Leitos cultivados no tratamento de esgoto

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RÔNEGA BOA SORTE VARGAS

LEITOS CULTIVADOS NO TRATAMENTO DE ESGOTO

CAMPINAS 2015

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UNIVERSIDADE ESTADUAL DE CAMPINAS Faculdade de Engenharia Agrícola

RÔNEGA BOA SORTE VARGAS

LEITOS CULTIVADOS NO TRATAMENTO DE ESGOTO

Orientador: Prof. Dr. JOSÉ TEIXEIRA FILHO

Assinatura do orientador

CAMPINAS 2015

Dissertação apresentada à Faculdade de Engenharia Agrícola da Universidade Estadual de Campinas como parte dos requisitos exigidos para obtenção do título de Mestra em Engenharia Agrícola, na área de concentração de Água e Solo.

ESTE EXEMPLAR CORRESPONDE À VERSÃO FINAL DA DISSERTAÇÃO DEFENDIDA PELA ALUNA RÔNEGA BOA SORTE VARGAS, E ORIENTADA PELA PROF. DR. JOSÉ TEIXEIRA FILHO.

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vii RESUMO

O uso de leitos cultivados (LC) é uma alternativa no tratamento de efluentes, pois atuam na retenção/remoção dos nutrientes e/ou substâncias químicas. Com base nesta abordagem, a presente pesquisa objetivou avaliar o desempenho dos sistemas de leitos cultivados de fluxo subsuperficial no pós-tratamento de efluentes domésticos de Reatores Anaeróbios Compartimentados (RAC). O sistema é composto de três unidades de leitos cultivados: sendo LC1-leito cultivada sem planta, LC2-leito cultivado com Canna×generalis L e LC3-leito cultivado com Eichhornia crassipes. Foram monitorados aspectos meteorológicos (Temperatura e Precipitação), da vegetação (determinação da biomassa verde e seca), quantitativo do afluente/efluente (Vazão, Evapotranspiração e Tempo de Detenção Hidráulica) e qualitativo do afluente/efluente (Temperatura, Oxigênio Dissolvido, Potencial Hidrogeniônico, Demanda Química de Oxigênio, Fósforo Total, Nitrito, Nitrato, Nitrogênio Amoniacal, Nitrogênio Total Kjeldahl, Nitrogênio Total). Analisou-se as três unidades de leitos separadamente e posteriormente comparou-se os resultados obtidos entre eles. Sendo possível observar que o LC3, cultivado com Eleocharis crassipes (Aguapé) foi a unidade de LC com maior destaque das três unidades de leitos cultivados, visto que esse LC foi o mais eficiente para os parâmetros Demanda Química de Oxigênio (DQO), Fósforo Total, Nitrogênio Amoniacal, Nitrogênio Total Kjeldahl (NTK) e Nitrogênio Total (NT). O LC1 (sem planta) foi mais eficiente para os parâmetros Nitrito e Nitrato. Enquanto que o LC2, cultivado com a espécie ornamental Canna×generalis L. (Biri), apesar de ter obtido eficiência satisfatória, não se destacou em relação às demais unidades de LC pesquisadas para nenhum dos parâmetros analisados. Conclui-se que o sistema de leitos cultivados utilizado no pós-tratamento de efluente de Reator Anaeróbio Compartimentado (RAC) mostrou-se, de forma geral, eficiente para retenção/remoção dos parâmetros analisados.

Palavras-chave: wetlands construídos, esgoto doméstico, retenção/remoção de nitrogênio e fósforo.

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ix ABSTRACT

The use of constructed wetlands (CW) is an alternative treatment of effluents, because they act in the retention/removal of nutrients and/or chemicals. Based on this approach, the present study aimed to evaluate the performance of subsurface flow CW systems in post-treatment of effluent after anaerobic baffled reactor (ABR). The system consists of three units of wetlands: the first one has any plant (LC1), the other were cultivated with ornamental species Canna x generalis L. (LC2), and the third one were cultivated with Eleocharis crassipes (LC3). It were monitored some meteorological aspects (temperature and precipitation), vegetation aspects (green and dried biomass determination), qualitative aspect of affluent/effluent (Flow, Evapotranspiration and Hydraulic Retention Time) and quality of the affluent/effluent (Temperature, Dissolved Oxygen, Hydrogen Potential, Chemical Oxygen Demand, Total Phosphorus, Nitrite, Nitrate, Ammoniacal Nitrogen, Total Kjeldahl Nitrogen, Total Nitrogen). It was analyzed the three units of beds separately then it was made the comparison of these obtained results between them. It’s possible to see that LC3, the one which were cultivated with Eleocharis crassipes, was the most notably CW unit, because it’s show the best efficiency for the parameters Biochemical Oxygen Demand (BOD), Total Phosphorus, Conductivity Meters, Total Kjeldahl nitrogen (TKN) and Total Nitrogen (TN). The LC1 (no plant) was more efficient to nitrite and nitrate. At least, LC2, the one cultivated with ornamental species Canna x generalis L. (Biri), despite had received satisfactory efficiency, it did not stand out compared to other LC units surveyed for the parameters analyzed. It follows that the system of wetlands used in the post-treatment of Anaerobic Baffled Reactor (ABR) effluent proved that, in general, can be effective for retention/remotion of analyzed parameters.

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xi SUMÁRIO

LISTA DE FIGURAS ... xv

LISTA DE ABREVIAÇÕES ... xxix

INTRODUÇÃO ... 1

CAPÍTULO 1 – HIPÓTESES E OBJETIVOS ... 3

1.1. HIPÓTESES ... 3

1.2. OBJETIVOS ... 3

CAPÍTULO 2 - REFERENCIAIS TEÓRICOS ... 4

2.1. SISTEMA DE TRATAMENTO COM LEITOS CULTIVADOS ... 4

2.2. PRINCIPAIS ELEMENTOS ATUANTES NO SISTEMA DE LEITOS CULTIVADOS ... 5

2.2.1. Meio Suporte ... 5

2.2.2. Plantas ... 6

2.2.2.1. Canna×generalis L. (Biri) ... 7

2.2.2.2. Eichhornia crassipes (Aguapé) ... 8

2.2.3. Tipo de escoamento ... 9

2.2.4. Biofilmes... 10

2.3. EVAPOTRANSPIRAÇÃO ... 11

2.4. RETENÇÃO/REMOÇÃO EM LEITOS CULTIVADOS ... 11

2.4.1. Matéria Orgânica ... 11 2.4.2. Nitrogênio ... 12 2.4.3. Fósforo ... 13 2.4.4. Fatores Abióticos ... 15 2.4.5. Temperatura ... 15 2.4.6. Potencial Hidrogeniônico (pH) ... 15

2.4.7. Oxigênio Dissolvido (OD) ... 16

CAPÍTULO 3 - MATERIAL E MÉTODOS ... 18

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3.2. DESCRIÇÃO DO SISTEMA DE TRATAMENTO ... 19

3.2.1. Leitos cultivados (LC) ... 20

3.3. MONITORAMENTO DOS LEITOS CULTIVADOS ... 21

3.3.1. Dados meteorológicos... 21

3.3.2. Monitoramento da vegetação ... 22

3.3.3. Monitoramento quantidade do afluente/efluente ... 22

3.3.4. Monitoramento qualidade do afluente/efluente ... 24

3.4. PERÍODO E ESCALA DE MONITORAMENTO DOS LEITOS CULTIVADOS ... 24

3.4.1. Eficiência de retenção/remoção dos parâmetros analisados ... 25

3.4.2. Análise estatística ... 26

CAPÍTULO 4 - RESULTADOS ... 27

4.1. ESCALA DE MONITORAMENTO ... 27

4.2. ENTRADAS DAS UNIDADES DE LEITO CULTIVADO ... 29

4.3. MONITORAMENTO DO CLIMA ... 29

4.4. MONITORAMENTO DOS LEITOS CULTIVADOS (LC) ... 30

4.4.1. Leito Cultivado sem planta (LC1) ... 30

4.4.2. Leito Cultivado com Canna×generalis L. (LC2) ... 58

4.4.3. Leito Cultivado com Eichhornia crassipes (LC3) ... 85

4.5. MONITORAMENTO DA VEGETAÇÃO... 113

4.6. ANÁLISE ESTATÍSTICA ... 116

CAPÍTULO 5 - DISCUSSÕES ... 118

CAPÍTULO 6 - CONCLUSÕES ... 133

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AGRADECIMENTO

Ao Grande Criador, presente ontem, hoje e sempre na minha vida;

Aos meus pais Getúlio Vargas da Silva e Joserita Maria Dias Boa Sorte por terem me dado força em todos os momentos;

Aos meus irmãos Laura Luiza, Pedro Ivo e Isabel;

A minha filha de quatro patas (Marie) por passar madrugadas ao meu lado;

Ao meu orientador Professor Dr. José Teixeira Filho, pelo ensinamento e dedicação;

Aos membros da Banca examinadora Prof. Dr. Denis Miguel Roston (FEAGRI/Unicamp) e Prof. Dr. Edson Aparecido Abdul Nour (FEC/Unicamp), por terem aceitado participar da finalização desse trabalho;

À agência de fomento CNPq pela bolsa de estudo concedida; Ao Professor Dr. Inácio Maria Dal Fabbro, pelo acolhimento e paz;

Á equipe de coordenação da pós-graduação em nome da Rita de Cassia Cuesta Ferreira e Prof. Dr. Luiz Henrique Antunes Rodrigues pelo profissionalismo e constante colaboração;

Aos Professores Dr. Delvio Sandri e Dr. Marcus Campos, respectivos orientadores de graduação e especialização, por serem os incentivadores diretos da realização de mais uma etapa da minha vida acadêmica.

