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CONTROLE MICROBIOLÓGICO NA OPERAÇÃO DE UM
SISTEMA DE LODOS ATIVADOS - ESTUDO EM ESCALA
PILOTO
Eduardo Pacheco Jordão (1)
Engenheiro Civil e Sanitarista, Professor Adjunto da Escola de Engenharia
da Universidade Federal do Rio de Janeiro.
Denise Villas Bôas
Bióloga, Professora da Universidade Cruzeiro do Sul, e Doutoranda da
FOTO
Escola Politécnica da Universidade de São Paulo.
Jeana R. da Conceição
Engenheira Química, aluna de mestrado da Universidade Federal do Rio de
Janeiro.
Tereza Cristina R. da Silva
Bióloga, Encarregada Geral dos Laboratórios da Companhia Estadual de Águas e Esgotos do
Rio de Janeiro - CEDAE.
Pedro Além Sobrinho
Engenheiro Civil e Sanitarista, Professor Titular da Escola Politécnica da Universidade de São
Paulo.
Endereço(1): Escola de Engenharia da Universidade Federal do Rio de Janeiro - Departamento de Hidráulica e
Saneamento - Cidade Universitária - Rio de Janeiro - RJ - CEP: 21945-970 - Brasil..
RESUMO
A investigação microscópica do lodo ativado fornece informações sobre a estrutura e a forma
dos flocos, a presença e o tamanho de microorganismos filamentosos, o número de
protozoários e micrometazoários. A regularidade desta investigação contribui para uma melhor
compreensão sobre a estrutura do floco do lodo e da composição da sua biota.
Por sua vez, o exame microscópico pode trazer informações importantes que se relacionam
com o comportamento do processo de lodos ativados. Tendo em conta estas observações
estabeleceu-se um controle biológico de uma estação de tratamento piloto operando no sistema
de lodos ativados, com uso de câmara seletora.
Os objetivos de fornecer informações concernentes ao controle da biota do lodo, e relacionar
alguns indicadores biológicos do provável comportamento do processo de lodos ativados, são
discutidos, e os resultados obtidos apresentados e analisados.
PALAVRAS -CHAVES: Análises Microbiológicas, Lodos Ativados, Bioindicadores,
Bactérias Filamentosas, Protozoários.
19o Congresso Brasileiro de Engenharia Sanitária e Ambiental
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INTRODUÇÃO
A investigação microscópica do lodo ativado traz informações importantes que se relacionam
com o comportamento do processo de tratamento biológico.
Vale lembrar que são dois os objetivos do processo de lodos ativados: reduzir a carga de
poluição a níveis pré determinados e aceitáveis, e produzir um efluente límpido e cla rificado.
Para estes dois objetivos os microrganismos desempenham um papel fundamental, e sua
caracterização se torna um indicador importante no controle operacional do processo.
Entre a microbiota existente no sistemas de lodos ativados as bactérias são os microrganismos
mais importantes, porque são responsáveis pela decomposição da matéria orgânica. Essas
bactérias são formadas de uma população mista que não crescem de forma sincronizada;
enquanto uma parte delas se encontra na fase exponencial de crescimento, portanto de
renovação celular, outra parte acha-se na fase estacionária e uma terceira, ainda, na fase de
declínio. Esse fenômeno tem grande importância, pois são nestas condições que ocorrem a
formação de flocos.
A estrutura do floco é subdividida em 2 níveis:
a) macroestrutura: formada por microrganismos filamentosos. Esta estrutura é considerada o
"esqueleto" do floco, possibilitando que o floco apresente um tamanho ideal apesar do
ambiente turbulento do tanque de aeração.
b) microestrutura: formada pela biofloculação. É a base do floco que tem como função, formar
os agregados de células.
Apesar das bactérias filamentosas terem grande importância na estrutura do floco, o seu
crescimento deve ser limitado, pois em grandes quantidades essas bactérias saem para fora do
floco, não permitindo que ocorra o processo de sedimentação no decantador. Esse fenômeno é
conhecido como intumescimento do lodo. Entretanto, quando as bactérias filamentosas
apresentam-se em pequenas concentrações, os flocos não adquirem tamanho ideal, formando
flocos do tipo “pin-point”, o que também dificulta a sedimentação do lodo nos decantadores.
