XXVII Congresso Interamericano de Engenharia Sanitária e Ambiental
I-089 - CORRELAÇÃO ENTRE A MICROFAUNA E AS CONDIÇÕES
OPERACIONAIS DE UM PROCESSO DE LODOS ATIVADOS
Silvana Audrá Cutolo(1)
Bióloga Sanitarista. Mestre em Saúde Pública do Departamento de Saúde Ambiental da
Faculdade de Saúde Pública da Universidade de São Paulo (FSP/USP). Doutoranda em
Saúde Pública (FSP/USP).
Aristides Almeida Rocha
Professor Titular do Departamento de Saúde Ambiental da Faculdade de Saúde Pública da
Universidade de São Paulo (FSP/USP).
Endereço(1): Av. Dr. Arnaldo, 715 - Cerqueira César - São Paulo - SP - CEP: 01246-904 Brasil - Tel: (11) 3066-7732 - e-mail: [email protected]
RESUMO
Por meio de experimentos em bancada no laboratório, verificou-se a composição biológica e a correlação
entre as condições impostas aos dois sistemas, simulando o processo convencional de lodos ativados com
carga constante e o outro com variação de carga. Para cada experimento foram analisados os parâmetros
físico-químicos e biológicos, identificando e quantificando a microfauna. Os objetivos foram alcançados e
concluindo-se que a co-dominância de protozoários ciliados de vida livre e ciliados pedunculados
propiciaram melhor eficiência dos experimentos, em conjunto aos parâmetros físico-químicos; já os
protozoários ciliados livre natantes e os flagelados foram indicadores das fases inicial e de recuperação do
processo.
PALAVRAS-CHAVE: Microfauna, Condições Operacionais, Análise Estatística, Processo de Lodos
Ativados.
INTRODUÇÃO
Nas estações de tratamento de esgotos, os processos fundamentam-se nas atividades enzimáticas da
comunidade microbiológica, que transformam os compostos químicos complexos presentes nos esgotos.
Basicamente, as bactérias desempenham papel preponderante na reação de oxidação e a microfauna na
clarificação do efluente final.
A população microbiana que participa da formação dos flocos no processo de lodos ativados é composta por
bactérias, fungos, protozoários e micrometazoários. A estrutura da comunidade, distribuição e frequência dos
organismos estão relacionadas com as condições operacionais do tratamento; com a qualidade e quantidade
de esgotos que alimenta o sistema, e a uma série de fatores impostos a cada processo de tratamento de
esgotos.
As comunidades estabelecidas são dinâmicas e fundamentais ao sistema de tratamento, e a cada espécie de
organismo possue uma determinada finalidade no controle operacional do processo de lodos ativados. Assim,
as bactérias filamentosas são importantes na formação da base estrutural do floco, mas devem ter um controle
efetivo no crescimento para evitar o intumescimento de lodo. A presença de fungos no processo de lodos
ativados está associada ao pH baixo; à concentrações elevadas de carboidratos e à deficiência de nutrientes.
Os protozoários são essenciais na formação dos flocos e na clarificação do efluente final (Branco, 1967;
Varma, 1975; Drakides, 1980; Esteban, 1991 e Madoni, 1993, Cowan, 1996, Cutolo, 1996, Amann, 1998,
Bouchez, 2000).
De acordo com Branco (1986), na estabilização do esgoto no tanque de aeração do processo de lodos
ativados, desenvolve-se uma associação de microrganismos relacionados às características dos distintos
ambientes ecológicos e que são substituídos no decorrer do tempo. Verifica-se com isso um processo de
sucessão extremamente dinâmico entre os grupos de organismos.
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As bactérias heterotróficas ocupam um nicho físico constituído pelo floco formado pelas bactérias
filamentosas, e que se torna o principal elemento ativo, adsorvente-oxidante no processo de depuração do
esgoto (Branco, 1967, Drakides, 1980, Bouchez, 2000).
