André Baxter Barreto. Marcos von Sperling. Universidade Federal de Minas Gerais, Belo Horizonte MG, Brasil

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AVALIAÇÃO DA METODOLOGIA DO REATOR DE LEITO FIXO

APLICADA EM CAMPO PARA REPRESENTAR UM SISTEMA ALAGADO

CONSTRUÍDO DE ESCOAMENTO HORIZONTAL SUBSUPERFICIAL

Gabriel Rodrigues Vasconcellos*

Universidade Federal de Minas Gerais, Belo Horizonte – MG, Brasil Departamento de Engenharia Sanitária e Ambiental

gabrielvasconcellos183@hotmail.com

André Baxter Barreto

andrebaxterbarreto@gmail.com

Marcos von Sperling

marcos@desa.com.br

Resumo

O presente trabalho teve como objetivo avaliar a metodologia do reator de leito fixo (RLF) aplicada em campo para investigações das condições ambientais (potencial redox, oxigênio dissolvido, pH e temperatura) no meio suporte de um Sistema Alagado Construído (SAC) de escoamento horizontal subsuperficial. O método de investigação proposto foi instalado em dois SAC operando em paralelo, um plantado com Typha latifolia e um não plantado, atuando como unidades de pós-tratamento de efluentes sanitários de um reator tipo UASB. O equivalente populacional aproximado de cada unidade é de 50 habitantes. O leito de ambas as unidades encontra-se em avançado estado de colmatação. O monitoramento das condições ambientais foi realizado em dois pontos ao longo do comprimento (região de entrada e região de saída do leito), da unidade plantada e não plantada, e em quatro RLF operando em campo. Os RLF foram plantados com Typha latifolia e possuem o mesmo meio suporte do SAC. A alimentação dos RLF foi realizada por uma bomba peristáltica que retirava o líquido intersticial do SAC. Os resultados indicaram que a temperatura nos RLF é mais elevada que no SAC, contribuindo para a redução do pH. Os valores de potencial redox foram semelhantes nos RLF correspondentes aos pontos do SAC. O oxigênio dissolvido do RLF apresentou maior estabilidade do que no SAC.

Palavras-chave: Wetlands Construídos. Sistemas alagados construídos. Reator de leito fixo.

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1. Introdução

Os Wetlands Construídos, também conhecidos nacionalmente por Sistemas Alagados Construídos (SAC), vêm sendo aplicados e estudados em vários países da Europa e EUA já há algumas décadas. No Brasil, pesquisas se iniciaram um tempo depois, buscando aprimorar os parâmetros de projeto e avaliar o desempenho do sistema em condições tropicais. Além de possuir um clima favorável, o Brasil possui amplo território e já apresenta tradição na utilização de sistemas naturais, de baixo custo e simplicidade operacional para tratamento de águas residuárias.

Vários estudos já foram realizados em SAC de diferentes escalas (escala real, piloto e de bancada). Outra linha de pesquisa são estudos em reatores de escala de bancada aplicados às condições de campo, pois permite aprofundar no conhecimento das interações que acontecem na zona de raízes, onde as complexas relações entre meio suporte, raízes, microrganismos e líquido intersticial ocorrem. Para isso, faz-se necessário avaliar se reatores de bancada, aplicado às condições de campo, representam as condições dos SAC.

O planted fixed bed reactor (PFR), desenvolvido por Kappelmeyer et al. (2002), é uma unidade de bancada para testes em solos plantados. O Reator de Leito Fixo (RLF), apresentado neste trabalho, é uma adaptação do PFR às condições de operação em campo. Segundo os criadores, este reator recria o ambiente subsuperficial do SAC, permitindo investigações sobre os processos que ocorrem na rizosfera, em um sistema com o escoamento uniforme no meio poroso, sem gradientes hidráulicos, garantindo a mistura completa no interior do reator. Seus criadores afirmam que o RLF é ideal para estudar a interação entre microrganismos, zona de raízes e meio suporte. Além disso, o reator permite estudos de fluxo de poluentes, evapotranspiração, ensaios com traçadores, produção de gases, ensaios respirométricos, entre outros.