A secretaria de graduação Rosângela Oliveira pelo apoio nos momentos difíceis;

Aos docentes responsáveis pelas disciplinas do programa de pós-graduação, pelo empenho e capacidade, que possibilitaram enriquecimento técnico e profissional.

Ao Giovane Brota por ser sempre paciente e por disponibilizar o laboratório de Qualidade da Água e Saneamento da Feagri/Unicamp;

Aos amigos Gustavo Barbosa, Gabriela Silva e Juliana Fracarolli pela dedicação em todos os momentos que precisei de força;

Ao Luiz Julião e a Rojane Kletecke pelas ajudas prestadas no laboratório, além dos momentos divertidos que passamos juntos;

Aos colegas que fiz não só na pós-graduação como em toda Campinas-SP;

A amiga de longa data Patrícia Lopes Cavalcante, pela amizade e apoio incondicional, essencial não só nesse período mas em grande parte da minha vida;

Aos funcionários de campo experimental, em especial ao Sergio Lopes e ao Antônio Sipriano (Pequeno), pela disponibilidade em ajudar sempre que fosse preciso;

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LISTA DE FIGURAS

Figura 1 Planta de Canna×generalis L. ... 7 Figura 2 Planta de Eichhornia crassipes ... 8 Figura 3 Classificação dos Leitos Cultivados, segundo características hidráulicas da

movimentação do efluente: Leitos cultivados de escoamento horizontal subsuperficial (a), Leitos cultivados de escoamento vertical (b), Leitos cultivados de escoamento superficial (c) ... 9 Figura 4 Representação esquemática da formação do biofilme aderido ao meio suporte e nas

raízes. ... 10 Figura 5 Vista do Campo Experimental da Faculdade de Engenharia Agrícola/UNICAMP.

(Destaque para a área do experimento). ... 18 Figura 6 Esquema sem escala do Sistema de tratamento de esgoto da FEAGRI/UNICAMP. 19 Figura 7 Sequência percorrida pelo afluente produzido na FEAGRI antes de chegar às unidades

de leitos cultivados (a) Esgoto bruto, (b) Reatores Anaeróbio Compartimentado (RAC), (c) Caixa de distribuição. ... 20

Figura 8 Unidades de Leitos cultivados (a) Leito Cultivado sem planta (LC1); (b) Leito Cultivado com Canna×generalis L (LC2), (c) Leito Cultivado com Eichhornia crassipes(LC3). ... 21

Figura 9 Vazão horária de entrada (Q Entrada) e saída (Q Saída) do LC sem planta (LC1), para os dias 28/08/2013 (a) e 04/09/2013 (b). ... 30 Figura 10 Temperatura horária de entrada e saída do LC sem planta (LC1), para os dias

28/08/2013 (a) e 04/09/2013 (b). ... 31 Figura 11 Concentração horária de OD entrada (OD Entrada) e saída (OD Saída) do LC sem

planta (LC1), para os dias 28/08/2013 (a) e 04/09/2013 (b). ... 31 Figura 12 pH horário de entrada (pH Entrada) e saída (pH Saída) do LC sem planta (LC1), para

os dias 28/08/2013 (a) e 04/09/2013 (b). ... 32 Figura 13 Vazão média diária de entrada e saída no LC sem planta (LC1). ... 33 Figura 14 Altura diária total da lâmina d’água evaporada no LC sem planta (LC1). ... 33

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Figura 15 Tempo de detenção hidráulica (TDH) no LC sem planta (LC1). ... 34 Figura 16 Temperatura média diária de entrada e saída no LC sem planta (LC1). ... 34 Figura 17 Concentração de OD média diária de entrada e saída no LC sem planta (LC1). ... 35 Figura 18 Diferença de concentração de OD média diária de entrada e saída no LC sem planta

(LC1). ... 35 Figura 19 pH médio diário de entrada e saída no LC sem planta (LC1). ... 36 Figura 20 Concentração de Demanda Química de Oxigênio (DQO) médias diárias de entrada e

saída no Leito Cultivado sem planta (LC1). ... 37 Figura 21 Carga de Demanda Química de Oxigênio (DQO) médias diárias de entrada e saída

no Leito Cultivado sem planta (LC1). ... 37 Figura 22 Retenção da carga de Demanda Química de Oxigênio (DQO) no Leito Cultivado sem

planta (LC1). ... 38 Figura 23 Concentração de Fósforo Total média diária de entrada e saída no Leito Cultivado

sem planta (LC1). ... 38 Figura 24 Carga de Fósforo Total média diária de entrada e saída no Leito Cultivado sem planta

(LC1). ... 39

Figura 25 Retenção da carga de Fósforo Total no Leito Cultivado sem planta (LC1)... 39 Figura 26 Concentração de Nitrogênio Amoniacal média diária de entrada e saída no Leito

Cultivado sem planta (LC1). ... 40 Figura 27 Carga de Nitrogênio Amoniacal média diária de entrada e saída no Leito Cultivado

sem planta (LC1). ... 40 Figura 28 Retenção da carga de Nitrogênio Amoniacal no Leito Cultivado sem planta (LC1). ... 41 Figura 29 Concentração de Nitrito média diária de entrada e saída no Leito Cultivado sem planta

(LC1). ... 41 Figura 30 Carga de Nitrito média diária de entrada e saída no Leito Cultivado sem planta (LC1). ... 42 Figura 31 Retenção da carga de Nitrito no Leito Cultivado sem Plantas (LC1). ... 42

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Figura 32 Concentração de Nitrato média diária de entrada e saída no Leito Cultivado sem planta (LC1). ... 43 Figura 33 Carga de Nitrato média diária de entrada e saída no Leito Cultivado sem planta (LC1). ... 43 Figura 34 Retenção da carga de Nitrato no Leito Cultivado sem planta (LC1). ... 44 Figura 35 Concentração de NTK média diária de entrada e saída no Leito Cultivado sem planta

(LC1). ... 45 Figura 36 Carga de NTK média diária de entrada e saída no Leito Cultivado sem planta (LC1). ... 45 Figura 37 Retenção da carga de NTK no Leito Cultivado sem Plantas (LC1). ... 46 Figura 38 Concentração de Nitrogênio Total média diária de entrada e saída no LC sem planta

(LC1). ... 46 Figura 39 Carga de Nitrogênio Total média diária de entrada e saída no LC sem planta (LC1). ... 47 Figura 40 Retenção da carga de Nitrogênio Total no Leito Cultivado sem Plantas (LC1). ... 47 Figura 41 Vazão horária de entrada (Q Entrada) e saída (Q Saída) do LC com Canna×generalis

L. (LC2), para os dias 28/08/2013 (a) e 04/09/2013 (b). ... 58

Figura 42 Temperatura de entrada e saída do LC com Canna×generalis L. (LC2), para os dias 28/08/2013 (a) e 04/09/2013 (b). ... 59 Figura 43 Concentração horária de OD entrada (OD Entrada) e saída (OD Saída) do LC com

Canna×generalis L. (LC2), para os dias 28/08/2013 (a) e 04/09/2013 (b). ... 59

Figura 44 pH horária de entrada (ph Entrada) e saída (pH Saída) do LC com Canna×generalis L. (LC2), para os dias 28/08/2013 (a) e 04/09/2013 (b). ... 60

Figura 45 Vazão média diária de entrada e saída no LC com Canna×generalis L. (LC2). ... 60 Figura 46 Altura diária total da lâmina d’água evaporada no LC com Canna×generalis L. (LC2). ... 61 Figura 47 Tempo de detenção hidráulica (TDH) no LC com Canna×generalis L. (LC2). ... 61 Figura 48 Temperatura-média diária de entrada e saída no LC com Canna×generalis L. (LC2). ... 62

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Figura 49 Concentração de OD média diária de entrada e saída no LC com Canna×generalis L. (LC2). ... 62 Figura 50 Diferença de concentração de OD média diária de entrada e saída no LC com

Canna×generalis L. (LC2). ... 63

Figura 51 pH médio diária de entrada e saída no LC com Canna×generalis L. (LC2). ... 63 Figura 52 Concentração de Demanda Química de Oxigênio (DQO) média diária de entrada e

saída no Leito Cultivado com Canna×generalis L. (LC2). ... 64 Figura 53 Carga de Demanda Química de Oxigênio (DQO) média diária de entrada e saída no

Leito Cultivado com Canna×generalis L. (LC2). ... 65 Figura 54 Retenção/Remoção da carga de DQO no Leito Cultivado com Canna×generalis L.

