As lagoas de estabilização são locais para tratamento de efluentes, por processos químicos e biológicos, com o objetivo de reter a matéria orgânica e gerar água com qualidade para retornar ao meio ambiente.
São lagoas constituídas de forma simples onde os esgotos entram em uma extremidade e saem na oposta. A matéria orgânica em suspensão é depositada no fundo da lagoa por ação da Gravidade, formando um lodo que se estabiliza. O processo de tratamento da água contaminada se baseia nos princípios da respiração e da fotossíntese das algas existentes no esgoto. Estes organismos produzem oxigênio na presença de luz, que é liberado através da fotossíntese. Esse oxigênio dissolvido é utilizado pelas bactérias aeróbicas (respiração) para se alimentarem da matéria orgânica em suspensão. O resultado é a produção de sais minerais (alimento das algas) e de gás carbônico.
Assim, cumpre o objetivo de reduzir a carga orgânica através de processos biológicos naturais, controlados e otimizados, além de remover agentes patogênicos do efluente.
Esse método se apresenta como umas das tecnologias mais simples e de baixo custo operacional, devido aos elevados valores de remoção de matéria orgânica e patógenos, sendo empregada em todo o mundo, principalmente em regiões de clima tropical.Peña Varón, M., Mara, D. (2004). Lagoas de estabilização. Centro Internacional de Água e Saneamento do IRC. Delft, Holanda.
Os mecanismos envolvidos na remoção de matéria orgânica no sistema de lagoas de estabilização são resultados da simbiose que ocorre entre bactérias e algas. As bactérias facultativas utilizam a matéria orgânica como fonte de energia provocando a decomposição da matéria orgânica. Quando esse processo é efetuado pela respiração aeróbia, as algas desempenham papel fundamental, pois são responsáveis pela produção de oxigênio através da fotossíntese e pela remoção de nutrientes. Para que esses processos ocorram, a luminosidade e a temperatura são essenciais.Von Sperling, Marcos. "Lagoas de Estabilização-Princípios do Tratamento Biológico de Águas Residuárias, v. 3 (2ª Edição ampliada)." Belo Horizonte, Departamento de Engenharia Sanitária e Ambiental da Universidade Federal de Minas Gerais (DESA/UFMG) 196 (2009).
O sistema de lagoas de estabilização pode consistir de uma única lagoa ou várias lagoas em série. Após o tratamento o efluente pode ser devolvido às águas superficiais ou reutilizado como água de irrigação se o efluente cumprir os padrões de efluentes requeridos na legislação.
Conceito de Estabilização O Esgoto possui grandes quantidades de matéria orgânica em sua constituição. A matéria orgânica é alimento para microorganismos que vivem em ambientes de águas superficiais, como lagos e rios. Na presença de matéria orgânica e condições adequadas do meio (estabelecida cientificamente como Demanda Bioquímica de Oxigênio-DBO), estes microrganismos são capazes de produzir energia e se reproduzirem através da respiração. Neste processo, a matéria orgânica é convertida, principalmente, em gás carbônico e água, componentes estáveis para o meio e que não causam contaminação do corpo receptor. Este processo é chamado de estabilização da matéria orgânica. Von Sperling, Marcos, and Carlos Augustos de Lemos Chernicharo. Biological wastewater treatment in warm climate regions. IWA publishing, 2017.
No entanto, esses organismos consomem oxigênio no processo de respiração, e a concentração deste recurso no meio aquoso é reduzida. Este fator é prejudicial para a saúde do corpo hídrico, uma vez que a falta de oxigênio no meio pode afetar a Biota, principalmente a presença de macrovida (por exemplo, peixes). Assim, se o esgoto for lançado sem tratamento em um corpo receptor (como Rio, Córrego, Solo ou um Organismo como o Humano), pode trazer consequências graves para o Ecossistema presente Von Sperling, Marcos. Basic principles of wastewater treatment. IWA publishing, 2017..
Para evitar os problemas citados, as lagoas de estabilização recebem o esgoto e reproduzem os fenômenos biológicos citados anteriormente, de forma que a matéria orgânica seja estabilizada antes que o efluente seja diretamente lançado em um corpo d’água. Dessa forma, esses mecanismos de remoção da matéria orgânica recebem o nome de lagoas de estabilização de resíduos.VON SPERLING, Marcos. Waste stabilisation ponds. IWA publishing, 2017.
Microorganismos
As reações de decomposição e conversão da matéria orgânica é resultado das relações Simbióticas entre espécies de Bactérias e de Algas. A matéria orgânica em suspensão no efluente sedimenta no fundo da lagoa, constituindo o lodo de fundo, uma zona Anaeróbica. Este lodo é decomposto por bactérias anaeróbicas, sendo convertido vagarosamente em Gás carbônico, Água, Metano e outros. A matéria orgânica que está dissolvida no efluente e a que está em suspensão se localiza na parte superficial, denominada zona Aeróbica, oxidadas por meio de bactérias aeróbicas.
As algas são outro grupo essencial de microrganismos presentes nas lagoas de estabilização. Elas não dependem diretamente do material orgânico presente no efluente. Em vez disso, as algas, com a exposição adequada ao sol, realizam a Fotossíntese e produzem energia para seu Metabolismo. Nesse processo, liberam Oxigénio. O excesso de oxigênio liberado suporta a respiração feita pelos organismos aeróbicos, presentes em algumas lagoas. O oxigênio atmosférico também é dissolvido no efluente, o que ajuda a manter uma camada aeróbia no topo da superfície da lagoa.
