâme- tros, comprovados por testes estatísticos. Foram atingidos valores médios de E. coli de 1,3x105 NMP/100mL para a unidade plantada e 4,6x105 NMP/100mL para a wetland controle. A eficiência de remoção para a unidade plantada foi de 98% e para o controle 91%. As eficiências de remoção não são suficientes para a maioria das situações, o que é compatível com o sistema de wetlands, particularmente com o reduzido tempo de detenção hidráulica empregado (~1,2d). Como comentários finais, pode-se dizer que o desempenho dos sistemas UASB – we- tlands foi amplamente satisfatório para a remoção de matéria orgânica e sólidos sus- pensos, e pouco significativo para a remoção de nutrientes. Quando comparadas as unidades plantadas e não plantadas, apesar da unidade plantada ter apresentado me- lhor desempenho para a remoção da maioria dos constituintes, deve-se ser cauteloso para se levar em consideração a real necessidade da utilização de plantas. Baseados nos resultados obtidos, observa-se que não existe uma resposta definitiva para esta questão. Apesar do desempenho da wetland não plantada ter sido inferior, esta unidade
- 335. 334 ESGOTO também foi satisfatória para a remoção de matéria orgânica e de sólidos, e sua alta simplicidade conceitual pode indicar sua utilização quando é requerido efluente com qualidade compatível com determinados usos. Ademais, o sistema deve ser avaliado por uma maior sequência de anos, até atingir a maturidade, para que seus resultados possam ter um maior grau de generalização. 9.4 Sistemas de escoamento superficial no solo O processo de aplicação de esgoto no solo pelo método do escoamento superficial já foi objeto de investigação do Prosab, e estas investigações estão relatadas nas refe- rências listadas abaixo. Por este motivo, o presente item centra-se em uma breve des- crição do sistema, dando maior destaque para a remoção de nutrientes. No presente Edital do Prosab não foi pesquisado o processo de escoamento superficial, motivo pelo qual não se apresentam os resultados das pesquisas, como nos demais capítulos. Quanto à descrição geral do processo de aplicação de esgoto no solo e do método de escoamento superficial, destaca-se: CORAUCCI FILHO, B. et al. Capítulo 13 – Bases conceituais da disposição controlada de águas residuárias no solo. In: CAMPOS, J.R. (coord.). Tratamento de esgotos sanitários por processo anaeróbio e disposição contro- lada no solo. Rio de Janeiro: PROSAB/ FINEP, 1999. Também: CORAUCCI FILHO, B. et al. Capítulo 14 – Tecnologia do tratamento de águas residuárias no solo: infiltração rápida, irrigação e escoamento superficial. In: CAMPOS, J.R. (coord.). Tratamento de esgotos sanitários por processo anaeróbio e disposição controlada no solo. Rio de Ja- neiro: PROSAB/ FINEP, 1999. Quanto ao escoamento superficial como pós-tratamento de efluentes de reatores anaeróbios, destaca-se: CORAUCCI FILHO, B. et al. Pós-tratamento de efluentes de re- atores anaeróbios por sistemas de aplicação no solo. In: CHERNICHARO, C.A.L. (coord.). Pós-tratamento de efluentes anaeróbios. PROSAB, 2001. O texto a seguir é baseado nas referências acima e em von Sperling (2005) e Cherni- charo (2007). Esta forma de disposição/tratamento entendida como “sistema de escoamento su- perficial no solo” consiste na aplicação, controlada, da descarga de águas residuárias, fazendo-as escoarem, no solo, por uma rampa plantada inclinada, até alcançar canais de coleta. À medida que o efluente percola no terreno, grande parte se evapora, uma menor parte se infiltra no solo e o restante é coletado em canais, posicionados na parte inferior da rampa de tratamento. A aplicação deve ser intermitente.
- 336. REMOçãO DE NUTRIENTES EM SISTEMAS NATURAIS 335 O tratamento de esgoto pelo método de escoamento superficial é o que apresenta a menor relação com o tipo do solo. Nesse método, a vegetação, associada com a camada de cobertura do solo, atua como um filtro vivo, retirando os nutrientes e provendo con- dições para a retenção e transformação da matéria orgânica presente no esgoto. Além disso, o método possibilita a proteção ao solo, contra a erosão, e também cria uma camada suporte, na qual os microrganismos se estabelecem. Os mecanismos principais através dos quais ocorre a remoção de matéria orgânica e sólidos são a oxidação bioló- gica, a sedimentação e a filtração. A principal característica que diferencia este método dos demais de aplicação no solo é o fato do efluente escoar em uma rampa de pequena declividade, sendo a água excedente, que não é absorvida ou evaporada, coletada a ju- sante e enviada para um destino adequado. Para terrenos mais permeáveis, o processo aproxima-se ao de irrigação, mas com a geração de um excedente de água. Os solos indicados para esse tipo de disposição/tratamento são os de baixa permea- bilidade, tais como os argilosos. Além disso, deverão ser moderadamente inclinados (recomenda-se que a declividade esteja entre 2 e 8 %). O uso de culturas em crescimento, na área de disposição/tratamento das águas residu- árias, é essencial para aumentar a taxa de absorção dos nutrientes disponíveis no solo e a perda de água por transpiração. Além disso, a vegetação representa uma barreira ao livre escoamento superficial do líquido no solo, aumentando a retenção de sólidos em suspensão e evitando a erosão, e proporciona um “habitat” para a biota, possi- bilitando maior oportunidade para a ação dos microrganismos. Entre as gramíneas utilizadas, citam-se a Brachiaria humidicola e o Tifton. A aplicação da água residuária pode ser feita por aspersão, utilizando-se aspersores de média e baixa pressão, por tubos “janelados” ou por sistema de bacias de distribuição para os sulcos — irrigação por superfície (MATOS, 2002). A Figura 9.17 apresenta o fluxograma do sistema de disposição/tratamento por esco- amento superficial. A etapa de tratamento anterior pode ser constituída de tanques sépticos ou reatores anaeróbios. O escoamento superficial apresenta como principais vantagens as seguintes caracte- rísticas (CORAUCCI FILHO et al, 2001): é apropriado para o tratamento de esgoto de comunidades rurais e de indústrias sazonais (que geram resíduos orgânicos); propor- ciona um tratamento secundário avançado, com uma operação relativamente simples e barata; a cobertura vegetal pode ser reaproveitada ou utilizada comercialmente; apresenta a menor restrição quanto às características do meio, comparado com outros sistemas de aplicação no solo, necessitando apenas de um solo relativamente imper- meável para a sua instalação.
- 337. 336 ESGOTO FONTE: VON SPERLING (2005).. Fluxograma típico de um sistema de escoamento superficial (o esgoto pode sofrer Figura 9.17 um tratamento primário prévio ou tratamento por meio de reatores anaeróbios) Como desvantagens, têm-se que: o método é limitado pelo clima, tolerância da cultura em relação à água e declividade do terreno; a aplicação pode ser limitada durante o tempo úmido; as taxas de aplicação podem ser restringidas pelo tipo de crescimento da cultura; o terreno plano ou muito íngreme não é adequado a este tipo de tratamento. Apresentam-se a seguir considerações sobre as remoções de nitrogênio e fósforo nos sistemas de escoamento superficial. A remoção de outros constituintes deve ser con- sultada nas referências listadas acima. Quanto à remoção de nitrogênio, os mecanismos responsáveis pela remoção deste elemento nos sistemas com escoamento superficial incluem a absorção pelas plantas, a nitrificação/desnitrificação e a volatilização da amônia. As plantas são capazes de remover entre 20 a 30% de N-total (e.g. MARTEL et al, 1980). A taxa de remoção pelas plantas depende: da cultura vegetativa selecionada; da profundidade e distribuição das raízes; da taxa de aplicação de N; da movimentação da água no solo, entre outros. Em geral, opta-se pela utilização de gramíneas que levam tempo para se desenvolver e que apresentam elevadas taxas de absorção de nitrogênio. De modo a se obterem maiores eficiências, recomenda-se que a vegetação seja periodicamente cortada e os resíduos removidos. As perdas por volatilização da amônia são muito variáveis, apresentando estreita rela- ção com a taxa de evaporação e com a técnica de aplicação do esgoto. A aplicação dos efluentes com aspersores de alta pressão resulta na perda de cerca de 7 a 11 % de nitro- gênio na forma de amônia, enquanto a volatilização da amônia durante o escoamento dos efluentes ao longo do terreno é usualmente inferior a 5 % (KHALID et al, 1978). O processo de nitrificação é afetado, principalmente, pela quantidade de oxigênio dispo- nível, pela taxa de aplicação, pelo pH e pela temperatura. Em climas amenos, os fatores
- 338. REMOçãO DE NUTRIENTES EM SISTEMAS NATURAIS 337 limitantes são a quantidade de oxigênio disponível e a taxa de aplicação. A razão entre os períodos úmidos e secos controla a disponibilidade de oxigênio no meio e o tempo necessário para a realização da nitrificação. A taxa de aplicação é inversamente propor- cional à remoção de nitrogênio amoniacal, ou seja, quanto maior a taxa de aplicação, menor será a eficiência de remoção de N-amoniacal. O processo de desnitrificação é afetado pelo grau de tratamento das águas residuárias aplicadas, uma vez que, quanto mais elevada a concentração de DBO5 afluente ao sistema de tratamento, maior a pro- babilidade de se desenvolverem condições de ausência de oxigênio e de haver matéria carbonácea suficiente para a realização da desnitrificação. A razão DBO5:N deve ser da ordem de 3:1 de modo a favorecer melhores eficiências de remoção. As experiências com a utilização do método de escoamento superficial para o pós-tra- tamento de efluentes anaeróbios têm indicado eficiências de remoção de nitrogênio da ordem de 75 a 90%, dependendo da temperatura, das taxas de aplicação do esgoto e dos horários de aplicação. Quanto à remoção de fósforo, nos sistemas com escoamento superficial, o processo ocorre por sedimentação e adsorção no solo e nas plantas. As taxas de remoção variam entre 20 e 60 %, apesar de já terem sido reportadas taxas de 84 e 89 % (LEE et al, 1976; MARTEL et al, 1980). Cerca de 10% do fósforo, correspondente à parcela insolúvel, é removido no sistema de tratamento prévio (por exemplo, reator anaeróbio). Com exce- ção da componente que é incorporada à biomassa, a remoção adicional de fósforo nos sistemas de tratamento biológico convencionais é mínima, já que a maior parte do fós- foro presente, após tratamento primário, encontra-se na forma solúvel. A remoção de fósforo em sistemas com escoamento superficial não é geralmente elevada, devido ao contato limitado que existe entre a água e o solo, dificultando o processo de adsorção. Referências bibliográficas ANDRIANARISON, T. et al. Modelling the fate of nitrogen in maturation ponds. In: IWA SPECIALIST CONFERENCE ON WASTE STABILIZATION PONDS, 7, 2006, Bangkok, Anais…, Bangkok: Interna- tional Water Association, 2006. ARCEIVALA, S.J. Wastewater treatment and disposal. New York: Marcel Dekker, 1981. 892p. ARIAS, C. A; DEL BUBBA, M; BRIX, H. Phosphorous removal by sands for use as media in subsur- face constructed reed beds, Wat. Res., v. 35, n. 5, p. 1159 – 1168, 2001. BRIX, H. Macrophytes play a role in constructed treatment wetlands?, Water Sci. Technol, v. 35, p. 11–17, 1997. CAMARGO VALERO, M.A. Nitrogen transformation pathways and removal mechanisms in do- mestic wastewater treatment by maturation ponds. Tese (Doutorado) – University of Leeds, [s.l], 2008.
- 339. 338 ESGOTO CAMARGO VALERO, M.A; MARA, D.D. Nitrogen removal via ammonia volatilization in maturation ponds. In: IWA SPECIALIST CONFERENCE ON WASTE STABILIZATION PONDS, 7, 2006, Bangkok, Anais…, Bangkok: International Water Association, 2006a. CAMARGO VALERO, M.A; MARA, D.D. Nitrogen removal in maturation ponds: tracer experiments with 15N-labelled ammonia. In: IWA SPECIALIST CONFERENCE ON WASTE STABILIZATION PONDS, 7, 2006, Bangkok, Anais…, Bangkok: International Water Association, 2006b. CAVALCANTI, P.F.F. et al. Capítulo 3: Pós-tratamento de efluentes de reatores anaeróbios por lagoas de polimento. In: CHERNICHARO, C.A.L. (coord.). Pós-tratamento de efluentes de reatores anaeróbios. Rio de Janeiro: PROSAB/ABES, 2001. p. 105-170. CHERNICHARO, C.A.L. Princípios do tratamento biológico de águas residuárias. 2ª ed. Vol.1 – rea- tores anaeróbios. UFMG: Departamento de Engenharia Sanitária e Ambiental, 2007. 379 p. COOPER, P.F. et al. Reed beds and constructed wetlands for wastewater treatment. Swindon, UK: WRC Publications,1996. CORAUCCI FILHO, B. et al. Pós-tratamento de efluentes de reatores anaeróbios por sistemas de aplicação no solo. In: CHERNICHARO, C.A.L. (coord.). Pós-tratamento de efluentes anaeróbios. PROSAB, 2001. CRAGGS, R. Nutrients. In: SHILTON, A. Pond treatment technology. London: IWA Publishing, 2005. 479p. CRITES, R.W; MIDDLEBROOKS, E.J; REED, S.C. Natural wastewater treatment systems. [s.l]: CRC Press, 2006. 552 p. DORNELAS, F.L. Avaliação do desempenho de wetlands horizontais subsuperficiais como pós-tra- tamento de efluentes de reatores UASB. Dissertação (Mestrado em saneamento, meio Ambiente e Recursos Hídricos) – [s.l], 2008. DRIZO, A. et al. Phosphate and ammonium distribution in a pilot-scale constructed wetland with horizontal subsurface flow using shale as a substrate, Water Res., [s.v], n. 34, p. 2483– 2490, 2000. EMERSON, K. et al. Aqueous ammonia equilibrium calculations: effect of pH and temperature, Journal Fish. Res. Board Can., v. 32, n. 12), p. 2379-2383, 1975. GRüNEBERG, B; KERN, J. Phosphorus retention capacity of iron-ore and blast furnace slag in subsurface flow constructed wetlands, Water Science and Technology, v. 44, n. 11–12, p. 69– 75, 2001. JOHANSSON, L. Blast furnace slag as phosphorus sorbents in column studies, The Science of the Total Environment, v. 229, p. 89-97, 1999. JOHANSSON, L.; GUSTAFSSON, J.P. Phosphate removal using blast furnace slags and opoka – me- chanisms, Water Res., v.34, p. 259–265, 2000. KADLEC, R.H; KNIGHT, R. L. Treatment wetlands. Boca Raton, Florida: Lewis Publishers, 1996. 893p. KASEVA, M.E. Performance of a sub-surface flow constructed wetland in polishing pre-treated wastewater: a tropical case study, Water Research, v. 38, n. 3, p. 681-687, 2004. KHALID, R.A. et al. Nitrogen removal processes in an overland flow treatment of wastewater.
- 340. REMOçãO DE NUTRIENTES EM SISTEMAS NATURAIS 339 In: ARMY CORPS OF ENGINEERS. State of knowledge in land treatment of wastewater. Vol. 2. Hanover, NH: Army Corps of Engineers,1978. LAI, P.C.C; LAM., P.K.S. Major pathways for nitrogen removal in wastewater stabilization ponds, Water, Air, and Soil Pollution, v. 94, p. 125–136, 1997. LEE, C.R; PETERS, R.E. Overland flow treatment of a municipal lagoon effluent for reduction of nitrogen, phosphorus, heavy metals and coliforms, Progress in Water Technology, v. 11, n. 4-5, p. 175-183, 1979. LIN, Y.F. et al. Effects of macrophytes and external carbon sources on nitrate removal from groundwater in constructed wetlands, Environmental Pollution, v. 119, p. 413–420, 2002. MARQUES, D.M. Capítulo 15. Terras úmidas construídas de fluxo subsuperficial. In: CAMPOS, J.R. (coord.). Tratamento de esgotos sanitários por processo anaeróbio e disposição controlada no solo. PROSAB, 1999. MARTEL, C.J. et al. Rational design of overland flow systems. In: PROCS. OF THE NATIONAL ENVI- RONMENTAL ENGINEERING CONFERENCE, ASCE, New York, W. Saukin ed., p. 114, 1980. MATOS, A. Tratamento de resíduos agroindustriais. In: ENCONTRO DE PRESERVAçãO DE MANAN- CIAIS DA ZONA DA MATA MINEIRA, Viçosa, 2002, Anais..., Cursos Pré-Encontro, Viçosa, ABES-MG, DEA-UFV, ABAS-MG, 2002. p.105-157. MOLLE, P. et al. How to treat raw sewage with constructed wetlands: an overview of the French systems, Water Science & Technology, v. 51, n. 9, p. 11-21, 2005. MONTEGGIA, L.O; TESSELE, F. Capítulo 11: Remoção físico-química de algas e fósforo de efluentes de lagoas de alta taxa. In: CHERNICHARO, C.A.L. (coord.). Pós-tratamento de efluentes de reatores anaeróbios. Rio de Janeiro: PROSAB/ABES, 2001. p. 97-101. OPS/OMS. Sistemas de tratamiento de aguas servidas por medio de humedales artificiales. Co- lômbia: OPS/OMS, 1999. 217 p. O’ZACAR, M. Equilibrium and kinetic modelling of adsorption of phosphorus on calcined alunite, Adsorption, v. 9, p. 125–132, 2003. PANO, A; MIDDLEBROOKS, E.J. Ammonia nitrogen removal in facultative wastewater stabilisation ponds, Journal of the Water Pollution Control Federation, v. 54, n. 4, p. 344-351, 1982. PHILIPPI, L.S; SEZERINO, P. Aplicação de sistemas tipo wetlands no tratamento de águas residuá- rias: utilização de filtros plantados com macrófitas. Ed. do autor, 2004. 144 p. SHILTON, A.N. et al. Phosphorus removal by an ‘active’ slag filter: a decade of full scale experi- ence. Water Research, v. 40, p. 113 – 118, 2006. SOUZA, J.T. et al. Tratamento de esgotos para uso na agricultura do semi-árido do Nordeste do Brasil, Engenharia Sanitária e Ambiental, v. 10, n. 3, p. 260-265, 2005. STUMM; MORGAN. Aquatic chemistry. Wiley Interscience. New York: EEUU, 1981. TANNER, C.C. Plants as ecosystem engineers in subsurface-flow treatment wetlands, Water Sci- ence Technology, v. 44, n. 12, p. 9-17, 2001. U.S. ENVIRONMENTAL PROTECTION AGENCY. Constructed wetlands treatment of municipal wastewaters. Cincinnati, U.S.: Environmental Protection Agency, 2000. 154 p.
- 341. 340 ESGOTO VAN HAANDEL, A.C; LETTINGA, G. Tratamento anaeróbio de esgotos: Um manual para regiões de clima quente. [s.l]: [s.e], 1994. VON SPERLING, M. Princípios do tratamento biológico de águas residuárias. 2ª ed. Vol. 3 – Lagoas de estabilização. UFMG: Departamento de Engenharia Sanitária e Ambiental, 2002.196 p. VON SPERLING, M. Princípios do tratamento biológico de águas residuárias. 3a ed. Vol. 1 – Intro- dução à qualidade das águas e ao tratamento de esgotos. UFMG: Departamento de Engenharia Sanitária e Ambiental, 2005. 452 p. WPCF. Natural systems for wastewater treatment: manual of practice FD-16. Alexandria: Water Pollution Control Federation, 1990. 270 p.
- 342. 10 Remoção de Nutrientes por Processos Físico-Químicos Isaac Volschan Jr., Roque Passos Piveli, Adrianus van Haandel, Luiz Olinto Monteggia, Bruno Coraucci Filho, Iene Christie Figueiredo 10.1 Considerações gerais Como discutido nos capítulos anteriores, embora as tecnologias convencionais de tratamento secundário apresentem limitada eficiência para a remoção de nitrogênio e fósforo, é possível adaptá-las e condicioná-las para que promovam a nitrificação, a desnitrificação e a remoção biológica de fósforo. No presente capítulo, diferente- mente, serão discutidas as opções tecnológicas para a remoção de nutrientes baseadas em processos físico-químicos. Especificamente em relação ao nitrogênio, o capítulo contempla as técnicas de remo- ção do nitrogênio amoniacal por arraste com ar (também denominada “volatilização de amônia” ou “stripping de amônia”) assim como a cloração ao breakpoint. Optou-se por não incluir a troca iônica no escopo do presente capítulo, embora o processo tam- bém seja aplicado para a remoção de amônia. Como observado no Capítulo 7, para a eficaz remoção biológica de fósforo é necessário que haja uma combinação favorável entre as características de esgoto (notadamente a baixa razão P/DQO e a curta idade de lodo). Caso não seja viável o processo biológico, é possível adotar-se a precipitação química, na qual sais de metais são adicionados à fase liquida visando a formação de um precipitado de sais insolúveis de fosfato. Assim, neste capítulo são abordados os aspectos relacionados ao emprego da coagulação/ floculação combinada com a sedimentação, a flotação, ou a filtração.
- 343. 342 ESGOTO Observa-se que, dentre estes processos, é mais usual o emprego da sedimentação, que pode ocorrer precedendo o tratamento secundário, perfazendo o tratamento primário avançado. A sedimentação também pode inserir-se nas unidades que compõem o tra- tamento secundário, utilizando o próprio decantador secundário do processo biológi- co, assim como pode, efetivamente, perfazer uma etapa de tratamento complementar (dito tratamento terciário ou avançado) por meio de um decantador construído exclu- sivamente para este fim. Já a flotação por ar dissolvido pode ser empregada precedendo o tratamento secundá- rio (também perfazendo um tratamento primário avançado), ou pode ser empregada como unidade de pós-tratamento de reatores UASB ou de lagoas de estabilização. Por outro lado, em geral, a filtração somente encontra aplicabilidade para o caso do tratamento de efluentes secundários. Embora possa objetivar o polimento do efluente final por meio da retenção dos sólidos suspensos e da remoção da turbidez, e con- sequentemente, atender padrões mais restritivos para o reúso, a filtração terciária, quando precedida por coagulação química, pode também promover a remoção de fósforo. Em função de experimentos conduzidos no âmbito do Prosab, o capítulo tam- bém contempla o emprego da tecnologia da filtração para o tratamento de efluentes de reatores anaeróbios. Por fim, o capítulo contém a descrição dos experimentos baseados na remoção físico- química, que foram conduzidos no âmbito do presente Edital 5 do Prosab, assim como resume os resultados obtidos por experimentos realizados em editais anteriores. 10.2 Remoção de N-NH3 por arraste de ar A remoção de amônia por arraste de ar, também conhecida pelo termo inglês ammo- nia stripping, consiste na agitação e consequente exposição da mistura entre o gás e água ao ar. Em função do pH da solução, o nitrogênio amoniacal pode ocorrer na água como íon amônio (NH4+) ou gás amônia (NH3-), conforme indica a Equação 10.1. O equilíbrio da amônia já foi abordado no Capítulo 9, mas é reapresentado aqui, de forma a comple- mentar a visão necessária para se entender o mecanismo da remoção da amônia. NH3- + H2O → NH4+ + OH- 10.1 A Figura 10.1 apresenta graficamente a distribuição do nitrogênio amoniacal indican- do que em pH 9,25 ocorre o equilíbrio entre o íon amônio (fração ionizada) e o gás amônia. é possível também observar que o nitrogênio amoniacal estará integralmen-
- 344. REMOçãO DE NUTRIENTES POR PROCESSOS FÍSICO-QUÍMICOS 343 te presente sob a forma ionizada quando o pH for 7,0 e integralmente presente sob a forma de gás amônia em solução contendo pH 11,5. FONTE: ADAPTADO DE METCALF & EDDY (2003). Figura 10.1 Efeito do pH sobre o equilíbrio entre as formas de nitrogênio amoniacal na água A eficiência de remoção do nitrogênio amoniacal por arraste de ar é, portanto, de- pendente do valor do pH da água, o qual determina a parcela que pode ser removida por volatilização para a atmosfera. Isto significa que o nitrogênio amoniacal deve, inicialmente, ser convertido ao gás amônia (pela elevação do pH para valores com- preendidos entre 10,5 e 11,5) para posterior transferência para a atmosfera por um determinado fluxo de ar. De acordo com a Equação 10.2 e como indica a Tabela 10.1, a temperatura também in- fluencia a distribuição das diferentes formas de nitrogênio amoniacal (VON SPERLING, 2005). A redução da temperatura permite a maior solubilidade do gás amônia na água e dificulta a sua volatilização. NH3/Nitrogênio Amoniacal Total (%) = 100/(1+(10 (0,09018 + (2729,92 / T + 273,20) – pH))) 10.2
- 345. 344 ESGOTO Tabela 10.1 > Influência da temperatura sobre as formas de nitrogênio amoniacal (% NH3) % NH3 TEMPERATURA (°C) pH 15 20 25 6.5 0,09 0,13 0,18 7,0 0,27 0,40 0,57 7,5 0,86 1,24 1,77 8,5 7,97 11,16 15,25 9,5 46,41 55,68 64,28 FONTE: ADAPTADO DE VON SPERLING (2005). O ajuste do pH é normalmente realizado pela adição de cal ou soda. A Tabela 10.2 indica valores de dosagem de hidróxido de cálcio requerida para elevar o pH até 11 em função da alcalinidade do esgoto sanitário. Tabela 10.2 > Dosagem de hidróxido de cálcio para elevar o pH até 11 ALCALINIDADE DO ESGOTO (mgCaCO3/L) DOSAGEM DE Ca(OH)2 (mg/L) 75-100 100 a 200 100-150 200 a 300 150-200 400 300 500 350 600 FONTE: ADAPTADO DE METCALF & EDDY (1991). A separação do gás amônia é realizada em torres de aeração ou de gotejamento (tam- bém denominadas torres de stripping) que são similares a torres de resfriamento. Estas unidades são preenchidas com material de enchimento em PVC, constituído por dutos de seção cilíndrica ou triangular. Os respingos provocados pelo contato da água com o material de enchimento facilitam o arraste da amônia. A água com pH compreendido entre 10,5 e 11,5 é distribuída na parte superior da unidade e descreve trajetória descendente, contrária ao fluxo de ar insuflado junto a base. Exaustores colocados na parte superior da unidade incrementam a exposição ao ar atmosférico para a massa de água e gás. Devido ao aumento do pH haverá transformação de HCO3- em CO3= e a formação de carbonato de cálcio, cuja precipitação sobre as colunas de separação tende a formar incrustações. O processo requer também a correção do pH do efluente e o tratamento do gás de arraste. Além da torre de aeração, o processo é dotado de dispositivos e equipamentos para armazenamento e dosagem de produto químico; sistema de bombeamento e distribui-
- 346. REMOçãO DE NUTRIENTES POR PROCESSOS FÍSICO-QUÍMICOS 345 ção do afluente; soprador de ar e sistema de recarbonatação. Os parâmetros e critérios de projeto incluem: a taxa de aplicação superficial, dosagens de produtos químicos, altura da torre de aeração e razão volumétrica entre ar e água. Em função da temperatura, a Figura 10.2 indica a quantidade de ar requerida para a volatilização do gás amônia. Observa-se que o aumento da temperatura permite a redução da quantidade de ar insuflado, sendo usualmente empregado o valor mínimo de 1.600 m3 de ar por m3 de efluente líquido (WEF, 1998). FONTE: ADAPTADO DE METCALF & EDDY (2003). Figura 10.2 Volume de ar requerido para arraste de amônia em função da temperatura Eficiências de remoção de N de até 90% a 20°C podem ser obtidas para uma vazão de ar de 2,5 m³/L de afluente e taxa de aplicação superficial de 120L/m².min. Se elevada a vazão de ar para 7,5 m³/L de afluente, a eficiência de remoção pode ser elevada para até 98% (NUNES, 1996). Embora a concentração final de amônia no efluente possa alcançar valores da ordem de 1 a 3 mgNH3-N/L, a tecnologia não encontra maior aplicabilidade para o caso do esgoto sanitário, quando comparada aos processos biológicos de nitrificação e desni- trificação. Em função dos elevados custos operacionais e de manutenção associados, a aplicabilidade desta tecnologia encontra-se limitada aos casos em que a elevação do pH é também requerida por outras unidades e/ou etapas do tratamento — tal como a precipitação química de P com emprego de cal (METCALF & EDDY, 1991). Das duas úni- cas unidades construídas nos Estados Unidos para a remoção de amônia de esgoto sa- nitário por arraste de ar, somente uma ainda encontra-se em operação (WERF, 1994).
