UTILIZAÇÃO DA CONDUTIVIDADE HIDRÁULICA NA ESTIMATIVA DO
GRAU DE COLMATAÇÃO EM SISTEMAS ALAGADOS CONSTRUÍDOS
Gheila Corrêa Ferres Baptestini*
Universidade Federal de Viçosa, Viçosa – MG, Brasil Departamento de Engenharia Agrícola
gheilacf@yahoo.com.br
Antonio Teixeira de Matos
Universidade Federal de Viçosa, Viçosa – MG, Brasil Departamento de Engenharia Agrícola
atmatos@ufv.br
Mauro Aparecido Martinez
Universidade Federal de Viçosa, Viçosa – MG, Brasil Departamento de Engenharia Agrícola
mmauro@ufv.br
Mateus Pimentel de Matos
Universidade Federal de Minas Gerais, Belo Horizonte – MG, Brasil Departamento de Engenharia Sanitária e Ambiental
matmatos_eaa@yahoo.com.br
Resumo
Com a realização deste estudo, objetivou-se avaliar a utilização da condutividade hidráulica em meio saturado (Ks) como variável de monitoramento do grau de colmatação de sistemas alagados construídos de escoamento horizontal subsuperficial (SACs-EHSS). Para isso, as medições foram efetuadas em seis SACs-EHSS: dois não cultivados (SACs-EHSS 1 e 4), dois cultivados com capim tifton 85 (Cynodon spp.) (SACs-EHSS 2 e 5) e dois cultivados com alternantera (Alternanthera
philoxeroides) (SACs-EHSS 3 e 6). Nos SACs-EHSS 1, 2 e 3 foram instaladas uma segunda
entrada e uma segunda saída, visando possibilitar a inversão no sentido do escoamento da água residuária. Ks variou de 866 a 3340 m d-1 e de 103 a 1350 m d-1, no início e fim do período experimental, respectivamente. No SAC-EHSS 2i, após a inversão no sentido do escoamento da água residuária, houve aumento de Ks; o mesmo não tendo sido detectado nos SACs-EHSS 1i e 3i. Por não ter sido obtida associação muito estreita entre valores de Ks e o grau de colmatação dos sistemas, recomenda-se que essa variável deva ser analisada em conjunto com outras, para que se possa estimar, com confiabilidade, o grau de colmatação de SACs-EHSS.
1. Introdução
A colmatação, causada pelo acúmulo de sólidos no meio poroso, se constitui em um dos principais problemas de sistemas alagados construídos de escoamento horizontal subsuperficial (SACs-EHSS) (NIVALA et al., 2012). Pode dar origem a problemas operacionais que vão desde decréscimo na eficiência do sistema a, até, necessidade de troca do substrato e, nesse caso, tempo para que o sistema alcance desejáveis condições de operação.
No âmbito do aperfeiçoamento da gestão operacional de SACs-EHSS, com a finalidade de retardar a colmatação e tornar desnecessária a troca do substrato, se insere a proposta da inversão no sentido do escoamento da água residuária. Com a inversão no sentido do escoamento da água residuária, a parte inicial do SAC-EHSS, com alto índice de entupimento de poros, passaria a receber uma água residuária que já passou por um processo de depuração. Isso estimularia os microrganismos a degradar o material colmatante, visto que essa água parcialmente tratada possui alta concentração de nutrientes disponíveis. Isso traria benefícios aos microrganismos e às plantas cultivadas, proporcionando descolmatação, ao menos parcial, do meio poroso (MATOS et al., 2010; ZHANG et al., 2014).
Para se monitorar a evolução do processo de colmatação e a possível descolmatação do meio poroso de SACs-EHSS, devem ser utilizadas variáveis hidrodinâmicas que estejam associadas ao fenômeno da colmatação, mas que sejam de fácil medição e, se possível, não invasivas. Segundo Nivala et al. (2012), dentre as alternativas para medir a extensão e o impacto do entupimento em meios porosos está a medição de condutividade hidráulica em meio saturado (Ks).
Considerando-se a necessidade da disponibilização de técnicas que possibilitem a caracterização das condições operacionais de SACs-EHSS, com a realização deste trabalho, teve-se por objetivo avaliar o monitoramento da condutividade hidráulica em meio saturado como variável a ser utilizada na estimativa do grau de colmatação do meio poroso desses sistemas.
