AVALIAÇÃO DA BIODEGRADABILIDADE DO LODO DE ESGOTO POR MEIO DA
COMPOSTAGEM, UTILIZANDO RESPIROMETRIA.
Zanna Maria Rodrigues de Matos (*)
Professor Visitante da Universidade Estadual de Feira de Santana- Ba- Brasil.
Mestre em Tecnologia Ambiental e Recursos Hídricos na Universidade de Brasília-UnB. Engenheira Civil pela Universidade Federal de Viçosa – UFV
Fernando Fernandes
Universidade Estadual de Londrina –PR- Brasil Ricardo Silveira Bernardes
Universidade de Brasília - UnB
(*)Av. Sete de Setembro, 1514 apt 1901 Bairro Campo Grande –Salvador – Ba, CEP– 40.080-001– País Brasil Tel.:(71)328-3757 – Fax: (75)224-8105. e-mail: zanna@uefs.br
RESUMO
O presente trabalho trata-se de um estudo de avaliação da biodegradabilidade do lodo de esgoto por meio da compostagem, utilizando a respirometria. Foram utilizados lodos provenientes de estações de tratamento aeróbias (lodos ativados) e anaeróbias (reatores anaeróbios), utilizando como medida de avaliação a produção de CO2. Além disso, tem como objetivos específicos: avaliar se o reator em escala de laboratório poderá ser usado como um apoio eficiente para estudos prévios da biodegradabilidade de substratos, antes do processo de compostagem e avaliar a degradação da matéria orgânica no lodo de esgoto na compostagem, sob aspectos físicos (temperatura e sólidos degradáveis), biológicos (atividade respiratória) e químicos (taxa de carbono). Para atingir os objetivos do trabalho foi montado um aparato experimental que consistia em reatores de P.V.C com diâmetro de 100mm e 400mm de comprimento. Esses reatores foram alimentados com ar continuamente e determinados parâmetros de acompanhamento do processo de degradação como: temperatura, sólidos voláteis, umidade, carbono, nitrogênio e teor de CO2.
Para avaliação da biodegradabilidade do lodo de esgoto por meio da respirometria, fez o uso de modelos matemáticos baseados em equações cinéticas de 1ª ordem, que explicam a transformação biológica do carbono na reação de oxidação da matéria orgânica.
Com os resultados mostraram que com a utilização do reator em escala de laboratório, pela sua simplicidade pode ser usado como um apoio eficiente para estudos prévios da biodegradabilidade de lodo de esgoto, antes do processo de compostagem. A produção de CO2 apresentou uma medida bastante eficaz de avaliação da degradabilidade do lodo de esgoto.
Palabras Clave : Biodegradabilidade, Lodo de esgoto e Respirometria INTRODUÇAO
O saneamento básico contém os serviços de esgotamento sanitário, que englobam as operações de coleta e tratamento de efluentes e destino final dos resíduos sólidos gerados nesses serviços (Rocha e Shirota,1999). Com sua realização, surge um outro desafio a ser superado: a disposição adequada do lodo de esgoto. Esse material, em função de seu teor de matéria orgânica e nutriente, pode ser aplicado na agricultura como condicionador, porém certas precauções devem ser tomadas a fim de evitar a contaminação do meio ambiente e riscos ao ser humano.
A questão de destino final do lodo de esgoto estava um pouco esquecida até que, recentemente, instalaram-se sistemas modernos simplificados de tratamento de águas residuárias, sistemas esses que combinam uma alta eficiência e baixos custos de construção e operação, sem propostas consistentes para o que fazer com o lodo de esgoto por eles gerados. Baseado nisso, urge que sejam apresentadas soluções ou alternativas para uma solução segura de tratamento adequado desse resíduo, que obedeçam aos critérios de baixo custo aliado à facilidade de operação e manutenção, consistindo, assim, em uma alternativa simplificada. A falta de uma alternativa segura para o tratamento do lodo de esgoto ou biossólido, pode anular os benefícios do saneamento (Fernandes e Silva, 1999). Partindo-se da idéia de instalação dos sistemas simplificados de tratamento de esgoto, há necessidade de pesquisar uma tecnologia simples e de baixo custo, visando sua viabilidade de atender principalmente às pequenas comunidades. Dessa forma, a compostagem torna-se uma alternativa possível para o tratamento do lodo por eles gerados (Razvi, 1986).