- 347. 346 ESGOTO 10.3 Remoção de N- NH3- por cloração Além da desinfecção, o cloro pode ser utilizado como agente oxidante para a remoção de amônia. Os produtos clorados mais comumente utilizados são: o gás cloro (Cl2); o hipoclorito de cálcio [Ca(OCl)2] (contendo cerca de 70% de cloro disponível); e o hipoclorito de sódio (NaOCl) (normalmente disponível no mercado na forma líquida, comercialmente conhecido como água sanitária). Quando o cloro ativo é adicionado na água, seja na forma gasosa, sólida ou líquida, é convertido em ácido hipocloroso (HOCl), segundo as reações a seguir: Gasosa: Cl2 + H2O → HOCl + H+ + Cl- Sólida: Ca(OCl)2 → Ca2+ + 2OCl- Líquida: NaOCl → Na+ + OCl- Substâncias facilmente oxidáveis (tais como o Fe2+, Mn2+, H2S) bem como a matéria orgânica são capazes de prontamente reagir com o cloro, reduzindo-o a íon cloreto. A reação de oxidação seguinte envolve a conversão da amônia e a sucessiva formação de cloraminas, da seguinte forma: HOCl + NH3 → NH2Cl + H2O (monocloramina) HOCl + NH2Cl → NHCl2 + H2O (dicloramina) HOCl + NHCl2 → NCl3 + H2O (tricloramina) Estas reações são dependentes do pH, da temperatura e da relação cloro-amônia. As cloraminas correspondem ao cloro combinado disponível. Pelo fato de apresenta- rem efeito toxicológico devem também ser removidas. Por outro lado, a continuidade da adição de cloro a partir do breakpoint produzirá um incremento no nível de cloro livre residual na água. A curva de breakpoint é par- ticular para cada água testada, pois a demanda de cloro depende da concentração de amônia, da presença de outros agentes redutores, e do período de contato entre a aplicação de cloro e o teste de residual, dentre outros fatores. Como regra geral, a cloração é desestimulada à medida que o pH aumenta; por outro lado o aumento da temperatura faz aumentar a velocidade das reações de cloração. Estequiometricamente, são requeridas 7,5 partes de cloro por cada parte de nitrogê- nio amoniacal oxidada, sendo usual o emprego da razão 10:1. Neste caso, efluentes secundários requereriam 250 mg/L de Cl2 para a oxidação de 25mg/L de amônia. O tempo de duração da reação de oxidação, para pH em torno de 7 e temperatura
- 348. REMOçãO DE NUTRIENTES POR PROCESSOS FÍSICO-QUÍMICOS 347 de 20°C, é relativamente rápido, da ordem de 5 minutos — o que exige tanques de contato relativamente pequenos (MANCUSO, SANTOS, 2004). O processo requer que o ácido hipocloroso e demais ácidos formados na própria reação de oxidação da amônia sejam neutralizados. Para 250 mg/L de Cl2 são necessários 260 mg/L de hidróxido de cálcio (Ca(OH)2) ou 380 mg/L de carbonato de sódio (Na2CO3). A combinação entre Cl2 e Ca(OH)2 eleva os teores de salinidade e dureza para valores respectivamente correspondentes a 400 e 300 mg/L; valores que podem comprometer os processos unitários subsequentes (MANCUSO, SANTOS, 2004) Da mesma forma que a tecnologia de arraste de ar, a remoção por cloração tende a também não encontrar aplicabilidade para o caso do esgoto sanitário. Visando a econo- micidade, é possível sua aplicação combinada a remoção prévia de amônia por arraste de ar. Observa-se que a tecnologia depende de dispositivos e procedimentos de segurança, uma vez que a exposição de cloro é capaz de resultar em severa toxicidade ao homem. 10.4 Remoção físico-química de fósforo 10.4.1 Introdução Embora os processos biológicos aeróbios obrigatoriamente requeiram a incorporação de fósforo à biomassa, de acordo com a relação DBO5:P em torno de 100:1, esta incor- poração não é suficiente para reduzir a concentração de P para baixos valores, ade- quados ao lançamento em corpos de água lênticos. Neste sentido, a remoção comple- mentar de P é necessária, sendo as tecnologias disponíveis para este fim baseadas em processos biológicos, como abordadas no Capítulo 7, ou na remoção físico-química, objeto de discussão do presente capítulo. A precipitação química do fósforo presente no esgoto sanitário envolve, tipicamen- te, a adição de cal ou de sais metálicos de alumínio ou ferro (III) à fase liquida que, ao reagirem com o ortofosfato solúvel, produzem precipitados de sais insolúveis de fosfato. Já o P orgânico e polifosfatos são removidos por meio de reações mais com- plexas e por adsorção aos flocos particulados. O P insolúvel combinado aos sólidos em suspensão e a matéria orgânica são removidos do sistema na forma de lodo primário, secundário e/ou terciário. A precipitação química permite a obtenção de efluentes com concentração de fósforo de até 0,1 mg/L. A tecnologia pode ser utilizada de diferentes formas e classificada em função do pro- cesso que proporciona a efetiva remoção dos precipitados de fósforo (sedimentação, flotação ou filtração); da configuração do sistema de tratamento; do ponto de aplica- ção de sais metálicos e polímeros; e do tipo de coagulante/floculante empregado.
- 349. 348 ESGOTO Assim como ilustra a Figura 10.3, a remoção físico-química de P pode ocorrer na etapa de tratamento primário, por meio de unidades de sedimentação ou de flotação por ar dissolvido, cujos arranjos caracterizam o que é denominado tratamento primário avançado. No caso da utilização de unidade de sedimentação, o processo é também conhecido por “decantação primária quimicamente assistida” ou simplesmente CEPT – sigla do termo chemically enhanced primary treatment. FONTE: FIGURA DESENVOLVIDA PELOS AUTORES (NA UFRJ). Figura 10.3 Aplicação no tratamento primário por sedimentação ou flotação Por concepção, o tratamento primário avançado pode ser empregado exclusivamente, como uma solução intermediária e temporária, cuja implantação ocorra temporal- mente antes do tratamento secundário e durante um determinado período de tempo. Neste caso, é capaz de promover o aumento da eficiência de remoção de DBO com- binada com a elevada eficiência de remoção do fósforo. Esta concepção também se dá por etapas, da mesma forma como são implantadas unidades de pós-tratamento, posteriormente ao emprego de reatores UASB. Por outro lado, por concepção, pode também o tratamento primário avançado ser simultaneamente implantado junto com o tratamento secundário. Em qualquer dos casos, em função da remoção de até 95% de fósforo, de 80% de sólidos em suspensão e de até 70% da matéria orgânica, quando comparado com a decantação conven- cional, o tratamento primário avançado possibilita a redução das cargas afluentes ao tratamento secundário e, consequentemente, a diminuição das dimensões desta unidade secundária. Dentre todas as modalidades indicadas para a remoção físico-química de P, o trata- mento primário avançado é aquele que necessita do emprego de maiores quantidades de sais metálicos, assim como, adicionalmente, requer também o uso de floculante. Em função do processo biológico que se sucede, quando aplicada a cal em unidade de sedimentação ou de flotação por ar dissolvido, deve-se limitar o pH do efluente pri- mário a 9,0. Também merece atenção o fato de que os processos biológicos requerem
- 350. REMOçãO DE NUTRIENTES POR PROCESSOS FÍSICO-QUÍMICOS 349 disponibilidade de fósforo segundo concentrações que atendam, em geral, a relação DBO5:P de 100:1 (aeróbios) e de 350:1 a 500:1 (anaeróbios), e, a estas condições, deve ser adequada a operação do tratamento primário avançado. Da mesma forma, quando se deseja a desnitrificação, atenção deve ser dedicada à quantidade de matéria orgâ- nica removida, em função da razão N/DBO que o processo demanda. Quando a remoção físico-química é efetuada nas próprias unidades do tratamento secundário, como no caso do processo de lodos ativados, a aplicação do coagulan- te/floculante pode ocorrer prévia ou posteriormente ao tanque de aeração, ou até mesmo concomitantemente, como ilustra a Figura 10.4. No caso de outros processos biológicos, a etapa de coagulação/floculação somente ocorre previamente ao decan- tador secundário. FONTE: FIGURA DESENVOLVIDA PELOS AUTORES (NA UFRJ). Figura 10.4 Aplicação no tratamento secundário Ressalta-se que, quando a aplicação de produto(s) químico(s) ocorre no tratamento secundário, não é requerida uma unidade de tratamento específica ou adicional, uma vez que a precipitação química do P ocorre na própria unidade de decantação secun- dária, sendo o precipitado de fosfato removido junto com o lodo em excesso do siste- ma biológico. Nesta modalidade, é somente necessário o aparato para armazenamento e dosagem de produto químico. Neste caso, como o processo biológico já implica em parcial remoção de fósforo por incorporação à biomassa, dependendo da quantidade de sais aplicada, a precipitação química pode se caracterizar como mecanismo principal ou complementar de remo- ção. De qualquer forma, o processo biológico propicia a conversão de formas mais complexas de P em formas de ortofosfatos de mais fácil precipitação. Nesta modalidade pode não ser requerido o emprego de floculante. Da mesma forma que, no tratamento primário avançado, atenção deve ser dada a eventual elevação do pH, decorrente da aplicação de sais metálicos e, principalmente, da cal. Cuida- dos devem também ser tomados em relação aos eventuais efeitos da elevação da
- 351. 350 ESGOTO concentração de sólidos inorgânicos presente na massa líquida em suspensão sobre a estabilidade do processo de lodos ativados. Por outro lado, como ilustra a Figura 10.5, quando a aplicação do(s) produtos(s) químico(s) ocorre posteriormente ao decantador secundário e precedendo uma uni- dade de polimento final, caracteriza-se então o tratamento terciário. Observa-se que neste caso, a separação do precipitado de P pode ser efetuada por meio de unidades de sedimentação, flotação por ar dissolvido ou filtração. Nesta modalidade pode também ser enquadrada a configuração do tratamento físico-químico como unidade de pós- tratamento de reatores UASB ou de lagoas de estabilização. FONTE: FIGURA DESENVOLVIDA PELOS AUTORES (NA UFRJ). Figura 10.5 Tratamento terciário em unidade de sedimentação, flotação ou filtração Embora a precipitação química terciária requeira o emprego de uma unidade de tratamento específica, esta unidade é aquela que permite a obtenção de menores concentrações efluentes de P e ainda, adicionalmente, a remoção complementar de só- lidos dissolvidos. Por outro lado, é ainda possível que a aplicação do(s) produto(s) químico(s) ocorra em dois ou mais pontos da fase líquida do processo, como ilustram as Figuras 10.6 e 10.7. FONTE: FIGURA DESENVOLVIDA PELOS AUTORES (NA UFRJ). Figura 10.6 Aplicação concomitante nos tratamentos primário e secundário
- 352. REMOçãO DE NUTRIENTES POR PROCESSOS FÍSICO-QUÍMICOS 351 FONTE: FIGURA DESENVOLVIDA PELOS AUTORES (NA UFRJ). Figura 10.7 Aplicação concomitante nos tratamentos primário, secundário e terciário Por fim, há ainda a possibilidade de aplicação da precipitação de P no sobrenadante da digestão anaeróbia, um vez que, durante a estabilização biológica do lodo, há intensa liberação e conseqüente elevação da concentração de P. Como ilustra o gráfico da Figura 10.8, a aplicação concomitante de sais no tratamento secundário, antes do reator biológico e antes da decantação secundária, apresenta melhores resultados de remoção de P, quando comparada, para as mesmas dosagens aplicadas, com o tratamento primário e a precipitação terciária (DE JONG et al,1993). FONTE: ADAPTADO DE DE JONG ET AL. (1993). Relação entre a razão ion metálico adicionado e fosfato presente no esgoto (Me(III)/P) Figura 10.8 e a concentração residual de P Diferentemente do que se observa em processos convencionais de tratamento de águas de abastecimento, nenhuma das configurações anteriormente apresentadas contemplam o emprego de uma unidade convencional de floculação. No caso do tra- tamento primário avançado, para a remoção prévia de sólidos minerais pesados, é usual a utilização de caixa de areia aerada, de forma que as condições hidrodinâmicas da caixa favoreçam e permitam a formação de flocos no seu próprio interior.
- 353. 352 ESGOTO Da mesma forma, no caso da coagulação precedendo a decantação secundária ou no caso da precipitação terciária, supõe-se que a floculação desejada venha ocorrer ao longo do percurso entre o ponto de aplicação do produto químico e a entrada da unidade empregada para a separação de sólidos suspensos e efetiva remoção dos precipitados de P — seja por sedimentação, flotação ou filtração. A Tabela 10.3 conso- lida informações sobre o emprego da tecnologia de remoção físico-química em ETEs existentes no Brasil, com destaque para as instalações da Caesb. Tabela 10.3 > Principais características de ETEs com remoção físico-química ETE OPERADORA LOCAL UNIDADE DE APLICAçãO Pavuna-Meriti Cedae Rio de Janeiro decantador primário Sarapuí Cedae Duque de Caxias decantador primário Icaraí águas de Niterói Niterói decantador primário Camboinhas águas de Niterói Niterói tanque de aeração Itaipu águas de Niterói Niterói tanque de aeração Cabo Frio Prolagos Cabo Frio decantador primário Búzios Prolagos Búzios decantador primário Goiânia Saneago Goiânia decantador primário Cambuí Sanepar Campo Largo flotação terciária Ronda Sanepar Ponta Grossa flotação terciária Brasília Sul Caesb Distrito Federal flotação terciária Brasília Norte Caesb Distrito Federal flotação terciária Sobradinho Caesb Distrito Federal decantador primário Samambaia Caesb Distrito Federal flotação terciária Alagado Caesb Distrito Federal flotação terciária Recanto das Emas Caesb Distrito Federal flotação terciária Riacho Fundo Caesb Distrito Federal tanque de aeração Gama Caesb Distrito Federal tanque de aeração FONTE: TABELA DESENVOLVIDA PELOS AUTORES. 10.4.2 Coagulação química A etapa de coagulação química contempla reações que promovem a desestabilização de partículas coloidais que contenham cargas superficiais predominantemente eletro- negativas. Entende-se por desestabilização, a neutralização destas cargas por meio da adição de cargas positivas presentes em sais metálicos e polímeros. Primeiramente, reações entre os produtos químicos e a água permitem a formação de espécies hidrolisadas de carga positiva, cujo êxito depende da concentração e do tipo de coagulante utilizado, além do pH final da mistura. Posteriormente, incentivadas
- 354. REMOçãO DE NUTRIENTES POR PROCESSOS FÍSICO-QUÍMICOS 353 pelo transporte físico através da água, as espécies hidrolisadas entram em contato com as partículas em suspensão. Para que seja garantida a eficácia da coagulação, ambos os mecanismos químico e físico devem ocorrer em unidades que propiciem a rápida e intensa agitação e mistura da massa líquida. Considera-se que a coagulação seja resultado da ação de quatro mecanismos distin- tos: compressão da camada difusa, adsorção e neutralização de cargas, varredura, adsorção e formação de pontes de hidrogênio. Quanto à compressão da camada difusa, consiste na adição de íons de carga con- trária à das partículas coloidais, causando um aumento na densidade das cargas da camada difusa, diminuindo a esfera de influência das partículas e ocorrendo a compressão desta camada. Esta condição resulta na elevação das forças de Van der Waals (força de atração recíproca entre moléculas), favorecendo o mecanismo de coagulação (PIVELI, KATO, 2005). Quanto à adsorção e neutralização de cargas, é necessário considerar que algumas espécies químicas podem ser adsorvidas na superfície dos colóides, cuja atração re- sulta de diferentes interações, tais como: ligações de hidrogênio, troca iônica, ligações covalentes, etc. Os efeitos eletrostáticos destes fenômenos são superiores àqueles ob- tidos pela compressão da camada difusa, requerendo assim dosagens inferiores de co- agulantes. Todavia, diferentemente da coagulação por compressão da camada difusa ou por varredura, a superdosagem de produto químico para neutralização da partícula pode provocar uma reversão da sua carga, possibilitando a reestabilização da solução coloidal. O aumento da eficiência deste mecanismo pode ser obtido pela adição de sais com valências superiores e de carga oposta à dos colóides, e que sejam capazes de penetrar na camada difusa. De acordo com estes conceitos, os sais trivalentes (Fe+++ e Al+++) são os mais utilizados em processos de coagulação. Por varredura entende-se a utilização de sais de ferro e de alumínio que podem ser combinados aos hidróxidos disponíveis no meio, de acordo com a dosagem de coagulante e pH da mistura, formando precipitados insolúveis, de carga positiva e ele- vado peso molecular. Não apenas isto, mas os colóides presentes na solução funcio- nam como núcleos aglutinadores destes precipitados, seja por neutralização ou por aprisionamento, favorecendo sua remoção por sedimentação, flotação ou filtração. A este mecanismo dá-se o nome de precipitação por varredura. Os flocos resultantes deste processo são maiores e mais pesados do que aqueles obtidos pelo processo de neutralização, todavia requerem maiores dosagens de coagulantes (DI BERNARDO et al, 2002). Em sistemas de tratamento de efluentes, este é o mecanismo de coagu- lação predominante.
- 355. 354 ESGOTO Quanto à adsorção e formação de pontes de hidrogênio, considera-se que alguns pro- dutos naturais ou sintéticos, também conhecidos como polieletrólitos ou polímeros, caracterizam-se por uma grande cadeia molecular, composta por grupos carregados eletricamente. Estes produtos podem ser utilizados como eficientes auxiliares a coa- gulantes, já que podem ser adsorvidos pela superfície dos colóides, promovendo então a redução de carga e/ou entrelaçamento das partículas pelos polímeros. Neste caso, os modelos de compressão da camada difusa e de neutralização não são predominantes na coagulação, sendo a formação de pontes entre colóides aquele mais preponderante (DI BERNARDO et al, 2002). 10.4.3 Coagulantes e floculantes Para a remoção físico-química de P são adicionados sais metálicos ao esgoto, per- mitindo a adsorção de íons PO4 por espécies hidrolisadas de alumínio ou de ferro e a formação de precipitados fosfatados complexos, do tipo Me(OH)3-x (PO4). Os metais comumente utilizados para este fim são o cálcio (Ca2+), o ferro (Fe2+ ou Fe3+) ou alumínio (Al3+). Os sais normalmente empregados são a cal (Ca(OH)2), o sulfato de alumínio (Al2(SO4)3.18H2O), o aluminato de sódio (NaAl), o cloreto férrico (FeCl3), o sul- fato férrico (Fe2(SO4)3), o sulfato ferroso (FeSO4) e o cloreto ferroso (FeCl2). Polímeros também podem ser eficientemente aplicados, funcionando, associados aos coagulan- tes, como auxiliares de floculação. Segundo Metcalf & Eddy (1991), os fatores que afetam a escolha do produto químico para a remoção de fósforo são: concentrações de fósforo e sólidos em suspensão e alcalinidade do afluente; custo econômico e garantia de fornecimento do produto quí- mico; gestão do lodo gerado; e compatibilidade com outros processos de tratamento existentes na ETE. 10.4.3.1 Cal Na precipitação com cal hidratada, suspensão mais econômica sob o ponto de vista finan- ceiro, a remoção do fósforo ocorre segundo a forma de hidroxi-apatita (Ca5(OH)4(PO4)2). Paralelo à remoção de fósforo ocorre também a precipitação de carbonato de cálcio, o que acarreta no aumento da dosagem de cal para águas ricas em bicarbonato (HCO3-). Estima-se que esta dosagem seja aproximadamente igual a 1,5 vezes da alcalinidade total (expressa em mgCaCO3/L). O uso de cal decorre em elevada geração de lodo. 10.4.3.2 Sulfato de Alumínio - Al2(SO4)3 O sulfato de alumínio é o produto químico mais utilizado na coagulação, principal- mente em sistemas de tratamento de águas de abastecimento. Sua difusão se deve à excelente qualidade do floco que é capaz de formar, assim como se deve a critérios
- 356. REMOçãO DE NUTRIENTES POR PROCESSOS FÍSICO-QUÍMICOS 355 econômicos e logísticos (SILVA, 1999). A faixa de pH adequada para sua aplicação se encontra entre 5,0 e 8,0. O percentual de alumina (Al2O3) contido no sulfato de alumí- nio alcança 8%. A química da remoção de fósforo pelo alumínio ainda não é completamente conheci- da, uma vez que as reações que envolvem a incorporação dos polifosfatos e do fósforo orgânico aos flocos formados são complexas. A simplificação do processo parte da hipótese de que o fósforo a ser removido encontra-se na forma de ortofosfato, e se comporta segundo a Equação 10.3 (EPA apud REYNOLDS, RICHARDS, 1996). Al+3 + HnPO43 – n ― AlPO4↓ + nH+ 10.3 10.4.3.3 Cloreto Férrico – FeCl3 A adição do íon férrico na água resulta em reações sequenciais de hidrólise, produzin- do hidróxido de ferro. Estas espécies promovem a coagulação, seja por neutralização das cargas dos colóides, seja por varredura (DI BERNARDO et al, 2002). Durante o pro- cesso de coagulação com FeCl3, em função da interação dos íons férricos com o meio, observa-se a diminuição do pH. Esta condição pode requerer a correção do pH ao final do processo de tratamento. Destaca-se como vantagem do emprego do FeCl3, a boa qualidade dos seus flocos, de acordo com ampla faixa de pH compreendido entre 5,0 e 11,0 (VIANA, 1997). O processo de remoção de fósforo pelo emprego de sais de ferro é similar ao verificado quando utilizados sais de alumínio. Os íons férricos reagem com o ortofosfato pro- duzindo o precipitado fosfato férrico (FePO4), que será removido juntamente com os flocos formados. A precipitação do fosfato pela ação do ferro pode ser representada simplificadamente pela Equação 10.4 a seguir: Fe+3 + Hn PO43-n ― FePO4↓ + nH+ 10.4 Na verdade, as reações entre Al ou Fe e os íons PO4- presentes no esgoto são mais complexas do que representam as equações anteriormente apresentadas. O que se observa, de fato, é que, quando um sal de Al ou Fe é adicionado ao esgoto, diferentes reações químicas competem entre si, envolvendo: a formação de uma cadeia de es- pécies hidrolisadas (incluindo algumas espécies poliméricas e hidróxidos metálicos); a adsorção do íon fosfato; e a formação de espécies de coagulantes capazes de deses- tabilizar outros constituintes presentes no esgoto. Assim, para a obtenção de eficiente remoção de fósforo é requerido o aumento do consumo de Al ou Fe. Segundo a EPA (1987), a remoção de fósforo por meio da precipitação química pode alcançar valores próximos a 95%. A Tabela 10.4 apresenta valores típicos para as
- 357. 356 ESGOTO razões molares entre alumínio e fósforo (Al:P) e entre ferro e fósforo (Fe:P), conside- rando eficiências de remoção de P de 75, 85 e 95%. Tabela 10.4 > Razões molares entre Al:P e Fe:P para diferentes eficiências de remoção de P REMOçãO DE FóSFORO (%) SULFATO DE ALUMíNIO CLORETO FéRRICO 75 1,25 a 1,5:1 1,1 a 1,7:1 85 1,6 a 1,9:1 1,5 a 2,1:1 95 2,2 a 2,6:1 2,3 a 2,8:1 FONTE: ADAPTADO DE ALEM SOBRINHO (1992) APUD GASPAR (2003) E WEF (1996). Por exemplo, para a concentração típica de fósforo de 10 mg/L, e razão molar de 2:1, a dosagem de sulfato de alumínio requerida seria de 192 mg/L, como demons- trado a seguir: 1 mmol Al2(SO4)3.14H2O = 594,3 mg Al2(SO4)3.14H2O 1 mmol Al2(SO4)3.14H2O = 2 mmoles Al 1 mmol P = 31 mg P 10mgP/L x (mmoleP/31mgP) x (2mmolAl/mmol P) x (mmolAl2(SO4)3/2mmolesAl) x (594,3mg Al2(SO4)3.14H2O/mmol Al2(SO4)3.14H2O) = 192 mg sulfato de alumínio O Projeto de Revisão da Norma Brasileira de Projetos de ETE (atualmente em elabora- ção) recomenda a realização de ensaios para a determinação de dosagens de produtos químicos a aplicar. Ressalta que a adição de produtos químicos deve ser efetuada em dispositivos que permitam a imposição de gradiente de velocidade igual ou superior a 1000 s-1, e que também devem ser observadas as seguintes relações molares mínimas: esgoto bruto: íon Fe/Ptotal de 2,5 e íon Al/Ptotal de 1,5 efluentes de processos aeróbios ou anaeróbios: íons Fe ou Al/Ptotal de 1,5 A Tabela 10.5 apresenta os tipos de precipitados formados pela adição de metais coa- gulantes. Ressalta-se que outros sólidos que não contenham fosfato também podem ser formados, consumindo assim parte dos sais adicionados e aumentando a produção de lodo (JENKINS, HERMANOWICZ, 1991).
