AVALIAÇÃO DO POTENCIAL DE
NITRIFICAÇÃO/DENITRIFICAÇÃO DE SOLO ARENOSO
ALTAMENTE PERMEÁVEL TRATANDO ESGOTO SANITÁRIO
Márcia Regina Pereira Lima(1)
Engenheira civil - Universidade Federal do Espírito Santo - UFES (1989); Pós graduada em Saneamento - CEFET-MG (1995); M. Sc. em Ciência em Engenharia Ambiental - UFES (1996); Professora da Escola Técnica Federal do Espírito Santo (desde 1992).
Ricardo Franci Gonçalves
Engenheiro civil e sanitarista / UERJ (1984); Pós-graduado em Engenharia de Saúde Pública - ENSP - RJ (1985); D.E.A. Engenharia Ambiental, Univ. Paris XII - França (1990); Doutor em Engenharia do Tratamento de Água
(1993), INSA de Toulose, França; Professor adjunto 1 - Departamento de Hidráulica e Saneamento - DHS/ Universidade Federal do Espírito Santo - UFES e professor do Mestrado em Engenharia Ambiental - UFES.
Endereço(1): Av. Vitória, 1734 - Jucutuquara - Vitória - ES - CEP: 29.040-333 - Brasil - Tel:
(027) 331-2181 - Fax: (027) 331-2222 - e-mail: marcialima@etfes.br.
RESUMO
Este trabalho objetivou avaliar a eficiência do processo de Infiltração Rápida (IR) na remoção de nitrogênio. O solo utilizado apresenta condutividade hidráulica acima dos valores recomendados para este processo (62,6 cm/h). O desempenho do processo foi estudado em escala de laboratório durante 149 dias. Foram adotadas condições operacionais específicas para promover a nitrificação e a nitrificação/denitrificação. A nitrificação teve inicio já no reator com 40 cm de leito filtrante (eficiência de remoção de NTK ~ 62% ), produzindo efluente com concentrações médias de 3,8 mgN -NO2-/l e 2,5 mgN -NO3-/l. Nos reatores mais profundos, a nitrificação foi mais intensa e o efluente tratado apresentou concentrações médias de NTK < 4 mg/l e N-NO3- ? 25 mg/l. Os desempenhos da denitrificação foram medíocres, com os melhores resultados obtidos no reator com 40 cm de profundidade de leito filtrante. Efluentes rigorosamente mineralizados, atendendo padrões de qualidade para tratamento secundário com SS < 30mg/l e DQO < 90 mg O2/l, foram obtidos em profundidades superiores a 160 cm. A remoção de coliformes alcançou no melhor dos casos 69% (reator E). Gráficos apresentando variações temporais de vazões e dos parâmetros inferenciais de qualidade a cada carga de esgoto são apresentados.
PALAVRAS-CHAVE: Infiltração Rápido, Esgoto Sanitário, Nitrificação, Denitrificação, Monitoramento
INTRODUÇÃO
A degradação da qualidade de alguns cursos d’água superficiais, observada em vários países europeus e na América do Norte nos anos 70, despertou um interesse crescente sobre o controle do processo de eutrofização.
Padrões de qualidade de efluentes cada vez mais rigorosos alavancaram uma grande demanda de tecnologias capazes de remover nitrogênio e fósforo de esgoto sanitário da forma mais econômica possível. No entanto redução dos teores de nitrogênio e fósforo em esgotos permanece até hoje como um objetivo de qualidade dificilmente acessível às tecnologias mais simples de depuração.
Dentre os processos de tratamento simplificados, as lagoas de estabilização facultativas destacam-se como os mais utilizados no Brasil, devido principalmente às condições climáticas favoráveis e pelos baixos custos de implantação e operação. Entretanto, as eficiências de remoção de nitrogênio e de fósforo dificilmente superam 40% neste tipo de processo. Processos de tratamento de esgotos no solo constituem-se numa solução extremamente simplificada, embora de utilização restrita até o presente momento no Brasil (Gehling, 1985). Apesar da considerável demanda de área para implantação, ETEs baseadas neste tipo de tratamento natural são capazes de produzir efluentes de excelente qualidade, apresentando baixos custos de operação e manutenção (EPA, 1992), adequando-se às necessidades de países em desenvolvimento como o Brasil.
