outubro de 2013
Universidade do Minho
Escola de Engenharia
Paula Cristina Cunha Assunção
Controlo Analítico da ETAR de
Serzedo e Avaliação do Desempenho
da Instalação
UMinho|20
13
P
aula Cristina Cunha Assunção
Controlo Analítico da ET
AR de Serzedo e
Av
aliação do Desempenho da Ins
Dissertação de Mestrado
Mestrado Integrado em Engenharia Biológica
Trabalho realizado sob a orientação da
Professora Doutora Madalena Alves
e da
Doutora Ana Nicolau
e da
Engenheira Maria José Miranda
outubro de 2013
Universidade do Minho
Escola de Engenharia
Paula Cristina Cunha Assunção
Controlo Analítico da ETAR de
Serzedo e Avaliação do Desempenho
da Instalação
v
“Na Natureza nada se cria, nada se perde, tudo se transforma.”
vi
Agradecimentos
Gostaria de expressar aqui os meus mais sinceros agradecimentos a todas as pessoas que acompanharam a realização desta dissertação:
À Professora Doutora Maria Madalena Alves, pela sua disponibilidade, confiança, compreensão, constante apoio, pelo incentivo ao longo do desenvolvimento do trabalho e pela excelência demostrada quer a nível profissional, quer ao nível da interação aluno- Professor.
À Doutora Ana Nicolau, pela atenção e disponibilidade para corrigir e indicar possíveis melhorias e pela transmissão de conhecimentos.
À Engenheira Maria José, pela sua disponibilidade e apoio ao longo do desenvolvimento do trabalho.
À empresa Águas do Noroeste, S.A, pela possibilidade de realização do trabalho em ambiente empresarial, e pelo excelente acolhimento. Permitiu que fossem adquiridos conhecimentos valiosos num dos ramos fundamentais da tecnologia ambiental.
A todas as pessoas que trabalham na empresa, operadores, técnicos e engenheiros, pelo constante apoio no esclarecimento de dúvidas e pelo trabalho realizado.
Às Engª Liliana Santos e Engª Vânia Ferreira pela disponibilidade, pelo apoio e pelo esclarecimento de dúvidas ao longo do trabalho.
Às minhas colegas de curso e amigas, Joana Costa e Marlene Marinho, pelo apoio prestado ao longo do meu percurso académico, por estarem sempre presentes e disponíveis em todos os momentos, mesmo nos mais complicados.
E não menos importante, ao Engenheiro Nelson Silva pelo apoio e motivação constante prestado ao longo do meu percurso académico.
vii
Resumo
“Controlo analítico da ETAR de Serzedo e avaliação do desempenho da instalação”
O controlo dos parâmetros processuais é fundamental para a gestão operacional de uma ETAR. A análise de parâmetros analíticos faz parte de um conjunto de ferramentas essenciais para a identificação de disfunções nos processos de tratamento.
Este trabalho de projeto incidiu sobre a realização de tarefas ao nível do controlo analítico interno da ETAR de Serzedo, da empresa Águas do Noroeste S.A., e o desenvolvimento de um estudo para avaliar a performance do processo de tratamento através da análise de parâmetros analíticos, operacionais e microbiológicos. A análise microbiológica realizada ao licor misto do reator biológico da ETAR contemplou a análise das comunidades de protozoários e pequenos metazoários, recorrendo à observação microscópica e posterior determinação do Índice Biótico de Lamas (IBL). Adicionalmente, foram identificadas bactérias filamentosas, recorrendo a métodos clássicos baseados na observação microscópica de características morfológicas e na reação a colorações.
Da análise realizada aos parâmetros analíticos e processuais constatou-se que a água residual afluente à ETAR apresentou uma fração orgânica elevada, facilmente biodegradável e concentrações elevadas de nutrientes. Durante o período de análise não se registou nenhum incumprimento com a legislação aplicada. Verificou-se que a ETAR funcionou adequadamente relativamente à remoção da carga orgânica, remoção de nutrientes e de sólidos. As eficiências dos sistemas de espessamento e desidratação de lamas foram elevadas, mas não atingiram a eficiência máxima do equipamento.
Da análise aos protozoários e pequenos metazoários foram identificados 31 unidades taxonómicas, em que os ciliados nadadores foram os organismos dominantes. O valor de IBL 5 foi o mais frequente. Os organismos filamentosos dominantes foram os do Tipo 0041/0675 e 0092. Os organismos filamentosos presentes provocaram problemas na sedimentação das lamas biológicas no decantador secundário, visto que se verificou no período de análise lamas com características de sedimentação fraca (índice volumétrico lamas superior a 150 ml/g).
Neste caso de estudo, a determinação do IBL e a identificação de protozoários e metazoários serviram como indicadores de uma eventual redução da qualidade do efluente. A identificação das bactérias filamentosas foram indispensáveis para a determinação das causas de problemas na sedimentação das lamas. No entanto, a ETAR funcionou na sua maioria adequadamente na remoção dos compostos poluentes, tendo o controlo analítico sido indispensável na sua avaliação de desempenho.
ix
Abstract
The control of the process parameters is critical to the operational management of WWTP (Wastewater treatment plant). The analysis of the analytical parameters is part of a set of tools for the identification of malfunctions in the treatment processes.
This research project has been focused on performing tasks at the level of internal analytical control of the Serzedo WWTP, from the company Águas do Noroeste S.A., and the development of a study to evaluate the performance of the treatment process by analyzing operational and microbiological parameters. The microbiological analysis performed at the WWTP mixed liquor included the analysis of protozoan communities and small metazoans, using the microscopic observation and subsequent determination of the Sludge Biotic Index (SBI). Additionally, filamentous bacteria were identified, using classical methods based on microscopic observation of morphological characteristics and reaction to staining.
In the analysis of the operating parameters it was found that the wastewater influent to the WWTP showed a high readily biodegradable organic fraction, and high nutrient concentrations. During the period under study, the WWTP worked properly regarding the removal of organic matter, nutrients and solids in agreement with the legislation. The efficiencies of systems thickening and sludge dewatering were high, but did not reach the maximum efficiency of the equipment.
From the analysis of the protozoa and small metazoan, 31 taxonomic units have been identified, were the mobile ciliate were the dominant organisms. The value SBI 5 was the most common. The dominant filamentous organisms were the type 0041/0675 and 0092. The filamentous organisms present caused problems in the settling of the biological sludge in the secondary settling tank, since it was found during the analysis period slurry with low sedimentation characteristics (sludge volume index higher at 150 ml/g).
In this case study, the determination of the SBI and the identification of protozoa and metazoan, served as indicators of a possible reduction of the effluent quality. The identification of the filamentous bacteria was necessary for the determination of causes of problems in the sludge settling characteristics. However, the WWTP mostly worked adequately in the removal of pollutant compounds, having the analytical control been indispensable in their performance evaluation.
