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MÉTODO RESPIROMÉTRICO PARA O MONITORAMENTO DE

PROCESSOS BIOLÓGICOS

RESPIROMETRIC METHOD FOR THE MONITORING OF BIOLOGICAL PROCESSES

ABSTRACT

This paper presents current respirometric methods for general biologicalcontrol using techniques developed for application in wastewatertreatment, particularly for the control of the activated sludge process.It also presents recent developments of this method for application intreatment systems of Constructed Wetlands. New methods developedin the Engineering Laboratory (Lisa) at the University of Trento(Italy) are described. The methods use two distinct lab methodologiesfor respirometry application in Constructed Wetlands. The first onecharacterizes soil bacteriological activity measuring O2 concentrationin the gaseous phase and the other one measures O2 concentration inwatery phase.

KEYWORDS: Respirometry, constructed wetland, activated sludge;biological processes.

RESUMO

Este trabalho apresenta os atuais métodos respirométricos volta-dos ao controle biológico em geral, com técnicas desenvolvidaspara a aplicação em tratamentos de águas residuárias, principal-mente no controle de processos por lodos ativados e recentesdesenvolvimentos do método para a aplicação em sistemas detratamento por fitodepuração (Wetlands). Descreve novos mé-todos que foram desenvolvidos no Laboratorio di IngegneriaSanitaria-Ambientale (LISA) da Università di Trento, Itália. Es-tes métodos baseiam-se em duas metodologias de laboratóriopara a aplicação da respirometria em fitoderuração: o primeirocaracteriza a atividade bacteriológica do solo com a finalidade demedir a concentração de O2 na fase gasosa, o outro avalia a con-centração de O2 na fase aquosa.

PALAVRAS-CHAVE: Respirometria, fitodepuração, lodosativados, processo biológico.

GIANNI ANDREOTTOLA

Graduado em Engenharia Sanitária (1985); Doutorado em Engenharia Sanitária (1989) pelo Instituto pelo Ambiente de Milão e Pós Doutorado em Engenharia Sanitária (1991) no Departamento de Engenharia Ambiental da Universidade Técnica de

Milão. Consultor da WHO (World Health Organization) e coopera com a UNEP (United Nations Environment Programme) naremediação de solos. Professor no Departamento de Engenharia Civil e Ambiental da Universidade de Trento – Trento/Itália.

EDUARDO LUIZ DE OLIVEIRA

Graduado em Engenharia Civil pela Faculdade de Engenharia de Baurú (1978), Especialização em Hidráulica e Saneamento pelaUSP, São Carlos (1982) e em Engenharia Sanitária (1984) pela USP São Paulo; Mestrado e Doutorado em Irrigação e Drenagempela UNESP Botucatu (1993 e 1997); Pós-Doutorado em Engenharia Ambiental pela Universidade de Trento – Trento/Itália

(2003). Professor no Dep. de Engenharia Civil da Faculdade de Engenharia de Bauru – UNESP.

PAOLA FOLADORI

Doutora em Engenharia Sanitária pelo Politécnico de Milão, Pós-doutoranda do Departamento de Engenharia Civile Ambiental da Universidade de Trento – Trento/Itália.

LORIS DALLAGO

Doutor em Engenharia Ambiental pela Faculdade de Engenharia da Universidade de Trento; Pós doutorando naFaculdade de Trento –Trento/Itália.

ROBERTO PETERLINI

Licenciando do Curso de Engenharia Ambiental da Universidade de Trento – Trento/Itália.

MARIA CADONNA

Laureada em Ciências Biológicas; responsável técnico pelo Laboratorio Chimico e Biológico do Servizio OpereIgienico Sanitarie – Trento/Itália

Recebido: 26/01/04 Aceito: 29/11/04

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Figura 1- Efeito sobre a concentração de oxigênio dissolvido,após adição ao lodo ativado de uma limitada quantidade de

substrato (Andreottola et al, 2002)

INTRODUÇÃO

Nas estações de tratamento de esgo-to baseadas nos sistemas de lodos ativados,faz-se cada vez mais uso de métodosrespirométricos para a determinação dascaracterísticas de biodegradabilidade dosafluentes e da atividade biológica do sis-tema. Para a aplicação de tal técnica nossistemas a lodos ativados, existe de fatouma ampla literatura técnico-científica(Andreottola et al., 2002). No entanto, aaplicação de tal técnica a tratamentos na-turais de águas residuárias (fitodepuração)apresenta-se, atualmente, numa fase depoucas experiências aplicativas e de pro-tocolos experimentais.

No presente trabalho, se deseja ilus-trar as técnicas já consolidadas para avali-ar as características de biodegrabilidadedas águas que ingressam a um tratamen-to biológico, bem como os instrumentose os métodos inovadores de análiserespirométrica de terrenos e de outrasmatrizes desenvolvidas no Laboratorio diIngegneria Sanitaria-Ambientale (LISA)da Università di Trento. Os métodos apre-sentados estão, atualmente, em fase devalidação experimental em sistemas defitodepurações de leitos horizontal e ver-tical, para chegar a proposição de um ro-busto e acurado protocolo experimental.

