UNIVERSIDADE FEDERAL DE SANTA CATARINA
CENTRO DE CIÊNCIAS AGRÁRIAS
DEPARTAMENTO DE AQUICULTURA
PROGRAMA DE PÓS-GRADUAÇÃO EM AQUICULTURA
Uso de reatores no tratamento de água de cultivo super intensivo de
camarões Litopenaeus vannamei, mantidos em sistema de bioflocos.
Tese apresentada ao Programa de Pós-Graduação
em Aquicultura do Centro de Ciências Agrárias da
Universidade Federal de Santa Catarina, como
requisito parcial para obtenção do título de
Doutora em Aquicultura.
Área de Concentração: Aquicultura
Orientador: Dr. Luis Alejandro Vinatea Arana
Co-orientador: Dr. Alfredo Olivera Galvez
Weruska de Melo Costa
Florianópolis
2012
Ficha de identificação da obra elaborada pelo autor, através do Programa
de Geração Automática da Biblioteca Universitária da UFSC.
Costa, Weruska de Melo Costa
Uso de reatores no tratamento de água de cultivo
super
intensivo de camarões Litopenaeus vannamei, mantidos
em sistema de bioflocos. [tese] / Weruska de Melo
Costa Costa;
Orientador, Luis Alejandro Vinatea Arana Vinatea;
Co- orientador, Alfredo Olivera Galvez Olivera. Florianópolis, SC, 2012.
73 p. ; 21cm
Tese (doutorado) - Universidade Federal de Santa
Catarina, Centro de Ciências Agrárias. Programa de
Pós- Graduação em Aquicultura.
Inclui referências
1. Aquicultura. 2. reatores. 3. camarão marinho. 4.
qualidade de água. I. Vinatea, Luis Alejandro Vinatea
Arana. II. Olivera, Alfredo Olivera Galvez. III.
Universidade Federal de Santa Catarina. Programa de
Pós- Graduação em Aquicultura. IV. Título.
Uso de reatores no tratamento de água de cultivo super-intensivo de
camarões Litopenaeus vannamei, mantidos em sistema de bioflocos
Por
WERUSKA DE MELO COSTA
Esta tese foi julgada adequada para a obtenção do título de
DOUTOR EM AQÜICULTURA
e aprovada em sua forma final pelo Programa de
Pós-Graduação em Aqüicultura.
_____________________________________
Prof. Evoy Zaniboni Filho, Dr.
Coordenador do Curso
Banca Examinadora:
__________________________________________
Dr. Luis Alejandro Vinatea Arana – Orientador
__________________________________________
Dr. Felipe do Nascimento Vieira
__________________________________________
Dr. José Luis Pedreira Mourinho
__________________________________________
Dr. Luís Henrique da Silva Poersch
__________________________________________
Dr. Maurício Gustavo Coelho Emerenciano
Dedico este trabalho as minhas irmãs,
Wanessa pela sua companhia na vida acadêmica e
Waleska de Melo Costa (in memorian), que se foi
tão precocemente, deixando em nós, além da
saudade, a vontade de fazer o melhor. Fica com
Deus minha irmã, este é pra você.
Minha eterna gratidão a vocês duas!
AGRADECIMENTOS
A Deus, que nos acompanha e mostra que só levaremos o que
aprendemos e que podemos deixar coisas boas e o bem proporcionado
aos que estiverem em nosso lado.
A Capes, no âmbito do Programa Amazônia Azul, pela aprovação do
projeto e pela bolsa concedida aos estudos de doutoramento;
Ao Programa de Pós-graduação em Aquicultura da UFSC, em nome de
todos os professores e funcionários que tão bem me acolheram;
Aos Professores Doutores Paulo Eurico Pires Travassos, Alfredo Olivera
Gálvez, Ronaldo Olivera Cavalli, Silvio Peixoto e Roberta Borda Soares
da UFRPE/DEPAq pelo incentivo em fazer o doutoramento, o concurso
e as tantas contribuições ao projeto;
Ao meu orientador, Prof. Dr. Luiz Vinatea, mesmo longe sempre
atendeu aos meus “chamados” e respondeu muito bem a todos, um
grande agradecimento!!!
Aos que compõe o LAMARSU: Prof. Alfredo Olivera, Emília Lacerda,
Henrique Lavander, André Batista, Leônidas Oliveira, Emannuel Felipe,
Isabella Bacalhau e todos os estagiários e que ajudaram a realizar o
trabalho e as análises: vocês foram fundamentais;
Ao Professor Dr. Eudes de Souza Correia e a Doutoranda Fabiana
Penalva: sem vocês, não teríamos a água!!!
Aos meus pais Walter e Vera, minha irmã Wanessa, Tia Waldinha,
Danielle e Débora: minha “grande família” sem vocês nada disso
existiria, obrigada pela boa educação e cultura... Enfim, vocês sabem as
razões...
Aos meus filhos, Hérique e Luiz Henrique sempre prontos a me ajudar e
com um sorriso lindo, certamente, tudo isto é por vocês dois!
Ao meu querido Francelino Junior, que fez transformar meus dias mais
longos em uma escada de tempo onde pude aproveitar as horas para
fazer o melhor;
As minhas amigas de todas as horas: Juliana Santos, Fábia Viana e
Juliana Vidal, pelos inesquecíveis momentos em Serra Talhada, aos
professores José Carlos, Elton França, Humberto Hazin e todos que
fazem a Unidade Acadêmica e a UFRPE, meu agradecimento pelo
tempo com vocês e por toda a força que me foi concedida sempre;
Aos colegas de turma de doutorado e todos os Professores, sem exceção,
pelos momentos inesquecíveis, pelas risadas e pelo carinho e afeto que
me foi ofertado, estarei sempre a disposição de vocês todos e a Maria do
Carmo Gominho Rosa pela amizade, apoio e incentivo;
Aos professores membros da banca examinadora, que contribuíram
significativamente para a conclusão e redação final do trabalho;
Mais uma vez, não posso deixar de mencionar, minha irmã Waleska,
meu agradecimento mais que especial, por me ajudar tanto e no final...
Você estará sempre presente em nossa vida, e onde quer que você esteja,
será sempre lembrada como parte de nosso crescimento pessoal e
profissional que foi construído com muita união, alegria e amor...
Que Deus abençoe a todos em sua infinita misericórdia. Muito
Obrigada.
Resumo
O aumento do consumo de água na aquicultura gera um maior volume
de resíduos de efluentes que exigem destinação adequada. Este
lançamento resulta em acumulação crônica de nutrientes, levando ao
processo de eutrofização artificial com mudanças nas condições físicas e
químicas dos ambientes aquáticos. Foi construído um reator híbrido,
com base em modelos similares aos reatores de manta de lodo (UASB –
Upflow Anaerobic Sludge Blanket) em escala laboratorial para redução
da carga orgânica oriunda de cultivos heterotróficos de camarão
marinho. Os valores médios dos efluentes em Demanda Química de
Oxigênio (DQO) e Sólidos Totais (ST) foram de 420, 268,87 e 42 mg L-1
com 44, e 37,5% de remoção demonstrando que os critérios adotados
foram adequados, principalmente ao Tempo de Retenção Hidráulica
(TRH), Carga Orgânica Volumétrica (COV) e Temperatura. Os níveis de
nitrogênio amoniacal e ortofosfato foram respectivamente 0,08 mgL-¹ e
3,92 mgL-¹ com 96,7 e 91% de remoção. Os reatores operaram
simultaneamente por 120 h. Nas etapas de recirculação, a vazão
permaneceu constante em 7200 L e 3600 L nas 120 h de funcionamento
com uma vazão de 1 L min-1 e uma vazão total de afluente de 1440 L
dia-1, o que resultou em um TRH de 0,35 dias ou 7,2 h. O sistema de
reatores conseguiu tratar efetivamente a água demonstrando que as
características operacionais adotadas permitiram boa eficiência,
economia, efluente clarificado e características dos padrões da
legislação vigente.
Palavras chave: Efluentes, Resíduos, Qualidade de água, Aquicultura,
Camarão.
Abstract
The increased of water use in aquaculture produces a largest volume of
waste effluent requiring adequate destination. This launching result in a
chronic accumulation of nutrients leading to the artifical eutrophication
process with changes in the chemical and physical conditions of aquatic
environments. Was constructed a hybrid reactor, based on models
similar to the sludge blanket reactor (UASB - Upflow Anaerobic Sludge
Blanket) on the laboratory scale for reduction of organic loading
originated from heterotrophic cultures of the marine shrimp. The mean
values of effluents in Chemical Oxygen Demand (COD) and Solids (TS)
were 420, 268.87 and 42 mg L-1 with 44, and 37.5% removal. Showing
the criteria adopted was appropriate, mainly to Hydraulic Retention
Time (HRT), Volumetric Organic Load (VOC) and temperatures. The
levels of ammoniacal nitrogen and orthophosphate was respectively 0.08
mg L-1 and 3.92 mg L-¹ 96.7 and 91% removal. The reactors operated
simultaneously by 120 hours on the steps of recirculation, the flow
remained constant in the 7200 L and 3600 L 120 h of operation with a
flow of 1 L min-1 and total flow rate of affluent 1440 L day-1, which
results in a HRT of 0.35 days or 7.2 h. The reactor system could
effectively treat water showing that followed allowed operational
characteristics good efficiency, economy, and features of the cleared
effluent standards legislation.
Keywords: Wastewater, Waste, Water Quality, Aquaculture, Shrimp.
Lista de Ilustrações
ARTIGO CIENTÍFICO I
Figura 1: Esquema de funcionamento dos reatores: captação de água (1),
bombeamento ao reator (2), unidades equalizadoras (3) e recirculação.
Momentos das análises fisicas e quimicas, planilhas e tratamento e
dimensionamento dos dados ............................................................................. 30
Figura 2: Distribuição e desvio padrão dos valores médios do pH durante
as 120 h de funcionamento dos reatores do Efluente inicial (EI) ao Efluente
final (EF) .......................................................................................................... 33
Figura 3: Variação dos valores médios da DQO (mg L-1) do Efluente Final
(EF) no reator após 120 h de recirculação da água do efluente proveniente
do cultivo heterotrófico do camarão marinho Litopenaeus vannamei .............. 34
Figura 4: Sólidos (mg L-1 ) do Efluente Inicial (EI) ao Efluente Final (EF)
no reator após 120 h de recirculação da água do efluente proveniente do
cultivo heterotrófico do camarão marinho Litopenaeus vannamei ................... 34
ARTIGO CIENTÍFICO II
Figura 1: Esquema de funcionamento dos reatores: captação de água (1),
bombeamento ao reator (2), unidades equalizadoras e recirculação (3).
Momentos das análises físicas e químicas, planilhas e tratamento e
dimensionamento dos dados ............................................................................ 45
Figura 2: Redução dos níveis de amônia no reator após 120 h de
recirculação da água do efluente proveniente do cultivo heterotrófico do
camarão marinho Litopenaeus vannamei.......................................................... 48
Figura 3: Redução dos níveis de ortofosfato no reator após 120 h de
recirculação da água do efluente proveniente do cultivo heterotrófico do
camarão marinho Litopenaeus vannamei.......................................................... 48
ARTIGO CIENTÍFICO III
Figura 1 A e B: Esquema dos reatores compartimentado (RC) e não
compartimentado (RNC)................................................................................... 58
Figura 2: Esquema de funcionamento dos reatores: captação de água (1),
bombeamento ao reator (2 e 3), unidades equalizadoras e recirculação (4).
Momentos das análises físicas e químicas (5), planilhas e tratamento (6) e
dimensionamento dos dados (7)........................................................................ 59
Figura 3: Desempenho dos reatores 1 e 2 e desvio padrão no reator após
120 h de recirculação da água do efluente proveniente do cultivo
heterotrófico do camarão marinho Litopenaeus vannamei .............................. 63
Lista de Tabelas
ARTIGO CIENTÍFICO I
Tabela 1: Características físicas e químicas do EI e EF no reator ................... 32
ARTIGO CIENTÍFICO II
Tabela 1: Características físicas e químicas do efluente inicial (EI) e
efluente final (EF) no reator.............................................................................. 47
ARTIGO CIENTÍFICO III
Tabela 1: Resultados da água inicial (E1) e das médias em 120 h de
tratamento nos reatores 1 e 2 (RC e RNC)........................................................ 62
Lista de Abreviaturas e siglas
ABNT – Associação Brasileira de Normas Técnicas
AF - Afluente
ANOVA – Análise de Variância
APHA – American Public Health Association
CH4 - Metano
CO2 – Gás carbônico
CONAMA – Conselho Nacional do Meio Ambiente
COV – Carga Orgânica Volumétrica
DEPAq – Departamento de Pesca e Aquicultura
DQO – Demanda Química de Oxigênio
EAA – Abordagem Ecossistêmica da Aquicultura
EF – Efluente Final
EI – Efluente Inicial
EPA – Agência Americana de Proteção Ambiental
ETE – Estação de Tratamento de Efluentes
FA – Filtros Anaeróbios
FAO – Organização das Nações Unidas para Agricultura e Alimentação
NA – Nitrogênio Amoniacal
NH3 – Amônia
OD – Oxigênio Dissolvido
ONU - Organização das Nações Unidas
P – Fósforo
PEAD – Polietileno de Alta Densidade
PVC – Cloreto de Polivinila
Q – Vazão
RAS – Sistema de Recirculação da Aquicultura
RMT – Reator de Manta de Lodo
ST – Sólidos Totais
SST – Sólidos Suspensos Totais
TAE – Tanque de Equalização
TRC – Tempo de Retenção Celular
TRH – Tempo de retenção Hidráulica
UASB – Uplfow anaerobic Sludge Blanket
UFRPE – Universidade Federal Rural de Pernambuco
UFSC – Universidade Federal de Santa Catarina
ZEAH – Zero Exchange, Aerobic, Heterotrophic Culture System
Sumário
Introdução ....................................................................................... ...... 15
Justificativa ........................................................................................... 21
Objetivos................................................................................................ 22
ARTIGO CIENTÍFICO I
Resumo............................................................................................. ..... 25
Abstract.................................................................................................. 26
Introdução......................................................................................... ..... 27
Material e métodos............................................................................ .... 29
Resultados e discussão........................................................................... 31
Conclusões............................................................................................. 35
Agradecimentos................................................................................. .... 36
Referências bibliográficas................................................................. .... 36
ARTIGO CIENTÍFICO II
Resumo.............................................................................................. .... 40
Abstract.................................................................................................. 41
Introdução......................................................................................... ..... 42
Material e métodos............................................................................ .... 44
Resultados e discussão........................................................................... 46
Conclusões............................................................................................. 50
Agradecimentos................................................................................. .... 50
Referências bibliográficas................................................................. .... 50
ARTIGO CIENTÍFICO III
Resumo............................................................................................. ..... 53
Abstract.................................................................................................. 54
Introdução......................................................................................... ..... 55
Material e métodos............................................................................ .... 56
Resultados e discussão........................................................................... 60
Monitoramento dos reatores................................... .................... 60
Avaliação da biomassa................................................................ 63
Eficiência............................................................... ..................... 64
Vantagens.................................................................................... 65
Conclusões............................................................................................. 66
Agradecimentos................................................................................. .... 66
Referências bibliográficas................................................................. .....67
Conclusões gerais.............................................................................. .....70
Sugestões para outros trabalhos........................................................ .....71
Referências bibliográficas................................................................. .....72
15
Introdução
No Brasil, estamos diante de uma crescente demanda por
quantidade e qualidade de alimentos que vem impulsionando o
desenvolvimento da aquicultura. Neste contexto, o cultivo de camarões
marinhos ganha destaque em torno de elevadas taxas de crescimento em
sua oferta, pois o Brasil apresenta condições naturais favoráveis
(NATORI et al., 2011). Porém, com a queda do volume produzido a
partir de 2004, principalmente devido às enfermidades, entre elas a
infecção causada pelo vírus da Mionecrose Infecciosa (IMNV), da
mancha branca (que se espalhou rapidamente pelo Brasil) além de
outros fatores de ordem econômica, como, por exemplo, a ação
antidumping e a contínua desvalorização do dólar americano frente a
nossa economia (SUSSEL et al., 2010), os cultivos de camarões
passaram a ser alvo de pesquisadores em diferentes áreas e regiões do
Brasil, garantindo assim um maior número de trabalhos.