Na presente pesquisa foi estudado um RLF como método de análise aplicado a um SAC de escoamento horizontal subsuperficial, atuando como pós-tratamento de um reator tipo UASB.

2. Materiais e métodos 2.1. Área de estudo

O estudo foi realizado no Centro de Pesquisa e Treinamento em Saneamento (CePTS) da Universidade Federal de Minas Gerais (UFMG). O CePTS localiza-se na Estação de Tratamento de Esgotos do Arrudas (ETE Arrudas), no município de Belo Horizonte – MG (coordenadas 19°53’42” S e 43°52’42” W).

2.2. Características dos sistemas alagados construídos (SAC)

Na presente pesquisa foi estudado um SAC de escoamento horizontal subsuperficial recebendo efluente de um reator tipo UASB (Upflow Anaerobic Sludge Blanket). O esgoto, antes de

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ser encaminhado para as unidades de estudo, passa por tratamento preliminar da ETE Arrudas, composto por sistema de gradeamento (grade grossa e fina) e desarenador.

O reator UASB apresenta um volume útil de 22 m3_{, operando com vazão de 80 m}3_/d,

resultando em Tempo de Detenção Hidráulica (TDH) médio de 6,6 horas. Parte do efluente do reator UASB é encaminhada para os dois SAC de escoamento horizontal subsuperficial, sendo uma unidade plantada com Thypha latifolia (taboa) e outra unidade não plantada (unidade controle). Ambas as unidades utilizam escória de alto forno como meio suporte. Cada unidade apresenta 25 m de comprimento, 3 m de largura e uma altura de 0,4 m de meio suporte.

Os SAC operam em paralelo com uma vazão de aproximadamente 7,5 m3_{/d. Cada unidade}

foi dimensionada para um equivalente populacional de 50 habitantes. O sistema está no oitavo ano de operação (de 2007 a 2014), e atualmente os dois leitos encontram-se em elevado estágio de colmatação, fato este demonstrado pelo escoamento superficial por praticamente todo o comprimento dos leitos. Com o intuito de simplificar, em cada ponto de monitoramento foi atribuída uma letra, conforme mostrado na Figura 1.

Figura 1: Vista em planta do Sistema Alagado Construído, com dimensões e localização de pontos de monitoramento. Observação: desenho fora de escala.

Legenda: EB=Esgoto Bruto; UASB=Upflow Anaerobic Sludge Blanket; SACP=Sistema Alagado Construído Plantado; SACNP=Sistema Alagado Construído Não Plantado; PM=Poço de Monitoramento; A=esgoto bruto; B=efluente do reator UASB (afluente aos SAC); C=poço de monitoramento na região central do SAC plantado; D=reator de leito fixo plantado na região central do SAC plantado; F=poço de monitoramento na região de saída do SAC plantado; G=reator de leito fixo plantado na região central do SAC plantado; I=efluente do SAC plantado; J=poço de monitoramento na região central do SAC não plantado; K=reator de leito fixo não plantado na região central do SAC não plantado; L=poço de monitoramento na região de saída do SAC não plantado; M=reator de leito fixo não plantado na região de saída do SAC não plantado; N=efluente do SAC não plantado. Fonte: Autoria própria (2015).

2.3. Características do reator de leito fixo (RLF)

Os RLF objetivaram recriar as mesmas condições dos SAC, utilizando a escória do leito e recebendo por bombeamento o líquido que está escoando no interior do SAC. Conforme mostrado na Figura 1, a alimentação dos RLF era realizada através do poço de monitoramento. A vazão de

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alimentação do RLF foi de aproximadamente 450 ml/min. Cada poço de monitoramento alimentava um RLF, conforme descrito:

• Poço de monitoramento C alimentava RLF plantado da região central (ponto D); • Poço de monitoramento F alimentava RLF plantado da região de saída (ponto G); • Poço de monitoramento J alimentava RLF não plantado da região central (ponto K); • Poço de monitoramento L alimentava RLF não plantado da região de saída (ponto M). O RLF desta pesquisa foi constituído em tubo de PVC com a superfície aberta e o fundo fechado. A altura adotada do RLF é de 30 cm, semelhante à altura do leito (altura útil de projeto), e seu diâmetro externo é de 30 cm, resultando em um volume de 21,2 litros. A distribuição do afluente se dá através de um anel de distribuição na parte superior. O líquido escoa pelo meio suporte até o centro do reator, onde é coletado por um tubo perfurado de 40 mm de diâmetro e 30 cm de altura. No fundo, há um orifício de 20 mm de diâmetro para a coleta do efluente, acoplado a uma mangueira que se ergue até uma altura de 30 cm, garantindo o nível de aproximadamente 30 cm no interior do reator.