xi
Índice
Agradecimentos ... vi Resumo ... vii Abstract ... ix Índice ... xi Índice de Figuras ... xvÍndice de Tabelas ... xvii
Lista de Abreviaturas ... xix
Capítulo 1. Enquadramento, objetivos e organização da dissertação ... 1
1.1.Enquadramento ... 1
1.1.1.Caracterização da Águas do Noroeste, S.A. ... 2
1.2.Objetivos ... 4
1.3.Organização da dissertação ... 5
Capítulo 2. Revisão bibliográfica ... 7
2.1. O tratamento de águas residuais ... 7
2.1.1. Técnicas de tratamento de águas residuais numa ETAR ... 9
2.1.2. Outras técnicas de tratamento aplicadas em ETAR ... 10
2.2. Tratamento biológico por lamas ativadas- vala de oxidação... 12
2.3. Microrganismos em sistemas de lamas ativadas- indicadores de desempenho do sistema de tratamento ... 16
2.3.1. Bactérias ... 17
2.3.1.1. Disfunções em sistemas de lamas ativadas provocadas por bactérias filamentosas ... 18
2.3.1.2. Metodologias de análise de bactérias filamentosas ... 20
2.3.2. Protozoários e metazoários ... 21
2.3.2.1. Índice Biótico de Lamas (IBL) ... 25
2.4. Monitorização de parâmetros físico-químicos e processuais ... 25
2.4.1. Parâmetros analíticos ... 25
2.4.2. Parâmetros processuais ... 32
Capítulo 3. Descrição da estação de tratamento de águas residuais de Serzedo ... 36
3.1.Obra de entrada e tratamento preliminar ... 37
3.1.1. Elevação inicial ... 38
3.1.2. Receção e trasfega de lamas provenientes de fossas sépticas ... 39
3.1.3. Sistema de gradagem ... 39
xii
3.1.5. Correção do pH e medição do caudal ... 41
3.1.6. Bacia de retenção de descargas pontuais- bacia de emergência ... 42
3.2.Tratamento secundário ... 43
3.2.1. Tanques de contacto- seletor ... 44
3.2.2. Reatores biológicos- tratamento por lamas ativadas ... 45
3.2.3. Extração de lamas em excesso ... 46
3.2.4. Decantação secundária ... 47
3.2.5. Estação elevatória de recirculação de lamas biológicas ... 48
3.3.Tratamento terciário- remoção de cor ... 48
3.3.1. Elevação de lamas flotadas... 50
3.4.Reutilização do efluente tratado ... 51
3.5.Tratamento de lamas em excesso ... 52
3.5.1. Espessamento mecânico de lamas ... 53
3.5.2. Desidratação mecânica e transporte de lamas ... 54
3.5.3. Preparação e doseamento de polielectrólito para espessamento e desidratação .. 55
3.5.4. Armazenamento de lamas desidratadas ... 55
Capítulo 4. Controlo analítico e processual da instalação de Serzedo ... 56
4.1.Controlo analítico e principais parâmetros processuais ... 56
4.1.1. Controlo analítico de campo... 56
4.1.2. Controlo analítico de laboratório ... 59
4.1.3.Registo mensal ... 62
4.2.Fatores para a utilização dos recursos hídricos ... 63
Capítulo 5. Materiais e Métodos ... 66
5.1. Período e frequência de análise ... 66
5.2. Análise aos parâmetros físico-químicos em laboratório ... 66
5.2.1. Determinação analítica da Carência Química de Oxigénio (CQO) ... 67
5.2.2. Determinação analítica da Carência Bioquímica de Oxigénio (CBO5) ... 68
5.2.3. Determinação analítica do Azoto total (Ntotal) ... 68
5.2.4. Determinação analítica da concentração de N-NH4+ ... 69
5.2.5. Determinação analítica da concentração de N-NO3- ... 70
5.2.6. Determinação analítica da concentração do Fósforo total (Ptotal) ... 70
5.2.7. Determinação analítica de sólidos ... 71
5.2.7.1. Determinação da concentração de Sólidos Suspensos Totais (SST) e de Sólidos Suspensos Voláteis (SSV) ... 71
5.2.7.2. Determinação da Matéria Seca (MS) e da Matéria Volátil (MV) em amostras sólidas e semi-sólidas ... 72
xiii
5.3. Análise microbiológica ... 73
5.3.1. Transporte e conservação das amostras ... 73
5.3.2. Estudo da comunidade de protozoários e de pequenos metazoários ... 74
5.3.2.1. Procedimento para o cálculo do IBL ... 74
5.3.2.2. Observação microscópica ... 76
5.3.3. Estudo das bactérias filamentosas nas lamas ativadas ... 77
5.3.3.1. Coloração de Gram ... 78
5.3.3.2. Coloração de Neisser ... 78
5.3.3.3. Observação microscópica ... 79
5.4. Tratamento estatístico dos dados ... 80
Capítulo 6. Resultados e Discussão ... 81
6.1. Controlo analítico e processual ... 81
6.1.1. Água residual bruta ... 82
6.1.2. Água residual tratada ... 88
6.1.3. Licor misto ... 93
6.1.4. Decantação secundária e Recirculação de lamas biológicas ... 96
6.1.5.Tratamento de lamas biológicas ... 99
6.1.6. Parâmetros processuais ... 101
6.1.7. Eficiências de remoção ... 104
6.2. Análise microbiológica ao sistema de lamas ativadas da ETAR de Serzedo ... 108
6.2.1. Caracterização das comunidades de protozoários e de pequenos metazoários ... 108
6.2.2. Caracterização das bactérias filamentosas do licor misto da ETAR de Serzedo ... 114
Capítulo 7. Conclusões ... 118
Bibliografia ... 121
Anexos ... 126
Anexo I. Programa de controlo analítico em laboratório interno ... 126
Anexo II. Procedimentos laboratoriais homologados pela Águas do Noroeste, S.A. ... 127
Anexo III. Tabela de identificação e contagem de protozoários e de pequenos metazoários 142 Anexo IV. Tabela de caraterização de bactérias filamentosas ... 144
Anexo V. Tabelas de resultados de controlo analítico e processual da instalação ... 145
Anexo VI. Fotografias dos organismos visualizados durante a análise microbiológica ao licor misto da ETAR de Serzedo ... 153
xv
Índice de Figuras
Figura 1- Localização dos 5 centros operacionais na região noroeste de Portugal.. ... 3 Figura 2 - Exemplo de um sistema de lamas ativadas com vala de oxidação do tipo Carrossel.. ... 13 Figura 3 - Rede trófica num sistema de tratamento de águas residuais por lamas
ativadas. ... 22 Figura 4 - Esquema de tratamento das águas residuais da ETAR de Serzedo, relativo às etapas de elevação inicial e tratamento preliminar. ... 38 Figura 5 - Esquema de tratamento das águas residuais da ETAR de Serzedo,
relativamente ao tratamento secundário. ... 43 Figura 6 - Sistema de tratamento terciário da ETAR de Serzedo. ... 48 Figura 7 - Esquema de tratamento da ETAR de Serzedo para a reutilização do efluente tratado. ... 51 Figura 8 - Esquema de tratamento da ETAR de Serzedo para o tratamento das lamas biológicas. ... 52 Figura 9 - Variação do pH da água residual afluente ao longo do período de
amostragem. ... 83 Figura 10 - Variação da concentração de CQO e de CBO5 do efluente bruto durante o
período de amostragem. ... 84 Figura 11 - Variação da concentração de SST e de SSV do efluente bruto durante o período de amostragem. ... 85 Figura 12 - Variação da concentração de Ntotal e de Ptotal do efluente bruto durante o
período de amostragem. ... 86 Figura 13 - Variação da concentração de N-NO3- e de N-NH4 + do efluente bruto durante
o período de amostragem. ... 87 Figura 14 - Variação do pH da água residual tratada ao longo do tempo de análise. .... 89 Figura 15 - Variação das concentrações de CQO e de CBO5 de amostras de efluente
tratado ao longo do período de amostragem. ... 89 Figura 16 - Variação das concentrações de SST e de SSV em amostras de efluente tratado ao longo do período de amostragem. ... 90 Figura 17 - Variação das concentrações de Ptotal e de Ntotal em amostras de efluente
tratado durante o período de análise. ... 90 Figura 18 - Variação das concentrações de N-NO3- e de N-NH4 + em amostras de
efluente tratado ao longo do período de amostragem. ... 91 Figura 19 - Variação dos valores de pH da zona arejada e da zona anóxica durante o tempo de amostragem. ... 94 Figura 20 - Variação das concentrações de SST e de SSV, na zona arejada da vala de oxidação, durante o tempo de amostragem. ... 95 Figura 21 - Variação das concentrações de SST e de SSV de amostras de efluente de saída do decantador secundário, durante o tempo de amostragem. ... 97
xvi
Figura 22 - Variação das concentrações de SST e de SSV das lamas em recirculação, durante o tempo de amostragem. ... 98 Figura 23 - Representação gráfica da relação SSV/SST ao longo do tempo de análise. 98 Figura 24 - Variação da matéria seca e volátil em amostras de lamas espessadas e
