Dinâmica do tratamento

As lagoas de estabilização representam o habitat de uma enorme variedade de organismos vivos, os quais se reproduzem de acordo com a disponibilidade de alimento. A capacidade de um micro-organismo obter o substrato necessário para sua subsistência é função tanto das suas características metabólicas quanto das características ambientais do meio (KELLNER e PIRES, 1998).

Segundo Von Sperling (1996), para que um organismo se desenvolva, ele necessita basicamente de energia, carbono e nutrientes. Os seres autótrofos e heterótrofos utilizam como fonte de carbono o gás carbônico e a matéria orgânica (ou inorgânica), respectivamente. E os seres fototróficos e quimiotróficos utilizam como fonte de energia a luz e a energia de reações químicas.

Segundo CETESB (1975), o sistema ecológico de uma lagoa de estabilização baseia-se em dois princípios biológicos: respiração (realizada pelas bactérias) e fotossíntese (realizada pelas algas). Kellner e Pires (1998) complementam afirmando que, em um ambiente aeróbio, as bactérias metabolizam a matéria orgânica, convertendo-a em dióxido de carbono e água. As algas, por sua vez, utilizam o dióxido de carbono, água, amônia e outros compostos inorgânicos para a síntese celular, liberando oxigênio para o meio líquido. É nessa relação simbiótica entre algas e bactérias que repousa o princípio do tratamento biológico de esgoto nas lagoas de estabilização.

Segundo Von Sperling (1996), a denominação de respiração não é restrita apenas aos processos que envolvem consumo de oxigênio, mas a qualquer reação redox na qual a matéria orgânica é oxidada por um agente oxidante presente no meio líquido (oxigênio, nitrato ou sulfato). Sendo este um dos processos químicos que ocorrem na célula para produção de energia, também chamado de catabolismo oxidativo.

A decomposição da matéria orgânica pode ocorrer em condições aeróbias ou anaeróbias. O processo aeróbio requer um fornecimento contínuo de oxigênio dissolvido e é o método mais eficiente para reduzir o teor de matéria orgânica diluída do esgoto. No entanto, quando há sólidos suspensos altamente concentrados no esgoto, como no caso de sólidos orgânicos sedimentáveis, o processo anaeróbio é extremamente eficaz. A fermentação anaeróbia é um processo de duas etapas. Em primeiro lugar, um grupo especial de bactérias

produtoras de ácido conhecidas como heterotróficas facultativas degradam a matéria orgânica em ácidos, álcoois, aldeídos, etc. Em seguida, um grupo de bactérias, metanogênicas, convertem os produtos intermediários em metano, amônia, dióxido de carbono e hidrogênio (GLOYNA, 1971).

Independentemente da presença ou não do oxigênio livre, as bactérias decompõem o material orgânico complexo presente nos esgotos (proteínas, carboidratos, lipídeos), em material solúvel, possível de ser absorvido pela parede celular, convertendo-se em novas células e gerando produtos finais que variam de acordo com o tipo de bactéria (KELLNER e PIRES, 1998).

Segundo Metcalf e Eddy (2003), os micro-organismos costumam oxidar a matéria orgânica carbonácea particulada e dissolvida em produtos finais simples e biomassa adicional, conforme a equação 3.1 representada.

→

(3.1)

O oxigênio, a amônia e o fosfato representam os nutrientes necessários para a conversão da matéria orgânica em produtos finais como dióxido de carbono e água, além de novas células que representa a biomassa produzida como resultado da oxidação da matéria orgânica. Devido a biomassa ter um peso específico maior que da água, a biomassa pode ser removida pelo líquido tratado por sedimentação por gravidade, não afetando a medida de DBO no efluente final (METCALF e EDDY, 2003).

Já para Gloyna (1971), as principais reações que podem ocorrer em um sistema de lagoas de estabilização aeróbio são descritas nas equações 3.2, 3.3, 3.4 e 3.5.

(3.2) (3.3)

(3.4) (3.5)

O oxigênio necessário para estabilizar a matéria orgânica no esgoto é fornecido por meio da fotossíntese, transferido através da interface ar-água, ou obtido a partir de compostos que contenham oxigênio tais como nitratos, fosfatos e sulfatos. O oxigênio tem de ser fornecido continuamente durante o processo aeróbio, por isso atua como receptor de hidrogênio final durante a oxidação da matéria orgânica e a reação cessa se ele não está disponível. Durante esta transferência de hidrogênio ocorre a liberação de energia (GLOYNA, 1971).

Em sistemas de água natural, a decomposição aeróbia é o principal meio da autopurificação. Devido à grande quantidade de energia libertada na oxidação aeróbia, a maioria dos organismos aeróbios atingem elevadas taxas de crescimento. Consequentemente, mais lodo biológico é gerado na oxidação aeróbia do que em outros sistemas de oxidação (DAVIS, 2010).