Este trabalho descreve uma pesquisa sobre a remoção de nitrogênio de esgoto doméstico, através do processo IR em leitos de areia quartzosa da região litorânea do Estado do Espírito Santo, especificamente Vitória - Brasil. A região é caracterizada por uma topografia predominantemente plana, ocupada por comunidades de pequeno e médio porte, possuindo fartura de áreas livres e solo arenoso em abundância. Sendo alvo de importante fluxo turístico nos meses quentes do ano, esta região é rica em ecossistemas lagunares e estuarinos (manguezais) extremamente sensíveis aos problemas de eutrofização. Este conjunto de características despertam o interesse pela utilização do processo de infiltração rápida no estado. Os objetivos específicos desta pesquisa foram (i)Avaliar a eficiência do ciclo operacional proposto pelo EPA (1984) para nitrificação/denitrificação em processo de infiltração rápida, (ii)Conhecer a resposta em tempo real do processo após uma carga de esgoto, através parâmetros inferenciais de qualidade do efluente(pH, potencial de oxido-redução, OD e turbidez).
MATERIAL E MÉTODOS
A parte experimental da pesquisa foi desenvolvida na Estação de Tratamento de Esgotos (ETE) - Camburi - Vitória - ES - Brasil, operada pela Companhia Espírito Santense de Saneamento (CESAN).
Aparato experimental - O aparato experimental foi constituído por cinco reatores construídos com tubos de PVC de 150 mm diâmetro de alturas de leito filtrante de 40, 80, 120, 160, 200 centímetros, preenchidos com areia quartzosa do litoral do estado (Figura 1, tabela 1). As
características principais da areia estão apresentadas no tabela 2 e compreendem diâmetro efetivo (De) 0,22 mm, coeficiente de uniformidade (Cu) 2,68, condutividade hidráulica (labor.) 1,74x10-2 cm/seg (62,64 cm/h), porosidade 42%.
Figura 1 - Esquema dos reatores.
Nota : cotas em cm
Tabela 1 - Características geométricas dos reatores.
Tabela 2 - Principais
características da areia utilizada no preenchimento dos reatores.
Característica Retores Características do leito
geométrica A B C D E filtrante
Diâmetro (m) 0,15 0,15 0,15 0,15 0,15 Diâm. efetivo (De) = 0,22 mm Área superficial (x 10-3 m2) 17,7 17,7 17,7 17,7 17,7 Coef. uniform. (Cu) = 2,68
Leito de areia (cm) 40 80 120 160 200 Cond. hidrául. (lab) = 1,74x10-2 cm/seg
Leito de pedra (cm) 15 15 15 15 15 62,64 cm/h
Vol. leito de areia Porosidade (lab) = 42%
(x 10 -3 m3) 7,07 14 21 28 35
Procedimento operacional - A alimentação dos reatores foi realizada com esgoto doméstico, coletado diretamente após as etapas de gradeamento médio e desarenação da ETE - Camburi - Vitória - ES. Antes de cada carga nos reatores, uma quantidade de esgoto era coletada e submetida a uma decantação quiescente durante 45 minutos.
A pesquisa foi realizada em duas etapas distintas. A primeira etapa utilizou-se de um ciclo operacional proposto pela EPA (1984) para realização da nitrificação. Este ciclo constitui-se de dois dias consecutivos de carga de esgoto e cinco dias de repouso (Figura 2). Na etapa 2 o ciclo operacional adotado foi de dois dias consecutivos de carga de esgoto e o período de repouso extendeu-se para doze dias, para garantir a nitrificação/denitrificação. A carga hidráulica de esgoto aplicada nos dois ciclos foi de 18 cm/dia (36 cm/ciclo) em cada reator durante cada etapa. A distribuíção da carga nos reatores foi realizada com um tempo de duração de 9 minutos cada, através do controle da vazão de entrada. Os resultados apresentados neste trabalho foram obtidos num período de testes de 63 dias para a etapa 1 e 86 dias para a etapa 2, totalizando 149 dias de monitoramento.
