REVISTA DE BIOLOGIA E CIÊNCIAS DA TERRA ISSN 1519-5228
Suplemento Especial - Número 1 - 2º Semestre 2006
Tratamento de águas residuárias: uma proposta para a sustentabilidade ambiental
José Tavares de Sousa1; Israel Nunes Henrique2; Valderi Duarte Leite1; Wilton Silva Lopes3
RESUMO
Neste trabalho foi estudado o desempenho de quatro sistemas de pós-tratamento de esgoto sanitário, operados com efluente proveniente de reator UASB. O eixo norteador do trabalho esteve diretamente direcionado para avaliar a remoção de nutrientes, organismos patogênicos e material carbonáceo. O processo de monitoramento teve duração média de 12 meses e o objetivo principal era produzir efluente para aplicação em reúso irrestrito na irrigação. Foram investigados os parâmetros: pH, DQO, sólidos e suas frações, nitrogênio, fósforo, potássio, ovos de helmintos e indicadores de contaminação fecal. Os efluentes produzidos pelos sistemas: filtro anaeróbio, terras úmidas vegetadas e não vegetadas apresentaram nutrientes suficientes para a maioria das culturas cultivadas na região nordeste. No entanto, a concentração de coliformes termotolerantes manteve-se acima das recomendações da OMS para irrigação irrestrita. Apenas o sistema de lagoas de polimento produziu efluente com características dentro dos limites estabelecidos pela OMS.
Palavras-Chave: Reúso de água, pós-tratamento, águas residuárias.
ABSTRACT
The performance of four systems used for post treatment of the effluent from UASB reactor has been evaluated. The systems were investigated with respect to removal of nutrients, pathogens, as well as carbonaceous matter over 12 months. The main objective of the post treatment was to produce a final effluent for unrestricted irrigation reuse. The investigated parameters were pH, COD, solids, nitrogen, phosphorus, potassium, helminths eggs and thermo tolerant coliforms. The effluents from the anaerobic filter, constructed wetland and rock bed systems presented a macronutrient concentration high enough for the most cultures cultivated in the northeast region.
However, a thermo tolerant coliform concentration stayed above of the WHO recommendation for unrestricted irrigation. Only the effluents produced by polishing ponds were compatible with the WHO recommendation.
Key words: Water reuse, post treatment, wastewater
1 INTRODUÇÃO
A utilização de esgotos tratados na indústria e na agricultura com água de qualidade inferior já é uma realidade em muitos países, localizados nas regiões áridas e semi-áridas, a exemplo dos Estados da Califórnia, Arizona, Nevada e Colorado, nos Estados Unidos e em alguns países do Oriente Médio. Sabe-se ainda que essa prática também encontra lugar onde se buscam políticas de preservação de mananciais
de água para abastecimento humano a exemplo da Austrália, Japão, Grécia, Itália e Portugal (Silva e Hespanhol, 2002).
No Brasil, especificamente na região Nordeste, onde existe escassez de água e o período chuvoso dura, geralmente, cerca de três meses do ano, exige e necessita de técnicas de convivência com a seca, como, por exemplo, construção de barreiros, captação de água subterrânea, captação de água de chuva, barragem subterrânea e utilização de águas
residuárias. A ausência de políticas públicas eficientes e continuadas de gestão de recursos hídricos e de geração de empregos e renda entre outras vem consubstanciar a manutenção da pobreza na região Nordeste. A falta de água estimula o êxodo rural da população nordestina economicamente ativa e constitui uma das principais razões para que essa região seja considerada uma das mais pobres do país (Sousa et al., 2006).
Atualmente, o uso de esgotos tratados na agricultura cresceu consideravelmente, haja vista ser este uma fonte natural de fertilizante que garante uma boa produtividade das culturas irrigadas. Os esgotos domésticos contêm grande variedade de organismos patogênicos, os mais comuns são: bactérias, protozoários, vírus e helmintos (Metcalf & Eddy, 2003). Desta forma, o maior agravante na utilização de esgoto doméstico na agricultura tem sido o aspecto sanitário. Portanto, os esgotos precisam ser tratados e a qualidade sanitária depende do grau de tratamento.