O camarão Litopenaeus vannamei é uma espécie exótica para o
Brasil, habita águas salgadas com temperaturas que variam entre 20 e 30
ºC, possui hábito alimentar onívoro e detritívoro, mas aceita diferentes
tipos de rações (MAIA e CORREIA, 2002). O L. vannamei contribuiu
para o desenvolvimento da carcinicultura marinha no Brasil aumentando
a produtividade em diversas fazendas e no segmento econômico
mundial por sua viabilidade para o confinamento, rapidez no
crescimento e ampla faixa de tolerância à salinidade tornando-a uma das
espécies de camarões mais cultivadas no mundo (ROSENBERRY apud
ROCHA, NUNES e FIGUEIREDO, 1998).
Desta forma, autores como Pegado (2004) e Tahim (2008)
relatam a preocupação governamental relacionada ao impacto gerado
pelas fazendas de camarão, seus aspectos ambientais e as inovações
tecnológicas visando melhorias de produção.
O aumento do consumo de água em aquicultura gera,
simultaneamente, um maior volume de resíduos de efluentes. Estes, por
sua vez, exigem uma destinação adequada, caso contrário, haverá o risco
de poluição do solo e contaminação dos ecossistemas aquáticos. Essa
realidade confirma a necessidade urgente de serem desenvolvidas e
adaptadas tecnologias economicamente viáveis de tratamento de
efluentes (KONING, et al., 1997).
Berni e Bajai (2000) descreve sobre a questão dos efluentes
industriais e agrícolas:
“Que coloca a humanidade frente a
problemas ambientais sem precedentes de
16
recuperação, estocagem e tratamento, os
quais ameaçam diariamente sua segurança,
comprometendo sua relação com o espaço e o
seu próprio futuro no planeta. Por outro lado,
a crescente necessidade de reduzir custos de
produção, aliada à consciência ambiental
crescente e às pressões ambientalistas, tem
favorecido a busca e a efetiva utilização de
novas tecnologias de tratamento de efluentes,
que
contemplem
o
desenvolvimento
sustentado. Neste contexto, a digestão
anaeróbica de efluentes tem sido uma das
principais tecnologias consideradas, tendo
como seus principais alavancadores a sua
fácil implantação que possibilita a
minimização do uso da água e de insumos de
processo, bem como a geração de energia por
biocombustíveis. A digestão anaeróbica pode
ser efetivamente utilizada no tratamento de
efluentes, sejam estes agrícolas, urbanos esgotos e lixos - ou industriais".
Neste contexto, o lançamento de efluentes sem tratamento em
ambientes aquáticos pode resultar em acumulação permanente de
nutrientes, principalmente de fósforo e nitrogênio, levando ao processo
de eutrofização artificial (ZHANG et al., 2006), que provoca mudanças
nas condições físicas e químicas dos ambientes aquáticos, alterações
qualitativas e quantitativas em comunidades aquáticas e no incremento
do nível de produção do ambiente aquático (TUNDISI; TUNDISI,
2008).
Henry- Silva e Camargo (2006) relatam sobre as atividades de
aquicultura:
“Dependentes do aporte de nutrientes e de
energia para a manutenção de sua
produtividade, produzem resíduos e efluentes
que necessitam ser removidos, no intuito de
equilibrar o sistema, e para evitar que o
mesmo entre em declínio. Estes poluentes em
potencial não são resultantes exclusivamente
da ineficiência do ser humano em explorar o
ambiente, mas também resultado dos
17
processos que sustentam a vida. Desta forma,
o manejo ambiental, incluindo a remoção dos
poluentes, é um aspecto essencial para a
sustentabilidade das próprias atividades de
aquicultura".
Diante disso, o setor aquícola deve considerar a Resolução
CONAMA 357 de 17 de março de 2005 que classifica os corpos de água
e fornece diretrizes ambientais para seu enquadramento, bem como
estabelece as condições de padrões de lançamento de efluentes, entre
outras providências relativas aos recursos hídricos.
Os cultivos de organismos aquáticos sem renovação de água
através de uma biota predominantemente aeróbica e heterotrófica (ou,
em inglês, Zero Exchange, Aerobic, Heterotrophic Culture Systems ZEAH), vêm surgindo como um novo paradigma na aquicultura
mundial. A vantagem desse tipo de cultivo é principlamente a
diminuição do uso da água e da emissão de efluentes, atendendo aos
conceitos de aquicultura responsável e ambientalmente correta
(WASIELESKY et al., 2006).
Os sistemas de tratamento biológico de efluentes mais utilizados
em aquicultura são: filtros biológicos, lodos ativados, lagoas de
estabilização e os reatores anaeróbicos. No processo de lagoas de
estabilização, não existe nenhum tipo de equipamento mecânico em
operação, exceto em casos em que se deseja a aceleração do processo de
oxidação quando se utilizam aeradores. Este processo tem-se tornado
uma opção viável, para aqueles efluentes mais facilmente
biodegradáveis, caso dos efluentes da agroindústria e aquicultura
(FRADERICK, 1996).
Entre os reatores anaeróbios de última geração, destaca-se o
reator anaeróbio de manta de lodo (UASB – “Upflow Anaerobic Sludge
Blanket”) considerado um avanço na utilização da tecnologia anaeróbia
no tratamento de águas residuárias oriundas de esgotos domésticos de
natureza simples ou complexa, de alta ou baixa concentração, solúveis
ou com materiais particulados. O reator UASB dispensa o uso de
materiais de enchimento por desenvolver e reter biomassa concentrada e
de alta atividade metanogênica, principalmente em sua parte inferior, na
forma de grânulos e/ou flocos densos, denominada zona de reação ativa.
A incorporação de dispositivos internos de separação sólido/gás/líquido
faz também com que o reator trabalhe com Tempo de Retenção Celular
(TRC) elevado, mesmo com o Tempo de Retenção Hidráulica (TRH)
baixo (KATO et al., 1999).
18
No Brasil, diversos trabalhos com tratamento de efluentes são
realizados utilizando os biorreatores e sistemas de filtragem, tanto na
indústria quanto nas Estações de Tratamento de Efluentes (ETE) de
esgotos domésticos, cultivos de animais, indústrias leiteiras e têxteis.
Pereira-Ramirez et al., (2001) avaliaram Filtros Anaeróbios (FA) na
complementação do tratamento de águas de difícil degradação através
da ação de microorganismos (colônias bacterianas) que ficam retidos no
material suporte, como biofilme, através de um sistema UASB/FA.
Ray et al., (2011) estudaram o desenvolvimento de comunidades
microbianas em cultivos de camarões associadas às partículas de
bioflocos e demonstram que as mesmas proporcionam benefícios de
produção contribuindo na alimentação dos camarões. No entanto, é
necessário um rígido controle de qualidade de água, principalmente em
relação aos sólidos no sistema e níveis de bioflocos, além de estudos em
engenharia e dispositivos que auxiliem na manutenção da qualidade de
água da produção de camarões.
Inicialmente a tecnologia UASB foi desenvolvida para tratamento
de águas residuárias industriais concentradas. A ideia de testar o
processo UASB para tratamento de águas residuárias domésticas nasceu
de discussões sobre tecnologias apropriadas para países em
desenvolvimento e seus testes tiveram início em 1976 (KOOJIMANS et
al., 1986). Aos poucos, este estudo foi sendo desenvolvido,
principalmente para condições tropicais em estudos definidos por
Quarmby e Forster (1995) com o pioneirismo do seu emprego em escala
real feito em Cali, na Colômbia, sob supervisão dos seus criadores, os
holandeses relatam em sua publicação que:
“O sucesso em Cali deu impulso à
credibilidade da tecnologia de modo que este
tipo de reator também foi levado para as
condições indianas e unidades operacionais
foram instaladas e está em funcionamento
desde 1989, em Kanpur e Mirzapur, cidades
às margens do Rio Ganges. Para águas
residuárias este tipo de reator encontra-se
bastante difundido e tem sido aplicado para
tratamento de muitos tipos de águas
efluentes, sendo o aspecto essencial do
processo a natureza da biomassa ativa”.
Considerando os estudos publicados, Prapaiwong e Boyd (2012)
19
relatam a importância da qualidade de água em relação as cargas
“orgânicas como potenciais poluentes onde os mesmos poderiam ser
diminuídos nas descargas das fazendas de camarões antes da descarga
final”.
Montenegro et al., (2005) avaliaram o desempenho do reator
anaeróbio de manta de lodo (UASB) construído em escala laboratorial
para redução da carga orgânica poluidora de despejos suinícolas e
relataram a estabilidade do sistema, com boas condições de
tamponamento, retenção e digestibilidade de sólidos. Ainda demonstram
que os critérios adotados de TRH, Carga Orgânica Volumétrica (COV) e
temperatura no reator foram adequados e que corroboram ao aumento do
conhecimento científico do processo anaeróbio, desvinculando o TRH
do TRC, utilizando-se TRH por apenas algumas horas e TRC por vários
dias (METCALF, 2003).
No caso de ausência ou insuficiência de tratamento de efluentes
em cultivos, o lançamento de sólidos suspensos totais (SST) pode afetar
o ambiente aquático, prejudicando o sedimento ao saturá-lo com
material particulado, que também fornece as condições para o
desenvolvimento de microorganismos heterotróficos e consequente
depleção dos níveis de oxigênio dissolvido (SINDILARIUM, 2007).
Hamlin et al., (2008) para resolver problemas advindos do
material particulado em excesso empregaram sistemas de filtração com
bactérias nitrificantes para evitar o aumento de amônia e nitrito,
componentes comuns de Sistemas de Recirculação da Aquicultura
(RAS) em cultivos de esturjão. No entanto, uma significativa troca de
água pode ainda ser necessária para reduzir as concentrações de nitrato
em níveis ambientalmente aceitáveis. Os filtros biológicos reduziram a
quase zero as concentrações de nitrato dos efluentes do cultivo.
Em relação aos excessos, Folke e Kautsky (1992), relatam que:
“13% do nitrogênio e 66% do fósforo
aportado via ração sofrem sedimentação,
25% do nitrogênio e 23% do fósforo são
convertidos em biomassa e 62% de
nitrogênio e 11% de fósforo ficam
dissolvidos na água em cultivos aquícolas”.
“Alves (2006) observou que quando
ocorrem picos de sedimentação de fósforo
total a saturação de oxigênio dissolvido
começa a declinar, indicando maior
20
quantidade de matéria orgânica em
decomposição. O mesmo autor encontrou
alterações na concentração e saturação de
oxigênio dissolvido e nas taxas de
sedimentação de fósforo total e nitrato
demonstrando que quedas na concentração de
oxigênio dissolvido tendem a aumentar as
taxas de sedimentação de fósforo total e
nitrato, que podem ser significativas para a
eutrofização artificial”.
Muitos autores defendem as trocas limitadas de água dos viveiros
de camarões porque proporcionam aos sistemas de cultivo uma redução
ou eliminação de infecções microbianas na água de cultivo, reduzem a
carga de nutrientes e a transferência de patógenos para o ambiente,
mantendo uma boa qualidade da água (HOROWITZ; HOROWITZ,
2002). Estas trocas, de acordo com Hopkins et al., (1993) são eficientes
porque diminuem o efeito de diluição das trocas de água, fazendo com
que as comunidades de microorganismos sejam mantidas, diminuindo a
entrada de doenças.
