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Flávio Oliveira da Costa1
Ronaldo Severiano Berton2 RESUMO – A utilização do lodo de esgoto na agricultura precisa ser feita com critérios a
fim de não causar danos ao ambiente e ao homem. À medida que se obtêm diversos conheci-mentos relacionados ao uso agrícola do lodo de esgoto, torna-se possível desenvolver um sistema computacional para auxiliar o profissional na elaboração de projetos para utilização agrícola do lodo de esgoto. O objetivo deste trabalho foi desenvolver um sistema computa-cional, denominado de Sistema Especialista, de acesso via Internet, utilizando conhecimentos de especialistas no uso agrícola do lodo de esgoto, a fim de fornecer maior eficiência aos profissionais responsáveis pela aplicação do lodo de esgoto em áreas agrícolas. Para desen-volvimento do sistema foi utilizado o software ASP (“Active Server Pages”). Foram incorpo-rados ao sistema conhecimentos da Norma da CETESB P4.230/99, referente à aplicação de lodo de sistemas biológicos no solo e também critérios agronômicos, com objetivo de avaliar a qualidade do lodo de esgoto e fazer sua recomendação de aplicação, levando em considera-ção fatores como teor de nitrogênio disponível, concentraconsidera-ção de metais pesados, presença de microrganismos patogênicos presentes no lodo de esgoto e os teores de metais pesados acu-mulados pelas aplicações sucessivas do resíduo.
Palavras-chave: biossólido, fertilizante, sistema de informação, programa computacional,
nitrogênio, metal pesado, condicionador de solo, legislação
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ABSTRACT – The use of sewage sludge (SS) on agriculture must have criteria in order
to avoid damage to the environment and to humans. The knowledge obtained by research on the agricultural use of SS allowed to develop a computational system to help professionals to elaborate projects to proper use of SS in agriculture. The objective of this work was to develop a computational system, called Specialist System, accessible by Internet, using
1 Eng. Agrícola. [email protected]
2 Eng. Agrônomo, Instituto Agronômico (IAC), CPD de Solos e Recursos Ambientais, Campinas, SP.
knowledge of specialists on the agricultural use of the SS, in order to improve the skills of professionals working on projects for application of the SS in agricultural areas. The software was developed using ASP ("Active Server Pages"). Regulation CETESB P4.230/99 was in-corporated to the system knowledge in order to evaluate SS quality. Also agronomic criteria were used to generate a SS recommendation to the crop. Parameters like available nitrogen, heavy metal concentrations, presence of pathogens in the SS and also the concentration of heavy metals accumulated in soil after successive applications of SS were considered in that recommendation.
Keywords: biosolids, fertilizer, information system, computer program, nitrogen, heavy
met-als, soil amendment, legislation
1 INTRODUÇÃO
A avaliação da qualidade do lodo de esgoto é necessária para determinar sua via-bilidade para aplicação na agricultura e para controlar a adição de nutrientes, de metais pesados e de agentes patogênicos no solo, uma vez que a composição do lodo pode variar em função das características do esgo-to, do sistema de tratamento (aeróbico ou anaeróbico) e do processo de higienização adotado (ANDREOLI; PEGORINI, 2000). Na literatura existem normas e regras para uso deste material (CETESB, 1999).
Segundo Oshiro, Novelli e Lucena (2000), Sistemas Especialistas (SE) podem ser definidos como programas de computa-dor desenvolvidos para representar o conhe-cimento humano num domínio específico que permite criar critérios estruturados na forma de regras. Quanto mais especializados e identificáveis forem os domínios ou área do problema, maiores serão as chances de se obter sucesso na aquisição, estruturação e representação do domínio nas bases de co-nhecimento.
Atualmente, a Norma da CETESB
P4.230 (CETESB, 1999) exige do responsá-vel pela aplicação do lodo de esgoto na agri-cultura a elaboração de um projeto. Parte deste trabalho, apesar de exigir conheci-mentos especializados, acaba tornando-se rotineiro, exigindo grande desprendimento de tempo, gerando desgaste do profissional.