Alem dos flocos que são formados de bactérias, a microfauna desempenha um importante
papel no sistema de lodos ativados por clarificar o efluente, consumindo a matéria orgânica
particulada, e por ser ativo predador de bactérias, estimulando assim o seu crescimento. Ela é
utilizada como indicadora do conjunto de parâmetros de lodos ativados, uma vez que sua
natureza varia com o nível de depuração, concentração de oxigênio dissolvido, presença de
substâncias tóxicas etc., dentro do tanque de aeração.
Desse modo, a regularidade da realização de exames microscópicos no lodo biológico do
tanque de aeração pode contribuir para uma melhor compreensão sobre a estrutura do floco do
lodo e da composição de sua biota.
Tendo em conta estas considerações, estabeleceu-se um controle biológico de uma estação de
tratamento piloto operando no sistema de lodos ativados, com uso de câmara seletora , em
duas modalidades: com fluxo tendendo a pistão, e com mistura completa.
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O presente estudo teve o objetivo de fornecer informações concernentes ao controle da biota
do lodo ativado através de análises microbiológicas, comparando-as com os resultados das
análises físico-químicas da estação piloto.
METODOLOGIA
ETE Piloto
A ETE Piloto foi construída na Estação de Tratamento de Esgoto da Penha, no Rio de Janeiro,
pertencente à Companhia Estadual da Águas e Esgotos - CEDAE, através de um convênio
desta empresa com a Universidade Federal do Rio de Janeiro, e é composta das seguintes
unidades:
? sistema de alimentação do substrato (vazão de 1.000 a 1.400 L/d de esgoto decantado da
ETE Penha);
? sistema de tratamento biológico na modalidade de fluxo tendendo a pistão, com baixo
número de dispersão, composto por oito reatores em série (volume unitário de 39,3 litros) e
um decantador final;
? sistema de tratamento biológico na modalidade de mistura completa; composto por um único
reator (mesmo volume do conjunto de reatores de fluxo à pistão, 314,4 litros), e por um
decantador final;
? sistema de recirculação de lodo, por meio de duas bombas de diafragma;
? sistema de descarte de lodo em excesso; e
? sistema de controle de vazão.
Como metodologia, juntamente com as análises físico-químicas (Standard Methods of
Examination of Water and Wastewater - 18a Ed.) e com as determinações clássicas, foram
realizadas as seguintes análise microbiológicas do lodo:
Identificação e contagem dos grupos de protozoários e micrometazoários.
As contagens dos protozoários (ciliados-livres natantes, ciliados fixos, ciliados predadores de
flocos, flagelados, rizópodes) e micrometázoários (rotíferas, nematódeos, anelídeos) seguiram
as normas estabelecidas em “Microbiologia de Lodos Ativados”- CETESB, 1990. Devido à
impossibilidade de se classificar as espécies de protozoários encontradas no lodo, assumiu-se a
classificação em grupos proposta por Madoni, 1994.
As contagens foram realizadas em câmara de Sedgwick-Rafter (câmara S. R.), com auxílio de
um retículo quadrangular em uma ocular e uma escala micrométrica na outra, substituindo o
retículo de Whipple recomendado por “Microbiologia de Lodos Ativados”- CETESB, 1990.
Identificação dos organismos filamentosos, medida do comprimento do filamento e
caracterização do floco.
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As análises microbiológicas de identificação dos organismos filamentosos, medida do
comprimento do filamento e caracterização do floco seguiram as recomendações e metodologia
de Jenkins et al, 1986.
Na identificação do microrganismo filamentoso foram realizadas uma série de colorações e
observações microscópicas:
?
?
?
?
?
?
?
?
?
?