2. Material e métodos
O experimento foi conduzido na Universidade Federal de Viçosa (UFV), Viçosa/MG. A estrutura experimental foi constituída por seis SACs-EHSS, mantidos em casa de vegetação, utilizados no tratamento de água residuária de suinocultura (ARS). Estes sistemas estavam em operação há aproximadamente 1 ano, quando iniciou-se a coleta de dados do presente estudo.
Os SACs-EHSS foram constituídos por caixas de fibra de vidro, em escala piloto, nas dimensões de 0,6 m x 0,5 m x 2,0 m de altura, largura e comprimento, respectivamente, assentados sobre o solo, sem declividade de fundo. Como meio suporte foi utilizada brita (D60 = 9,1 mm,
coeficiente de uniformidade – CU D60/D10 = 3,1 e volume de vazios inicial de 0,398 m3 m-3), com a
qual se preencheu os SACs-EHSS até a altura de 0,55 m, sendo o nível d’água mantido a 0,05 m abaixo da superfície do material-suporte.
Na saída de cada unidade experimental foi instalado um sistema de drenagem composto por tubos de PVC de 32 mm de diâmetro. Para possibilitar a inversão no sentido do escoamento, em três das unidades experimentais foram instaladas uma segunda entrada e uma segunda saída (SACs-EHSS 1, 2 e 3).
As espécies vegetais cultivadas foram o capim tifton 85 (Cynodon spp.) (SAC-EHSS 2 e SAC-EHSS 5) e a alternantera (Alternanthera philoxeroides) (SAC-EHSS 3 e SAC-EHSS 6). Nos SAC-EHSS 1 e 4 não houve cultivo.
Na entrada de cada SAC-EHSS foi instalado um reservatório de 20 L, equipado com uma torneira de PVC em seu fundo, que alimentava o sistema com a ARS. Diariamente, cada reservatório de 20 L era preenchido até sua máxima capacidade e só depois a ARS era aplicada nos SACs-EHSS. A ARS era homogeneizada antes de cada aplicação, a fim de garantir que os sólidos presentes na mesma fossem aplicados de maneira uniforme nos sistemas. A aplicação era intermitente, superficial e durava em média 2,0 h. Dessa forma, o tempo de detenção hidráulica foi de 19,9 h, a vazão aplicada de 0,020 m3 d-1, ou 0,010 m3 d-1, considerando o tempo de aplicação de 2,0 h, e a taxa de carregamento orgânico, estabelecida com base na área superficial, de 44,4 ± 31,0 g m-2 d-1 de DBO.
O critério para inversão no sentido do escoamento da água residuária baseou-se no monitoramento do avanço do ES, feito medindo-se, duas vezes por semana, o alcance do mesmo, com auxílio de fitas métricas instaladas nas bordas dos sistemas. A inversão no sentido do escoamento foi efetuada quando se observou que o ES da água residuária aplicada alcançou 50% do comprimento do SAC-EHSS, ou seja, 1,0 m, permanecendo, assim, por no mínimo quatro medidas sucessivas. Durante o período experimental, fez-se uma única inversão no sentido do escoamento em cada sistema, sendo o SAC-EHSS 2, cultivado com tifton 85, o primeiro a ter seu escoamento invertido, o que ocorreuem jul/2012; o SAC-EHSS 1, não cultivado, foi o segundo, o que ocorreu em nov/2012 e, por último, o SAC-EHSS 3, cultivado com alternantera, em set/2013.
Após a inversão no sentido do escoamento, a distribuição dos tratamentos foi feita da seguinte forma:SACs-EHSS controle, que não tiveram o sentido do escoamento invertido - SAC-EHSS 4ni, SAC-SAC-EHSS 5ni e SAC-SAC-EHSS 6ni; SACs-SAC-EHSS que tiveram o sentido do escoamento invertido - SAC-EHSS 1i, SAC-EHSS 2i e SAC-EHSS 3i.
