Resumo

Processos biológicos secundários empregados para o tratamento de águas residuais têm se desenvolvidos de forma acelerada a partir da metade do século XX e são atualmente utilizados na maioria das Estações de Tratamento de Esgotos (ETEs) ao redor do mundo. O lodo é o principal subproduto do tratamento biológico das águas residuais (1% a 2% do volume total do esgoto tratado); este é um material semissólido e pastoso constituído por água (98%), sólidos orgânicos e inorgânicos e abundantes microrganismos, muitos deles patogênicos. Essas características junto com alguns metais, substâncias tóxicas, xenobióticas, e recalcitrantes tornam os lodos brutos resíduos perigosos e um problema de saúde pública e ambiental se descartados no ambiente sem tratamento prévio. Entretanto, esses lodos são fontes valiosas de macronutrientes para a agricultura e empreendimentos florestais (nitrogênio, fósforo), entre outros usos e que podem ser recuperados desse resíduo, assim como os metais. Ainda, são muito valorizados como fonte de energia devido à possibilidade de produzir biogás (55 a 70% de metano) através da biodegradação anaeróbia microbiana de seus componentes orgânicos (fermentação metanogênica) sob condições controladas de pH, temperatura e substratos. Para uma recuperação eficiente da energia deve-se estimular, na fase acidogênica da fermentação, a produção de ácidos graxos voláteis (AGVs) de baixo peso molecular, a partir das macromoléculas orgânicas hidrolisadas previamente por bactérias hidrolíticas específicas e presentes naturalmente nos esgotos. Os AGVs são os principais intermediários das etapas seguintes (acetogênese e a metanogêneses) da digestão anaeróbia e sua taxa de produção determina a taxa de produção de metano. A identificação de formação de AGVs e sua quantificação indicam o andamento do processo. A técnica de cromatografia gasosa acoplada à espectrometria de massas (CG-EM) vem se destacando na determinação dos ácidos graxos voláteis, pela sua acurácia e sensibilidade, juntamente com a validação adequada do método, o que garante a qualidade dos resultados obtidos e a confiabilidade do método.

Introdução

Os processos biológicos secundários empregados para o tratamento de águas residuais têm se desenvolvidos de forma acelerada a partir da metade do século XX e são atualmente utilizados na maioria das Estações de Tratamento de Esgotos (ETEs) ao redor do mundo.

Durante o tratamento dos esgotos são produzidos lodos que se decantam no tanque de sedimentação primário por deposição por gravidade das partículas solidas, já nos reatores biológicos de tratamento secundários a produção de lodos é mais abundante principalmente se o processo for aeróbio, e se depositam no decantador secundário; também são gerados no tratamento terciário (METCALF, EDDY, 2003).

Alem Sobrinho (2001), cita que a produção de esgoto doméstico no Brasil varia entre 80 a 200 litros/hab.dia e cada habitante produziria cerca de 150 g/dia de lodo centrifugado, totalizando uma produção média em torno de 150 a 220 mil toneladas de matéria seca por ano. Para Andreoli et al (2001), no Brasil, aumentos na coleta dos esgoto realmente gerados poderiam incrementar em até 4 vezes a produção de lodos. Cálculos de Soares (2004), que consideraram o tratamento de somente 30% dos esgotos urbanos produzidos, mostraram uma geração de lodos superior a 400.000 mil toneladas/ano. O lodo das estações de tratamento de esgoto domestico é um material pastoso, semi-sólido rico em água (até 98%) e com teor de sólidos na ordem de 1 a 2 e até de 5%, sendo estes principalmente orgânicos de composição complexa e putrescível (proteínas, carboidratos, lipídeos, ácidos nucléicos, entre outros), possui também fosfatos, nitratos, nitritos e diversas formas de enxofre, além de ferro, magnésio, cálcio, entre outros componentes (MIKI et al, 2006). A matéria orgânica constitui de 59 a 88% dos sólidos totais sendo aproximadamente 50 a 55% de carbono, 25 a 30% de oxigênio, 10 a15% de nitrogênio, 6 a10% de hidrogênio, 1 a 3% de fósforo e 0,5 a 1,5% de enxofre (TIAGY; LO, 2013). Contém ainda detergentes e algumas substancias de difícil degradação como compostos fenólicos, usados de intermediários ou aditivos na produção dos detergentes e emulsificantes, entre outras muitas e diversas moléculas (CORVINI et al, 2006), microrganismos patogênicos (vírus, bactérias protozoários, helmintos e fungos) e ate a metais pesado como cádmio, cobre, cromo, chumbo, níquel, manganês, mercúrio e zinco embora em baixas concentrações (CHAGAS, 2000). Os microrganismos patogênicos e as substancias xenobióticas e recalcitrantes tornam os lodos brutos dos esgotos, resíduos perigosos e um problema de saúde pública e ambiental quando descarregados no solo e na água sem tratamento prévio, por veicularem doenças infecciosas e afetarem a qualidade das águas e dos solos alterando a microbiota e em consequência as cadeias e as teias alimentares (JONSSON, MAIA, 2007).

