RESUMO
Experiências sobre o tratamento de esgoto doméstico foram realizadas em instalação piloto de filtros biológicos percoladores, em laboratório, nos quais frutos secos descascados de Luffa cyllindrica constituíram o meio suporte para o crescimento microbiológico, com o objetivo de verificar sua capacidade de remoção da matéria orgânica, medida em termos da demanda bioquímica de oxigênio e da demanda química de oxigênio. Os resultados obtidos, quando comparados com os originários de um filtro similar que utilizava pedras como meio suporte, indicaram que a Luffa cyllindrica pode substituir, em condições específicas, o meio suporte tradicional. Embora estudos microbiológicos detalhados não estivessem entre os objetivos deste estudo, observou-se também que o biofilme encontrado na Luffa cyllindrica era mais rico em espécies e apresentava estágio mais evoluído do que o biofilme encontrado nas pedras. Estudos complementares são recomendados.
Palavras-chave:
filtros biológicos percoladores; microbiologia dos filtros biológicos percoladores; Luffa cyllindrica; biofilmes; meios suporte alternativos; tratamento de esgoto
ABSTRACT
Domestic sewage treatment experiments were conducted in a pilot installation of biological trickling filters in laboratory, in which the peeled dehydrated fruits of Luffa cyllindrica were used as a support medium for microbiological growth, in order to verify its capacity to remove organic matter, measured in terms of biochemical oxygen demand and chemical oxygen demand. The results obtained, when compared to results from similar pilot plant using stones as supporting medium, indicated that Luffa cyllindrica can substitute, under specific conditions, the traditional support media. Although detailed microbiologic studies were not among the objectives of this study, it was also observed that the biofilm found in Luffa cyllindrica was richer in species and in a higher evolutive stage than the biofilm found in the stones. Further studies are recommended.
Keywords:
trickling filters; microbiology of biological trickling filters; Luffa cyllindrica; biofilms; alternative support media; wastewater treatment
INTRODUÇÃO
Um filtro biológico percolador é um processo de tratamento de esgoto do tipo aeróbio, simples de construir e operar. Consiste em se fazer passar o esgoto através de um meio suporte. Um filme biológico se desenvolve sobre a superfície do meio. A atividade biológica desse filme será responsável pela estabilização dos constituintes orgânicos do esgoto, que é aspergido sobre o meio suporte. O biofilme permanece parte do tempo em contato com o efluente e outra parte exposto à atmosfera. A Figura 1 representa uma unidade desse tipo.
É classificado por WEF (2010WATER ENVIRONMENT FEDERATION - WEF. (2010) Design of municipal wastewater treatment plants. 5 ed. Alexandria: WEF Press. 2956 p.) como um reator do tipo de biofilme, que se desenvolve sobre o meio suporte. Quanto maior for a superfície específica oferecida pelo meio, mais eficiente será o filtro.
O uso do fruto seco descascado da Luffa cyllindrica como meio suporte foi a inovação proposta neste trabalho. Esse fruto - conhecido como bucha vegetal - é encontrado em todo o território brasileiro. Caracteriza-se por uma estrutura bastante fibrosa, que oferece grande superfície específica para a fixação do biofilme, além de pequeno peso específico aparente. Sua degradação é lenta, devido à função natural de manter as sementes para a propagação da planta.
Existem poucos estudos a respeito da utilização da Luffa cyllindrica para o tratamento de esgoto. Especificamente como meio suporte em filtros biológicos percoladores, esses estudos, se existentes, são desconhecidos. No Brasil, Agra (2009AGRA, C.A. (2009) Tratamento de águas residuárias domésticas em reatores de biomassa dispersa e biomassa aderida. Dissertação (Mestrado) - Programa Regional de Pós-graduação em Desenvolvimento e Meio Ambiente, Universidade Federal da Paraíba/Universidade Estadual da Paraíba, Campina Grande.) estudou sua utilização como substrato em biorreatores piloto de fluxo contínuo e biomassa aderida. Os resultados obtidos mostraram que ela era eficiente para a estabilização da matéria orgânica carbonácea e no processo de nitrificação. Sousa et al. (2008SOUSA, J.T.; HENRIQUE, I.N.; OLIVEIRA, R.; LOPES, W.S.; LEITE, V.D. (2008) Nitrification in a submerged attached growth bioreactor using Luffa cylindrica as solid substrate. African Journal of Biotechnology, v. 7, n. 15, p. 2702-2706.) estudaram sua utilização para a imobilização de bactérias nitrificantes num biorreator de biomassa aderida submersa destinado ao polimento do efluente de um reator upflow anaerobic sludge blanket (UASB) que tratava esgoto doméstico. No México, Ruiz-Marín et al. (2009RUIZ-MARÍN, A.; CAMPOS-GARCIA, S.; ZAVALA-LORÍA, J.; SOLANA, F.; CANEDO-LÓPEZ, Y. (2009) Assessment of Luffa cylindrica as support in biofilms reactors for the biological treatment of domestic wastewater. Water, Air, and Soil Pollution, v. 199, n. 1-4, p. 13-21.) compararam os resultados obtidos em reatores semicontínuos que utilizavam PVC e Luffa cyllindrica como meio suporte.
