RETENÇÃO DO FÓSFORO DE ÁGUAS RESIDUÁRIAS EM LEITOS CULTIVADOS COM TABOA E ARROZ

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UTFPR – Câmpus Curitiba, Avenida Sete de Setembro, 3165 - Rebouças, Curitiba 2º Simpósio Brasileiro sobre Wetlands Construidos – 11 a 13 de Junho de 2015

RETENÇÃO DO FÓSFORO DE ÁGUAS RESIDUÁRIAS EM LEITOS

CULTIVADOS COM TABOA E ARROZ

Celso Luiz Borges de Oliveira*

Centro de Ciências Exatas e Tecnológicas da Universidade Federal do Recôncavo da Bahia Cruz das Almas/BA, Brasil, celso@ufrb.edu.br

José Teixeira Filho

Faculdade de Engenharia Agrícola da Universidade Estadual de Campinas Campinas/SP, Brasil, jose@feagri.unicamp.br

Resumo

A retenção do fósforo foi avaliada na unidade-piloto de um sistema de alagados construídos na FEAGRI/UNICAMP, em três leitos: um plantado com Taboa, outro com Arroz, e um não plantado, denominado Controle. O clima da região caracteriza-se como tropical, com inverno seco e verão úmido com temperatura média do ar de 23,7 °C no período do estudo. Foram feitas medidas horárias das vazões na entrada e saída dos leitos, 9 horas por dia, coletadas as amostras para análise das concentrações de fósforo, pH e condutividade elétrica. Os resultados foram obtidos na época de férias e de aulas, entre dois cortes feitos na Typha e no Arroz. Os volumes de entrada e saída dos leitos variaram de 172,7 a 209,4 L e 127,0 a 199,8 L, respectivamente. O tempo médio de detenção hidráulica foi de 5 dias. As concentrações médias de fósforo, na entrada e saída dos leitos plantados com a Typha, Arroz e o não plantado variaram de 1,5 a 3,1 mgP/L e de 0,6 a 2,8 mgP/L, respectivamente. As cargas médias de fósforo, na entrada e saída dos leitos plantados com a Typha, Arroz e o Controle variaram de 258,5 a 644,4 mgP e de 81,7 a 510,6 mgP, respectivamente. O percentual médio de fósforo retido na entrada e saída do leito plantado com a Typha teve variação de 52,1 a 86,4%, no leito plantado com Arroz foi de - 4,9 a 25,7% e no leito Controle de 7,7 a 15,7%.

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1 Introdução

É acentuada a deficiência de tratamento do esgoto coletado no Brasil, quase 75% de todo o esgoto sanitário coletado nas cidades é despejado "in natura", o que contribui decisivamente para a poluição dos cursos d'água urbanos e das praias (Snsa, 2005). Uma alternativa para o tratamento do esgoto é a utilização dos leitos alagados construídos (constructed wetlands), que simulam os processos que ocorrem em alagados naturais. Esses sistemas de tratamento são compostos de substrato, plantas tolerantes à inundação, coluna de água e uma população de microorganismos. As plantas fornecem oxigênio e outros nutrientes que promovem o crescimento microbiano no substrato, sendo este o grande responsável pelo tratamento dos resíduos contidos no efluente. Os processos e mecanismos de tratamento dentro dos sistemas alagados construídos são altamente complexos e incluem processos microbiológicos, biológicos, físicos e químicos que podem ocorrer seqüencialmente ou simultaneamente (HAMMER & BASTIAN, 1989; US EPA, 2000; SCHOLZ, 2006; VYMAZAL, 2007) apud ZHANG, L et al (2008).

O excesso das cargas de fósforo de várias fontes está sempre relacionado com a eutrofização dos corpos d´água, pois é um dos nutrientes que se apresenta em quantidades significativas no final dos tratamentos dos esgotos. Esse elemento é um nutriente essencial para o crescimento de algas, sendo seu lançamento limitado a 1,0 mg L-1 de fósforo total para lagos e lagoas (Von Sperling, 1996). Os mecanismos de retenção e remoção de fósforo durante o tratamento de águas residuárias em sistemas de alagados construídos consistem de adsorção, desorção, precipitação, retirada pelas plantas e microorganismos, fragmentação, lixiviação, mineralização e sedimentação (Kadlec & Knight, 1996; Vymazal, 2007). Uma grande parcela de wetlands, inventariadas por (Lautenschlager, 2001), apresenta eficiência na remoção de nitrogênio total e fósforo total, em torno de 50%, sendo poucos os casos que a eficiência de remoção alcance valores acima de 80% e outros casos que a eficiência da remoção é negativa atingindo valores em torno de - 40%.