O lodo é o principal subproduto do tratamento das águas residuais e deve ser tratado para decidir seu destino adequado, sem causar impactos à saúde publica e ao meio ambiente. Sua disposição sanitária e/ou a sua utilização na agricultura e em empreendimentos florestais é um dos mais importantes problemas associados ao projeto e ao gerenciamento das estações de tratamento de esgotos; problema que aumenta com o crescimento populacional e a consequente maior produção de esgotos e de lodos das ETEs, na medida que as redes de coleta de águas residuais são ampliadas e novas estações de tratamento de esgoto são construídas e entram em funcionamento. A correta gestão do lodo é questão relevante de saúde pública, ambiental e sanitária que as empresas de saneamento devem enfrentar e respeitar as disposições da legislação ambiental: a Lei No 12. 305/2010 que institui a Política Nacional de Resíduos Sólidos no Brasil assim como Resolução CONAMA No 430 do 13/05/2011, que complementa e altera a Resolução nº 357/2005 e dispõe sobre as condições adequadas para o descarte de efluentes finais de ETEs.

Lettinga et al (2000), enfatizam que muitos dos resíduos produzidos pelas sociedades humanas podem ser materiais úteis para a recuperação e reusar subprodutos como nutrientes, metais, a água que os compõem e a energia contida na materia organica não totalmente degradada, e para atingir essesmobjetivos de proteção ambiental e conservação dos recursos, diversas técnicas já estão disponíveis. Efetivamente, os lodos dos esgotos são fontes valiosas de macronutrientes para a agricultura e reflorestamento, como nitrogênio, fósforo, enxofre e cálcio entre outros, que podem ser recuperados assim como os metais pesados ali contidos. Os lodos são muito valorizados como fonte de energia, devido à possibilidade de recuperar a energia dos resíduos orgânicos através da biodegradação microbiana com produção de biogás, em especial metano. Este é liberado na fermentação metanogênica sob condições controladas de pH, temperatura e substratos apropriados e portanto, para a recuperação da energia na forma de biogás deve-se preferir, na etapa de estabilização, a digestão anaeróbia (VAN HAANDEL; LETTINGA, 1994).

Com essa abordagem e aplicando-se tratamento anaerobio, o lodo transforma-se de um resíduo problema em um produto com valor econômico que com tecnologias modernas e de baixo custo pode ser bem mais valorizado pelo reaproveitamento dos materiais nele contidos (nutrientes e metais pesados) e pelo seu potencial energético (gás metano). Dentre as diversas tecnologias disponíveis, a digestão anaeróbia convencional (DA) é uma excelente opção para o tratamento do lodo derivado do esgoto sanitário. Durante o processo são reduzidas as concentrações dos microrganismos patogênicos e este podem ate serem eliminados, se estabiliza total ou parcialmente as substâncias orgânicas putrescíveis presentes no lodo fresco, se reduz o volume do lodo através de liquefação, gaseificação e adensamento pela diminuição de seu conteúdo em água. A digestão anaeróbia ou fermentação permite também dotar o lodo de características favoráveis para seu uso em solos e outras finalidades após estabilizado e recuperados os metais pesados e a energia.

Os processos da digestão anaeróbia são geralmente explicados como a sequência de quatro fases bioquímicas correspondentes aos metabolismos dos grupos microbianos envolvidos e predominantes em cada uma delas e denominadas fases de hidrólise, acidogênese, acetogênese e metanogênese (VAN HAANDEL; LETTINGA, 1994; CHERNICHIARO,1997). Em cada uma dessas fases microrganismos específicos metabolizam os substratos orgânicos, seja nos lodos, nos esgotos ou de qualquer ambiente com material orgânico putrescível passível de biodegração ou estabilização por microrganismos heterótrofos fermentativos. Na digestão anaeróbia com metanogêneses, esses grupos de bactérias e arquéias agem sucessivamente e sintroficamente e são denominadas, respectivamente, bactérias hidrolíticas, acidogênicas, acetogênicoas e arquéias metanogênicas (VAN HAANDEL; LETTINGA, 1994; MADIGAN, et al, 2016). Na fase acidogênica são produzidos, a partir das macromoléculas orgânicas hidrolisadas na fase anterior, ácidos graxos voláteis (AGVs) de baixo peso molecular que são os principais intermediários das etapas seguintes da digestão anaeróbia fermentativa dos compostos orgânico dos lodos e dos esgotos e portanto da produção de biogás. Sua taxa de produção determina a taxa de produção de metano (CHERNICHIARO, 1997; SAWYER; MCCARTHY, 1978). Mudanças ambientais e/ou operacionais podem causar o desequilíbrio da taxa de produção e consumo dosAGVs, por isso, o monitoramento da sua concentração é fundamental para evitar problemas operacionais; o acúmulo desses ácidos pode ter um efeito negativo sobre a digestão anaeróbia, se a capacidade de tamponação for extrapolada e o pH descer para níveis desfavoráveis, por sua vez, uma taxa baixa de formação também freia o resto do processo pela falta de substratos para as bactérias das etapas subsequentes (CHERNICHIARO, 1997; LEITÃO et al, 2006).

Diversos métodos foram desenvolvidos para a determinação de ácidos graxos voláteis, dentre eles destaca-se a a cromatografia gasosa utilizando como detector um espectrômetro de massas, que oferecem alta eficiência na detecção de baixas concentrações. A validação adequada da metodologia assegura a qualidade metrológica dos ensaios e a confiabilidade técnica dos resultados obtidos.

Autores: Roberta Milena Moura Rodrigues; Beatriz Susana Ovruski de Ceballos e Wilton Silva Lopes.