Procedimentos e métodos analíticos

3.3.8.1. Concentração de fósforo, de azoto e de CQO

As concentrações de fósforo total, azoto total e CQO em fase aquosa foram determinadas segundo métodos padronizados (APHA, 2005). Para a determinação do fósforo total fez-se a digestão das amostras com persulfato de potássio, em meio ácido, em autoclave a 121C durante 30 minutos. Após a digestão e arrefecimento das amostras, a concentração de ortofosfatos foi determinada pelo método do ácido ascórbico com quantificação por espectrofotometria a 880 nm. Para a determinação do azoto total fez-se igualmente a digestão das amostras, mas em meio alcalino e utilizou-se o método do dimetilfenol com quantificação por espectrofotometria a 324 nm.

Utilizou-se um espectrofotómetro (DR Lange Cadas 100) e as correspondentes rectas de calibração que foram actualizadas ao longo do trabalho. Nas expressões (3.2) e (3.3) exemplificam-se as duas últimas rectas utilizadas.

Fósforo total : P (mg L-1) = 3,2613*ABS(880nm) - 0,0213 (3.2) Azoto total : N (mg L-1) = 59,866*ABS(324nm) + 5,648 (3.3)

A concentração em CQO foi determinada pelo método do dicromato (APHA, 2005).

3.3.8.2. Eficiência da remoção de fósforo

A monitorização da remoção de fósforo foi feita duas vezes por mês, para cada uma das unidades em estudo. Foram recolhidas amostras de efluente à entrada e à saída das unidades, sendo também cronometrados os tempos de recolha para determinação dos caudais. Estes determinaram-se dividindo o volume de efluente recolhido pelo tempo de recolha da

respectiva amostra. A determinação dos caudais à entrada e à saída das unidades é importante, pois a ocorrência de evapotranspiração faz baixar o caudais de saída relativamente aos caudais de entrada, o que afecta a eficiência de remoção de poluentes. A percentagem de remoção de fósforo foi determinada pela expressão (3.4) (Randerson, et al., 2012; Vohla et al., 2005).

% 100 Re %    i i o o i i C Q C Q C Q mP (3.4) Em que,

Qi – caudal de entrada na unidade [L h-1]; Qo – caudal de saída da unidade [L h-1];

Ci – concentração de fósforo, na corrente de entrada na unidade [mg L-3];

Co – concentração de fósforo, na corrente de saída da unidade [mg L-3];

% Rem P – percentagem de remoção de fósforo [%].

As concentrações de fósforo foram determinadas pelo método descrito na secção 3.3.8.1.

3.3.8.3. Desenvolvimento das canas-de-açúcar

A monitorização do desenvolvimento das canas-de-açúcar fez-se através da medição da altura e do diâmetro dos caules, número e dimensões das folhas verdes. Determinou-se ainda a área superficial das folhas e a taxa de aumento da área foliar.

O desenvolvimento das folhas de cada uma das canas foi avaliado com base nas dimensões da folha +3, que corresponde à terceira folha completamente expandida a contar do topo da cana, e que, tal como indicado na literatura é representativa da folhagem de toda a cana (Gallo et al., 1962). Foi medido o comprimento total da folha (L) e a largura na zona mais larga da folha (LW). A área foliar total de cada planta (LA), foi determinada pela expressão (3.5) e a taxa de aumento da área foliar foi determinada a partir da expressão (3.6) (Oliveira et al., 2005; Silva et al., 2012). Utilizou-se o coeficiente de forma 0,72, válido para folhas de canas-de-açúcar (Sinclair et al., 2004).

) 2 ( 72 . 0   L L N L (3.5)

Em que,

LA – área foliar total da cana [cm2];

LW – largura da folha +3, na zona mais larga [cm]; L – comprimento da folha +3 [cm];

N – número de folhas verdes completamente expandidas [-].

ti ti L ti L TAAF A A     ( 1) ( ) (3.6) Em que,

TAAF – taxa de aumento da área foliar [cm2 dia-1];

LA (ti+1) – área foliar total da cana no momento de amostragem (ti+1) [cm2]; LA (ti) – área foliar total da cana no momento de amostragem (ti) [cm2]; ti – intervalo de tempo entre os dois momentos de amostragem [dia].

Os diâmetros dos caules foram medidos junto à base das canas, no primeiro internó visível. Foi utilizado um paquímetro digital. A altura dos caules foi medida desde a base das canas, junto à superfície do meio de enchimento, até à base da folha +1 (primeira folha completamente expandida a contar do topo da cana). Foi utilizada uma fita métrica.

