Estudo de espécies de fósforo e nitrogênio em lagoas de estabilização

Estudo de espécies de fósforo e nitrogênio em lagoas de estabilização

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XXVII Congresso Interamericano de Engenharia Sanitária e Ambiental

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I-003 - ESTUDO DE ESPÉCIES DE FÓSFORO E NITROGÊNIO EM LAGOAS DE ESTABILIZAÇÃO

Gilson Barbosa Athayde Júnior (foto) Graduado em Engenharia Civil pela Universidade Federal da Paraíba (1995). Ph.D. em Engenharia Sanitária pela Universidade de Leeds, Inglaterra (1999). Bolsista CNPq categoria DCR na Universidade Estadual da Paraíba.

Valderi Duarte Leite(1) Engenheiro químico pela Universidade Federal da Paraíba (1980). Mestre em engenharia civil pela Universidade Federal da Paraíba (1986). Doutor em Engenharia Civil pela Escola de Engenharia de São Carlos - USP (1997). Professor da Universidade Estadual da Paraíba.

Hélvia Welswka Casullo de Araújo Engenheira Química pela Universidade Federal da Paraíba (1995). Mestre em Desenvolvimento e Meio Ambiente, sub-área Saneamento Ambiental, pela Universidade Federal da Paraíba - Universidade Estadual da Paraíba (1998). Professora da Universidade Estadual da Paraíba - Departamento de Química.

João Batista Pereira da Silva Químico Industrial e licenciado em química pela Universidade Estadual da Paraíba (1993, 1994). Mestre em Engenharia Civil pela Universidade Federal da Paraíba (1998). Bolsista CNPq categoria DCR na Universidade Estadual da Paraíba.

Vandecí Dias dos Santos Graduada em Química pela Universidade Federal do Rio Grande do Norte (1991). Doutora em Química Inorgânica pela USP (1997). Professora da Universidade Estadual da Paraíba - Departamento de Química.

José Tavares de Sousa Engenheiro Químico pela Universidade Federal da Paraíba (1980). Mestre em Engenharia Civil pela Universidade Federal da Paraíba (1986). Doutor em Engenharia Civil pela Escola de Engenharia de São Carlos - USP (1996). Professor da Universidade Estadual da Paraíba - Departamento de Química.

Wellington Regis da Silva Graduando em Química Industrial pela Universidade Estadual da Paraíba. Bolsista CNPq categoria IC na Universidade Estadual da Paraíba.

Endereço(1): Rua Vigário Calixto, 1475 - Catolé - Campina Grande - PB - CEP: 58104-485 - Brasil - Tel: +5 (0xx83) 337-2793 - e-mail: valderi@paqtc.rpp.br

A região semi-árida do nordeste brasileiro é caracterizada por precipitação escassa e de distribuição irregular, de modo que atividades agrícolas são viáveis apenas quando da utilização de irrigação. O reuso de águas residuárias na agricultura, embora não considerado na política brasileira é prática comum em várias regiões do planeta. Além de servir como fonte hídrica, o reuso de águas residuárias na agricultura apresenta também o benefício do aproveitamento da matéria orgânica (nutrientes – principalmente fósforo e nitrogênio) inerente aos esgotos domésticos, resultando em incrementos na produtividade agrícola e economia em fertilizantes. Este trabalho analisa o comportamento de espécies de fósforo (fósforo total e ortofosfato solúvel) e nitrogênio (orgânico, amoniacal, nitrito e nitrato) contidas em esgotos tratados numa série de lagoas de estabilização, em escala piloto, com um tempo de detenção hidráulica total de 1 dias. Tal sistema se mostrou insuficiente para remoção do excesso de nitrogênio total presente no esgoto de Campina Grande-PB, apresentando uma concentração final de nitrogênio total de 50,1 mg/L, correspondendo a uma eficiência de remoção de apenas 3%. Reduções mais expressivas no teor de nitrogênio seriam alcançadas se o sistema fosse operado com TDH total mais elevado. O reuso de águas residuárias na agricultura ocasiona uma redução, ou até eliminação, das necessidades de fertilizantes artificiais, com conseqüentes incrementos na receita líquida. As quantidades anuais de fósforo e nitrogênio adicionadas ao solo através da irrigação com o efluente do sistema aqui estudado, seriam de 160 kg/ha e mais que 100 kg/ha, respectivamente.

PALAVRAS-CHAVE: Lagoas de Estabilização, Fósforo, Nitrogênio, Reuso, Irrigação.

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A região semi-árida do nordeste brasileiro é caracterizada por precipitação escassa (600 m anuais) e de distribuição irregular (3 - 4 meses), de modo que atividades agrícolas são viáveis apenas quando da utilização de irrigação. O reuso de águas residuárias na agricultura, embora não considerado na política brasileira é prática comum (Shuval et al., 1986; Pescod & Arar, 1988; Mara & Carincross, 1989; Strauss & Blumenthal, 1989) em várias regiões do planeta. Além de servir como fonte hídrica, o reuso de águas residuárias na agricultura apresenta também o benefício do aproveitamento da matéria orgânica (nutrientes – principalmente fósforo e nitrogênio) inerente aos esgotos domésticos, resultando em incrementos na produtividade agrícola e economia em fertilizantes (Marecos do Monte & Sousa, 1992; Mota et al., 1997).