Neste sentido, o objetivo deste tra-balho foi testar a hipótese de que, agregan-do-se conhecimentos de especialistas no uso agrícola do lodo de esgoto em um programa computacional, com a característica de aces-so via Internet, possa-se desenvolver um Sistema Especialista para auxiliar o técni-co responsável na elaboração de projeto para aplicação de lodo de esgoto em solo agrí-cola.
2 MATERIAL E MÉTODOS
Para ter a característica de comuni-cação via Internet, optou-se em desenvolver o sistema em ASP (“Active Server Pages”), que é uma linguagem computacional de programação para geração de páginas dinâ-micas. Este fica armazenado na plataforma de um servidor, onde pode ser acessado por
vários usuários ao mesmo tempo bastando ter um computador que esteja conectado à Internet.
O conhecimento do Sistema Especi-alista proposto foi adquirido em literatura existente sobre o assunto (CETESB, 1999; MELO; MARQUES; MELO, 2001; AN-DREOLI; PEGORINI, 2000; RAIJ et al., 1996) e do especialista de domínio do pro-blema, Dr. Ronaldo Severiano Berton, pes-quisador do Instituto Agronômico de Cam-pinas-IAC. A aquisição de conhecimento do especialista foi feita, basicamente, através de entrevista não-estruturada. Esta “informali-dade” se deve ao fato da facilidade de acesso ao especialista e sua pré-disposição em pas-sar informações.
Os principais componentes de um Sistema Especialista são a base de conheci-mento, a máquina de inferência e a interface com o usuário. A base de conhecimento do sistema foi desenvolvida de acordo com a forma como o especialista no uso agrícola do lodo de esgoto armazena, deduz e infere seu conhecimento. O conhecimento consiste de fatos e heurísticas, onde os fatos no sis-tema aqui proposto constituem-se de infor-mações que estarão sendo solicitadas ao usuário do sistema. As heurísticas são as regras que caracterizam a tomada de deci-são do Sistema Especialista e foram repre-sentadas através de regras do tipo “se... então”.
A linguagem ASP não possui máquina de inferência, mas fornece ferramentas que possibilitaram criar rotinas de interação dos fatos com as regras, simulando, então, uma máquina de inferência. O mecanismo de inferência
utilizado no sistema foi o encadeamento para frente ou “forward chaining”.
Este sistema foi desenvolvido usan-do scripts serviusan-dores, que são arquivos tex-tos com um conjunto de instruções ASP, nos quais estão contidas todas as instruções que dizem o que o programa fará. A linguagem de script utilizada foi o VBScript. O coman-do coman-do VBScript mais utilizacoman-do na construção das regras foi o “IF”.
As regras foram formadas dentro de uma estrutura de controle de decisão que estão embutidas na linguagem de programa-ção, o que permitiu executar os comandos de acordo com uma determinada condição.
2.1 VALIDAÇÃO DO SISTEMA ESPECIALISTA
Para a validação do Sistema Especi-alista, foram criadas três situações, envol-vendo três tipos diferentes de lodo de esgo-to, duas culturas e um tipo de solo. Três profissionais que trabalham com lodo de esgoto em seu uso agrícola foram escolhidos para validar o sistema. Cada profissional recebeu as três situações e apresentou sua recomendação de adubação em resposta a um questionário com questões relacionadas à qualidade do lodo de esgoto, necessidade de nutrientes pela cultura (NPK), dosagem, quantidade fornecida pela dosagem (NPK e metais pesados) e adubação complementar (NPK).
Os profissionais que participaram da validação, em ordem alfabética, foram Dr. Fernando Carvalho Oliveira (Engenheiro Agrônomo da Empresa Opersan), Dra. Ma-ria Emília Mattiazzo (Engenheira
Agrôno-ma, professora da ESALQ/USP) e Dr. Wag-ner Bettiol (Engenheiro Agrônomo, pesqui-sador da Embrapa Meio Ambiente).
3 RESULTADOS E DISCUSSÃO 3.1 ANÁLISE DA QUALIDADE DO
LODO DE ESGOTO
As rotinas de análise da qualidade do lodo de esgoto consideraram os seguintes critérios: concentrações máximas permitidas de metais pesados (Tabela 1) e
concentra-ções máximas permitidas de patógenos (Ta-bela 2).
