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

Universidade Federal do Espírito SantoPrograma Institucional de Iniciação Científica

Relatório Final de Pesquisa

Integração do teste modificado de Sturm deevolução de CO2 e respirometria para caracterização

dos efluentes da cidade de São Mateus-ES

Identificação: Grande Área CNPq: 1.00.00.00-3 - Ciênciasexatas e da terra Área CNPq: 1.06.00.00-0 – Química Título do Projeto: Caracterização hidroquímicae avaliação da qualidade da água do Rio São Mateus, São Mateus-ES Pesquisador responsável (orientador): Prof. Dr.Aloísio José Bueno Cotta Estudante PIBIC/PIVIC: Nilson Francisco Ladaimde Paula

Resumo: O crescimento desordenado e a falta de infraestrutura da maioria dos municípios

brasileiros leva a disposição inapropriada do esgoto sanitário diretamente nos cursos d'água,

com severos impactos ambientais. O presente trabalho descreve a construção de um protótipo

para realização integrada de dois ensaios para avaliar a biodegradabilidade dos despejos

municipais; o teste de Sturm, de fixação do CO2 gerado durante a respiração microbiana, e um

ensaio respirométrico de monitoramento do consumo do oxigênio dissolvido durante a

degradação da matéria orgânica biodegradável (MIOB). Tal protótipo foi empregado na

caracterização dos efluentes da cidade de São Mateus-ES, que são lançados diretamente no Rio

São Mateus e seu tributário, o Rio Abissínia, para se determinar a constante de desoxigenção.

Com este dado, a capacidade de autodepuração do Rio São Mateus foi avaliada e os impactos

dimensionados.

Palavras chave: respirometria, matéria orgânica biodegradável e rio.

1 – Introdução

Muitas localidades, tanto as próximas como as distantes de

centros urbanos, enfrentam problemas decorrentes do contínuo despejo

de efluentes provenientes de indústrias e residências em seus corpos

hídricos; problemas esses advindos da falta de planejamento na

expansão das cidades e consequente falta de infraestrutura para

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tratamento de seus despejos. A partir deste ponto, o estudo dos

impactos da descarga de esgoto doméstico, rico em matéria orgânica,

sobre um corpo hídrico é importante, visto que capacidade de

autodepuração do sistema pode ser desrespeitada, o que acarreta em

perda de biodiversidade, pode causar a morte dos organismos aeróbios e

tornar a água imprópria para uso.

A cidade de São Mateus-ES, não possui estação de tratamento do

esgoto, e por isso o esgoto sanitário é diretamente lançado no Rio São

Mateus e no seu afluente o Rio Abissínia (Figura 1). A situação é

preocupante, pois suas águas são captadas para abastecimento das

residências do bairro Guriri (São Mateus-ES), poucos quilômetros

(aprox. 8 km) após receber os despejos municipais.

O lançamento de efluentes ricos em matéria orgânica biodegradável

(MOB) num curso d'água pode ocorrer até certo ponto, isto porque o

meio é capaz de se autodepurar, ou seja, de recuperar sua qualidade

após as alterações induzidas pelos despejos. Neste processo a MOB é

oxidada em compostos estáveis através da ação de microrganismos

aeróbios, o que implica no consumo do oxigênio dissolvido (OD). Para

avaliar se as condições ambientais são respeitadas, um estudo da

capacidade de autodepuração do rio deve ser realizado. Para este

estudo, o modelo desenvolvido por STREETER e PHELPS (1925) é empregado

e uma das variáveis de entrada do modelo é a constante da

desoxigenação (K1), a qual reflete a velocidade de consumo do OD

durante a degradação matéria orgânica.

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FIGURA 1: Área de estudo e ponto de amostral no rio Abissínia, próximo

a cidade de São Mateus-ES.

Tradicionalmente, a taxa de consumo do OD é determinada através

de medidas da demanda bioquímica de oxigênio (DBO), monitorando-se o

consumo do OD num intervalo de alguns dias (SPERLING, 2005). Neste

trabalho, uma nova técnica é proposta para se determinar a taxa de

desoxigenação, em substituição aos ensaios clássicos. Adicionalmente,

a metodologia proposta também permite monitorar a quantidade de CO2

gerado durante a decomposição aeróbia da MOB no frasco reator, para

investigar a correlação entre estes parâmetros.

2 – Objetivos

O proposto projeto utiliza e aplica técnicas respirométricas para

a caracterização dos efluentes da cidade de São Mateus, com foco na

determinação da velocidade de degradação da MOB. Adicionalmente, esta

pesquisa investiga a integração do ensaio respirométrico ao teste

modificado de Sturm num único arranjo experimental, de forma a estimar

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a quantidade de MOB presente nas amostras coletadas e também a

velocidade de oxidação do efluente.

