A Bioaumentação pode ajudar os Sistemas de Tratamento de Efluentes


A Bioaumentação pode ajudar os Sistemas de Tratamento de Efluentes

À medida que as restrições ambientais são cada vez mais exigentes, muitas estações de tratamento de efluentes (ETEs) estão no limite de sua capacidade de tratamento. A bioaumentação pode representar uma forma rápida de atingir as metas de fluxo tratado e de remoção da carga orgânica, assim como uma solução mais definitiva de otimização da operação da ETE. O conceito da gestão efetiva da biota de uma ETE não é mais novo, mas envolve muito mais do que a mera introdução de produtos para a bioaumentação. O gerenciamento total eficaz de uma ETE exige o conhecimento dos sistemas geradores dos efluentes, das instalações da ETE em si, da sua operação, e dos conceitos ambientais e da microbiologia, operantes na ETE. Combinando estes conhecimentos será possível obter um novo patamar de operação eficiente, segura e eficaz, e a bioaumentação será um fator chave, para atingir resultados otimizados. O TRATAMENTO DE EFLUENTES Microrganismos específicos são utilizados amplamente na indústria de alimentos e farmacêutica, para levar a cabo determinadas transformações químicas desejáveis. Os microrganismos também são uma parte essencial do tratamento de efluentes sanitários e industriais nas estações de tratamento de efluentes (ETEs). No tratamento de efluentes, os microrganismos (principalmente as bactérias) usam a matéria orgânica solúvel contida no efluente líquido, como fonte de nutrientes e energia. As bactérias consomem os compostos orgânicos e os convertem em dióxido de carbono, água e energia, para produzir novas células. Finalmente, os poluentes solúveis são convertidos em biomassa insolúvel, que pode ser removida mecanicamente do efluente líquido e enviada para destino adequado, na forma de biossólidos. Existem diversos tipos e configurações de ETEs, mas a preponderância dos sistemas de tratamento de efluentes industriais em grandes indústrias, como a de papel e celulose, e outras, é de sistemas de tratamento biológico aeróbico, consistindo de sistemas de lagoas aeradas ou de lodos ativados. AS BACTÉRIAS Em sistemas aeróbicos, as bactérias aeróbicas utilizam o oxigênio na degradação de compostos orgânicos. Para o funcionamento do sistema, diversos parâmetros 2 devem estar controlados. Entre estes, os níveis de oxigênio dissolvido (OD), pH e os níveis de nutrientes dissolvidos (amônia e fósforo), são os mais importantes. As estratégias tradicionais de controlar estes parâmetros têm focado o monitoramento dos parâmetros operacionais dos sistemas de tratamento, geralmente ignorando os microrganismos. As bactérias que agem nos sistemas biológicos de tratamento de efluentes geralmente têm 1-2 m de largura e 2-20 m de comprimento. Devido ao seu pequeno tamanho, seu formato e morfologia somente podem ser observados através de um microscópio de alta potencia (x1000), e utilizando técnicas de tingimento, para a caracterização de grupos (gram-positivas e gram-negativas). Esta diferenciação fundamental indica os dois diferentes tipos de morfologia das paredes celulares. Outros métodos de categorização de bactérias também são usados:  De acordo com o tipo de processo de degradação da matéria orgânica: se as bactérias utilizam apenas oxigênio (aeróbicas), se suas funções metabólicas podem ocorrer na presença ou ausência de oxigênio (facultativas), ou se não usam oxigênio em seu metabolismo (anaeróbicas).  De acordo com a fonte do carbono utilizado para os processos biológicos: se orgânica (heterotróficas), ou o dióxido de carbono (autotróficas).  De acordo com as temperaturas ótimas de seu desenvolvimento: 55° a 75° C (ou mais) – termofílicas; 30° a 45° C – mesofílicas; 15° a 18° C – psicrofílicas; e 25° a 30° C  facultativas. A maioria dos sistemas de tratamento de efluentes industriais opera entre 10° e 40° C, e contém predominantemente bactérias mesofílicas e facultativas, incluindo ambas as gram-positivas (como Bacillus) e as gram-negativas (como as Pseudomonas). Em geral, temperaturas mais baixas tornam os processos biológicos mais lentos, assim como o crescimento e desenvolvimento das bactérias, dentro de sua faixa de temperatura ambiental ideal. Aqui no Brasil, as temperaturas operacionais mais baixas somente são encontradas no sul do país, porém é justamente nessa região onde há um grande número de grandes ETEs da indústria alimentícia e de papel e celulose. Outros microrganismos também interagem com as bactérias, para transformar a matéria orgânica solúvel em biomassa, dióxido de carbono e água, e eventualmente em biossólidos, que podem ser descartados mais facilmente através da disposição dos lodos biológicos resultantes. O conjunto destes microrganismos, que atuam num sistema de tratamento de efluentes, chama-se a biota do sistema. A biota é a chave de qualquer sistema biológico de tratamento de efluentes, e existe em um constante equilíbrio dinâmico, que pode variar, e de fato varia bastante, de acordo com as condições de seu ambiente. Diferentes microrganismos estão constantemente morrendo, e outros crescendo, fazendo com que as proporções populacionais de cada tipo variem, e diferentes tipos de microrganismos se tornem dominantes. PROBLEMAS EM ETEs Sob condições adversas, como quando há algum choque tóxico, devido à entrada de certos produtos no efluente que vai para a ETE, certas populações de 3 microrganismos podem ser reduzidas ou até eliminadas, reduzindo ou mesmo parando o ritmo de degradação da carga orgânica do efluente. Um exemplo de choque tóxico seria a entrada na ETE, juntamente com o efluente normal, de licor negro, proveniente de algum derramamento, numa indústria de papel e celulose. Em qualquer indústria, uma variação no processo industrial, mesmo de curta duração, que envie níveis de fenóis, ou outros produtos tóxicos, em níveis mais elevados do que o normal das condições operacionais, também pode resultar em um choque tóxico na ETE. Também ocorrem situações onde as variações nas condições operacionais das ETEs, ou fatores exógenos, podem levar ao favorecimento do crescimento de certas populações de bactérias, em detrimento de outras. Quando estas populações favorecidas representam microrganismos que não são eficazes no tratamento dos efluentes, ou até prejudicam esta ação, pode haver um desequilíbrio da