A sucessão de protozoários e micrometazoários parece estar relacionada mais com a natureza física dos
substratos nutritivos do que com a composição química. Dentre os protozoários, os flagelados e rizópodos
competem com as bactérias pelo alimento solúvel , e são substituídos pelos ciliados de vida livre e sésseis que
se nutrem das próprias bactérias. Finalmente, quando o nível energético do sistema declina a valores baixos,
podem surgir os micrometazoários como os rotíferos e anelídeos e que se alimentam de protozoários e
fragmentos de flocos.
A ocorrência e abundância dos protozoários mais importantes no processo de clarificação do efluente final
decorre da relação entre as condições operacionais do sistema. Em particular, as amebas com carapaça como
os gêneros e espécies de Arcella sp e Euglypha sp e ciliado séssil Vaginicola crystallina estariam
relacionados com a nitrificação. Em oposição, os ciliados sésseis Vorticela microstoma e Opercularia ssp
teriam correlações com baixas concentrações de oxigênio dissolvido (OD) no tanque de aeração e elevada
demanda bioquímica de oxigênio (DBO) no efluente final.
A finalidade do presente estudo foi conhecer a composição biológica desenvolvida em dois experimentos do
processo de lodos ativados e correlacioná-la com as condições operacionais impostas no processo de
estabilização da matéria orgânica presente nos esgotos.
MATERIAIS E MÉTODOS
Os ensaios experimentais foram desenvolvidos em laboratório através de 2 (dois) reatores biológicos operados na
faixa do processo de lodos ativados convencional, sendo que um ensaio foi alimentado com uma carga constante e
outro com carga variável de esgoto.
Os reatores biológicos foram inicialmente inoculados com lodo proveniente de um sistema semelhante e em seguida
receberam alimentação contínua com esgotos monitorados por um programa de análises laboratoriais.
Para cada ensaio foram analisados os parâmetros Demanda Bioquímica de Oxigênio (DBO5d,20o C); Demanda
Química de Oxigênio (DQO); Sólidos Totais (ST), Sólidos Fixos (SF) e Sólidos Voláteis (SV); Sólidos Suspensos
Totais (SST), Sólidos Suspensos Fixos (SSF) e Sólidos Suspensos Voláteis (SSV); Sólidos Sedimentáveis (SS);
Oxigênio Dissolvido (OD); pH; Temperatura; Identificação e Quantificação da Microfauna com auxílio de
microscópio óptico. Os parâmetros físico-químicos foram analisados nas entradas dos experimentos, no lodo do
tanque de aeração e no efluente final (AWWA, 1992). Para identificação e contagem da microfauna foram
analisadas amostras de lodo do tanque de aeração (CETESB, 1990).
A tabela 1 apresenta os parâmetros analisados, os pontos de amostragem e a frequência das análises para
cada ensaio.
Tabela 1 - Parâmetros, pontos de amostragem e frequência das análises para cada ensaio experimental.
Parâmetros
Pontos de amostragem
Frequência da análises
DBO5d,20o C (mg O2/L)
Esgoto à entrada e saída
2 x por semana
DQO (mg O2/L)
Esgoto à entrada e saída
2 x por semana
ST, SF, SV (mg/L)
Esgoto à entrada e saída, e lodos 2 x por semana
do tanque de aeração
SST, SSF, SSV(mg/L)
Esgoto à entrada e saída, e lodos 2 x por semana
do tanque de aeração
SS (mg/L)
Esgoto à entrada e saída, e lodos 2 x por semana
do tanque de aeração
OD (mg O2/L)
Lodos do tanque de aeração
2 x por semana
pH
Esgoto à entrada e saída
2 x por semana
Temperatura (o C)
Esgoto à entrada e saída
2 x por semana
Microfauna (no org/ml)
Lodos do tanque de aeração
1 x por dia
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Para cada ensaio experimental biológico foi proposta uma condição operacional, simulando uma estação de
tratamento de esgoto recebendo carga constante e outra, carga variável simulando estação funcionando em
período de tempo com carga constante, mas que sofre picos em determinadas épocas do ano, como exemplo
as estações construídas em cidades litorâneas, onde há um aumento populacional nos períodos de verão. Na
tabela 2 são apresentados os valores das condições operacionais impostas nos ensaios biológicos.
