A África do Sul, um país em desenvolvimento, enfrenta desafios relacionados às suas técnicas de tratamento de água. Isso representa um desafio tecnológico, operacional e econômico para as instalações de tratamento de água.
A África do Sul atravessa atualmente um cenário econômico difícil. Para 2024, a projeção de crescimento do PIB é de aproximadamente 1,2%, uma ligeira melhora em relação ao crescimento inferior a 1% do ano anterior.
Apesar desses desafios, a África do Sul continua sendo um ator importante na região da África Austral, que deverá apresentar um crescimento moderado. A população deverá registrar um forte crescimento anual até 2024.
O tratamento de águas residuais representa um desafio significativo para um país que enfrenta pressões econômicas e de crescimento populacional.
Então, como o tratamento de águas residuais concentra seus recursos nesse ambiente difícil?
A técnica convencional para medir microrganismos na água, chamada Demanda Bioquímica de Oxigênio (DBO), também é conhecida como medição de DBO5. Trata-se de um teste que determina a quantidade de oxigênio consumida por microrganismos durante a decomposição da matéria orgânica em uma amostra de água, ao longo de um período de incubação de 5 dias a 20°C. Este teste é amplamente utilizado como indicador de poluição orgânica na água, pois mede a quantidade de material orgânico biodegradável presente, refletindo a concentração de efluentes ou o nível de poluição em um corpo d'água natural. O valor da DBO5 é normalmente expresso em miligramas de oxigênio por litro (mg/L).
A medição convencional da DBO5 envolve a coleta de amostras representativas de água e, se necessário, a diluição destas para garantir oxigênio dissolvido suficiente. Caso a amostra apresente deficiência de microrganismos, adiciona-se um inóculo. Tampões e nutrientes são incluídos para promover o crescimento microbiano. A concentração inicial de oxigênio dissolvido (OD) é medida e a amostra é incubada a 20 °C por cinco dias no escuro. O OD final é medido posteriormente. O valor da DBO5 é calculado subtraindo-se o OD final do OD inicial, indicando o nível de consumo de oxigênio devido à matéria orgânica.
Esse processo leva cerca de cinco dias, geralmente é terceirizado e tem um custo operacional elevado. No entanto, novas tecnologias podem solucionar esses problemas e atenuar alguns dos pontos problemáticos do processo.
Thomas Ingwani é doutorando na Universidade da África do Sul. Recentemente, ele foi coautor de um artigo intitulado "Umatécnica otimizada e validada de analito substituto A-TEEM-PARAFAC-PLS para detecção e quantificação da demanda biológica de oxigênio em águas superficiais", que confirmou uma técnica óptica mais barata, rápida e precisa que está revolucionando o tratamento de águas residuais nos Estados Unidos.
“A duração de um teste de 5 dias torna a medição da DBO5 insatisfatória e dificulta o desenvolvimento de uma técnica rápida”, disse o pesquisador Thomas Ingwani.
Ele decidiu avaliar um método relativamente novo para abordar algumas das limitações dos testes convencionais de medição de DBO5.
O método baseia-se numa variante proprietária da espectroscopia de fluorescência. A aquisição simultânea de absorbância, transmitância e matriz de excitação-emissão de fluorescência (A-TEEM) cria uma impressão digital molecular das amostras, corrigindo o efeito de filtro interno em tempo real. Isso torna o método independente da concentração.
As amostras são coletadas e colocadas em cubetas, e os resultados são entregues em 15 segundos a 5 minutos, em vez dos dias necessários para a medição convencional de DBO5. A-TEEM funciona com o HORIBA Aqualog, um pequeno instrumento de bancada que pode ser instalado em linha no sistema de análise de água.
Isso informa os engenheiros de forma rápida e precisa sobre como tratar o efluente na planta de tratamento, sem a necessidade de recorrer a serviços externos de terceiros ou esperar dias pelos resultados.
Ingwani concluiu que os picos de fluorescência semelhantes aos de proteínas mostram uma forte correlação entre as características da DBO e as intensidades de fluorescência com A-TEEM.
“Para identificar e medir a DBO em águas superficiais, foi desenvolvido um método de matrizes simultâneas de absorbância-transmitância e excitação-emissão de fluorescência (A-TEEM) combinado com análises PARAFAC (fator paralelo) e PLS (mínimos quadrados parciais), utilizando uma mistura de tirosina e triptofano (tyr-trpt) como analito substituto para a DBO. A utilização de um analito substituto foi escolhida devido à falta de padrões fluorescentes de DBO”, escreveram os autores do artigo.