- 358. REMOçãO DE NUTRIENTES POR PROCESSOS FÍSICO-QUÍMICOS 357 Tabela 10.5 > Tipos de precipitados fosfatados formados em função do metal adicionado METAL PRECIPITADO pH COMENTÁRIO Fosfato de B-tricálcio: Ca3(PO4)2(s) Produz as menores concentrações residuais Hidroxiapatita: Ca5(OH)(PO4)3 ≥ 10 de P. A alcalinidade da água determina a Ca 2+ dosagem por causa da formação de CaCO3. Fosfato de dicálcio: CaHPO4(s) Carbonato de Cálcio: CaCO3 ≤ 9,5 P residual entre 1 e 2 mg/L Fosfato Ferroso: Fe3(PO4)(s) Fosfato férrico: Fex(OH)y(PO4)3(s)* Fe2+ 6 a 8,5 Há alguma oxidação de Fe2+ a Fe3+ Hidróxido Ferroso: Fe(OH)2(s) Hidróxido Férrico: Fe(OH)3(s) Fosfato Férrico: Fex(OH)y(PO4)3(s) Fe3+ 6 a 8,5 - Hidróxido Férrico: Fe(OH)3(s) Fosfato de Alumínio: Alx(OH)y(PO4)3(s) Al3+ 6 a 8,5 - Hidróxido de alumínio: Al(OH)3(s) FONTE: JENKINS E HERMANOWICZ (1991) E DROSTE (1997). 10.4.3.4 Polieletrólitos São polímeros orgânicos, naturais ou sintéticos, com longa cadeia molecular e elevado número de cargas. Os polieletrólitos podem ser classificados de acordo com sua carga elétrica predominante. Os catiônicos têm a propriedade de diminuir o potencial Zeta, facilitando a coagulação e a floculação. Esta característica permite o emprego de poliele- trólitos como agentes auxiliares, e consequentemente, no menor consumo do coagulan- te, ou na utilização dos mesmos como coagulantes primários, como é o caso do Tanino. Os produtos aniônicos e não iônicos são efetivos apenas na etapa de floculação. Em testes realizados por Nacheva et al (1996) observou-se que o emprego de políme- ros catiônicos, com alto peso molecular, e de média ou alta densidade, apresenta exce- lente desempenho quando associado ao FeCl3. Todavia, em função do custo, polímeros aniônicos são mais utilizados, sem maiores prejuízos ao processo. 10.4.3.5 Tanino O Tanino é um polieletrólito catiônico, de natureza fenólica, capaz de precipitar prote- ínas. O polímero orgânico produzido comercialmente tem como característica o baixo peso molecular. Pode atuar no tratamento físico-químico como coagulante primário, auxiliar de coagulação e floculante. Seu emprego dependerá de avaliação técnica e econômica. A adição do tanino não altera o pH do meio, sendo efetivo na faixa de pH compreendida entre 4,5 e 8,0 (SILVA, 1999). Embora o esgoto bruto tenha maior facilidade para formar flocos do que as águas natu- rais que se destinam ao abastecimento público, devido à maior concentração de sólidos
- 359. 358 ESGOTO em suspensão que contém, a etapa de coagulação requererá além de maiores dosagens de coagulante, um tempo maior de mistura rápida, da ordem de 2 minutos. Por outro lado, para minimizar o risco de ruptura dos flocos formados, caracteristicamente pouco resistentes ao cisalhamento, o gradiente de velo cidade usualmente empregado é limi- tado a valores próximos a 300 s-1 (EPA apud REYNOLDS, RICHARDS, 1996). 10.4.4 Floculação A floculação é a etapa de tratamento posterior à coagulação. Consiste na manutenção de lenta agitação da massa líquida, de forma que seja promovido o encontro e a coli- são das partículas desestabilizadas, induzindo a formação de flocos de maior tamanho. A associação entre o aumento da dimensão dos flocos e o exercício das forças de cisalhamento favorece a ruptura dos flocos. Neste sentido, agregação e quebra cons- tituem processos simultâneos que contribuem para a uniformidade de tamanho dos flocos formados. A eficiência desta etapa de tratamento depende do desempenho da etapa de mistura do coagulante/floculante, e influencia, de forma incisiva, o desempe- nho da etapa posterior de separação. A colisão entre partículas em suspensão pode ocorrer devido a três mecanismos de transporte distintos: floculação pericinética (a energia térmica da água mantém suas moléculas em constante movimento — Movimento Browniano―, o que promove o cho- que entre as partículas e a formação dos flocos); floculação ortocinética (o contato entre as partículas é favorecido pela presença de um gradiente de velocidade que é imposto ao escoamento hidráulico e que mantém o fluido em movimento); e flo- culação por sedimentação diferencial (partículas coloidais de características físicas distintas, sob a ação da gravidade, tendem a sedimentar de acordo com diferentes velocidades, podendo colidir umas com as outras). Precedendo a sedimentação, para que sejam formados flocos de maior tamanho, a floculação requer maior tempo de contato, e, para evitar a ruptura dos flocos, requer menor gradiente de velocidade. Já para a separação por flotação, é requerida a for- mação de maior quantidade de flocos de menor dimensão, que resulte em maior área superficial em contato com as bolhas de ar e, neste caso, a floculação deve ocorrer com menor tempo de contato e maior gradiente de velocidade. No entanto, como dito anteriormente, unidades específicas de floculação não são usualmente projetadas e construídas para o caso da precipitação química de P. Na modalidade do tratamento primário avançado, como ilustra a Figura 10.9, são usual- mente utilizadas caixas de areia aeradas para este fim. Quando a coagulação ocorre precedendo o tanque de aeração do processo de lodos ativados, a formação de flocos é incentivada pela própria agitação e mistura que esta unidade promove. Nos demais
- 360. REMOçãO DE NUTRIENTES POR PROCESSOS FÍSICO-QUÍMICOS 359 casos, admite-se que a formação do flocos ocorra ao longo dos dispositivos de trans- porte e de interligação entre as unidades. FONTE: FOTO TIRADA PELOS AUTORES. (ETE PAVUNA – CEDAE – RIO DE JANEIRO, RJ). Figura 10.9 Caixa de areia aerada 10.4.5 Sedimentação A sedimentação é definida como um processo de separação entre as fases sólida e liquida e que tem como força impulsora a ação da gravidade. A operação unitária de sedimentação pode ser classificada de acordo com quatro diferentes tipos: discreta, floculenta, zonal e por compressão. Em linhas gerais, o processo depende da velocidade de sedimentação da partícula, cuja intensidade sofre interferência do seu diâmetro e massa específica, da massa específi- ca do líquido, e da força de atrito (JORDãO, PESSôA, 2005). Quando a remoção físico-química de sólidos suspensos e precipitados de fósforo é efetuada na decantação primária ou terciária, o tipo de sedimentação que prepondera é a floculenta. Por outro lado, em função da concomitância entre os processos biológi- co e físico-químico, a sedimentação floculenta e zonal ocorrem, respectivamente, nas parcelas superior e inferior da unidade de decantação secundária. No caso da sedimentação floculenta, as partículas não conservam suas proprieda- des físicas (forma, volume e peso) e se aglomeram devido à floculação. Em função do contínuo aumento do tamanho dos flocos, observa-se a elevação do peso e da velocidade de sedimentação dos mesmos, o que contribui para a maior eficiência do processo de clarificação. Diferentemente da sedimentação discreta, na qual as partículas descrevem trajetórias independentes umas das outras, a sedimentação flo-
- 361. 360 ESGOTO culenta torna-se mais eficiente com o aumento da profundidade do decantador e do tempo de contato. Uma vez que o comportamento do processo de floculação é influenciado por diferentes variáveis, é sempre prudente recorrer à determinação experimental dos parâmetros de projeto para a otimização da estrutura física da unidade de sedimentação e das condi- ções operacionais do processo de remoção físico-química (JORDãO, PESSôA, 2005). Em linhas gerais, o dimensionamento da unidade de precipitação química segue a determinação dos seguintes parâmetros: taxa de escoamento superficial, relacionada à velocidade de sedimentação das partículas; tempo de retenção hidráulica; e profun- didade de sedimentação. Os decantadores podem ser classificados como convencionais ou lamelares de alta taxa. Os decantadores convencionais aplicados para a remoção físico-química são usualmente circulares e podem ainda ser configurados para possuírem uma zona que se destine à prévia floculação antes que o processo de sedimentação efetivamente ocorra. Neste caso, também denominados de clarificadores de contato, os decantado- res são dotados de floculadores mecânicos instalados na zona concêntrica da unidade, cuja delimitação é dada por um defletor circular localizado no entorno da coluna de distribuição do afluente. A Figura 10.10 ilustra o desenho esquemático de um decan- tador convencional dotado de zona interna de floculação. FONTE: FOTO TIRADA PELOS AUTORES (ETE NO ESTADO DE INDIANA, USA). Figura 10.10 Decantador convencional dotado de zona interna de floculação Por outro lado, decantadores lamelares incrementam a eficiência de sedimentação dos sólidos em suspensão, em função da menor turbulência que conferem ao escoamento hidráulico da unidade. A própria trajetória de sedimentação das partículas é induzida
- 362. REMOçãO DE NUTRIENTES POR PROCESSOS FÍSICO-QUÍMICOS 361 pelo encontro e choque entre estas partículas e a estrutura de lamelas. Quanto aos tipos placa ou tubo, estes dispositivos são instalados contígua e paralelamente e de forma inclinada no interior da zona de sedimentação da unidade. Dispositivos tipo “colméia” são também utilizados em decantadores lamelares. A Figura 10.11 ilustra um modelo de decantação lamelar de placas. De acordo com valores que sugere o Projeto de Revisão da Norma Brasileira de Pro- jetos de ETE, a Tabela 10.6 indica parâmetros de projeto para o dimensionamento de decantadores convencionais e lamelares. FONTE: FOTO TIRADA PELOS AUTORES. Figura 10.11 Modelo de decantação lamelar de placas Tabela 10.6 > Parâmetros de projeto de unidades de decantação CARACTERíSTICAS CEPT DECANTAçãO SECUNDÁRIA Convencional Lamelar Taxa de escoamento superficial (m³/m².dia) <90 24 e 40 1 35 a 802 Altura mínima (m) >3,5 >3,5 - Taxa de escoamento no vertedor (m³/m.d) <500 < 380 - Tempo de detenção (h) - >1,53 - FONTE: ABNT - PROJETO DE REVISãO DA NORMA BRASILEIRA DE PROJETOS DE ETE. ONDE: 1 PARA PRECIPITAçãO QUÍMICA DE P, EM FUNçãO DO USO, OU NãO, DE POLIELETRóLITO / 2 EM FUNçãO DA CONCENTRAçãO DE SST AFLUENTE / 3 PARA QMéDIA 10.4.6 Flotação A flotação é um processo que envolve três fases: sólida, líquida e gasosa. No caso do esgoto, pode ser definida como um processo de separação entre as partículas sólidas em suspensão e a água, alcançado por meio do empuxo promovido pela adesão de
- 363. 362 ESGOTO bolhas de gás à superfície das partículas e, consequentemente, da ascensão destas partículas em direção à superfície, de onde são devidamente coletadas. A flotação pode ser classificada em função da forma de geração e do gás utilizado no processo. Na flotação eletrolítica ou eletroflotação, a obtenção das bolhas de H2 e O2 é resultante da eletrólise da água. Na flotação por ar disperso ou por ar induzido, as bolhas de ar possuem grandes diâmetros e são introduzidas na fase líquida através da agitação desta fase à pressão atmosférica. Já a flotação por ar dissolvido (FAD) é a tecnologia mais empregada para o tratamento de esgoto. Neste caso, no líquido contido em uma câmara pressurizada é promovida a supersaturação de ar, de forma que ele libere microbolhas quando posteriormente submetido à pressão atmosférica. Estas bolhas, combinadas aos sólidos em suspensão, resultam em um agregado com densidade menor do que a da água, permitindo o procedimento de empuxo e arraste das partículas em suspensão para a superfície do líquido. Um sistema FAD é composto por uma câmara de saturação de ar e por um tanque de flotação. Como a solubilidade do ar na água decresce com o aumento da concen- tração de sólidos, é comum, no tratamento do esgoto, o emprego do sistema com recirculação. No caso, como ilustra a Figura 10.12, após a flotação, uma parcela do efluente tratado retorna para a câmara de pressurização e de dissolução de ar, para que, em seguida, misturada ao afluente já submetido a coagulação e floculação, seja novamente introduzida no tanque de flotação. FONTE: CAMPOS et al (2004). Figura 10.12 FAD com recirculação O melhor desempenho de um sistema FAD depende do tamanho e da distribuição di- fusa e homogênea das microbolhas. Admite-se que o tamanho ideal das bolhas esteja compreendido entre 10 e 100 µm, sendo que a maior parcela delas deve apresentar diâmetro da ordem de 50 µm. Quanto menor o tamanho médio das microbolhas de ar
- 364. REMOçãO DE NUTRIENTES POR PROCESSOS FÍSICO-QUÍMICOS 363 introduzidas no flotador, melhor será realizada a distribuição das bolhas e maior será a probabilidade de colisão e adesão entre elas e as partículas em suspensão. Ressalta-se também que, pelo fato da velocidade ascensional da microbolha crescer diretamente proporcional ao quadrado do seu diâmetro, aquelas de maior dimensão apresentam maiores velocidades de ascensão e, consequentemente, tendem a se desprender mais facilmente da superfície dos flocos. A relação entre quantidade de ar liberada pela solução e a quantidade de sólidos pre- sente no afluente (kgAr/kgSS) é variável em função da solubilidade do ar, da pressão utilizada e da própria concentração de sólidos em suspensão. Assim, para o adequado dimensionamento do processo, é sempre prudente proceder-se em escala de laborató- rio e em escala piloto a prévia determinação experimental deste parâmetro. Além da relação kgAr/kgSS, o dimensionamento de uma sistema FAD envolve a ado- ção de outros parâmetros tais como: pressão de operação, razão de recirculação, taxa de escoamento superficial, carga de aplicação de sólidos e tempo de detenção. Na Tabela 10.7 são apresentados parâmetros de projeto para o dimensionamento de sistemas FAD. Tabela 10.7 > Parâmetros de projeto de sistemas FAD PARâMETROS VALORES Relação ar/sólidos (kgAr/kgSS) 0,005 a 0,100 Pressão de saturação de ar (kPa) 200 a 480 Razão de recirculação (%) 15 a 300 Taxa de escoamento superficial (m³/m².h) 0,48 a 9,76 Carga de aplicação de sólidos (kg/m².h) 2,0 a 24,4 Tempo de detenção (min) 30 FONTE: DICK (1972), RAMALHO (1977), EPA (1975) E METCALF & EDDY (1991). Recomenda-se que a distribuição do afluente ao tanque de flotação seja efetuada de forma também uniforme, ao longo de uma das laterais da unidade, por meio de bocais submersos, a 20 cm do NA, e instalados equidistantes em uma tubulação de entrada. A água saturada de ar deve ser introduzida logo abaixo da tubulação de distribuição do afluente, também através de tubulação perfurada, de forma que, através dos orifí- cios, para a ideal descompressão e formação das microbolhas, seja mantida a pressão da ordem de 0,04 kPa/m². O lodo flotado é usualmente removido da superfície por meio de raspador mecanizado.
- 365. 364 ESGOTO 10.4.7 Filtração Embora a operação de filtração componha convencionalmente a etapa de clarificação das estações de tratamento de águas de abastecimento, seu emprego para o trata- mento de esgoto não é usual e recorrente, sendo somente utilizada em casos em que se requeira o polimento do efluente final e a remoção de P. Neste sentido, a filtração aplicada ao tratamento do esgoto sanitário se caracteriza como uma tecnologia de tratamento terciário, sendo usual denominá-la filtração terciária. A filtração pode fazer uso, ou não, de coagulantes e floculantes para a remoção dos sólidos em suspensão efluentes do tratamento secundário. Sem o emprego de produ- tos químicos, a filtração de efluentes secundários contendo 30 mgSST/L, é capaz de, tipicamente, gerar efluentes segundo concentrações inferiores a 10 mgSST/L. Por apresentar limitada eficiência para a remoção de nitrogênio orgânico particulado e por não propiciar qualquer ação sobre as formas de nitrogênio amoniacal e nitrato, a filtração usualmente apresenta eficiências de remoção de nitrogênio total compre- endidas entre somente 20 e 40%. Por outro lado, com prévia coagulação, a filtração é capaz promover a remoção eficaz de fósforo solúvel remanescente do tratamento secundário, possibilitando a obten- ção de concentrações efluentes inferiores até 0,1mgP/L. Observa-se que o emprego da filtração após o tratamento secundário consiste em recomendação do Prosab (FLORENCIO, 2006) para o uso de esgoto sanitário tratado para a irrigação agrícola irrestrita. A filtração oferece garantia sanitária quanto a limi- tação de 1 ovos de helminto/L presente no efluente e, baseada na obtenção de valores efluentes de turbidez inferiores a 5 NTU, também oferece garantia quanto a ausência de (oo)cistos de protozoários. Os mecanismos de transporte e de aderência envolvidos na filtração são: a retenção mecânica, sedimentação, impacto inercial, interceptação, adesão, e floculação. Embora estes mecanismos ocorram concomitantemente, a retenção mecânica se caracteriza como o principal deles. é responsável pela efetiva retenção de material particulado e coloidal cujas dimensões sejam maiores do que os espaços vazios do meio filtrante. Na unidade ocorrem as etapas de filtração, propriamente ditas, e de limpeza (comu- mente denominada etapa de retrolavagem). Durante a etapa de filtração, o mate- rial particulado é continuamente removido em função da percolação e passagem do esgoto através do meio filtrante de material granular e por meio dos mecanismos de transporte e aderência anteriormente descritos. O término da etapa de filtração é determinado em função da deterioração da qualidade do efluente filtrado e/ou do incremento da perda de carga da unidade, sendo o tempo de duração decorrente
- 366. REMOçãO DE NUTRIENTES POR PROCESSOS FÍSICO-QUÍMICOS 365 denominado “corrida de filtração”. Quando um ou ambos os estados operacionais são alcançados, a unidade é submetida à etapa de limpeza para a remoção do material particulado retido e acumulado no meio filtrante. A filtração terciária é sujeita a muitas tipologias em função de variações das caracte- rísticas físicas e operacionais da unidade, e pode ser classificada de acordo com o que estabelece a Tabela 10.8. Tabela 10.8 > Classificação das unidades de filtração TIPO MEIO FILTRANTE ESCOAMENTO DA FILTRAçãO Camada Tipo Sentido Força Operação Convencional única areia descendente gravidade semi-contínua Convencional única antracito descendente gravidade semi-contínua Convencional dupla areia e antracito descendente gravidade semi-contínua Profundo única areia descendente gravidade semi-contínua Profundo única antracito descendente gravidade semi-contínua Profundo única areia ascendente gravidade semi-contínua Intermitente única areia descendente gravidade semi-contínua Profundo única areia ascendente gravidade contínua Ponte Rolante única areia ascendente gravidade contínua Pressão única areia descendente pressão semi-contínua FONTE: ADAPTADO DE METCALF & EDDY (2003). Os filtros convencionais e intermitentes que empregam o escoamento de sentido des- cendente e a operação semi-contínua são aqueles mais largamente utilizados. Neste caso, durante a etapa de filtração, o esgoto mantém trajetória descendente de esco- amento em função da carga hidráulica aplicada sobre a superfície do meio filtrante. Durante a etapa de retrolavagem, o fluxo de escoamento é invertido, sendo a água limpa pressurizada desde o fundo da unidade que, ao descrever trajetória ascendente, é responsável pela fluidização e consequente limpeza do meio filtrante. Recomenda-se que, independentemente da qualidade do efluente filtrado e da forma de evolução da perda de carga, a unidade de filtração terciária seja submetida à re- trolavagem pelo menos uma vez a cada 24 horas. A quantidade de água utilizada na etapa de retrolavagem geralmente corresponde a 5% do volume de esgoto sanitário tratado na unidade (METCALF & EDDY, 1991). Quando a etapa de retrolavagem somente utiliza água limpa, o meio filtrante tende a se estratificar, mantendo as partículas de menor dimensão junto à superfície. No caso, é a fluidização do meio filtrante o mecanismo responsável pelo desprendimento dos
- 367. 366 ESGOTO sólidos retidos e pela efetiva limpeza da unidade. Nesta modalidade, filtros de camada única e de camada dupla requerem, respectivamente, o emprego de taxas de retrola- vagem compreendidas entre 2.300 e 2.600 m³/m².d e 1.200 e 1.800 m³/m².d. Quando a retrolavagem também emprega o ar comprimido conjunta e simultanea- mente à água limpa, impõe-se às partículas do meio filtrante uma trajetória circular de movimentação, desde o fundo até o topo da unidade, e consequentemente, intensa mistura entre aquelas de maior e de menor dimensão — possibilitando, desta forma, a desestratificação da unidade. Neste caso, são bem menores as taxas de retrolavagem recomendadas para camada única de areia, compreendidas entre 600 e 1.200 m³/m².d, assim como para camada única de antracito, entre 400 e 900 m³/m².d. As características físicas e operacionais das unidades de filtração semi-contínua e de fluxo descendente podem ser diferenciadas em função dos tipos e da quantidade de meio filtrante utilizado. O modelo de filtro terciário mais empregado é aquele que utiliza uma única camada de areia ou de antracito, embora também possa combinar o uso de camada dupla de antracito sobre a areia. Recomendada para redução da fre- quência de retrolavagem, a camada dupla permite a maior percolação e penetração dos sólidos e o maior aproveitamento da capacidade de armazenamento disponível na unidade. O desenho da Figura 10.13 apresenta uma ilustração convencional de uma unidade de filtração rápida. FONTE: ADAPTADO DE JONG et al (1993). Figura 10.13 Unidade de filtração A escolha do tipo de dreno a ser utilizado está associada à modalidade de retrolava- gem. Quando somente água limpa é utilizada, o dreno é constituído por simples cama- da de cascalho. Quando ar comprimido é também empregado, é requerida a instalação de dispositivos especiais que servem tanto para a coleta do efluente filtrado como para a introdução e difusão eficaz da mistura ar e água, como ilustra a Figura 10.14.