O sistema solicita ao usuário dados da análise química e microbiológica da amostra que representa o lodo de esgoto que pretende utilizar para dar o diagnóstico da sua qualidade. As concentrações (mg kg-1)
são solicitadas para os metais pesados arsê-nio, cádmio, cobre, chumbo, mercúrio, mo-libdênio, níquel, selênio e zinco e para os patógenos coliformes fecais (NMP g-1 ST) e
Salmonella sp. (NMP 4g -1 ST). Tabela 1 - Concentrações limites de metais pesados no lodo de esgoto.
Metais Pesados Concentração (mg kg-1)
Arsênio 75 Cádmio 85 Cobre 4.300 Chumbo 840 Mercúrio 57 Molibdênio 75 Níquel 420 Selênio 100 Zinco 7.500 Fonte: CETESB (1999).
Tabela 2 - Concentrações limites de patógenos no lodo de esgoto.
Patógenos Concentração3 Lodo Classe A Coliformes Fecais 103 NMP g-1 ST Salmonella sp. 3 NMP 4g -1 ST Lodo Classe B Coliformes Fecais 2 × 106 NMP g -1 ST Fonte: CETESB (1999). __________________________
No diagnóstico da amostra, a respos-ta do sistema pode indicar que o lodo de esgoto apresenta características adequadas para ser usado na agricultura ou impróprio para este fim. Estando apto, isto representa que todos os metais pesados estão abaixo do limite exigido pela CETESB (1999) (Tabela 1). Em relação aos patógenos, o sistema pode classificar o lodo de esgoto como
clas-se A ou B. O lodo de esgoto não se enqua-drando como classe A ou B ou contendo a concentração de, pelo menos, um metal pe-sado acima do seu limite, é considerado como impróprio para ser aplicado na agri-cultura. Na Figura 1 é apresentado o diag-nóstico da qualidade do lodo de esgoto feito pelo sistema em relação aos metais pesados e aos patógenos.
Figura 1. Diagnóstico da amostra de lodo de esgoto emitido pelo sistema com relação a
3.2 RECOMENDAÇÃO DE ADUBAÇÃO COM LODO DE
ESGOTO
No cálculo da dose de lodo de esgo-to a ser aplicada em uma determinada cultu-ra devem ser levados em considecultu-ração os seguintes fatores: teor de N disponível (mi-neralizável) presente no lodo de esgoto, teores de metais pesados no lodo de esgoto, a capacidade do lodo de esgoto em elevar o pH do solo e o teor de metais pesados acu-mulados pela aplicação sucessiva de lodo de esgoto.
Para o sistema fazer a análise de res-trições em relação aos metais pesados, é
solicitado ao usuário que forneça o nome da área onde se pretende aplicar o lodo de esgo-to e seu histórico, caso haja, de aplicações com suas respectivas quantidades (kg ha-1)
de metais pesados e a data de aplicação. Estas informações permanecem armazena-das no banco de dados do sistema.
Em seguida, o sistema solicita dados para o cálculo da dose provisória de lodo de esgoto, baseando-se na necessidade de ni-trogênio da cultura alvo. Os dados do lodo de esgoto (base seca) a serem fornecidos ao sistema, bem como os dados relativos às necessidades nutricionais da cultura alvo, encontram-se na Figura 2.
Ao profissional responsável pela aplicação, nas condições do Estado de São Paulo, sugere-se consultar o “Boletim 100” (RAIJ et al., 1996), para obter as quantida-des de nitrogênio, fósforo e potássio reco-mendadas para a cultura. Ele deve informar, também, qual o tipo de aplicação de lodo, se
é “superficial” ou “sub-superficial”. Estas informações são solicitadas pelo sistema como mostra a Figura 2.