Vários estudos têm confirmado que o tratamento de efluentes é melhorado em sistemas com vegetação comparados com sistemas não plantados (TANNER and SUKIAS, 1995; TANNER, 1996; MATHESON et AL., 2002) apud THULEN et al,2005.

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O objetivo desse estudo foi determinar a retenção de fósforo das águas residuárias originadas das instalações da FEAGRI/UNICAMP, em leitos cultivados com Typha e Arroz, comparados com um leito não plantado, em duas épocas distintas, no período de férias e de aulas, na FEAGRI.

2 Material e métodos

A unidade-piloto do sistema de alagados construídos localiza-se no Campo Experimental da Faculdade de Engenharia Agrícola – FEAGRI/UNICAMP, latitude 22º 48’ 57” S, longitude 47º 03’ 33”W, altitude de 640 metros e destina-se ao tratamento secundário das águas residuárias provenientes das instalações da Faculdade. O efluente tratado é originado de dejetos domésticos das instalações adminsitrativas e acadÊmicas da Faculdade.

Os leitos do sistema são de alvenaria, no formato retangular, com as dimensões de 4,0 x 1,0 x 1,0m, tendo como meio de suporte a brita nº 2 (9,5-31,5mm). A passagem do efluente no sistema de tratamento se dá no fluxo subsuperficial horizontal. A altura da lâmina do efluente no interior do leito foi mantida em 0,60m. O sistema era aberto às 8:00 horas e fechado às 18:00 horas de cada dia.

Os dados coletados e os resultados registrados nos meses de janeiro e fevereiro se referem à época de férias, e os dados do mês de março à época de aulas na FEAGRI. As características mensuradas foram as vazões de entrada e saída dos leitos. Das amostras coletadas foram analisadas as concentrações de fósforo, a condutividade elétrica e o pH. As medidas da vazão de entrada e saída foram tomadas de hora em hora, durante 9 horas por dia, nos dias 19 e 21/01/04; 2, 3 e 5/02/04; e 23, 24 e 25/03/04. As vazões foram medidas no tempo de 20 segundos, utilizando-se uma proveta graduada de 250 ml e um cronômetro digital, e as amostras acondicionadas em garrafas plásticas de 300 ml. Foram calculados os volumes de entrada e saída dos leitos, a evaporação nos leitos plantados e não plantados, o tempo de detenção hidráulica e registrados os dados da temperatura do ar no período do monitoramento. As análises das concentrações de fósforo nas amostras foram determinadas pelo método AOAC Official Method 973.55 – Phosphorus in water (Aoac, 1990). No leito plantado com Typha, utilizaram-se as mudas cultivadas anteriormente no mesmo local. As mudas foram selecionadas com aproximadamente 0,25m de altura, plantadas no espaçamento de 0,30m x 0,30m entre plantas, com 12 plantas por fileira, totalizando 36 plantas no leito. Outro leito

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foi plantado com Arroz, variedade IAC 103, em sulcos com 0,05m de profundidade, no espaçamento de 0,30m entre sulcos com cerca de 300 sementes por metro linear. O leito não plantado foi utilizado como Controle (Figura 1b).

Figura 1 – Leitos da unidade-piloto de tratamento de esgoto plantado com Arroz (a), Controle (b) e plantado com Typha (C)

Fonte: Autoria própria (2004)

3 Resultados e discussão

Inicialmente são descritos o comportamento das vazões de entrada e saída dos leitos e as concentrações e cargas de fósforo, em escala horária, no dia 25/03/04. Este dia é caracterizado pelo máximo desenvolvimento das plantas de Typha e Arroz e no dia seguinte, 26/03/03 foi efetuado o corte das mesmas. Na figura 2 são apresentados os dados horários, em 25/03/04, das vazões na entrada (Qe) e saída (Qs), das concentrações de fósforo da entrada (Ce) e saída (Cs) e as cargas de fósforo na entrada (Ke) e saída (Ks) dos leitos plantados com a Typha e o Arroz. Verifica-se que nas vazões horárias da entrada dos leitos há uma variação no decorrer das 9 horas na tomada dos dados, apresentando picos e decréscimos no período, o que provavelmente se deve às diferentes necessidades e usos de água nas instalações geradoras do efluente.