Coloração de Gram;
Coloração de Neisser;
Coloração de Poli Hidroxi Butirato (PHB);
Presença de Grânulo de Enxofre;
Tamanho e tipo do Tricoma;
Localização do Tricoma em relação ao floco;
Identificação do septo entre as células;
Presença de Bainha;
Crescimento bacteriano epifítico;
Forma e tamanho da célula
Para determinação de comprimento de filamento, seguiu-se o seguinte procedimento:
a) Transferir 2 mL da amostra de lodo ativado bem homogeneizada, utilizando uma pipeta de
boca larga, para um becker de 2 L contendo 1 L de água destilada. Homogeneiza -se a
amostra;
b) Transfereir 1 mL da amostra diluída para a câmara S. R. e usando um microscópio com
retículo de Whipple, mede-se os comprimentos dos filamentos existente, percorrendo toda a
câmara. O aumento do microscópio deve ser de 100 a 200 vezes. Considera-se os
filamentos ligados ao floco, os com crescimento epifítico e os livres;
c) Calcula -se de acordo com a fórmula.
C.F. = A * F
onde;
C.F.- comprimento do filamento (? m/ml )
A - somatória do comprimento dos filamentos observado na câmara S.R. (?m)
F - fator de diluição ( 500 )
Na determinação de diâmetro de floco utiliza-se a câmara S. R. preparada com a amostra para
contagem do comprimento de filamento e mede-se o diâmetro de no mínimo 20 flocos.
Considera-se o maior comprimento para os flocos irregulares, entretanto, não se deve
considerar os filamentos ligados aos flocos. Faz-se o cálculo da média do diâmetro do floco.
RESULTADOS
O monitoramento microbiológico de identificação e contagem dos grupos de protozoários e
micrometazoários foi realizado no período de julho a agosto de 1996 na unidade de fluxo a
pistão, e são apresentados na Tabela 1 e Figura 1.
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Tabela 1 - Dados de remoção da DQO solúvel e da razão entre os ciliados predadores
de flocos e ciliados fixos.
Razão ciliados predadores de flocos/
Remoção de DQO (%)
ciliados fixos
65,3
0,26
77,2
1,04
82,1
0,09
83,1
0,34
84,8
0,31
86,7
0,31
87,4
0,53
Figura 1 - Frequência relativa de Flagelados e Relação A/M em função do tempo.
As análises microbiológicas das características do floco, identificação dos organismos
filamentosos, e comprimento do filamento, podem ser observados nas Tabelas 2 a 5 e Figuras 2
e3.
Tabela 2 - Característica do floco da unidade fluxo a pistão.
Período
Característica do floco
20/08 à 25/11
Flocos bem formados, apresentando a estrutura compacta e forma alongada
para irregular, com presença de quantidade adequada de organismos
filamentosos.
02/12 à 16/12
Flocos mal formados, apresentando estrutura difusa e grande quantidade de
organismos filamentosos formando pontes entre os flocos
03/01 à 13/01
Flocos bem formados, apresentando a estrutura compacta e forma alongada
para irregular, com presença de quantidade adequada de organismos
filamentosos.
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Tabela 3 - Característica do floco da unidade mistura completa.
Período
Característica do floco
20/11 à 02/12
Flocos bem formados, apresentando a estrutura compacta e forma alongada
para irregular, com presença de
grande quantidade de organismos
filamentosos.
13/011
Flocos bem formados, apresentando estrutura compacta e forma alongada
para irregular, com presença de pequena quantidade de organismos
filamentosos
14/02 à 17/02
Flocos bem formados, apresentando estrutura compacta e forma alongada
para irregular, com presença de grande quantidade de organismos
filamentosos.
24/02 à 04/03
Flocos bem formados, apresentando estrutura compacta e forma alongada
para irregular, com presença de pequena quantidade de organismos
filamentosos
Tabela 4 - Identificação dos organismos filamentosos da unidade fluxo a pistão.
Período
20/08
à
02/10
09/10
à
25/11
02/12
à
16/12
03/01
à
13/01
Organismos identificados
Sphaerotilus natans (*);
Haliscomenobacter hydrossis;
Tipo 0041 (*);
Tipo 1701.