- 368. REMOçãO DE NUTRIENTES POR PROCESSOS FÍSICO-QUÍMICOS 367 FONTE: FOTO TIRADA PELOS AUTORES (CENTRO EXPERIMENTAL DE TRATAMENTO DE ESGOTOS DA UFRJ). Figura 10.14 Dispositivo de coleta do efluente e de entrada de ar e água de retrolavagem Em função da diferença entre a composição do esgoto sanitário e das águas de ma- nanciais superficiais, o dimensionamento, projeto e condições operacionais da filtra- ção terciária apresentam especificidades próprias quando comparada a unidade de filtração de estações de tratamento de águas de abastecimento. No desenvolvimento do projeto hidráulico de uma ETE, a definição da quantidade de unidades de filtração a ser empregada depende dos possíveis arranjos para implantação na área disponível, assim como depende dos custos relativos às obras civis e instalações hidráulicas. De- vem ser também avaliados os volumes de água limpa a serem utilizados nas operações de retrolavagem, e, durante estas retrolavagens, deve-se evitar a sobrecarga hidráulica das unidades em operação. Tipicamente, a seção superficial dos filtros obedece à relação compreendida entre 1:1 e 1:4. Com base nas características do afluente, o projeto hidráulico contempla a defini- ção do tipo e altura do meio filtrante, a taxa de filtração a ser empreendida, e a perda de carga admissível na unidade. A concentração de sólidos suspensos bem como a estrutura, o tamanho e a distribui- ção das partículas são as características do afluente que, principalmente, intervêm no processo de filtração. A turbidez é o parâmetro usual de monitoramento da unidade de filtração e, para o caso de efluente de filtros terciários, é também válida a típica correlação entre esta turbidez e a concentração de sólidos em suspensão: SST (mg/l) = 2,3 a 2,4 x Turbidez (NTU). Grande parte do material particulado utilizado nos filtros apresenta tamanho inferior a 15 µm (valor médio compreendido entre 3 e 5 µm), enquanto o restante distribui-se
- 369. 368 ESGOTO uniformemente segundo tamanhos que variam entre 20 e 140 µm (valor médio com- preendido entre 80 e 90 µm). O diâmetro efetivo e o coeficiente de uniformidade são as principais características con- sideradas para efeito da especificação do meio filtrante das unidades de filtração terciá- ria. O diâmetro efetivo (d10) corresponde ao diâmetro da peneira que deixa passar 10% em peso de uma amostra, enquanto o coeficiente de uniformidade corresponde a razão entre os diâmetros d60 e d10. Ambos os parâmetros são obtidos por ensaio granulométrico. O tamanho das partículas do meio filtrante afeta o comportamento da perda de carga ao longo da etapa de filtração. Quanto menor o diâmetro das partículas, maior será a carga hidráulica empreendida para sobrepor a resistência à filtração imposta pelo meio filtrante. Quanto maior o diâmetro das partículas, maior a dificuldade de reten- ção de sólidos suspensos presentes no afluente. A taxa de filtração ou taxa de aplicação superficial constitui parâmetro diretamente relacionado ao tamanho das unidades de filtração e é função da estrutura do floco e do diâmetro efetivo do meio filtrante. Flocos mais fracos são facilmente desestrutura- dos pela ação de elevadas taxas de filtração, as quais ainda causam, forçosamente, a passagem destes flocos pela camada de meio filtrante. A Tabela 10.9 resume as características do meio filtrante e as taxas de filtração reco- mendadas para unidades do tipo convencional, de fluxo descendente e de operação semi-contínua. Tabela 10.9 > Características do meio filtrante e taxas de filtração CAMADA DIâMETRO EFETIVO COEFICIENTE DE ALTURA (cm) TAXA DE FILTRAçãO (d10, mm) UNIFORMIDADE (m³/m².d) única: areia 0,65 (0,4-0,8) 1,5 (1,2-1,6) 60 (50-75) 180 (120-350) única: antracito 1,3 (0,8-2,0) 1,6 (1,3-1,8) 75 (60-90) 230 (120-450) areia 0,65 (0,4-0,8) 1,5 (1,2-1,6) 30 (15-30) Dupla (120-600) antracito 1,3 (0,8-2,0) 1,6 (1,3-1,8) 50 (30-60) FONTE: ADAPTADO DE METCALF & EDDY (2003). 10.5 Experiências do Prosab 10.5.1 Experiências do Edital 5 10.5.1.1 UFRJ: Filtração Terciária Visando o atendimento aos padrões de lançamento de efluentes e de qualidade de água para tipos específicos e mais restritivos de reúso, o projeto da UFRJ teve como
- 370. REMOçãO DE NUTRIENTES POR PROCESSOS FÍSICO-QUÍMICOS 369 objetivo complementar os processos biológicos de tratamento por meio do emprego de unidades de filtração terciária. Como mostra o delineamento experimental indicado pela Tabela 10.10, as unidades de filtração foram submetidas a diferentes condições operacionais, de acordo com as seguintes variáveis: a taxa de aplicação superficial e a granulometria do meio filtrante. Tabela 10.10 > Delineamento experimental da pesquisa FASE/PERíODO TAXA DE APLICAçãO SUPERFICIAL (m³/m².d) FA-1 (d10 = 1,1 mm) FA-3 (d10 = 1,4 mm) FA-4 (d10 = 1,6 mm) F1: Ago-Set 07 e Jan-Fev 08 40 40 40 F2: Set-Nov e Mar-Jun 08 80 80 80 F3: Nov-Dez 07 120 120 120 F4: Jul-Ago 08 30 30 30 FONTE: UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO DE JANEIRO. Todas as unidades de filtração eram de seção superficial quadrada (lado de 0,50 m) e foram construídas em estrutura de concreto armado e alvenaria. A camada de meio filtrante possuía 0,60 m de altura e era suportada por estrutura na qual estavam acoplados os 16 bocais destinados para coleta do filtrado e para a distribuição de ar e água de retrolavagem. A vazão de retrolavagem era provida pela carga piezométrica disponibilizada por um único reservatório superior (desnível geométrico da ordem de 4,0 m) com volume de 1000 L. Em nenhuma das fases da pesquisa foram utilizados produtos químicos para prévia coagulação e floculação. A Figura 10.15 ilustra o apa- rato experimental da pesquisa. FONTE: FOTO TIRADA PELOS AUTORES (CENTRO EXPERIMENTAL DE TRATAMENTO DE ESGOTOS DA UFRJ). Figura 10.15 Unidade de filtração terciária da UFRJ
- 371. 370 ESGOTO As hipóteses da pesquisa consistiram em que o incremento da taxa de aplicação super- ficial deterioraria a qualidade do efluente da filtração terciária e incrementaria a perda de carga na unidade, e que os meios filtrantes com maior granulometria propiciariam a obtenção de efluentes filtrados de pior qualidade, embora alcançassem menores perdas de carga. Neste sentido, o monitoramento realizado consistiu na avaliação da qualidade do efluente filtrado, com base em amostras compostas diurnas segundo alíquotas coletadas a cada 30’, e da perda de carga em cada unidade. A Tabela 10.11 destaca os valores médios das concentrações efluentes e das respec- tivas eficiências de remoção de SST, cor, turbidez, N-NH4, DQO, P-total, coliformes termotolerantes e ovos de helmintos. Os resultados apresentados na Tabela 10.11 indicam que a filtração terciária não agiu eficazmente sobre a remoção de amônia e coliformes termotolerantes e que, indepen- dente da taxa de aplicação superficial, sem a prévia coagulação e floculação, também não foi possível remover P de forma eficaz. De fato, as eficiências de remoção de P fo- ram sempre inferiores a 40 %, independente da taxa de aplicação superficial utilizada e do meio filtrante empregado. Por outro lado, a cor e DQO foram complementarmente removidos pela filtração, se- gundo eficiências médias de remoção compreendidas respectivamente entre 56 e 70% e 60 e 70%. Considerando todos os meios filtrantes e taxas de aplicação superficial experimentadas, deve-se ressaltar a concentração de 21 mgSST/L obtida para o per- centil de 90% e a integral remoção de ovos de helmintos, não se tendo encontrado a presença de um único ovo em 100% dos efluentes dos experimentos realizados. De forma a garantir a ausência de protozoários, diretrizes do Prosab para o uso agrí- cola de esgoto sanitário recomendam o emprego da filtração terciária para a ob- tenção de valores de turbidez iguais ou inferiores a 5 uT (FLORENCIO, 2006). Para as taxas de aplicação superficial de 40, 80 e 120 m³/m².d não foi possível satisfazer o padrão de turbidez desejado, tendo-se obtido valores médios compreendidos entre 6 e 9 uT. Somente quando a unidade esteve submetida a taxa de 30 m³/m².d foi pos- sível a obtenção de valor médio efluente de 4 uT. Os resultados do experimento apontaram que, apesar das perdas de carga terem evo- luído mais rapidamente em função da elevação da taxa de aplicação superficial, as perdas não resultaram diferenças significativas entre as concentrações efluentes de turbidez. Da mesma forma, apesar dos meios filtrantes com maior granulometria terem proporcionado menores perdas de carga, eles também não apresentaram dife- renças significativas entre as concentrações efluentes de turbidez.
- 372. REMOçãO DE NUTRIENTES POR PROCESSOS FÍSICO-QUÍMICOS 371 Tabela 10.11 > Valores médios obtidos ao longo das 4 fases operacionais PARâMETRO FILTRO DE AREIA UNIDADE TAXA DE APLICAçãO SUPERFICIAL (m³/m².d) 40 80 120 30 Efluente 9 12 12 5 FA-1 Eficiência (%) 75 78 77 86 Efluente 7 10 - - SST (mg/L) FA-3 Eficiência (%) 81 81 - - Efluente 11 12 19 3 FA-4 Eficiência (%) 69 78 63 91 Efluente 80 69 93 90 FA-1 Eficiência (%) 63 66 67 30 Efluente 60 65 - - Cor (PtCo) FA-3 Eficiência (%) 72 68 - - Efluente 67 81 107 71 FA-4 Eficiência (%) 69 60 62 45 Efluente 8 7 7 3 FA-1 Eficiência (%) 76 83 88 90 Efluente 5 5 - - Turbidez (uT) FA-3 Eficiência (%) 85 88 - - Efluente 6 8 10 4 FA-4 Eficiência (%) 82 80 82 87 Efluente 18 15 12 8 FA-1 Eficiência (%) 28 21 8 53 Efluente 46 11 - - N-NH4 (mg/L) FA-3 Eficiência (%) 0 42 - - Efluente 29 17 13 19 FA-4 Eficiência (%) 0 11 0 0 Efluente 31 41 11 36 FA-1 Eficiência (%) 64 54 86 36 Efluente 16 48 - - DQO (mg/L) FA-3 Eficiência (%) 81 47 - - Efluente 20 44 13 15 FA-4 Eficiência (%) 77 51 83 73 Efluente 5,15 8,85 5,81 8,25 FA-1 Eficiência (%) 0 1 9 15 Efluente 2,9 6 - - P-t (mg/L) FA-3 Eficiência (%) 40 33 - - Efluente 4,13 8,57 5,66 9,11 FA-4 Eficiência (%) 16 4 11 6 Efluente 7,92E+04 1,21E+06 2,40E+03 - FA-1 Eficiência (%) 87 0 78 - Coliformes Efluente 2,40E+05 4,60E+03 - - Termotolerantes FA-3 (NMP/100mL) Eficiência (%) 61 99 - - Efluente 1,09E+05 1,21E+05 2,40E+03 - FA-4 Eficiência (%) 82 61 78 - Efluente 0 0 0 0 FA-1 Eficiência (%) 100 100 100 100 Helmintos Efluente - 0 - - FA-3 (ovo/L) Eficiência (%) - 100 - - Efluente 0 0 0 0 FA-4 Eficiência (%) 100 100 100 100 FONTE: UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO DE JANEIRO.
- 373. 372 ESGOTO 10.5.1.2 UNICAMP: Filtração como unidade de pós-tratamento de conjunto Tanque Séptico e Filtro Anaeróbio visando a nitrificação e desnitrificação Visando o lançamento em corpos de água mais restritivos quanto à qualidade e/ou o condicionamento do esgoto para irrigação em cultura de roseiras, a pesquisa desen- volvida pela UNICAMP teve como foco de aplicação o desenvolvimento de solução para o tratamento de esgoto de pequenas comunidades. De acordo com o que preco- nizam as normas brasileiras NBR 7.229/93 e NBR 13.969/97, o aparato experimental foi constituído sequencialmente por tanque séptico, filtro anaeróbio, filtro de areia para nitrificação e filtro de areia para desnitrificação, segundo 4 linhas de tratamento distintas e paralelas. Construídos em caixas cilíndricas com estrutura de fibra de vidro e diâmetro interno de 1,00 m, os filtros de areia destinados a nitrificação continham camada de areia de 0,75 m, enquanto aqueles destinados a desnitrificação, camada de areia de somente 0,30 m. Em ambos os casos, as camadas de areia eram posicionadas sobre bases de Brita 1. A areia empregada apresentava as seguintes características: diâmetro efetivo de 0,18 mm; coeficiente de desuniformidade de 3,14; coeficiente de vazios de 28,58 ± 0,87%; dimensão máxima característica de 2,38 mm; e módulo de finura de 2,14 mm. Na Figura 10.16 são apresentados os detalhes construtivos dos reatores de desnitrifi- cação e as respectivas instalações do experimento da UNICAMP. A B FONTE: UNIVERSIDADE ESTADUAL DE CAMPINAS. Detalhes construtivos dos reatores de desnitrificação e respectivas instalações Figura 10.16 do experimento da UNICAMP Com o propósito de promover a adequada nitrificação e desnitrificação do efluente, as unidades de filtração foram submetidas a uma operação intermitente. Assim, o efluen- te anaeróbio era aplicado nos reatores de nitrificação segundo descargas instantâneas de 50 L/m².d, os quais, sequencialmente, alimentavam, por meio de interligação por
- 374. REMOçãO DE NUTRIENTES POR PROCESSOS FÍSICO-QUÍMICOS 373 gravidade, seus respectivos reatores de desnitrificação, de acordo com o delineamento experimental que indica a Tabela 10.12. Tabela 10.12 > Delineamento experimental da pesquisa UNIDADES CONDIçãO OPERACIONAL Reatores de Nitrificação Reatores de Desnitrificação Frequência (descargas/dia) Filtro de Areia FA-1 Filtro de Areia RD-1 1 Filtro de Areia FA-2 Filtro de Areia RD-2 2 Filtro de Areia FA-3 Filtro de Areia RD-3 3 Filtro de Areia FA-4 Filtro de Areia RD-4 4 FONTE: UNIVERSIDADE ESTADUAL DE CAMPINAS. As Tabelas 10.13 e 10.14 indicam os resultados obtidos por ambas as unidades de fil- tração em relação à remoção de P e de turbidez. Observa-se que as eficiências de remoção dos filtros de areia FA referem-se ao efluente proveniente dos filtros anae- róbios, enquanto aquelas relacionadas aos filtros de areia RD referem-se ao efluente dos filtros de areia FA. Tabela 10.13 > Média das concentrações efluentes e das eficiências de remoção de P REATOR FóSFORO REMOçãO CARGA REMOVIDA REATOR FóSFORO REMOçãO CARGA REMOVIDA (mg/L) (%) (mg/d) (mg/L) (%) (mg/d) FA1 0,3 a* 89,9* 130,88 RD1 0,1a** 79,8* 11,3 FA2 0,5 a* 83,4* 247,09 RD2 0,1a** 88,1* 37,3 FA3 0,3 a* 88,1* 386,91 RD3 0,1a** 80,0* 38,3 FA4 0,5 a* 82,0* 484,84 RD4 0,1a** 81,8* 78,8 * MéDIAS SEGUIDAS PELA MESMA LETRA MINúSCULA NA VERTICAL NãO DIFEREM ENTRE SI (KRUSKAL-WALLIS 5%); ** LIMITE DE DETECçãO FONTE: UNIVERSIDADE ESTADUAL DE CAMPINAS. Tabela 10.14 > Média dos valores efluentes e das eficiências de remoção de Turbidez REATOR TURBIDEZ (uT) REMOçãO (%) REATOR TURBIDEZ (uT) REMOçãO (%) FA1 8,1 a* 86,8 a* RD1 0,6 a* 89,3 a* FA2 12,2 a* 80,7 a* RD2 1,0 ab* 83,1 a* FA3 6,3 a* 91,0 b* RD3 1,9 bc* 63,7 b* FA4 7,8 a* 88,8 b* RD4 2,7 c* 58,6 b* * MéDIAS SEGUIDAS PELA MESMA LETRA MINúSCULA NA VERTICAL NãO DIFEREM ENTRE SI (KRUSKAL-WALLIS 5%); ** LIMITE DE DETECçãO FONTE: UNIVERSIDADE ESTADUAL DE CAMPINAS. Os valores médios efluentes de P e respectivas eficiências de remoção não apresen- taram diferenças significativas (Kruskal-Wallis 5%), embora os filtros FA2, FA3 e FA4
- 375. 374 ESGOTO tenham recebido maior quantidade de efluente anaeróbio, devido a maior frequência de aplicação. O desempenho das unidades na remoção de P pode estar associado à incorporação do fósforo ao biofilme e a retenção pelos íons Fe3+, Al3+ e Ca2+ presentes nos leitos de areia. As concentrações efluentes de P dos filtros de areia FA, inferiores a 1,0 mg/L, e con- sequentemente, as concentrações efluentes dos filtros RD, são função das concen- trações efluentes dos filtros anaeróbios, similares as do esgoto bruto afluente, e de acordo com valores médios de 3,4 ± 1,1 mg/L. Verifica-se que, embora os filtros de areia FA tenham apresentado elevado desem- penho em relação a remoção da turbidez, eles não foram capazes de gerar efluentes com valores inferiores a 5 uT, de forma a satisfazer as diretrizes do Prosab para o uso agrícola de esgoto sanitário. Complementarmente, por meio dos filtros de areia dos reatores RD seguintes, o padrão recomendado foi alcançado por todas as 4 unidades experimentais. 10.5.2 Experiências de editais anteriores do Prosab Experiências anteriores do Prosab empregaram tecnologias de tratamento baseadas em processo físico-químicos, segundo as modalidades de tratamento primário avan- çado, pós-tratamento de efluentes de reatores UASB e de lagoas de estabilização, e tratamento terciário. Apesar de cada um dos experimentos apresentar seus específicos objetivos e hipóteses de investigação, contemplando desde a remoção complementar de matéria orgânica e sólidos em suspensão até as remoções de turbidez, indicado- res de contaminação fecal e nutrientes, julgou-se conveniente, e de forma resumida, apresentá-los ao final deste capítulo. 10.5.2.1 CEPT Experimentos da UFRJ conduzidos no âmbito do Edital 4 do Prosab tiveram como objetivo avaliar o desempenho do processo CEPT, considerando como variáveis os ti- pos de produtos químicos utilizados e as taxas de aplicação superficial empregadas. Primeiramente, com o auxílio do Teste de Jarro em bancada, foram selecionados os seguintes produtos: Panfloc TE, Cloreto Férrico e Tanfloc. O aparato experimental con- sistia em uma caixa de areia aerada, onde ocorriam a mistura rápida do coagulante e, supostamente, a floculação, e em seguida, paralelamente, um decantador primário de seção quadrada de 1,7 m² e uma coluna de sedimentação. Nestes últimos foram aplicadas cargas hidráulicas de 80, 100 e 120 m³/m².d. Em geral, os resultados apon- taram para eficiências de remoção de SST e P compreendidas respectivamente entre 60 e 80% e entre 50 e 90%.
- 376. REMOçãO DE NUTRIENTES POR PROCESSOS FÍSICO-QUÍMICOS 375 10.5.2.2 Pós-tratamento de efluentes de reatores UASB por flotação por ar dissolvido No âmbito do Edital 2, a PUC-PR avaliou os sistemas de flotação por ar dissolvido empregados nas ETEs Cambuí e Ronda (SANEPAR) para o pós-tratamento de efluentes de reatores UASB. Na ETE Cambuí, o efluente apresentou valores médios de 79 ± 13 mgDQO/L, 17 ± 10 mgDBO/L, 41 ± 4 mgSST/L, 4,1 ± 2,8 uT e 1,4 ± 0,6 mgPO4/L. Já na ETE Ronda foram obtidos os seguintes valores médios efluentes: 37 ± 17 mgDQO/L, 9 ± 4 mgDBO/L, e 0,07 ± 0,06 mgPO4/L. Também no Edital 2, a EESC/USP avaliou o desempenho de um sistema de flotação por ar dissolvido para o pós-tratamento de efluentes de reatores UASB. Neste trabalho, houve a indicação que, dentre os produtos químicos investigados, a cal hidratada em uma dosagem de 50 mg/L associada a uma dosagem de 100 mg/L de cloreto férrico forneceu excelentes resultados de remoção de fosfato total (84%), DQO (73%), DBO5 (73%), Turbidez (70%) e Nitrogênio Total Kjeldahl (49%). No que se refere especifica- mente à remoção de fosfatos totais, os melhores resultados foram obtidos quando se aplicou dosagens mais elevadas de cal, chegando a se atingir concentração no efluen- te da ordem de 0,5 mg/L. 10.5.2.3 Pós-tratamento de efluente de reator UASB por filtros de areia intermitentes O Edital 4 do Prosab contemplou um projeto da UFBA, que consistiu no pós-trata- mento de efluente de reator UASB por filtros de areia intermitentes. Trata-se de uma tecnologia pela qual ocorre o processo físico de retenção de sólidos, e na qual também se estabelece um reator biológico aeróbio, em função da aeração da unidade propor- cionada pela intermitência de seu funcionamento. Para taxas de aplicação superficial de 0,4 e 0,6 m³/m².d, diferentes granulometrias e frequências de aplicação foram ex- perimentadas. 10.5.2.4 Pós-tratamento físico-químico de efluentes de lagoas de estabilização No Edital 4, a USP estudou o pós-tratamento dos efluentes das lagoas anaeróbia e facultativa da Estação de Tratamento de Esgoto de Lins-SP por meio de um sistema de fluxo contínuo, em escala piloto, de coagulação, floculação e decantação lamelar ou flotação por ar dissolvido para a separação de sólidos. Após a prévia determinação das dosagens de sulfato de alumínio e cloreto férrico em ensaios em escala de labo- ratório, foram avaliados os resultados em função da variação dos tipos de afluente, coagulante, e processo de separação sólido-líquido. Para a dosagem de 24 mg Al/L no efluente da lagoa facultativa, obteve-se bons resultados de remoção de fósforo. No entanto, também com a utilização de sulfato de alumínio, o pós-tratamento físico-
- 377. 376 ESGOTO químico do efluente da lagoa anaeróbia apresentou melhor eficiência na remoção de fósforo, tanto na flotação quanto na sedimentação, alcançando valores efluentes em torno de 0,2 mg P/L. Também no Edital 4, a UFRGS avaliou a remoção de fósforo do efluente de lagoas de alta taxa, mediante processo de coagulação e floculação seguido de flotação por ar dissolvido modificada. Nesta última, foram separadas as etapas orgânica e inorgânica do processo, visando o reaproveitamento ou biodigestão das algas floculadas com um polímero catiônico e recuperação do fosfato a partir do lodo inorgânico (FePO4 + Fe(OH)3). Ensaios preliminares para a otimização de tipo e dosagem de reagentes foram realizados em teste de jarros. Os resultados obtidos mostraram que a remoção de algas, representada pela concentração dos pigmentos clorofila a e feoftina, foi su- perior a 92%, e a remoção de fósforo (P total) foi de 96%. Ainda, a flotação mostrou- se mais adequada do que a sedimentação para a separação sólido-líquido tanto pela maior clarificação quanto pelo maior adensamento dos lodos obtidos. 10.5.2.5 Filtração terciária de efluente de flotação por ar dissolvido Experimentos da PUC-PR conduzidos no Edital 4 do Prosab consistiram na filtração rápida em areia do efluente flotado da ETE Cambuí (SANEPAR). As modalidades de fil- tração descendente e ascendente foram experimentadas, e estiveram sujeitas a taxas de aplicação hidráulicas de 100, 150 e 200 m³/m².d. Na modalidade descendente, os valores médios de turbidez efluente obtidos foram de respectivamente 9, 11 e 29 uT. Já na modalidade ascendente, para taxa de 100 m³/m².d, obteve-se a turbidez média efluente de 9 uT. Referências bibliográficas APHA/AWWA. Standard methods for the examination of water and wastewater. 20th ed. Wa- shington: APHA/AWWA, 1998. BARROS, R.T. et al. Manual de saneamento e proteção ambiental para os municípios. Volume 2. Belo Horizonte: UFMG, 1995. CAMPOS, J.R. et al. Citações e referências a documentos eletrônicos. [On-line] Disponível em: http://www.bvsde.paho.org/bvsaidis/aresidua/mexico/01237p04.pdf CHERNICHARO, C.A.L. (coord.). Pós-tratamento de efluentes de reatores anaeróbios. Prosab. Rio de Janeiro: ABES, 1999. DE JONG, P; VOORS, E.H; VAN DER PLUIJM, J.L.P.M. Handleiding voor chemische fosfaatverwijde- ring (em Holandes), Stowa Report, v. 93, n. 6, 1993. DI BERNARDO, L; DANTAS, A.D.B. Métodos e técnicas de tratamento de água. São Carlos: RIMA, 2005.
- 378. REMOçãO DE NUTRIENTES POR PROCESSOS FÍSICO-QUÍMICOS 377 FLORêNCIO, L. (coord.). Tratamento e utilização de esgotos sanitários. Prosab. Rio de Janeiro: ABES, 2006. JORDãO, E. P; PESSOA, C. A. Tratamento de esgotos domésticos. 3ª Ed. Rio de Janeiro: ABES, 1995. LIBâNIO, M. Fundamentos de qualidade e tratamento de água. Campinas, SP: átomo, 2005. 444 p MANCUSO, P. C. S; SANTOS, H.F. Reúso de água. São Paulo: Manole, 2003. METCALF & EDDY. Wastewater engineering: treatment, disposal and reuse. 3rd ed. New Delhi: McGraw-Hill Inc., 1991. ________. Wastewater engineering: treatment and reuse. 4th ed. New York: McGraw-Hill Inc., 2003. NUNES, J. A. Tratamento físico-químico de águas residuárias. 3ª. ed. [s.l]: Gráfica e Editora Triun- fo, 2001. PIVELI, R.T; KATO, M.T. Qualidade das águas e poluição: aspectos físico-químicos. 1a ed. São Paulo: ABES, 2005. QASIM, S.R. Wastewater treatment plants: planning, design, and operation. 2nd. ed. Boca Raton: CRC Press, 1999. RICHTER, C. A. Tratamento de água. São Paulo: Edgard Blücher, 1991. SINCERO, A.P; SINCERO, G.A. Physical-chemical treatment of water and wastewater. London: IWA, 2002 TONETTI, A.L. Tratamento de esgotos pelo sistema combinado filtro anaeróbio e filtros de areia. 191f. Tese (Doutorado) – Faculdade de Engenharia Civil, Arquitetura e Urbanismo da Unicamp, Campinas, São Paulo, 2008. VON SPERLING, M. Introdução à qualidade das águas e ao tratamento de esgotos. 3a ed. Belo Horizonte: UFMG, 2005. WEF. Operation of municipal wastewater treatment plants. Volume II. Manual of Practice n.11. Alexandria: WEF, 1996. WEF. Biological and chemical systems for nutrient removal. Alexandria: WEF, 1998. 399p. WERF. Guidance manual for polymer selection in wastewater treatment plants. Alexandria: WERF, 1995.
