SUBPROJETO Integração do teste modificado de Sturm de evolução de CO2 e respirometria para caracterização dos efluentes da cidade de São Mateus-ES

Subprojeto de Iniciação Científica

"Edital: "Edital PIBIC 2013/2014 "
"Título do Subprojeto:"Integração do teste modificado de Sturm de "
" "evolução de CO2 e respirometria para "
" "caracterização dos efluentes da cidade de São"
" "Mateus-ES "
"Candidato a "Prof. Dr. Aloísio José Bueno Cotta "
"Orientador: " "
"Candidato a Bolsista:"Nilson Francisco Ladaim de Paula "

Resumo: O conhecimento das cargas despejadas e das características de
biodegradabilidade de um efluente são essenciais para avaliar o
comportamento e o destino destes no ambiente. Da mesma forma que, uma ampla
caracterização dos esgotos se faz necessária para o dimensionamento e
controle operacional de uma ETE, quando tais efluentes são lançados
diretamente em cursos d'água sua caracterização também é necessária para
se ponderar sobre a extensão dos impactos que tal descarga pode acarretar
ao corpo receptor. Em particular, para avaliar se sua capacidade de
autodepuração é respeita ou ultrapassada. Neste projeto objetiva-se a
construção de um sistema experimental que permita a integração de medidas
respirométricas e do teste modificado de Sturm de evolução de CO2(g), num
único arranjo experimental. A condução dos ensaios respirométricos visa
determinar a velocidade de consumo de oxigênio mediante a biodegradação dos
efluentes da cidade de São Mateus-ES, os quais atualmente são lançados
diretamente sobre as águas dos Rios Abissínia e São Mateus e a condução do
teste de evolução de CO2 visa quantificar total de material orgânico
degradado. Estes dados serão comparados com os equivalentes, atualmente
determinados por ensaios de DBO, e empregados na simulação da capacidade de
autodepuração do Rio São Mateus.

Palavras chave: Respirometria, teste de Sturm, consumo de oxigênio, rio
São Mateus e degradação.

Introdução



Em muitas cidades brasileiras o destino final do esgoto sanitário,
ainda, é o encaminhamento para um corpo hídrico, muitas vezes sem
tratamento prévio. Em consequência desse lançamento, podem aparecer
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.
Vale frisar que o Rio São Mateus, apenas a aproximadamente 8 km poucos
quilômetros após a confluência com o Rio Abissínia, 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
(CEUNES-UFES), proponente deste projeto (Vargas e Cotta 2013a,b). Dentre os
parâmetros estudados, a demanda bioquímica de oxigênio (DBO) é monitorada e
seus dados utilizados na avaliação de capacidade de autodepuração do Rio
São Mateus. 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) sempre
próximo à zero, como consequência do despejo dos efluentes urbanos ricos em
matéria orgânica biodegradável (MOB), cuja degradação por fungos e
bactérias aeróbicas causam à anóxia destas águas.
Para avaliar a capacidade de autodepuração do Rio São Mateus, além da
DBO5,20, a velocidade (taxa) de decaimento/degradação da MOB deve ser
determinada. A qual é estimada través de múltiplos ensaios de DBO com a
determinação do consumo do OD dentro de um intervalo de 15 dias, o que é
bastante trabalhoso e demorado (CETESB 2008). Além disso, o emprego de
ensaios de DBO para estimar as velocidades de reações são muito criticas
dada a grande diferença entre as condições experimentais e as observadas em
sistemas ambientais.
Outra maneira de se estimar a velocidade de degradação da MOB, mais
simples e que pode ser adaptada para melhor simular as condições
ambientais, é 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. Segundo van Haandel e Marais (1999), medias
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 respirométrica 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.
Como a degradação da matéria orgânica, mediada por microorganismos
aeróbicos, implica na liberação de gás carbônico, como produto final do
processo respiratório. A quantificação do CO2(g) produzido pode ser
explorada para estimar a quantidade de matéria orgânica que foi degradada.
Uma maneira simples para avaliar a biodegradabilidade de amostras diversas,
é através do teste modificado de Sturm. Neste teste, o gás carbônico gerado
durante o ensaio é fixado em uma solução de Ba(OH)2(aq), e através da
titulação do Ba(OH)2(aq) restante ou da titulação ou pesagem BaCO3(s)
formado, se calcula quanto CO2(g) foi gerado. De posse deste dado, pode-se
estimar a quantidade de material que foi biodegradado, a qual, por sua vez,
permite estimar a carga poluente (em termos de material carbonáceo)
presente na amostra sob análise.
Dada a semelhança dos arranjos experimentais de ambos os ensaios, o
respirométrico (Figura 1A) e do teste modificado de Sturm (Figura 1B),
neste projeto de pesquisa iremos desenvolver a integração de ambos os
testes num único arranjo experimental (detalhado na seção seguinte).
Basicamente, a principal modificação será a aeração do reator com ar livre
de CO2(g) e o direcionamento do fluxo de saída do reator para uma solução
de Ba(OH)2(aq) para fixação do CO2(g) gerado. O CO2(g) fixado na forma de
BaCO3(s) será coletado em intervalos regulares (a serem estabelecidos, como
por exemplo, a cada 12 horas) para o monitoramento de sua taxa de
produção.