(LC2). ... 65 Figura 55 Concentração de Fósforo Total média diária de entrada e saída no Leito Cultivado

com Canna×generalis L. (LC2). ... 66 Figura 56 Carga de Fósforo Total média diária de entrada e saída no Leito Cultivado com

Figura 57 Retenção/Remoção da carga de Fósforo Total no Leito Cultivado com Canna×generalis L. (LC2). ... 67

Figura 58 Concentração de Nitrogênio Amoniacal média diária de entrada e saída no Leito Cultivado com Canna×generalis L. (LC2). ... 67 Figura 59 Carga de Nitrogênio Amoniacal média diária de entrada e saída no Leito Cultivado

com Canna×generalis L. (LC2). ... 68 Figura 60 Retenção/Remoção da carga de Nitrogênio Amoniacal no Leito Cultivado com

Figura 61 Concentração de Nitrito média diária de entrada e saída no Leito Cultivado com Canna×generalis L. (LC2). ... 69

Figura 62 Carga de Nitrito média diária de entrada e saída no Leito Cultivado com Canna×generalis L. (LC2) ... 70

Figura 63 Retenção/Remoção da carga de Nitrito no Leito Cultivado com Canna×generalis L. (LC2). ... 70

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Figura 64 Concentração de Nitrato média diária de entrada e saída no Leito Cultivado com Canna×generalis L. (LC2). ... 71

Figura 65 Carga de Nitrato média diária de entrada e saída no Leito Cultivado com Canna×generalis L. (LC2). ... 71

Figura 66 Retenção/Remoção da carga de Nitrato no Leito Cultivado com Canna×generalis L. (LC2). ... 72 Figura 67 Concentração de NTK média diária de entrada e saída no Leito Cultivado com

Figura 68 Carga de NTK média diária de entrada e saída no Leito Cultivado com Canna×generalis L. (LC2). ... 73

Figura 69 Retenção/Remoção da carga de NTK no Leito Cultivado com Canna×generalis L. (LC2). ... 73 Figura 70 Concentração de Nitrogênio Total média diária de entrada e saída no LC com

Figura 71 Carga de Nitrogênio Total média diária de entrada e saída no LC com Canna×generalis L. (LC2). ... 75

Figura 72 Retenção/Remoção da carga de Nitrogênio Total no Leito Cultivado com Canna×generalis L. (LC2). ... 75

Figura 73 Vazão horária de entrada (Q Entrada) e saída (Q Saída) do LC com Eichhornia crassipes (LC3), para os dias 28/08/2013 (a) e 04/09/2013 (b). ... 86

Figura 74 Temperatura de entrada e saída do LC Eichhornia crassipes (LC3), para os dias 28/08/2013 (a) e 04/09/2013 (b). ... 86 Figura 75 Concentração horária de OD entrada (OD Entrada) e saída (OD Saída) do LC

Eichhornia crassipes (LC3), para os dias 28/08/2013 (a) e 04/09/2013 (b). ... 87

Figura 76 pH horária de entrada (ph Entrada) e saída (pH Saída) do LC com Eichhornia crassipes (LC3), para os dias 28/08/2013 (a) e 04/09/2013 (b). ... 87

Figura 77 Vazão média diária de entrada e saída no Leito Cultivado com Eichhornia crassipes (LC3). ... 88

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Figura 78 Altura diária total da lâmina d’água evaporada no Leito Cultivado com Eichhornia crassipes (LC3). ... 89

Figura 79 Tempo de detenção hidráulica (TDH) no Leito Cultivado com Eichhornia crassipes (LC3). ... 89 Figura 80 Temperatura média diária de entrada e saída no Leito Cultivado com Eichhornia

crassipes (LC3). ... 90

Figura 81 Concentração de OD média diária de entrada e saída no Leito Cultivado com Eichhornia crassipes (LC3). ... 90

Figura 82 Diferença de concentração de OD média diária de entrada e saída no Leito Cultivado com Eichhornia crassipes (LC3). ... 91 Figura 83 pH média diária de entrada e saída no Leito Cultivado com Eichhornia crassipes

(LC3). ... 92 Figura 84 Concentração de Demanda Química de Oxigênio (DQO) média diária de entrada e

saída no Leito Cultivado com Eichhornia crassipes (LC3). ... 92 Figura 85 Carga de Demanda Química de Oxigênio (DQO) média diária de entrada e saída no

Leito Cultivado com Eichhornia crassipes (LC3). ... 93

Figura 86 Retenção da carga de Demanda Química de Oxigênio (DQO) no Leito Cultivado com Eichhornia crassipes (LC3). ... 93

Figura 87 Concentração de Fósforo Total média diária de entrada e saída no Leito Cultivado com Eichhornia crassipes (LC3). ... 94 Figura 88 Carga de Fósforo Total média diária de entrada e saída no Leito Cultivado com

Eichhornia crassipes (LC3). ... 95

Figura 89 Retenção da carga de Fósforo Total no Leito Cultivado com Eichhornia crassipes (LC3). ... 95 Figura 90 Concentração de Nitrogênio Amoniacal média diária de entrada e saída no Leito

Cultivado com Eichhornia crassipes (LC3). ... 96 Figura 91 Carga de Nitrogênio Amoniacal média diária de entrada e saída no Leito Cultivado

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Figura 92 Retenção da carga de Nitrogênio Amoniacal no Leito Cultivado com Eichhornia crassipes (LC3). ... 97

Figura 93 Concentração de Nitrito média diária de entrada e saída no Leito Cultivado com Eichhornia crassipes (LC3). ... 97

Figura 94 Carga de Nitrito média diária de entrada e saída no Leito Cultivado com Eichhornia crassipes (LC3). ... 98

Figura 95 Retenção da carga de Nitrito no Leito Cultivado com Eichhornia crassipes (LC3). ... 99 Figura 96 Concentração de Nitrato média diária de entrada e saída no Leito Cultivado com

Figura 97 Carga de Nitrato média diária de entrada e saída no Leito Cultivado com Eichhornia crassipes (LC3). ... 100

Figura 98 Retenção da carga de Nitrato no Leito Cultivado com Eichhornia crassipes (LC3). ... 100 Figura 99 Concentração de NTK média diária de entrada e saída no Leito Cultivado com

Figura 100 Carga de NTK média diária de entrada e saída no Leito Cultivado com Eichhornia crassipes (LC3). ... 101

Figura 101 Retenção da carga de NTK no Leito Cultivado com Eichhornia crassipes (LC3). ... 102 Figura 102 Concentração de Nitrogênio Total média diária de entrada e saída no Leito Cultivado

com Eichhornia crassipes (LC3). ... 102 Figura 103 Carga de Nitrogênio Total média diária de entrada e saída no Leito Cultivado com

Figura 104 Retenção da carga de Nitrogênio Total no Leito Cultivado com Eichhornia crassipes (LC3). ... 103 Figura 105 Produção de biomassa verde e seca e quantidade total de nutrientes removido pelas

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LISTA DE TABELAS

Tabela 1 Sínteses dos parâmetros a serem analisados e os equipamentos utilizados nas análises. ... 24 Tabela 2 Diferença média entre as entradas e as saídas dos LC para a Demanda Química de

Oxigênio (DQO) em duas escalas de monitoramento, de acordo com o Teste Mann-Whitney. ... 28 Tabela 3 Diferença média entre as entradas e as saídas dos LC para o Fósforo Total em duas

escalas de monitoramento, de acordo com o Teste Mann-Whitney. ... 28 Tabela 4 Médias das variáveis de entrada para os LC e os p-valores na escala horária (duas em

duas horas). ... 29 Tabela 5 Dados climáticos diários de temperatura para o período de monitoramento... 29 Tabela 6 Vazões média semanal de entrada e saída, taxa de evapotranspiração, altura da lâmina

d’água evaporada e TDH no LC1 nas semanas monitoradas. ... 48

Tabela 7 Temperatura média semanal de entrada e de saída, diferença de entrada e saída do LC1 nas semanas monitoradas. ... 49

Tabela 8 Oxigênio Dissolvido média semanal de entrada e saída, diferença de entrada e saída do LC1 nas semanas monitoradas. ... 49 Tabela 9 pH médio semanal de entrada e de saída, diferença de entrada e saída do LC1 nas

semanas monitoradas. ... 50 Tabela 10 Concentração de DQO média semanal de entrada e de saída, retenção e eficiência do

