REMOÇÃO DE NITROGÊNIO AMONIACAL EM EFLUENTES DE SISTEMAS ANAERÓBIOS
Liliana Pena Naval(1)
Doutora em Engenharia Química pela Universidad Complutense de Madrid. Professora do Curso de
Engenharia Ambiental na Universidade Federal do Tocantins.
Thaiza Clemente Couto ( 2)
Estudante do curso de Engenharia Ambiental na Universidade Federal do Tocantins – UFT. Estagiária
do Laboratório de Saneamento da Universidade. Bolsista PIBIC/CNPq.
Endereço(1): Avenida NS 15, ALCNO 14, s/n0, bloco 04, Diretoria de Assuntos Internacionais.Palmas,
Tocantins. CEP: 77.000-000. Brasil. Telefone: (63) 3218-8103. e-mail: : [email protected]
Endereço(2): 210 Sul, Alameda 05, Lt 35, Kit 01. Palmas, Tocantins. CEP: 77.000-000. Brasil.
Telefone: (63) 9911-3120.e-mail: [email protected]
Resumo
Condições ambientais favoráveis como as altas temperaturas aliadas à baixa produção de sólidos e
ao baixo custo operacional têm contribuído para que os sistemas anaeróbios encontrem posição de
destaque no Brasil. Apesar das vantagens, os referidos sistemas não se aplicam como forma eficiente
no polimento de nutrientes, em especial o nitrogênio amoniacal. O referido nutriente em sua forma
gasosa possui a capacidade de atravessar membranas biológicas alterando o sistema fotossintético
de organismos vegetais aquáticos, além de ser considerado tóxico ao zooplâncton e aos peixes. A
cidade de Palmas – TO possui duas estações com sistemas anaeróbios de tratamento e póstratamento, visto que os efluentes destas estações são direcionados para corpos hídricos afluente de
um reservatório, onde descargas elevadas de nutrientes podem ocasionar uma superfertilização do
meio, torna-se de vital importância o polimento adequado dos mesmos. Um dos principais
mecanismos de remoção do nitrogênio amoniacal se dá pela volatilização da parcela gasosa para a
atmosfera por meio de elevados valores de pH. Portanto o presente trabalho avalia o emprego de
hidróxido de cálcio (cal hidratada) como condicionante de pH para real avaliação da interferência do
parâmetro na remoção do referido nutriente.
Palavras chave: sistemas anaeróbios, nitrogênio amoniacal, cal.
Introdução
Os sistemas anaeróbios têm posição de destaque no Brasil, onde condições ambientais favoráveis
aliadas à baixa produção de lodo e ao baixo custo têm contribuído para implantação desses sistemas.
Palmas-TO conta com quatro estações de tratamento de esgoto, onde duas apresentam sistemas
anaeróbios para tratamento e pós-tratamento.
Apesar das vantagens estes sistemas não produzem efluente que se enquadre nos padrões
estabelecidos pela legislação ambiental brasileira no que diz respeito ao lançamento de nutrientes,
em especial o nitrogênio amoniacal.
O nitrogênio está presente em águas residuárias sob quatro formas, que são o nitrogênio amoniacal,
nitrogênio orgânico, nitrito e nitrato. Em águas residuárias domésticas, o nitrogênio está presente
principalmente como nitrogênio amoniacal (em torno de 60%) e nitrogênio orgânico (em torno de
40%). Nitrito e nitrato ocorrem em pequenas quantidades, que representam menos de 1% do
nitrogênio total, uma vez o esgoto doméstico não apresenta quantidade de oxigênio dissolvido
suficiente à ação das bactérias nitrificantes.
O nitrogênio presente em águas residuárias domésticas provem da atividade humana.O material fecal
contribui com nitrogênio orgânico através das proteínas. Esta por sua vez, sofre a ação
decompositora bacteriana com conseqüente liberação de nitrogênio amoniacal.
O nitrogênio amoniacal em sua forma gasosa tem sido largamente citado como produto tóxico às
algas, ao zooplâncton e aos peixes. A amônia gasosa presente no meio aquoso atua como inibidora
da fotossíntese das algas, visto que a mesma possui a capacidade de atravessar membranas
biológicas e alterar o sistema fotossintético.
Um dos principais mecanismos de remoção do nitrogênio amoniacal é a volatilização para a
atmosfera, tendo como intervenientes o pH e a temperatura. A amônia apresenta-se segundo reação
de equilíbrio:
NH3 + H+↔ NH4+
Equação - 01
A amônia livre (NH3) é passível de volatilização, ao passo que amônia ionizada não pode ser
removida por volatilização. Com a elevação do pH, o equilíbrio da reação se desloca para a esquerda,
favorecendo a maior presença de NH3. No pH em torno da neutralidade, praticamente toda amônia
encontra-se na forma de NH4+. No pH próximo a 9,5, aproximadamente 50 % da amônia encontra-se
na forma de NH3 e 50 % na forma de NH4+. Em pH superior a 11, praticamente toda amônia está na
forma de NH3, contribuindo dessa forma a remoção de nitrogênio.