Foram ilustrados os métodosrespirométricos de caracterização de águasresiduárias, os métodos de laboratório paraavaliar a atividade de uma amostra coletadade um sistema de fitodepuração e um mé-todo para a análise respirométrica “in situ”.

METODOLOGIA

Princípio do método paradeterminação da TCO(Taxa de consumo deoxigênio)

Os primeiros a se ocuparem da téc-nica respirométrica foram Jenkins (1960)e Montgomery (1967), tendo como baseseus próprios estudos experimentais so-bre a quantificação do consumo de oxi-gênio dissolvido em sistemas de lodosativados. O procedimento para estimar-se a TCO é de extrema simplicidade e ocampo de aplicação vastíssimo. Nãoobstante seja uma metodologia utilizávelem grande escala, não se conseguiu umalarga difusão desta nas operações de ges-tão das estações de tratamento de esgoto.

O teste de TCO considera as varia-ções na taxa de respiração do lodo emconseqüência do tipo de substrato acres-

centado e da velocidade de degradaçãode parte da biomassa.

A absorção do oxigênio se desen-volve através de duas fases principais:

1) respiração endógena do lodo: é ooxigênio necessário para a respiração do lodoativado, ou seja, a energia requerida paramanter as funções das células; realiza-se a faseendógena da taxa de absorção de oxigênio;

2) degradação do substrato: representao consumo de oxigênio por parte dosmicrorganismos para a degradação dossubstratos presentes no líquido alimenta-do; neste caso se realiza a fase exógena dataxa de absorção de oxigênio e se distin-gue como: (2a) substratos rapidamentebiodegradáveis, com uma elevada veloci-dade de consumo de oxigênio; (2b)substratos lentamente biodegradáveis,com velocidade de utilização do oxigênioinferior àquela precedente, porém, su-perior àquela endógena.

Em condições endógenas a respira-ção do lodo comporta uma contínua uti-lização do oxigênio a uma velocidade apro-ximadamente constante e de modesta re-levância: isto é demonstrado pela inclina-ção uniforme da reta a-b-c, vista na Figura 1.

Acrescentando-se no instante b umapequena quantidade de substrato (solú-vel), isento de substâncias tóxicas para osorganismos presentes, provoca-se ummomentâneo incremento na velocidadede absorção do oxigênio, representadopela distância b-d. Somente quando osubstrato foi totalmente degradado, a si-tuação no interior do sistema retorna àscondições endógenas iniciais, assumindoapós o ponto d, uma inclinação similaràquela original (distância d-e).

No instante d, o valor da concentraçãode oxigênio presente é inferior àquela que seriaencontrada sem o acréscimo do substrato. Adiferença, isto é, a distância d-f, representa ademanda de oxigênio em um breve tempodevido à introdução do substrato.

Segundo os tipos de compostos pre-ponderantes nas águas residuárias, adici-onados ao reator de lodos, obtém-se di-versos andamentos da curva de respira-ção. A Figura 2 apresenta três diferentespossibilidades de curvas:

A - é o caso mais simples. Represen-ta uma intensa queda na taxa de respira-ção, coincidindo com a adição dosubstrato puro, rapidamente biode-gradável (por exemplo, ácido acético),seguido de um rápido retorno à inclina-ção da fase endógena inicial.

B - representa a combinação de maissubstratos. Com a adição destes, a veloci-dade de respiração cresce fortemente man-tendo valores uniformes no primeiro mo-mento, para depois assumirem valoresgradualmente mais modestos, antes deretornar à inclinação anterior.

C - se observa frequentemente napresença de substâncias complexas. Ini-cia com um forte decréscimo, ao qual sesucede uma variação gradual para valoresmais baixos da velocidade de respiração.No trecho final, atinge uma inclinaçãoconstante; porém, nestes casos dificilmenterestaura a inclinação endógena inicial. Éeste o caso das águas residuárias munici-pais, nas quais há presença de mais subs-tâncias; algumas rapidamente biodegra-dáveis e outras lentamente biodegradá-veis, que não podem ser completamentebiodegradadas durante a breve duração

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do teste; estas são responsáveis pelo fatoda inclinação do trecho final ser maiorque a inclinação endógena inicial.

O teste de TCO para acaracterização dossubstratos orgânicos

Se por um lado os parâmetros deTCO e TCO específico, de fácil determi-nação experimental, permitem obterimportantes indicações sobre a caracteri-zação da biomassa, fornecendo informa-ções sobre a atividade dos organismosheterótrofos e autótrofos em função desubstratos potencialmente inibidores, poroutro lado, tais testes podem ser aplicadospara a quantificação do substrato orgânicopresente em uma água residuária afluente.

Para a determinação das característi-cas da água residuária, utiliza-se a subdi-visão da DQO no afluente em fraçõesque sejam associáveis a um certo compor-tamento típico durante o processo dedegradação. Uma subdivisão da DQOafluente é aquela apresentada por Ekamaet al (1986) e mostrada na Figura 3: aDQO que ingressa é separada em umafração biodegradável e em uma nãobiodegradável, cada uma das quais é sub-dividida, em duas frações: solúvel eparticulada. Na porção biodegradável, afração solúvel coincide com o substratorapidamente biodegradado, enquanto afração particulada é associada ao substratolentamente biodegradável. A classificaçãoda DQO, portanto, se baseia não só sobre

uma distinção física, mas sobretudo emum comportamento biológico diferente.