LC1 nas semanas monitoradas. ... 50 Tabela 11 Carga de DQO média semanal de entrada e de saída, retenção e eficiência do LC1

nas semanas monitoradas. ... 51 Tabela 12 Concentração de Fósforo Total média semanal de entrada e de saída, retenção e

eficiência do LC1 nas semanas monitoradas. ... 51 Tabela 13 Carga de Fósforo Total média semanal de entrada e de saída, retenção e eficiência

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Tabela 14 Concentração de Nitrogênio Amoniacal média semanal de entrada e de saída, retenção e eficiência do LC1 nas semanas monitoradas. ... 53 Tabela 15 Carga de Nitrogênio Amoniacal média semanal de entrada e de saída, retenção e

eficiência do LC1 nas semanas monitoradas. ... 53 Tabela 16 Concentração de Nitrito média semanal de entrada e de saída, retenção e eficiência

do LC1 nas semanas monitoradas. ... 54 Tabela 17 Carga de Nitrito média semanal de entrada e de saída, retenção e eficiência do LC1

nas semanas monitoradas. ... 54 Tabela 18 Concentração de Nitrato média semanal de entrada e de saída, retenção e eficiência

do LC1 nas semanas monitoradas. ... 55 Tabela 19 Carga de Nitrato média semanal de entrada e de saída, retenção e eficiência do LC1

nas semanas monitoradas. ... 55 Tabela 20 Concentração de NTK média semanal de entrada e de saída, retenção e eficiência do

LC1 nas semanas monitoradas. ... 56 Tabela 21 Carga de NTK média semanal de entrada e de saída, retenção e eficiência do LC1

nas semanas monitoradas. ... 56

Tabela 22 Concentração de Nitrogênio Total média semanal de entrada e de saída, retenção e eficiência do LC1 nas semanas monitoradas. ... 57 Tabela 23 Carga de Nitrogênio Total média semanal de entrada e de saída, retenção e eficiência

do LC1 nas semanas monitoradas. ... 57 Tabela 24 Vazão média semanal entrada e saída, taxa de evapotranspiração, altura da lâmina

d’água evaporada e TDH no LC2 nas semanas monitoradas. ... 76

Tabela 25 Temperatura média semanal de entrada e de saída, diferença de entrada e saída do LC2 nas semanas monitoradas. ... 76 Tabela 26 Oxigênio Dissolvido média semanal entrada e saída, diferença de entrada e saída do

LC2 nas semanas monitoradas. ... 77 Tabela 27 pH média semanal de entrada e de saída, diferença de entrada e saída do LC2 nas

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xxv

Tabela 28 Concentração de DQO média semanal de entrada e de saída, retenção e eficiência do LC2 nas semanas monitoradas. ... 78 Tabela 29 Carga de DQO média semanal de entrada e de saída, retenção e eficiência do LC2

eficiência do LC2 nas semanas monitoradas. ... 79 Tabela 31 Carga de Fósforo Total média semanal de entrada e de saída, retenção e eficiência

do LC2 nas semanas monitoradas. ... 79 Tabela 32 Concentração de Nitrogênio Amoniacal média semanal de entrada e de saída,

retenção e eficiência do LC2 nas semanas monitoradas. ... 80 Tabela 33 Carga de Nitrogênio Amoniacal média semanal de entrada e de saída, retenção e

nas semanas monitoradas. ... 82

Tabela 36 Concentração de Nitrato média semanal de entrada e de saída, retenção e eficiência do LC2 nas semanas monitoradas. ... 82 Tabela 37 Carga de Nitrato média semanal de entrada e de saída, retenção e eficiência do LC2

nas semanas monitoradas ... 83 Tabela 38 Concentração de NTK média semanal de entrada e de saída, retenção e eficiência do

LC2 nas semanas monitoradas ... 83 Tabela 39 Carga de NTK média semanal de entrada e de saída, retenção e eficiência do LC2

nas semanas monitoradas ... 84 Tabela 40 Concentração de Nitrogênio Total média semanal de entrada e de saída, retenção e

eficiência do LC2 nas semanas monitoradas. ... 84 Tabela 41 Carga de Nitrogênio Total média semanal de entrada e de saída, retenção e eficiência

(26)

xxvi

Tabela 42 Vazão média semanal entrada e saída, taxa de evapotranspiração, altura da lâmina d’água evaporada e TDH no LC3 nas semanas monitoradas. ... 104

Tabela 43 Temperatura média semanal de entrada e de saída, diferença de entrada e saída do LC3 nas semanas monitoradas. ... 104 Tabela 44 Oxigênio Dissolvido média semanal entrada e saída, diferença de entrada e saída do

LC3 nas semanas monitoradas. ... 105 Tabela 45 pH médio semanal de entrada e de saída, diferença de entrada e saída do LC3 nas

semanas monitoradas. ... 106 Tabela 46 Concentração de DQO média semanal de entrada e de saída, diferença de entrada e

saída do LC3 nas semanas monitoradas. ... 106 Tabela 47 Carga de DQO média semanal de entrada e de saída, retenção e eficiência do LC3

eficiência do LC3 nas semanas monitoradas ... 107 Tabela 49 Carga de Fósforo Total média semanal de entrada e de saída, retenção e eficiência

do LC3 nas semanas monitoradas. ... 108

Tabela 50 Concentração de Nitrogênio Amoniacal média semanal de entrada e de saída, retenção e eficiência do LC3 nas semanas monitoradas. ... 108 Tabela 51 Carga de Nitrogênio Amoniacal média semanal de entrada e de saída, retenção e

nas semanas monitoradas. ... 110 Tabela 54 Concentração de Nitrato média semanal de entrada e de saída, retenção e eficiência

do LC3 nas semanas monitoradas. ... 110 Tabela 55 Carga de Nitrato média semanal de entrada e de saída, retenção e eficiência do LC3

(27)

xxvii

Tabela 56 Concentração de NTK média semanal de entrada e de saída, retenção e eficiência do LC3 nas semanas monitoradas. ... 111 Tabela 57 Carga de NTK média semanal de entrada e de saída, retenção e eficiência do LC3

nas semanas monitoradas. ... 112 Tabela 58 Concentração de Nitrogênio Total média semanal de entrada e de saída, retenção e

eficiência do LC3 nas semanas monitoradas. ... 112 Tabela 59 Carga de Nitrogênio Total média semanal de entrada e de saída, retenção e eficiência

do LC3 nas semanas monitoradas. ... 113 Tabela 60 Absorção de macronutrientes pela planta Canna×generalis L. (LC2) ... 113 Tabela 61 Absorção de macronutrientes pela planta Eichhornia crassipes (LC3). ... 114 Tabela 62 Remoção/Retenção de Nitrogênio Total no período estendido. ... 115 Tabela 63 Remoção/Retenção de Fósforo Total no período estendido. ... 115 Tabela 64 Médias das variáveis da diferença entre a entrada e a saída para todos os LC com p-valores, de acordo com o Teste Kruskal-Wallis. ... 116 Tabela 65 P-valores para o teste de Mann-Whitney cuja hipótese nula foi rejeitada no teste de

Kruskal-Wallis. ... 117

Tabela 66 Vazões médias de entrada e saída e TDH para cada LC no períodos de monitoramento. ... 118 Tabela 67 Temperaturas mínima e máxima encontrada nos LC durante o período de

monitoramento. ... 119 Tabela 68 Concentração diária de entrada e saída de OD com mínima e máxima nos LC durante

o período de monitoramento. ... 120 Tabela 69 Concentração diária de entrada e saída de pH com mínima e máxima nos LC durante

o período de monitoramento. ... 120 Tabela 70 Concentração diária de entrada e saída de DQO com mínima e máxima nos LC

durante o período de monitoramento. ... 121 Tabela 71 Eficiência média de Retenção Concentração e Carga de DQO nas unidades de LC

(28)

xxviii

Tabela 72 Concentração diária de entrada e saída de Fósforo Total com mínima e máxima nos LC durante o período de monitoramento. ... 122 Tabela 73 Eficiência média de Concentração e Carga de Fósforo Total nas unidades de LC

durante o período monitorado. ... 123 Tabela 74 Concentração diária de entrada e saída de Nitrito com mínima e máxima nos LC

durante o período de monitoramento. ... 124 Tabela 75 Eficiência média de Concentração e Carga de Nitrito nas unidades de LC durante o

período monitorado. ... 124 Tabela 76 Concentração diária de entrada e saída de Nitrato com mínima e máxima nos LC

durante o período de monitoramento. ... 125 Tabela 77 Eficiência média de Concentração e Carga de Nitrato nas unidades de LC durante o

período monitorado. ... 126 Tabela 78 Concentração diária de entrada e saída de Nitrogênio Amoniacal com mínima e

máxima nos LC durante o período de monitoramento. ... 126 Tabela 79 Eficiência média de Concentração e Carga de Nitrogênio Amoniacal nas unidades

de LC durante o período monitorado. ... 127

Tabela 80 Concentração diária de entrada e saída de NTK com mínima e máxima nos LC durante o período de monitoramento. ... 127 Tabela 81 Eficiência média de Concentração e Carga de NTK nas unidades de LC durante o

período monitorado. ... 128 Tabela 82 Concentração diária de entrada e saída de Nitrogênio Total com mínima e máxima

nos LC durante o período de monitoramento... 129 Tabela 83 Eficiência média de Concentração e Carga de Nitrogênio Total nas unidades de LC