Esgoto decantado RA RB RC RD RE Saída do efluente tratado Coletores de amostra composta Leito de areia Leito de pedra 40 80 120 160 200
Figura 2- Esquema do ciclo operacional adotado na etapa 1.
Ciclo operacional para nitrificação
1
Dias 2 3 4 5 6 7
R e p o u s o 18 cm
18 cm
O desempenho do processo foi avaliado através de amostras compostas caracterizada por todo o volume de efluente percolado em cada reator, conforme recomendação de Lima et al. (1995). O monitoramento contínuo no tempo foi realizado através de parâmetros inferencias como pH, potencial de oxido-redução, OD e turbidez. Foram obtidos gráficos da variação da vazão em função do tempo na saída dos 5 reatores.
As análises laboratoriais foram realizadas de acordo com os métodos descritos no Standard Methods for the Examination of Water and Wastewater. Os principais parâmetros de monitoramento foram: SS, DQO, DBO5, NTK, N-NH4+, N-NO2-, N-NO3-, alcalinidade total, fósforo total e coliforme fecal.
RESULTADOS E DISCUSSÃO Eficiências Globais
As características médias do esgoto decantado e dos efluentes dos 5 reatores, relativos à etapa 2 da pesquisa, encontram-se resumidas na tabela 3. Estes resultados são similares aos obtidos na etapa 1.
Tabela 3 - Média, desvio padrão e eficiência na remoção das concentrações dos parâmetros analisados no esgoto decantado e nos efluentes dos reatores durante a etapa 2.
Parâmetro Unid. Esgoto Reator
decant. A B C D E
SS mg/l Média ??2 162?
54,1
71 ? 51,8 58 ? 20,5 48 ? 12,5 32 ? 11,7 20 ? 10,1
Ef. rem. (%) - 56 64 70 80 88
DQO mgO2/l Média ?? 2 473? 88,1 210 ? 55,8 129 ? 22,3 127 ? 17,8 97 ? 19,8 71 ? 10,7 Ef. rem. (%) - 56 73 73 79 85 NTK mg/l Média ??2 48 ? 9,8 18 ? 4,2 9 ? 3,1 5 ? 1,2 4 ? 1,3 2 ? 0,6 Ef. rem. (%) - 63 81 90 92 96 N-NO2- mg/l Média ??2 - 3,8 ? 3,4 4,8 ? 2,9 3,2 ? 2,0 0,9 ? 0,9 0,5 ? 0,4 N-NO3- mg/l Média ??2 - 2,5 ? 1,9 21,9 ? 6,2 24,8 ? 7,4 34,1? 10,4 38,4 ?11,1 Pt mg/l Média ??2 7,4 ? 1,2 4,3 ? 0,5 3,7 ? 0,6 3,0 ? 0,6 2,0 ? 0,4 1,5 ? 0,4 Ef. rem. (%) - 42 50 59 73 80 Coliforme N.M.P. Média??2(x106) 85 ? 76 - - - 49 ? 81 26 ? 26
(i) Matéria orgânica e SS - A redução dos teores de matéria orgânica sob a forma particulada concentra-se nas primeiras camadas do leito filtrante. As características médias do efluente
tratado do reator A foram de 71 mg/l de SS e 210 mgO2/l de DQO, correspondendo a
eficiências médias de remoção de 56% para os dois parâmetros. As concentrações médias obtidas nos efluentes dos reatores B (80 cm) e C (120 cm) nas duas etapas indicam uma mineralização apenas parcial do esgoto. Efluentes rigorosamente mineralizados, atendendo padrões de qualidade para tratamento secundário com SS < 30mg/l e DQO < 90 mg O2/l, podem ser obtidos através das condições operacionais em profundidades superiores a 160 cm. (ii) Nitrogênio - Os resultados mostram que a nitrificação foi bastante intensa nas duas etapas, principalmente nos reatores com profundidades maiores de leito filtrante. Uma substancial nitrificação foi observada a partir do reator A (40 cm), onde a eficiência de remoção de NTK foi de 63%. Este desempenho é atribuído aos longos períodos de repouso, quando o tempo de contato da fração da fase líquida retida com a biomassa é suficientemente longo para propiciar a oxidação da matéria orgânica e em seguida o início da nitrificação.
