SUBPROJETO Caracterização respirométrica da demanda bioquímica de oxigênio do sedimento (DBOS) de fundo do rio São Mateus-ES

Universidade Federal do Espírito Santo Programa Institucional de Iniciação Científica

Subprojeto de Iniciação Científica Edital: Título do Subprojeto: Candidato a Orientador: Candidato a Bolsista:

Edital PIBIC 2015/2016 Caracterização respirométrica da demanda bioquímica de oxigênio do sedimento (DBOS) de fundo do rio São MateusES e modelagem de seus impactos sobre a qualidade da água Prof. Dr. Aloísio José Bueno Cotta Letícia Mothé do Nascimento Rodrigues

Resumo: A contribuição da matéria orgânica acumulada nos sedimentos do leito do rio São Mateus sobre a dinâmica do oxigênio dissolvido nas águas será avaliada mediante a coleta e caracterização respirométrica de amostras de água e sedimento, objetivando o cálculo da constante de desoxigenação do sedimento (k1-sedimento) a ser incluída nos parâmetros de entrada do modelo da capacidade autodepurativa desenvolvido para o rio São Mateus. Além disso, variações sazonais e de constituição (teor de matéria orgânica e sua taxa de biodegradação) entre amostras de sedimento coletadas em dois pontos, um antes e outro após o rio receber os despejos da cidade de São Mateus-ES, serão investigados e auxiliarão na avaliação dos impactos decorrentes do lançamento de esgoto doméstico não tratado sobre a qualidade das águas e sedimentos do rio São Mateus. Palavras chave: Respirometria, consumo de oxigênio, rio São Mateus e sedimento.

1 Introdução Os efluentes urbanos são um dos principais causadores de poluição e contaminação de rios e mananciais de água doce, com sérios efeitos sobre a qualidade das águas (REBOUÇAS et al. 1999). No Brasil, cuja população é predominantemente urbana, o volume de efluentes coletados e tratados é ainda relativamente pequeno, sendo na maioria das cidades apenas descartado num corpo hídrico (IBGE, 2010). Com a crescente expansão das áreas urbanas e o aumento do volume de efluentes domésticos gerados elevam-se as cargas de poluentes lançadas nos cursos d’água. Desta forma, na maioria das cidades brasileiras o destino final do esgoto sanitário, ainda, é o encaminhamento para um corpo hídrico. Em consequência desse lançamento, podem surgir diversos inconvenientes, como o desprendimento de maus odores, a presença de sabor na água potável, eutrofização do corpo hídrico receptor, mortandade de peixes e ameaça à saúde pública. Via de regra, tais impactos são mitigados quando o esgoto é submetido a tratamento adequado. Contudo, a cidade de São Mateus-ES ainda não dispõe de estação de tratamento de esgoto (ETE), e por isso seus efluentes são lançados diretamente no Rio São Mateus e no seu afluente, o Rio Abissínia, comprometendo a qualidade destas águas (de PAULA e COTTA, 2014). Vale frisar que o Rio São Mateus, apenas poucos quilômetros após a confluência com o Rio Abissínia (aprox. 8 km), o qual recebe a maior parte dos despejos urbanos, tem suas águas captadas para abastecimento das residências do bairro de Guriri (São Mateus-ES), com cerca de 12 mil habitantes. Atualmente a qualidade das águas dos rios São Mateus e Abissínia são monitoradas dentro das atividades previstas no âmbito do projeto: "Caracterização hidroquímica e avaliação da qualidade da água do Rio São Mateus, São Mateus-ES", coordenado pelo Professor Dr. Aloísio J. B. Cotta (CEUNESUFES), proponente deste subprojeto. Dentre os parâmetros estudados, a demanda bioquímica de oxigênio