A medição de Ks no leito dos SACs-EHSS vegetados e não vegetados foi feita, de maneira pontual, ao longo do comprimento do sistema e ao longo do tempo de experimentação, com intuito
de serem avaliados os efeitos dos fatores vegetação, da posição e do tempo nessa propriedade hidrodinâmica. Cada SAC-EHSS foi dividido em três partes ou terços e, em cada um desses terços, foi feito a medição deKs, assim, as medições foram realizados às distâncias de 0,33; 1,00 e 1,67 m do início do sistema. Os SACs-EHSS entraram em operação em jul/2011 e as medições realizadas de set/2011 a out/2013.
O procedimento para determinar Ks consistiu na utilização de um tubos de PVC (piezômetros) de 75 mm de diâmetro (2R), inserido de forma permanente no leito do SAC-EHSS, a uma profundidade molhada de 0,1 m (L), sendo então aplicada, no tubo, uma carga hidráulica inicial de 0,40 m (h0), na forma de um pulso, medindo-se o tempo que a água demorava a infiltrar
no meio poroso do leito, ou seja, o decaimento da carga hidráulica (h) com o tempo. Trata-se de uma medição de carga variável, realizada in situ, com nível de água descendente (falling head test), semelhante, porém com um piezômetro de geometria diferente, às efetuadas por Caselles-Osorio et al.. (2007), Pedescoll et al. (2009) e Paoli e von Sperling (2013).
Para o cálculo de Ks, foi utilizado o procedimento proposto por Hvorslev (1951), em que são empregados os parâmetros do piezômetro e da curva, em escala semi-logarítimica, (h/ho) x t. De
acordo com essa solução, Ks pode ser obtida utilizando-se:
37 . 11 . 11 . . 2 t L R Ks (1)
Em que, R é o raio interno do tubo ou piezômetro (m); L é a altura do tubo submerso (m); e t37 é o tempo de retardo básico (s).
O t37 corresponde ao tempo decorrido até que seja obtido h/ho = 0,37. Considerando-se o
design do piezômetro utilizado, os valores medidos de Ks representam o escoamento vertical no
meio poroso e foram corrigidos para a temperatura de referência de 20 °C.
Para estimativa da Ks na brita limpa, a mesma medição (em três repetições) descrita anteriormente foi realizada em três pontos de um SAC-EHSS, de mesmas dimensões e mesmo material suporte que as demais unidades experimentais, utilizando água limpa.
Para caracterização do grau de colmatação nos sistemas avaliados, ao fim do período experimental, em out/2013, foram retiradas amostras do material (substrato mais sólidos ocupantes dos poros) do leito dos SACs-EHSS com o objetivo de quantificar e caracterizar os sólidos intersticiais, que foram divididos em sólidos grosseiros (diâmetro das partículas entre 0,212 e 1,0 mm) e sólidos finos (diâmetro das partículas menor que 0,212 mm). As análises efetuadas nos sólidos intersticiais foram: sólidos totais (ST), pelo método gravimétrico, sólidos voláteis totais (SVT) e sólidos fixos totais (SFT), obtidos após a calcinação do material em mufla, sob temperatura
de 550 ºC, por 2,0 h (APHA et al., 2012). Os dados de teor de sólidos foram convertidos para razão massa de sólidos intersticiais por volume de poros, em relação à matéria seca.
Os dados foram estudados por meio da estatística descritiva, com base nos fenômenos físicos, químicos e biológicos observados, além das informações fornecidas pelos dados coletados e analisados ao longo do período experimental.
3. Resultados e discussão
Na Figura1 estão apresentadas as variações dos valores de Ks ao longo do tempo, para cada SAC-EHSS. O período de tempo experimental apresentado nessas figuras compreende 813 dias (set/2011 a out/2013). O valor médio de Ks obtido para brita limpa foi de 2.504 m d-1.
Figura 1. Variação de Ks ao longo do tempo, antes e após a inversão no sentido do escoamento, nos Terços 1, 2 e 3 de: (a) e (b) SACs-EHSS 1 e 4, não cultivados; (c) e (d) SACs-EHSS 2 e 5, cultivados com capim tifton 85; e (e) e (f) SACs-EHSS 3 e 6, cultivados com alternantera
(a) (b)
(e) (f) Fonte: Baptestini (2014).
Segundo Caselles-Osprio e Garcia (2007), os valores de Ks obtidos em SACs-EHSS pelo método do falling head test são ''aparentes'' e, portanto, não podem ser comparados com os outros valores de Ks medidos em sistemas com características e condições operacionais diferentes.