Efluentes com elevados níveis de mineralização foram obtidos nos reatores com profundidades igual ou superiores a 120 cm nas duas etapas, onde a eficiência média de nitrificação superou 90% e as concentrações de N-NO3- foram superiores a 24 mg/l na etapa 2. As elevadas concentrações de nitrato obtidas no efluente tratado dos reatores B, C, D e E, indicam que praticamente não houve incremento no desempenho da denitrificação com a estratégia operacional proposta pelo EPA (1984) para este fim. Lima et al (1996-b), comprovaram através de um balanço de massa, que a remoção de N foi melhor no reator com 40 cm de leito filtrante (reator A). A eficiência atingida foi de 49%, atribuindo 39% a denitrificação.
A figura 3 apresenta uma comparação entre as quantidades relativas das diferentes formas de nitrigênio no efluente dos 5 reatores nas duas etapas. Para uma melhor representação, as concentrações nos efluentes tratados foram divididas pela concentração de NTK no esgoto decantado.
Figura 3 - Variação de N -NOx/NTKe a diferentes profundidades de leito de areia durante as etapas 1 e 2. 0 , 0 0 0 , 1 0 0 , 2 0 0 , 3 0 0 , 4 0 0 , 5 0 0 , 6 0 0 , 7 0 0 , 8 0 0 , 9 0 1 , 0 0 0 4 0 8 0 1 2 0 1 6 0 2 0 0 2 4 0 P r o f . ( c m ) N-NOx/NTKe e t a p a 1 e t a p a 2
As relações N-NOx / NTKe são bastante próximas nas duas etapas, indicando uma intensa nitrificação nos reatores mais profundos (> 1,20 m) (Figura 3). Teores de nitrogênio oxidado perfazendo de 75 a 80% do nitrogênio total no esgoto decantado foram observados nos efluentes dos reatores D e E. Estas porcentagens elevadas de N oxidado já denotam a pequena atividade de denitrificação nestes reatores. O processo apresentou uma reduzidíssima capacidade de remoção de N nas condições operacionais testadas, apesar da excelente performance de nitrificação constatada durante as etapas 1 e 2 da pesquisa.
(iii) Coliforme fecal - A remoção de bactérias patogênicas nos processos de infiltração rápida tem como principais mecanismos intervenientes a filtração mecânica, a velocidade de percolação no leito filtrante e a adsorção. A grande porosidade da areia utilizada nesta pesquisa determina uma capacidade de filtração relativamente baixa, enquanto que a elevada permeabilidade gera altas velocidades de escoamento do esgoto através do meio granular. Estes dois fatores estão na origem das reduzidas eficiências de desinfecção do processo obtidas neste estudo, que apresentou no melhor dos casos, eficiência de remoção de 69% (reator E), contrastando com resultados obtidos por Gehling (1985) e Sampaio (1994).
(iv) Fósforo - Com relação ao fósforo, os principais mecanismos de remoção neste tipo de processo são a adsorção e a precipitação química (Tchobanoglous, 1991). A remoção observada ocorreu principalmente devido a assimilação por crescimento bacteriano. Durante o monitoramento nas duas etapas foi observada uma tendência de saturação no tempo da capacidade de adsorção do solo. Apesar da média alcançada no reator E (200 cm) ter sido inferior a 2 mgPt/l na etapa 2, no final dos testes todos os reatores apresentaram concentrações acima do limite de referência. A análise quanto a composição química do solo apresentou baixas concentrações de potássio, magnésio e cálcio que justificam a pequena remoção de fósforo.