Método direto para adeterminação da DQOrapidamentebiodegradável (DQORB)

A hipótese fundamental sobre a qualse baseia o método proposto para a deter-minação da DQORB é que a biomassaassimila a fração rapidamente biodegradá-vel da DQO do mesmo modo que assi-mila o acido acético ou o acetato de sódio.Este método permite a determinação daconcentração de DQORB mediante umteste chamado a simples-TCO, uma vezque é suficiente dispor de um único tre-cho decrescente da concentração de OD.

A DQORB é calculada a partir doOD consumido com base em uma curvade calibração obtida mediante a aplica-ção de acetato de sódio (ácido acético),segundo o procedimento formulado ori-ginalmente por Xu e Hultman (1996) eretomado, sucessivamente, por Ziglio etal (2001). Como alternativa a este méto-do, uma outra metodologia foi propostana literatura; no entanto, esta é baseadona interpretação do respirograma inteiro(por isso são indicados como multi-TCO),porém, requerer 2-3 horas para ser reali-zada (Ekama et al, 1986; Kappeler eGujer, 1992).

A vantagem do método simples-TCOconsiste no breve tempo requerido para aexecução, próximo a 30 minutos. A equi-

valência entre os resultados fornecidospelos dois tipos de teste foi verificada porZiglio et al (2001).

A curva de calibraçãoentre OD e DQORB

No método simples-TCO assume-seque a biomassa utiliza a DQORB presen-te na água residuária, do mesmo modoque utiliza o acetato de sódio(CH3COONa). Para a quantificação daDQORB é necessário dispor de uma cur-va de calibração que exprima: a correla-ção entre a DQO adicionada (comoacetato de sódio) e o consumo relativo deoxigênio da parte do líquido. Para calcu-lar a curva de calibração entre OD utili-zado e DQO consumida é necessário dis-por de 5-6 pontos (Figura 4); cada pon-to é obtido com uma dosagem diferentede acetato.

Determinação da DQORBna água residuária

Para a quantificação da DQORB deuma água residuária, se dosa, no iníciodo teste, uma quantidade de líquido fil-trado, em geral em alíquotas de 10-100 mLpor 1 litro de líquido amostrado. O traça-do que se obtém da aplicação deste pro-cedimento é mostrado na Figura 5. Naprimeira parte do traçado, a maior incli-nação é relativa à oxidação da DQORB.Com relação à remoção completa daDQORB, não se observa geralmente uma

Figura 2 - Tipologia de curvas derespiração comumente observada

(Andreottola et al, 2002)

Figura 3 - Subdivisão do DQO afluente (Ekama et al, 1986 modificado)

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Figura 6 - Respirograma relativo à oxidação do substratobiodegradável presente em amostra de lodos ativados de

um tratamento de água residuária municipal

Figura 7- Respirograma relativo à oxidação do substratobiodegradável de uma água residuária municipal com

indicação da curva de decaimento endógeno

Figura 5 - Dinâmica da concentração de ODlogo após a adição do líquido

visível mudança de declividade (como nocaso de um substrato puro como oacetato). Este comportamento é devido àpresença de substratos rapidamentehidrolisáveis, cuja oxidação causa umavariação gradual na inclinação de OD.No trecho sucessivo, a inclinação menorrepresenta a respiração endógena, anteriorà adição do líquido. Interpola-se este se-gundo trecho e se extrapola a inclinaçãoaté o tempo t0, correspondente a adiçãodo substrato. Esta construção gráfica per-mite medir graficamente o valor do ∆ODconsumido durante o teste, logo após aadição do substrato.

Quantificação da DQObiodegradável total

Mediante a aplicação de uma sérieseqüencial de testes de TCO, é possívelextrair um respirograma experimental,como aquele reportado na Figura 6, deri-vado da degradação do substrato a sertestado e da biomassa do sistema. Orespirograma da Figura 6, obtido parauma água residuária municipal, apresen-ta um andamento gradualmente decres-cente ligado à progressiva diminuição dossubstratos biodegradáveis, dos mais velo-zes aos mais lentos. A TCO apresenta va-lores elevados no início do teste; nesta fasese verifica, sejam as oxidações da DQORBe da DQOLB (DQO LentamenteBiodegradável), seja a hidrólise daDQORH (DQO RapidamenteHidrolisável). A duração temporal destaprimeira fase, com valores elevados deTCO, depende da quantidade de

Figura 4 - Curva de calibração para converter oconsumo de oxigênio (∆∆∆∆∆OD) em DQORB

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O andamento da TCO no decorrerdo tempo pode depender de diversos fa-tores, tais como: temperatura, concentra-ção de oxigênio, quantidade de substân-

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DQORB efetivamente disponível naamostra alimentada.

A parte final do respirogramacorresponde à respiração endógena. Estetrecho deve ter um comprimento sufici-ente para ser interpolado com uma fun-ção exponencial prolongável até o tempoinicial. A área compreendida entre orespirograma total e a respiração endógena(área 1 da Figura 7) individualiza o oxi-gênio total (DOD) utilizado para a oxi-dação de toda a DQO biodegradável(DQOb) na água residuária, constituídodas frações rapidamente biodegradáveis,rapidamente hidrolisáveis e lentamentebiodegradáveis.