" " "
"FIGURA 1. (1A) esquerda, representação esquemática do ensaio "
"respirométrico simplificado (Ferreira, et al. 2002). (1B) direita, "
"foto dos equipamentos utilizados no teste modificado de Sturm "
"(Coelho et al. 2008), frasco (a) contem solução saturada com "
"Ba(OH)2(aq) para retirada do CO2(g) atmosférico. Fraco (b), reator,"
"e frasco (c) contem solução de Ba(OH)2(aq) para fixação do CO2(g) "
"gerado. "


Objetivos

A presente proposta objetiva desenvolver e explorar a aplicação da
respirométria para caracterizar os efluentes da cidade de São Mateus, com
foco na determinação da velocidade de degradação da MOB. Esta pesquisa,
visa também investigar a integração do ensaio respirométrico com o teste
modificado de Sturm, de forma a desenvolver um procedimento único que
permita ao mesmo tempo estimar a velocidade de oxidação e a quantidade de
material orgânico biodegradável presente na amostra sob ensaio.
Objetivos específicos:
Montagem/construção do sistema experimental para execução conjunta de
medidas respirométricas e do teste modificado de Sturm de evolução de
CO2(g).
Otimização das condições experimentais para realização dos ensaios, 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) ajuste dos intervalos de coleta do BaCO3(s), formado a partir
da fixação do CO2(g);
Determinar a quantidade de MOB presente nas amostras (água do Rio
Abissínia) e de sua taxa de biodegradação.
Comparar os resultados deste ensaio com os dados de obtidos com o
ensaio de DBO tradicional.
Estabelecer, a partir dos dados obtidos com a metodologia
desenvolvida, qual a relação estequiométrica entre C (presente na MOB,
representada pela fórmula mínima de um carboidrato: CH2O) e o O2
consumido. Para verificar se a relação estequiométrica de 2:1 (2CH2O +
1O2(g) CO2(g) + H2O) é suportada pelos dados obtidos ou se uma outra
relação é possível.
Aprimorar e complementar a caracterização dos efluentes da cidade de
São Mateus de modo a contribuir com a delimitação dos impactos sobre a
qualidade das águas do rio São Mateus e na avaliação de sua capacidade
de autodepuração.
Difusão das técnicas respirométricas e do teste de biodegradabilidade
Sturm.
Avaliar a correlação entre as taxas de desoxigenação e liberação de
CO2(g) para identificar a ocorrência de processos como a nitrificação, o
qual contribui para o consumo de OD, mas não para a liberação de CO2(g).


Formação de recursos humanos (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.