Nesse contexto, e tendo a compostagem como uma alternativa de tratamento, é interessante avaliar se aquele resíduo gerado em uma determinada ETE tem potencial para ser estabilizado por esse processo aeróbio.
OBJETIVOS
O objetivo principal da pesquisa é a avaliação da biodegradabilidade do lodo de esgoto no processo aeróbio, proveniente de estações de tratamento aeróbias (lodos ativados) e anaeróbias (reatores anaeróbios), utilizando como medida de avaliação a produção de CO2. Além disso, tem como objetivos específicos: i) avaliar se o reator em pequena escala, de baixo custo e de fácil manipulação, poderá ser usado como um apoio eficiente para estudos prévios da biodegradabilidade de substratos orgânicos, antes do processo de compostagem em larga escala; ii) avaliar a biodegradação da matéria orgânica no lodo de esgoto na compostagem, sob aspectos físicos (temperatura e sólidos degradáveis), biológicos (produção de CO2) e químicos (taxa de carbono); iii) obter informações operacionais no processo da compostagem dos diferentes lodos utilizados na pesquisa, tais como: temperatura máxima atingida durante o processo e evolução da produção de CO2.
REVISÃOBIBLIOGRÁFICA
Os processos que removem resíduos sólidos nas estações de tratamento de águas residuárias incluem peneiramento, remoção de areia, remoção de escumas e remoção de lodos. O lodo é o resultado das operações e processos de tratamento de águas residuárias, usualmente na forma de um líquido ou semi-sólido líquido, que contém tipicamente de 0,25 a 12% de peso de sólido, a depender das operações e processos utilizados (Metcalf & Eddy,1991).
Os processos e operações num sistema de tratamento de águas residuárias, geradores de lodo de esgoto, podem ser processos físicos, como é o caso da sedimentação no tratamento primário e processos biológicos que podem ser aeróbios (lodos ativados, lagoas aeradas, valos de oxidação e etc) e anaeróbios (reatores anaeróbios, tanque IMHOF, lagoas anaeróbias etc).
O gerenciamento do lodo de esgoto tem gerado certa preocupação em países em desenvolvimento, como é o caso do Brasil, onde o tratamento de esgoto é uma questão que não está solucionada, existindo milhares de municípios sem tratar o esgoto. No momento em que iniciar o processo de expansão de tratamento de águas residuárias o lodo será um grande problema a ser equacionado.
Uma das técnicas utilizadas como alternativa de tratamento de lodo produzidos nas estações de tratamento é a compostagem. A compostagem é o processo aeróbio de decomposição biológica da matéria orgânica, produzindo um produto estável que poderia ser utilizado da agricultura como condicionador de solo. (Andreoli et al.,1999, Pereira Neto, 1996, Metcalf & Eddy,1991e van Oorschot et al.2000).
Sendo um processo biológico e aeróbio, seu desempenho depende dos fatores controladores do processo, tais como: temperatura, umidade, pH, relação C/N e aeração. O lodo de esgoto por ter uma granulometria muito fina, precisa adicionar outro resíduo que dar a estrutura de vazios, facilitando a entrada do oxigênio na massa a ser compostada. Esse resíduo é denominado de resíduo estruturante (Aisse et al.,1999).
O processo de compostagem pode ser simplificadamente representado pelo esquema abaixo:
Matéria + Microorganismos + O2 ⇒ Matéria + CO2 + H2O + Biomassa + Energia (Equação 1) Orgânica Orgânica
Estável
Metcalf & Eddy (1991) destacam que os microorganismos envolvidos no processo da compostagem são três grandes grupos: bactérias, actinomicetos e fungos. Esses microorganismos são responsáveis pela complexacão da matéria orgânica existente no lodo. Nesse processo de degradação os microorganismos consomem o oxigênio e produzem CO2 como pode ser visto na equação 1.