Este trabalho analisa o comportamento de espécies de fósforo (fósforo total e ortofosfato solúvel) e nitrogênio (amoniacal, orgânico, nitrito e nitrato) contidas em esgotos tratados numa série de lagoas de estabilização.

Considerações sobre as formas de nitrogênio

O nitrogênio é um dos elementos essenciais à vida, fazendo parte do protoplasma de organismos vivos e dos processos vitais de plantas e animais (Sawyer et al.1994). Embora podendo o nitrogênio agir como fertilizante, quantidades excessivas dos compostos deste elemento podem causar problemas às culturas agrícolas. Segundo Ayers & Westcot (1985) teores de nitrogênio total abaixo de 5 mg/L são tidos como não causadores de problemas, afetando muito pouco as culturas agrícolas mais sensíveis. Acima de 30 mg/L pode ser absorvido pelas plantas, sendo muito perigoso para algumas culturas. Além disso, crescimento vegetativo excessivo em detrimento à produção agrícola é característico de culturas irrigadas com água contendo excesso de nitrogênio. Ainda segundo Ayers & Westcot

(1985) a forma de nitrogênio mais tóxica é o nitrito (NO2-) e as mais facilmente assimiláveis são o nitrato (NO3-) e o íon amônio (NH4+), sendo ainda o nitrogênio total de extrema importância devido às freqüentes transformações promovidas por bactérias sobre as várias formas de nitrogênio.

De acordo com Metcalf & Eddy (1991) o nitrogênio está presente em esgotos domésticos sob as seguintes formas e frações: nitrogênio amoniacal (12 – 50 mg/L), nitrogênio orgânico (8 – 35mg/L), nitrito (desprezível) e nitrato (desprezível). Portanto, faz-se necessário uma remoção parcial de teor de nitrogênio contido nos esgotos, antes de sua reutilização na irrigação de culturas agrícolas. De uma forma geral, as remoções de amônia em lagoas de estabilização chegam a alcançar 80% (Silva, 1982; da Silva, 1994; Silva et al. 1997), sendo os principais mecanismos de remoção os seguintes:

• volatilização (pH > 8,0) A difusão de amônia para a atmosfera é considerada por muitos autores como o principal mecanismo de remoção de nitrogênio em lagoas de estabilização, tendo como fatores intervenientes o pH e a temperatura (Toms et al, 1975; Idelovitch & Michail, 1981; Pano & Middlebrooks, 1982).

• assimilação pela biomassa de algas Uma das principais formas de reciclagem de nitrogênio em lagoas de estabilização é a assimilação por algas e bactérias (Ferrara & Avci, 1982; Arceivala, 1986).

• processos de nitrificação-desnitrificação. Este último mecanismo de remoção, embora citado na literatura, é sugerido (Pano & Middlebrooks, 1982) como pouco representativo em lagoas de estabilização.

Considerações sobre as formas de fósforo

Quanto ao fósforo, este se encontra presente em esgotos domésticos principalmente como fosfastos e segundo Araújo (1993) seus teores são geralmente de 6,5 – 9,0 mg/L de fósforo total e 2,0 – 7,0 mg/L de ortofosfato solúvel. Ao contrário do nitrogênio, teores excessivos dos compostos de fósforo não são reportados na literatura como causadores de problemas às culturas agrícolas, podendo ser reaproveitado em sua totalidade. O ortofosfato solúvel é a forma de fósforo mais prontamente assimilável por organismos aquáticos e plantas (Sawyer et al., 1994). A principal forma de remoção de fósforo em lagoas de estabilização é a precipitação de ortofosfato com íons de cálcio formando hidroxiapatita em condições de altos valores de pH. Quantidades apreciáveis de ortofosfato solúvel também são removidas através da assimilação pela biomassa de algas existente em lagoas de estabilização.

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O experimento foi desenvolvido nas dependências da EXTRABES – Estação Experimental de Tratamentos Biológicos de Esgotos Sanitários, Campina Grande-PB. O sistema experimental era constituído por um tanque séptico (TS), alimentado com esgoto bruto (EB) da cidade de Campina Grande-PB, seguido por lagoas de estabilização em série, sendo uma facultativa (LF), e duas de maturação (LM1 e LM2), todos em escala piloto. O tempo de detenção hidráulica (TDH) total do sistema era de 1 dias. As lagoas de estabilização eram providas de chicanas (tipo vai-e-vem) objetivando melhorias no regime hidráulico. Um esquema do sistema experimental é apresentado na Figura 1 enquanto que suas características físicas e operacionais estão descritas na Tabela 1. A coleta para análise dos principais parâmetros era realizada semanalmente às 08:0, do esgoto bruto (EB) e do efluente de cada unidade de tratamento. Para pH e temperatura, além das amostras de 08:0, eram coletadas também amostras nos seguintes horários: 1:0, 14:0 e 17:0. Com exceção da clorofila a, que foi determinada de acordo com Jones (1979), a determinação dos parâmetros seguiu as recomendações de APHA et al. (1992).