O valor da “Área 1” é calculadocomo a diferença entre a integral dorespirograma e a integral da curva de de-créscimo endógeno e, para ambas, pode-seutilizar o método de integração dostrapézios. Sobre a base do oxigênio totalconsumido, calcula-se a quantidade deDQO efetivamente biodegradável, me-diante a seguinte expressão:

Elaborando o respirograma, é pos-sível calcular a biomassa ativa inicial(XH,0). Além da inclinação dorespirograma, diagramado em um planoln (TCO) vs. Tempo, é possível calcular otermo (µH,max-bH) onde µH,max é a veloci-dade máxima específica de crescimentopara bactérias heterotróficas e bH é o coe-ficiente de decaimento endógeno, queneste caso é assumido como sendo igual a0.24 d-1. Na literatura, os valores de bHvariam amplamente entre 0.1 e 0. 4 d-1,sendo que esta variabilidade não influen-cia o cálculo da biomassa ativa, implican-do em variações dos resultados finais naordem de 2%. Em conseqüência, não secomete grande erro se no lugar de se de-terminar o valor de bH próprio para umcaso específico, se assumir um valor deliteratura, entre os quais é consideradomais representativo aquele igual a0.24 d-1 (Ekama et al, 1984).

Calcula-se a biomassa ativa partin-do da expressão:

de crescimento exponencial da biomassabacteriana, induzida pelo substrato rapida-mente biodegradável presente na águaresiduária. Nos casos em que a água residuárianão contenha substrato rapidamentebiodegradável, suficiente para garantir ocrescimento exponencial, pode-se fazer acomplememtação com um substrato sinté-tico (como o Acetato de Sódio), com o pro-pósito de garantir uma relação S0/X0 ótima.

A expressão que descreve o consu-mo de oxigênio no tempo, em um testesem limite de substrato, é do tipo:

(3)

processos de fitodepuração nasce da cres-cente exigência de se dispor de parâmetrosde projeto sempre mais detalhados. Taisexigências tornar-se-ão mais importantesnum futuro próximo, no momento emque se difundirão métodos avançadospara o dimensionamento dos processosde fitodepuração. Em tal consideração,verifica-se que para os processos conven-cionais de lodos ativados são disponíveis,atualmente, modelos de simulação bas-tante avançados (por exemplo o ASM doIAWQ), ao passo que não são disponíveismodelos análogos para simular os trata-mentos por fitodepuração. Para estes pro-cessos estão disponíveis na literatura so-mente alguns modelos, que envolvem osparâmetros cinéticos e estequiométricosdas principais reações bacterianas, ligadasà remoção da substância orgânica e ànitrificação; porém, tratam-se, geralmen-te, de modelos ainda muito simplifica-dos. Os critérios de projeto comumenteutilizados para o dimensionamento detratamento de fitodepuração são basea-dos em expressões cinéticas muito sim-ples, em geral do tipo linear. Os processosbiológicos desenvolvidos nos tratamen-tos de fitodepuração não podem, contu-do, serem sempre considerados do tipolinear, como de fato pode-se facilmenteimaginar, considerando-se que os proces-sos biológicos, em geral, são reguladospelas expressões de Monod ou pelacinética de ordem 1 ou ½ , como porexemplo nos biofilmes. Desta comple-xibilidade nasce a necessidade de se dis-por de testes adaptados às medidas dosparâmetros cinéticos da parte do solo quecontribui nos processos de fitodepuração.Pesquisas respirométricas com solos po-dem representar uma promissora alterna-tiva, fornecendo informações inerentes àsatividades biológicas e às velocidades emque se desenvolvem tais reações.

Os testes respirométricos permitemo monitoramento a intervalos de tempo,das concentrações de oxigênio (no ar oudissolvido na água) no interior do ambi-ente onde está presente a amostra de ter-reno (ar ou água); com base na variaçãoda concentração de oxigênio, pode se cal-cular o valor da TCO por meio da deter-minação da inclinação da reta de regres-são estatística entre os dados levantados,a qual é freqüentemente linear ou aproxi-madamente linear (Andreottola et al,2002).

Andreottola, G. et al.

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Onde Vf é o volume ótimo de lodoe Vliq o volume ótimo de água residuáriapara execução do teste (Andreottola et al,2002), fcv representa o coeficiente de con-versão entre DQO e SSV, igual a 1.42-1.48 mg DQO mg SSV-1 e YH representao coeficiente de produção celular especí-fica das bactérias heterotróficas, igual a0.45 mg SSV mg DQO-1.

Conhecer a concentração de DQObiodegradável total de uma águaresiduária, ainda que não necessariamen-te subdividida em suas frações DQORB,DQORH e DQOLB, constitui-se emuma útil informação para conduzir di-versas averiguações funcionais naotimização de tratamentos de águasresiduárias.