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(DBO) dos efluentes e da água do rio é monitorada e seus dados utilizados na avaliação de capacidade de autodepuração do rio São Mateus, com o software AD'ÁGUA 2.0. No ponto estudado, o Rio Abissínia apresenta elevada DBO5,20, com valores em torno de 100 mg de O2/L e o oxigênio dissolvido (OD) próximo à zero, como consequência do despejo dos efluentes urbanos ricos em matéria orgânica biodegradável (MOB), cuja estabilização por fungos e bactérias aeróbicas leva à anóxia das águas. O estudo da capacidade autodepurativa do Rio São Mateus demonstrou que, para sua vazão de referência, os níveis de OD podem ultrapassar o valor mínimo estipulado pela Resolução CONAMA 357 de 2005 (VARGAS et al. 2013), como resultado do excessivo lançamento de esgoto domestico não tratado em suas águas. A situação é ainda mais grave, pois no modelo empregado a contribuição da demanda bioquímica de oxigênio do sedimento (DBOS) não foi incluída nas variáveis de entrada, uma vez que ainda não há dados sobre as características dos sedimentos de fundo do rio São Mateus. Porém, este problema será superado com a realização do presente subprojeto, o qual objetiva tanto a determinação da DBOS para o rio São Mateus, quanto a avaliação de sua contribuição para o consumo de OD da coluna d'água (em duas situações: com ressuspensão do sedimento para coluna d'água, simulando períodos de baixa e alta vazão), mediante o emprego de uma modelagem mais abrangente da capacidade autodepurativa do rio com o software Qual-UFMG (VON SPERLING, 2007). A demanda bioquímica de oxigênio associada aos sedimentos (DBOS) é a taxa com que o OD é consumido devido principalmente a decomposição da MOB acumulada nos sedimentos do leito do rio e à respiração dos organismos bentônicos. Estudos revelaram que a DBOS pode contribuir de 30 a 90% do consumo total de OD, especialmente em águas rasas e/ou em rios vagarosos (CETESB, 2009). Apesar do grande poder impactante da DBOS sobre a dinâmica dos cursos d'água, poucos estudos tem se concentrado neste parâmetro. Em rios de escoamento lento e com sedimentos de alto conteúdo orgânico (como se prevê para o rio São Mateus) a DBOS pode ser uma das principais causas para o frequente registro de baixas concentrações de OD em suas águas, especialmente nos meses de baixa vazão e nos períodos de início de chuvas, quando a elevação do nível do rio (escoamento com maior velocidade das águas) propicia a ressuspensão do sedimento de fundo para coluna d'água, que contribui adicionalmente para o consumo do OD. ANNUNCIAÇÃO et al. (2010) ao determinar os níveis de OD e DBO no córrego Riacho Fundo (DF) observaram valores críticos durante o início do período chuvoso, em relação ao período seco, o que foi atribuído ao revolvimento dos sedimentos do leito rico em MOB. O qual, com o início do período de chuvas foi resuspenso para coluna d'água, elevando a taxa de consumo do OD na água. Segundo os autores, isto foi especialmente verdade para os pontos monitorados nas proximidades do local de lançamento dos efluentes da ETE da cidade. Com base nisso, infere-se que se mesmo efluentes tratados são capazes de prover um estoque de MOB para os sedimentos, o qual pode impactar a qualidade da água durante seu revolvimento no início das chuvas, tal impacto deve ser ainda maior nos rios que recebem esgoto doméstico ainda em sua forma bruta, como no caso do rio São Mateus. Como exemplo, cita-se a morte de mais 20 toneladas de tilápias dentro dos tanques-rede mantidos pela Associação de pescadores do Município (APESAM) no trecho do rio São Mateus a jusante do ponto de lançamento da maior parte dos efluentes da cidade (rio Abissínia) que ocorreu em 10 de Novembro de 2009. Segundo o biólogo Alejandro Prado, que na época avaliou o caso, a morte dos peixes foi

