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FORMAS DE ENXOFRE EM RESERVATÓRIOS PROFUNDOS DE
ESTABILIZAÇÃO TRATANDO ÁGUAS RESIDUÁRIAS
DOMÉSTICAS
Salomão Anselmo Silva(1)
Engenheiro Civil e Mestre em Engenharia Civil pela Escola Politécnica
da UFPB. PhD pela Universidade de Dundee, Escócia. Professor Titular
do Departamento de Engenharia Civil da UFPB. Chefe de Pesquisas da
EXTRABES-UFPB.
Gilson Barbosa Athayde Júnior
Engenheiro Civil pela UFPB. Doutorando em Engenharia Sanitária na
Universidade de Leeds, Inglaterra. Bolsista do CNPq.
Rui de Oliveira
Engenheiro Civil pela UEMA. Mestre em Engenharia Civil pela UFPB. PhD pela
Universidade de Leeds, Inglaterra. Professor Adjunto do Departamento de Engenharia
Civil da UFPB. Pesquisador da EXTRABES-UFPB.
Salena Tatiana Anselmo Silva
Graduada em Ciências Biológicas pela Universidade Estadual da Paraíba. Doutoranda em
Microbiologia na Universidade de Liverpool, Inglaterra. Bolsista do CNPq.
Endereço(1): Rua Monteiro Lobato, 207 - Alto Branco - Campina Grande - PB - CEP: 58102470 - Brasil - Tel: (083) 321-3682 - e-mail: [email protected]
RESUMO
O trabalho descreve as modificações ocorridas em formas de enxofre (sulfeto e sulfato) no
ciclo de operação (enchimento-repouso-esvaziamento) de um reservatório de estabilização
(RE-1), em escala-piloto, alimentado com o efluente de uma lagoa anaeróbia tratando esgoto
doméstico do sistema de esgotos de Campina Grande (PB). O RE-1 foi operado em dois
períodos experimentais caracterizados por parâmetros operacionais distintos e sua monitoração
foi baseada na análise de amostras coletadas, em diferentes pontos da coluna líquida, às 8 e às
15 h. Nos dois experimentos, as formas de enxofre analisadas apresentaram um
comportamento padrão caracterizado pelo aumento de sulfeto total e diminuição de sulfato na
fase de enchimento e pelo inverso na fase de repouso. Na primeira fase, o ambiente anaeróbio
e rico em matéria orgânica favoreceu o mecanismo de redução dissimilatória de sulfato com
formação de sulfeto e na fase seguinte a menor concentração de matéria orgânica determinou o
surgimento de condições mais favoráveis (especialmente até 2 m de profundidade) ao
desenvolvimento de reações químicas e bioquímicas que resultaram tipicamente na
diminuição de sulfeto. Com base em equações de regressão, para ambos os experimentos,
foram estimados os tempos de repouso necessários (83 e 75 d, respectivamente) para a
obtenção de concentrações de sulfeto menores que 1 mg S/L, recomendadas à utilização da
massa líquida do reservatório na irrigação.
PALAVRAS-CHAVE: Formas de Enxofre, Reservatórios Profundos, Estabilização de
Esgoto, Reuso de Esgotos, Regime de Bateladas.
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INTRODUÇÃO
As características econômicas e climáticas da região nordeste do Brasil exigem o uso de
sistemas de tratamento de baixo custo e de operação e manutenção simples, tais como
lagoas e reservatórios de estabilização. Além disso, tais sistemas podem produzir
efluentes de elevada qualidade que podem ser utilizados na irrigação de culturas
favorecendo, dessa forma, o desenvolvimento da região.
A partir de 1994, a Estação Experimental de Tratamentos Biológicos de Esgotos
Sanitários da Universidade Federal da Paraíba (EXTRABES-UFPb), vem concentrando
seus estudos em reservatórios profundos de estabilização com a finalidade de verificar a
viabilidade técnica, econômica e ambiental dos mesmos no tratamento de esgotos
domésticos, para posterior reuso na agricultura, na região nordeste do Brasil.
Os reservatórios de estabilização foram idealizados em Israel no início da década de 70
com o objetivo de armazenar efluentes durante o inverno para posterior uso no verão na
irrigação. Durante o armazenamento ficou evidente que eles promoviam um tratamento
adicional, passando os mesmos a serem projetados como unidades de tratamento. Tais
reservatórios são, basicamente, grandes tanques com profundidades variando entre 6 e 15
m e geralmente operados em ciclos de enchimento-esvaziamento-enchimento.
Este trabalho tem como objetivo descrever o comportamento de formas de enxofre
(sulfeto total e sulfato) num reservatório profundo de estabilização, em escala-piloto, em
dois períodos experimentais com diferentes características operacionais. As
transformações do enxofre no ambiente aquático envolvem reações químicas de oxidação
e redução, que podem ocorrer espontaneamente ou associadas a processos biológicos.