Na Figura 2 é possível observar o funcionamento hidráulico do RLF. No interior do RLF existe uma cesta móvel armada em fios de aço inoxidável constituindo uma malha de 5 mm x 5 mm, a qual permite a passagem livre do líquido e mantém o meio suporte contido. A cesta interna do RLF apresenta um diâmetro de 28 cm e uma altura de 30 cm, totalizando um volume de escória de 18,5 litros. O espaço de 1 cm entre as paredes do reator e da cesta interna objetiva a circulação livre do líquido na entrada do sistema, permitindo uma distribuição homogênea ao longo de todo o perímetro e a altura do RLF. Mais detalhes da construção e operação do RLF podem ser obtidos em Vasconcellos (2015) e Barreto et al. (2015).

Figura 2: Desenho esquemático do funcionamento hidráulico do reator de leito fixo.

Fonte: Autoria própria (2015).

2.4. Estrutura de campo

Foram instalados quatro poços de monitoramento (PM) em dois pontos do comprimento dos SAC plantado e não plantado (Figura 1). Os dois primeiros PM localizam-se a 13 m da entrada das

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unidades (região central), aproximadamente metade do comprimento, e os outros dois PM a 23 m da entrada das unidades (região de saída). Os PM são construídos em tubos de PVC com 1/2ʺ de diâmetro, com furos de 2 mm de diâmetro com espaçamento de 10 cm. Todos os PM apresenta uma extensão de 2 metros e foi instalado perpendicularmente à direção do escoamento do leito. Foram posicionados a 25 cm de profundidade, aproximadamente metade da altura útil do leito. A metodologia de construção do PM empregou conceitos de amostragem de baixa vazão (ABNT NBR 15847:2010) e adaptações da metodologia de amostragem proposta por Nivala et al. (2013).

Uma bomba peristáltica retirava o líquido intersticial dos SAC por meio dos poços de monitoramento e conduzia para uma célula de fluxo, onde entrava em contato com sensores de uma sonda multiparamétrica marca YSI modelo 600 XLM. A estrutura montada operou retirando líquido intersticial do meio suporte em fluxo contínuo, com uma vazão de aproximadamente 450 ml/min.

2.5. Parâmetros de monitoramento

A sonda multiparamétrica realizava medições contínuas de potencial redox (Eh), potencial hidrogeniônico (pH), oxigênio dissolvido (OD) e temperatura, em intervalos de 15 min. A coleta dos dados foi realizada nos meses de agosto a novembro de 2014. O número de dados coletados foi igual para todos os parâmetros, sendo de 1.151 para o SACP central; 1.375 para o RLFP central; 1.029 para o SACP saída; 785 para o RLFP saída; 1.379 para o SACNP central; 1.381 para o RLFNP central; 1.253 para o SACNP saída; e 1.161 para o RLFNP saída. As medições foram realizadas nos pontos C, D, F, G, J, K, L e M, e podem ser observadas na Figura 1.

As leituras de Eh e pH foram realizadas através de um sensor pH/POR, utilizando um eletrodo de prata/cloreto de prata (Ag/AgCl). Para converter o Eh em referência ao eletrodo padrão de hidrogênio (SHE), foram adicionados 200 mV às leituras de POR, visando corrigir o Eh para o eletrodo padrão, conforme nota técnica do fabricante (YSI, 2001). O sensor de pH/POR possui capacidade de leitura de POR de -999 a +999 mV, com precisão de ±20 mV, e capacidade de leitura de pH de 0 a 14 com precisão de ±0,2. As leituras de OD foram realizadas por um sensor óptico (luminescência), com capacidade de leitura de 0 a 50 mg/L e precisão de ±0,2 mg/L. O sensor de temperatura possui capacidade de medição de -5 a +50 ºC, com precisão de ±0,15 ºC. A calibração dos sensores para todos os parâmetros investigados foi realizada antes dos períodos de monitoramento.