Figura 2 – Vazões da entrada (Qe) e saída (Qs), Concentrações de fósforo da entrada (Ce) e saída (Cs) e Cargas da entrada (Ke) e saída (Ks) dos leito cultivados com Typha e Arroz no dia 25/03/04

(a)

(b)

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TYPHA ARROZ 0 10 20 30 40 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 V a z ã o ( L .h -1) Hora Local Qe Qs 0 10 20 30 40 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 V a z ã o ( L .h -1) Hora Local Qe Qs (a) (b) 0 1 2 3 4 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 C o n c . d e F ó s fo ro (m g P .L -1) Hora Local Ce Cs 0 1 2 3 4 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 C o n c . d e F ó s fo ro (m g P .L -1) Hora Local Ce Cs (c) (d) 0 20 40 60 80 100 120 140 160 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 C a rg a d e F ó s fo ro ( m g P .h -1) Hora Local Ke Ks 0 20 40 60 80 100 120 140 160 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 C a rg a d e F ó s fo ro ( m g P .h -1) Hora Local Ke Ks (e) (f)

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As maiores e menores vazões de entrada (Qe) registradas no leito plantado com a Typha (figura 2a) foram de 27,0 e 11,5 L/h e as maiores e menores vazões de saída (Qs) foram de 23,4 e 4,0 L/h. As vazões de saída são influenciadas pelo volume das vazões de entrada, pela quantidade de água necessárias à composição e metabolismo das plantas e microorganismos e pela evaporação das plantas e do leito. A vazão horária do leito plantado com o Arroz (figura 2b) tem comportamento similar ao da Typha no decorrer das horas. As maiores e menores vazões de entrada (Qe) e saída (Qs) foram de 23,8 e 10,8 L/h e 21,6 e 9,0 L/h, respectivamente.

Observa-se nas Figuras 2a e 2b a maior diferença entre as vazões de entrada e saída no leito plantado com a Typha quando comparada com as vazões de entrada e saída do leito plantado com Arroz. Provavelmente isso se deve à maior utilização do afluente pelas plantas para realizar seu metabolismo, suprir as células e tecidos das plantas e pela maior evaporação, em relação ao Arroz. Os gráficos nas Figuras 2c e 2d mostram a maior retenção de fósforo no leito plantado com a Typha em relação ao Arroz, quando comparadas as diferenças entre as concentrações de entrada e saída, em escala horária. As diferenças nas médias horárias das concentrações de fósforo da entrada e saída dos leitos plantados com a Typha e o Arroz foram de 1,8 mgP/L e 0,2 mgP/L, respectivamente.

No leito plantado com Typha (figura 2e) verifica-se que a carga de fósforo da entrada (Ke) é fortemente influenciada pela vazão de entrada (Qe) e a carga de fósforo na saída (Ks) influenciada pela interação vazão versus concentração de fósforo versus planta/ambiente. No leito plantado com Arroz (figura 2f) observa-se que as cargas de fósforo da entrada e saída são mais influenciadas pelas vazões de entrada e saída provavelmente pela menor variação nas concentrações de fósforo na entrada e saída do leito.

Na figura 3 são apresentados os percentuais de fósforo retido nos leitos plantados com Typha e Arroz e no Controle e verifica-se o decréscimo na retenção do fósforo nessa ordem, com percentuais médios de 79, 20 e 5%, demonstrando a maior eficiência na retenção do fósforo no leito plantado com Typha.

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-20 0 20 40 60 80 100 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 (% ) F ó s fo ro R e ti d o Hora Local

Typha Arroz Controle

Fonte: Pesquisa de campo (2004)

Na tabela 1 são apresentadas as médias e as variabilidades ( _,s e CV), do volume e da evaporação da entrada e saída dos leitos, da temperatura do ar e do tempo de detenção hidráulica, na época de férias e de aulas, nos leitos plantados com Typha e Arroz e no Controle.