Gouleke e Diaz (1990) dizem que o sistema biológico é o princípio básico para efeito da compostagem e determina a capacidade potencial e desempenho do sistema. Os microorganismos no consumo da matéria orgânica produzem calor em forma de energia, dióxido de carbono e vapor de água (Gouleke e Diaz,1990; Hackett et al.,1999). Como forma de equacionar o sistema da compostagem existem modelos matemáticos que explicam, de forma simples, a degradação da matéria orgânica, a transformação biológica do carbono na compostagem, baseados nas equações cinéticas de primeira ordem de Monod. Essas equações refletem que a taxa de utilização do substrato é diretamente proporcional a concentração do substrato, então a reação segue de primeira ordem (Von Sperling, 1996). Linearizadas são representadas pelas equações abaixo:
t . k
e
Ci
C
=
∗
− (Equação 2) Onde:=
C
Carbono final (moles de carbono/Kg de lodo seco); Ci = Carbono Inicial (moles de carbono/Kg de lodo seco);k
= Constante de velocidade de reação (d-1);t
= Tempo (d).Num processo de compostagem, a transformação biológica da matéria orgânica divide-se em duas parcelas: fonte de carbono oxidável e na parcela que transforma em biomassa. Assim, considerando que a parcela do carbono oxidável é toda convertida em CO2, a Equação 3 representa a taxa de carbono oxidado no processo de degradação da matéria orgânica.
(
)
dt
dC
Y
1
dt
dC
ox⋅
−
=
(Equação 3) Onde:dCox= Taxa de carbono oxidado (massa/volume.tempo);
dt
dC = Taxa de carbono disponível como substrato (massa/volume . tempo); dt
(1-Y) = Fração do carbono oxidado.
Analogamente, assim como crescimento bacteriano é proporcional à concentração de substrato, a produção de CO2 é proporcional à concentração de carbono oxidado existente na mistura. Assim, a concentração CO2 produzida é proporcional à taxa de utilização do carbono disponível.
Substituindo (1-Y) por α na Equação 3 e considerando que todo carbono oxidado é convertido em CO2, então tem-se uma equação que repretem-senta a produção de CO2 a partir dos valores obtidos de carbono oxidado. A equação utilizada para conversão de carbono em CO2 produzido está apresentada abaixo:
(
C Ci)
CO2=α∗ −
(Equação 4) Onde :
α
=
Fração do carbono oxidado convertida em CO2.Algumas experiências tem sido realizadas utilizando a respirometria como instrumento de avaliação de degradação da matéria orgânica como pode-se destacar algumas. Nakasaki et al.(1992) pesquisaram a taxa de decomposição em ambientes aeróbios e anaeróbios a acompanhando a evolução microbiana. O experimento foi realizado em reatores onde uma das carreiras, o sistema foi alimentado com ar e a outra com uma taxa de 3% de oxigênio. A evolução microbiana foi acompanhada pela determinação de CO2 produzido pelo metabolismo bacteriano. Switzenbaum et al. (1997), realizaram uma revisão de literatura a fim de estabelecer critérios e métodos para definir a estabilidade. Foram apresentados diversos tratamentos de lodo onde foram definidos para cada um deles, critérios que definissem a estabilidade. No processo da compostagem fazem menção a três procedimentos recomendados para avaliação da estabilidade do composto, baseados em aspectos físicos, químicos e biológicos. Os aspectos físicos referem-se a temperatura, cor, odor e sólidos. Os aspectos químicos: oxigênio consumido, taxa de carbono e nitrogênio, pH, troca catiônica etcs e os aspectos biológicos, atividade metabólica medida pela evolução do dióxido de carbono, ou seja, respirometria como medida rápida de obtenção do metabolismo microbiológico. Todas as medidas, de atividades microbianas, são diretamente (CO2 e O2) ou indiretamente (potencial de aquecimento). O método de CO2 tem sido usado muito mais do que os métodos de oxigênio e do potencial de aquecimento, pela simplicidade do teste baseados no princípio da respirometria.