Objetivos específicos:

Montagem/construção do sistema experimental que permita a

observação das técnicas respirométricas e do teste modificado de

Sturm de evolução de CO2(g).

Determinação da quantidade de MOB presente nas amostras (água do

Rio Abissínia) e de sua taxa de biodegradação.

Desenvolver uma melhor caracterização dos efluentes da cidade de

São Mateus objetivando avaliar a capacidade de autodepuração, assim

como delimitar os impactos sobre a qualidade das águas do rio São

Mateus.

Difusão das técnicas respirométricas e do teste de

biodegradabilidade Sturm.

3 – Metodologia

Coleta da amostra

Amostras da água do Rio Abissínia, o qual recebe a maior parte do

esgoto domestico da cidade de São Mateus-ES, foram tomadas com frascos

plástico de 1L, submergindo-o emborcado até uma profundidade de 20 a

30 cm e preenchidos completamente com amostra. No local, o OD

registrado foi sempre <0,3 mg/L. As amostras foram coletadas no

período da manhã e imediatamente transportada até o laboratório de

CEUNES, em caixa de isopor, para o ensaio com o mínimo intervalo de

tempo possível.

Construção do sistema integrado de ensaio respirométrico e de

fixação do CO2

Foi construído um sistema para integrar para a execução dos

ensaios respirométrico, de consumo de OD, à semelhança do proposto por

FERREIRA (2005), e o ensaio de fixação de CO2, conforme COELHO et al.

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(2008). O protótipo é composto por uma bomba de ar, dois frascos

fixadores de CO2(g), ambos contendo solução saturada com Ba(OH)2, um

frasco reator, no qual a amostra sob análise é introduzida, e por um

quarto frasco contendo água para que o ar do ambiente não entre em

contato com a segunda solução fixadora.

O ar é bombeado diretamente para o primeiro frasco fixador (A)

para remover o CO2(g) do fluxo de ar que segue para o frasco reator (B).

Deste, o fluxo de ar segue para o segundo frasco fixador (C), o qual

retém o CO2(g) produzido durante a respiração dos microoganismos no

reator (na forma de BaCO3(s), reação I), assim a massa de BaCO3(s) obtida

reflete a quantidade de MOB que foi oxidada. A qual é estimada com

base na reação II, onde a glicose, C6H12O6(aq), representa a MOB.

CO2(g) + Ba(OH)2(aq) → BaCO3(s) + H2O(l) REAÇÃO I

C6H12O6(aq) + 6 O2(aq) → 6 CO2(g) + 6 H2O(l) REAÇÃO II

Durante os ensaios, os frascos são mantidos á 20° C e ao abrigo da

luz por três dias, o que corresponde ao tempo de permanência da água

no rio São Mateus, desde a cidade até sua foz (VARGAS e COTTA 2013).

Nutrientes e solução tampão de fosfatos foram adicionadas à amostra, à

semelhança do realizado nos ensaios de DBO (ABNT/NBR 12614). O ensaio

inicia-se com a aeração da amostra no reator até próximo de 100% de

saturação. Em seguida, o consumo do OD é registrado empregando-se uma

sonda amperométrica HANNA HI 9142 em intervalos de 2-3 h e os dados

usados para estimar a constante da desoxigenação (K1).

O CO2(g) produzido no reator foi fixado na forma de BaCO3(s), é ao

final do ensaio sua massa foi registrada, após filtração simples e

secagem numa estufa a 110° C. As massas de BaCO3(s) obtidas foram

convertidas em massa de MOB (dada como glicose), através de cálculos

estequiométricos, com base na reações I e II.

Foram realizadas ensaios de DBO, sem semente, com monitoramento

diário dos valores de OD (ABNT/NBR 12614). Para comparação com os

gerados com o teste proposto.

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Calculo da DBO exercida e K1

A progressão da DBO ao longo do tempo segue duas vertentes

importantes: a DBO exercida, que é o consumo acumulado do oxigênio

após um tempo; e a DBO remanescente, que consiste na matéria ainda

presente no sistema, característica essa que diminui com o passar do

tempo. A modelagem matemática dessa última segue uma reação de

primeira ordem (STREETER e PHELPS 1925). A equação é expressa da

seguinte forma:

Onde L é a concentração da DBO remanescente em mg/L; t é o tempo,

em dia; e K1 é a constante de desoxigenação (dia-1). A integração da

equação 1 conduz à relação direto do tempo com a concentração da DBO

remanescente num tempo t qualquer:

Onde Lo é a concentração inicial da amostra no tempo t.

Para o calculo da DBO exercida, y, subtrai-se a concentração

inicial da DBO no tempo zero (Lo) da equação 2, conforme equação 3:

A partir dos valores da DBO exercida, calculada com dados de OD

consumido ao longo do ensaio respirométrico, a equação 3 é utilizada

para o calculo de K1, conforme descrito em SPERLING (2005).