Ao final de pouco mais de 2 anos de operação dos sistemas, as medidas de Ks reduziram de 1.774 m d-1 para 785 m d-1, nos sistemas em que houve inversão no sentido do escoamento, e de 2.130 m d-1 a 766 m d-1, para os sistemas em que essa inversão não ocorreu. Os valores de Ks obtidos no presente trabalho foram maiores que os obtidos por Caselles-Osorio et al. (2007), que foi de 0 a 200 m d-1, Pedescoll et al. (2009), menores que 20 m d-1 a 800 m d-1, e Paoli e von Sperling (2013), de 7 a 324 m d-1, em SACs-EHSS em operação entre 8 meses e 4 anos de operação.
Em relação à variação de Ks ao longo do comprimento dos SACs-EHSS, nota-se na Figura 1, para os SACs-EHSS sem cultivo e cultivados com alternantera, que houve tendência de aumento dessa variável do Terço 1 para o Terço 3. Nos sistemas cultivados com tifton 85, esta mesma tendência não foi observada. Estudos comparativos de Ks entre as zonas de entrada e saída de EHSS também têm identificado alteração dessa variável em relação à posição nos SACs-EHSS, como demosntram os trabalhos de Suliman et al. (2006), Pedescoll et al. (2009) e Paoli e von Sperling (2013). Supõe-se que a forma de desenvolvimento da espécie vegetal em cultivo tenha forte influência em Ks, tendo em vista que a carga de sólidos aplicada foi a mesma em todos os SACs-EHSS.
As plantas também influenciaram a colmatação do meio poroso superficial dos SACs-EHSS, ao contribuir com detritos vegetais que aumentaram devido ao ataque de pragas, conduzindo à mais rápida redução de Ks. O método utilizado de medição de Ks é muito sensível às condições da camada superficial e, por isso, não expressa as condições hidrodinâmicas de todo o meio poroso e nem da quantidade de sólidos retida nos poros (PEDESCOLL et al., 2009; CASELLES-OSORIO et al., 2007).
Notou-se, no cruzamento dos dados de Ks e de sólidos, entre sólidos intersticiais finos e grosseiros, obtidos nas camadas 0-20 cm e 20-55, que, em razão da forma como as medições foram feitas, não existe boa correlação de Ks com o grau de colmatação do meio poroso. A colmatação do meio poroso está associada a fatores como quantidade de sólidos intersticiais e superficiais, características destes sólidos e presença ou não de plantas e esses fatores interagem maneira complexa que só com a medição de Ks, principalmente em razão das condições que é feita, não é possível sua quantificação. Para Llorens et al. (2009), as propriedades dos sólidos, como a densidade, são tão importantes no processo de colmatação como sua quantidade. Por exemplo, o crescimento de biofilme dá origem à formação de um material gelatinoso, de baixa densidade, capaz de reter a água, o que reduz significativamente a porosidade drenável e, consequentemente, Ks (SULIMAN et al., 2006; KNOWLES et al., 2011). Segundo Knowles et al. (2011), as raízes e rizomas contribuem para o entupimento subsuperficial, principalmente nos primeiros centímetros superficiais do leito, influenciando Ks. Todavia, no trabalho de Fu et al. (2013), conduzido em SACs-EV, ficou evidente que a presença das plantas adiou, a princípio, o processo de colmatação e, assim como no trabalho de Brasil e Matos (2008) com SACs-EHSS, os autores creditaram esse fenômeno à expansão, proporcionada pelas raízes, no espaço poroso do meio suporte.