Outra realidade é que, a maior parte dos municípios, sobretudo no Nordeste brasileiro, não trata seus esgotos que acabam sendo lançados nos corpos aquáticos situados próximos da zona urbana. Os horticultores e criadores assentados nas periferias das cidades, por sua vez, diante da escassez de água, findam utilizando águas poluídas e contaminadas, por serem de mais fácil acesso, para a irrigação de capim forrageira, hortas e fruteiras, cujos produtos são comercializados nas feiras livres, possibilitando a disseminação de doenças entéricas a seus consumidores (Henrique, 2006).
Uma forma inteligente de poupar água de melhor qualidade é justamente utilizar as residuárias. Portanto, este trabalho investiga o desempenho de sistemas de tratamento e pós- tratamento de esgotos sanitários. O uso de reator tipo UASB no tratamento de esgotos, já é uma realidade, no entanto, o efluente produzido por esse reator, do ponto de vista sanitário, exige um pós-tratamento. Assim sendo, a presente pesquisa investigou a utilização de filtro anaeróbio, de terras úmidas vegetadas e não vegetadas, lagoa de polimento no pós- tratamento de efluente anaeróbio com a finalidade de produzir águas residuárias tratadas com características químicas e sanitárias para irrigação irrestrita.
2 MATERIAL E MÉTODOS
O experimento foi construído, instalado e monitorado na Estação de Tratamento Biológico de Esgotos (EXTRABES) localizada em área pertencente à Companhia de Águas e Esgotos do Estado da Paraíba (CAGEPA), no município de Campina Grande – PB, com coordenadas geográficas de 07º 13’ S e 35º 52’
W e altitude de 550 m, onde está instalado o grupo de pesquisa do Programa de Saneamento Básico (PROSAB).
O sistema experimental de tratamento de esgotos domésticos foi constituído de um reator UASB de 5m3 construído de fibra de vidro, foi monitorado com Tempo de Detenção Hidráulica (TDH) de seis horas e produzia efluente para ser pós-tratado em quatro unidades diferentes: 1) filtro anaeróbio de chicanas com fluxo ascendente com capacidade para 1m3 construído de fibra de vidro que funcionou com TDH de 7 dias. 2) lagoa de polimento de 10 metros de comprimento e 1 de largura e 0,60 de profundidade monitorada com 7 dias de TDH.
3) terra úmida não vegetada, com área de 10m2 (1m de largura por 10 de comprimento), tinha como enchimento brita 19 com 49% de volume de vazios. 4) terra úmida vegetada, o sistema apresentava as mesmas características do anterior diferenciado apenas pelo povoamento de 15 propágulos por metro quadrado typha sp.
Foram realizadas análises semanais dos efluentes do reator UASB, do filtro anaeróbio de chicanas, da lagoa de polimento e das terras úmidas vegetadas e não vegetadas, verificando- se os parâmetros referentes à matéria orgânica, DQO, sólidos e suas frações, nitrogênio amoniacal e kjeldahl total, fósforo total e orto- fosfato e coliformes termotolerantes, todas as análises obedeceram às recomendações do Standard Methods for the Examination of Wastewater (APHA, 1995), enquanto que os ovos de helmintos foram determinados pelo método de Bailenger (WHO, 1989).
Os parâmetros obtidos foram tratados estatisticamente, estimando-se medidas de dispersão e de tendência central. Para tanto, foram aplicados procedimentos estatísticos de inferência com a análise de variância (ANOVA), com 5% de nível de significância.
3 RESULTADOS E DISCUSSÃO
A utilização de águas residuárias tratadas na agricultura fornece, ao solo e aos vegetais, água, nutrientes e matéria orgânica, que conservam o solo e agem como fertilizantes orgânicos. É também uma importante alternativa para a gestão dos recursos hídricos ao permitir a economia de água de boa qualidade para usos mais nobres e por atenuar a contaminação dos recursos hídricos.
A Tabela 1 apresenta os valores médios e desvio padrão dos principais parâmetros obtidos durante a operação dos sistemas de tratamento que foram monitorados durante doze meses. Observa-se que os efluentes produzidos nos sistemas de tratamento mantiveram grande quantidade de nutrientes, obviamente, é
fundamental para a fertirrigação que o efluente seja rico em nutrientes e mantenha boa qualidade sanitária.
A matéria orgânica quando estabilizada e na forma de húmus tem função importante na manutenção das propriedades física, química e biológica do solo. Neste trabalho a matéria orgânica foi expressa na forma de DQO.