Tabela 1 – Média ( ), desvio padrão (s) e coeficiente de variação (cv) do volume de entrada (Ve) e saída (Vs) do efluente tratado, evaporação nos leitos (Evap), temperatura do ar (T) e o tempo de detenção hidráulica (TDH) nos leitos com Typha, Arroz e o Controle no período de férias e aulas

Época Estimador Volume (L) Evap (mm) T

(oC) TDH (Dia) Leito Ve Vs T Y P H A 172,7 127,0 11,4 27,6 5 Férias s 48,0 45,0 2,7 1,6 1 cv(%) 28 35 24 6 17 202,0 133,0 17,3 24,9 5 Aulas s 32,5 33,6 0,8 1,0 1 cv(%) 16 25 5 4 18 A R R O Z 209,4 199,8 2,4 27,6 4 Férias s 14,9 16,7 1,7 1,6 1 cv(%) 7 8 71 6 18 184,7 157,2 6,9 24,9 5 Aulas s 34,0 31,0 0,8 1,0 1 cv(%) 18 20 11 4 20 C O N T R O L E 201,0 191,2 2,4 27,6 5 Férias s 18,8 24,0 1,7 1,6 1 cv(%) 9 13 69 6 18 193,6 183,1 2,6 24,9 5 Aulas s 36,9 34,6 0,6 1,0 1 cv(%) 19 19 25 4 19

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As medidas e amostras foram realizadas nos dias 19 e 21/01/04, em 2, 3 e 5/02/04, referentes ao período de férias na FEAGRI, e nos dias 23, 24 e 25/03/04 referentes ao período de aulas. Os períodos são influenciados pelo menor ou maior fluxo e concentrações de fósforo do efluente em decorrência do menor ou maior uso das instalações geradoras das águas servidas.

Na tabela 2 são apresentadas as médias e as variabilidades, desvio padrão (s) e coeficiente de variação (CV), da concentração de fósforo, as cargas de fósforo, o pH e a condutividade elétrica, na entrada e saída, dos leitos plantados com Typha e Arroz e o Controle.

Tabela 2 – Média ( ), desvio padrão (s) e coeficiente de variação (cv) da concentração de fósforo da entrada (Ce) e saída (Cs), carga de fósforo da entrada (Ke) e saída (Ks), variação da carga de fósforo (ΔK) percentagem de fósforo retido (Pret), pH da entrada (pHe) e saída (pHs), a condutividade elétrica da entrada (CEe) e saída (CEs) e a variação da condutividade elétrica (ΔCE) nos leitos com Typha, Arroz e o Controle no período de férias e aulas

Leito Época Estimador C (mgP/L) K (mgP) Pret

% pH Ce Cs ΔC Ke Ks ΔK pHe pHs T Y P H A 1,5 1,0 0,56 258,5 134,0 124,5 52,1 8,4 7,9 Férias s 0,2 0,4 0,45 64,7 71,3 19,6 21,4 0,7 0,8 cv(%) 12 41 80 25 53 16 41 8 10 3,1 0,6 2,50 644,4 81,7 562,7 86,4 8,5 8,1 Aulas s 0,4 0,3 0,60 177,7 42,3 172,0 7,1 0,1 0,1 cv(%) 12 51 24 28 52 31 8 1 1 A R R O Z 1,5 1,6 -0,11 317,5 333,7 -16,3 -4,9 8,3 8,2 Férias s 0,2 0,2 0,26 32,2 49,5 44,1 18,4 0,7 0,8 cv(%) 12 11 -241 10 15 -271 -371 8 9 3,1 2,7 0,43 590,1 432,5 157,6 25,7 8,5 8,5 Aulas s 0,4 0,2 0,24 174,6 111,6 67,8 4,7 0,1 0,1 cv(%) 12 6 55 30 26 43 18 1 1 C O N T R O L E 1,5 1,5 0,05 307,5 282,6 24,9 7,7 8,3 8,2 Férias s 0,2 0,1 0,20 59,4 46,2 42,9 15,0 0,7 0,6 cv(%) 12 5 400 19 16 172 195 9 7 3,1 2,8 0,38 617,2 510,6 106,6 15,7 8,5 8,7 Aulas s 0,4 0,2 0,32 184,4 130,8 74,9 9,5 0,1 0,1 cv(%) 12 7 83 30 26 70 61 1 1