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consequência da ressuspensão de material do leito do rio que diminuiu a quantidade de oxigênio e a qualidade da água (A GAZETA, 10/11/2009). A medida da DBOS é geralmente realizada em campo empregando aparato específico (BOWMAN e FELFINO 1980), o que não é prático e tem um elevado risco de execução. Uma alternativa é sua determinação em amostras apropriadamente coletadas e transportadas para o laboratório, onde a medida da taxa de consumo de OD pode ser realizada com maior conveniência e segurança, através de ensaios respirométricos. A respirometria é definida como a medida da taxa de consumo de oxigênio ao longo do tempo, desenvolvida por microorganismos aeróbios, em um reator operado sob condições bem definidas que podem ser ajustadas para simular as condições ambientais. Segundo VAN HAANDEL e MARAIS (1999), medidas respirométricas são as mais adequadas para se determinar as constantes cinéticas relativas á processos aeróbicos de biodegradação da matéria orgânica. Ensaios respirométricos são amplamente aplicados na caracterização de efluentes (antes de seu tratamento em uma ETE), em particular para testar sua biodegradabilidade e para estimar a velocidade de transformação da matéria rapidamente biodegradável (FERNANDES, 2002). De maneira análoga, a respirometria pode também ser empregada para investigar e quantificar possíveis impactos ambientais decorrentes do lançamento inadvertido de efluentes sanitários em um curso d'água, o qual desenvolverá processos naturais de autodepuração. Restando apenas saber se a capacidade autodepurativa do sistema é respeitada ou ultrapassada. As técnicas respirométricas reúnem diversas características atrativas para sua aplicação como, simplicidade de instalação e execução, rapidez das medidas e confiabilidade dos dados gerados (Spanjers et al. 1998). Contudo, BERNARDES (2000) observa que ainda há uma escassez de informações sobre o uso da respirometria para a caracterização de efluentes em países em desenvolvimento. Recentemente a técnica respirométrica foi empregada para o cálculo da constante de desoxigenação (k1-efluente) associada aos efluentes líquidos lançados no rio São Mateus, a qual foi utilizada no modelo de autodepuração construído para o rio São Mateus, os resultados obtidos para k1efluente foram consistentes com os valores de esgoto não tratado.

2 Objetivos A presente proposta objetiva a aplicação da respirometria para a caracterização dos sedimentos do leito do rio São Mateus, com foco na determinação da velocidade de consumo de OD associada à degradação da MOB presente no sedimento de fundo.

Objetivos específicos:  Construção de um coletor de sedimento de fundo para amostragem do leito do rio São Mateus;  Otimização das condições experimentais para realização do ensaio respirométrico, no que se refere: a) aos tempos de estabilização da população de microorganismos decompositores, necessários para os ensaios; b) estabelecimento dos tempos de aeração da amostra e registro do consumo de OD; c) verificação do efeito da adição de solução tampão e nutrientes (a semelhança do realizado no ensaio da DBO) para geração da constante de desoxigenação associada à amostra de sedimento;

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 Caracterizar amostras de sedimento tomadas em dois pontos, um a montante e outro a jusante da cidade de São Mateus, com vistas e evidenciar os impactos dos efluentes urbanos sobre os teores de matéria orgânica (MO) e seus potenciais impactos sobre a demanda de OD nas águas;  Determinar a quantidade de MO presente nas amostras de sedimento, empregando a técnica de calcinação após secagem;  Aprimorar e complementar a caracterização dos sedimentos e efluentes da cidade de São Mateus de modo a evidenciar os impactos da MOB dos sedimentos sobre a qualidade das águas do rio São Mateus e de sua influência na capacidade de autodepuração do rio;  Difusão das técnicas respirométricas;  Com relação ao aluno participante, espera-se contribuir para a melhoria de sua formação acadêmica, introduzindo maior familiaridade com reações químicas, técnicas e manuseio de reagentes e equipamentos. Além de promover o raciocínio crítico sobre as questões ambientais e postura científica na resolução de eventuais problemas relacionados à pesquisa.

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Metodologia O teste respirométrico consiste em medir o consumo do oxigênio dissolvido (OD) durante um

período de tempo. Para tal, a amostra é previamente agitada e aerada até próximo ao ponto saturação de OD (≈ 8 mg de O2/L, para 20º C), em seguida o fornecimento de oxigênio é interrompido e a variação na concentração de OD registrada em intervalos regulares (FERREIRA et al. 2002). O ensaio será realizado de modo simular o comportamento do sedimento de fundo, após sua suspensão para coluna d'água, para tal um volume conhecido entre 5 a 10 cm3 de sedimento úmido, será inserido no frasco reator de 1L (preenchido com a própria água do rio) para simular a biodegradação natural da matéria orgânica, ao passo que o consumo do OD é monitorado para compor o respirograma. Os ensaios terão uma duração de 3 a 5 dias, a qual corresponde ao tempo de residência das águas do rio São Mateus no trecho sob estudo, até sua foz (Figura 1).