desidratadas durante o período de amostragem realizado. ... 100 Figura 25 - Variação do IVL e da razão A/M ao longo do tempo de análise. ... 102 Figura 26 - Variação da razão de recirculação e do tempo de residência de sólidos ao longo do tempo de amostragem. ... 102 Figura 27 - Variação da razão CBO/CQO ao longo do período de análise. ... 103 Figura 28 - Variação das eficiências de remoção de CQO, CBO5 e de SST ao longo do
tempo de amostragem. ... 105 Figura 29 - Variação das eficiências de remoção de N-total e de P-total ao longo do tempo de amostragem. ... 106 Figura 30 - Variação das taxas de captura de sólidos, no espessamento e desidratação, ao longo do período de amostragem. ... 106 Figura 31 - Abundância dos diferentes grupos de organismos do licor misto da ETAR de Serzedo ao longo do período de análise, compreendido entre Abril e Agosto. ... 109 Figura 32-Classe de abundância das bactérias filamentosas identificadas no licor misto da ETAR de Serzedo, ao longo do período de análise, compreendido entre Abril e Agosto. ... 116
xvii
Índice de Tabelas
Tabela 1 - Tipos de organismos e as causas relacionadas com o seu crescimento
excessivo em sistemas de lamas ativadas.. ... 20 Tabela 2 - Algumas situações específicas do funcionamento de sistemas de tratamento biológico por lamas ativadas. ... 24 Tabela 3 - Dados de base de dimensionamento do sistema de tratamento da ETAR de Serzedo. ... 37 Tabela 4 - Parâmetros analíticos determinados nos diferentes locais de amostragem na instalação ... 58 Tabela 5 - Limites de alerta de cada parâmetro analítico para cada amostra a analisar na ETAR de Serzedo ... 59 Tabela 6 - Parâmetros analíticos a determinar em laboratório interno para os diferentes pontos de amostragem do sistema de tratamento ... 60 Tabela 7 - Limites de alerta de cada parâmetro analítico para cada amostra a analisar na ETAR de Serzedo ... 61 Tabela 8 - Tipos de parâmetros processuais contidos nas folhas de Registo Mensal e respetivos valores limite de alerta ... 62 Tabela 9 - Programa de autocontrolo estabelecido, na licença de descarga emitida pela ARH do Norte ... 64 Tabela 10 - Parâmetros analíticos e respetivos valores limite de emissão, segundo o estipulado na licença de descarga ... 65 Tabela 11 - Volume da amostra a utilizar de acordo com o alcance da medição. ... 68 Tabela 12 - Volumes de amostras utilizados na determinação analítica de SST e de SSV. ... 72 Tabela 13 - Tabela de duas entradas para a determinação do IBL (S: número de
espécies; F: número de pequenos flagelados)... 75 Tabela 14 - Conversão do valor do IBL em classes de qualidade biológica das lamas ativadas. ... 76 Tabela 15 - Classes de abundância dos organismos filamentosos nas lamas activadas. 80 Tabela 16 - Sumário dos resultados obtidos relativos aos parâmetros analíticos
determinados em amostras de água residual bruta, durante o mês de Abril e Agosto de 2012. ... 82 Tabela 17 - Sumário dos resultados obtidos relativos aos parâmetros de controlo
analítico determinados em amostras de água residual tratada, durante o mês de Abril e Agosto de 2012. ... 88 Tabela 18 - Sumário dos resultados obtidos relativos aos parâmetros de controlo
analítico determinados nas amostras de licor misto, durante o mês de Abril e Agosto de 2012. ... 93 Tabela 19 - Sumário dos resultados obtidos relativos aos parâmetros de controlo
analítico determinados nas amostras de efluente da decantação secundária e da
xviii
Tabela 20 - Sumário dos resultados obtidos relativos aos parâmetros de controlo analítico determinados nas amostras de lamas espessadas e desidratadas, durante o mês de Abril e Agosto de 2012. ... 100 Tabela 21 - Sumário dos resultados obtidos relativos aos parâmetros de controlo
processual, durante o mês de Abril e Agosto de 2012... 101 Tabela 22 - Sumário dos resultados obtidos, durante o mês de Abril e Agosto de 2012, nas eficiências de remoção relativos a cada parâmetro de controlo analítico e taxas de capturas de sólidos. ... 105 Tabela 23 - Abundância média e frequência das espécies de protozoários e de pequenos metazoários observados no sistema de tratamento por lamas ativadas da ETAR de Serzedo durante o período de análise, compreendido entre Abril e Agosto. ... 112 Tabela 24. Valores de IBL obtidos ao longo do período de análise, compreendido entre Abril e Agosto. ... 113 Tabela 25 - Bactérias filamentosas identificadas nas amostras de licor misto da ETAR de Serzedo, durante o período de análise. ... 115
xix
Lista de Abreviaturas
ARH do Norte (Administração da Região Hidrográfica do Norte) Azoto Kjeldahl total (Nkj )
Azoto total (Ntotal)
Carência Bioquímica de Oxigénio (CBO5)
Carência Quimica de Oxigénio (CQO) Carga Mássica (A/M)
Estação de tratamento de águas residuais (ETAR) Fósforo total (Ptotal)
Índice Biótico de Lamas (IBL) Índice Volumétrico de Lamas (IVL) Matéria Seca (MS)
Matéria Volátil (MV)
Mixed Liquor Suspended Solids (MLSS) Razão alimento/ microrganismos (A/M) Sequencing Batch Reactors (SBRs) Sólidos Dissolvidos Totais (SDT) Sólidos Sedimentáveis (V30)
Sólidos Suspensos Fixos (SSF) Sólidos Suspensos Totais (SST) Sólidos Suspensos Voláteis (SSV) Sólidos Totais (ST)
Tempo de Residência de Sólidos (TRS) Valores Limite de Emissão (VLE)
1
Capítulo 1. Enquadramento, objetivos e organização da dissertação
1.1.Enquadramento
Na gestão de estações de tratamento de águas residuais (ETAR) é imprescindível haver um conhecimento profundo do modo de funcionamento de cada etapa de tratamento, bem como do seu estado de desempenho. Para tal, o controlo dos parâmetros processuais é fundamental para a gestão operacional de uma ETAR. A análise de parâmetros analíticos faz parte de um conjunto de ferramentas essenciais para a identificação de disfunções nos processos de tratamento. Foi neste contexto que se desenvolveu o presente projeto em ambiente empresarial, o qual incidiu sobre a realização de tarefas ao nível do controlo analítico interno da ETAR de Serzedo e o desenvolvimento de um estudo para avaliar a performance do processo de tratamento através da análise aos parâmetros analíticos e operacionais e sua relação com parâmetros de análise microbiológica.
A observação microscópica de organismos como os protozoários, os pequenos metazoários e de bactérias filamentosas em sistemas de lamas ativadas é uma atividade imprescindível de acompanhamento processual. A deteção de problemas em sistemas de tratamento de efluentes pode ser determinada a partir da observação microscópica, permitindo estabelecer as causas das eventuais disfunções e proporcionar soluções. A partir da caracterização de protozoários e de pequenos metazoários pode ser determinado o Índice Biótico de Lamas, que se baseia na abundância e diversidade destes organismos num sistema de lamas ativadas e nas diversas sensibilidades demonstradas por alguns microrganismos aos parâmetros físico-químicos e operacionais que caracterizam o sistema. Na identificação de bactérias filamentosas são frequentemente usados os métodos clássicos, baseados na observação microscópica de características morfológicas e na reação a colorações.
Este trabalho foi desenvolvido numa das infraestruturas da empresa Águas do Noroeste, nomeadamente na ETAR de Serzedo, o qual permitiu adquirir conhecimentos valiosos num dos ramos fundamentais da tecnologia ambiental.
2
1.1.1.Caracterização da Águas do Noroeste, S.A.
A empresa Águas do Noroeste S.A., sedeada em Barcelos, tem como responsabilidade o abastecimento de água e tratamento de águas residuais da zona noroeste de Portugal. Esta entrou em atividade a 4 de Junho de 2010, e resultou de uma junção de três sociedades, nomeadamente da Águas do Cávado, S.A, da Águas do Minho e Lima, S.A. e da Águas do Ave, S.A..