Determinou-se a taxa de elongamento dos caules pela equação (3.7) (Santos et al., 2009; Oliveira et al., 2005; Silva et al., 2012).

ti ti Ac ti Ac TEC     ( 1) ( ) (3.7) Em que,

TEC – taxa de elongamento do caule [cm dia-1];

Ac (ti+1) – comprimento/altura do caule no momento de amostragem (ti+1) [cm]; Ac (ti) – comprimento/altura do caule no momento de amostragem (ti) [cm];

ti – intervalo de tempo entre os dois momentos de amostragem [dia].

Os procedimentos descritos foram aplicados de igual forma a todas as canas-de-açúcar plantadas nas ZHC estudadas (escala laboratorial e escala piloto).

O índice de área foliar (IF) corresponde à área foliar total da cultura por unidade de área superficial cultivada, que no presente trabalho se considerou como sendo a área superficial das ZHC estudadas. No caso dos vasos a área superficial foi de 0,07 m2 , no caso dos tanques com argila expandida foi 1,2 m2 e no caso dos tanques com fragmentos de calcário e com fragmentos de tijolo foi 0,99 m2.

3.3.8.4. Percentagem de fósforo nos tecidos vegetais das canas-de-açúcar

A determinação da percentagem de fósforo presente nas raízes, nos caules e nas folhas das canas-de-açúcar foi feita com base na massa seca de material vegetal, e a partir da concentração de fósforo resultante da solubilização de cinzas de amostras calcinadas, pelo que foi necessário secar previamente as amostras, calciná-las e solubilizá-las.

As amostras frescas de material vegetal (folhas e caules) foram limpas com papel absorvente para retirar alguma sujidade e depois pesadas. De seguida secaram-se em estufa com circulação de ar, a 60ºC durante 48 horas. No caso das raízes, procedeu-se a lavagem prévia, diversas vezes com água da torneira e depois de ser retirado o excesso de água foram cortadas com uma tesoura, colocadas em tabuleiros e deixadas a secar ao ar de um dia para o outro. Nessa altura pesaram-se e considerou-se este o peso de massa fresca. De seguida secaram-se então na estufa.

Depois de secas as amostras foram novamente pesadas e calculou-se a percentagem de massa seca através da expressão (3.8) (APHA, 2005; Lopez-Hernandez e Sequera, 2012). % 100 %   F S S M M M (3.8) Em que,

MF – massa da amostra fresca [g]; MS – massa da amostra seca [g];

%MS – percentagem de massa seca da amostra [%].

Apesar do método padrão para determinação da percentagem de massa seca de material vegetal indique a secagem a 105ºC até massa constante (APHA, 2005), a maioria dos

estudos com canas-de-açúcar utiliza secagem a 60ºC durante 48 horas (Lopez-Hernandez e Sequera, 2012). Deste modo foram também estas as condições utilizadas neste trabalho.

No caso dos caules, o material fresco foi previamente cortado de modo grosseiro e triturado em moinho de facas (figura 3.5) e só depois foram pesadas as amostras para secarem na estufa (figura 3.6). Optou-se por este método para permitir uma secagem eficaz do material, o que não seria possível com os caules inteiros.

Figura 3.5 - Amostras de caules de cana-de-açúcar grosseiramente cortados e depois de triturados no moinho de facas (à esquerda). Moinho de facas (à direita).

Figura 3.6 - Material vegetal a secar em estufa. Raízes das canas das unidades laboratoriais (à esquerda), caules triturados e folhas (à direita).

A partir do material vegetal seco e triturado no moinho de facas retiraram-se amostras com massa próxima das 0,25 g que se colocaram em cadinhos de porcelana tapados e foram calcinadas em mufla a 550ºC, durante 4 horas (Miller, 1998). Após a calcinação e arrefecimento dos cadinhos, adicionou-se 2,5 mL de HCl 3,0 M, seguido de adição cuidadosa de 5 mL de água destilada. Os cadinhos foram novamente tapados e aquecidos em plana de aquecimento até próximo da ebulição, durante cerca de 2 minutos (figura 3.7).

Figura 3.7 - Cadinhos com amostras calcinadas na mufla (à esquerda) e na placa de aquecimento durante o processo de solubilização com HCl (à direita).