ETE, resultando numa queda vertiginosa de seu desempenho. Um exemplo deste tipo de ocorrência é um súbito crescimento de bactérias filamentosas, as quais, por sua ação sobre as qualidades de sedimentação do lodo da ETE, podem ser muito prejudiciais ao seu funcionamento, quando crescem descontroladamente. Em qualquer uma destas condições, costumamos dizer que a ETE sofreu uma queda, ou que perdemos as condições de operação, mesmo sem relacionar as causas especificamente a impactos nos microrganismos individuais ou na biota como um todo. Tradicionalmente, nestes casos, a ETE se recupera lentamente, e pode até permanecer sob condições inoperantes durante longos períodos, até voltar a um equilíbrio que favoreça sua operação mais eficiente. Os parâmetros de saída, exigidos para os efluentes tratados, podem facilmente ser violados durante este período. Em países mais desenvolvidos, com uma legislação ambiental mais exigente, plantas industriais inteiras podem sofrer uma paralisação. Aqui no Brasil, é mais comum ter a oportunidade de explicar para os órgãos ambientais fiscalizadores, que os problemas de parâmetros fora de escala são devidos à “queda da ETE”, e frequentemente esta explicação é aceita como justificativa para conceder certo prazo de readequação da ETE aos parâmetros exigidos. A BIO-ESTIMULAÇÃO E A BIOAUMENTAÇÃO Aqui cabe salientar que os principais conceitos da biotecnologia, no sentido em que se aplica no tratamento biológico de efluentes, são os da bioestimulação e da bioaumentação. O primeiro termo, a bioestimulação, refere-se à adição de produtos químicos, não microrganismos, para estimular processos biológicos, especialmente através da adição de nutrientes e fatores críticos ao desenvolvimento de microrganismos identificados como úteis no processo desejado. Este termo também contempla medidas que visam modificar condições físicas que possam estimular os processos desejados. O segundo termo, a bioaumentação, refere-se à adição de microrganismos em si, seja de uma ou mais cepas, e, frequentemente, em combinações que resultam em efeitos mais notáveis do que os promovidos por cepas individuais. A bioaumentação não exclui a possibilidade da adição conjunta de produtos químicos, nutrientes e outros, conquanto o objetivo seja o de estabelecer determinados processos 4 biológicos através da adição de populações especificamente selecionadas, modificando a população microbiana existente e promovendo os processos biológicos desejados. A indústria de aditivos biológicos foi desenvolvida a partir dos anos 1960, justamente para atender a necessidade das ETEs de se recuperar mais rapidamente, quando ocorriam problemas operacionais relacionados à alteração de suas populações microbianas, já que a recuperação da operação de uma ETE passa pelo reestabelecimento das populações afetadas, e da biota como um todo. Gradualmente, esta indústria passou a atender os objetivos de otimização de ETEs, mesmo aquelas sem problemas pontuais de queda abrupta de seu desempenho, devido a choques tóxicos ou desequilíbrios microbianos. A bioestimulação e a bioaumentação têm sido aplicadas desde os anos 1960, mas devido à falta de compreensão dos mecanismos biológicos básicos, operantes nestas tecnologias, e devido à dificuldade de documentar os resultados adequadamente, elas têm sido consideradas pouco científicas. VISÃO TRADICIONAL DOS PROCESSOS BIOLÓGICOS Até recentemente, acreditava-se que, com o tempo, as populações mais adequadas ao tratamento do efluente chegando às ETEs assumiriam as proporções populacionais dominantes, naturalmente. Este raciocínio parte de duas premissas: primeiro, que a população nativa, introduzida via as diversas fontes normais possíveis, como a poeira trazida pelos ventos, a água de chuva e o próprio efluente a ser tratado, sempre contêm os tipos de microrganismos mais adequados ao tratamento do efluente; segundo, que estes microrganismos crescerão até atingir populações suficientes para efetuar, eficientemente, o tratamento dos compostos indesejados, presentes no efluente que chega à ETE. Na realidade, não existe nenhum mecanismo operante que garanta nenhuma destas situações, e mesmo se a ETE conseguir desenvolver um mix populacional adequado, de sua biota, ainda podem existir limitações de desempenho que somente possam ser superadas através da introdução de populações superiores (mais eficazes). Outra crença intuitiva, que tem dificultado a assimilação destas tecnologias, é que a inoculação de microrganismos em uma ETE deveria ser eficaz mesmo se feita uma só vez, e não continuamente. Como geralmente esta situação não ocorre, e a bioaumentação precisa ocorrer continuamente, para manter o mix populacional ideal, desejado para sua biota, o próprio conceito básico que fundamenta a bioaumentação, tem sido questionado. Na realidade, o conceito da bioaumentação não se baseia apenas no fato de introduzir novos microrganismos no sistema de tratamento, mas em manter um novo equilíbrio no mix populacional da ETE, através da adição constante e suficiente, de populações desejadas, para superar as tendências de modificações resultantes dos diferentes fatores que afetam seu equilíbrio. NOVOS CONCEITOS EM RELAÇÃO À BIOLOGIA Com relação a estes fatores, muitos dos mecanismos envolvidos, em nível molecular e de células, apenas agora começa a ser compreendido. Quanto mais pesquisamos, 5 descobrimos que empiricamente são observados processos que não podemos explicar satisfatoriamente com o conhecimento atual. Não se trata de questões metafísicas, apenas de tecnologia que ainda não dominamos adequadamente. A natureza libera seus segredos lentamente, e mesmo a nanotecnologia só recentemente começou a descobrir e desvendar alguns dos diversos e complexos processos biológicos que ocorrem, antes jamais imaginados. Seria muita pretensão nossa, julgar que as coisas funcionam de certa forma, apenas porque achamos que entendemos um modelo conceitual simples da realidade, imensamente simplificado por nossas imaginações. Desta forma, é fácil observar, nos tanques de aeração e nas lagoas aeradas de ETEs que funcionam bem, numerosas espécies e cepas de microrganismos. Mas esta diversidade microbiana não é aleatória, e sim necessária, pois alguns microrganismos são mais eficazes do que outros, na degradação de diferentes compostos, e existe uma sequência nos processos de degradação destes