A Águas do Noroeste está inserida numa das áreas de negócio do grupo Águas de Portugal, e tem como finalidade conceber, desenvolver e explorar infraestruturas adequadas para a captação, tratamento e distribuição de água pelos diversos municípios que serve, bem como para o tratamento de águas residuais. Conjuntamente, pretende melhorar a qualidade de vida dos cidadãos e do meio ambiente envolvente, contribuir para o desenvolvimento socioeconómico da região e potenciar a sustentabilidade ao nível social, económico e ambiental. Com o propósito de cumprir os seus objetivos, a empresa busca seguir certos valores, designadamente a satisfação dos seus clientes e das demais partes interessadas, o aperfeiçoamento e inovação em todas as fases e processos, a melhoria contínua, a comunicação, entre outros.
A área de atuação desta organização é de aproximadamente de 6 mil km2, engloba 32 municípios e serve mais de um milhão e cem mil cidadãos. O estado português conferiu à Águas do Noroeste a plena exploração e gestão do sistema multimunicipal de abastecimento de água e de saneamento da região noroeste num período de 50 anos, sendo a construção das suas infraestruturas apoiada financeiramente por comparticipação do Fundo de Coesão, através de candidaturas demostradas e aprovadas pelas empresas que originaram a Águas do Noroeste por fusão. Este apoio variou entre 65 a 85% e o investimento total será de 823 milhões de euros (entre 1995 e 2017). O sistema de abastecimento de água está dimensionado para oferecer 67,1 milhões de m3 por ano de água potável, a uma população estimada de 1 milhão de indivíduos, e o sistema de saneamento terá capacidade para a recolha, tratamento e rejeição de 80 milhões de m3 por ano de águas residuais, de uma população estimada de 1,2 milhões de habitantes [1].
3
O sistema multimunicipal de saneamento é constituído por 5 centros operacionais: centro operacional do Minho, Lima, Ave, Cávado e Tâmega/Sousa. Na Figura 1 está representada a distribuição geográfica dos diferentes centros operacionais [2].
Figura 1- Localização dos 5 centros operacionais na região noroeste de Portugal. Adaptado de [2].
4
As infraestruturas que compõem todo o sistema de saneamento são constituídas por 103 ETAR, 1415 km de interceptores, 267 estações elevatórias e outros componentes que satisfazem o funcionamento adequado do sistema. O investimento total a ser exercido sobre o sistema de saneamento é de 413,3 milhões de euros, o que vai possibilitar chegar a uma taxa de atendimento de cerca de 88% da população total da região noroeste [1] [2].
A ETAR de Serzedo, a qual está integrada no sistema multimunicipal de saneamento da empresa Águas do Noroeste, está localizada no concelho de Guimarães, mais especificamente na freguesia de Serzedo. Este subsistema entrou em atividade em Agosto de 2009, e está preparado para servir uma população de aproximadamente 97200 habitantes equivalentes e para tratar um caudal máximo de 14000 m3 por dia de efluente industrial e doméstico [2].
A instalação de Serzedo serve maioritariamente a população residente no município de Fafe, englobando ainda parte do concelho de Guimarães (Serzedo) e do concelho de Felgueiras (Jugueiros), tratando efluentes de origem doméstica e industrial, com descarga do efluente tratado para o rio Vizela.
O propósito desta infraestrutura é o de efetuar o tratamento do efluente de modo mais eficiente e contribuir para a uma gestão mais adequada do meio hídrico e para uma melhoria ambiental contínua.
1.2.Objetivos
O presente trabalho teve como objetivos específicos avaliar o desempenho e eficiência da ETAR de Serzedo por análise de parâmetros analíticos,que caracterizam o efluente em todas as suas fases de tratamento, e de parâmetros de operação, conjuntamente com a execução de tarefas ao nível do controlo analítico interno da ETAR. A análise microbiológica de protozoários, pequenos metazoários e bactérias filamentosas ao reator biológico foi realizada como meio complementar de diagnóstico do funcionamento da ETAR. A implementação da análise microbiológica constituiu uma competência adicional do laboratório da ETAR, após a realização desta dissertação.
5
Pretendeu-se, com a realização deste projeto em ambiente empresarial, contribuir para o bom funcionamento da ETAR de Serzedo, apostando numa melhoria contínua do sistema de tratamento das águas residuais, e ainda colaborar para o desenvolvimento dos estudos sobre a ecologia microbiana de sistemas de lamas ativadas.
1.3.Organização da dissertação
Para além deste capítulo introdutório, a presente dissertação é composta por mais 6 capítulos.
No Capítulo 2 são descritas, de uma forma geral, a importância do tratamento de águas residuais e as técnicas aplicadas para esse fim. Posteriormente, é apresentada uma revisão bibliográfica acerca da comunidade de protozoários e pequenos metazoários e das bactérias filamentosas, presentes num sistema de lamas ativadas, realçando a importância destes na deteção de problemas ao nível do sistema de tratamento. Nesta secção são abordados os parâmetros físico-químicos aplicados na caracterização de efluentes e os parâmetros processuais frequentemente analisados num sistema de tratamento.
Seguidamente, no Capítulo 3, é caracterizado o sistema de tratamento da ETAR de Serzedo, local onde se desenvolveu o presente trabalho, com a descrição dos mecanismos que integram o sistema.
No Capítulo 4 é descrito o sistema de gestão operacional do controlo analítico da instalação e ainda, os principais parâmetros de controlo operacional da ETAR.
O Capítulo 5 aborda as metodologias associadas ao estudo da avaliação do desempenho da ETAR de Serzedo a partir dos parâmetros analíticos e operacionais. São apresentados os materiais e métodos aplicados no estudo dos protozoários, pequenos metazoários e bactérias filamentosas, bem como o procedimento para o tratamento estatístico dos dados.
No Capítulo 6, a partir da representação dos resultados, são discutidos os dados obtidos dos parâmetros analíticos, operacionais e da caracterização microbiológica ao reator biológico.
6
No Capítulo 7 são apresentadas as conclusões dos estudos realizados e as perspetivas futuras.
7
Capítulo 2. Revisão bibliográfica
2.1. O tratamento de águas residuais
Os problemas ambientais têm vindo a aumentar nos últimos anos, aos quais têm sido motivados pelo aumento demográfico e pelo desenvolvimento da atividade industrial. A sociedade atual produz diariamente grandes quantidades de resíduos sólidos, líquidos e gasosos, promovidos pelo crescente consumo dos recursos naturais, usados para satisfazerem as necessidades correntes. Tudo isto leva a que as perturbações sobre o meio ambiente, fomentadas pela ação antropogénica, estejam a provocar mudanças na qualidade do solo, da água e do ar [3].
A sustentabilidade da vida das comunidades atuais está limitada pela existência de um elemento essencial, a água. Esta está no meio ambiente associada a outros compostos, podendo a qualidade de um meio hídrico ser determinada pela caracterização destes compostos. Nesta análise, se a quantidade destas substâncias se afastarem do que usualmente é verificado, conclui-se, normalmente, que o sistema está poluído ou contaminado. É desta forma, que a utilização dos recursos hídricos pode tornar-se impossível para servir as populações e a vida dos organismos aquáticos é colocada em causa [4].
Uma das causas para a contaminação de um ecossistema aquático é a rejeição para o meio ambiente de resíduos líquidos produzidos pelo Homem. Os resíduos líquidos, designados por águas residuais, podem ser classificados de três formas: águas residuais domésticas, resultantes das atividades domésticas e do metabolismo humano; águas residuais industriais, que são todos os resíduos resultantes de atividades que não sejam definidos como águas residuais domésticas nem como águas pluviais e as águas residuais urbanas, que são as águas residuais domésticas, ou a junção destas com águas residuais industriais e ou com águas pluviais [5].