- 379. 11 Síntese Global do Desempenho e da Confiabilidade dos Sistemas de Tratamento de Esgoto Marcos von Sperling, Marcelo Teixeira Pinto, Sílvia Corrêa Oliveira 11.1 Introdução Apesar dos resultados de cada grupo de processos de tratamento utilizados nas pes- quisas já terem sido apresentados nos respectivos capítulos, inclui-se aqui uma visão conjunta de todos eles, de forma a possibilitar uma síntese global do desempenho e de forma a enfatizar a utilização de uma ferramenta, ainda pouco utilizada no setor, que é a análise de confiabilidade operacional. A confiabilidade operacional de uma ETE está relacionada aos aspectos eletromecâ- nicos de falhas nos equipamentos e aos aspectos inerentes ao próprio processo de tratamento. O que se busca é avaliar, com base nesta metodologia, o grau de confia- bilidade que foi alcançado pelos sistemas experimentais utilizados e compará-los com os sistemas reais, definindo assim, o limite ou o padrão de efluente que poderíamos garantir, em cada processo. Assim, os resultados operacionais utilizados neste capítulo retratam apenas as condi- ções consideradas mais representativas para cada sistema, não se incluindo dados de fases operacionais menos representativas, com problemas operacionais ou com me- nor sucesso. Ademais, por uma questão de padronização, são analisadas apenas as concentrações do efluente tratado, não se abordando, portanto, cálculos de eficiência de remoção e nem a influência das concentrações afluentes ao sistema como um todo, ou a cada etapa do tratamento.
- 380. SÍNTESE GLOBAL DO DESEMPENHO E DA CONFIABILIDADE DOS SISTEMAS DE TRATAMENTO DE ESGOTO 379 Os processos de tratamentos de esgoto pesquisados tiveram como ênfase a remoção de nutrientes por diversos sistemas de tratamento, podendo-se enumerar variantes dentro das seguintes grandes categorias: sistemas naturais; lodos ativados; filtros per- coladores, submersos e híbridos; e tratamento avançado. Maiores detalhes sobre cada sistema podem ser obtidos nos capítulos anteriores. 11.2 Os sistemas experimentais e os processos utilizados 11.2.1 Sistemas naturais As pesquisas sobre sistemas naturais foram desenvolvidas pela Universidade Federal do Rio Grande do Sul, pela Universidade Federal de Minas Gerais e pela Universidade de São Paulo, em instalações mostradas nas Figuras de 11.1 a 11.4. Na Universidade Federal de Minas Gerais, foi utilizado um sistema composto de Re- ator UASB + três lagoas de polimento em série e um filtro grosseiro (Figura 11.1). Na Universidade de São Paulo, utilizou-se uma lagoa anaeróbia seguida de uma lagoa facultativa e lagoas terciárias com diferentes profundidades (Figura 11.2). O sistema pesquisado na Universidade do Rio Grande do Sul foi composto por um reator anae- róbio de alta taxa + lagoas de polimento com alta taxa e presença de perifíton (Figura 11.3). Na Universidade Federal de Minas Gerais, também foi pesquisado um sistema composto de Reator UASB + leito cultivado e não cultivado de fluxo horizontal sub- superficial (Figura 11.4). FONTE: UFMG. Figura 11.1 Lagoas de polimento e filtro grosseiro
- 381. 380 ESGOTO A B FONTE: USP. Figura 11.2 Sistemas de lagoas (A) lagoas em escala real (B) lagoas rasas em escala piloto A B FONTE: UFRGS. Reator anaeróbio e lagoas de polimento Figura 11.3 (A) reator anaeróbio híbrido (B) lagoas com perifíton FONTE: UFMG. Leito cultivado e leito não cultivado de fluxo horizontal subsuperficial Figura 11.4 (wetlands de fluxo horizontal)
- 382. SÍNTESE GLOBAL DO DESEMPENHO E DA CONFIABILIDADE DOS SISTEMAS DE TRATAMENTO DE ESGOTO 381 11.2.2 Lodos ativados As pesquisas sobre lodos ativados foram desenvolvidas pelas seguintes instituições: Uni- versidade Federal de Campina Grande, com lodo ativado de fluxo contínuo e lodo ativa- do em batelada (RBS) — Figura 11.5; Universidade Federal do Pará, com reator híbrido de filme fixo (anaeróbio – aeróbio) — Figura 11.6; e Universidade Federal do Rio de Janeiro, com reator biológico com MBBR (reator biológico com leito móvel) — Figura 11.7. A B FONTE: UFCG. Figura 11.5 Lodos ativados (A) fluxo contínuo (B) batelada FONTE: UFPA. Figura 11.6 Reator híbrido de filme fixo (anaeróbio – aeróbio)
- 383. 382 ESGOTO FONTE: UFRJ. Figura 11.7 Reator biológico (lodo ativado) com MBBR 11.2.3 Filtros percoladores, submersos e híbridos As pesquisas sobre filtros percoladores e submersos foram realizadas nas seguintes instituições: Universidade Federal de Minas Gerais, com reator UASB + filtro biológico percolador (4 diferentes meios suporte) — Figura 11.8; Universidade Federal do Rio de Janeiro, com reator UASB + filtro biológico percolador (Figura 11.9); Universidade de São Paulo, com lagoa anaeróbia + lagoa facultativa + filtro biológico percolador (Figura 11.10); Universidade Federal de Pernambuco, com reatores híbridos (UASB + filtros biológicos) — Figura 11.11; Universidade Federal do Rio Grande do Norte, com decanto-digestor + filtro anaeróbio (Figura 11.12). No final da pesquisa, um dos filtros passou a ser aerado. FONTE: UFMG. Figura 11.8 Reator UASB + filtro biológico percolador
- 384. SÍNTESE GLOBAL DO DESEMPENHO E DA CONFIABILIDADE DOS SISTEMAS DE TRATAMENTO DE ESGOTO 383 FONTE: UFRJ. Figura 11.9 Filtro biológico percolador + decantadores secundários FONTE: USP. FONTE: UFPE. Reatores híbridos Figura 11.10 Filtro biológico percolador Figura 11.11 (UASB + filtros biológicos)
- 385. 384 ESGOTO FONTE: UFRN. Figura 11.12 Decanto-digestor + filtro anaeróbio 11.2.4 Tratamento avançado Na Universidade Federal do Rio de Janeiro foi desenvolvida pesquisa sobre filtração terciária de efluentes de lodos ativados, nas instalações indicadas na Figura 11.13. Além disso, embora não houvesse sido estudado o processo de tratamento de esgoto em si, mas a utilização de seu efluente, devem ser registradas também as pesquisas da UNI- CAMP com filtração intermitente em areia, como pós-tratamento do efluente de um filtro anaeróbio. FONTE: UFRJ. Figura 11.11 Filtração terciária de efluente de lodos ativados 11.2.5 A capacidade dos sistemas experimentais pesquisados Um dos pontos característicos do Prosab é a realização de pesquisas em uma es- cala tal, que possa ser reproduzida, com pequenas ampliações, em aplicações reais, servindo também para a demonstração do funcionamento hidráulico do processo de
- 386. SÍNTESE GLOBAL DO DESEMPENHO E DA CONFIABILIDADE DOS SISTEMAS DE TRATAMENTO DE ESGOTO 385 tratamento. Este objetivo foi cumprido na maioria dos sistemas investigados, como pode ser inferido da análise a seguir. A Figura 11.14 contém informações sobre as populações médias atendidas pelos sistemas pesquisados, admitindo-se uma contri- buição média de esgoto igual a 150 L/habitante.d, incluindo infiltração. Observa-se que a maior parte das pesquisas foi efetuada com populações equivalentes, entre 10 e 100 habitantes, representativas de ETEs de pequeno porte, mas com potencialidade para representar de forma adequada, não só os aspectos de processo, mas também a hidráulica dos reatores. FONTE: OS GRáFICOS FORAM PRODUZIDOS A PARTIR DAS PESQUISAS DO PROSAB 5 – TEMA 2, PARA ESTE LIVRO. Figura 11.14 Populações médias atendidas pelos sistemas de tratamento de esgoto investigado ONDE: LAN: LAGOA ANAERóBIA / LF: LAGOA FACULTATIVA / LA: LODO ATIVADO / FILT TERC: FILTRAçãO TERCIáRIA / FILT INTERM: FILTRAçãO INTERMITENTE 11.3 Estatística descritiva da qualidade do efluente tratado alcançada nas unidades experimentais Embora vários outros parâmetros tenham sido investigados, com consistência verifi- cada e interpretados ao longo do período de pesquisa, a presente síntese centra-se na qualidade dos efluentes em termos de nitrogênio amoniacal, nitrogênio total e fósforo total (objetivo principal da rede de pesquisa), mas inclui também a DQO (parâmetro de grande importância no tratamento secundário de esgoto). A Tabela 11.1 apresenta a estatística descritiva destes parâmetros.
- 387. 386 ESGOTO Tabela 11.1 – Estatística descritiva da concentração efluente dos parâmetros monitorados DQO ESTATíSTICA PROCESSOS NATURAIS LODOS ATIVADOS FILTROS PERCOLADORES E AERADOS FILTROS AREIA UASB + 3LP LAn + LF RAn + UASB + Rhíb MBBR LA cont LA batel UASB + UASB + UASB + LAn + LF + Fan + Faer LA + FTerc FAn + Filt + FG + LM LPbiof wetl FBP Fhíb FBP FBP + Faer interm Núm dados 43 8 11 31 16 9 30 13 25 55 12 5 5 24 22 Média 121 298 148 41 54 98 51 64 76 55 48 141 79 26 46 Mínimo 18 143 10 13 12 45 3 6 42 9 22 117 39 2 3 Máximo 240 745 677 89 123 200 103 151 122 162 81 171 130 96 98 Coef. Var 0,46 0,65 1,26 0,44 0,58 0,53 0,47 0,62 0,28 0,61 0,42 0,17 0,41 0,71 0,58 Nitrogênio amoniacal ESTATíSTICA PROCESSOS NATURAIS LODOS ATIVADOS FILTROS PERCOLADORES E AERADOS FILTROS AREIA UASB + 3LP LAn + LF RAn + UASB + Rhíb MBBR LA cont LA batel UASB + UASB + UASB + LAn + LF + Fan + Faer LA + FTerc FAn + Filt + FG + LM LPbiof wetl FBP Fhíb FBP FBP + Faer interm Núm dados 72 32 11 31 16 9 30 13 14 53 12 24 6 19 0 Média 14 5 14 27 10 26 1 5 11 15 28 13 30 26 Mínimo 3 0 6 13 2 10 1 1 6 1 19 1 16 3 Máximo 29 13 27 45 19 53 4 17 16 41 36 23 43 63 Coef. Var 0,52 0,69 0,37 0,31 0,62 0,62 1,02 0,90 0,25 0,64 0,19 0,46 0,34 0,76
- 388. Nitrogênio total ESTATíSTICA PROCESSOS NATURAIS LODOS ATIVADOS FILTROS PERCOLADORES E AERADOS FILTROS AREIA UASB + 3LP LAn + LF RAn + UASB + Rhíb MBBR LA cont LA batel UASB + UASB + UASB + LAn + LF + Fan + Faer LA + FTerc FAn + Filt + FG + LM LPbiof wetl FBP Fhíb FBP FBP + Faer interm Núm dados 66 25 11 31 16 8 29 13 14 53 12 16 6 15 20 Média 19 23 15 31 31 37 4 32 20 20 50 23 58 45 9 Mínimo 2 15 8 17 21 24 2 13 10 2 36 9 32 30 0 Máximo 40 36 23 47 51 48 7 45 27 45 58 36 91 65 19 Coef. Var 0,48 0,27 0,27 0,28 0,29 0,19 0,31 0,28 0,25 0,59 0,12 0,41 0,34 0,25 0,66 Fósforo total ESTATíSTICA PROCESSOS NATURAIS LODOS ATIVADOS FILTROS PERCOLADORES E AERADOS FILTROS AREIA UASB + 3LP LAn + LF RAn + UASB + UASB + UASB + UASB + LAn + LF + Fan + Faer FAn + Filt Rhíb MBBR LA cont LA batel LA + FTerc + FG + LM LPbiof wetl FBP Fhíb FBP FBP + Faer interm Núm dados 78 6 11 31 16 8 30 13 0 54 12 4 0 20 21 Média 2,0 1,0 4,6 2,1 3,4 5,9 3,3 1,5 4,4 9,0 2,5 5,0 0,8 Mínimo 0,3 0,0 2,3 0,1 1,4 2,7 1,3 0,0 1,3 3,0 1,9 1,3 0,0 Máximo 4,0 2,3 6,4 7,1 5,4 13,3 6,2 4,7 7,0 12,0 4,0 13,1 1,7 Coef. Var 0,40 0,93 0,27 0,99 0,39 0,66 0,38 0,90 0,26 0,30 0,37 0,77 0,64 CONCENTRAçõES EM MG/L FONTE: A TABELA FOI PRODUZIDA A PARTIR DAS PESQUISAS DO PROSAB 5 – TEMA 2, PARA ESTE LIVRO. NOTAçãO (UTILIZADA PARA OS GRáFICOS E TABELAS DESTE CAPÍTULO): LP: LAGOA DE POLIMENTO; FG: FILTRO GROSSEIRO; LAN: LAGOA ANAERóBIA; LF: LAGOA FACULTATIVA; LM: LAGOA DE MATURAçãO; RAN: REATOR ANAERóBIO; LPBIOF: LAGOA DE POLIMENTO COM BIOFILME; WETL: WETLANDS DE FLUXO HORIZONTAL; RHIB: REATOR HÍBRIDO; MBBR: REATOR BIOLóGICO DE LEITO MóVEL; LA CONT: LODO ATIVADO DE FLUXO CONTÍNUO; LA BATEL: LODO ATIVADO DE BATELADA; FBP: FILTRO BIOLóGICO PERCOLADOR; FHIBR: FILTRO HÍBRIDO; LAN: LAGOA ANAERóBIA; LF: LAGOA FACULTATIVA; LA: LODO ATIVADO; FILT TERC: FILTRAçãO TERCIáRIA; FAN: FILTRO ANAERóBIO; FAER: FILTRO AERADO; FILT INTERM: FILTRAçãO INTERMITENTE SÍNTESE GLOBAL DO DESEMPENHO E DA CONFIABILIDADE DOS SISTEMAS DE TRATAMENTO DE ESGOTO 387
- 389. 388 ESGOTO As Figuras de 11.15 a 11.18 apresentam os gráficos — box-plot das concentrações efluentes destes parâmetros, para cada sistema de tratamento de esgoto, separados nas quatro grandes categorias pesquisadas. Os gráficos mostram os percentis 10%, 25%, 50% (mediana), 75% e 90%, além dos valores mínimos e máximos encontrados. Inclui-se também uma linha horizontal, que serve como referência para a interpreta- ção dos valores, e que corresponde à metas de qualidade para o efluente, definidas pela equipe do Prosab, a saber: DQO — 150 mg/L; N-amoniacal — 20 mg/L; N-total — 25 mg/L; P total — 2 mg/L. Estes valores são referências hipotéticas, uma vez que não há padrões de lançamento para estes constituintes na Resolução CONAMA 357/05 (com exceção de N amoniacal, o qual foi, no entanto, temporariamente suspenso — ver Resolução CONAMA 397/08). Naturalmente, os gráficos podem ser interpretados à luz de qualquer outro valor para a meta de qualidade, desde que reflita de melhor forma as realidades regionais. Para tanto, as próprias faixas ditadas pelos percentis nos gráficos (0, 10, 25, 50, 75, 90 e 100%) permitem a interpretação do atendimento a quaisquer outros valores para o padrão de lançamento. DQO FONTE: OS GRáFICOS FORAM PRODUZIDOS A PARTIR DAS PESQUISAS DO PROSAB 5 – TEMA 2, PARA ESTE LIVRO.. Gráfico box-plot da concentração efluente de DQO, para os diversos processos Figura 11.15 de tratamento de esgoto pesquisado
- 390. SÍNTESE GLOBAL DO DESEMPENHO E DA CONFIABILIDADE DOS SISTEMAS DE TRATAMENTO DE ESGOTO 389 Nitrogênio amoniacal FONTE: OS GRáFICOS FORAM PRODUZIDOS A PARTIR DAS PESQUISAS DO PROSAB 5 – TEMA 2, PARA ESTE LIVRO.. Gráfico box-plot da concentração efluente de N amoniacal, para os diversos processos Figura 11.16 de tratamento de esgoto pesquisado BOX-PLOT COM TODOS OS VALORES NULOS INDICA QUE O PARâMETRO NãO FOI MONITORADO Nitrogênio total FONTE: OS GRáFICOS FORAM PRODUZIDOS A PARTIR DAS PESQUISAS DO PROSAB 5 – TEMA 2, PARA ESTE LIVRO.. Gráfico box-plot da concentração efluente de N total, para os diversos processos Figura 11.17 de tratamento de esgoto pesquisado
- 391. 390 ESGOTO Fósforo total FONTE: OS GRáFICOS FORAM PRODUZIDOS A PARTIR DAS PESQUISAS DO PROSAB 5 – TEMA 2, PARA ESTE LIVRO.. Gráfico box-plot da concentração efluente de P total, para os diversos processos Figura 11.18 de tratamento de esgoto pesquisado BOX-PLOT COM TODOS OS VALORES NULOS INDICA QUE O PARâMETRO NãO FOI MONITORADO 11.3.1 Considerações a respeito da DQO Os sistemas naturais foram capazes de produzir efluentes com baixas concentrações, com significativo percentual abaixo dos padrões estipulados, com exceção de um dos sis- temas pesquisados (sistema lagoa anaeróbia + lagoa facultativa + lagoa de maturação). As variantes de lodo ativado e os filtros de areia, percoladores e aerados, apresen- taram percentis que atendem a meta de qualidade e variam entre 90 e 100%, com exceção de um dos sistemas de filtro percolador. 11.3.2 Considerações a respeito do Nitrogênio A maioria dos sistemas pesquisados conduziu a valores médios inferiores a 20 mg/L de nitrogênio amoniacal, tomado como referência de meta de qualidade pela rede do Prosab. O sistema de wetland de fluxo horizontal pesquisado não apresentou efici- ência suficiente na conversão ou remoção da amônia. Os sistemas de lodos ativados, de maneira geral, foram capazes de remover amônia por nitrificação, ao passo que o comportamento das diversas variantes de filtros percoladores e aerados esteve asso- ciado a desempenhos mais variáveis. Comentários similares podem ser feitos para o nitrogênio total. No entanto, para os sistemas de lodos ativados, o nitrogênio total incorpora concentrações de nitrato mais
- 392. SÍNTESE GLOBAL DO DESEMPENHO E DA CONFIABILIDADE DOS SISTEMAS DE TRATAMENTO DE ESGOTO 391 elevadas do que as verificadas nos outros sistemas — o que responde pelos teores de nitrato comparativamente bem mais elevados do que os de nitrogênio amoniacal, in- dicando ainda que a desnitrificação não foi expressiva em alguns sistemas. O filtro de areia intermitente alcançou concentrações abaixo da referência estipulada para nitro- gênio total, ao passo que a filtração terciária, que recebeu concentrações relativamente elevadas do MBBR, não contribuiu muito com o desempenho esperado. 11.3.3 Considerações a respeito do Fósforo De maneira geral, as concentrações dos efluentes não alcançaram os resultados esperados, definidos pela referência estipulada para lançamento em curso d´água. No entanto, caso os efluentes fossem encaminhados para uma utilização produtiva (como, por exemplo, a fertirrigação), a disponibilidade de nutrientes nos efluentes finais poderia ser considerada como um aspecto favorável. Como mencionado, os resultados apresentados são oriundos de amostragens efe- tuadas durante o período experimental. Não se pode, simplesmente, utilizar de for- ma direta esses percentis de atendimento aos padrões obtidos nestas amostras e assumi-los como se fossem representativos de todo o período operacional. é preciso utilizar, para tanto, uma análise de confiabilidade operacional, que será tratada no item seguinte. 11.4 Análise de confiabilidade dos processos de tratamento de esgoto 11.4.1 Conceituação da análise de confiabilidade A confiabilidade de um sistema pode ser definida como a probabilidade de se conse- guir um desempenho adequado por um período específico de tempo, sob determina- das condições. Em termos de desempenho de uma estação de tratamento, a confiabilidade pode ser entendida como a porcentagem de tempo em que se conseguem as concentrações es- peradas no efluente, para cumprir os padrões de lançamento ou as metas de qualidade. Assim, uma ETE será completamente confiável se não houver falha no desempenho, ou seja, se não houver violação dos limites preconizados pelas legislações ambientais ou pela meta definida pela Companhia de Saneamento. A falha do processo de tratamen- to ocorrerá sempre que a meta ou padrão de lançamento for excedido. Devido às inúmeras incertezas presentes no projeto e operação de estações de tra- tamento, existem alguns riscos de falha que são inevitáveis. Logo, as ETEs devem ser projetadas com base em uma medida aceitável de risco ou violação.
- 393. 392 ESGOTO A probabilidade de falha é extremamente sensível à função de distribuição da concen- tração efluente. Conhecida esta distribuição, uma expressão pode ser utilizada para definir a fração do tempo em que uma dada concentração foi excedida no passado e, desta forma, predizer o comportamento futuro de uma ETE, desde que as variáveis do processo continuem as mesmas (DEAN, FORSYTHE, 1976a). A exigência mínima de confiabilidade deve ser determinada para estabelecer a mag- nitude da probabilidade de falha que poderá ser aceita. Para esta determinação, Niku et al (1981b) citam uma teoria de decisão estatística-econômica, que estabelece que os custos totais de estações de tratamento (considerando a construção, a operação e o valor do custo de falha multiplicado pela probabilidade de sua ocorrência) devem ser mínimos. Os custos inicial e operacional do processo poderão sofrer grandes alterações, depen- dendo da confiabilidade desejada. Quando existem grandes expectativas com respeito à qualidade do efluente, poderá haver necessidade de modernos sistemas de contro- le, mão de obra mais especializada, exigência de tratamento terciário e/ou expansão física da estação. Qualquer uma destas modificações aumentará o custo inicial de construção e de operação. Se, por outro lado, a opção for pela aceitação de maiores probabilidades de falha, haverá menor necessidade de procedimentos operacionais sofisticados e, consequen- temente, menor custo. No entanto, as consequências das violações devem ser consi- deradas, bem como os custos tangíveis, e os intangíveis, a elas associados. A confiabilidade de uma ETE é baseada na segurança de continuidade operacional dos equipamentos (confiabilidade eletromecânica) e no comportamento do processo de tratamento. Devido às variações na qualidade do efluente tratado, a estação de tra- tamento deve ser naturalmente projetada para produzir efluentes com concentrações abaixo dos padrões de lançamento. Para determinar uma concentração média, que garanta que a concentração do efluente estará abaixo de certo valor, com um deter- minado nível de confiabilidade, Niku et al (1979) desenvolveram um método que rela- ciona a concentração média do constituinte (valor de projeto) com os valores limites a serem cumpridos, baseando-se em análises probabilísticas. 11.4.2 Coeficiente de confiabilidade (CDC) Uma série de estudos publicados sobre a distribuição de dados de concentração de constituintes oriundos de estações de tratamento de esgoto (a maioria deles consi- derando DBO e SST) reporta que a distribuição lognormal fornece o melhor ajuste aos valores de concentração efluente (DEAN, FORSYTHE, 1976a; DEAN, FORSYTHE, 1976b; NIKU et al, 1979; NIKU et al, 1981a; NIKU et al, 1981b; NIKU et al, 1982; BERTHOUEX,
- 394. SÍNTESE GLOBAL DO DESEMPENHO E DA CONFIABILIDADE DOS SISTEMAS DE TRATAMENTO DE ESGOTO 393 HUNTER, 1981; BERTHOUEX, HUNTER, 1983; CHARLES et al, 2005). Um estudo efetu- ado por Oliveira (2006), considerando dados de 35 ETEs em operação nos estados de Minas Gerais e São Paulo, confirmou tais suposições ao determinar a distribuição de probabilidade mais representativa do comportamento dos indicadores DBO, DQO, SST, NT, PT e CF (coliformes fecais, ou coliformes termotolerantes) presentes no esgoto bruto e tratado. A distribuição lognormal pode ser definida como a distribuição de uma variável ale- atória cujo logaritmo apresenta distribuição normal. Ou seja, uma variável aleatória e positiva x é dita seguir um modelo distributivo lognormal, com média µx e desvio padrão σx, se a variável y = ln (x) for normalmente distribuída com média µy e desvio padrão σy. Esta distribuição é assimétrica, com uma longa cauda à direita da média. A determinação da confiabilidade, a partir da função de distribuição lognormal da concentração do efluente, pode ser utilizada durante a fase de elaboração do projeto e na fase de operação. No primeiro caso, uma vez adotado o nível de confiabilidade desejado para a estação de tratamento de esgoto, determina-se um valor médio para cada constituinte. Busca-se garantir, desta forma, que a variação de concentração esperada só ultrapasse os valores permitidos em um número de vezes igual ao previsto pelo valor da confiabilidade adotada. O valor médio de concentração do efluente a ser adotado em projeto é obtido então, em função de um coeficiente de confiabilidade. A confiabilidade pode também ser calculada em função da média e do desvio padrão, conforme apresentado nas equações seguintes. Dependendo da amostra de resulta- dos utilizada, o valor encontrado representa a confiabilidade decorrente de todos os fatores intervenientes. A metodologia aqui apresentada foi desenvolvida por Niku et al (1979). O coeficiente de confiabilidade (CDC) pode ser utilizado para estimar a confiabilidade das estações de tratamento de esgoto. Quer-se com isto dizer que usa-se o CDC para estimar a fração de tempo em que a concentração efluente não excede um certo valor padrão de referência previamente fixado. Para isto, devem ser utilizados os coeficientes de variação (desvio padrão / média aritmética) calculados para as ETEs estudadas. Este coeficiente de confiabilidade relaciona valores das concentrações médias (valores de projeto) ao padrão a ser alcançado em uma base probabilística. Se, por exemplo, um padrão de 60 mg/L deve ser cumprido em 90% do tempo, o processo deve ser projeta- do e operado para alcançar uma concentração média efluente nas amostras realizadas tal que, mesmo com a variabilidade presente, este percentual seja alcançado. O valor médio do constituinte, mx, poderá ser obtido a partir da equação:
- 395. 394 ESGOTO mx = (CDC) Xs Equação 11.1 onde: mx: concentração média do constituinte Xs: meta de qualidade ou padrão fixado por alguma legislação ou norma CDC: coeficiente de confiabilidade. Para se entender o conceito, tem-se que, por exemplo, uma ETE que tenha um coe- ficiente de confiabilidade para DBO calculado como 0,40 para uma confiabilidade de 90% (ver forma de cálculo a seguir), e tenha um padrão de lançamento de 60 mg/L, deverá operar com concentrações efluentes médias iguais a 0,40x60=24 mg/L para que, em 90% do tempo, as concentrações efluentes estejam dentro do padrão. O coeficiente de confiabilidade é calculado em função de uma determinada probabili- dade de falha α, situada entre 0 e 1. Assim, (1 – α) é a probabilidade de que a variável x não exceda o padrão Xs. No exemplo dado, (1 – α) é igual a 0,90 ou 90%, ou seja, α = 0,10 = 10%. Após vários Xs − ⎡ln μ − 1 ln (1 +equações⎤ relacionadas à distribuição lognormal, ln desenvolvimentos de CV 2 x ) ⎥ ⎢ x Niku et al (1979) ⎣ 2 chegaram à formulação que permite o cálculo do coeficiente de ⎦ Z1 − α = confiabilidade (ver descrição da2teoria em Oliveira e von Sperling, 2007). O objetivo ln ( 1 + CV x ) foi desenvolver uma expressão para o coeficiente de confiabilidade, a partir do qual possa ser computado o valor médio necessário para que o processo garanta um nível de confiabilidade (1-α―), dado um conhecido padrão Xs e um conhecido coeficiente de variação, (CV = σx / µx). As equações seguintes permitem o cálculo do percentual de atendimento ao padrão e do coeficiente de confiabilidade: ⎡ 1 ⎤ ln Xs − ⎢ln μ x − ln ( 1 + CV 2 x ) ⎥ ⎣ 2 ⎦ Z1 − α = Equação 11.2 ln ( 1 + CV 2 x ) ⎡ ⎤ CDC = CV 2 + 1 × exp ⎢− Z 1 − α ln ( CV 2 +1) ⎥ Equação11.3 ⎣ ⎦ onde: CV: coeficiente de variação (desvio padrão dividido pela média da distribuição existente) Z1-α: variável normal central reduzida correspondente à probabilidade de não exce- dência (1-α) ⎡ ⎤ CDC = CV 2 + 1 × exp ⎢− Z 1 − α ln ( CV 2 +1) ⎥ ⎣ ⎦
- 396. SÍNTESE GLOBAL DO DESEMPENHO E DA CONFIABILIDADE DOS SISTEMAS DE TRATAMENTO DE ESGOTO 395 Ressalta-se que o CDC é expresso com base nas propriedades dos dados originais e não dos logaritmos dos dados. Assim, a partir dos valores dos coeficientes de confiabilidade (CDC) calculados é possí- vel determinar as concentrações de projeto que seriam necessárias para o alcance de vários padrões especificados. O segundo momento em que pode ser útil determinar a confiabilidade de uma ETE ocorre quando ela está em operação. Conhecendo-se a concentração média, o desvio padrão e a concentração padrão estabelecida para lançamento, determina-se a con- fiabilidade da estação utilizando-se a distribuição normal padronizada e os percentis associados à probabilidade acumulada (METCALF, EDDY, 1991). Os coeficientes de variação (CV) são valores de fácil obtenção em ETEs, mas utilizados com pouca frequência. As Tabelas 11.2 e 11.3 resumem alguns dos valores obtidos na revisão bibliográfica de Brostel (2002), no estudo efetuado por Oliveira (2006) em de- zenas de ETEs nos estados de SP e MG e nos valores observados em ETEs em operação em Brasília. São valores que podem servir de orientação para adoção destes coeficien- tes ou para análise dos coeficientes de variação encontrados em ETEs em operação.
