Tratamento de esgoto doméstico em lagoas de estabilização com suportes para o desenvolvimento de perifiton - biofilme

Tese (doutorado) - Universidade Federal de Santa Catarina, Centro Tecnológico. Programa de Pós-Graduação em Engenharia Ambiental.As lagoas de estabilização são sistemas naturais de tratamento de esgotos domésticos que vêm sendo empregadas em todas as regiões do país. Nesses sistemas, o tratamento ocorre mediante fenômenos bioquímicos, biológicos e físico-químicos regulados por uma ampla diversidade de organismos, os quais são responsáveis pela reciclagem da matéria orgânica e dos nutrientes. São sistemas sensíveis às condições climáticas, as quais regulam a atividade das algas e das bactérias envolvidas no processo de tratamento de esgotos. Comumente, os efluentes produzidos em sistemas de lagoas de estabilização apresentam boas condições sanitárias, satisfatória redução do material orgânico carbonáceo afluente, porém, reduzida eficiência de remoção de nutrientes e sólidos em suspensão. Comparativamente aos sistemas lodos ativados que possuem alta concentração de biomassa por unidade de volume, as conversões bioquímicas em lagoas de estabilização ocorrem mais lentamente, necessitando assim maiores tempos de retenção hidráulicos e, conseqüentemente, maiores áreas. A introdução de suportes nas lagoas de estabilização induz a um aumento no contato entre os microrganismos e o efluente, conduzindo a um incremento da atividade da biomassa na lagoa e, conseqüentemente, uma melhora da qualidade do efluente final, inclusive com possibilidade de nitrificação. O objetivo geral desse estudo é avaliar o potencial de utilização de suportes para biofilmes em lagoas de estabilização aplicadas ao tratamento de esgoto doméstico. A base metodológica empregada conduziu a ações diferenciadas em quatro etapas, sendo três destas em escala de laboratório e uma em escala de campo - módulos piloto. Em laboratório buscou-se a identificação do potencial do biofilme/perifiton sob condições ambientais parcialmente controladas, a escolha do material suporte, a relação área suporte/volume do reator, a identificação do incremento de biomassa promovido pelo biofilme e a identificação dos microrganismos via microscopia óptica e análises de biologia molecular. Com as relações obtidas nas diferentes fases de laboratório, partiu-se para o estudo em escala de campo utilizando duas lagoas (área de 15m2, cada), sendo uma com suporte para biofilme (30m2 de suporte), denominada de LB e a outra sem suporte, denominada de lagoa facultativa - LF. Durante os 17 meses de estudo em campo, aplicou-se dois tempos de retenção hidráulico distintos (10 e 20 dias). Os resultados mostraram que o biofilme aderido a suportes de PVC, material selecionado em etapa de laboratório, proporcionou um aumento da biomassa na lagoa correspondente a faixa entre 25% a 57% da biomassa presente nas lagoas sem biofilme. A introdução de suportes de PVC para a adesão de biofilme, numa relação de duas vezes a área superficial da lagoa, contribuiu para uma melhora significativa na qualidade do efluente tratado em termos de DBO5 solúvel quando as lagoas operaram em TRH de 10 dias. A nitrificação não foi detectada em campo. Este processo foi significativo apenas quando as lagoas de laboratório operaram como lagoas terciárias. Na lagoa com biofilme ocorreram menores variações na qualidade do efluente quando maiores cargas foram aplicadas (TRH de 10 dias), sugerindo que uma maior densidade de microrganismos ativos na lagoa (biofilme + plâncton) foi obtida, acelerando o processo de biodegradação dos compostos orgânicos afluentes e tornando o sistema mais estável em caso de variações nas cargas aplicadas. A principal vantagem verificada nas lagoas com biofilmes no tratamento de esgotos foi a expressiva redução na concentração de SS no efluente produzido. Em 50% das etapas experimentais, o efluente da LB apresentou concentrações de SS significativamente inferiores às observadas no efluente da LF. Com maiores áreas de suporte introduzidas nas lagoas (7,5m2/m3 e 5,2m2/m3), menores foram às concentrações de SS no efluente produzido. A introdução de suportes artificiais para adesão de microrganismos constitui uma interessante alternativa aplicada à melhoria do tratamento em sistemas de lagoas de estabilização que se encontram sobrecarregados - sistemas subdimensionados, pois permitem uma manutenção de uma fração maior de microrganismos no sistema. Stabilization ponds are natural systems of domestic wastewater treatment which are being used in all regions of Brazil. In these systems the treatment occurs by biochemical, biological and physico-chemical processes that are regulated by a diversity of organisms which are responsible for the natural organic matter and nutrient recycling. This kind of system is sensitive to climatic conditions that regulate the activity of bacteria and algae involved in the treatment process. Often, the effluents produced in the stabilization pond systems present good sanitary conditions, and a satisfactory reduction in the organic matter content, however, they have limited efficiency regarding the removal of nutrients and suspend solids. In comparison to activated sludge systems that have high biomass concentrations per unit of volume, the biochemical conversions occur more slowly in the ponds, which need longer hydraulic retention times and, consequently, bigger areas. The introduction of supports into the stabilization ponds induces an increase in the contact between the microorganisms and the effluent, leading to an increase in the biomass activity in the pond and the possibility for nitrification and, consequently, a better effluent quality is obtained. The overall aim of this study is to evaluate the potential for the utilization of biofilm supports in stabilization ponds applied to domestic wastewater treatment. The methodology was carried out in four steps, three of them being in laboratory scale and one in field scale - pilot module. In the laboratory we investigated the potential of the biofilm/periphyton under partially controlled environmental conditions, the choice of the support material, the support area/pond volume ratio, the identification of the development of biomass promoted by the biofilm and the identification of the microorganisms by optical microscopy and molecular biology analyses. The ratios obtained in the different phases of laboratory experiments, allowed the study to be carried out in field scale using two ponds (area of 15m2, each). In one of them we placed 30m2 of support and this was called the biofilm pond (LB) and in the other one we did not place anything and this was called the facultative pond (LF). For 17 months of field study, we applied two distinct hydraulic retention times (10 and 20 days). The results showed that the biofilm attached to the PVC plates, the material selected in the laboratory phase, provided an increase in the pond biomass, corresponding to 25% - 57% of the biomass present in the ponds without biofilm. The area of PVC support introduced for the attachment of biofilm, twice the superficial area of the pond, contributed to a significant improvement in the treated effluent quality in terms of soluble BOD5 when the ponds operated with a 10-day HRT. Nitrification was not detected in field scale. This process was significant only when the laboratory ponds operated as tertiary ponds. In the pond with biofilm less variations occurred in the quality of the effluent when higher organic loads were applied (10-day HRT), suggesting that a higher density of active microorganisms in the pond (biofilm + plankton) was obtained, which accelerated the biodegradation process of affluent organic matter and it made the system more stable in the cases where organic loading variations were applied. The main advantage of using the biofilm ponds for wastewater treatment was found to be the significant reduction in SS concentration in the effluent produced. In 50% of the experimental steps, the LB effluent presented SS concentrations significantly lower than those observed in the LF effluent. When larger support areas were introduced in the ponds (7.5m2/m3 and 5.2m2/m3), lower SS concentrations in the final effluent were found. The introduction of supports for the microorganism attachment presented an interesting alternative for the improvement of wastewater stabilization pond treatments when they are overloaded or undersized. The supports permit the maintenance of a greater proportion of microorganisms in the system