Quando a água residual é descarregada para um meio recetor sem ser previamente sujeita a um processo de tratamento, a interação de alguns dos seus elementos constituintes, de carácter poluente, com o meio envolvente leva ao aumento
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dos impactes ambientais. Seguidamente, são apresentados alguns dos problemas associados à descarga de água residual não tratada [6]:
A aglomeração dos materiais sólidos no meio aquático que constituem as águas residuais (por exemplo, tecidos) leva à poluição visual e à possibilidade do desenvolvimento de agentes infeciosos;
A presença de óleos e gorduras gera espumas, que conduz à formação de uma película à superfície do meio hídrico prejudicando a transferência de oxigénio da atmosfera para o meio líquido e à alteração da paisagem;
A descarga de água residual com matéria orgânica leva ao consumo do oxigénio dissolvido por ação de bactérias e pode colocar em risco a saúde pública devido ao desenvolvimento de agentes infeciosos;
A presença de microrganismos que podem provocar o desenvolvimento de doenças no Homem, se por exemplo a descarga for feita próxima da captação de água para consumo ou para irrigação colocando a saúde pública em risco;
As águas residuais também contêm nutrientes, como o azoto e o fósforo, que quando enviados em excesso para o meio aquático levam ao fenómeno de eutrofização;
As substâncias tóxicas contidas por exemplo em efluentes industriais, leva a que estes, dependendo da concentração e da sua toxicidade, possam danificar os sistemas aquáticos e podem ser introduzidos no organismo do Homem com a acumulação destas substâncias ao longo da cadeia alimentar (bioacumulação).
Mediante estas consequências torna-se indispensável realizar um tratamento prévio adequado às águas residuais, para que as agressões ao meio ambiente, resultantes da deposição destes resíduos, sejam reduzidas e para que a saúde pública e ambiental seja protegida.
A forma mais apropriada para o tratamento de águas residuais é através de uma estação de tratamento de águas residuais (ETAR), que tem como finalidade efetuar o tratamento final dos resíduos líquidos, permitindo a redução dos compostos poluentes existentes, com a possibilidade de mais tarde, se poder reutilizar o efluente resultante. Na determinação dos diferentes tipos de processos de tratamento a empregar numa ETAR, deve-se ter em consideração determinados fatores, tais como a natureza do
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efluente, as suas características quantitativas e qualitativas, as propriedades físico -químicas e termodinâmicas dos resíduos sólidos resultantes do processo, os custos associados ao processo de tratamento, o local a implementar o sistema e a qualidade do efluente final que se pretende obter [7] [8]. Portanto, uma ETAR é composta por uma variedade de operações e processos de tratamento das águas residuais afluentes, com o intuito de se obter um efluente final que não danifique o meio recetor. Nas secções seguintes são descritas, de uma forma generalizada, as diferentes técnicas de tratamento aplicadas em ETAR.
2.1.1. Técnicas de tratamento de águas residuais numa ETAR
No tratamento das águas residuais são utilizados métodos físicos, químicos e biológicos, que, combinados, constituem as diferentes etapas de tratamento da fase líquida de uma ETAR: tratamento preliminar, primário, secundário e terciário.
A fase de tratamento preliminar permite a remoção de materiais como, gorduras, areias e outros sólidos grosseiros constituintes das águas residuais. Os sólidos são removidos, por exemplo, por aplicação de processos de gradagem (uso de grades) e por tamisadores, permitindo eliminar parte da matéria orgânica/inorgânica existente no afluente. Normalmente, é implementado um desarenador para a eliminação de areias, e os óleos e gorduras são removidos através da injeção de ar no efluente que leva à subida destes à superfície. Nesta fase de tratamento ocorre ainda a equalização, de forma a possibilitar a mistura dos diferentes fluxos de efluente e assim, obter uma corrente com características aproximadamente constantes, e ocorre também a neutralização do pH [9] [10]. O tratamento primário permite a remoção parcial de sólidos suspensos e de matéria orgânica. Uma das técnicas implementadas neste processo é a sedimentação (decantação primária), que permite a redução de sólidos sedimentáveis. Este processo apresenta eficiências de remoção na ordem dos 50 -70% em sólidos em suspensão e de 25-40% na Carência Bioquímica de Oxigénio (CBO5). Outros processos que podem ser aplicados
neste tratamento são a flutuação, a adição química e a filtração. O tratamento preliminar/primário permite assim, preparar o efluente para os processos de tratamento subsequentes [11].
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No tratamento secundário são aplicados processos químicos, biológicos e físicos de forma a remover a maior parte da matéria orgânica biodegradável, em suspensão ou em solução. Nesta etapa de tratamento pode ocorrer ou não a remoção de nutrientes como, o azoto e o fósforo [11]. Normalmente, através desta etapa, com um caudal de entrada contendo uma concentração entre os 50 e os 1000 mg/L de CBO5 pode-se obter
um efluente com uma concentração próxima de 15 mg/L [10]. A precipitação química é um exemplo de um método químico que é usado em conjunto com o tratamento biológico para a remoção de fósforo [11]. Os processos do tratamento biológico de um efluente podem ser: aeróbios, anaeróbios, anóxicos, uma combinação dos anteriores ou facultativos. Processos aeróbios e anaeróbios ocorrem na presença e na ausência de oxigénio, respetivamente, e a desnitrificação, no qual ocorre a passagem de nitrato a azoto gasoso na ausência de oxigénio, é um processo anóxico. Nos sistemas de tratamento biológico os processos envolventes poder ser de biomassa suspensa e de biomassa fixa. Num sistema de biomassa suspensa os microrganismos responsáveis pela conversão da matéria orgânica estão suspensos no meio líquido. O tratamento por lamas ativadas e a lagunagem são exemplos deste tipo de sistema, os quais atuam na presença de oxigénio. Pelo contrário, no sistema de tratamento por biomassa fixa os microrganismos estão fixos a um material inerte. Exemplo deste tipo de sistemas são os reatores de biodiscos [11].
A fase de tratamento terciário tem como objetivo remover compostos que nos processos anteriores de tratamento não foram eliminados significativamente, como por exemplo sólidos suspensos, nutrientes e microrganismos. A filtração é um processo aplicado nesta fase para a remoção de sólidos suspensos. A desinfeção é um método que permite a eliminação de microrganismos por ação de agentes químicos e físicos. Outros processos que também podem ser usados são: a flutuação, ozonização, coagulação química e floculação, a adsorção (por carvão ativado) e osmose inversa [9]. Estes métodos têm a desvantagem de serem dispendiosos [10].
2.1.2. Outras técnicas de tratamento aplicadas em ETAR
A partir dos diferentes níveis de tratamento de águas residuais, existentes numa ETAR, são produzidas lamas. Devido às suas características, podem provocar impactes
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no ambiente e na saúde pública, sendo, assim, necessário que sejam sujeitas a um tratamento adequado antes do seu destino final. A maioria das ETAR dispõe de sistemas de tratamento das lamas produzidas.
As lamas resultam dos sólidos orgânicos e inorgânicos que são removidos do efluente através de processos de tratamento de águas residuais, como por exemplo em sistemas de decantação primária e secundária, como também de sólidos gerados em sistemas de tratamento biológico. Existem vários processos que podem ser usados no tratamento de lamas. Um dos principais métodos é o espessamento, que consiste em reduzir o volume de lamas e em as homogeneizar. O espessamento pode ser de vários tipos: gravítico, por centrifugação, flotação, entre outros. O processo de estabilização é um passo intermédio típico no tratamento de lamas. Este baseia-se na redução/eliminação do potencial de putrefação das lamas, na remoção do odor e dos microrganismos. A estabilização das lamas pode caracterizar-se pelo tratamento por calor, pela compostagem e pela digestão anaeróbio e aeróbia. A desidratação é um dos processos finais do tratamento, ao qual se baseia na redução de água existente nas lamas. Este sistema tem como benefícios o transporte posterior das lamas a um custo menor e permite facilitar o seu manuseamento. Na desidratação são usados filtros de prensa, filtros de vácuo, centrifugas e leitos de secagem [12] [13]. Após tratamento as lamas podem ser aplicadas como corretivo de solos, entre outras aplicações.