- 397. 396 Tabela 11.2 > Valores de CV encontrados para remoção de DBO e de SS, segundo diversos processos de tratamento de esgoto TIPO DE PROCESSO / PARâMETRO DBO SS FONTE ESGOTO Valor Faixa de Variação Valor médio Faixa de Variação médio Valor Valor Valor Valor mínimo máximo mínimo máximo Filtros 0,46 0,15 0,75 0,52 0,27 0,79 Niku et al (1982), apud Brostel (2002) - Valores relativos a 11 ETEs Lodos ativados 0,66 0,34 1,11 0,79 0,32 1,7 Niku et al (1979), apud Brostel (2002) - Valores relativos a 37 ETEs Lodos ativados 0,66 - - Rossman et al (1986), apud Brostel (2002) - Valores relativos a 324 ETEs SABESP (2001), apud Brostel (2002) - Valores relativos a 5 ETEs da Lodos ativados 0,37 0,24 0,63 0,3 0,18 0,44 Região Metropolitana de São Paulo Lodos ativados 0,49 0,38 0,57 0,72 0,63 0,8 Oliveira (2006) - Valores relativos a 3 ETEs Aeração prolongada 0,7 - - Rossman et al (1986), apud Brostel (2002) - Valores relativos a 324 ETEs Aeração prolongada 1,08 0,57 1,72 1,17 0,47 2,23 Oliveira (2006) - Valores relativos a 10 ETEs Estabilização por contato e RBC 0,6 - - Rossman et al (1986), apud Brostel (2002) - Valores relativos a 324 ETEs Valo de Oxidação 0,57 - - Rossman et al (1986), apud Brostel (2002) - Valores relativos a 324 ETEs Lagoas estabilização e filtros 0,5 - - Rossman et al (1986), apud Brostel (2002) - Valores relativos a 324 ETEs biológicos (leito plástico) Filtros biológicos (leito pedra) 0,4 - - Rossman et al (1986), apud Brostel (2002) - Valores relativos a 324 ETEs Fossas filtro 0,61 0,32 1,14 0,66 0,36 1,35 Oliveira (2006) - Valores relativos a 19 ETEs Lagoas facultativas primárias 0,58 0,22 1,9 0,58 0,16 2,52 Oliveira (2006) - Valores relativos a 74 ETEs Lagoas anaeróbias seguidas por 0,55 0,08 1,13 0,47 0,01 1,8 Oliveira (2006) - Valores relativos a 44 ETEs lagoas facultativas Lagoas tipo Samambaia (com reator UASB interno) 0,41 0,23 0,60 - - - Brostel et al (2006) - Valores referentes a 2 ETEs com lagoa de maturação UASB + Lagoas aeradas 0,34 0,20 0,48 - - - Brostel et al (2006) - Valores referentes a 2 ETEs (1 LAMC+4 LAF) Reatores UASB 0,61 0,19 1,42 0,71 0,46 0,95 Oliveira (2006) - Valores relativos a 10 ETEs Reatores UASB seguidos por 0,67 0,39 1,1 0,76 0,41 1,21 Oliveira (2006) - Valores relativos a 8 ETEs diversos tipos de pós-tratamento
- 398. SÍNTESE GLOBAL DO DESEMPENHO E DA CONFIABILIDADE DOS SISTEMAS DE TRATAMENTO DE ESGOTO 397 Tabela 11.3 > Valores de CV encontrados para remoção de N e P, segundo diversos processos de tratamento de esgoto TIPO DE PROCESSO / FóSFORO TOTAL NTK FONTE PARâMETRO Valor Faixa de Variação Valor Faixa de Variação médio médio Valor Valor Valor Valor mínimo máximo mínimo máximo Lodos ativados com Dados básicos provenientes do remoção biológica de sistema de controle operacional nutrientes (Phoredox) 0,49 0,42 0,55 0,44 0,40 0,49 da CAESB, do período 2005 a 2008 - 296 dados - 2 ETEs Lodos ativados com Dados básicos provenientes do remoção biológica de sistema de controle operacional nutrientes (Phoredox) 0,62 0,55 0,70 0,50 0,41 0,58 da CAESB, do período 2005 + polimento químico a 2008 - 320 dados - 2 ETEs por flotação Dados básicos provenientes do Lodos ativados em sistema de controle operacional batelada com remoção 0,79 - - 0,49 - - da CAESB, do período 2006 biológica de nutrientes a 2008 - 230 dados - 1 ETE 11.4.3 Percentual esperado de atendimento aos padrões de lançamento O cálculo do percentual de atendimento aos padrões é efetuado utilizando-se a equa- ção (11.2). De posse dos valores de (1-α) são obtidos os valores correspondentes à probabilidade cumulativa da distribuição normal padronizada (distribuição Z). Estes valores são determinados por meio da função DIST.NORMP do Excel, mas são facil- mente encontrados em livros texto de estatística (como: SNEDECOR; COCHRAN, 1989; LAPPONI, 2005). Estes valores, correspondentes à área subentendida pela curva nor- mal central reduzida, são equivalentes ao percentual de atendimento alcançado. Um exemplo prático de aplicação da equação (11.2) é dado para uma ETE que, por exemplo, apresentasse valores médios de concentração efluente de DBO igual a 25 mg/L e CV = 0,51. Para um padrão de lançamento para DBO de 60 mg/L, o percentil Z1-a calculado seria: ⎡ 1 ⎤ ln ( 60 ) − ⎢ ln ( 25 ) − ln ( 0 , 51 2 + 1) ⎥ ⎣ 2 ⎦ Z1 − α = = 2 , 054 Equação 11.4 ln ( 0 , 51 2 + 1)
- 399. 398 ESGOTO A partir de tabelas de valores da distribuição normal padronizada (ver Tabela 11.4), para Z1-α = 2,054, o valor correspondente para 1-α será 0,98. Isto significa que, para esta ETE, o percentual esperado de atendimento a este padrão de lançamento especí- fico é de 98% (2% do tempo em violação), caso a estação de tratamento mantenha as mesmas condições de operação. Tabela 11.4 > Valores da distribuição normal padronizada PROBABILIDADE CUMULATIVA (1 - α) = CONFIABILIDADE Z1-α 99 2,326 98 2,054 95 1,645 90 1,282 80 0,842 70 0,525 60 0,253 50 0,000 FONTE: VALORES CALCULADOS PARA ESTE LIVRO. 11.4.4 Concentrações de projeto necessárias para o alcance de padrões de lançamento A determinação das concentrações médias a serem adotadas em projeto ou alcança- das na operação, considerando um nível de confiabilidade de (1–α) — (1–α do tempo cumprindo com os padrões, e α do tempo fora dos padrões), deve seguir os passos descritos no fluxograma apresentado na Figura 11.19. Cálculo do CV (σ / µ) Cálculo de Z1-α (95%) C V 2 +1 exp ⎢− Z 1 −α ln ( C V 2 + 1) ⎥ ⎡ ⎤ CDC = ⎣ ⎦ Concentrações de projeto = Padrão (mg/L) x CDC FONTE: FIGURA ELABORADA PARA ESTE LIVRO. Figura 11.19 Etapas para cálculo das concentrações de projeto
- 400. SÍNTESE GLOBAL DO DESEMPENHO E DA CONFIABILIDADE DOS SISTEMAS DE TRATAMENTO DE ESGOTO 399 Para uma melhor visualização da relação entre CDC e CV, apresentam-se uma tabela e um gráfico de valores de CDC em função do CV, calculados segundo a equação (11.3), considerando uma ampla faixa de coeficientes de variação. São considerados os níveis de confiabilidade de 90%, 95% e 99%, o que permite uma leitura direta do valor de CDC para um dado CV, conforme mostrado na Tabela 11.5 e na Figura 11.20. Como pode ser visto pelas curvas traçadas para diferentes níveis de confiabilidade, o comportamento se altera à medida que se elevam os graus de confiabilidade dese- jados. Cabe enfatizar que, quanto maior o nível de confiabilidade desejado, menores deverão ser os coeficientes de variação para a obtenção de elevados coeficientes de confiabilidade. Tabela 11.5 > Valores de CDC em função do CV, considerando diferentes níveis de confiabilidade NíVEL DE CV CONFIABILIDADE 0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 1,2 1,4 1,6 1,8 2,0 90% 1,00 0,79 0,66 0,57 0,52 0,49 0,47 0,45 0,45 0,44 0,44 95% 1,00 0,74 0,57 0,47 0,40 0,36 0,33 0,31 0,30 0,29 0,28 99% 1,00 0,64 0,44 0,32 0,25 0,20 0,17 0,15 0,14 0,13 0,12 FONTE: TABELA ELABORADA PARA ESTE LIVRO, SEGUNDO A EQUAçãO 11.3. 1,0 0,9 0,8 0,7 0,6 90 % 0,5 0,4 95% 0,3 0,2 99% 0,1 0,0 0 ,0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 1,2 1 ,4 1,6 1 ,8 2 ,0 CV (desvio padrão média) FONTE: FIGURA ELABORADA PARA ESTE LIVRO, SEGUNDO A EQUAçãO 11.3. Figura 11.20 Valores de CDC em função do CV, considerando diferentes níveis de confiabilidade Para um melhor entendimento dos valores de CDC constantes na Tabela 11.5 e na Figura 11.20, tome-se como exemplo um valor de CV igual a 0,8 e um nível de con- fiabilidade de 95% (α = 0,05) — o que implicará em um valor de CDC de 0,4. Isto
- 401. 400 ESGOTO significa que, para cumprir um determinado padrão de lançamento durante 95% do tempo, a concentração efluente média de um dado constituinte deverá ser, de acordo com a equação (1): mx = (CDC).Xs = 0,40 Xs. Para um padrão de 60 mg/L de DBO, por exemplo, isto significa que a concentração efluente de projeto deverá ser mx = 0,40 x 60 = 24 mg/L. Para uma avaliação em termos da operação de uma ETE existente, pode- se interpretar que a concentração média efluente deverá ser de 24 mg/L. Cálculos similares podem ser efetuados para diferentes valores de CV e de α. Deve-se ressaltar que baixos valores de CV e, consequentemente, altos valores de CDC, não implicam bons desempenhos, mas apenas uma condição mais estável de ope- ração. Pequenos valores de coeficientes de confiabilidade implicam menores valores de concentrações efluentes de projetos, necessários para o cumprimento de padrões de lançamento, como será comentado mais detalhadamente a seguir. 11.4.5 Aplicação da análise de confiabilidade às pesquisas do Prosab Para os diversos sistemas de tratamento de esgoto investigados no Prosab (ver descri- ção no item 11.1), foram calculados o coeficiente de variação (CV = desvio padrão/mé- dia, valores estes apresentados no item 11.2) e o coeficiente de confiabilidade (usando a equação 11.3, para os níveis de confiabilidade de 80%, 90% e 95%). Os parâmetros de qualidade analisados foram: as concentrações efluentes de DQO; de N amoniacal; de N total e de P total. A Tabela 11.6 apresenta os valores de CV obtidos para cada parâmetro e sistema de tratamento. Observa-se que a maioria dos valores de CV situou-se entre 0,30 e 0,70. Contudo, foram encontrados valores superiores a 1,00 — o que demonstra uma alta variação dos resultados experimentais, fato problemático para uma definição de pa- drão. Os valores de CV encontrados nas pesquisas do Prosab situam-se na mesma faixa dos valores das ETEs reais, reportados nas Tabelas 11.2 e 11.3. A Tabela 11.7 lista os valores de CDC obtidos. Conforme já comentado, quanto maior o nível de confiabilidade (1-α), menor o valor de CDC; isto é: ao se multiplicar o CDC pelo valor do padrão de lançamento, obter-se-á uma menor média aritmética da con- centração efluente (ver equação 11.1), o que implica a necessidade do sistema traba- lhar com maior eficiência. Para uma confiabilidade de 80%, o CDC variou entre 0,70 e 0,80 para todos os parâmetros de qualidade. Já para a maior confiabilidade (95%), o CDC situou-se, na maior parte dos casos, entre 0,40 e 0,60. Isto implica que, para um atendimento de 80% do tempo ao padrão de lançamento, as concentrações médias efluentes deverão situar-se em torno de 0,70 x padrão e 0,80 x padrão, ao passo que, para o elevado percentual de 95%, deverão restringir-se a valores em torno de 0,40 x padrão e 0,60 x padrão.
- 402. SÍNTESE GLOBAL DO DESEMPENHO E DA CONFIABILIDADE DOS SISTEMAS DE TRATAMENTO DE ESGOTO 401 Considerando-se que o presente Edital do Prosab dedicou-se principalmente à re- moção de nutrientes, com especial destaque para amônia, são tecidas considerações adicionais a seguir acerca da confiabilidade relacionada à concentração efluente de N amoniacal dos sistemas de tratamento. A razão desta maior ênfase é devido ao fato de haver um padrão de lançamento explícito na Resolução Conama 357/05 (20 mg/L) — embora este padrão tenha sido temporariamente suspenso. A Figura 11.21 apresenta a visualização dos coeficientes de confiabilidade obtidos para os processos de tratamento investigados, para as confiabilidades de 80%, 90% e 95%. O comportamento das variantes dos sistemas de lagoas e de lodos ativados é relativa- mente homogêneo entre si. A maior variabilidade entre processos pode ser observada para as variantes dos filtros percoladores e aerados — o que é compreensível face a gran- de diversidade entre os sistemas pesquisados em termos de concepção e configuração. FONTE: FIGURA ELABORADA PARA ESTE LIVRO, A PARTIR DAS PESQUISAS DO PROSAB 5 – TEMA 2. Coeficientes de confiabilidade obtidos para a concentração efluente Figura 11.21 de nitrogênio amoniacal A Figura 11.22 ilustra os valores requeridos para as concentrações médias de N amo- niacal, para que se cumpra com o padrão de 20 mg/L durante 90% do tempo (con- fiabilidade de 90%). Observa-se que os valores médios situam-se, para a maioria dos processos de tratamento pesquisados, entre 10 e 14 mg/L. Isto serve como um impor- tante alerta para que os projetos dos novos sistemas sejam efetuados para a obtenção destes valores médios, e não do valor mais elevado, de 20 mg/L.
- 403. 402 ESGOTO Concentrações Efluentes Médias Requeridas (confiabilidade de 90%) FAn+Filt interm LA+FTerc Fan+Faer+Faer LAn+LF+FBP UASB+FBP UASB +Fhíb UASB+FBP LA batel LA cont MBBR Rhíb UASB+wetl RAn+LPbiof LAn+LF+LM UASB+3LP+FG 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 Concentrações (mg/L) FONTE: FIGURA ELABORADA PARA ESTE LIVRO, A PARTIR DAS PESQUISAS DO PROSAB 5 – TEMA 2. Concentrações efluentes médias de N amoniacal requeridas para alcance do padrão de Figura 11.22 20 mg/L, para os diversos sistemas de tratamento pesquisados (confiabilidade de 90%)
- 404. Tabela 11.6 > Valores do coeficiente de variação CV PROCESSOS NATURAIS LODOS ATIVADOS FILTROS PERCOLADORES E AERADOS FILTROS AREIA UASB+ LAn+ RAn+ UASB Rhíb MBBR LA LA UASB UASB UASB LAn+LF Fan+Faer LA+ FAn+ 3LP+FG LF+LM LPbiof +wetl cont batel +FBP +Fhíb +FBP +FBP +Faer FTerc Filt interm DQO 0,46 0,65 1,26 0,44 0,58 0,53 0,47 0,62 0,28 0,61 0,42 0,17 0,41 0,71 0,58 N amoniacal 0,52 0,69 0,37 0,31 0,62 0,62 1,02 0,90 0,25 0,64 0,19 0,46 0,34 0,76 N total 0,48 0,27 0,27 0,28 0,29 0,19 0,31 0,28 0,25 0,59 0,12 0,41 0,34 0,25 0,66 P total 0,40 0,93 0,27 0,99 0,39 0,66 0,38 0,90 0,26 0,30 0,37 0,77 0,64 CV = DESVIO PADRãO / MéDIA FONTE: OBS. TABELAS ELABORADAS PARA ESTE LIVRO, A PARTIR DAS PESQUISAS DO PROSAB 5 – TEMA 2. Tabela 11.7 > Valores dos coeficientes de confiabilidade (CDC), para distintos níveis de confiabilidade CONFIABILIDADE (%) PROCESSOS NATURAIS LODOS ATIVADOS FILTROS PERCOLADORES E AERADOS FILTROS AREIA UASB+ LAn+LF RAn+ UASB+ Rhíb MBBR LA LA UASB+ UASB+ UASB+ LAn+LF Fan+Faer LA+ FAn+Filt 3LP+FG +LM LPbiof wetl cont batel FBP Fhíb FBP +FBP +Faer FTerc interm 80 0,76 0,72 0,71 0,77 0,73 0,75 0,76 0,73 0,82 0,73 0,77 0,88 0,77 0,72 0,73 DQO 90 0,63 0,56 0,46 0,64 0,58 0,60 0,62 0,57 0,73 0,57 0,65 0,82 0,65 0,54 0,58 95 0,54 0,45 0,32 0,55 0,48 0,50 0,53 0,46 0,66 0,46 0,56 0,77 0,56 0,43 0,48 80 0,75 0,72 0,79 0,81 0,73 0,73 0,70 0,70 0,84 0,72 0,87 0,76 0,80 0,71 N 90 0,60 0,55 0,67 0,71 0,57 0,57 0,48 0,50 0,75 0,56 0,80 0,63 0,69 0,53 amoniacal 95 0,51 0,43 0,59 0,63 0,46 0,46 0,36 0,38 0,68 0,45 0,75 0,54 0,61 0,41 80 0,76 0,83 0,83 0,82 0,82 0,87 0,81 0,82 0,84 0,73 0,91 0,78 0,80 0,84 0,72 N total 90 0,62 0,74 0,73 0,73 0,72 0,80 0,71 0,73 0,75 0,58 0,87 0,65 0,69 0,76 0,55 95 0,52 0,67 0,67 0,66 0,65 0,75 0,63 0,66 0,69 0,47 0,83 0,56 0,61 0,69 0,44 80 0,78 0,70 0,83 0,70 0,78 0,72 0,78 0,70 0,83 0,81 0,79 0,71 0,73 P total 90 0,65 0,50 0,73 0,49 0,66 0,56 0,67 0,50 0,74 0,71 0,67 0,53 0,56 SÍNTESE GLOBAL DO DESEMPENHO E DA CONFIABILIDADE DOS SISTEMAS DE TRATAMENTO DE ESGOTO 95 0,57 0,37 0,67 0,36 0,58 0,45 0,58 0,38 0,68 0,64 0,59 0,41 0,45 FONTE: TABELAS ELABORADAS PARA ESTE LIVRO, A PARTIR DAS PESQUISAS DO PROSAB 5 – TEMA 2. 403
- 405. 404 ESGOTO Referências bibliográficas BERTHOUEX, P.M; HUNTER, W.G. Simple statistics for interpreting environmental data, Journal of Water Pollution Control Federation, v. 53, n. 2, p. 167-175, 1981. BERTHOUEX, P.M., HUNTER, W.G. How to construct reference distributions to evaluate treat- ment plant effluent quality; Journal of Water Pollution Control Federation, v. 55, n. 12, p. 1417- 1424, 1983. BROSTEL, R.C. Formulação de modelo de avaliação de desempenho global de estações de trata- mento de esgotos sanitários. Dissertação (Mestrado em Tecnologia Ambiental e Recursos Hídri- cos) – Universidade de Brasília, 2002. BROSTEL, R.C; SOUZA, M.A.A. Determinação da confiabilidade operacional das estações de trata- mento de esgotos do Distrito Federal. In: XXIII CONGRESSO BRASILEIRO DE ENGENHARIA SANI- TáRIA E AMBIENTAL, Anais..., Campo Grande, 2006. CHARLES, K.J. et al. Effluent quality from 200 on-site sewage systems: design values for guide- lines, Water Science & Technology, v. 51, n. 10, p. 163-169, 2005. DEAN, R.B; FORSYTHE, S.L. Estimating the reliability of advanced waste treatment. Water & Sew- age Works, part 1, June, 1976a. DEAN, R.B; FORSYTHE, S.L. Estimating the reliability of advanced waste treatment, Water & Sew- age Works, part 2, June, 1976b. LAPPONI, J.C. Estatística usando Excel. 1a ed. Rio de Janeiro: Elsevier, 2005. 476 p. METCALF & EDDY. Wastewater engineering: treatment, disposal and reuse. 3. ed. Metcalf & Eddy, Inc., 1991. 1334 p. NIKU, S; SCHROEDER, E.D; SAMANIEGO F.J. Performance of activated sludge process and reli- ability-based design, Journal Water Pollution Control Association, v. 51, n. 12, p. 2841 - 2857, Dec., 1979. NIKU, S; SCHROEDER, E.D. Factors affecting effluent variability from activated sludge processes, Journal Water Pollution Control Association, v. 53, n. 5, p. 546 - 559, May, 1981a. NIKU, S. et al. Performance of activated sludge process: reliability, stability and variability, Envi- ronmental Protection Agency (EPA), Grant no R805097-01, p. 1 – 124, 1981b. NIKU, S; SCHROEDER, E.D; HAUGH, R.S. Reliability and stability of trickling filter processes, Jour- nal Water Pollution Control Association, v. 54, n. 2, p. 129 - 134, Feb. 1982. OLIVEIRA, S.M.A.C. Análise de desempenho e confiabilidade de estações de tratamento de esgotos. 2006. 231 f. Tese (Doutorado em Saneamento, Meio Ambiente e Recursos Hídricos) - Escola de Engenharia, Universidade Federal de Minas Gerais, Belo Horizonte, 2006. OLIVEIRA, S.C; VON SPERLING, M. Análise da confiabilidade de estações de tratamento de esgo- tos, Revista Engenharia Sanitária e Ambiental, v. 12, n. 4, p. 389-398, Associação Brasileira de Engenharia Sanitária e Ambiental, 2007. ROSSMAN, L.A; ASCE, M; CONVERY, J.J. A perspective on performance variability in municipal wastewater treatment facilites. IN: Karamouz, M; Brick, W.J. WaterForum’86: World Water Issues in Evolution. Vol.1. NY, U.S.A: ASCE, 1986. p.1073-1080.
- 406. SÍNTESE GLOBAL DO DESEMPENHO E DA CONFIABILIDADE DOS SISTEMAS DE TRATAMENTO DE ESGOTO 405 SABESP. Síntese de informações operacionais dos sistemas de esgotos da RMSP. Unidade de ne- gócio de tratamento de Esgotos. Divisão de engenharia de desenvolvimento operacional. SABESP, SP. 2001. SNEDECOR, G.W; COCHRAN, W.G. Statistical Methods. 8 ed. Ames: Iowa State University Press, 1989. 503 p.