Tabela 2 - Aspectos operacionais dos sistema de lodo ativado convencional com carga constante e com
carga variável.
Aspectos operacionais
Carga Constante
Carga Variável
0,3
0,3
Fator de carga (ƒ) - Kg DBO/Kg SS x dia
Volume tanque aeração - L
6,5
6,5
DBO5d,20o C - mg/L
210
210
Concentração sólidos suspensos (SS) - mg/L
2000
2000
Vazão média de alimentação - L/dia
18,6
18,6
Tempo de detenção hidráulico - horas
8,4
8,4
Vazão de alimentação - L
18,62
18,62
3,15*
Idade do lodo - dia
8
8
Vazão de descarte
0,81
0,81
* o experimento no 2 recebe em dois dias da semana uma vazão menor.
Pode-se por meio da identificação das espécies de organismos encontrados nos experimentos agrupá-las em
classes. Para verificar a correlação entre essas classes de organismos e os parâmetros físico-químicos foram
construídas duas matrizes, uma para cada experimento com os valores de densidade média das populações
biológicas e valores médios das condições operacionais como temperatura, pH, OD, DBO, DQO, série de
sólidos totais e suspensos, fator de carga, relação alimento/microrganismos, idade do lodo e IVL. Para a
análise de correlação empregou-se o pacote estatístico Statigraphics (versão 5.0), por meio do teste nãoparamétrico de correlação por “rank” de Spearman (Siegel, 1975; Legendre, 1983).
RESULTADOS E DISCUSSÃO
A dinâmica populacional nos experimentos foi muito peculiar, devido as condições impostas e,
principalmente, a alimentação contínua, a recirculação do lodo, aos descartes do excesso de lodo, a
quantidade de oxigênio, sendo observada uma sucessão de espécies ao longo do tempo e do espaço,
associadas provavelmente as características de cada meio.
Ao todo, foram identificadas 23 espécies agrupadas em subclasses e classes de organismos. As espécies da
microfauna das amostras de lodo do tanque de aeração foram agrupadas para tratamento estatístico (tabela 3).
Entre os gêneros e espécies comumente encontrados em todos os dias dos experimentos estão Aspidisca
costata, Epistylis plicatillis, Opercularia coarctata, Philodina sp.
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Tabela 3 - Lista de gêneros e espécies de organismos encontradas em ambos experimentos.
Classes
Gêneros e Espécies
Ciliata
Amphileptus sp
Subclasse Holotrichia (ciliados livre-natantes)
Chilodonella uncinata
Litonotus sp
Paramecium caudatum
Subclasse Spirotrichia (ciliados de vida livre)
Aspidisca costata
Blepharisma lateritium
Euplotes sp
Spirostomum teres
Subclasse Peritrichia (ciliados pedunculados)
Epistylis plicatilis
Operacularia coarctata
Vorticella sp
Suctoria
Podophrya fixa
Sarcodina (amebas)
Amoeba sp
Arcella sp
Difflugia oblonga
Euglypha sp
Mastigophora (flagelados)
Heteronema sp
Monas sp
Peranema sp
Nematoda
Rotifera
Rabditis sp
Epiphanes sp
Philodina sp
Philodinavus sp
Macrobiotus sp
Aelosoma sp
Tardigrada
Oligochaeta
Os valores médios dos parâmetros para caracterização dos esgotos utilizados na alimentação dos
experimentos são apresentados na tabela 4.
Tabela 4 - Média dos parâmetros (mg/L) dos esgotos para alimentação dos experimentos.
Parâmetros
DBO
DQO
ST
STF
STV
SST
SSF
SSV
Ssed.
Esgoto
160
381
471
196
275
190
49
91
4
Os valores médios dos parâmetros físicos e químicos da cada ensaio biológico, sendo estes utilizados na
inferência estatística são apresentados na tabela 5.
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Tabela 5- Média dos parâmetros dos experimentos com cargas constante e variável.