A fórmula utilizada para cálculo da dose provisória (taxa de aplicação) foi (MELO; MARQUES; MELO, 2001):
=
disp
N
rec
N
TA
onde:TA = Taxa de aplicação (dose provisória) (mg ha-1)
N rec = Nitrogênio recomendado (kg ha-1)
N disp = Nitrogênio disponível (kg mg-1)
A quantidade de nitrogênio presente
no lodo de esgoto e que será potencialmente disponível para a cultura é estimada pelas seguintes fórmulas (CETESB,1999): Aplicação Superficial:
(
NKJ NNH3)
0,5(
NNH3) (
NNO3 NNO2)
100 FM disp N = × − + × + + Aplicação Sub-superficial:(
NKJ NNH3)
NNH3(
NNO3 NNO2)
100 FM disp N = × − + + + onde:FM = Fração de mineralização do nitrogênio (%);
NKJ = N Kjeldhal (nitrogênio total determinado pelo método Kjeldhal - mg kg-1);
NNH3 = Nitrogênio amoniacal (mg kg-1);
NNO3 = Nitrogênio nitrato (mg kg-1);
3.3 TAXA DE APLICAÇÃO ANUAL MÁXIMA DE METAIS PESADOS
EM SOLOS AGRÍCOLAS
Esta análise é feita somando-se as quantidades de todas as aplicações no ano referente a cada metal pesado. Obtém-se um valor que é comparado com o limite
estabe-lecido na norma da CETESB (1999) onde, caso a quantidade de algum metal pesado ultrapasse seu valor limite (Tabela 2), o sistema diminuirá a dose provisória para que esta quantidade do metal pesado, que estava acima de seu limite, fique igual ao seu limi-te. Esta regra é adotada para todos os metais pesados.
Tabela 3 - Taxa de aplicação anual máxima de metais pesados em solos agrícolas tratados
com lodos. Metais Pesados kg ha-1 Arsênio 2,00 Cádmio 1,90 Cobre 75,00 Chumbo 15,00 Mercúrio 0,85 Níquel 21,00 Selênio 5,00 Zinco 140,00 Fonte: CETESB (1999). 3.4 CARGAS CUMULATIVAS MÁXIMAS PERMISSÍVEIS DE METAIS PESADOS
Seguindo o mesmo raciocínio do item anterior, o sistema obedece aos limites da Tabela 4 onde, novamente, existe a pos-sibilidade da dose provisória ter seu valor alterado para atender às novas restrições.
3.5 DOSE FINAL
A dose final só será igual à dose provisória caso o sistema não detecte os problemas de restrição citados anteriormen-te. Havendo uma ou mais restrições, ele adota a dose que apresentar o menor valor como dose final. Este raciocínio se deve ao
fato de que, utilizando-se esta regra, todas as outras restrições, caso existam, serão atendi-das.
Após calcular a dose final, o sistema apresenta uma recomendação de adubação complementar com adubo mineral, se neces-sário. O relatório é apresentado como mostra a Figura 3. A dose final gera quantidades (kg ha-1) de metais pesados a serem
aplica-dos na área de destino. Para que estas quan-tidades façam parte do histórico das aplica-ções nesta área, o sistema solicitará um no-me e data para a aplicação, como mostra a Figura 3. Estes dados serão armazenados no banco de dados do sistema e, caso haja ou-tra(s) aplicação(ões) nesta área, serão consi-derados nas análises de restrições.
Tabela 4. Cargas cumulativas máximas permissíveis de metais pesados pela aplicação de
lodo em solos agrícolas.
Metais Pesados kg ha-1 Arsênio 41 Cádmio 39 Cobre 1.500 Chumbo 300 Mercúrio 17 Níquel 420 Selênio 100 Zinco 2.800 Fonte: CETESB (1999).
Este Sistema Especialista possui a característica de acesso via Internet, onde foi capacitado para avaliar a qualidade do lodo de esgoto e fazer sua recomendação de adu-bação, seguindo norma da CETESB (1999) e conhecimentos de especialistas que traba-lham com lodo de esgoto.
O acesso via Internet proporcionou praticidade ao sistema. Para utilizá-lo, basta ter, em qualquer lugar, um computador co-nectado na Internet. Outro aspecto positivo observado foi a facilidade de atualização do sistema por parte do usuário, pois o mesmo fica instalado em um provedor de Internet e todas as atualizações realizadas são disponi-bilizadas para todos no mesmo instante.