MATERIAIS E MÉTODOS
Para realização da pesquisa, foi montado um aparato experimental composto por seis reatores em P.V.C, com dimensões de 400 mm de comprimento e 100 mm de diâmetro. Os reatores eram fechados com caps do mesmo diâmetro. Na parte inferior do reator era fixa e havia a entrada de ar e na sua parte superior, móvel, onde haviam duas saídas. Uma saída para medida de temperatura e a outra era conectado as mangueiras do sistema de fixação do CO2 produzido. O sistema era alimentado de ar continuamente por meio de um compressor. Na tentativa de manter a temperatura interna da mistura de resíduos, os reatores foram envolvidos com manta de geotêxtil e fechados os "caps" com ligas de borracha. No interior de cada reator foi colocada uma placa de acrílico perfurada, que funcionava como difusor de ar e anéis de borracha, para evitar os possíveis caminhos preferenciais do ar. As Figuras 1, 2 , 3 e 4 mostram os detalhes do aparato experimental montado.
Figura 2 - Vista do aparato experimental montado Figura 3 - Detalhe dos recipientes de vidro para coleta de CO2
Figura 4 - Vista da parte interna dos reatores
Os reatores foram preenchidos com a mistura de lodo de esgoto e serragem fina de madeira como o resíduo estruturante, e o sistema foi alimentado com ar continuamente por meio de um compressor. Foram utilizados quatro tipos de lodo, provenientes de estações de tratamento aeróbias e anaeróbias da CAESB (Companhia de Saneamento do DF). O lodo de esgoto foi coletado em estações que possuem processos de tratamentos aeróbios e anaeróbios, gerando, assim, lodos aeróbios e anaeróbios. Foram coletados lodos de esgoto das Estações de Tratamento de Lodos Ativados com seguintes características: i) sistema contínuo com remoção biológica de nutrientes; ii) sistema em batelada com remoção biológica de nutrientes. Também foram coletados lodos de esgoto oriundos de reatores anaeróbios (UASB).
Foram realizadas três carreiras experimentais onde foram monitorados parâmetros como: temperatura, umidade, sólidos totais, sólidos voláteis, produção de CO2, carbono total e nitrogênio total. A Tabela 1 mostra os parâmetros determinados e os respectivos métodos utilizados.
Tabela 1 - Análises e métodos utilizados no monitoramento do experimento.
ANÁLISES MÉTODO/EQUIPAMENTO
Temperatura Termômetro de Mercúrio
Umidade Base seca - 100 - 110ºC, APHA(1995)
Umidade Relativa do Ar Aparelho Davis
Sólidos Totais Determinação Gravimétrica, APHA(1995) Sólidos Voláteis Totais Determinação Gravimétrica, APHA(1995)
Carbono Orgânico Total Titulométrico Óxi-redução por via úmida - "Walkey-Black", (Nelson E Sommers,1982)
Nitrogênio Total Kjeldahl (NTK) 1ª fase- Digestão -Micro-Kjeldahl
2ª fase - Medição - Método Colorimétrico de Nessler/ Espectofotômetro, APHA(1995)
Teor de Gás Carbônico Titulométrico, APHA(1995)
Foi realizada uma avaliação qualitativa de organismos aeróbios das diversas fases da compostagem, durante um período de 21 dias e não foram realizadas em todas as carreiras do desenvolvimento experimental.
As análises de contagem bacteriológicas utilizam-se o método de diluição em série e plaqueamento. Foram utilizados meios de cultura TSA e TSB. Estes meios promovem o aparecimento de colônias em volta do microorganismo aeróbios, usualmente denominadas unidades formadoras de colônias (UFC), que podem ser contadas a olho nú após um determinado período de incubação.
Para a avaliação da biodegradabilidade do lodo de esgoto, fez-se uso da equação cinética de primeira ordem a partir das equações conhecidas, que descrevem a transformação biológica o carbono citadas anteriormente.