Para além dos sistemas de tratamento de lamas, algumas ETAR são dotadas por infraestruturas de tratamento de gases produzidos no tratamento das águas residuais e das lamas. Uma dessas infraestruturas são os sistemas de desodorização, pois um dos inconvenientes de um sistema de tratamento de águas residuais é a produção de odores, que causa desconforto às populações que habitam próximas do sistema. Estes odores têm origem na decomposição da matéria orgânica presente nas águas residuais e na descarga de águas residuais industriais. Nas ETAR o composto odorífico mais comum é o sulfureto de hidrogénio. Outros tipos de compostos odoríficos também presentes são o amoníaco e os mercaptanos. Os métodos de tratamento utilizados no tratamento de odores em sistemas de tratamento de águas residuais podem ser físicos, químicos ou biológicos. Exemplos desses métodos de tratamento são: a adsorção por carvão ativado, a precipitação química, os reatores de biofiltros e os processos térmicos [11].
Uma ETAR é assim, uma infraestrutura de elevada importância no tratamento das águas residuais, organizada por uma diversidade de operações e processos de
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tratamento adequados, sendo a sua existência indispensável para a redução dos impactes ambientes criados pelo Homem.
2.2. Tratamento biológico por lamas ativadas- vala de oxidação
O sistema de tratamento por lamas ativadas surgiu em 1914, em Manchester, sendo o seu funcionamento geral baseado em dois estágios: primeiramente há a redução e transformação dos poluentes num reator biológico, através da biomassa suspensa e em ambiente aeróbio, e de seguida, dá-se a separação dos sólidos da fase líquida, isto é a separação da lama biológica da água residual, efetuada normalmente num decantador. O designado licor misto resulta da mistura da água residual afluente e da lama biológica (lama ativada), que ocorre no interior do reator biológico. As lamas ativadas são compostas por uma grande diversidade de microrganismos (bactérias, protozoários, fungos, etc.) e por compostos orgânicos e inorgânicos, como por exemplo os polímeros extracelulares que são importantes para a biofloculação. A lama é formada pela suspensão floculenta da comunidade microbiana [14] [15].
Um sistema de tratamento com um reator biológico com a configuração de uma vala de oxidação é uma das alternativas aos sistemas convencionais de lamas ativadas. Este surgiu por volta 1959, concebido por Pasveer, com o objetivo de criar um sistema de tratamento de águas residuais menos dispendioso, para satisfazer uma pequena comunidade em Holanda [16]. As valas de oxidação apresentam, de uma forma geral, uma variedade de vantagens na sua utilização: baixos custos de manutenção; permite um nível constante de efluente no reator, com descarga contínua, que possibilita que o efluente não transborde e elimina o aumento periódico de efluente que é usual em outros processos biológicos, tais como SBRs; é produzida uma menor quantidade de lamas biológicas do que em outros processos e os custos energéticos são menores em comparação com outros processos biológicos. No entanto, estes sistemas têm as suas desvantagens, produz concentrações elevadas de sólidos suspensos em comparação com outros sistemas de lamas ativadas e necessitam de uma grande área de implementação do sistema, limitando a sua aplicação nas zonas urbanas, suburbanas ou em outras áreas em que os custos de aquisição do terreno sejam elevados [17].
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Para além do sistema original proposto por Pasveer outras configurações foram desenvolvidas ao longo dos anos, sendo uma delas a vala de oxidação do tipo Carrossel. Esta foi criada com o objetivo de tratar maiores quantidades de efluente, de forma a ultrapassar por exemplo problemas relacionados com grandes gastos energéticos durante o processo, que poderiam acontecer se fosse aplicado um tanque de arejamento convencional em arejamento prolongado para o mesmo efeito [16].
A vala de oxidação do tipo Carrossel (Figura 2) pode operar em arejamento prolongado. Neste tipo de operação a razão A/M apresenta valores entre 0.05 e 0.15 KgCBO/Kg MLSS.d, o tempo de retenção hidráulico varia entre 20 a 30 horas, a idade de lamas varia entre 20 a 30 dias, a concentração de MLSS nas lamas varia entre 2000-6000 mg/L e a eficiência de remoção neste tipo de processo varia entre 90 a 95% [18].
Figura 2 - Exemplo de um sistema de lamas ativadas com vala de oxidação do tipo Carrossel. Adaptado de [18].
O sistema de lamas ativadas com uma configuração de vala de oxidação permite, em termos de funcionalidade, juntar as características de um sistema de mistura completa com um sistema de fluxo pistão.
A conceção hidráulica da vala de oxidação possibilita, ao longo do circuito, obter concentrações de oxigénio diferentes, formando zonas ricas em oxigénio (zonas arejadas) e zonas com concentrações baixas de oxigénio (zonas anóxicas). Assim, este gradiente de concentrações de oxigénio ao longo do reator permite que ocorram processos de nitrificação/ desnitrificação, a redução de fósforo e a simultânea redução da matéria orgânica [19][20].
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No interior do reator, a partir da comunidade microbiana presente (organismos heterotróficos aeróbios), ocorre a oxidação de uma parte da matéria orgânica a produtos finais e a outra parte é transformada em nova biomassa, segundo a estequiometria da Equação 1 [11].
Bactéria
COHNS + O2 + nutrientes CO2 + NH3 + C5H7NO2 + outro produto final Equação 1
A respiração endógena dá-se segundo a estequiometria da Equação 2 [11].
Bactéria
C5H7NO2 + 5O2 5CO2 + 2H2O + NH3 + energia Equação 2
(Células)
A remoção biológica do azoto tem início no processo de amonificação, que por ação de microrganismos ocorre a conversão de compostos orgânicos azotados (proteínas, ureia, etc.) a azoto amoniacal. Posteriormente, dá-se a oxidação biológica do azoto amoniacal a nitrato, processo designado de nitrificação. Este processo, que ocorre em ambiente aeróbio, envolve duas etapas: primeiramente o azoto amoniacal é convertida a nitrito (Equação 3), e de seguida esta é convertida a nitrato (Equação 4). Estas duas etapas envolvem a ação de bactérias autotróficas como, as Nitrossomas e as Nitrobacter, que utilizam fontes inorgânicas de azoto (azoto amoniacal e nitritos) para a obtenção de energia [21].
Equação 3
Equação 4
Existe uma variedade de fatores que afetam o processo de nitrificação como, o pH, a temperatura, o tempo de residência de sólidos e os compostos inibidores da taxa de nitrificação, visto que as bactérias que participam neste processo apresentam uma taxa
(matéria orgânica)
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de crescimento menor que as bactérias heterotróficas. Valores de pH entre 7.2 e 9.0, é o intervalo de valores mais adequado para a ocorrência deste processo, sendo que para valores fora desta gama, a velocidade de crescimento dos organismos é menor. O processo de nitrificação pode ocorrer numa gama ampla de temperaturas, entre os 4 a 45ºC, sendo que o valor ótimo de operação está compreendido entre 35 a 45ºC [22]. Na zona aeróbia do sistema de lamas ativadas, os organismos intervenientes no processo de nitrificação e na redução da matéria orgânica são produzidos continuamente, devido à síntese de matéria biológica, e seguem juntamente com o efluente até aos decantadores secundários, onde ocorre a separação do material sólido da fase liquida. A recirculação das lamas biológicas do decantador para o reator biológico permite manter uma quantidade elevada de biomassa no seu interior.
A remoção final do azoto da água residual dá-se pelo processo de desnitrificação. Este ocorre num ambiente anóxico, a uma concentração de oxigénio dissolvido baixa ou nula, em que os microrganismos efetuam a redução dos nitratos ou nitritos a azoto molecular (Equação 5). Os nitratos e nitritos funcionam como aceitadores finais na cadeia transportadora de eletrões. Os organismos intervenientes neste processo são bactérias heterotróficas (utilizam compostos orgânicos como fonte de carbono), como por exemplo as Achromobacter, Acinetobacter, Agrobacterium, entre outros. A maior parte das bactérias são facultativas, isto é, tanto utilizam o oxigénio, o nitrato ou nitrito no processo [21][11]. O intervalo de pH para o qual o processo de desnitrificação pode ocorrer é de 6.5 a 7.5 e a uma temperatura aproximadamente 30ºC [22].
orgânico Equação 5
Na zona anóxica do reator biológico ocorre, portanto, o processo de desnitrificação, permitindo a redução dos consumos de energia, visto que, durante o processo ocorre a libertação de oxigénio e parte da matéria orgânica é utilizada como fonte de carbono pelos organismos desnitrificantes. A ocorrência deste processo possibilita a reposição de parte da alcalinidade retirada durante o processo de nitrificação e contribui para uma maior estabilidade do processo, visto que reduz a possibilidade de ocorrência de fenómenos de desnitrificação na decantação secundária, sendo este último processo preocupante principalmente durante períodos de temperaturas mais altas [19][20].