Esta facilidade de atualização do sistema simplifica a agregação de novos conhecimentos de especialistas, bem como a adequação aos novos critérios da norma da CETESB (1999), lançados periodicamente, como também, à nova resolução do CONAMA (Conselho Nacional do Meio Ambiente) sobre uso agrícola do lodo de esgoto, em discussão no Grupo de Uso Agrícola do Lodo de Esgoto (CONAMA, 2004)4.
O sistema proporciona ao técnico responsável pela aplicação do lodo de esgoto na agricultura ganho de tempo na elaboração de projetos, como exige a norma da CETESB (1999), e menor possibilidade de cometer erros, já que parte da elaboração do projeto, que normalmente é desgastante e passível de erros de cálculo, passa a ser feito no sistema.
O sistema prioriza a utilização segu-ra do lodo de esgoto. A recomendação de adubação com lodo de esgoto por meio do sistema só será possível caso a análise da qualidade do lodo indicar que ele é adequa-do para este fim. A segurança também está presente nas análises de restrições, referen-tes ao acúmulo de metais pesados pelas apli-cações sucessivas.
No diagnóstico da qualidade do lodo de esgoto, o sistema pode apresentá-lo com características adequadas para ser aplicado na agricultura ou impróprio para este fim. Estando apto, isto representa que todos os metais pesados estão abaixo do limite exigi-do pela norma da CETESB (1999). O loexigi-do de esgoto não se enquadrando como classe A ou B ou contendo a concentração de pelo menos um metal pesado acima do seu limite, é considerado impróprio para ser aplicado na agricultura.
A aplicação sucessiva de lodo de es-goto ao solo causa aumento na concentração de metais pesados no sistema, de tal modo que deve haver um limite para essas aplica-ções.
Como visto anteriormente, a dose calculada (provisória) para suprir a necessi-dade de nitrogênio da cultura pode ter seu valor alterado em virtude de alguma restri-ção. Isto acontecendo, a dose tem seu valor diminuído e, conseqüentemente, deixa de atender à necessidade de nitrogênio da cultu-ra.
__________________________
Esta análise de restrições adotada no sistema possibilita ao responsável pela aplicação do lodo de esgoto ter a segurança de não causar danos ao ambiente e ao homem por metais pesados, por meio da aplicação de lodo de esgoto, seguindo a norma da CETESB (1999).
Após a determinação da dose final, o sistema pode calcular uma adubação mineral complementar, caso seja necessário. Esta é feita para os macronutrientes Nitrogênio (N), Fósforo (P2O5) e Potássio (K2O).
O sistema fornece a opção para que o usuário armazene as quantidades de metais pesados gerados pela dose final. Fazendo-se todas as recomendações agrícolas do lodo de esgoto no sistema, ele possibilita um moni-toramento dos limites de metais pesados para cada área de aplicação.
Abaixo segue uma análise de como o sistema pode auxiliar o técnico responsá-vel pela aplicação do lodo de esgoto, se-guindo as normas do roteiro da norma CETESB (1999), descrito na Tabela 5.
Tabela 5 - Roteiro (resumido) para elaboração de projetos de sistemas de aplicação de lodos
em áreas agrícolas.
A) Caracterização da instalação de tratamento de efluentes B) Caracterização do lodo
C) Caracterização da área i) Localização
ii) Caracterização do solo D) Taxa de aplicação
E) Forma de tratamento, armazenamento e transporte do lodo F) Plano de aplicação e manejo
i) Plano de aplicação ii) Plano de manejo da área
G) Planos de operação e monitoramento H) Certificado agronômico
I) Informações adicionais
Fonte: CETESB (1999).
O item “D” (Tabela 5) – Taxa de aplicação, na norma da CETESB diz
“deve-rá ser apresentada a base de cálculo para a taxa de aplicação e freqüência de reaplica-ção a ser utilizada, que deverá considerar o benefício agronômico da utilização do lodo na área, levando em conta o tipo de cultura a ser utilizada e as limitações quanto à apli-cação de nitrogênio e metais e
característi-cas do lodo”.