A partir dos valores obtidos de carbono, através da aplicação do modelo ao longo do tempo da carreira experimental e dos valores de CO2 obtidos nos experimentos, utilizando as equações mencionadas acima, foi possível determinar o fator k e α que melhor ajustou os valores, nas respectivas carreiras experimentais. Os valores de k e α considerados de melhor ajuste, ou seja, aquele que foi verificado o coeficiente de determinação (R2) mais próximo de 1.
RESULTADOS E CONCLUSÕES
A temperatura de uma maneira geral, em todas as carreiras experimentais, apresentou níveis constantes e mais baixos, do que os níveis de temperaturas considerados ideais para um processo da compostagem. Segundo a literatura, as temperaturas ideais para o processo da compostagem, estão na faixa de 55oC a 65oC, pois é quando há destruição dos organismos patogênicos pelas bactérias termofílicas que vivem nesse ambiente (Gouleke e Diaz, 1990). Esses níveis mais baixos de temperaturas podem ser justificados, em virtude do isolamento não adequado dos reatores havendo uma grande perda de calor que refletiria em uma alteração da temperatura. A umidade de forma geral manteve-se constante ao longo das carreiras experimentais. A produção de CO2 apresentou-se crescente ao das carreiras experimentais.A Figura 5 e 6 mostram de maneira geral o comportamento da temperatura, da umidade e da produção de CO2 nas três carreiras experimentais.
20 25 30 35 40 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 Tempo (dia) T em pe ratu ra (º C ) 0 2 4 6 8 10 12 14 16 P rod u ção d e C O 2( m oles /K g d e lo do se co )
TempRAn1 Temp.Ambiente Prod. CO2
Figura 5 - Evolução da temperatura e da produção de CO2 do Reator Anaeróbio 01 (RAn1- carregado com lodo anaeróbio logo após a coleta) da 1a carreira de experimentos.
20 22 24 26 28 30 32 34 36 38 40 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 Tempo (dia) Te m pe rat u ra ( ºC ) 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 Um id ad e ( % )
TempRAedesi3 Temp.Amb. Umidade
Figura 6- Evolução da temperatura e umidade do Reator Aeróbio desidratado 03 (RAedesi3- carregado com lodo aeróbio desidratado) da 3a carreira de experimentos
Com a aplicação das equações cinéticas de primeira ordem foi possível identificar, os comportamentos comuns de degradabilidade dos diversos lodos experimentados, em relação à produção de CO2. Esses comportamentos deram-se em função do valor da taxa de conversão de carbono oxidável em CO2 e também com relação ao coeficiente de velocidade de reação representada por K. Assim ao longo das três carreiras experimentais foram encontradas similaridades desses parâmetros co-relacionados com o teor de sólidos voláteis disponível do tipo de lodo, origem do lodo, além da forma de processamento dos diferentes tipos de lodo. A Tabela 2 mostra os valores da taxa de conversão α e dos coeficientes de velocidades de reação K obtidos nos ajustes das curvas numa carreira experimental, mostrando inclusive a não estabilidade de lodo considerados estáveis.
Tabela 2 - Valores de k e α obtidos no ajuste da 3a carreira de experimentos.