- 407. 12 Elementos para Decisão Acerca do Reúso ou Lançamento do Esgoto Tratado Marcelo Teixeira Pinto, Eugênio Foresti, Roque Piveli, José Marques Júnior e Marcos von Sperling 12.1 Introdução As estações de tratamento de esgoto no Brasil, salvo exceções, são concebidas visando ao lançamento do efluente final em corpos d’água naturais. Assim, a premissa natural para a escolha de processos e parâmetros de dimensionamento é a capacidade de diluição e assimilação do corpo receptor, tomando-se por referência a vazão média do esgoto tratado e a vazão mínima do corpo receptor. Para esta última, costuma-se ter por referência a restritiva vazão mínima de sete dias consecutivos com período de retorno de dez anos, a chamada Q7,10. Por outro lado, reconhece-se que os sistemas biológicos de tratamento de esgoto, quando projetados visando apenas a remoção de matéria orgânica, resultam em efluentes com concentrações ainda elevadas de nitrogênio e fósforo. Casos assim são verificados em efluentes de lagoas de estabilização, reatores anaeróbios do tipo UASB, lagoas aeradas mecanicamente seguidas de lagoas de decantação, filtros percoladores ou mesmo processos de lodos ativados convencionais. Desta forma, com os processos usuais de tratamento de esgoto, o atendimento pleno à legislação federal, a Resolução Conama 357/2005, alterada pela Resolução 397/2008, só é possível quando se pode contar com graus elevados de diluição, considerando as condições mais desfavoráveis de estiagem. Do contrário, haverá necessidade de remo- ção adicional de nutrientes. A remoção de nitrogênio, embora possa ser conseguida
- 408. ELEMENTOS PARA DECISãO ACERCA DO REÚSO OU LANçAMENTO DO ESGOTO TRATADO 407 eficientemente pela via biológica, requer arranjos mais sofisticados para que possibi- lite reações complexas de nitrificação e desnitrificação. Da mesma forma, a remoção biológica de fósforo, embora possa ser aumentada por processos de assimilação e armazenamento biológico, denominado “luxury uptake”, poderá exigir tratamento físico-químico complementar à base de coagulação e flo- culação química. Esta estratégia, contudo, além de demandar significativos esforços e custos operacionais, nem sempre é suficiente para atender às exigências do corpo receptor. Considere-se, por exemplo, o lançamento com grau de diluição cinco em corpo receptor com concentração admissível de 0,1 mgP/L (água classe 1 em am- biente lótico). A concentração limite de fósforo no esgoto tratado terá de ser, no máximo, 0,5 mgP/L (assumindo concentração nula no curso d’água a montante do lançamento), que corresponde a um valor alcançável apenas mediante tratamento físico-químico. Já há, nestas condições, contudo, alguma dificuldade de garantia de forma consistente. Como podem ser previstas situações de graus de diluição ainda menores em regiões áridas ou montanhosas e, ainda, em ambientes lênticos, há de se admitir que o atendimento seguro aos padrões para fósforo pode exigir tratamento ainda mais oneroso. O uso agronômico de esgoto tratado emerge como alternativa. é uma alternativa que pode associar-se aos processos de tratamento de esgoto substancialmente mais sim- ples do que aquele a ser proposto para lançamento em corpo d’água, principalmente no que se refere à não necessidade de remoção de nitrogênio e fósforo. Desta forma, é recomendável que esta prática seja considerada, sobretudo nos casos em que as dificuldades de atendimento aos padrões de qualidade da água do corpo receptor sejam maiores. Se entendido como viável, o uso agrícola poderá interferir inclusive na localização da estação de tratamento de esgoto a ser implantada. Por outro lado, é importante lembrar que não existe irrigação com esgoto tratado na época das chuvas, e portanto, em regiões com significativas precipitações pluviomé- tricas é necessário prever a disposição do esgoto tratado também no corpo receptor, atendendo a legislação pertinente, embora com maior poder de diluição, em face do maior caudal dos rios nessa época. Neste capítulo, procurou-se discutir os fatores intervenientes para que os tomadores de decisão pudessem definir a melhor rota de disposição dos esgotos tratados, bem como, esboçar uma análise crítica do estado da arte do tema.
- 409. 408 ESGOTO 12.2 Fatores intervenientes na análise de decisão para definição da rota de disposição Embora pareça que entre lançar os esgotos tratados no corpo receptor ou utilizá-los diretamente para fins agronômicos, há uma decisão simples a ser tomada, a escolha da melhor rota de disposição passa por uma análise que deve considerar: a legislação atual; a confiabilidade operacional do sistema que está sendo projetado; o conheci- mento do potencial de uso agrícola em relação à água e nutrientes; as técnicas de irrigação; as exigências ambientais e de saúde pública; os aspectos sociais envolvidos referentes à aceitação desta prática; as relações entre a empresa de saneamento e os usuários; os fatores econômicos e os fatores situacionais. Portanto, não é uma decisão fácil, por envolver não só conhecimento técnico ou exigências legais, mas também questões sociais e organizacionais das operadoras. 12.2.1 As exigências ambientais e de saúde pública Conforme já discutido no Capítulo 2, as condições para o lançamento de efluentes, direta ou indiretamente, nos corpos d’água nacionais estão definidas na Resolução Conama 357/2005, alterada pela Resolução 397/2008. Elas estabelecem os limites máximos de concentração no corpo d’água e no esgoto a ser lançado, para diversos parâmetros de qualidade. Estes limites somente poderão ser ultrapassados quando o estudo de autodepuração comprovar que o impacto do lançamento do efluente não implicará alteração do en- quadramento do corpo receptor. Por outro lado, as questões de saúde pública envolvendo produtos agronômicos são tratadas nas recomendações da Organização Mundial de Saúde (1989; 2006), já bastante exploradas em outras publicações do Prosab (BASTOS, 2003; FLORENCIO et al, 2006). Assim, é importante que os projetistas atentem para o fato de que devem atender a exigências distintas na produção de esgoto tratado para uso agronômico ou para despejo em cursos d’água. 12.2.2 As exigências e procedimentos para irrigação e hidroponia Plantas crescem e se desenvolvem satisfatoriamente com aporte adequado de água, luz e nutrientes. Alguns ambientes agrícolas brasileiros possuem água e luz em quantida- des satisfatórias, porém os solos são geralmente ácidos, apresentando baixa reserva em nutrientes essenciais. Por outro lado, na região do semi-árido do nordeste brasileiro, os ambientes são providos de luz e nutrientes, apresentando deficiência de água por muitos meses ou anos consecutivos. é importante ressaltar que nutrientes e água apre- sentam custos elevados para os sistemas de produção agrícola.
- 410. ELEMENTOS PARA DECISãO ACERCA DO REÚSO OU LANçAMENTO DO ESGOTO TRATADO 409 águas residuárias apresentam consideráveis quantidades de nutrientes essenciais ao crescimento e desenvolvimento de plantas. Por isso, são consideradas de grande po- tencial para fertirrigação em sistemas de produção agrícola. Porém, os nutrientes das águas residuárias apresentam-se, via de regra, em quantidades desbalanceadas, cau- sando desordens nutricionais para algumas culturas agrícolas. As culturas absorvem quantidades de água e nutrientes diferenciadas ao longo do seu ciclo, e, portanto, es- tes dois elementos devem ser oferecidos de acordo com as demandas hídricas e fases do crescimento das culturas. Programas de monitoramento devem ser estabelecidos para identificar e combater possíveis riscos ambientais e riscos à saúde humana. Na experiência do Prosab, estudos têm demonstrado a viabilidade da aplicação de águas residuárias para várias culturas agrícolas, nas principais regiões brasileiras. Tecnolo- gias de saneamento e irrigação têm sido desenvolvidas para reduzir os excessivos teo- res de nitrogênio e fósforo das águas residuárias e para disposição do efluente tratado de maneira mais adequada para atendimento das necessidades hídricas das culturas agrícolas. Dentre as muitas culturas agrícolas estudadas no programa, destacam-se a mamona, o milho, as gramíneas forrageiras, a cana-de-açúcar, o eucalipto e o cultivo de flores regionais em sistema de hidroponia. Estas culturas fertirrigadas com águas residuárias têm alcançado produtividades superiores às médias regionais em vários estados do Brasil. Merecem destaque os baixos custos destes sistemas quando utiliza- das as águas residuárias. Solos profundos, argilosos, ácidos e de baixa reserva em bases, são indicados como aqueles de maior aptidão para fertirrigação com águas residuárias, tendo em vista as contribuições para construção da fertilidade do solo e seguridade ambiental. So- los de regiões semi-áridas necessitam de maiores cuidados no monitoramento dos teores de sódio, tendo em vista os riscos de salinização. No âmbito da Rede Prosab, destaque tem sido dado, em vários projetos abrangendo as principais classes de solos do Brasil, ao estudo e monitoramento do processo de lixiviação, considerando, em especial, os elementos nitrogênio, fósforo e sódio. Os resultados, até o momento, informam que os teores destes elementos encontrados no lixiviado estão de acordo com a legislação atual. No panorama mundial, para atender ao crescimento populacional (que atualmente é de 6,7 bilhões e está estimado em 11 bilhões de pessoas em 2050) será preciso, pelo mínimo, dobrar a quantidade de alimentos produzidos. A única forma de al- cançar esta meta é desenvolver e usar tecnologia de campo. Portanto, ressalta-se a importância das aplicações das águas residuárias em sistemas agrícolas, visando o aproveitamento de água e nutrientes, principalmente em comunidades carentes.
- 411. 410 ESGOTO 12.2.3 Os fatores organizacionais das operadoras A quase totalidade das operadoras dos serviços de abastecimento de água e esgota- mento sanitário não têm experiências ou profissionais exigidos para atuar de forma adequada em um processo de disposição de esgoto tratado visando o uso agronômico. Uma parceria entre o setor de saneamento e os agricultores, orientados por profissio- nais do setor agrícola, pode ser o caminho para que esta estratégia possa passar da pesquisa para a realidade diária. Não é possível pensar nesta possibilidade sem que as operadoras comecem a assumir um papel diferente neste contexto: que passem a ser gerenciadoras do sistemas, ao invés de simples lançadoras de esgoto tratado nos cursos d’água, em que pese o atendimento de todos os dispositivos legais. Minimamente, parte-se do princípio de que a empresa de saneamento será responsá- vel pelo monitoramento da qualidade da água do lençol freático em poços instalados na área irrigada com esgoto tratado, cujas diretrizes deverão ser regulamentadas em legislação específica. Possivelmente, também poderá ser empreendido um programa de controle das características físicas, químicas e biológicas do solo da área em ques- tão. Mas é necessário, principalmente, que se adote os preceitos dos ciclos de gestão, em que é feito o planejamento, a execução, o monitoramento e as ações de correção, tal como adotado no controle do processo da própria estação de tratamento. Ou seja, a área de irrigação deve fazer parte do processo de tratamento. Isto requer mudança de atitude, diferentes profissionais, novas habilidades e compe- tências para lidar com uma atividade complexa, e que tem seus objetivos muitas vezes diferentes dos atuais e convencionais assumidos pelo setor de saneamento. 12.2.4 Os fatores econômicos Em linhas gerais, o uso agronômico de esgoto tratado traz aspectos econômicos po- sitivos e negativos, tanto para o setor de saneamento como para o setor agronômico, que serão maximizados dependendo de uma série de fatores situacionais. A utilização do esgoto tratado para fins agronômicos evita, no primeiro momento, a necessidade de adoção de processos para remoção de nutrientes, permitindo a adoção de concepções mais simplificadas para o tratamento do esgoto — o que resulta em operação mais sim- ples e menos onerosa. Importante redução nos custos operacionais também é obtida em função da inexistência do consumo de coagulantes e auxiliares de floculação para remoção de fósforo e por prescindir de cuidados adicionais no tratamento do lodo. Outro aspecto positivo para o setor de saneamento decorre da localização da estação de tratamento. Na maioria das vezes, a estação de tratamento está localizada mais próxima do ponto de lançamento no corpo receptor do que de uma área agrícola. En- tretanto, em algumas situações, há a necessidade de transportar o esgoto tratado por
- 412. ELEMENTOS PARA DECISãO ACERCA DO REÚSO OU LANçAMENTO DO ESGOTO TRATADO 411 meio de emissários, de modo a vencer longas distâncias, até que seja alcançado um curso d’água de maior vazão ou de classe menos restritiva para receber o lançamento em questão. Neste cenário, e caso exista uma área agrícola mais próxima, ficaria me- nos oneroso fazer o reúso do esgoto do que alcançar, por meio de emissários, o ponto de lançamento mais adequado no curso d’água. Para o setor agronômico, os principais benefícios trazidos pelo esgoto tratado corres- pondem aos aportes de água e nutrientes. Em relação ao aporte de água pelo esgoto, quando se considera a comparação com culturas irrigadas com água de melhor quali- dade, o uso do esgoto tratado trará substancial economia, sem contabilizar os ganhos ambientais. Quando se compara com culturas não irrigadas, prática corrente em nosso país, todos os projetos de pesquisa desenvolvidos no Prosab levaram a produtividades bastante superiores quando as culturas foram irrigadas com esgoto tratado. Devido ao aporte de N, P e outros nutrientes pelo esgoto, são obtidas reduções sig- nificativas das quantidades necessárias dos principais insumos para a adubação quí- mica convencional. Nas pesquisas do Prosab, desenvolvidas sob diferentes condições de solo, clima, tipo de cultura e tipo de efluente, a economia de fertilizantes reduziu- se de 1/3 a 2/3, podendo-se tomar por referência a economia de 50% no uso de adubos químicos. Como aspecto negativo para o setor de saneamento, considere-se uma situação mais desfavorável, em que a empresa de saneamento tenha a necessidade de adquirir a área para a implantação das culturas a serem irrigadas com o esgoto tratado. Ainda assim, esta alternativa poderá ser confrontada com o tratamento para lançamento em corpo d’água quando se tem restrições severas em relação ao fósforo. Este cálculo pode indicar que adquirir o terreno para a irrigação pode ser mais econômico do que realizar o tratamento terciário. Outro aspecto negativo para o setor de saneamento é a necessidade de reservação do efluente, ou tratamento complementar para lançamento em corpo d’água, quando ocorrer período de chuvas ou outra situação que impeça a utilização agronômica do efluente. Dependendo da extensão do período chuvoso, o efluente poderá ser retido, caso a elevação do nível de água nos tanques de tratamento seja hidraulicamente possível. Isto é particularmente facilitado em sistemas de lagoas de estabilização, por possuirem área relativamente extensa. Porém, se a necessidade de acúmulo de es- goto tratado se estender por vários dias, a equalização poderá tornar-se inviável por requerer grandes volumes. Neste caso, se não houver a possibilidade de se utilizarem lagoas de armazenamento, a alternativa poderá ser a complementação do tratamen- to durante o período em que a descarga no corpo receptor é necessária, resultando assim em um maior ônus para implantação do sistema. Nesse caso, a necessidade de
- 413. 412 ESGOTO tratamento físico-químico poderá ser acionada apenas nestes períodos, resultando em importante economia operacional quando se compara com a utilização deste tratamento de forma ininterrupta. Deve ser lembrado também que, por tratar-se de períodos chuvosos, a vazão do corpo d’água será maior, assim como sua capacidade de diluição. Mas, o balanço de massa poderá indicar facilidades, ou mesmo demonstrar a não necessidade de tratamento complementar. Com relação ao nitrogênio, cuja remoção se dá por processo biológico, ocorre maior dificuldade em se trabalhar com o sistema de forma intermitente. Elencando-se os aspectos negativos para o setor agronômico, tem-se que um dos problemas a ser enfrentado pelos agricultores é a possível aceleração do processo de sodificação ou de salinização do solo, o que exigiria recursos para correção periódica. Entende-se que isto será necessário, de acordo com as características do efluente uti- lizado, do solo e da cultura, e reduzirá a vantagem obtida com a economia de adubos químicos e água. Mas, ainda assim, esta cicunstância não representa ameaça conside- rável à viabilidade econômica do uso agronômico de esgoto tratado. Além disso, o uso agronômico de esgoto tratado leva à necessidade de atenção especial aos aspectos de segurança, podendo exigir treinamento dos agricultores, aquisição e manutenção de equipamentos de proteção individual e controle sanitário do sistema solo-planta. O sistema de irrigação também poderá sofrer interferência, uma vez que técnicas de irrigação por gotejamento e sub-superficial são mais seguras. A aspersão, por outro lado, permite maior distribuição do esgoto, atenuando seus efeitos sobre o solo. 12.2.5 Aspectos sociais A escolha da cultura tem papel decisivo na avaliação da viabilidade da irrigação com esgoto tratado, pois, a resistência cultural poderá trazer restrições à comercialização do produto final. A barreira de ordem cultural somente poderá ser superada mediante programas educacionais, além dos próprios resultados dos primeiros sistemas — mo- tivo adicional para que estes sistemas sejam conduzidos em obediência rigida às boas práticas agronômicas e sanitárias. 12.2.6 Os fatores situacionais Estações de tratamento de esgoto são instaladas, geralmente, nos locais mais bai- xos da cidade. Isto ocorre devido ao fato de se buscar o escoamento do esgoto, das residências até o local de tratamento, por gravidade. Da mesma forma, áreas agríco- las, salvo as exigências e características do solo, são geralmente instaladas próximas a cursos d’água, devido à necessidade deste insumo para o seu desenvolvimento. Cursos d’água geralmente são formados em fundos de vales e nas partes mais baixas do terreno, devido ao escoamento natural das águas. Portanto, de forma natural,
- 414. ELEMENTOS PARA DECISãO ACERCA DO REÚSO OU LANçAMENTO DO ESGOTO TRATADO 413 tratamento de esgoto, áreas agrícolas, e cursos d’água estariam muito próximos, facilitando a integração entre estas atividades. Ocorre que muitas vezes, contudo, isto não acontece. Seja pela distância, pelas carac- terísticas do solo, ou pela ocupação urbana, estas áreas podem estar a uma distância que inviabilize a utilização direta do esgoto tratado nas áreas agrícolas. Bombear o esgoto tratado para outra região acarreta custos operacionais e de implantação que podem inviabilizar a sua utilização direta, conforme já discutido no item 2.4 12.2.7 A confiabilidade operacional dos sistemas De acordo com os estudos desenvolvidos por Eisenberg et al (2001), a variação na concentração do efluente decorrente das falhas ou da manutenção de componentes mecânicos não tem sido muito significativa quando a operadora possui um ade- quado programa de manutenção. Neste caso, os equipamentos da ETE teriam uma disponibilidade operacional de aproximadamente 100% do tempo, observada em um período de longo prazo. Considerando esta situação, a confiabilidade teórica da ETE seria definida apenas pelas características típicas de seu processo de tratamento. Características estas que poderiam, então, ser comparadas aos dados de desempenho operacional, caracterizando a eficácia do projeto e o modo de gerenciamento técnico e operacional da operadora. Conforme mencionado, a consideração da confiabilidade durante a fase de seleção dos processos de tratamento e elaboração do projeto da ETE é de grande importância para assegurar o alcance das concentrações ou cargas admissíveis pelo corpo receptor, ou mesmo para assegurar o uso agronômico do efluente. Supondo que um determinado processo possua Coeficiente de Variação (CV) da ordem de 0,30 a 0,60, e que o projeto tenha sido elaborado para atender a valores médios de concentração de um determi- nado constituinte (DBO, por exemplo), verifica-se que a confiabilidade irá variar entre 55% a 60% e que, em parte considerável do tempo, a ETE estará funcionando fora dos padrões estabelecidos. Estas considerações são importantes, uma vez que a maioria dos relatos de desem- penho operacional das unidades de tratamento aponta apenas resultados médios de um determinado período que, quando comparados com os padrões de lançamento (que indicam o valor máximo permissível), não representarão a realidade. Portanto, é imprescindível que a estação de tratamento seja projetada para atender sempre aos limites descritos nas exigências ambientais e sanitárias, que não devem, portato, ser tratados como uma média de resultados. As técnicas de análise de confiabilidade operacional foram discutidas detalhadamente no Capítulo 11.
- 415. 414 ESGOTO 12.3 Protocolo simplificado de decisão Conforme comentado neste capítulo, o efluente de uma estação de tratamento de esgoto pode ter dois destinos: lançamento em corpo d’água e utilização produtiva. No contexto deste livro e do presente item, a principal rota de utilização produtiva é a fertirrigação. Do ponto de vista da companhia responsável pela operação do sistema de esgotamento sanitário, uma importante definição é de quanto da vazão de esgoto tratado segue para cada rota, sabendo-se ainda que esta distribuição pode variar entre o período seco (com maior demanda para irrigação com esgoto) e chuvoso (com de- manda menor ou nula). Apresenta-se, neste item, um protocolo simplificado de determinação das vazões a serem direcionadas para cada rota. O protocolo está implantado em planilha Excel, intitulada “Protocolo Decisão Lançamento Reúso”, disponibilizada no site do Prosab (www.finep.gov.br/programas/ prosab.asp). Ressalta-se o caráter grandemente sim- plificado do protocolo e da própria planilha, os quais objetivam, principalmente, ilus- trar a linha de raciocínio que pode ser empregada neste processo decisório. Não são incluídos aspectos econômicos, economia com fertilizantes, economia com eventual tarifa para o lançamento do esgoto, custo de transporte e bombeamento do esgoto, impacto de parâmetros agronômicos de importância (como sódio, condutividade etc) e outros itens que compõem a decisão em uma situação real. A ótica é a da compa- nhia de saneamento, que tem como produto o esgoto tratado, caracterizado pela sua vazão, DBO, amônia, fósforo e coliformes. A primeira etapa do protocolo é entrar com os valores das vazões e concentrações médias do esgoto tratado, tanto para o período seco, quanto para o período chuvoso (caso sejam diferentes). As características médias do esgoto são função do processo de tratamento utilizado, e os valores devem ser obtidos do projeto (no caso de esta- ções ainda não implantadas) ou do monitoramento do efluente (no caso de estações já existentes). Tendo-se as vazões e concentrações, calculam-se as cargas geradas no efluente (carga = vazão x concentração), conforme mostrado na Figura 12.1. Ao se avaliar a rota do lançamento no corpo d’água, deve-se observar o atendimento ao padrão de qualidade do corpo receptor, ditado pela Resolução CONAMA 357/05, em função de sua classe de enquadramento. Para DBO, amônia, fósforo e coliformes há valores limite, tal como apresentado no capítulo 2. No presente exemplo, as concen- trações no corpo d’água foram estimadas tendo em vista apenas a equação da mistura esgoto-rio no ponto de lançamento, sem qualquer modelagem do seu decaimento ou transformação ao longo do percurso no rio:
- 416. ELEMENTOS PARA DECISãO ACERCA DO REÚSO OU LANçAMENTO DO ESGOTO TRATADO 415 A vazão poderá ser a mesma do mês seco As concentrações poderão ser as mesmas do período seco FONTE: ELABORADA PARA ESTE LIVRO. Figura 12.1 Dados do esgoto tratado Q r . Cr + Q e . C e Co = Equação12.1 Qr + Qe onde: Co: concentração do constituinte na mistura (mg/L ou g/m3) Cr: concentração do constituinte no rio, imediatamente a montante do ponto de mistura (mg/L ou g/m3) Ce: concentração do constituinte no esgoto, imediatamente a montante do ponto de mistura (mg/L ou g/m3) Qr: vazão do rio (m3/d) Qe: vazão do esgoto (m3/d) No exemplo, por simplicidade, admitiu-se que o rio é totalmente limpo, ou seja, as con- centrações dos quatro constituintes analisados (DBO, amônia, fósforo e coliformes) são nulas. Podem-se adotar valores diferentes para as vazões e concentrações do esgoto tratado, para os períodos seco e chuvoso. Para o curso d’água, naturalmente, as vazões serão diferentes entre os dois períodos, e elas influenciarão a capacidade de diluição. Ao se avaliar a rota da utilização agrícola, devem ser especificados, em função da cul- tura e do solo, os valores desejados das taxas de aplicação hidráulica (m3/ha.mês) e dos nutrientes N e P (kg/ha.mês). Em função destes valores, e conhecendo-se a vazão e a
- 417. 416 ESGOTO carga disponibilizada pelo esgoto tratado, determina-se a área passível de irrigação. Caso esta área seja menor do que a área disponível, prevalece o valor da área passível de irrigação. No entanto, caso ela seja maior do que a área efetivamente disponível para irrigação, prevalece o valor da área disponível. Com a área a ser efetivamente irrigada, e tendo por base as taxas de aplicação dese- jadas e as características do esgoto tratado, calcula-se a vazão necessária para irriga- ção. Caso desejado, pode-se levar em consideração ainda a influência da precipitação direta sobre a área irrigada. As figuras de 12.2 a 12.4 ilustram imagens destes trechos da planilha, mostrando o raciocínio do protocolo proposto. IRRIGAÇÃO Células em cinza claro: dado de entrada a ser preenchido Células em cinza escuro: dado de saída importante Área passível de ser irrigada Cultura Nome da cultura Solo Tipo de solo Área passível de irrigação, segundo as cargas disponíveis no efluente da ETE (mês seco) Taxas de aplicação desejadas Vazão m3/ha.mês 3000 Área em função de taxa hidráulica ha 10.0 Nitrogênio kg/ha.mês 100 Área em função de taxa de N ha 10.5 Fósforo kg/ha.mês 20 Área em função de taxa de P ha 7.5 Área em função de demanda hídrica ha 10.0 Área que atende todos os fatores ha 7.5 Área disponível para irrigação Área disponível para receber os efluentes tratados ha 20.0 Área a ser efetivamente irrigada (entrar com um valor, menor ou igual ao da área disponível, e que atenda ao critério da demanda hídrica ou ao critério de atendimento a todos os fatores) ha 7.5 Cargas passíveis de serem direcionadas para reúso na área irrigada Vazão direcionada para reúso, em função das taxas (área x taxa de aplicação hidráulica) (carga passível / concentração média efluente no mês com irrigação) Vazão m3/mês 22500 Vazão para taxa hidráulica m3/mês 22500 Nitrogênio kg/mês 750 Vazão para carga de N m3/mês 21429 Fósforo kg/mês 150 Vazão para carga de P m3/mês 30000 Vazões necessárias para irrigação Vazão que atende a todos os critérios (menor valor entre os valores) m3/mês 21429 Vazão para critério de demanda hídrica (taxa hidráulica) m3/mês 22500 Precipitação Mês seco Mês chuvoso Precipitação média mensal mm/mês 0 200 Aporte de vazão por precipitação direta sobre a área irrigada m3/mês 0 15000 FONTE: ELABORADA PARA ESTE LIVRO. Figura 12.2 Dados sobre a área irrigável e as vazões e cargas requeridas
- 418. ELEMENTOS PARA DECISãO ACERCA DO REÚSO OU LANçAMENTO DO ESGOTO TRATADO 417 Células em cinza claro: dado de entrada a ser preenchido Células em cinza escuro: dado de saída importante Vazões de efluente a serem direcionadas para irrigação (= vazão necessária - vazão disponível por precipitação) Mês seco Mês chuvoso Vazão que atende a todos os critérios (menor valor entre os valores) m3/mês 21429 6429 Vazão para critério de demanda hídrica (taxa hidráulica) m3/mês 22500 7500 Entrar com valor com base na tabela acima, Entrar com valor com base na tabela acima: segundo critério da demanda hídrica ou do zero se não houver irrigação no período chuvoso; atendimento a todos os fatores outro valor, inferior ao do período seco, caso haja irrigação no período chuvoso Definição da vazão para cada destino Mês seco (com irrigação) Mês chuvoso (sem irrigação) Reúso Lançamento Reúso Lançamento m3/mês 21000 9000 6000 30000 m3/d 700 300 200 1000 CARGAS E TAXAS APLICADAS NA ÁREA EFETIVAMENTE IRRIGADA Distribuição das cargas Período seco Período chuvoso Reúso Lançamento Reúso Lançamento Vazão (m3/mês) 21000 9000 6000 30000 N (kg/mês) 735 315 108 540 P (kg/mês) 105 45 12 60 TAXAS DE APLICAÇÃO RESULTANTES NA ÁREA IRRIGADA Período seco Período chuvoso Lâmina aplicada Período seco Período chuvoso Vazão (m3/ha.mês) 2800 800 Vazão (mm/d) 9.3 2.7 N (kg/ha.mês) 98 14.4 P (kg/ha.mês) 14 1.6 FONTE: ELABORADA PARA ESTE LIVRO. Figura 12.3 Determinação das vazões e cargas em cada rota de destinação CORPO RECEPTOR Concentrações resultantes no corpo receptor, assumindo concentrações nulas a montante do lançamento Mês seco Mês chuvoso Vazão média mensal do rio Qr m3/d 1600 4200 Concentrações resultantes (equação da mistura) (equação da mistura, com Cr=0) (a célula ficará com cor diferente se for infringido o padrão) Mês seco Mês chuvoso Padrão ambiental Resol. Conama 357/05 DBO mg/L 12.6 9.6 5 Amônia mg/L 4.7 2.9 3.7 Fósforo mg/L 0.8 0.4 0.1 E. coli NMP/100mL 1.58E+02 3.85E+02 1.00E+03 FONTE: ELABORADA PARA ESTE LIVRO. Figura 12.4 Avaliação do atendimento aos padrões de qualidade do corpo receptor Com base nas informações citadas, a planilha calcula qual o valor da vazão a ser di- recionada para lançamento no corpo receptor e para irrigação, tanto no período seco, quanto no chuvoso, conforme mostrado na Figura 12.5.