Sphaerotilus natans (*);
Haliscomenobacter hydrossis;
Tipo 0041;
Tipo 1701;
Tipo 0803;
Notoscoida limicola
Thiothrix II (*);
Tipo 021N;
Sphaerotilus natans;
Notoscoida limicola;
Tipo 1701.
Thiothrix II (*);
Tipo 021N;
Sphaerotilus natans;
Notoscoida limicola;
Observação
Os microrganismos observados apresentam-se em
pequena quantidade, formando a estrutura do floco
e não estão interferindo na sedimentação do lodo
Durante o período houve um pequeno aumento na
quantidade de organismos filamentosos, entretanto
estes estão formando a estrutura do floco e não
estão interferindo na sedimentação do lodo
A quantidade de organismo filamentoso aumentou
significativamente, interferindo na sedimentação do
lodo, e caracterizando o intumescimento do lodo.
O organismo identificado como predominante
durante este episódio foi o Thiothrix II
Durante o período houve, a quantidade de
organismo filamentoso diminuiu de modo a não
mais interferir na sedimentação do lodo
(*) - Organismo predominante
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Tabela 5- Identificação dos organismos filamentosos da unidade mistura completa.
Organismos identificados
Sphaerotilus natans (*);
Tipo 021N;
Tipo 1701.
13/01
Sphaerotilus natans (*);
Begiatoa;
Tipo 021N;
Tipo 1701.
Thiothrix II (*);
Tipo 021N.
14/02
à
17/02
Comprimento de filamento
(? m/mL)
24/02
Thiothrix II (*);
à
Tipo 021N.
04/03
(*) - Organismo predominante
Observação
Os microrganismos observados apresentam-se em
grande quantidade, interferindo na sedimentação do
lodo, e caracterizando o intumescimento do lodo.
O organismo identificado como predominante
durante este episódio foi o Sphaerotilus natans
Durante o período houve uma diminuição na
quantidade de organismos filamentosos, não estão
interferindo na sedimentação do lodo
A quantidade de organismo filamentoso aumentou
significativamente, interferindo na sedimentação do
lodo, e caracterizando o intumescimento do lodo.
O organismo identificado como predominante
durante este episódio foi o Thiothrix II
Durante o período, a quantidade de organismo
filamentoso diminuiu de modo a não mais interferir
na sedimentação do lodo
3,50E+07
700
3,00E+07
600
2,50E+07
500
2,00E+07
400
1,50E+07
300
1,00E+07
200
5,00E+06
100
0,00E+00
0
IVL (mL/g)
Período
20/11
à
02/12
01/09/96 16/09/96 01/10/96 16/10/96 31/10/96 15/11/96 30/11/96 15/12/96 30/12/96 14/01/97 29/01/97
Tempo
Comp. filamento
IVL
Figura 2 - Comprimento do filamento(? m/mL) e IVL (mL/g) da unidade fluxo a pistão.
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Tamanho do floco (? m)
300
250
200
150
100
50
0
01/08/96
22/08/96
12/09/96
03/10/96
24/10/96
14/11/96
05/12/96
Tempo
26/12/96
16/01/97
Fluxo a pistão
06/02/97
27/02/97
Mistura completa
Figura 3 - Tamanho do floco (? m) da unidade fluxo à pistão.
DISCUSSÃO
A realização regular de análises microscópicas de um lodo serve para indicar ao operador as
diversas tendências do processo de lodos ativados: demonstra a eficiência da sedimentação,
indica a adequação da aeração empregada, bem como pode revelar a ocorrências de uma
sobrecarga orgânica (Vazoller, 1989).