Parâmetros
Carga constante
Carga variável
o
Temperatura ( C)
24
24
pH
6,5
5,9
OD (mg/L)
4,3
4,7
DBO5d,20oC (mg/L)
17
14
DQO (mg/L)
68
54
Relação F/M*
0,18
0,12
Fator de carga**
0,1
0,07
IVL (ml/g)
92,5
118
Nota:
* expresso em Kg DBO/ Kg SSV no tanque de aeração x dia
**expresso em Kg DBO/ Kg SS no tanque de aeração x dia
No 1º experimento verificou-se que as classes Sarcodina e Rotifera possuem correlação negativa (-0,80) com
pH; as classes Holotrichia e Suctoria apresentaram, respectivamente, correlação positiva de 0,82 e 0,80 com a
relação alimento/microrganismo; e por fim, a classe Suctoria possui correlação positiva (0,82) com o índice
volumétrico do lodo. A relação alimento/microrganismo com valor médio de 1,8 Kg DBO/Kg SSV tanque de
aeração x dia apresentou correlação positiva com as classes Holotrichia (0,82) e Suctoria (0,80) e negativa
com a classe Mastigophora (-0,81).
Quanto à correlação positiva (0,80) entre a relação alimento/microrganismo e a classe Suctoria, não há
registros na literatura, possilvemente por esta classe não ser determinante no processo de formação dos flocos
e na depuração do esgoto. A classe mastigophora, representada pelos protozoários com flagelos, apresentou
correlação negativa (-0,81) com a relação alimento/microrganismo. A classe Sarcodina, amebas com e sem
carapaça, apresentou correlação positiva (0,82) com índice volumétrico do lodo, este constituído pela relação
entre sólidos decantáveis e sólidos em suspensão totais (tabela 6).
Tabela 6 - Coeficientes de correlação de Spearman (rs) do 1o experimento com carga constante.
Holotrichia
Suctoria
Sarcodina
Mastigophora
Rotifera
H
0,80
0,80
P
Relação A/M
0,82
0,80
- 0,81
IVL
0,82
Quanto ao ensaio biológico com carga variável, verificou-se a correlação negativa (-0,87) entre oxigênio
dissolvido e a classe Sarcodina; e a correlação positiva (0,92) entre a demanda bioquímica de oxigênio
(DBO) e a classe Holotrichia (tabela 7).
Tabela 7 - Coeficientes de correlação de Spearman (rs) do 2o experimento com variação de carga.
Holotrichia
Sarcodina
OD
- 0,87
DBO
0,92
Segundo Sasahara e Ogawa (1983), alguns sistemas de lodos ativados apresentam elevado número de amebas
com carapaça (Arcella, Difflugia e Euglypha) em processos com efluente final de boa qualidade. Poole
(1984) observou amebas sem e com carapaça em sistemas com baixa carga de lodo, elevado tempo de
retenção e elevado teor de oxigênio. O desenvolvimento da classe Sarcodina no primeiro experimento com
carga constante provavelmente está relacionado com o teor de oxigênio e com valor médio de 4,0 mg/L.
No 1o experimento, obteve-se na relação alimento/microrganismos um valor médio de 1,8 Kg DBO/KgSSVta
x dia, sendo baixo para processo de lodos ativados convencional (Metcalf, 1991), e constatou-se a correlação
positiva (0,82) entre este parâmetro e a classe Holotrichia. De acordo com Madoni (1994), a ocorrência deste
grupo está relacionada com um pobre processo de depuração de esgoto e com um efluente final de baixa
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qualidade. As espécies encontradas no sistema são mais abundantes na fase inicial de desenvolvimento do
processo, quando os flocos são poucos e os protozoários ciliados pedunculados estão ausentes, pois fixam-se
nos flocos mais estruturados tendo uma maior eficiência na remoção de bactérias em suspensão.