A microbiologia de filtros biológicos percoladores constitui um tema pouco descrito na literatura técnica dirigida aos engenheiros projetistas. Branco (1978BRANCO, S.M. (1978) Hidrobiologia aplicada à engenharia sanitária. 2 ed. São Paulo: CETESB. 620 p.) descreve a composição da camada de gelatina biologicamente ativa que recobre cada um dos cascalhos das camadas superficiais. Davis (2010DAVIS, M.L. (2010) Water and wastewater engineering: design principles and practice. New York: McGraw-Hill.) apresenta breve descrição aplicável aos processos aeróbios e passa imediatamente à modelagem matemática desses procesos. Metcalf e Eddy/AECOM (2014METCALF & EDDY/AECOM. (2014) Wastewater engineering: treatment and resource recovery. Revised by George Tchobanoglous et al. 5 ed. New York: McGraw-Hill . 2018 p.) a descrevem tendo por base referências datadas entre 1963 e 1975. Jordão e Pessôa (2014JORDÃO, E.P. & PESSÔA, C.A. (2014) Tratamento de esgotos domésticos. 7 ed. Rio de Janeiro: ABES. 1087 p.) referem-se a Metcalf e Eddy/AECOM (2014METCALF & EDDY/AECOM. (2014) Wastewater engineering: treatment and resource recovery. Revised by George Tchobanoglous et al. 5 ed. New York: McGraw-Hill . 2018 p.). Esses autores citam a presença de uma comunidade biológica muito diversificada, composta predominantemente por bactérias, fungos, algas e protozoários, além de organismos superiores, tais como vermes e insetos. Entretanto, quando se busca especificamente por filtros que utilizam a Luffa cyllindrica como meio suporte, tais descrições inexistem.
O trabalho descrito a seguir verificou o comportamento e a capacidade da Luffa cyllindrica em atuar como meio suporte em filtros biológicos percoladores. Foram medidos e comparados os parâmetros: demanda bioquímica de oxigênio (DBO5,20); demanda química de oxigênio (DQO); sólidos suspensos totais (SST); e sólidos sedimentáveis (SSed) nos afluentes e efluentes de colunas filtrantes preenchidas com esse material. Os resultados foram comparados com os obtidos a partir de uma coluna preenchida com pedras. Além disso, em vista da inexistência de estudos envolvendo a microbiologia desses filtros, procurou-se caracterizar a composição biológica dos biofilmes presentes nos dois tipos de meio suporte.
METODOLOGIA
O trabalho foi realizado em planta piloto (Figura 2), conforme descrito a seguir. O esgoto bruto, proveniente da rede coletora de esgoto sanitário urbano, era encaminhado, por bombeamento, para uma câmara que desempenhava a função de caixa de areia. Em seu interior era gradeado e homogeneizado. O processo experimental tem início a partir daí. Esse esgoto era conduzido para o decantador primário através de uma mangueira plástica flexível. Uma tela fina, feita de nylon, foi instalada a montante da mangueira. Após o decantador primário, o esgoto (agora esgoto primário) era conduzido a uma câmara distribuidora, onde havia outra peneira de nylon, semelhante à primeira. O excesso de vazão era descartado através de um extravasor.
Antes de atingir cada filtro, o esgoto era conduzido a um alimentador que convertia o fluxo contínuo em intermitente, sendo distribuído sobre o meio suporte através de uma placa perfurada instalada 20 centímetros acima de seu topo. Cada filtro era constituído por um tubo de PVC tipo esgoto, de diâmetro interno igual a 200 mm. No interior de cada um foi introduzido o meio suporte: fruto seco descascado de Luffa cyllindrica em três deles; e pedras (seixos) de diâmetro de 25 mm no quarto. Inicialmente, os frutos foram colocados na posição vertical. Ao longo do estudo experimental eles passaram a ser cortados e instalados de modo aleatório. Nenhum efeito foi observado em virtude dessa modificação.