compostos, que passa por diversos estágios, cada um conduzido por populações específicas. Também existe uma complexa simbiose entre diversos microrganismos, que influenciam as condições de desenvolvimento dos demais microrganismos, e que, por sua vez, têm seu desenvolvimento mediado por estas condições. É possível, por acaso, que seja estabelecida uma situação de equilíbrio entre os diversos microrganismos da biota de uma ETE, de forma que esta possa alcançar resultados satisfatórios no tratamento do efluente, e que esta condição possa até ser favorecida naturalmente, em condições estáveis de operação e das características do efluente que chega à ETE. Infelizmente, poucas ETEs jamais chegam a operar desta forma. As características do efluente que chega à ETE podem variar, e muito, de tempos em tempos, até em questão de horas. A temperatura ambiente, as condições de operação, mudanças de equipamentos, assim como outros fatores, também podem ocorrer, e estas variações podem ser suficientes para afetar o desempenho de populações críticas ao resultado geral desejado. Alguns fatores podem até ser imperceptíveis, por não serem objeto de monitoramento especifico, ou podem parecer individualmente insignificantes, mas no complexo funcionamento interdependente das populações microbianas da ETE, eles podem causar grandes divergências em seu desempenho. Nem compreendemos totalmente como as condições favoráveis podem se estabelecer, nem como elas podem desaparecer tão facilmente. Mas não é difícil imaginar como as variações no sistema de produção de uma fábrica que gera efluentes, ou falhas mecânicas em alguns equipamentos, ou derramamentos de produtos, ou e outros fatores, poderiam influenciar o desempenho final da ETE, através de seu impacto em determinadas populações microbianas especialmente sensíveis a certas condições que foram modificadas. Muitas ETEs, portanto, nunca atingem um mix ideal de populações bacterianas, ou sequer um mix satisfatório. O FUNCIONAMENTO DA BIOAUMENTAÇÃO Antes da aplicação da bioaumentação, a biota de uma ETE normalmente consiste de diversos tipos de microrganismos, alguns mais eficazes do que outros, na degradação dos diversos compostos orgânicos presentes, e na produção de uma biomassa sedimentável, que possa ser removida facilmente do efluente. Esta 6 situação é apresentada classicamente conforme a Figura 1, onde a população dos tipos de microrganismos nativos desejáveis, eficazes na degradação dos compostos orgânicos presentes, é indicada como População A; a população dos demais tipos de microrganismos nativos é indicada como População B; e a população dos tipos de microrganismos selecionados para serem adicionados à ETE, por serem conhecidamente mais eficazes na degradação dos compostos orgânicos presentes, é indicada como População C. O objetivo da bioaumentação é modificar a biota da ETE, ampliando a fatia da População A, estabelecendo a fatia da População C, e minimizando a fatia da População B. Desta forma, modificando a composição da biota da ETE, será alcançado o objetivo de melhorar seu desempenho, pois o novo mix de populações bacterianas será mais eficaz na degradação dos diversos compostos orgânicos presentes no efluente que chega à ETE. Figura 1 – Populações bacterianas antes e depois da bioaumentação (Fonte: elaboração própria) Muitas das ferramentas tradicionais de monitoramento das condições operacionais das ETEs são importantes e necessárias, mas não são suficientes para atender às necessidades de monitorar as condições que afetam fundamentalmente as populações bacterianas das ETEs. Um monitoramento estatístico, em combinação com técnicas microbiológicas de análise, pode fornecer, mais diretamente, informações sobre as populações microbianas que são importantes para o desempenho da ETE, e sobre a biota como um todo. Com informações sobre ambos os parâmetros operacionais e as características das populações microbianas e da biota como um todo, acumulados historicamente durante prazos significativos, pode ser feita uma correlação entre estas informações e certas condições de operação da ETE. É importante gerar uma base histórica de dados, onde possam ser distinguidas condições controladas de operação e do efluente que chega à ETE. Desta forma, o operador ou consultor encarregado da ETE poderá tentar controlar ou modificar as condições operacionais cujos efeitos foram empiricamente observados como sendo desestabilizadores da biota da ETE, e que, portanto, afetam negativamente seu desempenho, facilitando, assim, seu controle. 7 CARACTERÍSTICAS DOS PRODUTOS PARA A BIOAUMENTAÇÃO Tipicamente, os produtos da indústria de aditivos biológicos consistem de várias cepas de microrganismos, geralmente bactérias e fungos. Estes microrganismos são isolados de ambientes naturais, sem sofrer quaisquer modificações genéticas. Eles são escolhidos e selecionados de acordo com diversos critérios para acentuar características desejáveis, ou reduzir características indesejáveis. Diversos fornecedores fazem uso de diferentes critérios e combinações destas características, para formular seus produtos. Estas características podem ser as mais variadas: reprodução mais acelerada; capacidade de desenvolver determinadas funções biológicas que vão de encontro com os objetivos de degradação de certos tipos de compostos orgânicos; sobrevivência em ambientes sujeitos a condições desfavoráveis; e muitas outras. Entre as características biológicas desejáveis dos microrganismos selecionados está, por exemplo, a capacidade de quebrar compostos orgânicos de difícil degradação, em subprodutos menos complexos e mais facilmente metabolizados por outros tipos de microrganismos. Adicionando microrganismos especialmente selecionados para degradar certos compostos químicos indesejáveis, através da bioaumentação, é possível, por exemplo, atingir níveis muito baixos de compostos como fenóis, compostos aromáticos clorados (TCE – tricloroetileno, CFCs – clorofluorocarbonos, HCFCs – hidroclorofluorocarbonos, etc.), e hidrocarbonetos policíclicos aromáticos (PAHs), no efluente final de uma ETE. OBJETIVOS ESPECÍFICOS DOS PRODUTOS PARA BIOAUMENTAÇÃO Muitas instalações industriais têm muita dificuldade em assegurar um nível adequado de nitrificação, devido parâmetros operacionais normais, choques tóxicos, ou outros fatores que impedem o funcionamento das bactérias