3. Resultados e discussão

A comparação entre o RLF correspondente ao PM do SAC plantado e não plantado teve como objetivo avaliar se a metodologia aplicada do RLF representou as condições do SAC. Para isso, foi realizado o monitoramento dos seguintes parâmetros: Eh, pH, OD e temperatura.

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3.1. Potencial redox (Eh)

O Eh retrata as condições oxirredutoras do sistema, mostrando qual é a tendência do meio (redução ou oxidação). Ao se interpretar os valores, deve-se relembrar que todos os dados de potencial redox estão apresentados como Eh, ou seja, são 200 mV superiores aos valores que seriam expressos como POR (potencial de oxirredução), devido à correção para o eletrodo de referência. Por meio da Figura 3 é possível observar os resultados do monitoramento do Eh nos pontos monitorados. Nota-se que os valores de potencial redox são negativos, portanto o eixo das ordenadas inicia-se em -400 mV.

Pela Figura 3, é possível observar que os valores médios de Eh nos pontos monitorados do SAC encontram-se ligeiramente acima dos valores do Eh nos RLF, para todos os pontos monitorados (SAC plantado região central e de saída; e SAC não plantado região central e de saída). Porém ambos permanecem na mesma faixa (-200 a -300 mV), ou seja, apresentam as mesmas condições redutoras. Nota-se que os valores médios de Eh na sequência plantada estão acima dos valores médios que os pontos da sequência não plantada, demonstrando a participação da planta neste parâmetro. Para o Eh, o RLF representou as mesmas condições redutoras que os respectivos pontos de monitoramento do SAC.

Figura 3: Gráfico box-plot dos dados de potencial redox (Eh) nos pontos monitorados.

Legenda: UASB=upflow anaerobic sludge blanket; SACP=sistema alagado construído plantado; SACNP=sistema alagado construído não plantado; RLFP=reator de leito fixo plantado; RLFNP=reator de leito fixo não plantado. Fonte: Pesquisa de campo (2015).

3.2. Oxigênio dissolvido (OD)

O OD é um parâmetro de difícil mensuração em ambientes predominantemente redutores, como no caso do SAC em estudo, pois seu consumo pelos microrganismos presentes no sistema é imediato (NIVALA et al., 2012), e as concentrações são usualmente baixas. Em virtude das condições redutoras dos SAC, tal como evidenciado pelos valores negativos de Eh, pequenas concentrações de OD foram medidas, como apresentado na Figura 4. Observa-se que todos os

-400 -300 -200 -100 0 UASB SACP central RLFP central SACP saída RLFP saída SACNP central RLFNP central SACNP saída RLFNP saída (mV) Potencial Redox 25% 50% 90% 10% Min Max 75% Média Sequência Não Plantada

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valores permanecem inferiores a 0,50 mg/L. Nota-se uma tendência de maiores flutuações do OD no SAC não plantado, demonstrando que o consumo de oxigênio pela biomassa da unidade plantada é maior do que na unidade não plantada.

Os valores de OD nos RLF apresentaram maior estabilidade quando comparados com os valores de OD no SAC. Por apresentar menor volume e ser um reator de mistura completa, os RLF proporcionam um maior consumo de oxigênio pela biomassa.

Figura 4: Gráfico box-plot dos dados de oxigênio dissolvido (OD) nos pontos monitorados.

Legenda: UASB=upflow anaerobic sludge blanket; SACP=sistema alagado construído plantado; SACNP=sistema alagado construído não plantado; RLFP=reator de leito fixo plantado; RLFNP=reator de leito fixo não plantado. Fonte: Pesquisa de campo (2015).

3.3. Temperatura

Os resultados de temperatura demonstram que o RLF é mais susceptível às mudanças de temperatura, por apresentar menor volume e maior área lateral de exposição à radiação solar, ao contrário do SAC, que se encontra escavado no solo. A Figura 5 apresenta os resultados. Nota-se que em todos os RLF correspondentes ao SAC, os valores médios estão mais elevados.

Figura 5: Gráfico box-plot dos dados de temperatura nos pontos monitorados.