O esgoto era então conduzido a decantadores secundários e descartado. A vazão média encaminhada a cada coluna filtrante era igual a 2 mL.s-1. A carga hidráulica era 5,5 m³.m-2.dia-1. Amostras de esgoto bruto e tratado eram coletadas e analisadas. Maiores detalhes sobre a realização dessas análises podem ser encontrados em Vianna, Melo e Vianna Neto (2012VIANNA, M.R.; MELO, G.C.B.; VIANNA NETO, M.R. (2012) Wastewater treatment in trickling filters using Luffa cyllindrica as biofilm supporting medium. Journal of Urban and Environmental Engineering, v. 6, n. 2, p. 57-66.).
RESULTADOS
Características do esgoto bruto
A Figura 3 representa graficamente os resultados para DBO5,20, DQO e SST, expressos em mg.L-1. Os resultados de SSed não estão representados no gráfico.
Séries temporais para demanda bioquímica de oxigênio, demanda química de oxigênio e sólidos suspensos totais no esgoto bruto.
A DBO5,20 variou entre 61 e 387 mg.L-1. A média foi de 216 mg.L-1. Após o decantador primário, apresentou valores entre 61 e 282 mg.L-1. O valor médio para todas as observações foi de 177 mg.L-1. A remoção percentual média no decantador primário foi igual a 18%. Por sua vez, a DQO variou entre 185 e 601 mg.L-1. A média foi de 451 mg.L-1. Após o decantador primário, apresentou valores entre 168 e 598 mg.L-1. O valor médio foi de 390 mg.L-1. A remoção percentual média no decantador primário foi igual a 14%.
Os SST, medidos entre 20 de abril e 27 de agosto de 2004, variaram entre 90 e 752 mg.L-1. A média foi de 193 mg.L-1. Após o decantador primário, caiu para 141 mg.L-1. Por sua vez, os SSed variaram de 0,10 a 11 mL.L-1. A média foi de 2,22 mL.L-1. Após o decantador primário, caiu para 0,80 mL.L-1.
Desempenho quanto à redução da carga orgânica
Os valores da DBO5,20 a montante dos decantadores secundários são mostrados na Figura 4. Na Figura 5 são apresentados os gráficos de box-whisker. O valor médio a jusante dos filtros contendo Luffa cyllindrica foi de 58 mg.L-1. O valor médio a jusante do filtro contendo pedras foi de 79 mg.L-1.
Demanda bioquímica de oxigênio a montante dos decantadores secundários dos filtros preenchidos com Luffa cyllindrica e do filtro preenchido com pedras, ao longo do trabalho experimental.
Demanda bioquímica de oxigênio no percolado das quatro colunas, a montante dos decantadores secundários, ao longo do trabalho experimental: gráfico box-whisker.
Os valores obtidos a jusante dos decantadores secundários são mostrados na Figura 6. A média a jusante dos decantadores secundários após os filtros contendo Luffa cyllindrica foi de 43 mg.L-1, enquanto a média correspondente ao filtro contendo pedras foi de 57 mg.L-1. Na Figura 7 são apresentados os gráficos de box-whisker correspondentes.
Demanda bioquímica de oxigênio a jusante dos decantadores secundários dos filtros preenchidos com Luffa cyllindrica e do filtro preenchido com pedras, ao longo do trabalho experimental.
Demanda bioquímica de oxigênio no percolado das quatro colunas, a jusante dos decantadores secundários, ao longo do trabalho experimental: gráfico box-whisker
Para a DQO, e no que diz respeito aos valores obtidos a montante dos decantadores secundários, os resultados são mostrados na Figura 8, enquanto a Figura 9 apresenta os gráficos de box-whisker correspondentes. O valor médio a jusante dos filtros contendo Luffa cyllindrica foi de 183 mg.L-1, enquanto o valor médio a jusante do filtro contendo pedras foi de 209 mg.L-1.
Demanda química de oxigênio a montante dos decantadores secundários dos filtros preenchidos com Luffa cyllindrica e do filtro preenchido com pedras, ao longo do trabalho experimental.
Demanda química de oxigênio no percolado das quatro colunas, a montante dos decantadores secundários, ao longo do trabalho experimental: gráfico box-whisker.