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xxix

LISTA DE ABREVIAÇÕES

DAA – Dias acumulados do ano DQO - Demanda química de oxigênio EVPT - evapotranspiração

FEA – Faculdade de Engenharia de Alimentos FEAGRI – Faculdade de Engenharia Agrícola LC – Leito cultivado/ Leitos cultivados LCFS - Leito cultivado de fluxo superficial LCFSS - Leito cultivado de fluxo subsuperficial LCFV - Leito cultivado de fluxo vertical

N – Nitrogênio N2- nitrogênio gasoso N2O - óxido nitroso NH3 - Nitrogênio Amoniacal NO - óxido nítrico NO2- - nitrito NO3- - nitrato NT – Nitrogênio total OD – Oxigênio dissolvido pH – Potencial hidrogeniônico PT - Fósforo total Q – Vazão

RAC – Reatores Anaeróbicos Compartimentado TDH – Tempo de detenção hidráulico

UNICAMP – Universidade Estadual de Campinas UR – Umidade relativa

(30)

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1

INTRODUÇÃO

A escassez de recursos hídricos no planeta não está relacionada com a quantidade, mas, sim, com a desigualdade na distribuição nas dLiversas regiões e com a sua qualidade. Essa questão se torna ainda mais grave quando é admitida a crescente degradação desses recursos por meio de efluentes domésticos e industriais (SANTOS et al., 2011).

O lançamento de efluentes domésticos e industriais sem tratamento ou parcialmente tratados nos cursos d´água são fatores que contribuem para aumentar a quantidade de matéria orgânica, de substâncias químicas tóxicas, de organismos patogênicos e de nutrientes. O controle desses fatores, a partir do tratamento eficiente dos efluentes, tem sido uma preocupação dos gestores de recursos hídricos para minimizas, entre outros efeitos, a eutrofização (BUENO et al., 2013).

Verifica-se que cerca de 47,2% da população brasileira não possui rede coletora de esgoto, nem ao menos fossa séptica. O resultado dessa situação traduz que 100 milhões de habitantes não dispõem de serviços de tratamento de esgoto; esta é ainda mais grave nas comunidades rurais e de baixa renda (MINISTÉRIO DAS CIDADES, 2009). Diante dessa problemática são, imprescindíveis os investimentos no desenvolvimento de tecnologias alternativas e descentralizadas.

As instituições de pesquisas têm se dedicado a trabalhar com sistemas naturais de tratamento de efluentes, disponibilizando desta forma, uma contribuição significativa para a evolução e disseminação do emprego dos métodos simplificados de tratamento de efluentes. Os principais métodos simplificados pesquisados são os leitos cultivados (LC), os tanques sépticos, as lagoas de estabilização e os reatores anaeróbios (ABREU, 2013).

Os sistemas de tratamento por leitos cultivados, também são conhecidos como wetlands, zona de raízes, alagados construídos, entre outros, se sobressaem aos demais sistemas, principalmente devido ao baixo custo de implantação e a simplicidade operacional.

Nos sistemas de tratamento de efluentes por leitos cultivados há uma ação conjunta da vegetação, dos microrganismos e do substrato propiciando uma decomposição da matéria orgânica e a fixação de nutrientes (UCKER et al., 2014). Dessa forma, na presente pesquisa objetiva-se avaliar o desempenho dos sistemas de leitos cultivados de fluxo subsuperficial com Canna×generalis L.e Eichhornia crassipes no pós-tratamento de efluentes domésticos de Reatores Anaeróbios Compartimentados (RAC).

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2

O desenvolvimento da dissertação foi dividido em seis capítulos: - Capitulo 1: apresenta a hipótese, os objetivos gerais e específicos;

- Capitulo 2: tem-se o referencial teórico para dá sustentação a pesquisa, sendo dividido em quatro tópicos:

 Aborda sistemas de leitos cultivados, na perspectivas de seus funcionamentos e suas principais vantagens, desvantagens e limitações;

 Apresenta os componentes fundamentais para o funcionamento do sistema de leitos cultivados, além de destacar informações sobre as plantas Canna×generalis L.e (Biri) e Eichhornia crassipes (Aguapé);

 Aborda os elementos que podem ser retidos/removidos pelos sistemas de leitos cultivados,

 E destaca os fatores abióticos que interverem nesse processo; - Capitulo 3: descreve a metodologia utilizada;

- Capitulo 4: apresenta os resultados obtidos a partir das análises das amostras coletadas durante o período de monitoramento, para os parâmetros definidos no capítulo anterior. Nesse capitulo, o monitoramento foi divido em escalas horário (escala de duas em duas horas), diária e semanal. Sendo os resultados apresentados separadamente para cada unidade de leito cultivado e ao final, apresentado uma análise estatística comparando as unidades de LC;

- Capitulo 5: realiza-se a discussão dos resultados, de forma agrupada para cada uma as unidades de leitos cultivados. Sendo que, primeiramente, a discussão abrangerá a quantidade da água (Vazão e Evapotranspiração), posteriormente a sua qualidade da água (Potencial Hidrogênionico (pH), Oxigênio Dissolvido (OD), Temperatura, Demanda Química de Oxigênio (DQO), Fósforo total, Nitrito, Nitrato, NitrogênioAmoniacal, NitrogênioKjeldahl (NTK) e Nitrogênio Total) e por fim será feito as considerações finais da presente pesquisa;

- Capitulo 6: apresenta as conclusões da pesquisa e as referências bibliográficas utilizadas.

(33)

3 CAPÍTULO 1 – HIPÓTESES E OBJETIVOS

1.1. HIPÓTESES

As hipóteses dessa presente pesquisa admitem que:

 A utilização das plantas, Canna×generalis L. (Biri) e Eichhornia crassipes (Aguapé) em leitos cultivados de fluxo subsuperficial reduz a concentração/carga dos nutrientes (nitrogênio e fósforo) e da matéria orgânica quando comparado a leitos sem plantas;

 A planta Eichhornia crassipes (Aguapé) apresenta maior retenção/remoção dos nutrientes (nitrogênio e fósforo) e da matéria orgânica do que a planta Canna×generalis L. (Biri).

1.2. OBJETIVOS

1.1.1 Objetivo geral

O objetivo geral da presente pesquisa foi avaliar o desempenho dos sistemas de leitos cultivados de fluxo subsuperficial com Canna×generalis L. (Biri) e Eichhornia crassipes

(Aguapé) no pós-tratamento de efluentes domésticos de Reatores Anaeróbios Compartimentados (RAC).

1.1.2 Objetivos específicos

Os objetivos específicos da pesquisa consistem em:

 Monitorar aspectos quantitativos e qualitativos do afluente/efluente nas unidades de leitos cultivados;

 Verificar a eficiência do sistema em relação à concentração e a carga;

 Realizar transferência de escala temporal para as variáveis de quantidade e qualidade do afluente/efluente nas escalas: escala horária (duas em duas horas), escala diária, escala semanal, período monitorado e período estendido.

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4 CAPÍTULO 2 - REFERENCIAIS TEÓRICOS

2.1. SISTEMA DE TRATAMENTO COM LEITOS CULTIVADOS

O conceito de leitos cultivados é também encontrado em outras publicações científicas com os nomes wetlands (SALATI et al., 2009), áreas alagadas (MATOS et al., 2012), alagados construídos (BATISTA et al., 2013), zonas de raízes (NAVA E LIMA, 2012) entre outros. Porém, nesse trabalho, será utilizado o termo leitos cultivados com o intuito de padronizar a terminologia.

Os leitos cultivados são sistemas de engenharia baseados no funcionamento dos alagados e das várzeas naturais (VYMAZAL, 2005). Eles agem como filtros biológicos em que os responsáveis pela retenção/remoção de nutrientes ou substâncias químicas são os mecanismos físico-químicos e as reações de degradação biológica aeróbia e anaeróbia (VYMAZAL, 2007).