Algumas dessas transformações podem gerar problemas tais como toxicidade e liberação
de odores. Em reservatórios de estabilização a liberação de odores pode ocorrer
principalmente no período de enchimento, início da fase de repouso e à noite, devido à
formação de sulfeto via redução dissimilatória de sulfato. Além disso, o pH geralmente
está abaixo de 8, o que favorece a formação de H2S. O sulfeto também é tóxico à vida
microbiana, particularmente às algas. O sulfeto de hidrogênio penetra na membrana
celular das algas destruindo o aparelho fotossintético. A produção de oxigênio diminui e,
consequentemente, a eficiência do reservatório fica comprometida. O sulfeto também é
tóxico, se em elevadas concentrações, às culturas irrigadas, sendo recomendada uma
concentração no efluente inferior a 1 mgS/L (Ayers & Westcot, 1985).
MATERIAIS E MÉTODOS
Descrição do sistema experimental
O sistema estudado, ilustrado na Figura 1, faz parte de um complexo experimental construído
na área da EXTRABES, na cidade de Campina Grande, PB. O reservatório de estabilização
(RE-1) foi construído elevando-se em 4 m as paredes do tanque de sedimentação primária da
“Antiga Depuradora” usando concreto e alvenaria reforçada. O pilar central, que
anteriormente servia de suporte para o raspador de lodo, foi também aumentado para dar apoio
a uma plataforma de amostragem. RE-1, com 15,25 m de diâmetro, 6,50 m de profundidade
média e um volume de 1186 m3, foi alimentado com o efluente de uma lagoa anaeróbia (A12)
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com 6,00 m de comprimento, 2,20 m de largura e 3,45 m de profundidade, construída com
alvenaria de tijolos e alimentada com esgoto bruto.
Figura 1 - Detalhe do complexo experimental existente na EXTRABES (em
destaque o fluxo de alimentação dos sistemas).
interceptor (esgoto bruto)
bomb
poço úmido
bomba
TNC-1
A12
bomba
TNC-2
RE- 1
RE- 2
bomba
RE- 3
Alimentação do sistema
O esgoto bruto foi coletado do poço úmido adjacente ao “Interceptor da Depuradora” que
passa pela área da EXTRABES. O esgoto foi bombeado (bomba submersível ABS, 1,2 hp
e 3380 rpm) para um tanque de nível constante (TNC-1) situado no interior da casa de
bombas e, a partir deste, foi bombeado (bomba peristáltica NETZSCH, NE30A), na vazão
requerida, para a lagoa anaeróbia (A12). O efluente de A12 era descarregado num
segundo tanque de nível constante (TNC-2) e, então, bombeado (bomba peristáltica
NETZSCH, NE30A) na vazão requerida para o RE-1. As bombas que alimentavam A12 e
RE-1 eram aferidas semanalmente e as correções necessárias eram efetuadas.
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A tubulação de entrada do RE-1 era de PVC rígido de 50 mm que permitia a descarga a
50 cm do fundo. Os dispositivos de entrada e saída de A12 eram feitos com tubos de PVC
de 75 mm. O afluente era descarregado a 50 cm do fundo e o dispositivo de saída era
circundado por um retentor de escuma (tubo de PVC, 300 x 300 mm - diâmetro x
comprimento), submerso 5 cm.
Operação e monitoração do sistema
Dois experimentos foram levados a efeito em RE-1 em ciclos de enchimento-repousoesvaziamento (regime de bateladas). No experimento 1, RE-1 foi alimentado (34 dias)
com o efluente de A12 (tempo de detenção hidráulica - TDH = 1 d), resultando numa
carga orgânica superficial inicial de 180 kgDBO5/ha.d . No experimento 2, RE-1 foi
enchido em 18 d com efluente de A12 (TDH = 0,5 d) resultando numa carga orgânica
superficial inicial de 370 kgDBO5/ha.d. Depois de cheio o reservatório permaneceu em
repouso até atingir, ao longo da profundidade, a concentração de coliformes fecais de 100
ufc/100 ml que é 10 vezes menor que o recomendável pela OMS para irrigação irrestrita
(WHO, 1989) sendo, em seguida, esvaziado na mesma vazão de enchimento.
Durante a fase de repouso o monitoramento de rotina foi baseado na coleta de amostras
uma vez por semana às 8 e 15 h nos níveis (cm) 5, 25, 50, 75, 100, 150, 200, 300, 400,
500 e 600. Na fase de enchimento as amostras eram coletadas somente quando o nível no
reservatório subia 1 m.