Monitoramento Contínuo
Aspecto quantitativo - A variação da vazão em função do tempo [Q,t] (hidrogramas) na saída de cada reator mostrou que os picos de vazão máxima ocorrem mais tardes e com pequena intensidade nos reatores com maior profundidade de leito filtrante (figura 4). Para os reatores A (40 cm), B (80 cm) e C (120 cm), as vazões máximas aconteceram rapidamente após o início do lançamento do esgoto nos reatores. No reator A, Qmáx = 10 ml/s foi observada após 220 segundos do início do lançamento do esgoto, enquanto que no reator B após 370 segundos a vazão máxima foi de 7,5 ml/s. No reator C, o tempo necessário foi de 580 segundos para obtenção de uma vazão máxima de 5,2 ml/s. Nos reatores D (160 cm) e E (200 cm) as vazões máximas observadas foram de 2,5 ml/s e 2,3 ml/s, com tempos de 1000 segundos e 1200 segundos, respectivamente.
Outro importante aspecto referente ao escoamento hidráulico, influindo diretamente na qualidade do efluente produzido, é a retenção de consideráveis frações do volume de esgoto aplicado no leito granular. Este fenômeno pode ser visualizado através da figura 5, que apresenta a variação do volume escoado em função do tempo decorrido após a carga com esgoto. Para efeito de comparação dos diversos testes, os volumes recuperados foram
divididos pelo volume de esgoto inicialmente aplicado em cada reator (V/V0). Considerando-se as tendências das curvas em questão num intervalo de tempo longo (t > 4000 s), observa-se que esta retenção é diretamente proporcional à profundidade do leito de areia. No reator mais raso (reator A), praticamente 90% do volume de esgoto aplicado já havia escoado após 1500 segundos.
No reator mais profundo(reator E), com 200 cm de leito de areia, o volume escoado num intervalo de tempo infinito tende para aproximadamente 55% do volume inicialmente aplicado.
Figura 4 - Hidrograma de vazão - Saída do efluente tratado dos 5 reatores.
Figura 5 - Variação do volume de esgoto recuperado em função do tempo para os cinco reatores. 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 tempo (s) Q (ml/s)
Reator A Reator B Reator C Reator D Reator E
0,00 0,10 0,20 0,30 0,40 0,50 0,60 0,70 0,80 0,90 0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 tempo(s) Vacum/Vo RA RB RC RD RE
Esta retenção de esgoto no meio granular praticamente estabelece dois regimes de escoamento distintos. Um, relativo à fração que escoa, podendo ser considerado contínuo nos momentos que se sucedem à carga de esgoto. Nestes casos, o esgoto escoado possui tempos médios de retenção no volume reacional relativamente pequenos. Outro, correspondente à fração retida, caracteriza um regime do tipo batelada. Os tempos de contato nestes casos são bastante longos, correspondendo ao intervalo entre uma carga de esgoto e a carga subsequente (neste estudo: no mínimo 24 horas e no máximo 12 dias).
Como resultado destes comportamentos hidráulicos distintos são apresentados efluentes de qualidades extremamente diferentes. A fração de esgoto que escoa apresenta níveis de mineralização bastante inferiores aos da fração retida. As características médias do efluente tratado, avaliada através de uma amostra composta do efluente escoado durante uma carga, corresponde à média ponderada do volume escoada durante a carga realizada naquele momento e a fração de esgoto retida por ocasião da carga precedente. Este aspecto é discutido mais detalhadamente nos parágrafos a seguir, com base nos parâmetros inferenciais de monitoramento contínuo.
Aspecto qualitativo - A variação temporal dos diferentes parâmetros inferenciais nos efluentes dos cinco reatores é apresentada nas figuras 6, 7, 8 e 9. O pH e o potencial redox são indicadores das concentrações das diferentes formas de nitrogênio no efluente, enquanto que a turbidez e o oxigênio dissolvido indicam o grau de mineralização.
Figura 6 - Variação no tempo do potencial redox no efluente tratado dos cinco reatores.
Figura 7 - Variação no tempo do pH no efluente tratado dos cinco reatores.
100 125 150 175 200 225 250 275 300 0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 tempo (seg) EH (mV; Ag+/AgCl) RA RB RC RD RE 4 4,5 5 5,5 6 6,5 7 7,5 0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 tempo (s) pH RA RB RC RD RE
Figura 8 - Variação no tempo do OD no efluente tratado dos cinco reatores.
Figura 9 - Variação no tempo da turbidez no efluente tratado dos cinco reatores.