Quanto aos valores obtidos a jusante dos decantadores secundários, os resultados são mostrados na Figura 10, enquanto a Figura 11 apresenta os gráficos de box-whisker correspondentes. O valor médio a jusante dos decantadores secundários após os filtros contendo Luffa cyllindrica foi de 154 mg.L-1, enquanto o valor médio a jusante do decantador secundário do filtro contendo pedras foi de 166 mg.L-1.
Demanda química de oxigênio a jusante dos decantadores secundários dos filtros preenchidos com Luffa cyllindrica e do filtro preenchido com pedras, ao longo do trabalho experimental.
Demanda química de oxigênio no percolado das quatro colunas, a jusante dos decantadores secundários, ao longo do trabalho experimental: gráfico box-whisker.
Aspectos microbiológicos dos meios suporte
Foram colhidas amostras das biomassas encontradas nos filtros contendo Luffa cyllindrica e também nos filtros contendo pedras. Elas foram retiradas dos primeiros cinco centímetros da parte superior desses meios suporte e encaminhadas ao laboratório de hidrobiologia, para análise qualitativa através de exame microscópico.
No meio suporte de Luffa cyllindrica foram encontradas: bactérias (Figuras 12A e B), fungos (Figura 12C), ciliados pedunculares (Figuras 12D e E) e nematoda de vida livre (Figuras 12F e G). No meio suporte de pedras foram encontrados apenas fungos e bactérias (Figura 13).
Biomassa presente sobre a Luffa cyllindrica: bactérias (A, B), fungos (C), ciliados fixos ou pedunculados (D, E) e nematoda de vida livre (F, G).
DISCUSSÃO
Do exposto, e considerando os resultados médios, o esgoto bruto poderia ser classificado como de concentração média (Tabela 1).
Ao longo do estudo experimental, observou-se que a estrutura fibrosa dos frutos secos descascados perdia volume continuamente e que a altura do meio filtrante reduzia de modo análogo, sendo necessário repor mensalmente esse meio filtrante em sua parte superior. Não obstante a redução da altura do meio suporte, não foi observada redução na eficiência do tratamento.
No que diz respeito à demanda DBO5,20, as eficiências médias percentuais dos filtros, tendo como referência o esgoto primário que lhes afluía, são resumidas na Tabela 2.
Na Tabela 3 são resumidas as eficiências médias percentuais quando se tem como referência as características do esgoto bruto.
Quanto à DQO, as eficiências médias percentuais dos filtros, tendo como referência o esgoto primário que lhes afluía, são resumidas na Tabela 4.
Na Tabela 5 são resumidas as eficiências médias percentuais dos filtros quando se considera o esgoto bruto.
Considerações microbiológicas
No meio suporte de Luffa cyllindrica foi encontrada maior riqueza de espécies do que no meio suporte de seixos, podendo indicar estágio mais evoluído de estabilização da matéria orgânica. Conforme descrito, além de bactérias e fungos, foram encontrados ciliados pedunculares e nematodos de vida livre. A presença desses representantes do reino animal, ausentes nas amostras da biomassa colhida no meio suporte de pedras, parece mostrar maior complexidade da cadeia alimentar e, portanto, estágio mais avançado. Isso pode explicar o grau mais elevado de estabilização da matéria orgânica verificada no primeiro.
As bactérias, cujos gêneros não foram identificados neste trabalho, são presença obrigatória em meios onde ocorre a degradação da matéria orgânica. O mesmo ocorre com os fungos. Quanto aos ciliados pedunculares, cujo gênero não foi identificado, sua presença era esperada nas camadas superficiais dos filtros biológicos percoladores, bem como a presença dos vermes, entre eles os nematoides.
Em contraposição, no meio suporte de pedras não foi encontrada riqueza de espécies. Conforme descrito, apenas bactérias e fungos foram observados, o que pode indicar menor complexidade da cadeia alimentar e, portanto, estágio menos avançado do que o do meio suporte de Luffa cyllindrica. O grau menos elevado de estabilização da matéria orgânica observado no meio suporte em consideração parece comprovar essa hipótese.
A riqueza de espécies encontrada no meio suporte de Luffa cyllindrica pode lhe conferir maior capacidade de suportar cargas de choque. Segundo Odum e Barrett (2005ODUM, E.P. & BARRETT, G.W. (2005) Fundamentals of ecology. 5 ed. Belmont: Thomson Brooks/Cole. 598 p.), ambientes mais diversificados são capazes de assegurar redundância e resiliência ao sistema, ou seja, possibilidade de resistir a eventuais condições estressantes.