Cabe ressaltar que os efluentes dessas estações são direcionados para corpos hídricos afluentes de
um reservatório, onde a descarga de elevadas taxas de nutrientes podem ocasionar a eutrofização do
mesmo.
Sabendo da possibilidade de remover amônia por elevação do pH o referido trabalho investiga o
emprego de hidróxido de cálcio (cal), como condicionante de altos valores de pH, em escala de
laboratório, em efluentes dos sistemas anaeróbios de Palmas, a fim de verificar a efetiva remoção do
nutriente.
Objetivo
O trabalho tem por objetivo avaliar a eficiência da remoção de nitrogênio amoniacal em efluentes
provenientes de sistemas anaeróbios de tratamento, empregando-se cal (Ca(OH)2) como
condicionante de pH.
Metas
- Remover nitrogênio amoniacal utilizando solução de cal 1%.
- Aumentar a eficiência dos sistemas anaeróbios no que diz respeito à remoção de nutrientes.
- Analisar a relação entre volatilização de amônia e o pH.
Metodologia
Para o desenvolvimento da atividade proposta foi realizado o monitoramento da estação de
tratamento de esgoto ETE – Prata, onde foram realizadas análises físico-qímicas no afluente da
estação (esgoto bruto) e no efluente proveniente de um filtro anaeróbio, utilizado como póstratamento de um reator anaeróbio (UASB).
As metodologias aplicadas para as análises físico-químicas estão apresentadas na tabela 01.
Tabela 01: Parâmetros e Técnicas Analíticas Utilizadas
PARÂMETROS
TÉCNICA ANALÍTICA
UNIDADE
pH
Leitura direta
Nitrogênio Amoniacal
Espectrofotometria
mg/L
Sólidos Sedimentáveis
Cone Imhoff
Ml/L
REFERÊNCIA
APHA, 1998
APHA, 1998
APHA, 1998
Deste sistema foram coletados 20L de efluente. Este efluente foi submetido a diversas concentrações
de cálcio (solução de cal hidratada a 1%) através de vários ensaios realizados empregando-se um
equipamento de reatores estáticos, “Jar test”. Sendo o mesmo constituído de três jarros com volume
útil de 2 L cada.
Em cada bateria, os três jarros foram submetidos a concentrações diferenciadas de solução de cal
hidratada a 1%, objetivando-se elevar o pH da amostra para real verificação da volatilização da
amônia. Para determinação da concentração ideal da solução de cal 1%, objetivando-se a remoção
do referido nutriente (nitrogênio amoniacal) foi adotado um Desenho Fatorial de Experimentos (BOX Y
col., 1951).
Os tratamentos foram representados pela combinação de dois fatores: pH e Tempo de Detenção
variando-os em três níveis, pH (8, 9 e 10) e Tempos de Detenção (5, 10 e 15 min.). Estes fatores
foram inter-relacionados variando-se os níveis objetivando-se a melhor resposta.
As respostas desejadas estão relacionadas aos valores que proporcionem a melhor remoção de
nitrogênio amoniacal com a menor produção de lodo. Visto que o número de tratamentos é
determinado pelo número de níveis elevado ao número de fatores, ou seja, 32 = 9tratamentos. Logo o
desenho ficou representado por nove tratamentos. As respostas obtidas foram trabalhadas pelo
Programa de Análises Estatísticas – STAT (versão 2.0), utilizando-se o Teste de TUKEY.
Resultados
Durante o período decorrido (agosto/03 a janeiro/05), o sistema anaeróbio não apresentou remoção
de nitrogênio amoniacal, visto que o mesmo por se processar na ausência de oxigênio dissolvido não
possui a capacidade de oxidação do nitrogênio amoniacal a nitrito e nitrato por meio do processo de
nitrificação e conseqüentemente o nitrogênio não pode ser removido do sistema através da
desnitrificação do nitrato a nitrogênio gasoso, passível de volatilização do sistema.
O efluente do sistema anaeróbio apresentou concentrações médias de nitrogênio amoniacal de
25 mg/L, pH na faixa de 6,8 a 7,2 e temperatura de 29 a 31ºC. O CONAMA 357/2005 determina
concentrações limites de lançamento do nutriente inferiores à 20 mg/L.
Procurando-se a efetiva remoção do nitrogênio amoniacal presente no efluente do sistema o mesmo
foi submetido à solução de Cal 1%, variando-se as concentrações da mesma bem como os tempos
de detenções. Foram realizados ensaios do experimento, num total de quatro repetições. As
respostas médias obtidas podem ser observadas na tabela 02.