Metodologia


O teste respirométrico consiste em medir o consumo do oxigênio
dissolvido (OD) durante um período de tempo. Para tal, a amostra é
previamente 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).
No teste convencional, o qual é realizado para simular o tratamento do
esgotos num reator de uma ETE, a relação substrato (efluente rico em
MOB)/lodo ativado (microorganismos decompositores) é ajustada de modo que
teste tenha curta duração ( 1 hora). Porém, nesta investigação deseja-se
simular a biodegradação que os efluentes experimentam num curso d'água, no
qual operam processos naturais de autodepuração para estabilização da MOB.
Em nossos experimentos, o lodo ativo será substituído por sedimento de
fundo coletado no ponto amostral do Rio Abissínia (o qual, recebe a maior
parte dos efluentes sanitários da cidade de São Mateus-ES). Desde modo, a
relação substrato/microorganismos a ser empregada deverá ser determinada
experimentalmente, considerando-se uma duração máxima de 3 dias, a qual
corresponde ao tempo de residência das águas do Rio São Mateus no trecho
sob estudo.
As medidas respirométricas devem representar o comportamento de
determinada biomassa ao consumir o substrato presente na amostra analisada.
Havendo disponibilidade de substrato exógeno, a taxa total de retirada de
oxigênio (rrespiração total) é composta por duas partes: taxa de retirada
de oxigênio para degradação do substrato (rsubstrato) e taxa de respiração
dos microorganismos, entendida como respiração endógena (rendógena),
conforme apresentado na equação 1.
rrespiração total = rsubstrato + rendógena
O ensaio a ser desenvolvido para se construir o respirograma consiste em
colocar no frasco reator um volume de sedimento de fundo, de modo que a
respiração endógena seja o único processo a se desenvolver. Para que essa
respiração seja mantida constante, o sedimento deve ser mantido sob aeração
a fim de que a maior parte de seu material orgânico seja degradado, isto é
previamente estabilizado. Quando essa situação for alcançada, se adiciona
um volume conhecido de amostra, e o consumo de oxigênio em função do tempo
é registrado. Neste estudo a duração deste intervalo de registro também
será determinada experimentalmente. No teste convencional, ela tem duração
de aprox. 5 minutos com registros a cada 15 segundos, de modo a evitar
concentrações de OD menores 2 mg/L, para não comprometer o processo de
oxidação desempenhado pelos microorganismos. Como o experimento proposto
terá maior duração, dada a elevada relação substrato/microorganismos, o
intervalo de registro deverá ser tal que permita a medição precisa do
consumo do OD, o que deve ser alcançado em um intervalo de 4 a 8 horas, com
registros a cada 30 a 60 minutos, os quais serão usados para calculara a
taxa de degradação do substrato (rsubstrato). Depois, a aeração é iniciada
novamente para elevar o nível de OD e transferir o CO2(g) gerado para o
frasco de fixação.
Em seguida, um outro intervalo de medidas pode ser iniciado. Os dados
obtidos são 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. Dessa forma,
não havendo mais respiração correspondente ao consumo do substrato a única
taxa que se registra será novamente a respiração endógena, verificada na
fase inicial do ensaio. As condições experimentais serão ajustadas para
que a taxa de respiração endógena seja verificada ao final dos 3 dias de
ensaio, com a realização de um intervalo de registros de consumo de OD por
dia. No tempo restante a solução será mantida sob aeração.
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 2.
dC/dt = - r
Em que: C = concentração de OD na 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 montado será
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
livre de CO2(g).
Ao protótipo de Ferreira, et al. (2002), serão acrescidos outros dois
frascos, um antes e um após o reator. O primeiro serve para remover o
CO2(g) atmosférico do ar que será injeto no reator, e o segundo, para fixar
o CO2(g) gerado pela degradação da MOB presente na amostra.
Uma primeira versão deste sistema já foi montada e testada, FIGURA 2,
abaixo.

FIGURA 2. Primeira versão da unidade experimental.

Observou-se durante a montagem e operação deste protótipo que surgiram
alguns impasses quanto à escolha e vedação do material utilizado, o qual
deve garantir a total transferência do ar que sai da bomba e vai para os
frascos (frascos A e C, contém solução saturada com Ba(OH)2 e reator B),
sem que haja escape ou entrada de ar ambiente.
Os primeiros testes revelaram que o uso de um oxímetro (medidor
amperométrico), para monitorar os níveis do OD, não é ideal, pois sua
medida necessita de agitação constante da solução do reator o que ocasiona
perda do CO2, sem sua transferência para o frasco fixador (C, na Fig. 2).
Tal observação foi constata ao se realizar um ensaio apenas de fixação do
CO2, sem se monitorar o OD, ou seja sem a abertura do sistema e introdução
do oxímetro (HANNA HI 9142). Neste caso, a massa de BaCO3(s) obtida foi
superior à obtida quando o ensaio envolveu a etapa de monitoramento do OD.
Para evitar esta interferência, o oxímetro será substituído por um sensor
óptico para medir a concentração de OD (a ser adquirido com recursos desta
proposta), o qual não demanda agitação da solução sob análise.
Concomitantemente ás medidas respirométricas, será também monitorada a
geração do CO2(g). O qual, é a cada 24h, determinado mediante a filtração
do BaCO3(s) da solução de fixação (C, na Fig. 2), seguido de pesagem em
balança analítica, com 04 casas, após secagem em estufa a 100º C,por 2h.