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A remoção biológica do fósforo neste sistema ocorre pela incorporação do fósforo existente na água residual na biomassa celular. Em condições aeróbias, a energia é produzida pela oxidação dos compostos armazenados e o armazenamento de polifosfato dentro das células aumenta. Posteriormente, os compostos de fósforo são removidos do sistema maioritariamente no decantador secundário, onde ocorre a sedimentação das lamas biológicas [11].
O sistema de vala de oxidação apresenta uma razão de recirculação interna entre a mistura do caudal afluente, as águas residuais e as lamas em recirculação bastante mais elevada do que outros sistemas de tratamento biológico, devido ao seu fluxo orbital. Nestes sistemas, ao contrário de uma configuração Plug-flow, a água residual ao entrar no reator é instantaneamente diluída pelo alto caudal de recirculação interna inerente ao próprio fluxo orbital. A junção da situação anterior com o elevado volume de arejamento permite assim, que as pontas hidráulicas e poluentes sejam facilmente absorvidas, garantindo-se uma qualidade de efluente bastante estável [19][20].
2.3. Microrganismos em sistemas de lamas ativadas- indicadores de desempenho do sistema de tratamento
Um sistema de tratamento biológico por lamas ativadas é constituído por uma variedade de microrganismos que possuem um papel fundamental no tratamento adequado da água residual. As bactérias, protozoários, pequenos metazoários e fungos, são alguns dos organismos que estão presentes neste tipo de sistemas.
Nos sistemas de lamas ativadas a componente abiótica é caracterizada pelo reator biológico e a componente biótica pelas comunidades de microrganismos, representadas principalmente pelos decompositores, nomeadamente bactérias e fungos que degradam a matéria orgânica presente para a obtenção de energia, e pelos consumidores, como protozoários e pequenos metazoários que consomem bactérias e outros organismos [23].
O conhecimento da comunidade microbiana no tratamento biológico do efluente é um fator importante para um controlo eficaz sobre o sistema de tratamento. A existência de variações nas comunidades de organismos presentes podem ter origem em
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alterações de parâmetros processuais, que por consequência podem afetar o desempenho do sistema.
2.3.1. Bactérias
A presença de bactérias em sistemas de tratamento por lamas ativadas é determinante no tratamento biológico de águas residuais. As bactérias são seres procarióticas, reproduzem-se principalmente por fissão binária e o tamanho das células varia, geralmente, entre 0.3 e 2 µm [24]. De acordo com as suas necessidades metabólicas, as bactérias podem decompor uma variedade de compostos presentes no efluente, como se pode constatar pelo descrito anteriormente.
Em sistemas de tratamento biológico por lamas ativadas as populações bacterianas podem estar sobre a forma de bactérias dispersas, bactérias formadoras de flocos e bactérias filamentosas [23].
As bactérias são organismos responsáveis pela formação dos flocos no sistema de tratamento por lamas ativadas. Os flocos formados são compostos por agregados de microrganismos e de partículas orgânicas e inorgânicas. Os organismos que estão presentes nos flocos são principalmente bactérias, algumas das quais têm capacidade de formar flocos, como por exemplo as bactérias pertencentes aos géneros Achromobacter, Alcaligenes, Arthrobacter, Citromonas, Flavobacterium, Pseudomonas e Zooglea. As bactérias filamentosas estão também presentes, sendo importantes na manutenção da estrutura do floco. As bactérias formadoras de flocos segregam compostos extracelulares específicos, após decomposição de substâncias orgânicas, constituindo o glicocálice. Deste modo, verifica-se um aumento da viscosidade da água, auxiliando a atividade das enzimas extracelulares e a aglomeração das bactérias a superfícies orgânicas ou inorgânicas. Este processo pode ser designado por biofloculação. Portanto, a floculação baseia-se na agregação de partículas com dimensões e pesos específicos que permitem a sua separação da fase líquida por sedimentação. Assim, a formação de um floco em sistemas de lamas ativadas engloba a floculação de bactérias, formando agregados de organismos que podem incluir também compostos inorgânicos e a constituição de um “esqueleto filamentoso” que permite o aumento da dimensão do floco e a resistência às agressões mecânicas [23][25]. A eficiência do tratamento
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secundário é, assim determinada pela formação adequada de flocos, possibilitando a separação das lamas biológicas da fase líquida, obtendo-se um efluente final clarificado. As bactérias filamentosas reproduzem-se por divisão binária, em que as células formadas permanecem próximas umas das outras originando os filamentos [26].
São vários os parâmetros que podem afetar a atividade das bactérias no interior de um reator biológico, como por exemplo o pH, temperatura e a concentração de oxigénio dissolvido no meio. Um outro parâmetro é a razão A/M (alimento/microrganismo), que para valores altos os organismos não floculam, podendo haver problemas na sedimentação das lamas, e para valores baixos, o substrato é limitado, ocorrendo a oxidação total da matéria orgânica, produzindo-se lamas com boas características para sedimentação no decantador secundário [27].
Portanto, o conhecimento da relação entre parâmetros do processo e as características das bactérias em sistemas de lamas ativadas é uma ferramenta essencial para um controlo mais adequado sobre o sistema.
2.3.1.1. Disfunções em sistemas de lamas ativadas provocadas por bactérias filamentosas
O bom desempenho de um processo de tratamento por lamas ativadas é limitado pela capacidade de separação e concentração das lamas biológicas do efluente tratado no decantador secundário. As propriedades físicas dos flocos das lamas ativadas são determinantes na compactação e sedimentação das lamas. Como constatado anteriormente, as bactérias filamentosas são organismos indispensáveis à formação dos flocos no sistema, visto que formam um “esqueleto” rígido, o qual os restantes organismos aderem a essa estrutura. Se as bactérias filamentosas forem em número insuficiente, os flocos podem-se romper em agregados mais pequenos devido, por exemplo, à turbulência no sistema resultante do arejamento, verificando-se uma menor capacidade de sedimentação das lamas [28]. Por outro lado, se os organismos filamentosos aparecerem em número excessivo, podem provocar problemas no desempenho do sistema, como o bulking filamentoso e o foaming filamentoso [23].
Existe uma variedade de disfunções que podem ocorrer num sistema de lamas ativadas, nomeadamente ao nível da separação das fases sólida e líquida, para além das
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referidas anteriormente, como o bulking não filamentoso, os flocos pin-point, o crescimento disperso, entre outros [29]. Os problemas mais usuais nos sistemas de sedimentação das lamas biológicas resultam do excessivo crescimento de bactérias filamentosas, produzindo-se efluentes de baixa qualidade [23].
Portanto, um dos problemas associados ao crescimento excessivo de bactérias filamentosas nos sistemas de tratamento é o bulking filamentoso. O crescimento excessivo destes organismos pode provocar a formação de pontes entre flocos ou a produção de flocos em malha larga. Nestas duas situações ocorrem problemas na sedimentação das lamas. Os organismos filamentosos que podem provocar este tipo de disfunções são variados, e torna-se necessário conhecer as características de cada um de modo a detetar as causas do seu desenvolvimento [30]. A deteção do fenómeno de bulking pode ser realizada pela análise do Índice Volumétrico de Lamas e pela observação microscópica dos organismos filamentosos presentes nas lamas ativadas [23].
Um outro problema que pode ocorrer nos sistemas de lamas ativadas é o fenómeno de foaming filamentoso. Este deve-se à proliferação de bactérias filamentosas, como a Microthrix parvicella e os nocardioformes, e manifesta-se na formação de uma espuma persistente, de cor castanha e viscosa sobre a superfície do reator biológico e, posteriormente, sobre o decantador secundário [30]. Verificando-se no reator biológico condições favoráveis ao crescimento de organismos filamentosos, estes vão flutuar no reator e no decantador secundário, e sendo estes organismos hidrófobos e a ocorrência de perda de água por evaporação na superfície dos sistemas, levará a que se forme uma camada de espumas rígidas [23]. Microthrix parvicella é o organismo responsável pelo fenómeno de foaming filamentoso mais comum na Europa.