Observa-se na Tabela 1 que o efluente da lagoa de polimento apresentou considerável teor de matéria orgânica (148 mgO2. L-1), enquanto os outros três mantiveram-se variando de 72 a 83 mgO2. L-1, a análise de variância testando os valores médios da DQO entre os três sistemas de pós-tratamento não detectou diferença significativa (p< 0,05) entre os três efluentes produzidos.
Tabela 1- Valores médios e desvio padrão dos principais parâmetros analisados do esgoto bruto e efluentes de diversos sistemas de pós-tratamento
EFLUENTE
PARÂMETROS EB UASB LP FA TUNV TUV
DQO (mg. L-1)
Desvio Padrão 780
150 220
75 148
78 75
15 83
42 72
38 NTK (mg. N-NK. L-1)
Desvio Padrão
59,0 8,8
52,5 7,9
13,0 8,0
33,0 10
38,0 3,5
30,0 4 N – amoniacal (mg N-NH4. L-1)
Desvio Padrão 42,0
8,9 45,0
8,8 8,0
7,5 26,0
12 36,0
9,0 21,0 5 Fósforo Total (mgP. L-1)
Desvio Padrão 7,0
1,6 6,9
1,1 3,6
1,2 4,2
1,8 5,3
0,6 3,5
2 Ortofosfato (mg P-PQ4-3. L-1)
Desvio Padrão
4,5 2,6
4,8 0,8
2,5 1,1
3,6 1,3
4,8 0,6
1,8 1,0 Potássio (mg k. L-1)
Desvio Padrão 25,0
1,1 24,0
1,1 26
1,5 24
1,0 25,0
1,2 23
1,5 S S (mg SS. L-1)
Desvio Padrão 280
60 85
35 28
15 18
3 15
3 16
2 S S V (mg SSVL-1)
Desvio Padrão 210
50 70
33 32
19 10
2 11
2 10
2 CE 25oc (ds. m-1)
Desvio Padrão 1,29
0,11 1,42
0,20 1,30
0,18 1,3
0,19 1,32
0,17 1,20 0,6 pH: Média
Máxima Mínima
6,9 7,3 6,6
7,2 7,9 6,9
8,9 9,8 8,4
7,8 8,5 7,6
7,3 7,8 6,9
7,2 7,7 6,7 EB: Esgoto Bruto; UASB: reator anaeróbio de manta de lodo; LP: Lagoa de Polimento; FA: Filtro anaeróbio; TUNV:
Terras úmidas não vegetadas e TUV: Terras úmidas vegetadas.
Remoção de nutrientes
Para o desenvolvimento da planta, são necessários elementos como C, H, O e outros denominados de nutrientes. Os nutrientes necessários em maiores quantidades representam os macronutrientes, N, P, K, Ca,
Mg e S, e os nutrientes necessários em quantidades menores constituem os micronutrientes, entre eles, B, Cl, Cu, Fe, Mn, Mo, Zn, Ni, Co e Se. Todos os elementos essenciais devem estar presentes para que a planta alcance seu ciclo biológico normal. Um solo é considerado fértil quando apresenta
condições de oferecer todos os nutrientes em quantidades e proporções adequadas às necessidades da planta, sem que ocorra, no entanto, dificuldade de circulação de água ou de ar, além de outros fatores físico, químico ou biológico que venha prejudicar o desenvolvimento da planta (Brady, 1989).
A Figura 1 apresenta os valores médios das concentrações das formas de nitrogênio presentes no esgoto bruto, no efluente do reator UASB, e nos quatro efluentes submetidos ao pós-tratamento. De acordo com a Figura 1, observa-se que os valores médios da concentração do nitrogênio amoniacal, foram elevados 21 a 33 mg N-NH4.L-1 nos três efluentes: filtro anaeróbio, terras úmidas vegetadas e não vegetadas não mostraram diferenças significativas (p>0,05) entre eles, durante o período de monitoramento. Esta evidência deixa claro que os três sistemas de pós-tratamento, que funcionaram predominantemente de forma anaeróbia, são
sistemas propícios para produzir efluente destinado à fertirrigação, além de manter alta concentração de nutrientes, a própria configuração dos reatores evitam a perda por evaporação, primeiro por manter a água submersa, segundo por ter um TDH curto de apenas 7 dias.