De seguida deixaram-se arrefecer e deitaram-se os conteúdos dos cadinhos em balões volumétricos de 100 mL, lavando várias vezes os cadinhos com água destilada e perfazendo para o volume total dos balões (Miller, 1998). As soluções das cinzas foram analisadas para determinação da concentração de fósforo total, pelo método descrito na secção 3.3.8.1.

A partir do valor desta concentração calculou-se a quantidade de fósforo presente nos 100 mL de solução de cinzas. Esta quantidade é a mesma que se encontrava nas amostras frescas, desprezando eventuais perdas ocorridas durante o processamento das amostras. A percentagem de fósforo na amostra vegetal seca calculou-se a partir da equação (3.9).

% 100 %   S P M M P (3.9) Em que,

MP – massa de fósforo na amostra calcinada (e solubilizada) [g]; MS – massa da amostra seca, antes da calcinação [g];

% P – percentagem de P na amostra, base seca [%].

3.3.8.5. Produtividade da cultura e concentração de sacarose no caldo das canas

A produtividade da cana-de-açúcar pode referir-se à cana em diversas situações e nem sempre a literatura é clara quanto a isto, dificultando muitas vezes as comparações de resultados obtidos. A produtividade pode referir-se à totalidade da planta, incluindo caules e folhas, ou só aos caules, também designados por colmos. Neste caso pode ainda dizer respeito

à chamada cana crua ou cana queimada. Na cana crua as folhas são arrancadas dos caules enquanto que na cana queimada a limpeza das folhas é feita lançando-se fogo aos canaviais, e pós a queimada cortam-se os caules já sem folhas.

A produtividade é também referida por unidade de área, o que significa que a densidade da plantação, também é um factor a ter em conta quando se pretende comparar resultados. Para além da produtividade de cana é também importante a produtividade em termos de sacarose dos caules, pois trata-se de uma matéria-prima importante para a produção de açúcar e de bioetanol.

No presente trabalho, as canas-de-açúcar foram cortadas e pesadas por inteiro, no local de corte, com uma balança dinamómetro. Após esta pesagem, as folhas foram separadas dos caules e pesadas numa balança digital, para avaliação da massa de folhas produzida. Por diferença calculou-se a massa de caules produzidos. A massa de material fresco foi dividida pela área superficial dos respectivos sistemas para estimar a produtividade.

A estimativa da produtividade em sacarose fez-se a partir do pressuposto que a percentagem de sacarose nos caules é de 0,5 g por grama de caule seco, que é o valor médio apontado como sendo o mais abrangente e robusto para as diferentes variedades de cana-de-açúcar e diversas condições de cultivo (Muchow et al, 1996). Assim, a produtividade em sacarose estimou-se através do produto da quantidade de massa seca pelo factor 0,5 g/grama de caule seco.

O caldo da cana-de-açúcar é o suco que se extrai dos caules e tem diversos componentes dissolvidos, mas na cana madura, a percentagem de sacarose é superior a 87% (Azzini et al., 1980). Deste modo, a percentagem de sólidos solúveis no caldo da cana, designada como graus ºBrix, é utilizada como estimativa para o teor de açúcar do caldo.

A percentagem de sacarose na cana-de-açúcar é maior nos internós junto à base e vai diminuindo ao longo da cana e nos internós mais jovens. Assim, a determinação da sacarose em três internós de zonas diferentes da cana, base, meio e topo, permite uma boa estimativa do teor médio de sacarose do caldo da cana (Azzini et al., 1980).

Assim, em cada cana foram retirados os internós da base, meio e topo (figura 3.8). De cada internó retiraram-se porções logitudinais (a concentração de sacarose varia com a altura) que foram esmagadas manualmente num almofariz de porcelana. O material esmagado foi recolhido e espremido através de um pano de algodão. Do caldo produzido recolheram-se

algumas gotas para determinação do teor de sacarose (graus ºBrix) num refractómetro de mão (Atago, modelo ATC-1) com correcção automática da temperatura (figura 3.9).

À semelhança de Caione et al. (2011), utilizou-se um refractómetro, pois é uma prática comum na agro-indústria da cana-de-açúcar e permite uma boa estimativa do teor de sacarose, de modo simples e rápido, ao invés de procedimentos analíticos mais morosos. Tem ainda a vantagem de ser necessária uma quantidade pequena de amostra; apenas algumas gotas.

Figura 3.8 – Internós do meio das canas para estimativa do teor de sacarose (Brix).