Neste item, o sistema pode auxiliar o profissional fornecendo a base de cálculo da taxa de aplicação, apresentando o resultado do cálculo da taxa de aplicação e o benefício agronômico para a cultura, além de levar em consideração a necessidade de nitrogênio pela cultura e as restrições quanto aos metais pesados e rapidez no processo.
No sub-item “F-i” (Tabela 5) – Pla-no de aplicação, é estabelecido: “Deverá ser
apresentado o plano de aplicação do lodo, compreendendo:
- planta da área de aplicação com deli-mitação de parcelas; e
- descrição da seqüência da aplicação de lodo detalhando períodos previstos pa-ra a aplicação ao longo do ano”.
Foram desenvolvidas no sistema ca-racterísticas que proporcionam um monito-ramento para cada parcela ou área onde se aplica lodo de esgoto. Todos os dados e data de cada aplicação ficam armazenados em bancos de dados do sistema e, em relação aos metais pesados, eles são considerados nas análises de restrições. Fazendo-se todas as aplicações pelo sistema tem-se, então, o histórico das aplicações em cada parcela ou área.
De acordo com o apresentado, este sistema é uma ferramenta de auxílio ao téc-nico responsável pela aplicação do lodo de esgoto na agricultura. Ficou demonstrada que seu escopo de atuação é limitado, não abrangendo todos os aspectos que envolvem uma aplicação agrícola do lodo de esgoto.
As informações precisas do sistema, referentes a nutrientes (NPK) e metais pesa-dos, possibilitam um aproveitamento agro-nômico adequado do lodo de esgoto, feito com a segurança de não estar causando da-nos ao ambiente e ao homem.
A subjetividade na utilização do lo-do de esgoto na agricultura influencia o pro-cesso de validação do sistema, pois a avalia-ção fica sujeita à experiência e ao conheci-mento do técnico responsável pela
aplica-ção. Assim, verificou-se que houve diver-gências entre os resultados apresentados pelos especialistas em questões como valor da dose calculada de lodo de esgoto, quanti-dades fornecidas pela dose de NPK e na recomendação de adubação complementar com adubo mineral para NPK, sendo que todos receberam as mesmas situações para fazer a recomendação deadubação com lodo de esgoto e um mesmo questionário. Essas divergências dificultaram a avaliação da representatividade do sistema.
4 CONCLUSÕES
O acesso ao sistema via Internet proporcionou praticidade na utilização do sistema.
Com auxílio deste sistema, uma maior confiança foi alcançada nos resultados dos projetos para aplicação do lodo de esgo-to na agricultura, diminuindo possibilidades de erros.
A subjetividade na recomendação de adubação com lodo de esgoto influenciou o processo de validação do SE.
O encadeamento para frente ou “forward chaining” utilizado para o desen-volvimento do sistema mostrou-se ser ade-quado para este trabalho.
A técnica de SE se mostrou eficaz para o uso agrícola do lodo de esgoto, facili-tando a manipulação e o processamento das informações.
REFERÊNCIAS
ANDREOLI, C. V., PEGORINI, E. S. Ges-tão pública do uso agrícola do lodo de
esgo-to. In: BETTIOL, W., CAMARGO, O. A.
Impacto ambiental do uso agrícola do lodo de esgoto. Jaguariúna: Embrapa Meio
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CETESB. Companhia de Tecnologia de Saneamento Ambiental. Aplicação de lodos de sistemas de tratamento biológico em áreas agrícolas: critérios para projeto e operação (Norma P4.230). São Paulo, 1999.
32p.
MELO, W. J., MARQUES, M. O., MELO, V. P. O uso agrícola do biossólido e as pro-priedades do solo. In: TSUTIYA, M. T. et
al. (eds.) Biossólido na agricultura. São
Paulo: SABESP, 2001. p.289-356.
OSHIRO, A. K., NOVELLI, A. D. P., LU-CENA, P. Aquisição do conhecimento. São
Carlos, 2000. 45p. Monografia (Graduação) - Instituto de Ciências Matemáticas.
RAIJ, B. et al. Recomendação de aduba-ção e calagem para o Estado de São Pau-lo. Campinas. 2.ed. Instituto Agronômico de
Campinas & Fundação-IAC, 1996. 285p. (BoletimTécnico 100).