Plano de Trabalho / Cronograma


Todas estas tarefas pertinentes à execução deste projeto serão
realizadas conjuntamente com um 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 retomada
a montagem do sistema experimental para execução conjunta de medidas
respirométricas e do teste de evolução de CO2(g). Agora incorporando o
medidor óptico de OD à nova versão do protótipo. Isso feito, novas amostras
serão coletadas para continuação dos testes, iniciando com a estabilização
da população de microorganismos decompositores, ajustes dos tempos de
aeração e otimização dos intervalos de registro do consumo de OD, além da
dosagem do CO2(g) gerado.
Com estes dados iniciais (alguns já obtidos), as variáveis experimentais
serão ajustadas de modo a atender as condições que se deseja com o ensaio,
conforme mencionado acima. Isso feito, os efluentes da cidade de São Mateus
serão caracterizados e estas informações somadas a base de dados
necessária à avaliação e modelagem da qualidade destas água e sua
capacidade de autodepuração, empregando o software livre AD'ÁGUA 2.0
(Sistema para Simulação da Autodepuração de Cursos D'Água).
4.1 ATIVIDADES
"Lista de atividades* "
"1- Revisão bibliográfica inicial. "
"2-Montagem/construção da nova versão do protótipo experimental para"
"realização conjunta dos ensaios respirométricos e do teste "
"modificado de Sturm. "
"3- Coleta de amostras para ensaios iniciais, avaliação dos "
"resultados e otimização das condições experimentais e comparação "
"com o dados obtidos pelo ensaio tradicional de DBO "
"4- Inicio da caracterização sistemática (mensal) dos efluentes da "
"cidade de São Mateus, com foco na determinação da taxa de "
"biodegradação e da concentração de MOB. Investigar a extensão das "
"variações composicionais e sazonais destes efluentes. "
"5- Desenvolvimento do modelo para simular e avaliar a capacidade "
"de autodepuração do rio São Mateus e os impactos sobre a qualidade "
"de suas águas. "
"6- Organização, avaliação/interpretação e divulgação de resultados "

4.2 CRONOGRAMA (24 meses)
"Atividade "
" (elemento de despesa e custo) "
"1) Capital "
"Discriminação "Quantidade "Valor "Valor Total "
" " "Unitário (R$)"(R$) "
"Sensor óptico medidor de "1 "12.500,00 "12.500,00 "
"Oxigênio Dissolvido " " " "
"pHmetro "1 "1.000,00 "1.000,00 "
"Agitador magnético "1 "350,00 "350,00 "
" " " " "
"TOTAL " " "13.850,00 "
"2) Custeio "
"Discriminação "Quantidade "Valor "Valor Total "
" " "Unitário (R$)"(R$) "
"Reagentes (HCl, Ba(OH)2(s)) "1 "500,00 "500,00 "
"Vidraria (beckers, bureta e "1 "500,00 "500,00 "
"provetas) " " " "
"Papel de Filtro "2 "50,00 "100,00 "
"(quantitativo) " " " "
" " " " "
"TOTAL " " "1.100,00 "
"TOTAL GERAL (1+2) " " "14.950,00 "
" " " " "
"Resumo Orçamentário – FONTES "
"Discriminação " 1ª Parcela" 2ª Parcela "Valor Total "
" "(R$) "(R$) "(R$) "
"Capital "13.850,00 "-- "13.850,00 "
"Custeio "1.100,00 "-- "1.100,00 "
"(*) Este cronograma poderá ser alterado de acordo com " "
"a necessidade do projeto. " "


Referências

1- 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.
2- Coelho N.S., Almeida Y.M.B. e Vinhas G.M. (2008).A Biodegradabilidade da
blenda de poli(b-Hidroxibutirato-co-valerato)/amido anfótero na presença de
microrganismos. Polímeros: Ciência e Tecnologia, São Paulo, 18 (3), 270-
276.
3- Companhia de Tecnologia de Saneamento Ambiental. CETESB. (2008)
(http://www.cetesb.sp.gov.br) Acesso em: 01/04/2013
4 - 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.
5- Spanjers H., Olsson G. e Klapwijk A. (1994). Determining short-term
biochemical oxygen demand and respiration rate in an aeration tank by using
respirometry and estimation. Water Research, vol. 28 (7), 1571-1583.
6- 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.
7- Vargas, M. V. L.; Cotta, A. J. B. (2013a) Avaliação dos impactos
decorrentes do lançamento de efluentes urbanos no rio São Mateus - ES:
Resultados preliminares. In: XVI COREEQ - Congresso Regional de Engenharia
de Química. Anais do Coreeq 2013.
8- Vargas, M. V. L.; Cotta, A. J. B. (2013b). Avaliação da Capacidade de
Autodepuração do Rio São Mateus-ES. In: IV ENCAQUI " Encontro Capixaba de
Química SBQ ES, 2013, Vitória-ES. CD de Resumos.