A classe Mastigophora, representada pelos protozoários flagelados, apresentou correlação negativa (-0,81)
com relação alimento/microrganismos. De acordo com Curds e Cockburn (1970 b), as formas flageladas são
frequentes em processos com o valor da relação maior que 0,9 Kg DBO/KgSSVta x dia, fato não ocorrido
neste experimento, sendo um ambiente desfavorável para o aparecimento dos protozoários flagelados. Para
Madoni (1994), a abundância dos flagelados está relacionada ao início do sistema, quando as bactérias
formadoras de flocos ainda são escassas.
A correlação positiva entre a classe Sarcodina e o índice volumétrico do lodo (IVL) pode ser explicada pela
presença e abundância de amebas e baixos valores de fator de carga e o IVL (Madoni, 1993).
Quanto ao experimento com variação de carga, verificou-se a correlação negativa entre o oxigênio dissolvido
e a classe Sarcodina. De acordo com Madoni (1993), este grupo está associado a teores elevados de oxigênio
dissolvido (OD) no tanque de aeração. Neste experimento, verificou-se que o valor médio de OD foi de 4,7
mg/L, considerado elevado. Houve uma correlação positiva entre demanda bioquímica de oxigênio (DBO) e
classe Holotrichia, entretanto verificou-se um valor de DBO médio de 13 mg/L, sendo um valor baixo para
processo (1991).
CONCLUSÃO
O presente estudo permite concluir que por meio da identificação e quantificação da microfauna atuante na
depuração dos esgotos que houve a co-dominância das subclasses Spirotrichia e Peritrichia, e estas
juntamente com as condições operacionais foram importantes para a eficiência do processo de lodos ativados;
a presença de classes como Holotrichia e Mastigiphora podem estar indicando o início ou fase de recuperação
do processo de lodos ativados, onde os flocos estão sendo formados pelas bactérias e protozoários ciliados de
vida livre (subclasse Spirotrichia); as condições operacionais impostas nos ensaios propiciaram a correlação
entre os parâmetros físicos e químicos e a dinâmica populacional; o emprego de testes estatísticos permite
verificar correlações entre a classe Sarcodina e o parâmetros pH, índice volumétrico do lodo (IVL) e oxigênio
dissolvido (OD); classe Holotrichia e os parâmetros relação alimento/microrganismo e demanda química de
oxigênio (DBO); classe Mastigophora e relação alimento/microrganismo; classe Rotifera e o pH. Com isso,
verificou-se a importância do monitoramento do lodo no tanque de aeração com identificação e quantificação
da microfauna, utilizando-a como indicadora do processo de estabilização do esgoto, da eficiência ou
deficiência do processo, da constituição dos flocos e como este está populacionalmente; o processo de lodos
ativados é muito dinâmico e a relação entre microfauna e condições operacionais em conjunto indica a
eficiência do tratamento de esgoto, sendo que ambos devem ser determinados, e não analisados isoladamente.
RECOMENDAÇÕES
À vista das características do processo de lodos ativados, que em geral trata grandes vazões de águas
residuárias e industriais em sistema compacto, como se verifica principalmente nos grandes centros urbanos
localizados nas regiões Sul e Sudeste do Brasil, onde os cursos d'água estão altamente poluídos e
contaminados pela recepção de despejos domésticos e industriais.
Este trabalho, portanto, pode auxiliar no monitoramento da microfauna dos lodos do tanque de aeração
nessas estações de tratamento de esgotos de grande porte, que utilizam o processo de lodos ativados, visando
a melhoria da eficiência do tratamento e na prevenção do crescimento de bactérias filamentosas, e assim, do
intumescimento do lodo.
Necessário é então o treinamento em microbiologia de lodos ativados destinado à formação e capacitação dos
técnicos responsáveis pela manutenção das estações de tratamento de esgoto por esse. Paralelamente, devem
ser desenvolvidas pesquisas nas próprias estações para auxiliar na resolução de problemas operacionais do
tratamento.
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REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS
1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
8.
9.
10.
11.
12.
13.
14.
15.
16.
17.
18.
19.
20.
21.
22.
23.
24.
ADAMS,C.E. et al. Development of desing an operational criteria for wastewater treatment. [s.l.],
Enviro Press, 1981, p.169-208.