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 tempo(s) OD(mgO2/l) RA RB RC RD RE 0 10 20 30 40 50 60 0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 tempo(s) Turbidez(NTU) RA RB RC RD RE
A variação temporal de todos os parâmetros foi bastante intensa nos reatores mais rasos. Em todos os reatores com menos de 1,60 m de leito de areia, o início da degradação da qualidade do efluente tratado coincide com o pic o de vazão máxima (Figura 4). Atribui-se este comportamento à rápida expulsão do volume aprisionado no ciclo precedente, registrando-se neste curto intervalo de tempo parâmetros de qualidade característicos de efluentes bem mineralizados.
No reator A, a rápida queda do potencial redox para valores inferiores a 150 mV denotam o ambiente medianamente redutor que se instala no meio granular, suficiente para assegurar o início da atividade de denitrificação (Heduit et al, 1988). Os valores de pH reforçam esta observação, haja visto que o seu incremento de 6,2 para 6,85 no intervalo de medidas pode significar uma restituição da alcalinidade pela atividade das bactérias denitrificadoras. A queda do valor máximo de turbidez de 42 NTU para aproximadamente 32 NTU ilustra o consumo de matéria orgânica nestas camadas iniciais do leito de areia. Esta oxidação da matéria orgânica ocorre tanto pela via aeróbia, uma vez que os teores de OD variam de 6,0 a 4,2 mg O2/l, quanto pela via anóxica, devido à presença significativa de íons nitratos na fase líquida do reator. Este foi o único dentre os 5 reatores estudados a apresentar tal comportamento.
As variações temporais dos diversos parâmetros nos efluentes dos reatores B e C foram semelhantes, apesar da qualidade superior do efluente produzido neste último reator. Os valores de redox, pH e OD indicam um meio potencialmente nitrificador, sem indícios de atividade de denitrificação. Estas observações confirmam os valores médios de NTK e N -NOx registrados nos efluentes tratados destes reatores. Por outro lado, observou-se que as variações temporais dos diversos parâmetros nos reatores mais profundos foi bem menos intensa do que as detectadas nos reatores com leitos de areia menores. Os valores de potencial redox superiores a + 250 mV indicam uma intensa atividade de nitrificação nos reatores D e E, com variação temporal bastante pequena durante os escoamentos. Os valores de pH nestes reatores situaram-se quase que exclusivamente abaixo de 5,5, fruto do elevado consumo de alcalin idade durante a nitrificação intensiva.
Nos reatores D e E, onde a nitrificação foi mais intensa, os valores de pH foram sempre baixos devido a um maior consumo da alcalinidade. Esta observação confirma os resultados médios apresentados anteriormente, indicando que a percentagem de N-NOx no efluente tratado atinge valores acima de 75% do N total afluente. As concentrações de OD entre 4,5 e 6,0 mg/l nos efluentes dos reatores D e E atestam as condições rigorosamente aeróbias no meio granular, garantia de uma nitrificação não limitada pela deficiência do aceptor de elétrons. Os valores de turbidez sempre inferiores a 30 NTU confirmam o elevado nível de clarificação e de mineralização destes efluentes, reforçando os resultados médios.
CONCLUSÃO
A aplicação do processo de IR se torna desaconselhável em regiões sensíveis à eutrofização, haja visto que, para as condições operacionais adotadas e devido as características do leito filtrante, as eficiências na remoção de N e P não foram satisfatórias. Apesar do efluente se mostrar bastante mineralizado nos reatores com profundidades > 120 cm, as concentrações elevadas de nitrato tornam inadequada a utilização do processo na recarga de aquíferos para o abastecimento humano. Conclui-se que, nas condições operacionais testadas, o processo de infiltração rápida pode ser utilizado em regiões litorâneas onde o lençol não é utilizado para o abastecimento humano, fazendo apenas uma ressalva para a questão de coliformes no tocante à balneabilidade.
AGRADECIMENTOS
Os autores agradecem à CESAN (Companhia Espírito Santense de Saneamento) pela colaboração na realização das análises laboratoriais e concessão do local para operacionalizar a unidade piloto.
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