nitrificadoras. Adicionando bactérias nitrificadoras especialmente selecionadas para efetuar esta nitrificação mais eficientemente, e suportar melhor as condições adversas, os choques tóxicos, ou outros fatores negativos, uma maior e mais constante remoção de amônia pode ser atingida. Dada a ênfase atual no cumprimento das normas sobre os níveis de amônia nos efluentes finais das ETEs, de até 5 ppm, a bioaumentação pode ser um fator crítico para alcançar os níveis de concentração exigidos legalmente. ETEs que operam próximas a áreas residenciais, ou geram odores incômodos, podem reduzir este problema através da bioaumentação, pois ela permite instalar uma biota mais eficaz na degradação de gorduras e outros compostos orgânicos, que frequentemente geram estes problemas. Algumas instalações industriais enfrentam processos de fechamento ou relocação, caso não consigam resolver os problemas de odores gerados por suas ETEs, pois estes são problemas muito facilmente notáveis, e que incomodam muito a população circunvizinha. Um dos objetivos mais facilmente alcançados através da bioaumentação é a redução de gorduras acumuladas em locais incômodos, ou que prejudicam a operação das ETEs ou demais sistemas de tratamento de efluentes, ou mesmo as 8 operações industriais normais. Resultados espetaculares têm sido obtidos por diversos fornecedores de produtos para bioaumentação, em relação aos resultados proporcionados pela biota existente, dos sistemas envolvidos, pois as técnicas de seleção de microrganismos especialmente competentes na degradação de gorduras são de domínio mais disseminado, na indústria de produtos para bioaumentação. A otimização da operação das ETEs também tem sido uma importante consideração, recentemente, especialmente em relação à sua eficiência energética. O projeto PROCEL SANEAR, da Eletrobrás, por exemplo, visa reduzir o consumo de energia elétrica no setor de saneamento ambiental, por ser este um grande consumidor de energia elétrica, em nível nacional (2%, segundo estimativas da Eletrobrás). Até 70% do consumo energético das ETEs está relacionado à aeração de seus tanques e lagoas. Esta aeração se faz necessária para que os processos biológicos não sejam impedidos pela falta de oxigênio no efluente sendo tratado, já que a maioria das grandes ETEs depende, principalmente, de processos biológicos aeróbicos para realizar seu trabalho. É neste contexto que a bioaumentação pode trazer ganhos significativos para a otimização da operação de uma ETE, pois entre as vantagens dos microrganismos selecionados, introduzidos através da bioaumentação, está a eficiência de seu consumo de oxigênio. Estes microrganismos podem trabalhar em condições de oxigenação mais baixa do que as bactérias normais de uma ETE. Desta forma, os equipamentos normalmente necessários para manter os níveis de oxigênio dissolvido (OD) em patamares elevados, não precisam ser tantos, ou operar tão intensamente, proporcionando ganhos consideráveis no consumo energético da ETE. Ganhos em relação ao consumo em horários de pico são particularmente importantes, pois uma biota mais resistente permite a redução da aeração durante estes períodos, sem afetar significativamente sua sobrevivência ou eficácia. As qualidades de sobrevivência dos microrganismos selecionados também podem ser importantes, quando uma ETE tem, historicamente, ocorrências de condições que levam à destruição de sua biota (choques tóxicos), ou à desativação de seus processos biológicos desejáveis (desestabilização devido a fatores exógenos). Neste caso, uma biota mais resistente aos choques tóxicos, às mudanças de temperatura, pH ou outros fatores estressantes, como níveis excepcionalmente baixos de OD, pode ajudar a manter a operação da ETE, mesmo durante períodos e condições que antes levariam à sua queda total ou parcial. QUEDAS E PARTIDAS DE ETEs Dar partida à operação de uma ETE frequentemente exige a introdução de um lodo de uma ETE semelhante, que esteja tratando um efluente semelhante, para facilitar o processo de inoculação de uma biota eficaz no tratamento do efluente a ser tratado. Seja uma ETE nova, ou uma ETE que deva reiniciar sua operação após uma queda total ou parcial, a partida de sua operação sempre é uma das tarefas mais delicadas e difíceis, para seus operadores ou responsáveis. Problemas que impedem a retomada plena são comuns, e às vezes o processo pode levar bastante tempo, e exigir diversas tentativas onerosas e incomodas, envolvendo o transporte do lodo em caminhões pipa, a logística com o fornecedor, etc. Durante este tempo, naturalmente, o efluente gerado não sofre praticamente nenhum tratamento ou redução de sua carga orgânica, dando lugar à violação dos parâmetros operacionais 9 legalmente exigidos, e expondo os operadores ou responsáveis às devidas consequências, sejam elas multas ou outras sanções ambientais, ou pressões de seus superiores para limitar o risco de uma ETE inoperante. Nem todas as ETEs sofrem quedas totais ou parciais com muita frequência, mas a bioaumentação permite que seja dada partida a uma ETE, com muito mais segurança, praticidade e rapidez, utilizando aditivos biológicos especialmente desenvolvidos para estabelecer uma biota adequada ao efluente a ser tratado. Os operadores que têm enfrentado a tarefa de dar seguidas partidas a uma ETE jamais voltam a usar o lodo de uma outra ETE, ou mesmo esterco, como alguns ainda utilizam, em vez de produtos para bioaumentação. É a prova cabal do benefício e das vantagens da tecnologia da bioaumentação, aplicada a um problema enfrentado com certa frequência pelos operadores das ETEs. NOVAS EXIGÊNCIAS AMBIENTAIS E LEGAIS Por outro lado, muitas ETEs de indústrias que se estabeleceram há anos, ou que cresceram bastante nos últimos anos, estão sendo pressionadas para dar conta de tratar os efluentes gerados por uma operação industrial que ampliou muito a geração desses efluentes. O elevado custo da ampliação desses sistemas, ou a impossibilidade de realizar obras, por questões de espaço, em muitos casos exigem saídas inovadoras para o problema do sub-dimensionamento atual da ETE. Frequentemente estas soluções passam pelo uso da bioaumentação. Ela permite ampliar o volume de efluentes tratados, com as mesmas instalações físicas existentes, através da atuação de uma biota com melhor desempenho, no tratamento do mesmo tipo de efluente. Da