0,00 0,10 0,20 0,30 0,40 0,50 UASB SACP central RLFP central SACP saída RLFP saída SACNP central RLF NP central SACNP saída RLF NP saída (m g/ L) Oxigênio Dissolvido 25% 50% 90% 10% Min Max 75% Média Sequência Não Plantada

Sequência Plantada 0 10 20 30 40 UASB SACP central RLFP central SACP saída RLFP saída SACNP central RLFNP central SACNP saída RLFNP saída Temperatura 25% 50% 90% 10% Min Max 75% Média Sequência Não Plantada

Sequência Plantada

(°

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3.4. pH

O pH é um importante parâmetro, pois representa as concentrações de íons hidrogênio H+, indicando as condições de acidez, neutralidade ou alcalinidade do líquido. A Figura 6 apresenta os resultados do monitoramento do pH na sequência plantada e não plantada, para o período avaliado. É possível notar que os valores de pH do SAC plantado e não plantado estão superiores aos valores de pH do reator UASB. Segundo de Paoli (2010), este fato ocorre devido ao fornecimento de componentes alcalinos, como o CaO e MgO presentes na escória de alto forno utilizada.

Pela Figura 6, observa-se que os valores de pH do SAC não plantado estão superiores aos valores de pH do SAC plantado. Estes resultados estão em conformidade com os descritos por Tao e Wang (2009), que observaram que a Typha latifolia utilizada em um SAC de fluxo superficial manteve o pH próximo à neutralidade, quando comparado com o mesmo sistema sem plantas.

Acredita-se que os processos de decomposição e respiração dos microrganismos no SAC plantado reduzem o pH do meio, pois há liberação de CO2, e consequentemente a formação de

ácido carbônico e íons H+_{. Este processo também pode ocorrer pela respiração das raízes das}

plantas. Além disso, as plantas liberam substâncias orgânicas que podem ser convertidas em ácidos húmicos, reduzindo o pH.

Na comparação entre os valores de pH do SAC com os RLF, observa-se que todos os valores de pH do SAC permaneceram acima dos valores de pH do RLF, pois com o aumento da temperatura, uma proporção maior de moléculas de água se quebram, produzindo maiores quantidade de íon H+, o que causa uma redução nos valores de pH.

Figura 6: Gráfico box-plot dos dados de potencial hidrogeniônico (pH) nos pontos monitorados.

6,00 6,50 7,00 7,50 8,00 UASB SACP central RLFP central SACP saída RLFP saída SACNP central RLFNP central SACNP saída RLFNP saída pH 25% 50% 90% 10% Min Max 75% Média

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3.5. Síntese dos resultados

A Tabela 1 resume as diferenças encontradas entre as medianas do SAC e o do RLF.

Tabela 1: Resumo das diferenças entre os valores de medianas do sistema alagado construído e reator de leito fixo.

Ponto Potencial redox

(mV)

Oxigênio dissolvido (mg/L)

Temperatura

(°C) pH

SACP central (ponto C) -223 0,10 22,1 7,04

RLFP central (ponto D) -236 0,10 23,5 6,95

Diferença C com D 13 (5,8%) 0,00 (0%) 1,4 (6,3%) 0,09 (1,3%)

SACNP central (ponto J) -242 0,10 22,8 7,34

RLFNP central (ponto K) -254 0,16 24,3 7,29

Diferença J com K 12 (5,0%) 0,06 (60%) 1,5 (6,6%) 0,05 (0,7%)

SACP saída (ponto F) -219 0,13 22,9 7,05

RLFP saída (ponto G) -233 0,10 24,1 6,97

Diferença F com G 14 (6,4%) 0,03 (23,1%) 1,2 (5,2%) 0,08 (1,1%)

SACNP saída (ponto L) -255 0,18 22,3 7,62

RLFNP saída (ponto M) -272 0,16 23,8 7,52

Diferença L com M 17 (6,7%) 0,02 (11,1%) 1,5 (6,7%) 0,10 (1,3%)

Legenda: SACP=sistema de alagado construído plantado; SACNP=sistema de alagado construído não plantado; RLFP=reator de leito fixo plantado; RLFNP=reator de leito fixo não plantado; pH=potencial hidrogeniônico. Fonte: Pesquisa de campo (2015).