Cálculo do CO2 fixado, de MOB consumida e de O2 consumido.

A quantidade de CO2(s) obtido pela degradação da MOB no frasco

reator é coletada no frasco C, de acordo com a Figura 2, e mensurada

através do seguinte procedimento:

Filtração da solução do frasco C;

Tomada da massa de carbonato de bário após a secagem do sólido;

Cálculo da massa do CO2 liberado através da Reação (I), dado a

massa molar do carbonato de bário e do dióxido de carbono:

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A quantificação da MOB consumida é feita de forma análoga, por

estequiometria, considerando essa como a glicose e através da

Reação (II), tem se:

Há também a possibilidade da quantificação da MOB degradada pelas

medidas de OD desenvolvidas no reator, onde há a quantificação da

variação total de oxigênio durante todo o período de ensaio. Como o

frasco reator possui 1 L, a massa do gás consumido será igual a

variação desse. Assim, também por estequiometria na Reação (II), toma-

se a massa de glicose.

4 – Resultados e Discussões

O sistema para realização dos ensaios respirométrico e de fixação

do CO2 é apresentado na Figura 2. A principal dificuldade encontrada

durante sua construção foi a vedação dos frascos, a qual foi

solucionada utilizando-se cola quente nas conexões. Outra dificuldade

foi a realização da medida de OD, sem perda do CO2(g) produzido. Para

tal, durante o monitoramento do consumo de OD, realizado apenas

durante período diurno, usou-se uma tampa no reator à qual o sensor de

OD foi fixado com o auxilio de anéis de silicone para vedação da sonda

à tampa. Após a aeração da amostra, registrou-se a concentração de OD

inicial e a cada 2-3 h com a amostra sob agitação magnética, Figura 3.

Ao final do dia, ou quando um valor próximo a 2mg/L de O2 era

alcançado, a amostra era novamente aerada para se transferir o CO2(g)

produzido para o frasco fixador e elevar o valor de OD. Somente

depois, o reator era aberto e uma tampa simples (i.e. sem o sensor de7



OD) era empregada para o período noturno. Deste modo, a cada dia pode-

se realizar a calibração do sensor e evitava-se deixa-lo submerso na

amostra por um período no qual este não seria usado.

FIGURA 2: Protótipo construídopara a medição dosparâmetros respirométricos

FIGURA 3: Valores de oxigêniodissolvido registrados durante um

ensaio.

A partir dos registros do OD consumido ao longo dos três dias de

ensaio, para cada amostra, a constante de desoxigenação K1 foi

calculada, Figura 4. E esta empregada na avaliação da capacidade de

autodepuração do Rio São Mateus, Figura 5.

FIGURA 4: Valores da DBO exercidaao longo do tempo para trêsdiferentes amostras. Entreparênteses, valores de K1

FIGURA 5: Estimativa do perfil doOD para o Rio São Mateus após

receber os efluentes.

Segundo SPERLING (2005), o valor de K1 depende das características

da amostra, para esgoto concentrado os valores de K1 variam entre 0,35

a 0,45 d-1 e entre 0,30 a 0,40 d-1, para efluentes de baixa

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concentração. Os valores de K1 calculados a partir dos dados obtidos

com o protótipo construído variaram entre 0,33 e 0,38 d-1, sendo

compatíveis com o esperado para esgoto bruto concentrado. Estes

valores de K1 foram similares aos obtidos através do ensaio clássico da

DBO, os quais variaram entre 0,35 e 0,40 d-1, para as mesmas amostras.

Em ambos os casos, as maiores taxas foram registradas em amostras

com maiores valores de DBO, o que pode refletir as condições de

escoamento e sedimentação do curso d’água, no qual quando as condições

de transporte são melhores a remoção da DBO por sedimentação diminui e

uma maior carga orgânica prontamente biodegradável é transportada pela

água, o que explica a maior taxa de desoxigenação associada aos

maiores valores de DBO.

Os valores da massa obtida de CO2, da MOB degradada e do O2

consumido, tanto os calculados a partir do consumo total de oxigênio

quanto as obtidos por filtração e secagem do sólido obtido no frasco

C, estão explícitos na tabela 1.

Tabela 1: Valores obtidos experimentalmente e estimados com as relações estequiométricas das reações I e II para as variáveis estudadas

BaCO3

(mg)CO2

(mg)MOB

(mg/L)DBO

(mg/L)MOB

(mg/L)

medido estimado a partir doBaCO3(s) fixado

estimado a partir do O2

consumido1 115,0 256,4 174,8 140,4 131,62 121,8 269,8 184,0 167,4 156,9

Os valores registrados nos dois ensaios realizados são similares

entre si, mostrando uma relativa homogeneidade dos efluentes

municipais. Os valores estimados de MOB, a partir da massa do BaCO3(s)

fixado, são superiores aos valores de MOB, calculados através do O2

consumido ao longo dos três dias de ensaio. Estes dados suportam duas

especulações, numa parte do CO2 fixado foi gerado não como consequência

de processos de degradação aeróbia da MOB, ou seja, pode ter advindo

da degradação anaeróbia da MOB. Neste caso, sua contribuição esta

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restrita a menos de 25% do total do CO2, produzido. E/ou, que o frasco

A não removeu todo o CO2 presente no ar ambiente, usado na aeração da

amostra, assim parte do CO2 atmosférico contribuiu para a formação

BaCO3(s), elevando sua estimativa.