As amostras foram coletadas com uma mangueira de polietileno de 12 mm de diâmetro e
15 m de comprimento conectada à bomba peristáltica de velocidade variável WATSON
MARLOW modelo 604S. A extremidade da mangueira, que era introduzida no
reservatório, estava conectada a um dispositivo de coleta constituído por dois discos de
PVC rígido de 25 cm de diâmetro dispostos em paralelo e separados por 5 cm. A água era
coletada, por entre os discos, sem que ocorresse turbulência.
Durante o período de enchimento, amostras do esgoto bruto (EB) e do efluente da lagoa
anaeróbia (A12) eram coletadas, duas vezes por semana, às 8 h.
As amostras coletadas às 8 h eram analisadas para oxigênio dissolvido (OD), pH,
temperatura, DBO5, sulfeto total e sulfato. No período da tarde (15 h) eram determinados
temperatura, pH e oxigênio dissolvido.
Métodos analíticos
Os parâmetros foram determinados seguindo os procedimentos padrões descritos em
APHA, et al. (1992).
A temperatura era medida com um termômetro de filamento de mercúrio tão logo as
amostras eram coletadas. OD foi medido eletrometricamente em amostras coletadas
exclusivamente para esse fim, com o uso de um eletrodo de membrana seletiva (YSI 5720
A) acoplado a um medidor YSI 54A. A DBO foi determinada pelo método da diluição em
frascos padrões de DBO e as medidas de OD obtidas conforme já mencionado. O pH foi
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determinado eletrometricamente usando um medidor de pH Jenway 3030 com um
eletrodo combinado Russell BNC e um compensador de temperatura Jenway PCT 121. O
sulfeto total foi determinado pelo método do azul de metileno enquanto que o sulfato foi
determinado pelo método turbidimétrico.
RESULTADOS
A Tabela 1 apresenta a caracterização do efluente da lagoa anaeróbia. Os valores médios
obtidos ao longo da coluna líquida de RE-1 (daqui em diante referidos apenas como
valores médios), no primeiro e último dias de repouso dos dois experimentos, estão
apresentados na Tabela 2.
Durante o enchimento do reservatório nos dois experimentos não foi detectado oxigênio
dissolvido na coluna líquida. O valores de pH foram praticamente constantes ao longo
dessa fase e a DBO foi removida em 56 e 16%, respectivamente nos experimentos 1 e 2.
Ao menor tempo de enchimento, no segundo experimento, deve ser atribuída a menor
eficiência na remoção de DBO.
Tabela 1 – Caracterização do efluente da lagoa anaeróbia A12.
Parâmetros
Sulfeto (mgS/L)
Sulfato (mgS/L)
pH
DBO5 (mg/L)
A12 – Experimento 1
(TDH = 1 d)
16,61
11,6
7,4
96
A12 – Experimento 2
(TDH = 0,5 d)
9,27
12,3
7,2
103
Tabela 2 –Médias (desvio padrão) ao longo da coluna líquida de RE-1 no primeiro
(A) e último dias de repouso (B).
Parâmetros
Sulfeto (mgS/L)
Sulfato (mgS/L)
pH
DBO (mg/L)
Experimento 1
A–0d
B – 76 d
19,94 (2,19) 0,05 (0,06)
2,1 (1,00)
8,8 (1,47)
7,5 (0,05)
8,0 (0,13)
42 (2,09)
17 (3,70)
Experimento 2
A–0d
B – 52 d
21,16 (1,67) 7,83 (3,54)
4,2 (0,79)
8,9 (1,46)
7,6 (0,20)
7,6 (0,04)
87 (13,76)
22 (2,06)
Durante a fase de repouso, nos dois experimentos, os valores médios de pH apresentaram
uma pequena tendência de crescimento. A coluna líquida foi predominantemente
anaeróbia e a temperatura variou entre 24 e 27 oC. Vale salientar que em amostras
coletadas às 15 h, nos níveis (cm) 5, 25 e 50, os valores de pH, OD e temperatura foram
bem superiores àqueles observados às 8 h. Esse resultado indica que as principais
alterações desses parâmetros ocorreram nos primeiros 50 cm de profundidade, pouco se
alterando, ao longo do repouso, abaixo desse nível. As concentrações de DBO foram
diminuindo gradativamente até o final do repouso atingindo eficiência de remoção, em
relação às concentrações no efluente da lagoa anaeróbia, de 82 e 78%, respectivamente
nos experimentos 1 e 2.
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As concentrações médias de sulfeto total e sulfato ao longo da coluna líquida
apresentaram um comportamento semelhante nos dois experimentos. Durante a fase de
enchimento as concentrações médias de sulfeto total (mgS/l) aumentaram de 16,6 (Exp.
1) e 12,3 (Exp. 2) para 20,0 (Exp. 1) e 21,1 (Exp. 2). Tal aumento pode ser atribuído
principalmente ao processo de redução dissimilatória do sulfato pois, nessa fase, havia
condições propícias à proliferação de bactérias redutoras de sulfato (meio anaeróbio e rico
em matéria orgânica). Consequentemente, as concentrações médias de sulfato (mgS/l)
diminuíram de 5,8 (Exp. 1) e 9,3 (Exp. 2) para 2,1 (Exp. 1) e 3,8 (Exp. 2).