FIGURA 1 - Localização da área de estudo, entorno da cidade de São Mateus-ES, com a indicação dos locais de amostragem de água e sedimento. O ensaio a ser desenvolvido para se construir o respirograma consiste em colocar no frasco reator um volume de sedimento de fundo, e em intervalor regulares, a serem definidos, a amostra (sedimento+água do rio) deve ser agitada e aerada a fim de fornecer OD para que a maior parte de seu

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material orgânico seja estabilizado. Neste estudo, a duração dos intervalos de registro será determinada experimentalmente, assim como a necessidade da adição de nutrientes e solução tampão. Nos ensaios com amostras de água o rio Abissínia os registros ocorreram em intervalos de 1 a 2 horas, de modo a evitar concentrações de OD menores 2 mg/L, para não comprometer o processo de oxidação desempenhado pelos microorganismos, empregando ao início adição de nutrientes e solução tampão (De PAULA e COTTA 2014). Os valores de OD registrados serão utilizados para calcular a taxa de desoxigenação associada ao sedimento (k1-sedimento). Quando o valor de OD se aproximar de 2 mg/L a aeração e agitação serão iniciadas novamente para elevar o nível de OD. Em paralelo, um ensaio apenas com a água do rio será realizado para descontar o consumo de OD associado à degradação da MOB presente na água, sem a presença do sedimento. Após a agitação e reaeração da solução do reator, outro intervalo de medidas pode ser iniciado. Os dados obtidos serão utilizados na construção do respirograma, o qual é uma representação gráfica da taxa de consumo de OD (mg/L/h), em função do tempo de medição. Com o decorrer dos ciclos de medida, se observará a contínua redução da taxa com que o OD é utilizado. Esse declínio é causado pela diminuição do alimento disponível (i.e. MOB) no reator e, portanto do término do ensaio. As taxas respirométricas serão calculadas a partir da diferença entre as concentrações de OD divididas pelo intervalo de tempo (∆t) entre os registros, conforme equação 1. dC/dt = - r (equação 1) Em que: C = concentração de OD medido (em mg/L) em cada intervalo de tempo, t, (em hora) e r = taxa de respiração (mg/L/h). O equipamento de medida respirométrica a ser utilizado foi desenvolvido e operado a semelhança do protótipo de FERREIRA et al. (2002), montado em escala de bancada com as seguintes características: • Operação do reator de 1L (kitassato) em regime de batelada, com temperatura controlada, 20±1º C; • Medida de oxigênio dissolvido (OD), realizada com sensor específico inserido na fase líquida; • Funcionamento em regime estático, ou seja, sem fluxo de ar no sistema durante as medidas das taxas de respiração, seguido de re-aeração com ar ambiente. De posse dos dados de caracterização das amostras de sedimento (teor de MO, obtido por calcinação e k1-sedimento), as variações entre os pontos amostrais a montante e jusante da cidade podem ser utilizadas para ponderar sobre o impacto dos efluentes urbanos sobre a qualidade das águas e do risco potencial que a MOB dos sedimentos tem de elevar o consumo de OD e, desta forma, comprometer a autodepuração do rio São Mateus.

4 Plano de Trabalho / Cronograma Todas estas tarefas pertinentes à execução deste subprojeto serão realizadas pelo aluno de iniciação, após instrução, e sob a supervisão do orientador. Primeiramente, o aluno realizará uma revisão rápida da literatura para tomar conhecimento dos procedimentos necessários para realização e familiarização com os materiais, técnicas, objetivos e aplicação desta investigação. Após a construção desta base de conhecimentos, será iniciada a construção de um amostrador superficial de sedimentos (similar a uma draga Van Veen) para tomada de amostras e execução das medidas de teor de MO, por calcinação, e caracterização respirométrica do sedimento e água do rio. A serem realizados com frequência mensal. Com estes dados, a contribuição da MOB dos

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sedimentos, expressa pela constante de desoxigenação dos sedimentos (k1-sedimentos) será incluída no modelo de avaliação da capacidade de autodepuração do rio São Mateus, empregando a plataforma do software livre (Qual-UFMG).