RAnarm1 RAnarm2 RAedesi3 RAedesi4 RPr5 RPr6
K(d-1) 0.09 0.064 0.15 0.09 0.23 0.11
α 0.13 0.31 0.05 0.18 0.33 0.27
CONCLUSÕES
Com os resultados obtidos nesse trabalho, foi possível avaliar a biodegradabilidade do lodo de esgoto por meio do processo da compostagem, sob aspectos físicos-químicos e aspectos biológicos (atividade respiratória). Tendo em vista o isolamento não adequado do sistema, a temperatura não apresentou sensibilidade suficiente como fator de monitoramento do processo de biodegradação; a umidade e o fluxo de ar têm inter-relação com a temperatura; as temperaturas atingidas nos reatores indicam que a degradação da matéria orgânica ocorreu na fase mesofílica (25- 40oC); a produção de CO2 mostrou-se como parâmetro bastante eficaz de avaliação e monitoramento da degradabilidade do lodo de esgoto; Com o modelo utilizado para avaliação da biodegradabilidade dos diferentes lodos testados no experimento, foi possível fazer uma avaliação qualitativa da degradação ao longo de cada carreira, mostrando-se uma ferramenta adequada. Através do modelo foi possível avaliar o potencial de degradação do lodo, em função do teor de carbono inicial e da produção de CO2 no metabolismo bacteriano do processo. Os coeficientes de velocidade de reação apresentaram valores médios similares para os ensaios com os diversos lodos A aplicação desses modelos matemáticos à biodegradabilidade de resíduos sólidos é pouco explorada aqui no Brasil, sendo uma ferramenta altamente interessante para esses tipos de estudos.
REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS
Aisse, M.M., Von Haandel, A.C., Von Sperling, M., Campos,J.R., Couracci Filho, B. e Além Sobrinho, P. (1999)."Tratamento e Destino Final do Lodo Gerado em Reatores Anaeróbios." In: Campos, J.R.(coord.). Tratamento de Esgotos Sanitários por
Processo Aeróbio e Disposição Controlada no Solo. ABES, Rio de Janeiro, RJ, 271-299.
Andreoli, C.V e Fernandes, F.(1999). "Aspectos Metodológicos". In Andreolli, C.V. e Fernandes, F. (coords) Reciclagem de
Biossólidos : transformando problemas em soluções. SANEPAR - Companhia de Saneamento do Paraná, Curitiba - PR, 300p.
APHA, AWWA E WEF(1995).Standard Methods for the Examination of Water and Wastewater, 19º edição, AWA, Washington,
EUA.
Fernandes, F. e Silva, S.M.P da (coords) (1999). "Manual Prático para Compostagem de Biossólidos”.ABES - Associação
Brasileira de Engenharia Sanitária e Ambiental, Rio de Janeiro, Brasil, 84p.
Gouleke,C.G. e Diaz,L. F.(1990) “Understanding the Basics of Composting.” Biocycle: journal of waste recycling,31(4),56-59. Hackett, G.A.R., Easton, C.A. e Duff, S.J.B.(1999). "Composting of pulp and paper mil fly ash with wastewater treatment sludge." Bioresource Tecnology, 70(1999), 217-224.
Metcalf & Eddy (1991).Waste water engineering, Treatment, Disposal and Reuse. Mcgraw-Hill International Editions, E.U.A .,1334p.
Nakasaki, N., Watenabe, A. e Kubota, N.(1992)."Effects of oxigen concentration on composting organics." Biocycle: Journal of
waste recycling, 33(6), 52-54p.
Nelson,D.W E Sommers,L.E. "Total Carbon, Organic Carbon, and Organic Matter." In: Page, A.L., Miller, R.H. and Keeney, D.R.(editors). Methods of Soil Analisys. U.S.A, 539-577p,1982.
Razvi, A..S.(1986) "Co-Composting for Small Communities." Biocycle: journal of waste recycling, 27(8), 26-27. Rocha, M. T. e Shirota, R. (1999). “Reciclagem Agrícola de Lodo de Esgoto: Determinação do”.
ótimo social e custos privados.”Revista Engenharia Sanitária e Ambiental, 4(1) (2), 55-62”.
Switzenbaum, S. M., Moss, L.H., Epstein, E., Pincince, A..B e Donovan, J. F.(1997)."Defining Biosolids Stability." Journal Of
Envorimental Engineering, 123(12), 1178 - 1184.
Van Oorschot,R., de Waal, D. e Semple, L.(2000)."Options for beneficial reuse of biosolids in Victoria." Water Science
Tecnology, 41(8), 115-122p.
Von Sperling, Marcos. (1996). Princípios de Tratamentos Biológico de Águas Residuárias Básicos. DESA - Departamento de Engenharia Sanitária e Ambiental Universidade Federal de Minas Gerais, Vol 2, 211p.