Por outro lado, a lagoa de polimento operada com 15 dias de TDH produziu efluente com concentração média de nitrogênio de 8 mg N-NH4 . L-1, pois, devido ao intenso processo fotossintético das algas o pH aumentou, mantendo-se na média de 8,9, conforme Tabela 1. Essas condições operacionais promoveram a perda de nitrogênio para a atmosfera, devido à dessorção do gás amoníaco e à precipitação de fósforo na forma de sais insolúveis a exemplo de hidroapatita, vivianita e estruvita. Assim sendo, do ponto de vista de nutrientes, a utilização de lagoa de polimento rasa, não é a melhor alternativa para produção de efluentes para reúso.
0 10 20 30 40 50 60
Concentrações (mg.L-1)
EB UASB LP FA TUNV TUV
Efluentes NTK
N – amoniacal
Figura 1: Concentração de N-NTK e N-amoniacal, durante um ano de operarão.
Na Figura 2 está representado o comportamento da concentração de fósforo total (mg P.L-1) e ortofosfato (P-PO-43.L-1) durante o período experimental do sistema de tratamento.
Nos processos vitais das plantas, a maioria das transformações energéticas é realizada graças à
presença do fósforo. Este nutriente é rapidamente mobilizado no sistema vegetal.
Portanto, é fundamental determinar-se a dose de nutrientes levando-se em conta a absorção dos mesmos pela cultura durante o ciclo vegetativo.
A manutenção do pH próximo à neutralidade e o solo arejado a constante incorporação de matéria orgânica permitem a humificação, mantém o tamponamento do meio favorecendo a disponibilidade do fósforo na planta. Portanto, a aplicação de efluente adequadamente tratado com nutrientes e matéria orgânica durante todo o ciclo da planta é uma prática sustentável de convivência com o semi- árido (Sousa et al., 2005).
Observa-se na Figura 2 que a menor concentração de fósforo ocorreu no efluente
produzido na lagoa de polimento. Os fatores ambientais no semi-árido favorecem um intenso processo de fotossíntese pelas algas presentes na lagoa rasa de polimento, assim sendo, ocorre um alto consumo de CO2, consequentemente tem-se uma elevação no pH do meio, maior que 8,5, promovem a dessorção do gás amoníaco e a precipitação de fósforo na forma de sais insolúveis a exemplo de hidroapatita, vivianita e estruvita.
0 1 2 3 4 5 6 7
Concentrações (mg.L-1)
EB UASB LP FA TUNV TUV
Efluentes Fósforo Total Ortofosfato
Figura 2: Concentração de fósforo total e orto-fosfato, durante um ano de operarão.
Organismos patogênicos
O volume de esgotos produzidos pelas populações urbanas é significativo e diante da real escassez de água, o tratamento dos esgotos para fins agrícolas, pode significar uma saída sustentável. No entanto, o efluente para reúso exige um nível de tratamento bastante apurado, garantindo assim, uma boa qualidade sanitária.
Nesse aspecto, a Tabela 2 apresenta os valores médios dos exames realizados no esgoto bruto e nos efluentes estudados durante todo período de operação dos sistemas.
Diante da complexibilidade para determinar todos os tipos de organismos patogênicos presentes nos esgotos domésticos,
foram adotados dois indicadores de qualidade sanitária: 1) coliformes termotolerantes expresso em Número Mais Prováveis ou Unidade Formadora de Colônias por 100mL da amostra, para indicar contaminação fecal; 2) ovos de helmintos, expresso em número de ovos por litro da amostra. A escolha destes indicadores deve-se ao fato de que estes apresentam uma boa correlação de sobrevivência em sistemas de tratamento como às bactérias enteropatogênicas (Cavalcanti et al., 2001; Henrique, 2006).
Observa-se, conforme a Tabela 2 que efluente do reator UASB apresenta-se inadequado para a irrigação devido a suas altas concentrações de coliformes termotolerantes e
ovos de helmintos. Efluentes com estas qualidades evidenciam enormes riscos de transmissão de ascaridíase e tricuríase, tanto para aos agricultores que utilizam a água na irrigação, quanto para os consumidores dos produtos irrigados.
Com relação os efluentes oriundos do pós-tratamento, durante o monitoramento, não apresentaram ovos de Ascaris, Trichuris, Necator e Ancylostoma. Estes parasitas investigados são de grande importância para a saúde pública, pois têm severos efeitos epidemiológicos e clínicos. Segundo a WHO (1989), a ausência destes parasitas evidenciam a isenção dos organismos sedimentáveis tais como: cistos de protozoários a exemplo de Entamoeba, Giárdia e Cryptosporídium.