Contudo, estudos comprovam que embora os cultivos heterotróficos
estejam crescendo, deve-se levar em consideração parâmetros como os
compostos nitrogenados e fosfatados ao exemplo da amônia livre (NH4)
que dissolvida na água pode ser tóxica aos peixes, mesmo em baixas
concentrações. A agência americana de proteção ambiental (EPA)
estabelece um limite de 0,02 mg L-1 de nitrogênio em forma de NH4 nas
águas, para proteção da vida aquática (SILVA, 2002). No Brasil, a
Resolução CONAMA 357 estabelece limites de 0,40 mg L-1 para a
amônia (NH4) e para fósforo total de 0,124 mg L-1 em seus volumes
máximos.
O maior mecanismo de remoção de nitrogênio orgânico nos
filtros construídos é a sequência dos processos de amonificação,
nitrificação e desnitrificação. (IWA Specialist Groupon Use of
Macrophytes, 2000; COOPER, et al., 1996; KADLEC e KNIGHT,
1996).
Diante disso, explica-se o crescimento dos cultivos intensivos e
com troca-zero, possibilitando a utilização da água por diversos ciclos
de cultivo, surgindo os sistemas de recirculação e, mais recentemente os
cultivos do tipo heterotróficos considerando ainda o seguinte problema:
depois de seguidos ciclos de cultivo reaproveitando a água, chegará um
momento em que a mesma não terá mais condições de uso, que apesar
21
das diluições poderá conter níveis altos de compostos orgânicos,
inorgânicos, sólidos e bactérias, que, com o passar do tempo poderão
elevar parâmetros químicos citados anteriormente e comprometer a sua
devolução ao ambiente, de acordo as normas estabelecidas pela
Resolução CONAMA 357.
A digestão anaeróbia de resíduos poluentes vem despertando
grande interesse e sendo utilizada, com sucesso, para vários tipos de
efluentes, tanto domésticos quanto industriais, em diversas partes do
mundo. Comparado com o método convencional de tratamento aeróbio
e do ponto de vista da implementação de tecnologias sustentáveis, o
processo anaeróbio resolve o problema dos efluentes de uma maneira
mais abrangente, pois requer pouco espaço para a sua implementação,
menores custos de investimentos para maiores cargas volumétricas e
produz energia útil na forma de biogás, dependendo da natureza do
efluente tratado.
No processo de digestão anaeróbica, a matéria orgânica presente
nos efluentes é transformada pela ação dos microorganismos em
aproximadamente 78% de biogás, sendo uma mistura de CH4 e CO2,
20% de material orgânico que continua em dissolução e entre 1 a 2% de
novos microorganismos (ARRIETA; CANTERA, 1999).
Os impactos socioambientais ocasionados pela aquicultura têm
estimulado o desenvolvimento da chamada aquicultura sustentável, que
pode ser entendida como o conjunto de procedimentos alternativos que
almejam reverter os impactos ocasionados pelo “mau desenvolvimento”.
De acordo com este enfoque, a aquicultura deve almejar lucro, e ao
mesmo tempo, privilegiar o desenvolvimento social e a minimização
dos impactos ambientais (VALENTI, 2000; VINATEA, 2000; TIAGO,
2002).
Neste contexto, diante da busca por novas tecnologias
ambientalmente sustentáveis para ajudar a solucionar a problemática dos
efluentes da carcinicultura, esta pesquisa foi realizada visando avaliar a
eficiência de dois diferentes tipos de reatores: compartimentado e não
compartimentado na redução das cargas orgânicas de efluentes de
cultivo heterotrófico de camarão marinho Litopenaeus vannamei
(Boone, 1931).
Justificativa
A experiência prática com o tratamento anaeróbio de efluentes
líquidos ainda é recente. No Brasil não existem estudos voltados para a
22
maricultura ou sistemas de cultivos aquícolas com este tipo de
tratamento. No entanto, este potencial pode ser avaliado a partir do
conhecimento de poucas características do efluente a ser tratado, embora
uma avaliação preliminar característica do efluente auxilie na escolha do
processo de tratamento mais adequado. Dessa forma, estimativas de
produção de resíduos biológicos e requisitos de nutrientes servirão de
base para estudos de qualidade de água ou liberação da mesma.
As pesquisas as quais se referem este trabalho visam contribuir
para o avanço do conhecimento no domínio da aquicultura, uma vez que
o tipo de sistema apresentado é utilizado com sucesso nos setores de
Engenharia Sanitária e Agricultura no Brasil e no mundo.
Apesar da aquicultura estar em crescimento no Brasil, os sistemas
de filtragem através de biorreatores não são praticados nos cultivos.
Espera-se, contudo, propiciar um melhor conhecimento científico e
garantir a qualidade dos sistemas de cultivo e obtenção de melhores
produtos adequando novas metodologias de pesquisas.
De maneira geral, conceitos de qualidade e “produção limpa”
vêm sendo implantados na incorporação de novas tecnologias que estão
sendo adotadas seguindo os conceitos de sustentabilidade. Estas
incorporações poderão melhorar a imagem da aquicultura em geral, que
obtém o título de atividade produtora de resíduos.
Para isso, foram desenvolvidos e construídos dois reatores
híbridos, com base em modelos similares aos reatores de manta de lodo
(UASB) em escala laboratorial para redução da carga orgânica poluidora
oriunda de cultivos heterotróficos de camarão marinho. Foi relatada a
estabilidade do sistema, as condições de retenção e digestibilidade de
sólidos e nutrientes, demonstrando que os critérios adotados de Tempo
de Retenção Hidráulica (TRH), Carga Orgânica Volumétrica (COV) e
temperatura foram adequados corroborando o aumento do conhecimento
científico do tratamento de efluentes.
Objetivos
Os objetivos deste estudo foram construir, avaliar e monitorar a
eficiência de dois tipos de reatores híbridos e o desempenho destes na
redução de parâmetros físicos e químicos indesejáveis de qualidade de
água proveniente de cultivos heterotróficos super-intensivos de
Litopenaeus vannamei.
23
Revistas aos quais foram submetidos os trabalhos:
Artigo Científico I
Reator anaeróbio: desempenho na remoção da carga orgânica de
efluentes de cultivos heterotróficos. Enviado em novembro de 2011 para
a PAB – EMBRAPA.
Artigo Científico II
Reator anaeróbio com fluxo ascendente: remoção de compostos
nitrogenados e fosfatados provenientes de efluentes. Enviado em abril
de 2012 para a PAB – EMBRAPA.
Artigo Científico III
Estudo comparativo de dois reatores híbridos no tratamento de efluentes
heterotróficos. A ser submetido a Aquaculture Engineering.
24
ARTIGO CIENTÍFICO I
Reator anaeróbio: desempenho na remoção da carga orgânica de
efluentes de cultivos heterotróficos de camarão marinho.
Upflow anaerobic: performance in removal of organic load effluent
heterotrophic crops in shrimp farm.
Weruska de Melo Costa(1), Henrique David Lavander(2), Leônidas
Oliveira(2), André Batista de Souza(2), Alfredo Olivera Galvéz(2) e Luis
Alejandro Vinatea Arana(3).
1
Departamento de Biologia - Universidade Federal Rural de
Pernambuco – UFRPE - Rua Dom Manoel de Medeiros, s/n, Dois
Irmãos - CEP: 52171-900 - Recife/PE. [email protected]
2
Departamento de Pesca e Aquicultura - Universidade Federal Rural de
Pernambuco – UFRPE - Rua Dom Manoel de Medeiros, s/n, Dois
Irmãos - CEP: 52171-900 - Recife/PE. [email protected],
[email protected],
[email protected],
[email protected]
3
Departamento de Aquicultura – CCA – UFSC - Rodovia Admar
Gonzaga, 1346 – Itacorubi – CEP 88034-001 – Florianópolis –
[email protected]
25
Resumo
Os cultivos de organismos aquáticos sem renovação de água através de
uma biota predominantemente aeróbica e heterotrófica atende aos
conceitos de uma aquicultura responsável e ambientalmente correta. A
vantagem desse sistema é a diminuição do uso da água, da remoção de
sólidos e da emissão de efluentes, reduzindo o impacto ambiental. Este
estudo avaliou águas oriundas de cultivos heterotróficos de camarão
marinho Litopenaeus vannamei. Os valores médios dos efluentes em
Demanda Química de Oxigênio (DQO) e Sólidos Totais (ST) foram de
56 e 42 mg L-1. A eficiência de remoção de DQO e ST foi de 44, e
37,5%, respectivamente. O sistema se apresentou estável, com boas
condições de retenção de sólidos, demonstrando que os critérios
adotados foram adequados, principalmente o Tempo de Retenção
Hidráulica (TRH), Carga Orgânica Volumétrica (COV) e temperatura. O
reator consegue tratar efetivamente a água demonstrando que as
características operacionais adotadas permitem a boa eficiência do
sistema aliando esta funcionalidade à economia no material utilizado.
Termos para indexação: Tratamento de água, heterotrófico, resíduos,
fluxo horizontal.
26
Abstract
The harmful of aquatic organisms no water renewal through a mainly
aerobic and heterotrophic biota meet concepts in a responsibly and
environmentally responsible aquaculture. The advantage of this system
is the reduction water use, solids removal and effluent emission by
reducing environmental impact. This study examined water originated
from cultivation of heterotrophic marine shrimp Litopenaeus vannamei.
Mean values of effluents in Chemistry Oxygen Demand (COD) and
Total Solids (TS) were from 56 e 42 mg L-1. The removal efficiency in
of COD and ST was 44, and 37.5 %, respectively. The system presented
stable, with good conditions solid retention, demonstrating the criteria
used were adequate, especially the Hydraulic Retention Time (HRT),
Organic Loading Rate (OLR) and temperature. The reactor was can
effectively treat water showing that the taken operational features good
system efficiency uniting this function the economy in used material.
Index terms: water treatment, heterotrophic, waste, horizontal flow.
27
Introdução
O aumento do consumo de água na aquicultura gera um maior
volume de resíduos de efluentes que devem ser tratados adequadamente
em relação ao destino final para que não haja risco de poluição do solo e
da água. Esta realidade corrobora a necessidade de se desenvolverem
novas técnicas de pesquisas e de adaptação de novas tecnologias que
sejam economicamente viáveis para o tratamento de efluentes
(KONING et al., 1997).
No Brasil, a crescente demanda por quantidade e qualidade de
alimentos impulsiona o desenvolvimento da aquicultura, e com isso se
destaca o cultivo de camarões marinhos, por sua elevada taxa de
crescimento em sua oferta nas regiões que apresentam condições
naturais favoráveis (NATORI et al., 2011). Houve uma evolução no
crescimento de fazendas que cultivam camarão nos anos 90, mas a partir
de 2004 o volume de produção começa a cair, principalmente devido às
enfermidades, ocasionada por problemas genéticos e cultivos
superintensivos. Entre as enfermidades, destaca-se a infecção causada
pelo vírus da Mionecrose Infecciosa (IMNV), da mancha branca (que se
espalhou rapidamente pelo Brasil) além de outros fatores de ordem
econômica, como por exemplo, a ação antidumping e a contínua
desvalorização do dólar americano frente a nossa economia (SUSSEL et
al., 2010).
A questão dos efluentes industriais e agrícolas coloca a
humanidade frente a problemas com estocagem e tratamento que
diariamente ameaçam a segurança ambiental. Por outro lado, a
necessidade em reduzir custos de produção, aliada à consciência
ambiental e às pressões ambientalistas é crescente e tem favorecido a
busca e a utilização de novas tecnologias de tratamento de efluentes, que
contemplem o desenvolvimento sustentado como a minimização do uso
da água e de insumos utilizados nos cultivos (BERNI; BAJAI, 2003).
No Brasil, diversos trabalhos com tratamento de efluentes são
feitos utilizando biorreatores e sistemas de filtragem em sua maioria nas
indústrias e nas Estações de Tratamento de Efluentes (ETE). PereiraRamirez, et al., (2001) avaliaram Filtros Anaeróbios (FA) para
complementar o tratamento de águas de difícil degradação pela ação de
microorganismos (colônias bacterianas) que ficam retidos no material
suporte, como biofilme, através de um sistema UASB/FA (Reator
anaeróbio de manta de lodo UASB – “Upflow Anaerobic Sludge
Blanket”) onde o efluente bruto proveniente de uma indústria de
28
extração e refino de óleo de farelo de arroz foi analisado neste tipo de
tratamento.
As experiências utilizando reatores são novas. Embora eles sejam
muito utilizados em sistemas de tratamento de esgotos e indústria, a
ideia da utilização de reatores vem sendo difundida no mundo como
processo inovador na resolução de acúmulo de nitrato nos sistemas de
recirculação da aquicultura, utilizando biorreatores desnitrificadores em
sistemas globais de tratamento com biofiltro e dispositivos de filtração
granular onde há a obtenção de água de qualidade com quase nulos
níveis de nitrito e amônia e eliminação dos resíduos (SINGER et al.,
2008).
Os cultivos de organismos aquáticos sem renovação de água
através de uma biota predominantemente aeróbica e heterotrófica (ou
Zero Exchange, Aerobic, Heterotrophic Culture Systems - ZEAH), vêm
surgindo como um novo paradigma na aquicultura mundial, devido ao
menor uso da água, que representa uma diminuição na emissão de
efluentes e redução do impacto ambiental. A aplicação destes sistemas
de cultivo atende aos conceitos de uma aquicultura responsável e
ambientalmente correta. A vantagem desse sistema é a diminuição do
uso da água e da emissão de efluentes (WASIELESKY et al., 2006).
Considerando o potencial da atividade, a indústria da aquicultura
vem crescendo a uma taxa superior a 15% ao ano no Brasil. Este
potencial ainda é pouco aproveitado e, hoje, ainda não se tem uma ideia
real do desenvolvimento da aquicultura no Brasil, das prioridades de
pesquisa e das demandas do setor produtivo (EMBRAPA, 2006). Este
trabalho pretende contribuir para o avanço da utilização da água na
aquicultura, com ênfase nas águas do tipo hetetrtróficas oriundas de
cultivos de camarão marinho, uma vez que este tipo de reator
apresentado vem sendo utilizado com sucesso nos setores de Engenharia
Sanitária e Agricultura no Brasil e no mundo.