Figura 1: Esquema em planta do sistema experimental estudado.

Tabela 1: Características físicas e operacionais do sistema experimental estudado.

Largura (m)

Comprimento (m)

Profundidade (m)

Área a (m2)

Volume a (m3) TDH (dias)

Afluente Efluente

TSLFLM1 LM2

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As Figuras 2 e 3 mostram respectivamente o comportamento (média aritmética do experimento) das formas de nitrogênio e fósforo determinados nos pontos amostrados. As formas de nitrogênio nitrito e nitrato não são apresentadas devido ao fato dos reduzidos valores (menos que 1 mg/L) encontrados em relação às outra duas formas, confirmando ser desprezível a nitrificação em lagoas de estabilização, como sugerida por Pano & Middlebrooks, (1982). A Figura 4 mostra as variações sofridas pela clorofila a (a partir da lagoa facultativa) e pH ao longo da série (média aritmética do experimento). Na Figura 5 são apresentadas as variações de temperatura e pH sofridas ao longo do ciclo diário (média aritmética do experimento).

O nitrogênio total (soma de todas as formas) no EB foi de cerca de 80 mg/L, o que segundo Ayers & Westcot (1985) seria nocivo às culturas agrícolas, tornando necessário o tratamento do esgoto para remoção parcial do teor de nitrogênio. Mesmo após o tratamento no sistema experimental em estudo, o nitrogênio amoniacal e o orgânico (formas predominantes) foram reduzidos em cerca de 30 e 50% respectivamente, resultando em cerca de 50 mg/L de nitrogênio total no efluente final, ainda nocivo às culturas agrícolas. As diminuições nos teores de nitrogênio amoniacal foram correspondidas por aumentos na biomassa de algas (clorofila a) e pH, confirmando os mecanismos de assimilação e volatilização para a remoção de amônia em lagoas de estabilização.

A incorporação de mais reatores à série dos 4 já existentes, proporcionaria um aumento mais acentuado do pH com melhorias na remoção de amônia por volatilização. De fato, análise de regressão (Figura 6) mostrou que o limite de 5 mg/L de nitrogênio total sugerido por Ayers & Westcot (1985) como não causador de problemas às culturas agrícolas, seria alcançado com um TDH total de 31,8 dias. Este tempo é bastante próximo a 29,5 dias, encontrado (de Araújo et al. 2000) como sendo necessário para obtenção de um efluente com 103 ufc/100mL, em termos de coliformes fecais, no mesmo experimento relatado neste trabalho – padrão recomendado pela OMS para irrigação irrestrita (WHO, 1989).

Em comparação com outros experimentos com lagoas de estabilização já realizados na EXTRABES (Silva, 1982; de Oliveira, 1990; Silva et al. 1997) este tempo de 31,8 dias parece elevado. Entretanto, como ilustrado na Figura 7, percebe-se que o EB do presente trabalho foi mais concentrado (1,5 a 3 vezes) que o dos estudos já referidos. Uma possível causa para tal pode está relacionada ao racionamento de água de abastecimento realizado pela CAGEPA (Companhia de água e esgoto da Paraíba) em Campina Grande no período do experimento em estudo (4 dias por semana sem água). Dessa forma, o retardamento na obtenção de uma determinada concentração de amônia se deveu mais ao fato de suas elevadas concentrações no EB que ao desempenho do sistema de tratamento.

Vale a pena salientar que para uma concentração de nitrogênio total de 5 mg/L, limite para o qual a água não prejudica as culturas agrícolas segundo Ayers & Westcot (1985), e para uma aplicação de 2000 m anuais (quantidade de água suficiente para a grande maioria da culturas em regiões semi-áridas), o incremento de nitrogênio no solo seria de 100 kg/ha.ano.

O fósforo total manteve-se praticamente constante ao longo do sistema enquanto que o ortofosfato solúvel (forma de fósforo prontamente assimilável pelas plantas) sofreu leve declínio da penúltima para a última lagoa. Parte dessa redução foi devido à incorporação à biomassa de algas (assimilação) denotado por um aumento na concentração de clorofila a (e fósforo total) e parte devido ao aumento do pH (precipitação sob a forma de hidroxiapatita), como ilustrado nas Figuras 3 e 4. Os mecanismos da assimilação e da precipitação são assim confirmados para a remoção de fósforo em lagoas de estabilização. Para uma aplicação de 2000 m anuais com o efluente do sistema em estudo, a quantidade de fósforo adicionada ao solo seria de 160 kg/ha.ano.

A Figura 5 demonstra que os valores de pH e temperatura, intervenientes no mecanismo de remoção de amônia por volatilização, são maiores ao longo do dia que no horário de 08:0. Dessa forma, os valores médios de amônia contidos no efluente do sistema de lagoas de estabilização estudado, são provavelmente inferiores aos encontrados para amostra de 08:0, o que consiste em ponto conservativo em relação às conclusos deste trabalho no que diz respeito aos danos que o excesso de nitrogênio pode causar às culturas agrícolas.

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EB TS LF LM1 LM2 Nitrogenio (mg/L)

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