Durante a fase de repouso ocorreu uma diminuição gradativa nas concentrações médias de
sulfeto decorrente de processos bioquímicos de oxidação e um aumento nas concentrações
médias de sulfato. O sulfeto foi reduzido de 20,0 (Exp. 1) e 21,1 (Exp. 2) para 0,1 (Exp,
1) e 7,8 (Exp. 2) enquanto que as concentrações de sulfato aumentaram de 2,1 (Exp. 1) e
3,8 (Exp. 2) para 8,8 (Exp. 1) e 8,0 (Exp. 2), no final do período de repouso. A Figura 2
apresenta a variação das concentrações médias de sulfeto e sulfato ao longo do período de
repouso nos dois experimentos.
Provavelmente, a oxidação bioquímica do sulfeto ocorreu pela ação de bactérias do
gênero Thiobacillus que em seu metabolismo produzem sulfato, e pela ação de bactérias
verdes e púrpuras do enxofre que realizam fotossíntese anoxigênica, convertendo o
sulfeto para enxofre elementar. Além disso pode ter ocorrido a oxidação do sulfeto com o
oxigênio, particularmente no final do período de repouso, no Experimento 1, quando
foram observadas concentrações de oxigênio dissolvido superiores a 1 mg/l, até 2 m de
profundidade.
É importante destacar que, quando o padrão microbiológico desejado (< 100 ufc/100 ml )
foi atingido, as concentrações médias de sulfeto (11,6 e 7,8 mgS/l, respectivamente nos
experimentos 1 e 2) ainda eram superiores a 1 mgS/l, que é o máximo recomendado para
águas de irrigação. Com base nas equações obtidas através de análise de regressão,
apresentadas na Figura 2, foram estimados os tempos de repouso de 83 (Exp. 1) e 75 dias
(Exp. 2) para que as concentrações médias de sulfeto fossem inferiores a 1 mgS/l.
CONCLUSÕES
Os resultados demonstraram que reservatórios de estabilização são eficientes no
tratamento de esgotos domésticos no nordeste do Brasil, não só em termos da remoção de
material orgânico e microrganismos patogênicos, como também em relação às
concentrações de nutrientes. Quanto às concentrações médias de sulfeto, para as faixas de
cargas orgânicas estudadas, sugere-se um período mínimo de repouso em torno de 3
meses, para que os efluentes possam ser utilizados de forma segura na irrigação.
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Figura 2 – Variação dos valores médios de sulfeto e sulfato ao longo da coluna
líquida de RE-1, durante os períodos de repouso.
Ex p e r im e n t o 1
Ex p e r im e n t o 2
25
y = - 0 ,20 9 5 x + 1 8 ,3 6 8
20
S u lf e t o m g S /L
S u lf e t o ( m g S/L
25
R 2 = 0 ,9 1 0 1
15
10
5
20
15
10
y = - 0 ,27 9 9 x + 2 1 ,8 8 2
R 2 = 0 ,9 4 2 8
5
0
0
0
10
20
30
40
50
60
70
80
0
10
Dia s d e r e p o u s o ( d )
Ex p e r im e n t o 1
30
40
50
60
Ex p e r im e n t o 2
10
12
y = 0 ,0 7 5 8 x + 2 ,3 9 4 2
R 2 = 0 ,7 6 4 2
8
S u lf a t o ( m g S /L
S u lf a t o ( m g S /L
20
Dia s d e r e p o u s o ( d )
6
4
2
y = 0 ,1 0 8 8 x + 3 ,3 1 6 1
10
R 2 = 0 ,6 7 3 5
8
6
4
2
0
0
0
10
20
30
40
50
60
70
80
0
Dia s d e r e p o u s o ( d )
10
20
30
40
50
60
Dia s d e r e p o u s o ( d )
AGRADECIMENTOS
Os autores expressam seus agradecimentos às seguintes organizações que apoiam a
EXTRABES: UFPB, CAGEPA, CNPq e ODA (UK).
REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS
1.
APHA, AWWA e WEF. Standard Methods for the Examination of Water and Wastewater. 18th Ed.
American Public Health Association, American Water Works Association e Water Environmental
Federation. Washington, DC, 1992.
AYERS, R.S., WESTCOT, D.W. Water Quality for Agriculture. FAO (Food and Agriculture
Organization of the United Nations) paper 29 REV.1. Rome, 1985.
WHO. Health guidelines for the use of wastewater in agriculture and aquaculture. Geneva: World
Health Organization (Technical Series No 778). Geneva, 1989.
2.
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