Em virtude de a aquicultura estar em crescimento no Brasil, os
sistemas de biorreatores não são utilizados nos cultivos. Espera-se,
contudo propiciar um melhor conhecimento científico e garantir a
qualidade dos cultivos e obtenção de melhores produtos.
Além disso, o setor aquícola deve considerar a Resolução
CONAMA 357 de 17 de março de 2005 que classifica os corpos de água
e diretrizes ambientais para seu enquadramento, bem como estabelece as
condições de padrões de lançamento de efluentes, entre outras
providências relativas aos recursos hídricos considerando a classificação
das águas, os níveis de qualidade que atendem as comunidades, o
equilíbrio ecológico aquático e a qualidade ambiental.
29
Para isso, foi construido um reator, com base em modelos
similares aos reatores de manta de lodo (UASB-Upflow Anaerobic
Sludge Blanket), em escala laboratorial, objetivando a redução da carga
orgânica poluidora oriunda de cultivos heterotróficos de camarão
marinho. Foram relatadas a estabilidade do sistema, as condições de
retenção e digestibilidade de sólidos e nutrientes, demonstrando os
critérios adotados de Tempo de Retenção Hidráulica (TRH), Carga
Orgânica Volumétrica (COV) e temperatura.
Material e métodos
A pesquisa foi desenvolvida no Laboratório de Maricultura
Sustentável (LAMARSU) do Departamento de Engenharia de Pesca e
Aquicultura (DEPAq) da Universidade Federal Rural de Pernambuco
(UFRPE). O experimento foi conduzido através de um sistema
composto por três dispositivos: (1) tanque de armazenamento de
efluente (TAE), (2) reator de manta de lodo (RMT) e (3) unidade
equalizadora (UE) (Figura 1). Neste trabalho, foram avaliados os
parâmetros relacionados com o reator no tratamento de águas residuais
advindas de cultivos tipo heterotrófico.
O efluente utilizado nesta pesquisa foi proveniente de cultivos
experimentais de camarão marinho L. vannamei, realizados no
Laboratório de Sistemas de Produção Aquícola (LAPAq/UFRPE), de
experimento berçário em sistema de bioflocos (meio heterotrófico). A
água, armazenada em tanques cilíndricos de fibra de vidro de 500 L, foi
encaminhada ao LAMARSU e depositada em um tanque de
armazenamento de fibra de vidro com capacidade para 2000 L, com
aeração constante através de mangueiras com pedras porosas. Desse
tanque, por meio de uma bomba centrífuga de 0,5 CV a água foi
encaminhada para as unidades de equalização com volumes de 50 L,
onde foram bombeadas para os reatores de 200 L em três unidades
compartimentadas.
As características operacionais do sistema de tratamento se
mantiveram com as seguintes dimensões: altura do reator: 1,30 m;
diâmetro (m): 0,70; volume (L): 200; peso (Kg): 11,00 e vazão de 1
L/min.
Os reatores foram montados em recipientes de Polietileno de Alta
Densidade (PEAD) e seu processo de adaptação ocorreu a partir de um
corte na extremidade superior para limpeza e ajuste das placas de
compartimentos (colocação de três placas de compartimentos de mesmo
30
material, fixadas através de colagem por maçarico). Foram adaptadas a
entrada e a saída da água através de cortes opostos e colocação de cano
de PVC com suporte para mangueira plástica e adaptação as bombas de
recirculação, que permitiram a entrada e saída da água do reator através
de bombeamento com fluxo ascendente no interior do reator.
Em sequência, o efluente de saída das unidades foi recirculado da
unidade de equalização, por meio de bomba centrífuga para estudo das
fases operacionais de condições de recirculação: Etapa I – 50% da vazão
total (2.880 L.dia-1) e Etapa II – 100% da vazão total (5.760 L.dia-1)
(vazão da recirculação), com duração de 120 h. As principais
características físicas e operacionais (vazão e Tempo de Retenção
Hidráulica - TRH) do sistema de tratamento, a representação
esquemática do sistema implantado e o fluxograma de trabalho podem
ser visualizados na Figura 1.
Bombeamento
(2) Reator 200L
(1)Tanque
2000L
(3) Unidade
equalizadora
Bombeamento
Análises físicas
e químicas
Planilhas e
resultados
Tratamento dos dados
Dimensionamento e eficiência do
sistema
Figura 1: Esquema de funcionamento dos reatores: captação de água (1),
bombeamento ao reator (2), unidades equalizadoras (3) e recirculação.
Momentos das análises fisicas e quimicas, planilhas e tratamento e
dimensionamento dos dados.
O monitoramento foi realizado diariamente incluindo o Efluente
Inicial (EI) e a saída do Efluente Final (EF). Os seguintes parâmetros
31
físicos e químicos foram analisados: temperatura (°C), salinidade (‰),
O2 (%), O2 (mg L-1), pH, vazão (L/min), condutividade (mS/cm) in loco
com sonda multiparâmetros (YSI 6600 V2), DQO (mg O2/L-1) segundo
o Manual técnico Standard Methods for the examination of Water and
Wastewater (APHA, AWWA, WEF, 2005) e Sólidos Totais suspensos
(mg L-1) (volume de sólidos por gravimetria em cones de Imhoff ).
O sistema foi conduzido em três sequências de tratamento de 120
h (os resultados são apresentados como médias destas três sequências
obtidas por meio de amostragem dos efluentes), tendo como Efluente
Inicial (EI) a água que foi proveniente dos cultivos heterotróficos e
Efluente Final (EF) a água tratada e recirculada no reator. As vazões
foram ajustadas mecanicamente e monitoradas durante as 120 h por
medição direta (método volumétrico).
O período de partida durou 10 dias. Portanto, desde a chegada ao
laboratório, o efluente foi mantido sob constante aeração para conservar
sua carga heterotrófica. Porém, o tempo de monitoramento e das
análises foi de 120 h desde o início do experimento. As análises físicas e
químicas foram feitas uma vez ao dia, a cada 24 h.
Para avaliar se os parâmetros apresentaram diferenças
significativas (p<0,05), foi testada, inicialmente, a Normalidade (teste
de Shapiro Wilk) e homocedasticidade (Chocran). Como a maioria dos
dados não apresentou distribuição normal e as variâncias se
apresentaram de forma não homogênea, foi utilizado o teste não
paramétrico de Kruskal-Wallis (ZAR, 1984; MENDES, 1999) para
comparação de medianas utilizando os resultados obtidos das três
repetições de operação dos reatores.
Resultados e Discussão
Os valores médios, mínimos e máximos, do efluente inicial (EI) e
do efluente final (EF) do reator estão apresentados na Tabela 1, onde
DQO: Demanda Química de oxigênio, ST: Sólidos Totais, pH: Potencial
Hidrogeniônico, T: Temperatura e COV: Carga Orgânica Volumétrica.
Apesar de ter sido estipulada uma vazão, o TRH foi obtido após o
funcionamento do reator, ou seja, não foram estipulados TRH em função
da vazão. Não houve variação da vazão no decorrer do tempo. O sistema
foi totalmente monitorado e não possuiu unidade separadora. Os sólidos
acumularam-se dentro do reator, mas não diminuíram a vazão nem
causaram entupimento, o que não afetou a eficiência do sistema.
Comparando os resultados avaliados por Ng e Chin (1998) e Zhang e
32
Dague (1995), o reator anaeróbio sequencial em batelada e filtro
anaeróbio de leito expandido apresentaram eficiências na retenção DQO
em 59% e 78%, respectivamente. O reator pesquisado apresentou 44%
de eficiência na diminuição da DQO.
Tabela 1: Características físicas e químicas do EI e EF no reator:
Parâmetro
DQO (mg L-1)
ST (mg L-1)
pH
T (° C)
Vazão (L h-1)
TRH (h)
COV (kg DQO d m-3)
Eficiência DQO (%)
ST (%)
EI
EF
EI
EF
EI
EF
Reator
Ambiente
Média
420a
268,87a
56a
42a
7,88a
8,07a
27a
29,98a
75a
72a
37,93a
44a
37,5a
Mínimo
*
235,5
*
38
*
7,98
*
27,34
*
*
*
*
*
Máximo
*
300
*
46
*
8,32
*
31,74
*
*
*
*
*
*Sem valores mínimo e máximo. Letras diferentes, entre as médias,
diferenciam os tratamentos pelo teste de Kruskal-Wallis (P<0,05).
A temperatura no reator apresentou valor médio de 27 ºC ± 2 ºC,
não havendo diferença significativa entre as repetições.
Mirzoyan et al., (2008), utilizando reatores UASB, obtiveram
valores de diminuição do pH de 7,7 para 4,0 em testes com digestores de
lodo da aquicultura. O pH do efluente inicial ao reator neste trabalho
apresentou valor 7,88. O efluente final apresentou valores
compreendidos entre 7,98 e 8,32, com um valor médio de 8,07 não
havendo diferença significativa entre estes valores durante o tempo de
operação, o que caracteriza boas condições de tamponamento da
unidade (Figura 2). Os dados apresentaram distribuição próxima à
simétrica. Portanto, os valores mínimos e máximos observados não
distorceram a média, sendo esse o valor representativo do pH. Nota-se
também que a mediana apresentou valor próximo à média encontrada
(7,9).
33
9
8
7
F1-medi ana
pH
6
F1-medi a
5
devpad
4
Li near (F1medi ana)
3
2
1
0
0h
24h
48h
72h
96h
120h
Tempo de operação
Figura 2: Distribuição e desvio padrão dos valores médios do pH durante as 120
h de funcionamento dos reatores do Efluente inicial (EI) ao Efluente final (EF).
Ocorreu grande diminuição da DQO do EI ao EF durante o
período de monitoramento, como pode ser visto na Figura 3. Essa
diminuição se explica pelo acúmulo de sólidos dentro do reator, ou seja,
demonstra a capacidade de retenção da unidade. A DQOT do EI
apresentou valor de 420 mg L-1 e o valor médio do EF de 268,87 mg L-1
não havendo diferença significativa entre as repetições. A constância
destes valores indica o equilíbrio do funcionamento do reator.
350
DQO(mg L-1)
300
250
mediana
200
media
devpad
150
Linear (media)
100
50
0
0h
24h
48h
72h
96h
120h
Tempo de operação
Figura 3: Variação dos valores médios da DQO (mg L-1) do Efluente Final (EF)
no reator após 120 h de recirculação da água do efluente proveniente do cultivo
heterotrófico do camarão marinho Litopenaeus vannamei.
Mirzoyan et al., (2008) utilizando reatores UASB com efluentes
de aquicultura, obtiveram reduções de sólidos de quase 70% sugerindo
que o sistema pode ser utilizado sem pré-tratamento, ou seja, não existe
a necessidade de passar a água pela lagoa de estabilização, pois o
34
sistema retém os sólidos.
Durante o período considerado, o reator apresentou diminuição
de DQO e capacidade de amortecimento das variações das
concentrações efluentes em 44%. Mesmo o reator apresentando relativa
eficiência de remoção de matéria orgânica e de sólidos, confirma-se a
necessidade de polimento de seu efluente. Foram registradas
diminuições médias de 37,5% para os Sólidos Totais (ST) no EI-EF da
unidade de tratamento. Estes valores foram utilizados para dimensionar
a Carga Orgânica Volumétrica operada pelo reator. Os resultados
apresentaram uma redução constante e após as 120 h de recirculação foi
verificado que este parâmetro continuava a reduzir e o tempo de
operação foi ampliado em mais 24 h. Mesmo com este aumento de
tempo o limite de sólidos continuou acima de 1mL L-1, limite dentro do
estabelecido na Resolução CONAMA 357/2005, não sendo observadas
influências oriundas do tempo de operação ou da temperatura (Figura 4).
50
45
Sólidos (mg L-1)
40
mediana
35
30
media
25
devpad
20
Linear (media)
15
10
5
0
0h
24h
48h
72h
96h
120h
Tempo de Operação
Figura 4: Sólidos (mg L-1 ) do Efluente Inicial (EI) ao Efluente Final (EF) no
reator após 120 h de recirculação da água do efluente proveniente do cultivo
heterotrófico do camarão marinho Litopenaeus vannamei.
True et al., (2004) em pesquisa com reatores obtiveram resultados
positivos utilizando espuma reticulada em tratamento de águas
residuárias com captura de partículas para retenção de sólidos e redução
de fosfatos em. Os resultados indicaram uma redução de 29% em
sólidos em suspensão e 11% de redução de fosfatos a partir do efluente
tratado confirmando que a espuma reticulada foi um suporte adequado
para o processo de filtração com alta taxa de sólidos e com redução de
fósforo na descarga de efluentes.
Neste trabalho, efluentes oriundos de cultivos heterotróficos
continham partículas que serviram de suporte para agregação de sólidos
35
e atuaram na remoção dos níveis de fosfatos e compostos nitrogenados o
que dispensou o uso de material atuante como substrato a exemplo de
conchas, britas, porcelanas ou PVC, ou seja, as partículas que formam
flocos dos cultivos heterotróficos agregaram o material em suspensão
resultando na redução dos parâmetros físicos e químicos, eliminando as
partículas sólidas e clarificando a água.
Os resultados obtidos neste trabalho confirmam a expectativa já
registrada em trabalhos utilizando reatores UASB em Estações de
Tratamento de Esgotos (ETE) e alguns já estão sendo iniciados na
aquicultura em tratamentos com filtros biológicos como: VAN
HAANDEL; LETTINGA, (1994); QUARMBY; FORSTER, (1995);
GONÇALVES et al, (1997); BASTOS et al, (2004); GONÇALVES et
al, (2001); PEREIRA-RAMIREZ et al, (2001); METCALF; EDDY,
(2003); ROMBAUT et al, (2003) e HAMLIM et al, (2008).