mesma forma, à medida que a legislação ambiental e as exigências operacionais se tornam cada vez mais restritivas, a bioaumentação também pode permitir continuar atingindo estes parâmetros, através da introdução de uma biota mais eficaz, sem ter que realizar mudanças significativas nas instalações, ou grandes investimentos na ampliação ou upgrade das ETEs. No Brasil, em muitos casos, estas exigências operacionais mais restritivas estão sendo adotadas por determinação das próprias indústrias, que estão estabelecendo procedimentos de acordo com as melhores técnicas disponíveis (BAT – Best Available Technology), buscando a certificação de seus sistemas de gerenciamento ambiental, os quais envolvem o conceito da melhoria contínua, e importando padrões operacionais de ambientes globalizados, onde exigências mais severas de outros países são incorporadas às operações no Brasil. Dado o elevado custo do capital, no Brasil, para resolver problemas de enquadramento das ETEs, cuja solução alternativa seria o investimento de grandes somas, os métodos de operação que enfatizam o uso de alternativas envolvendo a bioaumentação podem representar soluções não somente provisórias, mas também soluções em longo prazo, que permitem auferir os benefícios de uma operação otimizada por esta tecnologia. DIFERENÇAS ENTRE PRODUTOS PARA BIOAUMENTAÇÃO 10 Na seleção e acondicionamento dos microrganismos selecionados reside uma grande parte da diferença entre a qualidade dos produtos concorrentes, oferecidos pelos fabricantes de produtos biológicos para bioaumentação. A seleção e acondicionamento dos microrganismos selecionados, nos aditivos biológicos oferecidos, ainda é uma ciência repleta de arte, pois as possibilidades de combinações na seleção de fatores desejáveis, eliminação de fatores indesejáveis, e seleção das demais qualidades dos produtos finais são imensas, e este conhecimento ainda está longe de poder ser determinado com absoluta precisão. A compreensão da complexidade biológica operante na atuação de uma biota dentro de uma ETE tem vindo de pesquisas de laboratório, aliadas a experiências de campo. O conhecimento técnico da biologia, microbiologia e química dos microrganismos e de seus processos, geralmente está disponível sem restrições, aos pesquisadores e técnicos que desenvolvem novos aditivos biológicos. Porém o conhecimento sobre as interações dos microrganismos e seus processos, adquirido com muito trabalho e custo, através de testes em laboratório e experiências no campo, forma a base da inteligência competitiva dos fabricantes concorrentes, a qual não é livremente compartilhada, pois representa um fator crítico de vantagem competitiva entre eles. Os fabricantes mais bem sucedidos conseguiram formar uma ampla base de informações sobre o comportamento de microrganismos, sob variadas condições, e conseguiram se destacar pelos bons resultados que seus produtos alcançaram, enquanto outros fabricantes apenas fornecem produtos com características semelhantes, porém resultados bem diferentes e inferiores. Em geral, os produtos fornecidos pelos fabricantes de aditivos biológicos para bioaumentação são vendidos de diversas formas, sendo os produtos secos, liofilizados e veiculados em farelos de grãos, e os produtos em forma de suspensão líquida, os mais comuns. As técnicas de acondicionamento, concentração e conservação dos produtos oferecidos também estão sujeitas a muito sigilo industrial, e diferenças entre fabricantes, guardadas como segredos industriais e fatores importantes de vantagens competitivas. SELEÇÃO DOS PRODUTOS MAIS ADEQUADOS Estas características dos produtos são muito importantes, e em geral, os produtos liofilizados têm maior vida útil, e estão menos sujeitos a alterações ou danos por fatores ambientais, tais como temperaturas demasiadamente altas ou baixas. Por serem mais concentrados, os produtos liofilizados apresentam maior facilidade de transporte, mas seu processo de produção pode ser mais caro. Quando as vantagens dos produtos secos não são críticas, os produtos líquidos podem ser vantajosos. A seleção do tipo de produto mais adequado deve estar baseada no tipo de efluente a ser tratado na ETE, e nos objetivos específicos de tratamento, como a resolução de certos problemas enfrentados mais frequentemente, assim como nas qualidades do produto fornecido. Dado o elevado grau de especialização dos tipos de produtos oferecidos no mercado, é possível chegar a uma indicação inicial bastante adequada, aplicando produtos de acordo com as recomendações de consultores especializados, que podem oferecer produtos especialmente desenvolvidos para determinados tipos de 11 ETEs e de indústrias. Em casos de problemas mais esdrúxulos ou de difícil solução, amostras do efluente a ser tratado, retirado dos diversos sistemas que compõem a ETE, devem ser enviadas para testes de tratabilidade, os quais podem ser feitos pelos fornecedores mais competentes, ou pelo próprio cliente, sob orientação de profissionais apropriados (biólogos, tecnólogos, químicos, etc.). Caso seja necessário determinar e solucionar problemas mais complexos, estes testes podem levar semanas, e, infelizmente, muitos dos resultados não podem ser confiavelmente reproduzidos em bancada, e sim apenas em condições de campo, nas próprias instalações da ETE, de forma bem controlada e com monitoramento adequado. Os processos biológicos são tão complexos, e podem sofrer a influência de tantas variáveis interdependentes, que se torna quase impossível, a não ser nos casos mais simples, realizar testes confiáveis em pequena escala, no laboratório. Outro fator que complica uma determinação absoluta do mix ideal de microrganismos para a bioaumentação, e que também dificulta a seleção dos processos de fabricação destes produtos, é que os processos biológicos não são estritamente lineares, ou seja, não são mediados de forma única e direta, pelos fatores condicionantes mais comuns. Existem sistemas complexos de feedback e mediação por diversos fatores que estão relacionados entre si, e o equilíbrio final de uma biota em uma ETE pode demorar muito para ocorrer, ou pode apenas existir sob forma de ciclos, cuja duração pode ser muito longa ou até irregular. Desta forma, um mix ideal pode ser diferente para diferentes condições, ou em diferentes prazos, ou estar sujeito a diferentes fatores condicionantes. Para não