Os sistemas de leitos cultivados apresentam segundo Olijnyk (2008) algumas vantagens. É um sistema com simplicidade de construção, operação e manutenção, pois não necessita de mão de obra especializada e pode ser implantado no mesmo local onde o efluente é produzido. Possui ainda a vantagem de ser um sistema de baixo custo energético, podendo funcionar total ou parcialmente por gravidade. Além disso, possibilita sua integração à paisagem natural, podendo-se fazer uso de plantas nativas em áreas de proteção ambiental, e de plantas com potencial paisagístico, em áreas da zona urbana.

Porém, segundo Brasil e Matos (2008) o sistema também apresentam algumas desvantagens que devem ser salientadas. A ocorrência de colmatação do espaço poroso do meio suporte pode vir a ocasionar o escoamento superficial nos leitos, acarretando na redução da eficiência do sistema e no risco da exalação de maus odores. Outra desvantagem do sistema é a elevada necessidade de espaço físico, o que pode ser um fator limitante em algumas localidades.

Os usos dos sistemas de tratamento com leitos cultivados têm potencial para tratar muitos tipos de efluentes domésticos e industriais, incluindo os de curtume, matadouros, indústrias têxteis, celulose e papel, piscicultura, entre outros (CARTY et al.,2008). Chagas (2012) enfatiza que os sistemas de leitos cultivados possuem grande eficiência na retenção/remoção da demanda química de oxigênio (DQO), além dos nutrientes como o nitrogênio e o fósforo.

(35)

5

2.2. PRINCIPAIS ELEMENTOS ATUANTES NO SISTEMA DE LEITOS CULTIVADOS

Dentre os elementos que atuam nos sistemas de tratamento com leitos cultivados estão o meio suporte, a planta, o tipo de escoamento e o biofilme, que direta ou indiretamente são responsáveis pela retenção/remoção dos nutrientes e das substâncias químicas.

2.2.1. Meio Suporte

O meio suporte não serve apenas para a fixação das plantas a serem cultivadas nos leitos, mas também como filtro na depuração dos nutrientes e das substâncias químicas. Segundo Giustina et al. (2010), sua seleção é uma etapa fundamental de projeto e de operação do sistema de tratamento de efluentes. Diversos autores têm desenvolvido pesquisas relacionadas à aplicação de diferentes meios de suporte em leitos cultivados para o tratamento de efluentes das mais diversas atividades.

É de grande importância a busca por um meio suporte capaz de manter ao longo do tempo boa condição de fluxo aliada a um potencial reativo, ou seja, capaz de auxiliar na retenção/remoção dos nutrientes e das substâncias químicas. Entretanto, esta associação não se dá com facilidade; meio suportes como a areia possuem um ótimo potencial de fluxo, porém, nenhuma, ou muito pouca capacidade adsortiva. Já as argilas possuem alto potencial de adsorção, mas são praticamente impermeáveis. Portanto, a escolha do tipo de meio suporte a ser empregado nos sistemas de tratamento por leitos cultivados estão condicionados a inúmeras características, como por exemplo às finalidades do tratamento. (SANTOS, 2009).

Colares e Sandri (2013) trabalharam com três diferentes meios de suporte, evidenciou que a brita #2, o meio suporte mais empregado ultimamente, poderia ser substituída por cascalho lavado e/ou cascalho natural. Porém o tempo de estudo não foi suficiente para verificar a possibilidade de colmatação do espaço poroso, que é resultado de excesso de sedimentos.

Outros autores utilizam materiais diversificados, conhecidos como alternativos.

Collaço e Roston (2006) utilizaram pneu picado como meio suporte em leitos cultivados de

fluxo subsuperficial para pós-tratamento de efluentes domésticos. Os autores concluíram que existe potencial para substituição dos materiais ditos convencionais por pneu picado, porém é

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6

necessário mais pesquisas. Tonetti et al. (2011), utilizaram anéis de bambu da espécie Bambusa tuldoides, como meio suporte de filtros anaeróbios.

Apesar de algumas pesquisas sugerirem a utilização de meios suportes alternativos, segundo Olijnyk (2008), o emprego de materiais com características pouco ou até mesmo desconhecidas, apresenta uma desvantagem. É difícil afirmar se os materiais alternativos são adequados para o uso em sistemas de tratamento de efluentes.

Na presente pesquisa será utilizada a brita, material que apresenta eficiência comprovada como meio suporte, além de ser o usualmente mais empregado em sistemas de leitos cultivados.

2.2.2. Plantas

As plantas cultivadas nos leitos auxiliam na retenção/remoção de nutrientes devido à formação do sistema radicular que contribui para o crescimento das comunidades de microrganismos (LIANG et al., 2011). Para, além disso, as plantas contribuem para diminuir a formação de canais de escoamento preferencial na superfície, e ainda proporciona uma melhoria no aspecto estético.

A escolha da planta apropriada para o tratamento de um determinado efluente em sistemas de leitos cultivados ainda não possui um critério específico. Devido o número de pesquisa sobre o assunto ainda ser incipiente (SILVA e ROSTON, 2010).

Vymazal (2011), afirma que várias espécies poderiam ser utilizadas em sistemas de leitos cultivados, porém apenas um número limitado de espécies tem sido pesquisado. Segundo o mesmo autor, as principais espécies utilizadas são: Phragmites spp (Caniço-de-água), Phalaris arundinacea (Grama gelo), Iris spp (Iris) e Typha spp.(Taboa).

Segundo Silva (2006), alguns fatores como a tolerância da planta aos ambientes saturados, adaptabilidade ao clima local (seu potencial de crescimento nas áreas onde o sistema será implantado), alta taxa fotossintética, alta capacidade de transporte de oxigênio, capacidade de assimilação de nutrientes ou substâncias químicas, como também sistema radicular bem desenvolvido, devem ser levados em consideração na escolha da espécie a ser utilizada para tratamento em leitos cultivados.

Algumas pesquisas estão sendo realizadas, e destacam a importância da utilização das plantas, independentemente da espécie nesse tipo de tratamento. Mendonça et al. (2012)

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7

nitrogênio e fósforo, pelos leitos plantados em relação aos leitos não plantados. Matos et al. (2010), constatou que apesar do leito sem planta apresentar capacidade estatisticamente semelhante na retenção/remoção, há de se considerar que houve uma maior retenção/remoção

dos macro e micronutrientes nos leitos cultivados por monocultivo e multicultivo.

A presente pesquisa tem o intuito de contribuir com informações acerca de novas espécies que possam ser utilizadas nos sistemas de leitos cultivados. Para tanto, será utilizado

as espécies Cannaxgeneralis L.e Eichhornia crassipes.

2.2.2.1. Canna×generalis L. (Biri)

Canna×generalis L. (Figura 1) é uma planta ornamental conhecida popularmente por Biri. Ela pode ser encontrada no Brasil predominantemente nas regiões sul e sudeste (LORENZI E SOUZA, 2008). Segundo Mondin et al. (2010) essa planta ornamental possui folhas grandes de várias cores, alcançando de 1 a 2 metros de altura. Deve ser cultivada em pleno sol e em solo úmidos ou alagados e ricos em matéria orgânica.

Figura 1 Planta de Canna×generalis L.

Alguns autores vêm pesquisando o uso das plantas ornamentais como, por exemplo, o Biri, em sistemas de leitos cultivados para tratamento de efluentes. Zanella (2008) pesquisou diversas espécies para tratamento de efluentes domésticos e concluiu que o Biri se destacou entre as demais. Segundo o autor a planta formou um maciço vegetal denso, com configuração agradável e com inflorescência vistosa. Konnerup et al.(2009) trabalhou com a planta ornamental Biri no tratamento de efluentes domésticos, os autores concluíram que o uso de planta ornamental nos leitos cultivados além da eficiência na remoção dos parâmetros

(38)

8

estudados, melhora o aspecto estético, consequentemente, a aceitação do público aos sistemas de tratamento de efluentes.

2.2.2.2. Eichhornia crassipes (Aguapé)

Eleocharis crassipes é uma planta aquática flutuante conhecida popularmente por Aguapé. É nativa da América Tropical, mas pode ser encontrada em todos os continentes. Ela possui intensa capacidade de crescimento em diferentes regiões (LORENZI E SOUZA 2008).

O Aguapé (Figura 2) já foi pesquisado para tratamento de diferentes tipos de efluente.

Henry-Silva e Camargo (2008) estudaram o Aguapé para tratamento de efluentes gerados por um viveiro de manutenção de reprodutores de camarões-canela, concluindo que a espécie é eficiente na remoção de nitrogênio (41%) e fósforo (71,6%) presente nos efluentes. Jonas & Hussar (2010) comprovaram a viabilidade do uso do Aguapé no pós-tratamento de efluentes de suinocultura. Pereira et al. (2011), pesquisaram a tolerância da planta Aguapé à contaminação por arsênio, os autores puderam verificar que o Aguapé possui grande potencial para a fitorremediação de arsênio, exibindo mecanismos de tolerância e potencial para alta produtividade nessas condições.