AMANN, R. et al. Modern methods in subsurface microbiology: in situ identification of
microorganisms with nucleic acid probes. Fems Microbiology Reviews, 20 (3-4): 191-200, jul 1997.
BRANCO,S.M. A dinâmica de populações microbiológicas na estabilização aeróbia de resíduos
orgânicos de fecularias de mandioca. Rev.Saúde Públ., São Paulo, 1(2):126-140, dez.1967.
BRANCO,S.M. Hidrobiolgia aplicada à Engenharia Sanitária, 3rd ed., São Paulo, CETESB, 1986,
620p.
BOUCHEZ, T. et al. Ecological study of a bioaugmentation failure. Environmental Microbiology, 2
(2): 179-190, apr 2000.
CETESB. Relatório Final. Microbiologia de lodos ativados. Convênio DAEE/CETESB.
Superintendência de pesquisa. 1980.
COWAN, R. et al. Activated sludge and other aerobic suspended culture processes. Water
Environment Research, 68 (4): 451-469, 1996.
CURDS, C.R. & COCKBURN, A. Protozoa in biological sewage treatment process. Protozoa as
indicators in the activated-sludge process. Water Research, 4: 237-249, 1970b.
CUTOLO, S.A. Dinâmica populacional da microfauna em sistemas de tratamento de esgotos pelo
processo de lodos ativados. Dissertação de Mestrado do Departamento de Saúde Ambiental da Faculdade
de Saúde Pública da Universidade de São Paulo, São Paulo, 1996.
DRAKIDES,C. La microfaune des boues activées. Étude d’une methode,d’observation et application
en suivi dúne pilote en phase de démarrage. Water Research, 14: 1199-1207, 1980.
EIKELBOOM,D.H. et al. Microscopic sludge investigation manual. TNO. Research Institute for
Enviromental Hygiene the Netherlands, 1981,70p.
ESTEBAN,G. et al. Dynamics of Ciliated Protozoa Communities in Activated sludge process. Water
Research, 25 (8): 967-972, 1991.
KLIMOWICZ,H. Microfauna of activated sludge. Part I. Assemblage of microfauna in laboratory
models of activated sludge. Acta Hydrobiol 12, 357-376, 1970
LEGENDRE, L & Legendre, P. Numerical Ecology. Developments in Enviromental Modelling, 3.
Amsterdan Elsevier Scentific Publish Co., 1983.
MADONI,P. & GHETTI,P.F. The structure of ciliated protozoa communities in biological sewagetreatement plants. Hydrobiologia 83:207-215, 1981.
MADONI,P. et al. Comparative analysis of the Activated Sludge Microfauna in Several Sewage
Treatment Works. Wat.Res.27(9): 1485-1491, 1993.
MADONI,P.et al. A sludge biotic index (SBI) for the evaluation of the biological performance of
activated sludge plants based on the microfauna analysis. Wat.Res., 28: 67-75, 1994.
METCALF & EDDY, INC. Wastewater Engineering: Treatement, Disposal, Reuse. 3a ed. New York,
Mcgraw-Hill, 1991, 920p.
POOLE,J.E. A study of the relationship between the mixed liquor fauna and plant performance for a
variety of activated sludge sewage treatment works. Wat. Res. 18: 281-287, 1984.
SASAHARA, T. e OGAWA,T. Treatment of brewery effluent. Part VIII: protozoa and metazoa found
in the activated sludge process for brewery effluent. Monats. Brauwiss. 11: 443-448, 1983.
SIEGEL, S. Estatística não-paramétrica. 1a Ed. São Paulo: McGraw-Hill, 1975.
STANDARD METHODS FOR THE EXAMINATION OF WASTEWATER. 18 ed. WASHINGTON,
APHA-AWWA-WPCF, 1992.
VAZOLLER,R.F. et al. Microbiologia de lodos Ativados. São Paulo. CETESB. 1989. 23p.
VARMA, M.M. et al. Population dynamics of protozoa in wastewater. Journal WPCF, 47(1):85-92,
jan.1975.
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