ficar preso a estas considerações teóricas, de difícil solução, ou correr o risco de operar a ETE em condições que fujam dos limites de saída exigidos legalmente, muitas vezes é necessário implementar um regime de aplicação de aditivos biológicos em escala operacional, ao mesmo tempo em que se busca determinar, com maior precisão, os parâmetros de aplicação ideais, através de testes paralelos. CONCEITOS HOLÍSTICOS NA OPERAÇÃO DE UMA ETE Da mesma forma que um gerente de uma instalação fabril deve considerar a produtividade de seus funcionários como um objetivo superior aos objetivos menores de certas condições pontuais ou parâmetros específicos, o operador ou consultor responsável de uma ETE deve considerar a biota de sua ETE como sendo seus trabalhadores, e deve, portanto, visar seu melhor desempenho e produtividade. Ele deve, portanto, oferecer condições de trabalho saudáveis, ambiente propício para o desenvolvimento da biota, e condições que incentivem sua produtividade. A biota deve ter acesso a uma completa gama de nutrientes necessários para seu melhor desenvolvimento; aeração, temperatura e pH adequados; ausência de fatores estressantes ou tóxicos; e acompanhamento de perto, para assegurar estas condições constantemente, ou reparar quaisquer problemas antes que se tornem graves. O operador ou consultor responsável também deve saber manejar sua biota, de forma a assegurar que novos trabalhadores possam ser trazidos para assumir tarefas para as quais os trabalhadores atuais não estejam habilitados. A 12 bioaumentação é este mecanismo de introdução de novas competências necessárias. Uma forma de buscar a adequação da biota de uma ETE é gerenciar as condições operacionais de forma a tentar favorecer e manter a presença alguns microrganismos geralmente considerados desejáveis, e evitar a presença de outros, geralmente considerados indesejáveis. OS DIFERENTES TIPOS DE MICRORGANISMOS Alguns microrganismos são, na realidade, apenas bioindicadores de condições geralmente tidas como favoráveis, para a operação de ETEs. Eles estão presentes quando a biota da ETE está relativamente adequada ao tratamento eficaz do efluente. Outros são bioindicadores de condições geralmente tidas como desfavoráveis para o bom funcionamento de uma ETE. Eles estão presentes quando existem problemas operacionais que impedem um tratamento eficaz ou rápido, ou indicam outros problemas operacionais, como excesso de espuma, baixa sedimentação de sólidos, etc. Alguns dos microrganismos desejáveis são os que realizam o trabalho de degradação dos compostos que representam a carga orgânica que se deseja eliminar. Alguns dos microrganismos indesejáveis causam problemas à operação da ETE. Infelizmente, em geral, é mais difícil observar diretamente os microrganismos que efetuam a degradação de compostos orgânicos, devido ao seu tamanho pequeno. Os microrganismos bioindicadores são mais fáceis de observar, pois são maiores e mais facilmente percebidos, até mesmo através da microscopia disponível em laboratórios sem equipamentos sofisticados, não sendo necessários microscópios de alta resolução. Alguns microrganismos que causam problemas operacionais também podem ser observados mais facilmente, pois formam colônias macroscópicas, ou flocos, que não exigem elevada resolução para serem observados. Muitos operadores de ETEs estão familiarizados com alguns dos microrganismos desejáveis, listados na Figura 2, abaixo. Um acompanhamento regular da biota da ETE pode revelar a presença de alguns destes microrganismos, e inclusive estabelecer um banco de dados históricos, que pode ser utilizado para identificar condições recorrentes, problemas periódicos e situações operacionais confortáveis. Quando os bioindicadores desejáveis estão presentes, eles sugerem que a biota está composta de uma variedade e número de microrganismos adequados para seu bom desempenho, porém isto não é uma constatação absoluta. A otimização da biota ainda pode exigir a adição de microrganismos selecionados ou outros aditivos, para assegurar seu melhor desempenho. A presença destes bioindicadores é apenas um indício de que não há problemas grosseiros com a biota da ETE, mas não assegura que ela seja uma biota ideal para otimizar o desempenho da ETE, ou impedir quaisquer problemas. 13 Figura 2: Microrganismos geralmente desejáveis em uma ETE (Fonte: United Industries, Inc., 2005) Da mesma forma, há uma série de microrganismos indesejáveis, cuja presença é observada como forma de monitorar problemas operacionais de uma ETE. Quando eles aparecem, os problemas podem já ter ocorrido, mas sua presença confirma a origem de alguns destes problemas, e facilita identificar medidas corretivas. Alguns destes microrganismos estão listados na Figura 3, abaixo. 14 Figura 3: Microrganismos geralmente indesejáveis em uma ETE (Fonte: United Industries, Inc., 2005) Quanto ao fornecimento de nutrientes, muitas ETEs ainda contêm biotas que se comportam como os humanos que comem bastante, podem até estar obesos, mas sofrem de uma alimentação péssima, proveniente de maus hábitos de alimentação. Para manter uma saúde ótima, não se trata somente de fornecer uma grande quantidade de alimento, mas de fornecer uma boa qualidade, com periodicidade adequada, e atender à grande diversidade das necessidades de nutrição dos organismos, tanto no caso de humanos como no de microbianos. COMPOSIÇÃO DE PRODUTOS PARA BIOAUMENTAÇÃO Desta forma, muitos produtos da indústria de aditivos biológicos para bioaumentação contêm diversos micronutrientes, essenciais para complementar os nutrientes básicos, e atender às necessidades de alimentação para um pleno desenvolvimento saudável e o bom desempenho da biota. Este é o conceito da bioestimulação, muito difundido como técnica de melhoramento de processos biológicos, aplicado simultaneamente à bioaumentação. Aqui reside outra grande parte dos segredos dos fabricantes que se destacam na qualidade dos produtos oferecidos, pois sem estes micronutrientes, na quantidade e diversidade necessárias, e com as características de assimilação adequadas, a biota não atingirá seu potencial de desempenho. A APLICAÇÃO DOS PRODUTOS PARA BIOAUMENTAÇÃO Um fator que também afeta o resultado da aplicação da bioaumentação em uma ETE é a forma de aplicação dos produtos. Os produtos devem ser aplicados 15 segundo orientações do fabricante ou de um