Bedgoni (1991) sugere que a razão entre ciliados predadores de flocos e ciliados fixos está
associada à eficiência da planta. Quando esta razão é alta (? 0,5), um efluente de melhor
qualidade é obtido. No entanto, analisando os resultados da Tabela 1, verifica-se que apesar da
remoção de DQO solúvel apresentar bons resultados, ocorreram razões de ciliados predadores
de flocos/fixos menores que 0,5, o que sugere que se faça um estudo mais aprofundado. A
redução da concentração de SST nos reatores, que era da ordem de 1500mg/l, para cerca de
400 mg/l, aumentou bruscamente a relação A/M. Neste período observou-se um aumento
excessivo na freqüência relativa de flagelados , como pode ser observado na Figura 1. Esses
resultados corroboram a hipótese (Drakides, 1978; Madoni, 1986) de que altas cargas
orgânicas podem provocar um aumento excessivo no números dos flagelados.
As densidades de protozoários ciliados mantiveram-se a maior parte do tempo entre 106 -107
org./L, e foi possível observar remoções de DQO solúvel acima de 80%. Muitos estudos
recentes têm demonstrado que o número de ciliados presentes numa planta de lodos ativados
funcionando normalmente é em torno de 106 org./L. Valores muito abaixo desta faixa indicam
purificação insuficiente (Curds, 1975; Drakides, 1980; Madoni, 1981).
Para determinar as características do floco, uma análise qualitativa é suficiente. Observa -se a
amostra em lâmina/lamínula, no aumento de 100 vezes, e anota-se as características do floco,
bem como a abundância de organismos filamentosos, através de um sistema subjetivo de
observação. Nas Tabelas 3 e 4 estes dados são apresentados e mostram, de forma subjetiva, o
aumento da quantidade de organismos filamentosos. Para uma análise mais detalhada, realiza-se
o comprimento do filamento e a identificação do organismo filamentoso.
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Observando a Figura 2, verifica-se que é possível correlacionar os dados de IVL, com o
comprimento de filamento. O índice volumétrico do lodo é um parâmetro físico-químico que
caracteriza a sedimentabilidade do lodo. Esse parâmetro se define como o volume em mililitros
ocupado por uma grama de sólidos da mistura líquida do lodo ativado (IVL, mL/g). De maneira
geral, quando o comprimento do filamento está entre 10 6 a 107 ?m/mL, a sedimentabilidade do
lodo está dentro dos padrões de operação. Acima de 10 7, é provável ocorrer um
intumescimento do lodo, perdendo desse modo lodo biológico junto com o efluente final.
Abaixo de 10 6 conjuntamente com a observação do tamanho do floco menor que 50 ? m, é
provável que esteja ocorrendo um problema de perda de sólidos pelo efluente final, pela
presença de flocos tipo “pin-point”. A curva apresentada na Figura 4 , de Palm (apud Jenkins et
al, 1986), mostra uma nuvem de pontos determinados para a relação entre IVL e comprimento
de filamento, no qual se inseriu os resultados encontrados na operação da ETE Piloto,
mostrando existir uma boa correlação de dados entre aquela experiência e o caso em estudo.
Figura 4 - Relação Comprimento do Filamento x IVL
É importante salientar que a análise de comprimento de filamento é, desta forma, uma
importante ferramenta de controle microbiológico. Entretanto, se não for possível realizar esta
análise diariamente, deve-se realizar, ao menos, observações microscópicas qualitativas, pois
deste modo será possível detectar se está ou não ocorrendo modificações no sistema de lodos
ativados. Quando estas modificações forem detectadas, elas podem servir de alarme para
realizar análises mais detalhadas, tais como comprimento de filamento e identificação de
organismo filamentoso.