Determinação da fraçãoativa heterotrófica

A fração ativa heterotrófica em umaágua residuária sem qualquer tratamentoou pré-sedimentada, pode ser determi-nada com um simples teste respirométricorealizado diretamente com a águaresiduária com prévia adição de ATU(allylthiourea), visando à inibição danitrificação. O teste, conduzido com ele-vada relação S0/X0, geralmente maior que4, foi proposto por Kappeler e Gujer(1992). Este se baseia em um respirograma

(1)

Onde YH é assumido como sendoigual a 0.67 (mg DQO mg DQO-1) uti-lizando-se um coeficiente de conversãoentre DQO e SSV igual a 1.48 mg DQOmg SSV-1. Um exemplo de um respiro-grama para a determinação da biomassaativa em um gráfico de TCOxTempo éindicado na Figura 8.

Técnicas respirométricaspara a caracterização desolos

A exigência de utilização de méto-dos respirométricos para a investigação de

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fitodepuração em condições fortementesépticas, com concentrações de oxigêniopróximas a zero. É o caso, por exemplo,de líquidos provenientes de fossas Imhoff,nos quais o sistema de fitodepuração de-senvolve um papel de pós-tratamento dasubstância orgânica e/ou nitrificante.Certa contribuição de oxigênio ao leitopode ser fornecida no caso em que se ali-menta o sistema de fitodepuração comefluente secundário já tratado (por exem-plo, derivado de um tratamento de lodosativados); neste caso o tratamento comfitodepuração tem papel de polimentodo efluente.

A medida do consumo de oxigêniono leito com fitodepuração pode ser efe-tuada através de respirômetros “in-situ” ourespirômetros de laboratório. No primeirocaso, o consumo de oxigênio é medidodiretamente no campo; no segundo asamostras do solo (leito) são retiradas nocampo e submetidas a testes respiromé-tricos em laboratório.

As principais diferenças entre as duasmetodologias de pesquisa estão ligadas aofato de que, para os testes de laboratóriose utilizam porções do terreno inevitavel-mente remanejadas, enquanto no caso “in-situ” pode-se efetuar medidas sem alterarsignificativamente o terreno. Além disto,no caso do teste “in-situ” pode-se avaliartambém a contribuição de oxigênio in-troduzido pelas raízes das plantas.

O teste “in-situ” é mais prático paraa medição do consumo de oxigênio emtratamentos de fitodepuração de fluxohorizontal do que de fluxo vertical. Po-rém, não é sempre possível utilizar taistécnicas para medir parâmetros cinéticosespecíficos, como por exemplo: a veloci-dade de remoção dos substratoscarbônicos a velocidade de decaimentoda biomassa bacteriana ou a velocidadede nitrificação. Esta limitação é devida aofato que, para medir tais parâmetroscinéticos é necessário submeter o terrenoa condições operativas particulares, comopor exemplo, a adição de quantidadesconhecidas de substratos a um determi-nado volume de amostra, ou ausência decarregamento de oxigênio por um tempoprolongado (por exemplo, para medir-seo decaimento celular endógeno).

Tais condições nem sempre são pos-síveis de serem realizadas para um trata-mento de fitodepuração real, quando ope-rado em contínuo. Para medidas deparâmetros cinéticos, os testes respirométricosde laboratório são mais flexíveis, podendo-se aplicar com maior facilidade as condiçõesoperativas desejadas. O Laboratório di

cia orgânica adsorvida sobre as partículas,presença de nitrogênio nitrificante,granulometria do material que influenciaa superfície específica e, portanto, a ativi-dade do leito. Os principais termos quecontribuem com o valor final da TCOsão os seguintes:

1)consumo endógeno de oxigênio(TCOendógeno): este termo se mede na au-sência de substrato e está ligado à respira-ção celular da qual deriva a energia neces-sária para garantir as funções das células;

2) consumo de oxigênio para a oxi-dação do substrato carbônico (TCOcod):consumo de oxigênio necessário para aoxidação da fração orgânica biodegradávelpresente no líquido e para a síntese denovos materiais celulares;

3)consumo de oxigênio para anitrifição (TCOnitrificação): consumo deoxigênio necessário para a oxidação doscompostos nitrogenados (NH4, NO2).

A velocidade de consumo de oxigê-nio durante o processo de degradação dossubstratos e das sínteses celulares é muitomais alta em relação àquela relativa so-mente à respiração. Os substratos rapida-mente biodegradáveis, presentes naságuas residuárias, apresentam uma eleva-da demanda de oxigênio em um curtoespaço de tempo. Reduzindo a concen-tração do substrato, a velocidade de con-sumo de oxigênio progressivamente di-

Figura 8 - Exemplo de curva respirométrica obtida parauma água residuária, após sedimentação primária

(é indicado o lnTCO vs. tempo)

Tabela 1 – Valores dos parâmetros retirados da Figura 8

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minui, atingindo o valor da velocidadeendógena depois do desaparecimento dosubstrato. No caso da oxidação de com-postos lentamente biodegradáveis, veri-fica-se uma baixa velocidade do consu-mo de oxigênio, sendo muito próximada velocidade de consumo endógena.