O resumo discute uma nova abordagem para medir a Demanda Bioquímica de Oxigênio (DBO) em amostras de água, em vez de um teste de 5 dias que pode ser trabalhoso. Os pesquisadores descobriram que certos picos fluorescentes relacionados a proteínas apresentam boa correlação com os níveis de DBO. Devido à ausência de padrões fluorescentes de DBO, uma mistura de tirosina e triptofano foi utilizada como substituta para o padrão de DBO. Este método A-TEEM acoplado às técnicas PARAFAC e PLS, apresentou resultados muito bons, indicando que pode detectar e quantificar efetivamente as misturas de tirosina e triptofano como substitutas para os níveis de DBO em águas superficiais.
Com excelente precisão e confiabilidade, essa técnica tem o potencial de substituir os métodos tradicionais de teste de DBO, oferecendo uma solução mais rápida para estações de tratamento de água. Estudos futuros estão planejados para testar esse método em amostras reais de efluentes de diferentes estações de tratamento.
A conclusão deste artigo destaca um novo método para detecção e medição da DBO em águas superficiais utilizando um analito substituto, especificamente uma mistura de tirosina e triptofano. Este método apresentou resultados promissores, com o instrumento respondendo de forma sensível às misturas de tirosina e triptofano como substituto para as medições de DBO. O método foi validado de acordo com diretrizes estabelecidas e comprovou-se preciso e confiável.
Uma das principais vantagens do método de adição padrão é a sua capacidade de corrigir quaisquer efeitos causados pela matriz da amostra. Embora esse método não substitua completamente análises químicas mais detalhadas, ele pode ajudar a identificar amostras que requerem testes adicionais. De modo geral, são necessários mais estudos para explorar a aplicação desse método em diversas amostras de águas residuais provenientes de diferentes estações de tratamento.
Este estudo tem o potencial de transformar as práticas de cientistas interessados na medição da DBO em água. O método é eficiente, exige preparação mínima da amostra e é simples de executar. Além disso, é mais econômico do que a medição da DBO5, o que representa outra vantagem significativa da técnica.
Ingwani et al. propõem um padrão de mistura de tirosina e triptofano como um substituto adequado para o padrão de DBO na análise de água.
Os desafios da regressão PLS foram resolvidos através da aplicação do algoritmo SIMPLS, considerado o método de regressão PLS mais eficiente e rápido disponível.
A DBO (Demanda Bioquímica de Oxigênio) indica o nível de poluição orgânica presente em ecossistemas aquáticos. Ela avalia a quantidade de matéria orgânica que pode ser decomposta por bactérias aeróbicas em diversos ambientes, incluindo esgoto, solos, sedimentos, resíduos e lodo. Um nível elevado de DBO reflete um grau substancial de poluição orgânica na água, o que permite aos operadores das estações de tratamento criar estratégias para a remoção e o tratamento da matéria orgânica significativa presente. Por outro lado, um nível baixo de DBO indica uma menor quantidade de material orgânico, levando os operadores a ajustarem seus métodos para lidar com essa quantidade menor. A dosagem dos produtos químicos de tratamento pode ser ajustada de acordo (Ingwani et al.).
Ingwani et al. indicaram que esse método tem potencial para ser ampliado para operações de tratamento de águas residuais em grande escala.
Segundo Adam Gilmore, da HORIBA, que também é coinventor do espectrômetro A-TEEM, a análise de uma amostra pelo método BOD 5 tem um custo aproximado de US$ 50. Em contrapartida, o custo da análise de uma amostra por espectroscopia A-TEEM é de cerca de US$ 5, com a vantagem de um processo de preparação de amostras mais simples.
Uma vantagem notável de se obter espectros de absorbância e EMMs 3D simultaneamente é a correção exclusiva dos efeitos de filtro interno, resultando em uma interpretação mais precisa dos dados espectrais.
Gilmore foi nomeado para a Universidade da África do Sul em um cargo equivalente ao de professor visitante.
Thabo Nkambule, conselheiro acadêmico e mentor de Ingwani, é membro do Comitê de Produtos Orgânicos para Qualidade da Água ASTM.
"Muitas vezes se discute a técnica DBO5 e há planos para eliminá-la gradualmente, principalmente porque ela depende de um inóculo de bactérias nos estágios iniciais", disse Nkambule. "A partir daí, eles monitoram o consumo de oxigênio, mas esse inóculo pode variar muito em termos de atividade, dependendo da fonte, do tempo de armazenamento e de outros fatores. Portanto, é uma medição bastante imprecisa. O que estamos trazendo é uma visualização óptica muito mais precisa dos componentes responsáveis por esse processo. É mais 'o que você vê é o que você obtém', porque com a DBO5 você não vê nada além da leitura da concentração de oxigênio. E aqui (com a espectroscopia de fluorescência A-TEEM), vemos os componentes responsáveis pela digestão da matéria orgânica e do oxigênio."
A parceria entre HORIBA e a Universidade da África do Sul continua a crescer.
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