As tabelas 4 e 5 apresentam os organismos filamentosos identificados. Durante os períodos de
intumescimento do lodo, os organismos causadores foram o Thiothrix sp e S. natans. Segundo
Jenkins et al, 1986, o interesse dessa análise para os operadores de uma estação de tratamento
de esgoto, é o de conhecer o organismo filamentoso predominante que está causando o
intumescimento do lodo, e desta forma poder:
a) comparar se o causador (filamentoso) é o mesmo que o observado em ocorrências
anteriores;
b) avaliar o efeito de mudanças operacionais com o tipo e abundância dos filamentosos
presentes;
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c) sugerir as condições que causam e avaliar as ações que serão tomadas;
Na tabela 6 (Richard, 1989), são apresentados algumas condições que causam intumescimento
do lodo e os organismos filamentosos. Como pode ser observado nesta Tabela, a Thiothrix
não é um bom indicador para o diagnóstico da causa de bulking, uma vez que seu crescimento
pode ser induzido pela deficiência de nutriente ou pela presença de resíduo séptico. Esse
organismo filamentoso, e o tipo 021N podem ser favorecidos, porque eles têm a capacidade de
utilizar ácidos orgânicos voláteis de baixo peso molecular e sulfeto, produzido pelo processo de
fermentação (Richard, 1983 apud Jenkins, 1986)
Jenkins et al., 1986 separou o tamanho do floco em três grupos distintos:
? Flocos grandes: diâmetro maior que 500 ? m;
? Flocos médios: diâmetro entre 150 e <500 ? m; e
? Flocos pequenos: diâmetro menor que 150 ? m.
Logo, observando a figura 3, verifica-se que nas unidades estudadas, o tamanho do floco não
sofreu alteração, sendo que na maior parte do tempo apresentou os flocos pequenos. Segundo
Figueiredo, 1996, esta característica pode estar relacionada com:
? cargas muito baixas;
? muita turbulência no tanque de aeração;
? presença de substâncias tóxicas; e
? presença de compostos complexos ,difícil de serem degradados em alta concentração.
A provável causa do tamanho do floco ser pequena, durante todo o período, deve estar
relacionada com a alta agitação existente no tanque de aeração da unidade piloto.
Tabela 5 - Tipo de filamento dominante como indicador da condição que causa
intumescimento do lodo ativado.(Richard, 1989).
Sugestões de condições
que causam “Bulking”
Baixo Oxigênio Dissolvido
Baixo F/M
Água Residuária Séptica / Sulfeto
Deficiência Nutricional
Tipos indicativos de
organismos filamentosos
Tipo 1701, S. natans , H. hydrossis
M. parvicella, H. hydrossis,
Nocardia sp, Tipo 021N, Tipo 0041,
Tipo 0675, Tipo 0092, Tipo 0581,
Tipo 0961, Tipo 0803
Thiothrix sp.,
Beggiatoa sp,
Tipo 021N
Thiothrix sp, Tipo 021N),
Tipo 0041 (somente resíduo industrial),
Tipo 0675
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Baixo pH (<6,0)
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Fungo
CONCLUSÕES
Não foi possível comprovar uma relação entre a eficiência da planta e a razão entre o número
de ciliados predadores de flocos e ciliados fixos. O número total de análises efetuadas durante o
estudo foi muito baixo, dificultando a boa correlação de alguns dos resultados obtidos. Por
outro lado, a predominância dos Flagelados é um bom indicador de disfunção da planta, com
conseqüente queda de eficiência da mesma.
A contagem do número total de protozoários ciliados presentes no lodo ativado é uma análise
simples e de baixo custo que pode ser utilizada como indicadora de eficiência de uma estação
de tratamento.
Análises de microfauna, caracterização do floco e comprimento do filamento, ainda tão pouco
utilizadas em nosso país, podem ser de extrema utilidade para uma melhor compreensão do
processo que ocorre no interior de reatores biológicos e sua otimização. Não obstante, as
análises microbiológicas não devem substituir as análises físico-químicas, mas complementá-las.
A identificação dos organismos filamentosos é de extrema valia quando um problema de
intumescimento do lodo está ocorrendo. Esta análise é mais complexa que as citadas
anteriormente , além da necessidade de utilização de um miscroscópio com contraste de fase.
Não obstante, estações de tratamento de grande porte, ou empresas públicas e privadas
operando estas estações, deveriam dispor de equipamento adequado e pessoal treinado para
este tipo de acompanhamento.
AGRADECIMENTOS
Este trabalho foi realizado com recursos da Companhia Estadual de Águas e Esgotos do Rio de
Janeiro, através de convênio com o Escritório Técnico da Escola de Engenharia da
Universidade Federal do Rio de janeiro.
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REFERÊNCIAS BIBLIOGR ÁFICAS
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