Mesmo assim, apesar deste fato, já ter se
propagado por cerca de 18 anos na literatura internacional, atualmente, existe por parte de estudiosos do assunto, uma forte discordância (Von Sperling, 2003).
Na remoção de ovos de helmintos em lagoa de estabilização, a Organização Mundial de Saúde recomenda um tempo de detenção hidráulica de 8 a 10 dias para que o efluente mantenha as diretrizes para irrigação irrestrita.
No entanto, os efluentes provenientes de filtro anaeróbio, terras úmidas vegetadas e não vegetadas, conforme Tabela 2, atenderam as exigências da WHO (1989), trabalhando com 7 dias de tempo de detenção hidráulica.
Provavelmente, a presença do material suporte no filtro anaeróbio e o substrato nas terras úmidas construídas favoreça a sedimentação dos organismos parasitas.
Tabela 2- Valores Médios, Máximo e Mínimo e Medidas de Tendência Central das Análises de Coliformes Termotolerantes e Ovos de Helminto
EFLUENTE Coliformes Termotolerantes
UFC. 100 mL-1 EB UASB LP FA TUNV TUV
Média Geométrica Mediana
Máximo Mínimo
3,1x107 4,1x107 8,2x107 8,9x106
8,5x106 8,8x106 1,9x107 8,9x105
980 800 1,0x103
1x102
3,2x103 1,5x103 4,1x104 1,0x103
1,8x103 1,4x103 8,3x103 3,1x102
1,4x103 1,1x103 1,0x104 3x102 Ovos de Helmintos
(Ovos. L-1) Média Aritmética Mediana
Máximo Mínimo
215 240 345 30
45 54 95 10
ND ND ND ND
ND ND ND ND
DN ND ND ND
ND ND ND ND EB: Esgoto Bruto; UASB: reator anaeróbio de manta de lodo; LP: Lagoa de Polimento; FA: Filtro anaeróbio; TUNV:
Terras úmidas não vegetadas; TUV: Terras úmidas vegetadas.
Desta forma, grandes quantidades de ovos de helmintos são removidas por sedimentação. As velocidades de sedimentação medidas para os ovos de Ascaris e os cistos de Giardia são de 65 cm.h-1 (Shuval et al., 1986) e 1 cm.h-1, respectivamente. Entretanto, nesta pesquisa, observou-se uma maior concentração de cistos de protozoários no Reator UASB do que no Esgoto Bruto pela metodologia de Ritchie modificado. Este fato provavelmente, deve-se a ressuspensão eventual do lodo do reator UASB, ou mesmo pela melhor visualização microscópica durante a contagem e verificação dos cistos, já que o efluente
anaeróbio se mantém menos turvo que o esgoto bruto (Figueiredo et al., 2005).
4 CONCLUSÕES
O pós-tratamento de efluente de reator UASB em lagoa rasa de polimento com TDH de 15 dias, produz efluente de excelente qualidade sanitária para fertirrigação, coliformes termotolerantes inferior a 1000 UFC.mL-1 da amostra e ausência de ovos de helmintos, no entanto, devido aos altos valores de pH, que variou de 8,4 a 9,8; ocorreu uma considerável remoção de fósforo e nitrogênio,
disponibilizando menos nutrientes para irrigação.
Durante o período experimental a eficiência de remoção de material carbonáceo expresso em DQO nos três sistemas foi considerável, não se observando diferenças significativas (p> 0,05) entre os efluentes do filtro anaeróbio, terras úmidas vegetadas e terras úmidas não vegetadas.
Os efluentes produzidos pelos sistemas: filtro anaeróbio, terras úmidas vegetadas e não vegetadas apresentaram nutrientes suficientes para a maioria das culturas cultivadas na região nordeste. No entanto, a concentração de coliformes termotolerantes manteve-se acima das recomendações da OMS para irrigação irrestrita.
AGRADECIMENTOS
Os autores agradecem ao CNPq, à Companhia de Águas e Esgotos do Estado da Paraíba - CAGEPA e ao Programa de pesquisa em saneamento básico – PROSAB e a Estação de Tratamento Biológico de Esgotos (EXTRABES) e ao CT-HIDRO/CNPq.
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[1] Mestre em recursos hídricos (UFPB), Doutor (USP), e professor titular da UEPB
[2] Mestre em Desenvolvimento e Meio Ambiente e Doutorando em Recursos Naturais, UFCG
[3]Mestre em Desenvolvimento e Meio Ambiente e Doutor em Química, UFPB.