É possível observar que as diferenças entre os valores de Eh são muito pequenas, entre 12 e 17 mV, valor considerado desprezível dentro das faixas de Eh. Para o OD as diferenças entre as medianas estão entre 0 e 0,06 mg/L. Como os valores são bem baixos, pequenas diferenças resultam em variações relativas maiores. A temperatura apresenta diferenças entre 1,2 a 1,5 °C, e o pH entre 0,05 e 0,10. Ou seja, todos os parâmetros avaliados estão de certa forma com pequenas diferenças entre as medianas, podendo aferir que o RLF representou as condições do SAC.

4. Conclusão

Os valores de Eh do SAC permaneceram mais elevados do que nos RLF. As concentrações de OD nos RLF foram mais estáveis que nos SAC correspondentes. A temperatura foi mais elevada nos RLF, devido à sua área de exposição lateral ser proporcionalmente maior, contribuindo para a disponibilidade do íon H+ e consequentemente para a redução do pH. Apesar disso, os resultados demonstram existir pouca diferença nos valores entre o RLF e o SAC correspondente.

Os autores destacam esta metodologia como o ponto de encontro entre pesquisas em escala laboratorial e escala real. O potencial desta metodologia consiste na possibilidade de realizar

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investigações em campo sobre o metabolismo do sistema em um reator controlado que reproduz as condições operacionais do meio suporte original.

5. Agradecimentos

Os autores do trabalho agradecem à Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES), ao Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico (CNPq), à Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de Minas Gerais (FAPEMIG) e à Companhia de Saneamento de Minas Gerais (COPASA) por todo o envolvimento nesta pesquisa.

6. Referências

ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DE NORMAS TÉCNICAS. NBR 15847: Amostragem de água subterrânea em poços de monitoramento - Métodos de purga. Rio de Janeiro, 2010.

BARRETO, A. B.; VASCONCELLOS, G. R.; VON SPERLING, M.; KUSCHK, P.; KAPPELMEYER, U.; VASEL, J. L. Field application of the planted fixed bed reactor (PFR) for support media and rhizosphere investigations using undisturbed samples from real scale constructed wetlands.Water Science and Technology, no prelo, 2015. DE PAOLI, André Cordeiro. Análise de desempenho e comportamento de wetlands horizontais de fluxo

subsuperficial baseado em modelos hidráulicos e cinéticos. Dissertação (Mestrado em Saneamento, Meio Ambiente e Recursos Hídricos). Universidade Federal de Minas Gerais, Belo Horizonte, Minas Gerais. 149p. 2010.

KAPPELMEYER, U; WIEBNER, A; KUSCHK, P; KASTNER, M. Operation of a universal test for planted soil filters – planted fixed bed reactor. Engineering in Life Sciences, 2002.

NIVALA, J.; HEADLEY, T.; WALLACE, S.; BERNHARD, K.; BRIX, H.; AFFERDEN, M.; MULLER, R. A. Comparative analysis of constructed wetlands: The design and construction of the ecotechnology research facility in Langenreichenbach, Germany. Ecological Engineering. 2472, p. 17, 2013.

NIVALA, J.; WALLACE, S.; HEADLEY, T.; KASSA, K.; BRIX, H.; VAN AFFERDEN, M.; MÜLLER, R. Oxygen transfer and consumption in subsurface flow treatment wetlands. Ecological Engineering. V.61, p. 544-554, 2012. TAO, W., WANG, J. Effects of vegetation, limestone and aeration on nitritation, anammox and denitrification in wetland treatment systems. Ecological Engineering, 35, 836-842. 2009.

VASCONCELLOS, Gabriel Rodrigues. Avaliação das condições de oxirredução em sistema alagado construído de escoamento horizontal subsuperficial. Dissertação (Mestrado em Saneamento, Meio Ambiente e Recursos Hídricos). Universidade Federal de Minas Gerais, Belo Horizonte, Minas Gerais. 112p. 2015.

YSI. Measuring ORP on YSI 6-Series Sondes: Tips, Cautions and Limitations. Tech note, YSI Environmental, 5 p., 2001.