Na avaliação do balanço de oxigê-nio para um leito de fitodepuração, deve-se computar também fluxos de ingressode oxigênio oriundo de fontes externasao leito: estes são reconduzidos pelas se-guintes contribuições:

1) transferência de oxigênio do arpara a fase líquida: esta contribuição émaior em processos de fitodepuração afluxos verticais não submersos, isto é,operados à percolação, quando compara-dos aos operados sempre submersos;

2) transferência de oxigênio do arpelas raízes à fase líquida: esta contribui-ção é função das características e da distri-buição das raízes das plantas; algumasexperiências na literatura parecem suge-rir que a contribuição de oxigênio do apa-rato radicular ao leito pode ser considera-da sem importância;

3)oxigênio presente no afluente: seestá presente em quantidade elevada,pode contribuir significativamente coma introdução de oxigênio no leito. Geral-mente, no entanto, os afluentes chegama uma estação de tratamento de

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Ingegneria Sanitaria e Ambientale (LISA)dell’Università di Trento (Trento – Itália)vem, há tempos, realizando pesquisas paradesenvolver métodos respirométricos sobrematrizes sólidas. No âmbito destas pesqui-sas, foi desenvolvido um respirômetro delaboratório para medir as variações de oxi-gênio no ar.

Neste mesmo laboratório foi ideali-zado outro tipo de respirômetro paramedições do consumo de oxigênio dis-solvido, a partir de uma coluna de terre-no, em fase aquosa. Até o presente mo-mento, foram testadas com esterespirômetro algumas amostras de terre-no na configuração de um leito de fluxovertical. O objetivo da implementação eaplicação deste instrumento consiste emmedir a velocidade de consumo de oxi-gênio ao longo do tempo, com o objetivode estimar os parâmetros cinéticos relati-vos ao processo de remoção de substânci-as orgânicas e à nitrificação.

Exemplo de um métodorespirométrico “in-situ”

Giraldo e Zarate (2001) propuse-ram uma aplicação do método “in-situ”para um tratamento com fitodepuraçãona Ilha de San Andrés (Colombia), fazen-do parte de um tratamento de esgoto sani-tário municipal, com capacidade para 550habitantes. Neste estudo foram aplicadastécnicas respirométricas para a avaliação daatividade biológica de um sistema defitodepuração de fluxo vertical, com umleito de altura igual a 60 cm. Neste trata-mento, a carga hidráulica projetual é iguala 6.1 L m-2 h-1 com uma velocidade de0.5 L s-1 e um tempo de percolação noleito vertical de 7 minutos. Os testesrespirométricos foram realizados segundoo esquema sintetizado na Figura 9.

Os testes respirométricos foramefetuados mediante coleta de ar do leito adiferentes profundidades (20, 40, 60 cm).O ar extraído foi enviado a um analisadorde gás com infravermelho para a mediçãode O2 e CO2. No que se refere à modali-dade de execução, o leito deve repousarpor um período de aproximadamente 3dias, antes do início do teste. Deste modo,é possível medir a atividade endógena domesmo. Após a adição do líquido, verifi-ca-se o consumo de oxigênio empregadona remoção dos substratos, assim como ooxigênio consumido na respiraçãoendógena. A utilização de aparelhos comleituras de parâmetros como O2 e CO2permitiu avaliar a presença simultânea deatividades aeróbicas e anaeróbias. Para ten-

tar avaliar a presença de fenômenosanaeróbios, os autores utilizaram uma son-da de CH4, a qual não registrouporcentuais significativos da presençadeste gás. A pesquisa respirométrica per-mitiu a obtenção de importantes infor-mações sobre o comportamento do pro-cesso em termos de oxigênio requerido esobre a produção de gases, entre eles, oanidrido carbônico (CO2) e o metano(CH4). Os resultados permitiram apre-sentar as seguintes considerações:

• há um rápido decréscimo de oxi-gênio na fase inicial, com uma duraçãode aproximadamente 20 minutos;

• o oxigênio diminui mais lenta-mente nos 90 minutos sucessivos;

• o conteúdo de CO2 aumenta ra-pidamente na fase inicial para depois di-minuir, gradualmente, ao longo do tempo;

• na fase inicial, quando a demandade oxigênio é máxima, a produção de gásmetano também é maior.

RESULTADO EDISCUSSÃO

Métodos respirométricosde laboratório desenvolvidosno LISA (Laboratorio diIngegneria Sanitaria eAmbientale)

Medida de concentração de O2 na fase

gasosa

O respirômetro para a determina-ção doconsumo de oxigênio na fase gaso-sa foi inteiramente desenvolvido econstruído pelo Laboratorio di IngegneriaSanitaria e Ambientale, durante o desen-volvimento da tese de doutorado deDallago (2002). O instrumento, deno-minado AIR NL (Analisador de ÍndiceRespirométrico e Oxigênio Não Limita-do), permite operar com matrizes sólidase foi derivado do clássico respirômetro paraas análises de TCO múltiplas em líqui-dos, isto é, a medição da velocidade de

consumo do oxigênio no tempo, de umaamostra sob análise. O respirômetro, re-presentado na Figura 10, é composto fun-damentalmente de um reator com umtermostato para o alojamento da amostrae de duas sondas, que medem diretamenteos parâmetros: oxigênio e temperatura,sendo possível, assim, determinar o índi-ce respirométrico com a simples verifica-ção direta da inclinação da curva dedesoxigenação.