Quanto ao efeito da inversão no sentido do escoamento sobre a variável Ks, não se observou uma reação positiva nos SACs-EHSS 1i e 3i (sem cultivo e cultivado com alternantera, respectivamente), ou seja, após a inversão, os valores de Ks continuaram diminuindo nestes sistemas. Já no SAC-EHSS 2i (cultivado com capim tifton 85) ocorreu aumento de Ks nos Terços 1 e 2, após efetuada a inversão. Com relação aos SACs-EHSS 1i e 4ni, em maio/2013 os mesmos foram desativados já que o ES alcançou os 200 cm, ou seja, os sistemas ficaram totalmente alagados entretanto, também neles foi medido Ks, estando os resultados aprestados na Figura 1. Na Figura 1a e 1b é possível notar que, após um período de repouso de 133 dias, sem esvaziá-los, houve aumento de Ks e o aumento em relação ao Ks de antes do repouso foi de 120%, 90% e 60%, para os Terços 1, 2 e 3, respectivamente, no SAC-EHSS 1i, e de 120%, 100% e 50%, para os Terços 1, 2 e 3, respectivamente, no SAC-EHSS 4ni. Acredita-se que, durante o repouso, por não haver aplicação de ARS, o nível de água no interior do leito foi rebaixado por evaporação, proporcionando uma aeração na parte superior do meio poroso, degradação parcial do material orgânico e, com isso, aumento de Ks. De acordo com Nivala et al. (2012), a aeração do meio poroso presumivelmente proporciona maior digestão aeróbia, in situ, dos sólidos orgânicos, o que pode reestabelecer a porosidade, ajudando a desobstruir o sistema e, consequentemente, aumentar Ks. Além disso, o SAC-EHSS funcionou como um reator biológico, no qual também ocorreu a degradação de parte do
material retido nos interstícios do meio poroso, aumentando a porosidade livre e, por conseguinte,
Ks.
A inversão no sentido do escoamento, a princípio, amorteceu a redução de Ks no SAC-EHSS 1i, apesar de não ter eliminado a tendência de sua redução. Nos sistemas cultivados com tifton 85, os valores de Ks do Terço 1 e 2 do SAC-EHSS 2i apresentaram aumento após a inversão no sentido do escoamento e as reduções de Ks no Terço 2 foram menores no SAC-EHSS 2i, em relação ao Terço 2 do SAC-EHSS 5ni. Nos cinco meses seguintes após a inversão no sentido do escoamento do SAC-EHSS 2i, percebeu-se aumento gradual de Ks no Terço 1. Isso também pode ser observado na Figura 1c e 1d, quando ocorrem mudanças no comportamento de Ks entre os Terços, para os sistemasSAC-EHSS 2i e 5ni, considerando o período de tempo após a inversão.
Considerando-se os resultados obtidos, acredita-se que haveria maior persistência e intensidade dos efeitos positivos, resultantes da inversão, caso a mudança no sentido do escoamento tivesse sido feita mais prematuramente nos SACs-EHSS, ou seja, não se permitindo que ES tivesse alcançado uma extensão tão longa como a de 50% do comprimento dos SACs-EHSS. Neste contexto, supõe-se que os Terços 1 e 2 não estariam tão afetados pelos efeitos da colmatação e isso aumentaria as chances de ocorrer a degradação do material colmatante formado nestas regiões, pela ação dos microrganismos e plantas, de forma que essa degradação seria mais eficiente e persistente. Logo, com o aumento da porosidade efetiva, haveria aumento de Ks.
Cabe destacar que, a metodologia utilizada para determinação Ks despreza os 5 cm superficiais do leito, que não permaneciam saturados. Essa desconsideração pode ter prejudicado a sensibilidade na associação dos valores de Ks com o grau de colmatação do meio poroso. Por essa razão, as medidas de Ks, em razão das inadequações associadas ao método utilizado, devem ser analisadas com cautela, e em conjunto com outras variáveis, para que se possa ter uma estimativa confiável do grau de colmatação do meio poroso.
4. Conclusão
Com base nos resultados apresentados pode-se concluir que:
As medições de Ks foram capazes de detectar alterações do meio poroso após a inversão no sentido do escoamento da água residuária, embora, no geral, não tenham apresentado sensibilidade suficiente para adequada associação com o grau de colmatação (teor de SVT) no sistema;
- Em razão da colmatação de SACs-EHSS ser um fenômeno predominantemente superficial, a medição de Ks à profundidade de 10 cm abaixo do nível de água
impediu que houvesse sua mais estreita associação com o teor de SVT no meio poroso;
- Os valores de Ks, da forma como foram determinados, não apresentaram boa correlação com o grau de colmatação e, por isso, devem ser analisados em conjunto com outras variáveis, para adequada interpretação do grau de colmatação de SACs-EHSS.