consultor devidamente qualificado, pois cada sistema afeta a forma como os produtos vão se desenvolver, e, portanto, o eventual desempenho da ETE. Uma aclimatação adequada dos produtos pode fazer uma grande diferença nos resultados obtidos, pois apesar da bioaumentação representar uma inoculação com uma grande quantidade de microrganismos, estes ainda precisam crescer e multiplicar-se em grande escala, e devem fazer isto de forma sustentada, para manter seu efeito no desempenho da ETE. Caso as condições de aplicação não sejam favoráveis, é possível que se perca uma boa parte do benefício potencial do produto aplicado. O DESENVOLVIMENTO DA BIOTA Para se ter uma ideia do que ocorre de fato, quando se adicionam aditivos biológicos em uma ETE, basta imaginar que mesmo os produtos mais concentrados têm uma concentração de microrganismos (contagem) da ordem de 108 a 109 UFC (unidades formadoras de colônias) por grama de produto (alguns alegam ter até mais). Mas o volume de efluente a ser tratado em uma ETE é imenso, em relação à quantidade de produtos adicionada, representando uma relação de 1:106 , e até 1:109 . E deve ser levado em conta que a sobrevivência das UFCs presentes no produto adicionado à ETE nem sempre é muito grande, podendo, portanto, fazer com que esta contagem seja pouco indicativa do real potencial de inoculação. O número de UFCs eficazes, uma vez colocadas na ETE, pode ser menor do que a contagem inicial por um fator de 103 , ou mais. O real efeito dos produtos se dará, portanto, apenas através das UFCs que possam, de fato, se desenvolver e crescer sem impedimento, uma vez inoculadas na ETE. Isto quer dizer que este crescimento precisa ocorrer em um fator de 109 , ou muito mais! Obviamente, para permitir este crescimento, indispensável para que a bioaumentação tenha um efeito significativo, condições favoráveis a este crescimento devem ser mantidas, mesmo se estas condições forem relativamente menos exigentes, devido às qualidades selecionadas para os microrganismos adicionados através da bioaumentação. Desta forma, um dos fatores mais importantes acaba sendo a qualidade do produto adicionado, no que se refere a sua aclimatação, sobrevivência, crescimento, e exigências para seu desenvolvimento ideal, e estas qualidades podem ser muito mais significativas do que uma mera contagem elevada de UFCs. Este é certamente um fator que diferencia bastante os diversos fornecedores de produtos para bioaumentação. De todas formas, como o objetivo da bioaumentação é estabelecer uma nova distribuição da população microbiana da ETE, e não totalmente substituir as populações originais, é importante que sua aplicação seja feita de forma controlada, para evitar que seja afetada a integridade da biota presente, possivelmente causando danos maiores ao funcionamento da ETE. A bioaumentação feita de forma incorreta, como qualquer outra medida de controle de uma ETE, pode resultar em um desempenho igual ou até pior que o original. Uma aplicação de microrganismos inadequados, ou em quantidades excessivas, ou de forma imprópria, naturalmente pode trazer resultados negativos. 16 A DIFICULDADE PARA ATINGIR UMA ACEITAÇÃO AMPLA DOS PRODUTOS PARA BIOAUMENTAÇÃO Até recentemente, quando o uso da bioaumentação ficou mais consagrado e difundido em todo o mundo, inclusive no Brasil, a maior dificuldade encontrada para conseguir uma maior aceitação da bioaumentação como uma tecnologia viável, para resolver problemas operacionais das ETEs, ou otimizar seu desempenho, era provar que seus benefícios são derivados diretamente de sua aplicação. Tradicionalmente, a orientação da ciência seria realizar experimentos controlados, em paralelo, com e sem a bioaumentação, respectivamente. Mas na realidade, raramente é possível realizar este tipo de experimento, pois poucas ETEs têm sistemas paralelos, idênticos, para poder realizar experimentos simultâneos. Adicionalmente, no campo é praticamente impossível manter todos os tipos de condições (ambientais, operacionais, de carga, etc.) idênticas nos dois sistemas paralelos, para poder fazer conclusões válidas sobre os experimentos. Finalmente, a bioaumentação é frequentemente usada quando se percebem problemas iminentes na ETE, que requerem ação imediata de diversos tipos, não permitindo, desta forma, relacionar os resultados obtidos unicamente à aplicação da bioaumentação, quando outros parâmetros também são modificados, na tentativa de melhorar a situação da ETE. Para documentar adequadamente os resultados da aplicação da bioaumentação em uma ETE é aconselhável manter o registro histórico dos diversos parâmetros operacionais, e fazer uma avaliação após um prazo suficientemente longo, dos períodos com e sem aplicação da bioaumentação. Este prazo pode variar de acordo com cada ETE, mas geralmente é aconselhável que dure umas cinco vezes o tempo total de retenção dos sistemas de lagoas aeradas, ou, no caso de sistemas de lodos ativados, que dure umas dez vezes a idade média do lodo. De todas formas, resultados significativos geralmente só podem ser observados com prazos mínimos de uns dois meses, em ambos os casos. Hoje em dia a maioria dos fornecedores de produtos para bioaumentação dispõe de numerosos estudos de caso, bem documentados, sobre os resultados da aplicação da bioaumentação com seus produtos, em diversos tipos de indústrias, efluentes e ETEs, tanto para a solução de diversos tipos de problemas específicos, como para a otimização da operação dessas ETEs. A INDÚSTRIA DE PAPEL E CELULOSE – RESULTADOS BEM SUCEDIDOS Na indústria de papel e celulose nos EUA e no Canadá, tradicionais clientes de aditivos biológicos para bioaumentação, resultados muito significativos foram obtidos durante períodos de monitoramento de seis meses (três antes e três após a aplicação da bioaumentação), com condições ambientais e de operação estatisticamente semelhantes. A melhora na redução da carga orgânica no efluente final (DBO), em alguns casos, por exemplo, chegou a mais de 60% (Figura 4). Uma importante etapa do tratamento biológico numa ETE é a remoção dos sólidos formados, normalmente realizada em lagoas ou tanques de decantação (clarificadores). Nestes ambientes, as bactérias formam bio-polímeros naturais, que auxiliam a formação de flocos biológicos e a decantação dos sólidos. Choques 17 tóxicos e outros problemas podem impedir a produção normal