Outro fator interferente nesta remoção e que não foi enquadrado na montagem do desenho foram às
elevadas temperaturas, que também contribuem para a volatilização da amônia livre.
Tabela 02 – Remoções de nitrogênio amoniacal empregando-se solução de cal 1%.
Tempo de
Remoção de
Lodo
Nºtratamentos
pH
detenção
NH3
produzido
(min)
1
5
8
0,1 ml/L
5,75%
2
5
9
28,57%
2,6 ml/L
3
5
10
38,28%
8 ml/L
4
10
8
6,10%
0,1 ml/L
5
10
9
29,87%
9,6 ml/L
6
10
10
36,00%
10 ml/L
7
15
8
4,60%
0,1 ml/L
8
15
9
27,90%
6,5 ml/L
9
15
10
35,70%
11,3ml/L
As respostas obtidas foram trabalhadas pelo Programa de Análises Estatísticas ESTAT (V 2.0),
utilizando-se o método de TUKEY.
A análise estatística demonstrou que o TD não exerce influência sobre a remoção do nutriente visto
que, em TD diferentes as remoções foram bem próximas, não se diferenciando estatisticamente
(Figura 01).
Em relação à formação de lodo, o fator Tempo de Detenção mostrou-se interferente, onde quanto
maior o TD maior a formação de lodo (Figura 02).
Figura 01 - Demonstram a relação entre a remoção de nitrogênio amoniacal e o Tempo de
Detenção.
Remoção de NH3
100%
80%
60%
40%
A
A
A
20%
0%
5 min
Tempo de 1Detenção
10 min
15 min
Obs: Médias representadas por letras maiúsculas iguais não se diferem estatisticamente ao nível de
1% de probabilidade pelo Teste de TUKEY.
Figura 02 - Demonstram a relação entre a formação de lodo e o Tempo de Detenção.
Formação de Lodo
(ml/L)
B
7
6
5
4
3
2
1
0
C
A
5 min
Tempo de Detenção
1
10 min
15 min
Obs: Médias representadas por letras maiúsculas diferentes se diferem estatisticamente ao nível de
1% de probabilidade pelo Teste de TUKEY.
O pH foi fator determinante na remoção de nitrogênio amoniacal, onde quanto maior o pH maior a
remoção do nutriente (Figura 03).Com o a elevação do pH outros compostos foram removidos por
precipitação como íons fosfato e contaminantes orgânicos com conseqüente formação de lodo, logo
os valores de pH que proporcionaram maior remoção foram os que produziram maior concentração
de lodo.
Remoção de
NH3
Figura 03 – Demonstram a relação entre a remoção de nitrogênio amoniacal e o pH.
100%
80%
60%
B
A
C
40%
20%
0%
1
pH
pH 8
pH 9
pH 10
Obs: Médias representadas por letras maiúsculas diferentes se diferem estatisticamente ao nível de
1% de probabilidade pelo Teste de TUKEY.
Como o TD não demonstrou interferência na remoção o tempo de 5 minutos foi adotado. Visto que,
valores de pH superiores a 9 geraram um efluente que não se enquadra no previsto pela legislação,
que estipula pH efluente na faixa de 6-9 e materiais sedimentáveis inferiores a 1ml/L, o intervalo de
pH de 8 a 9 foi trabalhado buscando a melhor remoção e gerando um efluente que se enquadre nos
padrões estabelecidos.
Até o pH de 8,9 foram atingidas remoções de 25% com geração de materiais sedimentáveis inferiores
a 1 ml/L. Quando analisada matematicamente esta remoção pode ser considerada pouco expressiva,
visto que efetivas remoções só vieram a ocorrer em pH superior a 12, onde cerca de 80% do nutriente
foi removido, como este valor de pH extrapola os limites do parâmetro estabelecidos pelo CONAMA
357/2005 estas remoções não podem ser validadas.
Porém, a remoção de 25% já consegue assegurar ao efluente da estação concentrações abaixo dos
limites preconizados pela legislação vigente, que determina concentrações inferiores a 20mg/L de
nitrogênio amoniacal total.
Conclusão
- O tempo de detenção não foi interente na remoção de nitrogênio amoniacal, logo o TD adotado foi o
de 5 minutos.
- Na faixa limite de pH, estabelecida pela legislação a remoção do referido nutriente foi de 25%.
- A referida remoção conseguiu assegurar ao efluente da estação concentrações de nitrogênio
amoniacal abaixo dos limites estabelecidos pelo CONAMA 357/2005.
- A aplicação da solução de cal promoveu remoção de outras partículas presentes, provendo uma
clarificação do efluente.
- Para real validação dos dados obtidos em laboratório se faz necessário à instalação de um projeto
piloto, para que as condições de aplicação do experimento se aproximem ao máximo das condições
reais.
Referências Bibliográficas
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Barcelona, 1989.
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Belo