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Os maiores volumes médios evaporados ocorreram no leito plantado com a Typha, 17,3 e 11,4 mm, respectivamente nos períodos de aulas e de férias. A geometria retangular do leito e o tempo de detenção hidráulica, que foi de 5 dias, proporcionam um maior contato entre o efluente tratado e o meio proporcionando uma maior eficiência nos processos de retenção do fósforo.

Observa-se a maior variação média nas concentrações de fósforo na entrada e saída do leito plantado com Typha, no período de aulas, com a retenção de 2,5 mgP/L, o que determinou um percentual de fósforo retido de 8,4%. O pH médio encontra-se na faixa de 7,9 a 8,7 considerado satisfatório para as reações químicas que ocorreram no mesocosmo dos leitos. Foi utilizado o cálculo do Grau-Dia para relacionar a temperatura do ar e o desenvolvimento vegetal da Typha e do Arroz, onde o total de graus-dia acumulado é definido como a soma de temperaturas acima da condição mínima e abaixo da máxima necessárias para as plantas finalizarem os seus diferentes subperíodos de desenvolvimento.

Figura 4 – Curva da Evaporação e Grau Dia nos leitos cultivados com a Typha e o Arroz

y = 0,0312x + 9,0275 R² = 0,7995 y = 0,0153x + 1,2675 R² = 0,5857 -4,0 0,0 4,0 8,0 12,0 16,0 20,0 0 50 100 150 200 250 300 350 400 Ev ap o ra çã o (m m) Grau Dia Typha Arroz

Fonte: Pesquisa de campo (2004)

Na figura 4 são apresentadas as Curvas da Evaporação e do Grau Dia para as culturas da Typha e do Arroz e os resultados de r2=0,79 para a Typha e o r2=0,58 do Arroz mostrando a significância entre os graus-dia calculados e as evaporações ocorridas nos respectivos leitos cultivados.

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4 Conclusões

Maiores retenções ocorreram no período de aulas, onde o leito com Typha teve o percentual médio de fósforo retido de 86,4%, com Arroz de 25,7% e o Controle 15,7%. A Typha demonstra uma alta eficiência na retenção do fósforo, quando comparado aos demais, nos dois períodos. retenção foi influenciada por algumas variáveis externa, como; a entrada de fósforo, época das coletas dos dados, o conteúdo de fósforo no efluente e indicam que a variação sazonal do desempenho é influenciada pelas concentrações de fósforo do efluente e pelas espécies de plantas.

5 Referências

AOAC Official Methods of Analysis of the Association Official Analytical Chemistry. 15 ed., Aligton, 1990, 2v.

KADLEC, R. H. KNIGHT, R. L. Treatment wetlands. Boca Raton Lewis Publishers, 1996. LAUTENSCHLAGER, S. R. Modelagem do desempenho de wetlands construídas. 2001. 90p. Dissertação (Mestrado em Engenharia Civil ) - Curso de Pós-graduação em Engenharia Civil, Universidade Estadual de São Paulo.

THULEN. J.S. et al. Managing vegetation in surface-flow wastewater-treatment wetlands for

optimal treatment performance. Ecological Engineering. v. 25, p. 583-593, 2005.

VON SPERLING, M. Tendências no tratamento simplificado de águas residuárias. Tópicos de relevância. In; Seminário Internacional Tendências no Tratamento Simplificado de Águas

Residuárias Domésticas e Industriais, 1996, Belo Horizonte, MG: Anais. 1996. pp.1-11.

VYMAZAL, J. Removal of nutrients in various types of constructed wetlands. Science of the Total Environment. n. 380, p. 48-65, 2007.

SISTEMA NACIONAL DE INFORMAÇÕES SOBRE SANEAMENTO. Ministério das Cidades.

SNSA, 2005. http://www.snis.gov.br/oque_snsa.htm. Acessado em 15 de maio de 2005.

ZHANG, L. et al. Assessment of the nutrient removal performance in integrated constructed