desses bio-polímeros e resultar em características de baixa sedimentação dos sólidos, e consequente baixa eficiência na sua remoção. Nesses casos, a solução tradicional, de adicionar polímeros inorgânicos ou coagulantes, pode resolver estes problemas, mas a um custo elevado, e mesmo assim, sem resolver os problemas fundamentais de uma biota enfraquecida. A inoculação de microrganismos mais resistentes a choques tóxicos ou outras formas de estresse, e que também são ótimos formadores de flocos biológicos, permite reduzir ou eliminar a adição de produtos químicos, e agiliza a formação de flocos biológicos de fácil decantação. Figura 4 – DBO no efluente final, em lb/dia Também no Canadá, foi observada a redução no consumo de polímeros, usados para ajudar a clarificação do efluente nos clarificadores, devido ao excesso de sólidos totais em suspensão. Foi possível proporcionar uma redução de 80% no consumo de polímeros, e uma economia total de mais de 50%, em relação aos seis meses anteriores, considerando o consumo de ambos os produtos, inclusive os produtos para bioaumentação (Figura 5). Figura 5 – Custos de polímeros e de produtos para bioaumentação Desta forma, uma função útil, normalmente selecionada para os microrganismos de produtos para bioaumentação, é a capacidade de formação de bioflocos com 18 melhores características de sedimentação, ou com melhores características de compactação. Melhores características de sedimentação facilitam a remoção dos sólidos, e melhores características de compactação facilitam a eventual secagem dos lodos biológicos formados, que podem ser descartados com maior economicidade quando seu teor de umidade for baixo, após os processos de prensagem e secagem dos lodos. Em diversas indústrias, benefícios relacionados ao tratamento dos lodos biológicos gerados também têm sido observados, pois as características de prensagem e secagem desses lodos podem ser muito melhoradas, quando sua composição passa a ser de uma biota mais amena à compactação. Lodo mais fácil de ser desaguado facilita seu manuseio, transporte e eventual destinação final, inclusive nas próprias florestas das indústrias de papel e celulose. Considerando que o manuseio, transporte e destinação final dos lodos pode representar até 70% do custo operacional de uma ETE, vantagens percebidas nesta área são muito significativas. Estes casos, e muitos outros, demonstram os possíveis benefícios da bioaumentação como forma de resolver problemas pontuais ou melhorar os parâmetros operacionais das ETEs. Em todo caso, sempre é possível descontinuar a aplicação da bioaumentação, e nesses casos também é possível que os benefícios perdurem por algum tempo após a suspensão do regime de aplicação da bioaumentação, da mesma forma que também tarda algum tempo para que a nova biota apresente resultados, quando a bioaumentação é iniciada. FATORES QUE TRADICIONALMENTE IMPEDIRAM O USO DE PRODUTOS PARA BIOAUMENTAÇÃO Geralmente o único motivo que leva os operadores das ETEs a abandonar uma aplicação bem sucedida de produtos para bioaumentação, é o desejo de reduzir os custos com a aquisição desses produtos, mesmo se esses custos representam pouco, em relação aos riscos que correm ao abandonar sua aplicação. Frequentemente o risco de voltar a enfrentar os problemas de antes, ou violar os parâmetros de saída exigidos legalmente, ou deixar de auferir os benefícios que a bioaumentação traz, é suficiente para assegurar a continuidade de um regime de aplicação de produtos para bioaumentação. No Brasil, há algum tempo, quando esses produtos foram recém introduzidos, e seu custo era elevado, ainda havia alguma justificativa para tentar prescindir de sua utilização, a não ser em casos emergenciais. Hoje, o custo desses produtos é relativamente mais baixo, à medida que seu uso se difunde pelo Brasil, e não se justifica evitar seu consumo, mesmo que constante, apenas por motivos de custo. SOLUÇÕES, NÃO SÓ PRODUTOS O valor do apoio técnico, frequentemente oferecido pelos representantes dos fornecedores destes produtos, também pode ser bastante útil, na resolução de eventuais novos problemas. A experiência acumulada desses fornecedores, em relação a diferentes problemas que a bioaumentação também pode solucionar, através da aplicação de diferentes produtos específicos, pode resultar num relacionamento valioso, estável e de confiança, que favorece o operador da ETE, 19 assim como o fornecedor. Finalmente, ainda existe a prática comum, por parte dos fornecedores, como no caso de quaisquer fornecedores de outros produtos de consumo constante, utilizados em ETEs, como produtos químicos, etc., de oferecer descontos para programas de aplicação contínua, através de contratos por prazos determinados. CONCLUSÃO Todos estes fatores nos levam a concluir que o uso de produtos para bioaumentação nas ETEs se justifica facilmente, tanto pelos benefícios diretos de seu uso, na resolução de problemas pontuais e de melhoras operacionais, como através de benefícios indiretos. A otimização da operação de uma ETE também pode incluir a diminuição de problemas infrequentes, porém que ocorrem com uma certa regularidade, e o uso de produtos para bioaumentação pode resultar em uma operação menos sujeita a esses problemas infrequentes, porém sérios. A otimização de uma ETE certamente passa pela redução dos riscos de quedas ou de períodos de desestabilização. O conceito da gestão efetiva da biota de uma ETE não é mais novo, mas envolve muito mais do que a mera introdução de produtos para a bioaumentação. O gerenciamento total eficaz de uma ETE exige o conhecimento dos sistemas geradores dos efluentes, das instalações da ETE em si, da sua operação, e dos conceitos ambientais e da microbiologia, operantes na ETE. Combinando estes conhecimentos será possível obter um novo patamar de operação eficiente, segura e eficaz, e a bioaumentação será um fator chave, para atingir resultados otimizados. A grande mudança de paradigma, na operação das ETEs, ocorrerá quando o objetivo de seu sistema de controle passar a ser a manutenção e o restabelecimento das características microbianas e da biota da ETE, em vez de apenas controlar inconsequentemente, seus parâmetros operacionais imediatos, como forma de solucionar problemas emergenciais, evitar problemas futuros, e otimizar seu desempenho. 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