Figura 2 Planta de Eichhornia crassipes

Apesar de pesquisas comprovarem a eficiência da planta Aguapé no tratamento de efluentes, observou-se uma limitação. Como o Aguapé é uma planta flutuante, seu cultivo

contribui para a proliferação de insetos e consequentemente favorece a percepção de odores

do efluente. Para minimizar essa limitação, na presente pesquisa o cultivo do Aguapé foi realizado fixada ao meio suporte (brita).

(39)

9 2.2.3. Tipo de escoamento

Os leitos cultivados recebem classificação baseado no sentido predominante que o efluente percorre. Na Figura 3 são apresentados os tipos mais comuns: escoamento horizontal subsuperficial (a), escoamento vertical (b) e escoamento superficial (c) (VYMAZAL, 2007).

Figura 3 Classificação dos Leitos Cultivados, segundo características hidráulicas da

movimentação do efluente: Leitos cultivados de escoamento horizontal subsuperficial (a), Leitos cultivados de escoamento vertical (b), Leitos cultivados de escoamento superficial (c)1

(a)

(b)

(c)

(40)

10

Segundo Schirmer e Oliveira (2010), os leitos cultivados de escoamento horizontal subsuperficial são os mais comumente utilizados, sendo assim na presente pesquisa adotado esse tipo de escoamento.

Os leitos cultivados de escoamento horizontal subsuperficial permite que o nível de água fique abaixo da superfície do substrato. Evitando dessa forma a proliferação de insetos e dificultando a percepção de odores do efluente.

2.2.4. Biofilmes

Os biofilmes são películas aderidas ao meio suporte e as raízes das plantas do sistema de leitos cultivados (Figura 4). Esse filme biológico é composto por comunidades de microrganismos aeróbios e anaeróbios, que promovem a degradação da matéria orgânica, transformando-a em sais inorgânicos que servirão de nutrientes para as plantas (KADLEC E WALLACE, 2008). Segundo Sezerino, (2006) o oxigênio requerido é suprido pelas plantas e pela difusão atmosférica.

Figura 4 Representação esquemática da formação do biofilme aderido ao meio suporte e nas

raízes.2

Na pesquisa realizada por Lohmann (2011), onde foi feita a caracterização microbiológica de um sistema de leitos cultivados para tratamento de esgoto, o autor observou que existe maior atividade de fungos e bactérias nos 50cm superiores do sistema, local onde se encontra as raízes das plantas, confirmando o princípio de interação entre microrganismo e planta.

2_Sezerino,₂₀₀₆

(41)

11 2.3. EVAPOTRANSPIRAÇÃO

As plantas cultivadas nos sistemas de leitos absorvem o efluente e o liberam para a atmosfera, em um processo denominado transpiração, que somado ao efluente evaporado da superfície do meio suporte constituem o processo de evapotranspiração. Bonzi (2013), afirmam que esse processo ocorre nos sistemas de tratamento com leitos cultivados, eliminando ou reduzindo o volume do efluente.

Segundo Brix et al. (2001), existem alguns fatores que potencializam a evapotranspiração, como a radiação solar, a altas temperaturas atmosféricas, a baixa umidade relativa do ar, o vento, a resistência da cobertura, a resistência dos estômatos e o índice da área foliar.

As pesquisas com sistemas de tratamentos por leitos cultivados que levam em consideração a evapotranspiração são escassas. Almeida e Ucker (2011) realizaram uma simulação utilizando resultados de pesquisas já publicadas com sistemas de leitos cultivados, considerando as taxas de evapotranspiração de 20%, 40% e 60% do volume dos efluentes. Os autores comprovaram a necessidade de se considerar a perda por evapotranspiração nos cálculos de eficiência dos sistemas de tratamento com leitos cultivados, pois a porcentagem de efluentes perdidos contribuem para subestimar a eficiência do sistema.

2.4. RETENÇÃO/REMOÇÃO EM LEITOS CULTIVADOS

2.4.1. Matéria Orgânica

A matéria orgânica presente nos afluente/efluentes é medida, entre outras formas, por um parâmetro indireto conhecido como Demanda Química de Oxigênio (DQO). A retenção/remoção da matéria orgânica, geralmente, é muito elevada em sistemas de leitos cultivados (VON SPERLING, 2005) e ocorre por meio de mecanismos biológicos de decomposição aeróbia ou anaeróbia.

Segundo Cooper et al. (1996), na decomposição aeróbia, a matéria orgânica solúvel é removida por bactérias heterotróficas. Os autores afirmam que na decomposição anaeróbia, as reações são mediadas por bactérias facultativas ou anaeróbias estritas, que ocorre em duas etapas. Na primeira etapa ocorre a conversão da matéria orgânica, e a geração de ácidos e álcoois pelas bactérias formadoras de ácidos. Na segunda etapa, contínua a conversão da

(42)

12

matéria orgânica para a síntese de novas células (metano e dióxido de carbono), porém é promovida por bactérias formadoras de metano. Com o intuito de avaliar a eficiência dos sistemas de tratamento por leitos cultivados na retenção/remoção da Demanda Química de Oxigênio (DQO) diversas pesquisas foram realizadas.

No tratamento de água residuária da suinocultura autores como Jonas e Hussar (2010) usaram a planta Eichornia crassipes (Aguapé) e verificaram uma remoção média de 61,9% para o parâmetro DQO. Matos et al. (2010), verificaram que as eficiências médias de DQO variaram entre 87e 92% para sistemas com monocultivo e multicultivo. Feitosa et al. (2011) obtiveram uma remoção de DQO variando de 50 a 83% quando avaliou o desempenho de uma miniestação para tratamento de água cinza, visando o aproveitamento do efluente no ambiente rural. Ao trabalhar com tratamento de efluentes domésticos, Batista et al. (2013) obtiveram remoções de DQO entre 71 e 85% em leito cultivado com capim elefante (Pennisetum purpureum). Já Calijuri et al. (2009) obtiveram uma média de 60% em leitos de fluxo horizontal.

Segundo Mendonça et al. (2012) os sistemas de tratamento com leitos cultivados mostraram, nas últimas décadas, que além de remover satisfatoriamente a matéria orgânica dos efluentes, ainda possuí considerável capacidade de reter/remover nutrientes como o nitrogênio e o fósforo.

2.4.2. Nitrogênio

Segundo Vymazal (2007), as mais importantes formas de nitrogênio em leitos cultivados variam desde compostos orgânicos - aminoácidos, uréia, ácidos úricos, purinas e pirimidinas, até compostos inorgânicos em diferentes estágios de oxidação - amônia (NH4+ e/ou NH3), nitrito (NO2-), nitrato (NO3-), óxido nítrico (NO), óxido nitroso (N2O) e finalmente em nitrogênio gás (N2).

Os mecanismos de retenção/remoção das várias formas de nitrogênio encontradas nos leitos cultivados se dão principalmente pelos processos de amonificação, nitrificação e desnitrificação. Além disso, a retenção/remoção dos nitrogênios também podem ser realizadas pelas plantas cultivadas nos leitos, e pelos processos de volatilização e de adsorção, porém em menor importância quando comparados aos citados anteriormente (SANTOS, 2009).

(43)

13

O processo de amonificação não remove nitrogênio. Esse processo é responsável por uma conversão biológica do nitrogênio orgânico para amônia, o qual fica disponível para as realizações dos processos de nitrificação e desnitrificação (LEE et al., 2009).

A nitrificação é um processo de oxidação biológica da amônia para nitrato, sob condições aeróbias. Esse processo ocorre em duas etapas. A primeira etapa, conhecida como nitritação, é responsável pela conversão de amônia a nitrito, e se dá com o auxílio de bactérias do gênero Nitrosomonas. Já a segunda etapa, conhecida por nitratação, se dá com o auxílio das bactérias do gênero Nitrobacter, que convertem o nitrito a nitrato (LEE et al., 2009).

O processo de desnitrificação, que ocorre sob condições anaeróbicas, também é dividido em etapas. A primeira etapa consiste na redução do nitrato (NO3-) em nitrito (NO2-). Em seguida, o nitrato pode ser reduzido à amônia ou sequencialmente reduzido a óxido nítrico (NO), óxido nitroso (N2O), e finalmente a nitrogênio (N2) na forma de gás. (SIRIVEDHIN & GRAY, 2006). Pesquisas destacam a importância que a planta possui na eficiência do sistema em reter/remover as várias formas de nitrogênio.

Haenry-Silva & Camargo (2008), ao trabalharem com efluentes de carcinicultura,

obteve eficiências média de redução do nitrito no leito cultivado sem planta de 14,8%, os

autores também trabalharam em unidades de leito cultivado com a espécie Eichornia crassipes

(Aguapé) e obtiveram eficiência de 54,5%. Pelissari et al.; (2013) ao trabalharem com efluente da bovinocultura leiteira, concluiu que a nitrificação foi o principal mecanismo de transformação do nitrogênio amoniacal do afluente, sendo responsável por 73% dos 80% do nitrogênio amoniacal removido. Zemanová et al. (2010) obtiveram remoção de nitrogênio de 48% para unidades de leitos cultivados estabilizadas (com 5 a 6 anos de uso) e de 68% para unidades de leitos cultivadas novas (com um ano de uso) sendo a nitrificação o processo de remoção de nitrogênio que predominou.