O aparelho é constituído de um re-ator com termostato, conectado a doiscircuitos pneumáticos. O primeiro, de altavazão (20 l/min), permite controlar, me-diante a abertura ou o fechamento de umpar de eletroválvulas (que permitem ouimpedem a troca de ar com o ambienteexterno), o teor de oxigênio no interiordo sistema. Um umidificador, instaladoneste circuito, tem a função de controlarpara que não diminua a umidade domaterial em análise.

A amostra do material (lodo, com-posto, terreno) é colocada em um cestoapropriado (Figura 11) com fundo per-furado, permitindo a fácil manipulaçãodas amostras, quando necessário.

O segundo circuito é destinado parabaixas vazões e serve somente como cir-cuito de medida. Por problemas decondensação da umidade sobre a sondade oxigênio, a este circuito integrou-seum desumidificador de sal de silício(Figura 12).

As condições operativas fazem comque se tenha uma velocidade aparente dear no estrato do material de 0,6 cm/s eum teor mínimo de oxigênio de 18,5%.

A coleta, a elaboração dos dados e ocontrole das eletroválvulas são realizados,totalmente, a partir de um software apro-priado, denominado INNET.

Para o cálculo do índice respirométrico,parte-se da curva de concentração de oxigê-nio. Os trechos descendentes são identifi-cados automaticamente e com base em um“set point” de cálculo; assim, vem calculadauma inclinação sobre uma parte da curva(Figura 13).

Figura 9 - Esquema do respirômetro “in-situ” parafitodepuração (realizado por Giraldo e Zarate, 2001)

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Método respirométrico na determinação de processos biológicos

Figura 10 - Respirômetro AIR NL desenvolvido peloLISA-Università di Trento

Figura 11- Cesto de alojamento do material

Figura 12 - Desumidificador de sal de silícioe umidificador

Verificando-se o balanço de massa dooxigênio, é possível calcular o índicerespirométrico da matriz do solo. Cada umadas inclinações simples origina um únicovalor de IR (Figura 14). Obtêm-se, destemodo, um traçado respirométrico do ter-reno ou do composto, com o qual se podeavaliar a atividade da biomassa e as cinéticasde remoção dos substratos.

Figura 13 - Dados de temperatura e oxigênio obtidos diretamente da sonda

Medida da concentração de O2 em

fase aquosa

O respirômetro proposto para me-dições do consumo de oxigênio dissolvi-do em fase aquosa, desenvolvido pelo LISA,está representado no esquema da Figura 15.

O respirômetro é constituído deuma coluna de diâmetro 125 cm e altura

total de 85 cm (60 cm de leito filtrante).O material de enchimento, que neste casorepresenta um leito de fitodepuração afluxo vertical (segundo o esquema pro-posto por Cooper et al, 1996), é constitu-ído por (partindo-se de baixo para cima):

- 20 cm de seixo com granulometriade 30-70 mm;

- 10 cm de seixo com granulometriade 6-16 mm;

- 20 cm de areia com granulometriade 0-6 mm;

- 10 cm de areia com granulometriade 0-3 mm.

Para o monitoramento contínuo dooxigênio, a coluna é equipada com os se-guintes instrumentos:

a) bomba de recirculação, com flu-xo da parte inferior até o alto da coluna;

b)compressor de ar para o forneci-mento de oxigênio, insuflando-o na par-te superior da coluna;

c) sondas para medir o oxigênio dis-solvido, posicionadas: uma na parte alta ea outra na parte baixa da coluna. Osoxímetros são dotados de sistema de aqui-

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OAndreottola, G. et al.

Figura 14 - Exemplo de traçado respirométrico elaborado apartir da curva de desoxigenação

Figura 15 - Esquema do respirômetro desenvolvido para a medição deoxigênio dissolvido em fase aquosa

sição de dados conectado a um PC.A aquisição do sinal é automática, comfreqüência entre 5 segundos a 1 minuto.

Para a execução do teste, o leito deveser completamente preenchido com o lí-quido a ser tratado no sistema de fitode-puração. O teste respirométrico pode teruma duração de várias horas. Todo o siste-ma foi inserido em uma incubadora paramater a temperatura controlada a 20°C.

Um exemplo de curva obtida sobreuma porção do leito com fluxo vertical émostrado na Figura 16, ao qual foi adici-onada água residuária, após esta ter sidosubmetida à sedimentação primária.

Observando o comportamento dooxigênio dissolvido no exemplo da Figu-ra 16, verifica-se que o consumo é muitorápido inicialmente, sendo que, após apro-ximadamente duas horas, o oxigênio éconduzido a valores inferiores a 1 mgO2L

-1.A velocidade média de consumo do oxi-gênio nas primeiras 3 horas (TCO mé-dia) é igual a 1.8 mgO2 L

-1 h-1. Este valorse deve à presença da água na porosidadedo material de enchimento (próxima a35%). Reportando este valor por unida-de de volume de solo (1 m3), obtém-seum consumo de oxigênio médio de apro-ximadamente 500 mgO2 m

-3 h-1. Combase neste dado, é possível prever a quan-tidade de substrato carbônico (em termosde BOD5 ou, melhor, de DQObiodegradável) que o leito é capaz de re-mover e, portanto, qual deve ser a cargaorgânica a ser aplicada para um corretodimensionamento do sistema.