Ainda assim, devemos relatar a COV de 37,93 kg dentro do
reator, demonstrando boa capacidade de absorção de carga em termos de
DQO e os TRH relatados por estes autores em seus trabalhos que
variaram de 5 a 25 dias de retenção hidráulica, o que corrobora aos
nossos estudos em relação ao tempo de funcionamento do sistema, onde
o mesmo reduziu os parâmetros essenciais a qualidade de água em 120 h
de funcionamento.
Conclusões
•
•
•
•
As condições operacionais do reator compartimentado com
fluxo vertical ascendente conseguiram tratar a água, deixando o
efluente final com as características exigidas pela legislação
ambiental quanto a DQO;
A COV foi retida pelo reator em seu tempo de operação;
Não houve tratamento preliminar da água através de separação
de sólidos revelando um efluente clarificado e com sinais de
desempenho satisfatório na diminuição dos excessos oriundos
das atividades de cultivo do tipo heterotróficoe considerando
ainda os padrões da legislação vigente;
O reator apresenta funcionamento estável e boas condições de
retenção de sólidos.
36
Agradecimentos
A CAPES, no âmbito do programa Amazônia Azul, pela
concessão da bolsa de estudos; a UFSC (Pós-graduação em Aquicultura)
pelo ingresso no doutoramento; aos Laboratórios LAMARSU e LAPAq,
pela concessão de uso do laboratório e ulilização de seus efluentes; a
Empresa de pesquisa KLAEFF, pela montagem dos reatores e aos
Professores Dra. Roberta Borda Soares, Dr. Silvio Peixoto e Dr. Eudes
Corrêa e aos Engenheiros de Pesca e Mestres Emanuell Felipe e Fabiana
Penalva, por toda ajuda prestada em contribuições científicas e
discussões sobre o tema e a Profª Me. Renata Akemi Shinozaki Mendes
pela contribuição nas análises estatísticas.
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Water and Wastewater, 21thEd., 2005.
ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DE NORMAS TÉCNICAS – ABNT.
Informação e Documentação – Referências – Elaboração. Rio de
Janeiro, 24 p. (NBR-6023). 2002.
BASTOS, R. K. X., et al., Reator UASB + Biofiltro Submerso
Aerado. Um Sistema eficiente, mas que requer cuidados
operacionais. Universidade Federal de Viçosa, Departamento de
Engenharia Civil. 2004.
BERNI, M. D. & BAJAI, S. V. Geração de energia e a digestão
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papel. Enc. Energ. Meio Rural. V. 3, p. 1, 2003.
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37
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39
ARTIGO CIENTIFICO II
Reator anaeróbio com fluxo ascendente: remoção de compostos
nitrogenados e fosfatados provenientes de efluentes de cultivos de
camarão marinho.
Upflow anaerobic reactor: removing nitrogen and phosphate from
wastewater.
Weruska de Melo Costa1, Henrique David Lavander2, Leônidas
Oliveira2, André Batista de Souza2, Alfredo Olivera Gálvez2 e Luis
Alejandro Vinatea Arana3.
1
Departamento de Biologia - Universidade Federal Rural de
Pernambuco – UFRPE -Rua Dom Manoel de Medeiros, s/n, Dois
Irmãos - CEP: 52171-900 - Recife/PE. [email protected]
2
Departamento de Pesca e Aquicultura - Universidade Federal Rural de
Pernambuco – UFRPE - Rua Dom Manoel de Medeiros, s/n, Dois
Irmãos - CEP: 52171-900 - Recife/PE. [email protected],
[email protected],
[email protected],
[email protected]
3
Departamento de Aqüicultura – CCA – UFSC - Rodovia Admar
Gonzaga, 1346 – Itacorubi – CEP 88034-001 - Florianópolis
[email protected]
40
Resumo
O cultivo de camarões marinhos apresentou significante crescimento nas
últimas décadas, tornando-se um importante agronegócio mundial.
Efluentes provenientes deste tipo de cultivo são responsabilizados por
degradações em ecossistemas e por disseminação de doenças em
camarões. Tal situação demanda tecnologias comprometidas com as boas
práticas de manejo e melhoria da qualidade de água dos cultivos. Diante
disso, explica-se o crescimento dos cultivos intensivos e com troca-zero,
possibilitando a utilização da água por diversos ciclos de cultivo, surgindo
os sistemas de recirculação e cultivos do tipo heterotróficos. Neste
trabalho foi construído um reator em escala laboratorial objetivando a
redução da carga orgânica poluidora oriunda destes cultivos. Os resultados
demonstraram que o reator pode ser usado como uma alternativa eficaz no
tratamento de águas residuais. As condições operacionais do reator
compartimentado com fluxo vertical ascendente conseguiram tratar
efetivamente a água reduzindo os níveis de nitrogênio amoniacal em
96,7% e ortofosfato em 91%, revelando um efluente com desempenho
satisfatório, considerando os padrões da legislação vigente.
Palavras chave: Águas residuais, Cultivo de camarão, Qualidade de água.
41
Abstract
The harmful of marine shrimps showed significant increase in recent
decades on significant world agribusiness. Effluents proceeding from this
type cultivation are responsible for deterioration of ecosystems and the
spread of diseases in shrimp. This situation demands technology
committed to good handling practices and improvement of water quality
of crops. Thus, says was the increase of crops and intense zero-return,
allowing the use of water for several cultivated cycles, rising recirculation
systems and cultivations of heterotrophic type. In this paper constructed a
on the laboratory scale the reactor aimed at reducing the pollution organic
loading rate originated these cultivations. Results showed that reactor may
be used as an effective alternative in treatment of waste water. The
operational conditions the baffled reactor with vertical upward flux
managed to effectively treat water reducing the levels of ammoniacal
nitrogen 96.7%, and orthophosphate 91%, showing an effluent a
satisfactory performance considering the fact the standards of law.
Index terms: Wastewater, Shrimp culture,Water quality.
42
Introdução
O cultivo de camarões marinhos, nas últimas décadas apresentou
crescimento significativo dentro do agronegócio mundial, tornando-se
uma cadeia produtiva de extrema importância. Este crescimento não foi
acompanhado por técnicas de manejo eficientes que não resultem ou não
aumentem prováveis impactos ambientais gerados por sistemas
autotróficos tradicionais (SAMOCHA et al., 2007). Os efluentes
provenientes deste tipo de sistema podem ser responsáveis por
degradações nos ecossistemas e por disseminação de doenças em
camarões. Para que não ocorram tais problemas, pode-se recorrer a
tecnologias adequadas e boas práticas de manejo na melhoria da
qualidade de água dos cultivos (HOROWITZ; HOROWITZ, 2001,
2003). Atualmente, o cultivo de camarões marinhos em sistema
heterotrófico é considerado uma alternativa biotecnológica para elevar
as produtividades, pois este sistema prevê uma maior quantidade de
animais por metro cúbico, reduz os volumes de água, minimiza o uso de
rações e as bactérias são utilizadas como complemento alimentar
promovendo o crescimento dos animais cultivados (CARVALHO,
2010).
Avnimelech (2002) demonstra que a utilização de agregados
microbianos possibilita a troca zero ou mínima de água, alcançando
bons padrões de biossegurança e minimizando os efeitos ambientais
adversos da carcinicultura. Além disso, Wasielesky et al., (2006)
constataram que a presença de comunidades controladas de bactérias
heterotróficas pode melhorar a qualidade de água, aumentando a
sobrevivência, o peso médio final e o crescimento semanal, reduzindo o
consumo de ração e o fator de conversão alimentar dos camarões.
Com o aumento da população bacteriana ocorre a formação de
macro agregados, ou flocos, constituídos principalmente por bactérias,
microalgas, partículas orgânicas e inorgânicas, protozoários e outros
microorganismos (BURFORD et al., 2003, 2004; BALCÁZAR et al.,
2006). Estes agregados microbianos que compõem estes flocos podem
ser incrementados pela utilização de bactérias probióticas, apresentando
maiores níveis de proteína bruta e extrato etéreo em um sistema
heterotrófico experimental (VITA et al., 2008).
Muitos autores defendem as trocas limitadas de água porque
proporcionam aos sistemas de cultivo uma redução na carga de
nutrientes e transferência de patógenos para o ambiente, mantendo uma
boa qualidade da água dos viveiros de camarões (HOROWITZ;
HOROWITZ, 2002). Estas trocas, de acordo com Hopkins et al., (1993)
43
são eficientes porque diminuem o efeito de diluição das trocas de água,
mantendo as comunidades de microorganismos.
Contudo, estudos comprovam que, embora os cultivos
heterotróficos estejam crescendo, deve-se levar em consideração
parâmetros como os compostos nitrogenados e fosfatados ao exemplo da
amônia livre (NH4) que dissolvida na água pode ser tóxica mesmo em
baixas concentrações. A agência americana de proteção ambiental (EPA)
estabelece um limite de 0,02 mg L-1 de nitrogênio em forma de NH4 nas
águas, para proteção da vida aquática (SILVA, 2002). A Resolução
CONAMA 357 estabelece limites de 0,40 mg L-1 para a amônia e para
fósforo total de 0,124 mg L-1 em seus volumes máximos.
O maior mecanismo de remoção de nitrogênio orgânico em filtros
construídos para a aquicultura é a sequência dos processos de
amonificação, nitrificação e desnitrificação. O primeiro processo é a
conversão do nitrogênio orgânico em nitrogênio inorgânico,
especialmente amônia (IWA Specialist Groupon Use of Macrophytes,
2000; COOPER et al., 1996; KADLEC; KNIGHT, 1996), mas deve-se
ter cuidado no uso deste tipo de sistema de cultivo, pois as reações
químicas sequenciais devem ser monitoradas para que os excessos não
prejudiquem os animais ocasionando morte súbita, por exemplo, por
falta de oxigênio e descontrole de pH ou de salinidade.
As espécies cultivadas em aquicultura excretam amônia, que
pode se tornar tóxica em níveis elevados. Entretanto, a amônia pode ser
utilizada por bactérias heterotróficas, que também podem usar o nitrogênio de compostos orgânicos, como a ração não ingerida e os
excrementos (CHERNICARO, 1997). Estas interações dinâmicas são
importantes quando estratégias de manejo bacteriano em sistemas
aquícolas são consideradas. Por exemplo, um aumento de proteínas na
ração poderia levar a um melhor crescimento de espécies aquícolas, mas
também a uma maior regeneração de amônia por bactérias
heterotróficas. Isto adquire uma importância maior em sistemas
aquícolas de recirculação e de baixa ou zero renovação de água com
altas densidades de povoamento (MONTOYA, 2000).
Dentre os possíveis impactos causados pela atividade aquícola
está a deposição de matéria orgânica no ambiente aquático adjacente,
aumentando as taxas de decomposição bacteriana com a utilização do
oxigênio disponível e liberação de nutrientes. Segundo Folke e Kautsky
(1992), 13% do nitrogênio e 66% do fósforo aportado via ração sofrem
sedimentação, 25% do nitrogênio e 23% do fósforo são convertidos em
biomassa e 62% de nitrogênio e 11% de fósforo ficam dissolvidos na
água.
44
Diante disso, explica-se o crescimento dos cultivos intensivos e
com troca-zero, possibilitando a utilização da água por diversos ciclos
de cultivo, surgindo os sistemas de recirculação e, mais recentemente, os
cultivos do tipo heterotróficos considerando ainda o seguinte problema:
depois de seguidos ciclos de cultivo, reaproveitando a água, chegará um
momento em que a mesma não terá mais condições de uso, que apesar
das diluições poderá conter níveis altos de compostos orgânicos,
inorgânicos, sólidos e bactérias, que, com o passar do tempo, poderão
elevar parâmetros químicos citados anteriormente e comprometer a sua
devolução ao ambiente, dentro das normas estabelecidas pela Resolução
CONAMA 357.
No presente trabalho foi construído um reator híbrido, com base
em modelos similares aos reatores de manta de lodo (UASB-Upflow
Anaerobic Sludge Blanket), em escala laboratorial, com o objetivo de
reduzir a carga orgânica poluidora oriunda de cultivos heterotróficos de
camarão marinho relatando a estabilidade do sistema, as condições de
retenção e digestibilidade de sólidos e nutrientes, demonstrando os
critérios adotados de Tempo de Retenção Hidráulica (TRH), Carga
Orgânica Volumétrica (COV) e Temperatura.
Material e métodos
A pesquisa foi desenvolvida no Laboratório de Maricultura
Sustentável (LAMARSU) do Departamento de Engenharia de Pesca e
Aquicultura (DEPAq) da Universidade Federal Rural de Pernambuco
(UFRPE). O reator foi monitorado por 120 h em três períodos distintos
(três repetições), sendo analisados os seguintes parâmetros:
Temperatura, pH, Fósforo (P) e Nitrogênio Amoniacal (NA) de acordo
com o Standard Methods of Water and Wastewater (APHA, 1995). O
efluente foi proveniente de cultivos de camarão marinho Litopenaeus
vannamei do Laboratório de Sistemas de Produção Aquícola –
LAPAq/UFRPE, de experimento em sistema de bioflocos (meio
heterotrófico). O reator foi inoculado através de um tanque de
armazenamento de fibra de vidro com capacidade de 2000 L, com
aeração constante. Desse tanque, por meio de uma bomba centrífuga de
0,5 CV, a água foi encaminhada para as unidades de equalização com
volumes de 50 L, onde foram bombeadas para as unidades de tratamento
de 200 L, em três unidades compartimentadas.
Os reatores foram montados em recipientes de Polietileno de Alta
Densidade (PEAD) e seu processo de adaptação ao reator se deu a partir
45
de um corte na extremidade superior para limpeza e ajuste das placas de
compartimentos, colocação de três placas de compartimentos no mesmo
material fixado através de colagem por maçarico. Foram adaptadas a
entrada e a saída da água através de cortes opostos e colocação de cano
de PVC com adaptador para mangueira plástica para adaptação das
bombas de recirculação, que permitiram a entrada e saída da água do
reator através de bombeamento com fluxo ascendente no interior do
reator. As características operacionais do sistema de tratamento se
mantiveram com as seguintes dimensões: altura do reator (m): 1,30;
diâmetro (m): 0,70; volume (L): 200; peso (Kg): 11,0 e vazão de 1 L
min. Em sequência, o efluente de saída das unidades foi enviado para a
unidade de equalização (Figura 1), por meio de bomba centrífuga para
estudo das fases operacionais de condições de recirculação e enchimento
do reator.