5. Agradecimentos
Ao Departamento de Engenharia Agrícola (DEA) da Universidade Federal de Viçosa (UFV), a Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de Minas Gerais (FAPEMIG), ao Conselho Nacional de Desenvolvimento de Científico e Tecnológico (CNPq) e ao Grupo de Pesquisa em Qualidade Ambiental (GPQA).
6. Referências
BAPTESTINI, G. C. F. Sistemas alagados construídos de escoamento horizontal subsuperficial com inversão no
sentido de escoamento. 2014. Tese (Doutorado em Engenharia Agrícola) – Universidade Federal de Viçosa, Viçosa,
2014.
APHA (AMERICAN PUBLIC HEALTH ASSOCIATION); AWWA (AMERICAN WATER WORKS ASSOCIATION); WEF (WATER ENVIRONMENT FEDERATION). Standard methods for the examination of
water and wastewater. 22nd ed. Washington, D.C.: American Public Health Association, 2012. 1046 p.
BRASIL, M. S.; MATOS, A. T. Avaliação de aspectos hidráulicos e hidrológicos de sistemas alagados construídos de fluxo subsuperficial. Engenharia Sanitária e Ambiental,v. 13, n. 3, p. 323-328, 2008.
CASELLES-OSORIO, A.; GARCIA, J. Effect of physico-chemical pretreatment on the removal efficiency of horizontal subsurface-flow constructed wetlands. Environmental Pollution,v. 146, n. 1, p. 55-63, 2007.
CASELLES-OSORIO, A.; PUIGAGUT, J.; SEGÚ, E.; VAELLO, N.; GRANÉS, F.; GARCÍA, D.; GARCÍA, J. Solids accumulation in six full-scale subsurface flow constructed wetlands. Water Research,v. 41, n. 6, p. 1388-1398, 2007. FU, G.; ZHANG, J.; CHEN, W.; CHEN, Z. Medium clogging and the dynamics of organic matter accumulation in constructed wetlands. Ecological Engineering,v. 60, p. 393-398, 2013.
HVORSLEV, M. J. Time lag and soil permeability in ground water observations. Bulletin 36. Vicksburg, Mississippi: U.S. Army Corps of Engineers Water-way Experimentation Station, 1951.
KNOWLES, P.; DOTRO, G.; NIVALA, J.; GARCÍA, J. Clogging in subsurface-flow treatment wetlands: occurrence and contributing factors. Ecological Engineering,v. 37, p. 99-112, 2011.
LLORENS, E.; PUIGAGUT, J.; GARCÍA, J. Distribution and biodegradability of sludge accumulated in a full-scale horizontal subsurface-flow constructed wetland. Desalination and water treatment,v. 4, n. 1-3, p. 54-58, 2009. MATOS, A. T.; FREITAS, W. S.; BRASIL, M. S.; BORGES, A. C. Influência da espécie vegetal cultivada nas condições redox de sistemas alagados construídos. Engenharia Agrícola, Jaboticabal,v. 30, n. 3, p. 518-526, 2010.
NIVALA, J.; KNOWLES, P.; DOTRO, G.; GARCÍA, J.; WALLACE, S. Clogging in subsurface-flow treatment wetlands: measurement, modeling and management. Water Research,v. 46, p. 1625-1640, 2012.
PAOLI, A. C.; VON SPERLING, M. Evaluation of clogging in planted and unplanted horizontal subsurface flow constructed wetlands: solids accumulation and hydraulic conductivity reduction. Water Science and Technology,v. 67, n. 6, p. 1345-1352, 2013.
PEDESCOLL, A.; UGGETTI, E.; LLORENS, E.; GRANÉS, F.; GARCÍA, D.; GARCÍA, J. Practical method based on saturated hydraulic conductivity used to assess clogging in subsurface flow constructed wetlands. Ecological
Engineering,v. 35, p. 1216-1224, 2009.
SULIMAN, F.; FRENCH, H. K.; HAUGEN, L. E.; SØVIK, A. K. Change in flow and transport patterns in horizontal subsurface flow constructed wetlands as a result of biological growth. Ecological Engineering,v. 27, n. 2, p. 124-133, 2006.
ZHANG, D. Q.; JINADASA, K. B. S. N.; GERSBERG, R. M.; LIU, Y.; NG, W. J.; TAN, S. K. Application of constructed wetlands for wastewater treatment in developing countries – A review of recent developments (2000–2013).