CONCLUSÕES
O estudo mostrou que, para certas condições específicas, o fruto seco descascado da Luffa cyllindrica pode ser utilizado como meio suporte em filtros biológicos percoladores.
Uma comparação entre os resultados obtidos para os parâmetros estudados e os valores permitidos pelo Conselho Estadual de Política Ambiental (COPAM) - órgão ambiental do estado de Minas Gerais (COPAM, 2008CONSELHO ESTADUAL DE POLÍTICA AMBIENTAL - COPAM. (2008) Deliberação Normativa Conjunta COPAM/CERH-MG nº 1, de 05 de maio de 2008. Dispõe sobre a classificação dos corpos de água e diretrizes ambientais para o seu enquadramento, bem como estabelece as condições e padrões de lançamento de efluentes, e dá outras providências. Belo Horizonte: Diário Executivo.) - para efluentes líquidos é apresentada a seguir. Ela mostra que filtros biológicos percoladores que utilizam a Luffa cyllindrica como meio suporte podem ser uma alternativa adequada e sustentável para o tratamento de esgoto doméstico nesse estado.
O valor médio permitido para a DBO5,20 é de 60 mg.L-1. O valor médio no efluente dos sistemas de tratamento contendo Luffa cyllindrica foi de 43 mg.L-1. Também o valor médio no efluente dos sistemas de tratamento contendo pedras, igual a 57 mg.L-1, foi inferior ao máximo permitido.
O valor médio permitido para a DQO é de 180 mg.L-1. O valor médio no efluente dos sistemas de tratamento contendo Luffa cyllindrica foi de 154 mg.L-1. Também o valor médio no efluente dos sistemas de tratamento contendo pedras, igual a 166 mg.L-1, foi inferior ao máximo permitido.
Quando se considera qualquer dos dois parâmetros anteriores, o desempenho dos filtros contendo Luffa cyllindrica foi superior ao do filtro contendo pedras.
Embora não tenha constituído o objetivo específico deste estudo, observou-se que o biofilme encontrado nos filtros contendo Luffa cyllindrica apresentou riqueza de gêneros e estágio evolutivo superiores aos encontrados no biofilme do filtro contendo pedras.
O trabalho foi realizado em filtros piloto de pequenas dimensões, construídos no interior de um laboratório, protegidos contra a exposição direta à luz do sol, a grandes variações de temperatura, à chuva, entre outras variáveis. Recomenda-se que trabalho experimental semelhante seja realizado em ambiente externo, em filtros maiores.
As dimensões internas dos filtros não permitiram a realização de estudos que possibilitassem relacionar a altura do meio suporte com a eficiência dos filtros. Esse também é um importante trabalho experimental a ser feito.
A estabilidade física dos frutos, enquanto o biofilme encontra-se instalado sobre sua estrutura fibrosa e certa parcela de líquido encontra-se retida em seus espaços vazios, deve ser investigada. Se o empilhamento dos frutos se sustentar por si só, as paredes dos filtros não precisarão apresentar finalidade estrutural, permitindo reduzir os custos de construção.
As relações entre as cargas hidráulicas e orgânicas aplicadas aos filtros, os efeitos da recirculação e suas eficiências de tratamento deverão ser investigadas.
Recomenda-se uma investigação biológica específica a respeito do biofilme desses filtros.
REFERÊNCIAS
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- SOUSA, J.T.; HENRIQUE, I.N.; OLIVEIRA, R.; LOPES, W.S.; LEITE, V.D. (2008) Nitrification in a submerged attached growth bioreactor using Luffa cylindrica as solid substrate. African Journal of Biotechnology, v. 7, n. 15, p. 2702-2706.
- VIANNA, M.R.; MELO, G.C.B.; VIANNA NETO, M.R. (2012) Wastewater treatment in trickling filters using Luffa cyllindrica as biofilm supporting medium. Journal of Urban and Environmental Engineering, v. 6, n. 2, p. 57-66.
- WATER ENVIRONMENT FEDERATION - WEF. (2010) Design of municipal wastewater treatment plants 5 ed. Alexandria: WEF Press. 2956 p.
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Reg. ABES: 110427
Datas de Publicação
-
Publicação nesta coleção
21 Fev 2019 -
Data do Fascículo
Jan-Feb 2019
Histórico
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Recebido
27 Jan 2013 -
Aceito
02 Ago 2016
Fonte: adaptado de 