Bombeamento
(2) Reator 200L
(1)Tanque
2000L
(3) Unidade
equalizadora
Bombeamento
Análises físicas
e químicas
Planilhas e
resultados
Tratamento dos dados
Dimensionamento e eficiência do
sistema
Figura 1: Esquema de funcionamento dos reatores: captação de água (1),
bombeamento ao reator (2), unidades equalizadoras e recirculação (3).
Momentos das análises físicas e químicas, planilhas e tratamento e
dimensionamento dos dados.
O monitoramento foi realizado diariamente incluindo o Efluente
Inicial (EI) e a saída do Efluente Final (EF). Foram medidas temperatura
46
(°C), salinidade, O2 (mg L-1), pH e condutividade (ms/cm) in loco com
sonda multiparâmetros (YSI 6600 V2), ortofosfato, nitrito (NO2-N),
nitrato (NO2-N) (cromatografia iônica DIONEX 120), cor (UC,
espectrofotometria, λ = 254 nm), amônia (NH4), e DQO (Mg O2 L-1)
segundo o manual técnico Standard Methods for the Examination of
Water and Wastewater (APHA, AWWA, WEF, 2005) e sólidos totais
(mg L-1), por gravimetria e cones de Imhoff.
Para avaliar se os parâmetros apresentaram diferenças
significativas (p<0,05), foi testada, inicialmente, a normalidade (teste de
Shapiro Wilk) e homocedasticidade (Chocran). Como a maioria dos
dados não apresentou distribuição normal e as variâncias se
apresentaram de forma não homogênea, foi utilizado o teste não
paramétrico de Kruskal-Wallis (ZAR, 1984; MENDES, 1999) para
comparação de medianas utilizando os resultados obtidos das três
repetições de operação dos reatores.
Resultados e Discussão
Nas etapas de recirculação, a vazão permaneceu constante em
7200 L nas 120 h de funcionamento em recirculação com uma vazão de
1 L min e uma vazão total de afluente de 1440 L dia, o que resulta em
um Tempo de Retenção Hidráulica - TRH de 0,35 dias ou 7,2 h.
Os valores médios, mínimos e máximos dos parâmetros físicos e
químicos do EI e EF do reator estão apresentados na Tabela 1.
A temperatura no reator apresentou valor médio de 27 ºC ± 2 ºC.
A temperatura ambiente variou de 27 ºC ± 2. O pH do EI e EF variaram
de 8,02 ± 2. O não havendo diferença significativa entre estes valores, o
que caracteriza boas condições de tamponamento da unidade.
Apesar de ter sido estipulada uma vazão, o TRH foi obtido após o
funcionamento do reator, ou seja, não foram estipulados TRH em função
da vazão. Não houve variação da vazão no decorrer do tempo, o sistema
foi totalmente monitorado e não teve unidade separadora dos mesmos,
os sólidos acumularam-se dentro do reator, mas não diminuíram a vazão
nem causaram entupimento, o que não afetou a eficiência do sistema.
Na Figura 2 verifica-se a diminuição dos níveis de amônia no
reator compartimentado com eficiência de remoção de 96,7% e que
resulta em um EF com características abaixo das previstas pela
Resolução CONAMA nas primeiras 24 h. Hamlin, et al., (2008), em
trabalhos com reatores e altas concentrações de amônia medidas nos
efluentes, conseguiram reduções de 5,25 para 1,62 mg L-1 de NH4.
47
Tabela 1: Características físicas e químicas do efluente inicial (EI) e efluente
final (EF) no reator:
Parâmetro
T (°C)
Nitrito (mg L-1)
Nitrato (mg L-1)
Amônia (mg L-1)
Ortofosfato (mg L-1)
pH
O2 (mg L-1)
Salinidade
(‰)
Condutividade
(ms/cm)
Sólidos Totais
(mg L-1)
Vazão (L h¹)
TRH (h)
Sólidos Totais (%)
Reator
Ambiente
EI
EF
EI
EF
EI
EF
EI
EF
EI
EF
EI
EF
EI
EF
EI
EF
EI
EF
*
*
*
Média
27a
29,98a
0,01a
0,01a
0.15a
0,71a
1,86a
0,08a
8,92a
3,92a
7,88a
8,02a
6,19a
4,33a
25,69a
29,21a
40,33a
44,33a
56a
40,6a
75a
72a
37,5a
Mínimo
*
27,34
*
0,02
*
0,02
*
0,02
*
0,80
*
7,98
*
4,00
*
27,97
*
43,13
*
35,00
*
*
*
Máximo
*
31,74
*
0,13
*
0,20
*
0,16
*
7,90
*
8,32
*
4,88
*
30,80
*
47,00
*
46,00
*
*
*
*Sem valores mínimo e máximo ou média. Letras diferentes, entre as médias,
diferenciam os tratamentos pelo teste de Kruskal-Wallis (P<0,05).
48
2,00
1,80
Amônia (mg/L-1)
1,60
1,40
mediana
1,20
media
1,00
devpad
0,80
Expon. (mediana)
0,60
0,40
0,20
0,00
0h
24h
48h
72h
96h
120h
Tempo de operação
Figura 2: Redução dos níveis de amônia no reator após 120 h de recirculação da
água do efluente proveniente do cultivo heterotrófico do camarão marinho
Litopenaeus vannamei.
Summerfelt e Penne (2005) obtiveram reduções de fosfatos em
66,1% operando com efluentes em filtros de tambor durante 27 dias.
Neste trabalho, durante cinco dias, a eficiência da diminuição de
ortofosfato foi de aproximadamente 55%. Estes dados são elevados por
se tratar um composto que é considerado de difícil remoção nos mais
variados tipos de trabalhos e considerado um fator limitante na produção
aquícola. A Resolução CONAMA estabelece limites para fósforo total
de 0,124 mg L-1 em seu volume máximo. Os valores iniciais estiveram
bem acima do padrão de lançamento, porém, nas 120 h de operação do
sistema, estes níveis chegaram abaixo do padrão de lançamento
estabelecido pela Resolução. O resultado da operação do reator em 120
h demonstrou eficiência na redução da carga dentro do limite padrão de
funcionamento (Figura 3):
10
Ortofosfato (mg L-1)
9
8
7
média
6
mediana
5
4
devpadr
3
2
Li near (média)
1
0
0h
24h
48h
72h
96h
120h
Tempo de operação
Figura 3: Redução dos níveis de ortofosfato no reator após 120 h de
recirculação da água do efluente proveniente do cultivo heterotrófico do
camarão marinho Litopenaeus vannamei.
49
A concentração de sólidos totais diminuiu gradualmente após as
primeiras horas de operação, o que levou ao funcionamento do reator
por 144 h para certeza dos níveis de redução, em uma média de 35% de
retenção para os sólidos no EI-EF da unidade de tratamento.
Summerfelt e Penne (2005) reduziram para 37% os sólidos em
suspensão (SS) operando com filtros biológicos e efluentes de bacias de
sedimentação durante 27 dias, o que demonstra, neste sistema de
reatores aqui representados, uma redução de 56 para 40,6 mg L-1,
durante 120h de recirculação, comprovando a eficiência do reator,
embora acima do limite estabelecido na Resolução CONAMA 357/2005
(1 mg L-1).
As variações temporais das concentrações de nitrogênio
amoniacal e ortofosfato, em EI e EF, foram registradas com remoções
médias de 96,7% e 91%, respectivamente. O EI apresentou
concentrações acima do padrão de lançamento em relação à legislação
vigente, havendo uma queda brusca nas primeiras 24 h de operação,
chegando abaixo do nível estabelecido pela Resolução que é de 0,40 mg
L-1 em seu volume máximo. Em relação ao nitrito e nitrato, as unidades
apresentaram comportamento constante, porém de não remoção ao
longo do período experimental. A remoção da amônia apresentou
comportamento semelhante em todas as unidades de reatores e nos
diferentes períodos de funcionamento, sem diferença significativa entre
os tratamentos, demonstrando a capacidade do sistema em amortecer as
cargas efluentes.
Colt (2006) relata que os critérios para sistemas de qualidade de
água de cultivos devem levar em consideração parâmetros como
temperatura, oxigênio dissolvido, amônia e nitrito. Em sistemas de reuso
de água os sólidos totais são limitantes e neste trabalho foi observado
que a água proveniente do cultivo superintensivo de camarão marinho
pode acarretar problemas ambientais devido aos elevados índices de
amônia (evitando a remoção prévia de amônia através de processos
como troca iônica, cloração ou precipitação), ortofosfatos e sólidos
totais, que podem ocasionar eutrofização em decorrência de sua entrada
e permanência no ambiente. Levando em consideração que não houve
tratamento preliminar da água nem separação de sólidos, o sistema
alcançou um desempenho satisfatório para os excessos oriundos das
atividades de cultivo do tipo heterotrófico, considerando ainda os
padrões da legislação vigente.
50
Conclusões
•
•
O reator pode ser usado como uma alternativa eficaz no
tratamento de águas residuais de cultivos heterotróficos de
camarão marinho;
Os níveis de amônia e ortofosfato foram reduzidos atingindo as
exigências da legislação ambiental.
Agradecimentos
A CAPES, no âmbito do programa Amazônia Azul, pela
concessão da bolsa de estudos; a UFSC (Pós-graduação em Aquicultura)
pelo ingresso no doutoramento; aos Laboratórios LAMARSU e LAPAq,
pela concessão de uso do laboratório e utilização de seus efluentes; a
Empresa de pesquisa KLAEFF, pela montagem dos reatores e aos
Professores Dra. Roberta Borda Soares, Dr. Silvio Peixoto e Dr. Eudes
Correa e aos Engenheiros de Pesca e Mestres Emanuell Felipe e Fabiana
Penalva, por toda ajuda prestada em contribuições científicas e
discussões sobre o tema e a Profª Me. Renata Akemi Shinozaki Mendes
pela contribuição nas análises estatísticas.
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53
ARTIGO CIENTIFICO III
Estudo comparativo de dois reatores híbridos no tratamento de
efluentes heterotróficos.
Weruska de Melo Costa1, Henrique David Lavander2, Leônidas
Oliveira2, Alfredo Olivera Gálvez2 e Luis Alejandro Vinatea Arana3.
1
Departamento de Biologia - Universidade Federal Rural de
Pernambuco – UFRPE -Rua Dom Manoel de Medeiros, s/n, Dois
Irmãos - CEP: 52171-900 - Recife/PE. [email protected]
2
Departamento de Pesca e Aquicultura - Universidade Federal Rural de
Pernambuco – UFRPE - Rua Dom Manoel de Medeiros, s/n, Dois
Irmãos
CEP:
52171-900
Recife/PE.
[email protected], [email protected],
[email protected], [email protected]
3
Departamento de Aqüicultura – CCA – UFSC - Rodovia Admar
Gonzaga, 1346 – Itacorubi – CEP 88034-001 - Florianópolis
[email protected]
Resumo
O lançamento de efluentes sem tratamento prévio em ambientes
aquáticos pode resultar em acumulação crônica de nutrientes,
principalmente fósforo e nitrogênio, levando ao processo de
eutrofização artificial. As atividades de aquicultura produzem resíduos e
efluentes que frequentemente necessitam ser removidos, no intuito de
equilibrar o sistema e evitar que o mesmo entre em declínio. Foram
montados dois reatores, inoculados com água proveniente de cultivos
heterotróficos de camarão marinho, para operarem em regime contínuo,
objetivando a diminuição de parâmetros como amônia, ortofosfato e
demanda química de oxigênio, que em excesso, são prejudiciais ao meio
ambiente. Os dois reatores operaram simultaneamente durante 120 h,
nas etapas de recirculação. A vazão permaneceu constante em 7200 L
dia-1 e 3600 L dia-1 nas 120 h de funcionamento recirculado com uma
vazão de 1 L min-1 e uma vazão total de afluente de 1440 L dia-1, o que
resulta em um TRH de 0,35 dias ou 7,2 h. Verificou-se neste tipo de
reator, que o controle de fluxo de forma ascendente foi essencial, pois
permitiu a retenção da biomassa com uma mobilidade limitada em
relação a suspensão do lodo. Esta dinâmica contribuiu essencialmente
54
para agregação de mais matéria orgânica, clareamento da água e queda
nos parâmetros químicos. Os resultados indicam ainda a necessidade de
estudos complementares em atividade metanogênica. O tempo
necessário para o tratamento em relação a operação do sistema é baixo.
As condições operacionais do sistema conseguiram tratar efetivamente a
água, deixando o efluente final com as características exigidas pela
legislação ambiental quanto à matéria nitrogenada e os demais
parâmetros físicos e químicos.
Palavras chave: Efluentes, Reatores, Aquicultura, Ambiente.
Abstract
The release of untreated effluent into the aquatic environment result to
chronic accumulation of nutrients: phosphorus and nitrogen, leads to the
artifical eutrophication. Aquaculture produces waste and effluents need
to be removed in order to balance the system and prevent the decline.
Two reactors were set to operate in continuous and inoculated with the
culture water heterotrophic marine shrimp destined for the reduction of
parameters oxygen, ammonia and orthophosphate in excess are harmful
to the environment. The two reactors operated simultaneously for 120 h,
in recirculation flow was constant at 7200 L day-1 and L 3600 L day-1 to
120 h of operation recirculates a flow rate of 1 L min and a total flow of
1440 L day-1, the resulting in an HRT of 0.35 days or 7.2 h. It is this type
of reactor, the ascending flow control was essential because it allows the
retention of the biomass with limited mobility with respect to the
suspension of the sludge. This dynamic contributed significantly to
aggregate organic matter, cleaning the water and reducing chemical
parameters. The results indicate the need for studies on methanogenic
activity. The time required for treatment the operation of the system is
low. The operating system can effectively treat the water, leaving the
final effluent, with the features required by environmental laws and
nitrogenous matter and other physical and chemical parameters.