- 419. 418 ESGOTO DISTRIBUIÇÃO DA VAZÃO EFLUENTE SEGUNDO O DESTINO Vazão (m3/d) Período seco Período chuvoso Reúso 700 200 Lançamento 300 1000 DISTRIBUIÇÃO DA VAZÃO EFLUENTE DA ETE 1400 1200 1000 Vazão (m3/d) 300 800 1000 600 400 700 200 200 0 Período seco Período chuvoso Reúso Lançamento Observações Os valores acima são meramente ilustrativos da sequência de cálculo, e não têm qualquer compromisso em reproduzir situações reais. A planilha pode ser feita para diferentes concentrações efluentes, áreas irrigadas, culturas irrigadas (taxas aplicadas), solos e razões de diluição no corpo receptor. Podem ser inseridos outros parâmetros: Na, condutividade etc FONTE: ELABORADA PARA ESTE LIVRO. Resumo das vazões a serem direcionadas para cada rota (lançamento e irrigação) nos Figura 12.5 períodos seco e chuvoso Deve-se destacar que a planilha está preenchida com valores numéricos, sem qual- quer preocupação em reproduzir condições reais, mas objetivando tão somente mos- trar o funcionamento da sequência de cálculo que dá base ao protocolo de decisão. O usuário deverá preencher os próprios valores e, caso necessário, modificar ou adap- tar a planilha, bem como inserir outros condicionantes que sejam importantes na sua situação real. 12.4 Análise crítica e o histórico das pesquisas do tema O interesse pela utilização de esgoto sanitário em atividades urbanas, industriais e agrícolas tem sido renovado, e sua prática mostra-se cada vez mais frequente em vários países (FINEP, 2004). O aumento de demanda de água como consequência dos processos de desenvolvimento e urbanização está tornando crítica a disponibilidade de recursos hídricos em muitas regiões, inclusive naquelas em que esses recursos eram considerados abundantes. Uma das principais causas é a deterioração da qualidade da água devido ao uso intensivo do solo e ao lançamento de águas residuárias, sem qual-
- 420. ELEMENTOS PARA DECISãO ACERCA DO REÚSO OU LANçAMENTO DO ESGOTO TRATADO 419 quer tratamento (ou após tratamento pouco eficiente), nos corpos d’água superficiais, tornando-a imprópria a vários usos nobres, como o abastecimento urbano. Além da contaminação por organismos patogênicos e por substâncias que oferecem riscos à saúde, a presença de matéria orgânica e de nutrientes (nitrogênio e fósforo, principalmente) causa a deterioração de corpos d’água mesmo em locais distantes, a jusante do lançamento, como lagos, represa e estuários. A crescente escassez de água de boa qualidade impõe a adoção de medidas que permitam a economia de água, bem como a recuperação da qualidade da água dos mananciais existentes. A economia de água por meio do reúso de esgoto sanitário para fins não potáveis tem sido largamente empregada. Em países onde a disponibilidade de água é pequena, como Israel, o uso agrícola de esgoto pré-tratados é intenso (BRENNER et al, 2000). Na Europa, a preocupação com o reúso da água é crescente, havendo extenso material bibliográfico sobre este tema. Questões como a necessidade de regulamentação do uso e de uma política integrada de recursos hídricos que inclua o reúso de esgoto para fins não potáveis têm sido amplamente debatidas (BIXIO et al, 2006). Em muitos países, a legislação sobre lançamento de efluentes tratados em corpos d’água tem se tornado extremamente restritiva, principalmente no que se refere às concentrações de nitrogênio e fósforo admissíveis, levando ao desenvolvimento de tecnologias inovado- ras para a remoção desses constituintes (ANGELAKIS et al, 2003). Balmer (2004) aborda aspectos da busca pela sustentabilidade das sociedades e admite existir um longo caminho a ser percorrido para se atingir uma sociedade sustentável. Para o autor, a produção biológica, que é e será a base da sociedade, está limitada pela disponibilidade de água e de nutrientes. O fósforo é o nutriente cujo risco de escassez é considerado o mais elevado. Estima-se que as reservas atuais deverão se esgotar nos próximos 100 anos, mantida a taxa atual de consumo. Muitos outros autores (GATERELL et al, 2000; DE-BASHAN, BASHAN, 2004; BOOKER et al, 1999; DRIVER et al, 1999; MORSE et al, 1988) dão ênfase à necessidade de se recuperar o fósforo do esgoto sanitário e apresentam as tecnologias usualmente empregadas. Atualmente, reconhece-se que o custo associado à recuperação do fósforo do esgoto é elevado e tem havido pouco interesse na exploração comercial dos processos que permi- tem a obtenção de compostos de fósforo, como a estruvita, por exemplo, que tem sido verificada ser efetiva como insumo agrícola. Por outro lado, processos mais econômicos de remoção de fósforo de esgoto sanitário, que usam compostos à base de alumínio, formam compostos que não são utilizáveis na agricultura (MORSE et al, 1998). Destaque-se, no entanto, que o esgotamento progressivo das reservas naturais de fós- foro, a exploração de lavras de minério de fósforo de qualidade inferior (que implica em
- 421. 420 ESGOTO custos mais elevados no seu beneficiamento), o aumento dos preços deste insumo no mercado internacional e a adoção de padrões mais restritivos para a qualidade dos efluentes a serem lançados em corpos receptores são fatores que poderão tornar atrativa, em futuro próximo, a adoção de processos de recuperação do fósforo do esgoto sanitário. O Prosab tem influído, de forma decisiva, na adoção, por parte das companhias de saneamento, de tecnologias de tratamento de esgoto mais adequadas a países como o Brasil. De maneira geral, nos países do hemisfério sul, as condições climáticas favo- ráveis são adequadas ao uso de tratamentos anaeróbios como a primeira etapa desti- nada à remoção de matéria orgânica dos sistemas de tratamento de esgoto sanitário. Ressalte-se que estes países apresentam-se como o nicho preferencial para a adoção de novos desenvolvimentos da tecnologia anaeróbia para tratamento de esgoto sani- tário, uma vez que as temperaturas mais elevadas permitem dispensar a necessidade de sistemas de aquecimento de reatores. Por esse motivo, a tendência ao aumento no uso de sistemas de tratamento baseados na tecnologia anaeróbia, nestes países, abre novas perspectivas para o desenvolvimento de sistemas mais sustentáveis do que os baseados na tecnologia aeróbia (FORESTI et al, 2006). Além das vantagens relacionadas ao menor consumo de energia, os efluentes de re- atores anaeróbios podem oferecer vantagem adicional na recuperação de nutrientes do esgoto sanitário, principalmente fósforo, uma vez que contêm fosfato e nitrogênio amoniacal, nutrientes desejados para o uso agronômico. No Brasil, a partir do final dos anos 90, as instituições de ensino e pesquisa foram in- centivadas a buscar soluções para os problemas gerados pelo esgoto sanitário, havendo, desde o início do programa, a percepção de que a proteção ambiental deveria estar as- sociada à economia dos recursos escassos. Neste sentido, o Prosab apontou, claramente, as linhas de pesquisa de interesse do programa no Tema 2 — Esgoto: desenvolvimento de técnicas para reúso em atividades urbanas, industriais e agropecuárias visando à eco- nomia de água; reciclagem de nutrientes em irrigação e aquicultura, visando tanto ao aumento da rentabilidade destas atividades quanto à proteção de corpos d’água. A evolução observada ao longo do período de execução do programa, iniciado em 1997, foi marcante em vários aspectos. As pesquisas iniciais fundamentadas no Edital 1 concentraram-se no desenvolvimento de reatores anaeróbios e na aplicação contro- lada no solo. A pouca experiência da comunidade técnica brasileira com a aplicação de processos anaeróbios para tratamento de esgoto sanitário e o inegável potencial de uso destes processos em países de clima tropical foram, sem dúvida, os principais fa- tores que motivaram as agências de fomento envolvidas no financiamento do Prosab a apoiar as pesquisas nas Universidades.
- 422. ELEMENTOS PARA DECISãO ACERCA DO REÚSO OU LANçAMENTO DO ESGOTO TRATADO 421 Posteriormente, no Edital 2, as instituições de pesquisa enfocaram o pós-tratamento de efluentes de reatores anaeróbios em diferentes unidades, aeróbias e anaeróbias, tendo predominado o enfoque no aperfeiçoamento destes sistemas. Contando com a experi- ência anterior no projeto e com a operação de reatores anaeróbios para o tratamento de esgoto sanitário, os grupos de pesquisa concentraram-se no aperfeiçoamento dos sistemas de forma a incluir unidades de pós-tratamento, uma vez que os reatores ana- eróbios produzem efluentes que não atendem aos padrões de emissão com relação às características físico-químicas e microbiológicas. Houve avanços em relação a alguns sistemas de tratamento pesquisados, destacando-se os sistemas mistos anaeróbios/ aeróbios e os sistemas compostos por reatores anaeróbios e lagoas de estabilização. Em seguida, no Edital 3, houve mudança significativa no enfoque, passando a haver a preocupação com o uso produtivo do esgoto, com a implantação de campos expe- rimentais em várias regiões do país, buscando-se o uso na hidroponia, na produção agrícola, na piscicultura e na indústria. Houve, também, grande ênfase na desinfecção de esgoto pré-tratado, uma vez que os aspectos sanitários são de grande relevância na análise de alternativas de reúso. A perspectiva maior à época era a de se fazer uma avaliação, em um primeiro momen- to, da viabilidade técnico-econômica desta ação, sob condições regionais brasileiras. Os paradigmas iniciais eram as quantidades de esgoto tratado utilizadas e a produti- vidade estimada para as culturas, procurando responder às questões de interesse dos setores de saneamento e da agronomia. A resposta agronômica foi considerada bastante positiva quando se comparam os da- dos de produtividade de parcelas não irrigadas com as que receberam esgoto tratado. Emergiram os primeiros quantitativos do efetivo aporte de nutrientes provenientes do esgoto, contribuindo para o embasamento da avaliação econômica desta atividade. A possibilidade de movimentação dos nutrientes ou contaminantes residuais do esgo- to no perfil do solo em direção ao lençol freático obrigaria a continuidade dos estudos, em vista da possibilidade de ocorrência de fenômenos de evolução lenta que podem interferir na sustentabilidade desta prática. Em relação aos aspectos sanitários, foi possível identificar as necessidades de desin- fecção que garantam a segurança dos agricultores e produtos, tendo por referência as diretrizes da Organização Mundial da Saúde ou da Agência de Proteção Ambiental dos Estados Unidos. A qualidade sanitária das plantas foi avaliada em algumas pesquisas, não tendo sido registrados casos de contaminação que constituíssem preocupação maior. Foram obtidos índices de coliformes comparáveis ou inferiores àqueles de pro- dutos comerciais irrigados com água natural e amostrados para comparação.
- 423. 422 ESGOTO A principal resposta a ser dada para as empresas de saneamento refere-se à quanti- dade de esgoto utilizada, permitindo o planejamento que envolve desde a localização de uma nova ETE a ser implantada até as eventuais necessidades de descargas parciais ou totais em corpos d’água naturais. Há a necessidade de se contribuir para a conso- lidação de um banco de dados em que se associe a população atendida pelo sistema de esgoto com a área de cultivo correspondente. Evidentemente, a demanda hídrica da planta é o elemento mais importante nesta avaliação e independe da qualidade da água de irrigação, mas existem outras condições, como a evolução das alterações nas propriedades do solo, que podem recomendar maiores restrições ao uso de esgoto ou, talvez, incentivar o seu uso em quantidades mais elevadas. As reflexões sobre atividades e resultados obtidos no Edital 3 do Prosab induziram à continuidade dos estudos, em busca de informações que pudessem consubstanciar a avaliação da sustentabilidade do uso agronômico de esgoto tratado. Novos projetos foram desenhados e desenvolvidos, com ênfase principal nos aspectos relativos ao sistema água-solo-planta e ao lençol freático. é certo que esta estrutura seria apro- veitada, também, para o refinamento dos resultados acerca da produtividade e dos aspectos sanitários de certos grupos de culturas considerados promissores. Foram considerados aspectos como a maior absorção de nutrientes do esgoto (como é o caso das gramíneas), segurança no consumo do produto final (necessária no caso das culturas comestíveis), ou a demanda de grandes quantidades de esgoto que garantam a irrigação de grandes áreas (como por exemplo em reflorestamentos). O cenário do Edital 4 foi marcado por iniciativas que objetivaram subsidiar a regu- lamentação do uso de água no Brasil, incluindo o disciplinamento do uso agríco- la de esgoto tratado. A necessidade de informações com base local, ainda que obtidas de experimentos em escala reduzida, ficou evidente à medida em que as legislações vigentes em outros países demonstram-se demasiadamente restritivas e inaplicáveis em outra realidade econômica ou, por outro lado, à medida em que exemplos se mul- tiplicavam na listagem de iniciativas supostamente positivas, mas sem um controle aceitável. Este fato motivou os pesquisadores do Prosab ao exercício de proposição de critérios e parâmetros com base nos resultados destas pesquisas, confrontadas com experiências e legislações internacionais, que pudessem contribuir para a adoção de padrões de qualidade de água residuária para a irrigação de culturas. Nas pesquisas relativas ao condicionamento do esgoto, diversos aspectos foram abor- dados procurando a identificação dos processos de tratamento que levassem à qua- lidade mais desejável para aplicação agrícola, ou seja, sistemas que garantissem boa qualidade sanitária do efluente final e, na medida do possível, sem eficiências elevadas na remoção de nutrientes. Procurou-se também a separação de componentes que
- 424. ELEMENTOS PARA DECISãO ACERCA DO REÚSO OU LANçAMENTO DO ESGOTO TRATADO 423 pudessem comprometer o sistema de irrigação ou provocar efeitos deletérios sobre a qualidade do solo ou da água do lençol freático. Estes estudos culminaram com a con- solidação das características do esgoto de interesse agronômico que podem resultar das diversas modalidades de tratamento, servindo de orientação aos profissionais de ciências agrárias interessados nesta temática. Uma das grandes preocupações trazidas à discussão, durante a vigência do Edital 4, foi a necessidade de se dispor, em muitos casos, de sistema de tratamento capaz, por si só, de atender à legislação para lançamento de efluentes em corpos receptores e às necessidades agronômicas — uma vez que a irrigação é interrompida em épocas de chuva, quando a disponibilidade hídrica supera a demanda de água pela cultura. Foram mantidos também projetos visando ao uso industrial e a outros usos de água não-potável. As pesquisas realizadas no âmbito do Edital 5 consolidaram estas soluções relacio- nadas ao uso agrícola de efluentes pré-tratados e a disposição do esgoto no corpo receptor (conforme consta nos capítulos anteriores desta obra), mostrando ser esta uma solução técnica e economicamente viável para atender à demanda hídrica das culturas e reciclar nutrientes, incorporando-os novamente aos produtos agrícolas. Consequentemente, este tipo de solução também atende aos critérios de proteção ambiental, uma vez que o uso agrícola de esgoto pré-tratado constitui-se em barreira suficientemente segura contra a emissão de poluentes, inclusive, e, principalmente, de nutrientes, nos corpos receptores. No campo agronômico, além da busca de dados adicionais dos efeitos da irrigação com esgoto tratado sobre o sistema água-solo-planta, aspectos diferenciais foram introduzidos. Aspectos como: a avaliação da eficiência do sistema de irrigação na dis- tribuição, quando alimentado com efluente; os efeitos do aporte de diferentes com- binações de macro e micronutrientes em complementação aos presentes no esgoto; a influência da irrigação com esgoto sobre a dinâmica agroecológica do solo, e efeitos da aplicação de lâminas excedentes. Este último aspecto visou à avaliação das quan- tidades máximas admissíveis de aplicação de esgoto, de forma a subsidiar a avaliação do uso do efluente para este fim. Nesta fase, os efeitos sobre o solo puderam ser mais bem definidos, tendo-se como principal resultado o reconhecimento mais seguro dos impactos da salinização e so- dificação, bem como o conhecimento das necessidades de correção do solo continua- damente irrigado com efluente, componente a ser considerado no balanço econômico do sistema. A dinâmica do carbono associada à atividade microbiana; a nitrificação no solo; e as consequências sobre a qualidade da água do lençol freático também
- 425. 424 ESGOTO foram avaliados. A migração de íons no solo e a confirmação da ausência prática de contaminantes como metais pesados, outros íons ou compostos orgânicos tóxicos que podem estar presentes no esgoto, podem ser consideradas constatações positivas resultantes das pesquisas. As pesquisas tecnológicas desenvolvidas no programa permitem que projetistas e to- madores de decisão tenham informações e ferramentas capazes de propor soluções de tratamento de esgoto e uso de efluentes sanitários com total segurança ambiental e proteção à saúde pública. Cabe a todos os setores sociais envolvidos na gestão dos recursos naturais o empenho em estabelecer políticas direcionadas ao aumento da sustentabilidade da sociedade. Essas políticas não poderão prescindir do conhecimento tecnológico gerado no Prosab em função deste tema. Conhecimento que está dispo- nibilizado na coletânea de livros técnicos que foram produzidos pelo programa, objeto obrigatório de consulta a todos os profissionais que trabalham nesta área. Referências bibliográficas ANGELAKIS, A.N; BONTOUX, L; LAZAROVA, V. Challenges and prospectives for water recycling and reuse in EU countries, Water Science and Technology: Water Supply, v. 3; n. 4, p. 59-68, 2003. BALMéR, P. Phosphorus recovery – an overview of potentials and possibilities, Water Science and Technology, v. 49, n. 10, p. 185-190, 2004. BASTOS, R.K.X. (coord.). Utilização de esgotos tratados em fertirrigação, hidroponia e piscicultura. Rio de Janeiro: Rima, ABES, 2003. BIXIO, D. et al. Wastewater reuse in Europe, Desalination, n. 187, p. 89–101, 2006. BRENNER, A. et al. Wastewater reclamation for agricultural reuse in Israel: trends and experi- mental results, Water, Air and Soil Pollution, n. 123, p. 167-182, 2000. DE-BASHANA, L. E; BASHANA, Y. Recent advances in removing phosphorus from wastewater and its future use as fertilizer (1997–2003), Water Research, v. 38, p. 4222–4246, 2004. DRIVER, J; LIJMBACH, D; STEEN I. Why recover phosphorus for recycling, and how?, Environmen- tal Technology, v. 20, n. 7, p. 651-662, 1999. FLORENCIO, L; BASTOS, R.K X; AISSE, M.M. (coord.). Tratamento e utilização de esgotos sanitários. Rio de Janeiro: ABES, 2006. FORESTI, E; ZAIAT, M; VALLERO, M. Anaerobic processes as the core technology for sustainable domestic wastewater treatment: consolidated applications, new trends, perspectives, and chal- lenges, Reviews in Environmental Science and Bio/Technology, v. 5, p. 3–19, 2006. GATERELL, M.R. et al. An economic and environmental evaluation of the opportunities for subs- tituting phosphorus recovered from wastewater treatment works in existing fertilizer markets, Environmental Technology, v. 21, 1067-1084, 2000.
- 426. ELEMENTOS PARA DECISãO ACERCA DO REÚSO OU LANçAMENTO DO ESGOTO TRATADO 425 MORSE, G.K. et al. Review: Phosphorus removal and recovery technologies, The Science of the Total Environment, v. 212, p. 69-81, 1998. WHO. Health guidelines for the use of wastewater in agriculture and aquaculture: technical re- port series 778. Geneva: World Health Organization, 1989. WHO. WHO guidelines for the use of wastewater, excreta and greywater. World Health Organi- zation, 2006.
- 430. Financiadores Ministério da Ciência e Tecnologia coordenadores Luiz olinto Monteggia Francisco suetônio Bastos Mota Departamento de Obras Hidráulicas da UFRGS (coordenador da rede) Av. Bento Gonçalves, 9.500, Setor 5, Agronomia Departamento de Engenharia Hidráulica e CEP 91501-970 Porto Alegre, RS Ambiental da UFC Tel. (51) 3308-6660 e-mail: montegia@iph.ufrgs.br Campus do Pici Bloco 713 CEP 60455-760 Fortaleza, CE Marcos von sperling Tel. (85) 3366-9624 e-mail: suetonio@ufc.br Departamento de Engenharia Sanitária e Ambiental da UFMG adrianus van Haandel Avenida do Contorno, 842, 7º andar Centro Departamento de Engenharia Civil da UFCG CEP 30110-060 Belo Horizonte, MG Rua Aprígio Velos, 882 Tel. (31) 3409-1880 e-mail: marcos@desa.ufmg.br CEP 58109-970 Campina Grande, PB Tel. (83) 3331-4809 e-mail: prosab@uol.com.br Isaac Volschan Jr. Departamento de Recursos Hídricos e Maria de Lourdes Florencio dos santos Meio Ambiente da UFRJ Departamento de Engenharia Civil da UFPE Centro de Tecnologia Bloco D, sala 204 Av. Acadêmico Hélio Ramos, s/n Cidade Universitária CEP 21941-972 Rio de Janeiro, RJ CEP 50740-530 Recife, PE Tel. (21) 2562-7982 e-mail: volschan@poli.ufrj.br Tel. (81) 2126-8742 / 8228 e-mail: flor@ufpe.br Bruno coraucci Filho Luiza Girard Teixeira Machado Departamento de Saneamento e Ambiente Faculdade de Engenharia Sanitária da Unicamp e Ambiental da UFPA Avenida Albert Einstein, 951 Rua Augusto Corrêa, 1 Campus Universitário CEP 13083-852 Campinas, SP do Guamá CEP 66075-110 Belém, PA Tel. (19) 3521-2373 e-mail: bruno@fec.unicamp.br Tel. (91) 3201-8026 e-mail: gesa.ufpa@bol.com.br roque passos piveli apoio Henio normando de souza Melo Escola Politécnica da Universidade de São Paulo Departamento de Engenharia Química e Av. Prof. Almeida Prado, 271 Cid. Universitária de Engenharia Civil da UFRN Butantan CEP 05508-970 São Paulo, SP Av. Salgado Filho, s/n Campus Universitário Lagoa Tel. (11) 3091-5582 e-mail: faleusp@usp.br Nova CEP 59072-970 Natal, RN Tel. (84) 215-3756 / 3769 ramal 31 coLaBoradores e-mail: prosabrn@eq.ufrn.br eugênio Foresti – Usp José Marques Júnior – Unesp Marcelo antônio Teixeira pinto – caesb ISBN 978-85-7022-164-3 9 788570 221643