Como o processo aeróbio, o processo anaeróbio converte carbono, nitrogênio, fósforo e outros nutrientes para a formação de novas células. O oxigênio também é necessário para o processo anaeróbio, mas sua fonte é de compostos químicos, e não oxigênio dissolvido livre. Há sempre alguma atividade anaeróbica no lodo e sedimentos de fundo, mesmo em tanques projetados para operar em condições aeróbias. Em lagoas profundas, também, é provável que haja uma camada de líquido perto do fundo que sustenta organismos anaeróbios. As reações bioquímicas, que ocorrem na decomposição anaeróbia de esgoto, podem ser expressas pelas equações 3.6, 3.7, 3.8 e 3.9 (GLOYNA, 1971).

(3.6) (3.7) (3.8) (3.9)

Segundo Davis (2010), na decomposição anaeróbia, o oxigênio e o nitrato não devem estar presentes como receptores de elétrons. A decomposição anaeróbia (fermentação) da matéria orgânica é geralmente considerada como sendo um processo de três passos. No primeiro passo, os componentes de resíduos são hidrolisados. No segundo passo, os compostos orgânicos complexos são fermentados a ácidos voláteis, enquanto no terceiro passo, os ácidos orgânicos são convertidos em metano. A decomposição anaeróbica produz dióxido de carbono, metano, e água, como os produtos finais principais, incluindo amônia, sulfeto de hidrogênio, e mercaptanos. Como apenas pequenas quantidades de energia são liberadas durante a oxidação anaeróbia, a quantidade de produção de células é baixa, assim como a produção de lodo.

De acordo com Horan (1990), as reações que ocorrem no processo de tratamento de esgotos podem ser consideradas como uma mudança na concentração de uma substância ou organismo. Essas mudanças resultam de processos físicos, químicos e biológicos, e podem ser modeladas usando uma teoria simples de taxa de reação.

Segundo Von Sperling (1996), grande parte das reações que ocorrem no tratamento de esgotos são lentas e, frequentemente de ordem zero e de primeira ordem, ou seja, independente e diretamente proporcional à concentração do reagente, respectivamente. Há vários exemplos de reações que ocorrem segundo a cinética de primeira ordem: a introdução de oxigênio pela aeração artificial, a remoção da matéria orgânica, o decaimento de organismos patogênicos e a estabilização biológica da matéria orgânica.

O comportamento hidráulico de um reator do tipo de uma lagoa é denominado escoamento disperso ou não ideal de fluxo contínuo, sendo descrito como uma combinação das duas condições ideais possíveis: mistura completa e escoamento em pistão ou tubular. Em lagoas de mistura completa (Figura 3.2), as características do líquido contido na mesma são iguais em qualquer ponto (KELLNER e PIRES, 1998).

Figura 3.2: Esquema de reator de mistura completa. Fonte: Adaptado de Kellner e Pires (1998).

As condições hidráulicas e biológicas do processo de depuração das lagoas podem ser afetadas por fatores muitas vezes controláveis ou adaptáveis ao projeto, mas outros incontroláveis que devem ser considerados no projeto. A Tabela 3.4 mostra os fatores interferentes incontroláveis e controláveis nas lagoas (JORDÃO e PESSOA, 1975).

Numa estação de tratamento de esgotos, as características do afluente raramente permanecem constantes. A própria variação de vazão e concentração ao longo do dia é responsável pelo fato de que, na realidade o sistema opera sempre no estado dinâmico. Além disto, vários outros fatores podem contribuir para uma maior variabilidade, tais como vazão pluvial e descargas industriais. Uma estação de tratamento de esgotos deve estar apta a receber as sobrecargas que ocorrem rotineira ou frequentemente e boa parte das de ocorrência imprevista (VON SPERLING, 1996).

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Tabela 3.4: Fatores interferentes controláveis e incontroláveis no sistema de lagoas.

Fatores incontroláveis Fatores meteorológicos e hidrológicos Evaporação Precipitação

pluviométrica Temperatura Ventos Nuvens

Fatores relacionados à luz Radiação solar Características do esgoto a ser tratado

Tipo vazão afluente Concentração da carga orgânica Concentração de sólidos Concentração de nutrientes Substancias

com cor Toxidez pH Fatores controláveis Características do terreno Lençol subterrâneo Taxas de percolação do terreno Características do solo do local Características topográficas Custo da terra Fatores relacionados

aos corpos receptores Inundações

Localização dos cursos d’água Uso da água e capacidade de autodepuração do corpo receptor Fatores relacionados à saúde pública e às legislações específicas Legislação Existência de comunidades

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3.3. LAGOAS AERADAS SEGUIDAS DE LAGOAS DE