CONCLUSÃO

A TCO representa um dos princi-pais componentes a ser quantificado noprocedimento de projeto e/ou gestão do tra-tamento de águas residuárias, uma vez queeste depende da quantidade de oxigênio quese tornará disponível para o processo bioló-gico no solo. É importante conhecer se oprocesso de biodegradabilidade no solo serealiza em condições aeróbias, apresentandoassim suficiente O2 em fase aquosa, ou emcondições anaeróbias, após o oxigênio sercompletamente exaurido.

O fato do oxigênio ser consumidorapidamente sugere que, nos tratamentosreais de fitodepuração a fluxo verticalsubmerso, estabelecem-se períodos deanoxia com desenvolvimento de proces-sos anaeróbicos. Na literatura, alguns au-tores apresentam resultados semelhantes,indicando o desenvolvimento de bactéri-as metanogênicas em tratamentos de talnatureza, com produção significativa de

Figura 16 - Exemplo de respirograma obtido atravésde uma amostra de leito com fluxo vertical submerso,depois da adição da água residuária pré-sedimentada

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CH4 (Giraldo e Zarate, 2001). Devido àpossibilidade de desenvolvimento de umbiofilme sobre as partículas inertes do terre-no, instalam-se condições limitantes comrelação à difusão do oxigênio para o interiordo mesmo biofilme. Este fenômeno contri-bui com a formação de zonas anóxicas noestrato mais profundo do biofilme no qualo oxigênio não consegue penetrar.

Os parâmetros cinéticos, a seremobtidos da modelização destes respiro-gramas, poderão ser utilizados no desen-volvimento de métodos avançados paracontrole e projetos de sistemas em Alaga-dos Construídos ou terras úmidas ouwetlands (fitodepuração) e para melho-rar o balanço de nutrientes e do carbonono efluente final.

AGRADECIMENTOS

À FAPESP (Fundação de Amparoà Pesquisa do Estado de São Paulo) pelaconcessão de Bolsa de Pós-Doutorado, aoLISA (Laboratorio di Ingegneria Sanitaria-Ambientale –) e ao DICA (Dipartimentodi Ingegneria Civile e Ambientale)Trento/Itália pela acolhida ao ProfessorDr. Eduardo Luiz de Oliveira.

REFERÊNCIAS

ANDREOTTOLA, G., et al. Respirometriaapplicata alla depurazione delle acque: principie metodi. Collana scientifico-divulgativaMonographia, n. 3. Dipartimento di Ingegneria

Civile ed Ambientale, Università degli Studidi Trento. 156p. 2002.

COOPER, P.F., et al. Reed beds and constructedwetlands for wastewater treatment. Medmenham.Marlow, UK: WRc Publications. 1996.

DALLAGO, L. Sviluppo ed applicazione ditecniche respirometriche per valutare la stabilitàdi matrici solide in fase di compostaggio. Tesi didottorato in Ingegneria Ambientale, Universitàdegli studi di Trento. 2002.

EKAMA, G. A.; DOLD, P.L. e MARAIS,G.v.R. Procedures for determining influent CODfraction and the maximum specific growth rate ofheterotrophy in activated sludge system. WaterScience and Technology, 18(6), pp 91-114.1986.

GIRALDO, E.; ZARATE. Development of aconceptual model for vertical flow wetlandmetabolism. Water Science and Technology, 44(11-12), 273-280. 2001.

JENKINS, D. The use of manometric methodsin the study of sewage and trade wastes. In: ISSAC,P.C.G. (ed) Wastewater Treatment. PergamonPress, pp. 99-125. 1960.

KAPPELER, J. e GUJER W. Estimation ofkinetic parameters of heterotrophic biomass underaerobic conditions and characterization ofwastewater for activated sludege modeling. WaterScience and Technology. 25(6), pp 125-139.1992.

MONTGOMERY, H.A.C. The determinationof biochemical oxygen demand by respirometricmethods. Wat. Res. 1, pp 631-662. 1967.

XU, S. e HULTMAN, B. Experiences inwastewater characterization and model calibrationfor the activated sludge process. Water Scienceand Technology. 33 (12), pp 89-98. 1996.

ZIGLIO, G., et al. Experimental validation of asingle-OUR method for wastewater DQORBcharacterization. Water Science and Technology,43 (11), 119-126. 2001.

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Endereço para correspondência:

Eduardo Luiz de OliveiraFaculdade de Engenharia - UNESPCampus de BauruAv. Luiz Edmundo Carrijo Coube, S/N17000-360 Bauru - SP - BrasilTel: (14) 3103-6112 - 3103-6113Fax: (14) 3103-6101E-mail:eduoliv@feb.unesp.br

23º Congresso Brasileirode Engenharia Sanitária e Ambiental

Mato Grosso

Mato Grossodo Sul

Goiás

Brasí

São Paulo

Paraná

CampoGrande

Saneamento Ambiental no Brasil:Utopia ou Realidade?

Data: 18 a 23 de setembro de 2005

Local: Centro de Exposições Albano Franco Campo Grande - MS