Keywords: Wastewater, Reactors, Aquaculture,Environment.
55
Introdução
O lançamento de efluentes sem tratamento em ambientes
aquáticos pode resultar em uma acumulação de nutrientes,
principalmente fósforo e nitrogênio, eutrofizando o ambiente. Este
acúmulo geralmente se dá aos poucos, principalmente quando se
depositada no solo e promove reações advindas de diversas descargas
(ZHANG et al., 2006), provoca mudanças nas condições físicas e
químicas dos ambientes aquáticos, alterações qualitativas e quantitativas
em comunidades aquáticas e no incremento do nível de produção do
ambiente aquático, podendo causar a mortalidade de animais aquáticos e
impactar a microfauna e a microflora do ambiente (TUNDISI;
TUNDISI, 2008).
Efluentes dos cultivos intensivos de camarão são tipicamente
caracterizados por altas cargas de nitrogênio, fósforo, carbono orgânico,
sólidos suspensos e demanda química de oxigênio (PÁEZ-OSUNA,
2001) e sua liberação sem tratamento prévio ao ambiente além de
representar uma perda de nutrientes também pode eutrofizar o meio
(PIEDRAHITA, 2003; COHEN et al., 2005) e reduzir a rentabilidade
dos cultivos (SMITH et al., 2002).
As atividades de aquicultura, que são dependentes do aporte de
nutrientes e de energia para a manutenção de sua produtividade,
produzem resíduos e efluentes que necessitam ser diminuídos no intuito
de equilibrar o sistema e evitar que o mesmo entre em declínio. Estes
poluentes em potencial não são resultantes exclusivamente da
ineficiência do ser humano em explorar o ambiente, mas também
resultado dos processos que sustentam a vida. Desta forma, o manejo
ambiental, incluindo a remoção dos poluentes, é um aspecto essencial
para a sustentabilidade da aquicultura (HENRY-SILVA; CAMARGO,
2006).
Os cultivos de camarões em meio heterotrófico utilizam
fertilizantes que, indiretamente, possuem capacidade de aumentar as
concentrações de nitrogênio e fósforo da água. Além disso, os resíduos
da ração não consumida, após serem degradados em nutrientes
inorgânicos pelos microorganismos, são convertidos em amônia, fosfato
e dióxido de carbono. A qualidade da água do cultivo de camarão é
avaliada através de parâmetros físicos e químicos, incluindo variáveis
como nitrito, nitrato, amônia, pH, oxigênio dissolvido, ortofosfato,
alcalinidade, temperatura, dentre outros (NUNES, 2002).
Os principais impactos dos efluentes das atividades de
aquicultura sobre os ecossistemas aquáticos são: o aumento das
56
concentrações de nitrogênio e fósforo na coluna d’água e o acúmulo de
matéria orgânica nos sedimentos (MIRES, 1995). Essa disponibilidade
de nutrientes nos ambientes aquáticos tende a favorecer o aumento da
comunidade fitoplanctônica, alterando a dinâmica do oxigênio
dissolvido independente do ambiente ser de água doce ou salgada.
Durante o dia a atividade fotossintética desses vegetais proporciona o
acréscimo de oxigênio, que ao ultrapassar o equilíbrio de saturação pode
ocasionar embolia gasosa nos organismos aquáticos (BARDACH,
1997).
Por outro lado, durante a noite e no início da manhã, a excessiva
respiração do fitoplâncton pode ocasionar o consumo por completo do
oxigênio dissolvido e, consequentemente, a morte da maioria dos
organismos heterotróficos o que vem a ser preocupante para
carcinicultores que utilizam o sistema heterotrófico, pois a perda de
flocos que sustentam o sistema ocasiona excesso de matéria orgânica e
inorgânica, que logo serão precipitadas prejudicando o crescimento dos
animais e podendo levar a perda de parte da produção seja por morte,
inibição do crescimento ou queda na qualidade do camarão por
escurecimento ou entupimento de brânquias (MIDLEN; REDDING,
1998). O nitrogênio dos efluentes das atividades de aquicultura provém
principalmente da proteína das rações, sendo que parte é excretada pelos
organismos na forma de amônia, enquanto o restante é eliminado pelas
fezes na forma de nitrogênio orgânico (COCHAVA et al., 1990).
Atualmente há um grande interesse pelo tratamento anaeróbio de
resíduos líquidos e sólidos provenientes da agropecuária e da
agroindústria, por apresentar vantagens significativas quando
comparado aos processos comumente utilizados de tratamento aeróbio
de águas residuárias, ou aos processos convencionais de compostagem
aeróbia de resíduos orgânicos sólidos. De acordo com Paula Júnior
(1995) os benefícios apresentados pelo tratamento anaeróbio são:
ausência de equipamentos sofisticados, menor consumo de energia,
baixa produção de lodo a ser disposto e produção de metano, utilizável
energeticamente.
Embora a experiência prática com o tratamento anaeróbio de
efluentes líquidos seja ainda recente, no Brasil não existem estudos
deste potencial em maricultura ou sistemas de cultivos aquícolas, no
entanto, este potencial pode ser avaliado a partir do conhecimento de
poucas características do efluente a ser tratado. Uma avaliação
preliminar dessas características auxiliará na escolha do processo de
tratamento mais adequado, permitindo, dessa forma, estimativas de
produção de resíduos biológicos e requisitos de nutrientes que servirão
57
de base para estudos de características de efluentes permitindo além do
reuso a segurança em devolver ao meio ambiente uma água de melhor
qualidade.
Neste contexto, diante da busca por novas tecnologias
ambientalmente sustentáveis para solucionar a problemática dos
efluentes da carcinicultura, esta pesquisa foi realizada objetivando
avaliar a eficiência de dois diferentes tipos de reatores:
compartimentado e não compartimentado na redução das cargas
orgânicas de efluentes de cultivo heterotrófico de camarão marinho
Litopenaeus vannamei (Boone, 1931).
Material e métodos
Foram montados dois reatores, inoculados com água proveniente
de cultivos heterotróficos de camarão marinho, para operarem em
regime contínuo, a partir de bombonas de PVC com e sem
compartimentos internos, o que permitiu a passagem do fluxo de
maneira diferenciada através de chicanas e livre disposição da passagem
do fluxo. A água utilizada nesta pesquisa foi proveniente de cultivos de
camarão marinho Litopenaeus vannamei do Laboratório de Sistemas de
Produção Aquícola – LAPAq/UFRPE. A água, armazenada em tanques
de 500 L, foi encaminhada ao Laboratório de Maricultura Sustentável –
LAMARSU/UFRPE e depositada em um tanque de armazenamento de
fibra de vidro com capacidade de 2000 L, com aeração constante. Desse
tanque, por meio de uma bomba centrífuga (Schneider, BSC-94 − 1/2
CV − 60 Hz), a água foi encaminhada para as unidades de equalização
com volumes de 50 L, onde foram bombeadas (bomba dosadora Emec –
CMSCO 0260PP – 50-60 Hz) para as unidades de tratamento de 200 L.
As características físicas e das condições operacionais do sistema
de tratamento se mantiveram com as seguintes dimensões: Altura do
reator (m): 1,30; Diâmetro(m) 0,70, Volume (L) 200, peso: 11 Kg e
vazão de 1 L min-1.
Os reatores foram montados em recipientes de PVC, do tipo
bombona de Polietileno de Alta Densidade (PEAD) e seu processo de
adaptação ao reator constituiu-se em um corte na extremidade superior
para limpeza e ajuste das placas de compartimentos (chicanas),
colocação de três placas de compartimentos (de mesmo material da
bombona) fixadas através de colagem por maçarico. Foram adaptadas a
entrada e a saída da água através de cortes opostos e colocação de cano
de PVC que permitiram a entrada e saída da água do reator através de
bombeamento com fluxo ascendente no interior do reator. O segundo
58
reator manteve as mesmas características, excetuando as placas de
compartimentos (Figura 1: A e B).
Saída de água
Saída de água
Entrada de água
A
Reator compartimentado
Entrada de água
B
Reator não compartimentado
Figura 1: A e B: Esquema dos reatores compartimentado (RC) e não
compartimentado (RNC).
Na sequência do trabalho, o efluente de saída das unidades foi
recirculado para a unidade de equalização, por meio da bomba
centrífuga para estudo das fases operacionais de condições de
recirculação: Etapa I – 50% da vazão total (2880 L dia-1) e Etapa II –
100% da vazão total (5760 L dia-1) (vazão da recirculação), com duração
de 120 h, respectivamente. As principais características físicas e
operacionais (vazão e tempo de retenção hidráulica - TRH) do sistema
de tratamento estão apresentadas na Figura 2.
Inicial (EI) e a saída do Efluente Final (EF). Foram medidas
temperatura (° C), salinidade (‰), O2(%), O2 (mg L-1), pH,
condutividade (ms cm-1) com sonda multiparâmetros (YSI 6600 V2),
ortofosfato, nitrito (NO2-N), nitrato (NO2-N) (mg L-1) (cromatografia
iônica DIONEX 120), cor (UC, espectrofotometria, λ = 254 nm) e
amônia (NH4), segundo o Standard Methods (APHA, AWWA, WEF,
2005), Demanda Química de Oxigênio - DQO (mg O2 L-1) e sólidos
totais suspensos (mg L-1), por gravimetria).
O sistema foi monitorado por três sequências de tratamento de
120 h (três repetições) e com amostragens diárias para obtenção de
médias, tendo como Efluente Inicial (EI) a água que foi proveniente
diretamente dos cultivos heterotróficos (tempo 0 h) e Efluente Final
(EF) a água tratada e recirculada no reator (tempos de 24 a 120 h). Para
59
os parâmetros físicos, químicos e microbiológicos, as amostras foram
obtidas diretamente do sistema, armazenadas em garrafas plásticas de
500 mL, congeladas e encaminhadas para o laboratório. As análises
físicas, químicas e microbiológicas seguiram as disposições do Manual
técnico Standard Methods (APHA, AWWA, WEF, 2005). As vazões
foram ajustadas mecanicamente e monitoradas durante as 120 h por
medição direta (método volumétrico).
5
Reator não compartimentado
RNC
6
3
Unidades de equalização
Tanque de armazenamento
2
7
EI
Reator compartimentado
RC
Amostras para análises
5
Laboratório
Resultados
Figura 2: Esquema de funcionamento dos reatores: captação de água (1),
bombeamento ao reator (2 e 3), unidades equalizadoras e recirculação (4).
Momentos das análises físicas e químicas (5), planilhas e tratamento (6) e
dimensionamento dos dados (7).
O monitoramento foi realizado diariamente incluindo o Efluente
Foram instalados dois pontos de coleta de amostras a partir do
TRH que foram recolhidas a partir das primeiras passagens totais do
efluente pelo reator.
A concentração de sólidos foi efetuada através de amostras dos
pontos de coleta ao longo tempo de experiência diretamente dos
reatores. Para avaliar se os parâmetros apresentaram diferenças
significativas (p<0,05), foi testada, inicialmente, a Normalidade (teste
de Shapiro Wilk) e homocedasticidade (Chocran). Como a maioria dos
dados não apresentou distribuição normal e as variâncias se
60
apresentaram de forma não homogênea, foi utilizado o teste não
paramétrico de Kruskal-Wallis (ZAR, 1984; MENDES, 1999) para
comparação de medianas utilizando os resultados obtidos das três
repetições de operação dos reatores.
Resultados e Discussão
Os dois reatores operaram simultaneamente durante 120 h, nas
etapas de recirculação, e a vazão permaneceu constante em 7200 L foi
mantida uma vazão constante de 1 L min-1), e uma vazão total de
afluente de 1440 L dia-1 o que resulta em um TRH de 0,35 dias ou 7,2
h. A quantidade de efluente aplicada por unidade de volume ou a carga
hidráulica volumétrica não prejudicou o funcionamento do sistema, pois
não houve perda excessiva de biomassa, ou seja, o arraste do lodo
ocorreu de forma lenta, não diminuindo também o grau de estabilização
dos sólidos totais, evidenciando o TRH para este tipo de sistema.
Comparando os resultados com outros descritos na literatura,
como por exemplo: reator anaeróbio sequencial em batelada e filtro
anaeróbio de leito expandido, avaliados por Ng e Chin (1998) e Zhang e
Dague (1995), os quais apresentaram eficiências de 59% e 78%,
respectivamente, o reator híbrido pesquisado demonstrou desempenho
superior a esses.
Monitoramento dos reatores
Verificou-se, neste tipo de reator, que o controle de fluxo de
forma ascendente foi essencial, pois permitiu a retenção da biomassa
com uma mobilidade limitada em relação à suspensão do lodo, não
ocasionando mistura nem saída excessiva da matéria orgânica que foi
favorecida pela vazão constante e relativamente baixa em relação ao
fluxo ascensional, efeitos de pressão e movimento permanente dos
flocos constantes nas águas heterotróficas do sistema. Esta dinâmica
contribuiu essencialmente para agregação de mais matéria orgânica,
clareamento da água e queda nos parâmetros químicos. A tabela 1
representa os resultados dos parâmetros analisados para os dois sistemas
de reatores, evidenciando a queda dos parâmetros nas 120 h de
funcionamento dos reatores.
True et al., (2004) obtiveram resultados em tratamento de águas
residuárias com captura de partículas para retenção de sólidos suspensos
e redução de fosfato reduzindo em 29% os sólidos em suspensão e 11%
os compostos fosfatados a partir do efluente filtrado utilizando espuma
61
reticulada como suporte para retenção de material orgânico em um
processo de filtração de sólidos suspensos e redução de fósforo da
descarga de efluentes.