Figura 3.9 – Refractómetro de mão para determinação da % de sólidos solúveis (Brix).

3.3.9. Ensaios hidráulicos

Os ensaios hidráulicos foram realizados em dois tanques, sendo um com enchimento de fragmentos de tijolo e o outro com enchimento de fragmentos de calcário, antes da plantação de canas-de-açúcar, e utilizando o cloreto de sódio como traçador.

Na tubagem de alimentação de cada um dos tanques, a juzante da bomba peristáltica, introduziu-se um impulso de 200 mL de solução aquosa com concentração 40 g de NaCl por litro, à semelhança da metodologia utilizada noutros estudos (Chazarenc et al., 2003; Mateus et al., 2012a). Recolheram-se amostras regularmente e foi estimada a sua concentração em NaCl, através da condutividade eléctrica da solução. Utilizou-se um condutivímetro (Meter Toledo, modelo SevenEasy) e a respectiva recta de calibração (equação 3.10).

A condutividade considerada na equação (3.10) é um valor relativo, obtido pela diferença entre a condutividade da amostra recolhida com traçador e a condutividade de base do efluente antes da adição de traçador. Esta condutividade de base, com ausência de traçador,

é um valor estável, determinado a partir de medições regulares da condutividade do efluente antes do início dos ensaios hidráulicos. A injecção do traçador foi feita apenas depois de se ter conseguido um valor de condutividade de base praticamente constante e que se considerou igual a 480 µS cm-1, para os dois tanques.

NaCl (mg L-1) = 0,7298 * Condutividade (µS cm-1) - 1,8848 (3.10)

O tempo de recolha das amostras foi de 10 minutos. A partir da quantidade de amostra recolhida e do respectivo tempo de recolha determinou-se o caudal de saída. A quantidade de traçador recolhido em cada amostra foi determinado pelo produto do caudal pela concentração e a quantidade total recuperada foi determinada através da integração numérica da expressão (2.39), pela regra dos trapézios, abrangendo todo o período de realização dos ensaios, que foi 225 horas.

A partir da quantidade total de traçador recuperado e da quantidade recolhida em cada amostra determinaram-se os pontos da curva experimental de tempos de residência (DTR) (equação 2.38) e por integração numérica determinou-se o tempo de residência médio no interior do leito () e a variância da distribuição (2) (equações 2.36 e 2.37).

A partir dos valores dos parâmetros anteriores e das condições de operação dos sistemas determinaram-se indicadores de eficiência hidráulica e caracterizou-se o regime de escoamento no interior dos leitos.

3.3.10. Modelos e constantes cinéticas de remoção de fósforo

A partir dos valores experimentais obtidos na monitorização da remoção de fósforo nas ZHC piloto com meios de enchimento de fragmentos de tijolo e de calcário (T1, T2, T3 e T4) determinaram-se modelos de regressão linear, à semelhança da metodologia utilizada por diversos investigadores (Kadlec e Knight, 1996; Vymazal, 1998; Vymazal et al., 1998), modelos cinéticos de primeira ordem e valores médios para as respectivas constantes cinéticas de remoção (Kadlec e Wallace, 2009; Zurita et al., 2009).

Os valores das constantes cinéticas de remoção de fósforo foram determinadas à semelhança da metodologia utilizada por Zurita et al. (2009). Nos modelos cinéticos foram

utilizadas a equações (2.16), correspondente ao modelo cinético mais simples e a equação (2.29) correspondente ao modelo K-C*, ambas considerando o escoamento pistão no interior dos leitos, e foi também utilizada a equação (2.21) correspondente ao modelo P-K-C* que considera o regime hidrodinâmico descrito pelo modelo dos N tanques em série (Kadlec e Wallace, 2009), Considerou-se o valor de 0,02 mg L-1 para a concentração residual de fósforo (Kadlec e Wallace, 2009).

O número de tanques em série (N) foi determinado a partir dos resultados obtidos nos ensaios hidráulicos, mediante o melhor ajuste entre a curva real de DTR e a curva teórica (equação 2.32). Como melhor ajuste considerou-se aquele que produz um menor valor da somas dos quadrados dos erros entre o valor real e o teórico das curvas de DTR (Kadlec e Wallace, 2009).

Nos ajustes e cálculos referidos foi utilizado o programaExcel (Microsoft, USA) e com o programa Statistica (StatSoft Inc, USA) foi feita a análise estatística da correlação de Spearman para as variáveis ajustadas, para intervalos de confiança de 95%.