ATIVIDADES Lista de atividades* 1- Revisão bibliográfica inicial. 2 - Construção de um coletor de sedimento de fundo, similar ao modelo de Draga Van Veen. 3 - Coleta de uma amostra de sedimento e água do rio São Mateus para testes iniciais de caracterização e otimização/ajustes das condições experimentais do ensaio respirométrico. 4 - Início da caracterização sistemática (mensal) das amostras, com foco na determinação da taxa de desoxigenação do sedimento e seu teor de MOB, para investigar a extensão das variações composicionais e possíveis variações sazonais. 5 - Avaliação da contribuição dos sedimentos na capacidade de autodepuração do rio São Mateus e os impactos sobre a qualidade de suas águas. 6 - Organização, avaliação/interpretação e divulgação de resultados.

CRONOGRAMA (Ago/2015 a Jul/2016) Atividade 1 2 3 4 5 6

Ago X

Set X X

Out

Nov

Dez

Jan

Fev

Mar

Abr

Mai

Jun

X X

X

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X X X

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Jul

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5 Referências 1- A Gazeta 10/11/2009. Prejuízo de R$ 150 mil com morte de peixes após enchentes em São Mateus. Disponível em: http://gazetaonline.globo.com/_conteudo/2009/11/561642prejuizo+de+r+150+mil+com+morte+de+peixes+apos+enchentes+em+sao+mateus.html. Acesso em: 05/01/2014. 2- Annunciação, D. L.R. et al. (2010) Avaliação espacial e temporal da qualidade da água do córrego Riacho Fundo – DF através do IQA (índice de qualidade da água). In: Simpósio Internacional de Qualidade da Água, Porto Alegre-RS. 3- Bernardes, R.S. (2000). Respirometria no controle de sistemas de tratamento de águas residuárias e como bioensaio no controle da poluição do meio aquático. Anais do I Simpósio de Recursos Hídricos do Centro-Oeste. Brasília, DF. 4- IBGE (2010) Instituto Brasileiro de Geografia e Estatística. Censo 2010. (http://censo2010.ibge.gov.br/). 5- Bowman GT e Delfino JJ (1980). Sediment oxygen demand techniques: review and comparison of laboratory and in situ systems. Water Research,14, 491-499. 6- Companhia de Tecnologia de Saneamento Ambiental. CETESB. (2009). Disponível em: http://www.cetesb.sp.gov.br. Acesso em: 01/04/2013. 7- De Paula, N.F.L. e Cotta, A.J.B. (2014) Desenvolvimento experimental e caracterização respirométrica dos efluentes da cidade de São Mateus-ES. In: 54º Congresso Brasileiro De Química, 2014, Natal - RN. 8- Ferreira, E.D.S. (2002). Aplicação da respirometria na caracterização de esgoto doméstico afluente a uma ETE por processo de lodos ativados. Dissertação de mestrado em tecnologia ambiental e recursos hídricos. Departamento de Engenharia Civil e Ambiental da Universidade de Brasília, Brasil, 117p. 9- Rebouças, A.C.; Braga, B.; Tundisi, J.G. (Org.). (1999). Águas Doces no Brasil: Capital Ecológico, Uso e Conservação. São Paulo, Escrituras. 10- Van Haandel, A.C. e Catunda, P.F.C. (1982). Determinação da taxa de consumo de oxigênio em sistemas de tratamento de esgotos. Engenharia Sanitária, 21(4), 481-788. 11- Vargas, M.V.L.; de Paula, N.F.L. e Cotta, A.J.B.(2013) Avaliação da Capacidade de Autodepuração do Rio São Mateus-ES. In: IV ENCAQUI | Encontro Capixaba de Química SBQ ES, 2013, Vitória-ES. 12- Von Sperling, M.V. (2007) Estudos e modelagem da qualidade da água de rios. Belo Horizonte: Departamento de Engenharia Sanitária e Ambiental; Universidade Federal de Minas Gerais.

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