São várias as bactérias filamentosas que podem provocar problemas na sedimentação das lamas biológicas em sistemas de lamas ativadas devido ao seu crescimento excessivo. Estes organismos distinguem-se entre si pelas diferentes necessidades de substrato e de nutrientes, como também da capacidade metabólica de cada um. De modo a se identificar as causas destes problemas através da identificação dos organismos presentes nos sistemas é indispensável o conhecimento das características morfológicas de cada um [30]. Na tabela seguinte, estão representados alguns dos tipos de organismos e as causas relacionadas com o seu crescimento excessivo.
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Tabela 1 - Tipos de organismos e as causas relacionadas com o seu crescimento excessivo em sistemas de lamas ativadas. Adaptado de [11].
Espécies Causas do seu desenvolvimento
Halsicomenobacter hydrossis Microthrix parvicella
Tipo 1701 Sphaerotilus natans
Baixa concentração de oxigénio dissolvido Microthrix parvicella Tipo 0041 Tipo 0092 Tipo 0675 Tipo 1851 Baixa A/M Sphaerotilus natans Thiothrix sp. Tipo 021N Halsicomenobacter hydrossis Tipo 0041 Tipo 675 Carência de nutrientes Fungos Baixo pH
2.3.1.2. Metodologias de análise de bactérias filamentosas
A identificação de bactérias filamentosas em sistemas de tratamento biológico por lamas ativadas é usualmente realizada a partir das características morfológicas e na resposta a técnicas de coloração [23].
Existem várias técnicas de coloração aplicadas como a coloração de Gram, coloração de Neisser, o teste S, o teste de tinta-da-china, entre outros.
A análise microscópica de características morfológicas dos diferentes organismos filamentosos baseia-se na análise da presença ou ausência de ramificações, na mobilidade, na forma do filamento (direito, em ramalhete, enrolado, levemente curvo e dobrado), na localização do filamento (interna, externa e livre relativamente ao floco), na existência ou não de crescimento de bactérias sésseis, na existência ou ausência de bainha, nas formas das células, que podem ser quadradas, retangulares, em forma de bastonete, discoides ou em barril, na identificação de indentação ao septo e na presença de inclusões [30].
A partir da observação microscópica também é possível determinar qualitativamente a abundância das bactérias filamentosas no sistema de tratamento,
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através da atribuição de categorias propostas por Jenkins et al., (2004) [29]. Este método consiste na visualização de um conjunto de flocos de uma amostra do licor misto, e na posterior atribuição de uma categoria mediante o número de filamentos presentes em cada floco observado.
A identificação de bactérias filamentosas através da análise microscópica tem algumas limitações, como a exigência de um técnico com experiência sobre a identificação das diferentes bactérias filamentosas e o facto de, por vezes, haver alterações morfológicas em alguns organismos filamentosos em determinadas condições ambientais [27].
2.3.2. Protozoários e metazoários
Para além das bactérias, os protozoários e os pequenos metazoários são organismos fundamentais no tratamento de águas residuais em sistemas de lamas ativadas e são, geralmente, abundantes em sistemas de tratamento que operam eficientemente. A análise da estrutura destas comunidades de organismos tem sido utilizada como uma ferramenta de diagnóstico e de avaliação do desempenho dos sistemas de tratamento biológico [31].
Existe uma grande diversidade de protozoários, os quais diferem entre si pelas suas características morfológicas e fisiológicas variadas. Estes são organismos eucariontes e unicelulares, e podem ser encontrados em quase todos os ambientes aquáticos. Os protozoários possuem estruturas que são determinantes na sua locomoção como, cílios, flagelos e pseudópodes [32]. Estes organismos podem dividir-se em três grupos, segundo o modo de locomoção: os Flagelados, que podem ser constituídos por um ou mais flagelos para locomoção e alimentação; as Sarcodinas, que possuem pseudópodes e os Ciliados constituídos por cílios para locomoção [32].
O grupo dos ciliados, são protozoários que aparecem em grande número em sistemas de tratamento aeróbio de efluentes, constituindo 9 % dos sólidos suspensos do licor misto do tanque de arejamento [33]. Este grupo pode-se dividir em quatro tipos, segundo os tipos de cílios e aparelho oral que apresentam: Holotrichia, Spirotrichia, Petitrichia e Suctoria [32].
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Em sistemas de tratamento de águas residuais os protozoários podem melhorar a qualidade do efluente pela predação das bactérias dispersas no licor misto, como também dos seus agregados. Constata-se que a inexistência de protozoários ciliados no interior do reator biológico, o efluente tratado caracteriza-se por uma elevada CBO e por alta turbidez [34]. Madoni, (1994) [35], classificou os ciliados bacterívoros em três grupos funcionais, com base no seu comportamento e modo de alimentação:
Nadadores: estes organismos nadam no licor misto e mantêm-se dispersos sobre no reator biológico;
Móveis de fundo: habitam à superfície dos flocos de lama biológica;
Sésseis: os organismos estão fixos aos flocos através de um pedúnculo e durante o processo de sedimentação estes precipitam [36].
Um dos objetivos do tratamento biológico por lamas ativadas é a agregação de bactérias, e outros organismos também presentes no licor misto podem se associar a estes. Deste modo, os organismos que estão associados aos flocos biológicos têm vantagem em relação aos que nadam no interior do reator, estando estes sujeitos a serem retirados do sistema de tratamento através do efluente. O grupo dos organismos nadadores e sésseis alimentam-se das bactérias dispersas presentes no meio, competindo por este alimento, enquanto que os organismos móveis de fundo alimentam-se das bactérias que estão sobre o floco, ocupando um nicho ecológico diferente [34].
No interior de um reator biológico de um sistema de lamas ativadas estabelece-se uma rede trófica, como estabelece-se pode verificar pela figura estabelece-seguinte:
Figura 3 - Rede trófica num sistema de tratamento de águas residuais por lamas ativadas. Adaptado de [36].
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O crescimento dos organismos predadores é limitado pela presença das suas presas. Por outro lado, o crescimento dos decompositores é dependente da quantidade e qualidade de material orgânico presente no licor misto do sistema de tratamento [33].
Desde a fase de arranque de um sistema de tratamento até à fase de estabilização, existem três fases diferentes:
A fase inicial do sistema de tratamento é descrita pela presença de organismos como os flagelados e ciliados nadadores, que entrem no sistema com o efluente; A segunda fase caracteriza-se pela substituição dos organismos nadadores pelos
móveis de fundo e sésseis, verificando-se um grande desenvolvimento destes últimos organismos que são os ciliados típicos dos sistemas de tratamento por lamas ativadas;
A fase estacionária caracteriza-se pela comunidade de organismos em que a sua estrutura traduz as condições estáveis atingidas no sistema de tratamento. Nesta fase prevalecem os organismos móveis de fundo e sésseis [25].
Um sistema de tratamento opera ineficientemente quando, em pleno funcionamento, verifica-se que estão presentes organismos que são característicos da fase de colonização em um número excessivo. Se este problema ocorrer provisoriamente, pode dever-se a uma perda de lamas, ao baixo oxigénio dissolvido, a variações do tempo de retenção ou devido à presença de compostos tóxicos [27].
Os metazoários são organismos que também surgem em sistemas de tratamento por lamas ativadas. Estes são organismos pluricelulares e alimentam-se de protozoários e de bactérias presentes no sistema. Estes são característicos em sistemas de tratamento por arejamento prolongado. Organismos como, os rotíferos e os nemátodos aparecem usualmente nestes sistemas de tratamento [27].
As condições ambientais têm um grande efeito sobre a comunidade de protozoários num reator biológico de um sistema de lamas ativadas, podendo afetar o desempenho da instalação. A análise da estrutura das comunidades de organismos num reator biológico, como a presença ou ausência de uma espécie, a dominância de espécies ou a composição de organismos, estando estes associados às características