No presente trabalho a redução de sólidos suspensos foi de 62,5%
e 67,85% para o RC e o RNC, respectivamente, representando em mais
da metade esta redução o que corrobora também para a diminuição do
DQO do efluente. Os resultados obtidos através desta avaliação
demonstraram que os dois sistemas operaram simultaneamente retendo a
biomassa, ou seja, o nível de concentração de lodo aumentou durante a
operação sem a descarga em excesso e apesar de não haver diferença
significativa entre os tipos de reatores, o reator compartimentado
apresentou uma eficiência constante em relação à retenção da biomassa
possibilitando uma fácil retirada de material inerte que vai se
acumulando no fundo do reator. Em relação ao ortofosfato, as reduções
foram de 89,6% e 73,20% para RC e RNC respectivamente.
Mirzoyan et al., (2008) utilizando reatores UASB, obtiveram
valores de diminuição do pH entre 4,0 e 7,7 em testes com digestores de
lodo da aquicultura. Neste trabalho, o pH do efluente inicial do reator
apresentou valor 7,88. O efluente final apresentou valores
compreendidos entre 8,07 ± 2 não havendo diferença significativa entre
estes valores durante o tempo de operação, o que caracteriza boas
condições de tamponamento da unidade (Figura 3).
62
Tabela 1: Resultados da água inicial (E1) e das médias em 120 h de tratamento nos reatores 1 e 2 (RC e RNC):
0h-E1
Parâmetros
24h
1ª Leitura
RC*
Ortofosfato (mg L ) P
8,92
7,90
Nitrato (mg L-1) N
0,15
1,06
Nitrito (mg L-1) N
0,01
1,86
-1
-1
Amônia (mg L ) N
48h
RNC*
72h
RNC*
96h
RC*
120h
RC*
RNC*
RC*
RNC*
RC*
RNC*
P<0,05*
11,46
4,82
4,25
4,07
4,23
2,00
9,86
0,80
6,53
NS
1,43
0,91
1,25
0,68
1,48
0,60
0,15
0,32
0,67
NS
0,13
0,14
0,20
0,18
0,11
0,16
0,04
0,02
0,02
0,06
NS
0,16
0,10
0,05
0,03
0,15
0,09
0,06
0,00
0,02
0,11
NS
Temperatura (° C)
27,85
30,87
28,70
27,34 30,74
31,74 27,45
30,00 31,58
29,0
28,00
NS
Salinidade (‰)
25,69
27,97
28,10
28,3
28,48
29,00 29,14
30,80 25,02
30,0
31,00
NS
O2 (%)
91,10
76,10
63,10
68,00 62,50
63,50 75,20
69,00 56,26
63,0
66,10
NS
6,19
4,88
4,00
4,58
5,08
4,01
3,58
4,20
4,23
4,0
4,0
NS
pH
7,88
8,32
8,01
7,99
8,04
7,98
8,08
8,00
7,60
7,84
7,00
NS
Condutividade
40,33
43,65
44,58
43,91 44,22
43,13 45,31
47,00 36,20
44,0
48,56
NS
56
46,00
52,00
43,00 48,00
41,00
45,0
38,00 40,00
35,00
38,00
NS
420
300,0
320,50
280,0 310,0
260,0 280,6
235,5 250,0
240,8
220,0
NS
-1
O2 mg L
-1
Sólidos (mg L )
-1
DQO (mg O2 L )
*Valores apresentados como médias. Diferença significativa (P<0,05) entre os tratamentos pelo teste de Kruskal-Wallis. NS=Sem
diferença significativa (P = P≥0,05). *P<0,05.
63
Observa-se na Figura 3 que o reator compartimentado (RC)
obteve melhor desempenho em relação à diminuição dos parâmetros
físicos e químicos, levando em consideração todos os parâmetros
agrupados estatisticamente.
14
Valores médios de eficiência
RC média
12
RNC médi a
10
RC devpad
8
RNC devpad
6
Linear (RC média)
4
2 por. Méd. Móv.
(RNC média)
2
0
0h
24h
48h
72h
96h
120h
Tempo de operação
Figura 3: Desempenho dos reatores 1 e 2 e desvio padrão no reator após 120 h
de recirculação da água do efluente proveniente do cultivo heterotrófico do
camarão marinho Litopenaeus vannamei.
Observou-se que o reator com melhor desempenho foi o reator
compartimentado (RC), pois seus parâmetros representaram uma
redução constante dos parâmetros físicos e químicos no decorrer do
tempo de operação do reator.
Avaliação da biomassa
A avaliação da matéria orgânica foi calculada pela quantidade de
sólidos retidos no interior do reator. Este perfil permite controlar os
sólidos no sistema possibilitando estratégias de descarte de quantidade e
frequência, bem como classificar o potencial de biomassa na conversão
de substratos solúveis como metano e dióxido de carbono. A partir dos
resultados operacionais, os dados foram calculados de acordo com
Campos (1999) para concentração de sólidos em SS = (250 / TRH) + 10,
onde: SS = concentração de sólidos suspensos em mg L-1, TRH = tempo
de retenção hidráulica em horas e 250 e 10 são constantes empíricas.
Os resultados da avaliação da matéria orgânica foram
respectivamente: 35,00 mg L-1 e 38,00 mg L-1, então vê-se que os dois
sistemas retiveram os sólidos. Ao colocar na fórmula, encontrou-se para
reator 1: 21=250/0,35+10 = 34,48 mg L-1 e para o reator 2:
64
18=250/0,35+10 = 40,23 mg L-1. Considerando o volume total de 200 L,
temos que, no reator 1 a concentração total de sólidos retidos foi de
6896 mg L-1 nas 120 h de funcionamento e no reator 2 a concentração
total de sólidos retidos foi de 8046 mg L-1 nas 120 h de funcionamento.
Estes resultados também demonstraram a necessidade de
monitoramento dos reatores em relação à quantidade de biomassa
acumulada, que, em acúmulo, provoca a exaustão do sistema. Com isto,
a retirada da biomassa deve acontecer quando a capacidade de retenção
do reator estiver exaurida e o residual deve permanecer de modo que
não haja prejuízo na continuidade do processo de digestão da matéria
orgânica afluente, considerando assim, a previsão de pontos de descarte
e análise de resultados.
Neste estudo o melhor resultado em relação à retenção de sólidos
pelo reator foi no RNC, com uma retenção de 8046 mg L-1 de sólidos
nas 120 h de funcionamento, como a retenção é contínua, implica na
necessidade periódica de descarte de parte do volume de lodo
acumulado e controlado através da avaliação da DQO do efluente
decantado, que de acordo com Campos (1999), este procedimento é
obtido com a decantação desse efluente por uma hora em cone Imhoff
para produção de um valor decantado de 40 a 20% de valor da DQO do
afluente.
Eficiência
O tratamento da água de cultivos heterotróficos utilizando reator
híbrido constituiu um método eficiente e de baixo custo para remover
matéria orgânica e sólidos em suspensão, diminuindo a poluição
gradativa que a atividade aquícola representa ao ambiente após o
tratamento. Os reatores em questão foram dimensionados para testes em
laboratório, considerando um volume de água também produzido por
cultivos em escala experimental. Os valores calculados para eficiência
da retenção de sólidos demonstraram que o RC obteve 61% de retenção
em relação ao efluente e, com isso, tem-se a margem aplicada por
Campos (1999) onde, pode-se aplicar o mesmo TRH estimando um
maior volume de reator (razão área/profundidade), que em aquicultura a
massa de sólidos deverá variar muito pouco em relação ao TRH, as
horas de funcionamento e a configuração dos reatores.
Outros trabalhos relatam que em cultivos intensivos de camarão
marinho L. vannamei, a utilização de bioflocos se dá como fonte de
alimento suplementar e outras fontes de alimento podem ser reduzidas
65
sem comprometer a conversão alimentar, o crescimento e os parâmetros
de qualidade de água (MELO, 2012).
Vantagens do uso de reatores
Em princípio, a vantagem do sistema de reator híbrido está na
eficiência de remoção de sólidos e das quedas nos parâmetros químicos.
Diversos autores apontam sistemas de lodos ativados em lagoas de
estabilização onde o tempo de permanência é da ordem de 10 a 26 h e de
15 a 30 dias, respectivamente. Segundo Van Haandel e Cavalcanti
(1995), em estudos com esgotos domésticos em escala real, além das
vantagens inerentes dos processos anaeróbios, os reatores UASB podem
se tornar uma opção viável podendo ser aplicados em vários pontos da
rede de esgoto, "pulverizando-se", assim, o sistema de tratamento, o que
reduz significativamente os custos de construção da rede coletora e de
condutores de esgoto o que demonstra que a técnica aplicada na
aquicultura é bem viável, pois a atividade não gera resíduos semelhantes
aos esgotos domésticos, sua carga orgânica é bem menor e os cuidados
em potencial estão nas reações químicas advindas destas concentrações
em relação ao tempo de uso da água e sua devolução ao ambiente.
Sendo assim, o sistema desenvolvido não causa transtornos, pois
não espalha odores, a produção de lodo é interna e pequena, e o excesso
pode ser utilizado em novos cultivos heterotróficos, pois o sistema de
recirculação permitiu que os flocos permanecessem ativos podendo ser
facilmente retirados do reator em concentração elevada com operação,
manutenção simples e elevada qualidade do efluente.
Corroborando a Van Haandel e Cavalcanti (1995), não só nos
sistemas de esgoto doméstico, mas também na aquicultura, ao invés de
se aplicar lagoas de estabilização, pode-se aplicar reatores híbridos para
tratamento de águas residuárias, lembrando que estas águas atualmente
não passam por processos de tratamento adequado nos
empreendimentos aquícolas. Sabe-se que efluentes podem ser
reutilizados em novos cultivos ou armazenados em lagoas de decantação
o que não descarta uma possível poluição, pois as lagoas, em muitos
empreendimentos, estão desativadas ou sofrem processos de diluição e
decantação, onde a água é devolvida ao ambiente. Ainda assim, não se
tem registro de quantos ciclos de cultivo podem ser feitos com águas
heterotróficas e seu tempo de reutilização com estudos físicos, químicos
e biológicos comparando padrões de efluentes.
66
Conclusões
As condições operacionais do sistema de tratamento através de
reator compartimentado com fluxo vertical ascendente conseguiu tratar
efetivamente a água, deixando o efluente final com as características
exigidas pela legislação ambiental quanto à matéria nitrogenada
(nitrogênio amoniacal) e dos demais parâmetros físicos e químicos,
considerando as diretrizes ambientais. O efeito da recirculação melhorou
o desempenho do sistema de tratamento, revelando um efluente
clarificado e com sinais de desempenho satisfatório para os excessos que
podem ser oriundos das atividades de cultivo do tipo heterotrófico e
considerando ainda os padrões da legislação vigente, as reduções dos
níveis de ortofosfato e nitrogênio, rapidez na funcionalidade dos filtros,
economia no material utilizado além da possibilidade de não utilizar
energia elétrica, pois o sistema de filtragem pode ser montado em
ambiente que permita a passagem da água por gravidade.
Os resultados indicam ainda a necessidade de estudos
complementares, no que diz respeito a possível atividade metanogênica
e melhor compreensão dos demais efeitos determinantes aos critérios de
dimensionamento.
Agradecimentos
A CAPES, no âmbito do programa Amazônia Azul, pela
concessão da bolsa de estudos; a UFSC (Pós graduação em Aquicultura)
pelo ingresso no doutoramento; aos Laboratórios LAMARSU e LAPAq,
pela concessão de uso do laboratório e utilização de seus efluentes; a
Empresa de pesquisa KLAEFF, pela montagem dos reatores e aos
Professores Dra. Roberta Borda Soares, Dr. Silvio Peixoto e Dr. Eudes
Correa e aos Doutorandos Emanuell Felipe e Fabiana Penalva, por toda
ajuda prestada em contribuições científicas e discussões sobre o tema e a
Profª Me. Renata Akemi Shinozaki Mendes pela contribuição nas
análises estatísticas.
67
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70
Conclusões Gerais
Os reatores foram dimensionados e construídos obedecendo a
condições laboratoriais onde sua operacionalização conseguiu tratar a
água proveniente de cultivos heterotróficos através de reatores
compartimentados com fluxo vertical ascendente, deixando o efluente
final com as características exigidas pela legislação ambiental quanto à
matéria nitrogenada e fosfatada e outros, considerando as diretrizes
ambientais.
O efeito da recirculação melhorou o desempenho do sistema de
tratamento, revelando um efluente clarificado e com sinais de
desempenho satisfatório para os excessos que podem ser oriundos das
atividades de cultivo do tipo heterotrófico e considerando ainda os
padrões da legislação vigente, as reduções dos níveis de ortofosfato e
nitrogênio, demanda química de oxigênio e carga orgânica volumétrica
rapidez na funcionalidade dos filtros, economia no material utilizado
além da possibilidade de não utilizar energia elétrica, pois o sistema de
filtragem pode ser montado em ambiente que permita a passagem da
água por gravidade.
Os resultados indicam ainda a necessidade de estudos
complementares, no que diz respeito a possível atividade metanogênica
e melhor compreensão dos demais efeitos determinantes aos critérios de
dimensionamento.
Ainda assim, para efeito de comparação com outros processos, o
sistema é de simples operação, seus volumes para a instalação e área são
reduzidos, o tempo necessário para o tratamento em relação à operação
do sistema é baixo, não necessitando uso de aeradores ou compressores
sofisticados.
O reator apresentou funcionamento estável e boas condições de
retenção de sólidos, podendo ser utilizado como uma alternativa eficaz
no tratamento de águas residuais de cultivos heterotróficos.
71
Sugestões para novos trabalhos
•
Verificar o lodo que ficará retido no reator analisando-o em
relação a sua atividade e a possibilidade de utilização em novos
cultivos;
•
Utilização do lodo como fertilizante;
•
Colocar os reatores em sequência ou batelada para diminuição
de seu tempo de operação e com diferentes testes de vazões;
•
Dimensionar as cargas volumétricas e verificar a possibilidade
de produção de biogás.
72
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