Apesar disso, o comportamento do protótipo se tornou favorável

para a integração do teste de Sturm ao ensaio respirométrico. Sendo

apenas, necessário estudos adicionais objetivando alcançar a completa

remoção de todo gás carbônico do ar usado na aeração da amostra.

A capacidade de autodepuração para o Rio São Mateus foi avaliada

com base em suas características hidráulicas e físico-químicas,

previamente estudadas (VARGAS e COTTA 2013), empregando-se o software

AD'Água 2.0 (BRAGA e SANTOS 2010). Nesta avaliação a constante de

desoxigenação (0,35 d-1) estima na presente pesquisa foi utilizada,

Figura 5. Foi observado, que o limite mínimo de 5 mg/L O2, previsto

para rios classe 2 (CONAMA 357) pode ser desrespeitado durante os

períodos estiagem (i.e. de baixa vazão) demonstrando que a capacidade

de autodepuração do rio pode ser ultrapassada e a qualidade de suas

águas comprometida.

5 – Conclusões

Após diversos ajustes no protótipo e definição do protocolo de

medidas os ensaios respirométrico e de fixação de CO2 puderam ser

integrados sem prejuízos. Os valores de K1 obtidos com este aparato

concordam com os valores calculados a partir do ensaio clássico,

demonstrando a confiabilidade da metodologia proposta. Os resultados

relativos à fixação do CO2 não foram conclusivos, pois a possibilidade

de falha não foi completamente excluída. Apesar da necessidade de

futuras investigações para melhor o protótipo, ressalta-se que os

resultados obtidos são importantes dado seu potencial de corelacionar

os parâmetros consumo de OD e liberação de CO2, os quais podem se

relacionar não por uma única via, como amplamente admitido (via

degradação aeróbia).

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O uso do protótipo construído permitiu verificar o

comprometimento da qualidade da água do Rio São Mateus pelo lançamento

indiscriminado de esgoto doméstico.

6 – Agradecimentos

Agradecemos ao Prof. Luiz Fernando Duboc da Silva que cordialmente

emprestou o oxímetro usado nos experimentos e à UFES pela bolsa de

iniciação científica.

7 – Referências Bibliográficas

1- ABNT (Associação Brasileira de Normas Técnicas). 1992. NBR. 12614.

Águas: Determinação da Demanda Bioquímica de Oxigênio (DBO) Método

de Incubação (20ºC, cinco dias). Rio de Janeiro.

2- BRAGA, J.C.; SANTOS, A.R. Software: Ad'Água 2.0 para estimativa de

autopeduração de cursos d'água. 2010.

(http://www.mundogeomatica.com.br/Programa_Ad'%C3%81gua2.0). Acesso

em: 27/07/2014.

3- COELHO, N.S.; ALMEIDA, Y.M.B.; VINHAS G.M. A Biodegrabilidade da blenda de

poli(b-Hidroxibutirato-co-valerato)/amido anfótero na presença de microrganismos.

Polímeros: Ciência e Tecnologia, São Paulo, 18 (3), 270-276, 2008.

4- CONAMA – Conselho Nacional do Meio Ambiente, 2006. Resolução nº357

de 17 de março de 2005, (http://www.mma.gov.br/conama). Acesso:

23/08/2014.

5- FERREIRA, E.D.S. Aplicação da Respirometria na caracterização do esgoto doméstico

afluente a uma ETE por processos de lodos ativados. Dissertação de mestrado em

tecnologia ambiental e recursos hídricos. Departamento de

Engenharia Civil e Ambiental da Universidade de Brasília, Brasil,

117p, 2002.

6- SPERLING, M.V. Introdução à qualidade das águas e ao tratamento de esgotos.

UFMG. 3ª edição, 2005.

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7- STREETER, H.W.; PHELPS, E.B. A study of the pollution and natural purificantion of

the Ohio River. Public Health Bulletin, 146, Washington, 1925.

8- VARGAS, M.V.L.; COTTA, A.J.B. Avaliação dos impactos decorrentes do

lançamento de efluentes urbanos no Rio São Mateus – ES: Resultados Preliminares. In:

XVI COREEQ – Congresso Regional de Engenharia Química. Anais do

Coreeq 2013, 2013.

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