2.4.3. Fósforo

A retenção/remoção do nutriente fósforo nos leitos cultivados acontece principalmente de duas formas, por armazenamento na biomassa das plantas e por adsorção pelo meio suporte. A primeira forma de retenção ocorre quando o fósforo solúvel é assimilado pelas plantas e convertido a fósforo orgânico estrutural, e armazenado na biomassa das plantas (MENDONÇA et al., 2012). Esse armazenamento ocorre principalmente na fase de crescimento e na época de floração das plantas. Portanto, é imprescindível uma escolha

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adequada da planta a ser cultivada, além de realizar o manejo de forma satisfatório. Segundo Reed et al. (1995), a retenção de fósforo por aguapés e outras plantas fica limitada às suas necessidades, não excedendo 50 a 70% do fósforo presente no afluente.

A segunda forma de retenção do fósforo é a mais comumente realizada pelos leitos cultivados. Ela acontece quando os fragmentos de fósforo precipitados e insolúveis são adsorvidos pelo meio suporte, principalmente por estruturas de rochas ricas em ferro e alumínio (MENDONÇA et al., 2012). Segundo Reed et al. (1995), um meio suporte de textura muito fina e com alto teor de argila, tende a ter um alto potencial de absorção.

A literatura traz resultados conflitantes sobre a eficiência de sistemas de leitos cultivados na retenção/remoção de fósforo. Alguns autores encontraram excelentes porcentagens de retenção/remoção de fósforo em suas pesquisas. Jonas e Hussar (2010) obtiveram eficiência para o parâmetro fósforo total que variou de 55,5% a 89,5%, apresentando média de 74,8% ao trabalhar com Eichornia crassipes (Aguapé) no pós-tratamento efluentes de suinocultura. Ucker e Almeida (2013) trabalharam com Vetiveria zizanioides (capim Vetiver) na remoção de nutrientes presentes no esgoto doméstico e verificou uma eficiência média de 90,5%. Gikas e Tsihrintzis (2012) ao avaliar o comportamento de leitos cultivados de fluxo vertical para tratamento de efluentes domésticos obtiveram 69,8% de eficiência.

No entanto, Gruneberg e Kern (2001) afirmam que a capacidade dos leitos cultivados em reterem/removerem o nutriente fósforo é limitada, quando comparada com a capacidade de remoção do nitrogênio. Isso porque não existe nenhum "mecanismo de perda permanente" do fósforo nesses sistemas, análogo à desnitrificação.

Essa peculiaridade foi observada por alguns autores. Pelissari et al. (2013) ao trabalhar com leitos cultivados de fluxo vertical plantado com Typha sp. (Taboa) para o tratamento de efluentes de bovinocultura leiteira obteve remoção média de 10%. Prata et al. (2013) conseguiu valores que variaram de 27,9 a 42,3% ao pesquisar a comportamento da espécie Hedychium chrysoleucum (Lírio amarelo do brejo) no tratamento de esgoto doméstico. Ao verificar o desempenho de leito cultivado em uma instituição de ensino Assumpção et al. (2011) obtiveram valores média de eficiência de 20,3%.

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15 2.4.4. Fatores Abióticos

Os fatores abióticos relevantes que norteiam os processos realizados nos leitos cultivados e que influenciam diretamente na eficiência desse sistema são: a temperatura, o pH e o oxigênio dissolvido.

2.4.5. Temperatura

A temperatura do efluente a ser tratado nos leitos cultivados é aproximadamente igual à média diária da temperatura do ar do local onde o sistema de tratamento está inserido. A sua medição se faz necessário, pois possibilita identificar os efeitos das reações físicas, químicas e biológicas do sistema, uma vez que a alteração da temperatura é responsável também por alterar essas reações (VON SPERLING, 2005).

De acordo com Bitton (2005) temperaturas mais altas parecem favoráveis ao desenvolvimento das bactérias nitrificantes, sendo que a faixa de 25 a 30ºC é considerada ótima. Jeyanayagan (2005) afirma que quando essa temperatura diminui de 20°C para 10°C diminui também em aproximadamente 30% o processo de nitrificação.

A temperatura também afeta diretamente os microrganismos, e por consequência a velocidade de decomposição da matéria orgânica. De acordo com Von Sperling (2005), temperaturas mais elevadas aumentam a ação dos microrganismos, aumentando a eficiência na decomposição da matéria orgânica. O autor afirma que a taxa de crescimento das bactérias desnitrificantes pode ocorrer em uma larga faixa de temperatura de 0 a 50°C, sendo ideal quando estão entre 35 a 50°C. Ucker (2012) afirma que temperaturas baixas, contribuem para aumentar a solubilidade do oxigênio na água, diminuindo as atividades microbianas e a eficiência da decomposição da matéria orgânica.

2.4.6. Potencial Hidrogeniônico (pH)

Outro fator abiótico relevante é o potencial hidrogeniônico (pH). Ele representa a concentração de íons hidrogênio H+ (em escala antilogarítima), dando uma indicação sobre as condições de acidez, neutralidade e alcalinidade do efluente. Sendo assim, um pH menor que sete (pH < 7) é ácido; pH igual a sete (pH = 7) é neutro e pH maior que sete é alcalino (pH >7). Nos leitos cultivados vários processos dependem, entre outros fatores, das condições do pH (VON SPERLING, 2005).

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No processo de nitrificação o pH considerado ótimo é entre 7,5 e 8,0, abaixo de 6,8 há decréscimo das taxas de nitrificação, e com valores de pH entre 5,8 e 6,0, as taxas podem ser de 10 a 20% menores (USEPA, 2000). Cooper et al. (1996) afirma que para a desnitrificação a faixa ótima de pH deve estar entre 7,0 e 8,0, entretanto, reportam os pesquisadores que durante a desnitrificação há produção de alcalinidade, podendo resultar num aumento do valor de pH. Liu et al. (2007) observaram que a eficiência de retenção/remoção do fósforo diminuiu com o aumento do pH.

Em pesquisa sobre leitos cultivados, Jonas e Hussar (2010) ao utilizarem a espécie Eichornia crassipes (Aguapé) no pós-tratamento de efluentes de suinocultura obteve valores de pH variando e 6,6 a 7,2. Feitosa et al. (2011) encontrou valores efluente que oscilou de 6,4 a 8,1. Assumpção et al. (2011), pesquisaram o desempenho do leito cultivado com Thypha sp. (Taboa) e observaram que em todo o período de estudo os valores encontrados para pH no afluente (entrada) ficaram acima de 7,8 e no efluente (saída) do sistema o pH apresentou um valor médio de 7,4. Segundo o último autor citado, a redução do pH na saída dos sistemas de leitos cultivados deve-se as reações de biodegradação da fração orgânica que ocorre dentro dos leitos cultivados.

2.4.7. Oxigênio Dissolvido (OD)

Em relação ao oxigênio dissolvido (OD), este é influenciado pela temperatura e por sais dissolvidos no efluente. Em leitos cultivados de fluxo horizontal subsuperficial espera-se que ocorram as condições aeróbias e anaeróbias respectivamente, pois condições totalmente anóxicas poderão prejudicar os processos responsáveis pela retenção/remoção dos nutrientes e das substâncias químicas (LAGEGRABER, 2008). As raízes das plantas são as principais fontes de oxigênio nos leitos cultivados, sendo necessária sua penetração o mais profundo nas dimensões do leito. O efluente que está abaixo dessas raízes se encontram completamente em meio anaeróbio.

A presença de oxigênio dissolvido é uma condição essencial para a nitrificação. Quanto maior a concentração de amônia a ser oxidada, maior será a necessidade de oxigênio dentro do sistema de leitos cultivados. Von Sperling (2005) afirma que valores muito baixos de oxigênio dissolvido podem limitar a nitrificação, enquanto que, para concentrações de oxigênio dissolvido muito altas, pode haver introdução de oxigênio na zona anóxica, diminuindo a eficiência de desnitrificação e, ocorrendo dessa forma à introdução de nitrato na

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zona anaeróbia, prejudicando o desempenho dos sistemas na eficiência de retenção/remoção do nutriente fósforo.

A matéria orgânica ao se oxidar é responsável pelo maior consumo de oxigênio nos leitos cultivados, devido à respiração dos microrganismos decompositores. Na presença de oxigênio, as bactérias convertem a matéria orgânica a compostos simples, como água e gás carbono (HUSSAR, 2001).