Níveis de Oxigênio
A concentração de oxigênio varia na coluna de líquido: perto da superfície, as concentrações são altas e suportam o crescimento de organismos aeróbicos. Perto do fundo do lago, a penetração da luz solar é baixa e, portanto, a atividade fotossintética é reduzida. Isso faz com que as concentrações de oxigênio sejam baixas nessa faixa da lagoa. Finalmente, dentro dos sedimentos da camada inferior, não há oxigênio, de forma que a matéria orgânica é removida pela digestão realizada por organismos anaeróbios.
Remoção de Patógenos
Patógenos podem ser eficientemente removidos em tanques de estabilização de resíduos. O processo baseia-se principalmente em tanques de maturação para remoção de patógenos, embora algumas remoções também ocorram nas outras lagoas do sistema. Quanto maior o número de lagoas na série, mais eficiente a remoção do patógeno.Weaver, L; Webber, J; Karki, N; Thomas, K; Mackenzie, M; Lin, S; Inglis, A; Williamson, W (2016). "Optimising wastewater ponds for effective pathogen removal" (PDF). 11th IWA Specialist Group Conference on Wastewater Pond Technology, University of Leeds, March 2016.
A remoção de bactérias e vírus patogênicos ocorre principalmente por inativação. Os patógenos são inativados como resultado de uma complexa interação de mecanismos que envolvem o PH (o pH das lagoas é alto por causa da fotossíntese de algas), Temperatura, Radiação ultravioleta presente na Luz solar que atinge a superfície da lagoa, reações foto-oxidativas, e concentrações de oxigênio.
Patógenos Protozoários estão presentes nas águas residuais na forma de cistos ou oocistos. Os helmintos (Vermes) estão presentes na forma de ovos. Os patógenos protozoários e helmintos podem ser removidos pelo mecanismo de Sedimentação. Podem ser obtidas eficiências de remoção muito altas, especialmente se as lagoas de maturação fizerem parte do sistema de tratamento. Nesse caso, o efluente final da lagoa pode estar em conformidade com as diretrizes da Organização Mundial da Saúde para irrigação com resíduos de águas tratadas (ou "água recuperada"). No entanto, o lodo (sedimento) das lagoas pode estar fortemente contaminado com ovos de helmintos, que podem sobreviver mesmo após vários anos armazenando o lodo dentro da lagoa.
Tipos de Lagoas de Estabilização Lagoas Anaeróbias
Lagoas Anaeróbias são mecanismos para o tratamento de esgotos domésticos e despejos industriais com alto teor de matéria orgânica. Este mecanismo trabalha em condições estritamente anaeróbias, ou seja, na ausência de oxigênio dissolvido em meio aquoso.
O processo de tratamento do esgoto em lagoas anaeróbias ocorre da seguinte forma: Primeiramente, o esgoto bruto entra na lagoa anaeróbia por uma extremidade. A matéria orgânica presente no esgoto começa a ser convertida em moléculas mais simples e, posteriormente, em Ácidos, através de bactérias anaeróbias acidogênicas. Não há, nesta fase inicial, remoção de matéria orgânica. Posteriormente, os ácidos produzidos na fase inicial, começam a ser convertidos em metano (〖CH〗_4), gás carbônico (〖CO〗_2) e água (H_2 O), por meio de bactérias anaeróbias metanogênicas. O Metano, substância gasosa, tende a escapar do meio líquido para a Atmosfera da Terra.
As bactérias metanogênicas são muito sensíveis às condições ambientais. Caso sua taxa de reprodução caia, a matéria orgânica deixa de ser eliminada e maus odores começam a aparecer, devido a presença dos ácidos produzidos na primeira etapa, principalmente devido a formação do sulfeto de hidrogênio (H_2 S). É importante, também, que haja o adequado equilíbrio entre as comunidades de bactérias presentes na lagoa.
Não deve haver oxigênio dissolvido no meio aquoso pois as bactérias metanogênicas são estritamente anaeróbias, o que comprometeria a conversão da matéria orgânica. A temperatura do esgoto na lagoa deve estar acima de 15 graus (eficiência máxima entre 30 e 35 graus) e o pH idealmente entre 7,2 a 7,5.Uehara, Michele Yukie, et al. "Operação e manutenção de lagoas anaeróbias e facultativas." CETESB série manuais. CETESB, 1989.
As lagoas anaeróbias não requerem equipamentos especiais e seu consumo de energia é praticamente desprezível. Devem ser profundas, na ordem de 3 m a 5 m, para que sejam reduzidas as possibilidades do oxigênio passar das camadas mais superficiais para as camadas mais profundas, comprometendo o processo de conversão da matéria orgânica pelas bactérias metanogênicas.
Devido à grande profundidade das lagoas anaeróbias, a área requerida para que as lagoas sejam instaladas é menor. Entretanto, o acúmulo de lodo ocorre mais rapidamente, devido justamente ao menor volume apresentado. Dessa forma, é necessário um adequado planejamento de gerenciamento do lodo.
Dependendo do carregamento e das condições climáticas, essas lagoas são capazes de remover entre metade e dois terços da matéria orgânica, diminuindo-a consideravelmente. Entretanto, a quantidade de matéria orgânica remanescente ainda é alta, sendo necessário uma unidade posterior de tratamento, normalmente uma Lagoa Facultativa. O sistema de lagoas anaeróbias seguidas de lagoas facultativas é denominado Sistema Australiano.
Lagoas Facultativas
Lagoas Facultativas são modelos simplificados de Lagoas de Estabilização. O princípio básico desse mecanismo consiste na retenção do esgoto por períodos relativamente longos e que sejam suficientes para que ocorra a estabilização da matéria orgânica. O processo de estabilização do esgoto ocorre de forma natural, por meio de bactérias aeróbias e anaeróbias.